CN110834549A

CN110834549A - 一种电动汽车双电机驱动系统及其功率耦合综合控制方法

Info

Publication number: CN110834549A
Application number: CN201911044141.2A
Authority: CN
Inventors: 田晋跃; 盛家炜
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2020-02-25

Abstract

本发明公开了一种电动汽车双电机驱动系统及其功率耦合综合控制方法，通过采用电动汽车双电机驱动系统，通过行星齿轮机构的动力耦合方式，实现电动汽车驱动系统的在不同工况下的转矩和转速耦合，双电机驱动系统具有功率分流型的可以实现连续调速和调矩的传动调节功能，能有效调节电动汽车电机工作状态，提高电机效率，且本发明功率耦合综合控制方法在需求转速和转矩一定的情况下，匹配工作模式，制定经济性控制策略，对双电机转速和转矩进行分配，使双电机工作在高能效状态，实现中低负荷经济性换挡、中高负荷动力性换挡的综合型换挡控制策略。

Description

一种电动汽车双电机驱动系统及其功率耦合综合控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车传动驱动控制技术领域，尤其是一种电动汽车双电机驱动系统及其功率耦合综合控制方法。

背景技术

提高电动汽车电机在行驶过程中的能量效率可有效提高电动汽车的续航里程，由电机效率分布情况可知，电机的效率在其额定转速附近较高，在高速和低速区间内效率较低，差值最高可达到30％左右，故通过调节电机工作区间可有效提高电机能量效率。

申请号201710095652.1的专利中描述一种电动汽车双电机驱动系统及控制方法，包括车辆信号单元、整车控制器、第一电机控制器、第二电机控制器、低速驱动电机及高速驱动电机；车辆信号单元用于将车辆信号传送至整车控制器；整车控制器根据接收到的车辆信号识别驾驶员的指令，并根据车速与阈值V1、V2和V3的比较来确定传送至第一电机控制器及第二控制器的控制命令，其中V1<V2<V3；当车速低于速度V1时，整车控制器通过第一电机控制器控制低速驱动电机运行；当车速大于V1且小于V2时，整车控制器通过第一电机控制器及第二电机控制器控制低速驱动电机与高速驱动电机同时运行；当车速大于V2时，整车控制器通过第二电机控制器控制高速驱动电机运行。该专利提供的驱动方案没有功率耦合，车辆具有两套独立的驱动系统，一个实现低速行走，一个实现高速行走。两套系统的切换简单。

申请号201811626223.3的专利中描述一种电动汽车双电机驱动系统及其控制方法，该系统包括驱动主电池、第一综合控制器、第一驱动电机、第二综合控制器、第二驱动电机和双输入减速箱，且双输入减速箱中的低速挡与高速挡的减速比之比为2～3；该控制方法为通过两根输入轴的差速，以及配合相应的控制策略，使一个高速电机负责低速挡运行，解决低速大电流的问题，提高车辆的载货能力和爬坡能力，另一个高速电机负责高速挡运行，以兼顾低速大扭力输出和高速高转速的效率。解决现有电机直驱式低速四轮车存在的用电效率太低的问题。该专利从结构上分析难以工程实施，两个电机采用轴耦合，两个电机存在转矩干涉，功率传递困难。

申请号201721345995.0的专利中描述一种纯电动汽车双电机驱动系统，包括：两个带有主、从动齿轮的电机、两个带有结合齿轮的同步机构、两个输出轴、两个挡位从动齿轮、带有传动齿轮的中间轴以及差速器，两个同步机构的齿毂分别与第一电机和第二电机的从动齿轮固定连接并空套于第一输出轴和第二输出轴上，两个同步机构的一端均为与输出轴固定连接的结合齿轮，另一端为作为EV档主动齿轮的结合齿轮，即分别空套在第一输出轴和第二输出轴上的EV一挡主动齿轮和EV二挡主动齿轮，第二级挡位从动齿轮固定设置于第一输出轴上并与中间轴的传动齿轮相啮合，第一级挡位从动齿轮固定设置于中间轴上，差速器通过主减速主动齿轮分别与两个同步机构相啮合。该专利两个电机独立工作，通过两个同步器实现功率的转换，结构冗余，操控相对复杂，不可以自动根据路面工况实现功率的分配。

绝大多数电动汽车为了兼顾较高最大时速和较大的爬坡度，采用了较大功率的电机加上单级减速器的动力系统形式，其控制系统较为简单。采用单电机加上单级减速器的驱动方式会造成电机工作区间随行驶工况变化较大，不能集中在高效区间，从而导致动力系统在综合工况运行情况下效率较低。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提出了一种电动汽车双电机驱动和功率耦合系统及其综合控制方法，采用电动汽车双电机驱动系统，通过行星齿轮机构的动力耦合方式，实现电动汽车驱动系统的在不同工况下的转矩和转速耦合，双电机驱动系统具有功率分流型的可以实现连续调速和调矩的传动调节功能，能有效调节电动汽车电机工作状态，提高电机效率。

本发明所采用的技术方案如下：

一种电动汽车双电机驱动系统，包括整车控制器，所述整车控制器分别连接电机A、电机B，所述电机A的输出轴A与耦合单元之间通过主动齿轮A实现动力传递；所述电机B的输出轴通过齿轮连接传动轴；将电机B的动力输入换向器；通过换向器与耦合单元动力传输；

进一步，所述整车控制器包括转矩转速需求计算模块，所述转矩转速需求计算模块的输出端连接工作模式确定模块，所述工作模式确定模块的输出端连接转矩转速分配模块，所述转矩转速分配模块分别连接电机A、电机B；

进一步，转矩转速需求计算模块用于接收车辆状态信息、电机状态信息和电池状态等信息，所述车辆状态信息包括车速、坡度；所述电机状态信息包括转速、转矩；

进一步，所述耦合单元包括从动齿轮A，所述从动齿轮A一端与主动齿轮A啮合，另一端通过齿圈，齿圈内部的行星轮和太阳轮啮合传动，太阳轮的输入轴连接换向器，行星轮的行星架作为耦合单元的输出，且行星架的轴通过齿轮对将输出的动力传递到差速器，差速器连接输出半轴，将动力传至左右驱动轮胎上；

一种电动汽车双电机驱动系统的功率耦合综合控制方法，包括如下步骤：

步骤1，采集加速踏板变化率，将加速踏板变化率与所设定的加速踏板变化率阈值δ比较，根据判断结果，若加速踏板变化率<δ，说明车辆在平稳行驶，转步骤2，否则说明车辆处于加速状态需要提供补偿转矩T_add1；

步骤2，根据行驶道路情况，获取坡度，将坡度与坡道阈值θ比较，根据判断结果，若坡度<θ，则计算出车辆所需的基本转矩T_b实现电动汽车实时控制；否则说明车辆处于爬坡状态，为获得良好的动力性能需要提供补偿转矩T_add2；

步骤3，根据车辆的电池信息、电机状态信息和车辆行驶状态信息计算出补偿转矩，通过补偿转矩T_add1、对基本转矩T_b进行补偿获得需求转矩T_req；

步骤4，根据需求转矩T_req选择最优工作模式。

进一步，所述步骤3中获得需求转矩T_req的方法为：

步骤3.1，针对加速踏板所设定的补偿转矩应满足

T_add1＝(T_vmax-T_b(k))*a

其中，T_add1表示急加速补偿转矩，T_vmax表示车速v下所能提供的最大转矩，T_b(k)表示车速v下加速踏板开度为k时所对应的基础转矩，a表示加速踏板开度变化率系数；

步骤3.2.，爬坡时的补偿转矩为：

T_add2＝(T_vmax-T_b(k))*b

其中，b为坡度系数；

步骤3.3，采集车辆的电池信息，车辆的电池信息包括电池的温度和剩余电量；若电池的温度<T且剩余电量>t，说明电池电量充足；

步骤3.5，通过计算电动汽车基础转矩以及附加转矩可获得双电机动力系统实时需求转矩：

T_req＝T_b+T_add＝T_b+(T_vmax-T_b(k))*(a+b)。

进一步，步骤4中选择最优工作模式的方法为：根据目标车速、踏板开度和需求扭矩，获得最高转速和最大转矩，基于最高转速和最大转矩对工作模式进行筛选，即通过模式能耗计算，选出最小能耗模式，即等效驱动力图对应点为最优工况模式。

本发明的有益效果：

1、本发明所提出一种新的纯电动汽车双电机动力系统耦合构型，通过双电机在不同方式下的动力耦合，满足电动汽车爬坡时的力矩要求以及高速时的转速要求。解决采用小功率单电机固定传动比方式不能同时满足爬坡性能与高速性能的矛盾，以及采用大功率电机能量利用率低的问题。

2、本发明双电机动力系统具有双电机单独工作、转矩耦合工作和转速耦合工作等多个工作模式，在需求转速和转矩一定的情况下，匹配工作模式，制定经济性控制策略，对双电机转速和转矩进行分配，使双电机工作在高能效状态，提高电动汽车能量效率基于电机效率等高线图和加速踏板开度输出曲线，实现中低负荷经济性换挡、中高负荷动力性换挡的综合型换挡控制策略。

附图说明

图1是本发明双电机动力驱动系统示意图；

图2是本发明双电机动力系统结构示意图；

图3是本发明功率耦合单元结构示意图；

图4是本发明的双电机动力系统需求扭矩计算流程图；

图5是基于电动汽车最少能量消耗的原则对双电机动力系统进行模式划分流程图；

图6等效驱动力图对应点最优工况模式划分示意图；

图中，1、电机A，2、输出轴A，3、主动齿轮A，4、主动齿轮B，5、电机B，6、从动齿轮B，7、传动轴，8、换向器，9、从动齿轮A，10、差速器，11、齿圈，12、行星轮，13、行星架，14、太阳轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2所示，本发明所设计的一种电动汽车双电机驱动系统，包括整车控制器，，整车控制器包括转矩转速需求计算模块，转矩转速需求计算模块用于接收车辆状态信息(车速、坡度)、电机状态信息(转速、转矩)和电池状态等信息；转矩转速需求计算模块的输出端连接工作模式确定模块，工作模式确定模块的输出端连接转矩转速分配模块，转矩转速分配模块分别连接电机A1、电机B5；电机A1的输出轴A2上装有主动齿轮A3；电机B5的输出轴上装有主动齿轮B4，主动齿轮B4与从动齿轮B6啮合传动，从动齿轮B6套装在传动轴7上，传动轴7连接换向器8。

如图3所示，耦合单元包括从动齿轮A9，从动齿轮A9一端与主动齿轮A3啮合，另一端为齿圈11，齿圈11内部的行星轮12和太阳轮14啮合传动，太阳轮14的输入轴连接换向器8，行星轮12的行星架13作为耦合单元的输出，且行星架13的轴通过齿轮对将输出的动力传递到差速器10，差速器10连接输出半轴，将动力传至左右驱动轮胎上。

步骤3，根据车辆的电池信息、电机状态信息和车辆行驶状态信息计算出补偿转矩，通过补偿转矩T_add1、对基本转矩T_b进行补偿获得需求转矩：

T_req＝T_b+T_add＝T_b+(T_vmax-T_b(k))*(a+b)

最终获得车辆的需求转矩实现电动汽车实时控制。

步骤3中获得需求转矩T_req的方法为：

步骤3.1，踏板信息：考虑到汽车行驶时低速时扭矩补偿应较大，高速时扭矩补偿应适当减小的特点，针对加速踏板所设定的补偿转矩应满足

T_add1＝(T_vmax-T_b(k))*a

其中，T_add1表示急加速补偿转矩，T_vmax表示车速v下所能提供的最大转矩，T_b(k)表示车速v下加速踏板开度为k时所对应的基础转矩，a表示加速踏板开度变化率系数。

步骤3.2.，道路信息：根据道路坡道情况实时对基础转矩进行适当补偿，将有利于提高电动汽车的驾驶舒适性，爬坡时的补偿转矩为：

T_add2＝(T_vmax-T_b(k))*b

其中，b为坡度系数。

步骤3.3，采集车辆的电池信息，车辆的电池信息包括电池的温度和剩余电量；若电池的温度<T且剩余电量>t，说明电池电量充足。较大的补偿转矩容易造成电池放电过快，降低电动汽车续航里程，同时，当放电电流过大，会造成电池温度过高，加大电池负担，影响电池寿命。

步骤3.4，电机信息：通过对电机效率MAP图的分析可知，电机负荷率超过60％时，进行转矩补偿容易造成电机效率降低。

步骤3.5，因此，通过计算电动汽车基础转矩以及附加转矩可获得双电机动力系统实时需求转矩：

T_req＝T_b+T_add＝T_b+(T_vmax-T_b(k))*(a+b)。

步骤4，通过四种工作模式协同工作可满足电动汽车不同工况的转速转矩需求，合理的划分各个工作模式的工作区间，将有利于提高电动其策划的能量效率，增加其续驶里程。因此，基于电动汽车最少能量消耗的原则对双电机动力系统进行模式划分，具体流程图如图5所示：根据目标车速、踏板开度和需求扭矩，获得最高转速和最大转矩，基于最高转速和最大转矩对工作模式进行筛选，即通过模式能耗计算，选出最小能耗模式，即等效驱动力图对应点最优工况模式。等效驱动力图对应点最优工况模式具体划分情况如图6所示，当车速低于21km/h且转矩大于12*v时选择工作模式一；当车速低于29km/h且转矩小于12*v或者车速处于29-80km/h且转矩小于477-4.36*v时选择工作模式二；当车速为21-51km/h且转矩需求大于12*v或者车速为51-60km/h且需求转矩大于22*v-879时或者车速处于60-101km/h且转矩大于472-0.31*v时选择模式三；当车速处于60-86km/h且需求转矩大于333-1.56*v小于472-0.31*v或者车速大于86km/h且转矩小于472-0.31*v时选择模式四。

此种结构的4种工作模式的具体工作过程为：

工作模式一：电机A1单独工作，此时换向器8的拨叉保持中立，电机A1与主动齿轮A3啮合，功率从主动齿轮A3输入，由行星齿轮特性可知此时传动比较小，在中速小扭矩工作时电机工作点可大多位于电机高效区。

工作模式二：电机A1不工作，电机B5单独工作，此时换向器8的拨叉向右移动使摩擦片结合，电机A2输出动力经过换向器8传向太阳轮14，电机A2动力从太阳轮14输入。在低速大扭矩工况工作时电机工作点可大多位于电机高效区。

工作模式三：电机A1与B5进行转矩耦合驱动，此时换向器8的拨叉向左运动，电机A1功率直接经过主动齿轮A3输入，电机B5动力经过换向器8传递给齿圈。在中速大扭矩工况工作时可通过调节两电机转矩使各自工作在效率较高的区间。

工作模式四：电机A1与B5进行转速耦合驱动，此时换向器8的拨叉向右移动，电机A1功率直接从主动齿轮A3输入，电机B5输出功率经过换向器8传递给太阳轮14，利用行星齿轮机构进行耦合。在高速小扭矩工况工作时可通过调节两电机转速使各自工作在效率较高的区间。

本发明采用电动汽车双电机驱动系统，通过行星齿轮机构的动力耦合方式，实现电动汽车驱动系统的在不同工况下的转矩和转速耦合，双电机驱动系统具有功率分流型的可以实现连续调速和调矩的传动调节功能，能有效调节电动汽车电机工作状态，提高电机效率。

针对上述存在的问题，本发明专利针对电动汽车双电机驱动系统功率耦合综合控制方法。提出一种新的纯电动汽车双电机动力系统耦合构型，通过双电机在不同方式下的动力耦合，满足电动汽车爬坡时的力矩要求以及高速时的转速要求。解决采用小功率单电机固定传动比方式不能同时满足爬坡性能与高速性能的矛盾，以及采用大功率电机能量利用率低的问题。

本发明双电机动力系统具有双电机单独工作、转矩耦合工作和转速耦合工作等多个工作模式，在需求转速和转矩一定的情况下，匹配工作模式，制定经济性控制策略，对双电机转速和转矩进行分配，使双电机工作在高能效状态，提高电动汽车能量效率基于电机效率等高线图和加速踏板开度输出曲线，实现中低负荷经济性换挡、中高负荷动力性换挡的综合型换挡控制策略。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电动汽车双电机驱动系统，其特征在于，包括整车控制器，所述整车控制器分别连接电机A(1)、电机B(5)，所述电机A(1)的输出轴A(2)与耦合单元之间通过主动齿轮A(3)实现动力传递；所述电机B(5)的输出轴通过齿轮连接传动轴(7)；将电机B(5)的动力输入换向器(8)；通过换向器(8)与耦合单元动力传输。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车双电机驱动系统，其特征在于，所述整车控制器包括转矩转速需求计算模块，所述转矩转速需求计算模块的输出端连接工作模式确定模块，所述工作模式确定模块的输出端连接转矩转速分配模块，所述转矩转速分配模块分别连接电机A(1)、电机B(5)。

3.根据权利要求2所述的一种电动汽车双电机驱动系统，其特征在于，所述转矩转速需求计算模块用于接收车辆状态信息、电机状态信息和电池状态等信息，所述车辆状态信息包括车速、坡度；所述电机状态信息包括转速、转矩。

4.根据权利要求3所述的一种电动汽车双电机驱动系统，其特征在于，所述耦合单元包括从动齿轮A(9)，所述从动齿轮A(9)一端与主动齿轮A(3)啮合，另一端通过齿圈(11)，齿圈(11)内部的行星轮(12)和太阳轮(14)啮合传动，太阳轮(14)的输入轴连接换向器(8)，行星轮(12)的行星架(13)作为耦合单元的输出，且行星架(13)的轴通过齿轮对将输出的动力传递到差速器(10)，差速器(10)连接输出半轴，将动力传至左右驱动轮胎上。

5.一种基于权利要求4所述的一种电动汽车双电机驱动系统的功率耦合综合控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤4，根据需求转矩T_req选择最优工作模式。

6.根据权利要求5所述的一种电动汽车双电机驱动系统的功率耦合综合控制方法，其特征在于，所述步骤3中获得需求转矩T_req的方法为：

步骤3.1，针对加速踏板所设定的补偿转矩应满足：T_add1＝(T_vmax-T_b(k))*a，其中，T_add1表示急加速补偿转矩，T_vmax表示车速v下所能提供的最大转矩，T_b(k)表示车速v下加速踏板开度为k时所对应的基础转矩，a表示加速踏板开度变化率系数；

步骤3.2.，爬坡时的补偿转矩为：T_add2＝(T_vmax-T_b(k))*b，其中，b为坡度系数；

步骤3.5，通过计算电动汽车基础转矩以及附加转矩可获得双电机动力系统实时需求转矩：T_req＝T_b+T_add＝T_b+(T_vmax-T_b(k))*(a+b)。

7.根据权利要求5或6所述的一种电动汽车双电机驱动系统的功率耦合综合控制方法，其特征在于，步骤4中选择最优工作模式的方法为：

根据目标车速、踏板开度和需求扭矩，获得最高转速和最大转矩，基于最高转速和最大转矩对工作模式进行筛选，即通过模式能耗计算，选出最小能耗模式，即等效驱动力图对应点为最优工况模式。