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专利号: 2017113354968
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种轮毂电机驱动汽车集成设计与协同控制试验平台,其特征在于:包括整车控制系统、主动分布式驱动系统、EMB电子机械式制动系统、主动转向系统、动力电池组及电池管理系统、整车车架结构和悬架模块;

所述整车控制系统,包括整车控制器、操纵机构传感器和通讯系统;所述操纵机构传感器包括方向盘转角和转矩传感器、加速踏板传感器、制动踏板传感器和整车惯性测量单元;

所述方向盘转角和转矩传感器用于检测方向盘转角和转矩;所述加速踏板传感器用于检测加速踏板开度;所述制动踏板传感器用于检测制动踏板开度;所述整车惯性测量单元用于检测整车横摆角度、整车侧倾角和质心侧偏角;整车控制系统通过通讯系统的CAN总线接收主动分布式驱动系统中四个电机控制器、EMB电子机械式制动系统中EMB控制器、主动转向系统中转向控制器、动力电池组及电池管理系统中电池管理系统的CAN信号和操纵机构传感器信号,解析驾驶意图和获取当前试验平台状态信息,一方面根据驾驶员操作识别驾驶意图,另一方面根据各系统控制器交互的车辆信息,做出最优调整,选取最优工作模式,将操作指令发送给主动分布式驱动系统的四个电机控制器、EMB电子机械式制动系统的EMB控制器和主动转向系统的转向控制器,各系统通过相应控制器再将操作指令传输给执行机构;各系统传感器再将实时状态信号分别反馈给电机控制器、EMB控制器、转向控制器、电池管理系统及整车控制器,形成闭环反馈控制,实现所述试验平台的整车控制;

所述主动分布式驱动系统,包括四个电机控制器、四个轮毂电机、四个车轮、加速踏板以及轮毂电机传感器;轮毂电机内置的轮毂电机传感器用于检测轮毂电机转速、转矩、温度、电压、电流信息;所述主动分布式驱动系统接收所述整车控制器发送的控制指令,所述整车控制器接收加速踏板传感器以及各系统控制器所传递的CAN信号,识别驾驶意图和当前车况信息,实时计算出期望加速度和总需求力矩,在保证车辆稳定性的前提下,制定四轮驱动转矩分配方式;轮毂电机传感器将实时转速、车辆滑转率信息通过电机控制器反馈给整车控制器,整车控制器根据驾驶意图更新驱动模式,调整驱动力矩和加速度,形成闭环控制,实现四个轮毂电机的独立驱动控制;

所述EMB电子机械式制动系统,包括EMB控制器、四个EMB制动器、制动踏板、轮缸压力传感器以及EMB制动器转角和位移传感器;所述轮缸压力传感器用于检测轮缸制动液压力;所述EMB制动器转角和位移传感器用于检测制动器丝杠-螺母机构转角和位移;所述EMB电子机械式制动系统接收所述整车控制器发送的控制指令,整车控制器通过制动踏板传感器获取踏板开度信号,识别驾驶意图,综合各系统控制器通过CAN总线传递的信息,获取当前车辆运行状态,制定制动控制力矩分配策略,发出相应制动信号给所述EMB电子机械式制动系统,所述EMB电子机械式制动系统将控制指令发给四个EMB制动器,实现四个车轮的独立制动;

所述主动转向系统,包括转向系统操纵机构和转向执行机构、转向控制器以及转向节转角和转矩传感器;所述转向节转角和转矩传感器用于检测转向节转角和转矩;当转向过程中左右转向轮存在差动现象时,所述整车控制器通过方向盘转角和转矩传感器获取方向盘输入转角和转矩,结合车辆运动状态信息制定转向控制策略,通过CAN总线将信息传递给所述主动转向系统,所述主动转向系统将该信息传给转向控制器和电机控制器,电机控制器控制轮毂电机的力矩输出,对转向助力大小及角度进行修正,实现轮毂电机差动助力转向,同转向执行机构共同完成转向功能;

所述试验平台也可根据复杂车况,在过度转向的情况下,通过主动转向系统和轮毂电机协同转向实现反转向辅助操作,达到主动转向功能;轮毂电机传感器、转向节转角和转矩传感器将实时信号通过电机控制器和转向控制器反馈给整车控制器,生成下一步控制指令,形成闭环控制;

所述动力电池组及电池管理系统包括动力电池组、高压配电箱、DC-DC转换装置和电池管理系统,电池管理系统内置有电压、电流和温度传感器,用于检测动力电池组电压、电流和温度,计算动力电池组的剩余电量SOC值;高压配电箱用于将电池管理系统的输出电量进行输电、配电、电能转换、电量消耗中的通断和保护;DC-DC转换装置用于将高压配电箱输出的高压电转换成低压电,用于各系统控制器和传感器的低压供电;所述动力电池组用于给所述试验平台提供电力;所述电池管理系统通过内置电压、电流和温度传感器实时计算检测动力电池组的剩余电量SOC值,保证所述轮毂电机和其他部件的供电;所述电池管理系统随时检测电池的工作状态,对每个电池单体的技术状态进行检测分析,根据电池的性能差异,选择相应的充电和放电模式,保证电池寿命安全和能量供应;

所述整车车架结构由金属管焊接而成,前部和后部依傍中部车架结构;所述整车车架结构底部呈梯形,底部为桁架结构并铺有平板;所述整车车架结构底部上方呈拱形结构;所述整车车架结构前部装有保险杠,车头位置采用桁架结构,车头前部和两侧留有安装空间;

所述整车车架结构后部设有后悬架安装位置以及小型车斗;所述试验平台可根据需要,在所述整车车架结构底部和车斗位置,增加不同配重,改变平台整车重量,调节整车、底盘质心位置;

所述悬架模块,包括前副车架、后副车架、前悬架和后悬架,在所述试验平台整车车架结构前部和后部多处位置安装有副车架吊耳,通过不同副车架安装位置改变前后轴距,适应多种副车架结构,从而适配多种悬架类型;可根据需要适当调整轮距,并通过副车架安装位置适当更改前后轴距,使所述试验平台具有适应多种车型试验测试、整车参数可部分调整的功能;前悬架包括麦弗逊式独立悬架模块和双横臂式独立悬架模块;后悬架包括双横臂式独立悬架模块、多连杆式独立悬架模块和扭力梁式半独立悬架模块;且悬架硬点位置可调。

2.根据权利要求1所述的轮毂电机驱动汽车集成设计与协同控制试验平台,其特征在于:所述试验平台还能够实现EMB电子机械式制动与轮毂电机回馈制动的复合制动,共同完成所述试验平台的制动功能;制动过程中,EMB控制器与整车控制器、四个电机控制器、电池管理系统进行协同控制,完成制动能量回馈功能;所述EMB电子机械式制动系统的制动力和制动时间都是由EMB控制器控制,把ABS、TCS、ESP和EPB功能的程序写入EMB控制器当中,可协同轮毂电机制动实现与EMB电子机械式制动的复合制动控制功能;通过轮毂电机传感器和EMB制动器转角和位移传感器再将信号反馈给EMB控制器,通过CAN总线将信息传递给整车控制器,计算出每个车轮的实际制动力矩,生成下一步控制指令,形成闭环控制。

3.根据权利要求1所述的轮毂电机驱动汽车集成设计与协同控制试验平台,其特征在于:悬架模块的实现方法,其内容包括如下步骤:

步骤1:根据所述试验平台的试验需求、当前整车车架结构以及所述试验平台当前转向系统结构,在备选的悬架模块中,选定所需的悬架类型并制定该悬架的需达到的性能目标;

步骤2:根据转向系统主销几何尺寸和当前轮胎转角几何约束要求,在相关三维建模仿真软件中,选取悬架的设计硬点及在整车车架当中的位置坐标,确定悬架的几何尺寸,进行参数优化,确定悬架结构;

步骤3:确定副车架结构,在整车车架上有前后悬架多个安装点,考虑副车架安装点位置和悬架硬点位置,设计副车架结构几何尺寸,并优化副车架结构,提高强度;

步骤4:副车架与悬架机构几何尺寸确定之后,根据机械优化设计理论,设计悬架杆系数目和结构,布置好减振器、缓冲块和弹簧位置,防止和其它结构位置干涉并进行强度校核;

步骤5:制造加工副车架和相关悬架结构,完成单个悬架模块。

4.根据权利要求1或2或3所述的轮毂电机驱动汽车集成设计与协同控制试验平台的实现方法,其特征在于:该方法内容包括如下步骤:

步骤1:令试验平台行驶在某特定工况下;

步骤2:驾驶员通过操纵加速踏板、制动踏板和方向盘,进行行车操纵;

步骤3:整车控制器获取加速踏板传感器、制动踏板传感器、方向盘转角和转矩传感器的操纵信号,识别驾驶意图;

步骤4:电池管理系统实时监测动力电池组当前SOC值,判断SOC值是否低于预设的安全阈值SOC1,如果SOC值低于预设的安全阈值SOC1,则判断试验平台无法正常行驶,停止试验;

否则,试验平台继续行驶完成试验;

步骤5:整车控制器根据操纵机构传感器信号以及通过CAN总线连接的各控制器传来的信号,确定当前车辆运行状态,根据识别出的驾驶意图,制定相应控制策略,包括主动分布式驱动系统控制策略、EMB电子机械式制动系统控制策略和主动转向系统控制策略,协同控制四个电机控器、EMB控制器和转向控制器;进入驱动模式时,四个电机控制器单独控制相应轮毂电机,改变轮毂电机输出,完成独立驱动轮毂电机或轮毂电机再生制动;进入制动模式时,EMB控制器制定四轮制动控制指令,发送信号给四个EMB制动器,完成EMB制动;转向控制器根据车况信息判断是否转向,由转向执行机构与四个轮毂电机共同完成助力转向和主动转向;

步骤6:各系统执行机构协同完成操作后,通过采集轮毂电机传感器、EMB的轮缸压力传感器、转向节转角和转矩传感器信号,通过电机控制器、EMB控制器、转向控制器将信号反馈给整车控制器,整车控制器获取实时车况信息,通过CAN总线与四个电机控制器、EMB控制器、转向控制器、电池管理系统信息交互,生成下一步控制指令,形成闭环反馈控制;

步骤7:通过驾驶员操作,确定是否停止测试,如果试验平台收到停止运行操作指令,则结束运行,否则返回步骤2。

5.根据权利要求4所述的轮毂电机驱动汽车集成设计与协同控制试验平台的实现方法,其特征在于:在步骤5中,所述主动分布式驱动系统控制策略,其内容如下:首先,整车控制器获取加速踏板开度信号,根据当前车况信息,解析驾驶意图,求解出当前车辆所需的加速度和总需求驱动力矩,整车控制器制定四个轮毂电机的力矩分配方式,将信号传递给四个电机控制器,控制四个轮毂电机驱动;然后实时监测车辆滑转率,若滑转率超过设定的滑转率阈值,则通过电机控制器反馈给整车控制器,施加驱动防滑控制,减小相应驱动力矩输出;若未超过滑转率阈值,再检测车辆惯性测量单元的横摆角速度信息,判断是否达到稳定行驶,若稳定性较差,则反馈给整车控制器,实时更新驱动力矩分配,施加附加横摆力矩,实现动力学稳定性控制;若稳定性足够,则检测是否达到目标车速,若未达到驱动目标,将车速信息通过电机控制器反馈给整车控制器,并控制电机控制器继续加大轮毂电机驱动力矩实行驱动控制,加大驱动力矩输出;当达到驱动目标后,结束驱动,维持分布式驱动控制力矩并同步监控整车稳定性情况,将轮毂电机实时转速、车轮滑转率和车辆横摆角速度、横摆角、侧倾角信息反馈给整车控制器,根据驾驶意图更新驱动模式,调整驱动力矩和加速度,形成闭环控制,实现分布式驱动功能。

6.根据权利要求4所述的轮毂电机驱动汽车集成设计与协同控制试验平台的实现方法,其特征在于:在步骤5中,所述EMB电子机械式制动系统控制策略,其内容如下:驾驶员踩下制动踏板,所述试验平台首先检测到车速、制动踏板开度和动力电池组SOC值,整车控制器获取当前车辆状态和操作信号,识别出驾驶意图;整车控制器通过CAN总线与四个电机控制器、EMB控制器、转向控制器、电池管理系统进行信息交互,识别出制动模式,制动模式分为机电复合制动控制和EMB制动控制,机电复合制动包括轮毂电机制动和EMB制动器制动,EMB制动指单独使用EMB制动器制动,根据需求求解出主动分配制动力矩;首先判断当前动力电池组SOC值是否大于设置的阈值SOC2,若当前SOC值大于阈值SOC2,则表示电池电量充足,不需要启动再生制动,整车制动由EMB电子机械式制动系统独立完成,由EMB控制器发送控制指令给EMB制动器,启动制动电机,驱动活塞压缩制动轮缸,制动钳压紧制动盘,完成制动;若电池SOC值低于阈值SOC2,则启用再生制动,由电机控制器和EMB控制器协同控制,进行机电复合制动;再生制动过程中,整车控制器通过四个电机控制器控制轮毂电机进行制动,轮毂电机进行制动能量回馈,该回馈的制动能量经电机控制器、高压配电箱和电池管理系统传输,最终被存储到动力电池组中,给电池充电;制动执行之后,检测是否达到稳定行驶,若未达到稳定行驶,则反馈给整车控制器,实时更新制动策略;若达到稳定行驶,再检测车轮是否趋于抱死,若车轮趋于抱死,则反馈给整车控制器,施加防抱死控制;最后检测是否结束制动,反馈给整车控制器,实时更新制动模式及制动力矩大小,形成闭环反馈制动控制。

7.根据权利要求4所述的轮毂电机驱动汽车集成设计与协同控制试验平台的实现方法,其特征在于:在步骤5中,所述主动转向系统控制策略,其内容如下:驾驶员转动方向盘,整车控制器获取方向盘转角和转矩传感器信号和车速信号,获取当前车况信息,识别出驾驶意图,根据车速、工况、车辆稳定程度实时信息,由整车控制器判断转向力度,再进一步判断此时转向轮是否存在差动,即左右驱动轮驱动力矩是否相等,若不存在差动,则单独由主动转向系统控制转向,整车控制系统通过CAN总线,将控制指令发送给转向控制器,转向控制器发送控制指令给转向执行机构,完成助力转向;若转向轮之间存在差动,则轮毂电机参与转向,整车控制器制定转向力矩分配控制策略后,通过CAN总线将指令发送给转向控制器和电机控制器,转向控制器发送控制指令给转向执行机构,电机控制器发送控制指令给轮毂电机,由转向执行机构和轮毂电机共同完成差动助力转向;执行转向后,检测车辆是否达到稳定行驶和达到目标转向角度,若未达到稳定行驶和达到目标转向角度,则将实时信息反馈给整车控制器,继续制定主动转向控制策略并发送指令给转向控制器和电机控制器,形成闭环反馈转向控制;若达到目标转向角度,则维持一定力矩保持转向的路感和手感,此后持续监控整车运行状态。