CN105392656A - 电驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于驱动输出的电驱动系统(200)。所述电驱动系统包括：第一电动机(250)，其被设置为以第一角速度ω₁驱动第一输入轴(230)；以及第二电动机(260)，其被设置为以第二角速度ω₂驱动第二输入轴(240)。齿轮机构(210)被提供并且被设置为传输第一输入轴(230)和第二输入轴(240)的角旋转来在输出角速度ω_out与aω₁-bω₂成比例的情况下以输出角速度ω_out驱动输出，其中a和b是常数。所述电驱动系统(200)进一步包括：控制器(270)，其被设置为控制第一电动机(250)和第二电动机(260)的运行。当输出(220)被从ω_out＝0开始驱动时，所述控制器(270)被设置为控制第一电动机(250)和第二电动机(260)以驱动第一输入轴(230)和第二输入轴(240)。输入轴在第一阶段被驱动到第一初步角速度ω_1，p和第二初步角速度ω_2，p，以使aω_1，p≈bω_2，p。输入轴随后还在第二阶段中被驱动，其中第一角速度ω₁或第二角速度ω₂或者这两者被改变以使得aω₁≠bω₂并且所述输出从ω_out＝0开始被驱动。其结果是各电机在它们的输出曲线图的更有效率的部分中运行，甚至当车辆静止、拉动(特别是在高输出负载的情况下，如在越野或其他困难地形上)或以低速移动时也如此。

Description

电驱动系统

技术领域

本发明涉及一种用来驱动用于电动机的输出的电驱动系统。特别地，本发明涉及一种具有这种电驱动系统的越野车。

背景技术

典型的DC电动机具有以角速度或转速ω转动的输出轴。输出轴具有转矩T，并且提供功率P。

图1示意性示出典型DC电动机的输出轴的转速ω、输出转矩T以及输出功率P之间的关系。

在图1和图2中，提供了转矩T相对角速度ω的曲线图，并且使用了如下标签：

区域A：低效工作区：0-50％；

区域B：高效工作区：50-90％；

区域C：最佳效率工作区：90-95％；和

线3：封顶连续转矩(cappedcontinuoustorque)。

最大转矩是在失速转矩T_S处，当电机的输出轴不在转动，即当ω＝0时出现失速转矩T_S。电机产生的转矩与轴转速或角速度ω近似成反比。在零转矩时,即当没有负载施加到输出轴上时出现最大角速度ω_max。电机提供的功率与角速度和转矩的乘积有关，并且由图1所示的抛物线关系来表示。当转速为0时以及达到最大值ω_max时，功率为0。由于假定T和ω是线性反比关系，当角速度为ω_max/2并且转矩为T_S/2时产生最大功率。

一般使用中，电动机将从静止开始，它的输出角速度为0，ω＝0，因此电动机将在失速转矩附近运转。转矩量与电机可以消耗的电流量成正比，所以为了在角速度为零时提供大的转矩，电机消耗的电流将会很高。如图1所示，可用电流将受到电源的限制，比如供应电流的电池，或是电路在没有过热情况下能够处理的电流量。通常传送电流的电路将具有切断装置以避免过热造成的损害。

如果电流不足以向电机提供足够的转矩，它将不能驱动外加负载并且它会停转。如果电机正在给车辆提供电力，使其从静止开始移动，电机将停转并且车辆将不能移动。这会在以下情况中特别成为问题：需要高水平的转矩；在车辆没有动量协助的低速下，例如在越野条件下的起伏的地形和未铺设好的地形，或者当正要开上台阶或路缘石或其他相似障碍物时。越野、农用以及建筑用车辆经常以低速高负载在未铺设好的地形上运行，所以这些考虑是特别适用的。

增加的负载在某种程度上可由在穿越未铺设好的地形期间的各车轮的滚动阻力、下沉以及滑动的影响来解释。车轮从静止加速克服阻力所需的力可以参见以下公式：

$R_c=\[\frac{3W\[\frac{Z_r^{n+1}}{n+1}\]}{{Z_r}^{\frac{\left(2n+1\right)}{2}}(3-n)\sqrt{D}}\]$

R_r＝WC_rr

R_g＝Wsinθ

其中

R_c＝下沉阻力(N)

R_r＝滚动阻力(N)

R_g＝倾斜阻力(N)

i＝滑动(％)

Z_r＝车轮下沉(m)

n＝Bekker下沉常数

D＝轮胎轮子直径(m)

C_rr＝滚动阻力系数

θ＝倾斜度(角度)

例如，在一个测量实验中，在混凝土和耕种土地上运行典型的2000kg的全地形4WD车辆。所有四个车轮的运行所需的总转矩在耕地上被测为2786Nm而在平整的混凝土地上仅为126Nm。本实验表明在未铺设好的地形上所需的车辆转矩可以轻易地达到铺设好的地形所需车辆转矩的20倍。

这种问题的典型解决方案是参照其他形式的发动机的相应问题的众所周知的解决方案，比如汽油或柴油机。在那个领域使用离合器系统脱离驱动以控制低车速的输出是众所周知的。这种方法对直接驱动系统增加了额外的重量和复杂性，但它仍然被接受为一个好的解决方案。飞轮也可以被用来减小发动机在低速停转的机会。这需要额外增加一个大且重的飞轮，可是它仍被接受为一个好的解决方案，并且已经被应用了许多年。还已知的是在变速箱或在输出轮处并入减速传动装置以减小驱动的输出的角速度，并增大车轮处施加的转矩。这避免了当车速低时发动机在低速运行，但是减速传动装置将限制车辆的整体最大速度，并向车辆增加了额外的沉重的传动装置。

本发明人意识到牵引电动机可以非常有效率。但是，当从静止开始移动、停止以及启动，或者以低速行驶，直接驱动和传动辅助的电动车辆将以约等于0的电机角速度运行，该特殊的运行区域十分低效。结果，当以低速或以停止-起动工作循环运行时，车辆可行驶里程和性能会受到低效的直接且显著的影响(比如在粗糙或未铺设好的地形上拉动(pulloff)车辆)。

电机效率与电机功率损失总量成反相关。

电机损耗通常被分为两个区域：导通损耗和速度相关损耗。本发明的一个功能是减轻车辆在速度接近0(ω≈0)运行时的驱动系统的效率与有效性的损耗，并且本发明考虑到了低速效率损耗的管理。引起低速电机效率问题的原因是导通损耗。导通损耗是由电机驱动电流在具有有限电阻的电极线圈中流动造成的。这些损耗与电机电流平方与电机电阻的乘积(I²R)有关。

当电机速度由电压的变化控制时，输出轴的转矩将与电流成比例。因此，由于在低速工作时速度和转矩成反比，所以电机将消耗高电流；由于绕组和其他供能部件的电阻，能量消耗为废热的比例将会很高。作为这种废热损失的直接结果，大多数典型电动机将在零速度附近(ω≈0)显示30-50％的效率。

在图2中，T_m表示在启动时可能的最大转矩。如图2中所示，一个典型的直接驱动电机在角速度为零处将仅提供电机可用的额定功率的40-50％，因此车辆将需要一个具有补偿电机在接近零速度时的传导损耗低效率所需的转矩的两倍转矩的电机。如果车辆需要在未铺设好的地形上拉动，其所需的转矩是以ω_max/2速度在硬质地面上稳态运行所需转矩的20倍。大部分越野车经常在具有大量停止和起动的短工作循环下运行。

发明内容

本发明提供了一种可以意识到并解决在低输出角速度需要高电流的问题的驱动系统并且提供了一种以低速行驶时不易于失速停止且更有效率的驱动系统。

本发明提供了一种用于驱动输出的电驱动系统，包括：第一电动机，其被设置为以第一角速度ω₁驱动第一输入轴；第二电动机，其被设置为以第二角速度ω₂驱动第二输入轴；齿轮机构，其被设置为传输第一输入轴和第二输入轴的角旋转来在输出角速度ω_out与aω₁-bω₂成比例的情况下以输出角速度ω_out驱动输出，其中a和b是常数；以及控制器被设置来控制第一电动机和第二电动机的操作。当要从ω_out＝0开始驱动输出时，控制器被设置为控制第一电动机和第二电动机以如下方式来驱动第一输入轴和第二输入轴：在第一阶段中，将第一输入轴和第二输入轴驱动到第一初步角速度ω_1，p和第二初步角速度ω_2,p,以使aω_1，p≈bω_2,p；随后在第二阶段中，改变第一角速度ω₁、或者第二角速度ω₂、或者改变这两者，以使aω₁≠bω₂,并且从ω_out＝0开始驱动输出。

因此，驱动系统的输出为零，而第一电动机和第二电动机在非零角速度运行。当需要从ω_out＝0开始驱动输出时，即当车辆从静止开始开动时，所述第一电动机和/或第二电动机的角速度被改变，使得它们不再相互抵消，因此所述输出不为零。这意味着电动机不以低角速度运行，在角速度低时转矩很高并且会消耗较大电流。其结果是电机在各自的输出曲线图的更高效部分运行，甚至当车辆静止时、拉动(特别是在高输出负载的情况下，例如在越野或其他困难的地形)、或者在低速运行时也如此。因此，车辆可以利用更小的电机并且因此提高了车辆的性能和可行驶里程。

控制器被设置用来控制所述第一电动机和第二电动机将所述第一输入轴和第二输入轴驱动到第一初步角速度和第二初步角速度以使得aω_1，p＝bω_2,p。所述第一电动机和第二电动机的角速度可以被控制来使得它们相互抵消从而输出速度为零。使得输出角速度为零的所述第一输入驱动轴和第二输入驱动轴的速度可以取决于齿轮机构内的齿轮齿数比，所述齿轮齿数比确定了a和b的值。

所述第一初步角速度和第二初步角速度中的每一个基本上是非零的，比如比ω_max的10％大，其中ω_max是每一个电机和输入轴对的最大角速度。这意味着当以所述第一初步角速度和第二初步角速度运行时所述第一电动机和第二电动机在它们的输出曲线图的有效区域内运行。

所述第一初步角速度和第二初步角速度中的每一个处在ω_max的20％到80％之间。一些电动机可以在他们的最大输出速度的20％-80％的区间中具有增大的效率。

控制器被设置为根据用户输入来控制第一电机和第二电机的转速。所述用户可以被提供输入装置以通过改变第一电机和第二电机的角速度来控制驱动系统的所述输出角速度。

所述电驱动系统可以进一步包括：感测系统，其被设置为测量ω₁和ω₂并且将测量结果传达给所述控制器，以使得在第一阶段中所述控制器被设置为控制所述第一电动机、所述第二电动机或者这两个电动机以使aω₁和bω₂接近于相等。这意味着aω₁和bω₂的值可以被控制以使在所述第一阶段中输出的角速度为零而所述车辆将保持静止。

所述控制器可以被设置为确定是否aω₁＝bω₂，并且如果确定aω₁≠bω₂，则所述控制器被进一步设置为控制所述第一电动机、第二电动机或这两个电动机以使aω₁和bω₂接近于相等。这使得所述控制器能够保持aω₁和bω₂的值以使输出角速度为零。

所述感测系统可以包括被设置为测量ω₁的第一传感器以及被设置为测量ω₂的第二传感器。这使得所述控制器能够监测第一输入轴和第二输入轴的角速度使得所述第一电机和第二电机的速度可以被控制。

所述电驱动系统可以进一步包括第三传感器，其被设置为测量ω_out并且将它的值传送给所述控制器，在第一阶段中所述控制器被设置为控制所述第一电动机、第二电动机或者这两个电动机以使aω₁和bω₂接近于相等。所述第一电动机和第二电动机可以被控制为响应于输出角速度使得输出速度在第一阶段过程中保持为零，或者在第二阶段中为驱动车辆的期望速度。

所述齿轮机构可以包括润滑系统，其被设置为在异常高的离心力下运行。当在它们的输出曲线图的有效区域中运行时，所述第一电动机和第二电动机可以以它们最大输出的一半左右或者更大的角速度运行，即使此时输出角速度为零。这在齿轮机构中产生较大离心力，其会强制使润滑剂在径向上从旋转轴向外移动，导致所述润滑剂被强制远离中心，从而变得无法充分遍布齿轮机构的各部件。

所述润滑系统可以包括被设置为用于引导润滑剂的导向装置、机械加工特征或者轴承表面。所述导向装置、轴承表面或机械加工特征可以被设置为将润滑剂引导到：所述星形齿轮和载体接触区域；所述星形齿轮的齿；所述内部行星齿轮的安装主轴和面；所述外部行星齿轮的面和齿；或是所述齿轮机构的环形齿轮。所述第一输入轴、第二输入轴或这两个输入轴可以包括密封的并且预润滑的滚柱轴承。这确保润滑剂均匀地分布在整个齿轮机构上并且不会被所述齿轮机构受到的增大的离心力拉离旋转中心。如果朝向旋转轴的元件没有充分地被润滑，它们会受到过度磨损，被损坏并发生故障。

所述齿轮机构可以是行星齿轮系统。可以通过使用以行星布局的星形齿轮、行星齿轮和环形齿轮的系统来驱动从所述第一输入轴和第二输入轴传输到输出轴。这使得所述第一输入旋转和第二输入旋转能够被有效地相互抵消，并且提供了在所述第一输入角速度和第二输入角速度不为零的情况下的静止的输出。

本发明进一步提供一种车辆，其包括本发明所述的电驱动系统。

所述车辆可以是越野车。本发明的电驱动系统特别适合使用在越野车中，因为该车辆需要增大的转矩来在未铺设好的或粗糙的地形上从静止开始开动。

本发明进一步包括一种车轮，其包括安装于其上的本发明的电驱动系统。上述驱动系统可以被直接地(或间接地)连接到车辆的车轮上以向该车辆提供动力。

本发明可以提供用于驱动输出的电驱动系统，其包括：第一电动机，其被设置为以第一角速度驱动第一输入轴；第二电动机，其被设置为以第二角速度驱动第二输入轴；齿轮机构，其被设置为传输所述第一输入轴和第二输入轴的角旋转以便以输出角速度驱动输出轴，其中第一轴和第二轴被设置为彼此相反地工作，因此当他们角速度相等时，输出轴静止；控制器，其被设置为控制所述第一电动机和第二电动机的运行，以使当要从静止开始驱动输出轴时，所述控制器被设置为控制所述第一电动机和第二电动机将第一输入轴和第二输入轴驱动到预定的最佳角速度，而它们仍然彼此相反地工作，并且之后改变第一输入轴、第二输入轴或它们两个的角速度以使它们不再完全彼此相反地工作，从而使输出从静止开始被驱动。

第一电动机和第二电动机的预定最佳角速度可以是在高效区域中的速度。高效角速度区域可以处在ω_max的20％到80％之间、在ω_max的40％到80％之间或在ω_max的40％到60％之间。所述预定最佳角速度可以在功率输出最大处。所述预定最佳角速度可以在ω_max/2处或者超过ω_max/2。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参照附图描述本发明的实施例，附图中：

图1示出典型电动机的角速度、转矩和功率之间的关系。

图2示出第二种典型电动机的角速度、转矩和功率之间的关系。

图3示出根据本发明实施例的驱动系统的示意图。

图4示出根据本发明实施例的驱动系统的输入和输出之间的角速度的关系。

图5示出根据本发明实施例的驱动系统的功率和效率。

图6示出一个示例行星齿轮布局。

图7示出本发明的齿轮机构的示意图。

图8示出本发明的齿轮机构的侧视图。

图9示出本发明的驱动系统的剖开视图。

图10示出本发明的一种替代齿轮机构的示意图。

图11示出本发明的一种替代齿轮机构的示意图。

图12示出根据本发明的第二实施例的驱动系统。

图13示出根据本发明的第三实施例的驱动系统。

图14示出根据本发明的第四实施例的驱动系统。

图15示出根据本发明的第五实施例的驱动系统。

图16示出根据本发明的第六实施例的驱动系统。

图17示出根据本发明的第七实施例的驱动系统。

具体实施方式

参考图3，在一个实施例中，驱动系统200包括具有输出220的齿轮机构210，所述输出220具有这样的形式：单驱动轴、轮轴、环形物、板、嵌齿或齿轮，其被驱动以角速度ω_out旋转。所述齿轮机构与第一输入驱动230和第二输入驱动240相连，两个输入驱动中的每一个分别具有以角速度ω₁和ω₂旋转的驱动输入的形式。

第一输入驱动230和第二输入驱动240分别由第一电动机250和第二电动机260驱动。在其他实施例中可能有三个或更多的输入电机，它们全都是电动机。所述第一和第二电动机由系统控制器270控制。在这个实施例中，所述系统控制器被设置为单独地控制所述第一和第二电机的速度。所述系统控制器处理来自操作者280的输入(所述输入可能是油门或其他速度控制器)并且确定所述第一和第二电机中的每一个所需的转速来达到期望输出转速。

在一些实施例中，车辆可能由两个或多个独立的驱动系统200供电，每一个特定的驱动系统为车辆的每个车轮提供驱动。在一些实施例中更高等级的控制器可以控制并且/或者从单独的系统控制器270接收反馈。在一些实施例中，车辆可以由被设置为单独地为每个车轮提供驱动的独立的驱动系统供电。每个独立的驱动系统，包括它的电动机和齿轮机构，被直接(或间接)连接到车辆的车轮以向车辆供电。

齿轮机构210被设置为使输出220轴以下式给出的角速度被驱动：

ω_out∝aω₁-bω₂,(1)其中a和b是常数。除了其他事项外，通过齿轮机构的齿轮齿数比、通过针对该机构的比率选择，来确定a和b的值。

输出速率与输入角速度之间的差成比例。因此，如果a＞0且b＞0且第一和第二输入轴被设置为以ω₁和ω₂是正的方式而被驱动，则第一和第二驱动输入有效地通过所述齿轮机构相互作用。因此第一和第二电机可以被控制为以它们初始相互抵消的方式工作。即使第一和第二电机正在工作以绕着他们各自的输入轴转动，控制器也可以控制它们的相关工作速率(通过对a和b的掌握)以使得对输出轴的转动没有或者几乎没有影响，即ω_out＝0或大约为0。在一个简单的例子中，其中a＝b,因此驱动系统200导致输出轴转速与第一和第二输入的转速之间的差成比例，并且当两个输入的转速都不为零时输出转速可以为零。

发明人已经意识到这个技术可以解决在不需要大输入驱动电流的情况下提供高转矩和低输出引擎速度(大约ω_out＝0)的问题。正如图1所见，一旦电机开始转动，转矩将随着转速(角速度)的增加而减小。因此，只要可能，以不接近零的转速运行电机是有利的。本发明允许两个电机250和260均以期望的非零转速(具有低转矩和低电流)运行，同时由电机速度差给出的输出可以是零或很低。利用这种方式，控制器可以控制第一和第二电机以使它们在其输出曲线的有效部分(例如最大转矩或最大ω的大约50％处，见图1)工作。当在其最大转矩的大约50％附近运行时，具有如图1所示的曲线的电动机将以近似最大功率运行，但是将消耗合理量(不是非常大的量)的电流，结果，可以在不消耗危险的(在效率、性能、过热、自动切断等方面)大量电流的情况下提供大的初始转矩输出(通过输出驱动)。这在车辆从静止开始被开动时很重要。

在电机的工作循环中，如图1所示，功率和角速度之间的抛物线性质的关系意味着功率将会在两个不同角速度ω_a和ω_b处相等。因此电机可以提供等量功率，同时以较高转速并因此以低水平的转矩和低电流运行。控制器可以被用来使第一和第二电机在它们的曲线的区域中运行以达到在ω_out≈0的区域中的期望输出，随之而来的好处是功率增加。

当车辆要被起动时，两个电机均从静止开始：ω₁＝ω₂＝0。在一个示例中，操作者(例如操作人员)提供车辆应开始向前移动的指示，例如这可以通过起动按钮来完成。控制器270接收到该指示。控制器随后指示第一电动机250和第二电动机260的激活以使它们驱动第一输入驱动轴230和第二输入驱动轴240从静止开始分别达到转速ω₁和ω₂。

控制器控制电机250、260的运行以使得aω₁＝bω₂,即当通过齿轮机构210传送该运动之后，ω_out＝0，即，输出轴220保持静止，并且车辆不移动。

在第一阶段(firstphase)期间，角速度ω₁和ω₂增加直到它们分别到达角速度ω_1，p和ω_2,p。角速度可以是预定值，已知第一和第二电机在这个角速度充分地高效运行。这可以是图1中每个电机的效率在90％到95％之间的区域。这可以是速度等于或约等于ω_max/2的区域，其对应于电机所传递的功率为最大的点。在典型的电动机中，最佳角速度可以是2500rpm。

在一个例子中同样的第一和第二电机被用来并且已知以转速2500rpm有效地工作。而且，为简单起见假设a＝b＝1。驱动系统在两个电机均静止时启动，并且响应于操作者输入，第一和第二电机两者的转速同时地增加直到ω₁＝ω₂＝2500rpm。这个过程由系统控制器270控制并且除了第一激活信号没有用户输入。显然，在其他实施例中，可以应用其他有效的rpm值。电动机运行的期望区域可以在它的最大转速值的20％-80％之间。

由于各电机以相等的转速运行，输出驱动以及因此所述车辆将保持静止。这种运行状态可以在第一用户动作(例如按下起动按钮)之后达到。当用户想要启动车辆运动，需要给系统控制器270进一步的输入。例如，这个输入可以具有机动车辆中典型的油门杆或者踏板的形式。在第二阶段期间，响应于进一步用户输入，系统控制器270减小电机中的一个(这个例子中的第二电机)的转速同时第一电机保持初始转速(在这个例子中是2500rpm)。由于输出与各电机转速之间的差成比例，所述转速差不再为零，车辆将从静止开始运动。由于电机转速差增加从而车速也增加，车辆将会加速。当车辆达到期望速度时，用户可以停止表明车辆需要加速的输入，在这一点，电机将停止改变转速并且车速将保持不变。

图4示出进一步的示例，其中第一和第二电机的初始转速已被设置为ω₁＝ω₂＝1500rpm。由于两个电机具有相同转速，因此输出转速将为0，并且车辆将静止。第一电机的速度随后从ω₁＝1500rmp增加到ω₁＝3000rmp。同时，第二电机的速度从ω₂＝1500rpm降低到ω₂＝0rpm。在这个例子中两个电机的速度以相同速率改变。图4示出该情况对输出转速的影响。由于输出等于第一和第二电机的差值，一旦ω₁≠ω₂则输出转速从零开始增加。当ω₁＝3000rpm且ω₂＝0rpm时，输出转速等于3000rpm。根据图4中给出的例子的驱动系统的功率和效率显示在图5中。

在一些实施例中，上述整个动作可以由控制器响应于单个用户输入(例如，油门的操作)完成。在控制器监管下的第一和第二电动机的启动很快足以使上述动作实行。

在另一个实施例中，aω₁≈bω₂。在该情况下，aω₁大体上等于bω₂，并且第一和第二电动机的作用将不能恰好地相互抵消。这可能是由于第一和第二电动机、齿轮机构或系统控制器的制造变化导致的。在另一个实施例中，在可以被预定义为容许阈值的阈值内，aω₁可以等于bω₂。因此ω_out具有容许的可能很小的非零值。为了保证这个阶段车辆没有不期望的运动，控制器被设置为控制车辆刹车的操作。如果aω₁＞bω₂，则车辆将被促使向前运动；而如果aω₁＜bω₂，则车辆将被促使向后移动。在这个阶段，车辆刹车被激活来防止这一情况。刹车的应用防止了输出的转动，并且强制输入驱动从“较快的”电机到“较慢的”电机，这将对两个电机速度的均衡化产生影响。因此用户可以通过刹车的应用在开动(pullaway)之前控制车辆缓慢移动。这与具有自动齿轮箱的单电机车辆的操作相似，单电机车辆的慢慢移动由刹车应用控制。如果aω₁和bω₂的差是容许的，则任何的车辆缓慢移动都可以由刹车应用来控制。电机将典型地稳定在aω₁＝bω₂的状况下。在一个电力系统中，这是一个通常可以接受的状况，因为一般不会花太长时间将每个电机从静止驱动到或接近它的最佳效率区。

在另一个实施例中，如果初始操作者指令是向前移动，则控制器控制电机使得aω₁≈bω₂且aω₁＞bω₂，因此，车辆会向前缓慢移动，而在明显的开动之前电机被带入有效工作区。类似地，如果初始操作者指令是向后移动，则控制器控制电机使得aω₁≈bω₂且aω₁＜bω₂因此，车辆会向后缓慢移动，而在明显的开动之前，电机被带入有效工作区。设想在一些实施例中，由于电动机的快速响应时间，在“缓慢移动”和开动之间将没有显著的延迟——车辆用户无需考虑它。

在一些实施例中，该系统使用第一电动机A和第二电动机B，第一电动机A的角速度被控制为针对所选应用的最佳效率、可行驶里程和功率，对于第二电动机B，当控制器没有从操作者那里接收到任何命令时，利用默认匹配函数“匹配”B到A的电机速度。控制器被设置为将A驱动到最佳值，然后被配置为控制B的角速度以匹配A，以使它们保持相等，或者大体地相等。加速实际上可能是对默认匹配函数“超驰(override)”的结果，并且控制第二电机B以提供期望的角速度差。

再进一步的实施例中，所述系统包括用于安全性和可控性两者的自动输出刹车功能，其可以被具有用户输入的系统控制器应用。

由于输出转速与两个输入电动机转速差成比例，驱动系统可以容易地且有效地在输出转速很低(即车速很低)的情况下操作，因此转矩和每个电机的电流消耗保持很低。因此这允许车辆以低速高转矩有效地运行。另外，很难以低速运行传统的电动车辆——低速时的大电流消耗(由于高转矩而造成)通常导致自动切断机械装置的实施以防止过热或者损坏电池或其他元件。

在一些实施例中，为了以相等的转速保持第一和第二输入，使用了附加的控制系统。这可以是反馈机制的形式，其测量各输入的相对速度，并相应地调整它们以保持ω_out＝0。电机中的一个可以被视为主电机，第二电机被设置为调整其速度以保持零转速差。

在一个特别有用的实施例中，第一和第二电机大体上是相同的。他们大体上具有相同的功率曲线和相同的尺寸。因此，有效的是，可以在他们之间共享驱动需求以提供相对于时间的相同磨损。在这个例子中，控制器可以交替地或时不时地在被看作第一和第二电机的各电机之间切换。

本发明的齿轮机构可能是如图6所示的反向星形复合行星齿轮布局400。该齿轮机构包括围绕在中心星形齿轮406周围并与之啮合的第一组六个内部行星齿轮402a、402b、402c、402d、402e、402f。第二组六个外部行星齿轮404a、404b、404c、404d、404e、404f也被设置为围绕在中心星形齿轮周围，但不与星形齿轮406啮合。第二组行星齿轮中的每一个都与第一组行星齿轮中的两个啮合。在第二组行星齿轮周围的是环形齿轮408，其与第二组行星齿轮404a、404b、404c、404d、404e、404f中的每一个都啮合。

在另一个实施例中，可以仅有一组行星齿轮，其中的每一个都与星形齿轮和环形齿轮啮合。在一些实施例中，每组行星齿轮的数量可以大于六个。在一些实施例中，每组行星齿轮的数量可以小于六个。

本发明的齿轮结构210在图7中示意性示出，与图6中所示的相同部件被给予相同标号。在这个情况下还示出了齿轮机构的输入和输出。参考图7，星形齿轮406与第一输入驱动230相连。在星形齿轮周围的是第一组行星齿轮402和第二组行星齿轮404。第一组行星齿轮通过行星齿轮载体510相连。旋转轴设置在相对于行星齿轮固定的位置，但是每个行星齿轮自己自由转动。行星齿轮载体510形成齿轮机构的第二输入并且与第二输入驱动相连。系统的输出是环形齿轮408，其与由系统驱动的车辆的车轮相连。

图8示出本发明的齿轮机构的细节侧视图。齿轮机构包括中心星形齿轮602，其具有被设置为容纳轴或轮轴的孔604。轴或轮轴将来自第一电动机的第一输入的提供到齿轮机构。因此，第一输入驱动所述星形齿轮。齿轮机构进一步包括行星齿轮载体606，其被设置为与所述星形齿轮同心转动。所述行星齿轮载体具有孔608，其被设置为容纳轮轴或轴以驱动行星齿轮载体。该轮轴或轴形成齿轮机构的第二输入并且被第二电动机驱动。因此第二输入驱动行星齿轮载体。

第一组行星齿轮402通过各轮轴附接到行星齿轮载体上，其中一个轮轴610如图8所示。轮轴610刚性地固定到行星齿轮载体，但在一些实施例中它可以自由转动。图8示出了第一组行星齿轮402中的一个齿轮612，其绕着轴610旋转。行星齿轮612与星形齿轮602啮合并从而将驱动从星形齿轮传递到行星齿轮612。第二组行星齿轮404类似地安装在行星齿轮载体上。第二组行星齿轮404中的一个齿轮616在图8中示出为通过轮轴614被安装到行星齿轮载体。行星齿轮616与第一组行星齿轮中的一个(图8中没有示出)啮合并且与环形齿轮618啮合。因此驱动被从第一组行星齿轮通过第二组行星齿轮传递到环形齿轮。两组行星齿轮的使用调转了星形齿轮的方向，因此它与环形齿轮在同一方向旋转。

在反向星形满装行星(reverse-starfull-complementplanetary-epicyclic)实施例中(如图6所示)，外部行星齿轮404可以被安装在驱动载体上，或者可以保持在它们啮合点和侧导板的位置上。这种侧导板包括齿轮机构外壳中的凹部，行星齿轮可以位于各凹部中。行星齿轮可以在无需行星齿轮载体的情况下被侧导板保持在适当位置。在图6和图9所示的设计中，外部行星没有安装载体，在图7所示的设计中内部行星和外部行星都安装有载体。

图9中所示驱动系统200的标号与图3相对应。第一电动机250被示出为驱动第一输入驱动230。第二电动机260被示出为驱动第二输入驱动240。输出驱动220也被示出。

在另一个实施例中，齿轮机构可以是如图10示意性示出的双星复合行星布局(也被称为直齿轮差速器、斜齿轮差速器、斜齿轮轴向差速器或轴向差速器)。双星行星布局包括第一星形齿轮802和第二星形齿轮804。第一星形齿轮802形成第一输入驱动并且被第一电动机驱动。第二星形齿轮804形成第二输入驱动并且由第二电动机驱动。第一和第二星形齿轮都绕着相同的轴转动。第一星形齿轮802与第一组行星齿轮806啮合。在图10中示出第一组行星齿轮中的两个，但是需要理解的是这里可以是任何适合的数字。第二星形齿轮804与第二组行星齿轮808啮合。仍在图10中示出第二组行星齿轮中的两个，但是需要理解的是这里可以是任何合适的数字。第一和第二组行星齿轮中的每一个被设置为相互啮合来将两个星形齿轮连接到输出。图10中的机构的输出是行星齿轮载体810，其被固定到两组行星齿轮。

在如图11所示的又一实施例中，齿轮机构是简单的行星布局。在这个实施例中，齿轮机构包括单中心星形齿轮902，其被单组行星齿轮904环绕。该组行星齿轮中的每一个都与星形齿轮以及周围的环形齿轮906啮合。第一输入驱动被设置为旋转星形齿轮902并且第二输入驱动行星齿轮载体908，行星齿轮载体908被固定到行星齿轮。输出驱动由与车轮相连的环形齿轮形成。

在其他实施例中，齿轮机构可以是锥齿轮差速器或是直齿轮机构。

齿轮机构的设计包括对磨损和轴承性能的考虑。这个系统包括在所有行为中确保给系统提供充足润滑的特性和装置。一般地，当ω_out＝0或者ω_out≈0时，齿轮机构中的齿轮将以相对较高的速度旋转。本发明中的齿轮机构的元件与正常使用时的‘标准’行星齿轮系统相比将承受高离心力。发明人已经意识到这是本发明特有的问题。这是在系统空闲期间和在每次运行开始时会发生的正常情况。为了解决这个问题，在一些实施例中提供了润滑系统。润滑系统确保在该操作行为期间向齿轮提供足够的润滑。另外，润滑系统确保当ω₁≠ω₂且ω₀＞0时齿轮机构承受的离心力不会迫切需要润滑的星形齿轮。变速箱的设计包括导向装置、轴承表面和机械加工特征，以将润滑剂引导到星形齿轮和载体接触面、星形齿轮的齿、内部行星齿轮的安装主轴和面、外部行星齿轮的面和齿、以及变速箱的环形齿轮。在一些实施例中，输入驱动利用封闭和预润滑的滚动轴承来保持有效润滑。

已经结合行星齿轮机构描述了润滑系统。使用具有这样的齿轮机构的本发明会承受特别高的离心力。但是，其他实施例中的润滑系统采用其他类型的齿轮机构来避免由高离心力引起的相似的问题是有用的。

本发明的驱动系统在低输出转速时需要高转矩的情况下特别有用。这可能是越野车需要高水平转矩通过困难地形的情况。本发明也提供在低车速和高转矩时的改进的速度控制。这对于比如农业机械(比如拖拉机)之类的以低速牵引或拖动通过困难地形的车辆是重要的。

本发明的驱动系统还适用于这样的应用:适合高质量特别是那些有高停止/起动工作周期的军用车辆、施工设备和公路用车(这样的车辆包括：运输车、公共汽车、有轨电车、电气铁路车辆或者火车等)。它对在低车速运行时需要准确的速度控制的无人驾驶车辆特别有用，比如农业和军用车辆。

不脱离权利要求的范围的各种修改对于本领域技术人员是显而易见的。本发明的可选实施例如图12到17所示，它们示出了对图3所示的驱动系统的变形。每个图中相同的部件被相应地标记。

在图12中，第一电动机250由电机控制器1010控制并且第二电动机260由电机控制器1020控制。电机控制器每个单独地由系统控制器270控制。驱动系统进一步包括：第一速度传感器1030，其被设置为监控第一电动机250的角速度，第二速度传感器1040，其被设置为监控第二电动机260的角速度；以及第三速度传感器1050，其被设置为测量齿轮机构输出的角速度。系统控制器被设置为从每一个速度传感器1030、1040、1050接收信号并且将这些信号转发到电机控制器1010和1020以控制第一和第二电动机的角速度。在第一阶段期间，即在车辆从静止开始运动之前，系统控制器可以被设置为控制第一电动机、第二电动机或者它们两个的角速度以使aω₁和bω₂接近于相等。在第一阶段期间，还可以将控制器进一步被设置为确定是否aω₁＝bω₂，并且，如果aω₁≠bω₂，则控制器可以被设置为控制第一电动机、第二电动机或者它们两者的角速度以使aω₁和bω₂接近于相等。在一些实施例中，第三速度传感器被设置为测量ω_out并且将它的值传达给控制器，并且在第一阶段期间，控制器可以被设置为控制第一电动机、第二电动机或者它们两者以使得aω₁和bω₂接近于相等。驱动系统进一步包括传输缓行刹车(transmissioncreepbrake)1060，其可以由用户操作以防止车辆在开动之前缓慢移动。在一些实施例中，传输缓行刹车可以是在系统控制器控制下的自动特征。

图13示出了齿轮机构210的输出通过差速器1110与驱动轴1120相连的实施例。要由该驱动系统驱动的车辆的车轮1130与驱动轴相连以使该驱动系统可以驱动车辆。

图14示出本发明的一个实施例，其中车辆由两个驱动轴驱动，每个驱动轴上安装两个车轮。两个驱动轴中的每一个通过差速器连接到本发明的驱动系统。操作者输入被设置为单独地或分别地控制每一个驱动系统以驱动车辆。操作者也可以操作两个系统控制器来使车辆的每个车轮达到相同的速度或者不同的速度，从而车轮滑动的各种控制可以被管理用来提供车辆的牵引力控制。这是在较易于遇到轮子滑动的困难地形上运行的越野车的特有的值。

图15示出本发明的一个实施例，其中齿轮机构的输出直接与由驱动系统供电的车辆的车轮相连。因此单个轮子在没有差速器的情况下被驱动系统直接驱动。图15的配置可以被扩展为提供两个驱动系统，每一驱动系统都带有一个附接到输出的单个轮子，如图16所示。这可以被安装在车辆上，并且除了轮速可以相互独立地控制以外，将可以如每一端带有轮子的驱动轴那样工作。主驱动控制器1310被设置为从用户接收信号来驱动车轮并且给车辆供电。这种配置可以被扩展为如图17所示的带有任意数量的驱动轮的车辆。每个车轮由驱动系统200驱动并且每个车轮可以被从用户输入接收信号的主控制器独立地控制。这些实施例提供的优点在于，每个车轮的驱动可以被容易地单独控制，这可以允许改进的转矩矢量控制和牵引管理。

在一些实施例中，驱动系统200可以安装在自给装置中，该自给系统包括被设置为从用户接口接收信号以控制所述单元的单个输入以及包括可以直接与车辆的车轮相连的单轴的输出。本发明的驱动系统可以被制造的小且轻，从而其可以被方便地并在一个单元中。

总之，本发明提供了一种电驱动系统，其通过使用允许两个输入电机均以有效角速度运行的齿轮机构，来使得能够以零输出速度或接近零输出速度有效运行。通过确保两个输入电机均一直在它们的输出角速度非零的区域中运行，电机传送的效率和功率得到最大化，同时显著地减小了停转的可能性。这对于存在大失速电阻并从而需要大转矩将车辆从静止开始发动的越野车而言尤其重要。在现有技术系统中，这需要电机的较大转矩输出并因此消耗较大电流，从而降低了车辆的效率和可行驶范围并且增大了车辆失速的可能性。

Claims (16)

1.一种用于驱动输出的电驱动系统，包括：

第一电动机，其被设置为以第一角速度ω₁驱动第一输入轴，

第二电动机，其被设置为以第二角速度ω₂驱动第二输入轴，

齿轮机构，其被设置为传输第一输入轴和第二输入轴的角旋转，以便在使得输出角速度ω_out与aω₁-bω₂成比例的情况下以输出角速度ω_out驱动输出，其中a和b是常数，

控制器，其被设置为控制所述第一电动机和所述第二电动机的运行，其中当要从ω_out＝0开始驱动输出时，所述控制器被设置为控制所述第一电动机和所述第二电动机按照以下方式来驱动所述第一输入轴和所述第二输入轴：

在第一阶段中，将所述第一输入轴和所述第二输入轴驱动到第一初步角速度ω_1,p和第二初步角速度ω_2,p，使得aω_1,p≈bω_2,p，并且

随后在第二阶段中，改变所述第一角速度ω₁、或者所述第二角速度ω₂或者两者，以使aω₁≠bω₂并且从ω_out＝0开始驱动输出。

2.权利要求1中所述的电驱动系统，其中所述控制器被设置为控制所述第一电动机和所述第二电动机来将所述第一输入轴和所述第二输入轴驱动到所述第一初步角速度和所述第二初步角速度以使得aω_1,p＝bω_2,p。

3.权利要求1中所述的电驱动系统，其中所述第一初步角速度和所述第二初步角速度中的每一个实质上是非零的，例如比ω_max的10％大，其中ω_max是每个电机和输入轴对的最大角速度。

4.权利要求2中所述的电驱动系统，其中所述第一初步角速度和所述第二初步角速度中的每一个处在ω_max的20％到80％之间。

5.前述权利要求中任一项所述的电驱动系统，其中所述控制器被设置为响应于用户输入来控制所述第一电动机和所述第二电动机的转速。

6.前述权利要求中任一项所述的电驱动系统，进一步包括：感测系统，其被设置为测量ω₁和ω₂并且将测量结果传达给所述控制器，以使在所述第一阶段中所述控制器被设置为控制所述第一电动机、所述第二电动机或者这两个电动机以便使得aω₁和bω₂接近于相等。

7.权利要求6中所述的电驱动系统，其中所述控制器被设置为确定是否aω₁＝bω₂，如果确定出aω₁≠bω₂，则所述控制器被进一步设置为控制所述第一电动机、所述第二电动机或者这两个电动机以使aω₁和bω₂接近于相等。

8.权利要求6或7中所述的电驱动系统，其中所述感测系统包括被设置为测量ω₁的第一传感器以及被设置为测量ω₂的第二传感器。

9.前述权利要求中任一项所述的电驱动系统，进一步包括：第三传感器，其被设置为测量ω_out并且将它的值传达给所述控制器，在所述第一阶段中所述控制器被设置为控制所述第一电动机、所述第二电动机或者这两个电动机以使aω₁和bω₂接近于相等。

10.前述权利要求中任一项所述的电驱动系统，其中所述齿轮机构包括：润滑系统，其被设置为在高离心力下运行。

11.权利要求10中所述的电驱动系统，其中所述润滑系统包括：被设置为用于引导润滑剂的导向装置或轴承表面。

12.前述权利要求中任一项所述的电驱动系统，其中所述齿轮机构是行星齿轮系统。

13.所述电驱动系统，其基本如本说明书中参考图3到17中的任意一个或多个所描述。

14.一种车辆，包括前述权利要求中任一项所述的电驱动系统。

15.根据权利要求14所述的车辆，其中所述车辆是越野车。

16.一种车轮，包括安装于其上的如权利要求1到13中任意一个或多个所述的电驱动系统。