CN113665373B - 一种太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统 - Google Patents

一种太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及新能源汽车技术领域，具体涉及一种太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，包括双轮毂直驱电机驱动控制系统、制动能量回收系统、差速控制系统、跛行控制系统和太阳光照强度的智能调速控制系统，本发明通过各个系统在不同工作模式下切换自如，使得各个系统之间能够相互配合工作，能够有效地提高轮毂电机的工作效率，降低行驶过程中的耗电量，提高汽车的经济性能，以此来保证太阳能汽车的动力性要求，还不影响动力的输出。

Description

一种太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，具体涉及一种太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统。
背景技术
太阳能汽车作为新能源汽车的一个重要分支和未来发展方向，不仅具有其他纯电动汽车零排放，驱动高效可控等优点，同时，在具有阳光辐射的条件下，太阳能汽车能够将随车的光伏系统产生的电能直接提供给汽车驱动机构，减少了蓄电池的使用，减轻了蓄电池的极板硫化，延长了蓄电池的使用寿命。其次，在汽车驱动部分不需要电能或者电能需求量小的情况下，能够将光伏系统产生的多余电能提供给需要充电的蓄电池，从而增加了汽车的续航能力。更重要的是太阳能汽车使用费用低廉，其不消耗任何的燃料，在阳光照射下可以实现驾驶的零成本，可以真正的实现绿色出行。但目前由于太阳能车用技术发展还不是很成熟，因此在太阳能汽车方面的高效控制系统方面还比较匮乏。
轮毂电机驱动适合于纯电动汽车，将2个、4个或者多个电机安装在车轮内部，直接驱动车轮，俗称电动轮。轮毂驱动彻底取消了离合器、变速器、差速器和半轴等，使底盘结构大大简化，传动效率提高，同时减小了整车质量且布置更合理，便于实现底盘智能化和电气化控制。
直接驱动的电机外转子直接与轮毂机械连接，无减速结构。电机转速约为1500r/min，由于无减速机构，驱动结构紧凑，传递效率更高。但在起步、爬坡等大负荷时需要大电流，易损坏电池和永磁体。因此，为了保证足够大的起步转矩和较好的动力性，其对电动机的要求较高。
在实际行驶过程中，随着交通环境和路面状况的变化，电动汽车轮毂电机的运行工况变化频繁，且存在冲击、振动等外界扰动，电机性能会对整车的动力性和NVH性能造成很大影响。因此，电动汽车轮毂电机必须具备效率高、可靠性高以及功率密度大、调速范围宽、过载能力强、低速扭矩大等特点。伴随高新控制理论、电子电力技术以及材料加工技艺等的发展，永磁同步电机在汽车驱动系统中的使用越来越普遍。永磁同步电机具有调速范围广、功率密度高、控制性能好、扭矩惯量比值大、噪音低等优势，且增加或减少电机极对数对其参数无影响，结构灵活多变，便于实现电机直接驱动负载，与电动轮对电机的要求十分契合。
而现有技术中轮毂电机的驱动系统一般为双轮毂电机同步直驱，这种驱动方式能够满足电动汽车行驶过程中的动力性要求，但在一定程度上经济性较低。因此需要一种兼具动力性及经济性的驱动控制系统。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
本发明提供的一种太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，包括双轮毂直驱电机驱动控制系统、制动能量回收系统、差速控制系统、跛行控制系统和太阳光照强度的智能调速控制系统；所述双轮毂直驱电机驱动控制系统、所述制动能量回收系统、所述差速控制系统、所述跛行控制系统和所述太阳光照强度的智能调速控制系统由整车控制器控制。
进一步地，所述双轮毂直驱电机驱动控制系统包括左电机单独驱动、右电机单独驱动和双电机驱动三种驱动模式；车辆的行驶状态可由所述左电机单独驱动、所述右电机单独驱动和所述双电机驱动中任意一种模式驱动。
进一步地，所述双轮毂直驱电机驱动控制系统还包括定速巡航模式和非定速巡航模式；车辆设定有油门开度的设定值P；当车辆处于所述定速巡航模式时，采用所述右电机单独驱动；当车辆处于所述非定速巡航模式，并且油门开度小于所述设定值P时，采用左电机单独驱动；当车辆处于所述非定速巡航模式，并且油门开度大于所述设定值P时，采用双轮毂电机驱动。
进一步地，车辆的电机工作温度设定有限制值，当车辆的电机工作温度超过所述限制值时，所述双轮毂直驱电机驱动控制系统进行左电机和右电机之间的切换，并进行驱动。
进一步地，所述定速巡航模式设定有目标车速；当车辆的实际车速与目标车速的误差范围小于3％时，采用趋于稳定的PID参数调节电机输出；当车辆的实际车速与目标车速的误差范围大于3％时，采用快速调节的PID参数调节电机输出。
进一步地，所述制动能量回收系统包括以下步骤：所述整车控制器通过对所述制动踏板进行信号采集；所述整车控制器通过采集的信号进行判断，并执行制动能量回收；所述制动能量回收包括电制动和电制动及机械制动共同作用两个模式；制动踏板设有制动踏板开度设定值B；当所述制动踏板的开度小于所述设定值B时，采用电制动模式；当所述制动踏板的开度大于所述设定值B时，采用电制动及机械制动共同作用模式。
进一步地，所述电制动由所述左电机单独驱动或所述右电机单独驱动进行进行制动能量回收。
进一步地，所述差速控制系统包括以下步骤：所述整车控制器计算车辆的各驱动轮的转弯目标速度，并发送至电机控制器；电机控制器调节左电机和右电机的转速。
进一步地，当车辆发生故障时，所述跛行控制系统可控制单电机或双电机运行。
进一步地，所述太阳光照强度的智能调速控制系统包括以下步骤：电流传感器获取太阳能板的输出电流；根据输出电流对应出修正系数；将修正系数添加到电机PID控制算法中。
本发明具有的优点或者有益效果：
本发明提供的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，包括双轮毂直驱电机驱动控制系统、制动能量回收系统、差速控制系统、跛行控制系统和太阳光照强度的智能调速控制系统，本发明通过各个系统在不同工作模式下切换自如，使得各个系统之间能够相互配合工作，能够有效地提高轮毂电机的工作效率，降低行驶过程中的耗电量，提高汽车的经济性能，以此来保证太阳能汽车的动力性要求，还不影响动力的输出。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是双轮毂直驱电机驱动控制系统的控制原理图；
图2是制动能量回收系统的控制原理图；
图3是转向差速控制系统的控制原理图；
图4是跛行控制系统的控制原理图；
图5是太阳光照强度智能调速控制系统控制原理图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要注意的是，本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。
应当理解的是，当在本说明书中如使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行说明，显然所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对附图中提供的本发明实施例中的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
现有技术中轮毂电机的驱动系统一般为双轮毂电机同步直驱，这种驱动方式能够满足电动汽车行驶过程中的动力性要求，但在一定程度上经济性较低。因此需要一种兼具动力性及经济性的驱动控制系统。
为了解决上述技术问题，本发明实施例1提供的一种太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，如图1至图5所示，包括双轮毂直驱电机驱动控制系统、制动能量回收系统、差速控制系统、跛行控制系统和太阳光照强度的智能调速控制系统；双轮毂直驱电机驱动控制系统、制动能量回收系统、差速控制系统、跛行控制系统和太阳光照强度的智能调速控制系统由整车控制器控制。本发明通过各个系统在不同工作模式下切换自如，使得各个系统之间能够相互配合工作，能够有效地提高轮毂电机的工作效率，降低行驶过程中的耗电量，提高汽车的经济性能，以此来保证太阳能汽车的动力性要求，还不影响动力的输出。
优选地，本实施例1提供的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，如图1所示，双轮毂直驱电机驱动控制系统包括左电机单独驱动、右电机单独驱动和双电机驱动三种驱动模式；车辆的行驶状态可由左电机单独驱动、右电机单独驱动和双电机驱动中任意一种模式驱动。
本实施例1中，通过针对该车使用的某款永磁同步轮毂电机，可以发现其高效区位于高转速高扭矩区域。在定速巡航的模式下，电动汽车行驶较为平稳，工况较稳定，以电机目标转速相同的情况下进行讨论。如果电动汽车处于双轮毂电机驱动模式，那么两个电机均分扭矩，这样的话，两个电机就工作在了效率较低的区域。相反，如果采用单轮毂电机驱动模式，扭矩全部由一个电机输出，则单电机工作在效率较高的区域。
优选地，本实施例1提供的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，双轮毂直驱电机驱动控制系统还包括定速巡航模式和非定速巡航模式；车辆设定有油门开度的设定值P；当车辆处于定速巡航模式时，采用右电机单独驱动；当车辆处于非定速巡航模式，并且油门开度小于设定值P时，采用左电机单独驱动；当车辆处于非定速巡航模式，并且油门开度大于设定值P时，采用双轮毂电机驱动。
本实施例1中，油门开度的采集是通过AD采集，油门踏板的物理零开度为左电机零开度，设定值为右电机的零开度，油门踏板的物理满开度为两个电机的满开度。油门开度设定值P是依据电机扭矩而确定的，而电机扭矩的设定值取决于车辆的不同、电机的不同。因此可以事先设定一个油门开度与扭矩需求的对应表，以此来得到油门开度与扭矩需求的一一对应关系。例如：设定扭矩值为60Nm，对应的油门开度为60％。当扭矩需求小于60Nm，即油门开度小于60％时，采用单电机驱动，相比双电机驱动，电机效率较高；当扭矩需求大于60Nm，即油门开度大于60％时，车辆动力性要求较大，时间较短，因此可以牺牲一定的经济性。
优选地，本实施例1提供的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，车辆的电机工作温度设定有限制值，当车辆的电机工作温度超过限制值时，双轮毂直驱电机驱动控制系统进行左电机和右电机之间的切换，并进行驱动。
优选地，本实施例1提供的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，定速巡航模式设定有目标车速；当车辆的实际车速与目标车速的误差范围小于3％时，采用趋于稳定的PID参数(第一组PID参数)调节电机输出，能够精细调节实际车速，使得车速与目标车速逐渐接近；当车辆的实际车速与目标车速的误差范围大于3％时，采用快速调节的PID参数(第二组PID参数)调节电机输出，能够快速减小实际车速与目标车速的误差。
本实施例1中，在定速巡航模式下，定速巡航模式下，根据是否处于下坡以及车速大小改变系统，其中是否处于下坡通过坡度传感器进行采集。当车辆处于下坡状态时，且实际速度大于巡航速度，则采取能量回收系统降低车速；其他情况下均采用PID调节车速。例如：当实际车速与巡航速度之间的误差在3km/h以内时，采用第一组PID参数进行调节，其中KP＝15，KI＝20，KD＝0，在调整车速过程中，主要注重调节幅度，让车速更平稳；当实际车速与巡航速度之间的误差在3km/h以上时，采用第二组PID参数进行调节，其中KP＝50，KI＝10，KD＝0，第二组PID参数在调整车速过程中，主要注重调节速度，让调节更快。
针对该车使用的某款永磁同步轮毂电机，根据电动汽车的常用定速巡航车速区间V1～V2，确定电机转速区间n1～n2，然后通过整车的参数计算出整车所需驱动力矩。
本实施例1中，如图1所示，双轮毂直驱电机驱动控制系统的工作原理为：
车辆启动，并判断车辆是否处于定速巡航模式：
当车辆处于定速巡航模式时，采用右电机驱动，车辆中的坡度传感器判断是否处于下坡状态；当车辆处于下坡，车辆的速度V＞V2时，进行能量回收，若V＞V1，继续进行能量回收，直至V＜V1时，第二组PID参数调节车辆速度；当车辆未处于下坡状态，V＞V2时，第二组PID参数调节车辆速度，V1＜V＜V2时，第一组PID参数调节幅度，当V＜V1时，第二组PID参数调节速度。
当车辆处于非定速巡航模式时，若油门开度大于设定值P时，采用双电机驱动；若油门开度小于设定值P时，采用左电机驱动。
在本双轮毂直驱电机驱动控制系统中，在定速巡航模式和小油门开度下，采用不同的单电机驱动，即轮毂电机交替工作，是为了避免两个电机工作时间相差较多，损耗情况相差较大。当车辆处于下坡状态且车速与目标车速相差较大时，车辆采用能量回收系统，直到速度小于目标车速。当电动汽车处于非定速巡航模式，且油门开度大于设定值P时，采用双轮毂电机驱动。此模式是由油门开度较小，单轮毂电机驱动模式转换而来，即两个电机转速相同，右电机由空载状态，加载到双电机共同驱动的状态。双轮毂电机驱动是为了保证电动汽车的动力性。
为了提高能量利用率，减少因刹车所带来的能量损失，优选地，本实施例1提供的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，如图2所示，制动能量回收系统包括以下步骤：整车控制器通过对制动踏板进行信号采集；整车控制器通过采集的信号进行判断，并执行制动能量回收；制动能量回收包括电制动和电制动及机械制动共同作用两个模式；制动踏板设有制动踏板开度设定值B；当制动踏板的开度小于设定值B时，采用电制动模式；当制动踏板的开度大于设定值B时，采用电制动及机械制动共同作用模式。
本实施例1中，整车控制器通过对制动踏板的位移传感器的信号采集，判断执行电制动或电制动及机械制动共同作用，实现制动能量回收。整车控制器实时采集制动踏板的位移传感器的信号，根据位移传感器的信号判断踏板移动程度。当制动踏板开度小于设定值30％(制动踏板开度由环境温度、电机温度以及动力电池SOC确定。)时，采用电制动，实现能量回收并达到降低速度的目的；当制动踏板开度大于设定值30％时，采用电制动和机械制动(刹车钳机械制动)共同作用，实现快速减速的同时回收一部分制动能量。
优选地，电制动由左电机单独驱动或右电机单独驱动进行进行制动能量回收。在单电机驱动的情况下电制动，两后轮需要同时电制动，采用可调节不同电机目标电流的控制系统，使得两后轮力矩均衡，防止车辆制动时发生偏转。
在传统燃油车或单电机驱动的电动汽车上，均会使用差速器使得车辆在转向时两驱动轮的转速不同。针对这一技术问题，本实施例1提供的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，如图3所示，差速控制系统包括以下步骤：整车控制器计算车辆的各驱动轮的转弯目标速度，并发送至电机控制器；电机控制器调节左电机和右电机的转速。
本差速控制系统的具体步骤为：
车辆启动，判断车辆是否处于行驶状态，判断是否处于双电机驱动模式，采集方向盘的转动角度，并判断转向角度是否大于设定值30°，若判断结果均为“是”，控制系统中根据阿克曼转向计算转向半径，整车控制器计算两驱动轮目标转速并发送至电机控制器，电机控制器调节两电机的转速。
本实施例1中，在轮毂电机直驱的新能源汽车上，两电机没有物理连接，转速由电机控制器控制，因此为了使得转向平稳，控制系统中加入了差速控制。整车控制器通过对方向盘转角传感器的信号采集，判断方向盘转角是否超过30°，判断车辆是否处于转向状态，如果车辆处于转向状态，利用方向盘转角、车辆轴距、轮距等参数，根据阿克曼转向几何计算车辆的转弯半径，再利用实时车速、车辆滑移率、胎压(通过胎压传感器获取)计算两驱动轮的目标转速，发送给电机控制器，从而实现在双轮毂电机驱动情况下的差速控制，保证车辆转弯的稳定性，以利于保护轮胎。
为了应对零部件故障失效的问题，本实施例1提供的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，如图4所示，当车辆发生故障时，跛行控制系统可控制单电机或双电机运行。
本实施例1中，整车控制器实时监测车辆各零部件的工作状态。当电机相关传感器，例如霍尔传感器或旋变，发生故障，整车控制器通过控制另一未失效电机行驶并通过仪表警示驾驶员。当电驱动系统发生故障的情况下，整车控制器通过启用备用控制回路对双电机或单电机进行简单控制，并通过仪表警示驾驶员实现跛行回家的功能。当其他传感器，包括但不限于转向角度传感器，发生故障时，整车控制器通过仪表警示驾驶员，并削减相关部分控制系统，使得可以简单控制车辆行驶致修理厂。
本跛行控制系统的原理为：
跛行控制系统采集各传感器、执行器的工作状态，若次要零部件故障失效，通过仪表警示驾驶员；若电机相关零部件故障失效，两个电机均发生故障，结束车辆运行，若其中一个电机发生故障，通过仪表警示驾驶员，车辆进行单电机驱动行驶。
太阳能是太阳能汽车的能量来源之一，因此太阳能汽车受光照强度影响较大，包括太阳直射角、太阳能板洁净程度等，这些因素直接影响的是太阳能板的输出电流。优选地，本实施例1提供的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，如图5所示，太阳光照强度的智能调速控制系统包括以下步骤：电流传感器获取太阳能板的输出电流；根据输出电流对应出修正系数；将修正系数添加到电机PID控制算法中。
本实施例1中，在定速巡航模式下，考虑太阳光照强度对车辆能量的影响。太阳能车将光照强度作为影响系统的一个参数。流传感器获取太阳能板的输出电流，以太阳能板输出电流为衡量光照强度的参数，将输出电流与修正系数拟合成一个单调的函数关系，将此修正系数添加到电机PID控制的系数中，以此来限制在PID调节过程中的限幅值大小。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，其特征在于，包括双轮毂直驱电机驱动控制系统、制动能量回收系统、差速控制系统、跛行控制系统和太阳光照强度的智能调速控制系统；
所述双轮毂直驱电机驱动控制系统、所述制动能量回收系统、所述差速控制系统、所述跛行控制系统和所述太阳光照强度的智能调速控制系统由整车控制器控制；
所述双轮毂直驱电机驱动控制系统包括左电机单独驱动、右电机单独驱动和双电机驱动三种驱动模式；车辆的行驶状态可由所述左电机单独驱动、所述右电机单独驱动和所述双电机驱动中任意一种模式驱动；
所述双轮毂直驱电机驱动控制系统还包括定速巡航模式和非定速巡航模式；车辆设定有油门开度的设定值P；
当车辆处于所述定速巡航模式时，采用所述右电机单独驱动；
当车辆处于所述非定速巡航模式，并且油门开度小于所述设定值P时，采用左电机单独驱动；
当车辆处于所述非定速巡航模式，并且油门开度大于所述设定值P时，采用双轮毂电机驱动；
其中，所述太阳光照强度的智能调速控制系统包括以下步骤：
电流传感器获取太阳能板的输出电流；根据输出电流对应出修正系数；将修正系数添加到电机PID控制算法中。
2.根据权利要求1所述的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，其特征在于，车辆的电机工作温度设定有限制值，当车辆的电机工作温度超过所述限制值时，所述双轮毂直驱电机驱动控制系统进行左电机和右电机之间的切换，并进行驱动。
3.根据权利要求1所述的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，其特征在于，所述定速巡航模式设定有目标车速；
当车辆的实际车速与目标车速的误差范围小于3%时，采用趋于稳定的PID参数调节电机输出；
当车辆的实际车速与目标车速的误差范围大于3%时，采用快速调节的PID参数调节电机输出。
4.根据权利要求1所述的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，其特征在于，所述制动能量回收系统包括以下步骤：
所述整车控制器通过对制动踏板进行信号采集；所述整车控制器通过采集的信号进行判断，并执行制动能量回收；
所述制动能量回收包括电制动和电制动及机械制动共同作用两个模式；制动踏板设有制动踏板开度设定值B；
当所述制动踏板的开度小于所述设定值B时，采用电制动模式；
当所述制动踏板的开度大于所述设定值B时，采用电制动及机械制动共同作用模式。
5.根据权利要求4所述的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，其特征在于，所述电制动由所述左电机单独驱动或所述右电机单独驱动进行制动能量回收。
6.根据权利要求1所述的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，其特征在于，所述差速控制系统包括以下步骤：
所述整车控制器计算车辆的各驱动轮的转弯目标速度，并发送至电机控制器；电机控制器调节左电机和右电机的转速。
7.根据权利要求1所述的太阳能汽车双轮毂电机智能控制系统，其特征在于，当车辆发生故障时，所述跛行控制系统可控制单电机或双电机运行。
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