CN108843751B - 一种一体化电驱动系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一体化电驱动系统，包括：变速器壳体；驱动电机，其设置在所述驱动器壳体内部，具有驱动电机输出轴；行星齿轮系，其包括行星太阳轮、行星排行星架、行星排行星轮以及行星排内齿圈；接合套，其连接所述行星排内齿圈；制动装置，其固定在所述变速器壳体内壁上，选择性的使所述变速器壳体和所述行星排内齿圈结合和分离；第一接合齿圈，其与所述行星排行星架相连；第二接合齿圈，其与所述制动装置相连；其中，所述第一接合齿圈和所述第二接合齿圈设置在所述接合套的两侧，所述接合套选择性的与所述第一接合齿圈和所述第二接合齿圈连接。能够降低挂挡时同步端的转动惯量，减少换挡力。本发明还提供一种一体化电驱动系统的控制方法。

Description

一种一体化电驱动系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种一体化电驱动系统及其控制方法，属于电动汽车领域。
背景技术
汽车作为现代社会不可缺少的交通工具，在国民经济和人们日常生活中发挥着极其重要的作用。汽车工业不仅代表了一个国家工业发展的水平，集中体现了新材料、新工艺、新技术和新设备的应用，而且汽车工业是具有规模效益和高附加值的技术密集型产业,是发展国民经济的强大推动力。作为国民经济的支柱产业，汽车工业的发展受到了世界各国的高度重视，激烈的竞争促进汽车生产和研发水平不断提高。
随着经济的发展，人们生活质量水平逐提高，汽车日趋成为人们生活中的主要交通代步工具，近年来，汽车保有量不断增加，对环境污染也随之增加，在生态环境污染和化石燃料能源危机的社会背景下，电驱动行驶的新能源汽车应运而生。
电动汽车是新型、节能、环保车辆，电动汽车使用电动机取代了传统汽车的发动机，电动机可带载启动，并且通过合理的配置满足汽车使用要求，与传统汽车相比具有很大的进步。
然而，现有的电动车用两挡变速器既有采用平行轴式的布置形式，又有采用行星排式的布置形式。若电动车采用平行轴式的布置形式，其一般会选用同步器或接合套作为换挡元件，换挡执行机构小，但平行轴式空间比较大，不利于和电机集成，不利于整车的布置；若电动车采用行星排式的布置形式，其一般会选用多片离合器作为换挡元件，而执行机构自带的液压系统增加了整个系统的体积和复杂度，不便于整车的布置。
发明内容
本发明设计开发了一种一体化电驱动系统，将行星排、接合套及制动装置集成于一体，通过对接合套和制动装置的协调控制实现电驱动系统的动力切换，避免结合齿圈完全与壳体刚性连接，有效减少系统的换挡冲击。
本发明设计开发了一种一体化电驱动系统的控制方法，通过控制驱动电机实现换挡，并通过使用制动装置，减弱了系统冲击，降低挂挡时同步端的转动惯量，减少换挡力，提高换挡成功率。
本发明提供的技术方案为：
一种一体化电驱动系统，包括：
变速器壳体；
驱动电机，其设置在所述变速器壳体内部，具有驱动电机输出轴；
行星齿轮系，其包括行星排太阳轮、行星排行星架、行星排行星轮以及行星排内齿圈；
其中，所述行星排太阳轮与所述驱动电机输出轴连接，所述行星排行星轮通过滚针轴承安装在所述行星排行星架上，所述行星排太阳轮与所述行星排行星轮相啮合；
制动装置，其固定在所述变速器壳体内壁上，选择性的使所述变速器壳体和所述行星排内齿圈结合和分离；
接合套，其与所述行星排内齿圈连接；
第一接合齿圈，其与所述行星排行星架相连；
第二接合齿圈，其与所述制动装置相连；
其中，所述第一接合齿圈和所述第二接合齿圈设置在所述接合套的两侧，所述接合套选择性的与所述第一接合齿圈和所述第二接合齿圈连接；
驱动系统输出轴，其与所述行星排行星架连接；
其中，当处于一挡时，所述制动装置接合，所述接合套与所述第二接合齿圈连接，所述行星排内齿圈固定；当处于二挡时，所述制动装置分离，所述接合套与所述第一接合齿圈连接，所述行星排内齿圈和所述行星排行星架同步转动。
优选的是，所述变速器壳体包括第一容纳腔和第二容纳腔，所述第一容纳腔和所述第二容纳腔之间设置有内壁。
优选的是，所述第一容纳腔内布设驱动电机，所述第二容纳腔内布设行星齿轮系。
优选的是，所述第二容纳腔中布设有通孔，所述驱动系统输出轴可旋转的支撑在所述通孔上并穿出所述通孔至所述变速器壳体外部。
优选的是，所述第一接合齿圈通过支撑轴承设置在所述驱动电机的输出轴上。
优选的是，当选择倒挡时，所述制动装置接合，所述驱动电机反转，动力经所述行星排行星架传递到所述驱动电机输出轴上，实现动力输出。
优选的是，当选择空挡时，所述接合套与所述第一接合齿圈和所述第二接合齿圈没有连接，所述驱动电机输出轴与所述驱动系统输出轴断开连接，切断动力传递。
一种一体化电驱动系统的控制方法，使用所述的一体化电驱动系统，其特征在于，包括：
起步过程，所述制动装置不工作，所述驱动电机启动，所述接合套与所述第二接合齿圈接合；
升挡过程，所述驱动电机启动，控制所述接合套滑差转速和滑差斜率，使所述接合套与所述第一接合齿圈接合；
第一降挡过程，所述驱动电机启动，所述制动装置不工作，控制滑差转速和滑差斜率，所述接合套与所述第二接合齿圈接合；
第二降挡过程，所述驱动电机启动，所述制动装置不工作，所述驱动电机输出轴转速快速上升，所述驱动电机输出轴转速变化率快速下降，所述接合套与所述第二接合齿圈接合。
优选的是，在所述第一降挡过程中，当驱动电机转速上升时，所述行星排行星架输出转速不变，输入转速变大，内齿圈转速减小，滑差转速下降。
优选的是，所述滑差转速满足：Vs＝Vd-Vo×n，其中Vs为滑差转速，单位为r/s，Vd为驱动电机转速，单位为r/s，Vo为输出轴转速，单位为r/s，n为传动比。
本发明所述的有益效果：使用行星排结构相较于平行轴式结构有效减少轴向尺寸，且功率密度高，易于集成；使用接合套结构相较于湿式多片离合器等结构，可以避免液压系统的使用，仅通过换挡电机就可以实现换挡，大大简化换挡执行机构，降低系统成本；使用制动装置，避免了第二接合齿圈完全刚性连接，减弱了系统的冲击，提高了零部件的使用寿命。同时，通过控制驱动电机实现换挡控制，并通过使用制动装置，减弱了系统冲击，降低挂挡时同步端的转动惯量，减少换挡力，提高换挡成功率。
附图说明
图1为本发明所述的一体化驱动系统的结构示意图。
图2为本发明所述的一体化驱动系统的降挡过程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供一种一体化驱动系统，包括电机部分和变速器部分，其中变速器部分包括：行星齿轮系、接合套220、接合齿圈以及制动装置240。
变速器壳体100包括第一容纳腔和第二容纳腔，第一容纳腔和第二容纳腔之间设置有用于分隔的内壁，电机部分设置在第一容纳腔中，变速器部分设置在第二容纳腔中。在第一容纳腔中，驱动电机的输出轴140穿过内壁上贯穿的通孔可旋转的支撑在内壁上，在第二容纳腔中，变速器的输出轴150穿过变速器壳体100上的贯穿通孔至变速器壳体100的外部。
电机部分布设在第一容纳腔中，包括：驱动电机转子120和驱动电机定子130，驱动电机定子130通过驱动电机转子支撑轴承110支撑在变速器壳体100的内壁上，驱动电机定子120通过过盈配合与变速器壳体100连接。
变速器部份布设在第二容纳腔中，包括行星齿轮系，其中，行星齿轮系包括：行星排行星架360、行星排太阳轮340、行星排行星轮320以及行星排内齿圈310。
其中行星排太阳轮340与驱动电机输出轴140连接，行星排行星架360与驱动系统输出轴150连接，行星排行星轮320通过滚针轴承安装在在行星排行星架360上，行星排太阳轮340与行星排行星轮320相啮合；行星排内齿圈310与制动器的制动盘连接，并与行星排行星轮320啮合。
制动装置240包括制动盘和制动毂，其中，制动毂连接在变速器壳体100的内壁上，固定不动，制动装置240的制动盘通过花键与行星排内齿圈310连接，通过制动装置240的分离与结合来实现行星排内齿圈310的转动和制动，进而实现行星排内齿圈310与变速器壳体100内壁的分离和固定。
接合套220与行星排内齿圈310连接，并在接合套220两侧设置有第一结合齿圈210和第二接合齿圈230，接合套220选择性的与第一接合齿圈210和第二接合齿圈230进行结合。其中，第一接合齿圈210与行星排行星架连接，第二接合齿圈230与制动装置连接；通过接合套220与第二接合齿圈230的分离与结合来实现行星排内齿圈310的转动与制动；通过接合套220与第一接合齿圈210的分离与接合来实现行星排行星架360与行星排内齿圈310的连接和断开。
电驱动系统的挡位切换由制动装置240和接合套220与两个接合齿圈的切换来实现。其中，制动装置240与换挡控制单元电连接，接合套220与换挡执行机构电连接。
驱动时，驱动电机处于电动机模式，制动时，驱动电机处于发电机模式。
一挡时，驱动电机正转(实现整车前进的电机转动方向为正转方向)，制动装置240工作，处于制动状态。换挡执行机构驱动接合套220与第二接合齿圈230接合，使第二接合齿圈与行星排内齿圈310连接，实现行星排内齿圈310的固定。驱动电机的动力经驱动电机输出轴140传到行星排太阳轮340，再经行星排行星架360传递到驱动装置输出轴150，实现动力输出。
二挡时，换挡执行机构驱动接合套220与第一接合齿圈210接合，实现第一接合齿圈210与行星排内齿圈310连接，实现行星排内齿圈310与行星排行星架360连为一体。驱动电机正转，驱动电机的动力经驱动电机输出轴140传到行星排太阳轮340，再经行星排行星架360传递到驱动系统输出轴150，实现动力输出。
一挡起步时，换挡控制单元发送指令，制动装置240不工作，处于分离状态。换挡控制单元发送指令，换挡执行机构驱动接合套220与第二接合齿圈230接合，实现第二接合齿圈230与行星排内齿圈310连接。换挡控制单元发送指令，制动装置210工作，处于制动状态，实现行星排内齿圈310的固定。驱动电机正转，行星排行星架360转速逐步上升。驱动电机的动力经驱动电机输出轴140传到行星排太阳轮340，再经行星排行星架360传递到驱动系统输出轴150，实现动力输出。
一挡升二挡过程，换挡控制单元发送指令，制动装置240不工作，处于分离状态，换挡执行机构驱动接合套220与第二接合齿圈230分离，然后与第一接合齿圈210接合。实现第一接合齿圈210与行星排内齿圈310连接，实现行星排内齿圈310与行星排行星架360连为一体。驱动电机正转，驱动电机的动力经驱动电机输出轴140传到行星排太阳轮340，再经行星排行星架360传递到驱动系统输出轴150，实现动力输出。
二挡降一挡过程，换挡控制单元发送指令，制动装置240不工作，处于分离状态。换挡控制单元发送指令，换挡执行机构驱动接合套220与第一接合齿圈210分离，然后与第二接合齿圈230接合，实现第二接合齿圈230与行星排内齿圈310连接。换挡控制单元发送指令，制动装置240工作，处于接合状态，实现行星排内齿圈310的固定。驱动电机正转，驱动电机的动力经驱动电机输出轴140传到行星排太阳轮340，再经行星排行星架360传递到驱动系统输出轴150，实现动力输出。
倒挡时，换挡控制单元发送指令，制动装置240不工作，处于分离状态。换挡控制单元发送指令，换挡执行机构驱动接合套220与第二接合齿圈230接合，实现第二接合齿圈230与行星排内齿圈310连接。换挡控制单元发送指令，制动装置240工作，处于制动状态，实现行星排内齿圈310的固定。驱动电机反转(与正转方向相反)，驱动电机的动力经驱动电机输出轴140传到行星排太阳轮340，再经行星排行星架360传递到驱动系统输出轴150，实现动力输出。
空挡时，接合套220均不与第一接合齿圈210和第二接合齿圈230接合，行星排所有元件均不受约束，使得驱动电机输出轴140与驱动系统输出轴150断开了连接，切断了动力的传递。
当整车以一挡行驶需制动时，驱动电机由电动机模式切换到发电机模式，对传动系统起到拖动作用，将整车的行驶动能转换为电能。
当整车以二挡行驶需制动时，驱动电机由电动机模式切换到发电机模式，滑套移动到右工位，对传动系统起到拖动作用，提高制动能量的回收效率。
制动装置240使得整个驱动系统在一挡起步和二挡降一挡过程中，避免了第二接合齿圈230完全刚性连接，减弱了系统的冲击，提高了零部件的使用寿命；同时，降低挂一挡时同步端的转动惯量，减少换挡力，提高换挡成功率。
该电驱动系统的换挡执行元件按照表1进行工作。
表1
其中，表1中“○”表示分离，“●”表示接合。
本发明还提供一种一体化电驱动系统的控制方法，使用上述的一体化电驱动装置，具体包括：起步过程、升挡过程和降挡过程，其中降挡过程还包括第一降挡过程和第二降挡过程。
1、起步过程，分为3个阶段：制动装置240不工作、驱动电机启动、接合套220向右移动。具体过程如下：
制动装置240不工作，第二接合齿圈230处于自由状态；
驱动电机启动；驱动电机工作使得接合套220逐渐向右位移动；
通过接合套位置传感器判断接合套220是否与第二接合齿圈230接合；当接合套220与第二接合齿圈230完全接合，制动装置恢复初始状态；驱动电机工作。
2、升挡过程，一挡升二挡分为6个阶段：制动装置240不工作、驱动电机启动、接合套220向中间位置移动、滑差转速控制、滑差转速斜率控制以及接合套220位于左工位。具体过程如下：
制动装置不工作，接合齿圈Ⅱ处于自由状态。
驱动电机启动；
驱动电机工作使得接合套220逐渐向中间位置移动；通过接合套位置传感器判断接合套220是否与第二接合齿圈分离；当接合套220与第二接合齿圈分离，制动装置240恢复初始状态；
通过驱动电机输出轴140的转速传感器判断转速是否下降；当驱动电机的转速下降时，输入转速变小，内齿圈开始转动，滑差转速快速下降；其中，滑差转速＝驱动电机转速-输出轴转速×2挡传动比，即：Vs＝Vd-Vo×n，其中Vs为滑差转速，单位为r/s，Vd为驱动电机转速，单位为r/s，Vo为驱动电机输出轴转速，单位为r/s，n为传动比。同时通过CAN通信向驱动电机发送转矩降低的请求，将驱动电机转矩减小一个预设值；
当滑差转速下降到预设值后，进入滑差转速变化率下降阶段。此阶段接合套逐渐向左工位移动，滑差转速接近0；
接合套完全处于左工位
3、降挡过程，如图2所示，包括Power-off的降挡过程和Power-on的降挡过程，其中Power-off的降挡过程为第一降挡过程，Power-on的降挡过程为第二降挡过程，具体如下：
3.1Power-off的降挡过程，分为6个阶段：驱动电机启动、接合套220向中位移动、制动装置240不工作、滑差转速控制、滑差转速斜率控制、接合套位于右工位。具体过程如下：
驱动电机启动；
驱动电机工作使得接合套220逐渐向中间位置移动。
通过接合套位置传感器判断接合套220是否与第一接合齿圈210分离；当接合套220与第一接合齿圈210分离，制动装置240不工作；
通过驱动电机输出轴140的转速传感器判断驱动电机转速是否上升，当驱动电机的转速上升时，行星排行星架输出转速基本不变，输入转速变大，行星排内齿圈310转速减小，滑差转速快速下降；其中，滑差转速＝驱动电机转速-输出轴转速*1挡传动比；
同时通过CAN通信向驱动电机发送转矩增大的请求，将驱动电机转矩增加一个预设值；
当滑差转速下降到预设值后，进入滑差转速变化率下降阶段；此阶段接合套220逐渐向右工位移动，滑差转速接近0；接合套完全处于右工位；制动装置逐渐接合，起到制动作用，直至完全接合。
3.2Power-on的降挡过程
Power-on降挡过程分为6个阶段：驱动电机启动阶段、接合套220向中位移动、制动装置240不工作、驱动电机输出轴转速快速上升阶段、驱动电机输出轴转速变化率快速下降阶段、接合套向右运动并同步。
驱动电机启动；
驱动电机工作使得接合套220向中位运动；
驱动电机的载荷减小，使得驱动电机转速迅速增加；
通过接合套位置传感器判断接合套是否与第一接合齿圈210分离；当接合套与第一接合齿圈210分离，制动装置240不工作；
同时通过CAN通信向驱动电机发送转矩降低的请求，将驱动电机转矩降低一个预设值；当驱动电机转速增加到预设值后，进入驱动电机输出轴140的转速的变化率快速下降；
接合套220逐渐向右工位运动，将驱动电机转矩迅速恢复到换挡前的转矩，此时接合套220完全处于右工位；制动装置240逐渐接合，起到制动作用，直至完全接合。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种一体化电驱动系统，其特征在于，包括：
变速器壳体；
驱动电机，其设置在所述变速器壳体内部，具有驱动电机输出轴；
行星齿轮系，其包括行星排太阳轮、行星排行星架、行星排行星轮以及行星排内齿圈；
其中，所述行星排太阳轮与所述驱动电机输出轴连接，所述行星排行星轮通过滚针轴承安装在所述行星排行星架上，所述行星排太阳轮与所述行星排行星轮相啮合；
制动装置，其固定在所述变速器壳体内壁上，选择性的使所述变速器壳体和所述行星排内齿圈结合和分离；
接合套，其与所述行星排内齿圈连接；
第一接合齿圈，其与所述行星排行星架相连；
第二接合齿圈，其与所述制动装置相连；
其中，所述第一接合齿圈和所述第二接合齿圈设置在所述接合套的两侧，所述接合套选择性的与所述第一接合齿圈和所述第二接合齿圈连接；
驱动系统输出轴，其与所述行星排行星架连接；
其中，当处于一挡时，所述制动装置接合，所述接合套与所述第二接合齿圈连接，所述行星排内齿圈固定；当处于二挡时，所述制动装置分离，所述接合套与所述第一接合齿圈连接，所述行星排内齿圈和所述行星排行星架同步转动。
2.根据权利要求1所述的一体化电驱动系统，其特征在于，所述变速器壳体包括第一容纳腔和第二容纳腔，所述第一容纳腔和所述第二容纳腔之间设置有内壁。
3.根据权利要求2所述的一体化电驱动系统，其特征在于，所述第一容纳腔内布设驱动电机，所述第二容纳腔内布设行星齿轮系。
4.根据权利要求3所述的一体化电驱动系统，其特征在于，所述第二容纳腔中布设有通孔，所述驱动系统输出轴可旋转的支撑在所述通孔上并穿出所述通孔至所述变速器壳体外部。
5.根据权利要求4所述的一体化电驱动系统，其特征在于，所述第一接合齿圈通过支撑轴承设置在所述驱动电机的输出轴上。
6.根据权利要求1或5所述的一体化电驱动系统，其特征在于，当选择倒挡时，所述制动装置接合，所述驱动电机反转，动力经所述行星排行星架传递到所述驱动电机输出轴上，实现动力输出。
7.根据权利要求6所述的一体化电驱动系统，其特征在于，当选择空挡时，所述接合套与所述第一接合齿圈和所述第二接合齿圈没有连接，所述驱动电机输出轴与所述驱动系统输出轴断开连接，切断动力传递。
8.一种一体化电驱动系统的控制方法，使用所述权利要求1-7中任意一项所述的一体化电驱动系统，其特征在于，包括：
起步过程，所述制动装置不工作，所述驱动电机启动，所述接合套与所述第二接合齿圈接合；
升挡过程，所述驱动电机启动，控制所述接合套滑差转速和滑差斜率，使所述接合套与所述第一接合齿圈接合；
第一降挡过程，所述驱动电机启动，所述制动装置不工作，控制滑差转速和滑差斜率，所述接合套与所述第二接合齿圈接合；
第二降挡过程，所述驱动电机启动，所述制动装置不工作，所述驱动电机输出轴转速快速上升，所述驱动电机输出轴转速变化率快速下降，所述接合套与所述第二接合齿圈接合。
9.根据权利要求8所述的一体化电驱动系统的控制方法，其特征在于，在所述第一降挡过程中，当驱动电机转速上升时，所述行星排行星架输出转速不变，输入转速变大，内齿圈转速减小，滑差转速下降。
10.根据权利要求9所述的一体化电驱动系统的控制方法，其特征在于，所述滑差转速满足：Vs＝Vd-Vo×n，其中Vs为滑差转速，单位为r/s，Vd为驱动电机转速，单位为r/s，Vo为驱动电机输出轴转速，单位为r/s，n为传动比。
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