CN101817307B - 一种电动汽车的动力总成 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的电动汽车动力总成包括驱动电机(2)和动力传动系统(1)。驱动电机采用永磁同步电机。动力传动系统(1)包括齿轮传动系统、自动换挡系统和自动驻车系统。齿轮传动系统包括差速器总成(13)、输入轴(16)、拨叉及同步器(17)、1挡齿轮及2挡齿轮(18)。自动换挡系统包括换挡电机(4)、拨叉(5)、拨叉轴(7)、换挡轴(6)、换挡盖板(8)、换挡轴转角传感器(9)、换挡位置检测杆(10)、换挡电机盖板(11)、挡位传感器(12)。自动驻车系统包括P挡电机(3)、P挡棘爪(15)、P挡棘爪压板(19)、弹簧预紧机构(20)、P挡轴(21)、P挡盖板(22)、P挡位置检测杆(23)、P挡位置传感器(24)。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动汽车的动力系统，更确切地讲，涉及一种能适应外界条件，大大提高电动汽车动力性和经济性的动力源及动力传动系统。
背景技术
随着燃油价格的上涨和人们环保意识的不断增强，世界各国都在寻求一种可再生的清洁替代能源。电能是被世界公认的一种可再生清洁能源。电动汽车由于其具有“零”排放特征，同时变频牵引电机的工作范围非常宽，其低速时恒扭矩，高速时恒功率，非常适合车辆运行的需要，因此电动汽车已成为当前国内外汽车行业发展的热点。
但是现在的电动汽车多采用固定速比的一挡减速器，尽管传动方式简单，制造成本低，维修保养费用低。但是电动汽车驱动电机在绝大多数情况下处于效率很低的区域，这样会浪费宝贵的电池能量而使续驶里程减少。根据电动汽车的行驶特点，驱动电机应该既能在恒转矩区提供较高的瞬时转矩，又能在恒功率区提供较高的运行速度来满足车辆的高速性要求和加速爬坡要求，在目前的技术条件下，电动汽车驱动电机很难满足这样的要求。
发明内容
本动力总成采用一种自动变速系统，能根据电动汽车行驶状况自动切换挡位来主动适应路面变化和驾驶需要，从而使驱动电机的工作区域扩大，保证驱动电机总是能够工作在理想的区域，从而提高电动汽车的动力性和经济性，降低驱动电机的控制难度，减少电动汽车电池容量，大大提高电动汽车的性价比。
另外，此自动变速系统是在原有固定轴式齿轮变速器的基础上加装电控系 统实现自动换挡，传动效率高，技术难度相对较低，价格低廉，非常适合中国的国情。在中国这样的人口大国，未来的电动汽车使用数量捋会十分巨大，此动力总成对电动汽车的节能增效具有非常重要的意义。
本发明提供的电动汽车动力总成包括驱动电机(2)和动力传动系统(1)，并且包括驱动电机控制器(25)和自动变速器控制器(24)。驱动电机采用永磁同步电机。动力传动系统(1)包括齿轮传动系统、自动换挡系统和自动驻车系统。其中，齿轮传动系统包括差速器总成(13)、输入轴(16)、拨叉及同步器(17)、1挡齿轮及2挡齿轮(18)。自动换挡系统包括换挡电机(4)、拨叉(5)、拨叉轴(7)、换挡轴(6)、换挡盖板(8)、换挡轴转角传感器(9)、换挡位置检测杆(10)、换挡电机盖板(11)、挡位传感器(12)。自动驻车系统包括P挡电机(3)、P挡棘爪(15)、P挡棘爪压板(19)、弹簧预紧机构(20)、P挡轴(21)、P挡盖板(22)、P挡位置检测杆(23)、P挡位置传感器(24)。
为了使本动力总成与电动汽车其它部分相协调，驱动电机控制器(25)和自动变速器控制器(24)与电动汽车整车控制器(27)和电池管理系统(26)通过CAN总线进行实时通信，形成一套电动汽车综合控制系统。其中，自动变速器控制器(24)采集手柄挡位位置信号、车速信号(29)及同步器当前位置信号，并通过CAN总线得到油门开度信号(28)。驱动电机控制器(25)向驱动电机发出转矩转速指令，并输出当前转速信号。整车控制器(27)实时采集油门开度信号(28)和由自动变速器控制器(24)采集，经CAN总线发送的车速信号(29)，并根据制定的电机输出转矩控制策略，计算出当前驱动电机目标转矩，并通过CAN总线发给驱动电机控制器(25)，让驱动电机输出此目标转矩。当需要换挡时，自动变速器控制器(24)通过CAN总线向驱动电机控制器(25)发出指令，让其进入自由模式，并让其调节到目标转速，然后换挡执行机构开 始进行换挡动作，换到目标挡位后，再发出指令让电机切换到转矩模式，于是整个换挡过程结束。通过此种方式，实现各个控制器间良好的协调。
为了降低整个系统的开发难度，并结合实际情况，本系统采用2挡自动变速系统，当需要换挡时，拨叉在换挡执行机构的驱动下，在1挡、N挡和2挡位置间不断切换，让不同的齿轮传递动力，从而改变传动比。
为了使电动汽车能更安全的驻车，本发明采用一种自动驻车系统。当电动车辆停车时，车速为零，驾驶员把手柄从D挡调到P挡。此时P挡电机(3)开始转动，于是P挡轴(21)随之转动，P挡棘爪(15)在弹簧预紧机构(20)的压力下开始向下运动。P挡位置检测杆(23)通过花键与P挡轴(21)连接在一起。当P挡轴(21)旋转到一定位置时，P挡位置检测杆(23)检测到达目标位置，于是P挡电机(3)停转。P挡电机(3)装有蜗轮蜗杆减速器，通过蜗轮蜗杆实现自锁，保持当前电机旋转位置的固定。P挡棘爪(15)在弹簧预紧机构(20)的推动下，与棘轮(14)啮合，实现对变速器输出轴的锁止。如果P挡棘爪(15)没有恰好到达棘轮(14)凹槽位置。那么在弹簧预紧机构(20)的预紧力作用下，只要棘轮(14)有略微转动，棘爪(15)就会滑入棘轮(14)的凹槽中，实现对变速器输出轴的锁止。如果驾驶员要启动汽车时，当驾驶员把换挡手柄位置从P挡移开时，P挡电机(3)开始反向旋转，于是棘爪(15)脱离棘轮(15)，解除对变速器输出轴的锁止。当P挡电机(3)旋转到目标挡位时，P挡位置检测杆(23)检测到达目标位置，于是P挡电机(3)停止转动，并利用蜗轮蜗杆机构自锁，停止在此位置。为了实现电机的双向旋转，本发明采用H桥驱动电路模块。为了检测电机的旋转位置，本发明采用霍尔位置传感器与位置检测杆机构，其中位置检测杆装有磁钢。
本发明并利用驱动电机特性及整车相关参数，制定合理的换挡规律。整车 控制器(27)把采集到的油门开度信号(28)经CAN总线发给自动变速器控制器(24)，自动变速器再根据车速传感器采集到的车速信号(29)和油门开度信号(28)，利用所制定的换挡规律，计算出当前目标挡位，然后给自动变速器控制器(24)中的换挡电机控制模块发出换挡指令，换挡电机(4)开始转动，于是换挡轴(6)也随之转动。换挡轴(6)下端有扇形齿轮，扇形齿轮与拨叉轴(7)上的齿条啮合，让拨叉轴(7)能够沿直线移动。拨叉(5)通过弹性销与拨叉轴(7)连接在一起，与拨叉轴(7)一起运动。换挡位置检测杆(10)通过花键与换挡轴(6)连接在一起，与换挡轴(6)一起转动。当拨叉(5)运动到目标位置时，换挡轴转角传感器(9)检测到位置信号，于是换挡电机(4)断电，停止转动。换挡电机(4)装有蜗轮蜗杆减速器，此时通过蜗轮蜗杆实现自锁，使拨叉保持在目标挡位而不至于脱挡。
为了减小自动变速器在换挡过程中的冲击，提高换挡品质，需要实时控制换挡力和换挡速度。为此加装换挡轴转角传感器(9)，此传感器与换挡轴(6)相连，下端与换挡盖板(8)配合。利用换挡轴转角传感器(9)实时检测换挡电机(4)的旋转位置从而实时计算出同步器拨叉位置。根据制定好的换挡电机(4)控制策略，实时控制换挡电机(4)的输出转矩，满足换挡的平顺性要求。另外，利用驱动电机转矩转速易于调节的特点，本发明采用的是无离合器自动换挡技术，在换挡过程中，对驱动电机转速进行调节，大大降低换挡时的冲击度。
采用本发明的电动汽车动力总成，极大地提高电动汽车的动力性和经济性，对电动汽车驱动电机的要求大大降低，这对提高电动汽车的市场竞争力具有十分重要的意义。另外，此动力总成中的自动驻车系统满足行驶车况和驾驶员意图，与手刹配合使用，大大提高电动汽车驻车可靠性。
附图说明
图1是根据本发明用于电动汽车的动力总成结构示意图。
图2是根据本发明用于电动汽车的齿轮传动系统结构示意图。
图3是根据本发明用于电动汽车的自动换挡系统结构示意图。
图4是根据本发明用于电动汽车的自动驻车系统示意图。
图5是根据本发明用于电动汽车的整车综合控制系统组成示意图。
图6是根据本发明用于电动汽车的换挡控制系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
所述电动汽车动力总成包括两个部分：驱动电机(2)和动力传动系统(1)。
所述的驱动电机(2)是永磁同步电机。
所述的动力传动系统(1)包括齿轮传动系统、自动换挡系统和自动驻车系统。
所述齿轮传动系统包括差速器总成(13)、输入轴(16)、拨叉及同步器(17)、1挡齿轮及2挡齿轮(18)。
所述自动换挡系统包括换挡电机(4)、拨叉(5)、拨叉轴(7)、换挡轴(6)、换挡盖板(8)、换挡轴转角传感器(9)、换挡位置检测杆(10)、换挡电机盖板(11)、挡位传感器(12)。
所述自动驻车系统包括P挡电机(3)、P挡棘爪(15)、P挡棘爪压板(19)、弹簧预紧机构(20)、P挡轴(21)、P挡盖板(22)、P挡位置检测杆(23)、P挡位置传感器(24)。
自动变速器控制器(24)不断检测车速信号(29)，并接收油门开度信号(28)，然后根据这两个参数判断当前目标挡位。当需要换挡时，自动变速器通过CAN 总线给驱动电机控制器(25)发出指令，让驱动电机切换到自由模式，换挡电机(4)开始旋转。于是换挡轴(6)也随之转动。换挡轴(6)下端有扇形齿轮，扇形齿轮与拨叉轴(7)上的齿条啮合，让拨叉轴(7)能够沿直线移动。拨叉(5)通过弹性销与拨叉轴(7)连接在一起，与拨叉轴(7)一起运动。当拨叉运行到空挡位置时，自动变速器控制器(24)根据车速信号(29)和原有挡位信息计算出换挡前的变速器输出轴转速，然后向驱动电机控制器(25)发出指令，让驱动电机调到这个转速。当驱动电机完成调速后，通过CAN总线向自动变速器控制器(24)反馈目前转速。于是换挡电机旋转，驱使拨叉继续运动。
由于在拨叉行进过程中，换挡力在不断变化，为了降低换挡冲击，换挡轴转角传感器(9)不断检测电机旋转位置从而实时计算出拨叉位置。根据制定好的换挡电机(4)控制策略，根据拨叉的位置调节驱动电机的转矩。当拨叉行进到目标位置时，位置检测摆杆(10)检测到达此位置，于是换挡电机(4)停止转动，并利用其蜗轮蜗杆机构保持自锁状态。最后自动变速器控制器(24)给电机控制器(25)发出指令，让驱动电机进入转矩模式，于是完成整个换挡动作。
当电动车辆停车时，车速为零，驾驶员把手柄从D挡调到P挡。此时P挡电机(3)开始转动，于是P挡轴(21)随之转动，P挡棘爪(15)在弹簧预紧机构(20)的压力下开始向下运动。P挡位置检测杆(23)通过花键与P挡轴(21)连接在一起。当P挡轴(21)旋转到一定位置时，P挡位置检测杆(23)检测到达目标位置，于是P挡电机(3)停转。P挡电机(3)装有蜗轮蜗杆减速器，通过蜗轮蜗杆实现自锁，保持当前电机旋转位置的固定。P挡棘爪(15)在弹簧预紧机构(20)的推动下，与棘轮(14)啮合，实现对变速器输出轴的锁止。如果P挡棘爪(15)没有恰好到达棘轮(14)凹槽位置，那么在弹簧预紧机构(20) 的预紧力作用下，只要棘轮(14)有略微转动，棘爪(15)就会滑入棘轮(14)的凹槽中，实现对变速器输出轴的锁止。如果驾驶员要启动汽车时，当驾驶员把换挡手柄位置从P挡移开时，P挡电机(3)开始反向旋转，于是棘爪(15)脱离棘轮(15)，解除对变速器输出轴的锁止。当P挡电机(3)旋转到目标挡位时，P挡位置检测杆(23)检测到达目标位置，于是P挡电机(3)停止转动，并利用蜗轮蜗杆机构自锁，停止在此位置。
Claims (12)
1.一种电动汽车动力总成，包括驱动电机(2)和动力传动系统(1)，其中动力传动系统(1)包括齿轮传动系统、自动换挡系统和自动驻车系统；所述的驱动电机(2)为永磁同步电机；所述的动力传动系统(1)还包括自动变速器控制器(24)、驱动电机控制器(25)，所述自动变速器控制器和所述驱动电机控制器与整车控制器(27)、电池管理系统(26)相结合，通过CAN总线实现信息交换，形成一整套电动汽车综合控制系统；其中所述的齿轮传动系统为2挡固定轴式，所述齿轮传动系统包括差速器总成(13)、输入轴(16)、拨叉及同步器(17)、1挡齿轮及2挡齿轮(18)；所述自动换挡系统包括换挡电机(4)、拨叉(5)、拨叉轴(7)、换挡轴(6)、换挡盖板(8)、换挡轴转角传感器(9)、换挡位置检测杆(10)、换挡电机盖板(11)、挡位传感器(12)；所述的自动驻车系统包括P挡电机(3)、P挡棘爪(15)、P挡棘爪压板(19)、弹簧预紧机构(20)、P挡轴(21)、P挡盖板(22)、P挡位置检测杆(23)、P挡位置传感器(24)，通过这些机构，可以在挂上P挡时让棘轮处于锁止状态，从而让车轮抱死，摘下P挡时解开棘轮，车轮可以自由旋转；
其中所述的自动变速器控制器(24)采集车速信号(29)和换挡手柄位置信号(30)、拨叉位置信号，并通过CAN总线得到整车控制器(27)采集的油门开度信号(28)；驱动电机控制器输出当前驱动电机转速信息，并让驱动电机输出目标转矩；整车控制器(27)采集油门开度信号(28)，并根据车速信号(29)计算出当前所需的转矩，然后向驱动电机控制器(25)发出所需转矩信号。
2.按照权利要求1所述的电动汽车动力总成，其中所述的自动变速器控制器(24)通过车速信号(29)和油门开度信号(28)判断目标挡位。
3.按照权利要求2所述的电动汽车动力总成，其中所述的自动变速器控制器(24)与驱动电机控制器(25)相互协调，当需要换挡时，自动变速器控制器(24)发出换挡指令，驱动电机控制器(25)让驱动电机进入自由模式，对驱动电机转速进行调节；当到达目标挡位后，自动变速器控 制器(24)发出换挡指令，驱动电机控制器(25)让驱动电机进入转矩模式，从而完成换挡过程；利用此方式，不采用离合器，实现自动变速器的平稳换挡。
4.按照权利要求1所述的电动汽车动力总成，其中所述拨叉及同步器(17)的执行机构为齿轮齿条机构，其中齿轮为扇形齿轮。
5.按照权利要求4所述的电动汽车动力总成，其中作为所述拨叉及同步器(17)的执行机构动力源的换挡电机(4)为直流电机，并带有蜗轮蜗杆机构以实现自锁。
6.按照权利要求5所述的电动汽车动力总成，其中所述拨叉及同步器(17)的执行机构包括一套位置检测系统，所述位置检测系统包括倒挡位置传感器和电机转角传感器。
7.按照权利要求6所述的电动汽车动力总成，其中所述倒挡位置传感器包括1挡位置传感器、2挡位置传感器、空挡位置传感器，所述倒挡位置传感器为霍尔位置传感器或者磁感应式位置传感器、光电式位置传感器，所述电机转角传感器采用霍尔式传感器，实时检测电机转角从而实时检测拨叉位置。
8.按照权利要求7所述的电动汽车动力总成，所述倒挡位置传感器用来检测拨叉是否到达目标位置，如果到达目标位置，则换挡电机停止转动并利用蜗轮蜗杆机构实现自锁；所述电机转角传感器用来实时检测换挡电机的转角从而实时检测拨叉的位置；根据所述拨叉的位置来调节换挡电机的输出转矩和转速，实现拨叉整个运行过程的实时控制。
9.按照权利要求1所述的电动汽车动力总成，其中所述弹簧预紧机构对棘爪施加预紧力，保证在任何时候均能实现对变速器输出轴的锁止。
10.按照权利要求9所述的电动汽车动力总成，其中所述自动驻车系统通过车速信号和手柄位置判断是否挂P挡，若是，则P挡电机开始旋转。
11.按照权利10要求所述的电动汽车动力总成，其中所述自动驻车系统中的所述P挡位置传感器为霍尔式位置传感器或者磁感应式或光电式， 所述P挡位置检测杆装有磁钢。
12. 按照权利要求11所述的电动汽车动力总成，其中所述的换挡电机根据自动驻车系统所发出的指令运动；当需要挂上P挡时，P挡电机开始旋转，当位置检测杆检测到达目标位置时，P挡电机停止转动；若需要解除P挡时，P挡电机反向旋转解除对变速器输出轴的锁止；当位置检测杆检测到达目标位置时，P挡电机停止转动并利用蜗轮蜗杆机构在此位置自锁；P挡电机正反转由H桥驱动模块实现。
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