CN108656938A - 纯电动汽车及其动力驱动系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种纯电动汽车及其动力驱动系统及其控制方法，动力驱动系统包括前轮驱动电机和后轮驱动电机，前轮驱动电机上连接有前轮减速器，后轮驱动电机上连接有后轮减速器，前轮驱动电机和后轮驱动电机中的一个的设计转速高于另外一个。本发明的有益效果：使用时利用整车控制器使设计转速比较低的驱动电机只在低速低爬坡度工况下工作，保证良好的起步和爬坡性能；使设计转速比较高的驱动电机只在高速工况下工作，满足最高车速需要；在低速高爬坡度工况下，可以使两个电机一起工作，满足整车大力矩需要。各电机协调工作，使得低速起步和爬坡、最高车速均能得到兼顾，各电机均工作在高效区，既满足车辆动力性需求也能兼顾整车全工况下效率最优。

Description

纯电动汽车及其动力驱动系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种纯电动汽车及其动力驱动系统及其控制方法。
背景技术
纯电动汽车能够较好的解决石化能源紧缺和环境污染问题，目前纯电动汽车的动力驱动系统主要有电机直驱、电机加变速箱驱动以及轮边分布式驱动等三种构型。从目前市场表现来看，带变速箱的构型由于需要频繁换挡，挡位变动引起的顿挫感较强、故障率较高，影响客户驾车感受；电机直驱构型是由驱动电机直接作用在后桥上或者是采用轮毂电机，这种驱动形式虽故障率低，但是爬坡、最高车速不能兼顾。
轮边分布式驱动是将轮边电机布置在靠近驱动轮的车架上，再经由减速器来驱动车轮，这种驱动方式省去了差速器，各驱动轮的转矩独立可控，且结构紧凑、传动高效，在纯电动汽车上有很大的发展潜力。但是由于减速器直接与车轮驱动相连，车辆在正常行驶过程中，当轮边电机不需要工作的时候，减速器和轮边电机都是与车轮随动的，这样就仍然需要对轮边电机供电以使其真正“不出力”，虽然这时通入的电流比较小，但是长期工作下来，还是会增加整车的能耗，因此这种驱动方式还不是很理想。同时除了轮边电机以外，减速器也要不停的随转，同样也造成了能量损失，对于减速器的使用寿命也有一定的影响。
目前，各种驱动形式普遍存在的问题主要还是低速起步和爬坡、最高车速之间无法兼顾，各电机无法很好的工作在高效区，系统综合效率比较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够通过控制实现起步爬坡和最高车速均能兼顾的动力驱动系统；本发明的目的还在于提供一种使用该动力驱动系统的纯电动汽车以及该动力驱动系统的控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明中动力驱动系统的技术方案为：
一种动力驱动系统，包括用于驱动前轮的前轮驱动电机和用于驱动后轮的后轮驱动电机，前轮驱动电机上连接有前轮减速器，后轮驱动电机上连接有后轮减速器，前轮驱动电机和后轮驱动电机中的一个的设计转速高于另外一个。
所述前轮驱动电机和后轮驱动电机均为轮边电机，所述前轮减速器和后轮减速器均为轮边减速器。
各轮边减速器的输出端均连接有离合器，离合器的另外一端用于与相应的车轮相连。
本发明中专用于控制上述动力驱动系统的控制方法的技术方案为：
一种专用于控制上述动力驱动系统的控制方法，当车速小于a km/h、爬坡度小于b％时，利用整车控制器使前轮驱动电机和后轮驱动电机中的一个单独工作；当车速小于akm/h、爬坡度大于b％时，利用整车控制器使前轮驱动电机和后轮驱动电机同时工作；当车速大于a km/h时，利用整车控制器使前轮驱动电机和后轮驱动电机中的另外一个单独工作。
前轮驱动电机或后轮驱动电机不工作时，利用整车控制器使相应的离合器分离。
a的取值范围为65～75，b的取值范围为10～14。
a的优选取值是70，b的优选取值是12。
本发明中纯电动汽车的技术方案为：
一种纯电动汽车，包括前轮、后轮、用于与前轮和后轮相连的动力驱动系统，动力驱动系统包括驱动前轮的前轮驱动电机和驱动后轮的后轮驱动电机，前轮驱动电机上连接有前轮减速器，后轮驱动电机上连接有后轮减速器，前轮驱动电机和后轮驱动电机中的一个的设计转速高于另外一个。
所述前轮驱动电机和后轮驱动电机均为轮边电机，所述前轮减速器和后轮减速器均为轮边减速器。
各轮边减速器的输出端均连接有离合器，离合器的另外一端用于与相应的车轮相连。
本发明的有益效果在于：由于前轮驱动电机和后轮驱动电机中的一个的设计转速高于另外一个，这样在使用时，就可以利用整车控制器使设计转速比较低的驱动电机只在低速低爬坡度工况下工作，保证良好的起步和爬坡性能；使设计转速比较高的驱动电机只在高速工况下工作，满足最高车速的需要；而在低速高爬坡度工况下，可以使两个电机一起工作，满足整车大力矩需要。这样各电机协调工作，使得低速起步和爬坡、最高车速均能得到兼顾，且通过设计转速的合理布置可以使各电机均工作在高效区，既能满足车辆动力性需求也能兼顾整车工作全工况下效率最优，减少功率损失，提高系统综合效率。
附图说明
图1为本发明中纯电动汽车的一个实施例的结构示意图；
图2为动力驱动系统的工作模式示意图。
图中：1.后轮；2.前轮；3.前离合器；4.前轮边电机；5.前轮边减速器；6.后轮边减速器；7.后轮边电机；8.后离合器；i.爬坡度；v.车速；T.整车输出扭矩；M.整车回馈力矩；E.能量回馈。
具体实施方式
纯电动汽车的一个实施例如图1～图2所示，包括两个前轮2、两个后轮1和动力驱动系统，该动力驱动系统包括4个分别与各车轮相连的轮边驱动单元，各轮边驱动单元均由轮边电机、减速器和离合器构成，例如前轮2，两个前轮2上所连接的轮边驱动单元的配置是完全相同的，包括前轮边电机4(M1)，前轮边减速器5连接在前轮边电机4的输出端，前离合器3(C1)连接在前轮边减速器5和前轮2之间。
同样的，两个后轮1上所连接的轮边驱动单元的配置也是完全相同的，包括后轮边电机7(M2)，后轮边减速器6连接在后轮边电机7的输出端，后离合器8(C2)连接在后轮边减速器6和后轮1之间。两个前轮边电机4组成前轮边电机组，两个后轮边电机7组成后轮边电机组，动力驱动系统还包括与前轮边电机组和后轮边电机组相连的用于控制前轮边电机组和后轮边电机组单独工作或者同时工作的整车控制器(图中未示出)。
由于前后四个轮均采用轮边驱动，因此整车具有分布式驱动的驱动防滑、操稳性改善和高转向灵活性的独特优势。另外，前、后轮边减速器均起着减速增扭的作用，从而使汽车具有较好的爬坡能力。离合器有分离和接合两种工作状态，前、后离合器均为电子自动离合器，方便离合器工作状态之间的切换，轮边电机正常工作时，相应的离合器处于接合状态，保证动力可以传递到车轮上，当离合器处于分离状态时，车轮与动力系统断开，动力系统停止工作不输出转矩。
在本实施例中，为了满足车辆低速爬坡大扭矩和高速高功率的动力需求，将两个前轮边电机4设计成所能满足的最高车速为70km/h、最大爬坡度为12％，这样不但能够满足低速爬坡大扭矩的需求，起步性能好，而且前轮边电机4的规格不大，占用空间小，从而能够降低布置难度。实际应用时，前轮边电机4和前轮边减速器5的动力系统综合高效区设计为满足车辆半载时速20km/h及爬坡度6％左右的公交客车常用的低速低扭区域，当车速超过最高时速70km/h时不输出扭矩，从而可以降低对轮边电机轴承和电机功率的要求。
本实施例中的两个后轮边电机7通过后轮边减速器6输出的系统高效区设计在车辆半载时速70km/h左右的客运车常用高速区域，四个电机协调工作，既满足车辆动力性需求也兼顾整车工作全工况下的效率最优。
动力驱动系统的具体控制方法，即四个电机的具体工作模式是：如图2所示，当车速小于70km/h、爬坡度小于12％时，尤其是在车辆半载时速20km/h及爬坡度6％左右时，由整车控制器只控制前轮边电机组工作即可，此时两个前轮边电机4和前轮边减速器5的输出扭矩即可满足整车扭矩和车速需求，这时前离合器3受整车控制器的控制处于接合状态，后轮边电机组不工作，不需要输出扭矩，因此后离合器8处于分离状态，这时由于后轮与动力系统断开，因此后轮边电机组和后轮边减速器不会随车轮转动，后轮边电机组可以不予供电，从而可以降低能耗，同时还降低了减速器空转造成的能量损失，保证了减速器的使用寿命。
当车速小于70km/h、爬坡度大于12％时，此时只有前轮边电机组不能满足大爬坡度的扭矩需求，因此由整车控制器控制前轮边电机组和后轮边电机组同时工作，以此满足低速爬坡和加速工况时整车的大输出扭矩需求，当然此时前离合器3和后离合器8均处于接合状态。
当车速在大于70km/h的高速工况下，由整车控制器只控制后轮边电机组工作以满足整车扭矩需求，这时电机转速要求较高，后轮边电机7的功率大于前轮边电机4的功率，这时前离合器3处于分离状态，后离合器8处于接合状态，前轮边电机组可以不予供电，降低整车能耗，前轮边减速器不再空转，降低了能量损失。
其中，在70km/h车速以下的多电机效率最优转矩优化实现方案为：动力性满足需求的前提下的经济性驱动力分配模式目标函数：
其中ki为驱动电机的转矩值占总驱动转矩值的比例系数，Txi为各驱动系统输出转矩值，ni为驱动系统输出的转速，ηM1为轮边电机和轮边减速器构成的轮边驱动系统在当前转矩和转速下的效率，ηM2为集中电机和车桥构成的驱动系统在当前转矩和转速下的效率。其物理意义在于对分配给各电机的驱动转矩进行最优分配，以达到整车系统系统综合效率最优，从而提高电动车辆的经济性。驱动系统的效率可以根据当前的转速、转矩通过对前期台架测试的数据查表得到。
约束条件是：2Tx1+Tx2≥Txreq&&u≤70km/h，表示分配给各个车轮的纵向驱动转矩之和要满足驾驶员的纵向需求Txreq并且车速u低于70km/h。
当然，根据汽车的实际运行工况，前、后轮边电机的性能参数也可做相应的调整，即上述动力驱动系统的控制方法也是可以调整的，比如前轮边电机设计的所能满足的最高车速可以在65～75km/h的范围内进行选取，该取值定为a，当然a除了70以外，也可以是65或75或其他值；前轮边电机设计的所能满足的最大爬坡度可以在10～14％的范围内进行选取，该取值定为b，当然b除了12以外，也可以是10或14或其他值。
本发明中的动力驱动系统全部采用轮边分布式的驱动方式，四个电机协调作用，既能满足低速起步爬坡大扭矩需求、也能满足高速高功率需求，兼顾整车工作全工况下的效率最优，最大限度减少系统损失，并提升系统利用效率，提高了车辆的环境适应性，能够满足用户多种需求。另外，多电机协调工作，还提高了车辆的可靠性，当单电机出现问题时，其他电机还可以继续协调工作，车辆可以继续行驶。同时，当前轮边电机或后轮边电机不需要工作时，可以通过离合器使其与车轮断开，避免电机和减速器跟随车轮空转，降低电耗，提升整车经济性。
在纯电动汽车的其他实施例中：也可以将离合器设置在轮边电机和减速器之间；动力驱动系统也可以不包括离合器；前轮驱动电机和后轮驱动电机也可以均是集中电机，由一个集中电机同时驱动两个前轮或两个后轮动作，或者前轮驱动电机是轮边电机，后轮驱动电机是集中电机。
动力驱动系统的实施例如图1～图2所示，该动力驱动系统与上述实施例中的动力驱动系统相同，在此不再详述。
专用于控制上述动力驱动系统的控制方法的实施例与上述实施例中所述的控制方法相同，在此不再详述。

Claims (10)

1.一种动力驱动系统，其特征在于：包括用于驱动前轮的前轮驱动电机和用于驱动后轮的后轮驱动电机，前轮驱动电机上连接有前轮减速器，后轮驱动电机上连接有后轮减速器，前轮驱动电机和后轮驱动电机中的一个的设计转速高于另外一个。
2.根据权利要求1所述的动力驱动系统，其特征在于：所述前轮驱动电机和后轮驱动电机均为轮边电机，所述前轮减速器和后轮减速器均为轮边减速器。
3.根据权利要求2所述的动力驱动系统，其特征在于：各轮边减速器的输出端均连接有离合器，离合器的另外一端用于与相应的车轮相连。
4.一种专用于控制上述动力驱动系统的控制方法，其特征在于：当车速小于a km/h、爬坡度小于b %时，利用整车控制器使前轮驱动电机和后轮驱动电机中的一个单独工作；当车速小于a km/h、爬坡度大于b %时，利用整车控制器使前轮驱动电机和后轮驱动电机同时工作；当车速大于a km/h时，利用整车控制器使前轮驱动电机和后轮驱动电机中的另外一个单独工作。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：前轮驱动电机或后轮驱动电机不工作时，利用整车控制器使相应的离合器分离。
6.根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征在于：a的取值范围为65~75，b的取值范围为10~14。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：a的优选取值是70，b的优选取值是12。
8.一种纯电动汽车，包括前轮、后轮、用于与前轮和后轮相连的动力驱动系统，其特征在于：动力驱动系统包括驱动前轮的前轮驱动电机和驱动后轮的后轮驱动电机，前轮驱动电机上连接有前轮减速器，后轮驱动电机上连接有后轮减速器，前轮驱动电机和后轮驱动电机中的一个的设计转速高于另外一个。
9.根据权利要求8所述的纯电动汽车，其特征在于：所述前轮驱动电机和后轮驱动电机均为轮边电机，所述前轮减速器和后轮减速器均为轮边减速器。
10.根据权利要求9所述的纯电动汽车，其特征在于：各轮边减速器的输出端均连接有离合器，离合器的另外一端用于与相应的车轮相连。
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