一种电动教练车及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及学习驾驶一种场地练习用的教练车及其控制方法，包括电池、点火钥匙、油门、电机控制器、电机和位置传感器，电机控制器包括信号采集模块、控制模块和功率模块，控制模块包括怠速控制模块和失火诊断模块，通过电机控制器内部先进算法，完全模拟传统教练车的各种工况，特别是实现怠速控制和失火诊断，并能够根据信息状态判断出可能的失火原因，需额外添加换挡模拟器就能够实现怠速功能，换挡时、带档点火时、半坡坡起时，油离配合不好会熄火；不需要采集离合踏板、刹车踏板、手刹信息或额外的熄火诊断电路、怠速模块等元件；安全性高，可以根据实际需求限制整车的最高行驶速度，并具备完善的故障诊断功能。
【专利说明】一种电动教练车及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及学习驾驶用的教练车，特别涉及一种场地练习电动教练车及其控制方法。
【背景技术】
[0002]近年来，国内汽车保有量逐年加大，汽车保有量已超过I亿辆；培训行业也水涨船高。据资料显示，截至2012年年底，全国共有驾驶员培训机构10347所，教练车37.7万辆，教练员43.9万人，中大规模驾校超过500家，大型驾校的教练车超过1000台，学员超过万人，仍然满足不了当前的学车热潮。
[0003]但与此同时，驾校行业的高速发展带来了很大问题。在目前的培训过程中，驾校用教练车大约70%以上的时间都在进行场地内科目训练，发动机长期低档、低速运行，处于高油耗、高污染的工况。一方面大量消耗燃油，另一方面长期低速、低档运行显著提高了保养费用，导致运营成本居高不下；同时也对周边环境造成恶劣影响。
[0004]电动教练车则能很好的解决以上问题。电动教练车是在传统教练车的基础上将发动机更改为电机驱动系统而成。该系统主要包括电机、电机驱动器、蓄电池三大部分。除了发动机及周边器件外，与原车其它部分相同。电动教练车与传统教练车相比，无需使用燃油，耗电量低，无需保养发动机，交流电机系统为免维护，整车用于保养的费用更低，改装方便，成本可控，具有降低成本，减少空气、噪声污染，在驾驶操作及驾驶感觉上与传统教练车相同，可适用于场地考试的所有科目训练，因而将电动教练车用于驾驶员培训具有良好的经济效益和社会效益。
[0005]首先分析传统手动档教练车的工作特点。
[0006]发动机输出的转矩依次经过离合器、变速箱和其它一系列传动装置后传递到车轮。
[0007]不踩离合时，离合处于全联动状态；发动机的转矩能够通过离合传递到变速箱上；踩下离合时，离合处于不联动状态，发动机的转矩不会输出；离合器部分踩下时，离合处于半联动状态(滑磨状态)，在发动机和变速箱之间传递柔性动力。
[0008]变速箱挂空档时，不向车轮传递转矩。
[0009]发动机熄火是由于发动机驱动力低于负载，使得发动机转速低于怠速达到一定时间从而导致熄火。
[0010]引起熄火的几种情况:
[0011]①带档起步
[0012]正常起步时，应先踩下离合，使变速箱与发动机暂时断开连接；随后逐渐抬起离合，利用半联动状态使离合器传出的扭矩由零逐渐增大，从而带动汽车起步，发动机也不会熄火。
[0013]而带档起步状态下，起步前汽车处于静止状态，当挂上档位时，如果没有踩下离合，此时发动机与变速箱处于刚性连接状态，发动机驱动力不足让汽车起步，使得发动机转速急剧下降导致熄火。
[0014]②坡起操作不当
[0015]正常坡起时，首先踩下刹车、踩下离合，随后挂一档，轻抬离合利用半联动状态使离合器传出的扭矩由零逐渐增大，当转矩输出足够大时稳住离合，松开脚刹并踩油门，完成坡起。
[0016]常见的错误为松开离合过快或未及时加油门，此时发动机与变速箱处于刚性连接状态，但离合器传出的扭矩不足以让汽车起步，使得发动机转速急剧下降导致熄火。
[0017]③换档操作不当
[0018]正常换档的步骤:踩下离合，完成换档，随后抬离合、加油，完成整个换档过程。
[0019]如果升档时档位油离配合的不好，离合抬得过快或没有及时加大油门，可能会导致发动机的输出转矩低于负载转矩，导致发动机转速下降从而熄火。
[0020]④刹车操作不当
[0021]正常带档位刹车时，当车速较低时就应踩下离合，使得变速箱与发动机暂时断开连接；这样车速很低甚至停止时发动机也不会熄火。
[0022]错误操作时，车速较低时没有松开离合，发动机与变速箱处于刚性连接状态，刹车时的低车速将发动机转速迅速拉低，导致发动机熄火。
[0023]电动教练车应该具有以上与手动档教练车相似的操控特性；平时能够正常行驶，驾驶员的不当操作会导致车辆熄火。但目前公开的电动教练车的电机控制方法都有很明显的缺陷。
[0024]申请号为201120231707.5的实用新型专利公开了通过手动调节外部开关的方式实现怠速功能:合上开关K2，电动机开始转动，并处于怠速状态；如果开关K2断开，通过脚踏加速器直接启动并调节电动车速度。这种方案与普通汽车的操纵感完全不同，需要人工干预是否启用怠速功能，无法满足教练车的实际需求。
[0025]申请号为201010618431.6的发明专利公开了通过采集车速传感器信号SPEED、离合器位置传感器信号CLUTCH、节气门位置传感器信号DOT、档位开关信号(D1-D4、R)等，经过处理可以实现以下功能:通过失档继电器KM4判定车辆是否熄火。该方案除电机驱动系统外，还需要额外采集多种整车信号，接线复杂、可靠性不高；而且该方案还需要增加额外的继电器实现熄火，无法满足教练车的实际需求。
[0026]申请号为200910165455.8的发明专利公开了通过油门来调节电机转速，这与实际驾驶过程中油门对应发动机动力输出的特性完全不同，不符合传统车辆的驾驶习惯，也无法满足教练车的实际需求。
[0027]申请号为201220715106.6的实用新型专利，通过采集离合踏板、加速踏板、制动踏板、手刹等信息实现车辆的起步、行驶、怠速控制等功能，需要检测到手刹解除和离合踏板信号时才能实现怠速功能，当检测到手刹解除、离合踏板信号时才能起步并行驶，当检测到制动踏板信号时控制电机减速；这些控制方式完全不同于传统车辆的驾驶习惯，无法满足教练车的实际需求。
[0028]申请号为200810231434.7的发明专利，通过电路模拟教练车的启动、怠速、熄火、离合器功能；采用发动机怠速模拟电路实现怠速功能，该怠速控制模块包括霍尔元件、稳压二极管、电位器、电压跟随器等原件，结构复杂，可靠性低。该专利提出采用熄火模拟电路来实现熄火判断，需要采集档位信号、刹车信号、速度信号和离合器电压信号来判断操作是否有误，该控制方式与传统车辆的驾驶习惯不符，且器件众多、结构复杂、可靠性低。
[0029]申请号为201310526610.0的发明专利，提出通过离合器操控模拟控制单元和电动机怠速稳定及加速操纵控制单元实现发动机模拟。其缺点在于，离合器踏板快抬时，控制电动机停止运转，这与发动机实际工况不一致；通过复杂电路实现怠速稳定及加速操控单元，系统复杂，可靠性低。
[0030]综上所述，现有的电动教练车中，存在着与普通汽车的驾驶感差异较大，结构复杂，可靠性不高的问题，因此，急需一种设计合理，可靠性高，能实现普通汽车的功能，与普通汽车驾驶感相同的电动教练车。
【发明内容】
[0031]基于以上问题，本发明公开了一种电动教练车及其控制方法。
[0032]一种电动教练车，其特征在于，包括电池1、点火钥匙2、油门3、电机控制器7、电机8和位置传感器9，电机控制器7包括信号采集模块4、控制模块5和功率模块6，控制模块5包括怠速控制模块10和失火诊断模块11 ;其中怠速控制模块10和失火诊断模块11均通过软件算法实现。
[0033]点火钥匙2打开后，电机控制器7开始工作，电机控制器7通过信号采集模块4，对与信号采集模块4连接的油门3信号、电机位置传感器9信号采样，把采样结果传递到控制模块5中，控制模块5通过其内部的怠速控制模块10和失火诊断模块11，通过预设的程序模拟发动机功能，并通过功率模块6实现对电机8的控制。
[0034]该电动教练车方案适用于低压及高压系统，优选方案为72V或48V低压系统。
[0035]优选的，所述的电动教练车具备限速功能，能够根据实际需求设定整车的最高行驶速度。
[0036]优选的，电机8根据油门踏板的不同深度，在各个转速下实现不同的动力输出，从而模拟发动机的动力特性。
[0037]优选的，电机8只能单向旋转，不具备反向旋转功能，与发动机特性一致。
[0038]优选的，电机8具备怠速功能，且怠速时具备一定转矩输出能力，与发动机特性一致。
[0039]优选的，电机8低于怠速时会熄火，与发动机特性一致。
[0040]根据上述电动教练车的电动教练车控制方法，包括:
[0041]I)怠速功能模拟:信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作，当信号采集模块4没有检测到油门3时，控制模块5利用其中的怠速控制模块10将电机转速维持在怠速，并具备一定的动力输出能力，从而模拟发动机怠速工况；
[0042]2)正常行驶功能模拟:信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作。当信号采集模块4检测到油门3时，控制模块5模拟内燃机的工况，油门踩得越深，动力输出越强劲；其动力输出性能按照传统发动机曲线加以设定；
[0043]3)带档起步熄火模拟:信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作，如果带档起步，驱动力不足使得电机转速急剧下降，信号采集模块4通过电机位置传感器9计算出的电机转速会低于怠速值，控制模块5中的失火诊断模块11会诊断出带档起步，功率模块6停止工作，模拟发动机熄火；
[0044]4)异常换档熄火模拟:信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作，换档过程中如果离合器配合不好，驱动力不足使得电机转速急剧下降，信号采集模块4通过电机位置传感器9计算出的电机转速会低于怠速值，该结果传递到控制模块5，控制模块5中的失火诊断模块11根据采集到的信息会诊断出异常换档，功率模块6停止工作，模拟发动机熄火；
[0045]5)刹车过急熄火模拟:信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作，如果带档位且没有松开离合踩刹车，电机转速将急剧下降，信号采集模块4通过电机位置传感器9计算出的电机转速低于怠速值达到设定时间后，控制模块5中的失火诊断模块11会诊断出刹车过急，功率模块6停止工作，模拟发动机熄火；
[0046]6)坡起失误熄火模拟:信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作，如果油离配合不好，驱动力不足使得电机转速急剧下降，信号采集模块4通过电机位置传感器9计算出的电机转速会低于怠速值，控制模块5中的失火诊断模块11会诊断出坡起失误，功率模块6停止工作，模拟发动机熄火；
[0047]7)熄火之后，必须重新打开点火钥匙2，信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作，模拟打火功能。
[0048]本发明相对于现有技术的优点为:
[0049]1.与传统教练车相同的操控性能，通过电机控制器内部先进算法，完全模拟传统教练车的各种工况，特别是实现怠速控制和失火诊断，并能够根据信息状态判断出可能的失火原因；
[0050]2.不需要采集离合踏板信息、刹车踏板信息、手刹信息，也不需要额外的熄火诊断电路、怠速模块等额外元件；
[0051]3.除根据油门能够控制车辆行驶外，无需额外添加换档模拟器就能够实现:具备怠速功能；换档时油离配合不好车会熄火；带档点火时车会熄火；半坡坡起时，离合控制不好会熄火。
[0052]4.安全性高:可以将电池电压设定为72V/48V低压系统，运行安全；可以根据实际需求限制整车的最高行驶速度，避免发生危险；完善的故障诊断功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0053]图1为本发明的电动教练车控制系统示意图；
[0054]图2为本发明的电动教练车工作原理示意图；
[0055]图中，I为电池，2为点火钥匙，3为油门，4为信号采集模块，5为控制模块，6为功率模块，7为电机控制器，8为电机，9为位置传感器，10为怠速控制模块，11为失火诊断模块。
【具体实施方式】
[0056]下面结合说明书附图与【具体实施方式】对本发明做进一步说明:
[0057]一种电动教练车，其特征在于，包括电池1、点火钥匙2、油门3、电机控制器7、电机8和位置传感器9，电机控制器7包括信号采集模块4、控制模块5和功率模块6，控制模块5包括怠速控制模块10和失火诊断模块11，
[0058]点火钥匙2打开后，电机控制器7开始工作，电机控制器7通过信号采集模块4，对与信号采集模块4连接的油门3信号、电机位置传感器9信号采样，把采样结果传递到控制模块5中，控制模块5通过其内部的怠速控制模块10和失火诊断模块11，通过预设的程序模拟发动机功能，并通过功率模块6实现对电机8的控制。
[0059]优选的，所述的电池采用72V或48V低压系统。
[0060]优选的，所述的电动教练车具有限速装置，能够根据实际需求设定整车的最高行驶速度。
[0061]优选的，电机8根据油门踏板的不同深度，在各个转速下实现不同的动力输出。
[0062]优选的，电机8只能单向旋转，不具备反向旋转功能。
[0063]优选的，电机8具备怠速功能，且怠速时具备一定转矩输出能力。
[0064]优选的，电机8转速低于怠速时会熄火。
[0065]根据上述电动教练车的电动教练车控制方法，包括:
[0066]I)怠速功能模拟:信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作，当信号采集模块4没有检测到油门3时，控制模块5利用其中的怠速控制模块10电机转速维持在怠速，并具备一定的动力输出能力，从而模拟发动机怠速工况；
[0067]2)正常行驶功能模拟:信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作。当信号采集模块4检测到油门3时，控制模块5模拟内燃机的工况，油门踩得越深，动力输出越强劲；其动力输出性能按照传统发动机曲线加以设定；
[0068]3)带档起步熄火模拟:信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作，如果带档起步没有踩下离合，此时电机8与变速箱处于刚性连接状态，电机8驱动力不足使得电机转速急剧下降，信号采集模块4通过电机位置传感器9计算出的电机转速会低于怠速值，控制模块5中的失火诊断模块11会诊断出带档起步，功率模块6停止工作，模拟发动机熄火；
[0069]4)异常换档熄火模拟:信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作，换档过程中如果离合器配合不好，离合抬得过快或没有及时加大油门，导致电机8的输出转矩低于负载转矩，驱动力不足使得电机转速急剧下降，信号采集模块4通过电机位置传感器9计算出的电机转速会低于怠速值，该结果传递到控制模块5，控制模块5中的失火诊断模块11根据采集到的信息会诊断出异常换档，功率模块6停止工作，模拟发动机熄火；
[0070]5)刹车过急熄火模拟:信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作，如果带档位且没有松开离合踩刹车，电机8与变速箱处于刚性连接状态，刹车时的低车速将电机8转速迅速拉低，电机转速将急剧下降，信号采集模块4通过电机位置传感器9计算出的电机转速低于怠速值达到设定时间后，控制模块5中的失火诊断模块11会诊断出刹车过急，功率模块6停止工作，模拟发动机熄火；
[0071]6)坡起失误熄火模拟:信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作，如果油离配合不好，松开离合过快或未及时加油门，此时电机8与变速箱处于刚性连接状态，但离合器传出的扭矩不足以让汽车起步，驱动力不足使得电机转速急剧下降，信号采集模块4通过电机位置传感器9计算出的电机转速会低于怠速值，控制模块5中的失火诊断模块11会诊断出坡起失误，功率模块6停止工作，模拟发动机熄火；
[0072]7)熄火之后，必须重新打开点火钥匙2，信号采集模块4检测到点火钥匙2后，电机控制器7开始工作，模拟打火功能。
【权利要求】
1.一种电动教练车，其特征在于，包括电池(I)、点火钥匙(2)、油门(3)、电机控制器(7)、电机(8)和位置传感器(9)，电机控制器(7)包括信号采集模块(4)、控制模块(5)和功率模块(6)，控制模块(5)包括怠速控制模块(10)和失火诊断模块(11)； 点火钥匙⑵打开后，电机控制器(7)开始工作，电机控制器(7)通过信号采集模块(4)，对与信号采集模块(4)连接的油门(3)信号、电机位置传感器(9)信号采样，把采样结果传递到控制模块(5)中，控制模块(5)通过其内部的怠速控制模块(10)和失火诊断模块(11)，通过预设的程序模拟发动机功能，并通过功率模块(6)实现对电机(8)的控制。
2.根据权利要求1所述的电动教练车，其特征在于，所述的电池既支持高压系统，也支持低压系统。
3.根据权利要求1所述的电动教练车，其特征在于，所述的电动教练车具有限速装置，能够根据实际需求设定整车的最高行驶速度。
4.根据权利要求1所述的电动教练车，其特征在于，电机(8)根据油门踏板的不同深度，在各个转速下实现不同的动力输出。
5.根据权利要求1所述的电动教练车，其特征在于，电机(8)只能单向旋转，不具备反向旋转功能。
6.根据权利要求1所述的电动教练车，其特征在于，电机(8)具备怠速功能，且怠速时具备一定转矩输出能力。
7.根据权利要求1所述的电动教练车，其特征在于，电机(8)低于怠速时会熄火。
8.—种权利要求1所述的电动教练车的控制方法，其特征在于，包括:1)怠速功能模拟:信号采集模块(4)检测到点火钥匙(2)后，电机控制器(7)开始工作，当信号采集模块(4)没有检测到油门(3)时，控制模块(5)利用其中的怠速控制模块(10)控制电机(8)转速维持在怠速，并具备一定的动力输出能力，从而模拟发动机怠速工况； 2)正常行驶功能模拟:信号采集模块(4)检测到点火钥匙(2)后，电机控制器(7)开始工作，当信号采集模块(4)检测到油门(3)时，控制模块(5)模拟内燃机的工况，油门踩得越深，动力输出越强劲；其动力输出性能按照传统发动机曲线加以设定； 3)带档起步熄火模拟:信号采集模块(4)检测到点火钥匙(2)后，电机控制器(7)开始工作，如果带档起步，驱动力不足使得电机(8)转速急剧下降，信号采集模块(4)通过电机位置传感器(9)计算出的电机(8)转速会低于怠速值，控制模块(5)中的失火诊断模块(11)会诊断出带档起步，功率模块(6)停止工作，模拟发动机熄火； 4)异常换档熄火模拟:信号采集模块(4)检测到点火钥匙(2)后，电机控制器(7)开始工作，换档过程中如果离合器配合不好，驱动力不足使得电机(8)转速急剧下降，信号采集模块(4)通过电机位置传感器(9)计算出的电机(8)转速会低于怠速值，该结果传递到控制模块(5)，控制模块(5)中的失火诊断模块(11)根据采集到的信息会诊断出异常换档，功率模块(6)停止工作，模拟发动机熄火； 5)刹车过急熄火模拟:信号采集模块(4)检测到点火钥匙(2)后，电机控制器(7)开始工作，如果带档位且没有松开离合踩刹车，电机(8)转速将急剧下降，信号采集模块(4)通过电机位置传感器(9)计算出的电机(8)转速低于怠速值达到设定时间后，控制模块(5)中的失火诊断模块(11)会诊断出刹车过急，功率模块(6)停止工作，模拟发动机熄火； 6)坡起失误熄火模拟:信号采集模块⑷检测到点火钥匙(2)后，电机控制器(7)开始工作，如果油离配合不好，驱动力不足使得电机(8)转速急剧下降，信号采集模块(4)通过电机位置传感器(9)计算出的电机(8)转速会低于怠速值，控制模块(5)中的失火诊断模块(11)会诊断出坡起失误，功率模块(6)停止工作，模拟发动机熄火； 7)熄火之后，必须重新打开点火钥匙(2)，信号采集模块(4)检测到点火钥匙(2)后，电机控制器(7)开始工作，模拟打火功能。
【文档编号】G09B9/04GK104175901SQ201410438431
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】张晗 申请人:张晗