CN102658781B - 用于电动汽车的交流驱动系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

用于电动汽车的交流驱动系统

本申请是于2005年10月28日提交的申请号为200510119164.7、标题为“用于电动汽车的交流驱动系统”的专利申请的分案申请。

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0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。

附图说明

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1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。

具体实施方式

图1是根据各种实施例的一种AC驱动系统的示例性框图。在图1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（3φ）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1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1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ON/OFF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1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0到5.0伏特之间变化。在一个示例性结构中，0-0.5伏特可以表示0RPM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，0.5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0.5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0.51到1.0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1.01到4.0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4.1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0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）。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1概述了对电动机控制器120的逻辑的示例性驱动输入。

表1驱动输入

AC驱动系统100可以包括数个由电动机控制器120产生的示例性驱动输出。例如，当钥匙开关220处于关，FNR开关230处于倒车，并且行驶/牵引开关210处于行驶时，控制器120可以产生倒车报警输出，以启动倒车报警器250。当钥匙开关220处于关或行驶/牵引开关210处于牵引时，电动机控制器120可以停止倒车报警器250。

驱动输出逻辑可以被提供给电动制动器180。例如，当行驶/牵引开关为牵引，或当钥匙开关220为开、FNR开关230为前进或倒车、节气门启动传感器177处于驱动模式且实际电动机速度为0RPM时，电动机控制器120的驱动输出逻辑可以启动电动制动器180到最大的启动电压，例如48伏特，持续1秒钟，然后降到40%PWM。这些仅仅是示例性的条件，本领域普通技术人员可以知道其它条件也是可用的。

AC驱动系统100可以提供驱动输出逻辑来控制主接触器。当行驶/牵引开关210为牵引，或当行驶/牵引开关210为行驶、钥匙开关220为开、FNR开关230为前进或倒车、节气门启动传感器177处于驱动模式时，驱动输出逻辑可以启动主接触器到一个选定的最大电压，例如36伏特（或其它电压值），持续1秒钟，然后降到40%PWM。例如，当行驶/牵引开关210为行驶，且钥匙开关220为开、FNR开关230为前进或倒车、节气门启动传感器177处于驱动模式时，控制器120就可以使主接触器在0伏特停止工作。

还可以提供驱动输出逻辑来控制锁止式差速器194。逻辑可以将选定的最大电压，例如12伏特，提供给锁止式差速器194一秒，以使其接合，然后降至40%PWM，或者其它选定的中间电压。例如，如果行驶/牵引开关210为牵引，或如果钥匙开关220为开、FNR开关230为前进或倒车、节气门启动传感器177处于驱动模式且实际电动机速度大于0RPM的时候，就可以满足用于接合锁止式差速器194的条件。如果行驶/牵引开关210为行驶且钥匙开关220为关，或钥匙开关210为开、FNR开关230为前进或倒车、节气门启动传感器177处于踏板升高模式且实际电动机速度为0RPM时，驱动输出逻辑就可以在0伏特使锁止式差速器194不工作。这些仅仅是用于接合/脱离锁止式差速器194的示例性条件，对于本领域的普通技术人员来说也可以设置其它条件。

表2概述了电动机控制器120的逻辑的驱动输出。

表2驱动输出

在智能装置，例如电动机控制器120、电池组130、充电器140、外部网络150和各种传感器以及例如节气门170、电动制动器180、行车制动器踏板160等的激励器，之间的通信可以通过控制器局域网CAN总线145和相关的CAN连接器接口来进行。例如，带有高、低和地针的CAN芯片可以被提供在电动机控制器120的适当的驱动连接器中。如下面将进一步详细说明的那样，通信协议可以是适当的CAN协议，例如CAN公开协议2.0B或兼容协议。在AC驱动系统100中的CAN总线接口可以通过外部网络150和与例如充电器140进行通信来提供一个间歇诊断能力。数据可以在AC驱动系统100的各种部件之间交换，并存储在电动机控制器120中。这样的数据可以包括，但不限于，驱动错误、警告和故障代码、电池充电状态、电池电压、充电次数、运行次数和充电的量、总驱动时间和总逻辑能量时间。虽然已经介绍了一个CAN总线来作为示例性总线结构，但是示例性的实施例可以采用不同的总线结构。其它适当的总线结构可以包括，但不限于，RS 232、RS 422、USB、串行、并行、无线、蓝牙和/或光学总线等等。

AC电动机

再次参照图1，电动机110可以是三相四极AC电动机，例如异步电动机或永磁体电动机。这样的电动机可以是无刷的。在内部，电动机110可以包括缠绕定子和永磁体转子。在定子上有绕组有助于有效地散发绕组热量。定子绕组可以是连接成三相Y形，例如，在这里表示的就是三相驱动相位U、V和W（例如图1中的U、V和W线）。转子可以包括轴和用稀土永磁体制成的内芯，其周边固有惯性很低。

一般来说，转子运动是通过在与转子中的永磁体磁场相互作用的定子绕组中产生旋转磁场来开始的。旋转磁场可以是通过顺序给三相驱动相位U、V和W的绕组相位对通电产生的。以给定顺序将电流可以供给绕组相位对，以产生所需的旋转方向。在任何时刻，三相中的两相可以被通电，第三相没有被通电。同时给两相通电就可以合成两相的转矩输出。

AC驱动系统100可以不采用DC电压电源，例如，采用比无刷DC驱动系统稍微复杂的换向逻辑。在AC驱动系统100中，每相的能量都是通过使用脉冲宽度调制（PWM）逐渐打开和关闭的。

一般来说，PWM是脉冲持续时间随着调制信号的某些特性变化而变化的调制。例如，脉冲调制半导体或脉冲宽度调制器，例如FET（在电子工业中广泛应用），可以产生与工作循环成比例的所需电压，并且其还可以引起能量到一个给定相位以便打开或关闭。可替代地，可以使用脉冲频率调制来产生所需电压。在任何一种情况下，FET可以在ON和OFF状态之间切换，以便产生在其打开时与工作循环成比例的所需电压。

在车辆190中使用AC电动机110可以提供需要更少维护、具有更长寿命、电磁干扰更低且运转安静的电动机。例如所示的电动机110的AC电动机与永磁体电动机（PM）或分流型DC电动机以及齿轮电动机相比，每框架尺寸可以产生更大的输出能量。电动机110的低转子惯性可以改善加速和减速时间，同时缩短工作周期，并且，例如电动机110的无刷AC电动机的线性速度/转矩特性可以产生可预测的速度调节。而且，因为不需要对无刷AC电动机的电刷进行检查，就可以适用于受到限制的应用领域，例如高尔夫球车，以及维修很困难的情况。

电动机控制器

电动机控制器120可以是硬件和/或软件，例如可以是位于印刷电路板上的一个或多个数字微处理器。但是，除了数字微处理器，电动机控制器120也可以采用模拟处理器、数字信号处理器和/或一个或多个由适当的微控制器或微处理器（未示出）控制的应用特定集成电路。

控制器局域网（CAN）

控制器局域网（CAN）是一个实时应用的高度集成的串行数据通信总线。CAN可以在每秒1兆（Mbps）的数据速率下工作，并且具有良好的错误检测和限制能力。CAN可以用于例如自动控制、工业自动化和控制领域。

参照图1，CAN总线145可以是一个串行总线系统，特别适用于网络智能设备，例如电动机控制器120以及系统100中的传感器和激励器，虽然其它的总线结构如上所述也适用。一般来说，CAN总线是带有多个主要能力的串行总线系统，也就是说，所有的CAN节点都可以传送数据，且数个CAN节点可以同时向CAN总线145发出请求。带有实时能力的串行总线系统是国际标准ISO 11898的主题，其覆盖了ISO/OSI参考模型的最下面两层。在控制器局域网中，没有传统意义上的用户或基站寻址，但是可以传递优先化的信息。

一般来说，在CAN中的发射器可以给所有的CAN节点发射信息。每个节点都可以根据所接收的标识符来确定是否要处理该信息。标识符可以确定信息在CAN总线145接入的竞争中所具有的优先级。CAN协议的相对简单就意味着成本更低，CAN芯片接口使得应用程序更简单。

用于AC驱动系统100的CAN芯片可以是商用化、低成本的控制器芯片。这样的控制器芯片可以在例如硅的适当材料中使用CAN数据链路层协议，并且控制器芯片还可以用于简单连接到例如电动机控制器120的微控制器上或连接到充电器140的适当控制器上。

CAN协议的一个特征是其具有很高的传输可靠性。CAN控制器可以是位于带有电动机控制器120的集成电路板上的芯片，可以记录测站误差并统计评价这些误差，以便采取适当措施。这些措施包括例如断开是误差源的给定CAN节点。而且，每个CAN消息可以传递0到8字节的信息。当然，众所周知，更长的数据信息可以使用分割来传递。在ISO 11898中说明的最大传输率是1Mbit/s。该数据率可以用于40米的网络。对于更长的距离，可以减小数据率；例如对于500m的距离，可以采用大约125kbit/s的速度，1km的距离采用至少为50kbit/s的速度。

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。参照图3，适当的CAN通信芯片310可以安装在车辆190的电动机110或电动机控制器120上的电动机驱动中。第二CAN通信芯片320可以安装在充电器140中，充电器一般位于车辆的充电区域，例如车辆在故障时间或晚上停靠的地方，充电器连接到110V的插座上。DC充电器插头330可以连接到车辆190的充电器插座340上，以便根据需要给电池组130充电，例如可以在每晚进行。DC充电器电线350、插头330、车辆充电器插座340和用于车辆190的车辆线束（未示出）中的一个或多个可以包含专用的CAN高、低和接地信号线。当为了充电而接通时，这些连接就可以构成将电动机控制器120和充电器140以及其它用于数据交换的智能设备连接起来的CAN总线145。

如上所述，电动机控制器120可以在车辆190所使用的适当的存储器或内存中记录和存储信息。内置存储器介质的例子包括，但不限于，例如ROM的可擦写非易失性存储器、闪存和硬盘。可移动存储器的例子包括，但不限于，例如CD-ROM和DVD的光学存储介质、例如MO的磁光存储介质、例如软盘的磁性存储介质、录音带和可移动硬盘、例如存储卡的带有内置的可擦写非易失性存储器的介质、以及例如ROM磁带的带有内置ROM的介质。

在电动机控制器120的存储器或内存中储存的、用于与充电器140进行交换的数据包括，但不限于，向前驱动时间、向后驱动时间、逻辑事件ON（也就是钥匙开关220的KEY ON时间，这个时间是逻辑能量被施加到电动机控制器120上的时间）、各种报警、条件和错误、电池组130 SOC、所消耗的安培小时和电压数据、以及有助于操作充电器140的数据。通过CAN总线145的通信数据交换可以是双向的，也就是充电器140还可以将数据传递给电动机控制器120。这个功能使得可以改变整个车队的参数，这些参数可以用来用于车队中的任意数目的单独车辆190，来给整个车队提供已购买的可选服务。

例如，任意数量的充电器140可以连接起来，形成一个更大的控制器局域网。任何的CAN支持的外部网络150，例如加密狗、便携式计算机、手持式计算机或服务器，都可以连接到CAN总线145上，来提供一个可以在遥控CAN支持的计算机和车队中任何车辆190之间进行数据交换的系统。因此，通过CAN总线145的双向数据交换就可以运转整个车队，以便甚至在车辆190使用时进行维护，和/或可以根据例如使用（也就是时间、英里数）来保修车辆190。而且，通过CAN总线145的双向数据交换还可以预测服务需要，并且在使用过程、工作循环、热循环、驱动形式等中收集数据。

电池组130可以包括串联连接成的多个电池（也就是，四个串联的12V直流电池连接成一个48V直流电源），以便给车辆190供电。根据电池组130的单个电池、电极和电解质的化学结构，电池组130可以是例如锂离子（Li+）、镍镉（NiCd）、镍氢（NiMH）、铅酸电池组中的任何一个。

在其它的各种实施例中，电动机控制器120可以被配置为，通过为了确定电池组130的充电状态（SOC），监视从最后一个充电周期开始在车辆190工作过程中提供给电动机110的电能，来确定理想的电量作为百分比值返回给车辆的电池组130。基于SOC，电动机控制器120可以给充电器140提供数据，这样当充电器140可操作地连接到车辆190上时，充电器140就可以根据SOC或与SOC成比例地将能量返回给电池组130。

例如，电动机控制器120可以累加从最后一个已知充电周期开始的在车辆190行驶过程中所消耗的能量。消耗的能量可以从给定的最后已知充电周期中减掉，因此就可以确定电池组130的充电状态（SOC）。通过位于电动机控制器120或例如充电器140的另一个智能装置中的适当软件，就可以计算出与消耗的能量和返回电池组130的能量之比相同的特定量能量。这个比例可以根据驱动系统效率的量、电池组种类、电池组使用时间和能量消耗率来进行优化，虽然也可以采用其它的参数来优化消耗的能量和返回电池组130的能量之比。这是与电池组130的内阻成比例的。

示例性实施例的另一个方面可以是电动停车制动器180。当车辆190的制动加速器踏板160处于最大行程的时候，就可以激励制动踏板160。如图1所示，制动器180可以是一个通过拉线结构的制动器，其可以包括制动踏板位置传感器163和制动全行程传感器165。

参照图1，在正常行驶情况下，电动制动器180可以被电动机控制器120通电到一个放松位置。制动踏板位置传感器163确定制动踏板160的位置，以改变通过信号线122施加给制动器180的电能。例如，当制动踏板160被压下到最大制动踏板行程的大约5%以内的时候，可以中断供给制动器180的能量，以影响驻车制动性能或紧急制动性能。一旦这个电路打开，可以从电动制动器180上去除能量，摩擦材料可以是施加到制动盘上的弹簧。电动制动器180的弹簧的尺寸可以给摩擦材料施加压力，提供等于或大于电动机110最大加速转矩120%的制动转矩。这个操作可以将电动机速度减小到零，直到车辆190达到零速度，或者直到制动器全行程传感器165停止工作。可替代地，控制器120也可以独立于制动踏板传感器163使用全行程传感器，仅仅使用该输入来启动驻车制动功能。系统还可以被进一步配置为在零速度激励制动踏板160来放松电动制动器180和保持车辆190静止。只要踏板160放松，制动全行程传感器165就不再工作，正常指令车辆行驶可以继续。

通过指令每单位时间的给定电机速度降低，制动踏板位置传感器163可以用于常用制动。由制动踏板传感器163检测到的制动踏板60的位置提供了到控制器120的输入，以确定车辆190的减速率。电动制动器180例如可以是安装在电机轴上的施加了弹簧的电动松开的盘式制动器。电动制动器180也可以有助于下坡时的制动。

根据制动踏板160的位置，制动踏板位置传感器163输送一个信号到电动机控制器120，使电动机减速，并且产生与踏板位置成比例的制动转矩。例如，制动转矩的最小值对应于制动踏板160的最小压下量，其最大值对应于制动踏板160的全压下。

制动全行程传感器165是对系统的一种补充，但是并不能代替紧急停车装置，从而确保停止车辆190，这里将钥匙开关220转到关位置就可以紧急停车。制动器全行程传感器165可以作为补充安全开关，其可以用来保持安全行驶条件，这时车辆190可以在应急或意外单独紧急情况停止。例如，这样的情况可以包括电动机控制器120工作中断、错误、操作者错误和/或其它外界事件。

在另一方面，电动机控制器120可以被配置为提供自动驻车制动功能。为了使得电动机控制器120确定何时可以自动接合驻车制动器180，电动机控制器120可以监视例如电动机指令速度、实际速度、钥匙开关位置、节气门和制动器条件。

可以在数种可能的条件下使电动机控制器120自动接合驻车制动器180。例如，当车辆190惯性滑行的时候，一种条件可能发生，而没有任何来自加速器（节气门170）或制动踏板160的指令。为了保持该条件，车辆190移动，钥匙开关220位于开，FNR开关230处于前进位置。基于这些输入条件，电动机控制器120可以将电动机速度每单位时间降低给定量，这可以称为“空挡制动”。如果车辆190保持在该条件，实际的电动机速度处于靠近零速度附近的范围内，电动机控制器120可以给电动制动器180断电，驻车制动器180接到指令而被设定。在给定时间后，电动机控制器120就可以停止电动机110。如果电动机控制器120检测到实际的电动机速度大于靠近零速度的给定范围，电动机控制器120可以尝试阻止电动机110转动，保持车辆190停止。

另一种条件发生在如果制动踏板160被压下足够时间以使车辆190完全停止，然后驻车制动器160接合时。完全停止是指例如速度接近零的一个范围。为了保持该条件，通过压下制动踏板160来指令车辆190停止，钥匙开关220为开，指令速度和实际速度是0RPM或位于靠近零速度的给定速度区域。基于这些输入，电动机控制器120可以指令电动制动器180接合。经过给定时间后，电动机控制器120可以停止电动机110。如果电动机控制器120检测到实际的电动机速度大于接近零速度的给定范围，电动机控制器120可以尝试阻止电动机110转动，将车辆190保持停止。

另一种条件发生在如果给AC驱动系统100的逻辑输入中存在任何错误，如果一个传感器在量程之外，或者如果电动机控制器120由于过载电流、过载电压、电压不足、温度过高或温度不足条件中任意一个而产生故障时。每个故障条件都带有根据电动机控制器120控制下的预防性措施或反应下特有的输出，其包括，但不限于，通过仪表240发出报警代码或者在仪表板上的LED 245上的报警灯光、对于连续的行驶操作降低电动机110性能、立即停车等等。这些故障条件可以在任何车速或任意的操作者条件下发生，在这些条件下，电动机控制器120检测到一个或多个上述的故障条件。在该示例中，电动机控制器120可以采取预防性的措施，例如指令电动机速度为零，然后在很短的时间内立即接合驻车制动器160，并且在某些更极端的情况下停止电动机110。

另一种条件发生在如果钥匙开关220设定在关位置上时。在钥匙开关220设定在关的任何时候，电动机控制器120可以接合电动制动器180，而不管任何其它输入条件，包括车辆190的速度。由于钥匙开关220也可以是操作者在车辆190上的唯一的紧急制动开关，因此这就可以提供一种很必要的安全功能。

其它各种实施例可以使得电动机控制器120可以基于给定的监视输入来提供踏板升高制动或空挡制动功能，以便当制动踏板没有接合的时候，检测已实现的所需制动条件。通过踏板升高制动，在释放车辆加速踏板的同时，电动机控制器120可以主动实施再生制动来将车辆190的速度降低到电动机110的基本速度。这样，踏板升高或空挡制动可以给车辆190提供一个功能，当制动踏板160和加速踏板（节气门）170都没有接合时，可以在每单位时间降低给定量的车速，而与车辆的倾斜度（也就是车辆所处山或斜面的倾斜度）无关。

在车辆190的常规操作中，电动机控制器120可以监视数个操作者输入和车辆条件。例如，制动踏板位置、加速踏板位置和实际电动机速度可以被电动机控制器120监视，以便实施踏板升高制动。例如，当加速踏板170和制动踏板160都没有被操作者接合，并且车辆190的实际电动机速度被确定在一个给定范围内时，电动机控制器120就可以指令电动机110在每单位时间降低给定量的速度。电动机速度在单位时间的降低可以是持续的，直到输入条件或直到电动机速度达到接近零速度条件。如果电动机速度接近于零，电动机控制器120可以指令自动驻车制动器接合，从而降低实际电动机速度并停止车辆190。因此，由于即使是在下坡过程中也自动降低车辆速度，所以根据各种实施例的踏板升高制动就可以提供保证车辆190工作安全的额外措施。

其它各种实施例主要是实施牵引模式。在牵引模式，电动机控制器120可以被配置为限制车辆190的最大牵引速度，并控制电动机110。这样电动机110可以在车辆190被牵引的同时既不消耗能量也不产生能量。

牵引模式可以通过将钥匙开关220设定在开位置、FNR开关230设定在倒车位置并将行驶/牵引开关210设置在牵引位置来选择。如上所述，行驶/牵引开关210可以位于车辆190上便于牵引的位置，但是该位置还应该是从操作者（或乘客）的座位不容易启动开关210的位置。这就可以提供一个合理的保证，行驶/牵引开关210不会在车辆190的正常行驶过程中被有意或无意地启动。

牵引模式的一个功能可以将车辆190的速度限制在例如每小时15英里，如同ANSI Z130所规定的那样。将钥匙开关220选择到开位置就可以将逻辑能量供给到电动机控制器120。将行驶/牵引开关210选择到牵引位置可以停止电动驻车制动器180，以便准备好车辆190以进行牵引。主制动踏板160可以在车辆190处于牵引模式时正常发挥作用。在某些结构中，FNR开关230可以设定在一个优选位置。

因为供给电动机控制器120的逻辑是被钥匙开条件启动的，所以电动机控制器120可以监视车辆190的实际牵引速度。这可以通过从电动机110或从车轮198供给电动机控制器120的反馈信号来完成。电动机信号可以由一个适当的电动机速度编码器、车轮速度编码器、无感装置提供和/或通过监视电动机110的频率或电压来提供。基于这些输入，电动机控制器120可以计算车辆190是否达到例如15MPH±某一给定容许误差的速度。然后电动机控制器120可以尝试通过电动机110和/或电动制动器180指令车辆190来阻止车辆运动，以减速到例如15MPH。

牵引模式的另一个功能是辅助牵引，以便对电池组130的充电状态有轻微的影响。例如，当车辆190被牵引时，电动机控制器120可以监视在电池组130和电动机控制器120之间的电流。然后电动机控制器120可以指令电动机速度或转矩，以传递一个零（0）安培净消耗电池电流来将向后电动势与向前电动势分离。电流被限制是因为电动机控制器120可以仅将转子旋转得这么快。虽然零安培消耗在实际中不容易获得，但是AC驱动系统100的容许误差有助于实现牵引功能，正电流和负电流流入和流出电池组130，而对电池组130的整个SOC情况有轻微的影响。而且，当车辆处于牵引模式时，控制器120就可以有选择地激励制动器180，以限制牵引速度低于一个预定值，预定值可以是例如每分钟发动机的预定转数，例如4800RPM。这样的牵引速度就可以根据控制器120的能力来确定，以操作电动机110。

图4是示出根据各种实施例的前轮速度传感器的框图。参照图4，另一个实施例可以是前轮速度传感器510。前轮速度传感器510可以在例如高尔夫球车或小型多用途车辆的车辆190上实现防抱死制动或牵引控制中的一个或两个。牵引控制和防抱死制动可以限制从动轮和制动轮相对路面的滑动能力。通过减少车辆190进入侧滑的能力，降低车轮滑动可以提高对车辆190的控制。这些特征都可以在例如湿草的低摩擦路面上大大缩短车辆的停止距离。当车辆的路面是草皮时，牵引控制和防抱死制动特征可以通过减少在车轮198和草皮表面之间的滑动来降低对草地的损坏。

电动机控制器120可以监视电动机速度，该速度与从动轮的速度成正比。电动机控制器120可以包括与车辆190的整个齿轮齿数比相关的存储的预编程数据，使得电动机控制器120能够计算例如从动轮的速度。

如图4所示，适当的车轮速度传感器510可以安装在非从动轮和非制动轮198上的轮毂上，以测量相对路面或草皮表面没有滑动的车轮的车轮速度。来自传感器510的可测量数据可以用来在没有滑动的情况下产生最大制动和/或加速。该数据可以通过例如CAN总线145传递给电动机控制器120。电动机控制器120可以将所计算的从动轮198的速度与非制动轮198的车轮速度输入进行比较。然后电动机控制器120可以调整电动机速度，以努力匹配速度来降低在从动轮和非从动轮之间的误差。一旦降低了误差，电动机110就可以加速或减速来使实际电动机速度与指令电动机速度匹配。如果电动机控制器120测量到在非从动轮和从动轮之间有额外误差，电动机控制器120就可以进一步调整电动机速度，将给定误差降低到可接受的范围内。这样的控制就可以在将滑移减少到最小程度的同时提供最大的制动或加速。

图5是示出了根据各种实施例的多轮或全轮驱动结构的示例性框图。虽然图1示出了其中电动机110可以通过后轴192和锁止式差速器194驱动后轮198的其它各种实施例，但是车辆190可以被配置为包括多轮或全轮驱动系统。例如，可以提供级联电动机结构或四个独立的AC电动机610A-D，以给单独或对应的车轮198供给能量。

独立地驱动车辆190的两个或多个车轮可以给在例如高尔夫球车的车辆中常规使用的普通实心轴带来数个优势。例如，可以省掉差速器壳。省掉差速器194就可以消除机械差速车轮速度所带来的机械损失。通过提供基于传感器的转向方向然后给车轮提供不相同的转矩或速度，可以在转向车辆时帮助转向系统，可能减少转向力。此外，直接驱动两个车轮就可以提供差速锁止器的功能。这个特征通常提供了额外的牵引或制动力。而且，使用两轮或全轮驱动，就可以省掉实心轴192，以利于采用独立后悬挂。因此，每个车轮都可以被对应的无刷AC电动机610A-D驱动，每个电动机610A-D都提供3φ输出。而且，每个车轮可选地可以包括如图4所示的对应的速度传感器510。可替代地，除了4电动机结构之外，还可以采用级联结构，其中一个AC无刷电动机（610A或610B）驱动前轮，另一个无刷电动机（610C或610D）驱动后轮。

通过采用两个到四个单独的电动机110来驱动车辆190的每个车轮，就可以根据所需对车轮进行独立制动，以加强在车辆的加速或制动过程中的牵引，并且独立从动轮的速度就可以用前轮传感器测量出来。传感器例如可以安装在电动机110中。另外，这样的结构可以在一台电动机不工作的情况下提供补充操作；车辆190可以在只有一台电动机系统的情况下保持工作。而且，还可以在提供相同或加强的车辆190性能的同时降低电动机尺寸。降低的功率电平可以使得直接驱动电动机，例如上述无刷AC电动机110，更具技术可行性和经济性。最后，还可以减小簧下重量，因此就可以通过悬挂系统改善驱动质量。

因此，在例如高尔夫球车和/或小型多用途车辆的车辆中使用AC驱动系统就可以带来数个明显的优点，其中精确的位置控制不是主要目的和/或AC电流源不容易得到，但是可以同时使用三相电源转换器和DC电池组130来模拟。

例如，所选择的AC电动机的驱动效率可以远远超过典型的串联DC电动机或单独激励电枢和磁场（分流型）DC电动机。这种更高的效率可以使得车辆190工作更长时间，并且能使用更小的电池组130行驶更长。

此外，峰值电动机转矩可以在零电动机RPM处出现，这样就可以使得电动机110能将车辆190固定。这可以防止车辆190在某些不太安全的情况下移动，保持的时间足够使得驻车制动器180接合，并防止车辆滚动。

而且，电动机110可以被电动机控制器120控制，以便产生在任何一个旋转方向上的控制转矩。这就使得电动机110作为主制动器，因此就可以省掉例如机械主制动器。用AC驱动系统100作为车辆主制动器就可以将车辆190动能的一部分转化成电势能，因此就可以给相连的电池组130充电。而且，使用电动机110作为主制动器就可以减少使用机械主制动器所产生的热能。在主制动器中不产生热就可以使用低温塑料来制造车辆190的例如车身板、部件和车轮。而且，由于无刷永磁体或感应电动机与串联或并励DC电动机相比的高效率，所以就可以采用更小、更轻的电动机。

本说明书本质上仅仅是示例性的，因此，所有不背离本说明书要点的各种变型都落入本说明书的范围内。这样的变型不应该认为是脱离本说明书的精神和范围的。

Claims (18)

1.一种用于控制原动力以驱动电动车辆的车轮的驱动系统，包括：

用于提供驱动转矩的交流(AC)电动机；

用于向所述电动机提供制动转矩的电启动制动器；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、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号、制动全行程信号、钥匙开关信号、行驶/牵引信号和前进/空档/倒车FNR信号，

其中所述AC电动机控制器基于所述制动踏板位置信号和所述制动全行程信号中的至少一个产生用于控制所述电启动制动器的信号，产生AC驱动信号，并且选择性地调节原动力以基于电池电压驱动所述车辆。

2.根据权利要求1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。

3.根据权利要求2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。

4.根据权利要求2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。

5.根据权利要求4所述的驱动系统，其中所述永磁体包括稀土磁体。

6.根据权利要求1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。

7.根据权利要求1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。

8.根据权利要求1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。

9.根据权利要求1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。

10.一种用于控制原动力以驱动电动车辆的车轮的方法，包括：

提供驱动转矩；

提供用于向电动机提供制动转矩的电启动制动器；

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、节气门踏板位置信号、制动踏板位置信号、制动全行程信号、钥匙开关信号、行驶/牵引信号和前进/空档/倒车FNR信号；

产生AC驱动信号，并且基于所述制动踏板位置信号和所述制动全行程信号中的至少一个产生用于控制所述电启动制动器的信号；以及

选择性地调节原动力以基于所述电池电压信号驱动所述车辆。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括记录所述电池电压信号、所述节气门踏板位置信号、所述制动踏板位置信号、所述钥匙开关信号、所述FNR信号和所述行驶/牵引信号中的至少一个的值。

12.根据权利要求10所述的方法，其中产生所述AC驱动信号包括产生三相AC驱动信号。

13.根据权利要求10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。

14.根据权利要求10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。

15.根据权利要求10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。

16.根据权利要求10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。

17.根据权利要求10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。

18.根据权利要求17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。