一種分布式驅(qū)動電動汽車多電機協(xié)調(diào)控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分布式驅(qū)動電動汽車多電機協(xié)調(diào)控制器，針對不同的驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計了與其對應(yīng)的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、動力性三種驅(qū)動模式以及符合其自身結(jié)構(gòu)特征的容錯模式，驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器與整車控制器、若干電機控制器之間通過CAN總線連接，采用整車控制器、驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器和電機控制器的分層結(jié)構(gòu)，該驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器位于上層的整車控制器與下層的電機控制器之間，負責(zé)接收整車控制器的驅(qū)動需求信號、轉(zhuǎn)向需求信號、構(gòu)型形式信號和功能模式信號，同時考慮各個電機的制造及選型差異進行預(yù)置，動態(tài)調(diào)節(jié)各電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩以滿足不同的功能模式下的整車驅(qū)動和轉(zhuǎn)向需求。本發(fā)明有效的提高了分布式驅(qū)動電動汽車的安全性與操控性，也深化了行業(yè)分工。
【專利說明】一種分布式驅(qū)動電動汽車多電機協(xié)調(diào)控制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電動汽車驅(qū)動控制領(lǐng)域，具體涉及一種分布式驅(qū)動電動汽車多電機協(xié) 調(diào)控制器。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，由于環(huán)保、能源安全雙重問題的日益突出，電動汽車再次躍入人們的視 野。同時，隨著電力電子控制技術(shù)以及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣化、智能化無疑是未來 汽車的發(fā)展方向，而采用輪邊或輪轂電機驅(qū)動的分布式驅(qū)動汽車以其較為出色的控制性 能，受到學(xué)術(shù)界和工程界的普遍關(guān)注。
[0003] 采用輪邊或輪轂電機驅(qū)動的分布式驅(qū)動汽車，電池與驅(qū)動電機通過電纜連接，每 個車輪可由輪邊或輪轂電機單獨驅(qū)動，彼此之間舍棄了傳統(tǒng)的機械連接，取消了發(fā)動機、油 箱、離合器、變速器、傳動軸、差速器等部件。每個電機由相應(yīng)的控制器控制，各控制器間的 通信可通過CAN總線實現(xiàn)。顯然，對于分布式驅(qū)動的電動車，其優(yōu)越的操控性能的發(fā)揮是建 立在對各電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進行精確協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)之上的，因此，各驅(qū)動電機的協(xié)調(diào)控 制則成為分布式驅(qū)動電動車的一個關(guān)鍵的共性技術(shù)。
[0004] 目前，電機協(xié)調(diào)控制策略的實現(xiàn)基本由整車廠負責(zé)，其做法是由整車廠研宄電機 協(xié)調(diào)控制策略并將策略寫入整車控制器，由整車控制器通過CAN總線控制各電機動作，國 內(nèi)外市場上的電動汽車莫不如是。這種狀態(tài)有其相應(yīng)的缺陷：一是將整車控制器的管理功 能與具體功能部件的控制功能混在一起，增加了整車控制器與車型的耦合程度，不利于形 成獨立的整車控制器產(chǎn)業(yè)以及整車控制策略的研發(fā)；二是隨著多輪獨立驅(qū)動的應(yīng)用以及智 能汽車的發(fā)展，整車控制器的功能過于集中，系統(tǒng)可維護性較差，且在一定程度上增加了系 統(tǒng)的危險性。
[0005] 鑒于以上問題，有必要開發(fā)專門負責(zé)各電機的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)分配的協(xié)調(diào)控制器，將目 前的電機協(xié)調(diào)控制策略從整車控制器中分離出來，使整車控制器只負責(zé)車輛的管理功能， 而諸如電機轉(zhuǎn)矩控制、協(xié)調(diào)功能則由驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器擔(dān)任。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決分布式驅(qū)動電動車的兩臺及以上驅(qū)動電機相互協(xié)調(diào)的 問題，提供了一種分布式驅(qū)動電動汽車多電機協(xié)調(diào)控制器，其能夠根據(jù)汽車安全性、穩(wěn)定性 要求以及駕駛員或整車控制器的指令向下層電機控制器發(fā)出相應(yīng)指令，控制每個驅(qū)動電機 的運行狀態(tài)。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0008] 一種分布式驅(qū)動電動汽車多電機協(xié)調(diào)控制器，整車控制器、驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器和若 干用于控制對應(yīng)電機的電機控制器通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信，其中，整車控制器負責(zé)所有決 策任務(wù)，接收駕駛員輸入和整車的狀態(tài)信息，計算駕駛員的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向需求、識別車輛運行 狀態(tài)并選擇構(gòu)型形式和功能模式；驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器負責(zé)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)，接收整車控制器的驅(qū)動 需求信號、轉(zhuǎn)向需求信號、構(gòu)型形式信號和功能模式信號，同時考慮各個電機的特性差異， 動態(tài)向各電機控制器發(fā)送轉(zhuǎn)矩指令以滿足不同的功能模式下的整車驅(qū)動和轉(zhuǎn)向需求；若干 電機控制器負責(zé)執(zhí)行，接收驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器的轉(zhuǎn)矩信號，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。
[0009] 本發(fā)明進一步的改進在于：所述構(gòu)型形式包括前后軸獨立驅(qū)動、前輪獨立驅(qū)動、后 輪獨立驅(qū)動以及四輪獨立驅(qū)動，每種構(gòu)型形式的功能模式均包括穩(wěn)定模式、經(jīng)濟模式、動力 模式以及容錯模式；驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器滿足各種構(gòu)型形式的分布式驅(qū)動電動汽車的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào) 需求，其實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制的具體操作為：
[0010] 每種構(gòu)型形式各自成為一個模塊，分別為前后軸獨立驅(qū)動模塊、前輪獨立驅(qū)動模 塊、后輪獨立驅(qū)動模塊以及四輪獨立驅(qū)動模塊，同時，每個模塊設(shè)置一個接口，接收來自整 車控制器構(gòu)型形式信息；用戶選擇在出廠時根據(jù)具體車輛構(gòu)型形式，直接將驅(qū)動協(xié)調(diào)控制 器的構(gòu)型參數(shù)固化為一個默認值，或直接在整車控制器內(nèi)部設(shè)置構(gòu)型參數(shù)，在車輛起步前 發(fā)送到驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器。
[0011] 本發(fā)明進一步的改進在于：針對前后軸獨立驅(qū)動、前輪獨立驅(qū)動、后輪獨立驅(qū)動以 及四輪獨立驅(qū)動4種不同的構(gòu)型形式，根據(jù)汽車行駛要求，分別設(shè)置動力性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定 性三種不同的功能模式；對于每種構(gòu)型形式電動汽車根據(jù)車體行駛狀態(tài)或駕駛員意圖在動 力性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性模式中任選一種適合實時狀況的功能模式；同時根據(jù)汽車行駛安全性 要求，設(shè)置容錯模式，當(dāng)電機或電機控制器發(fā)生故障時，自動啟動容錯模式，優(yōu)先保障車輛 的安全行駛；每種功能模式對應(yīng)各自驅(qū)動控制策略，并自成一個模塊；每種功能模式設(shè)置 一個接口，接收來自整車控制器的功能模式選擇信息。
[0012] 本發(fā)明進一步的改進在于：在轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)中考慮各個電機的特性差異，具體如下：
[0013] 1)考慮到左右兩個電機的制造和運行環(huán)境的差異，在左右側(cè)布置了驅(qū)動電機的車 型中，該車型包括前輪獨立驅(qū)動、后輪獨立驅(qū)動以及四輪獨立驅(qū)動，根據(jù)實車的臺架標(biāo)定數(shù) 據(jù)預(yù)置轉(zhuǎn)矩偏移量，保證左右兩個電機在同樣的給定下輸出相同轉(zhuǎn)矩，達到相同的控制精 度；
[0014] 2)考慮到前后軸電機的選型差異，在前后軸布置了驅(qū)動電機的車型中，該車型包 括前后軸獨立驅(qū)動以及四輪獨立驅(qū)動，預(yù)置各電機的效率特性曲線，在經(jīng)濟性模式下保證 各電機運行于各自效率高的性能區(qū)間，在動力性模式下保證各電機輸出最大轉(zhuǎn)矩。
[0015] 相對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0016] 本發(fā)明可使整車控制器和電機協(xié)調(diào)控制器兩個部分都可以脫離整車而做到規(guī)范 化和標(biāo)準(zhǔn)化。從技術(shù)角度看，首先，采用協(xié)調(diào)控制器降低了各模塊的耦合，加深了技術(shù)研宄 的專業(yè)化程度；其次，相對原來的整車控制器集中控制而言，分散控制起到了危險分散的作 用，增強了系統(tǒng)的可靠性；最后，由于協(xié)調(diào)控制作為一個單獨的控制單元獨立出來，當(dāng)出現(xiàn) 問題時，可直接維修該模塊，而不用拆卸整車控制器，從而增強了系統(tǒng)的可維護性。從產(chǎn)業(yè) 化的角度看，各模塊將形成獨立的產(chǎn)業(yè)，深化了行業(yè)分工，有利于提高勞動生產(chǎn)率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1是整車控制器、驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器及各電機控制器的連接示意圖。
[0018] 圖2是驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器的軟、硬件模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖3是驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器控制流程圖。
[0020] 圖4是穩(wěn)定性控制算法結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0022] 本發(fā)明一種分布式驅(qū)動電動汽車多電機協(xié)調(diào)控制器，是針對分布式驅(qū)動電動車而 設(shè)計的一款協(xié)調(diào)控制器（如圖2所示）。其中，分布式驅(qū)動電動車包括兩輪及兩輪以上的分 布式驅(qū)動車型。
[0023] 如圖1所示，整車控制器1、驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器2以及左前輪電機控制器3、左后輪電 機控制器4、右前輪電機控制器5及右后輪電機控制器6通過CAN總線連接。整車控制器1 通過CAN總線發(fā)布相關(guān)指令，驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器2接收CAN總線上發(fā)過來的指令和數(shù)據(jù)，運行 相應(yīng)控制算法，再通過CAN總線向各電機控制器分別發(fā)出轉(zhuǎn)矩指令。
[0024] 如圖2所示，標(biāo)示出了本發(fā)明驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器2的硬件及其軟件模塊。硬件層包 括處理芯片，CAN接口電路、供電電路、存儲器、JTAG接口以及預(yù)留模擬量I/O接口。其中， CAN接口電路主要用于驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器2與整車控制器1、各個電機控制器及其它電子控制 單元的通信；擴展的存儲器用于備用存儲程序設(shè)計中預(yù)置值得相關(guān)數(shù)據(jù)及表格；JTAG接口 則用于驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器2程序的調(diào)試或診斷；模擬量I/O接口為預(yù)留口。
[0025] 如圖3所示，圖中軟件層主要包括對各構(gòu)型電動車的構(gòu)型形式模塊以及對應(yīng)經(jīng)濟 性、穩(wěn)定性、動力性三種功能模式的驅(qū)動控制模塊。每個模塊設(shè)置一個接口以接收來自上層 控制器的指令。如汽車構(gòu)型是四輪獨立驅(qū)動4WID形式，只需整車控制器1中選擇四輪獨立 驅(qū)動4WID構(gòu)型并鎖定該選項。每種汽車構(gòu)型模塊中包含符合其自身構(gòu)型特征的功能模式 及容錯模式。汽車行駛中，由整車控制器1根據(jù)實時行駛狀況及駕駛員操控意圖綜合做出 判斷，選擇合適的功能模式并向驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器2發(fā)出相應(yīng)指令。以穩(wěn)定模式為例，由于車 輛的行駛狀況較為復(fù)雜，引起車輛失穩(wěn)的原因較多，可取橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角為參數(shù)， 根據(jù)當(dāng)前方向盤轉(zhuǎn)角及車速計算出理想狀態(tài)下的行駛參數(shù)（考慮傳感器成本，質(zhì)心側(cè)偏角 可采用觀測器進行估計），然后將其與車輛模型的反饋值對比，如果與理想值相差較大則選 擇穩(wěn)定模式。至于動力模式的選擇，則可依據(jù)駕駛員的操縱意圖，如對電子油門踏板的開度 設(shè)置某一閥值，超過這一閥值則選擇進入動力模式。默認狀態(tài)下則選擇經(jīng)濟模式。這里需 要強調(diào)的是，何種功能模式的選擇判斷是由整車控制器1來完成的，驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器2在這 里只負責(zé)執(zhí)行整車控制器1的模式指令。
[0026] 若左前輪電機控制器3、左后輪電機控制器4、右前輪電機控制器5、右后輪電機控 制器6或電機出現(xiàn)故障，則驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器2則根據(jù)對應(yīng)汽車構(gòu)型選擇相應(yīng)的故障處理策 略。如四輪獨立驅(qū)動4WID構(gòu)型的前輪或后輪某一電機出現(xiàn)故障，驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器2可切換 整車功能模式為后輪驅(qū)動或前輪驅(qū)動，使整車動力均衡，保證車輛的正常行駛，并實時將故 障信息傳輸至整車控制面板高亮顯示以告知駕駛員相應(yīng)故障狀況。
[0027] 當(dāng)驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器2接收到經(jīng)濟模式指令后，同時會接收到來自整車控制器1的 電子油門踏板、電子制動踏板的開度指令，并根據(jù)指令值計算出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值并傳送至各電 機控制器。由于電機在低速區(qū)和低轉(zhuǎn)矩區(qū)效率較低，在額定輸出特性曲線附近具有高效率。 基于此特性，在電機運行時應(yīng)盡量避開低速低轉(zhuǎn)矩輸出區(qū)域。另外，考慮到實際行駛狀況， 直線行駛時左右輪驅(qū)動力應(yīng)保持平衡，故車輪之間的轉(zhuǎn)矩分配問題可簡化為前后軸之間的 轉(zhuǎn)矩分配問題。由以上兩點可知，在給定需求轉(zhuǎn)矩情況下，經(jīng)濟性目標(biāo)可以通過前后軸間的 轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配實現(xiàn)。這里以折算到電機端的輸出最小轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)函數(shù)，整個優(yōu)化問題表述 如下：
[0028] 優(yōu)化參數(shù)：前后軸轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)入
【權(quán)利要求】
1. 一種分布式驅(qū)動電動汽車多電機協(xié)調(diào)控制器，其特征在于：整車控制器（1)、驅(qū)動協(xié) 調(diào)控制器（2)和若干用于控制對應(yīng)電機的電機控制器通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信，其中，整車控 制器（1)負責(zé)所有決策任務(wù)，接收駕駛員輸入和整車的狀態(tài)信息，計算駕駛員的驅(qū)動和轉(zhuǎn) 向需求、識別車輛運行狀態(tài)并選擇構(gòu)型形式和功能模式；驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器（2)負責(zé)轉(zhuǎn)矩協(xié) 調(diào)，接收整車控制器的驅(qū)動需求信號、轉(zhuǎn)向需求信號、構(gòu)型形式信號和功能模式信號，同時 考慮各個電機的特性差異，動態(tài)向各電機控制器發(fā)送轉(zhuǎn)矩指令以滿足不同的功能模式下的 整車驅(qū)動和轉(zhuǎn)向需求；若干電機控制器負責(zé)執(zhí)行，接收驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器（2)的轉(zhuǎn)矩信號，實 現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種分布式驅(qū)動電動汽車多電機協(xié)調(diào)控制器，其特征在于：所 述構(gòu)型形式包括前后軸獨立驅(qū)動（FRID)、前輪獨立驅(qū)動（FWID)、后輪獨立驅(qū)動（RWID)以 及四輪獨立驅(qū)動（4WID)，每種構(gòu)型形式的功能模式均包括穩(wěn)定模式、經(jīng)濟模式、動力模式以 及容錯模式；驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器（2)滿足各種構(gòu)型形式的分布式驅(qū)動電動汽車的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)需 求，其實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制的具體操作為： 每種構(gòu)型形式各自成為一個模塊，分別為前后軸獨立驅(qū)動（FRID)模塊、前輪獨立驅(qū)動 (FWID)模塊、后輪獨立驅(qū)動（RWID)模塊以及四輪獨立驅(qū)動（4WID)模塊，并將其嵌入驅(qū)動協(xié) 調(diào)控制器（2)，同時，每個模塊設(shè)置一個接口，接收來自整車控制器構(gòu)型形式信息；用戶選 擇在出廠時根據(jù)具體車輛構(gòu)型形式，直接將驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器（2)的構(gòu)型參數(shù)固化為一個默 認值，或者選擇在人機界面或直接在整車控制器內(nèi)部設(shè)置構(gòu)型參數(shù)，在車輛起步前發(fā)送到 驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器（2)。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種分布式驅(qū)動電動汽車多電機協(xié)調(diào)控制器，其特征在于：針 對前后軸獨立驅(qū)動（FRID)、前輪獨立驅(qū)動（FWID)、后輪獨立驅(qū)動（RWID)以及四輪獨立驅(qū)動 (4WID)4種不同的構(gòu)型形式，根據(jù)汽車行駛要求，分別設(shè)置動力性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性三種不 同的功能模式；對于每種構(gòu)型形式電動汽車根據(jù)車體行駛狀態(tài)或駕駛員意圖在動力性、經(jīng) 濟性、穩(wěn)定性模式中任選一種適合實時狀況的功能模式；同時根據(jù)汽車行駛安全性要求，設(shè) 置容錯模式，當(dāng)電機或電機控制器發(fā)生故障時，自動啟動容錯模式，優(yōu)先保障車輛的安全行 駛；每種功能模式對應(yīng)各自驅(qū)動控制策略，并自成一個模塊，嵌入驅(qū)動協(xié)調(diào)控制器（2);每 種功能模式設(shè)置一個接口，接收來自整車控制器的功能模式選擇信息。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種分布式驅(qū)動電動汽車多電機協(xié)調(diào)控制器，其特征在于：在 轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)中充分考慮各個電機的特性差異，具體如下： 1) 考慮到左右兩個電機的制造和運行環(huán)境的差異，在左右側(cè)布置了驅(qū)動電機的車型 中，該車型包括前輪獨立驅(qū)動（FWID)、后輪獨立驅(qū)動（RWID)以及四輪獨立驅(qū)動（4WID)，根 據(jù)實車的臺架標(biāo)定數(shù)據(jù)預(yù)置轉(zhuǎn)矩偏移量，保證左右兩個電機在同樣的給定下輸出相同轉(zhuǎn) 矩，達到相同的控制精度； 2) 考慮到前后軸電機的選型差異，在前后軸布置了驅(qū)動電機的車型中，該車型包括前 后軸獨立驅(qū)動（FRID)以及四輪獨立驅(qū)動（4WID)，預(yù)置各電機的效率特性曲線數(shù)據(jù)，在經(jīng)濟 性模式下保證各電機運行于各自效率高的性能區(qū)間，在動力性模式下保證各電機輸出最大 轉(zhuǎn)矩。
【文檔編號】B60L15/32GK104494464SQ201410827168
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月25日
【發(fā)明者】張政, 儲國林, 許松, 李翔, 尹衛(wèi)平, 王俊晗 申請人:西安交通大學(xué)