CN109677261B - 用于电动汽车的双电机三挡变速驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电动汽车的双电机三挡变速驱动装置。包括主电机、辅电机、三挡变速器机构。主电机为低速大扭矩电机，辅助电机为高速小扭矩电机；三挡变速器机构的同步器对应分别具有低速挡、空挡和高速挡，分别对应三种不同的传动速比；当同步器处于空挡时，辅电机单独驱动，当同步器与三挡变速器机构的第四齿轮啮合时，实现选择单电机驱动或双电机驱动；同样同步器与三挡变速器机构的第二齿轮啮合时，实现选择单电机驱动或双电机驱动；共实现五种驱动模式。本发明双电机三挡变速器电机平均效率92.31%，随着驱动系统挡位的合理匹配和传动系统的优化，电机的运行在更加高效区间的比例提高，该机构在载重变化较大的商用车有较高应用价值。

Description

用于电动汽车的双电机三挡变速驱动装置

技术领域

本发明涉及电动汽车驱动技术，具体涉及一种电动汽车双电机三挡变速驱动机构。

背景技术

电驱系统作为电动汽车的核心部件，主要评价指标由动力性、安全性、平顺性、经济性等表征的，这些指标直接与其动力传动系统优劣密切相关，决定了汽车的品质。新能源汽车变速驱动行业技术发展的方向主要来源于整车系统的高效率、轻量化和易布置的要求。电驱动系统的集成化、提高效率、降低成本等方面更符合市场需求。

电动汽车驱动系统由最初的电机直驱方案到另一种主流的驱动方案是驱动电机匹配单级减速器，这种方案相较于直驱系统具有体积小、重量轻和成本低的优势，但对驱动电机性能同样要求较高，既要求驱动电机既能在恒转矩区提供较高的驱动转速，又能在恒功率区提供较高的转矩，以满足动力性和经济性要求。然而单一的传动比通常无法兼顾纯电动车的动力性和经济性。尤其是在低车速启动电流较大，高速阶段表现动力性不足，驱动电机效率一般会降至 60-70%以下，增加电耗，影响续驶里程。当前另一种驱动方驱动电机匹配两挡自动变速器的方案研发和应用相对比价广泛，国外的采埃孚、吉凯恩，国内苏州绿控、南京越博等企业相继推出成熟的两挡变速驱动系统，即在原来单机减速器的基础上增加一组齿轮、同步器、换挡执行机构和控制系统，以一挡起步以获得大扭矩，车速提高后，切换至二挡又可会获得较高车速。可以通过优化换挡策略获得更高的输出效率，这种方案在换挡过程中有明显的动力中断感，对于舒适性要求较高的乘用车，会大大降低客户的满意度。另一种方案是两个驱动电机匹配两组减速齿轮，省去同步器及换挡机构，这种方案相当于用两套电机系统实现两个挡位驱动，可以规避两挡AMT换挡过程中的动力中断感，另一种设计方案是双电机匹配行星轮减速箱，从功能上来讲与双电机匹配两组减速齿轮的方案类似，只不过通过控制两个制动块获得两个速比的输出，结构上比上一种方案更加复杂，成本更高。这两种双电机驱动的方式都是通过增加了一套电机驱动系统，仅实现两挡的功能，但依然是两个挡位驱动形式，对于载重变化较大的商用车而言，性能的提升也有一定的局限性。

驱动系统的多挡化是发展趋势，挡位的合理匹配不仅能在低速时获得大扭矩，降低启动电流，而且能避免电机经常处于较高转速区间，从而避免了电机高速啸叫，以获得了更好的NVH性能，同时避免了高速电机难以解决的轴承润滑、密封和弱磁问题。目前国内外市场已推出成熟的两挡电驱动桥的产品，电机匹配多挡变速箱的方案，爬坡度更高、重量更轻、电耗较低、成本较低，且其轻量化优势和成本优势在商用车或和乘用车上有较好的应用潜力。

发明内容

为了解决了电动汽车在低速效率低和高速动力性不足的缺陷，并且消除换挡过程中的动力中断的缺陷，本发明提供一种用于电动汽车的双电机三挡变速驱动装置。

用于电动汽车的双电机三挡变速驱动装置包括主电机2、辅电机1、三挡变速器机构；所述主电机2为低速大扭矩电机，所述辅电机1为高速小扭矩电机；

所述三挡变速器机构包括第一轴4、第二轴5、第一齿轮6、第二齿轮7、第三齿轮8、第四齿轮9、第五齿轮10和齿圈11；所述第一轴4上固定设有第一齿轮6和第三齿轮8，所述第二轴5上空套设有第二齿轮7、第四齿轮9和第五齿轮10，所述第四齿轮9和第五齿轮10为连体齿轮，第二齿轮7和连体齿轮之间的第二轴5设有同步器12；所述齿圈11固定设于差速器机构的差速器3壳体上；所述第一齿轮6和第二齿轮7啮合传动，第三齿轮8和第四齿轮9啮合传动，第五齿轮10和齿圈11为一对主减速啮合传动齿轮；

主电机2的输出轴连接着第二轴5的一端，辅电机1的输出轴连接着第一轴4的一端；

所述同步器12对应有三个挡位，分别为低速挡、空挡、和高速挡，分别对应三种不同的传动速比；

当同步器12处于空挡时，辅电机1单独驱动，当同步器12与第四齿轮9啮合时，实现选择单电机驱动或双电机驱动；同样同步器12与第二齿轮7啮合时，实现选择单电机驱动或双电机驱动；共实现五种驱动模式：

具体的五种驱动模式如下：

模式1：当车辆中速匀速行驶状态，同步器12处于空挡状态，辅电机1单独工作；

模式2：车辆以中低速匀速行驶状态，变速器置低速挡且主电机2单独工作；

模式3：当车辆处于起步或低速爬长坡状态，变速器置低速挡，且双电机同时工作；

模式4：车辆以中高速匀速行驶状态，变速器置高速挡且主电机2单独工作；

模式5：车辆加速超车或以最高车速行驶时，变速器置高速挡且双电机同时工作。

进一步限定的技术方案如下：

所述主电机2的功率为30kw，适用于低速大扭矩，辅电机1的功率为20kw，适用于高速小扭矩；且均为永磁同步电机。

所述第一轴4通过花键连接设有第一齿轮6和第三齿轮8，所述第二轴5通过轴承连接设有第二齿轮7、第四齿轮9、第五齿轮10和同步器12。

所述同步器12为单锥同步器或双锥同步器或多锥同步器。

所述第一轴4的另一端和第二轴5的另一端分别通过深沟球轴承固定设于变速箱体上；所述差速器3的轴的两侧分别通过滚针轴承固定设于变速箱体上。

在退挡和挂挡时，主电机2处于无扭矩自由状态，换挡过程中通过调整主电机2转速以改变同步器12转速，满足挡位切换的速差要求，在这个过程中辅电机1保持驱动状态，实现消除换挡过程中的动力中断的问题。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明通过三挡变速器机构实现三种啮合状态：同步器12处于空挡状态；同步器12的啮合套与第二齿轮7啮合状态；同步器12的啮合套与第四齿轮9啮合状态，实现三种传动速比输出。通过调整主电机2和辅电机1的驱动状态实现五种驱动模式。三个挡位基本可以覆盖电机运行在高效区间，电动汽车尤其是载重比变化比较大的商用电动车，启动阶段，可将挡位切换至低速挡且双电机同时驱动，以提高启动转矩，降低启动电流，在车速提高后切换到二级减速比行驶，保证电机的经济性；在高速行驶或超车阶段，可切换高速挡，并采用双电机驱动，以获得更高的车速，避免电机长期处于高速区间，提高效率，避免电机高速啸叫等问题，弥补电动汽车在低速启动电流大和高速动力性不足的缺陷，提高动力性和经济性。仿真实验分析表明：对单电机匹配单级减速器、单电机匹配两挡变速器、双电机匹配两组速比减速器、双电机匹配三挡变速器四种方案对比分析，通过优化驱动电机和速比后，在NEDC工况下仿真模拟得出以下结论，单电机匹配单机减速器的电机平均效率为77.02%，单电机匹配两挡变速器的平均效率80.08%，双电机匹配两组减速比的减速器电机平均效率为85.02%，双电机匹配三挡变速器电机平均效率92.31%。通过对比可得，随着驱动系统挡位的增加，传动系统的优化，电机运行在更加高效区间的比例增大，有利于增加电动汽车的续驶里程。

2.本发明在车辆处于下长坡或停车制动状态时，可利用电机发电有效辅助制动。当车辆长下坡缓速行驶时，变速器置空挡，利用辅电机1电机发电回收能量；当车辆滑行至停车或紧急制动时，变速器置低速挡，双电机同时处于发电状态，辅助制动。仿真实验表明，双电机辅助制动距离小于单电机辅助制动距离小于无电机辅助制动的距离，有效提高车辆行驶安全性。

3.本发明实现消除换挡过程中的动力中断的缺陷，提高舒适性。单电机匹配两挡变速器的缺陷是换挡过程中的动力时间长达0.8～1.5s，动力中断感会严重影响乘坐舒适性。车辆启动状态下是低速挡，此时以模式2或模式3行驶，当需要切换至空挡状态时，两个电机均卸力，当同步器脱到空挡位置，辅电机1驱动，维持车辆动力性，此时进入模式1，当同步器需要切换至高速挡状态时，主电机2带动同步器12调速至与第四齿轮9同步的状态，两个电机再次卸力，同步器切换高速挡，此时可选择模式4或模式5驱动。在整个换挡过程中，只有脱挡和进挡的过程两个电机处于卸力状态，但脱挡和进挡的时间很短，约0.1s，人体几乎感觉不到。相对于动力中断时间约1s的两挡变速器，舒适性大大提高。

附图说明

图1为本发明驱动传动结构简图。

上图中序号：辅电机1、主电机2、差速器3、第一轴4、第二轴5、第一齿轮6、第二齿轮7、第三齿轮8、第四齿轮9、第五齿轮10、齿圈11、同步器12、车轮13。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例

参见图1，用于电动汽车的双电机三挡变速驱动装置包括主电机2、辅电机1、三挡变速器机构。主电机2的功率为30kw，适用于低速大扭矩，辅电机1的功率为20kw，适用于高速小扭矩，且均为永磁同步电机。

三挡变速器机构包括第一轴4、第二轴5、第一齿轮6、第二齿轮7、第三齿轮8、第四齿轮9、第五齿轮10和齿圈11。

第一轴4上通过花键连接安装有第一齿轮6和第三齿轮8；第二轴5上通过轴承空套安装有第二齿轮7、第四齿轮9和第五齿轮10；第四齿轮9和第五齿轮10为连体齿轮，第二齿轮7和连体齿轮之间的第二轴5上安装有同步器12，同步器12为单锥同步器。齿圈11固定安装在差速器机构的差速器3壳体上；第一齿轮6和第二齿轮7啮合传动，第三齿轮8和第四齿轮9啮合传动，第五齿轮10和齿圈11为一对主减速啮合传动齿轮。

主电机2的输出轴连接着第二轴5的一端，辅电机1的输出轴连接着第一轴4的一端。第一轴4的另一端和第二轴5的另一端分别通过深沟球轴承固定安装于变速箱体上；所述差速器3的轴两侧分别通过滚针轴承固定安装于变速箱体上。

同步器12对应有三个挡位，分别为低速挡、空挡、和高速挡，分别对应三种不同的传动速比。

变速器换挡执行机构为12V直流有刷电机加减速机构，驱动换挡拨叉进行挡位切换。换挡执行机构上安装有角度位移传感器用于反馈挡位位置信号。

传动速比和驱动模式的详细说明如下：

模式1：同步器12处于空挡状态，辅电机1驱动，主电机2无扭矩自由状态；

同步器12处于空挡状态时，由于第二齿轮7和第四齿轮9与第二轴5轴承连接，处于空转状态，所以主电机2对整个系统不起作用，不存在主电机2和辅电机1同时驱动的模式，由辅电机1单独驱动。动力传递路线为：辅电机1-第三齿轮8-第四齿轮9-第五齿轮10-齿圈11-差速器3-车轮14。

模式1下的传动比i1=（Z4/Z3）*(Z6/Z5)，输出扭矩等于辅电机1的输出扭矩TM1乘传动比i1，即T1=TM1*i1（忽略传动效率）。

模式2：同步器12与第二齿轮7啮合状态，辅电机1无扭矩自由状态，主电机2驱动；

同步器12的啮合套与第二齿轮7啮合状态时，动力传输路线是：主电机2-第二齿轮7-第一齿轮6-第三齿轮8-第四齿轮9-第五齿轮10-齿圈11-差速器3-车轮14。

模式2下的传动比i2=（Z1/Z2）*（Z4/Z3）*（Z6/Z5），输出扭矩等于电机主电机2的输出扭矩TM2乘传动比i2，即T2=TM2*i2（忽略传动效率）。

模式3：同步器12与第二齿轮7啮合状态，辅电机1驱动，主电机2驱动；

同步器12的啮合套与第二齿轮7啮合状态，且主电机2与辅电机1同时驱动时，辅电机1的驱动模式如模式1，主电机2的驱动模式如模式2，辅电机1驱动的传动比i1=Z4/Z3*Z6/Z5，主电机2驱动的传动比i2=（Z1/Z2）*（Z4/Z3）*（Z6/Z5）。

模式3下总输出扭矩等于T1和T2的累加，即T3=T1+T3=TM1*i1+TM2*i2（忽略传动效率）。

模式4：同步器12与第四齿轮9啮合状态，辅电机1无扭矩自由状态，主电机2驱动；

同步器12与第四齿轮9啮合状态时，动力传输路线是：主电机2的动力经第四齿轮9-第五齿轮10-齿圈11-差速器3-车轮14。

模式4状态下的传动比i3=Z6/Z5，此时总输出扭矩等于主电机2的输出转矩TM2乘该状态下的传动比i3，即T4=TM2*i3（忽略传动效率）。

模式5：同步器12与第四齿轮9啮合状态，辅电机1驱动，主电机2驱动；

同步器12与第四齿轮9啮合状态，且主电机2与辅电机1同时驱动时，辅电机1的驱动模式同模式1，传动比为i1=（Z4/Z3）*(Z6/Z5)；主电机2的驱动模式同模式4，传动比为i3=Z6/Z5。模式5下总输出扭矩T5等于T1和T4的累加，即T5=T1+T4=TM1*i1+TM2*i3（忽略传动效率）。

在退挡和挂挡时，主电机2处于无扭矩自由状态，换挡过程中通过调整主电机2转速以改变同步器12转速，满足挡位切换的速差要求，在这个过程中辅电机1保持驱动状态，实现消除换挡过程中的动力中断的问题。

Claims (1)

1.用于电动汽车的双电机三挡变速驱动装置，其特征在于：包括主电机（2）、辅电机（1）、三挡变速器机构；所述主电机（2）为低速大扭矩电机，主电机（2）的功率为30kw；所述辅电机（1）为高速小扭矩电机，辅电机（1）的功率为20kw；且均为永磁同步电机；

所述三挡变速器机构包括第一轴（4）、第二轴（5）、第一齿轮（6）、第二齿轮（7）、第三齿轮（8）、第四齿轮（9）、第五齿轮（10）和齿圈（11）；所述第一轴（4）上通过花键连接固定设有第一齿轮（6）和第三齿轮（8），所述第二轴（5）上空套设有第二齿轮（7）、第四齿轮（9）和第五齿轮（10），所述第四齿轮（9）和第五齿轮（10）为连体齿轮，第二齿轮（7）和连体齿轮之间的第二轴（5）设有同步器（12）；所述同步器（12）为单锥同步器或双锥同步器或多锥同步器；所述齿圈（11）固定设于差速器机构的差速器（3）壳体上；所述第一齿轮（6）和第二齿轮（7）啮合传动，第三齿轮（8）和第四齿轮（9）啮合传动，第五齿轮（10）和齿圈（11）为一对主减速啮合传动齿轮；

主电机（2）的输出轴连接着第二轴（5）的一端，辅电机（1）的输出轴连接着第一轴（4）的一端；所述第一轴（4）的另一端和第二轴（5）的另一端分别通过深沟球轴承固定设于变速箱体上；所述差速器（3）的轴的两侧分别通过滚针轴承固定设于变速箱体上；

所述同步器（12）对应有三个挡位，分别为低速挡、空挡、和高速挡，分别对应三种不同的传动速比；

当同步器（12）处于空挡时，辅电机（1）单独驱动；当同步器（12）与第四齿轮（9）啮合时，实现选择单电机驱动或双电机驱动；同样同步器（12）与第二齿轮（7）啮合时，实现选择单电机驱动或双电机驱动；共实现五种驱动模式；

在退挡和挂挡时，主电机（2）处于无扭矩自由状态，换挡过程中通过调整主电机（2）转速以改变同步器（12）转速，满足挡位切换的速差要求，在这个过程中辅电机（1）保持驱动状态，实现消除换挡过程中的动力中断的问题。

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