CN209388176U - 基于硬件在环的分布式四轮电驱动新能源汽车实验系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于硬件在环的分布式四轮电驱动新能源汽车实验系统，包括驱动及测功子系统、驱动电源子系统、能量回收测量与消耗子系统以及系统网络、动力学建模及快速原型控制子系统四大子系统；驱动及测功子系统、驱动电源子系统、能量回收测量与消耗子系统分别与系统网络、动力学建模及快速原型控制子系统相连，驱动及测功子系统分别与驱动及测功子系统和能量回收测量与消耗子系统以及系统网络相连，驱动电源子系统与能量回收测量与消耗子系统以及系统网络相连。该系统可实现分布式驱动三种驱动模式，六种不同组合形式，实现单一系统对多种模式分布式驱动新能源汽车驱动控制，最大程度的节约设备投入，极大的提高设备利用效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于硬件在环的分布式四轮电驱动新能源汽车实验系统。
背景技术
分布式电驱动新能源汽车将动力源分布在驱动轮附近或轮内，最大程度减少动力传递过程中的损失，提高传递效率。同时，驱动力分散更加容易实现汽车根据路面情况对每个驱动轮独立控制，最大程度增加汽车驱动可控性，提高车轮与道路的附着率，提高操纵稳定性。另外，由于驱动系统的分散布置，有利于提升车内乘坐空间，提高乘坐舒适性。基于上述优势，近年来国内外专家学者及汽车制造商都积极开展到分布式四轮电驱动新能源汽车技术的研究。
尽管部分车企已经将分布式电驱动技术应用于实车运行，但由于分布式驱动存在驱动难以协调控制、差速控制精度要求高以及簧下质量增加导致车辆高速平顺性和操稳性下降等关键技术难题并未得到很好解决和突破，相关研究还需要继续投入。由于分布式四轮电驱动新能源汽车关键技术研究涉及到整车各个子系统，如果研究过程中全部以实车为对象，势必造成研究投入巨大、耗费时间周期长等问题。
文献“分布式驱动电动汽车双馈电机驱动系统研究”中建立了基于d SPACE的双变流器控制双馈电机试验台。该试验台三相绕线式感应电机、直流/三相交流的变流模块和相关的测试设备进行组合，采用快速控制原型开发技术，搭建了基于d SPACE的快速控制原型的试验开发平台。为验证所提策略的可行性，缩短开发周期。在双馈电机的转子侧，由dSPACE-1103控制SKAI门极驱动型变流模块将直流电压转换为交流电压，从而向转子提供所需的控制电压和电流。文献中所搭建的试验台利用AVL e-Storage电池模拟测试系统作为之路电源输出设备，价格昂贵。且所搭建的系统仅仅模拟两电机驱动形式，驱动形式组合较少，四轮独立驱动控制模拟较困难。同时，利用由d SPACE-1103控制SKAI门极驱动型变流模块取代电机控制器，与实际电机驱动控制有较大差异，模拟控制精度有待考证。
专利申请“一种车辆分布式能源动力系统及其控制方法(申请号：CN201610827005.0)”公开了一种车辆分布式能源动力系统及其控制方法，其系统结构如图1所示，涉及新能源车辆动力技术领域。动力系统由驱动电机、电池管理系统和增程器组成。同时，该实用新型还提供了相应的控制方法。该实用新型以多电机的驱动方式以及多能源的供给方式，满足不同路况以及不同车辆负载匹配需求，从而改善整车效率、有效延长电动汽车行驶里程、提高系统的动力性和经济性。
该专利申请中涉及到了分布式动力系统的控制，但其载体是车辆本身，模拟车辆载荷变化有限，系统的灵活性不足。同时，所述控制方式和载体都是以实物为对象，开发成本较高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可实现分布式驱动三种驱动模式，六种不同组合形式，实现单一系统对多种模式分布式驱动新能源汽车驱动控制关键技术研究，最大程度的节约设备投入，并极大的提高设备利用效率的基于硬件在环的分布式四轮电驱动新能源汽车实验系统。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：包括驱动及测功子系统、驱动电源子系统、能量回收测量与消耗子系统以及系统网络、动力学建模及快速原型控制子系统四大子系统；驱动及测功子系统、驱动电源子系统、能量回收测量与消耗子系统分别与系统网络、动力学建模及快速原型控制子系统相连，驱动及测功子系统分别与驱动及测功子系统和能量回收测量与消耗子系统以及系统网络相连，驱动电源子系统与能量回收测量与消耗子系统以及系统网络相连接。
进一步地，所述驱动及测功子系统包括测功机A、测功机B、驱动电机A、驱动电机B、电磁离合器、联轴器A和联轴器B；驱动电机A、驱动电机B通过驱动电源子系统为其供电以驱动电机，测功机A、测功机B分别为驱动电机A、驱动电机B加载模拟驱动电机负载，测功机A、和驱动电机A、测功机B和驱动电机B分别通过联轴器A和联轴器B实现连接以实现动力传输，电磁离合器通过通断电实现驱动电机A和驱动电机B的动力耦合和断开。
进一步地，所述驱动电源子系统包括电机控制器A、电机控制器B、接触器A、接触器B、220V交流电源以及直流电源；220V交流电源通过交流直流转换电路连接直流电源，直流电源分别与接触器A和接触器B连接，接触器A通过电机控制器A连接驱动电机A，接触器B通过电机控制器B与驱动电机B相连。
进一步地，所述能量回收测量与消耗子系统包括回收能量耗散单元、直流测量单元以及交流测量单元；
回收能量耗散单元分别与直流电源与接触器A、直流电源与接触器B连接的两个端口相连；
直流测量单元分别与接触器A与电机控制器A、接触器B与电机控制器B连接的两个端口相连；
交流测量单元分别与电机控制器A与驱动电机A、电机控制器B与驱动电机B连接的两个端口相连。
本实用新型的有益效果是：(1)该系统可实现分布式驱动三种驱动模式，六种不同组合形式，实现单一系统对多种模式分布式驱动新能源汽车驱动控制，最大程度的节约设备投入，并极大的提高设备利用效率；
(2)该系统可实现不同驱动模式下整车控制策略(驱动协调控制)对平顺性和操纵稳定性等性能的仿真、测试和验证；
(3)该系统可实现对分布式四轮电驱动汽车运行过程中驱动及控制系统的网络传输迟滞(干扰)建模、测试、验证；
(4)该系统可实现对分布式驱动新能源汽车制动能量回收策略的研究，基于实验验证制动能量回收策略的有效性，能量回收效率测定。利用交流测量单元精确测量电机能量回收量，并基于直流公母线技术测量直流回收和耗散能量。
附图说明
图1为现有技术的车辆分布式能源动力系统的结构图；
图2为本实用新型的基于硬件在环的分布式四轮电驱动新能源汽车实验系统的结构图；
图3为本实用新型的四轮独立驱动模式一的示意图；
图4为本实用新型的四轮独立驱动模式二的示意图；
图5为本实用新型的四轮独立驱动模式三的示意图；
附图标记说明：1-测功机A，2-测功机B，3-驱动电机A，4-驱动电机B，5-电磁离合器，6-联轴器A，7-联轴器B，8-电机控制器A，9-电机控制器B，10-接触器A，11-接触器B，12-220V交流电源，13-直流电源，14-回收能量耗散单元、15-直流测量单元，16-交流测量单元，17-包括快速原型单元、18-上位机—系统建模与控制单元，19-网络诊断与干扰单元。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。
该实验系统采用“虚”“实”相结合的方式组成，如图2所示。图中，带箭头的实线代表高/低压电源与传递方向，带箭头的虚线代表系统控制信号与传递方向。基于硬件在环的分布式四轮电驱动新能源汽车实验系统，包括驱动及测功子系统、驱动电源子系统、能量回收测量与消耗子系统以及系统网络、动力学建模及快速原型控制子系统四大子系统；驱动及测功子系统、驱动电源子系统、能量回收测量与消耗子系统分别与系统网络、动力学建模及快速原型控制子系统相连，驱动及测功子系统分别与驱动及测功子系统和能量回收测量与消耗子系统以及系统网络相连，驱动电源子系统与能量回收测量与消耗子系统以及系统网络相连接。
进一步地，所述驱动及测功子系统包括测功机A1、测功机B2、驱动电机A3、驱动电机B4、电磁离合器5、联轴器A6和联轴器B7；驱动电机A3、驱动电机B4通过驱动电源子系统为其供电以驱动电机，测功机A1、测功机B2分别为驱动电机A3、驱动电机B4加载模拟驱动电机负载，测功机A1、和驱动电机A3、测功机B2和驱动电机B4分别通过联轴器A6和联轴器B7实现连接以实现动力传输，电磁离合器通过通断电(采用24V直流电)实现驱动电机A3和驱动电机B4的动力耦合和断开。当电磁离合器5处于通电状态时，模拟汽车同轴双动力驱动；当电磁离合器5处于断电状态时，模拟汽车双动力独立驱动，可以是“同轴”独立驱动，也可以是前后轴独立驱动，同时还可模拟一个电机处于驱动状态(电动机)，另一个电机处于能量回收状态(发电机)。
进一步地，所述驱动电源子系统包括电机控制器A8、电机控制器B9、接触器A10、接触器B11、220V交流电源12以及直流电源13；220V交流电源12通过交流直流转换电路连接直流电源13，直流电源13分别与接触器A10和接触器B11连接，接触器A10通过电机控制器A8连接驱动电机A3，接触器B11通过电机控制器B9与驱动电机B4相连。该子系统主要为驱动电机A3、驱动电机B4提供电源。接触器A10、接触器B11实现对直流电源的及时开和关，保证安全。电机控制器A8、电机控制器B9负责实现上位机对电机进行控制，并将直流电转换为交流电为驱动电机供电，同时也为当驱动电机作为发电机时实现交流转换为直流。
进一步地，所述能量回收测量与消耗子系统包括回收能量耗散单元14、直流测量单元15以及交流测量单元16；
回收能量耗散单元14分别与直流电源13与接触器A10、直流电源13与接触器B11连接的两个端口相连；
直流测量单元15分别与接触器A10与电机控制器A8、接触器B11与电机控制器B9连接的两个端口相连；
交流测量单元16分别与电机控制器A8与驱动电机A3、电机控制器B9与驱动电机B4连接的两个端口相连。
当驱动及测功子系统中其中一个驱动电机作为发电机工作时，通过交流测量单元16精确监测回收电能。同时，采用直流共母线技术，将回收的电能通过电机控制器转化为直流电为另一个驱动电机供电。通过直流测量单元15精确监测电机回收并转化直流的电能以及另一个电机消耗的电能。由于电能的回收，一方面为另一个驱动电机供电，同时也使母线电压升高，为保持母线电压稳定，采用回收能量耗散单元14消耗回收多余的电能。
进一步地，所述网络通讯、动力学建模及快速原型控制子系统包括快速原型单元17、上位机—系统建模与控制单元18以及网络诊断与干扰单元19；
快速原型单元17负责收发本实验系统其它各子系统控制信号，模拟汽车驱动控制系统(DCU)，并实现上位机—系统建模与控制单元18控制算法和程序的快速写入和执行；各子系统与快速原型单元17的信息交换和通讯都是基于CAN或更高通信速率的通信协议进行传输；网络诊断与干扰单元19用于实现网络传输建模、状态监测以及人为对网络传输进行干扰，以研究网络传输状态对驱动控制的影响规律；上位机—系统建模与控制单元18负责整车动力学建模以及设计仿真工况，并实现对驱动电机进行“虚”“实”相结合的控制(所构建模型可以是两轮驱动也可以是四轮驱动。两轮驱动即两个实际电机作为驱动电机，四轮驱动即为两个实际电机和两个虚拟电机模型各自作为驱动电机)。
本实用新型的由四个子系统组成的一种基于硬件在环的分布式四轮电驱动新能源汽车实验装置可以实现三种不同的驱动模式六种动力组合形式：
第一种驱动模式：四轮独立驱动(如图3所示)。分两种动力组合：(1)两台实际电机+两台模拟电机驱动；(2)一台实际电机+三台模拟电机驱动。
第二种驱动模式：四电机双轴驱动(如图4所示)。分两种动力组合：(1)其中一轴两台实际电驱驱动，另一轴两台虚拟电机驱动；(2)双轴各自由一台实际电机和一台模拟电机驱动。
第三种驱动模式：双电机单轴驱动(如图5所示)。分两种动力组合：(1)两台实际电机驱动单轴；(2)一台实际电机+一台模拟电机驱动单轴。图2～图4中，M(1、2、3、4)为驱动电机，实线表示实际电机，虚线表示模拟电机。L12和L34表示连接驱动电机的电磁离合器。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。
Claims (4)
1.基于硬件在环的分布式四轮电驱动新能源汽车实验系统，其特征在于，包括驱动及测功子系统、驱动电源子系统、能量回收测量与消耗子系统以及系统网络、动力学建模及快速原型控制子系统四大子系统；驱动及测功子系统、驱动电源子系统、能量回收测量与消耗子系统分别与系统网络、动力学建模及快速原型控制子系统相连，驱动及测功子系统分别与驱动及测功子系统和能量回收测量与消耗子系统以及系统网络相连，驱动电源子系统与能量回收测量与消耗子系统以及系统网络相连接。
2.根据权利要求1所述的基于硬件在环的分布式四轮电驱动新能源汽车实验系统，其特征在于，所述驱动及测功子系统包括测功机A(1)、测功机B(2)、驱动电机A(3)、驱动电机B(4)、电磁离合器(5)、联轴器A(6)和联轴器B(7)；驱动电机A(3)、驱动电机B(4)通过驱动电源子系统为其供电以驱动电机，测功机A(1)、测功机B(2)分别为驱动电机A(3)、驱动电机B(4)加载模拟驱动电机负载，测功机A(1)、和驱动电机A(3)、测功机B(2)和驱动电机B(4)分别通过联轴器A(6)和联轴器B(7)实现连接以实现动力传输，电磁离合器通过通断电实现驱动电机A(3)和驱动电机B(4)的动力耦合和断开。
3.根据权利要求2所述的基于硬件在环的分布式四轮电驱动新能源汽车实验系统，其特征在于，所述驱动电源子系统包括电机控制器A(8)、电机控制器B(9)、接触器A(10)、接触器B(11)、220V交流电源(12)以及直流电源(13)；220V交流电源(12)通过交流直流转换电路连接直流电源(13)，直流电源(13)分别与接触器A(10)和接触器B(11)连接，接触器A(10)通过电机控制器A(8)连接驱动电机A(3)，接触器B(11)通过电机控制器B(9)与驱动电机B(4)相连。
4.根据权利要求3所述的基于硬件在环的分布式四轮电驱动新能源汽车实验系统，其特征在于，所述能量回收测量与消耗子系统包括回收能量耗散单元(14)、直流测量单元(15)以及交流测量单元(16)；
回收能量耗散单元(14)分别与直流电源(13)与接触器A(10)、直流电源(13)与接触器B(11)连接的两个端口相连；
直流测量单元(15)分别与接触器A(10)与电机控制器A(8)、接触器B(11)与电机控制器B(9)连接的两个端口相连；
交流测量单元(16)分别与电机控制器A(8)与驱动电机A(3)、电机控制器B(9)与驱动电机B(4)连接的两个端口相连。
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