CN106808988A - 电动汽车动力耦合***、具有其的电动汽车及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动汽车动力耦合***、具有其的电动汽车及其控制方法。该电动汽车动力耦合***包括：行星轮传动机构，其包括太阳轮、行星轮、行星架以及齿圈；其中，所述行星架连接所述行星轮，且所述行星轮分别与所述太阳轮及所述齿圈啮合；离合器，其受控来与所述齿圈接合或分离；主减速齿轮组，其连接至所述行星架的输出轴；差速器，其连接至所述主减速齿轮组的输出轴；第一电机，其驱动行星轮传动机构的太阳轮的输入轴；以及第二电机，其受控来驱动所述齿圈或所述行星架的输出轴。根据本发明的电动汽车动力耦合***能够在不同工况下使用不同的工作模式，从而满足对于电机功率或转速等不同的需求，大大提高电动汽车的适用性。

Description

电动汽车动力耦合***、具有其的电动汽车及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，更具体而言，其涉及一种电动汽车动力耦合***及其控制方法。
背景技术
随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染，全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向。电动汽车以零排放，低噪声，使用成本低和经济性好的特点，越来越受到消费者的认可。同时市场份额逐年增加。现有的纯电动汽车动力***多采用单电机配合固定传动比变速箱的方案。但实际应用中此种方案存在多种不足，一方面，由于电动汽车在起步时力矩需求大，需要选择具有较大传动比的变速箱。另一方面，在电动汽车高速行驶时，又要求变速箱的传动比较小，否则需要选择高转速的驱动电机。使用固定传动比变速箱，很难对电机工作点进行优化，使电机一直工作在高效区，影响电动汽车的续驶里程。对于两档或多档变速箱的方案，为了实现动力不中断，换挡过程中的控制相对复杂。同时，消费者对于电动汽车的续航里程和动力性要求也越来越高。因此，现在本领域愈发关注使用双电机配合变速箱的耦合方案。
作为一类方案，申请号为CN201510166465.9的中国专利公开了一种双电机电动汽车装置及装设其的电动汽车，由第一电机，第二电机，行星轮传动机构，减速增扭装置，差速器和控制器，第一电机联接到太阳轮，第二电机联接到齿圈，第一，第二电机的输出通过行星轮的叠加后再由行星架输出。当车速小于预设值时，第一电机处在电机模式并正向转动，第二电机反向转动并处在发电模式以向车载蓄电池组充电；当车速不小于预设值时，使第一电机和第二电机均工作在电机模式下正向转动。该方案结构简单，能够实现各种工作模式，但存在如下问题：在车速小于预设值时，第一电机既要驱动车辆，又要带动第二电机发电，整体效率不高。
作为另一类方案，申请号为CN201120535844.8的中国专利公开了一种双电机电动汽车动力总成***及装设其的电动汽车，由第一和第二行星轮传动机构，连接第一和第二行星轮传动机构的连接装置，与第二行星轮传动机构相连的差数器，与第一行星轮传动机构中输入太阳轮相连的第一电机，第二电机连接第一行星轮传动机构中的齿圈。在电动牵引模式下，当扭矩需求小于预设值时第二离合器接合而固定住所述输入齿圈通过第一电机输入扭矩，否则使第二离合器分离而释放所述输入齿圈，并使第一离合器接合通过两电机输出扭矩。其虽然能够实现双电机的转速耦合，但使用两排行星轮传动机械结构相对复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车动力耦合***。
本发明的目的还在于提供一种具有该电动汽车动力耦合***的电动汽车。
本发明的目的还在于提供一种用于该电动汽车动力耦合***的控制方法。
根据本发明的一个方面，还提供一种电动汽车动力耦合***，其包括：行星轮传动机构，其包括太阳轮、行星轮、行星架以及齿圈；其中，所述行星架连接所述行星轮，且所述行星轮分别与所述太阳轮及所述齿圈啮合；离合器，其受控来与所述齿圈接合或分离；主减速齿轮组，其连接至所述行星架的输出轴；差速器，其连接至所述主减速齿轮组的输出轴；第一电机，其驱动行星轮传动机构的太阳轮的输入轴；以及第二电机，其受控来驱动所述齿圈或所述行星架的输出轴。
可选地，还包括：第一齿轮组，其从动齿轮与所述齿圈啮合；第二齿轮组，其从动齿轮与所述行星架的输出轴连接；以及同步器，其受所述第二电机驱动，并能够在第一接合位置、第二接合位置以及分离位置之间移动；其中，在所述第一接合位置，所述同步器与所述第一齿轮组接合，此时所述第二电机驱动所述齿圈；在所述第二接合位置，所述同步器与所述第二齿轮组接合，此时所述第二电机驱动所述行星架的输出轴；在所述分离位置，所述同步器不与第一齿轮组或第二齿轮组接合。
可选地，还包括第三齿轮组，所述第二电机驱动所述第三齿轮组的输入轴；所述第一齿轮组与所述第二齿轮组的主动齿轮分别空套在所述第三齿轮组的输出轴上；其中，在所述同步器移动至第一接合位置时，所述第一齿轮组的主动齿轮与所述第三齿轮组的输出轴连接；在所述同步器移动至第二接合位置时，所述第二齿轮组的主动齿轮与所述第三齿轮组的输出轴连接。
可选地，所述主减速齿轮组的主动齿轮连接至所述行星架的输出轴，且所述主减速齿轮组的从动齿轮连接至所述差速器。
可选地，所述第一电机具有大于所述第二电机的功率，且所述第二电机具有大于所述第一电机的转速。
根据本发明的另一方面，还提供一种电动汽车，其包括如前所述的电动汽车动力耦合***，以及经由半轴连接至所述差速器的车轮。
根据本发明的再一方面，还提供一种电动汽车的控制方法，其包括如前所述的电动汽车，所述控制方法包括：转速耦合模式，第一电机驱动行星轮传动机构的太阳轮的输入轴；且第二电机驱动行星轮传动机构的齿圈；所述转矩依次经由行星轮传动机构的行星架的输出轴、主减速齿轮组、差速器传递至车轮；和/或转矩耦合模式，第一电机驱动行星轮传动机构的太阳轮的输入轴；且第二电机受控来驱动行星架的输出轴；所述第一电机传递转矩传递至行星架的输出轴并与第二电机传递的转矩耦合，此后经由主减速齿轮组、差速器传递至车轮；和/或第一电机单独工作模式，第一电机驱动行星轮传动机构的太阳轮的输入轴，并依次经由行星轮传动机构的行星架的输出轴、主减速齿轮组、差速器传递至车轮。
可选地，在转速耦合模式下，第一电机及第二电机开启，离合器与齿圈分离；且同步器移动至第一接合位置，使得第二电机与齿圈连接；和/或在转矩耦合模式下，第一电机及第二电机开启，离合器与齿圈接合；且同步器移动至第二接合位置，使得第二电机与行星架输出轴连接；和/或在第一电机单独工作模式下，第一电机开启，第二电机停机，离合器与齿圈接合；且同步器移动至分离位置，使得第二电机断开连接。
可选地，在转速耦合模式下，制动踏板移动至制动位置时，第一电机和/或第二电机进入发电模式；和/或在转矩耦合模式下，制动踏板移动至制动位置时，第一电机和/或第二电机进入发电模式；和/或在第一电机单独工作模式下，制动踏板移动至制动位置时，第一电机进入发电模式。
可选地，所述转速耦合模式与所述转矩耦合模式通过所述第一电机单独工作模式实现相互切换。
根据本发明的电动汽车动力耦合***及电动汽车，能够在不同工况下使用不同的工作模式，从而满足对于电机功率或转速等不同的需求，大大提高电动汽车的适用性。例如，在平路起步，低速时，可控制***进入第一电机单独工作模式，从而充分利用第一电机的性能。又如，在巡航或高速行驶时，可控制***进入转速耦合模式，通过行星轮机构实现双电机的转速耦合，通过第二电机进行无极调速，能够使第一电机工作在高效区，从而提高经济性，增加续航里程。再如，在力矩需求较大时，可控制***进入转矩耦合模式，实现更好的加速性能和爬坡性能等等。
附图说明
图1是本发明的电动汽车动力耦合***一个实施例的示意图。
图2是本发明的控制***的一个实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了该电动汽车动力耦合***的一个实施例的示意图。具体而言，该实施例的电动汽车动力耦合***包括：第一电机1、太阳轮2、行星轮3、离合器4、齿圈5、行星架6、第一齿轮组的主动齿轮7、同步器8、第二齿轮组的主动齿轮9、输入轴10、第三齿轮组主动齿轮11、第二电机12、车轮13、半轴14、差速器15、第三齿轮组的从动齿轮16、主减速齿轮组的主动齿轮17、输出轴18、主减速齿轮组的从动齿轮19、第二齿轮组的从动齿轮20、输出轴21以及第一齿轮组的从动齿轮22。在此套***中，可通过控制第一电机1、第二电机12的启停、离合器4的接合与分离以及同步器8的同步位置来实现使用不同电机来驱动***的不同零件，从而实现转矩耦合、转速耦合、第一电机单独运行等多种工作模式，以分别适应不同的工况。
其中，太阳轮2、行星轮3、齿圈5以及行星架6组成行星轮传动机构，行星轮3包括沿行星架6的圆周均匀分布的四个齿轮，且不限于四个齿轮。行星轮3同时与太阳轮2的外缘及齿圈5的内缘相啮合。行星架6与输出轴21固定连接。输出轴21与主减速齿轮组的主动齿轮17固定连接。主减速齿轮组的主动齿轮17和主减速齿轮组的从动齿轮19相啮合来起到减速增扭的作用。主减速齿轮组的从动齿轮19和输出轴18固定连接。输出轴18经由差速器15和左右半轴14将动力输出到车轮13。
作为动力源之一，第一电机1的电机输出轴与太阳轮2固定连接。从而可依次经由太阳轮2、行星轮3、行星架6输出轴21、主动齿轮17、从动齿轮19、输出轴18、差速器15、半轴14来驱动车轮13。
作为另一动力源，第二电机12的电机输出轴与第三齿轮组的主动齿轮11固定连接，第三齿轮组的主动齿轮11与第三齿轮组的从动齿轮16啮合，第三齿轮组的从动齿轮16与输入轴10固定连接，第一齿轮组的主动齿轮7和第二齿轮组的主动齿轮9空套在输入轴10上。第一齿轮组的主动齿轮7和从动齿轮22啮合组成齿轮对。第二齿轮组的主动齿轮9和从动齿轮20啮合组成齿轮对。同步器8可在输入轴10上左右移动至不同的位置：当向左移动至第一接合位置时，同步器8与第一齿轮组的主动齿轮7接合，进而实现第一齿轮组的主动齿轮7与输入轴10接合。当向右移动至第二接合位置时，同步器8与第二齿轮组的主动齿轮9接合，进而实现第二齿轮组的主动齿轮9与输入轴10接合。当同步器8移动至中间的分离位置时，输入轴10和第一齿轮组的主动齿轮7与第二齿轮组的主动齿轮9都未接合。
可选地，第一电机1为主电机，具有较高的功率和转速；而第二电机12为辅助电机，采用功率较小的高速电机。更具体而言，第一电机1具有大于第二电机12的功率，且第二电机12具有大于第一电机1的转速。
图2是本发明的电动汽车动力耦合***的一个实施例的电气连接示意图。该***中还包括控制器23，该控制器23可分别与第一电机1、第二电机12、离合器4及同步器8通讯连接，以实现整车控制。控制器23可依据制动踏板、加速踏板及电动汽车中常规设置各种传感器等的输入信号来判断电动汽车的具体工作模式，依据各种工作模式的实际情形来控制第一电机1及第二电机12的启停；离合器4的分离/接合；以及同步器8的位置移动。进而实现第一电机1单独工作模式，以及双电机的转速耦合模式和转矩耦合模式。
如下将对几种工作模式做出进一步地说明：
当执行第一电机单独工作模式时，控制器23控制第一电机开启，第二电机停机，控制离合器4与齿圈5接合，并控制同步器8移动至分离位置。此时行星轮3只有一个自由度，第一电机1通过太阳轮2输入力矩，并经由行星架6输出力矩。且进一步地经由输出轴21、主减速齿轮组的主动齿轮17、主减速齿轮组的从动齿轮19、输出轴18、差速器15及半轴14来驱动车轮13。且控制器23控制同步器8移动至分离位置，此时，第一齿轮组的主动齿轮7与第二齿轮组的主动齿轮9和输入轴10都分离而无法传递来自第二电机12的力矩。第二电机12关闭。
在第一电机单独工作模式下，当第一电机1处于电动机状态时，其可用于平地起步等工况。
进一步地，若开始踩踏制动踏板，使车辆制动，第一电机1将处于发电状态，来给蓄电池充电。其可用于制动回收能量。
此外，在电动汽车处于倒挡时，第一电机1单独工作，离合器4与齿圈5接合，同步器8移动至分离位置，与第一齿轮组的主动齿轮7和第二齿轮组的主动齿轮9都分离。且第一电机1反转，由此来实现倒档模式。
当执行转速耦合模式时，控制器23控制第一电机及第二电机开启，控制离合器4与齿圈5分离并控制同步器8向左移动至第一接合位置。同步器8与第一齿轮组的主动齿轮7接合，从而使输入轴10与第一齿轮组的主动齿轮7接合，由于第一齿轮组的主动齿轮7与从动齿轮22相啮合，从动齿轮22带动齿圈5。此时齿圈5将由第二电机12驱动。同时太阳轮2经由第一电机1驱动。因此第一电机1和第二电机12，可以通过行星轮机构来实现转速耦合。
此模式下，第一电机1的转速为n1，第二电机12的转速为n2，太阳轮的齿数Z1，齿圈的齿数为Z2，第一齿轮组的主动齿轮7和从动齿轮22的传动比i1，第三齿轮组的主动齿轮11和第三齿轮组的从动齿轮16的传动比i3，输出轴21的输出转速为：
nout=[n1+(K*n2)/(i1*i3)]/(1+K)；
其中，K=Z2/Z1。
此时，通过调节第二电机12的转速即可实现无极变速，使第一电机1工作在高效区，以延长续航里程，主要用于巡航或高速工况。
进一步地，当电动汽车在转速耦合模式下行驶并踩制动踏板时，控制器23可以根据电池的实际工况来控制第一电机1及第二电机12发电，以给蓄电池充电。其可用于制动回收能量。例如，输入的动力经输出轴18，主减速齿轮组的从动齿轮19，主减速齿轮组的主动齿轮17，输出轴21，行星架6，一路经太阳轮2拖动第一电机1发电；另一路经齿圈5，从动齿轮22，第一齿轮组的主动齿轮7，第三齿轮组的从动齿轮16，第三齿轮组的主动齿轮11拖动第二电机12发电。从而实现双电机给蓄电池充电。
当执行转矩耦合模式时，控制器23控制第一电机及第二电机开启，控制离合器4与齿圈5接合并控制同步器8向右移动第二接合位置。同步器8与第二齿轮组的主动齿轮9接合，从而使输入轴10与第二齿轮组的主动齿轮9接合。通过第二齿轮组的主动齿轮9和从动齿轮20的啮合，使第二电机12驱动输出轴21。同时第一电机1经由太阳轮2，从行星架6输出转矩来驱动输出轴21。进而使得第一电机1和第二电机12在输出轴21上实现转矩耦合模式。
此模式下，第一电机1的输出力矩为T1，第二电机12的输出力矩为T2，第三齿轮组的主动齿轮11和第三齿轮组的从动齿轮16的传动比i3，第二齿轮组的主动齿轮9和从动齿轮20的传动比i2，输出轴21的输出力矩为：
Tout=T1*(1+K)+T2*i3*i2。
此时，可以满足电动汽车对于大扭矩的需求，主要用于急加速或爬坡工况。
进一步地，当电动汽车在转矩耦合模式下行驶时，踩制动踏板时，控制器23可以根据电池的实际工况来控制第一电机1及第二电机12发电，以给蓄电池充电。其可用于制动回收能量。例如，输入的动力经输出轴18，主减速齿轮组的从动齿轮19，主减速齿轮组的主动齿轮17，输出轴21，一路经行星架6，太阳轮2拖动第一电机1发电；另一路经从动齿轮20，第二齿轮组的主动齿轮9，第三齿轮组的从动齿轮16，第三齿轮组的主动齿轮11拖动第二电机12发电。从而实现双电机给蓄电池充电。
在前述三种工作模式的切换过程中，从转速耦合模式过渡到转矩耦合模式需要经过第一电机单独工作模式。具体过程：从转速耦合模式过渡到第一电机单独工作模式时，第二电机12卸载，同步器8与第一齿轮组的主动齿轮7分离，使第一齿轮组的主动齿轮7空转，同时离合器4与齿圈5接合。此时动力由第一电机1输入，并经由太阳轮2、行星架6及输出轴21输出。从第一电机单独工作模式过渡到转矩耦合模式时，控制器23调节第二电机12的转速，当其转速n2等于输出轴21的转速n21乘于第三齿轮组的主动齿轮11与第三齿轮组的从动齿轮16的传动比i3和第二齿轮组的主动齿轮9与从动齿轮20的传动比i2时，即
n2 = n21*i2*i3
如果两者不相等，对第二电机12施加调节转矩T=I*（dw/dt）,其中I为第二电机12旋转部件的转动惯量，dw= n21*i2*i3- n2，为两者转速差。当两者转速相等时，卸载第二电机的力矩。当其力矩为0时，同步器8与第二齿轮组的主动齿轮9接合，使输入轴10与第二齿轮组的主动齿轮9连接，输出轴21的转速由控制器23根据第一电机1的当前转速除以（1+Z2/Z1）得到。此时动力分别由第一电机1和第二电机12提供实现转矩耦合模式。第一电机1传递路径不变，第二电机12输出的动力，经第三齿轮组的主动齿轮11，第三齿轮组的从动齿轮16，经第二齿轮组的主动齿轮9，从动齿轮,20，输出轴21输出。并经主减速齿轮组的主动齿轮17、主减速齿轮组的从动齿轮19、输出轴18、差速器15及半轴14驱动车轮13。
从转矩耦合模式过渡到转速耦合模式也要经过第一电机1单独工作模式，具体过程：从转矩耦合模式过渡到第一电机1单独工作时，首先卸载第二电机12的力矩。同步器8与第二齿轮组的主动齿轮9分离，使第二齿轮组的主动齿轮9空转，此时离合器4依然与齿圈5接合，此时动力由第一电机1输出，并经过太阳轮2、行星架6及输出轴21输出。从第一电机1单独工作过渡到转速耦合模式时，控制器23使第二电机12的转速为0时，同步器8与第一齿轮组的主动齿轮7接合，使输入轴10与第一齿轮组的主动齿轮7连接，同时使离合器4与齿圈5分离，控制器23控制第二电机12的输出，此时第一电机1的输出给太阳轮2，且第二电机12的输出经输入轴10、第一齿轮组的主动齿轮7和从动齿轮22，经齿圈5实现转速耦合，并经行星架6及输出轴21输出。随后经由主减速齿轮组的主动齿轮17、主减速齿轮组的从动齿轮19、输出轴18、差速器15及半轴14驱动车轮13。
第一电机单独工作模式分别过渡到转矩耦合或转速耦合模式时也可参照上述过程进行，故在此不再赘述。
综上，在不同模式的切换过渡中，控制器通过调节第二电机转速、同步器及离合器协同工作，实现了切换过程中无动力中断的效果。
以上例子主要说明了本发明的电动汽车动力耦合***、具有其的电动汽车及其控制方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (10)

1.一种电动汽车动力耦合***，其特征在于，包括：
行星轮传动机构，其包括太阳轮、行星轮、行星架以及齿圈；其中，所述行星架连接所述行星轮，且所述行星轮分别与所述太阳轮及所述齿圈啮合；
离合器，其受控来与所述齿圈接合或分离；
主减速齿轮组，其连接至所述行星架的输出轴；
差速器，其连接至所述主减速齿轮组的输出轴；
第一电机，其驱动行星轮传动机构的太阳轮的输入轴；以及
第二电机，其受控来驱动所述齿圈或所述行星架的输出轴。
2.根据权利要求1所述的电动汽车动力耦合***，其特征在于，还包括：
第一齿轮组，其从动齿轮与所述齿圈啮合；
第二齿轮组，其从动齿轮与所述行星架的输出轴连接；以及
同步器，其受所述第二电机驱动，并能够在第一接合位置、第二接合位置以及分离位置之间移动；
其中，在所述第一接合位置，所述同步器与所述第一齿轮组接合，此时所述第二电机驱动所述齿圈；在所述第二接合位置，所述同步器与所述第二齿轮组接合，此时所述第二电机驱动所述行星架的输出轴；在所述分离位置，所述同步器不与第一齿轮组或第二齿轮组接合。
3.根据权利要求2所述的电动汽车动力耦合***，其特征在于，还包括第三齿轮组，所述第二电机驱动所述第三齿轮组的输入轴；所述第一齿轮组与所述第二齿轮组的主动齿轮分别空套在所述第三齿轮组的输出轴上；
其中，在所述同步器移动至第一接合位置时，所述第一齿轮组的主动齿轮与所述第三齿轮组的输出轴连接；在所述同步器移动至第二接合位置时，所述第二齿轮组的主动齿轮与所述第三齿轮组的输出轴连接。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的电动汽车动力耦合***，其特征在于，所述主减速齿轮组的主动齿轮连接至所述行星架的输出轴，且所述主减速齿轮组的从动齿轮连接至所述差速器。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的电动汽车动力耦合***，其特征在于，所述第一电机具有大于所述第二电机的功率，且所述第二电机具有大于所述第一电机的转速。
6.一种电动汽车，其特征在于，包括如权利要求1至5任意一项所述的电动汽车动力耦合***，以及经由半轴连接至所述差速器的车轮。
7.一种电动汽车的控制方法，其特征在于，包括如权利要求6所述的电动汽车，所述控制方法包括：
转速耦合模式，第一电机驱动行星轮传动机构的太阳轮的输入轴；且第二电机驱动行星轮传动机构的齿圈；转矩依次经由行星轮传动机构的行星架的输出轴、主减速齿轮组、差速器传递至车轮；和/或
转矩耦合模式，第一电机驱动行星轮传动机构的太阳轮的输入轴；且第二电机受控来驱动行星架的输出轴；第一电机传递的转矩传递至行星架的输出轴并与第二电机传递的转矩耦合，此后经由主减速齿轮组、差速器传递至车轮；和/或
第一电机单独工作模式，第一电机驱动行星轮传动机构的太阳轮的输入轴，并依次经由行星轮传动机构的行星架的输出轴、主减速齿轮组、差速器传递至车轮。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：
在转速耦合模式下，第一电机及第二电机开启，离合器与齿圈分离；且同步器移动至第一接合位置，使得第二电机与齿圈连接；和/或
在转矩耦合模式下，第一电机及第二电机开启，离合器与齿圈接合；且同步器移动至第二接合位置，使得第二电机与行星架输出轴连接；和/或
在第一电机单独工作模式下，第一电机开启，第二电机停机，离合器与齿圈接合；且同步器移动至分离位置，使得第二电机断开连接。
9.根据权利要求7或8所述的控制方法，其特征在于：
在转速耦合模式下，制动踏板移动至制动位置时，第一电机和/或第二电机进入发电模式；和/或
在转矩耦合模式下，制动踏板移动至制动位置时，第一电机和/或第二电机进入发电模式；和/或
在第一电机单独工作模式下，制动踏板移动至制动位置时，第一电机进入发电模式。
10.根据权利要求7或8所述的控制方法，其特征在于：所述转速耦合模式与所述转矩耦合模式通过所述第一电机单独工作模式实现相互切换。
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