CN111546906A - 一种具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统其及控制方法，所述控制方法包括：在车辆行驶过程中，根据车轮所需驱动功率确定驱动模式；其中，当P≤0.8P_max1时，由第一电机单独驱动；当P＞0.8P_max1时，由所述第一电机和所述第二电机同时驱动；式中，P为车轮所需驱动功率，P_max1为第一电机的峰值功率；在车辆制动过程中，根据车轮需求的制动力矩和车辆行驶速度确定制动模式；其中，当T_rep≤0.75T_1m，并且v＞v₀时，由所述第一电机进行再生制动；当T_rep＞0.75T_1m，并且v＞v₀时，由所述第一电机和所述第二电机复合制动；当v≤v₀时，由所述第二电机进行制动；式中，T_rep为车轮所需制动力矩，T_1m为第一电机在当前转速下能够提供的最大制动力矩。

Description

一种具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统及其控制方法

技术领域

本发明属于车辆驱动与制动集成技术领域，特别涉及一种具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统及其控制方法。

背景技术

目前纯电动汽车的驱动系统主要采用中央式驱动方案，利用驱动电机代替内燃机，驱动电机输出的动力经过传动系传递至车轮，能量在传递过程中会被消耗掉一部分，效率利用率低，不利于整车能源的有效利用。纯电动汽车的分布式驱动方案采用轮毂电机直接驱动车轮，能够有效提高电动汽车的能源利用率。

电子机械制动作为一类新兴的车辆制动设备，它能够发挥一般液压制动系统所不具备的功能。尤其是当前，新的技术不断进步，汽车电子设备愈发完善，车辆工业生产中，电子机械制动系统能够满足车辆制动技术的发展需求。

发明内容

本发明设计开发了一种具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统，该系统采用双电机驱动轮毂，能够降低各驱动电机的转矩负荷，从而使整车在较宽的转矩范围内保持高效驱动，同时能够进行电机制动与液压复合制动以提高制动效率，并使车辆的能源利用率得以提高。

本发明设计开发了一种具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，能够根据车轮所需的驱动转矩或制动转矩切换为不同的驱动或制动模式，能够在保证车辆稳定运行的基础上，进一步提高能源的利用效率。

本发明提供的技术方案为：

一种具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统，包括：

第一电机，其集成有电动机功能和发电机功能；所述第一电机具有动力输出轴；

第一行星排，其包括第一太阳轮、第一行星轮、第一行星架及第一齿圈；

其中，所述动力输出轴与所述第一太阳轮固定连接，所述第一行星架与轮辋固定连接；

第一制动器，其选择性的与所述第一齿圈结合或分离；

第二电机，其包括定子和转子；

第二行星排，其包括第二太阳轮、第二行星轮、第二行星架及第二齿圈；

其中，所述转子选择性的连接所述第一齿圈或所述第二太阳轮；

第二制动器，其与所述第二齿圈结合；

其中，所述第二制动器为常闭制动器；

制动摩擦片组件，其用于向车轮提供制动力；

丝杠，其与所述第二行星架固定连接；

滚珠螺母，其匹配连接在所述丝杠上；

其中，当所述滚珠螺母沿所述丝杠的轴向移动时能够驱动所述制动摩擦片组件移动对车轮产生制动力。

一种具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，包括：

在车辆行驶过程中，根据车轮所需驱动功率确定驱动模式；

其中，当P≤0.8P_max1时，由第一电机单独驱动；

当P＞0.8P_max1时，由所述第一电机和第二电机同时驱动；

式中，P为车轮所需驱动功率，P_max1为第一电机的峰值功率；

在车辆制动过程中，根据车轮需求的制动力矩和车辆行驶速度确定制动模式；

其中，当T_rep≤0.75T_1m，并且v＞v₀时，由所述第一电机进行再生制动；

当T_rep＞0.75T_1m，并且v＞v₀时，由所述第一电机和所述第二电机复合制动；

当v≤v₀时，由所述第二电机进行制动；

式中，T_rep为车轮所需制动力矩，T_1m为第一电机在当前转速下能够提供的最大制动力矩，v₀表示制动时车辆行驶速度阈值。

优选的是，所述制动时车辆行驶速度阈值v₀＝15km/h。

优选的是，由第一电机单独驱动时，控制通过所述第一电机的电流为：

其中，T_d为当前车轮所需驱动力矩；n为车轮转速；η_m1为第一电机的输出效率；V_m为电动机模式下电池路端电压。

优选的是，由所述第一电机和所述第二电机同时驱动时，

控制通过所述第一电机的电流为：

以及

控制通过所述第二电机的电流为：

其中，T_d为当前车轮所需驱动力矩；n为车轮转速；η_m1为第一电机的输出效率；V_m为电动机模式下电池路端电压；η_m2为第二电机的输出效率。

优选的是，所述第一电机在当前转速下能够提供的最大制动力矩为：

式中，T_max1为第一电机能够提供的最大转矩；P_max1为第一电机的峰值功率；n₁为第一电机的当前转速；n₀为第一电机参与再生制动时的临界转速；n_b为第一电机的基本转速。

优选的是，当由所述第二电机进行制动时，控制通过所述第二电机的电流为：

式中，T_rep为车轮所需制动力矩；L₀为丝杠的导程；R为制动摩擦片组件的制动有效半径；i₂为第二太阳轮与第二行星架之间的传动比，n_m2为第二电机输出转速，η_m2为第二电机输出效率。

优选的是，当由所述第一电机和所述第二电机复合制动时：

控制通过所述第一电机输出电流为：

控制通过所述第二电机的电流为：

其中，T_D1为第一电机提供的制动力矩，T_rep为车轮需要的制动力矩，b为车辆质心与后车轮轴的距离，

为路面附着系数，h_g为车辆质心高度，L为车辆前后轮轴轴距，n_e为车辆减速时的初始转速，n_g1为第一电机输入转速，η_g1为第一电机发电效率，V_g为发电机模式下电池路端电压，i₁为第一太阳轮与第一行星架之间的传动比；n_m2为第二电机输出转速，L₀为丝杠的导程，R为制动摩擦片制动有效半径，i₂为第二太阳轮与第二行星架之间的传动比，η_m2为第二电机输出效率。

优选的是，所述第一电机提供的制动力矩为：

其中，b为汽车质心与后车轮轴的距离；

为路面附着系数；h_g为汽车质心高度；L为汽车前后轮轴轴距；n_e为汽车车辆减速时的初始转速。

优选的是，所述的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，还包括：

在车辆进行驻车制动时，制动力由所述第二电机提供；并且控制通过第二电机的电流为：

式中，L₀为丝杠的导程；R为制动摩擦片组件的制动有效半径；i₂为第二太阳轮与第二行星架之间的传动比，n_m2为第二电机输出转速，η_m2为第二电机输出效率。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统，采用双电机驱动轮毂，能够降低各驱动电机的转矩负荷，从而使整车在较宽的转矩范围内保持高效驱动，同时能够进行电机制动与液压复合制动以提高制动效率，并使车辆的能源利用率得以提高。

(2)本发明提供的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，能够根据车轮所需的驱动转矩或制动转矩切换为不同的驱动或制动模式，能够在保证车辆稳定运行的基础上，进一步提高能源的利用效率。

附图说明

图1为本发明所述的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的结构示意图。

图2为本发明所述的驱动控制策略的示意图。

图3为本发明所述的电机效率MAP图。

图4为本发明所述的驱动部分电机动作控制示意图。

图5为本发明所述的制动控制策略的示意图。

图6为本发明所述的第一电机再生制动时的制动力矩示意图。

图7为本发明所述的第二电机电子机械制动时的制动力矩示意图。

图8为本发明所述的第一电机和第二电机复合制动时的制动力矩示意图。

图9为本发明所述的行车制动部分电机动作控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统，附图标记说明如下：

1—第一电机(MG1)，2—连接轴，3—第一行星排太阳轮，4—第一行星排行星轮，5—第一行星排行星架，6—第一行星排齿圈，7—轮辋，8—第一制动器(制动器B1)，9—第一离合器(离合器C1)，10—第二电机外转子，11—第二电机内定子，12—第二离合器(离合器C2)，13—第二行星排太阳轮，14—第二制动器(制动器B2)，15—第二行星排齿圈，16—第二行星排行星轮，17—第二行星排行星架，18—螺母，19—滚珠，20—丝杠，21—滚珠丝杠副支撑轴，22—推杆，23—制动活塞，24—车轮制动盘，25—车轮制动毂，26—滑动摩擦片，27—旋转摩擦片，28—车轮制动器壳体。

本发明提供的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统系统由两个电机、两个行星排，两个离合器、两个制动器、一个滚珠丝杠副、一个车轮制动器等组成。

第一电机(MG1)1为主要驱动电机，为车轮驱动系统提供主要的驱动力；第一电机1集成有电动机与发电机功能。当车轮减速或者制动时，切断第一电机1的电源，第一电机1惯性转动，此时1第一电机1为发电机(发电模式)，将车轮制动产生的动能转化为电能存储到蓄电池中，同时车轮的动能迅速下降，相当于制动，实现再生制动功能。

第二电机(MG2)为外转子驱动电机，由电机内定子11、电机外转子10组成。第二电机为辅助驱动电机，为车轮驱动系统提供辅助驱动力。同时，第二电机作为制动电机，为车轮制动系统提供制动力。

第一行星排由太阳轮3、行星轮4、行星架5和齿圈6组成。第一电机1与连接轴2相连接，连接轴2与第一行星排太阳轮3相连接，第一电机1输出的动力可以经连接轴2传递至第一行星排太阳轮3。第一行星排齿圈6与第一制动器8、第一离合器9相连接。

第二行星排由太阳轮13、行星轮16、行星架17和齿圈15组成。第二行星排太阳轮13通过第二离合器12与第二电机外转子10相连接，第二行星排行星架17与滚珠丝杠副中的丝杠19相连接，第二行星排齿圈15与第二制动器14相连接。

第一制动器8为常闭制动器，与第一行星排齿圈6相连接；第二制动器14为常闭制动器，与第二行星排齿圈15相连接。

第一离合器9、第二离合器12均为常开离合器，同时与第二电机外转子10相连接。

滚珠丝杠副由丝杠20、滚珠19和螺母18组成。滚珠丝杠副中的丝杠20与行星架第二行星排17相连接，螺母18与推杆22相连接。

车轮制动器由制动活塞23、车轮制动盘24、车轮制动毂25、滑动摩擦片26、旋转摩擦片27、车轮制动器壳体28组成。滑动摩擦片26与旋转摩擦片27间隔布置。其中，滑动摩擦片26可轴向移动的安装在车轮制动器壳体28上；旋转摩擦片27通过花键匹配套设在制动鼓25上，使旋转摩擦片27与制动毂25同步转动，并且能够沿制动毂25的轴向移动；制动毂25与制动盘24固定连接。

当丝杠20转动带动螺母18轴向移动，螺母18轴向移动时带动推杆22移动，推杆22推动制动活塞23，使制动活塞23产生夹紧力，滑动摩擦片26与旋转摩擦片27相互压紧并产生摩擦力，使转动的旋转摩擦片27、车轮制动毂25、车轮制动盘24都停止转动，使车轮制动。当制动结束时，第二电机(MG2)反转，作用在滑动摩擦片26与旋转摩擦片27上的制动活塞23压力撤销后，摩擦力消失，制动解除。

当第一制动器8断开，第一离合器9闭合，第一电机1和第二电机输出的动力由第一行星排的太阳轮3和齿圈6输入，经耦合后由第一行星排的行星架5输出给轮辋7，此时第一电机1与第二电机共同驱动车轮行驶。

驱动与制动集成系统部件按照表1进行工作。

表1驱动与制动控制部件工作示意图

表中“○”表示分离，“●”表示接合。

几种驱动和制动模式的具体控制过程如下：

1、驱动控制

当前整车所需驱动力矩为T_V为：

其中，T_V为当前整车所需驱动力矩，单位为Nm；m为车辆质量，单位为kg；g为重力加速度；α为车辆行驶路面坡度，单位为度；C_D为空气阻力系数；A为车辆迎风面积，单位为m²；u为车辆行驶速度，单位为km/h；δ为汽车质量换算系数；r为车辆轮胎半径，单位为m。

在轮毅电机驱动车辆中，各轮输出转矩可以独立控制。同时运动过程中会引起每个车轮垂向载荷的变化。所以根据车辆运行情况合理分配前后轴各轮驱动转矩可以更好的利用地面附着。在行驶过程中各车轮所受载荷为：

其中，F_zfl为左前车轮所受载荷，单位为N；F_zfr为右前车轮所受载荷，单位为N；F_zrl为左后车轮所受载荷，单位为N；F_zrr为右后轮车所受载荷，单位为N；a_x为车辆纵向加速度，单位为m/s²；a_y为车辆侧向加速度，单位为m/s²；a为车辆质心到前轴距离，单位为m；b为车辆质心到后轴距离，单位为m；t_f为车辆质心到左侧车轮距离，单位为m；t_r为车辆质心到右侧车轮距离，单位为m；h为车辆质心高度，单位为m；l为车轮轮距，单位为m。

F_z＝F_zfl+F_fr+F_zrl+F_zrr (0.3)

其中，F_z为整车所受载荷，单位为N。

每个车轮所受载荷占整车所受载荷的比例为：

其中，λ_i(i＝1,2,3,4)分别为左前、右前、左后、右后轮车所受载荷占整车所受载荷的比例。

当车辆前进行驶时，各轮车所受载荷占整车所受载荷的比例λ_i(i＝1,2,3,4)可为各轮车所需驱动力矩分配系数。因此当前某车轮所需驱动力矩为：

T_d＝λ_iT_V(i可为1,2,3,4) (0.5)

其中，T_d为当前某车轮所需驱动力矩，单位为Nm；T_V为当前整车所需驱动力矩，单位为Nm。

可通过车轮转速传感器测得当前车轮转速，因此，在当前转速下车轮行驶所需驱动功率为：

其中，T_d为当前车轮所需驱动力矩，单位为Nm；P为当前转速下车轮行驶所需驱动功率，单位为Kw；n当前车轮转速，单位为rpm。

根据电机技术参数可知某电机的峰值功率，故设已知电机MG1的峰值功率为P_max1。

如图2所示，本发明提供的驱动控制策略为：

当前转速下车轮行驶所需驱动功率P≤0.8P_max1时，第一电机MG1单独驱动；

当前转速下车轮行驶所需驱动功率P＞0.8P_max1时，第一电机MG1与第二电机MG2同时驱动。

1)第一电机(MG1)单独驱动

当第一电机1单独驱动时，第一电机1工作，第二电机不工作，第一制动器8处于接合状态，第一行星排齿圈6固定不动。整车动力由第一电机1提供，通过连接轴2传递给第一行星排太阳轮3，再通过第一行星排行星轮4和第一行星排行星架5传递给车辋7，驱动车轮行驶。

第一电机1转速为n_m1，由于第一电机1与第一行星排太阳轮3通过连接轴2相连接，则第一行星排太阳轮3的转速为n₁＝n_m1，转速单位rpm。

在第一行星排中，第一行星排太阳轮3齿数为z₁，转速为n₁；第一行星排行星轮4齿数为z₂，转速为n₂；第一行星排齿圈6齿数为z₃，转速为n₃；第一行星排行星架5转速为n_H1。用反转法计算第一行星排转化轮系第一行星排太阳轮3和第一行星排齿圈6的传动比，即：

其中，i₁₃ ^H1为第一行星排转化轮系第一行星排太阳轮3和第一行星排齿圈6的传动比。

由于第一制动器8处于接合状态；第一行星排齿圈6固定不动，则其转速n₃为0。由于第一行星排行星架5与轮辋7相连接，则车轮转速也为n_H1。因此，通过式(1.7)可得5行星架转速n_H1。

车轮转速n为：

n＝n_H1 (0.9)

设i₁为第一行星排太阳轮3至第一行星排行星架5之间的传动比，即第一电机1(MG1)与车轮之间的传动比。因此，通过式(1.7)和(1.8)可得当第一电机1(MG1)单独驱动时，i₁为：

可通过车轮转速传感器测得当前车轮转速n，由式(1.9)可得：

n_m1＝i₁n (0.11)

此时，由第一电机1(MG1)单独驱动，其输出转矩应为：

对第一电机1(MG1)转矩进行控制，在转矩控制下可实现闭环控制，电机控制器将目标转矩转换为实际控制参数，即控制电流，直接调节电机输出转矩，这一过程的响应延迟小且输出精度高，因此直接采用转矩控制的方式控制电机输出。

其中，I_m1为第一电机(MG1)的需求电流，单位为A；T_m1为第一电机(MG1)输出转矩，单位为Nm；n_m1为其输出转速，单位为rpm；η_m1为其输出效率，单位为％；V_m为电动机模式下电池路端电压，单位为V。

电机效率MAP图通过试验建模法获得，在图3中通过查图和插值的方法获得所需工作点的电机效率。

联立式(1.10)、式(1.11)、式(1.12)和式(1.13)得：

由第一电机1(MG1)单独驱动时，控制通过第一电机的电流等于第一电机需求的电流，使第一电机输出的转矩达到目标转矩。

2)第一电机(MG1)与第二电机(MG2)同时驱动

第一电机与第二电机同时驱动时，第一电机1工作，第二电机工作，第一制动器8处于分离状态，第一离合器9处于接合状态。整车动力由第一电机1和第二电机提供，第一电机提1供的动力通过连接轴2传递给第一行星排太阳轮3；第二电机提供的动力通过第一离合器9传递给第一行星排齿圈6。此时，第一行星排中，第一行星排太阳轮3和第一行星排齿圈为动力输入端，第一行星排行星架5为动力输出端。

由于第一制动器8处于分离状态，第一离合器9处于接合状态，则第一行星排齿圈6的转速为n₃。因此，通过式(1.7)可得5行星架转速n_H1。

车轮转速n为：

n＝n_H1 (0.16)

由于第二电机(MG2)提供的动力通过第一离合器9传递给第一行星排齿圈6，即：

n_m2＝n₃ (0.17)

n_m2为第二电机(MG2)输出轴转速，单位为rpm。

因此，可得n，n_m1，n_m2之间关系为：

第一电机(MG1)与第二电机(MG2)同时驱动时，车轮行驶所需驱动功率P＞0.8P_max1，电机MG1与MG2所需功率为：

此时，第一电机(MG1)与第二电机(MG2)其输出转矩应为：

对第一电机(MG1)与第二电机(MG2)转矩进行控制，在转矩控制下可实现闭环控制，电机控制器将目标转矩转换为实际控制参数，即控制电流，直接调节电机输出转矩，这一过程的响应延迟小且输出精度高，因此直接采用转矩控制的方式控制电机输出。

其中，I_m2为第二电机的需求电流，单位为A；T_m2为第二电机的输出转矩，单位为Nm；n_m2为第二电机输出转速，单位为rpm；η_m2为第二电机输出效率，单位为％；V_m为电动机模式下电池路端电压，单位为V。

由第一电机1(MG1)和第二电机(MG2)同时驱动时，控制通过第一电机的电流等于第一电机需求的电流，同时控制通过第二电机的电流等于第二电机需求的电流使，使两个电机输出的转矩分别达到目标转矩。

电机效率MAP图通过试验建模法获得，在图3中，通过查图和插值的方法获得所需工作点的第二电机效率。

联立式(1.18)、式(1.19)、式(1.20)和式(1.21)得：

如图4所示，在车轮处于第一电机(MG1)单独驱动状态时，实时监测车辆行驶车速，若车速不断增大，处于加速状态，则车轮所需驱动转矩T_d不断增大，同时车轮所需驱动功率P也不断增大，当车轮所需驱动功率P大于0.8P_max1时，第二电机(MG2)起动，车轮处于第一电机(MG1)和第二电机(MG2)同时驱动状态。当车轮所需驱动功率P小于等于0.8P_max1时，若车速开始减小，车辆处于减速状态，则车轮继续处于第一电机(MG1)单独驱动状态；若车速继续不断增大，仍然处于加速状态，则车轮所需驱动转矩T_d和功率P会继续不断增大，直到功率P大于0.8P_max1时，第二电机(MG2)起动，车轮处于第一电机(MG1)和第二电机(MG2)同时驱动状态。

在车轮处于第一电机(MG1)和第二电机(MG2)同时驱动状态时，实时监测车辆行驶车速，若车速不断减小，处于减速状态，则车轮所需驱动转矩T_d不断减小，同时车轮所需驱动功率P也不断减小，当车轮所需驱动功率P小于等于0.8P_max1时，第二电机(MG2)关闭，车轮处于第一电机(MG1)单独驱动状态。当车轮所需驱动功率P大于0.8P_max1时，若车速开始增大，车辆处于加速状态，则车轮继续处于第一电机(MG1)和第二电机(MG2)同时驱动状态；若车速继续不断减小，仍然处于减速状态，则车轮所需驱动转矩T_d和功率P会继续不断减小，直到功率P小于等于0.8P_max1时，第二电机(MG2)关闭，车轮处于第一电机(MG1)单独驱动状态。

车轮处于第一电机(MG1)单独驱动状态时，通过控制控制通过第一电机的电流来调节第一电机(MG1)的转矩T_m1和转速n_m1输出。车轮处于第一电机(MG1)和第二电机(MG2)同时驱动状态，通过控制通过第一电机的电流来调节第一电机(MG1)的转矩T_m1和转速n_m1输出，通过控制通过第二电机的电流来调节第二电机(MG2)的转矩T_m2和转速n_m2输出。

2、制动控制

当汽车以小强度制动时，此时制动强度要求较低，为了拥有较高的制动能量回收率，一般选择纯电机再生制动模式。

当汽车以较大强度制动时，此时对于制动强度要求较高，应该以制动稳定性优先，一般选择复合制动模式。

如图5所示，本发明提供的制动控制策略为：

电机MG1所能够提供的最大制动力矩：

式中，T_1m为第一电机(MG1)当前转速下能够提供的最大制动力矩，单位Nm；T_max1为第一电机(MG1)能够提供的最大转矩，单位Nm；P_max1为电机MG1的峰值功率，单位kW；n_m1电机MG1的当前转速，单位rpm；n₀为电机MG1参与再生制动时的临界转速，单位rpm；n_b为电机MG1的基本转速，单位rpm。

当前整车所需制动力矩T_P：

实时监测当前车速和制动踏板行程，当车辆制动时，根据制动踏板行程传感器获得制动踏板行程，再查表2制动踏板力-踏板行程-制动减速度，可获得车制动减速度，则当前整车所需制动力T_P计算公式为：

T_P＝ma_maxr (0.24)

T_P为当前整车所需制动力矩，单位为Nm；m为汽车质量，单位为kg；a_max为制动减速度，单位为m/s²；r为车辆轮胎半径，单位为m。

表2制动踏板力-踏板行程-制动减速度表

当车辆制动时，各轮车所受载荷占整车所受载荷的比例λ_i(i＝1,2,3,4)可为各轮车所需制动力矩分配系数。因此当前某车轮所需制动力矩为：

T_req＝λ_iT_P(i可为1,2,3,4) (0.25)

T_rep当前某车轮所需制动力矩，单位为Nm；T_P当前整车所需制动力矩，单位为Nm。

当车轮需求的制动力矩T_rep≤0.75T_1m时，进行纯电机再生制动模式；

当车轮需求的制动力矩T_rep＞0.75T_1m时，进行电机再生制动和电子机械制动的复合制动模式；

当车速减速到15km/h之后，进入电子机械制动模式，关闭电机再生制动系统。

1)纯电机再生制动(MG1再生制动)

在电机再生制动时，制动能量通过第一电机(MG1)转化为电能。

当车轮需求的制动力T_rep≤0.8T_1m时，进行纯电机再生制动模式。此时，第一制动器8处于接合状态，第一离合器9处于分离状态，第一行星排齿圈6固定不动。

当车辆减速或者制动时，车轮需求的制动力T_rep≤0.8T_1m时，即切短电源，第一电机(MG1)惯性转动，此时通过电路切换，往转子中提供的励磁电源的功率较小，产生磁场，并且磁场通过转子的物理旋转切割定子的绕组，于是定子产生感应电动势，也叫逆电动势，电机反转，功能与发电机相同。第一电机(MG1)为发电机，所产生的电流通过功率逆变器接入蓄电池，即为能量回馈，制动能量回收过程完成，同时车轮的动能迅速下降(被消耗转化为电能)，相当于制动。如图6所示，为电机再生制动时的制动力矩示意图。

此时，在第一行星排中，第一行星排太阳轮3至第一行星排行星架5之间的传动比，即第一电机1(发电机模式)输入轴转速与车轮转速比为：

第一电机1所需要提供的制动力矩为：

式中，T_D1为第一电机(MG1)所需要提供的制动力矩，单位Nm；T_rep为车轮需要的制动力矩，单位Nm；i₁为第一行星排太阳轮3至第一行星排行星架5之间的传动比。

发电机模式下第一电机(MG1)需求转矩：

T_g1＝T_D1 (0.28)

对第一电机(MG1)进行控制，在转矩控制下可实现闭环控制，电机控制器将目标转矩转换为实际控制参数，即控制电流，直接调节电机输入转矩，这一过程的响应延迟小且输出精度高，因此直接采用转矩控制的方式控制电机输入。

其中，I_g1为发电机模式下电机MG1的输出电流，单位为A；T_g1为发电机模式下电机需求转矩，单位为Nm；n_g1为其输入转速，单位为rpm；η_g1为其发电效率，单位为％；V_g为发电机模式下电池路端电压，单位为V。

联立式(1.25)、式(1.26)、式(1.27)、式(1.28)和式(1.29)得：

2)电子机械制动(第二电机制动)

当车速减速到15km/h之后，进入纯机械制动模式，关闭电机再生制动系统。

制动系统处于纯机械制动模式，第一电机1不工作，第二电机工作，第二离合器12处于接合状态，第二制动器14处于接合状态。制动力由第二电机提供，通过第二离合器12传递至第二行星排太阳轮13。

在第二行星排中，制动力由第二行星排太阳轮13输入，从第二行星排行星架17输出到丝杠20。丝杠20转动时，通过滚珠19带动螺母18作横向移动。螺母18推动推杆22带动制动活塞23横向移动，使制动活塞23产生夹紧力，滑动摩擦片26与旋转摩擦片27相互压紧并产生摩擦力，使转动的旋转摩擦片27、车轮制动毂25、车轮制动盘24都停止转动，产生制动力。如图7所示，为第二电机电子机械制动时的制动力矩示意图。

在第二行星排中，第二行星排太阳轮13齿数为z₄，转速为n₄；第二行星排行星轮16齿数为z₅，转速为n₅；第二行星排齿圈15齿数为z₆，转速为n₆；第二行星排行星架17转速为n_H2。用反转法计算第二行星排转化轮系第二行星排太阳轮13和第二行星排齿圈15的传动比，即：

I₄₆ ^H2为第二行星排转化轮系第二行星排太阳轮13和第二行星排齿圈15的传动比。

此时，第二行星排齿圈15固定，n₆转速为0。在第二行星排中，第二行星排太阳轮13至第二行星排行星架17之间的传动比为：

作用在丝杠上的驱动转矩为：

T_S＝T_D2·i₂ (0.33)

式中，Ts为作用在丝杠上的驱动转矩，单位Nm；T_D2电机MG2所提供的制动力矩，单位Nm；i₂为第二行星排13太阳轮至17行星架之间的传动比。

制动活塞与制动摩擦片之间正压力为：

式中，F_B为制动活塞与制动摩擦片之间正压力，单位N；Ts为作用在丝杠上的驱动转矩，单位Nm；L为丝杠的导程，单位mm；η为滚珠丝杠副传动效率。

制动毂所受制动力矩为：

T_B＝F_BR (0.35)

式中，T_B为车轮制动盘所受制动力矩,单位Nm；F_B为制动活塞与制动摩擦片之间正压力,单位N；R为制动摩擦片制动有效半径。

当车速减速到15km/h之后，进入纯机械制动模式，此时制动毂所受制动力矩为：

T_B＝T_rep (0.36)

结合式(1.11)、(1.12)、(1.13)、(1.14)和(1.15)，电机MG2所提供的制动力矩为：

式中，T_rep为车轮需要的制动力矩,单位Nm；L₀为丝杠的导程，单位mm；R为制动摩擦片制动有效半径；i₂为第二行星排13太阳轮至17行星架之间的传动比。

对第二电机(MG2)转矩进行控制，在转矩控制下可实现闭环控制，电机控制器将目标转矩转换为实际控制参数，即控制电流，直接调节电机输出转矩，这一过程的响应延迟小且输出精度高，因此直接采用转矩控制的方式控制电机输出。

其中，I_m2为第二电机的需求电流(即控制通过第二电机的电流为I_m2)，单位为A；T_m2为第二电机输出转矩，单位为Nm；n_m2为第二电机输出转速，单位为rpm；η_m2为第二电机输出效率，单位为％；V_m为电动机模式下电池路端电压，单位为V。

联立式(1.36)、式(1.37)和式(1.38)得：

其中，为保证制动过程的快速性和有效性，需要控制螺母的位移速度；第二电机输出转速n_m2根据螺母的位移速度进行设定。作为优选，螺母位移速度设置为50～80mm/s。

第二电机输出转速：

其中，i₂为第二行星排太阳轮与第二行星排行星架的传动比；V_s为螺母移动速度，单位为mm/s；P_s为滚珠丝杠导程，单位为mm。

3)复合制动(第一电机再生制动与第二电机电子机械制动)

当进入复合制动模式，第一电机1作为发电机工作，第二电机正常工作。

切断第一电机1电源，第一电机1惯性转动，在电机再生制动时，制动能量通过第一电机1转化为电能。第一制动器8处于接合状态，第一离合器9处于分离状态，第一行星排齿圈6固定不动；电机再生制动力由第一电机1提供。

同时，第二电机工作，第二离合器12处于接合状态，第二制动器14处于接合状态。机械制动力由第二电机提供，通过第二离合器12传递至第二行星排太阳轮13，经过第二行星排，由第二行星排行星架17输出至丝杠20，通过滚珠丝杠副中螺母18推动推杆22带动制动活塞23横向移动，使制动活塞23产生夹紧力，使摩擦片组件相互压紧并产生摩擦力，使转动的旋转摩擦片27、车轮制动毂25、车轮制动盘24都停止转动，产生制动力。如图8所示，为第一电机和第二电机复合制动时的制动力矩示意图。

第一电机(MG1)制动力矩为：

车轮制动盘所受制动力矩：

T_B＝T_rep-T_D1i₁ (0.41)

式中，T_D1为第一电机制动力矩，单位Nm；T_B为车轮制动盘所受制动力矩,单位Nm；T_rep为车轮需要的制动力矩,单位Nm；b为汽车质心与后车轮轴的距离，单位m；

为路面附着系数；h_g为汽车质心高度，单位m；L为汽车前后轮轴轴距，单位m；n_e为汽车车辆减速时的初始转速；

第二电机(MG2)所提供的制动力矩为：

式中，T_rep为车轮需要的制动力矩,单位Nm；L₀为丝杠的导程，单位mm；R为制动摩擦片制动有效半径；i₂为第二行星排太阳轮至第二行星排行星架之间的传动比。

发电机模式下电机MG1需求转矩与电机MG2所需输出转矩：

对第一电机和第二电机转矩进行控制，在转矩控制下可实现闭环控制，电机控制器将目标转矩转换为实际控制参数，即控制电流，直接调节电机MG1输入转矩和电机MG2输出，这一过程的响应延迟小且输出精度高，因此直接采用转矩控制的方式控制电机MG1输入转矩和电机MG2输出。

联立式(1.40)、式(1.41)、式(1.42)、式(1.43)和式(1.44)得：

如图9所示，在车轮处于第一电机(MG1)再生制动状态时，实时监测制动踏板行程，若制动踏板行程不断增大，则车轮所需制动转矩T_req不断增大，同时实时监测车速是否大于15km/h；当车速小于等于15km/h，第一电机(MG1)关闭，第二电机(MG2)起动，车轮处于第二电机(MG2)电子机械制动状态。若车速大于15km/h，当车轮所需制动转矩T_req大于0.75T_1m时，第二电机(MG2)起动，车轮处于第一电机(MG1)和第二电机(MG2)同时联合制动状态；当车轮所需制动转矩T_req小于等于0.75T_1m时，若制动踏板行程开始减小，则车轮继续处于第一电机(MG1)再生制动状态；若制动踏板行程继续不断增大，则车轮所需制动转矩T_req会继续不断增大，直到制动转矩T_req大于0.75T_1m时，第二电机(MG2)起动，车轮处于第一电机(MG1)和第二电机(MG2)同时联合制动状态。

在车轮处于第一电机(MG1)和第二电机(MG2)联合制动状态时，实时监测制动踏板行程，若制动踏板行程不断减小，则车轮所需制动转矩T_req不断减小，同时实时监测车速是否大于15km/h；当车速小于等于15km/h，第一电机(MG1)关闭，第二电机(MG2)起动，车轮处于第二电机(MG2)电子机械制动状态。若车速大于15km/h，当车轮所需制动转矩T_req小于等于0.75T_1m时，第二电机(MG2)关闭，车轮处于第一电机(MG1)再生制动状态；当车轮所需制动转矩T_req大于0.75T_1m时，若制动踏板行程开始增大，则车轮继续处于第一电机(MG1)和第二电机(MG2)联合制动状态；若制动踏板行程继续不断减小，则车轮所需制动转矩T_req会继续不断减小，直到制动转矩T_req减小等于0.75T_1m时，第二电机(MG2)关闭，车轮处于第一电机(MG1)再生制动状态。

车轮处于第一电机(MG1)再生制动状态时，通过控制通过第一电机的电流来调节第一电机(MG1)转矩T_g1和转速n_g1输入。车轮处于第一电机(MG1)和第二电机(MG2)联合制动状态，通过控制控制电流I_g1来调节第一电机(MG1)转矩T_g1和转速n_g1输入，通过控制控制电流I_m2来调节第二电机(MG2)转矩T_m2和转速n_m2输出。

4)驻车制动

当车辆进行驻车制动时，第一电机(MG1)不工作，第二电机(MG2)工作，第二离合器12处于接合状态，第二制动器14处于接合状态。制动力由第二电机(MG2)提供，通过第二离合器12传递至第二行星排太阳轮13。

在第二行星排中，制动力由第二行星排太阳轮13输入，从第二行星排行星架17输出至丝杠20。丝杠20转动时，通过滚珠19带动螺母18作横向移动。螺母18推动推杆22带动制动活塞23横向移动，使制动活塞23产生夹紧力，实现驻车制动。

因此，第二电机(MG2)所提供的制动力矩为：

式中，T_rep为车轮需要的制动力矩,单位Nm；L₀为丝杠的导程，单位mm；R为制动摩擦片制动有效半径；i₂为第二行星排太阳轮至第二行星排行星架之间的传动比。

第二电机(MG2)所需输出转矩：

T_m2＝T_D2 (0.47)

对第二电机(MG2)转矩进行控制，在转矩控制下可实现闭环控制，电机控制器将目标转矩转换为实际控制参数，即控制电流，直接调节电机输出转矩，这一过程的响应延迟小且输出精度高，因此直接采用转矩控制的方式控制电机输出。

其中，I_m2为第二电机的需求电流(即控制通过第二电机的电流为I_m2)，单位为A；T_m2为第二电机输出转矩，单位为Nm；n_m2为第二电机输出转速，单位为rpm；η_m2为第二电机输出效率，单位为％；V_m为电动机模式下电池路端电压，单位为V。

联立式(1.46)、式(1.47)和式(1.48)得：

驻车制动时，车轮处于第二电机(MG2)电子机械制动状态，通过控制控制电流I_m2来调节电机MG2转矩T_m2和转速n_m2输出。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统，其特征在于，包括：

第一电机，其集成有电动机功能和发电机功能；所述第一电机具有动力输出轴；

第一行星排，其包括第一太阳轮、第一行星轮、第一行星架及第一齿圈；

其中，所述动力输出轴与所述第一太阳轮固定连接，所述第一行星架与轮辋固定连接；

第一制动器，其选择性的与所述第一齿圈结合或分离；

第二电机，其包括定子和转子；

第二行星排，其包括第二太阳轮、第二行星轮、第二行星架及第二齿圈；

其中，所述转子选择性的连接所述第一齿圈或所述第二太阳轮；

第二制动器，其与所述第二齿圈结合；

其中，所述第二制动器为常闭制动器；

制动摩擦片组件，其用于向车轮提供制动力；

丝杠，其与所述第二行星架固定连接；

滚珠螺母，其匹配连接在所述丝杠上；

其中，当所述滚珠螺母沿所述丝杠的轴向移动时能够驱动所述制动摩擦片组件移动对车轮产生制动力。

2.一种具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，其特征在于，包括：

在车辆行驶过程中，根据车轮所需驱动功率确定驱动模式；

其中，当P≤0.8P_max1时，由第一电机单独驱动；

当P＞0.8P_max1时，由所述第一电机和第二电机同时驱动；

式中，P为车轮所需驱动功率，P_max1为第一电机的峰值功率；

在车辆制动过程中，根据车轮需求的制动力矩和车辆行驶速度确定制动模式；

其中，当T_rep≤0.75T_1m，并且v＞v₀时，由所述第一电机进行再生制动；

当T_rep＞0.75T_1m，并且v＞v₀时，由所述第一电机和所述第二电机复合制动；

当v≤v₀时，由所述第二电机进行制动；

式中，T_rep为车轮所需制动力矩，T_1m为第一电机在当前转速下能够提供的最大制动力矩，v₀表示制动时车辆行驶速度阈值。

3.根据权利要求2所述的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，其特征在于，所述制动时车辆行驶速度阈值v₀＝15km/h。

4.根据权利要求3所述的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，其特征在于，由第一电机单独驱动时，控制通过所述第一电机的电流为：

其中，T_d为当前车轮所需驱动力矩；n为车轮转速；η_m1为第一电机的输出效率；V_m为电动机模式下电池路端电压。

5.根据权利要求4所述的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，其特征在于，由所述第一电机和所述第二电机同时驱动时，

控制通过所述第一电机的电流为：

以及

控制通过所述第二电机的电流为：

其中，T_d为当前车轮所需驱动力矩；n为车轮转速；η_m1为第一电机的输出效率；V_m为电动机模式下电池路端电压；η_m2为第二电机的输出效率。

6.根据权利要求2-5任意一项所述的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，其特征在于，所述第一电机在当前转速下能够提供的最大制动力矩为：

式中，T_max1为第一电机能够提供的最大转矩；P_max1为第一电机的峰值功率；n₁为第一电机的当前转速；n₀为第一电机参与再生制动时的临界转速；n_b为第一电机的基本转速。

7.根据权利要求6所述的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，其特征在于，当由所述第二电机进行制动时，控制通过所述第二电机的电流为：

式中，T_rep为车轮所需制动力矩；L₀为丝杠的导程；R为制动摩擦片组件的制动有效半径；i₂为第二太阳轮与第二行星架之间的传动比，n_m2为第二电机输出转速，η_m2为第二电机输出效率。

8.根据权利要求7所述的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，其特征在于，当由所述第一电机和所述第二电机复合制动时：

控制通过所述第一电机输出电流为：

控制通过所述第二电机的电流为：

其中，T_D1为第一电机提供的制动力矩，T_rep为车轮需要的制动力矩，b为车辆质心与后车轮轴的距离，

为路面附着系数，h_g为车辆质心高度，L为车辆前后轮轴轴距，n_e为车辆减速时的初始转速，n_g1为第一电机输入转速，η_g1为第一电机发电效率，V_g为发电机模式下电池路端电压，i₁为第一太阳轮与第一行星架之间的传动比；n_m2为第二电机输出转速，L₀为丝杠的导程，R为制动摩擦片制动有效半径，i₂为第二太阳轮与第二行星架之间的传动比，η_m2为第二电机输出效率。

9.根据权利要求8所述的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，其特征在于，所述第一电机提供的制动力矩为：

其中，b为汽车质心与后车轮轴的距离；

为路面附着系数；h_g为汽车质心高度；L为汽车前后轮轴轴距；n_e为汽车车辆减速时的初始转速。

10.根据权利要求9所述的具有双电机的轮毂驱动与制动集成系统的控制方法，其特征在于，还包括：

在车辆进行驻车制动时，制动力由所述第二电机提供；并且控制通过第二电机的电流为：

式中，L₀为丝杠的导程；R为制动摩擦片组件的制动有效半径；i₂为第二太阳轮与第二行星架之间的传动比，n_m2为第二电机输出转速，η_m2为第二电机输出效率。

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