CN102582416B - 一种具有可变动力学特性的全线控电动车 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有可变动力学特性的全线控电动车，其全线控体现在驾驶员的操作，包括转向、加速、制动，仅产生操作信号，由相应控制器采集相应信号，按一定的算法，控制相应执行器产生相应的动作。其可变动力学特性体现在：结构上，相互独立的车轮内各有一个轮毂电机，各轮毂电机相互独立，为各车轮提供驱动力或制动力；各车轮都有一个转向电机，各转向电机相互独立；各车轮的非簧载车架都有一个主动悬架，各主动悬架相互独立。控制算法上，各个轮毂电机的驱动力或制动力的大小关系、各转向电机的转角大小关系、各主动悬架的刚度和阻尼的大小关系仅由控制算法决定，无机械连接的限制，从而实现电动车的可变动力学特性。

Description

一种具有可变动力学特性的全线控电动车

技术领域

本发明涉及一种全线控电动车辆，更具体地说，本发明涉及一种具有可变动力学特性的全线控的四轮独立驱动、独立转向、独立制动、独立主动悬架的电动车辆(以下简称全线控电动车)。

背景技术

传统的汽车(以燃油为燃料，以发动机作为动力源的车辆)在出厂成为产品后，在不发生故障的情况下，能够确保汽车按照驾驶员的意愿行驶，即车辆会按照车辆本身的动力学特性对驾驶员的输入给出一定的输出响应，包括转向、加/减速、制动。即车辆本身成为产品后，在不考虑车本身故障和驾驶环境的条件下，汽车的动力学响应特性应当是固定的。但是对于不同的驾驶员具有不同的驾驶风格和需求，包括转向特性、加/减速特性、制动特性。因此对于传统车而言，车辆的动力学特性无法去适应每个驾驶员的驾驶风格和需求；驾驶员必须去适应不同车的不同动力学特性，并对特性差别作出适应和补偿，从而保证不同的汽车在不同的工况下都能按考虑驾驶员意愿的安全路径行驶。这给驾驶员造成了很大负担，从而影响了汽车的驾驶安全性和驾驶舒适性，并且无法做到对驾驶者个性化驾驶风格和需求的适应。此外，传统车辆的悬架***主要是被动悬架，不能为汽车的稳定性控制提供动力学上的辅助控制，而且目前对于电动车的研究还是围绕在传统车的稳定性控制方法，而实际上新一代轮毂电机电动车与传统车的控制算法应该有很大区别。目前的电动车研发并没有充分发挥出新一代电动车的结构特点和可控自由度多等优势。

发明内容

本发明旨在解决传统车辆的动力学特性，包括加/减速特性、转向特性、制动特性、悬架特性不能根据驾驶员的驾驶风格和需求改变的弊端。针对这些弊端，本发明提出了一种全线控的四轮独立驱动、独立转向、独立制动、独立主动悬架的全新电动车。电动车的全线控体现在驾驶员的转向、加速、制动操纵仅是产生相应的操作信号，并不直接作用于相应的执行机构，对于转向***，由转角传感器采集到驾驶员的输入转角，并传给转向控制器，由转向控制器按照预定的算法，控制四个转向电机实现一定的转角。对于驱动***，由驱动控制器采集电子加速踏板的踏板位移，控制器按照预定的算法，控制四个轮毂电机实现一定的驱动电流。对于制动***，由制动控制器采集电子制动踏板的踏板位移信号，控制器按照预定的算法，控制四个制动电机(驱动时为驱动轮毂电机)实现一定的制动力。电动车的可变动力学特性是在电动车的独特的机械结构基础上实现的。本发明主要是基于传统车只能前轮转向，而且传动比固定，加速特性也在出厂之后无法改变，制动特性无法对驾驶员风格作出适应性的改变，悬架特性无法对车辆稳定性控制提供动力学辅助控制的缺点，提出了一种全线控的四轮独立驱动、独立转向、独立制动、独立主动悬架的全新电动车辆。

本发明所提出的电动车可由多个车轮组成，每个车轮内都有轮毂电机，各个轮毂电机用来驱动电动车、制动电动车，而且各个车轮之间的驱动力或制动力的大小相互独立，可以按照控制需求合理分配各个车轮的驱动力或制动力，即加速踏板的位移与四个车轮的驱动力的关系，制动踏板位移与车轮制动力的关系，都是可以按照控制需求随时调整的，已达到电动车更满足个性化需求的驾驶效果。各个车轮都通过车轮轴和主销连接到车架上，每个主销轴上都连接一个转向电机，每一个转向电机的轴与对应主销轴同轴，并通过连接件连接起来，各个转向电机也相互独立，可以按照驾驶需求任意分配四个转向电机的转角，即转向盘到各个车轮的各个转角传动比是可以按照控制要求随时改变，以完成驾驶员喜爱的驾驶效果。在主销轴下安装有刚度和阻尼可调的主动悬架。该主动悬架的刚度和阻尼可以随时按控制要求做出调整。由此可以看出，本发明所提及的全线控电动车通过如上所述的机械设计结构，实现了各个车轮的转角传动比、各个车轮的驱动力、各个车轮的制动力、各个车轮的悬架的阻尼和刚度的实时控制，实现了全线控电动车的多自由度控制，通过以上多个量的协调控制以及实时控制，实现了传统车辆无法实现的可变动力学特性。

具体结构特点：

本发明所论述的全线控电动车采用多个独立车轮，每个车轮都有一个轮毂电机，每个轮毂电机的运动都是相互独立的，每一个轮毂电机为各自所在的车轮提供驱动力或制动力。

本发明所论述的全线控电动车采用多个独立车轮，每个车轮都有一个转向电机，每个转向电机的运动都是相互独立的，每个转向电机都用来提供各自所在车轮的转向转角。

本发明所论述的全线控电动车采用多个独立的车轮，每个车轮都有一个刚度和阻尼可调的主动悬架，每个悬架的刚度和阻尼的大小都是相互独立的，每个悬架的刚度和阻尼都可以按照车辆的控制要求为所在的车轮提供适合的刚度和阻尼。

汽车的车轮与主销定位角均设计为零、主销穿地点通过车轮中心。

本发明具有如下有益效果：

对于电动车的转向特性，可以自由设计电动车的转向***的力传递特性和角传递特性，给汽车的转向特性设计带来了很大的发展空间，很多控制算法也随之发展。

对于电动车的加/减速特性，可以自由设计电动车的加速踏板位移、角速度与车辆速度、车辆加速度之间的特性关系。

对于电动车的制动特性，可以自由设计电动车的制动踏板位移、角速度与车辆制动力、制动响应速度之间的关系。

由于全线控电动车的转向特性、加/减速特性、制动特性的完全可变，不受传统车机械***的限制，可以实现“车适应人”的设计理念，“车适应人”是指正常行驶工况下符合驾驶员喜好的汽车动力学特性，即具有个性化的汽车特性，可以根据不同的驾驶员特性进行匹配。

本发明已经从结构角度保证了能量的最小消耗，为驱动电机节能、悬架馈能、再生制动和最小化轮胎力控制等控制策略节能提供了理想平台。

本发明所提出的电动车四个车轮的垂直/纵向/侧向力都为可控量，所以可以合理分配各个车轮的驱动/制动，各个车轮的转向角，各个车轮的垂直载荷，是电动车在各种工况下都具有最大的稳定裕度。

为研究新一代电动车的稳定性控制准则，稳定性的权重实时动态分配和调整机制、实现稳定性指标的整车运动状态和力需求，提供理想的试验及应用平台。

由于本发明实现了多自由度控制，所以在理想汽车动力学特性，最小能量消耗，稳定性和安全性控制方法的基础上，可以实现以上控制算法的协调、融合，实现整车集成控制理论和方法。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1a所示为全线控电动车的结构图(视图方向为图1b中所示A向)；

图1b为全线控电动车的侧视图(视图方向为图1a中所示B向)；

图2为可变转向特性的控制原理图；

图3为可变的加/减速特性(驱动工况)控制原理图；

图4为可变的制动特性(制动工况)控制原理图；

图5为主动悬架的可变刚度和阻尼的控制原理图

具体实施方式

下面结合附图1对本发明所提出的电动车的机械结构作进一步详细的说明。图1中，1为电动车的左前轮，2为1内的轮毂电机。左前轮1和左前轮轮毂电机2同轴，左前轮1与左前轮轮毂电机2的外转子固定连接。18为非簧载车架(包括主销轴和车轮轴)，通过非簧载车架18把左前轮1、左前轮内轮毂电机2和左前轮的转向电机3、左前轮的主动悬架4、整车车架5连接起来。左前轮轮毂电机2的内定子与非簧载车架18上的水平车轴固定连接。3为左前轮1的转向电机，4为左前轮可调节刚度和阻尼的主动悬架，5为整车车架，左前轮转向电机3的轴向与地面垂直，与主销同轴，并且通过左前轮1的中心。

8为电动车的右前轮，6为右前轮8的转向电机，7为阻尼和刚度可调的主动悬架，9为右前轮8内的轮毂电机。右前轮轮毂电机9与右前轮8同轴，右前轮8与右前轮轮毂电机9的外转子固定连接，右前轮轮毂电机9的内定子与非簧载车架18的水平车轴固定连接，通过非簧载车架18将整车车架5、右前轮转向电机6、右前轮主动悬架7、右前轮8、右前轮轮毂电机9连接起来，并且保证右前轮转向电机6的轴向与地面垂直，与主销同轴，并且通过右前轮8的中心。

12为电动车的右后轮，10为右后轮12的转向电机，11为阻尼和刚度可调的主动悬架，13为右后轮12内的轮毂电机。右后轮轮毂电机13与右后轮12同轴，右后轮12与右后轮轮毂电机13外转子固定连接，右后轮轮毂电机13内定子与非簧载车架18上的水平车轴固定连接，通过非簧载车架18将整车车架5、右后轮转向电机10、右后轮主动悬架11、右后轮12、右后轮轮毂电机13连接起来，并且保证右后轮转向电机10的轴向与地面垂直，与主销同轴，并且通过右后轮12的中心。

15为电动车的左后轮，14为左后轮15内的轮毂电机。左后轮轮毂电机14与左后轮15同轴，左后轮15与左后轮轮毂电机14的外转子固定连接，左后轮轮毂电机14的内定子与非簧载车架18的水平车轴固定连接，16为阻尼和刚度可调的主动悬架，17为左后轮15的转向电机，通过非簧载车架18将整车车架5、左后轮轮毂电机14、左后轮15、左后轮主动悬架16、左后轮转向电机17连接起来，并且保证左后轮转向电机17的轴向与地面垂直，与主销同轴，并且通过左后轮15的中心。

最后由整车车架5通过四个非簧载车架18上的主销将各部分连接起来，组成了一个全线控的四轮独立转向、独立驱动、独立制动的电动车，由于其具有特殊的结构特点，所以本发明所提出的电动车具有多个可控自由度。

下面结合附图1对本发明的电动车各部分的运动关系进行进一步阐述。

附图1中，左前轮1和左前轮轮毂电机2同轴，在驱动的时候，左前轮轮毂电机2为左前轮1提供驱动力矩，左前轮1和左前轮轮毂电机2的外转子绕着非簧载车架18上的水平车轴旋转，左前轮1与地面之间产生驱动力，实现左前轮1的驱动。在制动时，左前轮轮毂电机2为左前轮1提供制动力矩，左前轮1就能够与地面之间产生制动力，实现左前轮1的制动。在转向时，左前轮1、左前轮轮毂电机2、非簧载车架18、左前轮主动悬架4在左前轮转向电机3的带动下，会绕着主销(与左前轮转向电机3转子同轴)转动，实现左前轮1的转向。

右前轮8和右前轮轮毂电机9同轴，在驱动时，右前轮轮毂电机9为右前轮8提供驱动力矩，右前轮8和右前轮轮毂电机9的外转子绕着非簧载车架18上的水平车轴旋转，右前轮8与地面之间产生驱动力，实现右前轮8的驱动。在制动时，右前轮轮毂电机9为右前轮8提供制动力矩，右前轮8会与地面之间产生制动力，实现右前轮8的制动。在转向时，右前轮轮毂电机9、右前轮8、非簧载车架18、右前轮主动悬架7在右前轮转向电机6的带动下，会绕着主销(与右前轮转向电机6转子同轴)转动，实现右前轮8的转向。

右后轮轮毂电机13与右后轮12同轴，在驱动时，右后轮轮毂电机13为右后轮12提供驱动力矩，右后轮12和右后轮轮毂电机13的外转子绕着非簧载车架18上的水平轴旋转，右后轮12与地面之间产生驱动力，实现右后轮12的驱动。在制动时，右后轮轮毂电机13为右后轮12提供制动力矩，右后轮12与地面之间产生制动力，实现右后轮12的制动。在转向时，右后轮主动悬架11、右后轮12、右后轮轮毂电机13、非簧载车架18在右后轮转向电机10的带动下，会绕着主销(与右后轮转向电机10转子同轴)转动，实现右后轮12的转向。

左后轮轮毂电机14和左后轮15同轴，在驱动时，左后轮轮毂电机14为左后轮15提供驱动力矩，左后轮15和左后轮轮毂电机14的外转子绕着非簧载车架18上的水平车轴旋转，左后轮15与地面之间产生驱动力，实现左后轮15的驱动。在制动时，左后轮轮毂电机14为左后轮15提供制动力矩，左后轮15就会地面之间产生制动力，实现左后轮15的制动。在转向时，左后轮轮毂电机14、左后轮15、左后轮主动悬架16、非簧载车架18在左后轮转向电机17的带动下，会绕着主销(与左后轮转向电机17转子同轴)转动，实现左后轮15的转向。

下面结合附图2对可变转向特性原理作进一步说明。运行时，驾驶员通过方向盘输入一定值的转角，考虑驾驶员个人特性喜好的转向特性以及整车操纵稳定性等综合控制因素，转向控制器将按照一定算法合理的设定和分配方向盘转角到四个车轮的转角的传动比K1、K2、K3、K4，实现四个车轮各自的目标转角。

下面结合附图3对可变的加/减速特性原理作进一步说明。运行时，驾驶员输入一定的踏板位移，考虑驾驶员个人喜好的加速特性以及整车操纵稳定性等综合控制因素，驱动控制器将按照一定的算法合理设定和分配加速踏板位移到四个车轮的驱动力的比例关系K5、K6、K7、K8，实现四个车轮的目标驱动力。

下面结合附图4对可变制动特性原理作进一步说明。运行时，驾驶员输入一定的制动踏板位移，考虑驾驶员个人喜好的制动特性以及整车操纵稳定性等综合控制因素，制动控制器将按照一定的算法合理的设定和分配制动踏板位移到四个车轮制动力的比例关系K9、K10、K11、K12，实现四个车轮的目标制动力。

下面结合附图5对可变刚度和阻尼的主动悬架的原理作进一步说明。运行时，四个车轮会承受一定的车重负荷和来自路面的冲击，考虑到驾驶员的舒适性和四个车轮的驱动、制动(四个车轮的驱动力和制动力直接受到四个车轮垂直载荷的影响)，整车侧偏等控制因素，主动悬架控制器会按照一定的算法合理的设定和分配四个主动悬架的刚度和阻尼，实现四个主动悬架刚度和阻尼的最优值。

以上的论述仅仅是本发明的优选实施例，是为了解释和说明，并不是对本发明本身的限制。本发明并不局限于这里公开的特定实施例，而由下面的权利要求确定。另外，在前面的描述中的与特定的实施例有关的记载并不能解释为对本发明的范围或者权利要求中使用的术语的定义的限制。所公开实施例的各种其它不同的实施例和各种不同的变形对于本领域技术人员来说是显而易见的。但所有不背离本发明基本构思的这些实施例、改变和变形均在所附权利要求的范围中。

Claims (4)

1.一种具有可变动力学特性的全线控电动车，其包括多个车轮、多个轮毂电机、多个转向电机、多个主动悬架、一个整车车架和多个非簧载车架，其特征在于，所述电动车为多轮独立驱动、独立转向、独立制动、独立主动悬架，其具有多个可控自由度；

所述的车轮包括左前轮(1)、右前轮(8)、左后轮(15)、右后轮(12)；

所述的轮毂电机包括左前轮轮毂电机(2)、右前轮轮毂电机(9)、左后轮轮毂电机(14)、右后轮轮毂电机(13)；

所述的转向电机包括左前轮转向电机(3)、右前轮转向电机(6)、左后轮转向电机(17)、右后轮转向电机(10)；

所述的主动悬架包括左前轮主动悬架(4)、右前轮主动悬架(7)、左后轮主动悬架(16)、右后轮主动悬架(11)；

所述各车轮与主销定位角均设计为零、主销穿地点通过车轮中心；左前轮总成布置结构为：左前轮(1)与左前轮轮毂电机(2)同轴，均安装于非簧载车架(18)的水平车轴上，左前轮轮毂电机(2)外转子与左前轮(1)固定连接，内定子与水平车轴固定连接，左前轮(1)能够绕水平车轴自由旋转，实现左前轮(1)的驱动和制动；非簧载车架(18)的主销轴连接到整车车架(5)上，并能够绕着主销轴自由旋转；左前轮转向电机(3)外定子固定在整车车架(5)上，内转子与主销轴同轴，并且通过连接件连接起来，带动主销轴旋转，实现左前轮(1)的转向；左前轮主动悬架(4)安装在主销轴下方，其刚度和阻尼能够按照控制要求调整大小。

2.如权利要求1所述的全线控电动车，其特征在于，右前轮总成包括右前轮(8)、右前轮轮毂电机(9)、右前轮转向电机(6)、右前轮主动悬架(7)，右前轮总成以与左前轮总成相同的方式布置在非簧载车架(18)和整车车架(5)上；

右后轮总成包括右后轮(12)、右后轮轮毂电机(13)、右后轮转向电机(10)、右后轮主动悬架(11)，右后轮总成以与左前轮总成相同的方式布置在非簧载车架(18)和整车车架(5)上；

左后轮总成包括左后轮(15)、左后轮轮毂电机(14)、左后轮转向电机(17)、左后轮主动悬架(16)，左后轮总成以与左前轮总成相同的方式布置在非簧载车架(18)和整车车架(5)上。

3.如权利要求1所述的全线控电动车，其特征在于，各个车轮的垂直/纵向/侧向力均为可控量，且各控制量能够自由控制，所以能够合理分配各个车轮的驱动/制动，各个车轮的转向角，各个车轮的垂直载荷，使电动车在各种工况下都具有最大的稳定裕度。

4.如权利要求1所述的全线控电动车，其特征在于，所述全线控电动车的转向特性、加/减速特性、垂向力特性的完全可变，不受传统车机械***的限制，使整车动力学特性符合“车适应人”的设计理念。