CN105291811B - 一种用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合装置及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合装置及其控制系统，其动力耦合装置包括：输出轴、输出毂、输入轴、输入毂、接合套、直线电机和外壳。而本发明提供的控制系统包括该动力耦合装置和控制装置，所述控制装置包括霍尔位置传感器、位置锁止装置、控制器和整车控制器。利用控制器驱动直线电机带动接合套，相对于输入轴沿轴向运动，并根据霍尔位置传感器的反馈，使输出毂与输入轴的输入毂连接或分离，实现动力耦合装置工作状态的切换。同时控制位置锁止装置对直线电机次级进行锁止，可以进一步提高动力耦合装置工作的稳定性、可靠性。

Description

一种用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合装置及其控制 系统

技术领域

本发明涉及用于混合动力汽车的动力耦合驱动系统，具体涉及一种轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合装置及其控制系统。

背景技术

由于石油资源的不可再生性和机动车尾气污染问题日益严重，新能源汽车越来越得到世界各国的广泛的重视，成为汽车工业发展的一个重要方向。混合动力汽车针对不同的工况，能够以不同的模式运行：纯电动行驶、混合动力行驶和纯发动机行驶，从而使得车辆能量流动的控制和能量消耗的优化具有更大的灵活性，更容易实现低油耗和低排放的目标。

轮毂电机是将轮毂和驱动装置直接合并为一体的电机，也就是将电机、传动和制动装置都整合到轮毂中，俗称电动轮。利用轮毂电机驱动可以改善集中电机驱动的电动汽车底盘结构复杂、车内空间狭小、能量利用效率不高等问题，将轮毂电机作为混合动力汽车的驱动电机，可以方便的实现混合动力汽车的两轮驱动或者四轮驱动。

中国专利CN102627068 B，名称为“轮毂电机式混合动力汽车的控制方法”所公开的方案在汽车后轴的两侧各装一碳刷组，轮毂电机的外壳与后轴之间装有离合器，后轴上装有轴制动装置。两个轮毂电机作用在后轴，而前轴由发动机单独驱动来实现混合动力耦合。这种的方式不能实现四轮全时驱动，而且前轴也不能实现电子差速的功能。

中国专利申请号201410637671.9，名称为“一种混合动力系统及全时四驱越野车”所公开的方案中，提出单向超越离合器加轮毂电机的混合驱动方法。使用单向超越离合器，将发动机输出的驱动转矩加到车轮上，与轮毂电机一起驱动车轮。轮毂电机与驱动轴的分离，并不会影响原驱动。众所周知，单向超越离合器无需控制机构，它是依靠其单向锁止原理来发挥固定或连接作用的。在传统机械传动行驶和纯电驱动行驶下，单向超越离合器能够很好的实现动力耦合与分离的功能。但是当车辆在纯电驱动模式下倒车时，就会出现轮毂电机通过单向超越离合器反拖发动机的驱动轴现象。这说明在轮毂电机式混合动力汽车中，单向超越离合器并不是一个十分合适的动力耦合装置。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合装置及其控制系统，使车辆前后四个车轮都能使用轮毂电机，并且与发动机输出的动力较好地耦合或者解耦，实现四轮全时驱动。即使车辆在纯电驱动模式下倒车时，也不会出现轮毂电机通过驱动轴反拖发动机的现象，使车辆能够正常地工作在不同的模式下。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合装置，包括外壳、输入端、输出端、接合套、直线电机，所述外壳内部包括接合套、直线电机，所述外壳一端为输出端，另一端为输入端；

所述输入端包括输入轴和输入毂，所述输入轴和输入毂连接；所述输出端包括输出轴和输出毂，所述输出轴和输出毂连接；

所述直线电机包括初级、次级；所述次级和接合套连接，所述接合套在次级的带动下能够相对于输入轴沿轴向运动；接合套处在分离位置时只与输入毂相连；当处在结合位置时，则接合套同时与输入毂、输出毂相连。

进一步，所述直线电机的初级固定在外壳上。

进一步，所述输出轴和输出毂之间、所述输入轴和输入毂之间均通过花键连接。

进一步，所述输出毂带锁环式同步器。

一种用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合控制系统，包括上述用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合装置和控制装置；所述控制装置包括霍尔位置传感器、位置锁止装置、控制器和整车控制器；所述控制器分别和整车控制器、霍尔位置传感器、位置锁止装置、直线电机相连；用于接收整车控制器发出的指令，根据霍尔位置传感器的信号，驱动直线电机并控制位置锁止装置；所述整车控制器用于设置动力耦合装置的结合状态、分离状态这两种工作状态的切换；所述霍尔位置传感器用于采集直线电机次级的位置信号。

进一步，所述位置锁止装置用来对次级进行锁止，包括阶梯轴、锁止杆、弹簧支架、弹簧、电磁铁和支撑支架；所述锁止杆可围绕阶梯轴旋转，锁止杆一端与弹簧相连，锁止杆另一端凸出部分用来与直线电机次级的凹槽相啮合，固定次级的位置；所述电磁铁通过通电或者失电来推动锁止杆释放或锁止次级。

进一步，所述动力耦合装置两种工作状态的切换为：

切换到结合状态，所述控制器控制电磁铁通电，锁止杆在电磁铁的作用下克服弹簧的弹簧力，释放次级；接合套在直线电机次级的驱动下，相对于输入轴沿轴向运动，通过霍尔位置传感器的反馈，使输出毂与输入轴的输入毂连接；当接合套移动到结合位置后，控制器控制电磁铁失电，锁止杆在弹簧力的作用下，对直线电机的次级进行锁止，进而固定接合套的位置；

切换到分离状态，所述控制器控制电磁铁通电，锁止杆在电磁铁的作用下克服弹簧的弹簧力，释放次级；接合套在直线电机次级驱动下，相对于输入轴沿轴向运动，通过霍尔位置传感器的反馈，与输出毂相分离；当接合套移动到分离位置后，控制器控制电磁铁失电，锁止杆在弹簧力的作用下，对直线电机的次级进行锁止，进而固定接合套的位置。

进一步，所述控制器通过CAN总线与整车控制器相连。

本发明的有益效果是：本发明公开的用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合控制系统，利用直线电机驱动接合套，相对于输入轴沿轴向运动，并根据霍尔位置传感器的反馈，使输出毂与输入轴的输入毂连接或分离，实现动力耦合装置工作状态的切换，极大地拓展了轮毂电机的使用灵活性，使车辆上的所有车轮都能够使用轮毂电机，并与发动机输出的动力较好地耦合或者解耦，实现四轮全时驱动，而且整车布置空间也可以得到有效的控制。同时，利用位置锁止装置对直线电机次级进行锁止，可以进一步提高动力耦合装置工作的可靠性、稳定性。

另一方面，整个系统采用了电控方式，可以无缝地与车辆原有的电控系统进行对接，根据整车控制器的指令实时地改变动力耦合装置的工作状态，使车辆在不同的驱动模式下，都能够正常、高效地工作，不会出现任何的限制。

附图说明

图1是根据本发明公开的轮毂电机式四轮驱动混合动力汽车结构的示意图；

图2是本发明所述的用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合装置(分离位置)示意图；

图3是本发明所述的用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合装置(结合位置)示意图；

图4是本发明所述的带位置锁止装置的动力耦合装置结构示意图；

图5是本发明所述的位置锁止装置锁止状态示意图；

图6是本发明所述的位置锁止装置释放状态示意图；

图7是本发明所述的用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合控制系统的控制装置简化示意图。

图1中：1-发动机、2-变速器、3-分动器、4-带轮毂电机的驱动轮、11-动力耦合装置。

图2中：101-轴承、102-输出轴、103-输入轴、104-输出毂、105-输入毂、106-接合套、107-直线电机的次级，108-直线电机的初级、109-外壳。

图5中：200-位置锁止装置、211-弹簧支架、212-弹簧、213-电磁铁、214-支撑支架、215-阶梯轴、216-锁止杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1为根据本发明公开的轮毂电机式四轮驱动混合动力汽车结构的示意图，仅以示意方式显示与本发明有关的构成。如图1所示的轮毂电机式四轮驱动混合动力汽车动力传动系统包括发动机1、变速器2、分动器3、带轮毂电机的驱动轮4、动力耦合装置11。其中，轮毂电机的外转子与驱动轮的轮圈相连，外转子中心部分与动力耦合装置11的输出轴相连，其定子固定在车桥上。本发明的实施例中，使用了4个轮毂电机来实现全时四驱，也可以使用两个轮毂电机组成两驱的混合驱动。同时按这种方法，可以进一步扩展到六轮甚至更多车轮的轮毂电机组成的汽车。同样，发动机的动力经过分动器3可以同时传递给前后轮，也可以只传递给前轮或者后轮，这里并不加以限制。

现在主要参照图2、图3，示意性地表示了动力耦合装置11，并且动力耦合装置11可以包括输出轴102、输出毂104、输入轴103、输入毂105、接合套106、直线电机，外壳109。输出轴102能够以可旋转的方式由轴承组件101支撑在外壳109内，并且适于在一端与轮毂电机转子相连。输出轴102还可以在第二端通过花键与输出毂104相连接，并且输出毂104随输出轴102一起旋转。同样的，输入轴103也以可旋转的方式由轴承组件101支撑在外壳109内，并且适于在一端与分动器3的动力输出轴相连。输入轴103还可以在第二端通过花键与输入毂105相连接，并且输入毂105随输入轴103一起旋转。

直线电机包括初级108、次级107，其中次级107和接合套106连接，并且接合套106在次级107的带动下能够相对于输入轴103沿轴向运动；当接合套106处在分离位置时，接合套106只与输入毂105相连；当处在结合位置时，则接合套106同时与输入毂105、输出毂104相连。为了减少动力耦合装置11中的接合套106与输出毂104结合时的碰撞冲击，输出毂104可以带锁环式同步器。尽管无意限制，可以想到的是直线电机为单边型、短次级的结构。作为本发明的一个实施例，本直线电机次级107两端的行程，可以通过对电机机体长度进行限制，或者通过增加锁止装置进行限制，能够将直线电机次级107两端的行程设置成刚好可以使接合套106处在分离位置或者结合位置。

本发明公开的一种用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合装置的控制系统，包括上述的动力耦合装置11和控制装置。控制装置包括霍尔位置传感器、位置锁止装置200、控制器和整车控制器。结合图7，可知控制器分别与整车控制器、霍尔位置传感器、位置锁止装置、直线电机相连，用于接收整车控制器发出的指令，根据霍尔位置传感器的信号，驱动直线电机并控制位置锁止装置；整车控制器根据车辆当前所处的工况和驾驶员的驾驶意图，得出车辆的驱动模式，通过CAN总线与控制器进行通信，设置动力耦合装置的工作状态；霍尔位置传感器用于采集直线电机次级的位置信号；位置锁止装置200用于对次级107进行锁止。这里可以想到的是，整车控制器由采用Power Architecture技术32位的飞思卡尔公司三核芯片MPC5748G来实现，而控制器则由微芯公司的芯片PIC32MX230F064C来实现。

下面参照图4，图5，图6，对位置锁止装置200进行阐述。由图4可知，在直线电机次级107的左右两侧分别安装位置锁止装置200，用于对动力耦合装置两种工作状态(结合状态和分离状态)下次级进行锁止。防止车辆在受到侧倾力时，直线电机的次级107在重力作用下发生滑移，进而带动接合套106发生不必要的移动，造成动力耦合装置11工作状态的改变。对照图5、图6可知，位置锁止装置200包含阶梯轴215、锁止杆216、弹簧支架211、弹簧212、电磁铁213和支撑支架214，其中锁止杆216可围绕阶梯轴215旋转，其一端与弹簧212相连，另一端凸出部分用来与直线电机次级107的凹槽相啮合，锁止次级107。下面具体对位置锁止装置200的工作原理进行详述：当需要对次级107进行锁止，进而固定接合套106当前的位置时，控制器控制电磁铁213失电，锁止杆216与弹簧212相连的一端在弹簧力的作用下，绕阶梯轴215顺时针旋转，使得锁止杆216的另一端凸出部分与直线电机次级107上的凹槽相啮合，实现对次级107的锁止；当需要解除对次级107的锁止时，控制器控制电磁铁213通电，锁止杆216在电磁铁213的电磁力作用下克服弹簧212的弹簧力，使得锁止杆216绕阶梯轴215逆时针旋转，进而锁止杆216的凸出部分与直线电机次级107上的凹槽处于非啮合的状态，此时直线电机的次级107可带动接合套自由移动。

本发明公开的动力耦合装置有两种状态：结合状态和分离状态。具体参照图5、图6、图7，并结合上述的位置锁止装置200的工作原理，现在将详细地讨论用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合控制系统工作过程。在车辆重负荷或者上坡，需要发动机和轮毂电机共同输出动力时，整车控制器通过CAN总线将动力耦合指令发送给控制器。控制器在接收到动力耦合指令后，控制电磁铁213通电，使得锁止杆216的凸出部分与直线电机次级107上的凹槽处于非啮合的状态。控制器再驱动直线电机带动接合套106相对于输入轴103沿轴向运动，通过霍尔位置传感器的反馈，使得输出毂104与输入轴103的输入毂105连接。待结合套106到达结合位置后，控制器控制电磁铁213失电，使得锁止杆216的凸出部分与直线电机次级107上的凹槽相啮合，实现对次级107的锁止，进而固定接合套106的位置，确保结合的可靠性，实现轮毂电机与发动机的动力耦合。而在车辆起步或者倒车时，此时车速较低，车辆应工作在纯电驱动模式下。发动机关闭，只由轮毂电机提供动力。控制器通过CAN总线接收到整车控制器发出的动力解耦指令后，控制电磁铁213通电，使得锁止杆216的凸出部分与直线电机次级107上的凹槽处于非啮合的状态，驱动直线电机带动接合套106相对于输入轴103沿轴向运动，通过霍尔位置传感器的反馈，使得接合套106与输出毂104相分离。待接合套106到达分离位置后，控制器控制电磁铁213失电，使得锁止杆216的凸出部分与直线电机次级107上的凹槽相啮合，实现对次级107的锁止，进而固定接合套106的位置，防止车辆在受到侧倾力时，直线电机的次级107在重力的作用下会发生滑移，并带动接合套106移动，造成动力耦合装置11的误动作。

通过本发明使车辆前后四个车轮都能灵活地使用轮毂电机，与发动机输出的动力较好地耦合或者解耦，实现四轮全时驱动，极大地拓展了轮毂电机的使用范围。

以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合控制系统，包括外壳、输入端、输出端、接合套(106)、直线电机，所述外壳内部包括接合套(106)、直线电机，所述外壳一端为输出端，另一端为输入端；

所述输入端包括输入轴(103)和输入毂(105)，所述输入轴(103)和输入毂(105)连接；所述输出端包括输出轴(102)和输出毂(104)，所述输出轴(102)和输出毂(104)连接；

所述直线电机包括初级(108)、次级(107)；所述次级(107)和接合套(106)连接，所述接合套(106)在次级(107)的带动下能够相对于输入轴沿轴向运动；接合套(106)处在分离位置时只与输入毂(105)相连；当处在结合位置时，则接合套(106)同时与输入毂(105)、输出毂(104)相连；所述直线电机的初级(108)固定在外壳(109)上；所述输出轴(102)和输出毂(104)之间、所述输入轴(103)和输入毂(105)之间均通过花键连接；所述输出毂(104)带锁环式同步器；

其特征在于，还包括控制装置；所述控制装置包括霍尔位置传感器、位置锁止装置(200)、控制器和整车控制器；

所述控制器分别和整车控制器、霍尔位置传感器、位置锁止装置(200)、直线电机相连；用于接收整车控制器发出的指令，根据霍尔位置传感器的信号驱动直线电机，并控制位置锁止装置(200)；所述整车控制器用于设置动力耦合装置的结合状态、分离状态这两种工作状态的切换；所述霍尔位置传感器用于采集直线电机次级的位置信号；

所述位置锁止装置(200)用来对次级(107)进行锁止，包括阶梯轴(215)、锁止杆(216)、弹簧支架(211)、弹簧(212)、电磁铁(213)和支撑支架(214)；所述锁止杆(216)可围绕阶梯轴(215)旋转，锁止杆(216)一端与弹簧(212)相连，锁止杆(216)另一端凸出部分用来与直线电机次级(107)的凹槽相啮合，固定次级(107)的位置；所述电磁铁(213)通过通电或者失电来推动锁止杆(216)释放或锁止次级(107)。

2.根据权利要求1所述的一种用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合控制系统，其特征在于，所述动力耦合装置两种工作状态的切换为：

切换到结合状态，所述控制器控制电磁铁(213)通电，锁止杆(216)在电磁铁(213)的作用下克服弹簧(212)的弹簧力，释放次级；接合套(106)在直线电机次级(107)的驱动下，相对于输入轴(103)沿轴向运动，通过霍尔位置传感器的反馈，使输出毂(104)与输入轴(103)的输入毂(105)连接；当接合套(106)移动到结合位置后，控制器控制电磁铁(213)失电，锁止杆(216)在弹簧力的作用下，对直线电机的次级(107)进行锁止，进而固定接合套(106)的位置；

切换到分离状态，所述控制器控制电磁铁(213)通电，锁止杆(216)在电磁铁(213)的作用下克服弹簧(212)的弹簧力，释放次级；接合套(106)在直线电机次级(107)驱动下，相对于输入轴(103)沿轴向运动，通过霍尔位置传感器的反馈，与输出毂(104)相分离；当接合套(106)移动到分离位置后，控制器控制电磁铁(213)失电，锁止杆(216)在弹簧力的作用下，对直线电机的次级(107)进行锁止，进而固定接合套(106)的位置。

3.根据权利要求1所述的一种用于轮毂电机式混合动力汽车的动力耦合控制系统，其特征在于，所述控制器通过CAN总线与整车控制器相连。