CN102795102B - 一种集成轮边缓速功能的电动轮及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成轮边缓速功能的电动轮及其控制方法，包括由定子、内转子、外转子组成的双转子电机，定子上有定子绕组，外转子有反相序联结的内、外侧绕组，内转子上有面对内侧绕组的永磁铁；外转子的输出轴通过行星齿轮减速器连接车轮制动盘，内转子与内转子制动盘固定连接；使内转子自由转动，给定子绕组施加三相对称电压，外转子内、外侧绕组不通电流，驱动车轮；使内转子自由转动，定子绕组不施加电压，给外转子内、外侧绕组施加电流，将制动电能回收；使内转子固定，外转子内、外侧绕组不通电流，内、外转子构成一个永磁缓速器使车轮减速。本发明电机效率高，能增加电动汽车的续驶里程和能源利用率。

Description

一种集成轮边缓速功能的电动轮及其控制方法

技术领域

  本发明涉及一种应用在四轮独立驱动的电动汽车上的电动轮及其控制方法。

背景技术

电动汽车的电动轮包括电机、传动系统和车轮。在电动轮中，电机轴与驱动轴相互平行甚至同轴，电机的转矩由其输出轴输出后传递到传动系统的输入轴，经过传动系统减速后，增大的转矩又传递给轮辋，最终带动车轮转动驱动汽车行驶。电动轮具有以下几方面的优点：一、各个电机的驱动力可以独立控制，使其驱动力控制更加灵活，合理控制驱动力可以提高在恶劣道路上行驶的能力，也能够集成ESP、TCS等功能；二、通过线控技术实现速度的无级调节，省去了变速器、离合器、传动轴等机械传动机构，使汽车布置更加简洁，传动效率大大提高。

目前，由电动轮驱动的电动汽车存在的问题主要是：1、由于现有蓄电池性能本身存在技术瓶颈，导致电动汽车电能使用效率不高、续驶里程短、电池寿命短；2、由于电动汽车主要用于城市交通，大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态，电机的起步性能（起动转矩/起动电流）、加速性能、低速时的效率、制动及滑行时的能量再生能力、过载能力、能量密度、可靠性对电动汽车尤为重要，是衡量电动汽车电机的重要指标，因此，符合电池特性的驱动电机是提高电动汽车性能的关键，而目前电动汽车常用的驱动电机为异步电机、永磁无刷电机等，这些电机在实际使用时，使用电流和启动电流都较大，效率较低，严重影响到电动汽车的性能。

目前，本领域公知汽车摩擦制动器具有固有的热衰退性的缺陷，影响汽车的制动安全性能，而永磁缓速器的安装可以弥补摩擦制动器的缺陷。永磁缓速器具有以下的优点：能够承负汽车运行中大部分制动负荷，使车轮摩擦制动器的温升大为降低以确保车轮摩擦制动器处于良好工作状态；可以大幅度的轻量化、小型化，几乎不消耗电力；在高速范围内制动力不会降低，且传动轴转速越高，制动力越大。

发明内容

本发明为克服现有电动汽车电能使用效率不高、续驶里程短等缺陷，提供一种集成轮边缓速功能的电动轮及其控制方法，采用双转子电机，在轮边集成永磁缓速功能，可以在提高能源利用率的同时提高电动汽车的续驶里程。

本发明集成轮边缓速功能的电动轮采用的技术方案是：包括电机、线控制动系统、行星齿轮减速器，所述电机是由定子、内转子、外转子组成的双转子电机，定子上有定子绕组，外转子有反相序联结的内、外侧绕组，内转子上有面对内侧绕组的永磁铁；外转子的输出轴通过行星齿轮减速器连接车轮制动盘，车轮制动盘通过车轮制动钳连接线控制动系统；内转子与内转子制动盘固定连接，内转子制动盘通过内转子制动钳连接线控制动系统。

本发明电动轮的控制方法采用的技术方案是：线控制动系统控制内转子制动盘固定不动不施加制动力，内转子自由转动，给定子绕组施加三相对称电压产生三相对称电流，外转子内、外侧绕组不通电流，在外转子内、外侧绕组中产生感应电势、电流，从而产生电磁转矩，通过外转子、行星齿轮减速器驱动车轮；线控制动系统控制内转子制动盘固定不动不施加制动力，内转子自由转动，定子绕组不施加电压，给外转子内、外侧绕组施加电流，车轮通过行星齿轮减速器带动外转子旋转产生旋转的磁场，定子绕组不断切割磁场产生感应电流和感应电压，使定子绕组通过集电环和逆变器将制动电能回收储存在蓄电池中；线控制动系统向内转子制动盘施加制动力使内转子固定，外转子内、外侧绕组不通电流，内、外转子构成一个永磁缓速器使车轮减速。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

本发明所述的电动轮集成了轮边缓速功能，汽车只有在紧急制动的情况下才使用线控制动系统，可以有效地降低使用摩擦制动器的次数，增加电动汽车的续驶里程。双转子电机的内转子轴惯性小且需要的制动能量小，电机效率高，使用电流小，启动电流小，能提高能源的利用率，同时能增强双转子电机的制动能量回收效率。

附图说明

 图1是本发明集成轮边缓速功能的电动轮的结构示意图；

   图2是图1中双转子电机的结构放大图；

1、2—轴承，3—外转子外侧绕组，4—永磁铁，5—外转子内侧绕组，6—定子绕组，7—定子，8、10—端盖，9—外转子，11—内转子，13—制动踏板，14—储油罐，15—减压制动回路，16—电动机，17—液压蓄能器，18—液压泵，19—压力传感器，20—增压制动回路，21、22、23、24—双转子电机，25、26、27、28—三位三通阀，29、30、31、32—增压阀，33、34、35、36—减压阀，37、38、39、40—内转子制动盘，41—行星齿轮减速器，42—车轮制动盘，43—车轮制动钳，44—内转子制动钳。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的集成轮边缓速功能的电动轮及其控制方法。

如图1所示本发明的结构示意图，本发明所述的电动轮采用四个双转子电机21、22、23、24，四个行星齿轮减速器、一套线控制动系统以及液压供能回路等，线控制动系统可以是电子液压制动系统或电子机械式制动系统，图1仅以电子液压制动系统为例加以说明，集成了电子机械式制动系统的电动轮的原理与图1雷同，此处不再赘述。电动汽车的每个车轮分别采用与之相应的一个双转子电机、一个三位三通电磁阀以及一个行星齿轮减速器，以下仅以其中的一个车轮、与一个车轮对应的一个双转子电机21、以及与一个车轮对应的一个行星齿轮减速器41加以说明，电动汽车其余三个车轮、与三个车轮对应的三个双转子电机22、23、24、以及与三个车轮对应的三个行星齿轮减速器的原理相同，不再赘述。

车轮制动盘42连接车轮制动钳43，车轮制动钳43连接电子液压制动系统。车轮制动盘42与行星齿轮减速器41以及双转子电机21的转轴处以同一中心线上，车轮制动盘42与行星齿轮减速器41的输出端固联，双转子电机21的外转子与行星齿轮减速器41输入端固联，双转子电机21的内转子与内转子制动盘37固联，在内转子制动盘37上设有内转子制动钳44，内转子制动钳44连接电子液压制动系统，通过制动系统控制施加给内转子制动盘37的制动力。

电子液压制动系统包括制动踏板13，储油罐14，电动机16，液压蓄能器17，液压泵18，四个三位三通电磁阀25、26、27、28、四个增压阀29、30、31、32，四个减压阀33、34、35、36等组成（其中，三位三通电磁阀25、增压阀29和减压阀33对应于电动汽车上述的一个车轮，三位三通电磁阀26、27、28、增压阀30、31、32和减压阀34、35、36分别对应于上述的电动汽车其余三个车轮）。电子液压控制系统形成两条液压回路，即减压制动回路15和增压制动回路20，增压制动回路20由液压蓄能器17提供制动液压能，而减压制动回路15一端是储油罐14。增压阀29一端与增压制动回路20相连，减压阀33一端与减压制动回路15相连，增压阀29和减压阀33的另一端分别连接车轮制动钳43。储油罐14和液压蓄能器17分别与三位三通阀25相连接，三位三通阀25分别与两个制动回路相连，通过变化三位三通阀25的位置实现两个制动回路对内转子制动钳44的压力控制。三位三通阀25控制对内转子制动盘37制动力的施加，当三位三通阀25在如图1所示的上位时增压制动回路20向内转子制动钳44中加压使内转子制动盘37制动；当三位三通阀25在如图1所示的中位时内转子制动钳44中的压力保持不变，内转子制动盘37固定不动；当三位三通阀25在如图1所示的下位时内转子制动钳44与减压制动回路15接通，内转子制动盘37可以自由转动。当增压阀29闭合时，车轮制动钳43与增压制动回路20相连，对车轮制动盘42实施制动；当增压阀29开启时，车轮制动钳43实施保压；当减压阀33闭合时，车轮制动钳43与减压制动回路15相连，车轮制动钳43制动力变小。

 如图2所示，双转子电机21由定子7、内转子11、外转子9组成。定子7上有加三相对称电压的三相对称定子绕组6，外转子有内外侧两个绕组，其中内侧绕组3与外侧绕组5是反相序联结；内转子11是永磁式的，内转子11上有面对内侧绕组3的永磁铁4。外转子9通过轴承2支撑在内转子11上，同时外转子9与定子7之间也用轴承1相连。双转子电机的机壳固定在汽车悬架支撑臂上，这样内外转子可以独立旋转。这种双转子电机可看作内、外两个电机组成的复合电机，定子7与外转子9的外侧绕组5构成外电机，是一个异步电机；外转子9的内侧绕组3作为定子、内转子11作为励磁转子构成内电机，是一个同步电机。外转子9的输出轴与行星齿轮减速器41相连，行星齿轮减速器41将外转子9输出的转矩和转速进行减速增扭并传递给车轮，驱动车辆行驶；内转子11与内转子制动盘37固定连接，通过内转子制动钳44施加给内转子制动盘37制动力可以使内转子11停止转动并保持固定不动。

如图1和图2所示，本发明所述的电动轮可以被控制在三种模式下工作：驱动模式、再生制动模式，缓速制动模式。

驱动模式时，电子液压控制系统通过三位三通阀25控制内转子制动盘37固定不动，内转子制动盘37不施加制动力，内转子11自由转动，可以提高电动轮的驱动能力。双转子电机定子7的三相对称定子绕组6加三相对称电压，三相对称定子绕组6产生三相对称电流，外转子绕组上不通电流，从而产生定子磁场。运行时内转子11将相对于定子以                                                的转速与旋转磁场一起做同步运行；外转子9相对于定子7以的转速旋转，旋转磁场与内转子磁场共同构成同步旋转的气隙磁场，以和相差的相对速度切割外转子绕组，外转子绕组中产生感应电势、电流，从而产生电磁转矩，通过外转子9、行星齿轮减速器41驱动车轮。

再生制动模式时，电子液压控制系统通过三位三通阀25控制内转子制动盘37固定不动，内转子制动盘37不施加制动力，内转子11自由转动，增强双转子电机的制动能量回收效率。电机定子7的三相对称绕组没有施加电压，而给外转子9的绕组施加电流，车轮通过行星齿轮减速器41带动外转子9旋转，产生旋转的磁场。这样定子绕组6就在不断切割磁场，因此在定子绕组6中产生感应电流和感应电压，电机通过集电环和逆变器将回收的电能储存在蓄电池中。同样的，内转子11作为励磁转子，外转子9的内侧绕组3作为定子，永磁铁4作为励磁转子构成一个同步电机。内转子11将随着外转子9做同步旋转，同时内转子11和外转子9将产生同步旋转磁场，增加了制动能量回收的能力。

轮边缓速模式时，电子液压控制系统通过三位三通阀25向内转子制动盘37施加制动力使内转子11固定不动，不向外转子9绕组通电流，这样内转子11作为定子，而外转子9作为转子构成了永磁式缓速器。内转子11为永磁转子，其产生的磁场在内转子磁极、气隙、外转子9之间构成回路。这时在旋转的外转子绕组的内部无数个闭合导线所包围的面积内的磁通量就发生了变化，从而在外转子绕组的内部产生无数涡旋状的感应电流，内外转子就构成一个永磁缓速器，一旦涡电流产生后磁场就对带电的外转子9产生阻止其运动的阻力，使车轮减速。

电动汽车在工作时，当驾驶员踩下制动踏板13后，制动踏板模拟器收集到制动踏板力的大小、加速度以及踏板行程并传入电子控制单元（以下简称“ECU”）。ECU根据输入的制动力的信息判断是否进入紧急制动，同时根据内置在ECU的制动踏板行程——制动压力曲线，计算出驾驶员需要的制动强度的大小。若进入紧急制动，只有线控制动系统工作。若没有进入紧急制动，ECU根据计算出来的驾驶员所需的制动强度大小判断应该进入电机制动能量回收还是电磁混合制动。当电机再生制动提供的制动强度满足驾驶员需要的制动强度时，电动汽车四个车轮全部采用电机再生制动，当汽车快要减速到电机的最小工作速度时，在关闭电机再生制动的同时控制增压阀29、30、31、32和减压阀33、34、35、36的开启或关闭实现汽车的持续制动。当四个车轮电机再生制动提供的制动强度不足以满足驾驶员需要时，电动汽车进行电磁混合制动。其一、当永磁缓速制动和电机再生制动提供的制动强度满足驾驶员需要，电动汽车的后轮上的三位三通阀27和28处于上位对制动盘39和40施加制动力使双转子电机23和24的内转子减速停止，然后三位三通阀27和28处于中位使内转子保持固定不动，后轮上进行永磁缓速制动，而前轮仍然使用电机再生制动。当汽车快要减速到电机的最小工作速度时，在关闭电机再生制动的同时控制增压阀和减压阀的开启或关闭实现汽车的持续制动；当汽车快要减速到永磁缓速最小工作速度时，电动汽车的后轮上的三位三通阀27和28处于下位使内转子自由转动，控制增压阀和减压阀的开启或关闭实现汽车的持续制动。其二、当永磁缓速制动和电机再生制动提供的制动强度不能满足驾驶员需要制动时，前后轮都采用永磁缓速制动与线控制动共同工作，使两个制动系统提供的制动强度与驾驶员需要的制动强度相同，当汽车快要减速到永磁缓速最小工作速度时，电动汽车的前后轮上的三位三通阀处于下位使内转子11自由转动，控制增压阀29、30、31、32和减压阀33、34、35、36的开启与关闭实现汽车制动强度保持恒定。

Claims (1)

1.一种集成轮边缓速功能的电动轮，包括电机、线控制动系统、行星齿轮减速器，其特征是：所述电机是由定子（7）、内转子（11）、外转子（9）组成的双转子电机（21），定子（7）上有定子绕组（6），外转子有反相序联结的内、外侧绕组（3、5），内转子（11）上有面对内侧绕组（3）的永磁铁（4）；外转子（9）的输出轴通过行星齿轮减速器（41）连接车轮制动盘（42），车轮制动盘（42）通过车轮制动钳（43）连接线控制动系统；内转子（11）与内转子制动盘（37）固定连接，内转子制动盘（37）通过内转子制动钳（44）连接线控制动系统；线控制动系统控制内转子制动盘（37）固定不动不施加制动力，内转子（11）自由转动，给定子绕组（6）施加三相对称电压产生三相对称电流，外转子内、外侧绕组（3、5）不通电流，在外转子内、外侧绕组（3、5）中产生感应电势、电流，从而产生电磁转矩，通过外转子（9）、行星齿轮减速器（41）驱动车轮；线控制动系统控制内转子制动盘（37）固定不动不施加制动力，内转子（11）自由转动，定子绕组（6）不施加电压，给外转子内、外侧绕组（3、5）施加电流，车轮通过行星齿轮减速器（41）带动外转子（9）旋转产生旋转的磁场，定子绕组（6）不断切割磁场产生感应电流和感应电压，使定子绕组（6）通过集电环和逆变器将制动电能回收储存在蓄电池中；线控制动系统向内转子制动盘（37）施加制动力使内转子（11）固定，外转子内、外侧绕组（3、5）不通电流，内、外转子（11、9）构成一个永磁缓速器使车轮减速。