CN109649138A - 一种一体化集成的电动汽车驱动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化集成的电动汽车驱动系统，涉及汽车传动领域，主要为了解决现有技术的电动汽车驱动系统结构设计不合理的问题；该驱动系统包括电机定子、电机转子、用于控制电机定子和电机转子的电机控制器、传动系统总成、选换挡执行机构和用于控制选换挡执行机构的选换挡控制器；所述电机定子固定在箱体上，传动系统总成包括输入轴和输出轴，输出轴通过主减速器和差速器连接汽车半轴，输出轴上安装有转速传感器；所述输入轴的一端与电机转子连接，另一端通过轴承转动连接箱体的内壁。本发明实现了电机和传动系统一体化结构设计，所述电机和传动系统共用一根轴，从而使得结构紧凑、体积小、质量轻，符合轻量化原则。

Description

一种一体化集成的电动汽车驱动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车传动领域，具体是一种一体化集成的电动汽车驱动系统及其控制方法。

背景技术

纯电动汽车具有高效、节能、终端零排放等特点，是解决能源危机和环境污染的重要途径；以纯电动汽车为代表的新能源汽车的发展受到全球广泛关注。

国外以日本、美国为代表，在电动汽车以及混合动力汽车研究方向走在了世界的前列；国内以一汽、东风、上海大众、长安、奇瑞、中通和北汽福田等企业为代表的传动方面基本借用传统的燃油汽车的传动系统，或者在上面进行参数改变，而没有针对性的研究。以至于结构基本没有改变，这样虽然加快了开发设计的过程，但是它未根据电机特性来充分发挥电机的电机特性等各种技术优势。

专利号为CN103587411.A的中国发明专利公开一种纯电动汽车用电机-变速器一体化传动系统，为二挡自动变速器行星齿轮机构。该机构由单排2K-H行星齿轮机构、电磁离合器、电磁制动器、差速器、主减齿轮以及永磁同步电机组成，其中太阳轮通过花键与永磁同步电机转子座直接固连，与转子相对应的定子固定在电机壳上，差速器至于电机转子座内。但该发明采用的是行星齿轮结构，由于行星齿轮结构和工作状态复杂，其振动和噪音问题比较突出，极易发生齿轮疲劳点蚀，齿根裂纹及齿轮式断裂等失效现象；从而影响到传动系统的运动精度，传递效率和使用寿命，轮胎部分与传动系统为一个整体不适合拆装。

专利号为CN103552448.A的公开一种基于电机与AMT集成化的电动汽车驱动系统及驱动方法，该驱动系统包括：驱动电机及电机控制器、变速器传动总成、选换挡执行机构及其控制器；变速器传动总成包括四个挡位的主从动齿轮、两个花键毂、输出传感器。所述的驱动电机为直流无刷电机；该驱动电机的壳体与所述变速器箱体一体化通过固定销定位后用细牙螺钉直接相连，电机内花键输出轴位于电机内，所述的变速器输入轴直接插入电机内与电机内花键输出轴连接。但该发明采用细牙螺纹来连接驱动器壳体与变速器箱体，这对连接的要求比较高，在电机运行时产生的振动，也可能对连接部分发生错位，造成轴的剪切应力过大而断裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一体化集成的电动汽车驱动系统及其控制方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种一体化集成的电动汽车驱动系统，包括电机定子、电机转子、用于控制电机定子和电机转子的电机控制器、传动系统总成、选换挡执行机构和用于控制选换挡执行机构的选换挡控制器；所述电机定子固定在箱体上，传动系统总成包括输入轴和输出轴，输出轴通过主减速器和差速器连接汽车半轴，输出轴上安装有转速传感器；所述输入轴的一端与电机转子连接，另一端通过轴承转动连接箱体的内壁。

在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：

在一种可选方案中：所述传动系统总成安装在箱体中。

在一种可选方案中：所述传动系统总成还包括套设于输入轴外围的一挡主动齿轮和二挡主动齿轮，输出轴的外围套设有分别与一挡主动齿轮和二挡主动齿轮相啮合的一挡从动齿轮和二挡从动齿轮；所述一挡从动齿轮上安装有一挡从动齿轮齿圈，二挡从动齿轮上安装有二挡从动齿轮齿圈；所述传动系统总成还包括与一挡从动齿轮齿圈和二挡从动齿轮齿圈相配合的结合套，结合套内插设有花键毂；所述结合套由选换挡执行机构驱动。

在一种可选方案中：所述一挡从动齿轮和二挡从动齿轮均通过尼龙阵滚针轴承空套设在输出轴的外围，并通过轴肩和卡簧轴向定位。

在一种可选方案中：所述选换挡执行机构固定在箱体上。

在一种可选方案中：所述转速传感器为模拟式转速传感器。

在一种可选方案中：所述转速传感器为数字式转速传感器。

在一种可选方案中：所述转速传感器为磁敏式转速传感器。

一种上述驱动系统的控制方法，该方法包括原挡位阶段、卸载阶段、摘挡阶段、电子同步阶段、接卸同步阶段、挂挡阶段、加载阶段和新挡位阶段，其中：

原挡位阶段：选换挡控制器通过与电机控制器通讯，向电机控制器发送目标扭矩，车辆在原挡位下正常行驶，选换挡控制器根据油门开度和车速判断是否切换挡位；

卸载阶段：当选换挡控制器判断需要进行换挡操作时，向电机控制器发送扭矩置零要求，并判断卸载完成后电机反馈扭矩是否在扭矩置零结束是容许的零点偏移量范围内；

摘挡阶段：卸载结束后，选换挡控制器控制换挡电机并使结合套与原挡位脱离，同时对换挡电机进行跟踪和控制，确保摘挡后位于空挡范围内；

电子同步阶段：选换挡控制器维持挡位为空挡，并向电机控制器发送粗调命令，调节目标挡位侧电机输入轴转速与输出轴转速之差在允许范围内；

机械同步阶段：选换挡控制器判断电子同步完成后，控制换挡电机推动结合套并带动同步环与目标齿圈摩擦完成后机械同步，选换挡控制器判断目标挡位侧电子输入轴与输出轴转速之差进一步缩小在允许范围内；

挂挡阶段：选换挡控制器判断机械同步完成后，控制换挡电机继续推动结合套与目标齿圈啮合，完成挡位操作；

加载阶段：选换挡控制器向电机控制器发送扭矩增加或减少的命令，直到电机反馈扭矩与当前扭矩之差控制在允许范围内；

新挡位阶段：选换挡控制器判断加载结束后，则换挡过程完成；换挡执行机构控制器持续监测车速、踏板等信息，根据换挡规律判断是否进入下一个换挡过程。

相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、本发明实现了电机和传动系统一体化结构设计，所述电机和传动系统共用一根轴，从而使得结构紧凑、体积小、质量轻，符合轻量化原则；

2、本发明去掉了离合器使得动力传动系统的结构变得更加简单，也使生产和使用成本大大减少；换挡时不需要离合分离，省去了对离合器的控制，使得换挡系统更加简化；

3、本发明提出采用两档型方案，设置有低档和高档，采用全扭矩驱动，在低档时大扭矩用于克服大阻力行驶，如爬坡或起步急加速；高档用于较好路况条件下的高速行驶，如城郊路况或省道，从而大大克服了现有电动汽车存在的问题。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

附图标记注释：1-箱体、2-电机定子、3-电动转子、4-二挡主动齿轮、5-输入轴、6-一挡主动齿轮、7-输出轴、8-二挡从动齿轮、9-花键毂、10-二挡从动齿轮齿圈、11-结合套、12-选换挡执行机构、13-一挡从动齿轮齿圈、14-一挡从动齿轮、15-转速传感器、16-主减速器、17-差速器。

具体实施方式

以下实施例会结合附图对本发明进行详述，在附图或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号，并且在实际应用中，各部件的形状、厚度或高度可扩大或缩小。本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更都不脱离本发明的精神与范围。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例中，一种一体化集成的电动汽车驱动系统，包括电机定子2、电机转子3、用于控制电机定子2和电机转子3的电机控制器、传动系统总成、选换挡执行机构12和用于控制选换挡执行机构12的选换挡控制器；所述电机定子2固定在箱体1上，传动系统总成包括输入轴5和输出轴7，输出轴7通过主减速器16和差速器17连接汽车半轴，输出轴7上安装有转速传感器15；

进一步的，所述转速传感器15为模拟式转速传感器、数字式转速传感器、磁敏式转速传感器中的一种。

所述输入轴5的一端与电机转子3连接，另一端通过轴承转动连接箱体1的内壁，与传统的驱动系统相比，本发明将输入轴5和电机转子3直接相连，省去了离合器和联接器，简化了传动结构，提高了传动效率，同时使得整体更加紧凑。

所述传动系统总成安装在箱体1中，与电机同用一个箱体1，实现了一体式的设计。

所述传动系统总成还包括套设于输入轴5外围的一挡主动齿轮6和二挡主动齿轮4，输出轴7的外围套设有分别与一挡主动齿轮6和二挡主动齿轮4相啮合的一挡从动齿轮14和二挡从动齿轮8；所述一挡从动齿轮14上安装有一挡从动齿轮齿圈13，二挡从动齿轮8上安装有二挡从动齿轮齿圈10；

具体来说，所述一挡从动齿轮14和二挡从动齿轮8均通过尼龙阵滚针轴承空套设在输出轴7的外围，并通过轴肩和卡簧轴向定位，从而防止两者轴向窜动；

所述传动系统总成还包括与一挡从动齿轮齿圈13和二挡从动齿轮齿圈10相配合的结合套11，结合套11内插设有花键毂9；所述结合套11由选换挡执行机构12驱动。

进一步的，所述选换挡执行机构12固定在箱体1上；

在具体实施中，电动机起步时，先踩刹车，驾驶员手动挂入前进挡，由于起步需要克服较大阻力，故此时标定起步前进挡为一挡，此后在不触发手动模式开关时，传动系统总成将进行自动换挡。起步过程中选换挡执行机构控制器控制换挡机构12将接合套11右移使其与输出轴7上的一挡从动齿轮14上的一挡从动齿轮齿圈13接合，此时慢慢抬起刹车；其中动力传动路线为：输入轴5→一挡主动齿轮6→一挡从动齿轮14→一挡从动齿轮齿圈13→接合套11→花键毂9→输出轴7，最后通过主减速器16和差速器17将动力传至半轴驱动车辆前进。如车辆起步时需要倒车，则直接拨动倒挡，此时电机反转，自动挂入一挡，倒车结束后，车辆前进遵照上述起步过程。

当电动汽车正常行驶时，选换挡机构控制器根据驾驶员的意图和制定的换挡策略进行自动换挡。

当在一挡工作时，接合套11与输出轴7的一挡从动齿轮14的一挡从动齿轮圈13接合，两者的圆周速度相等；而欲从一挡换二挡时，需对驱动电机进行调速，选换挡执行机构12驱动选换挡轴拔叉将接合套11左移，推入空挡位置，在分离瞬间，接合套11和一挡从动齿轮圈13的圆周速度相等，又由于从二挡主动齿轮4到二挡从动齿轮8的转速高于一挡从动齿轮14的转速，即二挡从动齿轮8的二挡从动齿轮齿圈10的转速大于一挡从动齿轮14的转速，即在刚推入空挡时，二挡从动齿轮齿圈10的转速大于接合套11的转速，如果立即换挡则会造成接合套11的内齿轮与二挡从动齿轮圈圈10由于速度不等而发生较大冲击，甚至不能换挡。由于传动系统与驱动部分共用一根轴，输入轴5的转速与电机转速始终相等，所以此时可以通过直接精确调节电机的转速和转矩使得二挡主动齿轮4转速下降，而二挡从动齿轮8转速随之下降，当二挡从动齿轮8的转速与接合套11转速的转速之差达到允许换挡范围时，则进行换挡操作。此时电机退出调速模式。其中，动力传递路线为：电机转子2→输入轴5→二挡主动齿轮4→二挡从动齿轮8→二挡从动齿轮齿圈10→接合套11→花键毂9，最后通过主减速器16和差速器17将动力传至半轴驱动车辆前进。

实施例2

本发明实施例提供一种上述驱动系统的控制方法，该方法包括原挡位阶段、卸载阶段、摘挡阶段、电子同步阶段、接卸同步阶段、挂挡阶段、加载阶段和新挡位阶段，其中：

原挡位阶段：选换挡控制器通过与电机控制器通讯，向电机控制器发送目标扭矩，车辆在原挡位下正常行驶，选换挡控制器根据油门开度和车速判断是否切换挡位；

卸载阶段：当选换挡控制器判断需要进行换挡操作时，向电机控制器发送扭矩置零要求，并判断卸载完成后电机反馈扭矩是否在扭矩置零结束是容许的零点偏移量范围内；

摘挡阶段：卸载结束后，选换挡控制器控制换挡电机并使结合套与原挡位脱离，同时对换挡电机进行跟踪和控制，确保摘挡后位于空挡范围内；

电子同步阶段：选换挡控制器维持挡位为空挡，并向电机控制器发送粗调命令，调节目标挡位侧电机输入轴转速与输出轴转速之差在允许范围内；

机械同步阶段：选换挡控制器判断电子同步完成后，控制换挡电机推动结合套并带动同步环与目标齿圈摩擦完成后机械同步，选换挡控制器判断目标挡位侧电子输入轴与输出轴转速之差进一步缩小在允许范围内；

挂挡阶段：选换挡控制器判断机械同步完成后，控制换挡电机继续推动结合套与目标齿圈啮合，完成挡位操作；

加载阶段：选换挡控制器向电机控制器发送扭矩增加或减少的命令，直到电机反馈扭矩与当前扭矩之差控制在允许范围内；

新挡位阶段：选换挡控制器判断加载结束后，则换挡过程完成；换挡执行机构控制器持续监测车速、踏板等信息，根据换挡规律判断是否进入下一个换挡过程。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种一体化集成的电动汽车驱动系统，包括电机定子(2)、电机转子(3)、用于控制电机定子(2)和电机转子(3)的电机控制器、传动系统总成、选换挡执行机构(12)和用于控制选换挡执行机构(12)的选换挡控制器；所述电机定子(2)固定在箱体(1)上，传动系统总成包括输入轴(5)和输出轴(7)，输出轴(7)通过主减速器(16)和差速器(17)连接汽车半轴，输出轴(7)上安装有转速传感器(15)；

其特征在于，所述输入轴(5)的一端与电机转子(3)连接，另一端通过轴承转动连接箱体(1)的内壁。

2.根据权利要求1所述的一体化集成的电动汽车驱动系统，其特征在于，所述传动系统总成安装在箱体(1)中。

3.根据权利要求2所述的一体化集成的电动汽车驱动系统，其特征在于，所述传动系统总成还包括套设于输入轴(5)外围的一挡主动齿轮(6)和二挡主动齿轮(4)，输出轴(7)的外围套设有分别与一挡主动齿轮(6)和二挡主动齿轮(4)相啮合的一挡从动齿轮(14)和二挡从动齿轮(8)；所述一挡从动齿轮(14)上安装有一挡从动齿轮齿圈(13)，二挡从动齿轮(8)上安装有二挡从动齿轮齿圈(10)；所述传动系统总成还包括与一挡从动齿轮齿圈(13)和二挡从动齿轮齿圈(10)相配合的结合套(11)，结合套(11)内插设有花键毂(9)；所述结合套(11)由选换挡执行机构(12)驱动。

4.根据权利要求3所述的一体化集成的电动汽车驱动系统，其特征在于，所述一挡从动齿轮(14)和二挡从动齿轮(8)均通过尼龙阵滚针轴承空套设在输出轴(7)的外围，并通过轴肩和卡簧轴向定位。

5.根据权利要求4所述的一体化集成的电动汽车驱动系统，其特征在于，所述选换挡执行机构(12)固定在箱体(1)上。

6.根据权利要求1-5任一所述的一体化集成的电动汽车驱动系统，其特征在于，所述转速传感器(15)为模拟式转速传感器。

7.根据权利要求1-5任一所述的一体化集成的电动汽车驱动系统，其特征在于，所述转速传感器(15)为数字式转速传感器。

8.根据权利要求1-5任一所述的一体化集成的电动汽车驱动系统，其特征在于，所述转速传感器(15)为磁敏式转速传感器。

9.如权利要求1-8任一所述的一体化集成的电动汽车驱动系统的控制方法，其特征在于，该方法包括原挡位阶段、卸载阶段、摘挡阶段、电子同步阶段、接卸同步阶段、挂挡阶段、加载阶段和新挡位阶段，其中：

原挡位阶段：选换挡控制器通过与电机控制器通讯，向电机控制器发送目标扭矩，车辆在原挡位下正常行驶，选换挡控制器根据油门开度和车速判断是否切换挡位；

卸载阶段：当选换挡控制器判断需要进行换挡操作时，向电机控制器发送扭矩置零要求，并判断卸载完成后电机反馈扭矩是否在扭矩置零结束是容许的零点偏移量范围内；

摘挡阶段：卸载结束后，选换挡控制器控制换挡电机并使结合套与原挡位脱离，同时对换挡电机进行跟踪和控制，确保摘挡后位于空挡范围内；

电子同步阶段：选换挡控制器维持挡位为空挡，并向电机控制器发送粗调命令，调节目标挡位侧电机输入轴转速与输出轴转速之差在允许范围内；

机械同步阶段：选换挡控制器判断电子同步完成后，控制换挡电机推动结合套并带动同步环与目标齿圈摩擦完成后机械同步，选换挡控制器判断目标挡位侧电子输入轴与输出轴转速之差进一步缩小在允许范围内；

挂挡阶段：选换挡控制器判断机械同步完成后，控制换挡电机继续推动结合套与目标齿圈啮合，完成挡位操作；

加载阶段：选换挡控制器向电机控制器发送扭矩增加或减少的命令，直到电机反馈扭矩与当前扭矩之差控制在允许范围内；

新挡位阶段：选换挡控制器判断加载结束后，则换挡过程完成；换挡执行机构控制器持续监测车速、踏板等信息，根据换挡规律判断是否进入下一个换挡过程。