CN207328118U - 车用增程式的双电机机电耦合系统 - Google Patents

Abstract

一种车用增程式的双电机机电耦合系统，该系统包括：传动部分和分别与之相连的混合动力部分和纯电动动力部分、整车控制器以及车况传感器，其中：混合动力部分通过混动中间轴总成与传动部分相连，纯电动动力部分通过纯电动中间轴总成与传动部分相连，整车控制器分别与传动部分、混合动力部分和纯电动动力部分相连。本系统通过一套平行轴式变速箱，实现了多种工作模式，结构紧凑，机械传动效率高，成本低。

Description

车用增程式的双电机机电耦合系统

技术领域

本实用新型涉及的是一种电动汽车领域的技术，具体是一种车用增程式的双电机机电耦合系统。

背景技术

由于环境和能源的要求，新能源汽车作为一种重要的交通工具，愈发受到世界各国的重视。目前国内新能源汽车驱动系统多数在传统自动变速器上进行更改，如增加电机、电子泵等，存在成本较高，布置尺寸较大，机械结构复杂引起的效率和NVH性能降低等问题。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种车用增程式的双电机机电耦合系统，通过一套平行轴式变速箱，实现了多种工作模式，结构紧凑，机械传动效率高，成本低。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型涉及一种车用增程式的双电机机电耦合系统，包括：传动部分和分别与之相连的混合动力部分和纯电动动力部分、整车控制器以及车况传感器，其中：混合动力部分通过混动中间轴总成与传动部分相连，纯电动动力部分通过纯电动中间轴总成与传动部分相连，整车控制器分别与传动部分、混合动力部分和纯电动动力部分相连。

所述的纯电动动力部分包括：带有纯电动输入轴齿轮的第一驱动电机(第一驱动电机)，其中：纯电动输入轴齿轮与设置于纯电动中间轴总成上的至少一个纯电动输出齿轮相啮合以实现动力传递。

所述的混合动力部分包括：设置于混动输入轴上的同步器和混动输入齿轮以及设置于混动输入轴两端的第二驱动电机和发动机，其中：混动输入齿轮与设置于混动中间轴总成上的混动输出齿轮相啮合以实现动力传递。

所述的传动部分包括：混动中间轴总成、主减速驱动桥总成、纯电动中间轴总成以及分别设置于混动中间轴总成上的混动输出齿轮、混动中间轴齿轮，设置于主减速驱动桥总成上的主减速齿轮、差速器总成，以及设置于纯电动中间轴总成上的纯电动中间轴齿轮、纯电动输出齿轮，其中：混动中间轴齿轮、主减速齿轮以及纯电动中间轴齿轮依次啮合。

所述的纯电动动力部分上优选进一步设有同步器和纯电动输入二档齿轮总成，其中：纯电动输入轴齿轮作为纯电动输入一档齿轮，与同步器和纯电动输入二档齿轮总成一并组成纯电动输入齿轮总成。

对应地，所述的纯电动中间轴总成上设有纯电动输出二档轴齿轮，其中：纯电动输出齿轮与纯电动输入轴齿轮相啮合，纯电动输出二档轴齿轮与纯电动输入二档齿轮总成相啮合。

所述的第二驱动电机和设置于混动输入轴上的同步器之间优选设有第二驱动电机输出齿轮和第二驱动电机输入齿轮，其中：第二驱动电机输入齿轮设置于第二驱动电机的输出轴上，并与设置于混动输入轴上的第二驱动电机输出齿轮相啮合。

技术效果

与现有技术相比，本实用新型中的：纯电动单电机工作模式可以满足正常路况要求，同时由于使用同步器和离合器脱开装置，避免了第二驱动电机和发动机被第一驱动电机带转引起的效率损失。纯电动双电机工作模式和混动工作模式一，两种工作模式，可以有效保证整车的动力性能。纯电动发电模式，由于同步器处于空挡，发动机动力无法传递至差速器，与整车处于解耦状态。因此发动机可以一直工作在高效区间，通过第二驱动电机为整车电池包充电。同时由于该模式存在，有效减小了对电池包容量的需求，在保证整车续驶里程的前提下，可以极大大降低整车成本。混动工作模式二在保证整车动力性同时，又可以保证整车续驶里程。

附图说明

图1为实施例1结构示意图；

图2为实施例1中增加啮合齿轮示意图；

图3为实施例2结构示意图；

图4为实施例2中增加啮合齿轮示意图；

图5为实施例总线布置示意图；

图6为实施例整车驱动目标转矩Map图；

图7为实施例发动机和双电机转矩特性图；

图中：发动机1、离合器2、混动输入轴3、混动输入齿轮4、同步器5、第二驱动电机6、混动中间轴总成7、混动输出齿轮8、混动中间轴齿轮9、主减速驱动桥总成10、主减速齿轮11、差速器总成12、纯电动中间轴齿轮13、纯电动输出齿轮14、纯电动中间轴总成15、纯电动输入轴齿轮16、第一驱动电机17、第二驱动电机输出齿轮18、第二驱动电机输入齿轮 19、纯电动输出二档轴齿轮20、纯电动输入齿轮总成21、纯电动输入二档齿轮总成22、纯电动输入齿轮总成同步器23、纯电动输入一档轴齿轮24。

具体实施方式

实施例1

如图1、图1所示，本实施例中包括：发动机1、离合器2、混动输入轴3、混动输入齿轮4、同步器5、第二驱动电机6、混动中间轴总成7、混动输出齿轮8、混动中间轴齿轮9、主减速驱动桥总成10、主减速齿轮11、差速器总成12、纯电动中间轴齿轮13、纯电动输出齿轮14、纯电动中间轴总成15、纯电动输入轴齿轮16、第一驱动电机17，其中：发动机1通过离合器2与混动输入轴3连接，同步器5通过花键固定在混动输入轴3上，混动输入齿轮4 通过滚针轴承空套在混动输入轴3上，混动输入齿轮4上焊接有结合齿。第二驱动电机6通过花键与混动输入轴3另一端相连。混动输入齿轮4与混动输出齿轮8啮合。混动中间轴总成7 由混动输出齿轮8和混动中间轴齿轮9组成，混动输出齿轮8通过花键或焊接固定在混动中间轴齿轮9上。混动中间轴齿轮9与主减速齿轮11啮合。主减速驱动桥总成10由主减速齿轮 11和差速器总成12构成。主减速齿轮11通过螺栓固定在差速器总成12上。差速器总成12 与整车半轴连接。纯电动中间轴总成15由纯电动中间轴齿轮13和纯电动输出齿轮14组成。纯电动输出齿轮14通过花键或焊接固定在纯电动中间轴齿轮13上。电动中间轴齿轮13与主减速齿轮11啮合。纯电动输出齿轮14与纯电动输入轴齿轮16啮合。第一驱动电机17通过花键与纯电动输入轴齿轮16连接。

本实施例中的整个机构工作原理如下：

第一驱动电机动力通过花键传递至纯电动输入轴齿轮。纯电动输入齿轮与纯电动中间轴齿轮啮合，将动力传递至纯电动中间轴总成。纯电动中间轴总成中的纯电动中间轴齿轮与主减速齿轮啮合，并通过差速器总成，将动力传递至整车。

当同步器处于结合状态，离合器处于断开状态时，只有第一驱动电机作为动力源，驱动整车工作。第二驱动电机和发动机均不工作。

当同步器处于空挡状态，离合器处于结合状态。发动机通过离合器、混动输入轴总成，带动第二驱动电机转动，此时第二驱动电机作为发电机，为整车电源充电。同时由于同步器处于空挡状态，发动机的动力输出无法传递至混动中间轴总成，仅有第一驱动电机作为动力源，驱动整车工作。

当同步器处于结合状态，离合器处于断开状态。此时第二驱动电机工作，通过混动输入轴总成、混动中间轴总成和主减速驱动桥总成将动力传递至整车。此时第二驱动电机和第一驱动电机同时作为动力源。

当同步器处于结合状态，离合器处于结合状态。发动机动力通过混动输入轴总成、混动中间轴总成和主减速驱动桥总成将动力传递至整车。当第二驱动电机作为发电机工作时，则此时发动机同时带动第二驱动电机为整车充电。当第二驱动电机作为电动机工作时，则此时发动机、第二驱动电机与第一驱动电机同时作为动力源，驱动整车工作。

如图2所示，由于发动机的高效区间转速在3000转，为了保证第二驱动电机也在自身高效区间工作，本实施例也可以在第二驱动电机和混动输入齿轮之间增加一对啮合齿轮，第二驱动电机输出齿轮18、第二驱动电机输入齿轮19。通过调整第二驱动电机输出齿轮和第二驱动电机输入齿轮的速比关系，来协调发动机和第二驱动电机之间的转速关系，从而提高发动机和第二驱动电机工作效率。

本实施例涉及上述系统的具体控制方法，包括以下步骤：

1、计算控制器所需转矩

1.1、计算整车驱动所需目标转矩T_n＝f(α,v)，α为汽车油门开度(0-100％)，v为汽车车速，f为关于油门开度α、汽车车速v的二维差值函数，如图6所示。其中，利用Matlab中Signal Builder模块来构造驾驶员的两个输入信号：油门开度α和汽车车速v，利用Matlab中2-D Lookup Table模块得到整车目标转矩数值的输出。首先采用差值的方法得到每一车速下油门开度从0 到100％对应的整车目标转矩，并将数值做成Map图，这样对于驾驶员输入的任意油门开度和车速信号，可以通过Map图得到目标转矩的数值。

1.2、计算单电机驱动时，第一驱动电机的输出转矩η₁为第一驱动电机的效率， i₁为从第一驱动电机输入轴到差速器的传动比。

1.3、计算纯电动发电模式时，第一驱动电机的输出转矩发动机输出转矩T_e＝g(α,n_e,SOC)，第二驱动电机充电转矩T₂＝T_eη_e，n_e为发动机转速，SOC为电池剩余电量(0-1)，当SOC＝0时表示电池电量已全部放完，当SOC＝1时代表电池已充满电，η_e为发动机效率，g为关于油门开度α，发动机转速n_e、电池剩余电量SOC的拟合函数。

1.4、计算纯电动双电机工作模式时，第一驱动电机的目标转矩第二驱动电机的目标转矩ε₁为第一驱动电机和第二驱动电机的耦合度(0-1)，当第一驱动电机单独工作时ε₁＝1，当第二驱动电机单独工作时ε₁＝0，当第一驱动电机和第二驱动电机耦合工作时，瞬时耦合度ε₁由第一驱动电机与第二驱动电机的瞬时输出功率共同决定，i₂为第二驱动电机输入轴到差速器的传动比，η₂为第二驱动电机的效率。

1.5、计算混动工作模式一时，第一驱动电机的目标转矩第二驱动电机的目标转矩发动机的目标转矩ε₂为电机与发动机的耦合度(0-1)，当只有电机工作时ε₂＝1，当只有发动机工作时ε₂＝0，当电机与发动机耦合工作时，瞬时耦合度ε₂由电机与发动机共同决定，i_e为发动机输入轴到差速器的传动比，η_e为发动机的效率。

1.6、计算混动工作模式二时，第一驱动电机输出转矩发动机输出转矩 T_e＝g(α,n_e,SOC)，第二驱动电机充电转矩

2、整车控制器输出参数的确定

本实施例采用车辆属性与实时车况相结合的方式，其中：车辆属性是预先在整车控制器 VCU中设定好的固定值，实时车况是车辆运行过程中通过传感器实时采集得到的信号。

如图5所示，所述的整车控制器VCU根据传感器发来的实时车况信号计算出合适的行驶模式以及驱动转矩，通过CAN总线向第一驱动电机控制器、第二驱动电机控制器发送电机工作状态及目标指令，电机控制器进行相应操作，通过CAN总线向发动机控制器发送发动机工作状态及目标指令，发动机控制器进行相应操作，同时通过CAN总线向电离合器控制器和电同步器控制器发送是否需要模式切换的指令，若需要模式切换，对电离合器和电同步器执行机构的状态进行判断，然后整车控制器对第一驱动电机控制器、第二驱动电机控制器、发动机控制器以及电池管理系统(BMS)发送新的工作指令。

所述的车辆属性包括：第一驱动电机峰值转矩T_1max、第二驱动电机峰值转矩T_2max、发动机外特性转矩T_emax、电池SOC目标值SOC_obj、电池SOC最小值SOC_min。

所述的实时车况包括：油门开度α、整车车速v、整车需求转矩T_n、电池SOC值、第一驱动电机转速n₁、第二驱动电机转速n₂、发动机转速n_e。

所述的整车控制器输出参数包括：第一驱动电机开关信号S₁、第二驱动电机开关信号S₂、发动机开关信号S_e、电离合器状态信号E₁、电同步器状态信号E₂、第一驱动电机目标转矩第二驱动电机目标转矩发动机目标转矩

3、基于车辆属性和实时车况信息，通过整车控制器的计算及指令输出，使机电耦合系统的工作状况达到最佳。

如图7所示，所述工作模式切换是指：基于整车驱动需求转矩T_n、电池电量SOC、油门开度α和整车车速v等实时信号，确定在发动机外特性曲线以及TM1、第二驱动电机峰值特性曲线中的工作区间，从而实现模式切换。

如下表，所述的工作模式包括：纯电动单电机工作模式、纯电动发电工作模式、纯电动双电机工作模式、混动工作模式一、混动工作模式二。

所述的纯电动单电机工作模式切入条件为：整车驱动所需目标转矩T_n小于第一驱动电机输出最大转矩T_1max i₁η₁，电池实时SOC值大于目标值SOC_obj，且油门开度α小于α₁，α₁为纯电动单电机工作模式的油门开度上限设定值。整车控制器通过采集到的时车信号，判定此时的工作模式为纯电动单电机工作模式，并向第一驱动电机控制器发出启动指令、向第二驱动电机控制器和发动机控制器发出停止工作指令、向电离合器控制器发出分离指令、向电同步器控制器发出分离指令，整车进入纯电动单电机工作模式。

所述的纯电动发电模式切入条件为：整车驱动所需目标转矩T_n小于第一驱动电机输出最大转矩T_1max i₁η₁，电池实时SOC值大于最小值SOC_min且小于目标值SOC_obj，且油门开度α小于α₁。整车控制器通过采集到的时车信号，判定此时的工作模式为纯电动发电工作模式，并向第一驱动电机控制器和发动机控制器发出启动指令、向第二驱动电机控制器发出停止工作指令、向电离合器控制器发出结合指令、向电同步器控制器发出分离指令，整车进入纯电动发电工作模式。

所述的纯电动双电机工作模式切入条件为：整车驱动所需目标转矩T_n小于第一驱动电机与第二驱动电机耦合工作输出的最大转矩T_1max i₁η₁+T_2maxi₂η₂，电池实时SOC值大于目标值 SOC_obj，且油门开度α满足α₁<α≤α₂，α₂为纯电动双电机工作模式的油门开度上限设定值。整车控制器通过采集到的实车信号，判定此时的工作模式为纯电动双电机工作模式，并向第一驱动电机控制器和第二驱动电机控制器发出启动指令、向发动机控制器发出停止工作指令、向电离合器控制器发出分离指令、向电同步器控制器发出结合指令，整车进入纯电动双电机工作模式。当双电机耦合工作时，已知油门开度α和整车车速v，即可知整车驱动所需目标转矩T_n，已知当前目标车速v*，即可知耦合箱输出目标转速即可知第一驱动电机、第二驱动电机目标转速根据第一驱动电机、第二驱动电机的效率分布图，总可以分析得到双电机耦合驱动时耦合箱任一输出点的系统效率最大是第一驱动电机、第二驱动电机的目标转矩

所述的混动工作模式一切入条件为：整车驱动所需目标转矩T_n小于第一驱动电机、第二驱动电机和发动机耦合工作输出的最大转矩T_1max i₁η₁+T_2max i₂η₂+T_emax i_eη_e，电池实时SOC 值满足SOC>SOC_obj，且油门开度α满足α₂<α≤100％。整车控制器通过采集到的实车信号，判定此时的工作模式为混动工作模式一，并向第一驱动电机控制器、第二驱动电机控制器、发动机控制器发出启动指令、向电离合器控制器发出结合指令、向电同步器控制器发出结合指令，整车进入混动工作模式一。

所述的混动工作模式二切入条件为：整车驱动所需目标转矩T_n小于第一驱动电机和发动机耦合工作输出的最大转矩T_1max i₁η₁+T_emax i_eη_e，电池实时SOC值满足SOC>SOC_min，且油门开度α满足α₁<α。整车控制器通过采集到的实车信号，判定此时的工作模式为混动工作模式二，并向第一驱动电机控制器和发动机控制器发出启动指令、向第二驱动电机控制器发出停止工作指令、向电离合器控制器发出结合指令、向电同步器控制器发出结合指令，整车进入混动工作模式二。

对步骤1-3进行仿真验证：选择一款匹配了该增程式双电机机电耦合系统的汽车，利用机电耦合系统的控制程序，以整车燃油经济性、动力性为评价指标对上述方法经行验证。

本实例测得机电耦合驱动汽车百公里加速为6.2s，与现有技术相比，本实施例使得机电耦合驱动汽车的动力性提高了21.3％。

利用现有技术仿真得到混合动力汽车百公里油耗为6.315L/100km，本实施例仿真得到的百公里油耗为4.3L/100km，与现有技术相比，本实施例使得机电耦合驱动汽车的燃油经济性提高了31.9％。

实施例2

如图3所示，由于整车工作时，第一驱动电机一直处于工作状态。在实施例1中由于传动轴系速比固定，无法兼顾第一驱动电机高效性能区间、整车最高车速以及爬坡性能。所以在本实施例中，将第一驱动电机的动力传动机构替换为由电动输入二档齿轮总成22、纯电动输入齿轮总成同步器23、纯电动输入一档轴齿轮24组成的纯电动输入齿轮总成21，对应在纯电动中间轴总成上增设纯电动输出二档轴齿轮20。在车辆低速运行时使用大速比，保证高扭矩输出，在车辆中高速运行时，使用小速比，有效利用电机的高效率区和高转速区。

本实施例也可以在第二驱动电机和混动输入齿轮之间增加一对啮合齿轮，第二驱动电机输出齿轮18、第二驱动电机输入齿轮19。通过调整第二驱动电机输出齿轮和第二驱动电机输入齿轮的速比关系，来协调发动机和第二驱动电机之间的转速关系，从而提高发动机和第二驱动电机工作效率。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整或组合，本实用新型的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本实用新型之约束。

Claims (6)

1.一种车用增程式的双电机机电耦合系统，包括：传动部分和分别与之相连的混合动力部分和纯电动动力部分、整车控制器以及车况传感器，其中：混合动力部分通过混动中间轴总成与传动部分相连，纯电动动力部分通过纯电动中间轴总成与传动部分相连，整车控制器分别与传动部分、混合动力部分和纯电动动力部分相连。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的混合动力部分包括：设置于混动输入轴上的同步器和混动输入齿轮以及设置于混动输入轴两端的第二驱动电机和发动机，其中：混动输入齿轮与设置于混动中间轴总成上的混动输出齿轮相啮合以实现动力传递。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的纯电动动力部分包括：带有纯电动输入轴齿轮的第一驱动电机，其中：纯电动输入轴齿轮与设置于纯电动中间轴总成上的至少一个纯电动输出齿轮相啮合以实现动力传递。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的传动部分包括：混动中间轴总成、主减速驱动桥总成、纯电动中间轴总成以及分别设置于混动中间轴总成上的混动输出齿轮、混动中间轴齿轮，设置于主减速驱动桥总成上的主减速齿轮、差速器总成，以及设置于纯电动中间轴总成上的纯电动中间轴齿轮、纯电动输出齿轮，其中：混动中间轴齿轮、主减速齿轮以及纯电动中间轴齿轮依次啮合。

5.根据权利要求1或3所述的系统，其特征是，所述的纯电动动力部分上进一步设有同步器和纯电动输入二档齿轮总成，其中：纯电动输入轴齿轮作为纯电动输入一档齿轮，与同步器和纯电动输入二档齿轮总成一并组成纯电动输入齿轮总成；

对应地，所述的纯电动中间轴总成上设有纯电动输出二档轴齿轮，其中：纯电动输出齿轮与纯电动输入轴齿轮相啮合，纯电动输出二档轴齿轮与纯电动输入二档齿轮总成相啮合。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的第二驱动电机和设置于混动输入轴上的同步器之间设有第二驱动电机输出齿轮和第二驱动电机输入齿轮，其中：第二驱动电机输入齿轮设置于第二驱动电机的输出轴上，并与设置于混动输入轴上的第二驱动电机输出齿轮相啮合。