CN105082996A - 一种双电机双模耦合动力装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机双模耦合动力装置，包括主驱电机、辅助电机、行星轮系、第一离合器和第二离合器；主驱电机的转轴与行星轮系的太阳轮连接，行星轮系的行星架为动力输出端，第一离合器的主动部分连接于行星轮系的齿圈，第一离合器的从动部分连接于行星轮系的太阳轮；辅助电机的转轴连接于行星轮系的齿圈，第二离合器为单向离合器，单向离合器的外圈固定，单向离合器的内圈连接于辅助电机转轴。本发明还公开了所述双电机双模耦合动力装置的控制方法，本发明双电机双模耦合动力装置结构简单，可实现转矩耦合和转速耦合驱动模式。

Description

一种双电机双模耦合动力装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，特别是涉及一种双电机双模耦合动力装置及控制方法。

背景技术

与传统燃油汽车不同，常规集中驱动式纯电动车的动力***结构简图如图1所示。驱动电机通过变速器或减速器的减速增扭作用驱动整车运行，电机控制器控制电机不同的转速和扭矩来满足整车行驶功率需求。由于采用单电机驱动，电机应具有较宽的调速范围、低速可以大扭矩输出以及高速有一定的功率储备、高效率和高可靠性。显然，这样的高转速电机制造难度太大，而且电机无法在各种工况下都能够高效率工作导致整体效率较低，并且难以兼顾车辆的加速性能与最高车速。为此，基于双电机的动力耦合***设计成为另一种解决方案。

在已有技术中，中国专利CN101633305公开了一种双电机通过花键传动实现串联结构式的动力总成***，通过2套电机控制器分别控制1台低速电机和1台高速电机在不同车速工况下运转，从而保证2台电机尽量处于高效率区运转；与之对应的，专利CN203739605U公开了一种双电机并联式驱动***，每台电机分别通过定轴式齿轮传动机构将动力传递到输出轴，使高速电机和低速电机在不同车速工况下运转来保证动力***高效运转；CN102490599同样采用并联方式，不同的是其设计理念在于利用定轴轮系实现双电机转矩耦合来改善汽车的爬坡性能和加速性能；专利ACN104015600同样采用并联方式，不过其设计理念在于利用双电机的独立调速来实现一种无级变速功能的驱动***；专利CN201110257806公开了一种双电机纯电动一体化传动***控制方法，采用双电机提供不同的动力，并经过动力耦合器进行综合输出，其中动力耦合器由具有四个不同传动比的档位的两套自动换档执行机构AMT组成，通过对电机和机械式自动变速器(AMT)进行一体化控制来实现换挡；CN104691319利用一套行星排机构实现双电机转速耦合来达到2台电机尽可能高效运转的目的。

专利CN101633305和CN203739605U分别采用串联和并联模式实现高速电机和低速电机在不同车速下切换运转，从而提高动力***效率。然而，2种方案里在车辆运行时只有1台电机参与工作，这就要求2台电机均具备较大功率以满足车辆在不同车速下均有良好的加速性能。

专利CN102490599利用定轴轮系实现双电机转矩耦合来改善汽车的爬坡性能和加速性能，但由于2台电机转速成比例导致调速必须同步进行，否则易导致功率流内循环而降低整套动力***效率；并且高速模式下，该***无法实现转速解耦导致效率急剧下降。

专利CN201110257806采用双电机和双机械式自动变速器(AMT)实际动力耦合，然而这种结构过于复杂，并且由于控制复杂导致存在换挡时间长、换挡冲击明显，有时甚至会出现车辆在行驶过程中换不了挡的问题。

专利CN104691319利用一套行星排机构实现双电机转速耦合实现2台电机各自高效运转的目的。但由于没有实现转矩耦合，2台电机输出扭矩无法耦合从而无法提高整套***的加速性能和爬坡性能。

综上分析，现有技术均无法同时实现双电机之间的转速耦合和转矩耦合功能，这必然导致车辆要么利用转矩耦合提高动力性却牺牲了整体效率；要么利用转速耦合实现转速解耦满足单个电机高效率却降低了车辆动力性；要么直接采用低速电机和高速电机分别工作在不同车速工况，虽然提高单电机的使用效率却必须都选用大功率电机满足动力性需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题，提供一种双电机双模耦合动力装置，用于解决现有双电机动力***中动力性能与整体效率无法兼顾的问题。

本发明是这样实现的：

一种双电机双模耦合动力装置，包括主驱电机、辅助电机、行星轮系、第一离合器和第二离合器；

主驱电机的转轴与行星轮系的太阳轮连接，行星轮系的行星架为动力输出端，第一离合器的主动部分连接于行星轮系的齿圈，第一离合器的从动部分连接于行星轮系的太阳轮；

辅助电机的转轴连接于行星轮系的齿圈，第二离合器为单向离合器，单向离合器的外圈固定，单向离合器的内圈连接于辅助电机转轴。

进一步的，行星轮系的行星架通过传动轴与两个驱动轮连接，所述传动轴上设置有十字万向节，两个驱动轮之间设置有减速器。

进一步的，第一离合器为电磁离合器。

进一步的，第一离合器为湿式多片离合器。

进一步的，主驱电机和辅助电机均设有电机控制器，电机控制器与动力电池组电连接。

为解决上述技术问题，本发明还提供了所述双电机双模耦合动力装置的控制方法，包括以下步骤：

获取所述双电机双模耦合动力装置的输出转速和负载参数；

根据所述输出转速和负载参数判断所述双电机双模耦合动力装置的运行状态；

若所述双电机双模耦合动力装置处于低转速、高负载状态，则控制第一离合器处于结合状态、第二离合器处于非工作状态，使主驱电机和辅助电机处于转矩耦合驱动模式；

若所述双电机双模耦合动力装置处于高转速状态，则控制第一离合器处于分离状态、第二离合器处于非工作状态，并通过辅助电机的调速主驱电机的转速和负载的转速的解耦。

进一步的，所述“低转速、高负载状态”是指动力装置的输出转速低于预设的低转速阈值，并且负载大于预设的高负载阈值，所述“高转速状态”是指动力装置的输出转速设于预设的高转速阈值。

进一步的，所述“通过辅助电机的调速主驱电机的转速和负载的转速的解耦”包括以下步骤：

检测所述太阳轮转速n_s、齿圈转速n_r；行星架转速n_c；

根据行星轮系的转速特性公式：n_s+kn_r-(1+k)n_c＝0调整齿圈的转速n_r，其中，所述k为行星轮系的特征参数，齿圈的转速n_r也是辅助电机的转速。

进一步的，还可控制所述双电机双模耦合动力装置处于主驱电机单独驱动模式、辅助电机单独驱动模式或制动能回收模式；

当控制第一离合器处于分离状态、第二离合器处于工作状态时，所述双电机双模耦合动力装置就处于主驱电机单独驱动模式；

当控制第一离合器处于结合状态、第二离合器处于非工作状态时，所述双电机双模耦合动力装置就处于辅助电机单独驱动模式；

当控制第一离合器处于结合状态、第二离合器处于非工作状态，并且负载反向带动主驱电机和辅助电机时，主驱电机和辅助电机产生制动力并进行动能回收，所述双电机双模耦合动力装置处于制动能回收模式。

本发明具有如下优点：本发明双电机双模耦合动力装置设置有主驱电机、辅助电机和行星轮系，行星轮系的太阳轮与齿圈通过第一离合器控制离合，辅助电机与齿圈连接，本发明双电机双模耦合动力装置结构简单，可实现转矩耦合和转速耦合驱动模式，模式切换容易、高效率、同时兼顾纯电动车辆的动力性与经济性，该双电机双模耦合动力装置同样可以较好地应用于工程机械、机床设备、轻纺等电力驱动领域。

附图说明

图1为现有技术中常规集中驱动式纯电动车的动力***结构简图；

图2为本发明实施方式双电机双模耦合动力装置的结构示意图；

图3为本发明实施方式双电机双模耦合动力装置控制方法的流程图；

图4为本发明实施方式双电机双模耦合动力***功率匹配图。

标号说明：

1、辅助电机；2、第二离合器；3、离合器；4、主驱电机；

5、行星轮系；6、十字万向节；7、差速器；8、驱动轮；

9、辅助电机控制器；10、动力电池组；11、驱动电机控制器。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图2，本发明实施方式双电机双模耦合动力装置包括辅助电机1、单向离合器2(即第二离合器)、离合器3(即第一离合器)、主驱电机4、行星轮系5、十字万向节6、减速器7、驱动轮8和动力电池组10，所述辅助电机1包括辅助电机控制器9，主驱电机包括驱动电机控制器11。所述行星轮系5包括太阳轮、行星轮、齿圈和连接于各行星轮的行星架，其中，太阳轮齿数为Zs、齿圈的齿数为Zr、k＝Zr/Zs为行星轮系的特征参数。

辅助电机1与行星轮系5的齿圈连接；主驱电机与行星轮系5的太阳轮连接；行星轮系5的行星架通过万向节和差速器将动力传递到驱动轮。单向离合器外圈固定，内圈与辅助电机转轴连接，从而使辅助电机转轴(即齿圈)只能单向转动。离合器3的主动部分与辅助电机转轴(即齿圈)连接，从动部分与驱动电机转轴(即太阳轮)相连。驱动电机控制器11和辅助电机控制器9分别与动力电池组10电连接。

在小型车辆上根据其安装空间和传递力矩的实际情况，图2所示的动力***中的离合器应优先选用电磁离合器，易于完成组装和控制；在大中型车辆如公交车等，为了保证离合器寿命和传递大扭矩需求，图2所示的动力***中的离合器应优先选用湿式多片离合器。

本双电机双模耦合动力装置可同时实现双电机转矩耦合和转速耦合驱动模式，即双电机双模耦合动力***：在车辆低速或爬坡时采用转矩耦合模式提高整车动力性；在车辆中高速时采用转速耦合模式，通过动态调整辅助电机转速，使主驱电机的速度与车辆速度解耦从而稳定运行在高效区间，从而有效解决现有双电机动力***中动力性能与整体效率无法兼顾的问题。其中，转矩耦合指的是2台电机输出的转矩可以线性叠加，可用公式T₃＝A·T₁+B·T₂，说明：所述T₁指的是电机1输出的转矩；T₂指的是电机2输出的转矩；T₃指的是***输出的转矩；A和B为比例系数，在本动力装置里面A和B的值均为1，即T₃＝T₁+T₂。这是因为当离合器3结合时，行星轮系因各元件转速一致可当作一个元件处理，2台电机的转矩直接叠加。此时，动力装置输出的驱动转矩是2台电机的转矩叠加耦合之后得到的。转速耦合指的是2台电机输出的转速可以线性叠加，可用公式n₃＝C·n₁+D·n₂说明：n₁指的是电机1输出的转速；n₂指的是电机2输出的转速；n₃指的是***输出的转速；C和D为比例系数。此时，动力装置输出的转速可由2台电机的转速线性叠加耦合得到。同时，转速耦合模式下n₁的取值不是由n₃单独确定，这样就可以实现转速解耦功能：即当n₃的值变化时，可以通过匹配n₂的值来达到n₁的值不改变，n₃的取值不会导致n₁必须变化。)

本双电机双模耦合动力装置至少可工作于以下五种工作模式：

1)主驱电机单独驱动模式：此时离合器3处于分离状态、单向离合器处于工作状态(即结合状态)。当主驱电机4的转轴顺时针转动(对应车辆前进行驶)时，由于单向离合器迫使齿圈不能逆时针转动，此时行星轮系的作用如同减速器(传动比为1+k)，即主驱电机的动力从太阳轮传递到行星架带动车辆运行。该模式适用于车辆平地起步和低速巡航运行模式，主驱电机的功率足以满足车辆的动力需求。此外，该模式适用于辅助电机出故障时保证车辆仍然可以行驶，提高安全性和维修便利性。

(2)辅助电机单独驱动模式：此时离合器3处于结合状态、单向离合器处于非工作状态(即分开状态)。由于离合器3的结合，使太阳轮与齿圈连接在一起，二者的同向同转速运行导致行星架被挟持同向同转速运行，此时行星轮系的作用如同传动轴(传动比为1)。当辅助电机1的转轴顺时针转动(对应车辆前进行驶)时，其动力从太阳轮传递到行星架带动车辆运行。该模式适用于主动电机出故障时保证车辆仍然可以行驶，提高安全性和维修便利性。

(3)双电机转矩耦合驱动模式：此时离合器3处于结合状态、单向离合器处于非工作状态。由于离合器3的结合，使太阳轮与齿圈连接在一起，二者的同向同转速运行导致行星架被挟持同向同转速运行，此时行星轮系的作用如同传动轴(传动比为1)。此时，主驱电机与辅助电机的功率可叠加输出，在同转速下，二者实现了转矩耦合。另外，采用转矩耦合驱动模式，利用行星轮系的转速特性机理可以动态地适应2台电机及其控制器所要求的转速同步需求，这是其他专利采用定轴轮系实现转矩耦合时无法解决的转速动态波动问题。该模式下，可以有效利用双电机的扭矩叠加提高车辆的动力性，适用于车辆爬坡和急加速工况。

(4)双电机转速耦合驱动模式：此时离合器3处于分离状态、单向离合器处于非工作状态。利用行星轮系的差动原理(即***有双自由度)，通过辅助电机的调速可实现主驱电机的转速和车辆运行车速的解耦(即车速的改变不会直接导致主驱电机的转矩改变)，使主驱电机运行于高效区提高整车动力***运行效率。根据行星轮系的转速特性公式：n_s+kn_r-(1+k)n_c＝0(其中：n_s为太阳轮转速；n_r为齿圈转速；n_c为行星架转速；k为行星轮系的特征参数)，当主驱电机的转速稳定在电机的高效区时，只要对辅助电机进行动态调速(即对齿圈调速)就可以匹配不同车速下对应的行星架转速。(即当车速改变所对应n_c的值变化时，可以通过匹配辅助电机n_r的值来达到主驱电机n_s的值不改变，此时主驱电机n_s的取值处在电机的高效转速区。)该模式适用于车辆中高速巡航行驶模式。

(5)制动能回收模式：此时离合器3处于结合状态、单向离合器处于非工作状态。由于行星轮系的作用如同从动轴，车辆反拖2台电机，驱动***的2台电机可同时参与再生制动，最大程度地回收制动能量。该模式使用于刹车制动模式。

本双电机双模耦合动力装置同样可以较好地应用于工程机械、机床设备、轻纺等电力驱动领域

请参阅图3，本实施方式还公开了所述双电机双模耦合动力装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、获取所述双电机双模耦合动力装置的输出转速和负载参数；

S2、根据所述输出转速和负载参数判断所述双电机双模耦合动力装置的运行状态；

S3、若所述双电机双模耦合动力装置处于低转速、高负载状态，则控制第一离合器处于结合状态、第二离合器处于非工作状态，使主驱电机和辅助电机处于转矩耦合驱动模式；

S4、若所述双电机双模耦合动力装置处于高转速状态，则控制第一离合器处于分离状态、第二离合器处于非工作状态，并通过辅助电机的调速主驱电机的转速和负载的转速的解耦。

所述“低转速、高负载状态”是指动力装置的输出转速低于预设的低转速阈值，并且负载大于预设的高负载阈值，所述“高转速状态”是指动力装置的输出转速设于预设的高转速阈值，所述低转速阈值小于所述高转速阈值。

以电动公交汽车的较优实施方式为例，所述低转速阈值为2000转/分钟，高负载阈值为400牛顿米，高转速阈值为4500转/分钟。在该低转速阈值、高负载阈值和高转速阈值下，所述双电机双模耦合动力装置不仅能利用转矩耦合提高电动公交汽车的动力性，同时也在高速状态时通过转速耦合充分发挥了双电机的整体效率。

在实际应用或其他实施方式中，所述低转速阈值、高负载阈值和高转速阈值可根据主驱电机和辅助电机的具体参数以及动力装置所装备的负载进行相应的修改。

在本发明，除了根据动力装置的输出转速和负载参数等运行状态切换不同的工作模式，还可结合动力装置的控制操作来切换不同的工作模式，所述控制操作包括抵挡、制动或电门增减。

以电动公交汽车为例，当车辆在低速状态(输出转速低于低转速阈值为2000转/分钟、负载大于高负载阈值为400牛顿米)行驶时，此时控制双电机双模耦合动力装置处于转矩耦合模式；当车辆高速行驶状态，该车速高于主驱电机单独驱动时达到额定转速所对应的车速时，控制双电机双模耦合动力装置处于转速耦合模式；而当车辆在中带行驶状态时(动力装置的输出转速在2000转/分钟～4000转/分钟，此时车辆可能是在转速耦合状态)，此时切换双电机双模耦合动力装置于转矩耦合模式。

所述“通过辅助电机的调速主驱电机的转速和负载的转速的解耦”包括以下步骤：

检测所述太阳轮转速n_s、齿圈转速n_r；行星架转速n_c；

根据行星轮系的转速特性公式：n_s+kn_r-(1+k)n_c＝0调整齿圈的转速n_r，其中，所述k为行星轮系的特征参数，齿圈的转速n_r也是辅助电机的转速。

本控制方法根据动力装置的输出转速以及实时的负载参数来控制第一离合器和第二离合器处于不同的状态，在低速或高负载时采用转矩耦合模式提高整车动力性；在中高速时采用转速耦合模式，通过动态调整辅助电机转速，使主驱电机的速度与负载的速度解耦从而稳定运行在高效区间，从而有效解决现有双电机动力***中动力性能与整体效率无法兼顾的问题。

所述双电机双模耦合动力装置处于主驱电机单独驱动模式、辅助电机单独驱动模式或制动能回收模式；当车辆低速低负载(无爬大坡或急加速)行驶时采用单独驱动模式，当主驱电机驱动***故障时，可利用辅助电机单独驱动回厂维修，在下坡或驾驶员踩踏板减速行车时采用制动能回收模式；

当控制第一离合器处于分离状态、第二离合器处于工作状态时，所述双电机双模耦合动力装置就处于主驱电机单独驱动模式；

当控制第一离合器处于结合状态、第二离合器处于非工作状态时，所述双电机双模耦合动力装置就处于辅助电机单独驱动模式；

当控制第一离合器处于结合状态、第二离合器处于非工作状态，并且负载反向带动主驱电机和辅助电机时，主驱电机和辅助电机产生制动力并进行动能回收，所述双电机双模耦合动力装置处于制动能回收模式。

综上分析，本发明专利可实现不同的工作模式满足车辆不同的行驶工况。下面结合图4所示的车辆不同行驶工况下的功率匹配图来分析和制定动力***各种控制模式切换的策略。

从图4可以看出，当车辆低速平路行驶时，动力***采用主驱电机单驱动模式即可满足整车动力需求，并且有一定的后备功率满足加速性能；当车辆低速爬坡行驶时，由于阻力总功率Pr'大于主驱电机外特性驱动功率Pe2'，动力***采用双电机扭矩耦合驱动模式可满足整车动力需求；当车辆中高速巡航行驶时，动力***采用转速耦合模式，使主驱电机转速在高效率区域，通过动态调整辅助电机的转速匹配车辆行驶速度，而2台电机的功率叠加保证了中高速车速下车辆仍然有足够的后备功率满足超车加速等工况下的功率需求。

从以上的双电机双模耦合动力***在各种行车工况下的功率匹配分析中可以看到，当各种模式切换时，只要控制1个离合器的结合或分离以及2台电机不同功率匹配输出就能完成。因此，本专利所设计的动力***能较简便、可靠地完成各工作模式的实时切换，满足整车各工况的动力需求。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效形状或结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种双电机双模耦合动力装置，其特征在于，包括主驱电机、辅助电机、行星轮系、第一离合器和第二离合器；

主驱电机的转轴与行星轮系的太阳轮连接，行星轮系的行星架为动力输出端，第一离合器的主动部分连接于行星轮系的齿圈，第一离合器的从动部分连接于行星轮系的太阳轮；

辅助电机的转轴连接于行星轮系的齿圈，第二离合器为单向离合器，单向离合器的外圈固定，单向离合器的内圈连接于辅助电机转轴。

2.根据权利要求1所述的双电机双模耦合动力装置，其特征在于，行星轮系的行星架通过传动轴与两个驱动轮连接，所述传动轴上设置有十字万向节，两个驱动轮之间设置有减速器。

3.根据权利要求1所述的双电机双模耦合动力装置，其特征在于，第一离合器为电磁离合器。

4.根据权利要求1所述的双电机双模耦合动力装置，其特征在于，第一离合器为湿式多片离合器。

5.根据权利要求1所述的双电机双模耦合动力装置，其特征在于，主驱电机和辅助电机均设有电机控制器，电机控制器与动力电池组电连接。

6.权利要求1至5任一所述双电机双模耦合动力装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取所述双电机双模耦合动力装置的输出转速和负载参数；

根据所述输出转速和负载参数判断所述双电机双模耦合动力装置的运行状态；

若所述双电机双模耦合动力装置处于低转速、高负载状态，则控制第一离合器处于结合状态、第二离合器处于非工作状态，使主驱电机和辅助电机处于转矩耦合驱动模式；

若所述双电机双模耦合动力装置处于高转速状态，则控制第一离合器处于分离状态、第二离合器处于非工作状态，并通过辅助电机的调速主驱电机的转速和负载的转速的解耦。

7.根据权利要求6所述的双电机双模耦合动力装置的控制方法，其特征在于，所述“低转速、高负载状态”是指动力装置的输出转速低于预设的低转速阈值，并且负载大于预设的高负载阈值，所述“高转速状态”是指动力装置的输出转速设于预设的高转速阈值。

8.根据权利要求6所述的双电机双模耦合动力装置的控制方法，其特征在于，所述“通过辅助电机的调速主驱电机的转速和负载的转速的解耦”包括以下步骤：

检测所述太阳轮转速n_s、齿圈转速n_r；行星架转速n_c；

根据行星轮系的转速特性公式：n_s+kn_r-(1+k)n_c＝0调整齿圈的转速n_r，其中，所述k为行星轮系的特征参数，齿圈的转速n_r也是辅助电机的转速。

9.根据权利要求7或8所述的双电机双模耦合动力装置的控制方法，其特征在于，还可控制所述双电机双模耦合动力装置处于主驱电机单独驱动模式、辅助电机单独驱动模式或制动能回收模式；

当控制第一离合器处于分离状态、第二离合器处于工作状态时，所述双电机双模耦合动力装置就处于主驱电机单独驱动模式；

当控制第一离合器处于结合状态、第二离合器处于非工作状态时，所述双电机双模耦合动力装置就处于辅助电机单独驱动模式；

当控制第一离合器处于结合状态、第二离合器处于非工作状态，并且负载反向带动主驱电机和辅助电机时，主驱电机和辅助电机产生制动力并进行动能回收，所述双电机双模耦合动力装置处于制动能回收模式。