CN114655347A - 一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统 - Google Patents

一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统 Download PDF

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顾天琪
孙宾宾
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Abstract

本发明提出了一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统，其特征为通过双行星轮系、调速电机组成电子变速ECVT系统，此系统的机械结构去除了牙盘齿片、拨链器、飞轮等传统变速结构。整车控制器依据控制策略，确定双行星齿轮组及双电机的工作模式。重载爬坡、加速工况，双电机共同输出功率参与驱动；低负载工况，B电机不工作，控制A电机可实现一定范围内无级变速，且可以保持踩踏频率和力矩在适宜的区间，提升骑乘舒适性；滑行或制动减速工况，A电机不工作，B电机切换为再生制动模式，实现制动能量回收并提供再生制动力。助力车滑行时,单向离合器会阻断行星齿轮支架到脚踏的动力传递，防止出现脚踏“打脚”问题，避免意外伤害。

Description

一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动 系统
技术领域
本发明涉及电动助力自行车，特别是一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车。
背景技术
快速的城市化进程带来了人口密集、交通拥堵、空气污染等一系列问题，城市居民也越来越多地选择步行、自行车等绿色通勤方式。电动助力自行车以动力电池为主要或辅助动力来源，能够供人骑行，并且可以实现人力与电力交替或共同驱动车辆。
与传统的自行车相比，一般的电动助力自行车可以看作是在传统自行车的动力系统上加装中置助力电机、动力电池和力矩传感器，力矩传感器的作用是监测施加在脚踏板上的力的变化情况。常见的车用动力电池包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子聚合物电池等不同的种类，其中目前应用最为广泛的是锂离子聚合物电池，其优点是储能容量大，具有相对较高的能量密度，对环境造成的污染比较小。目前，电动助力自行车大多在车架中间位置布置助力电机，再通过链条传递动力至后轮以驱动车辆，当电池亏电时，骑行者可以通过电机两侧的脚踏来正常驱动车辆。
行至户外大坡度路面或障碍路面时，一般的单电机助力驱动方案，助力自行车的起步和爬坡性能常常受到挑战。考虑到电机的尺寸与重量等因素，仅选用更大功率等级的电机也并不现实。目前，在该助力驱动方案下，匹配5~6 Ah电池的助力自行车的助力续航里程大多在40 km左右。因此，电动助力自行车的能源驱动系统仍有技术革新的需求，以实现其更优秀的动力性能和更佳的能源利用率，这有助于开拓电动助力自行车在户外越野及城市远距离通勤等方向的市场。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明提供一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统。通过双行星轮系、双电机组成电子变速ECVT系统，可实现较大带宽的变速范围，且在一定范围内实现无级变速。此系统的机械结构去除了牙盘齿片、拨链器、飞轮等传统变速结构，车辆可通过嵌入式控制程序控制双电机的工作模式来应对不同工况的自动变速功能，系统自动适应路况调整速比。此外，A电机用作调速可以使骑行者保持在更舒适的踩踏频率和踩踏力矩区间持续轻便地骑行。对于中低速、转矩要求较低的工况，A电机用于调速并输出功率，经行星齿轮组1耦合功率输出到后轮，B电机不工作。对于爬坡、加速、大负重的工况，双行星齿轮机构均参与驱动，A电机、B电机共同输出功率。对于滑行或制动减速工况，脚踏端无输入，A电机不工作，行星齿轮组1没有输出，此时B电机切换为再生制动工作模式，回馈制动能量输送到锂动力电池，同时提供一定的制动力用于车辆减速。对于某些特殊工况，例如轻载平缓路面行驶时骑行者猛踩踏板，脚踏端输入功率很大且超过车辆驱动需求功率时，A电机切换为发电机工作模式，吸收、转换部分机械能为电能并输送到锂动力电池。
本发明技术方案是：提供一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统，包括：CAN总线、整车控制器、双电机、双行星齿轮组、锁定器、单向离合器、脚踏减速器、锂动力电池及其管理系统、电机控制器。
上述部件的具体作用为：
（1）CAN总线，设计用于实现各控制单元间的信号传输；
（2）整车控制器，设计用于采集来自脚踏板、锂动力电池管理系统、电机控制器的信号，并依据内置的控制策略，向上述各子控制单元输出相关控制指令；
（3）A电机，设计用于根据行星齿轮机构中三个端口的转速耦合关系，在不同骑行工况下通过控制A电机的转速变化来实现连续的速比变化，且保持骑行者脚踩踏板的频率在舒适的区间；
（4）B电机，设计用于在重载、爬坡、加速等大动力需求时工作，为车辆提供额外输出动力，满足爬坡等工况的动力性需要，在滑行或减速时，用作制动能量回收；
（5）行星齿轮组1，设计用于与A电机、脚踏输入共同组成电子变速ECVT系统，用此结构取代传统机械变速结构，实现踏板输入转速、调速电机转速和输出轴转速的匹配，且能实现在一定范围内传动速比的连续变化；
（6）行星齿轮组2，其齿圈被永久固定，设计用于给B电机增加单级减速齿轮，增大到驱动轮的输出转矩，结构紧凑；
（7）锁定器，设计用于锁定或释放行星齿轮组1的齿圈和A电机轴与静态车架之间的固定连接；
（8）单向离合器，设计用于限制行星齿轮组1的太阳轮与脚踏端之间动力的单向传递；
（9）脚踏减速器，设计用于实现脚踏人力输入端到行星齿轮组1中太阳轮端口的转速、转矩变化；
（10）锂动力电池及其管理系统，动力电池设计用于为车辆提供助力驱动能量，电池管理系统，设计用于监测并向整车控制器发送动力电池运行状态信号，接收并执行整车控制器输出的控制指令；
（11）电机控制器，设计用于依据其收到的控制信号及指令来控制不同行驶工况需求下电机的工作状态。
本发明的优点在于：1、本发明通过设计一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统，一方面可充分利用双电机双动力源的优势，保证助力自行车有更强的动力性能；另一方面，可充分利用带有A调速电机的行星齿轮机构速度解耦的优势，根据踏板输入转速、调速电机转速和行星架输出轴转速的匹配关系，在不同骑行工况下通过控制A调速电机的转速来进行调速，且能实现传动速比在一定范围内的连续变化，即构成电子变速ECVT系统。2、本发明通过设计一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统，借助行星齿轮系统构成的电子变速ECVT系统，控制调速电机对车辆进行调速，用此结构可以取代牙盘齿片、拨链器、飞轮等传统机械式变速结构。3、本发明通过设计一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统，借助双行星齿轮系统构成的电子变速ECVT系统，通过嵌入式控制器控制调速电机来实现自动变速功能，系统自动适应路况调整速比，优势在于可以使骑行者保持在舒适的踩踏频率和踩踏力矩区间持续轻便地骑行，从而提升骑乘舒适性。4、本发明通过设计一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统，与单行星齿轮单电机驱动方案相比，增加了B电机和2号行星齿轮组，2号行星齿轮组的齿圈被永久固定，设计用于给B电机增加单级减速，增大到驱动轮的输出转矩，这样的结构更为紧凑。B电机的加入在大驱动力需求工况下对整车驱动性能的提升明显。5、本发明通过设计一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统，当车辆滑行或制动减速时，脚踏端无输入，A电机不工作，行星齿轮组1没有输出，此时B电机切换为再生制动工作模式，回馈部分制动能量输送到锂动力电池，同时提供一定的制动力用于车辆减速。制动能量回收帮助提升助力车的能量利用效率，有利于提高车辆续驶里程。
附图说明
图1为基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统平面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1为基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统平面结构示意图，包括：CAN总线、整车控制器、A电机、B电机、行星齿轮组1、行星齿轮组2、锁定器、单向离合器、脚踏减速器、锂动力电池及其管理系统、电机控制器、后轮、脚踏。
该电动助力自行车驱动系统包含三个动力输入，脚踏输入和A、B电机。如图1所示，行星齿轮组1中三个端口的拓扑结构为，踏板输入依次经脚踏减速器、单向离合器连接到中心太阳轮，A电机连接到齿圈，其行星架与行星齿轮组2的行星架连接。B电机连接到行星齿轮组2的中心太阳轮，助力自行车后轮连接到行星齿轮组2的行星架而行星齿轮组2的齿圈被永久固定。当助力车在爬坡工况时，嵌入式控制器控制B电机进入工作，通过行星齿轮组2减速增扭以辅助车辆爬坡。锁定器用于锁定或释放行星齿轮组1的齿圈和A电机轴与静态车架之间的固定连接。锂动力电池连接到电机控制器、A电机和B电机，给整车的电气系统供电。整车控制器通过CAN总线实时采集车辆、动力电池、踏板转矩转速等信号，为内置控制策略输入因素。进一步，整车控制器依据内置控制策略，确定A电机以及B电机的工作模式，并向A电机、B电机、动力电池输出相关控制指令。系统的具体工作模式及特点如下。
（1）起步工况下，整车控制器根据脚踏板处传感器采集的踏板转矩、转速信号计算车辆起步加速需求功率。锁定器释放齿圈和A电机轴与静态车架之间的固定连接。如果整车起步加速需求功率大于行星齿轮组1的最大允许输出功率，则整车控制器控制行星齿轮组1与行星齿轮组2共同运行于功率输出模式，此时，A、B电机均工作并参与驱动，A电机用作调速电机并输出功率，B电机工作以补充需求功率；否则，整车控制器控制仅行星齿轮组1运行于功率输出模式，A电机用作调速电机并输出功率，而B电机不工作。
（2）爬坡、加速、大负重的工况下，车辆需求的驱动功率往往较大，当行星齿轮组1的最大允许输出功率小于整车需求驱动功率时，整车控制器控制行星齿轮组1与行星齿轮组2共同运行于功率输出模式，此时，A、B电机均工作并参与驱动，A电机用作调速电机并输出功率，B电机工作以补充需求功率；否则，整车控制器控制仅行星齿轮组1运行于功率输出模式，A电机用作调速电机并输出功率，而B电机不工作。
（3）正常骑行该电动助力车时，整车控制器依据内置控制策略，实时计算双电机输出功率。锁定器释放齿圈和A电机轴与静态车架之间的固定连接。如果整车驱动需求功率大于行星齿轮组1的最大允许输出功率，则整车控制器控制行星齿轮组1与行星齿轮组2共同运行于功率输出模式，此时，A、B电机均工作并参与驱动，A电机用作调速电机并输出功率，B电机工作以补充需求功率用于车辆加速；否则，整车控制器控制仅行星齿轮组1运行于功率输出模式，A电机用作调速电机并输出功率，而B电机不参与驱动。控制指令经CAN总线传输至电机控制器，根据踏板输入端、A电机和行星架输出轴的转速、转矩匹配关系，在不同骑行工况下通过控制A电机来进行调速，且能实现传动速比在一定范围内的连续变化，即构成电子变速ECVT系统。系统自动适应路况调整速比，在满足车辆驱动力需求的同时，可以始终使骑行者保持在舒适的踩踏频率和踩踏力矩区间持续轻便地骑行，从而提升骑乘舒适性。
（4）骑行者猛踩脚踏时，施加在脚踏板上的力很大，当脚踏端输入功率很大且超过车辆驱动需求功率时，整车控制器控制A电机切换为发电机工作模式，吸收、转换部分冗余机械能为电能并输送到锂动力电池，B电机不工作。
（5）车速达到某助力设计车速时，锁定器将行星齿轮组1的齿圈锁定在静态车架上，而A电机被释放。此时，A、B电机均不参与整车驱动，车辆解除电助力，行星齿轮系统等效为一固定速比的减速器，仅靠脚踏板端人力输入驱动车辆。
（6）滑行工况下，骑行者不踩脚踏板，脚踏端无输入，整车控制器控制A电机不工作，行星齿轮组1没有功率输出，此时整车控制器控制B电机切换为再生制动工作模式，回收部分惯性势能转换为电能并输送到锂动力电池，同时提供一定的制动力用于车辆滑行减速。由于惯性，车辆继续向前滑行，此时，行星齿轮组1的太阳轮与脚踏之间的单向离合器会切断后轮—行星齿轮支架—脚踏的动力传递，防止助力车在滑行时出现脚踏板“打脚”问题，避免意外伤害。
（7）制动减速工况下，脚踏端无输入，整车控制器控制A电机不工作，行星齿轮组1没有功率输出，此时整车控制器控制B电机切换为再生制动工作模式，回馈部分制动能量输送到锂动力电池，同时提供一定的再生制动力以辅助机械制动进行车辆减速。制动能量回收帮助提升助力车的能量利用效率，有利于提高车辆助力续驶里程。

Claims (3)

1.一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统，其特征在于可以根据不同的骑行工况，整车控制器依据内置控制策略，确定双行星齿轮组及双电机的工作模式；
通过控制行星齿轮组1中A电机可以在一定范围内连续调整传动比，在满足车辆驱动力需求的同时，还可以控制踏板的踩踏频率和踩踏力矩保持在一合理的区间；重载爬坡、加速工况，双行星齿轮组、双电机共同输出功率参与驱动，滑行或制动减速时，B电机回收部分惯性势能转换为电能并输送到锂动力电池；具体特征为：一种基于双行星齿轮机构及双电机的电动助力自行车用驱动系统包括CAN总线、整车控制器、A电机、B电机、行星齿轮组1、行星齿轮组2、锁定器、单向离合器、脚踏减速器、锂动力电池及其管理系统、电机控制器、后轮、脚踏。
2.所述行星齿轮组1中三个端口的拓扑结构为，所述脚踏输入依次经所述脚踏减速器、所述单向离合器连接到中心太阳轮，所述A电机连接到齿圈，其行星架与所述行星齿轮组2的行星架连接；所述B电机连接到所述行星齿轮组2的中心太阳轮，所述后轮连接到所述行星齿轮组2的行星架而行星齿轮组2的齿圈被永久固定；所述锁定器用于锁定或释放行星齿轮组1的齿圈和A电机轴与静态车架之间的固定连接；所述锂动力电池经电机控制器分别连接到所述A电机和B电机，给整车的电气系统供电；来自所述脚踏、电机控制器、锂动力电池及电池管理系统、整车控制器的信号和其它控制信号分别连接到CAN总线。
3.起步工况下，整车控制器根据脚踏板处传感器采集的踏板转矩、转速信号计算车辆起步加速需求功率；锁定器释放齿圈和A电机轴与静态车架之间的固定连接；如果整车起步加速需求功率大于行星齿轮组1的最大允许输出功率，则整车控制器控制行星齿轮组1与行星齿轮组2共同运行于功率输出模式，此时，A、B电机均工作并参与驱动，A电机用作调速电机并输出功率，B电机工作以补充需求功率；否则，整车控制器控制仅行星齿轮组1运行于功率输出模式，A电机用作调速电机并输出功率，而B电机不工作；爬坡、加速、大负重的工况下，车辆需求的驱动功率往往较大，当行星齿轮组1的最大允许输出功率小于整车需求驱动功率时，整车控制器控制行星齿轮组1与行星齿轮组2共同运行于功率输出模式，此时，A、B电机均工作并参与驱动，A电机用作调速电机并输出功率，B电机工作以补充需求功率；否则，整车控制器控制仅行星齿轮组1运行于功率输出模式，A电机用作调速电机并输出功率，而B电机不工作；正常骑行该电动助力车时，整车控制器依据内置控制策略，实时计算双电机输出功率；锁定器释放齿圈和A电机轴与静态车架之间的固定连接；如果整车驱动需求功率大于行星齿轮组1的最大允许输出功率，则整车控制器控制行星齿轮组1与行星齿轮组2共同运行于功率输出模式，此时，A、B电机均工作并参与驱动，A电机用作调速电机并输出功率，B电机工作以补充需求功率用于车辆加速；否则，整车控制器控制仅行星齿轮组1运行于功率输出模式，A电机用作调速电机并输出功率，而B电机不参与驱动；控制指令经CAN总线传输至电机控制器，根据踏板输入端、A电机和行星架输出轴的转速、转矩匹配关系，在不同骑行工况下通过控制A电机来进行调速，且能实现传动速比在一定范围内的连续变化，即构成电子变速ECVT系统；系统自动适应路况调整速比，在满足车辆驱动力需求的同时，可以始终使骑行者保持在舒适的踩踏频率和踩踏力矩区间持续轻便地骑行，从而提升骑乘舒适性；骑行者猛踩脚踏时，施加在脚踏板上的力很大，当脚踏端输入功率很大且超过车辆驱动需求功率时，整车控制器控制A电机切换为发电机工作模式，吸收、转换部分冗余机械能为电能并输送到锂动力电池，B电机不工作；车速达到某助力设计车速时，锁定器将行星齿轮组1的齿圈锁定在静态车架上，而A电机被释放；此时，A、B电机均不参与整车驱动，车辆解除电助力，行星齿轮系统等效为一固定速比的减速器，仅靠脚踏板端人力输入驱动车辆；滑行工况下，骑行者不踩脚踏板，脚踏端无输入，整车控制器控制A电机不工作，行星齿轮组1没有功率输出，此时整车控制器控制B电机切换为再生制动工作模式，回收部分惯性势能转换为电能并输送到锂动力电池，同时提供一定的制动力用于车辆滑行减速；由于惯性，车辆继续向前滑行，此时，行星齿轮组1的太阳轮与脚踏之间的单向离合器会切断后轮—行星齿轮支架—脚踏的动力传递，防止助力车在滑行时出现脚踏板“打脚”问题，避免意外伤害；制动减速工况下，脚踏端无输入，整车控制器控制A电机不工作，行星齿轮组1没有功率输出，此时整车控制器控制B电机切换为再生制动工作模式，回馈部分制动能量输送到锂动力电池，同时提供一定的再生制动力以辅助机械制动进行车辆减速；制动能量回收帮助提升助力车的能量利用效率，有利于提高车辆助力续驶里程。
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