CN118322878A - 具有多速驱动单元的电动车辆中的轴扭矩估计 - Google Patents

Abstract

电动车辆、操作电动车辆的系统和方法。该系统包括第一马达、第一马达和电动车辆的第一轴之间的驱动单元、第二马达和处理器。处理器配置为接收对电动车辆的请求，从驱动单元接收扭矩信号，基于扭矩信号和请求确定用于第一马达的第一马达扭矩和用于第二马达的第二马达扭矩中的至少一个，并且在第一轴处施加第一马达扭矩和在第二轴处施加第二马达扭矩中的至少一个以满足要求。

Description

具有多速驱动单元的电动车辆中的轴扭矩估计

技术领域

本发明涉及电动车辆，更具体地，涉及用于操作电动车辆的传动装置的多速驱动单元以实现期望响应的系统和方法。

背景技术

电动车辆被设计成在每个轴上包括电动马达。用于轴的传动装置控制相关电动马达和轴之间的传动比。希望在换档期间保持平稳行驶，例如通过保持电动车辆的恒定加速度。这一目标因在多个轴上安装电动马达而变得复杂。因此，希望协调不同轴上的电动马达的操作，以确保平稳的换档操作。

发明内容

在一示例性实施例中，公开了一种操作电动车辆的方法。在电动车辆的控制器处接收请求。控制器从电动车辆的第一轴处的驱动单元接收扭矩信号。基于扭矩信号和请求确定电动车辆的第一轴处的第一马达扭矩和第二轴处的第二马达扭矩中的至少一个。在第一轴处施加第一马达扭矩和在第二轴处施加第二马达扭矩中的至少一个以满足要求。

除了这里描述的一个或多个特征之外，该方法还包括施加第一马达扭矩和第二马达扭矩中的至少一个，以在换档操作期间保持电动车辆的加速曲线。控制器是以下之一：与第一轴的第一马达和第二轴的第二马达通信的车辆控制器；以及第一马达的仅确定第一马达扭矩并在第一轴处施加第一马达扭矩的处理电路。扭矩信号指示驱动单元的当前输出扭矩和驱动单元的预测输出扭矩之一。该方法还包括基于扭矩信号和在第一轴处感测的扭矩之间的差和在第一轴处的扭矩和在第二轴处的扭矩之间的差中的至少一个来确定第一马达扭矩和第二马达扭矩中的至少一个。该请求是电动车辆的速度、电动车辆的加速度和电动车辆的扭矩中的至少一个。该方法还包括当驱动单元的请求输入扭矩与驱动单元的估计输入扭矩之间的差超过可校准极限和驱动单元的请求输出扭矩与驱动单元的估计输出扭矩之间的差超过可校准极限中的至少一个时产生扭矩传递故障。

在另一示例性实施例中，公开了一种用于操作电动车辆的系统。该系统包括第一马达、第一马达和电动车辆的第一轴之间的驱动单元、第二马达以及处理器。处理器配置为接收用于电动车辆的请求，从驱动单元接收扭矩信号，基于扭矩信号和请求确定用于第一马达的第一马达扭矩和用于第二马达的第二马达扭矩中的至少一个，并且在第一马达处施加第一马达扭矩和在第二马达处施加第二马达扭矩中的至少一个以满足请求。

除了这里描述的一个或多个特征之外，处理器还配置为施加第一马达扭矩和第二马达扭矩中的至少一个以在换档操作期间保持电动车辆的加速度曲线。处理器是以下之一：与第一马达和第二马达通信的车辆控制器；以及第一马达的仅确定第一马达扭矩并在第一轴处施加第一马达扭矩的处理电路。扭矩信号是驱动单元的当前输出扭矩和驱动单元的预测输出扭矩之一。处理器还配置为基于扭矩信号和在第一轴处感测的扭矩之间的差以及在第一轴处的扭矩和在第二轴处的扭矩之间的差中的至少一个来确定第一马达扭矩和第二马达扭矩中的至少一个。该请求是电动车辆的速度、电动车辆的加速度和电动车辆的扭矩中的至少一个。处理器还配置成当驱动单元的请求输入扭矩与驱动单元的估计输入扭矩之间的差超过可校准极限以及驱动单元的请求输出扭矩与驱动单元的估计输出扭矩之间的差超过可校准极限中的至少一个时产生扭矩传递故障。

在又一示例性实施例中，公开了一种电动车辆。该电动车辆包括第一马达、在第一马达和电动车辆的第一轴之间的驱动单元、第二马达以及处理器。处理器配置为接收用于电动车辆的请求，从驱动单元接收扭矩信号，基于扭矩信号和请求确定用于第一马达的第一马达扭矩和用于第二马达的第二马达扭矩中的至少一个，并且在第一马达处施加第一马达扭矩和在第二马达处施加第二马达扭矩中的至少一个以满足请求。

除了这里描述的一个或多个特征之外，处理器还配置成施加第一马达扭矩和第二马达扭矩中的至少一个以在换档操作期间保持电动车辆的加速度曲线。处理器是以下之一：与第一马达和第二马达通信的车辆控制器；以及第一马达的仅确定第一马达扭矩并在第一轴处施加第一马达扭矩的处理电路。扭矩信号是驱动单元的当前输出扭矩和驱动单元的预测输出扭矩之一。处理器还配置为基于扭矩信号和在第一轴处感测的扭矩之间的差以及在第一轴处的扭矩和在第二轴处的扭矩之间的差中的至少一个来确定第一马达扭矩和第二马达扭矩中的至少一个。请求是电动车辆的速度、电动车辆的加速度和电动车辆的扭矩中的至少一个。

当结合附图时，从以下详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细描述中，详细描述参考附图，其中：

图1示出了根据示例性实施例的电动车辆的平面示意图；

图2示出了用于操作图1的电动车辆的控制系统的框图；

图3示出了详细描述电动车辆的第一轴的驱动系统的部件的框图；

图4示出了说明性实施例中的第一驱动单元的示意图；

图5示出了控制系统的本地控制操作；

图6示出了使用驱动单元的预测输出扭矩来控制控制系统的操作；

图7示出了可以从第一驱动单元发送到车辆控制器的示例性预测扭矩；

图8示出了基于图7的预测扭矩的第一扭矩分配；

图9示出了基于图7的预测扭矩的第二扭矩分配；

图10示出了使用预测扭矩的换档操作的加速度曲线；以及

图11示出了在替代实施例中用于操作电动车辆的控制系统的框图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。如本文所用，术语模块指的是处理电路，其可以包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适部件。

根据示例性实施例，图1在平面图中示出了电动车辆100的示意图。电动车辆包括第一驱动系统102和第二驱动系统122。为了说明的目的，第一驱动系统102是后驱动系统，第二驱动系统122是前驱动系统。第一驱动系统102向连接到第一车轮106的第一轴104提供动力。第二驱动系统122向连接到第二车轮126的第二轴124提供动力。

第一驱动系统102包括第一电池108、第一马达110和第一传动装置或第一驱动单元112。第一马达110是将来自第一电池108的动力转换成旋转形式的动能的电动马达。第一驱动单元112可以接合第一马达110，以将旋转从第一马达传递到第一轴104和第一车轮106。第一马达110可以包括第一再生制动系统114。在制动期间，第一再生制动系统114将第一轴104的旋转能量转换成用于给第一电池108再充电的电能或电流。

类似地，第二驱动系统122包括第二电池128、第二马达130和第二传动装置或第二驱动单元132。第二马达130是将来自第二电池128的动力转换成旋转形式的动能的电动马达。第二驱动单元132可以接合第二马达130，以将旋转传递到第二轴124和第二车轮126。第二马达130可以包括第二再生制动系统134。在制动期间，第二再生制动系统134将第二轴124的旋转能量转换成用于给第二电池128再充电的电能或电流。在一实施例中，当车辆处于全轮驱动模式时，第二驱动系统122可被接合，而当不处于全轮驱动模式时，第二驱动系统122可被断开或关闭。

虽然图1的电动车辆100示出了两个驱动系统，但应当理解，对于车辆的不同实施例，可以有附加驱动系统。在各种应用中，第一轴104可以具有多个相关的驱动系统和/或第二轴124可以具有多个相关的驱动系统。在一些实施例中，只有第一轴104可以具有驱动单元，或者只有第二轴124可以具有驱动单元。在一实施例中，其中在一轴上使用单个马达，差速器可用于将扭矩从单个马达传递到两个车轮。当在一轴上使用两个马达时，每个马达可以专用于一个车轮，因此不需要差速器。此外，应理解，第一电池108和第二电池128可以由给第一马达110和第二马达130供电的单个电池代替。

车辆控制器140与包括第一马达110和第一驱动单元112的第一驱动系统102以及包括第二马达130和第二驱动单元132的第二驱动系统122通信。车辆控制器140可包括处理电路，其可包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适部件。根据本文详述的一个或多个实施例，车辆控制器140可以包括存储指令的非暂时性计算机可读介质，当由车辆控制器140的一个或多个处理器处理时，该指令实现控制第一驱动单元112和第二驱动单元132中的至少一个的换档的方法。

图2示出了用于操作电动车辆100的控制系统200的框图。控制系统200包括与第一马达110和第二马达130通信的车辆控制器140。第一驱动单元112将第一马达110连接到第一轴104，并将扭矩从第一马达110传递到第一轴和第一车轮106。第一马达110输出第一马达扭矩T_m和第一马达速度ω_m，它们被传送到第一驱动单元112。第一驱动单元112输出扭矩信号，其可以包括输出扭矩T_o(或当前输出扭矩)和驱动单元输出速度ω₀(或当前输出速度)。扭矩信号被传送到第一轴104。第一驱动单元112包括齿轮和至少一个离合器，以允许齿轮换档(即在输入扭矩(例如T_m)和输出扭矩(例如T_o)之间改变齿轮比)。各种传感器可以用来测量扭矩和速度。

在各种实施例中，第一马达110包括控制第一马达运行的处理电路。为了说明的目的，未示出第二驱动单元132。第二马达130直接连接到第二轴124，并将其扭矩传递到第二轴和第二车轮126。第二马达130包括控制第二马达运行的处理电路。第二马达130的处理电路向车辆控制器140传送信号，例如第二马达扭矩和/或第二马达速度。此外，第一驱动单元112包括处理电路，其可以控制驱动单元的操作并将电信号传送到车辆控制器140，该电信号指示例如当前驱动输出扭矩T_o、当前车轮扭矩T_w、当前驱动输出速度ω_o等。

为了操作控制系统200，车辆控制器140接收关于车辆运动或车辆动态的请求。该请求可以是速度请求、加速度请求、扭矩请求或其任意组合。请求可以是来自人机界面204的人类请求，或者是来自电动车辆100的自主请求。人机界面204可以是例如驱动器通过其输入请求的油门踏板、刹车踏板等。车辆控制器140通过确定达到或满足该请求的车辆扭矩，确定第一马达110和第二马达130之间的扭矩分配，并向第一马达110和第二马达130中的一个或两个发送适当的信号来满足该请求。车辆控制器140可以基于来自第一驱动单元112和第二马达130的请求和反馈来确定扭矩分配。在各种实施例中，分配扭矩以维持电动车辆100的期望加速度曲线，例如恒定加速度、加速度增加、加速度减小等。

车辆控制器140可以将驱动单元处的请求输入扭矩与估计输入扭矩进行比较，并且如果请求输入扭矩和估计输入扭矩之间的差超过可校准极限，则产生扭矩传递故障。类似地，车辆控制器140可以将驱动单元处的请求输出扭矩与估计输出扭矩进行比较，并且如果请求输出扭矩和估计输出扭矩之间的差超过可校准极限，则产生扭矩传递故障。另外，车辆控制器140可以基于第一轴处的第一扭矩和第二轴处的第二扭矩之间的差来确定第一马达扭矩和第二马达扭矩。

图3示出了详细描述第一轴的驱动系统的部件的框图300。驱动系统包括第一马达110、第一驱动单元112、第一轴104和第一车轮106。第一驱动单元112包括太阳轮302、齿轮架304和环形齿轮306，它们用于改变传动比(即第一驱动单元112处的输入扭矩和来自第一驱动单元112的输出扭矩之间的比率)。第一马达110通过输入轴308或马达轴机械地联接到第一驱动单元112的环形齿轮306。

在运行期间，扭矩损失和速度损失发生在输入轴308处。输入轴的运动方程如方程(1)所示：

其中，x是输入轴的旋转角度，是输入轴的角速度，是输入轴的角加速度。T_m是施加到输入轴308的马达扭矩。T_i是由第一驱动单元112施加到输入轴308的扭矩。参数η₁代表未建模的动态，例如基于速度、温度等的摩擦损失或其他扭矩。

输入轴扭矩Ti和输入轴速度ω_i被输入到第一驱动单元112。输入轴扭矩在环形齿轮306处被接收，并被传递到齿轮架304，并从那里传递到太阳齿轮302。太阳轮302处的离合器通过第一驱动单元112控制输出扭矩T_o和输出速度ω_o。

第一离合器扭矩T₁取决于离合器压力P₁和离合器滑动速度ω₁，如方程(2)所示：

T_i＝f(P₁)tanh(ω_i/c₁) 方程(2)

第一轴104将第一驱动单元112连接到第一车轮106，并将输出扭矩传递到车轮。离合器扭矩可以用连续函数(比如双曲正切函数)来表示，以帮助进行实时计算。

第一驱动单元112向第一轴104提供其输出扭矩T_o和输出速度ω_o。扭矩损失和速度损失发生在第一轴104处，如方程(3)所示：

其中，y是轴的旋转角度，是轴的角速度，是输入轴的角加速度。To是第一驱动单元112的输出扭矩，T_w是由第一车轮106施加到轴上的扭矩。车轮扭矩T_w可以由制动力F_b和/或路面力F_r产生。参数η₂代表未建模的动态，例如摩擦损失或基于速度、温度等的其他扭矩。

图4示出了说明性实施例中的第一驱动单元112的示意图400。第一驱动单元112包括第一行星齿轮组402和第二行星齿轮组404。第一行星齿轮组402包括第一太阳轮406、第一齿轮架408和第一环形齿轮410。第二行星齿轮组404包括第二太阳轮412、第二齿轮架414和第二环形齿轮416。第一环形齿轮410联接到第二齿轮架414。第一离合器418控制第一行星齿轮组402的扭矩传递。第二离合器420控制第二行星齿轮组404的扭矩传递。输入扭矩T_i在第一太阳轮406或第一环形齿轮410处被接收。输出扭矩T_o取自第一齿轮架408或第二环形齿轮416。

车辆控制器140接收请求，根据请求确定车辆的期望运动，确定满足期望运动的各种扭矩，并确定扭矩在马达之间的分配。车辆控制器140可以为换档操作进行这些计算。

在一实施例中，车辆控制器140接收指令信号，例如马达扭矩T_m、车轮扭矩T_w、第一离合器压力P₁和第二离合器压力P₂，以及当前马达角速度ω_m、当前输出角速度ω_o和当前车轮角速度ω_w的测量值。车辆控制器140根据这些输入计算输出扭矩T_o、马达角速度ω_m、输出角速度ω_o和车轮角速度ω_w，以应用于驱动系统。

在另一实施例中，马达扭矩T_m和车轮扭矩T_w是提供给车辆控制器140的命令信号。对第一离合器压力P1和第二离合器压力P2、马达角速度ω_m、输出角速度ω_o和车轮角速度ω_w进行测量。这些测量作为输入提供给车辆控制器140。车辆控制器140输出输出扭矩T_o、马达角速度ω_m、输出角速度ω_o和车轮角速度ω_w、第一离合器压力P1和第二离合器压力P2，以应用于驱动系统。

回到图2，车辆控制器140执行驱动系统的全局控制操作。换句话说，车辆控制器140向第一马达110和第二马达130发送命令。

图5示出了控制系统200的本地控制操作。扭矩信号从第一驱动单元112发送到第一马达110。扭矩信号可以包括当前驱动输出扭矩T_o、当前车轮扭矩T_w、当前驱动输出速度ω_o等中的一个或多个。基于该信号，第一马达110的处理电路可以计算第一马达所需的马达扭矩，以提供从车辆控制器140发送的分配扭矩需求。车辆控制器140还可以向第一驱动单元112提供第二轴处的扭矩，并且第一驱动单元112可以使用第二轴处的扭矩来确定第一马达所需的马达扭矩。第一马达110的处理电路也可以在其马达扭矩的计算中使用P1、P2、ω_m和ω_w。处理电路然后可以操作第一马达110来实现该输出扭矩。注意，处理电路可以基于第一马达扭矩和第二马达扭矩确定用于第一轴的马达扭矩。

图6示出了使用驱动单元的预测输出扭矩来控制控制系统200的操作。来自第一驱动单元112的信号不是如图2所示的当前扭矩，而是预测扭矩T_p。

图7示出了可以从第一驱动单元112发送到车辆控制器140的说明性预测扭矩700。横轴表示时间(T),纵轴表示扭矩(T)。预测扭矩在换档操作的不同阶段改变其值。在第一阶段A，扭矩是恒定正值。在第二阶段B，扭矩线性下降。在第三阶段C，扭矩阶跃到第二恒定正值。在第四阶段D，扭矩可以是正值或负值。利用预测的扭矩，车辆控制器140具有驱动单元将要做什么的未来知识，因此可以预见驱动单元的任何未来补偿需求，并且可以控制其他轴来提供这种补偿。

图8示出了基于图7的预测扭矩的第一扭矩分配800。横轴表示时间(T),纵轴表示扭矩(T)。示出了第二阶段B、第三阶段C和第四阶段D。线802示出了第一马达110的第一马达扭矩，其在整个换档操作中保持恒定。第二马达130的第二马达扭矩以线804示出。第二马达扭矩在每个阶段都变化。在第二阶段B期间，第二马达扭矩线性增加。在第三阶段C期间，第二马达扭矩阶跃到较低恒定值。在第四阶段期间，第二马达扭矩阶跃到较高恒定值。

图9示出了基于图7的预测扭矩的第二扭矩分配900。横轴表示时间(T),纵轴表示扭矩(T)。示出了第二阶段B、第三阶段C和第四阶段D。线902示出了用于第一马达110的第一马达扭矩。线904示出了用于第二马达的第二马达扭矩。通过比较图8和图9可以看出，对于第二扭矩分配，用于第一马达和第二马达的扭矩相反。

图10示出了使用预测扭矩的换档操作的加速度曲线1000。横轴表示时间(t)，纵轴表示加速度(a)。尽管加速度曲线1000示出为对于换档操作的所有阶段都是恒定加速度，但也可以使用其他曲线。例如，提供的加速度可以包括在换档操作的一个或多个选定阶段期间加速度的轻微增加或减少。

图11示出了在替代实施例中用于操作电动车辆100的控制系统200的框图1100。控制系统200包括测量扭矩的虚拟扭矩传感器(VTS1102)。VTS 1102测量轴扭矩并将轴扭矩发送至模型失配模块1104。模型失配模块1104可以是处理电路或在处理器处操作的软件程序，例如在车辆控制器140处。第一驱动单元112还向模型失配模块1104发送信号，指示其输出扭矩T_o。模型失配模块1104确定驱动单元的输出扭矩T_o和轴扭矩之间的差。该差可被发送到车辆控制器140，该车辆控制器140基于该差改变其扭矩分配计算。可替代地，该差可被发送到第一马达，该第一马达基于计算来改变其马达扭矩。该差也可被发送到电动车辆中的其他计算位置1106。

术语“一”和“一个”并不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。术语“或”是指“和/或”,除非上下文另有明确说明。在整个说明书中对“一方面”的引用意味着结合该方面描述的特定元素(例如特征、结构、步骤或特性)被包括在本文描述的至少一个方面中，并且可以存在或不存在于其他方面中。此外，应当理解，所描述的元素可以在各个方面以任何合适的方式进行组合。

当诸如层、膜、区域或衬底的元件被称为在另一个元件“上”时，它可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”时，不存在中间元件。

除非在此有相反的说明，所有的测试标准都是截止本申请的申请日的最新有效标准，或者，如果要求优先权，测试标准出现的最早优先权申请的申请日。

除非另有定义，否则本文使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。

虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且等同物可以替代其元件。此外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种操作电动车辆的方法，包括：

在电动车辆的控制器处接收请求；

在控制器处接收来自电动车辆的第一轴处的驱动单元的扭矩信号；

基于扭矩信号和请求确定电动车辆的第一轴处的第一马达扭矩和第二轴处的第二马达扭矩中的至少一个；以及

在第一轴处施加第一马达扭矩和在第二轴处施加第二马达扭矩中的至少一个以满足要求。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括施加所述第一马达扭矩和第二马达扭矩中的至少一个，以在换档操作期间保持所述电动车辆的加速度曲线。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制器是以下之一：(i)与所述第一轴的第一马达和所述第二轴的第二马达通信的车辆控制器；以及(ii)第一马达的仅确定所述第一马达扭矩并在第一轴处施加第一马达扭矩的处理电路。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扭矩信号指示所述驱动单元的当前输出扭矩和所述驱动单元的预测输出扭矩之一。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括基于以下中的至少一个来确定所述第一马达扭矩和第二马达扭矩中的至少一个：(i)所述扭矩信号和在所述第一轴处感测的扭矩之间的差；以及(ii)所述第一轴处的扭矩和所述第二轴处的扭矩之间的差。

6.一种用于操作电动车辆的系统，包括：

第一马达；

电动车辆的第一马达和第一轴之间的驱动单元；

第二马达；以及

处理器，其配置为：

接收用于电动车辆的请求；

从驱动单元接收扭矩信号；

基于扭矩信号和请求确定用于第一马达的第一马达扭矩和用于第二马达的第二马达扭矩中的至少一个；以及

在第一马达处施加第一马达扭矩和在第二马达处施加第二马达扭矩中的至少一个以满足请求。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理器还配置成施加所述第一马达扭矩和第二马达扭矩中的至少一个，以在换档操作期间保持所述电动车辆的加速度曲线。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理器是以下之一：(i)与所述第一马达和第二马达通信的车辆控制器；以及(ii)第一马达的仅确定所述第一马达扭矩并在第一轴处施加第一马达扭矩的处理电路。

9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述扭矩信号是所述驱动单元的当前输出扭矩和所述驱动单元的预测输出扭矩之一。

10.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理器还配置成基于以下中的至少一个来确定所述第一马达扭矩和第二马达扭矩中的至少一个：(i)所述扭矩信号和在所述第一轴处感测的扭矩之间的差；以及(ii)所述第一轴处的扭矩和所述第二轴处的扭矩之间的差。