专利名称：用于电动汽车的交流驱动系统的制作方法
技术领域：
本申请总地来说涉及一种用来给电动车辆的驱动轮提供动力的无刷交流(AC)驱动系统。
背景技术：
本部分中的描述仅仅提供与本申请相关的背景技术信息，并不构成现有技术。所有的电动机，例如交流(AC)电动机或直流(DC)电动机，其工作原理是相同的，即彼此接近的两个磁场趋向于对齐。感应磁场的一种方法是将电流通过线圈。如果通有电流的两个线圈彼此接近，那么各自所产生的磁场就趋向于相互对齐。如果两个线圈彼此成的角度为O到180度，那么这种趋势就会在两个线圈之间产生转矩。电动机的一种结构是这些线圈中的一个机械固定在轴上，另一个固定在外壳上。在这些线圈中产生的转矩可以随着穿过线圈的电流变化而变化。AC电动机可以包括很多类的电动机，例如单相电动机/多相电动机、通用电动机、伺服电动机、异步电动机、同步电动机和齿轮电动机。AC电动机所产生的磁场可以通过电磁体来产生，给电磁体供给的AC电压与电动机线圈的电压相同。产生磁场的线圈通常叫做“励磁线圈”，而能旋转的线圈和实心铁心叫做电枢线圈。AC电动机有很多超过DC电动机的优点。一些种类的DC电动机包括一个叫做换向器的装置。换向器可以保证两个线圈之间总保持一个角度，这样当电动机轴旋转超过180度的时候，就可以连续地产生转矩。换向器将电流从电枢线圈中切断，并在电枢线圈和连接到电动机外壳上的励磁线圈之间的角度达到零度之前将电流重新连接到第二电枢线圈上。每个电枢线圈的端部都带有称为整流条的接触器。用碳制成的接触器被称为电刷，被固定到电动机外壳上。带有换向器和电刷的DC电动机通常叫做“刷式”DC电动机。随着DC电动机轴旋转，电刷就与一组整流条分离，并与下一组整流条接触。这个过程在电枢线圈和励磁线圈之间保持一个相对恒定的角度，这样就可以在DC电动机旋转过程中保持一个恒定的转矩。一些种类的AC电动机，例如无刷AC电动机，不使用电刷或整流条。刷式DC电动机通常要定期维护来检查和更换磨损的电刷，并要从各个电动机表面清理可能产生火花危险的碳尘。因此，用无刷的AC电动机取代刷式DC电动机可以消除和维护以及磨损相关的问题，并可以消除危险火花的问题。AC电动机可以非常适用于定速运转。这是因为与DC电动机不同，AC电动机的电动机转速是由施加到电动机端子上的AC电压的频率决定的。
已有两种截然不同的AC电动机AC同步电动机和AC异步电动机。同步电动机包括在定子部分中的一系列绕组，该定子部分具有简单的旋转区域。电流通过线圈，在线圈中产生转矩。因为电流是交变的，所以电动机通常就可以根据正弦波的频率而平稳运转。这就使得从空载到满载都有恒定的、不变的速度，而不会打滑。AC异步电动机通常在两种AC电动机中是更常见的一种。AC异步电动机使用电流来引起在线圈中的旋转，而不是直接提供旋转。因此，AC异步电动机在旋转电枢上使用短接的线环，通过改变在励磁线圈中的磁场来从这些线环中产生的电流中来获得发动机转矩。传统的电动机驱动车辆，例如高尔夫球车和小型多用途车辆，都是DC驱动的，并且基本上都是采用分流型DC驱动系统来供给能量的。这种分流型DC电动机已经取代了很多老款串绕DC电动机来给例如高尔夫球车的车辆提供电能。分流型DC电动机具有并联连接到共有电压源上的电枢和励磁绕组，该结构在控制电动机性能方面比串绕DC电动机具有更大的灵活性。但是，这样的分流型电动机还存在维护和潜在火花危险的问题。迄今为止，无刷AC驱动系统还不能用来提供驱动例如高尔夫球车的车辆的车轮的原动力。通过下面的说明，进一步的应用领域将变得更加明显。可以 理解的是，说明和特定实施例仅仅是出于说明的目的，而不是要限定本申请的范围。
发明内容
在本发明的第一方面提供了一种用于多用途车辆的驱动系统，包括用于提供驱动转矩的交流AC电动机；AC电动机控制器，用于接收电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号、钥匙开关信号、前进/空挡/倒车FNR信号和表示该多用途车辆是被驱动还是被牵引的行驶/牵引信号，其中该AC电动机控制器产生用于该AC电动机的AC驱动信号；和其中该AC驱动信号是基于该电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号、钥匙开关信号、FNR信号和行驶/牵引信号产生的。在本发明的第二方面提供了一种操作用于多用途车辆的驱动系统的方法，包括提供驱动转矩；接收电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号、钥匙开关信号、前进/空挡/倒车FNR信号和表示该多用途车辆是被驱动还是被牵引的行驶/牵引信号；基于该电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号、钥匙开关信号、FNR信号和行驶/牵引信号产生AC驱动信号；和将该AC驱动信号转换成用于推进该多用途车辆的驱动转矩。在本发明的第三方面提供了一种用于包括多个车轮的多用途车辆的驱动系统，包括多个交流AC电动机，每个电动机给相关的一个车轮提供驱动转矩；AC电动机控制器，用于接收电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号、钥匙开关信号、前进/空挡/倒车FNR信号和表示该多用途车辆是被驱动还是被牵引的行驶/牵引信号，其中该AC电动机控制器产生用于多个相关AC电动机的多个AC驱动信号;其中该AC驱动信号是基于该电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号、钥匙开关信号、FNR信号和行驶/牵引信号产生的。在本发明的第四方面提供了一种多用途车辆，包括多个支撑该车辆的车轮，至少一个车轮是驱动轮；
交流AC电动机，用于给该驱动轮提供驱动转矩；AC电动机控制器,用于接收多个输入,该电动机控制器产生用于该AC电动机的AC驱动信号；其中该AC驱动信号是根据至少电池电压信号、节气门踏板位置信号和制动踏板位置信号产生的。在本发明的第五方面提供了一种操作用于多用途车辆的驱动系统的方法，包括提供驱动转矩；接收电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号，以及钥匙开关信号、前进/空挡/倒车FNR信号和表示该多用途车辆是被驱动还是被牵引的行驶/牵引信号中的至少一个；、根据所接收的信号产生AC驱动信号；和将该AC驱动信号转换成用于推进该多用途车辆的驱动转矩。在本发明的第六方面提供了一种用于包括多个车轮的多用途车辆的驱动系统，包括多个交流AC电动机，每个电动机给相关的一个车轮提供驱动转矩；AC电动机控制器，用于接收电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号，以及钥匙开关信号、前进/空挡/倒车FNR信号和表示该多用途车辆是被驱动还是被牵引的行驶/牵引信号中的至少一个，其中该AC电动机控制器产生用于多个相关AC电动机的多个AC驱动信号；和其中该AC驱动信号是基于该电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号、钥匙开关信号、FNR信号和行驶/牵引信号产生的。在本发明的第七方面提供了一种操作用于多用途车辆的驱动系统的方法，包括提供驱动转矩；接收电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号，以及钥匙开关信号、前进/空挡/倒车FNR信号和表示该多用途车辆是被驱动还是被牵引的行驶/牵引信号中的至少一个；基于该电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号，以及钥匙开关信号、FNR信号和行驶/牵引信号中的至少一个产生AC驱动信号；和将该AC驱动信号转换成用于推进该多用途车辆的驱动转矩。
这里所示出的附图仅仅是为了说明的目的，而不是要限定本申请的范围。在申请文件中，类似的部件用类似的附图标记来表示，这也仅仅是出于说明的目的，而不是要限定各种实施例。图I是根据各种实施例的AC驱动系统的框图。图2是根据一个实施例的仪表板的框图。图3是示出了根据各种实施例的CAN通信芯片的结构的框图。图4是示出了根据各种实施例的前轮速度传感器的框图。图5是示出了根据各种实施例中的多轮或全轮驱动结构的框图。
具体实施例方式图I是根据各种实施例的一种AC驱动系统的示例性框图。在图I中示出了 AC驱动系统100,其可以包括例如异步电动机或永磁电动机的三相(3 Φ ) AC电动机110,还包括匹配的AC驱动电动机控制器120，该控制器120用于例如高尔夫球车和/或小型多用途车辆的电动车辆190上。如下所述，AC驱动系统100可以提供牵引力、行车制动功能，并可以将车辆190的动能回收和转化成电动势(EMF)形式的势能。参照图1，响应于电动机控制器120，电动机110可以提供原动力来驱动车轮198，并通过锁止式差速器194和轴196将原动力或牵引能量经轴192传递给后轮198。电动机110可操作地连接到电动制动器180上，电动制动器180通过信号线185受电动机控制器 120和/或电动机110的控制。另外，用于节气门(加速踏板)170的节气门控制是根据经信号线126从电动机控制器120接收的信号，通过节气门位置传感器175和节气门启动传感器177来进行的。而且，AC驱动系统100还包括行车制动器踏板160，该踏板160根据从电动机控制器120的信号通过电动机110来控制制动。行车制动器踏板160的移动是由上述传感器中的一个或两个来检测的，传感器产生通过通信线122发送给电动机控制器120的控制信号。和制动器踏板160相关的传感器可以包括制动器位置传感器163和全冲程传感器165，这将在下面进一步说明。如图I所示，电动机控制器120在操作上通过直接连接或控制器局域网(CAN)总线145以及相关的连接器接口可以与便携电池组130、充电器140、外部网络150和例如倒车报警传感器的其它外部装置或输出装置155中的一个或多个相连。在电动机控制器120、充电器140和外部网络150之间的工作控制和数据交换将在下面详细介绍。用于AC驱动系统100的AC系统逻辑可以包括一系列的驱动输入和驱动输出。下面介绍的是向系统逻辑的输入和从系统逻辑的输出，这些系统逻辑是在例如电动机传感器120的智能装置中执行的。本领域普通技术人员可以理解，除了下述之外的输入和输出参数或信号可以通过示例性AC驱动系统来执行。图2是根据各种实施例的一个示例性的仪表板的框图。参照图2，一个合适的仪表板200可以包括钥匙开关220、前进、空挡和倒车(FNR)开关230、低电量指示器235、安培小时表240、LED 245、控制器指示器248和倒车报警指示器250。控制器指示器248可以指示例如正常状态、警告等等的状态，或者指示AC控制器120或AC电动机控制系统的其它部件。LED 245可以是单个LED或多个LED，可以被配置为显示适当的数字错误代码或文字数字错误代码。错误代码可以包括，但是不局限于，与AC电动机110、电动机控制器120、电池组130、行车制动器160、电动制动器180等的近似阈值或警告条件相关的错误代码。车辆190还可以包括一个在所需位置提供的适当的行驶/牵引开关210，其由车辆190的操作者所操纵。行驶/牵引开关210可以位于车辆190上便于牵引的位置，但是应该是从操作者(或乘客)的座位不容易操纵该开关的位置，以避免在车辆190的正常行驶过程中有意或无意地打开开关210。当行驶/牵引开关210被选择为行驶，通过电动机控制器120和电动机110提供原动力来驱动车辆190。当行驶/牵引开关210被转换为牵引时，给电动制动器180通电一段时间，该时间足够启动电动制动器180和电动机控制器120，该时间可以是例如I秒，并且电动制动器180还可以提供一个给定的脉冲宽度调制(PWM)百分比，例如可以是40%，来维持电动制动器180随后工作。如这里将更加详细介绍的那样，这就使得车辆190可以以等于或稍微大于额定的电动机速度被牵引，例如在高尔夫球车上为大约4650RPM。行驶/牵引开关210处于牵引状态时，提供零车轮转矩的牵引模式被启动。另一种对系统逻辑的输入可以是通过具有0N/0FF开关位置的钥匙开关220来提供的。随着钥匙开关220被设定为开位置，则驱动逻辑能量就可以启动电动机控制器120，并且能量可以启动电动制动器180。将钥匙开关220设定为关状态就可以停止电动机控制器120的逻辑能量，并不再为电动制动器180提供能量。将FNR开关230设定为前进状态就可以启动驱动逻辑能量来选择向前的驱动方
向。前进速度可以等于额定电动机速度，或者等于额定电动机速度下的车速。将FNR开关230设定为空挡，就可以使驱动逻辑能量无法选择向前驱动方向或反向驱动方向，这样就可以使AC电动机110处于在一个相对恒定RPM (也就是怠速)的空转模式。将FNR开关230设定为倒车，就可以启动驱动逻辑能量选择为反向驱动方向。这个开关位置也可以发出倒车警告的声音。反向方向速度可以根据需要设定为小于额定速度，例如可以是最大电动机速度的60%，或者是大致为10MPH的车速。如图I所示，另一种对系统逻辑的输入可以包括节气门位置传感器175。节气门位置传感器175可以位于在加速踏板或节气门170和电动机控制器120之间的信号线126上，并且可以被配置为输出模拟电压，该模拟电压可以在控制器120的A/D转换器中转换成数字信号。该电压可以根据节气门170的位置或压缩量在O到5. O伏特之间变化。在一个示例性结构中，0-0. 5伏特可以表示ORPM的指令速度，4. 5伏特或更大值可以表示最大指令电动机速度。换句话说，O. 5伏特输出对应0%的指令电动机速度或零RPM。4. 5或更大的伏特输出对应在向前方向上100%的指令电动机速度(4650RPM)和在反向方向上60%的指令电动机速度(2790RPM)。节气门位置传感器175可以是适当的电位计或者霍尔效应传感器，这样就可以在向前和反向方向上都将实际速度限定为电动机速度的100%。另一种对系统逻辑的驱动输入可以通过节气门启动传感器177来进行。节气门启动传感器177，偶尔也称为踏板升高传感器，用来基于加速踏板或节气门170的位置来检测驱动模式和踏板升高模式中的一种。当检测到驱动模式(在踏板被压下的任意点)的时候，节气门启动传感器177给主接触器通电，使AC电动机110工作，并给电动制动器180断电，以使得驱动力能通过电动机控制器120和电动机110传递给车轮198。如果检测到踏板升高模式(是指加速踏板完全“升高”，没有被压下)，该主接触器就可以被断电，以不再驱动。因此，为了将原动力提供给车轮198而需要满足的示例性输入条件可以包括钥匙开关220处于开，FNR开关230被选择为处于前进或倒车位置，行驶/牵引开关210被选择为行驶，制动器位置传感器163从电动机控制器120接收0%制动指令，电池130的充电状态(SOC)为至少20%。这些仅仅是提供原动力的示例性条件，本领域普通技术人员也可以设置其它条件。另一种对系统逻辑的驱动输入可以通过制动器位置传感器163来进行。例如，检测到小于O. 5伏特输出可以表示0%制动，并可以将原动力提供给车轮198。例如，在O. 51到I. O伏特输出之间，可以通过再生制动来保持实际车速，并且没有原动力被输入到车轮198。在I. 01到4. O伏特输出之间，随着输入电压的增加就增加比例减速度斜率。例如，启动条件和结束条件是可调整的。对于从制动器位置传感器163输出的从4. I到4. 5或者更大的伏特输出，指令电动机速度可以是0%，并且电动制动器180可以被断电，以便使得电动制动器180来给电动机110提供制动力。制动功能可以根据过程条件，例如潮湿、干燥、丘陵和平坦地形等，以及车辆性能进行调节，以便给制动操作提供一致的感觉。制动器位置传感器163的逻辑功能可以是优先的，并且例如可以保持优先于对节气门170的任何节气门输入。用于制动器位置传感器163的逻辑功能可以与下面的条件一起工作钥匙开关220处于开，FNR开关230处于前进或倒车位置，行驶/牵引开关210被选择为行驶或牵引，节气门启动传感器177检测到驱动模式或踏板升高模式，节气门位置传感器175检测到位于O到100%之间的指令电动机速度。进一步的条件可以是高于0%的任意电池SOC值。另一种对系统逻辑的输入可以是电池电压。电动机控制器120可以监视在负荷下电池组130的电压，或者监视电池组130的内阻(阻抗)，以便确定电池组130的充电状态(SOC)0当SOC处于100%到25%之间时，控制器120可以启动原动力来驱动车辆190。当 SOC处于24%到20%之间时，电动机控制器120中的逻辑可以将指令速度限定为最大驱动速度的40%，或者接近1860RPM，或者接近6MPH，以提供跛脚回家能力。当SOC小于20%时，不提供原动力来驱动车辆190。这样，逻辑就可以将指令速度限定为零RPM，电动制动器180被断电，通过电动机110的电动机制动可以被启动，以保护电池组130不会被过度放电。电动制动器180可以通过行驶/牵引开关在该后面的SOC范围被设定为牵引来充电。表I概述了对电动机控制器120的逻辑的示例性驱动输入。表I驱动输入
权利要求
1.一种系统，包括 用于提供驱动转矩的交流(AC)电动机；以及 AC电动机控制器，用于接收表示车辆是被驱动还是被牵引的多个车辆特性，其中所述多个车辆特性包括电池电压信号，并且其中所述AC电动机控制器基于所述电池电压信号产生AC驱动信号，并选择性地调节原动力以驱动车辆。
2.根据权利要求I所述的系统，其中所述多个车辆特性包括节气门踏板位置信号、节气门启动信号、制动踏板位置信号、制动全行程信号、钥匙开关信号、前进/空档/倒车(FNR)信号和行驶/牵引信号。
3.根据权利要求2所述的驱动系统，其中所述AC电动机包括感应电动机和永磁体电动机中的一种
4.根据权利要求3所述的驱动系统，其中所述AC电动机是三相四板无刷电动机。
5.根据权利要求3所述的驱动系统，其中所述AC电动机包括缠绕定子和永磁体转子。
6.根据权利要求5所述的驱动系统，其中所述永磁体包括稀土磁体。
7.根据权利要求I所述的驱动系统，其中所述AC驱动信号包括三相AC驱动信号。
8.根据权利要求I所述的驱动系统，其中所述AC驱动信号包括脉冲宽度调制信号和脉冲频率调制信号中的至少一个。
9.根据权利要求I所述的驱动系统，其中所述AC电动机控制器基于所述电池电压信号确定所述AC电动机的最大速度。
10.根据权利要求2所述的驱动系统，其中所述AC电动机控制器基于所述行驶/牵引信号和所述FNR信号确定所述AC电动机的最大速度。
11.一种方法，包括 提供驱动转矩；以及 接收表示车辆是被驱动还是被牵引的多个车辆特性，其中所述多个车辆特性包括电池电压信号； 基于所述电池电压信号产生AC驱动信号，并选择性地调节原动力以驱动车辆；以及 将所述AC驱动信号转换为用于推进车辆的驱动转矩。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个车辆特性包括节气门踏板位置信号、节气门启动信号、制动踏板位置信号、制动全行程信号、钥匙开关信号、前进/空档/倒车(FNR)信号和行驶/牵引信号。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括记录所述电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号、钥匙开关信号、FNR信号和行驶/牵引信号中的至少一个的值。
14.根据权利要求11所述的方法，其中产生AC驱动信号包括产生三相AC驱动信号。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述AC驱动信号包括脉冲宽度调制信号和脉冲频率调制信号中的至少一个。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括基于所述电池电压信号确定所述AC驱动信号的最大频率。
17.根据权利要求12所述的方法，进一步包括基于所述行驶/牵引信号和所述FNR信号确定所述AC驱动信号的最大频率。
18.根据权利要求12所述的方法，进一步包括当所述钥匙开关信号指示开位置、所述FNR信号指示前进和倒车位置中的一个、所述行驶/牵引信号指示行驶位置、所述制动信号指示0%制动指令，并且电池充电状态(SOC)大于预定SOC时，产生所述AC驱动信号。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述行驶/牵引信号的当前值表示选择的牵引位置。
20.根据权利要求19所述的方法，包括基于所述行驶/牵引信号的当前值最小化前进方向和倒车方向的驱动转矩。
全文摘要
一种用于多用途车辆的驱动系统，包括用于提供驱动转矩的交流(AC)电动机。AC电动机控制器接收电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号、钥匙开关信号、前进/空挡/倒车FNR信号和表示该多用途车辆是被驱动还是被牵引的行驶/牵引信号。该AC电动机控制器产生用于该AC电动机的AC驱动信号，其中该AC驱动信号是基于该电池电压信号、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号、钥匙开关信号、FNR信号和行驶/牵引信号产生的。
文档编号B60L15/20GK102658781SQ201210153650
公开日2012年9月12日 申请日期2005年10月28日 优先权日2004年10月28日
发明者小奥利弗·亚历山大·贝尔, 沃伦·克拉克 申请人:特克斯特朗创新有限公司