CN105216653A - 一种可调速的双电机多模式动力系统及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调速的双电机多模式动力系统，包括：主驱电机、辅助电机、第一离合器、第二离合器和单排行星轮系；所述单排行星轮系包括太阳轮、行星轮、行星架、齿圈和齿圈制动器，所述行星轮设置于行星架上，所述太阳轮与行星轮啮合，行星轮与齿圈啮合；所述主驱电机通过传动轴连接于所述太阳轮，所述辅助电机通过所述第一离合器耦接于所述齿圈，并且所述辅助电机通过所述第二离合器耦接于所述太阳轮，所述行星架为双电机多模式动力系统的动力输出端。本发明大大提高了双电机的工作效率，使其性能被充分利用，本发明还公开了可调速的双电机多模式驱动方法。

Description

一种可调速的双电机多模式动力系统及驱动方法

技术领域

本发明涉及电机驱动领域，特别是涉及一种可调速的双电机多模式动力系统及驱动方法。

背景技术

目前，市面上的纯电动车辆的驱动系统结构型式主要有集中式单电机驱动系统和分立式多电机驱动系统(轮毂电机或轮边电机结构)2种。集中式单电机系统存在车辆所有车速工况下电机无法高效率运转导致总体效率偏低和电机性能要求高等技术问题；而分立式多电机驱动系统存在集成制造难度大、多电机协调控制难度高和电机振动疲劳寿命短等主要技术问题。为此，基于双电机的新型集中式动力系统设计成为另一种解决方案。

在已有技术中，专利CN101633305公开了一种双电机串联结构式的动力总成系统，利用1台低速电机和1台高速电机在不同车速工况下运转，达到2台电机尽量处于高效率区运转的目的；专利CN203739605U、CN102490599、CN201110257806和ACN104015600均采用并联方式，利用双电机的转矩耦合或者转速耦合优化双电机的工作区间，达到节能目的。现有的电机驱动技术存在以下问题：

缺点1：

专利CN101633305实现高速电机和低速电机在不同车速下切换运转，从而提高动力系统效率。在车辆运行时只有1台电机参与工作，这就要求2台电机均具备较大功率以满足车辆在不同车速下均有良好的加速性能。

缺点2：

专利CN203739605U、CN102490599、CN201110257806和ACN104015600均采用并联方式，其结构上只能实现2台电机的转矩耦合或者转速耦合行驶模式，但没有办法同时集成转矩耦合和转速耦合2种耦合模式，无法把2台电机的性能集成优势发挥到最大，从而降低了双电机动力系统的整体效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种可调速的双电机多模式动力系统，用于实现双电机转矩耦合和转速耦合驱动模式，以及提高双电机系统在不同车速工况下的工作效率。

本发明是这样实现的：

一种可调速的双电机多模式动力系统，包括：主驱电机、辅助电机、第一离合器、第二离合器和单排行星轮系；

所述单排行星轮系包括太阳轮、行星轮、行星架、齿圈和齿圈制动器，所述行星轮设置于行星架上，所述太阳轮与行星轮啮合，行星轮与齿圈啮合；

所述主驱电机通过传动轴连接于所述太阳轮，所述辅助电机通过所述第一离合器耦接于所述齿圈，并且所述辅助电机通过所述第二离合器耦接于所述太阳轮，所述行星架为双电机多模式动力系统的动力输出端。

进一步的，所述可调速的双电机多模式动力系统还包括动力输出轴、主减速器和差速器总成；

所述动力输出轴连接于所述行星架，动力输出轴的中段设置有万向节，主减速器和差速器总成的输出端连接于所述动力输出轴。

进一步的，所述第一离合器和第二离合器为电磁离合器或湿式多片离合器。

为解决上述技术问题，本发明提供的另一技术方案为：

一种可调速的双电机多模式驱动方法，所述双电机包括双电机低速转矩耦合、双电机中速转矩耦合和双电机高速转速耦合工作模式；

所述双电机低速转矩耦合工作模式为：

主驱电机和辅助电机均上电工作，主驱电机动力连接于单排行星轮系的太阳轮，辅助电机通过离合器动力连接于所述太阳轮，通过齿圈制动器锁止单排行星轮系的齿圈，行星齿轮系的行星架为双电机的动力输出端；

所述双电机中速转矩耦合工作模式为：

主驱电机和辅助电机均上电工作，主驱电机动力连接于单排行星轮系的太阳轮，辅助电机通过离合器同时动力连接于所述太阳轮和行星轮系的齿圈，释放制动器使所述齿圈处于自由旋转状态，行星齿轮系的行星架为双电机的动力输出端；

所述双电机高速转速耦合工作模式为：

主驱电机和辅助电机均上电工作，主驱电机动力连接于单排行星轮系的太阳轮，辅助电机通过离合器动力连接于行星轮系的齿圈，释放制动器使所述齿圈处于自由旋转状态，行星齿轮系的行星架为双电机的动力输出端。

进一步的，所述双电机还包括单电机驱动、倒车和制动反馈发电工作模式。

进一步的，所述可调速的双电机多模式驱动方法包括：

采集汽车控制参数，所述汽车控制参数包括加速踏板信号、制动踏板信号、车速、电机转速和汽车的电源电压；

根据所述汽车控制参数估算整车的转矩需求，并根据所述转矩需求控制双电机的工作模式。

进一步的，所述根据所述汽车控制参数估算整车的转矩需求，并根据所述转矩需求控制双电机的工作模式包括：

判断当前车速是否大于预设的低速值，若否，则判断加速踏板信号是否大于预设值，若加速踏板信号大于所述预设值，则控制双电机以双电机低速转矩耦合工作模式工作，若加速踏板信号小于或等于所述预设值，则控制双电机以主驱电机单机驱动工作模式工作；

若当前车速大于预设的低速值，则判断当前车速是否大于预设的中速值，若是，则控制双电机以双电机高速转速耦合工作模式，若当前车速小于或等于预设的中速值，则控制双电机以双电机中速转矩耦合工作模式工作。

进一步的，所述制动反馈发电工作模式包括：

判断汽车电池电压是否大于预设的阈值，若是，则采用机械制动片进行强制机械制动；

若汽车电池电压是否小于或等于预设的阈值，则判断当前车速是否小于预设的制动车速，若是，则采用单电机制动反馈发电，若否，则采用双电机制动反馈发电。

本发明的有益效果为：本发明包括主驱电机、辅助电机、第一离合器、第二离合器和行星轮系，主驱电机连接于行星轮系的太阳轮，通过控制第一离合器和第二离合器以及齿圈制动的不同工作状态，可使主驱电机和辅助电机工作于双电机低速转矩耦合、双电机中速转矩耦合和双电机高速转速耦合工作模式，不仅可使双电机同时集成转矩耦合和转速耦合2种耦合模式，而且还可实现双电机至少三个档位以上的调速功能，实现不同的工作模式满足车辆不同的行驶工况，充分利用双电机的工作效率和性能。本发明所设计的动力系统能较简便、可靠地完成各工作模式的实时切换，满足整车各工况的动力需求。

附图说明

图1为本发明实施方式可调速的双电机多模式动力系统的结构简图；

图2为本发明实施方式可调速的双电机多模式驱动方法主流程图；

图3为发明实施方式可调速的双电机多模式驱动方法驱动子程序流程图；

图4为发明实施方式可调速的双电机多模式驱动方法制动子程序流程图；

图5为本发明实施方式可调速的双电机多模式动力系统的控制逻辑结构图。

标号说明：

1、主驱电机；2、辅助电机；3、第一离合器；4、第二离合器；5、齿圈制动器；6、万向节；7、主减速器和差速器总成。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，本发明实施方式一种可调速的双电机多模式动力系统，其包括主驱电机1、辅助电机2、第一离合器3、第二离合器4、齿圈制动器5、和单排行星轮系(图1中的PG)。所述单排行星轮系包括太阳轮、行星轮、行星架、齿圈和齿圈制动器，所述行星轮设置于行星架上，所述太阳轮与行星轮啮合，行星轮与齿圈啮合。其中，太阳轮齿数为Zs、齿圈的齿数为Zr、k＝Zr/Zs为行星轮系的特征参数。主驱电机1与行星轮系PG的太阳轮连接；辅助电机2通过第一离合器3的结合或分离状态实现与行星轮系PG齿圈的连接或断开；辅助电机通过第二离合器4的结合或分离状态实现与行星轮系PG太阳轮的连接或断开；行星轮系PG的行星架为双电机的动力输出端，行星架顺序通过万向节6、主减速器和差速器总成7将动力传递到驱动轮。

本发明实施方式可调速的双电机多模式动力系统包括多种工作模式，请参阅表一，为双电机工作模式控制表：

表一

各种工作模式的施行原理简述如下：

(1)主驱电机单独驱动模式：此时第一离合器分离3、第二离合器分离4、齿圈制动器5制动。当主驱电机1的转轴顺时针转动(对应车辆前进行驶)时，在制动器齿圈制动器制动齿圈的情况下，行星轮系的功能如同减速器(传动比为1+k)，即主驱电机的动力从太阳轮传递到行星架实现减速增扭后拖动车辆运行。该模式适用于车辆低速平地行驶工况(车辆低功率需求)，动力系统只有1台电机参与工作，总体效率较高。此外，该模式适用于辅助电机出故障时保证车辆仍然可以行驶，提高安全性和维修便利性。

(2)辅助电机单独驱动模式：此时第一离合器分离3、第二离合器结合4、齿圈制动器5制动。该模式下主驱电机1不参与工作，动力完全由辅助电机提供。辅助电机2的动力经第二离合器传递到太阳轮，当辅助电机2的转轴顺时针转动(对应车辆前进行驶)时，其动力从太阳轮传递到行星架带动车辆运行，行星轮系的功能如同减速器(传动比为1+k)。该模式下的动力传动情形与1相似，适用于主动电机出故障时保证车辆仍然可以行驶，提高安全性和维修便利性。

(3)双机低速(对应车辆车速小于10Km/h区间)转矩耦合驱动模式：此时第一离合器3分离、第二离合器4结合、齿圈制动器5制动。与2不同的是，此时主驱电机1和辅助电机2同时参与工作，辅助电机2的动力经过第二离合器与主驱电机1的动力叠加在太阳轮上。假设T₁和ω₁、T₂和ω₂、T_s和ω_s分别为主驱电机1输出扭矩和角速度、辅助电机2输出扭矩和角速度、太阳轮的输入扭矩和角速度，根据功率守恒定律T₁ω₁+T₂ω₂＝T_sω_s和ω₁＝ω₂＝ω_s的运行条件可得到T₁+T₂＝T_s的结果，即行星轮系的扭矩输入T_s为2台电机扭矩的线性叠加。此时，行星轮系的功能如同减速器(传动比为1+k)，实现双电机的转矩耦合并经行星轮系的减速增扭后拖动车辆运行，从行星架输出的扭矩为：T_o＝(K+1)g(T₁+T₂)。该模式可满足车辆起步、爬大坡和急加速等工况下的大扭矩动力需求，最大程度的利用2台电机的综合性能，在保证动力下减少单台电机的匹配容量。

(4)双机中速(对应车辆车速在10～30Km/h区间)转矩耦合驱动模式：此时第一离合器3结合、第二离合器4结合、齿圈制动器5分离。在第一离合器和第二离合器均结合的情况下，太阳轮与齿圈连接在一起，二者的同向同转速运行导致行星架被挟持同向同转速运行，此时行星轮系的作用如同传动轴(传动比为1)。此时，主驱电机与辅助电机的功率可叠加输出，在同转速下，二者实现了转矩耦合，只是从行星架输出的扭矩大小为：T_o＝T₁+T₂。该模式下，可以保证车辆在中速有效利用双电机的扭矩叠加提高车辆的动力性，适用于车辆爬坡和急加速工况。

(5)双机高速(对应车辆车速大于30Km/h区间)转速耦合驱动模式：此时第一离合器3结合、第二离合器4分离、齿圈制动器5释放。利用行星轮系的差动原理，通过辅助电机2的调速可实现主驱电机1的转速和车辆运行车速的解耦，使主驱电机运行于高效区提高整车动力系统运行效率。根据行星轮系的转速特性公式：ω_s+kω_r-(1+k)ω_c＝0(其中：ω_s为太阳轮角速度；ω_r为齿圈角速度；ω_w为行星架角速度；k为行星轮系的特征参数)以及ω₁＝ω_s和ω₂＝ω_r的工作条件下，可以得到行星架处的角速度输出为：。此时，当主驱电机1的角速度稳定在高效区时(相当于ω₁的大小不变或微调的情况下)，只要对辅助电机2进行动态调速(即对齿圈调速)就可以匹配不同车速下对应的行星架角速度。该模式适用于车辆中高速巡航行驶模式，保证主驱电机的效率最优下使总体效率尽量最高。

(6)倒车单机驱动模式：此时第一离合器3分离、第二离合器4分离、齿圈制动器5释放。该模式下的工作情形与(1)相同，只是系统中的主驱电机1的转轴反时针转动(对应车辆倒车行驶工况)，满足车辆一般性的倒车行驶。

(7)倒车双机驱动模式：此时第一离合器3分离、第二离合器4结合、齿圈制动器5释放。该模式下的工作情形与(3)相同，只是系统中的主驱电机1和辅助电机2的转轴均反时针转动(对应车辆倒车行驶工况)，满足车辆倒车爬坡大扭矩需求的行驶情况。

(8)单机制动反馈发电：此时第一离合器3分离、第二离合器4分离、齿圈制动器5制动。此时，车辆的惯性能反拖主驱电机1运转，行星轮系的齿圈制动，行星轮系的作用相当于一个增速器(增速比为：1+K)。在车辆低车速行驶下，主驱电机1的转子由于行星轮系的增速作用仍然可以实现主驱电机高效地制动能回收。该模式适用于车辆低速下的制动行车工况。

(9)双机制动反馈发电：此时第一离合器3结合、第二离合器4结合、齿圈制动器5松开。此时，行星轮系的作用相当于一个传动轴(传动比为：1)，车辆的惯性能反拖主驱电机1和辅助电机2运转。由于2台电机同时参与再生制动，可最大程度地回收制动能量。该模式使用于车辆中高速时的刹车制动行驶工况。

综上分析，本发明专利可实现不同的工作模式满足车辆不同的行驶工况。各种模式的切换，只需要对2个离合器第一离合器和第二离合器、以及1个制动器齿圈制动器的工作状态切换即可实现，可使主驱电机和辅助电机工作于双电机低速转矩耦合、双电机中速转矩耦合和双电机高速转速耦合工作模式，不仅可使双电机同时集成转矩耦合和转速耦合2种耦合模式，而且还可实现双电机至少三个档位以上的调速功能，实现不同的工作模式满足车辆不同的行驶工况，充分利用双电机的工作效率和性能。即本专利所设计的动力系统能较简便、可靠地完成各工作模式的实时切换，满足整车各工况的动力需求。

特别地，为了系统方便地实施，在小型车辆上根据其安装空间和传递力矩的实际情况，图1所示的动力系统中的第一离合器3和第二离合器4应优先选用电磁离合器，易于完成组装和控制；在大中型车辆如公交车等，为了保证离合器寿命和传递大扭矩需求，图1所示的动力系统中的第一离合器3和第二离合器4应优先选用湿式多片离合器。

本发明的另一实施方式为：一种可调速的双电机多模式驱动方法，本实施方式中的双电机分别为主驱电机和辅助电机，本驱动方法通过控制单排行星轮系和两个离合器可实现多种工作模式，所述工作模式包括双电机低速转矩耦合、双电机中速转矩耦合和双电机高速转速耦合、单电机驱动、倒车以及制动反馈发电工作模式。

所述双电机中速转矩耦合工作模式为：

主驱电机和辅助电机均上电工作，主驱电机动力连接于单排行星轮系的太阳轮，辅助电机通过离合器同时动力连接于所述太阳轮和行星轮系的齿圈，释放制动器使所述齿圈处于自由旋转状态，行星齿轮系的行星架为双电机的动力输出端；

所述双电机高速转速耦合工作模式为：

主驱电机和辅助电机均上电工作，主驱电机动力连接于单排行星轮系的太阳轮，辅助电机通过离合器动力连接于行星轮系的齿圈，释放制动器使所述齿圈处于自由旋转状态，行星齿轮系的行星架为双电机的动力输出端。

所述单电机驱动包括主驱电机单机驱动和辅助电机单机驱动；所述倒车工作模式包括单电机倒车和双电机倒车；所述制动反馈发电工作模式包括单机制动反馈发电和双机制动反馈发电。

请参阅图2，所述可调速的双电机多模式驱动方法包括：

采集汽车控制参数，所述汽车控制参数包括加速踏板信号、制动踏板信号、车速、电机转速和汽车的电源电压；

根据所述汽车控制参数估算整车的转矩需求，并根据所述转矩需求控制双电机的工作模式。

其中，汽车的制动控制和驱动控制采用中断子程序控制。

请参阅图3，为双电机驱动中断的子程序流程图，图3中，SPD_pgc为当前车速，LS_cockpit为加速踏板信号值，CL1_realse为第一离合器，CL1_realse为第二离合器，B_realse为齿圈制动器，SPD_min为预设的低速值，SPD_mid为预设的中速值，SPD_M1为主驱电机转速，SPD_M1opt为预设的主驱电机转速值，T_M1为主驱电机转矩，T_M2为辅助电机的转矩，“1”代表工作，“0”代表不工作。

所述根据所述汽车控制参数估算整车的转矩需求，并根据所述转矩需求控制双电机的工作模式包括：

判断当前车速是否大于预设的低速值，若否，则判断加速踏板信号是否大于预设值，若加速踏板信号大于所述预设值，则控制双电机以双电机低速转矩耦合工作模式工作，若加速踏板信号小于或等于所述预设值，则控制双电机以主驱电机单机驱动工作模式工作；

若当前车速大于预设的低速值，则判断当前车速是否大于预设的中速值，若是，则控制双电机以双电机高速转速耦合工作模式，若当前车速小于或等于预设的中速值，则控制双电机以双电机中速转矩耦合工作模式工作。

请参阅图4，为制动中断子程序流程图，图4中，U_ps为电池电压，U_psmax为预设的电压阈值，Dsc代表机械制动，SPD_PGC为当前车速，SPD_pgcmd为预设的制动车速，M1_gen为主驱电机制动反馈发电，M2_gen为辅助电机制动反馈发电。

所述制动反馈发电工作模式包括：

判断汽车电池电压是否大于预设的电压阈值，若是，则采用机械制动片进行强制机械制动；

若汽车电池电压是否小于或等于预设的阈值，则判断当前车速是否小于预设的制动车速，若是，则采用单电机制动反馈发电，若否，则采用双电机制动反馈发电。

请参阅图5，为本实施方式中，可调速的双电机多模式动力系统的控制逻辑结构图，(1)参数采集模块——采集相关控制参数(加速/制动踏板、车速、2个电机转速、电源电压等信号)；(2)辅助控制模块——利用这些参数进行电源电量状态SOC估算、整车需求转矩的计算和动力源效率的辨识；(3)行驶模式切换模块——控制相应的离合器和制动器等执行机构动作以及2台电机在不同的模式下工作；(4)转矩分配模块——根据动力系统总体效率原则，分配动力源不同的转矩输出和高效工作；(5)控制参数输出模块——把(1)中的控制参数输出构成循环控制。

本发明通过控制两个离合器以及齿圈制动的不同工作状态，可使主驱电机和辅助电机工作于双电机低速转矩耦合、双电机中速转矩耦合和双电机高速转速耦合工作模式，不仅可使双电机同时集成转矩耦合和转速耦合2种耦合模式，而且还可实现双电机至少三个档位以上的调速功能，实现不同的工作模式满足车辆不同的行驶工况，充分利用双电机的工作效率和性能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种可调速的双电机多模式动力系统，其特征在于，包括：主驱电机、辅助电机、第一离合器、第二离合器和单排行星轮系；

所述单排行星轮系包括太阳轮、行星轮、行星架、齿圈和齿圈制动器，所述行星轮设置于行星架上，所述太阳轮与行星轮啮合，行星轮与齿圈啮合；

所述主驱电机通过传动轴连接于所述太阳轮，所述辅助电机通过所述第一离合器耦接于所述齿圈，并且所述辅助电机通过所述第二离合器耦接于所述太阳轮，所述行星架为双电机多模式动力系统的动力输出端。

2.根据权利要求1所述的可调速的双电机多模式动力系统，其特征在于，还包括动力输出轴、主减速器和差速器总成；

所述动力输出轴连接于所述行星架，动力输出轴的中段设置有万向节，主减速器和差速器总成的输出端连接于所述动力输出轴。

3.根据权利要求1或2所述的可调速的双电机多模式动力系统，其特征在于，所述第一离合器和第二离合器为电磁离合器或湿式多片离合器。

4.一种可调速的双电机多模式驱动方法，其特征在于，所述双电机包括双电机低速转矩耦合、双电机中速转矩耦合和双电机高速转速耦合工作模式；

所述双电机低速转矩耦合工作模式为：

主驱电机和辅助电机均上电工作，主驱电机动力连接于单排行星轮系的太阳轮，辅助电机通过离合器动力连接于所述太阳轮，通过齿圈制动器锁止单排行星轮系的齿圈，行星齿轮系的行星架为双电机的动力输出端；

所述双电机中速转矩耦合工作模式为：

主驱电机和辅助电机均上电工作，主驱电机动力连接于单排行星轮系的太阳轮，辅助电机通过离合器同时动力连接于所述太阳轮和行星轮系的齿圈，释放制动器使所述齿圈处于自由旋转状态，行星齿轮系的行星架为双电机的动力输出端；

所述双电机高速转速耦合工作模式为：

主驱电机和辅助电机均上电工作，主驱电机动力连接于单排行星轮系的太阳轮，辅助电机通过离合器动力连接于行星轮系的齿圈，释放制动器使所述齿圈处于自由旋转状态，行星齿轮系的行星架为双电机的动力输出端。

5.根据权利要求4所述的可调速的双电机多模式驱动方法，其特征在于，所述双电机还包括单电机驱动、倒车和制动反馈发电工作模式。

6.根据权利要求4或5所述的可调速的双电机多模式驱动方法，其特征在于，包括：

采集汽车控制参数，所述汽车控制参数包括加速踏板信号、制动踏板信号、车速、电机转速和汽车的电源电压；

根据所述汽车控制参数估算整车的转矩需求，并根据所述转矩需求控制双电机的工作模式。

7.根据权利要求6所述的可调速的双电机多模式驱动方法，其特征在于，所述根据所述汽车控制参数估算整车的转矩需求，并根据所述转矩需求控制双电机的工作模式包括：

判断当前车速是否大于预设的低速值，若否，则判断加速踏板信号是否大于预设值，若加速踏板信号大于所述预设值，则控制双电机以双电机低速转矩耦合工作模式工作，若加速踏板信号小于或等于所述预设值，则控制双电机以主驱电机单机驱动工作模式工作；

若当前车速大于预设的低速值，则判断当前车速是否大于预设的中速值，若是，则控制双电机以双电机高速转速耦合工作模式，若当前车速小于或等于预设的中速值，则控制双电机以双电机中速转矩耦合工作模式工作。

8.根据权利要求5所述的可调速的双电机多模式驱动方法，其特征在于，所述制动反馈发电工作模式包括：

判断汽车电池电压是否大于预设的电压阈值，若是，则采用机械制动片进行强制机械制动；

若汽车电池电压是否小于或等于预设的阈值，则判断当前车速是否小于预设的制动车速，若是，则采用单电机制动反馈发电，若否，则采用双电机制动反馈发电。