CN104972903B - 一种具有自动切换能力的电机驱动系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自动切换能力的电机驱动系统及其控制方法，该电机驱动系统用于电动车，该电机驱动系统包括第一电机、第二电机、分别控制第一电机与第二电机对电动车进行驱动或制动的整车控制器及对电动车供电并接收车辆制动时第一电机与第二电机释放电能的充放电系统；该第一电机和第二电机均为双输出轴结构，该第一电机的一端连接负载设备，另一端通过一离合器和传动轴连接第二电机的输入轴，该第二电机输出轴通过减速箱连接汽车的主减速器或直接和主减速器连接。本发明的电机驱动系统在车辆工作在低速时可以产生较大转矩，车辆运行在中高速时，电机驱动系统具有适当的功率。
Description
技术领域
本发明有关一种电机驱动系统及其控制方法，特别是指一种集成化的具有自动切换能力的电机驱动系统及其控制方法。
背景技术
目前，以电机为动力的电动车，包括电动车、燃料电池电动车和串联型混合动力电动车，其整车动力性必须满足一定的要求，包括爬坡能力、最高车速、加速能力等性能指标。因此，电机驱动系统必须具备与整车动力性相适应的机械特性，而且应具有较高的效率和较低的成本，此外，电机驱动系统还应具备制动能量回馈能力，车辆在处于滑行和制动时还需通过电机驱动系统回馈到车辆储能系统中。为了实现这些要求，理想的电机驱动系统应该具备如下特点：
低速时可以输出较大的转矩，满足车辆爬坡的要求；
中高速可以提供较高转速，满足车辆加速性能，并满足车辆行驶速度的要求；
在整个速度范围内，转矩具有良好的平顺性；
电机具有四象限运行的能力；
在整个运行范围内具有较高的效率；
在满足车辆要求的前提下，功率尽可能小，以提高电机驱动系统的负荷率，并降低成本，减少系统质量；
结构简单，性能稳定，可靠性高。
具有上述特点的电机驱动系统，其机械特性如图1所示。对于理想的机械特性，在低速时驱动系统具有较高的转矩，能够满足车辆爬坡的要求；在中高速时，驱动系统具有合适的转速，能够满足车辆高速行驶要求。
在图1中，与曲线a对应的具有理想特性的电机驱动系统相比较，曲线b对应的电机驱动系统在中高速时具有相同的功率，曲线c对应的电机驱动系统在低速时具有相同的最大扭矩。但是曲线b对应的电机驱动系统其最大转矩较低，使用该电机驱动系统的车辆爬坡能力无法达到要求，曲线c对应的电机驱动系统，尽管最大扭矩及中高速时的功率都可以达到要求，但该驱动系统的功率要比实际的功率需求大的多，功率储备太大，势必造成电机驱动系统成本高，负荷率低，质量大效率低等问题。
综上所述，对于由电机驱动的电动车，驱动系统核心问题是实现具有近似于上述理想机械特性的电机驱动系统。车辆工作在低速时驱动系统可以产生较大转矩，车辆运行在中高速时，电机驱动系统具有适当的功率。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种车辆工作在低速时可以产生较大转矩，车辆运行在中高速时具有适当的功率的具有自动切换能力的电机驱动系统及其控制方法。
为达到上述目的，本发明提供一种具有自动切换能力的电机驱动系统，其用于电动车，该电机驱动系统包括第一电机、第二电机、分别控制第一电机与第二电机对电动车进行驱动或制动的整车控制器及对电动车供电并接收车辆制动时第一电机与第二电机释放电能的充放电系统；该第一电机和第二电机均为双输出轴结构，该第一电机的一端连接负载设备，另一端通过一离合器和传动轴连接第二电机的输入轴，该第二电机输出轴通过减速箱连接汽车的主减速器或直接和主减速器连接。
所述负载设备包括空压机、转向助力泵与空调压缩机，所述第一电机连接所述负载设备的一侧设有第一输出轴，所述第一电机通过第一输出轴的皮带轮和一第一皮带与该转向助力泵连接，所述第一电机通过第一输出轴的皮带轮和一第二皮带与空压机连接，所述转向助力泵的皮带轮预留与该空调压缩机的皮带轮连接的槽，并通过第三皮带与该空调压缩机的皮带轮连接，该空调压缩机具有一离合器，所述整车控制器通过信号线连接该空调压缩机的离合器并控制其通断。
所述整车控制器通过信号线连接第一电机控制器与第二电机控制器，该第一电机控制器通过动力电缆连接第一电机，该第二电机控制器通过另一动力电缆连接第二电机，所述整车控制器通过一信号线连接所述离合器，所述整车控制器控制离合器的通断及第一电机与第二电机的工作状态。
所述充放电系统包括动力电池与电池管理单元，该动力电池与电池管理单元通过动力线连接，该电池管理单元另通过动力线分别连接所述第一电机控制器与第二电机控制器，该电池管理单元与整车控制器通过信号线连接。
第一电机与第二电机的工作状态为驱动车辆或发电制动车辆。
本发明还提供一种具有自动切换能力的电机驱动系统的控制方法，该方法包括：
（1）将车辆运行状态分如下的模式：普通行驶模式、车辆低速上坡模式、制动模式；
（2）该电机驱动系统通过整车CAN线将整车控制器与第一电机控制器和第二电机控制器相连，并将整车控制器与第一电机与第二电机之间的离合器相连，以便使整车控制器控制离合器的通断，适时自动切换第一电机与第二电机的工作状态；
（3）在普通行驶模式下，第二电机直接驱动车辆运行，第一电机带动助力转向油泵、空压机及空调压缩机工作；
（4）在车辆低速上坡模式下，第一电机和第二电机同时驱动车辆行驶；
（5）在车辆制动模式下，第二电机转变为发电机发电给车辆制动，第一电机带动助力转向油泵、空压机及空调压缩机工作；或第一电机和第二电机转变为发电机同时发电给车辆制动。
所述步骤（3）具体包括，当整车控制器采集到加速踏板信号后，整车控制器运算后给定第二电机目标扭矩值小于第二电机的额定扭矩时，第二电机直接驱动车辆运行，第一电机带动助力转向油泵、空压机及空调压缩机工作。
所述步骤（4）具体包括，整车控制器采集加速踏板信号后，整车控制器运算后给定的目标扭矩值大于第二电机的额定扭矩时，整车控制器给定离合器一个控制接合信号并同时给空调压缩机离合器一个控制断开信号，第一电机和第二电机同时驱动车辆行驶。
所述步骤（5）具体包括，当整车控制器采集到制动踏板信号后，整车控制器运算后给定的制动目标扭矩值小于第二电机额定扭矩值时，第二电机转变为发电机发电给车辆制动，第一电机带动助力转向油泵、空压机及空调压缩机工作；当整车控制器采集到制动踏板信号后，运算后给定的制动目标扭矩值大于第二电机额定扭矩值时，整车控制器给定离合器一个控制接合信号并同时给空调压缩机离合器一个控制断开信号，第一电机和第二电机转变为发电机同时发电给车辆制动，第一电机与第二电机产生的电量为充放电系统充电。
所述空压机为具有到压自停和到温度自停功能的空压机，所述空调压缩机为具有到压自停和到温度自停功能的空调压缩机。
本发明的电机驱动系统将车上原来转向助力泵、空压机及空调压缩机的电机都集成在一个辅助电机上，省掉了三个电机和三个变频器，结构上变的相对简单，稳定性和可靠性都大大提高，同时将传统车上一个大功率电机，简化成两个功率较小的电机，用控制电路达到自动切换，使电机始终工作在高效率区，达到节能环保的目的。
附图说明
图1为不同驱动系统的机械特性示意图；
图2为本发明具有自动切换能力的电机驱动系统的拓扑结构示意图；
图3为本发明中的第一电机驱动空调压缩机、空压机、转向助力泵的原理图；
图4为本发明具有自动切换能力的电机驱动系统的原理框图。
具体实施方式
为便于对本发明的结构及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。
如图2与图4所示，本发明具有自动切换能力的电机驱动系统用于电动车，该电机驱动系统包括第一电机1、第二电机2、与第一电机1通过动力电缆b1连接的第一电机控制器10、与第二电机2通过动力电缆b2连接的第二电机控制器20、整车控制器3及充放电系统。该整车控制器3用于分别控制第一电机1与第二电机2对电动车进行驱动或制动，该充放电系统用于对电动车供电并接收车辆制动时第一电机1与第二电机2释放的电能。
其中该第一电机1和第二电机2均为双输出轴结构，该第一电机1的两端分别设有第一输出轴与第二输出轴，其中一端的第一输出轴连接负载设备，另一端的第二输出轴通过一离合器5和传动轴6连接第二电机2的输入轴，第二电机2输出轴通过减速箱（图中未示）连接汽车的主减速器7或直接和主减速器7连接，该主减速器7连接电动车的左车轮与右车轮。
如图2至图4所示，本发明中的负载设备包括空压机40、转向助力泵41与空调压缩机42。其中第一电机1通过第一输出轴的皮带轮11和第一皮带410与转向助力泵41连接，同时第一电机1通过第一输出轴的皮带轮11和第二皮带400与空压机40连接，转向助力泵41的皮带轮411预留与空调压缩机皮带轮420连接的槽，并通过第三皮带421可与空调压缩机皮带轮420连接，空调压缩机42具有一离合器。
如图2与图4所示，整车控制器3通过信号线a1连接第一电机控制器10，同时通过信号线a2连接第二电机控制器20，整车控制器3通过信号线a3连接第一电机1与第二电机2之间的离合器5，整车控制器3通过信号线a4连接空调压缩机离合器。整车控制器3根据车辆行驶的不同工况控制第一电机1与第二电机2之间的离合器5通断，并分别通过第一电机控制器10与第二电机控制器20自动适时的切换两个电机的工作状态，使第一电机1平时作为车辆辅助电机驱动车上转向助力泵41、空压机40及空调压缩机42工作，第二电机2作为驱动电机工作；或者为满足车辆低速上坡及中高速行驶的驱动要求，使两个电机共同驱动车辆。
如图4所示，本发明的充放电系统包括动力电池80及与该动力电池80连接的电池管理单元81，该动力电池80与电池管理单元81通过动力线b3连接，该电池管理单元81与整车控制器3通过信号线a5连接，该电池管理单元81另通过动力线b4、b5分别连接第一电机控制器10与第二电机控制器20。该整车控制器3与第二电机控制器20之间另通过信号线a6连接，该整车控制器3通过信号线 a7与a8分别连接有加速踏板30与制动踏板31。
车辆在正常运行时由整车控制器3通过信号线a5控制电池管理单元81，使动力电池通过电池管理单元81及动力线b4、b5对第一电机1和第二电机2供电。
在普通行驶模式下，当整车控制器3通过信号线a7采集到加速踏板30信号后，整车控制器3通过信号线a6运算后得到给定第二电机目标扭矩值小于第二电机额定扭矩时，整车控制器3通过信号线a3给离合器5一个控制断开信号，整车控制器3通过信号线a2控制第二电机控制器20，使第二电机2直接驱动车辆运行，整车控制器3通过信号线a1控制第一电机控制器10，使第一电机1带动转向助力泵41、空压机40及空调压缩机42工作。
在车辆低速上坡模式下，整车控制器3通过信号线a7采集加速踏板30信号后，整车控制器3通过信号线a6运算后得到给定的目标扭矩值大于第二电机额定扭矩时，整车控制器3通过信号线a3给定离合器5一个控制接合信号并同时通过信号线a4给空调压缩机离合器一个控制断开信号；整车控制器3通过信号线a1及a2分别控制第一电机控制器10与第二电机控制器20，使第一电机1和第二电机2同时驱动车辆行驶，此时第一电1机仍然继续驱动空压机40与转向助力泵41。
在车辆制动模式下，整车控制器3采通过信号线a8集到制动踏板31信号后，整车控制器3通过信号线a6运算后得出给定的制动目标扭矩值小于第二电机额定扭矩值时，整车控制器3通过信号线a2控制第二电机控制器20，使第二电机2转换为发电给车辆制动，整车控制器3通过信号线a1控制第一电机控制器10，使第一电机1带动助力转向油泵41、空压机40及空调压缩机42工作。若整车控制器3采集到制动踏板31信号后，运算后给定的制动目标扭矩值大于第二电机额定扭矩值时，整车控制器3给定离合器5一个控制接合信号并同时给空调压缩机离合器一个控制断开信号；整车控制器3通过信号线a1及a2分别控制第一电机控制器10与第二电机控制器20，使第一电机1和第二电机2同时转变为发电机发电给车辆制动。第一电机1产生的电量由动力线b1、第一电机控制器10及动力线b4经由电池管理单元81与动力线b3为动力电池80充电，第二电机2产生的电量由动力线b2、第二电机控制器20及动力线b5经由电池管理单元81与动力线b3为动力电池80充电。
本发明中的空压机和空调压缩机均带有到压自停和到温度自停的功能。
本发明具有自动切换能力的电机驱动系统的控制方法，包括下列步骤：
（1）将车辆运行状态分如下的模式：普通行驶模式、车辆低速上坡模式、制动模式；
（2）该电机驱动系统通过整车CAN线将整车控制器与第一电机控制器和第二电机控制器相连，并将整车控制器与第一电机与第二电机之间的离合器相连，以便使整车控制器控制离合器的通断，适时自动切换第一电机与第二电机的工作状态；
（3）在普通行驶模式下，当整车控制器采集到加速踏板信号后，整车控制器运算后给定第二电机目标扭矩值小于第二电机额定扭矩时，第二电机直接驱动车辆运行，第一电机带动助力转向油泵、空压机及空调压缩机工作；
（4）在车辆低速上坡模式下，整车控制器采集加速踏板信号后，整车控制器运算后给定的目标扭矩值大于第二电机额定扭矩时，整车控制器给定离合器一个控制接合信号并同时给空调压缩机离合器一个控制断开信号，第一电机和第二电机同时驱动车辆行驶；
（5）在车辆制动模式下，整车控制器采集到制动踏板信号后，整车控制器运算后给定的制动目标扭矩值小于第二电机额定扭矩值时，第二电机转变为发电机发电给车辆制动，第一电机带动助力转向油泵、空压机及空调压缩机工作；当整车控制器采集到制动踏板信号后，运算后给定的制动目标扭矩值大于第二电机额定扭矩值时，整车控制器给定离合器一个控制接合信号并同时给空调压缩机离合器一个控制断开信号，第一电机和第二电机转变为发电机同时发电给车辆制动，第一电机与第二电机产生的电量为充放电系统充电。
本发明的具有自动切换能力的电机驱动系统所应用的电动车包括纯电动车、混合动力电动车、特种电动车辆及其它各种用电机驱动的车辆。特种电动车辆比如矿用电动轮型载重汽车、带有电机驱动系统的装甲车以及带有电机驱动的坦克车等。
本发明的电机驱动系统具有与图1中理想特性曲线a接近的转矩转速特性，而且将车上原来转向助力泵、空压机及空调压缩机的电机都集成在一个辅助电机上，省掉了三个电机和三个变频器，结构上变的相对简单，稳定性和可靠性都大大提高，同时将传统车上一个大功率电机，简化成两个功率较小的电机，用控制电路达到自动切换，使电机始终工作在高效率区，达到节能环保的目的。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种具有自动切换能力的电机驱动系统的控制方法，其特征在于，电动车的电机驱动系统包括第一电机、第二电机、分别控制第一电机与第二电机对电动车进行驱动或制动的整车控制器及对电动车供电并接收车辆制动时第一电机与第二电机释放电能的充放电系统；该第一电机和第二电机均为双输出轴结构，该第一电机的一端连接负载设备，另一端通过一离合器和传动轴连接第二电机的输入轴，该第二电机输出轴通过减速箱连接汽车的主减速器或直接和主减速器连接，所述方法包括：
步骤（1）将车辆运行状态分如下的模式：普通行驶模式、车辆低速上坡模式、制动模式；
步骤（2）该电机驱动系统通过整车CAN线将整车控制器与第一电机控制器和第二电机控制器相连，并将整车控制器与第一电机与第二电机之间的离合器相连，以便使整车控制器控制离合器的通断，适时自动切换第一电机与第二电机的工作状态；
步骤（3）在普通行驶模式下，第二电机直接驱动车辆运行，第一电机带动助力转向油泵、空压机及空调压缩机工作；
步骤（4）在车辆低速上坡模式下，第一电机和第二电机同时驱动车辆行驶；
步骤（5）在车辆制动模式下，第二电机转变为发电机发电给车辆制动，第一电机带动助力转向油泵、空压机及空调压缩机工作；或第一电机和第二电机转变为发电机同时发电给车辆制动。
2.如权利要求1所述的具有自动切换能力的电机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述步骤（3）具体包括，当整车控制器采集到加速踏板信号后，整车控制器运算后给定第二电机目标扭矩值小于第二电机额定扭矩时，第二电机直接驱动车辆运行，第一电机带动助力转向油泵、空压机及空调压缩机工作。
3.如权利要求1所述的具有自动切换能力的电机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述步骤（4）具体包括，整车控制器采集加速踏板信号后，整车控制器运算后给定的目标扭矩值大于第二电机额定扭矩时，整车控制器给定离合器一个控制接合信号并同时给空调压缩机离合器一个控制断开信号，第一电机和第二电机同时驱动车辆行驶。
4.如权利要求1所述的具有自动切换能力的电机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述步骤（5）具体包括，当整车控制器采集到制动踏板信号后，整车控制器运算后给定的制动目标扭矩值小于第二电机额定扭矩值时，第二电机转变为发电机发电给车辆制动，第一电机带动助力转向油泵、空压机及空调压缩机工作；当整车控制器采集到制动踏板信号后，运算后给定的制动目标扭矩值大于第二电机额定扭矩值时，整车控制器给定离合器一个控制接合信号并同时给空调压缩机离合器一个控制断开信号；第一电机和第二电机转变为发电机同时发电给车辆制动，第一电机与第二电机产生的电量为充放电系统充电。
5.如权利要求1所述的具有自动切换能力的电机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述空压机为具有到压自停和到温度自停功能的空压机，所述空调压缩机为具有到压自停和到温度自停功能的空调压缩机。
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