CN106004516B - 一种包含主减速器与差速器的四轮纯电力驱动的电动汽车 - Google Patents

一种包含主减速器与差速器的四轮纯电力驱动的电动汽车 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种包含主减速器与差速器的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、后桥分别分成四段驱动半桥；在前桥和后桥中分别设有差速器，差速器的两侧齿轮所属的驱动半轴分别与其对应的靠近的轮毂处的驱动半轴通过法兰盘连接；在前桥和后桥上分别设有两台相邻盘式电机，相邻两台盘式电机通过法兰盘或联轴器串联，盘式电机的输出轴通过法兰盘连接减速器的主动齿轮；在减速器的两侧分别设有两台盘式电机控制器，所述的盘式电机控制器固定在汽车底盘上。本发明通过设计新的整车架构，两台盘式电机通过法兰盘或者联轴器串联连接，输出轴通过法兰盘直接连接主减速器的主动齿轮，从而实现了扭矩和功率加倍的效果。

Description

一种包含主减速器与差速器的四轮纯电力驱动的电动汽车
技术领域
本发明涉及一种电动汽车，具体涉及一种包含主减速器与差速器的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+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包含主减速器与差速器组合且采用盘式电机串联四轮驱动的纯电动汽车。本发明包含四个盘式电机以及与其匹配的盘式电机控制器，主减速器与差速器组合位于前后桥上，每个驱动桥由两台盘式电机串联驱动。
为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种包含主减速器与差速器的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、后桥分别分成四段驱动半桥；在前桥和后桥中分别设有差速器，差速器的两侧齿轮所属的驱动半轴分别与其对应的靠近的轮毂处的驱动半轴通过法兰盘连接；在前桥和后桥上分别设有两台相邻盘式电机，相邻两台盘式电机通过法兰盘或联轴器串联，盘式电机的输出轴通过法兰盘连接减速器的主动齿轮；在减速器的两侧分别设有两台盘式电机控制器，所述的盘式电机控制器固定在汽车底盘上；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，所述的主减速器包括主动齿轮和从动齿轮，所述的差速器由行星齿轮、行星齿轮轴、半轴侧齿轮和差速器壳体组成。
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。
进一步，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）、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。
本发明的有益效果：
本发明充分利用盘式电机低速大转矩的优点，将盘式电机、主减速器、差速器置于前后驱动桥中间位置，纵向放置，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。
通过设计新的整车架构，两台盘式电机通过法兰盘或者联轴器串联连接，输出轴通过法兰盘直接连接主减速器的主动齿轮，从而实现了扭矩和功率加倍的效果。这样盘式电机在控制器供电、主减速器降速作用下，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、盘式电机位于前后舱室中，主减速器、差速器置于前后驱动桥上，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协调前后桥的扭矩分配，实现真正的四轮驱动。
附图说明
图1为本发明包含主减速器与差速器组合且采用盘式电机串联四轮驱动的纯电动汽车结构图；
图2为本发明机械差速动力耦合部分结构图；
图3为本发明包含主减速器与差速器组合且采用盘式电机串联后轮驱动的纯电动汽车结构图；
图4为本发明包含主减速器与差速器组合且采用盘式电机串联前轮驱动的纯电动汽车结构图；
图5为本发明纯电动汽车电力控制回路图；
图6为本发明电容放电回路1；
图7为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。
如图1和图2所示，本发明是一种包含主减速器与差速器的四轮纯电力驱动的电动汽车。本发明的车辆布局结构采用前后桥采用独立悬架设计，将前桥和后桥分别分成四段驱动半桥。以前桥为例，在前桥中包括四个驱动半桥5LF、P1、5RF、P2，前差速器17F的左侧齿轮所属的驱动半轴P1与靠近轮毂处的左驱动半轴5LF，通过法兰盘9LF连接；前差速器17F的右侧齿轮所属的驱动半轴P2与靠近轮毂处的右驱动半轴5RF，通过法兰盘9RF连接；后桥部分连接形式与前桥相同。前舱室的两台盘式电机11LF、11RF通过法兰盘或者联轴器F1串联，输出轴通过法兰盘F2连接前主减速器10F的主动齿轮R1，从而实现了扭矩和功率加倍的效果。前舱室的两台盘式电机控制器12LF、12RF，布置在主减速器10F的两侧，与底盘连接。
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，连接前差速器17F所属的半轴的侧齿轮D1；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，连接差速器所属的半轴的侧齿轮D2；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。中间驱动半轴S1与边缘驱动半轴5LF的夹角也是相同的。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。
前后桥之间布置有电池包24、整车控制器ECU25和刹车控制器26，整车控制器ECU25，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12LF、12RF、12LR、12RR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12LF、12RF、12LR、12RR，控制四个盘式电机动作11LF、11RF、11LR、11RR，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12LF位于主减速器10F的左侧，接收来自整车控制器ECU 25的控制信号，并将电池包24供给的直流电逆变成交流电，控制匹配的盘式电机11LF实现正反转、加减速、启动、停止动作。盘式电机控制器12LF包含电机故障检测模块，盘式电机出现故障，信号反馈给电机控制器12LF，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。
以左前盘式电机为例，盘式电机11LF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，后舱室的两个盘式电机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、点刹制动工况下，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，本发明中的转速传感器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ML2、MR2的位置信息，传递给被控盘式电机11LF、11RF所属的盘式电机控制器12LF、12RF。后桥上的转速传感器8LR、8RR的安装方式与前桥相同，不再赘述。
刹车踏板20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，整车控制器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ECU25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12LF、12RF、12LR、12RR，电机控制器12LF、12RF、12LR、12RR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。
本发明中的主减速器10F、10R的结构如图2所示。以主减速器10F为例，包括主动齿轮R1和从动齿轮R2，拥有较大的减速比，将盘式电机11LF、11RF串联之后的输出轴与主减速器10F的主动齿轮R1通过法兰连接，用于车轮的减速增扭。
在主减速器10F后方连接有前差速器17F，以前差速器17F为例，由行星齿轮P1、P2、行星齿轮轴S1、半轴侧齿轮D1、D2和差速器壳体C1组成。行星齿轮P1、P2与半轴侧齿轮D1、D2相互啮合，可实现直线行驶状态，保持左右轮转速相同；转弯行驶状态，允许左右轮以不同转速转动。
在车辆中还设有空调组件，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。
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。
所述的一种包含主减速器与差速器的四轮纯电力驱动的电动汽车，可由此衍生出包含主减速器与差速器的四轮纯电力驱动的后驱电动汽车和包含主减速器与差速器的四轮纯电力驱动的前驱电动汽车，如图3和图4所示。
本发明的工作原理为：
如图1和图5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IGBT41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6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7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 (6)

1.一种包含主减速器与差速器的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、后桥分别分成四段驱动半桥；在前桥和后桥中分别设有差速器（17F、17R），差速器（17F、17R）的两侧齿轮所属的驱动半轴分别与其对应靠近的轮毂处的驱动半轴通过法兰盘连接；在前桥和后桥上分别设有两台相邻盘式电机（11LF、11RF、11LR、11RR），相邻两台盘式电机通过法兰盘或联轴器串联，盘式电机的输出轴通过法兰盘连接主减速器（10F、10R）的主动齿轮；在主减速器（10F、10R）的两侧分别设有两台盘式电机控制器（12LF、12RF、12LR、12RR），所述的盘式电机控制器（12LF、12RF、12LR、12RR）固定在汽车底盘上；所述的盘式电机控制器（12LF、12RF、12LR、12RR）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）；
所述的盘式电机控制器（12LF、12RF、12LR、12RR）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（12LF、12RF、12LR、12RR），信号通过处理后，再提供给整车控制器ECU（25）；
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）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（12LF、12RF、12LR、12RR）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；主控制器（55）将车辆加速减速命令转换成电流命令，传递给逆变器（33），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。
2.根据权利要求1所述的一种包含主减速器与差速器的四轮纯电力驱动的电动汽车，其特征在于：所述的主减速器（10F、10R）包括主动齿轮（R1）和从动齿轮（R2），所述的差速器（17F、17R）由行星齿轮、行星齿轮轴、半轴侧齿轮和差速器壳体组成。
3.根据权利要求1所述的一种包含主减速器与差速器的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（12LF、12RF、12LR、12RR）将整车控制器ECU（25）采集的位置、转速信号、控制的变量值通过矢量控制算法处理后重新传递给整车控制器ECU（25），由整车控制器ECU（25）协调盘式电机控制器（12LF、12RF、12LR、12RR）的动作。
4.根据权利要求1所述的一种包含主减速器与差速器的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，其结构形式为单定子单转子式电机、双定子单转子式电机、双转子单定子式电机、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所述的一种包含主减速器与差速器的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）和车灯辅助供电。
6.根据权利要求1所述的一种包含主减速器与差速器的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）接收主控制器（55）信号接通时，薄膜电容（42）、放电电路（32）中的电阻（40）和放电电路（32）中的IGBT开关管（41）形成其中一条封闭放电回路，薄膜电容（42）放电，由放电电路（32）中的电阻（40）以热量形式释放；另一条封闭放电回路，由升压DC/DC变换电路（31）中的电容（36）、升压DC/DC变换电路（31）中的电抗器（38）、升压DC/DC变换电路（31）中的IGBT开关管（39）、放电电路（32）中的电阻（40）和放电电路（32）中的IGBT开关管（41）组成，升压DC/DC变换电路（31）中的电容（36）放电，经该回路的放电电路（32）中的电阻（40）以热量形式耗散。
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