CN104205615B - 道路车辆用电力驱动轴装置 - Google Patents

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Abstract

一种道路车辆用电力驱动轴装置，包括电力驱动马达(1)，允许由驱动马达驱动的驱动轮具有不同速度的差分机构(3，4)，以及用于对两个驱动轮之间的驱动扭矩分配进行控制的扭矩矢量系统(2，6，7)。扭矩矢量系统的扭矩矢量马达(2)为非永磁马达。

Description

道路车辆用电力驱动轴装置
技术领域
本发明涉及一种道路车辆用电力驱动轴装置，包括电力驱动马达，允许由驱动马达驱动的驱动轮具有不同速度的差分机构，以及用于对两个驱动轮之间的驱动扭矩分配进行控制的扭矩矢量系统，该扭矩矢量系统包括扭矩矢量马达。
背景技术
当前的趋势是开发混合动力汽车，在混合动力汽车中，通常前轴由内燃发动机驱动，后轴由电动马达驱动。可以通过一个轴，或者两个轴的组合来实现驱动。电动马达由车里的电池供电，可以通过内燃发动机等对电池进行充电。
上面所定义的电力驱动轴的扭矩矢量系统在很多方面必须满足严格的要求，最重要的是安全，因为它可以为汽车的驱动轮提供额外的驱动扭矩。任何故障都可能导致灾难性的后果。
因此，一个重要的要求就是，扭矩矢量系统从来不会提供比所要求的扭矩更高的扭矩。
由于不同原因，现今在电力驱动轴装置中普遍使用永磁同步马达(PMSM)来作为扭矩矢量马达。为了从PMSM马达获得正确的扭矩输出，必须知道马达中的转子的位置。由于该位置的确定是非常重要的，自然通过提供双份位置确定方法(解析器，触点，线缆，电子器件)来引入冗余，这使得系统更加昂贵，并更难以装进空间极度稀缺的装置中。
PMSM马达的另一个缺点是其在短路情况下提供扭矩，短路情况通常被定义为-举例来说-当失去解析器信号时应该恢复至的最安全情况。
因此，由包括PMSM马达和解析器的扭矩矢量系统所提供的系统解决方案即使在系统中出现单个故障后也可能引起危险的驱动情况。
发明内容
根据本发明，更好的解决方案是使用非永磁马达作为扭矩矢量马达。
特别适合使用磁阻马达，例如开关磁阻马达(SRM)，因为这种马达原则上在接收到缺陷转子位置信号时只提供比所要求的扭矩低的扭矩。在一个或多个相导体出现故障，电子控制器件完全失效，或出现短路的情况下，SRM马达将不会提供任何扭矩，这对安全很有利。
另一个具有类似优势的磁阻马达是同步磁阻马达(SyRM)。
此外，可以使用感应马达，例如鼠笼式感应马达(SCIM)或绕线式转子感应马达(WRIM)。
优选地，马达中的转子的位置由一定算法基于对提供给马达的电流的测量来估算。该估算值可以实时与旋转位置传感器，例如解析器测量的值进行比较。当这两个值之间的差异巨大时，系统能够被停用。因此实现了冗余。
根据本发明，可以获得更多的安全：通过测量提供给马达的驱动电子器件的DC电流，可以很容易地测量出源自马达的最大扭矩。即，在向SRM马达提供给定的DC电流时，它不能提供比所要求的扭矩更多的扭矩。
附图说明
下面将参考附图对本发明进行更详细的描述，该单个附图是示例性驱动轴装置的截面，体现了本发明的构思。
具体实施方式
本发明涉及一种道路车辆用电力驱动轴装置。这种驱动轴装置通常可以用作混合动力汽车的后轴，混合动力汽车的前轴可以由内燃发动机驱动。
所示的驱动轴装置仅被认为是一个能够实现本发明的环境的例子。本领域技术人员对本类型的驱动轴装置具有一定了解，因此，对驱动轴装置的描述比较简要。如需更详尽的描述，可以参考WO2010/101506。
电力驱动轴装置具有电力驱动马达1以及电力扭矩矢量马达2，如图所示，后者可以与驱动马达同轴。汽车的两个半轴连接在装置的两侧，电力驱动轴装置安装在汽车的两个半轴中。在电力驱动马达1的轴5的两端上设置有行星齿轮3和4，它们形成驱动轴装置的差分机构，由此轮子能够以不同速度旋转。轴5连接至行星齿轮3和4的太阳轮，行星齿轮3和4的行星架连接至汽车的半轴。
扭矩矢量马达2的功能是为两个半轴提供扭矩差，由此驱动汽车的驱动轮。当汽车以驱动轮同速旋转的形式直线行驶时，扭矩矢量马达2静止。当汽车通过摩擦不均匀的表面时，可以使用扭矩矢量马达2来提高驱动轮的牵引力。激活扭矩矢量马达2会增加一个半轴的扭矩，并降低另一个半轴的扭矩。
扭矩矢量马达2通过减速齿轮6而直接连接至图中右侧的行星齿轮4的外环，通过平衡轴7而直接连接至图中左侧的行星齿轮3的外环，因此它的扭矩传递给相反方向的行星齿轮外环。
扭矩矢量马达2，减速齿轮6以及平衡轴7被包括在装置的扭矩矢量系统中。
所描述环境中的扭矩矢量系统的最重要的一个方面是安全。一个特别重要的要求是，扭矩矢量马达及其相应系统不能提供比其控制系统和条件所要求的扭矩更高的额外扭矩。这对系统的设计和冗余提出了较高要求，可能产生高成本。
最先进的技术是在电力扭矩矢量系统中使用永磁同步马达(PMSM)作为扭矩源。控制PMSM的关键因素是要确切地知道转子的位置，以能够在正确的相位位置提供足够的电流，由此从马达获得正确的扭矩。在高速时，PMSM马达需要电流以提供零扭矩。通常使用解析器等来确定转子的位置。
在扭矩矢量系统中，错误的位置信号会直接导致扭矩矢量马达提供比所要求的扭矩更高的扭矩，这很难检测到，因为电流的量级是相同的。
该问题的自然解决方案是通过提供双份位置判定来引入冗余。但是，这会使成本极大地增加，因为需要复制整个信号链(解析器，触点，线缆，用于读取和处理信号的电子器件)。大量的额外部件也占据空间，在相关环境中，空间是非常稀缺的。
举例来说，如果解析器信号由于某些原因消失了，通常认为最安全的情况是恢复为主动短路。但是，使用PMSM的另一个安全问题是其在短路时还提供扭矩。
此外，扭矩矢量应用对电动马达提出了要求：其应该能够以非常高的速度比运行。这可以定义为电动马达的基本速度和机械最大速度之间的比值。该比值在这里最佳为1:20，这会使永磁马达产生问题，当最大比值为1:5时，不会在最大速度时产生麻烦的高电压，并且不会以积极削弱有源磁场为代价产生危险的高电压。因此，基本速度要比应用自身所需的速度增加3到4倍，导致电动马达中的电流也要相应增加。结果导致复杂度和成本增加。
总之，具有传统PMSM马达和解析器的扭矩矢量系统所提供的解决方案在即使出现单个故障的情况下也可能使汽车处于危险境地。
通过在所述环境中使用非永磁马达作为扭矩矢量马达，可以减少在很大程度上依赖于转子位置信号的问题。特别适合使用“开关磁阻”式马达，因为它们在接收到缺陷位置信号时只能提供比所要求的扭矩低的扭矩。在一个或多个相导体出现故障，电子控制器件完全失效，或出现短路的情况下，SRM马达将不会提供任何扭矩，从安全方面来说这非常理想。
提供给作为扭矩矢量马达的非永磁马达作的电流的变化指示其转子的位置。为了进一步提高系统的安全，可以对这些电流进行测量，由此，可以通过被称作“无传感器”算法的手段来估算转子的位置。该估算值接下来可以实时与旋转位置传感器，例如解析器测量的测量值进行比较。如果这两个值之间的差异大于某个极限，系统能够被停用。由此，通过用软件算法对解析器等进行补充，可以获得冗余。
通过使用非永磁马达可以实现的另一个措施是测量提供给驱动电子器件的DC电流，以提高安全。由于在向非永磁马达提供一定DC电流时其无法提供比所要求的扭矩更多的扭矩，该测量信号能够被用于测量来自扭矩矢量马达的扭矩。
相反，来自PMSM的扭矩还取决于相位位置，因此DC电流和马达扭矩之间没有直接关系。
最后，非永磁马达，特别是SRM解决了高速度比问题。由于该马达没有任何磁场需要随着基本速度而积极削弱的磁铁，马达能够以大约1:20的速度比来使用，由此可以为应用而优化。结果实现了更紧凑，成本更低，更安全的应用，因为系统不会产生任何危险的电压。
在目前的发展阶段，就对本应用很重要的成本，扭矩密度，逆变器复杂度，可控性，速度范围，能量密度和其它方面而言，SRM似乎是最有优势的。但是，也可以使用其它非永磁马达。

Claims (10)

1.一种道路车辆用电力驱动轴装置，包括电力驱动马达(1)，用于允许由所述驱动马达驱动的驱动轮具有不同速度的差分机构(3，4)，以及用于对两个驱动轮之间的驱动扭矩的分配进行控制的扭矩矢量系统(2，6，7)，该扭矩矢量系统包括扭矩矢量马达(2)，其特征在于，所述扭矩矢量马达(2)为非永磁马达，所述非永磁马达构造和布置为在相导体出现故障、电子控制器件失效、或出现短路中的至少一种情况下，所述非永磁马达将停止提供扭矩。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述扭矩矢量马达为磁阻马达。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述扭矩矢量马达(2)为开关磁阻马达。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述扭矩矢量马达为同步磁阻马达。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述扭矩矢量马达为感应马达。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述感应马达为鼠笼式感应马达或绕线式转子感应马达。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述扭矩矢量马达(2)的转子的位置通过基于对提供给所述扭矩矢量马达的电流的测量的算法来估算。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述估算的值与旋转位置传感器测量的值进行比较。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述旋转位置传感器为解析器。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，通过测量提供给所述扭矩矢量马达的驱动电子器件的DC电流来测量源自所述扭矩矢量马达(2)的最大扭矩。
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