CN101564986A - 一种电动汽车用集成式电动轮驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车用集成式电动轮驱动装置，该装置包括盘式电机、电机控制器、电池组、整车控制单元ECU、车桥和制动钳，制动钳固定在电机外壳上，与转子配合，制动转子转动；转子固定在电机转子轴的一端，电机转子轴的另一端通过轴承固定在轮胎的车轮轮毂上；定子固定在电机外壳上，电机外壳与车桥固定；整车控制单元ECU、电池组、电机控制器和定子通过高压线束依次连接，整车控制单元ECU还与电机控制器信号连接，电机控制器与制动钳信号连接。本发明省略了传统的离合器、变速箱、主减速器及差速器等部件，简化了整车结构，提高了传动效率，并且能通过控制技术实现对电动轮的电子差速控制。

Description

一种电动汽车用集成式电动轮驱动装置

技术领域

本发明涉及电动汽车用集成式电动轮驱动装置，具体是指一种集驱动制动于一体的盘式电机驱动装置。

技术背景

电动轮式驱动电动车具有集中电机驱动电动车和传统电动车无法比拟的优点，被认为是未来燃料电池汽车高端车辆的理想选择，世界上多家汽车公司和研究机构在进行电动轮式驱动电动车的研究。

电动轮式驱动电动车不需要变速器、差速器、球型万向节、半轴等部件，其电机(电机+减速机构)直接放在轮辋里面，从而结构紧凑且车身内部空间利用率高，整车重心降低，车辆行驶稳定性提高；且由于动力传动链短(或者直接驱动车轮)，而且能够通过能源管理和动力系统控制策略优化驱动、制动力分配，因而驱动系统效率高，降低能源消耗，提高了车辆燃油经济性；与内燃机、集中电机驱动车辆相比，每个车轮通过轮毂电机快速进行驱动力和制动力的控制，大大改善车辆的行驶动力学性能，容易通过电机控制技术实现ABS、TCS及ESP功能；在4轮轮边驱动电动车上导入线控4轮转向技术，可提高车辆转向行驶性能，并有效减小转向半径，甚至零转向半径，大大增加转向灵便性；可以省略机械制动系统，实现电机制动；容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，节约能源。

但是，轮毂电机的引入，整车的非簧载质量显著增加，影响汽车的行驶平顺性和操纵稳定性，由于轮毂电机转子构成了车轮转动惯量，影响车辆的加速性能，而且轮毂电机占用了车轮轮毂内部空间，使车轮轴向空间大大减少，限制的车轮的转向范围。公开号为CN1607711A的发明专利公开了可安装多种制动盘的外转子轮毂电机，由轮毂电机和电机轴组成。在外转子轮毂电机内侧端盖上设有圆柱定位凸台，凸台上设有开有四个凹槽的微型汽车制动盘的定位盘，定位盘上和定位盘凹槽内设有摩托车制动盘固定螺孔，圆柱定位凸台上设有微型汽车制动盘安装螺孔。该外转子轮毂电机可安装多种制动盘的外转子轮毂电机，并通过在外转子轮毂电机设置一个定位凸台，安装多种不同类型的制动盘，实现驱动与制动的集成，但是在轮毂电机端面上安装制动盘，增加了轮毂电机的轴向尺寸，因而更加减少了车轮的轴向空间，限制了车轮的运动空间。

发明内容

本发明的目的在于针对轮边驱动系统的特点，结合盘式电机和盘式制动器的优点，提供一种减小了轮边驱动系统的质量，且对车轮转动惯量影响小，易于控制、集成度高、轴向空间小的电动汽车用集成式电动轮驱动装置。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种电动汽车用集成式电动轮驱动装置，包括盘式电机、电机控制器、电池组、整车控制单元ECU和车桥；所述盘式电机包括定子、转子、电机转子轴和电机外壳；盘式电机通过车桥安装在轮胎中；所述电动汽车用集成式电动轮驱动装置还包括制动钳，制动钳固定在电机外壳上，与转子配合，制动转子转动；转子固定在电机转子轴的一端，电机转子轴的另一端通过轴承固定在轮胎的车轮轮毂上；定子固定在电机外壳上，电机外壳与车桥固定；所述整车控制单元ECU、电池组、电机控制器和定子通过高压线束依次连接，整车控制单元ECU还与电机控制器信号连接，电机控制器与制动钳信号连接。

为进一步实现本发明目的，所述盘式电机的绕组绕在定子上，永磁体贴在转子上，位于定子相对侧。

所述盘式电机为直流电机。

所述盘式电机为交流电机。

所述车桥分别通过悬架弹簧和减振器与车架连接。

所述制动钳为定钳式或浮钳式制动钳。

本发明的工作原理：

盘式电机转子转动时，动力由电机转子轴输出到车轮，使车辆运动；制动时，制动钳对制动区的制动作用直接控制电机转子的运动，进而控制车轮运动。电机控制器控制盘式电机的转子的正、反转，分别实现车轮的正反转，进而控制车辆前进和倒车。需要制动时，整车控制单元ECU向电机控制器发送制动命令，然后由电机控制器控制制动钳的动作；同时，整车控制单元ECU根据电池组的荷电状态确定是否需要制动能量回收，需要回收时盘式电机回收的能量储存于电池组中。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明省略了传统的离合器、变速箱、主减速器及差速器等部件，简化了整车结构，提高了传动效率，并且能通过控制技术实现对电动轮的电子差速控制。

2、制动盘和电机转子一体化，不会增加盘式电机的轴向尺寸，因而更易于安装在车轮轮毂内，也不会限制车轮的运动范围，使结构更紧凑。

3、电机定子和制动钳与电机外壳固定，电机外壳固定在车桥上，因而不会过多增加非簧载质量和车轮转动惯量。

附图说明

图1为本发明电动汽车用集成式电动轮驱动装置的原理图。

图2为本发明用于实现四驱纯电动汽车的实施例1的原理示意图。

图3为本发明用于实现前驱纯电动汽车的实施例2的原理示意图。

图4为本发明用于实现后驱纯电动汽车的实施例3的原理示意图。

图5为本发明用于实现四驱混合动力电动汽车的实施例4的原理示意图。

图6为使用直流盘式电机时的电动汽车用集成式电动轮驱动装置原理图。

图7为使用交流盘式电机时的电动汽车用集成式电动轮驱动装置原理图。

图中示出：1-盘式电机；2-电机控制器；3-电池组；4-整车控制单元ECU；5-车桥；6-悬架弹簧；7-减振器；8-车架；9-定子；10-定子绕组；11-永磁体；12-电机外壳；13-轮胎；14-制动钳；15-转子；16-电机转子轴；17-轴承；18-车轮轮毂；19-车载DC/DC；20-差速器；21-半轴；22-变速器；23-启动电机；24-发动机；25-启动电机控制器；26-换向器；27-电刷；28-转子绕组；29-定子永磁体；30-导条。

具体实施方式

为更清楚阐述本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本发明电动汽车用集成式电动轮驱动装置包括盘式电机1、电机控制器2、电池组3、整车控制单元ECU4和车桥5。盘式电机1通过车桥5安装在轮胎13中；盘式电机1包括定子9、转子15、制动钳14、永磁体11、定子绕组10、电机转子轴16和电机外壳12；定子绕组10绕在定子9上，永磁体11贴在转子15上，位于定子9相对侧；制动钳14固定在电机外壳12上，与转子15配合，以便制动转子转动；转子15固定在电机转子轴16的一端，电机转子轴16的另一端通过轴承17固定在轮胎13的车轮轮毂18上；定子19固定在电机外壳12上，电机外壳12与车桥5固定，车桥5分别通过悬架弹簧6和减振器7与车架8连接。整车控制单元ECU4、电池组3、电机控制器2和定子9通过高压线束依次连接，整车控制单元ECU4还与电机控制器2信号连接，电机控制器2与制动钳14信号连接。制动钳14为定钳式制动钳，也可为浮钳式制动钳。

一般盘式制动器的制动盘的工作区域只有外圈一部分，本发明将盘式电机的转子与制动盘构成一种新型转子，该转子的内圈部分为导磁区，外圈部分则为制动区，相对于原来的电机转子或是制动盘，本发明新转盘的质量增加较少。制动钳对制动区的制动亦即对电机转子制动，进而直接控制车轮的运动。制动钳和电机外壳制成一体，电机外壳固定在车桥上，因而不会过多增加非簧载质量和车轮转动惯量。

整车控制单元ECU4向电机控制器2发送控制信号，电机控制器2包含两部分功能：制动控制和电机控制，电机控制功能用于控制电机转子15的正转、反转以及电机的电动/发电模式，制动控制功能用于控制制动钳14的制动动作。驱动时，转子15转动时，动力由电机转子轴16输出到车轮，使车辆运动；制动时，制动钳14对制动区的制动作用直接控制电机转子15的运动，进而控制车轮运动。电机控制器2控制盘式电机1的转子15的正、反转，分别实现车轮的正反转，进而控制车辆前进和倒车。需要制动时，控制单元ECU4向电机控制器2发送制动命令，然后由电机控制器2控制制动钳14的动作；同时，控制单元ECU4根据电池组3的荷电状态确定是否需要制动能量回收，需要回收时盘式电机1回收的能量储存于电池组3中。

实施例2

图2为用于实现四驱纯电动汽车的驱动装置原理示意图，该四轮驱动电动汽车不需要使用传统发动机，因而排放为零，是一种无污染的新型汽车。如图2所示：每一个车轮均设有图1所示的电驱动装置，电机控制器2对每一个车轮电驱动装置进行单独控制。电池组3选用蓄电池，车载DC/DC19为功率电子装置，与电机控制器2高压连接，用于控制盘式电机电压。整车控制单元ECU4与电池组3、电机控制器2和定子9通过高压线束依次连接，整车控制单元ECU4还与电机控制器2信号连接，电机控制器2分别与4个车轮电驱动装置的制动钳14信号连接。四个车轮工作独立，互不影响，各个车轮的工作由多功能控制电机控制器2控制。整车控制单元ECU4根据行驶需求，通过电机控制器2单独控制每一个车轮电驱动装置的工作模式：包括电机输出转速和转矩、制动钳的动作、制动能量回收等。通过控制，可以实现前桥驱动、后桥驱动、轴间差速、轮间差速等功能。

1、前桥/后桥驱动：功率需求不高或是路面条件较好时，电机控制器2可以停止对前桥或是后桥的电机供电，使其自由运动，但是需要制动时，电机控制器2需要控制制动钳14的动作或者使电机工作于发电模式，实现最大的能量回收。

2、轴间差速：四轮驱动时，当前后桥的路面条件不同时，电机控制器2需要控制前后车轮的驱动力和制动器分配，以保证汽车运行稳定安全。

3、轮间差速：左右车轮的路面条件不同，或者是转向时，左右两侧车轮的工作情况不同，电机控制器2则要控制左右两侧车轮的驱动力和制动力分配，以保证汽车运行稳定安全。

4、制动能量回收：车辆减速或制动，且不是紧急制动时，如果电池组3的电能不足，则多功能电机控制2使电机工作于发点模式，将汽车的动能转化为电能储存起来，如果是紧急制动，则不进行能量回收，且电机控制器2控制制动钳14快速高效的工作。

实施例3

图3为用于实现前驱纯电动汽车驱动装置的原理示意图，同实施例1一样，不需要使用传统发动机，排放为零，是一种无污染的新型汽车。如图3所示，前桥每一个车轮均设有图1所示的电驱动装置，电机控制器2对这两个车轮电驱动装置进行单独控制。后桥为非驱动桥，使用差速器20和传动轴21连接两个车轮，以实现该桥的差速功能。其他结构形式和控制功能则与实施例1相似。

实施例4

图4为用于实现后驱纯电动汽车驱动装置的原理示意图。同实施例1一样，不需要使用传统发动机，排放为零，是一种无污染的新型汽车。如图4所示，后桥每一个车轮均设有图1所示的电驱动装置，电机控制器2对这两个车轮电驱动装置进行单独控制。前桥为非驱动桥，使用差速器20和传动轴21连接两个车轮，以实现该桥的差速功能。其他结构形式和控制功能则与实施例2相同。

实施例5

图5为四轮驱动桥间混合动力电动汽车驱动装置的原理示意图，该新型汽车具备电机和传统的发动机两种动力源，可以实现传统的发动机驱动，也可以实现纯电动，还可以实现两种动力的混合驱动，排放相对于传统汽车更低，而相对于纯电动汽车，则具备更长的行驶里程。如图5所示，该四轮驱动桥间混合动力电动汽车驱动装置除后桥每一个车轮均设有图1所示的电驱动装置，还包括变速器22、启动电机23、发动机24、差速器20、半轴21和启动电机控制器25。启动电机控制器25控制启动电机23工作，带动发动机24运转，动力由发动机24输出，经变速器22变速后输入差速器20，然后通过半轴21输出至前桥车轮。电机控制器2只控制后桥的两个电动轮驱动装置。前后桥工作独立，互不影响。与实施例1类似的是，整车控制单元ECU4根据行驶需求，控制发动机24和车轮电驱动装置之间的动力分配，实现纯发动机驱动，纯电机驱动，混合驱动等模式，另外通过电机控制器2的控制实现电驱动桥两端车轮的差速以及制动能量回收等功能。制动钳14为浮钳式制动钳，也可为定钳式制动钳。

根据路面需求、电池组3的荷电状态以及电机控制器2对电驱动装置的控制，可以实现混合动力汽车各种工作模式：

(1)发动机怠速停机/快速启动模式

在车辆减速过程中、或者是遇到红灯和堵车以及其他情况停车时，通过使发动机24断油、停机，避免了现有内燃机汽车此时减速、怠速运行的油耗和尾气排放，可提高整车燃油经济性和降低尾气排放。根据整车控制策略，在需要启动发动机24时，通过启动电机23带动发动机24到某一较高转速后，发动机24开始供油，避免发动机24启动过程中燃油消耗和尾气排放。

(2)纯电驱动模式

在车辆起步阶段或低负荷运行时，发动机24处于低负荷工况，热效率低且尾气排放不佳。此时，可通过关闭发动机24，电机控制器2控制后桥电驱动装置，使其单独提供整车驱动的全部扭矩，实现零排放，该模式对于城市道路运行具有重要作用。

(3)纯发动机驱动模式

在电池组3电能不足，无法驱动电机或是电机提供的扭矩不足以驱动汽车时，需要发动机24单独驱动，此时后桥电驱动装置中的盘式电机自由运动，电机控制器2控制制动钳14进而控制后桥两侧车轮的运动，实现后桥差速。

(4)并联混合驱动模式

在车辆急加速或爬坡等需要较大驱动扭矩或车辆所需扭矩快速增大时，若蓄电池3还能提供电能驱动后桥电驱动装置，则可在发动机24输出动力的同时，电驱动装置也提供动力，实现桥间混合驱动。

(5)再生制动能量回馈模式

在车辆制动或减速过程中，发动机24断油、停机，以及盘式电机运行于发电模式，实现再生制动能量回馈模式。

实施例6

图6所示为使用的直流盘式电机时的电动汽车用集成式电动轮驱动装置结构示意图，电机与汽车连接方式与图1相同，区别在于直流电机的结构，由于直流电机输入直流电流，不能产生交变磁场，因而需要使用电流换向装置。如图6所示：电动汽车用集成式电动轮驱动装置不需永磁体11，但设有换向器26，电刷27，转子绕组28，转子绕组28绕在转子15上，换向器26与转子绕组28连接，电刷27与换向器26相连，并与外界电连接。电机的其他组成部分与图1相同。直流盘式电机为有刷型，且定子绕组10输入直流电流产生磁场；若使用无刷型直流电机，则不需要电流换向装置，而通过电子控制，通过电流换向；若使用永磁型盘式电机，则电机定子不需要绕组，而通过永磁体产生磁场。制动钳14为浮钳式制动钳，也可为定钳式制动钳。

实施例7

图7所示为使用的交流盘式电机时的电动汽车用集成式电动轮驱动装置结构示意图，电机与汽车连接方式与图1相同，区别在于交流电机的结构，如图7所示：电动汽车用集成式电动轮驱动装置不需永磁体11，而是设有定子永磁体29，还包括转子绕组28(交流绕组)和导条30，定子永磁体29与设置在定子9上，定子9上没有绕组；转子绕组28绕在转子15上，并与导条30配合，输入交流电；电机的其他组成部分与图1相同。由于图7所示交流盘式电机定子为永磁极，转子有绕组，由于绕组不固定，则交流电输入时需要使用导条30，电流输入转子绕组；若交流盘式电机转子为永磁极，定子为绕组，则不需要使用导流装置，即如图1所示。制动钳14为浮钳式制动钳，也可为定钳式制动钳。

Claims (6)

1、一种电动汽车用集成式电动轮驱动装置，包括盘式电机、电机控制器、电池组、整车控制单元ECU和车桥；所述盘式电机包括定子、转子、电机转子轴和电机外壳；盘式电机通过车桥安装在轮胎中；其特征在于：所述电动汽车用集成式电动轮驱动装置还包括制动钳，制动钳固定在电机外壳上，与转子配合，制动转子转动；转子固定在电机转子轴的一端，电机转子轴的另一端通过轴承固定在轮胎的车轮轮毂上；定子固定在电机外壳上，电机外壳与车桥固定；所述整车控制单元ECU、电池组、电机控制器和定子通过高压线束依次连接，整车控制单元ECU还与电机控制器信号连接，电机控制器与制动钳信号连接。

2、根据权利要求1所述的电动汽车用集成式电动轮驱动装置，其特征在于：所述盘式电机的绕组绕在定子上，永磁体贴在转子上，位于定子相对侧。

3、根据权利要求1所述的电动汽车用集成式电动轮驱动装置，其特征在于：所述盘式电机为直流电机。

4、根据权利要求1所述的电动汽车用集成式电动轮驱动装置，其特征在于：所述盘式电机为交流电机。

5、根据权利要求1-4任一项所述的电动汽车用集成式电动轮驱动装置，其特征在于：所述车桥分别通过悬架弹簧和减振器与车架连接。

6、根据权利要求1-4任一项所述的电动汽车用集成式电动轮驱动装置，其特征在于：所述制动钳为定钳式或浮钳式制动钳。

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