CN104276033A - 一种电动汽车变速器及变速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车变速器及其变速方法，包括带锁止功能的液力变矩器、行星齿轮机构、油泵、油泵电机、控制器、减速机构、差速器。所述带锁止功能的液力变矩器包括泵轮、涡轮、输入轴、输出轴等部分，驱动电机通过输入轴与泵轮连接、涡轮与输出轴连接。输出轴上的转矩经过传递至行星齿轮机构。所述行星齿轮机构包括太阳轮、行星架、大齿圈、离合器、制动器等部分。转矩经过行星齿轮机构从行星架输出，经减速机构和差速器后驱动车辆行驶。该变速器可实现两个机械传动档和一个液力变矩档。所述油泵用于给变速器液压系统提供压力。本发明电动汽车变速器可以提高电动汽车的爬坡性能和加速性能，同时增强汽车可靠性。

Description

一种电动汽车变速器及变速方法

技术领域

本发明涉及一种汽车变速器及变速方法，特别是涉及一种适合纯电动汽车使用的变速器及变速方法。

背景技术

发展节能和新能源汽车已经成为我国能源战略的必然选择，当前重点是推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平。

目前电动汽车的变速主要有以下几种方案。方案一是采用固定减速比；方案二是采用一个两档变速器；方案三是采用传统燃油车的变速器进行变速。由于电机本身具有高效率区间较广的特点，传统燃油车的变速器一般有四至七个档位，将其用于纯电动汽车的变速显得大材小用。如果采用固定减速比，传动系统结构是简单了，但是会产生加速性能和爬坡性能较差的缺陷。因此有人提出了两档变速器的方案，低速行驶时用大减速比，实现较好的起步性能，高速行驶时用小减速比，满足最大车速的要求。

例如，专利文献CN101780768A公开了一种用于电动车辆的二速自动变速器。

该电动汽车变速器包括输入轴、中间轴、输出轴、离合器、制动器、行星齿轮机构和差速器。该变速器行星齿轮机构的太阳轮与行星架分别连接输入轴与中间轴，离合器和制动器均与行星齿轮机构的内齿圈可拆卸连接，中间轴与输出轴连接，输出轴与差速器连接，动力通过差速器传递到车轮，驱动车辆行驶。该变速器通过一个行星齿轮机构变换档位，设计巧妙，结构简洁。该变速器在一定程度上降低了电动车辆对电机的要求，增加了驱动电机在高效率区间运行的时间，提高了续驶里程。

该电动汽车变速器的不足主要有以下两点：第一、换挡时电机转子转速变化大，转子的转动惯量变化也较大，导致制动器与离合器的摩擦片的磨损也较大；第二、起步时电机工作在堵转状态，容易引起电机被烧坏。

市场急需一种结构简单，能够解决上述不足的电动汽车专用变速器。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有技术的不足，提供高性能、可靠性强的电动汽车变速器及其变速方法。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电动汽车变速器，包括减速机构、差速器、输出驱动半桥，还包括一具有锁止功能的液力变矩器，所述液力变矩器一端与电动汽车的驱动电机相连，另一端与行星齿轮机构连接，所述行星齿轮机构包括太阳轮、大齿圈、行星架、一档制动器和二档离合器，所述太阳轮与液力变矩器连接，通过分别锁定或解锁一档制动器、二档离合器来切换档位，可以实现两档传动，所述行星架与减速机构连接，经差速器及输出驱动半桥输出动力到车轮。

进一步的，所述液力变矩器包括液力变矩器输入轴，液力变矩器输出轴，液力变矩器涡轮以及液力变矩器泵轮；其中，所述液力变矩器输入轴一端与驱动电机相连接，另一端与所述液力变矩器泵轮相连接；所述液力变矩器输出轴一端与所述液力变矩器涡轮相连接，另一端与行星齿轮机构的太阳轮相连接。

进一步的，所述液力变矩器和行星齿轮机构采用油泵提供解锁和锁止压力，所述油泵由油泵电机驱动，通过一控制器控制油泵电机可以实现对液力变矩器和行星齿轮机构的解锁和锁止控制。

一种利用上述电动汽车变速器实现电动汽车变速的方法，包括以下步骤：

①驱动电机的输出转矩从所述液力变矩器输入轴传递到所述液力变矩器泵轮；

②所述控制器根据采集到的信号数据判断是否控制解锁或锁止所述液力变矩器以及行星齿轮机构中的一档制动器和二档离合器；

③当车辆处于低速爬坡或急加速起步等需要大驱动转矩时，通过控制器控制所述油泵电机驱动油泵给液力变矩器提供解锁压力，使液力变矩器工作在解锁状态的变矩档，作用在液力变矩器泵轮上的转矩经过液力变矩后传递到液力变矩器涡轮，然后从液力变矩器输出轴传递到行星齿轮机构的太阳轮，此时控制器控制一档制动器锁止，使得经过液力变矩的转矩从太阳轮输入，从行星架输出，实现减速升扭传动，电机转矩得以提高，更适应爬坡的需要；

④当车辆处于中低速不需要大驱动转矩时，所述控制器控制所述油泵电机驱动油泵提供液压系统工作压力，并且锁止一档制动器，同时使液力变矩器工作在锁止状态，作用在液力变矩器泵轮上的电机转矩直接传递到液力变矩器涡轮，然后从液力变矩器输出轴传递到行星齿轮机构的太阳轮，并从行星架输出，实现机械传动为一档的减速传动；

⑤当步骤④中电机转速随着车速逐渐升高到接近最大值时，所述控制器控制所述油泵电机驱动油泵先解除一档制动器的锁止状态，然后将二档离合器锁止，行星架、大齿圈及太阳轮同步转动，实现二档传动。

进一步的，所述步骤⑤中解除一档制动器的锁止状态前先解锁液力变矩器，完成换挡后再锁止液力变矩器。

以下对本发明所采用的技术方案做进一步叙述：一种可实现液力传动和两档齿轮传动的多档位、多传动模式的电动汽车变速器，包括具有锁止功能的液力变矩器、油泵、油泵电机、控制器、行星齿轮机构、减速机构、差速器、输出驱动半桥，所述电动汽车变速器可以实现液力传动和机械传动两种传动模式，其中机械传动模式具有两个档位，所述液力变矩器是带有锁止功能的液力变矩器，液力变矩器锁止时，泵轮与涡轮连接在一起实现直接传动，驱动电机转矩经过液力变矩器时无损失，直接传递至减速机构，传动效率高，在缓加速的过程中和大部分行驶的时候控制液力变矩器锁止，以实现高效率的纯电动行驶。

所述液力变矩器根据行驶过程中的需要进行解锁控制,所述液力变矩器解锁后，对输入的电机驱动转矩有升扭功能，提高了转矩，可提升爬坡能力和改善起步性能,同时可避免电机工作在堵转状态，减少了电机的发热，避免了电机被损坏，提高了电动汽车动力与传动系统的可靠性。

所述行星齿轮机构用于实现两档机械传动，当一档制动器锁止时，行星齿轮机构大齿圈固定不动，电机转矩从太阳轮输入，从行星架输出，实现减速传动，用于电动车的一档，主要用于起步和中、低速行驶；当二档离合器锁止时，行星齿轮机构太阳轮与行星架锁在一起，实现直接传动，用于电动车的二档，主要用于高速行驶。

在换档时先解锁液力变矩器，然后换档，利用液力变矩传动过程使电机转速与车速在新档位上实现基本同步，再锁止液力变矩器；换档过程冲击小，离合器摩擦片损耗小，有利于延长变速器的使用寿命。

一般的带锁止功能的液力变矩器在起步时是解锁的，车速上升到一定后进行相应的控制才锁止液力变矩器。本发明中使用的液力变矩器的控制与此不同，在经常状态下时液力变矩器即可以锁止，根据行驶过程中的需要，例如在爬坡时，进行控制后才解锁。

相对于无变速机构的电动汽车，采用本方案变速器可以很好地增强爬坡性能、提高最大车速。相对于其它现有的两档式变速器，其液力变矩模式的运用既可以避免电机因堵转而过热、也可以减少换档时离合器摩擦片上的滑摩功；因此本发明的变速器对提高电机的使用寿命和离合器片的使用寿命具有明显的效果，整车运行可靠性更高。

本发明较好地利用了液力变矩器的变矩功能，在爬坡时解除锁止状态后，通过液力变矩器将转矩提升，既提高了电动车的爬坡性能，同时又避免了电机因工作在堵转状态发热严重而损坏，提高了整车可靠性。在起步急加速过程中，根据整车行驶功率的需求，适时解锁液力变矩器，利用液力变矩性能，增加驱动转矩，可以使汽车获得更好的起步性能。在坡道行驶时，若前车停止，此时解锁液力变矩器，电机持续工作在驱动状态，通过液力变矩后的驱动转矩与坡道阻力平衡时，即可实现坡道辅助功能。在一般行驶状态下，液力变矩器处于锁止状态，提高整个传动系统效率。总之，本发明的电动汽车变速器对提高电动汽车爬坡性能，加速性能，驾驶舒适性，使用寿命等指标均有显著的作用。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构示意图；

图2为本发明变速器的工作流程示意图。

在附图中：

1-液力变矩器输入轴；2-液力变矩器输出轴；3-液力变矩器涡轮；4-液力变矩器泵轮；5-太阳轮；6-大齿圈；7-差速器；8-输出驱动半桥；9-减速机构；10-控制器；11-油泵电机；12-油泵；13-二档离合器；14-一档制动器；15-行星架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

参照附图1所示， 所述液力变矩器输入轴1一端与驱动电机相连接，另一端与液力变矩器泵轮4相连接；所述液力变矩器输出轴2一端与液力变矩器涡轮3相连接，另一端与行星齿轮机构太阳轮5相连接；动力从行星齿轮机构的行星齿轮及行星架15输出至减速机构9；减速机构9输出轴与差速器7连接，差速器7通过输出驱动半桥8给车辆提供驱动力。

电机的输出转矩从液力变矩器输入轴1传递到泵轮4。当液力变矩器锁止时，作用在泵轮4上的转矩直接传递到涡轮3，然后从输出轴2传递到行星齿轮机构太阳轮5，再传递到减速机构9，实现直接机械传动；当液力变矩器解锁时，作用在泵轮4上的转矩经过液力变矩传递后到涡轮3，然后从输出轴2传递到行星齿轮机构太阳轮5，再传递到减速机构9，实现直接液力变矩传动。传递到减速机构的转矩通过齿轮传动传递到差速器7，经过差速器7后输出到输出驱动半桥8以驱动车辆行驶。

所述油泵电机11驱动油泵12给液压系统提供压力，包括给液力变矩器解锁/锁止控制动作的执行提供油压；给一档制动器14和二档离合器13控制动作的执行提供油压。

本发明变速器共有三种传动工作模式：一档液力变矩传动、一档机械传动、二档机械传动。

一档液力变矩传动用于车辆处于低速爬坡或急加速起步等需要大驱动转矩时。通过控制器10控制油泵电机11转动，带动油泵12工作，给液力变矩器提供解锁压力，使液力变矩器解锁后工作在变矩状态，提升了驱动转矩；同时一档制动器14锁止，行星齿轮机构大齿圈6固定不动，电机转矩从太阳轮5输入，从行星架15输出，实现减速传动，进一步提升转矩，改善整车爬坡性能和加速性能。当车辆行驶不需要大驱动转矩时，使液力变矩器工作在锁止状态，传动系工作在机械传动模式，通过直接机械传动，提高传动效率。

一档机械传动用于车辆平稳起步和中、低速行驶。此时液力变矩器锁止，一档制动器14锁止，行星齿轮机构大齿圈6固定不动，电机转矩从太阳轮5输入，从行星架15输出，实现减速传动。

二档机械传动用于车辆行驶速度较高的情况。此时液力变矩器锁止，二档离合器13锁止，行星齿轮机构太阳轮5与行星架15锁在一起，实现直接传动。

变速器控制工作流程如图2所示。程序开始后，采集加速踏板信号、车速、电机转速、电机温度等参数，然后判断是否处于急加速起步或低速爬坡工况，若是则控制液力变矩器解锁，将一档制动器14锁止，二档离合器分离，变速器工作在液力变矩传动状态；若不是急加速起步或低速爬坡工况，则控制液力变矩器锁止，变速器工作在机械传动状态；然后判断是否处于中低速行驶工况，若是则控制液力变矩器锁止，一档制动器14锁止，二档离合器分离，变速器工作在一档传动状态；然后判断是否处于较高车速行驶工况，若是则控制液力变矩器锁止，一档制动器14解锁，二档离合器锁止，变速器工作在二档传动状态。

本发明升档控制过程如下：当车辆平稳起步后用一档行驶，此时一档制动器14锁止，二档离合器13分离，液力变矩器锁止；当车辆加速至车速较高需要换用二档时，首先液力变矩器解锁，然后一档制动器14解锁，接着二档离合器13锁止，车辆处于液力变矩传动模式，通过液力传动模式可保证动力不会中断，同时电机转子的动能也可被液力变矩器的液压系统吸收；当电机转子转速与二档车速接近匹配时，锁止液力变矩器。

本发明降档控制过程如下：当车辆较高车速时用二档行驶，此时二档离合器13锁止，一档制动器14分离，液力变矩器锁止；当车辆减速至车速较低需要换用一档时，首先二档离合器13解锁，然后液力变矩器解锁，然后一档制动器14锁止，车辆处于液力变矩传动模式，在液力传动模式的过程中，液力变矩器涡轮转速高于泵轮转速，有利于使电机转子的转速迅速上升；当电机转子转速与一档车速接近匹配时，锁止液力变矩器。

本发明变速器使用变矩档时，既可以实现提升转矩的功能，同时又可以避免电机被堵转而导致损坏。在改善爬坡性能和加速性能的同时，提高了电动汽车的可靠性，延长了使用寿命。

总的来说，本发明电动汽车变速器能够实现液力变矩传动和机械传动两种传动模式，而且机械传动有两个档位。结构简单，控制方便，功能完备，能够较好地满足电动汽车对加速性能、爬坡性能、续驶里程等指标的要求。

Claims (5)

1.一种电动汽车变速器，包括减速机构（9）、差速器（7）、输出驱动半桥（8），其特征在于，还包括一具有锁止功能的液力变矩器，所述液力变矩器一端与电动汽车的驱动电机相连，另一端与行星齿轮机构连接，所述行星齿轮机构包括太阳轮（5）、大齿圈（6）、行星架（15）、一档制动器（14）和二档离合器（13），所述太阳轮（5）与液力变矩器连接，通过分别锁定或解锁一档制动器（14）、二档离合器（13）来切换档位，可以实现两档传动，所述行星架（15）与减速机构（9）连接，经差速器（7）及输出驱动半桥（8）输出动力到车轮。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车变速器，其特征在于，所述液力变矩器包括液力变矩器输入轴（1），液力变矩器输出轴（2），液力变矩器涡轮（3）以及液力变矩器泵轮（4）；其中，所述液力变矩器输入轴（1）一端与驱动电机相连接，另一端与所述液力变矩器泵轮（4）相连接；所述液力变矩器输出轴（2）一端与所述液力变矩器涡轮（3）相连接，另一端与行星齿轮机构的太阳轮（5）相连接。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车变速器，其特征在于，所述液力变矩器和行星齿轮机构采用油泵（12）提供解锁和锁止压力，所述油泵（12）由油泵电机（11）驱动，通过一控制器（10）控制油泵电机（11）可以实现对液压系统提供工作压力，并最终实现对液力变矩器和行星齿轮机构的解锁和锁止控制。

4.一种利用权利要求1～3中任意一项所述的电动汽车变速器实现电动汽车变速的方法，其特征在于，包括以下步骤：

①驱动电机的输出转矩从所述液力变矩器输入轴（1）传递到所述液力变矩器泵轮（4）；

②所述控制器（10）根据采集到的信号数据判断是否控制解锁或锁止所述液力变矩器以及行星齿轮机构中的一档制动器（14）和二档离合器（13）；

③当车辆处于低速爬坡或急加速起步等需要大驱动转矩时，通过控制器（10）控制所述油泵电机（11）驱动油泵（12）给液力变矩器提供解锁压力，使液力变矩器工作在解锁状态的变矩档，作用在液力变矩器泵轮（4）上的转矩经过液力变矩后传递到液力变矩器涡轮（3），然后从液力变矩器输出轴（2）传递到行星齿轮机构的太阳轮（5），此时控制器（10）控制一档制动器（14）锁止，使得经过液力变矩的转矩从太阳轮（5）输入，从行星架（15）输出，实现减速升扭传动，电机转矩得以提高，更适应爬坡的需要；

④当车辆处于中低速不需要大驱动转矩时，所述控制器（10）控制所述油泵电机（11）驱动油泵（12）提供液压系统工作压力，并且锁止一档制动器（14），同时使液力变矩器工作在锁止状态，作用在液力变矩器泵轮（4）上的电机转矩直接传递到液力变矩器涡轮（3），然后从液力变矩器输出轴（2）传递到行星齿轮机构的太阳轮（5），并从行星架（15）输出，实现机械传动为一档的减速传动；

⑤当步骤④中电机转速随着车速逐渐升高到接近最大值时，所述控制器（10）控制所述油泵电机（11）驱动油泵（12）先解除一档制动器（14）的锁止状态，然后将二档离合器（13）锁止，行星架（15）、大齿圈（5）及太阳轮（6）同步转动，实现二档传动。

5.根据权利要求4所述的变速方法，其特征在于，所述步骤⑤中解除一档制动器（14）的锁止状态前先解锁液力变矩器，完成换挡后再锁止液力变矩器。