CN109866589B - 一种基于对转双转子电机和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于对转双转子电机和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法。该驱动桥主要包括：对转双转子电机、轮毂电机、行星机构、制动器、定轴齿轮副等。行星机构三元件的太阳轮和齿圈作为两个输入端或其中一个元件作为输入端另一元件固定，行星架作为输出端。对转双转子电机内转子通过定轴齿轮副与左侧行星机构的太阳轮联结，其外转子与右侧行星机构的太阳轮联结，两侧轮毂电机分别与相应侧行星机构的齿圈联结，两侧行星架分别通过传动轴与相应侧的轮辋联结作为输出端。该结构不仅能使非簧载质量减小，提高车辆的平顺性、舒适性和操稳性，满足大功率工况车辆对动力性的较高需求，且可以实现多种模式，使动力源工作在高效区，提高车辆经济性。

Description

一种基于对转双转子电机和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制 方法

技术领域

本发明涉及一种车辆驱动桥及其控制方法,尤其涉及一种基于对转双转子电机和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法。

背景技术

石油资源不断减少，传统内燃机汽车排放的尾气污染环境，随着人们环境保护意识和能源意识的不断提高，电动汽车技术的不断成熟，传统汽车在汽车市场所占的比重不断减少，而电动汽车所占比重越来越大，最终会取代传统汽车的位置。

轮毂电机驱动电动汽车省去了离合器、差速器、变速箱等传动部件，使得传动效率提高，而且很容易做到差速和全时四驱，但是由于电机和减速机构安装在轮毂中，使得簧下质量增加，轮毂电机还受到车轮的空间限制，使得电机功率和散热受限，很难满足大功率功率需求，影响车辆的各项性能。

本发明提出了一种基于对转双转子和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法。该驱动桥结构方案是基于轮毂电机和对转双转子电机动力耦合的纯电驱动桥，此方案可以是使用较小功率的轮毂电机，这不仅能够减小其簧下质量，提高汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性和平顺性；且由于采用轮毂电机和对转双转子电机进行动力耦合，能满足车辆大功率功率工况下汽车对动力性需求；同时，还可以通过动力耦合装置的耦合作用使动力源工作在高效区提高车辆经济性。该控制方法可以控制制动器的工作状态和动力源的输出状态，使该驱动桥在不同模式下工作，不同的工作模式有不同的速比和转矩输出关系，车辆可以根据实际功率需求，选择在不同的模式下运行。

发明内容

本发明充分利用对转双转子电机和轮毂电机动力耦合效果，在对转双转子电机的左侧增设了一级定轴齿轮传动副，使内转子输出的转矩和转速反向；通过行星机构和制动器的配合使用，能够实现不同的驱动模式，满足车辆实际功率需求，同时使电机工作在高效区，提高车辆经济性。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明公开一种基于对转双转子电机和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法。该驱动桥主要包括：一台对转双转子电机、两台轮毂电机、两个行星机构、四个制动器、一级定轴齿轮传动副等。行星机构的三元件中太阳轮和齿圈作为两个输入端，行星架作为输出端。或太阳轮和齿圈其中一元作为输入端，另一元件被制动器应固定不动，行星架作为输出端。对转双转子电机的内转子通过一级定轴齿轮传动副与左侧行星机构的太阳轮联结，一级定轴齿轮传动副使内转子输出到左侧太阳轮的转矩和转速反向，两个轮毂电机分别与相应侧行星机构的齿圈联结，两侧行星架通过传动轴分别与相应侧轮辋联结作为输出端，动力最终由行星机构的行星架传递给传动轴和轮辋，驱动车辆运行。左侧第三制动器制动钳与左侧轮毂电机外壳相连，左侧制动盘通过传动轴与左侧轮辋联结；右侧第三制动器制动钳与右侧轮毂电机外壳相连，右侧制动盘通过传动轴与右侧轮辋联结；起到行车制动与驻车制动的作用。在该驱动桥中，两侧轮毂电机的转子分别与相应侧行星机构的齿圈联结，两侧第二制动器分别与相应侧行星机构的齿圈联结，以此分别控制两侧行星机构齿圈的运动状态；左侧第一制动器与一级齿轮传动副的输出端联结，一次控制左侧太阳轮的运动状态；右侧第一制动器与对转双转子的外转子的传动轴联结，以此控制右侧太阳轮的运动状态。

本发明的工作原理：

对转双转子电机1内转子的动力经过一级定轴齿轮传动副、第一制动器3-1传到行星机构4的太阳轮4-7，一级定轴齿轮传动副使内转子输出到左侧太阳轮的转矩和转速反向，左侧轮毂电机7的动力传到行星机构4的齿圈4-3，通过对第一制动器3-1和第二制动器5-1的控制及对两个动力源的控制，使对转双转子电机1内转子和轮毂电机7或转双转子电机1内转子或轮毂电机7的动力由行星机构4的行星架4-5输出，动力最终传给左侧车轮。

对转双转子电机1外转子的动力经过第一制动器3-2传到行星机构4的太阳轮4-8，右侧轮毂电机10的动力传到行星机构4的齿圈4-4，通过对第一制动器3-2和第二制动器5-2的控制及对两个动力源的控制，使对转双转子电机1外转子和轮毂电机10或转双转子电机1外转子或轮毂电机10的动力由行星机构4的行星架4-6输出，动力最终传给右侧车轮。

具体汽车在何种工作模式下工作是根据汽车当前的运行状况和驾驶员需求，通过对制动器的和两种动力源的控制来决定该驱动桥在何种工作模式下工作，可通过对中央电机和轮毂电机转速和转矩的共同控制或单独控制，使电机始终处于最优的工作状态。

本发明的优点：

(1)本发明提出的结构方案基于轮毂电机和对转双转子电机动力耦合的纯电驱动桥，此方案可以是使用较小功率的轮毂电机，这不仅能够减小其簧下质量，提高汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性和平顺性；

(2)由于采用轮毂电机和对转双转子电机进行动力耦合，能满足车辆大功率功率工况下汽车对动力性需求；同时，还可以通过动力耦合装置的耦合作用使动力源工作在高效区提高车辆经济性。

(3)通过控制本发明结构方案中制动器的工作状态和动力源的输出状态，使该驱动桥在不同模式下工作，不同的工作模式有不同的速比和转矩输出关系，车辆可以根据实际功率需求，选择在不同的模式下运行。

(4)本发明提出一种基于对转双转子电机和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法，其输出功率较大，可以应用的车型范围较广。

附图说明

图1为基于对转双转子电机和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法的通用原理图

图2为两种电机动力耦合工作模式下动力传递路线图

图3为对转双转子电机工作模式动力传递路线图

图4为两轮毂电机工作模式下动力传递路线图

图5为对转双转子电机再生制动工作模式下动力传递路线图

图6为轮毂电机再生制动工作模式下动力传递路线图

图7为实施实例2结构原理图

图8为实施实例3结构原理图

图9为实施实例4结构原理图

图10为电机动力耦合工作模式下行星机构的旋转示意图

图11为电机动力耦合工作模式下K的转矩平衡图

图12为对转双转子电机工作模式下K的转速平衡图

图13为对转双转子电机工作模式下K的转矩平衡图

图14为轮毂电机驱动工作模式下K的转速平衡图

图15为轮毂电机驱动工作模式下K的转矩平衡图

图16为对转双转子电机再生制动工作模式下K的转速平衡图

图17为轮毂电机再生制动工作模式下K的转速平衡图

图中符号说明：

1对转双转子电机； 2第一制动器； 3第二制动器；

4行星机构； 4-1、5-2行星轮； 4-3、4-4齿圈；

4-5、4-6行星架； 4-7、4-8太阳轮； 5第二制动器；

6轮辋； 7、10轮毂电机； 7-1、10-1轮毂电机转子；

7-2、10-2轮毂电机定子； 8、9第三制动器； 8-1、9-1制动钳；

8-2、9-2制动盘；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施实例1

如图1所示为基于对转双转子电机和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法的具体实施例1。

对转双子电机1的内转子1-2经过一级定轴齿轮传动副2、第二制动器3-1与行星机构4的太阳轮4-7联结，第一制动器3-1可对对转双转子电机内转子1-2的输出进行控制，轮毂电机7其转子7-1与行星机构4的齿圈4-3联结，第二制动器3-1可对齿圈4-3和轮毂电机7的输出进行控制，行星机构4的行星架4-5通过传动轴与轮辋6-1联结，第三制动器8的制动钳8-1安装在轮毂电机7的电机壳上，制动盘8-2与传动轴联结。

对转双子电机1的外转子1-1经过第二制动器3-2与行星机构4的太阳轮4-8联结，第一制动器3-2可对对转双转子电机外转子1-1的输出进行控制，轮毂电机10其转子10-1与行星机构4的齿圈4-4联结，第二制动器3-2可对齿圈4-4和轮毂电机10的输出进行控制，行星机构4的行星架4-6通过传动轴与轮辋6-2联结，第三制动器9的制动钳9-1安装在轮毂电机7的电机壳上，制动盘9-2与传动轴联结。

其中第三制动器8、9对汽车的运动进行控制。

首先根据该驱动桥能够实现的各种工作模式进行分析，并对各种模式下的动力传递路线、转速和转矩进行分析和推导。

1、两种电机动力耦合工作模式

两种电机动力耦合工作模式下，对转双转子电机1和轮毂电机7、10同时工作，两侧第一制动器3和第二制动器5不工作。对转双转子电机1内转子1-2的动力经一级定轴齿轮传动副2传递给左侧行星机构4的太阳轮4-7，轮毂电机7的动力传给齿圈4-3，行星机构的太阳轮4-7和齿圈4-3成为两个力输入端，行星架4-5为输出端，动力再由行星架4-5传到轮辋6-1。动力传递路线如图2所示。推导系统输出转速与转矩如下

对转双转子电机的内转子和外转子的角速度与转矩的关系为：

ω＝ω_E0-ω_E1 (1)

T_E1＝T_E2 (2)

式中：ω为对转双转子电机内转子和外转子的相对角速度；ω_E0为外转子的角速度；ω_E1为内转子的角速度；T_E0为对转双转子电机外转子转矩；T_E1为对转双转子电机内转子转矩。

两种电机动力耦合工作模式下，两侧第一制动器3和第二制动器5不工作。

由图10知，接触点A点为行星轮和齿圈的接触点。

V_R@A＝ω_RR_R (3)

V_P@A＝-ω_PR_P+R_Rω_C (4)

V_R@A＝V_P@A (5)

可得

ω_RR_R＝-ω_PR_P+R_Rω_C (6)

同理行星轮和太阳轮的接触点B点

ω_SR_S＝ω_PR_P+R_Sω_C (7)

(6)(7)联立得

ω_SR_S+ω_RR_R＝(R_R+R_S)ω_C (8)

ρω_S＝(1+ρ)ω_C-ω_R (10)

式中：V_R@A为齿圈在A点的线速度；V_P@A为行星轮在A点的线速度；ω_R为齿圈的角速度；ω_P为行星轮的角速度；ω_C为行星架的角速度；ω_S为太阳轮的角速度；R_R为齿圈半径；R_P为行星轮半径；R_S为太阳轮半径；K为行星机构的特性参数；K₁为一级定轴齿轮传动副的传动比；n₁为左侧车轮最终输出转速；n₂为右侧车轮最终输出转速；n_E0为对转双转子电机外转子转速；n_E1为对转双转子电机内转子转速；为n_E2左侧轮毂电机转速；为n_E3右侧轮毂电机转速。

由拟杠杆法推导系统输出扭矩如下：

由图11，通过杠杆模拟法可知：

T₁＝T_C1＝T_R1+T_S1＝T_E2+K₁T_E1 (15)

T₂＝T_C2＝T_R2+T_S2＝T_E3+T_E0 (16)

式中：T₁为左侧车轮总输出转矩；T₂为右侧车轮总输出转矩；T_C1为左侧行星架所受转矩；T_C2为右侧行星架所受转矩；T_R1为左侧齿圈所受转矩；T_R2为右侧齿圈所受转矩；T_S1为左侧太阳轮所受转矩；T_S2为右侧太阳轮所受转矩；T_E2为左侧轮毂电机转矩；T_E3为右侧轮毂电机转矩。

2、对转双转子电机工作模式

在对转双转子电机1工作模式下，两侧第一制动器3不工作，两侧制动器5工作，齿圈4-5、4-6不动，轮毂电机7、10无动力输出。对转双转子电机1内转子1-2的动力经一级定轴齿轮传动副、第二制动器3-1传给行星机构4的太阳轮4-5，由于齿圈4-3固定不动，所以动力由行星架4-5输出，最后传递到轮辋6-1；对转双转子电机1外转子1-1的动力经第二制动器3-2传给行星机构4的太阳轮4-6，由于齿圈4-4固定不动，所以动力由行星架4-6输出，最后传递到轮辋6-2；共同驱动汽车运行。动力传递路线如图3所示。由模拟杠杆法推导系统输出扭矩及转速如下：

在对转双转子电机1工作模式下，两轮毂电机7、10不工作，两侧第一制动器3不工作，两侧第二制动器5工作。

由图12，通过杠杆模拟法可知：

由图13，通过杠杆模拟法可知

T₁＝T_C1＝T_S1(1+k)＝T_E1K₁(1+K) (20)

T₂＝T_C2＝T_S2(1+k)＝T_E0(1+K) (21)

3、轮毂电机驱动模式

在轮毂电机7、10驱动模式下，对转双转子电机1不工作，两侧第一制动器3工作，行星机构4的太阳轮4-7、4-8固定不动，两侧第二制动器5不工作。轮毂电机7的动力由行星机构4的齿圈4-3传到行星轮4-1，再由行星架4-5输出传递到轮辋6-1；轮毂电机10的动力由行星机构4的齿圈4-4传到行星轮4-2，再由行星架4-6输出传递到轮辋6-2；共同驱动汽车运行。动力传递路线图如图4所示。

在轮毂电机驱动模式下，对转双转子电机1不工作，两侧第一制动3工作，两侧第二制动器5不工作。

由图14，通过杠杆模拟法可知：

由图15，通过模拟杠杆法可知：

T_R(1+k)＝T_CK (25)

4、再生制动工作模式

(1)对转双转子电机再生制动工作模

在对转双转子电机再生制动工作模下，制动能量仅回馈给对转双转子电机1，两侧第二制动器5工作，齿圈4-3、4-4不动，两侧第一制动器3不工作。左侧车轮的动力经传动轴传到行星机构4的行星架4-5，再由行星架4-5传到太阳轮4-7，最终经一级定轴齿轮传动副传到对转双转子电机1的内转子1-2。右侧车轮的动力经传动轴传到行星机构4的行星架4-6，再由行星架4-6传到太阳轮4-8，最终经第二制动器3-2传到对转双转子电机1的外转子1-1。动力传递路线如图5所示。

在对转双转子电机再生制动工作模式下，两侧第二制动器5工作，两侧第一制动器3不工作。

由图16，通过杠杆模拟法可知：

n_s＝(1+k)n_c (29)

n_E1＝n_S1K₁＝K₁(1+K)n_C1 (30)

n_E0＝n_S2＝(1+K)n_C2 (31)

(2)轮毂电机再生制动工作模式

在轮毂电机7、10再生制动工作模式下，制动能量仅回馈给轮毂电机7、10，两侧第二制动器3工作，太阳轮4-7、4-8不动，两侧第二制动器6不工作。左侧车轮的动力经传动轴传到行星机构4的行星架4-5，由行星架4-5传到齿圈4-3，再由齿圈4-3传递给轮毂电机7。右侧车轮的动力经传动轴传到行星机构4的行星架4-6，由行星架4-6传到齿圈4-4，再由齿圈4-4传递给轮毂电机10。动力传递路线如图6所示。

在轮毂电机7、10再生制动工作模式下，第一制动器3-1、3-2工作，第二制动器5-1、5-2不工作。

由图17，通过杠杆模拟法可知：

5、倒车工作模式

倒车工作模式只需改变电机的转子的转向，令其反转，即实现倒车，其转矩和转速与汽车正向行驶各模式下的转矩和转速相同，参考上文。

表2表示为各模式下，系统各传动部件的状态以及动力传递路线末端的转矩和转速

表1系统各传动部件的状态以及动力传递路线末端的转矩和转速

实施实例2

如图7所示：该实施例与实施例1不同的是：去掉了实施实例1中的第一制动器3-1、3-2。该实施例可以实现实施实例1的两种电机动力耦合工作模式、对转双转子电机驱动工作模式、对转双转子电机再生制动工作模式和相应的倒车工作模式，其具体工作原理与速比计算与实例1相同，此处不再累述。

实施实例3

如图8所示：该实施例在实施实例1的基础上去掉了第二制动器5-1、5-2的结构原理图。

此实施实例可以实现实施实例1中的两种电机动力耦合工作模式、轮毂电机驱动模式、轮毂电机再生制动模式和相应的倒车工作模式，其具体工作原理与速比计算关系均与实施例1相同，此处不再累述。

实施实例4

如图9所示：该实施例在实施实例1的基础上去掉了第一制动器3-1、3-2和第二制动器5-1、5-2的结构原理图。

此实施实例可以实现实施例1中的两种电机动力耦合工作模式和相应的倒车工作模式，其具体工作原理与速比计算关系均与实施例1相同，此处不再累述。

Claims (8)

1.一种基于对转双转子和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法，该驱动桥的主要组成：对转双转子电机(1)、第一制动器(3)、一级定轴齿轮传动副(2)、行星机构(4)、第二制动器(5)、轮毂电机(7、10)、第三制动器(8、9)，对转双转子电机内转子通过一级定轴齿轮传动副与左侧行星机构的太阳轮联结，其外转子与右侧行星机构的太阳轮联结，两侧轮毂电机的转子与分别与相应侧行星机构的齿圈联结，两侧行星架分别通过传动轴与相应侧的轮辋联结，两侧行星机构的行星架通过传动轴分别与相应侧轮辋联结，在该驱动桥中，左侧第二制动器与左侧行星机构的齿圈联结，以此控制左侧轮毂电机的输出状态和左侧行星机构齿圈的运动状态，右侧第二制动器与右侧行星机构的齿圈联结，以此控制右侧轮毂电机的输出状态和右侧行星机构齿圈的运动状态，左侧第一制动器与一级定轴齿轮传动副的输出端联结，右侧第一制动器与对转双转子的外转子输出端联结，以此控制对转双转子电机的输出状态和左右两侧太阳轮的运动状态，

对转双转子电机(1)内转子(1-2)的动力经过一级定轴齿轮传动副(2)、第一制动器(3-1)进入左侧行星机构(4)的太阳轮(4-7)，轮毂电机(7)的动力经过第二制动器(5-1)进入行星机构(4)的齿圈(4-3)，输入到太阳轮(4-7)的动力和轮毂电机(7)输入到齿圈(4-3)的动力，或当两元件中其中一元件固定时另一元件的动力经过行星轮(4-1)传递给行星架(4-5)，最终动力经过左侧传动轴传递给轮辋(6-1)，以驱动左侧车轮运行；对转双转子电机(1)外转子(1-1)的动力经过第一制动器(3-2)进入右侧行星机构(4)的太阳轮(4-8)，右侧轮毂电机的动力经过第二制动器(6-2)进入行星机构(5)的齿圈(5-4)，输入到太阳轮(4-7)的动力和轮毂电机(10)输入到齿圈(4-4)的动力，或当两元件中其中一元件固定时另一元件的动力，经过行星轮(4-2)传递给行星架(4-6)，最终动力经过右侧传动轴传递给轮辋(6-2)，以驱动右侧车轮运行，第一制动器(3-1)可以控制对转双转子电机(1)内转子(1-2)的输出状态和左侧太阳轮(4-7)的运动状态，第一制动器(3-2)可以控制对转双转子电机(1)外转子(1-1)的输出状态和右侧太阳轮(4-8)的运动状态，第二制动器(5-1)控制轮毂电机(7)的输出状态和左侧行星机构的齿圈(4-3)的运动状态，第二制动器(5-2)控制轮毂电机(10)的输出状态和右侧行星机构的齿圈(4-4)的运动状态，通过控制动力源的工作状态和制动器的工作状态进而使汽车在不同模式下工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于对转双转子和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法，其特征在于：根据车辆实际的路况需求，通过对制动器和两种动力源的控制使驱动桥工作在不同的模式下，可以使电机工作在高效区，提高车辆经济性。

3.根据权利要求1所述的一种基于对转双转子和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法，其特征在于：所述轮毂电机和对转双转子电机功率的可根据应用对象进行具体的参数匹配，可以有不同的组合形式。

4.根据权利要求1所述的一种基于对转双转子和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法，其特征在于：根据驾驶员的需求，控制中央电机(1)和轮毂电机(8)输出转速和转矩的合理分配，可以实现不同路况下满足两车轮差速的需求。

5.根据权利要求1所述的一种基于对转双转子和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法，其特征在于：所述的左、右侧行星机构(5)可以是单行星机构，也可以是复合行星机构。

6.根据权利要求1所述的一种基于对转双转子和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法，其特征在于：所述的第一制动器(3-1、3-2)第二制动器(5-1、5-2)可以为干式、湿式或电磁等其他形式的制动器，也可以为单片或多片的制动器；所述的第一制动器(3-1、3-2)、第二制动器(5-1、5-2)，可以都存在，也可以存在任意一个或都不存在。

7.根据权利要求1所述的一种基于对转双转子和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法，其特征在于：所述第一制动器(3-1)也可以安装在一级定轴齿轮传动副(2)与对转双转子电机(1)内转子(1-2)的传动轴之间；所述轮毂电机转子(8-1、8-2)和齿圈(5-3、5-4)可以做成一体，也可以以齿轮副联结。

8.根据权利要求1所述的一种基于对转双转子和轮毂电机的纯电驱动桥及其控制方法，其特征在于：所述的轮毂电机和对转双转子电机的类型可以是为永磁同步、永磁直流、交流感应等励磁方式的电机。

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