CN105966229A

CN105966229A - 一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车

Info

Publication number: CN105966229A
Application number: CN201610356342.6A
Authority: CN
Inventors: 陈起旭; 徐俊; 张维熙; 邹忠月; 曹秉刚; 李复活
Original assignee: SANMENXIA SUDA TRANSPORTATION ENERGY SAVING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SANMENXIA SUDA TRANSPORTATION ENERGY SAVING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2016-05-26
Filing date: 2016-05-26
Publication date: 2016-09-28

Abstract

本发明公开了一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，前后桥采用独立悬架设计，并将前桥、后桥分别分成两段驱动半桥，每一个半桥中均采用独立的盘式电机和行星减速器带动车轮转动，整车ECU通过接收车上传感器收集的信息，协调各个盘式电机控制器的动作，并通过四个盘式电机控制器分别控制相应的盘式电机。本发明充分利用盘式电机、行星减速器轴向尺寸短、输出转矩大的优点，将盘式电机和行星减速器置于左右两个半驱动桥上，有利于降低悬架弹簧以下质量，尤其是降低轮胎部分的质量，相对于传统电机加常规的阶梯平行轴减速器组合方式，可以有效节省底盘空间，方便布置更大容量的电池包。

Description

一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车

技术领域

本发明涉及一种四轮纯电力驱动的电动汽车，具体涉及一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车。

背景技术

在纯电动、混合动力汽车领域应用的驱动动力多采用传统电机加常规的阶梯平行轴减速器组合方式，驱动电机多为径向磁通的交流永磁同步电动机、直流电机或者交流异步电动机，由于传统径向磁通电机轴向安装尺寸较大，功率密度和效率都偏低，不利于在电动汽车领域空间要求严格、效率要求高的场合应用。减速器多采用平行轴式多级减速器，造成径向方向占用过大的空间，影响电池布置的空间。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，包含四个盘式电机以及与其匹配的行星减速器与电机控制器。

本发明充分利用盘式电机、行星减速器轴向尺寸短、输出转矩大的优点，将盘式电机、行星减速器置于左右两个半驱动桥上，静止的部分固定到底盘上。相对于轮毂电机驱动的电动汽车，本发明有利于降低悬架弹簧以下质量，尤其是降低轮胎部分的质量；相对于传统电机加常规的阶梯平行轴减速器组合方式，可以有效节省底盘空间，方便布置更大容量的电池包。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，前后桥采用独立悬架设计，并将前桥、后桥分别分成两段驱动半桥；在驱动半桥中，盘式电机的主轴与行星减速器的太阳轮通过法兰盘或者花键副连接；行星减速器的行星架与驱动半桥通过法兰盘连接；所述的驱动半桥包含两端的万向节的伸出轴，以分别连接轮毂和行星架；两个相邻的盘式电机之间设有各自独立的盘式电机控制器；所述的盘式电机控制器通过整车控制器ECU协调，用于分配各个车轮的扭矩和转速；所述的整车控制器ECU设置在前后桥之间，并在该处还设有电池包和刹车控制器。

进一步，所述的整车控制器ECU，用于收集车轮、方向盘、刹车踏板、油门踏板的位置或转速信号，盘式电机控制器将采集的位置、转速信号、控制的变量值等通过矢量控制算法处理后，传递给整车控制器ECU，由整车控制器ECU协调盘式电机控制器的动作。

进一步，所述的盘式电机控制器位于前后桥的中间位置，采用圆形套筒设计，接收来自整车控制器ECU的控制信号，将电池包供给的直流电逆变成交流电，控制相邻的盘式电机实现正反转、加减速、启动和停止动作。

进一步，所述的盘式电机为盘式交流永磁同步电机，其结构形式不局限于单定子单转子结构，亦包含双定子单转子、双转子单定子、表贴式盘式电机或内置式盘式电机；其中后桥的两个盘式电机既可以作为电动机驱动后桥使用，也可以作为发电机，在车辆下坡滑行、点刹制动工况时，作为制动能量回收发电使用。

进一步，所述的盘式电机控制器包含电机故障检测模块，当盘式电机出现故障时，信号反馈给盘式电机控制器，信号通过处理后，再提供给整车控制器ECU。

在本发明中，每一个盘式电机均由独立的电力控制回路控制，所述的电力控制回路包含电池包、主继电器保护电路、升压DC/DC变换电路、放电电路、薄膜电容、逆变器、盘式电机、以及降压DC/DC变换电路、主控制器和整车控制器ECU；所述的盘式电机的运转由电池包供电，经过主继电器、预充电继电器保护电路，接着通过升压DC/DC变换电路给电池包升压，以降低线路损耗和扩大机械外特性区间，经过放电电路给薄膜电容充电，经过逆变电路将直流电逆变成交流电，供电给盘式电机；所述的盘式电机控制器产生六路PWM调制波，用于控制逆变器的三个桥臂的六个IGBT开关管的通断，将车辆加速减速命令转换成电流命令，传递给盘式电机控制器，同时通过两个电流传感器获取电流反馈值，同时通过旋转变压器或者光电编码器获取转子位置信息，并与初值对比求差值，电压传感器采集逆变器的输入电压，经过矢量控制算法，通过PARK变换与CLARK变换计算出盘式电机所需的输入电压，最终达到预期的转速。

进一步，电池包的高压通过降压DC/DC变换电路，给小电瓶、钥匙开关和车灯等辅助电源供电。

进一步，当放电电路中的IGBT开关管（41）接收电机驱动控制器信号接通时，电容（42）、电阻（40）和IGBT开关管（41）形成其中一条封闭放电回路，电容（42）放电，由电阻（40）以热量形式释放；另一条封闭放电回路，由电容（36）、电抗器（38）、IGBT开关管（39）的续流二极管、电阻（40）和IGBT开关管（41）的开关晶体管组成，电容（36）放电，经该回路的电阻（40）以热量形式耗散。

进一步，所述的前桥主轴和后桥主轴之间设有离合器。

进一步，所述的离合器的工作方式为，在直行状态，离合器压紧；在转弯状态，离合器分离。

本发明的有益效果：

通过设计新的整车架构，使用行星减速器代替传统车驱动桥包里的主减速器，采用电子差速，替代原来驱动桥包内的机械差速器，这样左右驱动半桥上的盘式电机在盘式电机控制器控制、电池包供电和行星减速器减速作用下，可共同施加扭矩，显著提高电动汽车的加速性能。

同时，盘式电机控制器、盘式电机、行星减速器、电子差速器置于左右两个半驱动桥上，静止的部分固定到底盘上，显著降低了底盘占用空间和簧下质量，方便布置更大容量的电池包，提高电动汽车的行驶里程，降低车辆重心，提高行驶稳定性。

通过整车控制器ECU协调前后轮的四个盘式电机输出的扭矩分配，实现真正的电子差速四轮独立驱动。

附图说明

图1为本发明电子差速四轮纯电力驱动电动汽车结构图；

图2为本发明电子差速动力耦合部分结构图；

图3为本发明电子差速后轮纯电力驱动电动汽车结构图；

图4为本发明电子差速前轮纯电力驱动电动汽车结构图；

图5为本发明带离合器的电子差速四轮纯电力驱动电动汽车结构图；

图6为本发明纯电动汽车电力控制回路图；

图7是本发明电容放电回路1；

图8是本发明电容放电回路2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

本发明是一种采用电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车。如图1和图2所示，汽车前后桥采用独立悬架设计，将前桥、后桥分别分成两段驱动半桥5LF、5RF、5LR、5RR；在左前驱动半桥5LF中，从左向右依次布置有行星减速器12LF、盘式电机11LF和盘式电机控制器10LF；在右前驱动半桥5RF中，从右向左，依次布置有行星减速器12RF、盘式电机11RF和盘式电机控制器10RF。以盘式电机11LF、11RF为例，盘式电机11LF、11RF的主轴17LF、17RF与行星减速器12LF、12RF的太阳轮PL1、PR1的输入轴通过法兰盘或者花键副的形式连接，行星减速器12LF、12RF的行星架PL3、PR3与驱动半桥5LF、5RF通过法兰盘连接。车轮经行星减速器减速增扭之后驱动旋转。后桥中盘式电机11LR、11RR的主轴17LR、17RR与行星减速器12LR、12RR的连接方式与前桥相同。

以前桥为例，左前行星减速器12LF包括太阳轮PL1、行星轮PL2、齿圈PL3和行星架PL4，右前行星减速器12RF包括太阳轮PR1、行星轮PR2、齿圈PR3和行星架PR4。行星减速器拥有较大的减速比，同时显著降低了驱动半轴轴向方向的尺寸。后桥中的行星减速器12LR、12RR设置方式与前桥相同，不再赘述。

前后桥之间布置有电池包24、整车控制器ECU 25和刹车控制器26。整车控制器ECU 25，用于收集车轮1LF、1RF、1LR、1RR、方向盘18、刹车踏板20、油门踏板22的位置或转速信号，电机控制器10LF、10RF、10LR、10RR将方向盘传感器19、刹车传感器21、油门传感器23采集的位置变量值等通过矢量控制算法处理后，传递给整车控制器ECU 25，协调四个盘式电机控制器10LF、10RF、10LR、10RR，控制四个盘式电机11LF、11RF、11LR、11RR动作，分配前后桥的转矩，避免打滑、磨轮胎现象。

以左前盘式电机控制器为例，盘式电机控制器10LF，位于前桥中间位置，采用圆形套筒设计，接收来自整车控制器ECU 25的控制信号，将电池包24供给的直流电逆变成交流电，控制相邻的盘式电机11LF实现正反转、加减速、启动、停止动作。盘式电机控制器10LF包含电机故障检测模块，盘式电机出现故障后，信号反馈给电机控制器10LF，信号处理后，再提供给整车控制器ECU 25，方便驾驶者及时作出反应。

盘式电机11LF、11RF的定子ML2、MR2固定到车底盘上，为一种盘式交流永磁同步电机，其结构形式不局限于单定子单转子结构，亦包含双定子单转子、双转子单定子、表贴式盘式电机、内置式盘式电机。其中后桥的两个盘式电机11LR、11RR，既可以作为电动机驱动后桥使用，亦可以作为发电机，在车辆下坡滑行、点刹制动工况，通过再生制动器27L、27R作为制动能量回收发电使用。

以前桥为例，转速传感器8LF、8RF为安装在盘式电机11LF、11RF的非驱动端上的旋转变压器或者光电编码器，采集盘式电机转子ML3、MR3位置信息，传递给被控盘式电机11LF、11RF所属的盘式电机控制器10LF、10RF。后桥转速传感器8LR、8RR的设置结构与前桥相同，不在赘述。

通过刹车位置传感器21采集刹车踏板20的位置信号，传递给整车控制器ECU 25，根据刹车的力度，ECU 25决定采用不同的制动方式。轻轻点刹时，控制后桥驱动半轴上的两个盘式电机11LR、11RR，通过再生制动器27L、27R能量回馈制动发电，实现能量回收功能，给电池包24充电。深度踩刹车时，刹车的控制通过整车控制器ECU 25中的制动力矩分配模块，传递给刹车控制器26，分配制动力矩，控制夹紧刹车盘2LF、2RF、2LR、2RR的力度，实现机械刹车制动，降低车速。

驾驶者通过踩踏油门踏板22，油门踏板位置传感器23采集位置信号传递给整车控制器ECU 25, 整车控制器ECU 25将其转换成力矩信号命令发送给四个电机控制器10LF、10RF、10LR、10RR，电机控制器根据力矩信号命令，计算出所需的交/直轴电流，通过电池包24的放电，供电给四个半驱动桥上的盘式电机11LF、11RF、11LR、11RR，实现车辆的加速。

空调组件布置在对应传统车的发动机舱中，包含冷凝器13、压缩机15、蒸发器14以及压缩机电机控制器16，由电池包24供电。

前后车轮均采用独立悬架设计，在左前悬架中，靠近车轮1LF处的边缘驱动半轴5LF的一端通过十字轴万向节或者球笼式等速万向节4LF连接轮毂，另一端的十字轴万向节或者球笼式等速万向节6LF通过一对花键副或者法兰盘9LF，连接行星减速器12LF中的行星架PL3；在右前悬架中，靠近车轮处的边缘驱动半轴5LR的一端通过十字轴万向节或者球笼式等速万向节4RF连接轮毂，另一端的十字轴万向节或者球笼式等速万向节6RF通过一对花键副或者法兰盘9RF，连接行星减速器12RF中的行星架PR3；在左后悬架中，靠近车轮处的边缘驱动半轴5LR的一端通过十字轴万向节或者球笼式等速万向节4LR连接轮毂，另一端的十字轴万向节或者球笼式等速万向节6LR通过一对花键副或者法兰盘9LR；在右后悬架中，靠近车轮处的边缘驱动半轴5RR的一端通过十字轴万向节或者球笼式等速万向节4RR连接轮毂，另一端的十字轴万向节或者球笼式等速万向节6RR通过一对花键副或者法兰盘9RR；允许盘式电机轴线与轮毂轴线不同轴。驱动半轴5LF上设置有支持轴承3LF、7LF，驱动半轴5RF上设置有支持轴承3RF、7RF，驱动半轴5LR上设置有支持轴承3LR、7LR，驱动半轴5RR上设置有支持轴承3RR、7RR。在加速时，同一时间传递到两侧的扭矩相同，可以减少扭力转向分配不均的问题。

转向横拉杆28位于左前车轮1LF和右前车轮1RF之间，通过齿轮齿条传动机构29，借助于电子马达助力或者液压马达助力，实现左前车轮1LF和右前车轮1RF的转向。

电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，可由此衍生出后轮驱动电子差速耦合纯电动汽车和前轮驱动电子差速耦合纯电动汽车，还应包括带压紧机构的多盘式离合器56F、56R的电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车；在直行状态，离合器56F、56R压紧，实现左右两个盘式电机共同转速、扭矩驱动；在转弯状态，离合器56F、56R分离，配合转向横拉杆28，实现加速转弯，如图3，图4，图5所示。

本发明的工作原理为：

如图1和图6所示，每一个盘式电机均采用独立的电力控制回路，该电力控制回路包含电池包24、主继电器保护电路30、电压DC/DC变换电路31、放电电路32、薄膜电容42、逆变器33、盘式电机11、以及降压DC/DC变换电路51、主控制器55、整车控制器ECU 25。盘式电机11的运转由电池包24供电，经过主继电器34和预充电继电器35保护电路，接着通过升压DC/DC变换电路31给电池包24升压，以降低线路损耗和扩大机械外特性区间，经过放电电路32给薄膜电容42充电，经过逆变电路33，将直流电逆变成交流电，供电给盘式电机11。盘式电机控制器10LF产生六路PWM调制波，用于控制逆变器33的三个桥臂的六个IGBT开关管43～48的通断。将车辆加速/减速命令转换成电流命令，传递给四个盘式电机控制器10LF、10LR、10RF、10RR，同时通过电流传感器49、50获取电流反馈值，同时通过旋转变压器或者光电编码器8获取转子位置信息，并与初值对比求差值，电压传感器采集逆变器的输入电压即母线电压，经过矢量控制算法，通过PARK变换与CLARK变换计算出盘式电机11所需的输入电压，最终达到预期的转速。同时，电池包24的高压通过降压DC/DC变换电路51，给小电瓶52、钥匙开关53、车灯等辅助电源供电。整车控制器ECU 25协调主控制器55的动作，电容42、电容36所经过公共的放电电路32的开通与关闭，由电机驱动控制器55来控制。电压传感器54采集逆变器33输入端的直流母线电压，将该电压信号传递给电机驱动控制器55。

滤波电容36、IGBT 37、IGBT 39、电抗器38共同组成DC/DC电压变换电路31。当IGBT 41接收电机驱动控制器55信号接通时，电容42、电阻40、IGBT41的开关晶体管形成其中一条封闭放电回路，电容42放电，由电阻40以热量形式释放，如图7所示。另一条封闭放电回路，由电容36、电抗器38、IGBT 39的续流二极管、电阻40、IGBT 41的开关晶体管组成，电容36放电，经该回路的电阻40，以热量形式耗散，如图8所示。

尽管本说明书已经图示和描述了具体的实施实例，但本领域技术人员应该理解，在不背离本发明的范围的情况下，各种替换或等同实现都可以替代所示和所描述的这些具体实施实例。本申请旨在覆盖任何改变和本发明所讨论的各种具体实施实例。因此本发明仅由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，前后桥采用独立悬架设计，并将前桥、后桥分别分成两段驱动半桥（5LF、5RF、5LR、5RR）；在驱动半桥（5LF、5RF、5LR、5RR）中，盘式电机（11LF、11RF、11LR、11RR）的主轴（17LF、17RF、17LR、17RR）与行星减速器（12LF、12RF、12LR、12RR）的太阳轮通过法兰盘或者花键副连接；行星减速器（12LF、12RF、12LR、12RR）的行星架与驱动半桥（5LF、5RF、5LR、5RR）通过法兰盘连接；所述的驱动半桥（5LF、5RF、5LR、5RR）包含两端的万向节（4LF、6LF、4RF、6RF、4LR、6LR、4RR、6RR）的伸出轴，以分别连接轮毂和行星架；两个相邻的盘式电机之间设有各自独立的盘式电机控制器（10LF、10RF、10LR、10RR）；所述的盘式电机控制器（10LF、10RF、10LR、10RR）通过整车控制器ECU（25）协调，用于分配各个车轮（1LF、1RF、1LR、1RR）的扭矩和转速；所述的整车控制器ECU（25）设置在前后桥之间，并在该处还设有电池包（24）和刹车控制器（26）。

2.根据权利要求1所述的一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，其特征在于：所述的整车控制器ECU（25），用于收集车轮（1LF、1RF、1LR、1RR）、方向盘（18）、刹车踏板（20）、油门踏板（22）的位置或转速信号，盘式电机控制器（10LF、10RF、10LR、10RR）将采集的位置、转速信号、控制的变量值等通过矢量控制算法处理后，传递给整车控制器ECU（25），由整车控制器ECU（25）协调盘式电机控制器（10LF、10RF、10LR、10RR）的动作。

3.根据权利要求1所述的一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，其特征在于：所述的盘式电机控制器（10LF、10RF、10LR、10RR）位于前后桥的中间位置，采用圆形套筒设计，接收来自整车控制器ECU（25）的控制信号，将电池包（24）供给的直流电逆变成交流电，控制相邻的盘式电机（11LF、11RF、11LR、11RR）实现正反转、加减速、启动和停止动作。

4.根据权利要求1所述的一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，其特征在于：所述的盘式电机（11LF、11RF、11LR、11RR）为盘式交流永磁同步电机，其结构形式不局限于单定子单转子结构，亦包含双定子单转子、双转子单定子、表贴式盘式电机或内置式盘式电机；其中后桥的两个盘式电机（11LR、11RR）既可以作为电动机驱动后桥使用，也可以作为发电机，在车辆下坡滑行、点刹制动工况时，作为制动能量回收发电使用。

5.根据权利要求1所述的一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，其特征在于：所述的盘式电机控制器（10LF、10RF、10LR、10RR）包含电机故障检测模块，当盘式电机（11LF、11RF、11LR、11RR）出现故障时，信号反馈给盘式电机控制器（10LF、10RF、10LR、10RR），信号通过处理后，再提供给整车控制器ECU（25）。

6.根据权利要求1所述的一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，其特征在于：每一个盘式电机（11）均由独立的电力控制回路控制，所述的电力控制回路包含电池包（24）、主继电器保护电路（30）、升压DC/DC变换电路（31）、放电电路（32）、薄膜电容（42）、逆变器（33）、盘式电机（11）、以及降压DC/DC变换电路（51）、主控制器（55）和整车控制器ECU（25）；

所述的盘式电机（11）的运转由电池包（24）供电，经过主继电器（34）、预充电继电器保护电路（35），接着通过升压DC/DC变换电路（31）给电池包（24）升压，以降低线路损耗和扩大机械外特性区间，经过放电电路（32）给薄膜电容（42）充电，经过逆变电路（33）将直流电逆变成交流电，供电给盘式电机（11）；

所述的盘式电机控制器（10LF、10RF、10LR、10RR）产生六路PWM调制波，用于控制逆变器（33）的三个桥臂的六个IGBT开关管（43~48）的通断，将车辆加速减速命令转换成电流命令，传递给盘式电机控制器（10LF、10RF、10LR、10RR），同时通过两个电流传感器(49、50)获取电流反馈值，同时通过旋转变压器或者光电编码器（8）获取转子位置信息，并与初值对比求差值，电压传感器（54）采集逆变器（33）的输入电压，经过矢量控制算法，通过PARK变换与CLARK变换计算出盘式电机所需的输入电压，最终达到预期的转速。

7.根据权利要求6所述的一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，其特征在于：电池包（24）的高压通过降压DC/DC变换电路（51），给小电瓶（52）、钥匙开关（53）和车灯等辅助电源供电。

8.根据权利要求6所述的一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，其特征在于：当放电电路（32）中的IGBT开关管（41）接收电机驱动控制器（55）信号接通时，电容（42）、电阻（40）和IGBT开关管（41）形成其中一条封闭放电回路，电容（42）放电，由电阻（40）以热量形式释放；另一条封闭放电回路，由电容（36）、电抗器（38）、IGBT开关管（39）、电阻（40）和IGBT开关管（41）组成，电容（36）放电，经该回路的电阻（40）以热量形式耗散。

9.根据权利要求1所述的一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，其特征在于：所述的前桥主轴（17LF、17RF）和后桥主轴（17LR、17RR）之间设有离合器（56F、56R）。

10.根据权利要求9所述的一种电子差速耦合四轮纯电力驱动的电动汽车，其特征在于：所述的离合器（56F、56R）的工作方式为，在直行状态，离合器（56F、56R）压紧；在转弯状态，离合器（56F、56R）分离。