CN204712854U - 一种车辆及其轮边驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及车辆及其轮边驱动系统，驱动系统的驱动轴不少于2个，可以更合理的布置车内空间，并且能获得较好的动力性，载客能力和爬坡性能比单电机驱动客车有所增强；还可以根据车辆需求功率，灵活分配各驱动轴扭矩，获得较高的轮边驱动系统效率，最大程度的节省动力电池耗电量；并将轴间扭矩分配、转向差速及其他控制模块结合在一起，形成一套适用于多后轴轮边驱动系统的控制方法，能实现驱动系统能量优化、ASR、ESP、EBS等先进的汽车电子控制系统功能，使得整车在动力性、经济性、舒适性和安全性等方面获得良好的平衡。

Description

一种车辆及其轮边驱动系统

技术领域

本实用新型涉及一种车辆及其轮边驱动系统，属于电动汽车领域。

背景技术

随着汽车保有量的急剧攀升，汽车带给地球的能源紧张和大气污染问题日益严重。新能源汽车尤其是纯电动汽车成为各大厂家积极研发的方向，轮边驱动作为一种纯电动结构的驱动方式具有动力传递路线短、布置灵活等多方面的优势。

现有电动汽车构型方案中，采用将电机直接与车轮集成的方案或者轮边电机的驱动方案是最有利于整车性能提升的，而轮边电机驱动技术是提高电动汽车性能的一项关键技术，各轮驱动力仅通过驱动电机即可实现独立控制控制而不必像传统汽车那样要对整车动力传动系及制动系进行综合控制才能实现车轮驱动力控制。

现有电动轮汽车技术文献大多针对乘用车(两轮前驱、两轮后驱或四轮驱动)，较少有关于客车的电动轮技术。客车具有车身长、载荷大的特点，例如满载16T的客车，一般采用单轴双电机驱动，例如中国专利公布号CN103879307A公开了一种用于电动汽车的后轮独立驱动控制系统及方法，电机尺寸会较大，势必会影响车内后轴处过道宽度；公布号CN201354003Y公开了一种多轮驱动电动车，前轴在布置轮边电机和减速器的同时，还要布置转向系，也会影响车内前轴处过道宽度，而且在转向时的操控性能不如后驱车辆。

针对轮边电机驱动系统的扭矩分配，现有技术有如下方案：例如公布号为CN104175902A的专利公开了一种电动轮汽车轮毂电机转矩分配系统的转矩分配控制方法，其中电动轮汽车轮毂电机转矩分配系统包括以下部分：驾驶员意图模块、轮毂电机、稳定性控制器、转矩分配器、滑移率控制器、整车模块、路面信息模块和整车传感器模块。整车模块中的整车传感器模块测取轮毂电机转速、车轮转速、车速、质心侧偏角、方向盘转角、横摆角速度和侧向加速度，并根据这些数据计算得到电机分配转距。该方案能够根据车辆行驶状态、不同时刻车速和驾驶员意图适时调节滑移率、电机状态和转矩分配，但是其不足之处在于所使用的电机扭矩分配方法主要是针对各独立车轮的轮毂电机进行转矩分配，不适用于多轴系统，且传动效率没有保障，其控制方法也比较复杂，不利于实际应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种车内过道宽、载客多、能耗低、操纵安全性好的轮边驱动系统，同时提供一种使用该驱动系统的车辆。

为实现上述目的，本实用新型的方案包括：

一种车辆轮边驱动系统，包括1个转向轴和m个驱动轴，m≥2，转向轴用于与两个转向轮连接，驱动轴上安装有2m个由对应轮边电机驱动的电动轮，每个轮边电机对应连接有一个电机控制器，各电机控制器均与整车控制器连接，所述整车控制器用于根据所采集的需求信号向各电机控制器发送对应指令以控制对应轮边电机驱动车辆行驶。

所述轮边电机通过减速器与对应车轮机械相连。

一种车辆，包括车轮及对应的车辆轮边驱动系统，所述车辆轮边驱动系统包括1个转向轴和m个驱动轴，m≥2，转向轴上安装有两个转向轮，驱动轴上安装有2m个由对应轮边电机驱动的电动轮，每个轮边电机对应连接有一个电机控制器，各电机控制器均与整车控制器连接，所述整车控制器用于根据所采集的需求信号向各电机控制器发送对应指令以控制对应轮边电机驱动车辆行驶。

所述轮边电机通过减速器与对应车轮机械相连。

本实用新型的有益效果如下：

(1)提出一种不少于2个驱动轴的轮边驱动系统，可以更合理的布置车内空间，并且能获得较好的动力性，载客能力和爬坡性能比单电机驱动客车有所增强。

(2)可以根据车辆需求功率，灵活分配各驱动轴扭矩，获得较高的轮边驱动系统效率，最大程度的节省动力电池耗电量。

(3)由于使用了转向差速控制驱动防滑模块，提高车辆在各种复杂工况下的行驶安全性，减小了前后轮胎的磨损，延长部分零部件的使用周期。

(4)将轴间扭矩分配、转向差速和驱动防滑模块结合在一起，形成一套适用于多后轴轮边驱动系统的控制方法，能实现驱动系统能量优化、ASR、ESP、EBS等先进的汽车电子控制系统功能，使得整车在动力性、经济性、舒适性和安全性等方面获得良好的平衡。

附图说明

图1是本实用新型的轮边驱动控制系统整体结构图。

图2是本实用新型的轮边驱动控制系统的信号流程框图。

图3是本实用新型的轮边驱动控制系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1所示为本实用新型车辆轮边驱动系统的整体结构图，由图可知，该系统包括多轴轮边驱动装置及其控制单元，多轴轮边驱动装置包括1个转向轴和m个驱动轴，m≥2(m一般取2或3，图1所示中的m＝2)，转向轴上安装两个转向轮，驱动轴上安装有2m个电动轮，每个电动轮由对应的轮边电机、减速器和轮胎组成；控制单元包括整车控制器和2m个电机控制器，即每个轮边电机通过电路对应连接一个电机控制器，整车控制器与各电机控制器控制连接，通过CAN网络进行信息交互，且整车控制器用于根据所采集的需求信号向各电机控制器发送对应指令以控制对应轮边电机驱动车辆行驶。

本实用新型的多轴轮边驱动系统适用于目前大中型客车常用的后驱布置形式，前轮只负责转向，后轴负责驱动，采用多后轴驱动可以为整车提供更大的驱动力，从而使客车获得更大载客量；与单轴双电机驱动相比，轮边电机的功率和尺寸都比较小，使车内获得较宽的过道空间；多轴驱动可以适应不同坡度和车速要求的道路，能够根据驱动功率需求，在各驱动轴之间进行灵活的扭矩分配，优化轮边驱动系统效率。

每个轮边电机经过减速器与车轮直接机械相连，缩短从驱动电机到驱动轮的动力传递路径，不仅能节约车内空间便于总体布局，而且减小了动力传递效率损失。轮边电机为高速内转子电动机，具有体积小、质量轻的特点，减速器为二级减速器，速比较高。

本实用新型还提供了一种使用上述轮边驱动系统的车辆，可以是电动客车、乘用汽车、载货汽车、专用车等，如图2所示，该系统包含整车控制器、轮边电机及其控制器和各种采集所需车辆信息的传感器，其中整车控制器根据功能可划分为驾驶员操作解析模块、电机系统效率优化模块、转向差速模块、车身稳定控制模块、驱动防滑模块和滑移率计算模块。

如图3所示，各传感器采集方向盘转角、油门踏板开度、制动踏板开度、电机转速、车身横摆角速度和档位面板操作状态，并将采集到的数据传输给整车控制器，整车控制器向电机控制器发送工作模式、旋转方向和输出扭矩命令，电机控制器控制电机驱动车辆行驶，行驶车辆再将各种需求信号反馈给整车控制器，形成闭环控制系统(如图2所示)，并实现轮边电机的扭矩协调控制。

整车控制器的驾驶员操作解析模块用于对接收到的数据(驾驶员对方向盘、油门踏板、制动踏板和档位面板的操作信息)进行解析，解析后输出电机的工作模式(驱动或发电，正转或反转)和需求总扭矩，具体包括如下几种方式：

(1)当车辆运行状态为前进驱动时，根据加速踏板开度和各电机当前转速平均值，并由电机外特性表，得到各电机需求驱动扭矩并求和获得需求总扭矩，并给电机控制器发送正转驱动的模式命令；

(2)车辆前进滑行或制动时，根据制动踏板开度和各电机当前转速，并由电机外特性表，获得各电机需求发电扭矩并求和获得需求总扭矩，并向电机控制器发送正转发电的模式命令；

(3)车辆倒车时，根据驾驶员对加速踏板和制动踏板的操纵，输出需求总扭矩，并向电机控制器发送反转驱动或反转发电的模式命令；

(4)在空档时，输出零扭矩，并给电机控制器发送待机命令。

一种应用上述驱动系统的扭矩分配方法的技术方案为，若车辆的驱动轴个数大于1，具体分配方式和过程如下：

ⅰ、当车辆油门踏板开度不为零且方向盘转角小于标定值时，认为车辆处于直线行驶状态，整车控制器的电机系统效率优化模块运行，此时该模块以轮边系统总效率最高为目标，根据需求总扭矩的大小在各驱动轴之间进行扭矩分配，且同一个驱动轴对应的两个轮边电机的扭矩相同；在低负荷时采用单轴驱动，在高负荷时双轴(或者多驱动轴)同时驱动，根据轮边电机系统效率最优算法进行轴间扭矩分配。

举例说明：

当驱动轴数目m＝2时，定义k₁为第一驱动轴驱动扭矩占总驱动扭矩的百分比，且0＜k₁＜1，则两驱动轴对应电机的扭矩的计算公式如下：

驱动轴1电机扭矩：T1＝Treq·k₁/2

驱动轴2电机扭矩：T2＝Treq·(1-k₁)/2

该模块以轮边系统总效率最高为目标，系统总效率为：

η＝(Treq·n)/[2n·(T1/η(T1,n)+T2/η(T2,n))]

其中，Treq为车辆需求总扭矩，n为轮边电机平均转速，η(T1,n)和η(T₂,n)分别为两驱动轴的电机在对应扭矩和转速下的效率。

同理，当驱动轴数目m＝3时，定义k₁、k₂分别为驱动轴1和驱动轴2的驱动扭矩占总驱动扭矩的百分比(0＜k₁＜1，0＜k₂＜1且0＜k₁+k₂＜1),则各驱动轴驱动扭矩分别为：

驱动轴1电机扭矩：T1＝Treq·k₁/2

驱动轴2电机扭矩：T2＝Treq·k₂/2

驱动轴3电机扭矩：T3＝Treq·(1-k₁-k₂)/2

此时系统总效率：

η＝(Treq·n)/[2n·(T1/η(T1,n)+T2/η(T2,n)+T3/η(T3,n))]

其中，Treq为车辆需求总扭矩，n为轮边电机平均转速，η(T₁,n)和η(T₂,n)分别为为中轴和后轴电机在不同扭矩和转速下的效率。

由上述分析可以得到当驱动轴的数目m>2时，驱动系统总效率是：

$\mathrm{\η}=(\mathrm{Treq}\·n)/[2n\·(\frac{T1}{\mathrm{\η}(T1,n)}+\frac{T2}{\mathrm{\η}(T2,n)}+\·\·\·+\frac{\mathrm{Tm}}{\mathrm{\η}(\mathrm{Tm},n)})]$

其中，Treq为车辆需求总扭矩，n为轮边电机平均转速，η(T1,n)、η(T₂,n)…、η(Tm,n)分别为各驱动轴的电机在对应扭矩和转速下的效率；T1、T2、…、Tm分别为两驱动轴对应电机的扭矩，且有：

T1＝Treq·k₁/2

T2＝Treq·k₂/2

Tm＝Treq·(1-k₁-k₂-…-k_m-1)/2

其中，k₁、k₂、…、k_m-1分别为第一、第二…第m-1个驱动轴对应驱动扭矩占总驱动扭矩的百分比，且0＜k₁＜1，0＜k₂＜1且0＜k₁+k₂+…+k_m-1＜1。

通过自动寻优算法，求得不同需求总扭矩、电机转速下的轴间扭矩分配系数k₁、k₂、…、k_m-1。该模块可以通过调节轴间扭矩分配系数来调节各驱动轴轮边电机的工作点，实现轮边驱动系统总效率最高的分配策略，最大程度的节省耗电量。

ⅱ、当油门踏板开度不为零且方向盘转角大于标定值且车速小于设定临界车速时，认为车辆处于转向行驶状态，整车控制器的电机系统效率优化模块和转向差速模块运行，对驱动电机进行转向差速调节扭矩分配：首先根据需求扭矩的大小在各驱动轴之间进行扭矩的平均分配，即m＝2时，k₁＝0.5；m＝3时，k₁＝k₂＝1/3，也就是说k_i＝1/m；再根据当前车速和方向盘转角下每个驱动轴的左右侧轮边电机的转速，确定各驱动轴左右侧轮边电机的输出扭矩。

转向差速模块根据阿克曼转向原理，计算当前车速和方向盘转角下，左右侧轮边电机转速，并通过查电机外特性表求得左右侧电机输出扭矩，并计算出左右侧轮边电机的转矩分配系数：kd＝T_l_map/(T_l_map+T_r_map)，其中，0＜kd＜1，直线行驶时，kd＝0.5(也就是说车辆直行时各驱动轴左右侧电机的转矩相等)。

通过上述计算，则各驱动轴对应的左右侧电机扭矩Tm_l、Tm_r的计算公式如下：

Tm_l＝Tm·kd

Tm_r＝Tm·(1-kd)/2

其中，Tm为对应驱动轴的电机扭矩。

该模块将平均分配到各轴的需求扭矩在各轴的左右车轮之间进行重新分配，从而实现转向差速功能，并在一定程度上为转向系统提供助力，节约能耗。以三轴客车为例，各驱动轴左右侧轮边电机的驱动转矩计算公式为：

驱动轴1左侧电机扭矩：T1_l＝T1·kd

驱动轴1右侧电机扭矩：T1_r＝T1·(1-kd)/2

驱动轴2左侧电机扭矩：T2_1＝T2·kd

驱动轴2右侧电机扭矩：T2_r＝T2·(1-kd)/2

其中，T1为中轴轮边电机扭矩，T2为后轴轮边电机扭矩。

进一步地，整车控制器的车身稳定控制模块功能如下：当油门踏板开度不为零且方向盘转角大于标定值的情况下，若满足车速大于设定临界车速的条件，则车身稳定控制模块启动，该模块检测车身横摆角速度，当车身横摆角速度超过当前车速的安全门限值时，以理想车身横摆角速度与实际车身横摆角速度的差值为控制目标，进行PID控制，输出左右侧电机扭矩调节值△T1，形成闭环控制系统，直到车身侧倾力矩低于安全门限值为止。

以三轴客车为例，各驱动轴左右侧轮边电机的驱动转矩计算公式为：

驱动轴1左侧电机扭矩：T1_l＝T1_l+△T1

驱动轴1右侧电机扭矩：T1_r＝T1_r-△T1

驱动轴2左侧电机扭矩：T2_l＝T2_l+△T1

驱动轴2右侧电机扭矩：T2_r＝T2_r-△T1。

进一步地，整车控制器的驱动防滑模块功能如下：由前轮(左前轮、右前轮)转速和各驱动轴的电机转速实时计算出各电动轮的滑转率，当检测到任一电动轮滑转率高于安全门限值s₀时，该模块触发，对理想滑转率s1与实际滑转率进的差值进行PID控制，输出扭矩下降值△T2，形成闭环控制系统，直到该轮滑转率低于安全门限值为止。对应轮边电机输出扭矩的计算公式为：

T_new＝T_old-△T2

其中，T_old为降扭矩前轮边电机输出扭矩，T_new为降扭矩后轮边电机输出扭矩。

下面结合具体事例对本实用新型进行说明：如图3所示，以三轴客车为例：当车速为40km/h，电机转速为3240转，油门踏板开度我为40％时，整车控制器经驾驶员解析模块根据加速踏板开度和各电机当前转速平均值，查电机外特性表，计算得到需求总扭矩为296N。

此时若方向盘转角为0，则触发电机系统效率优化模块，若平均分配的话，则各电机输出命令扭矩为74N(此时查表的电机效率为0.93)，计算得电机系统总效率为0.93；若经过电机系统效率优化模块，以系统效率最高为目标，选择分配系数k1＝0.73，则驱动轴1两侧电机扭矩各为108N(查表电机效率为0.96)，驱动轴2两电机输出扭矩为40N(查表电机效率为0.92)，计算得电机系统总效率:

η＝(Treq·n)/[2n·(T1/η(T1,n)+T2/η(T2,n))]

＝296×3240/[2×3240(108/0.96+40/0.92)]

＝0.95

该分配方式与平均分配相比有所优化，由此可见，通过本系统电机系统效率优化模块的扭矩分配方式能够提高电机的效率，实现轮边驱动系统总效率最高的分配策略，最大程度的节省耗电量。

若此时有30rad的方向盘转角阶跃输入，则触发转向差速模块，那么首先在电机系统效率优化模块进行各驱动轴转矩的平均分配，得到各驱动轴的转矩为296/2＝148N。再根据阿克曼转向原理，计算出分配系数kd＝0.55，则有：

驱动轴1左侧电机扭矩：T1_l＝T1·kd＝148·0.55＝81.4N

驱动轴1右侧电机扭矩：T1_r＝T1·(1-kd)/2＝148·0.45＝66.6N

驱动轴2左侧电机扭矩：T2_l＝T2·kd＝148·0.55＝81.4N

驱动轴2右侧电机扭矩：T2_r＝T2·(1-kd)/2＝148·0.45＝66.6N

若此时检测到的车速较低且车身横摆角速度未超过当前车速的安全门限值，那么车身稳定控制模块未触发。

另外，若此时检测到驱动轴1右侧和驱动轴2右侧车轮均发生打滑，驱动轴1右侧滑移率与理想滑移率差值为0.05，那么计算得到扭矩下降值△T2＝10N，则驱动轴1右侧电机调节后的扭矩为：T1_r＝66.6-10＝56.6N；驱动轴2右侧滑移率与理想滑移率差为0.08，计算扭矩下降值△T2＝15N，则驱动轴2右侧电机调节后的扭矩为：T2_r＝66.6-15＝51.6N；其他轮边电机输出扭矩保持不变。

需要说明的是：对于上述所提到的标定值、设定临界车速、一定车速时车身横摆角速度的安全门限值、滑转率安全门限值不作具体限定，其值的大小可以根据车辆实际情况进行确定。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种车辆轮边驱动系统，其特征在于，包括1个转向轴和m个驱动轴，m≥2，转向轴用于与两个转向轮连接，驱动轴上安装有2m个由对应轮边电机驱动的电动轮，每个轮边电机对应连接有一个电机控制器，各电机控制器均与整车控制器连接，所述整车控制器用于根据所采集的需求信号向各电机控制器发送对应指令以控制对应轮边电机驱动车辆行驶。

2.根据权利要求1所述的车辆轮边驱动系统，其特征在于：所述轮边电机通过减速器与对应车轮机械相连。

3.一种车辆，包括车轮及对应的车辆轮边驱动系统，其特征在于，所述车辆轮边驱动系统包括1个转向轴和m个驱动轴，m≥2，转向轴上安装有两个转向轮，驱动轴上安装有2m个由对应轮边电机驱动的电动轮，每个轮边电机对应连接有一个电机控制器，各电机控制器均与整车控制器连接，所述整车控制器用于根据所采集的需求信号向各电机控制器发送对应指令以控制对应轮边电机驱动车辆行驶。

4.根据权利要求3所述的车辆，其特征在于，所述轮边电机通过减速器与对应车轮机械相连。