專利名稱：智能全輪電驅動汽車結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于純電動汽車與智能汽車設計技術領域，特別涉及智能電動汽車結構。
背景技術：
隨著全球氣候逐步惡化、.城市大氣污染加劇和石油資源過度消耗，發(fā)展節(jié)能、環(huán)保汽 車已成為世界汽車工業(yè)技術創(chuàng)新的重要方向和汽車產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。純電動汽 車由于具有零排放、零油耗的優(yōu)勢，得到了最早的關注，目前己經過了百年的研發(fā)歷程， 得到了各國政府和汽車生產廠商的重視。從1834年達文波特在布蘭頓演示的采用不可充 電的玻璃封裝蓄電池的蓄電池車，到1990年美國通用公司小批量生產的"IMPACT"純電 動轎車，以及目前普及使用的電動公交車、電動場地車和電動游覽車等，純電動汽車已被 世界各國廣泛使用。
對于汽車結構而言，無論是純電動汽車還是傳統(tǒng)內燃機智能汽車，除具有共同的車外 殼、車輪、及車廂內設施外， 一般包含了車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)，動力系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，制動 系統(tǒng)，轉向系統(tǒng)以及車輛控制系統(tǒng)。
雖然目前的純電動汽車具有最佳的燃油經濟性和排放性能，被廣泛使用到各種場合。 但是目前使用的純電動汽車都未裝備能識別車輛外部交通運行環(huán)境和道路情況的環(huán)境信 息識別系統(tǒng)，以及用于車輛主動安全控制的車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)、前輪主動轉向系統(tǒng)以及電 控液壓制動系統(tǒng)等。其整車的動力系統(tǒng)控制也僅僅基于當前車輛狀態(tài)進行能量管理與分 配，只能保證車輛在當前狀態(tài)具有較好的燃油經濟性和排放性能，不能確保整車在具有系 統(tǒng)最優(yōu)的主動安全性、經濟性、排放性能、舒適性和駕駛性能。
隨著全球車輛保有量的不斷增加，交通事故頻發(fā)，由此造成了巨大經濟損失和嚴重的
社會問題。開發(fā)傳統(tǒng)內燃機智能汽車，提高汽車的主動安全性，是避免交通事故，減小人 員傷亡，降低經濟損失的有效途徑。在過去20多年時間里傳統(tǒng)內燃機智能汽車得到了非 常巨大的發(fā)展，其汽車驅動結構增加了外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)，通過車輛控制系統(tǒng) 對車輛運動的實時控制，滿足駕駛員對于安全性，舒適性和駕駛性能的需求。該內燃機智 能汽車除了車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)外，還包括有如雷達，攝像頭，導航系統(tǒng)等外部環(huán)境感知系 統(tǒng)，同時還擁有了改進的制動系統(tǒng)和轉向系統(tǒng)。但傳統(tǒng)內燃機智能汽車一般都只裝備單一 的傳統(tǒng)內燃機動力系統(tǒng)和傳統(tǒng)的動力傳動系統(tǒng)，主要實現(xiàn)自適應巡航、車道保持、主動避
k和自適應智能速度等主動安全功能。因此傳統(tǒng)內燃機智能汽車，雖然能有效解決汽車主
動安全問題，但仍然需要解決降低燃油消耗和減少排放的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于為克服已有技術的不足之處，提出一種智能全輪電驅動汽車結構， 可同時實現(xiàn)純電動汽車在經濟性和排放性以及傳統(tǒng)智能汽車在主動安全性、舒適性和駕駛 員性能等方面的優(yōu)勢。
本發(fā)明提出的智能全輪電驅動汽車結構，包括車外殼、車輪、及車廂內設施，其特征 在于，該結構還包括外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)，動力系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，制動系統(tǒng)，轉 向系統(tǒng)和車輛控制系統(tǒng)；所述外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)通過車載CAN總線與車輛控制 系統(tǒng)實時交換信息；該外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)，用于獲得外部環(huán)境信息以及車輛運 行狀態(tài)信息；該車輛控制系統(tǒng)包括由EBS控制器，AFS控制器，四臺電機控制器、動力電 池控制器組成的部件控制器和整車控制器，該整車控制器用于根據外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感 知系統(tǒng)獲得的外部環(huán)境信息以及車輛狀態(tài)進行信息融合，識別及預測車輛及環(huán)境信息，然 后基于經濟性，安全性，舒適性以及駕駛特性制定車輛期望運動軌跡和需求功率，實時計 算各個總成部件的控制指令，并通過控制各部件控制器，保證車輛始終工作在最優(yōu)的狀態(tài)； 該動力系統(tǒng)包括四臺驅動電機及動力電池，用于根據車輛控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令產生相 應的功率并輸出；該傳動系統(tǒng)將動力傳遞至車輪，驅動車輪動作；該制動系統(tǒng)及四臺電機， 根據車輛控制系統(tǒng)指令，執(zhí)行制動指令，對車輛進行制動；轉向系統(tǒng)，將根據車輛控制系 統(tǒng)指令對前輪轉向角進行控制。
本發(fā)明相比傳統(tǒng)內燃機智能汽車或純電動汽車，具有以下明顯優(yōu)勢
(1) 相比原有傳統(tǒng)內燃機智能汽車，利用驅動電機快速、精確的響應特性，能大幅度改善. 系統(tǒng)工作時的響應特性，系統(tǒng)性地提高整車性能。
(2) 相比純電動汽車，可以利用外部環(huán)境信息進行車輛預期狀態(tài)識別與軌跡規(guī)劃，進一步 提高駕駛員操作情況下的燃油經濟性和排放特性。
(3) 通過外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)以及 車輛控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調工作，使整車達到系統(tǒng)最優(yōu)的經濟性、排放性能、安全性、舒適 性和駕駛性能。


圖1智能全輪電驅動汽車硬件及電氣結構示意圖
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明 本發(fā)明提出的智能全輪電驅動汽車結構，包括車外殼、車輪、及車廂內設施，其特征 在于，該結構還包括外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)，動力系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，制動系統(tǒng)，轉
向系統(tǒng)和車輛控制系統(tǒng)，其中外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)通過車載CAN總線與車輛控制 系統(tǒng)實時交換信息；該外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)，用于獲得外部環(huán)境信息以及車輛運 行狀態(tài)信息；該車輛控制系統(tǒng)，包括由EBS控制器，AFS控制器，四臺電機控制器、動力
電池控制器組成的部件控制器，以及整車控制器，其中整車控制器用于根據外部環(huán)境及車 輛姿態(tài)感知系統(tǒng)獲得的外部環(huán)境信息以及車輛狀態(tài)進行信息融合，識別及預測車輛及環(huán)境 信息，然后基于經濟性，安全性，舒適性以及駕駛特性制定車輛期望運動軌跡和需求功率， 實時計算各個總成部件的控制指令，并通過控制各部件控制器，保證車輛始終工作在最優(yōu) 的狀態(tài)；該動力系統(tǒng)包括四臺驅動電機及動力電池，用于根據車輛控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指 令產生相應的功率并輸出；該傳動系統(tǒng)將動力傳遞至車輪，驅動車輪動作；制動系統(tǒng)及四 臺驅動電機，根據車輛控制系統(tǒng)指令，執(zhí)行制動指令，對車輛進行制動；轉向系統(tǒng)為前輪 主動轉向系統(tǒng)AFS，將根據車輛控制系統(tǒng)指令對前輪轉向角進行控制。
本發(fā)明上述各系統(tǒng)的結構結合圖1所示分別說明如下圖中，細實線表示機械連接， 粗虛線表示液壓連接，粗實線表示高壓電氣連接，細虛線表示低壓電氣連接，雙實線表示
CAN總線，三實線表示部件控制器對相應部件的控制信號。
本發(fā)明的外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)可包括分別與CAN總線相連的雷達及處理器、 導航系統(tǒng)GPS及處理器、攝像頭及處理器、車輛姿態(tài)傳感器。其中，雷達及處理器安裝在 車的頭部，用于采集自車與前車(或者前面障礙物)的相對距離以及相對車速的實時數據； 攝像頭及處理器安裝于車輛頭部和尾部，用于采集外部環(huán)境圖像并對其進行二值化處理， 得到車道線以及旁車道車輛信息；GPS及處理器安裝于駕駛室內，提供當前車輛地理位置 以及海拔信息;-車輛姿態(tài)傳感器安裝于車輛中部，包括橫擺角速度傳感器，側向加速度傳 感器，以提供車輛橫擺角速度和車輛側向加速度。雷達可以為激光雷達或者毫米波雷達， 本實施例雷達及處理器采用Denso公司的毫米波雷達及處理器，有效距離100m。攝像頭采 用高速攝像頭，該處理器采用常規(guī)的單片機實現(xiàn)，GPS及處理器采用凱立德移動導航系統(tǒng) G12193，車輛橫擺角速度傳感器和側向加速度傳感器采用商用傳感器。
本發(fā)明的動力系統(tǒng)，包括四臺驅動電機(驅動電機l，驅動電機2，驅動電機3，驅動 電機4)和動力電池。其中，驅動電機與動力電池通過高壓線束相連，由動力電池提供電 力。該四臺驅動電機通過減速裝置機械分別與四個車輪連接，驅動電機的輸出扭矩通過減 速裝置和傳動軸輸出至車輪以驅動車輛。本實施例的四臺驅動電機均采用332V高壓供電， 額定功率15KW,最大功率40KW，高壓電池組采用332V的45Ah鉛酸高壓電池組。
本發(fā)明的傳動系統(tǒng)，將動力系統(tǒng)輸出的動力傳遞至車輪而驅動車輛。包括減速裝置、 傳動軸5以及車輪6等傳動部件。如圖1所示，減速裝置安裝與驅動電機與車輪之間，傳 動軸以及車輪安裝位置與傳統(tǒng)車同。在本實施例中，變速裝置采用商用單級機械減速器。
本發(fā)明的制動系統(tǒng)采用電控制動機構EBS，并與動力系統(tǒng)的4臺驅動電機(驅動電機1， 驅動電機2，驅動電機3，驅動電機4)聯(lián)合制動。電控制動機構EBS通過執(zhí)行機構連接至 四個車輪，通過制動力控制進行制動操作，動力系統(tǒng)的4臺驅動電機也可通過提供電機阻 力矩進行制動操作。本制動系統(tǒng)在駕駛員制動或者通過車輛控制系統(tǒng)計算需要進行制動的 時候，根據車輛控制器的制動指令，利用電控制動機構EBS和4臺驅動電機協(xié)調工作進行'
制動。本實施例的電控制動機構EBS采用電控液壓制動機構EHB。
本發(fā)明的轉向系統(tǒng)采用商用前輪主動轉向機構AFS。前輪主動轉向機構AFS通過轉向 電機控制前車輪主動轉向。AFS根據車輛控制器輸出轉向指令以及駕駛員轉向操作由AFS 控制器控制，執(zhí)行前輪主動轉向操作。本實施例的前輪主動轉向機構采用德國BMW公司的 前輪主動轉向機構。
本發(fā)明的車輛控制系統(tǒng)，包括分別通過CAN總線連接的整車控制器，由EBS控制器， AFS控制器、動力電池控制器、四臺電機控制器組成的部件控制器。其中，EBS控制器與 電控制動機構EBS相連，AFS控制器與前輪主動轉向機構AFS相連，動力電池控制器與動 力電池相連，四臺驅動電機控制器分別與四臺驅動電機相連。EBS控制器根據整車控制器 制動指令控制EBS進行制動，AFS控制器根據整車控制器轉向指令控制AFS進行前輪主動 轉向操作，4臺驅動電機控制器根據整車控制器的控制指令執(zhí)行相應的轉矩命令，動力電 池控制器檢測動力電池狀態(tài)，并將動力電池信息實時發(fā)送到CAN上。
整車控制器根據外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)獲得的外部環(huán)境信息以及車輛狀態(tài)進行 信息融合，識別及預測車輛及環(huán)境信息(包括交通統(tǒng)計信息，距路口信息，海拔信息，路 面附著率，前車，旁車運動識別及預測，駕駛員特性識別以及駕駛員操作識別，車輛當前 狀態(tài)信息等車輛及環(huán)境信息)，然后基于經濟性，安全性，舒適性以及駕駛特性制定車輛 期望運動軌跡和需求功率，實時計算各個總成部件的控制指令(制定驅動力，制動力以及 轉向角控制指令，并將驅動力，制動力分配給四臺驅動電機以及電控液壓制動系統(tǒng)EBS， 將轉向角指令發(fā)送給AFS系統(tǒng))，并通過控制各部件控制器，保證車輛始終工作在最優(yōu)的 狀態(tài)。
EBS控制器根據整車控制器分配的制動力指令，控制EBS制動機構實現(xiàn)制動力指令。 AFS控制器根據整車控制器發(fā)送的轉向角指令，控制車輪轉向機構實現(xiàn)轉向角指令。
本實施例的整車控制器，EBS控制器，AFS控制器、電機控制器和動力電池控制器均可 采用單片機實現(xiàn)。
采用本發(fā)明的車輛控制系統(tǒng)在自動駕駛模式下，智能全輪電驅動汽車可以實現(xiàn)以下功
能
智能低速頻繁起停功能低速頻繁起停過程中，將根據外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng) 采集到的前車環(huán)境信息(如相對距離信息、車道信息、旁車信息、地理位置和海拔信息等)、 車輛運行狀態(tài)信息(如車速、縱向加速度和側向加速度等)、部件狀態(tài)信息(如電機轉速、 電機轉矩和電池剩余電量等)以及駕駛員操作(如加速踏板位置、制動踏板位置和方向盤 轉角等)，由車輛控制系統(tǒng)制定需求加、減速度和轉向角度，自動進行車輛的起?？刂坪?換道控制。
智能中高速巡航控制功能中高速巡航控制過程中，同樣，將根據外部環(huán)境及車輛姿
態(tài)感知系統(tǒng)采集到的前車環(huán)境信息(如與前車相對距離信息、相對速度、車道線信息、旁 車信息、當前車地理位置和海拔信息等)、車輛運行狀態(tài)信息(如車輛縱向加速度、橫向 加速度、橫擺角速度和側向加速度等)、部件狀態(tài)信息(如電機轉速、電機轉矩和電池剩 余電量等)以及駕駛員操作(如加速踏板位置、制動踏板位置和方向盤轉角等)，由車輛 控制系統(tǒng)進行最優(yōu)路徑規(guī)劃，制定需求加、減速度和轉向角度，自動跟隨前車行駛，或者 保持勻速行駛，同時進行換道控制，保證車輛經濟性與安全性。
智能緊急制動功能在緊急制動情況過程中，將根據外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)采 集到的前車環(huán)境信息(如相對距離信息、車道信息、旁車信息、地理位置和海拔信息等)、 車輛運行狀態(tài)信息(如車速、縱向加速度和側向加速度等)、部件狀態(tài)信息(如電機轉速、 電機轉矩和電池剩余電量等)以及駕駛員操作(如加速踏板位置、制動踏板位置和方向盤 轉角等)，如果車輛控制系統(tǒng)預測發(fā)現(xiàn)未來將發(fā)生危險，將進行主動制動控制，車輛控制
系統(tǒng)將會協(xié)調驅動電機，電控液壓制動系統(tǒng)EBS,前輪主動轉向系統(tǒng)AFS，進行制動和換 道控制，保證車輛安全性。
權利要求
1、一種智能全輪電驅動汽車結構，包括車外殼、車輪、及車廂內設施，其特征在于，該結構還包括外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)，動力系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，制動系統(tǒng)，轉向系統(tǒng)和車輛控制系統(tǒng)；所述外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)通過車載CAN總線與車輛控制系統(tǒng)實時交換信息；該外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)，用于獲得外部環(huán)境信息以及車輛運行狀態(tài)信息；該車輛控制系統(tǒng)包括由EBS控制器，AFS控制器，四臺電機控制器、動力電池控制器組成的部件控制器和整車控制器，該整車控制器用于根據外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)獲得的外部環(huán)境信息以及車輛狀態(tài)進行信息融合，識別及預測車輛及環(huán)境信息，然后基于經濟性，安全性，舒適性以及駕駛特性制定車輛期望運動軌跡和需求功率，實時計算各個總成部件的控制指令，并通過控制各部件控制器，保證車輛始終工作在最優(yōu)的狀態(tài)；該動力系統(tǒng)包括四臺驅動電機及動力電池，用于根據車輛控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令產生相應的功率并輸出；該傳動系統(tǒng)將動力傳遞至車輪，驅動車輪動作；該制動系統(tǒng)及四臺電機，根據車輛控制系統(tǒng)指令，執(zhí)行制動指令，對車輛進行制動；轉向系統(tǒng)，將根據車輛控制系統(tǒng)指令對前輪轉向角進行控制。
2、 如權利要求l所述結構，其特征在于，所述外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)包括分別 與CAN總線相連的雷達及處理器、導航系統(tǒng)及處理器、攝像頭及處理器、車輛姿態(tài)傳感器； 所述雷達及處理器安裝在車的頭部，用于采集自車與前車的相對距離以及相對車速的實時 數據；所述攝像頭及處理器安裝于車輛頭部和尾部，用于采集外部環(huán)境圖像并對其進行二 值化處理，得到車道線以及旁車道車輛信息；所述導航系統(tǒng)及處理器安裝于駕駛室內，提 供當前車輛地理位置以及海拔信息；所述車輛姿態(tài)傳感器安裝于車輛中部，以提供車輛橫擺角速度和車輛側向加速度。
3、 如權利要求1或2所述結構，其特征在于，所述驅動電機與動力電池通過高壓線 束相連，由動力電池提供電力；該四臺驅動電機通過減速裝置機械分別與四個車輪連接， 驅動電機的輸出扭矩通過減速裝置和傳動軸輸出至車輪以驅動車輛。
4、 如權利要求3所述結構，其特征在于，所述制動系統(tǒng)采用電控制動機構；根據車輛 控制器的制動指令，利用該電控制動機構和所述4臺驅動電機協(xié)調工作進行制動；該電控 制動機構通過執(zhí)行機構連接至四個車輪，通過制動力控制進行制動操作，所述4臺驅動電 ^L通過提供電機阻力矩進行制動操作。
5、 如權利要求3所述結構，其特征在于，所述車輛控制系統(tǒng)，包括分別通過CAN總線 連接的整車控制器，由EBS控制器，AFS控制器、動力電池控制器、四臺電機控制器組成 的部件控制器；該EBS控制器與電控制動機構EBS相連，EBS控制器根據整車控制器制動 指令控制EBS進行制動；該AFS控制器與前輪主動轉向機構AFS相連，AFS控制器根據整 車控制器轉向指令控制AFS進行前輪主動轉向操作；該四臺驅動電機控制器分別與四臺驅 動電機相連；4臺驅動電機控制器根據整車控制器的控制指令執(zhí)行相應的轉矩命令；該動 力電池控制器與動力電池相連，動力電池控制器檢測動力電池狀態(tài)，并將動力電池信息實 時發(fā)送到CAN上。
全文摘要
本發(fā)明涉及智能全輪電驅動汽車結構，屬于純電動汽車與智能汽車設計技術領域，該結構包括車外殼、車輪、及車廂內設施，還包括外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)，動力系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，制動系統(tǒng)，轉向系統(tǒng)和車輛控制系統(tǒng)；外部環(huán)境及車輛姿態(tài)感知系統(tǒng)通過車載CAN總線與車輛控制系統(tǒng)實時交換信息；車輛控制系統(tǒng)包括部件控制器和整車控制器，該動力系統(tǒng)包括四臺驅動電機及動力電池；該傳動系統(tǒng)將動力傳遞至車輪，驅動車輪動作；該制動系統(tǒng)及四臺電機根據車輛控制系統(tǒng)指令對車輛進行聯(lián)合制動。本發(fā)明可同時實現(xiàn)純電動汽車在經濟性和排放性以及傳統(tǒng)智能汽車在主動安全性、舒適性和駕駛員性能等方面的優(yōu)勢。
文檔編號B60W10/192GK101353011SQ20081022280
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月19日 優(yōu)先權日2008年9月19日
發(fā)明者李克強, 楊殿閣, 王建強, 羅禹貢, 連小珉, 鄭四發(fā), 濤 陳 申請人:清華大學