CN102303545A - 电动汽车双轮双馈驱动系统及驱动方法 - Google Patents
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Abstract
电动汽车双轮双馈驱动系统及驱动方法，其结构特点一是采用定子双绕组无刷双馈电机为牵引电机分别驱动左、右两轮；二是两电机的功率绕组分别与蓄电池相连，控制绕组直接连接形成能量多通道传递结构。为实现无刷双馈电机两绕组的协调控制，功率绕组采用直接转矩控制策略，控制绕组则采用无功功率优化的电流最小化控制策略。本发明电机双绕组馈电使得牵引电机及逆变器容量小、动态响应快、能量分配更灵活；转向时两小容量无刷双馈电机分别工作在亚同步与超同步状态，能量通过控制绕组从高速电机流向低速电机，完成高速、大角度转向差速控制下电机与蓄电池之间及左、右轮驱动电机之间的能量多通道双向传递，降低对蓄电池瞬态输入、输出能量的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种双轮驱动电动汽车的驱动结构，具体指一种应用于电动汽车双轮双馈驱动结构方法。
背景技术
目前国内外研发的电动汽车主要分为两大类，其一是在传统内燃机汽车的底盘基础上将动力源改为电动机，这类实际上更应称为“电池汽车”，其电动的优势主要体现在能源方面；另一类则是针对电机驱动的特点研发，以多电机驱动为主的电动汽车，目前形成产品的主要集中在第一类。
新能源汽车种类繁多，电动汽车只是其中之一。电动汽车最明显的优势是快速准确的转矩控制，如果不能充分利用这点，电动汽车的性能并不能在新能源汽车竞争中获得的绝对优势。多电机驱动（双轮驱动或四轮驱动）是未来真正从电动角度出发设计电动汽车的理想结构，这种结构可充分发挥电机价格低廉、动态响应快的特点，使电动汽车的优势不局限于单纯的动力源更替，而且在性能上存在充分的提高空间，为电动汽车在技术与性能方面全面超越燃油汽车提供了可能性。
目前电动汽车双轮或四轮驱动主要采用以异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机牵引的独立驱动结构。这种结构四个驱动电机完全独立控制，电机升速时各自从电池吸收能量；电机制动时，各自向蓄电池回馈能量，形成电机到蓄电池的单通道能量双向流动。由于蓄电池瞬态输入和输出能量受限，因此能量传输存在瓶颈。
发明内容
本发明公开一种电动汽车双轮驱动结构及其控制方法，其目的在于利用无刷双馈电机双绕组可同时双向馈能的特点，实现蓄电池与各牵引电机之间、左轮牵引电机与右轮牵引电机之间的多通道双向能量传递。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
电动汽车双轮双馈驱动系统，包括蓄电池连接两个电机控制系统，司机操纵踏板、方向盘信号模块的信号输出端连接差速控制器的信号输入端，差速控制器的信号输出端连接两个电机控制系统的信号输入端，其特征在于：每个电机控制系统的信号输出端连接一个电机，每个电机驱动一个车轮，每个电机上安装有转速传感器，转速传感器的信号输出端连接电机控制系统的信号输入端。
电机采用的是定子上有功率、控制双绕组的无刷双馈电机。
两个电机的功率绕组分别与蓄电池相连。
两个电机的控制绕组直接互相连接，组成多通道能量传递结构。
电动汽车双轮双馈驱动系统的驱动方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：
驾驶员给定指令经过司机操纵踏板、方向盘信号模块处理后输出速度和转向信号给差速控制器；
当汽车直行时，差速控制器传送速度给定信号给电机控制系统，转速传感器将检测到的车轮即时速度信号也传送给电机控制系统，电机控制系统依照控制策略进行控制运算，生成PWM控制电压驱动电机，进而驱动汽车行驶；
当汽车转向行驶时，差速控制器传送速度给定信号给电机控制系统，转速传感器将检测到的车轮即时速度信号也传送给电机控制系统，电机控制系统依照控制策略进行控制运算，生成PWM控制电压驱动电机，进而驱动汽车行驶；此时两个电机中的能流通过控制绕组从转速慢的电机流向转速较快的电机，为较快的电机提供额外的能量需求，实现车轮之间的能量传递和自主分配。
电机的功率绕组采用直接转矩控制策略，并采用通过控制电机的控制绕组电流来控制无功功率的策略。
该驱动方案采用无刷双馈电机作为电动汽车牵引电机，分别驱动左、右轮。无刷双馈电机在定子侧同时具有功率绕组和控制绕组，其功率绕组相当于普通绕线式异步电机的定子，控制绕组相当于电机转子，结构上没有电刷，定子功率绕组和控制绕组都可与逆变电源间实现双向能量馈送，通过调节功率、控制两绕组所接逆变电源的频率可实现调速。
左、右两个驱动车轮的无刷双馈电机功率绕组分别由与蓄电池连接的逆变器供电，两控制绕组直接相连。通过调节左轮电机和右轮电机功率绕组供电电压频率，可以控制车轮的旋转速度和方向，而控制绕组间功率可双向流动。车辆转向时，双馈驱动方式分别为内、外轮驱动电机提供正向和反向的动力，内轮驱动电机正向亚同步运行，而外轮驱动电机则在超同步状态下运行，系统中内轮电机回馈的能量通过对接的控制绕组直接提供给外轮电机，而不需要通过蓄电池，能量的灵活调控可实现理想的差速控制。
与采用异步电机或永磁同步电机作为汽车的牵引电机对比，逆变器的使用数量相同，电机容量等级降低。转向时两小容量无刷双馈电机分别工作在亚同步与超同步状态，能量通过控制绕组从高速电机流向低速电机，完成高速、大角度转向差速控制下电机与蓄电池之间及左、右轮驱动电机之间的能量多通道双向传递，降低对蓄电池瞬态输入、输出能量的要求；双绕组馈电使得牵引电机及逆变器容量小、动态响应快、能量分配更为灵活。
附图说明：
图1为本发明的电动汽车双轮双馈驱动系统结构示意图；
图2为电机驱动控制系统多通道能量传递结构的示意图；
附图标记说明：
1.蓄电池、2. 司机操纵踏板、方向盘信号模块、3. 电机控制系统、4. 差速控制器、5. 转速传感器、6. 车轮、7. 无刷双馈驱动电机、8. 多通道能量传递结构。
具体实施方式：
如图1所示，电动汽车双轮驱动双馈驱动系统包括.蓄电池1为两个电机控制系统3提供电源，司机操纵踏板、方向盘信号模块2发出的操纵信号经差速控制器4处理得到两个电机控制系统3的速度控制输入信号，两个电机控制系统3由直接转矩控制算法产生输出信号分别控制两个无刷双馈驱动电机7。以两个无刷双馈驱动电机7分别作为两个车轮6的驱动电机。
在每个无刷双馈驱动电机7的定子上均有功率绕组和控制绕组组成的双绕组结构，功率绕组相当于普通绕线式异步电机的定子，控制绕组相当于电机转子，结构上没有电刷；两个功率绕组分别与蓄电池相连，由与蓄电池连接的逆变器供电。两个无刷双馈驱动电机7之间通过控制绕组直接连接形成多通道能量传递结构8；双绕组馈电使得牵引电机及逆变器容量小、动态响应快、调速范围宽、能量分配更为灵活。
系统在车辆行驶过程中既可在无刷双馈驱动电机7与蓄电池1之间进行能量交换，亦可在左、右两个车轮6的牵引电机，即两台无刷双馈驱动电机7之间进行能量交换，形成多通道能量传递结构8。无刷双馈电机7的功率绕组采用直接转矩控制策略，同时通过控制电机的无功功率使控制绕组电流最小。直接转矩控制技术具有比脉宽调制快10倍的响应速度，系统可直接依照驾驶指令控制转矩，而且磁链闭环能够优化电机磁通，提高电机和逆变器的总能量利用率；电流最小化控制有效降低电机功率绕组、控制绕组的电流，减小铜耗和逆变器容量，降低成本。设置在无刷双馈驱动电机7的转速传感器5实时检测车轮6的转速作为反馈信号给两个电机控制系统3。其中司机操纵踏板、方向盘信号模块2与差速控制器4之间、差速控制器4与电机控制系统3之间以及转速传感器5与电机控制系统3之间均为无线连接，其余为动力线连接。
通过调节无刷双馈驱动电机7功率绕组的供电电压频率，可以控制车轮6的旋转速度和方向，而控制绕组间功率可双向流动。车辆转向时，双馈驱动方式分别为内、外轮驱动电机提供正向和反向的动力，内轮驱动电机正向亚同步运行，而外轮驱动电机则在超同步状态下运行，系统中内轮电机回馈的能量通过对接的控制绕组直接提供给外轮电机，而不需要通过蓄电池1，能量的灵活调控可实现理想的差速控制。
电机驱动控制系统多通道能量传递结构如图2所示，其电机驱动系统包括蓄电池分别给两个双向DC-DC转换器供电，由DC-DC转换器和通过直接转矩控制模块经逆变器产生的电压驱动无刷双馈驱动电机7；功率绕组和控制绕组都可与逆变电源间实现双向能量馈送，通过调节功率、控制两绕组所接逆变电源的频率可实现调速。与采用异步电机或永磁同步电机作为汽车的牵引电机对比，逆变器的使用数量相同。转向时两小容量无刷双馈电机7分别工作在亚同步与超同步状态，能量通过控制绕组从高速电机流向低速电机，完成高速、大角度转向差速控制下电机与蓄电池之间及左、右轮驱动电机之间的能量多通道双向传递，降低对蓄电池瞬态输入、输出能量的要求。
在行驶时，驾驶员所给定的指令经过司机操纵踏板、方向盘信号模块2处理后输出速度和转向信号给差速控制器4。当汽车直行时，差速控制器4传送速度给定信号给电机控制系统3，转速传感器5将检测到的无刷双馈驱动电机7即时速度信号反馈到电机控制系统3，经直接转矩控制算法产生电压驱动无刷双馈驱动电机7，进而驱动汽车行驶；此时两个无刷双馈驱动电机7之间的多通道能量传递结构8无需能量传递。当汽车转向行驶时，差速控制器4传送速度给定信号给电机控制系统3，转速传感器5将检测到的无刷双馈驱动电机7即时速度信号反馈到电机控制系统3，经直接转矩控制算法产生电压驱动无刷双馈驱动电机7，进而驱动汽车行驶；此时由于汽车的内外两车轮转速不同，这样，无刷双馈驱动电机7的能流通过多通道能量传递结构8从转速慢的电机流向转速较快的电机，为较快的电机提供额外的能量需求，实现驱动轮之间的能量传递和自主分配，高了能量的利用率。
本发明所述技术方案不仅适用于双轮双馈驱动系统，还适用于四轮双馈驱动系统。
Claims (6)
1.电动汽车双轮双馈驱动系统，包括蓄电池（1）连接两个电机控制系统（3），司机操纵踏板、方向盘信号模块（2）的信号输出端连接差速控制器（4）的信号输入端，差速控制器（4）的信号输出端连接两个电机控制系统（3）的信号输入端，其特征在于：每个电机控制系统（3）的信号输出端连接一个电机（7），每个电机（7）驱动一个车轮（6），每个电机上安装有转速传感器（5），转速传感器（5）的信号输出端连接电机控制系统（3）的信号输入端。
2.根据权利要求1所述电动汽车双轮双馈驱动系统，其特征在于：电机（7）采用的是定子上有功率、控制双绕组的无刷双馈电机。
3.根据权利要求1所述电动汽车双轮双馈驱动系统，其特征在于：两个电机（7）的功率绕组分别与蓄电池（1）相连。
4.根据权利要求1所述电动汽车双轮双馈驱动系统，其特征在于：两个电机（7）的控制绕组直接互相连接，组成多通道能量传递结构（8）。
5.如权利要求1-4中任一项所述电动汽车双轮双馈驱动系统的驱动方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：
驾驶员给定指令经过司机操纵踏板、方向盘信号模块（2）处理后输出速度和转向信号给差速控制器（4）；
当汽车直行时，差速控制器（4）传送速度给定信号给电机控制系统（3），转速传感器（5）将检测到的车轮（6）即时速度信号也传送给电机控制系统（3），电机控制系统（3）依照控制策略进行控制运算，生成PWM控制电压驱动电机（7），进而驱动汽车行驶；
当汽车转向行驶时，差速控制器（4）传送速度给定信号给电机控制系统（3），转速传感器（5）将检测到的车轮（6）即时速度信号也传送给电机控制系统（3），电机控制系统（3）依照控制策略进行控制运算，生成PWM控制电压驱动电机（7），进而驱动汽车行驶；此时两个电机（7）中的能流通过控制绕组从转速慢的电机流向转速较快的电机，为较快的电机提供额外的能量需求，实现车轮（6）之间的能量传递和自主分配。
6.根据权利要求5所述电动汽车双轮双馈驱动系统的驱动方法，其特征在于：电机（7）的功率绕组采用直接转矩控制策略，并采用通过控制电机（7）的控制绕组电流来控制无功功率的策略。
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