CN111319477A - 一种氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统及其控制方法，本发明在氢燃料电池电车里面实现车辆配置四个集成一体化电机，实现了四驱性能，能够实现高效动力匹配的效果，同时满足在特殊应用(机动性要求高)环境下，能够独立实现前驱、后驱、四驱的高性能驱动要求。任何一个、两个或者三个电机损坏，都通能够通过控制策略实施控制，使车辆能够保持额定的运行和通过能力。如此，电机可经常工作在高效区间，同时电池的峰值能力也能完全释放，兼顾了性能和续航。

Description

一种氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统及其控制方法
技术领域
本发明属于新能源汽车，尤其是针对氢燃料电池汽车动力驱动系统的高机动性匹配领域，涉及一种氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统及其控制方法。
背景技术
社会在大力推行环保新能源汽车，其中就包括氢燃料电池电动汽车，氢燃料电池电动汽车使用氢燃料电池作为电力提供者，匹配辅助能源系统，通过驱动电机驱动车轮，实现车辆运动。
为实现电动汽车的动力性达到高的水平，一般会使用一个功率储备很大的单电机来实现车辆驱动，单电机驱动无法兼顾性能、高机动和续航性能。
在电池容量不变的条件下，如需提高动力性能，需要电机储备的峰值功率比电池大，这样可以在加减速过程中完全发挥电池能力。但这样会造成在正常工况下，电机的功率富余很多，使得效率下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有氢燃料电池的空间布局有限，续航里程短、动力性弱、可靠性不高并不满足高机动性需求的缺陷，提供了一种氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统及其控制方法。
根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统，其特征在于，包含：VCU(Vehicle Control Unit)、中部氢罐、后部氢罐、四个驱动电机系统以及一个燃料电池发动机总成；
中部氢罐位于氢燃料电池电动汽车的前后方向的中部，后部氢罐位于氢燃料电池电动汽车的前后方向的后部；
四个驱动电机系统即前左驱动电机系统、前右驱动电机系统、后右驱动电机系统和后左驱动电机系统，前左驱动电机系统集成有前左电机、前左变速箱和前左电机控制器，前右驱动电机系统集成有前右电机、前右变速箱和前右电机控制器，后右驱动电机系统集成有后右电机、后右变速箱和后右电机控制器，后左驱动电机系统集成有后左电机、后左变速箱和后左电机控制器；前左电机与前右电机位于前轴处，后右电机与后左电机位于后轴处；前右电机的输出轴连接前右变速箱的输入轴，前右变速箱的输出轴用于连接前右轮胎，前左电机的输出轴连接前左变速箱的输入轴，前左变速箱的输出轴用于连接前左轮胎，后右电机的输出轴连接后右变速箱的输入轴，后右变速箱的输出轴用于连接后右轮胎，后左电机的输出轴连接后左变速箱的输入轴，后左变速箱的输出轴用于连接后左轮胎；
燃料电池发动机总成位于氢燃料电池电动汽车的前后方向的前部，为四个驱动电机系统以及氢燃料电池电动汽车的其他负载提供工作电能，包含电堆以及用于控制电堆工作状态的控制器，燃料电池发动机总成分别连接中部氢罐以及后部氢罐以获取氢气进行工作；前左驱动电机系统以及前右驱动电机系统固定在燃料电池发动机总成的后方以及下方，后右驱动电机系统和后左驱动电机系统位于中部氢罐与后部氢罐之间；
四个驱动电机系统中的电机控制器以及燃料电池发动机总成中的所述控制器连接并受控于VCU。
进一步地，在本发明的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统中，前左电机、前右电机、后右电机和后左电机这四个电机均为永磁同步电机，且这四个电机的输出轴与各自对应的变速箱输出轴不在同一轴线上，但是位于平行方向。
进一步地，在本发明的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统中，后右电机和后左电机配备有驻车系统，驻车系统连接并受控于VCU，用于驻车使用。
进一步地，在本发明的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统中，前左驱动电机系统、前右驱动电机系统、后右驱动电机系统和后左驱动电机系统中的一个或者多个配置有断开机构，该结构位于所在的驱动电机系统的电机与变速箱之间，当该断开机构作用时，电机输出轴与变速箱的输入轴断开，电机可以进入空转状态，否则，电机输出轴与变速箱的输入轴之间相连。
进一步地，在本发明的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统中，四个驱动电机系统中的电机控制器以及燃料电池发动机总成中的所述控制器连接于VCU是通过CAN总线进行连接。
根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种用于上述的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统的控制方法，四个驱动电机系统是被VCU分别进行独立控制的，所述控制方法包括：
计算氢燃料电池电动汽车所需的功率；
所述所需的功率小于单个电机储备的峰值功率时，则VCU控制四个驱动电机系统中的一个进行工作，剩余的电机不工作，并选择前轴和后轴中轴荷大的车轴作为驱动轴；此时，
所述所需的功率不小于单个电机储备的峰值功率且小于预设值时，则VCU控制四个驱动电机系统中采用双轴双电机的工作模式，剩余的电机不工作，并按照前轴和后轴的荷比例输出相应转矩分别驱动前轴的一个电机和后轴的一个电机，同时控制前轴和后轴的电机转速协调，防止驱动轮产生滑转和滑脱现象；所述预设值小于或者等于两个电机储备的峰值功率；
所述所需的功率不小于所述预设值时，则VCU控制四个驱动电机系统采用双轴三电机或者双轴四电机的工作模式，剩余的电机不工作，并按照前轴和后轴的荷比例输出相应转矩分别驱动前轴的电机和后轴的电机，同时控制前轴和后轴的电机转速协调，防止驱动轮产生滑转和滑脱现象。
进一步地，在本发明的控制方法中，四个驱动电机系统中，电机的四象限控制由对应的电机控制器实现，电机控制器集成在驱动电机系统中，内部共享冷却系统和电机电压输入线路，四个驱动电机系统响应整车控制求的扭矩质量进行控制，且四个驱动电机系统通过集成的电机控制器实现自身内外部的故障诊断。
进一步地，在本发明的控制方法中，四个驱动电机系统中，任何一个或者多个电机出现故障，VCU会控制剩余的一个电机参与驱动，实现该车辆的降额条件下的运行。
进一步地，在本发明的控制方法中，四个驱动电机系统中，前左电机和前右电机的功率范围为40～100kw，后左电机和后右电机的功率范围为50～150kw。
使用本发明的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统及其控制方法，具有下述技术效果：本发明在氢燃料电池电车里面实现车辆配置四个集成一体化电机，实现了四驱性能，能够实现高效动力匹配的效果，同时满足在特殊应用(机动性要求高)环境下，能够独立实现前驱、后驱、四驱的高性能驱动要求。任何一个、两个或者三个电机损坏，都通能够通过控制策略实施控制，使车辆能够保持额定的运行和通过能力。如此，电机可经常工作在高效区间，同时电池的峰值能力也能完全释放，兼顾了性能和续航。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的本发明的氢燃料电池电动汽车四驱动电机的原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图1，图1是本发明的本发明的氢燃料电池电动汽车四驱动电机的原理图。本发明的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统，包含：VCU(Vehicle Control Unit)、中部氢罐6、后部氢罐7、四个驱动电机系统以及一个燃料电池发动机总成1。
中部氢罐6位于氢燃料电池电动汽车的前后方向的中部，后部氢罐7位于氢燃料电池电动汽车的前后方向的后部。中部氢罐6采取1～3个罐的数量，可以根据实际布置情况进行调整，后部氢罐7为一个罐。
四个驱动电机系统即前左驱动电机系统2-2、前右驱动电机系统2-1、后右驱动电机系统3-1和后左驱动电机系统3-2，前左驱动电机系统2-2集成有前左电机、前左变速箱和前左电机控制器，前右驱动电机系统2-1集成有前右电机、前右变速箱和前右电机控制器，后右驱动电机系统3-1集成有后右电机、后右变速箱和后右电机控制器，后左驱动电机系统3-2集成有后左电机、后左变速箱和后左电机控制器；前左电机与前右电机位于前轴处，后右电机与后左电机位于后轴处；前右电机的输出轴连接前右变速箱的输入轴，前右变速箱的输出轴用于连接前右轮胎，前左电机的输出轴连接前左变速箱的输入轴，前左变速箱的输出轴用于连接前左轮胎，后右电机的输出轴连接后右变速箱的输入轴，后右变速箱的输出轴用于连接后右轮胎，后左电机的输出轴连接后左变速箱的输入轴，后左变速箱的输出轴用于连接后左轮胎。前左电机、前右电机、后右电机和后左电机这四个电机均为永磁同步电机，且这四个电机的输出轴与各自对应的变速箱输出轴不在同一轴线上，但是位于平行方向。前左电机和前右电机的功率范围为40～100kw，后左电机和后右电机的功率范围为50～150kw，当然在其他实现方式中，四个电机的功率范围可以设为一致。
氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统中，后右电机和后左电机配备有驻车系统，驻车系统连接并受控于VCU8，用于驻车使用。前左驱动电机系统2-2、前右驱动电机系统2-1、后右驱动电机系统3-1和后左驱动电机系统3-2中的一个或者多个配置有断开机构，该结构位于所在的驱动电机系统的电机与变速箱之间，当该断开机构作用时，电机输出轴与变速箱的输入轴断开，电机可以进入空转状态，否则，电机输出轴与变速箱的输入轴之间相连。
燃料电池发动机总成1位于氢燃料电池电动汽车的前后方向的前部，为四个驱动电机系统以及氢燃料电池电动汽车的其他负载提供工作电能，包含电堆以及用于控制电堆工作状态的控制器，燃料电池发动机总成1通过氢进气管k和j分别连接中部氢罐6以及后部氢罐7以获取氢气进行工作；前左驱动电机系统2-2以及前右驱动电机系统2-1固定在燃料电池发动机总成1的后方以及下方，后右驱动电机系统3-1和后左驱动电机系统3-2位于中部氢罐6与后部氢罐7之间。燃料电池发动机总成1的输出端连接DCDC与PDU模块4，用于在DCDC与PDU模块4的控制下向四个驱动电机系统能量流向。
四个驱动电机系统中的电机控制器以及燃料电池发动机总成1中的所述控制器连接并受控于VCU。优选的，四个驱动电机系统中的电机控制器以及燃料电池发动机总成1中的所述控制器连接于VCU8是通过CAN总线进行连接，其中图1中的d、b、m、n、p、q、s表示低压连接线(相对于下述的高压连接线u、v、w)和CAN通讯线束。
当然，氢燃料电池电动汽车还应具有转向系统9，用于进行转向。
本发明还提供了一种用于上述的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统的控制方法，四个驱动电机系统是被VCU8分别进行独立控制的，所述控制方法包括：
计算氢燃料电池电动汽车所需的功率。
所述所需的功率小于单个电机储备的峰值功率时，例如小于前左或者前右电机储备的峰值功率时，则VCU8控制四个驱动电机系统中的一个进行工作，剩余的电机不工作，并选择前轴和后轴中轴荷大的车轴作为驱动轴。前后轴电机负荷率低，如双电机或多电机驱动会造成两个电机工作效率更低，因此此时只需要一个电机即可。此时，一方面是为了减少单个电机大功率驱动造成过热；另一方面，双轴驱动时，由于轮胎磨损或气压不同而造成前后轮半径不等；或者因路面不平、曲线行驶会使前后驱动轮行程不同，而造成前后驱动桥产生功率循环现象，引起电机功率的额外消耗，轮胎以及传动系零件的异常磨损。
所述所需的功率不小于单个电机储备的峰值功率且小于预设值时，则VCU8控制四个驱动电机系统中采用双轴双电机的工作模式，剩余的电机不工作，并按照前轴和后轴的荷比例输出相应转矩分别驱动前轴的一个电机和后轴的一个电机，同时控制前轴和后轴的电机转速协调，防止驱动轮产生滑转和滑脱现象；所述预设值小于或者等于两个电机储备的峰值功率；
所述所需的功率不小于所述预设值时，则VCU控制四个驱动电机系统采用双轴三电机或者双轴四电机的工作模式，剩余的电机不工作，并按照前轴和后轴的荷比例输出相应转矩分别驱动前轴的电机和后轴的电机，同时控制前轴和后轴的电机转速协调，防止驱动轮产生滑转和滑脱现象。
四个驱动电机系统中，电机的四象限控制由对应的电机控制器实现，电机控制器集成在驱动电机系统中，内部共享冷却系统和电机电压输入线路(高压连接线u、v、w)，四个驱动电机系统响应整车控制求的扭矩质量进行控制，且四个驱动电机系统通过集成的电机控制器实现自身内外部的故障诊断。任何一个或者多个电机出现故障，VCU会控制剩余的一个电机参与驱动，实现该车辆的降额条件下的运行。
使用本发明的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统及其控制方法，具有下述技术效果：发明在氢燃料电池电车里面实现车辆配置四个集成一体化电机实施四驱性能，能够实现高效动力匹配的效果，同时满足在特殊应用(机动性要求高)环境下，能够独立实现前驱、后驱、四驱的高性能驱动要求。任何一个、两个或者三个电机损坏，都通能够通过控制策略实施控制，使车辆能够保持额定的运行和通过能力。如此，电机可经常工作在高效区间，同时电池的峰值能力也能完全释放，兼顾了性能和续航。
制动工况下采用前后轴多电机驱动系统进行制动，为尽量多回收制动能量，制动策略可控制前后轴电机同时以发电状态进行双电机再生制动；若电机再生制动力小于车辆需求的制动力，不足部分由机械制动力补充；再生的电能可以存储至超级电容5中。前后电机制动有利于缩短制动距离和保证制动时车辆的方向稳定性。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统，其特征在于，包含：VCU、中部氢罐、后部氢罐、四个驱动电机系统以及一个燃料电池发动机总成；
中部氢罐位于氢燃料电池电动汽车的前后方向的中部，后部氢罐位于氢燃料电池电动汽车的前后方向的后部；
四个驱动电机系统即前左驱动电机系统、前右驱动电机系统、后右驱动电机系统和后左驱动电机系统，前左驱动电机系统集成有前左电机、前左变速箱和前左电机控制器，前右驱动电机系统集成有前右电机、前右变速箱和前右电机控制器，后右驱动电机系统集成有后右电机、后右变速箱和后右电机控制器，后左驱动电机系统集成有后左电机、后左变速箱和后左电机控制器；前左电机与前右电机位于前轴处，后右电机与后左电机位于后轴处；前右电机的输出轴连接前右变速箱的输入轴，前右变速箱的输出轴用于连接前右轮胎，前左电机的输出轴连接前左变速箱的输入轴，前左变速箱的输出轴用于连接前左轮胎，后右电机的输出轴连接后右变速箱的输入轴，后右变速箱的输出轴用于连接后右轮胎，后左电机的输出轴连接后左变速箱的输入轴，后左变速箱的输出轴用于连接后左轮胎；
燃料电池发动机总成位于氢燃料电池电动汽车的前后方向的前部，为四个驱动电机系统以及氢燃料电池电动汽车的其他负载提供工作电能，包含电堆以及用于控制电堆工作状态的控制器，燃料电池发动机总成分别连接中部氢罐以及后部氢罐以获取氢气进行工作；前左驱动电机系统以及前右驱动电机系统固定在燃料电池发动机总成的后方以及下方，后右驱动电机系统和后左驱动电机系统位于中部氢罐与后部氢罐之间；
四个驱动电机系统中的电机控制器以及燃料电池发动机总成中的所述控制器连接并受控于VCU。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统，其特征在于，前左电机、前右电机、后右电机和后左电机这四个电机均为永磁同步电机，且这四个电机的输出轴与各自对应的变速箱输出轴不在同一轴线上，但是位于平行方向。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统，其特征在于，后右电机和后左电机配备有驻车系统，驻车系统连接并受控于VCU，用于驻车使用。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统，其特征在于，前左驱动电机系统、前右驱动电机系统、后右驱动电机系统和后左驱动电机系统中的一个或者多个配置有断开机构，该断开结构位于所在的驱动电机系统的电机与变速箱之间，当该断开机构作用时，电机输出轴与变速箱的输入轴断开，电机可以进入空转状态，否则，电机输出轴与变速箱的输入轴之间相连。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统，其特征在于，四个驱动电机系统中的电机控制器以及燃料电池发动机总成中的所述控制器连接于VCU是通过CAN总线进行连接。
6.一种用于如权利要求1-5任一项所述的氢燃料电池电动汽车四驱动电机系统的控制方法，其特征在于，四个驱动电机系统是被VCU分别进行独立控制的，所述控制方法包括：
计算氢燃料电池电动汽车所需的功率；
所述所需的功率小于单个电机储备的峰值功率时，则VCU控制四个驱动电机系统中的一个进行工作，剩余的电机不工作，并选择前轴和后轴中轴荷大的车轴作为驱动轴；
所述所需的功率不小于单个电机储备的峰值功率且小于预设值时，则VCU控制四个驱动电机系统中采用双轴双电机的工作模式，剩余的电机不工作，并按照前轴和后轴的荷比例输出相应转矩分别驱动前轴的一个电机和后轴的一个电机，同时控制前轴和后轴的电机转速协调，防止驱动轮产生滑转和滑脱现象；所述预设值小于或者等于两个电机储备的峰值功率；
所述所需的功率不小于所述预设值时，则VCU控制四个驱动电机系统采用双轴三电机或者双轴四电机的工作模式，剩余的电机不工作，并按照前轴和后轴的荷比例输出相应转矩分别驱动前轴的电机和后轴的电机，同时控制前轴和后轴的电机转速协调，防止驱动轮产生滑转和滑脱现象。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，四个驱动电机系统中，电机的四象限控制由对应的电机控制器实现，电机控制器集成在驱动电机系统中，内部共享冷却系统和电机电压输入线路，四个驱动电机系统响应整车控制求的扭矩质量进行控制，且四个驱动电机系统通过集成的电机控制器实现自身内外部的故障诊断。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，四个驱动电机系统中，任何一个或者多个电机出现故障，VCU会控制剩余的一个电机参与驱动，实现该车辆的降额条件下的运行。
9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，四个驱动电机系统中，前左电机和前右电机的功率范围为40～100kw，后左电机和后右电机的功率范围为50～150kw。
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