CN207374100U - 一种半分布式前后多电机驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半分布式前后多电机驱动系统，包括驱动电机（14）、自动机械式变速箱（16）、第三电机控制单元（15）、车辆左前驱动轮（1）、车辆右前驱动轮（7）、第一辅助动力电机（6）、第二辅助动力电机（2）、第一电机控制单元（5）、第二电机控制单元（3），驱动电机（14）与自动机械式变速箱（16）相连，第三电机控制单元（15）与驱动电机（14）相连，第一辅助动力电机（6）与车辆右前驱动轮（7）相连，第二辅助动力电机（2）与车辆左前驱动轮（1）相连，第一电机控制单元（5）与第一辅助动力电机（6）相连，第二电机控制单元（3）与第二辅助动力电机（2）相连。本实用新型结构紧凑、控制简单，实现全时四驱。

Description

一种半分布式前后多电机驱动系统

技术领域

本实用新型涉及纯电动客车的电机驱动系统，尤其涉及一种半分布式前后多电机驱动系统。

背景技术

目前，能源危机和环境污染问题日益严重，发展新能源汽车已经成为汽车领域的重要研究方向之一。纯电动车辆尤其是纯电动城市客车的工作特性能够良好地适应城市工况的实际需要，同时可以较好地实现节能减排。

在现有技术中，纯电动客车比较成熟的驱动方式是集中式驱动，其中以单电机直驱或者单电机匹配自动机械式变速箱（Automated Mechanical Transmission，AMT）为主。该驱动构型一般将动力系统布置于整车后桥，动力由电机依次经变速装置、传动轴、差速器、半轴最终传递至驱动轮，以实现向整车提供驱动力。该驱动构型可以实现整车行驶的一般需要，但其存在固有的技术缺陷，这将导致在实际驱动过程中无法实现更为优越的性能，其主要技术缺陷包括以下几个方面：1）该驱动构型使用单电机时，由于需要提供整车所需的全部动力，因而电机功率和峰值扭矩较大，这将导致电机的设计尺寸较大，不利于整车的合理布局；2）该驱动构型采用单个大功率电机时，成本较高且制造难度较大；3）该驱动构型使用的单电机一旦发生故障，由于没有备用功率源，此时车辆只能被迫停驶。基于上述技术问题，人们提出了一种双电机耦合驱动构型，该耦合驱动构型虽然较好解决了上述技术问题，但其仍是将两个动力源均布置于整车后桥，因此无法考虑各个前后桥轴载荷转移、整车载荷分布、各个驱动轮附着力、滑移率等方面的问题，同时也无法合理分配爬坡、加速过程中的前后驱动力分配、紧急制动时的前后制动能量回收以及制动力分配，因而该耦合驱动构型既无法发挥出整车应有的动力性潜能，也不利于综合进行节能管理。

相应地，现有纯电动客车的一种分布式驱动技术能够较好解决上述集中式驱动存在的技术问题。该驱动构型一般采用轮边电机或者轮毂电机技术，将各个电机直接布置在各个车轮旁侧，直接向各个车轮提供动力，最大程度地简化了传动系。分布式驱动构型能够充分考虑各个驱动轮的附着率、滑移率以及整车动力学状态，能够灵活地控制整车运行状态，提高车辆的动力性能和操作稳定性能。但是，该技术方案对电机设计具有较高要求，不仅需要电机外径尺寸及体积足够小，还须匹配小体积、大速比的轮边减速器。同时，由于车辆驱动轮侧的工作环境恶劣，需要综合考虑电磁场、热场和机械振动的耦合作用，这显然不利于电机的稳定工作，整体驱动系统的故障率也较高。此外，由于轮边的布置空间有限，因此一般无法配置额外的变速装置或只能配置速比较小且固定的减速器，即各个电机转速只能被动地与车速保持一致，其所能提供的峰值扭矩也是固定值，无法通过成熟的变速装置改善整车的最大驱动力性能和能耗性能。可见，现有的分布式驱动构型技术并不成熟，无法在短期内快速推广应用。

在现有技术中还存在一种较为成熟的前后双电机驱动构型技术方案，其在一些新能源车辆上也得到了应用，如特斯拉的P85D车型。该驱动构型能够以最直接的方式实现全时四驱以及前后桥驱动力的分配。但该驱动构型如直接应用于纯电动客车时则存在如下较大的技术缺陷：因采用前后双电机布置，故需要同时在前后桥上布置主减速器及差速器，这将直接导致前桥及后桥处的底盘高度均会被迫提高，从而在乘客舱内形成凸起，进而使纯电动城市客车的低地板面积及低地板连续面积大幅降低，因此该驱动构型实用性较差。

基于上述现有技术存在的技术问题，亟待设计出一种兼具集中式驱动的灵活变速且易于实现的特点以及分布式驱动能够调节前后桥动力分配且提高整车稳定性的驱动构型，以便实现既能向整车提供更好的驱动特性又不对现有客车底盘结构产生重大影响的驱动构型。

专利号为ZL201210520862.8的中国发明专利公开了一种多模式双电机驱动系统及其驱动方式，包括：所述第一电动机的输出轴与所述变速箱的第一输入轴连接，第二电动机的输出轴与所述变速箱的第二输入轴连接，所述变速箱的第一输入轴与变速箱的第二输入轴之间通过一离合器连接，所述变速箱内设有4档结构，1档齿轮组与3档齿轮组设于变速箱的第二输入轴上，2档齿轮组与4档齿轮组设于变速箱的第一输入轴上，所述1档齿轮组与3档齿轮组之间设有奇数档同步器，2档齿轮组与4档齿轮组之间设有偶数档同步器。通过上述方式，该发明结构简单，可实现多模式的换档，易于实现，通过两个电机的驱动组合控制，即可实现动力性和经济性的优化组合；且换档通过双电机切换控制实现，无动力中断，舒适性好。但该发明需要同时在前后桥上布置主减速器及差速器，这将直接导致前桥及后桥处的底盘高度均会被迫提高，从而在乘客舱内形成凸起，进而使纯电动城市客车的低地板面积及低地板连续面积大幅降低，因此该驱动构型实用性较差，亟待改进。

实用新型内容

本实用新型目的是提供一种实用性强、功能集成度高、可靠性好、驱动外特性丰富的纯电动车用半分布式前后多电机驱动系统。纯电动客车在行驶过程中，电驱动系统需要综合考虑整车加速性能、爬坡性能、前后桥驱动力分配特性、制动时能量回收性能、前后桥制动力分配特性、操纵稳定性等诸多因素，其调控整车状态均可通过合理分配各个驱动桥或者驱动轮上的主动扭矩来实现。

为了实现上述实用新型目的以及解决现有多模式双电机驱动系统及其驱动方式存在的上述技术缺陷，本实用新型的半分布式前后多电机驱动系统采用的技术方案如下：

一种半分布式前后多电机驱动系统，包括驱动电机、自动机械式变速箱、第三电机控制单元、车辆左前驱动轮、车辆右前驱动轮，所述驱动电机与所述自动机械式变速箱相连接并布置于车辆后桥，所述第三电机控制单元与所述驱动电机相连接，还包括第一辅助动力电机、第二辅助动力电机、第一电机控制单元、第二电机控制单元，所述第一辅助动力电机与所述车辆右前驱动轮相连接，所述第二辅助动力电机与所述车辆左前驱动轮相连接，所述第一电机控制单元与所述第一辅助动力电机相连接，所述第二电机控制单元与所述第二辅助动力电机相连接。

优选的是，包括动力CAN通讯网络和变速控制单元，所述变速控制单元与所述自动机械式变速箱相连接，所述动力CAN通讯网络分别与所述第一电机控制单元、第二电机控制单元、第三电机控制单元和变速控制单元相连接。

在上述任一方案中优选的是，包括仪表控制单元和整车控制单元，所述动力CAN通讯网络分别与所述仪表控制单元和整车控制单元相连接。

在上述任一方案中优选的是，包括车辆主减速器及差速器总成，所述车辆主减速器及差速器总成与所述自动机械式变速箱相连接。

在上述任一方案中优选的是，包括整车CAN通讯网络和整车其它模块，所述整车CAN通讯网络分别与所述仪表控制单元、整车控制单元和整车其它模块相连接。

在上述任一方案中优选的是，包括动力电池和电池管理系统，所述动力电池和所述电池管理系统相连接，所述电池管理系统与所述整车CAN通讯网络相连接，所述动力电池分别与所述第一电机控制单元、第二电机控制单元和第三电机控制单元相连接。

在上述任一方案中优选的是，所述第一辅助动力电机和第二辅助动力电机采用轮边电机布置结构。

在上述任一方案中优选的是，所述第一辅助动力电机和第二辅助动力电机采用轮毂电机布置结构。

在上述任一方案中优选的是，所述第一辅助动力电机和第二辅助动力电机内均集成有相应的减速器。

在上述任一方案中优选的是，所述整车其它模块包括滑移率监测装置和/或制动力监测装置。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：本实用新型构型成熟、结构紧凑、控制过程简单，能够在现有技术基础上快速改造升级，全面满足车辆运行过程中的实际需求。本实用新型所提出的半分布式驱动系统，以后驱动桥的集中式驱动系统进行主要动力部分的输出，以位于前驱动桥的分布式驱动系统作为辅助动力源，以进行制动、失稳、下坡等各个工况的协同动力输出，使整车能够最大限度处于稳定、低能耗的工作状态。本实用新型动力源多且呈分布式布置，能够充分考虑车辆在各种工况前后载荷转移的技术问题，能够充分考虑前后驱动桥附着力的技术问题，甚至可以根据客车内乘客分布情况对轴荷的影响来适时进行动力输出的调节，以方便车辆进行综合操纵稳定性控制及能量管理工作。本实用新型无需设置前后传动轴和分动器便能实现全时四驱的技术效果，同时整体驱动系统的动力性和通过性均有所提高。本实用新型易于实现，技术特点优越明显，一方面克服了现有集中式驱动构型的技术缺陷，使位于后驱动桥的电机总成峰值功率和扭矩相对减小，同时其外形尺寸也进一步相应减小，从而易于布置，且一旦发生故障时能够启动其余动力源驱动车辆；另一方面，克服了现有分布式驱动构型的技术缺陷，使位于前驱动桥的电机无需负担车辆急加速、爬坡等极端工况的全部动力输出需求，其峰值功率、扭矩及整体外形尺寸均可大幅减小，所匹配的减速装置也可进一步减小，因而易于布置于轮边或者轮毂位置，同时其散热、电磁场及机械振动对电机的影响也会显著降低；再一方面，克服了现有前后单电机驱动系统的技术缺陷，车辆前驱动桥处无需于车辆中心线上设置电机和主减速器，因而不会对车辆前部低地板设计产生不利影响。

附图说明

图1作为本实用新型的半分布式前后多电机驱动系统的一优选实施例的总体框架结构示意图。

附图标记说明：

1车辆左前驱动轮；2第二辅助动力电机（Auxiliary Dynamic Motor，ADM）；3第二电机控制单元（Motor Control Unit，MCU）；4动力CAN通讯网络（CAN2）；5第一电机控制单元；6第一辅助动力电机；7车辆右前驱动轮；8整车CAN通讯网络（CAN1）；9仪表控制单元（Instrument Control Unit，ICU）；10整车控制单元（Vehicle Control Unit，VCU）；11整车其它模块；12车辆主减速器及差速器总成；13变速控制单元（Transmission Control Unit，TCU）；14驱动电机（Traction Motor，TM）；15第三电机控制单元；16自动机械式变速箱（Automated Mechanical Transmission，AMT）；17动力电池；18电池管理系统（BatteryManagement System）。

具体实施方式

本实施例仅为一优选技术方案，其中所涉及的各个组成部件以及连接关系并不限于该实施例所描述的以下这一种实施方案，该优选方案中的各个组成部件的设置以及连接关系可以进行任意的排列组合并形成完整的技术方案。

下面结合图1详细描述所述半分布式前后多电机驱动系统的技术方案：

一种半分布式前后多电机驱动系统，包括驱动电机14、自动机械式变速箱16、第三电机控制单元15、车辆左前驱动轮1、车辆右前驱动轮7，驱动电机14与自动机械式变速箱16相连接，其作为车辆主要动力源并布置于车辆后桥，该主动力源输出的峰值功率及峰值扭矩相对较大，承担车辆在加速、爬坡以及高速行驶时所需主驱动力，该主动力输送至整车主减速器，进而传递至左后和右后驱动轮。第三电机控制单元15与驱动电机14相连接，第三电机控制单元15布置于驱动电机14旁，用于控制驱动电机14。还包括第一辅助动力电机6、第二辅助动力电机2、第一电机控制单元5、第二电机控制单元3，第一辅助动力电机6与车辆右前驱动轮7相连接，第二辅助动力电机2与车辆左前驱动轮1相连接，第一电机控制单元5与第一辅助动力电机6相连接，第二电机控制单元3与第二辅助动力电机2相连接。第一电机控制单元5和第二电机控制单元3分别布置于第一辅助动力电机6和第二辅助动力电机2旁，用于分别控制第一辅助动力电机6和第二辅助动力电机2。包括动力CAN通讯网络4和变速控制单元13，变速控制单元13与自动机械式变速箱16相连接，动力CAN通讯网络4分别与第一电机控制单元5、第二电机控制单元3、第三电机控制单元15和变速控制单元13相连接，自动机械式变速箱16由变速控制单元13控制，所述驱动电机14、第一辅助动力电机6、第二辅助动力电机2以及自动机械式变速箱16之间的协同控制均由整车控制单元10进行总体控制。包括仪表控制单元9和整车控制单元10，动力CAN通讯网络4分别与仪表控制单元9和整车控制单元10相连接。包括车辆主减速器及差速器总成12，车辆主减速器及差速器总成12与自动机械式变速箱16相连接。包括整车CAN通讯网络8和整车其它模块11，整车CAN通讯网络8分别与仪表控制单元9、整车控制单元10和整车其它模块11相连接。包括动力电池17和电池管理系统18，动力电池17和电池管理系统18相连接，电池管理系统18与整车CAN通讯网络8相连接，动力电池17分别与第一电机控制单元5、第二电机控制单元3和第三电机控制单元15相连接。第一辅助动力电机6和第二辅助动力电机2可以选择采用轮边电机布置结构或者轮毂电机布置结构，第一辅助动力电机6和第二辅助动力电机2内均集成有相应的减速器。整车其它模块11包括滑移率监测装置和/或制动力监测装置。

第一辅助动力电机6和第二辅助动力电机2作为车辆动力性调控装置，其可输出峰值功率及峰值扭矩相对较小，布置于附着力较小的前桥处，承担车辆在驱动过程中的辅助动力驱动，从而调节驱动电机14及自动机械式变速箱16的工作区间，使其尽可能工作于高效区；在车辆制动时，参与制动能量回收，用于辅助电制动阶段的前后制动力调节，使整车在电制动阶段尽可能工作于理想制动力分配曲线上；在车辆失稳时，能够快速响应参与车辆稳定控制，能够通过调节左右电机输出扭矩，提供使整车趋于稳定的主动横摆力矩。第一辅助动力电机6和第二辅助动力电机2可以选择设计成轮边电机布置形式或轮毂电机布置形式，由于该两辅助电机不作为车辆在急加速、爬坡等极端工况下的主动力源，因而其电机外特性及所需的减速装置外形尺寸均相对较小，进而电机及减速装置总体尺寸和总质量也均大幅降低，对纯电动城市客车前桥部分的低地板设计不会造成任何影响。

本实用新型的工作原理：仅以车辆运行时的常见工况具体说明。

1）急加速、爬坡工况

当车辆工作于急加速、爬坡工况时，所需的总体驱动力较大，为了防止驱动扭矩过大造成驱动轮打滑而产生额外能耗，则应优先将驱动力施加于附着力较大的驱动轮上。由于加速、爬坡时会发生载荷转移，后轴上载荷增大，前轴上载荷减小，因而后驱动轮上附着力将大于前驱动轮附着力。据此，由整车控制单元10根据整车其它模块11传送的各轮滑移率信息进行前后驱动力分配，并优先使得驱动电机14及自动机械式变速箱16输出较大驱动扭矩，更好地利用后轮大载荷、双胎结构所产生的较大附着力，同时可较好防止前驱动轮打滑，以避免额外能量消耗并防止整车失去转向能力。

2）匀速行驶工况

当车辆工作于较为稳定的匀速行驶工况时，所需的总体驱动力及功率并不很大，也不会出现较大的前后轴上的载荷转移。此时可以充分从能耗最优角度出发进行控制并进行前后驱动力分配。据此，由整车控制单元10根据预置的各电机MAP图，对前后驱动力进行合理分配，使驱动电机14、第一辅助动力电机6和第二辅助动力电机2均工作于高效区，使总体能耗最低。

所述电机MAP图又称电机等高线图或者电机云图，是电机测试时生成的一种数据曲线图，主要反映在不同转速、扭矩下的电机效率分布情况。

3）紧急制动工况

当车辆工作于较高车速而紧急制动时，必须充分考虑前后制动力分配问题以使车辆保持稳定。一方面，在车辆制动时会发生前后载荷转移，前驱动桥上载荷会增大，前轮附着力也相应增大。另一方面，在车辆制动时，应尽可能使得前后车轮同时抱死，即在前后制动力分配时应尽量贴合理想制动力分配曲线。但是，在现有集中式驱动构型上，制动初始时的电制动能量回收过程仅能由位于后桥的单一电机完成，由此将会造成后轮先制动甚至抱死而发生侧滑的危险趋势。据此，由整车控制单元10协调控制在电制动阶段的前后制动力分配问题，使位于前驱动桥的第一辅助动力电机6和第二辅助动力电机2也可进行电制动，并平衡前后驱动桥上制动力比值，使车辆在制动过程中不会出现侧滑危险。

4）下坡工况

当车辆工作于下坡工况时加速度较大，且由于载荷向前驱动桥转移，后驱动桥附着力降低，易于发生打滑。据此，由整车控制单元10协调控制在下坡过程中的电机反拖缓速，优先使位于前驱动桥的第一辅助动力电机6和第二辅助动力电机2施加反拖缓速扭矩，并能有效地回收缓速过程中的能量。

5）失稳危险工况

当车辆由于异常状况而出现侧滑、甩尾等失稳工况时，必须迅速施加有效的反向横摆力矩来减小车辆横摆角速度。但是，在现有纯电动城市客车上通常使用泵气制动，其无法做到精确、快速、震荡调控，因而难以通过现有车身稳定系统方式来施加上述反向横摆力矩。据此，通过整车控制单元10主动控制位于前驱动桥的第一辅助动力电机6和第二辅助动力电机2配合气制动以共同施加反向横摆力矩。在车辆失稳时气制动起主要作用，应优先产生制动力矩，此时第一辅助动力电机6和第二辅助动力电机2则在整车控制单元10控制下，通过施加正向或反向扭矩以产生额外的反向横摆力矩。由于电机控制精确且反应快速，因而可有效使车辆趋于稳定，同时现有气制动又施加有足够的制动力矩，使整车能够快速停驶，以脱离危险工况。

本实用新型能够实现整车全时四驱，同时整车控制单元10可以利用车辆驱动轮的滑移率信息，合理分配前驱动桥和后驱动桥的动力，从而在一侧打滑的情况下，仍使得车辆可以获得有效驱动力。

需要特别指出，本实用新型对于后桥驱动系统并无特殊限定要求，本实用新型技术方案中仅是以单驱动电机14匹配自动机械式变速箱16为例进行说明。在满足整车动力需要的前提下，本实用新型的本分布式驱动系统可以采用单电机直驱、多电机耦合或者混合动力驱动等任意一种形式的集中式驱动系统。

Claims (10)

1.一种半分布式前后多电机驱动系统，包括驱动电机（14）、自动机械式变速箱（16）、第三电机控制单元（15）、车辆左前驱动轮（1）、车辆右前驱动轮（7），驱动电机（14）与自动机械式变速箱（16）相连接并布置于车辆后桥，第三电机控制单元（15）与驱动电机（14）相连接，其特征在于，还包括第一辅助动力电机（6）、第二辅助动力电机（2）、第一电机控制单元（5）、第二电机控制单元（3），第一辅助动力电机（6）与车辆右前驱动轮（7）相连接，第二辅助动力电机（2）与车辆左前驱动轮（1）相连接，第一电机控制单元（5）与第一辅助动力电机（6）相连接，第二电机控制单元（3）与第二辅助动力电机（2）相连接。

2.如权利要求1所述的半分布式前后多电机驱动系统，其特征在于，包括动力CAN通讯网络（4）和变速控制单元（13），变速控制单元（13）与自动机械式变速箱（16）相连接，动力CAN通讯网络（4）分别与第一电机控制单元（5）、第二电机控制单元（3）、第三电机控制单元（15）和变速控制单元（13）相连接。

3.如权利要求2所述的半分布式前后多电机驱动系统，其特征在于，包括仪表控制单元（9）和整车控制单元（10），动力CAN通讯网络（4）分别与仪表控制单元（9）和整车控制单元（10）相连接。

4.如权利要求2所述的半分布式前后多电机驱动系统，其特征在于，包括车辆主减速器及差速器总成（12），车辆主减速器及差速器总成（12）与自动机械式变速箱（16）相连接。

5.如权利要求3所述的半分布式前后多电机驱动系统，其特征在于，包括整车CAN通讯网络（8）和整车其它模块（11），整车CAN通讯网络（8）分别与仪表控制单元（9）、整车控制单元（10）和整车其它模块（11）相连接。

6.如权利要求5所述的半分布式前后多电机驱动系统，其特征在于，包括动力电池（17）和电池管理系统（18），动力电池（17）和电池管理系统（18）相连接，电池管理系统（18）与整车CAN通讯网络（8）相连接，动力电池（17）分别与第一电机控制单元（5）、第二电机控制单元（3）和第三电机控制单元（15）相连接。

7.如权利要求1所述的半分布式前后多电机驱动系统，其特征在于，第一辅助动力电机（6）和第二辅助动力电机（2）采用轮边电机布置结构。

8.如权利要求1所述的半分布式前后多电机驱动系统，其特征在于，第一辅助动力电机（6）和第二辅助动力电机（2）采用轮毂电机布置结构。

9.如权利要求1所述的半分布式前后多电机驱动系统，其特征在于，第一辅助动力电机（6）和第二辅助动力电机（2）内均集成有相应的减速器。

10.如权利要求5所述的半分布式前后多电机驱动系统，其特征在于，整车其它模块（11）包括滑移率监测装置和/或制动力监测装置。