CN108045213A - 电动车辆及其双电机转速与转矩耦合动力装置 - Google Patents

电动车辆及其双电机转速与转矩耦合动力装置 Download PDF

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邢玲
郗建国
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Abstract

本发明涉及一种电动车辆及其双电机转速与转矩耦合动力装置，双电机转速与转矩耦合动力装置包括同轴前后布置的主驱电机和辅助电机，主驱定子可绕其中心轴线周向转动，所述辅助电机包括辅助定子和辅助转子，所述动力装置还包括用于制动主驱定子的制动器，所述辅助转子的输出端与所述主驱转子的输入端之间设置有第一离合结构，所述辅助转子的输出端与所述主驱定子之间设置有第二离合结构，不需要额外增加传动结构以及减速变比结构，仅仅通过将主驱电机的定子设置为浮动式，即可实现双电机的转速耦合和转矩耦合，结构比较紧凑简单，易于实现，空间占有率低。

Description

电动车辆及其双电机转速与转矩耦合动力装置
技术领域
本发明涉及一种电动车辆及其双电机转速与转矩耦合动力装置。
背景技术
近年来，世界能源的短缺和环境污染的问题越来越严重，纯电动汽车凭借其低能耗、零排放的优点成为今后汽车发展的主要方向。纯电动汽车是由单电机或多电机驱动的车辆，然而目前大多数的汽车采用单电机驱动，单电机驱动要求电机具有较大的转速和转矩，而电机大转矩要求转动轴变粗，增加了电机质量，同时单电机驱动也无法保证电机一直工作在高效率区，因此单电机很难发挥出纯电动车辆节能环保的优越性。采用双电机与机械耦合形式，不但能够降低单电机的容量，还提高了电驱动系统的功率密度。
现有的纯电动车辆双电机动力系统装置如在授权公告号为CN105082996B的中国专利文件中公开了一种双电机双模耦合动力装置及控制方法，其包括主驱电机、辅助电机、行星轮系、第一离合器和第二离合器，其中主驱电机的转轴与行星轮系的太阳轮连接，行星轮系的行星架为动力输出端，第一离合器的主动部分连接于行星轮系的齿圈，从动部分连接于行星轮系的太阳轮，辅助电机的转轴连接于行星轮系的齿圈，第二离合器为单向离合器，单向离合器外圈固定，内圈连接于辅助电机转轴，在实际的使用过程中，通过第二离合器对行星轮系的齿圈进行制动，通过第一离合器实现太阳轮与齿圈之间的连接，从而利用行星轮系的特性以及差动原理等实现双电机的转矩耦合和转速耦合，但是这种驱动装置在实际的使用过程中由于需要增加行星轮系的布置，使装置的复杂度提升，增加了空间占有率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动车辆，以解决现有技术中的动力装置的结构复杂程度高，而且空间占有率高的问题，本发明的目的还在于提供一种该电动车辆的双电机转速与转矩耦合动力装置。
为实现上述目的，本发明双电机转速与转矩耦合动力装置的技术方案是：
方案1：双电机转速与转矩耦合动力装置，包括前后布置的主驱电机和辅助电机，所述主驱电机包括主驱定子和主驱转子，主驱定子可绕其中心轴线周向转动，所述辅助电机包括辅助定子和辅助转子，所述动力装置还包括用于制动主驱定子的制动器，所述辅助转子的输出端与所述主驱转子的输入端之间设置有第一离合结构，所述辅助转子的输出端与所述主驱定子之间设置有第二离合结构；所述动力装置在转速耦合时，第一离合结构分离、第二离合结构结合，所述制动器解除制动主驱定子；所述动力装置在转矩耦合时，所述第一离合结构结合、第二离合结构分离，所述制动器制动主驱定子。
方案2：在方案1的基础上，所述主驱电机为定子浮动式电机，其包括主驱壳体，所述主驱定子与所述主驱壳体固定连接。
方案3：在方案2的基础上，所述制动器包括分别设置在辅助电机的辅助壳体上的制动固定面和设置在主驱壳体上的与制动固定面相对布置的制动转动面，所述制动固定面和制动转动面具有相互结合以使主驱壳体与所述辅助壳体止转配合的制动位和相互分离以解除对主驱壳体止转的解锁位。
方案4：在方案1~3的任一项的基础上，所述动力装置还包括双向离合器，所述双向离合器包括相对间隔布置的第一从动盘和第二从动盘，还包括设置在第一从动盘和第二从动盘之间的可往复动作的中间主动盘，所述中间主动盘与所述辅助转子的输出端固定连接，第一从动盘与所述主驱转子固定连接，第二从动盘与所述主驱定子固定连接，所述第一从动盘与所述中间主动盘构成所述第一离合结构，所述第二从动盘与所述中间主动盘构成所述第二离合结构。
方案5：在方案4的基础上，所述双向离合器为电控离合器。
方案6：在方案1~3的任一项的基础上，所述动力装置还包括与主驱电机和辅助电机控制连接的双电机控制器。
本发明电动车辆的技术方案是：
方案7：电动车辆，包括车体和设置在车体上的双电机转速与转矩耦合动力装置，双电机转速与转矩耦合动力装置包括同轴布置的主驱电机和辅助电机，所述主驱电机包括主驱定子和主驱转子，主驱定子可绕其中心轴线周向转动，所述辅助电机包括辅助定子和辅助转子，所述动力装置还包括用于制动主驱定子的制动器，所述辅助转子的输出端与所述主驱转子的输入端之间设置有第一离合结构，所述辅助转子的输出端与所述主驱定子之间设置有第二离合结构；所述动力装置在转速耦合时，第一离合结构分离、第二离合结构结合，所述制动器解除制动主驱定子；所述动力装置在转矩耦合时，所述第一离合结构结合、第二离合结构分离，所述制动器制动主驱定子。
方案8：在方案7的基础上，所述主驱电机为定子浮动式电机，其包括主驱壳体，所述主驱定子与所述主驱壳体固定连接。
方案9：在方案8的基础上，所述制动器包括分别设置在辅助电机的辅助壳体上的制动固定面和设置在主驱壳体上的与制动固定面相对布置的制动转动面，所述制动固定面和制动转动面具有相互结合以使主驱壳体与所述辅助壳体止转配合的制动位和相互分离以解除对主驱壳体止转的解锁位。
方案10：在方案7~9的任一项的基础上，所述动力装置还包括双向离合器，所述双向离合器包括相对间隔布置的第一从动盘和第二从动盘，还包括设置在第一从动盘和第二从动盘之间的可往复动作的中间主动盘，所述中间主动盘与所述辅助转子的输出端固定连接，第一从动盘与所述主驱转子固定连接，第二从动盘与所述主驱定子固定连接，所述第一从动盘与所述中间主动盘构成所述第一离合结构，所述第二从动盘与所述中间主动盘构成所述第二离合结构。
方案11：在方案10的基础上，所述双向离合器为电控离合器。
方案12：在方案7~9的任一项的基础上，所述动力装置还包括与主驱电机和辅助电机控制连接的双电机控制器。
本发明的有益效果是：相比于现有技术，本发明所涉及的双电机转速与转矩耦合动力装置，通过将主驱电机设置为定子浮动转动的结构，通过制动器控制主驱定子，主驱转子与辅助转子之间设置第一离合结构，主驱定子与辅助转子之间设置第二离合结构，从而在实际的使用过程中，当车辆起步或爬较大的坡时需要转矩耦合，仅仅需要控制第一离合结构结合，第二离合结构分离，同时制动器将主驱定子制动，从而能够实现电机转矩的线性叠加，进入转矩耦合模式，满足车辆的大扭矩需求；而当车辆高速运行时需要转速耦合，仅控制第一离合结构分离，第二离合结构结合，同时解除制动器对主驱定子的制动，从而能够实现辅助转子与主驱定子同步转动，进而实现电机转速的线性叠加，进入转速耦合模式，满足车辆高速需求。该动力装置不需要额外增加传动结构以及减速变比结构，仅仅通过将主驱电机的定子设置为浮动式，即可实现双电机的转速耦合和转矩耦合，结构比较紧凑简单，易于实现，空间占有率低。
附图说明
图1为本发明双电机转速与转矩耦合动力装置的实施例结构示意图；
图2为图1中的动力装置处于空挡模式示意图；
图3为图1中的动力装置处于单电机驱动模式能量传递路线图；
图4为图1中的动力装置处于转矩耦合驱动模式能量传递路线图；
图5为图1中的动力装置处于转速耦合驱动模式能量传递路线图；
图6为图1中的动力装置处于单电机制动能量回收模式能量传递路线图；
图7为图1中的动力装置处于双电机制动能量回收模式（转矩耦合）能量回收路线图；
图8为图1中的动力装置处于双电机制动能量回收模式（转速耦合）能量回收路线图；
图9为图1中的动力装置处于驻车制动模式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的双电机转速与转矩耦合动力装置的具体实施例，如图1所示，该动力装置包括辅助电机1、制动器3、双向离合器4和主驱电机2等，这其中，辅助电机1包括辅助壳体11和设置在辅助壳体11内的辅助定子12和辅助转子13，主驱电机2包括主驱壳体21和设置在主驱壳体21内的主驱定子22，且主驱定子22与主驱壳体21固定连接，主驱定子22内设置有主驱转子23，在本实施例中，主驱电机2为定子浮动式电机，其可随主驱壳体21周向转动，制动器3包括制动固定面31和制动转动面32，双向离合器4包括第一从动盘、第二从动盘和设置在第一从动盘和第二从动盘之间的中间主动盘。
在本实施例中，辅助电机1与主驱电机2同轴布置，且上述的制动器3设置在辅助壳体11和主驱壳体21的相对面之间，其中制动固定面31设置在辅助壳体11的前端，制动转动面32设置在主驱壳体21的后端，与制动固定面31相对布置。辅助电机1的输出轴伸入至主驱壳体21内，同时上述的中间主动盘设置在辅助电机1的转子输出轴上，实现与辅助转子13的同步转动配合，上述的第一从动盘设置于主驱转子23的输入端并位于中间主动盘的后侧，第二从动盘设置于主驱壳体21上并位于中间主动盘的前侧，其中第一从动盘与中间主动盘构成第一离合结构41，第二从动盘与中间主动盘构成第二离合结构42，主驱转子23的输出端与动力输出轴5连接。
同时，该动力装置还包括与主驱电机2和辅助电机1分别控制连接的双电机控制器6以及与双电机控制器6电连接的动力电池7，用于控制主驱电机2和辅助电机1的运行。
该动力装置在实际的使用过程中能够实现以下八种工作模式：
空档模式，在车辆停止时，第一离合结构41、第二离合结构42均分离，制动器3处于分离状态，动力电池7不供电时，实现动力切断，整车处于空挡状态，如图2所示。
单电机驱动模式，在车辆起步或低速小负荷运行时，第一离合结构41、第二离合结构42均分离，制动器3处于制动状态，制动主驱壳体21，双电机控制器6控制主驱电机2工作，动力由主驱电机2单独输出，直接传递至动力输出轴5然后再分配给两侧车轮，以驱动车辆正常行驶。
转矩耦合驱动模式，当车辆需求大负荷或车辆爬坡行驶时，并在主驱电机满足不了转矩需求时，双电机控制器6控制辅助电机1启动，此时第一离合结构41结合，第二离合结构42分离，制动器3处于制动状态，主驱电机2和辅助电机1进入转矩耦合驱动模式，将耦合后输出的大转矩通过主驱电机2的输出轴传递出去，然后分配给两侧车轮，以满足车辆大负荷运行或爬坡行驶时对大转矩的需求。
转速耦合驱动模式，随着车辆行驶速度的增加，主驱电机2难以满足高速需求或当满足高速需求时，主驱电机2的工作效率偏离了电机工作高效率区，难以发挥出纯电动汽车节能的优势，这时辅助电机1启动，第一离合结构41分离，第二离合结构42结合，制动器3处于分离状态，辅助电机1的辅助转子13与主驱壳体21同步转动配合，主驱电机2和辅助电机1进入转速耦合驱动模式，两电机的耦合动力由主驱电机2的输出轴传输出去，然后传递给两侧车轮，以满足车辆对高速的需求。
单电机制动能量回收模式，当车辆低速减速行驶且缓慢制动，电池的SOC较低时，车辆工作于单电机制动能量回收模式，第一离合结构41分离、第二离合结构42分离，制动器处于制动状态，制动主驱壳体21，仅有主驱电机2进入制动能量回收。
双电机制动能量回收模式（转矩耦合能量回收模式），当车辆低速减速行驶或紧急制动，且电池的SOC较低时，第一离合结构41结合、第二离合结构42分离，制动器处于制动状态，制动主驱电机2的壳体，主驱电机2和辅助电机1同时进入制动能量回收模式（转矩耦合能量回收模式）。
双电机制动能量回收模式（转速耦合能量回收模式），当车辆高速行驶制动，且电池的SOC较低时，第一离合结构41分离、第二离合结构42结合，制动器处于分离状态，主驱电机2和辅助电机1同时进入制动能量回收模式（转速耦合能量回收模式）。
驻车制动模式，车辆长时间停驶时，第一离合结构41、第二离合结构42均结合，制动器3处于制动状态，整车处于驻车制动模式，如图9所示。
而在单电机驱动模式时，如图3所示，制动器3处于制动状态，对主驱壳体21进行制动，第一离合结构41、第二离合结构42均处于分离状态。动力电池7提供电能，通过双电机控制器6向主驱电机2供电，主驱电机2将电能转化为机械能，动力由主驱转子23传输到传动轴，最终动力进入主减速器，分配给两侧车轮驱动车辆行驶。图中箭头是能量传递路线。
在转矩耦合驱动模式时，如图4所示，制动器3处于制动状态，对主驱壳体21进行制动，第一离合结构41处于结合状态，第二离合结构42处于分离状态。动力电池7通过双电机控制器6向辅助电机1和主驱电机2同时供电。辅助电机1将电能转换为机械能通过辅助转子13传输到传动轴然后向后传递，经过第一离合结构41传递给主驱转子23。主驱电机2将电能转换机械能，也传递给主驱转子23。两股动力在主驱转子23上进行扭矩耦合，即T5=T1+T2，其中T2是主驱电机2提供的扭矩，T1是辅助电机提供的扭矩，T5是主驱转子23向外输出的总扭矩。由于第一离合结构41的结合，辅助转子13和主驱转子23相当于在一根轴上，两者的转速是相同的。在同转速下，二者实现了转矩耦合。这种转矩耦合驱动模式，可有效利用双电机的扭矩叠加提高车辆的动力性，满足车辆大负荷运行及大爬坡度行驶。图中箭头为能量传递路线。
在转速耦合驱动模式时，如图5所示，制动器3处于分离状态，第二离合结构42处于结合状态，第一离合结构41处于分离状态。动力电池7通过双电机控制器6向主驱电机2和辅助电机1供电，辅助电机1将电能转化为机械能，通过辅助转子13、第二离合结构42将动力传递给主驱壳体21。主驱电机2通电，使主驱转子23旋转，加上主驱定子22自身跟随主驱壳体21的旋转，进入转速耦合驱动模式。辅助电机1的输出轴与主驱壳体21通过第二离合结构42结合，相当于二者直接固定连接，二者的转速和转矩一样，而主驱电机2的主驱定子22和主驱转子23因作用力和反作用力的相互作用，因此主驱转子23上的输出转矩也与主驱定子22相等。即T5=T2=T1 ，其中T1为辅助转子13产生的转矩，T2为主驱定子22的转矩，T5为主驱转子23的转矩也是输出转矩。利用功率守恒原理，可得到n5=n2+n1 ，其中 n5为输出轴上的总转速， n2为主驱定子22转速或辅助电机1输出轴转速，n1为主驱电机2给输出轴的转速。在该模式下辅助转子13的转速可以独立于主驱转子23的转速，输出轴的转速为两驱动电机转速的线性耦合，因此可满足车辆高速行驶的需求。同时利用电机调速反应快的特点，通过调速可以将辅助电机1与主驱电机2的转速控制在高效区间，以达到节能的效果。图中箭头为能量传递路线。
在单电机制动能量回收模式时，如图6所示，制动器3处于制动状态，对主驱壳体21进行制动。第二离合结构42处于分离状态，第一离合结构41处于分离状态。动力电池7停止向主驱电机2供电，车辆动能通过传动轴传递到主驱转子23上，由主驱电机2进行制动能量回收，将机械能转化为电能给动力电池7充电。这种模式既可以加强制动效果，又可以进行能量回收，增加了纯电动汽车的安全性和经济性。该模式在电池SOC偏低时，进行工作。当电池SOC较高时，该模式不工作，防止过充电对电池造成损害。图中箭头为能量回收路线。
在双电机制动能量回收模式时（转矩耦合能量回收模式），如图7所示，制动器3处于制动状态，对主驱壳体21进行制动。第二离合结构42处于分离状态，第一离合结构41处于结合状态。动力电池7停止向电机供电，车辆动能经传动轴和第一离合结构41分别传递到主驱转子23和辅助转子13上，这时辅助电机1和主驱电机2同时进入转矩耦合制动能量回收模式，将机械能转换为电能向动力电池7充电。双电机制动能量回收适用于低速制动和紧急制动状态，较强的增加制动效果和能量回收，图中箭头为能量回收路线。
在双电机制动能量回收模式（转速耦合能量回收模式），如图8所示，制动器3处于分离状态，第二离合结构42处于结合状态，第一离合结构41处于分离状态，动力电池7停止向电机供电，车辆动能经由传动轴传递至主驱转子23，其中一路机械能转换为电能向动力电池7充电。另一路动能经由主驱定子22及第二离合结构42传输到辅助转子13上，这时辅助电机1和主驱电机2进入转速耦合制动能量回收模式，将机械能转换为电能向动力电池7充电。转速耦合制动能量回收模式适用于高速制动或紧急制动状态，图中箭头为能量回收路线。
在其他实施例中，双向离合器4可以由两个分开单独设置的第一离合器和第二离合器构成，其中第一离合器的主动盘和第二离合器的主动盘均设置在辅助电机1的输出轴上，对应的第一离合器的从动盘与主驱转子23同步转动，第二离合器的从动盘与主驱壳体21同步转动。
在其他实施例中，制动器3可以设置为直接将主驱壳体21与支架相对制动；制动器3也可以为设置在辅助壳体11与主驱定子22之间实现二者相对制动。
本发明所涉及的电动车辆的实施例，包括车体和设置在车体上的动力装置，该动力装置的结构与上述的双电机转速与转矩耦合动力装置的实施例中的结构一致，不再详细展开。

Claims (10)

1.双电机转速与转矩耦合动力装置，包括前后布置的主驱电机和辅助电机，其特征在于：所述主驱电机包括主驱定子和主驱转子，主驱定子可绕其中心轴线周向转动，所述辅助电机包括辅助定子和辅助转子，所述动力装置还包括用于制动主驱定子的制动器，所述辅助转子的输出端与所述主驱转子的输入端之间设置有第一离合结构，所述辅助转子的输出端与所述主驱定子之间设置有第二离合结构；所述动力装置在转速耦合时，第一离合结构分离、第二离合结构结合，所述制动器解除制动主驱定子；所述动力装置在转矩耦合时，所述第一离合结构结合、第二离合结构分离，所述制动器制动主驱定子。
2.根据权利要求1所述的双电机转速与转矩耦合动力装置，其特征在于：所述主驱电机为定子浮动式电机，其包括主驱壳体，所述主驱定子与所述主驱壳体固定连接。
3.根据权利要求2所述的双电机转速与转矩耦合动力装置，其特征在于：所述制动器包括分别设置在辅助电机的辅助壳体上的制动固定面和设置在主驱壳体上的与制动固定面相对布置的制动转动面，所述制动固定面和制动转动面具有相互结合以使主驱壳体与所述辅助壳体止转配合的制动位和相互分离以解除对主驱壳体止转的解锁位。
4.根据权利要求1~3的任一项所述的双电机转速与转矩耦合动力装置，其特征在于：所述动力装置还包括双向离合器，所述双向离合器包括相对间隔布置的第一从动盘和第二从动盘，还包括设置在第一从动盘和第二从动盘之间的可往复动作的中间主动盘，所述中间主动盘与所述辅助转子的输出端固定连接，第一从动盘与所述主驱转子固定连接，第二从动盘与所述主驱定子固定连接，所述第一从动盘与所述中间主动盘构成所述第一离合结构，所述第二从动盘与所述中间主动盘构成所述第二离合结构。
5.根据权利要求4所述的双电机转速与转矩耦合动力装置，其特征在于：所述双向离合器为电控离合器。
6.根据权利要求1~3的任一项所述的双电机转速与转矩耦合动力装置，其特征在于：所述动力装置还包括与主驱电机和辅助电机控制连接的双电机控制器。
7.电动车辆，包括车体和设置在车体上的双电机转速与转矩耦合动力装置，双电机转速与转矩耦合动力装置包括同轴布置的主驱电机和辅助电机，其特征在于：所述主驱电机包括主驱定子和主驱转子，主驱定子可绕其中心轴线周向转动，所述辅助电机包括辅助定子和辅助转子，所述动力装置还包括用于制动主驱定子的制动器，所述辅助转子的输出端与所述主驱转子的输入端之间设置有第一离合结构，所述辅助转子的输出端与所述主驱定子之间设置有第二离合结构；所述动力装置在转速耦合时，第一离合结构分离、第二离合结构结合，所述制动器解除制动主驱定子；所述动力装置在转矩耦合时，所述第一离合结构结合、第二离合结构分离，所述制动器制动主驱定子。
8.根据权利要求7所述的电动车辆，其特征在于：所述主驱电机为定子浮动式电机，其包括主驱壳体，所述主驱定子与所述主驱壳体固定连接。
9.根据权利要求8所述的电动车辆，其特征在于：所述制动器包括分别设置在辅助电机的辅助壳体上的制动固定面和设置在主驱壳体上的与制动固定面相对布置的制动转动面，所述制动固定面和制动转动面具有相互结合以使主驱壳体与所述辅助壳体止转配合的制动位和相互分离以解除对主驱壳体止转的解锁位。
10.根据权利要求7~9的任一项所述的电动车辆，其特征在于：所述动力装置还包括双向离合器，所述双向离合器包括相对间隔布置的第一从动盘和第二从动盘，还包括设置在第一从动盘和第二从动盘之间的可往复动作的中间主动盘，所述中间主动盘与所述辅助转子的输出端固定连接，第一从动盘与所述主驱转子固定连接，第二从动盘与所述主驱定子固定连接，所述第一从动盘与所述中间主动盘构成所述第一离合结构，所述第二从动盘与所述中间主动盘构成所述第二离合结构。
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