CN202016405U - 一种电动车驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种电动车驱动系统，取消了离合器踏板，只保留了加速踏板和制动踏板。在需要换挡的情况下，离合器控制单元控制离合器驱动电机将离合器分离，由于本实用新型的离合器驱动电机采用了直线电机（或旋转电机加凸轮机构），无需传统离合器操纵机构中复杂的减速增扭装置和传动机构；继而，根据车辆自动换挡规律，自动变速器控制单元发出指令，选、换挡电机驱动选、换挡执行机构完成换挡动作；最后，离合器控制单元控制离合器驱动电机反方向运动，使离合器接合，将车辆驱动电机动力通过变速箱传递出去，完成自动变速功能；在此过程中，只对车辆驱动电机做简单的控制，从而降低了对驱动电机本身制造技术的要求。

Description

一种电动车驱动系统

技术领域

本实用新型属于电动汽车领域，具体涉及一种纯电动汽车的驱动系统。

背景技术

近年来，由于全球能源的日益紧张和环境的不断恶化，高效、节能、环保的电动汽车呈加速发展的趋势。

为了保证电动汽车操纵简单方便，具有良好的行驶性能、灵活性、稳定性和舒适性，电动汽车应具有与其行驶和使用要求相适应的动力传动系统。

在当前的电动汽车中，大多采用单电机独立驱动形式，这样能最大限度减少相应的质量和成本，但是这样的系统对于电动机、离合器和变速器之间的匹配和控制要求较高。为了满足电动汽车整车的动力性、经济性、舒适性等相关要求，研发性能优良的变速系统显得尤为重要。

在汽车动力传动技术领域，能够消除频繁的起步、换挡，减轻驾驶员的操纵强度的机械式自动变速系统得到越来越多的应用。机械自动变速系统操纵机构样式很多，尤以液压操纵机构为主。近年来以电机为执行机构的操纵装置因为性能稳定、维护方便、结构紧凑、可靠性高、响应速度和控制精度高等优点越来越受到重视。

具体地说，离合器操作的特点是必须保证快速分离的分离速度，否则会增加离合器的磨损，而在离合器结合的时候速度要慢得多，以此保证离合器的结合平稳。但是现在汽车领域中，大多数采用电控—液压操纵机构，机构较为复杂，维修难度大、响应速度慢、控制精度较低。而直线电机是一种将电能直接转换成直线运动而不需要通过任何中间转换机构的新颖驱动装置。它相当于一个独立的驱动元件，具有无接触、无磨损、低噪声、高精度等优点，是驱动离合器往复运动的理想选择。

机械式自动变速器是在机械变速器的基础上增加自动操纵装置，因其成本较低，维护和保养容易，效率高，有利于节能减排，有着非常广阔的应用前景。

申请号为200920130219的中国专利公开了一种换档动力补偿装置，其特征在于：所述换档动力补偿装置包括动力源、双离合器、机械式自动变速器，所述机械式自动变速器设有高、低档位齿轮、离合器、中空轴、位于中空轴内的芯轴、以及通过高、低档位齿轮与所述中空轴相配合的输出轴，所述高档位齿轮空套在中空轴上，所述动力源通过双离合器连接到所述机械式自动变速器的中空轴上，所述离合器的输入端通过所述芯轴与双离合器相连，输出端与所述机械式自动变速器的高档位齿轮连接，该申请采用双离合器，结构复杂。

在自动变速系统的控制上，由于离合器状态的多变性，尤其以离合器的控制为难点，所以采用可以自学习、自补偿的控制策略来适应这些变化，显得尤为重要。

发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种电动车驱动系统总成，以满足整车动力性、经济性、舒适性及其操纵方便、安全可靠等相关要求。

所述电动车驱动系统，主要由驱动电机及控制器、自动离合器和机械式自动变速器(AMT)组成，其中自动离合器又包括离合器和驱动装置及其可选的机械增力机构；机械式自动变速器又包括机械变速器、选挡电机及其操纵机构、换挡电机及其操纵机构，所述自动离合器的主动部分与车辆驱动电动机输出轴相连，从动部分与机械式自动变速器的输入轴相连，所述自动离合器采用干式膜片弹簧离合器，在不改变离合器基本结构的基础上，对离合器接合与分离的位移和速度进行实时控制；所述干式膜片弹簧离合器由直线电机或旋转电机加凸轮机构驱动其直接或间接的接合和分离；所述机械式自动变速器采用定轴齿轮式变速器，具体传动结构主要包括输入轴总成、中间轴总成、输出轴总成三部分，其特征在于，所述控制器能向CAN网络发布信息，包括电压、电流、扭矩、转速、电机温度、控制器温度、电机运行状态、控制器运行状态、水泵电源运行状态、故障代码，电机控制器预留检测端口，以方便调试和维护；所述驱动电机及控制器具备电气保护功能，电机与控制器具备欠压保护功能，在输入电压低于290VDC时，电机控制器保护停机，电机与控制器具备过压保护功能，在输入电压或者制动电压大于450VDC时，电机控制器保护停机，电机与控制器具备过流和短路保护功能，电机与控制器具备热保护功能，电机与控制器发生电气保护时，除水泵继续运转1min外，其它立刻停止，电机控制器发生电气保护可以自动回复。

所述第一轴即输入轴总成，主要由与第一轴制成一体的一轴常啮合齿轮组成；所述中间轴总成主要由与中间轴制成一体的中间轴N挡常啮合齿轮(N为任意自然数)和中间轴常啮合齿轮组成；所述第二轴总成主要由输出轴以及空套在其上的二轴N挡齿轮及同步器组成，如图1所示。

所述机械式自动变速器的选位、换挡执行机构采用直流电机驱动，所述的电机均由车载蓄电池提供电能。

所述系统中设置了制动状态传感器，用于感知制动信息；位移传感器，用于表征离合器接合、分离的程度；转速传感器包括离合器输入、输出轴传感器和车速传感器，用于采集控制参数；挡位传感器，用于传达换挡信号。

在车辆仪表盘处设置的主要包括前进挡开关、倒挡开关、制动指示灯、倒车指示灯、挡位显示、强制保护模式报警、故障报警、误操作报警、过载报警。

该系统控制实现上采用了分层式控制策略，分布式的结构实现，并将其融入控制器局域网（CAN）。

优选的，上述控制策略分为两层，上层控制策略通过判断驾驶员意图、检测外界条件及汽车运行工况，得出离合器接合规律；下层控制策略即是控制离合器执行机构跟踪离合器接合规律。

所述自动离合器采用了自学习补偿控制策略，模糊控制和PID控制算法，对离合器接合与分离的位移和速度进行实时控制。

所述电动车驱动系统的控制方法为，车辆起步时，离合器始终处于全接合状态，车辆靠自身驱动电机的速度特性起步，所述车辆起步状态的判定条件是车辆处于前进挡或倒车挡状态且车速为零，车辆加减速时，即驾驶员踩下加速踏板，根据换挡规律，达到换挡点后，离合器控制单元控制其迅速分离，此时车辆驱动电机控制器根据AMT控制单元发出的目标转速进行调速，目标转速是由AMT控制单元根据车速和目标挡位计算得到；与此同时，AMT控制单元接收到离合器分离的状态反馈后，控制变速器完成摘挡动作，选位操纵，随即进行换挡操作；完成换挡操纵后，AMT控制单元向驱动电机控制单元发出自由模式请求，此时无论驱动电机的调速是否达到目标转速，都要强制进入自由模式；确认电机处于自由模式后，AMT控制单元传递请求接合信息给离合器控制单元，待离合器接合后，向控制电机发出力矩模式请求，电机恢复为正常力矩输出模式，进入正常行驶状态。

所述自动换挡规律采用基于加速踏板开度、车速和加速度的三参数换挡规律。

车辆加减速时，遵循逐级加减挡的原则。

离合器的接合速度是通过主、从动部分的转速差来确定的，遵循转速差越大，接合速度越慢，转速差越小，接合速度越快的原则。

离合器接合量是选用从动部分的转速以及主、从动部分的转速差作为控制参数，要点在于根据转速差及其变化速度，通过控制算法及时并适当的调整接合程度，使得主、从动部分得以最快速度接近，但又不得过快超过设定阀值的转速差增量。

车辆遵循制动优先的原则，只有当制动解除时，自动变速系统才会根据自动换挡规律进行换挡，此工况允许越级换挡。

误操作时，首先指车辆驱动电动机还在前进状态时，误启动倒挡开关，此时离合器应立即迅速分离，立即报警；其次，当驾驶员同时踩下加速踏板和制动踏板时，认为制动信号有效。

超载时，离合器应迅速分离，限制传动系统所承受的最大转矩，防止传动系统过载。

所述自动离合器是通过装在加速踏板转动轴上的角位移传感器信号，控制其所处状态，使电动汽车根据需要选择合适的速度行驶。

当驱动电机控制单元、离合器控制单元、AMT控制单元中的任意控制单元或控制局域网（CAN）无法正常工作时，车辆进入强制保护模式并报警，此时车辆只能以当前行驶状态行驶，或停车，不允许进行换挡操作。

附图说明

图1为本实用新型电动车驱动系统优选实施例的结构原理图；

图2为本实用新型电动车驱动系统优选实施例的结构示意图;

图3为本实用新型电动车驱动系统优选实施例的工作原理图；

图4为本实用新型电动车驱动系统优选实施例的分布式网络电子系统示意图；

图5为本实用新型电动车驱动系统优选实施例的正常工作控制流程图。

图中：

1. 驱动电机、2. 自动离合器、3. 第一轴、4. 一轴常啮合齿轮、5. 二轴一挡齿轮、6. 二轴二挡齿轮、7. 二轴三挡齿轮、8. 第二轴、9. 中间轴、10. 中间轴三挡常啮合齿轮、11. 中间轴二挡常啮合齿轮、12. 中间轴一挡常啮合齿轮、13. 中间轴常啮合齿轮、14、直线电机、15、机械式自动变速器(AMT)。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述。

以3挡变速器为例进行说明，参考图1、图2，该电动车驱动系统，主要由驱动电机1及控制器、自动离合器2和机械式自动变速器15组成，其中自动离合器2又包括离合器和驱动装置及其可选的机械增力机构；机械式自动变速器又包括机械变速器、选挡电机及其操纵机构、换挡电机及其操纵机构；所述自动离合器2的主动部分与车辆驱动电机输出轴相连，从动部分与机械式自动变速器的输入轴相连；所述自动离合器2采用干式膜片弹簧离合器，在不改变离合器基本结构的基础上，对离合器接合与分离的位移和速度进行实时控制，结构简单，成本更低；所述干式膜片弹簧离合器由直线电机14驱动其直接或间接（主要指机械式增力机构）的接合和分离；所述机械式自动变速器采用定轴齿轮式变速器，具体传动结构主要包括变速器输入轴总成、中间轴总成、输出轴总成三部分；所述输入轴总成，主要由与第一轴3制成一体的一轴常啮合齿轮4组成；所述中间轴总成主要由与中间轴9制成一体的中间轴三挡常啮合齿轮10、中间轴二挡常啮合齿轮11、中间轴一挡常啮合齿轮12、中间轴常啮合齿轮13组成；所述输出轴总成主要由输出轴以及空套在其上的二轴三挡齿轮7、二轴二挡齿轮6、二轴一挡齿轮5、一二挡同步器、三挡同步器等组成；所述机械式自动变速器的选位、换挡执行机构采用直流电机驱动，使用车载电源为动力源。所述的电动机均由车载蓄电池提供电能；所述车载蓄电池可以是磷酸铁锂动力电池、铅酸电池、镍氢电池、锌空气电池等。

参考图3、图4，该系统控制实现上采用了分层式控制策略，分布式的结构实现，并将其融入控制器局域网（CAN）；上述控制策略分为两层，上层控制策略通过判断驾驶员意图、检测外界条件及汽车运行工况，得出离合器接合规律；下层控制策略即是控制离合器执行机构跟踪离合器接合规律。所述自动离合器采用了自学习补偿控制策略，模糊控制和PID控制算法，对离合器接合与分离的位移和速度进行实时控制。

电机控制器通过CAN总线和整车控制器通讯，并响应整车控制器的指令。电机及控制器能按照整车控制器采集并传输的加速踏板指令运转。在松开加速踏板时，不需要电机控制器自行电制动。从电机轴伸端看，电机默认旋向为逆时针，当接收到整车控制器采集并传输的倒挡指令时，从电机轴伸端看，电机必须顺时针方向旋转。电机及控制器可以按照整车控制器采集并传输的制动指令进行制动。当电机控制器接收到制动指令后，产生随时间变化的制动力矩和反电压，此反电压必须小于450V。

电机及其控制器的冷却方式为水冷，自带冷却水泵及水泵电源。当冷却水泵只为30kw电机及其控制器提供冷却时，由电机控制器控制水泵和散热器散热风扇的运转。由膨胀水箱水位传感器提供信号到电机控制器，膨胀水箱无水时，电机控制器停止工作。

电机控制器响应整车控制器的降功率行驶指令，功率降至15kw、扭矩降至60Nm。电机控制器会响应整车控制器的停车指令，除水泵继续运转1min外，其它立刻停止。在没有踩下加速踏板的前提下，电机控制器会响应整车控制器的恒转速运转指令，可以以1500rpm转速持续运转。

电机控制器应能向CAN网络发布信息，包括电压、电流、扭矩、转速、电机温度、控制器温度、电机运行状态、控制器运行状态、水泵电源运行状态、故障代码等。电机控制器预留检测端口，以方便调试和维护。

电机与控制器具备电气保护功能。电机与控制器具备欠压保护功能，在输入电压低于290VDC时，电机控制器保护停机。电机与控制器具备过压保护功能，在输入电压或者制动电压大于450VDC时，电机控制器保护停机。电机与控制器必须具备过流和短路保护功能。电机与控制器具备热保护功能。电机与控制器发生电气保护时，除水泵继续运转1min外，其它立刻停止。电机控制器发生电气保护可以自动回复。

参考图5，基于上述自动变速系统的车辆，起步时，离合器始终处于全接合状态，车辆靠自身驱动电机的速度特性起步；车辆加减速时，即驾驶员踩下加速踏板，根据换挡规律，达到换挡点后，离合器控制单元控制其迅速分离，此时车辆驱动电机控制器根据AMT控制单元发出的目标转速进行调速，目标转速是由AMT控制单元根据车速和目标挡位计算得到；与此同时，AMT控制单元接收到离合器分离的状态反馈后，控制变速器完成摘挡动作，选位操纵，随即进行换挡操作；完成换挡操纵后，AMT控制单元向驱动电机控制单元发出自由模式请求，此时无论驱动电机的调速是否达到目标转速，都要强制进入自由模式；确认电机处于自由模式后，AMT控制单元传递请求接合信息给离合器控制单元，待离合器接合后，向控制电机发出力矩模式请求，电机恢复为正常力矩输出模式，进入正常行驶状态；车辆制动时，车辆遵循制动优先的原则，只有当制动解除时，自动变速系统才会根据自动换挡规律进行换挡，但值得说明的是，此工况允许越级换挡；误操作时，首先指车辆驱动电动机还在前进状态时，误启动倒挡开关，此时离合器应立即迅速分离，立即报警；其次，当驾驶员同时踩下加速踏板和制动踏板时，认为制动信号有效；超载时，离合器应迅速分离，限制传动系统所承受的最大转矩，防止传动系统过载。

上述车辆起步状态的判定条件是车辆处于前进挡或倒车挡状态且车速为零；车辆加减速时，遵循逐级加减挡的原则。

上述离合器的接合速度是通过主、从动部分的转速差来确定的，大体上来说，遵循转速差越大，接合速度越慢，转速差越小，接合速度越快的原则；离合器接合量是选用从动部分的转速以及主、从动部分的转速差作为控制参数，根据转速差及其变化速度，通过控制算法及时并适当的调整接合程度，使得主、从动部分得以最快速度接近，但又不得过快超过设定阀值的转速差增量。

上述自动离合器是通过装在加速踏板转动轴上的角位移传感器信号，控制其所处状态，使电动汽车根据需要选择合适的速度行驶；自动变速系统中设置了制动状态传感器，用于感知制动信息；位移传感器，用于表征离合器接合、分离的程度；转速传感器包括离合器输入、输出轴传感器和车速传感器，用于采集控制参数；挡位传感器，用于传达换挡信号等。

另外，车辆仪表盘处设置了一系列的开关、指示灯和显示屏，涉及到本实用新型的主要包括前进挡开关、倒挡开关、制动指示灯、倒车指示灯、挡位显示、强制保护模式报警、故障报警、误操作报警、过载报警等。

当驱动电机控制单元、离合器控制单元、AMT控制单元中的任意控制单元或控制局域网（CAN）无法正常工作时，车辆进入强制保护模式并报警，此时车辆只能以当前行驶状态行驶，或停车，不允许进行换挡操作。

Claims (18)

1.一种电动车驱动系统，主要由驱动电机及控制器、自动离合器和机械式自动变速器组成，其中自动离合器又包括离合器和驱动装置；机械式自动变速器又包括机械变速器、选挡电机及其操纵机构、换挡电机及其操纵机构，所述自动离合器的主动部分与车辆驱动电动机输出轴相连，从动部分与机械式自动变速器的输入轴相连，其特征在于，所述自动离合器采用干式膜片弹簧离合器；所述控制器配置成能向CAN网络发布信息，包括电压、电流、扭矩、转速、电机温度、控制器温度、电机运行状态、控制器运行状态、水泵电源运行状态、故障代码，电机控制器预留检测端口；所述驱动电机及控制器具备电气保护功能，电机与控制器配置成具备欠压保护功能和备过压保护功能，电机与控制器配置成具备热保护功能。

2.根据权利要求1所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述干式膜片弹簧离合器由直线电机驱动或旋转电机加凸轮机构驱动其直接或间接的接合和分离。

3.根据权利要求1所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述机械式自动变速器采用定轴齿轮式变速器，具体传动结构主要包括输入轴总成、中间轴总成、输出轴总成三部分。

4.根据权利要求1、3所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述第一轴即输入轴总成，主要由与第一轴制成一体的一轴常啮合齿轮组成；所述中间轴总成主要由与中间轴制成一体的中间轴N挡常啮合齿轮和中间轴常啮合齿轮组成，所述N为任意自然数；所述第二轴总成主要由输出轴以及空套在其上的二轴N挡齿轮及同步器组成。

5.根据权利要求4所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述驱动系统配置有直流电机来驱动机械式自动变速器的选位、换挡执行机构。

6.根据权利要求5所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述的电机均由车载蓄电池提供电能。

7.根据权利要求1、6所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述驱动系统配置有车载蓄电池，所述车载蓄电池为磷酸铁锂动力电池或铅酸电池或镍氢电池或锌空气电池。

8.一种根据权利要求7所述电动车驱动系统，其特征在于，所述系统配置有当车辆起步时，使离合器始终处于全接合状态的控制装置，车辆靠自身驱动电机的速度特性起步，所述系统配置有车辆起步状态的判定器，具体配置成当车辆处于前进挡或倒车挡状态且车速为零，车辆加减速时，即驾驶员踩下加速踏板，根据自动换挡规律，达到换挡点后，离合器控制单元控制其迅速分离，此时车辆驱动电机控制器根据AMT控制单元发出的目标转速进行调速，目标转速是由AMT控制单元根据车速和目标挡位计算得到；同时AMT控制单元配置成接收到离合器分离的状态反馈后，控制变速器完成摘挡动作，选位操纵，随即进行换挡操作；完成换挡操纵后，AMT控制单元配置成向驱动电机控制单元发出自由模式请求，此时无论驱动电机的调速是否达到目标转速，都要强制进入自由模式；确认电机处于自由模式后，AMT控制单元配置成传递请求接合信息给离合器控制单元，待离合器接合后，向控制电机发出力矩模式请求，电机恢复为正常力矩输出模式，进入正常行驶状态。

9.根据权利要求8所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述自动换挡配置成采用基于加速踏板开度、车速和加速度的三参数换挡规律。

10.根据权利要求9所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述驱动系统配置成在车辆加减速时，遵循逐级加减挡的原则。

11.根据权利要求10所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述驱动系统的自动离合器具有控制装置，配置成接合速度是通过主、从动部分的转速差来确定的，遵循转速差越大，接合速度越慢，转速差越小，接合速度越快的原则。

12.根据权利要求11所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述自动离合器接合量配置成选用从动部分的转速以及主、从动部分的转速差作为控制参数，根据转速差及其变化速度，通过控制算法及时并适当的调整接合程度，使得主、从动部分得以最快速度接近，但又不得过快超过设定阀值的转速差增量。

13.根据权利要求12所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述驱动系统配置成使车辆遵循制动优先的原则，只有当制动解除时，自动变速系统才会根据自动换挡规律进行换挡，此工况允许越级换挡。

14.根据权利要求13所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述驱动系统配置成在误操作时，首先指车辆驱动电动机还在前进状态时，误启动倒挡开关，此时离合器应立即迅速分离，立即报警；其次，当驾驶员同时踩下加速踏板和制动踏板时，认为制动信号有效。

15.根据权利要求14所述的电动车驱动系统，其特征在于，所述驱动系统配置成在超载时，离合器应迅速分离，限制传动系统所承受的最大转矩，防止传动系统过载。

16.根据权利要求15所述的电动车驱动系统，其特征在于，角位移传感器安装在加速踏板转动轴上，角位移传感器通过发射信号，控制自动离合器所处状态，使电动汽车根据需要选择合适的速度行驶。

17.根据权利要求16所述的电动车驱动系统，其特征在于，系统中设置了制动状态传感器，用于感知制动信息；位移传感器，用于表征离合器接合、分离的程度；转速传感器包括离合器输入、输出轴传感器和车速传感器，用于采集控制参数；挡位传感器，用于传达换挡信号。

18.根据权利要求8、17所述的电动车驱动系统，其特征在于，在车辆仪表盘处设置的主要包括前进挡开关、倒挡开关、制动指示灯、倒车指示灯、挡位显示、强制保护模式报警、故障报警、误操作报警、过载报警。 

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