CN108312896A - 一种双电机自适应预调速多挡动力耦合装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双电机自适应预调速多挡动力耦合装置及其控制方法，其中，所述动力耦合装置包括主驱动电机（8）、行星排变速装置（100）、辅助电机（15）、车辆传动轴（9）和车辆驱动桥（10），行星排变速装置（100）包括行星齿轮机构和双向结合装置（105），所述行星齿轮机构包括行星排太阳轮（102）、行星排齿圈（103）、行星排行星架（108）和行星排壳体（107），行星排齿圈（103）通过双向结合装置（105）分别与行星排壳体（107）或行星架输出轴（106）相接合。本发明与现有技术相比的有益效果是：能满足纯电动客车行驶需求，能在换挡过程前预先调节电机转速，并在一定程度上实现自适应调速，即根据任意行驶状态下的换挡需要，自动调节匹配转速关系。
Description
技术领域
本发明涉及纯电动汽车动力耦合装置及控制方法，尤其涉及双电机自适应预调速多挡动力耦合装置及其控制方法。
背景技术
为了应对日益恶化的环境污染和能源危机，发展和推广纯电动车辆具有重大意义。目前，纯电动车辆已经在公共交通领域得到了广泛应用，并展现出了巨大的节能环保优势。为了进一步满足各类循环工况及多地形的使用需求，在纯电动车辆上搭载变速器装置或多挡动力耦合装置已经成为一种趋势，用于进一步提高整车动力性和经济性。
目前，人们已经尝试在纯电动客车上加装自动机械式变速装置AMT。一些常规做法是将传统车辆上的变速箱直接安置于电驱动***中，如加装无离合四挡AMT装置，但是这一做法会导致在正常行车过程中频繁换挡，驱动电机需要反复调速、加载及卸载，使得换挡中断明显，车辆行驶平顺性恶化。
另一种做法是充分利用电机驱动特性，仅安置两挡AMT装置，将低挡作为爬坡起步挡，而高挡作为满足最高车速及一般行车挡。但是，由于两挡箱兼顾爬坡挡和直接挡，其两个挡位的速比差距较大，在低挡切换入高挡调速时速度差较大，因而调速时间将会大大提高，必然会产生不容忽视的动力中断，导致在换档时产生顿挫感甚至明显的冲击，影响汽车行驶中平顺性和乘坐舒适性。
在目前的常用技术手段中，为配合电动车无离合换挡过程，在换档时需驱动电机进行精密、快速的调速等电子同步处理。这就使电机必需能在大转速范围内精确调速，而且在换挡时供调速的时间极短，增加了控制难度；同时，调速的控制和判断完全依赖传感器反馈数据，其读数误差和通讯延迟将会对速差判断产生直接影响，甚至会因为临界值处的误差而导致打齿、同步器磨损等问题。
现有的多动力源耦合装置虽然能衍生出较多的工作模式，但其并未考虑车辆动态行驶过程中模式切换的实际情况。在传动系有负载、有转速的前提下，不同驱动模式间的切换将对离合器、执行器提出苛刻要求，同时该过程必须要经历复杂的电子调速和机械同步过程，仍然会产生电机高精度控制难以实现、机械同步器维护等问题。并且，较多的执行元件将大大降低传动装置的可靠性，其维护难度也大大增加。可以说，现有的动力耦合器一般均需要电机短暂的时间内完成精确调速、需要机械同步器快速完成滑摩过程，这便会导致在换挡的快速性和精准性之间出现矛盾，也是目前挡位切换技术中亟待解决的技术瓶颈。
专利号为ZL201310633682.5的中国发明专利公开了一种电动汽车双电机耦合驱动***，克服现有技术存在的工作模式少、装置体积大、布置难、电机负荷率低的问题，该电动汽车双电机耦合驱动***中，主电机和辅助电机同轴布置在***两侧，主电机的输出轴与二号传动齿轮连接，二号传动齿轮与二号离合器的主动盘连接，二号离合器的从动盘与太阳轮通过传动轴连接，传动轴的另一端与三号离合器的从动盘连接，三号离合器的主动盘与辅助电机的输出轴连接，一号传动齿轮与一号离合器的主动盘连接，一号离合器的从动盘与三号传动齿轮连接，三号传动齿轮与齿圈的一端齿轮外啮合，锁止器一端与变速箱壳体连接，另一端与齿圈连接。但该发明结构复杂且不能在换挡过程前预先调节电机转速，也不能实现自适应调速，即不能根据任意行驶状态下的换挡需要自动调节匹配转速关系，因此仍需改进。
专利号为ZL201520671900.9的中国实用新型专利公开了一种电动汽车双电机动力耦合装置，包括主驱电机、辅助电机、行星轮系、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，离合器的主动部分连接于行星轮系的齿圈，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，所述制动器用于制动所述辅助电机转轴和齿圈。该实用新型电动汽车双电机动力耦合装置结构简单，可实现转矩耦合和转速耦合驱动模式。但该实用新型并不能实现自适应预调速的技术效果，同时也未对现有的挡位切换过程进行优化及简化，仍存在换挡时间长、换挡冲击大、动力中断的技术问题，因此亟待改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种实用性强、集成度高、可靠性好的纯电动客车用双电机自适应预调速多挡动力耦合装置及其控制方法。本发明的最大特点在于能满足纯电动客车行驶的需求，能在换挡过程前预先调节电机转速，同时又能在一定程度上实现自适应调速，即根据任意行驶状态下的换挡需要，自动调节匹配转速关系，使得在换挡瞬时无需进行精确的电子调速、无需使用复杂的同步器结构便能快速完成换挡过程。本发明能够实现自适应预调速的技术效果，使得现有的挡位切换过程被大幅简化，同时现有技术中存在的换挡时间长、换挡冲击大、动力中断的技术问题也随之得到极大改善。本发明具有控制简单、免于维护、可靠性高、实用性强的技术优势。
为了实现上述发明目的，解决现有的电动汽车双电机耦合驱动***和电动汽车双电机动力耦合装置存在的上述技术缺陷，本发明的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置采用的技术方案如下：
一种双电机自适应预调速多挡动力耦合装置，包括主驱动电机、行星排变速装置、辅助电机、车辆传动轴和车辆驱动桥，所述行星排变速装置包括行星齿轮机构和双向结合装置，所述行星齿轮机构包括行星排太阳轮、行星排齿圈、行星排行星架和行星排壳体，所述辅助电机的动力输出端与所述行星排太阳轮相连接，所述主驱动电机一端与所述行星排行星架的行星架输出轴相连接，其另一端通过所述车辆传动轴与所述车辆驱动桥相连接，所述行星排齿圈通过所述双向结合装置分别与所述行星排壳体或所述行星架输出轴相接合。
优选的是，所述主驱动电机、行星排变速装置和辅助电机之间采用同轴布置结构。
与现有的单电机结构方案相比，本发明的两个电机峰值功率之和应近似等于相应单个电机峰值功率；两个电机峰值扭矩之和近似等于相应单电机峰值扭矩。本发明可根据客车一般工况行驶需要进行三种有意义的驱动模式切换。
本发明将两个电机中功率和扭矩较大者定义为所述主驱动电机，另一个功率和扭矩较小者定义为所述辅助电机。其中所述主驱动电机的高效率区间应在中速、中扭矩段，一般驱动电机的效率特性均可满足该要求；所述辅助电机主要用于提供特定工况下所需的额外扭矩值，其最高转速应与所述主驱动电机相同，并满足车辆最高车速需要。
在上述任一方案中优选的是，所述双向结合装置包括离合器和离合执行器，所述离合器设置在所述行星排齿圈上并由所述离合执行器进行驱动，所述离合器两端接合处设置有同步器，换挡瞬时对所述同步器的机械同步过程要求较低，磨损较小。
在上述任一方案中优选的是，所述离合执行器动力源采用电磁吸合式动力源、电机驱动式动力源、液压传动式动力源和气压传动式动力源中的任意一种。
所述行星排齿圈在所述离合器作用下存在三种有效工作状态：当所述离合器带动所述行星排齿圈与所述行星排壳体接合时，其相当于被制动，转速恒定为零；当所述离合器位于空挡时，所述行星排齿圈为自由状态，可自由转动；当所述离合器带动所述行星排齿圈与所述行星架输出轴接合时，相当于将所述行星排齿圈与所述行星排行星架固连，其转速将一致。
在上述任一方案中优选的是，所述行星排耦合器内部的各齿轮系、接合部件均采用浸入式润滑及散热，即行星排耦合器内部预置适当的润滑油，通过齿轮系转动时搅油润滑。
当所述行星排行星架以确定转速转动、所述行星排太阳轮和行星排齿圈处于自由状态时，由于所述行星排变速装置的固有机械特性，所述行星排太阳轮转速和行星排齿圈转速会分别自动趋于某一确定值；通过对所述行星排变速装置各转动部件的惯量、阻尼等关键参数的设计，可实现所述行星排变速装置的自适应调速效应，即所述行星排太阳轮转速和行星排齿圈转速趋于稳定值时的相对速差极小，其转速趋于一致。
在上述任一方案中优选的是，所述行星排齿圈的转动惯量、行星排太阳轮的转动惯量及行星排行星架的转动惯量需要协同匹配；所述行星排齿圈的搅油阻尼、行星排太阳轮的搅油阻尼及行星排行星架的搅油阻尼需要协同匹配；所述行星排变速装置各部件的转动惯量应设计较小，所述行星排齿圈的搅油阻尼应大于行星排太阳轮的搅油阻尼，所述技术要求根据现有行星排设计均易于实现。
在上述任一方案中优选的是，所述主驱动电机输入轴处设置有行星排变速装置输出轴转速传感器，所述辅助电机包括辅助电机输出轴，所述辅助电机输出轴处设置有辅助电机输入轴转速传感器。所述转速传感器均封装在本动力耦合装置内部，所述转速传感器所采集的各轴转速是挡位切换决策时所需参考的重要信号。
在上述任一方案中优选的是，包括动力电池、电池管理***、AM电机控制单元和车辆驱动轮，所述动力电池分别与所述电池管理***和AM电机控制单元相连接，所述AM电机控制单元与所述辅助电机相连接，所述车辆驱动轮与所述车辆驱动桥相连接。
在上述任一方案中优选的是，包括整车CAN通讯网络、内部CAN通讯网络、仪表控制单元、整车控制单元、整车踏板及其它模块、动力控制单元和TM电机控制单元，所述整车CAN通讯网络分别与所述电池管理***、仪表控制单元、整车控制单元和整车踏板及其它模块相连接，所述内部CAN通讯网络分别与所述动力控制单元和整车控制单元相连接，所述TM电机控制单元分别与所述主驱动电机和AM电机控制单元相连接，所述动力控制单元与所述行星排变速装置、行星排变速装置输出轴转速传感器和辅助电机输入轴转速传感器相连接。
所述动力控制单元能与所述整车控制单元进行通讯，接收来自VCU的控制命令、踏板开度等信息后综合判断当前驱动力分配及驱动模式，并反馈当前整车驱动状态信息；所述动力控制单元能与所述电机控制单元进行通讯，向所述电机发送目标扭矩等命令，用于驱动或调速控制；同时，所述动力控制单元能调控所述离合执行器，在一定条件下根据预设方法完成所述离合器的接合动作。
本发明使用独立的内部CAN通讯网络，其可以与所述整车CAN通讯网络进行良好的关联，并且不会产生通讯冗余，所述动力控制单元为所述内部CAN通讯网络的主要控制节点，所述整车控制单元能够实现所述整车CAN通讯网络和内部CAN通讯网络上信息的转发。
为了解决现有的电动汽车双电机耦合驱动***和电动汽车双电机动力耦合装置的控制方法存在的上述技术缺陷，本发明的一种双电机自适应预调速多挡动力耦合装置的控制方法采用的技术方案如下：
一种双电机自适应预调速多挡动力耦合装置的控制方法，实施该控制方法的***包括上述任一项的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置，包括车辆从停驶、起步至加速阶段进行自主完成模式切换的控制方法，以及车辆从加速、减速、制动至停驶阶段进行自主完成模式切换的控制方法。
优选的是，所述车辆从停驶、起步至加速阶段进行自主完成模式切换的控制方法包括以下步骤：
步骤一：在车辆停驶时，所述离合器默认将所述行星排齿圈与所述行星排壳体相接合，此时相当于低速挡位；在起步或爬坡时，所述行星排变速装置仍处于低速挡，所述辅助电机动力通过减速增扭后与所述主驱动电机同轴扭矩耦合，并输出至所述车辆驱动桥上，使得车辆加速能力和爬坡能力得到增强；
步骤二：当车辆起步加速到一定值时，车辆无需继续输出较大的扭矩，所述主驱动电机逐渐提高扭矩输出，所述辅助电机逐渐减小直至清除扭矩并进入自由模式，所述主驱动电机根据整车行驶需要继续提升或保持扭矩，所述离合器将所述行星排齿圈接入空挡进入自由模式，此时所述主驱动电机恰能工作于中速、中扭矩区间，相当于单电机驱动中速挡；在该耦合装置位于中速挡并继续提速时，所述辅助电机及所固连的所述行星排太阳轮与位于空挡的所述行星排齿圈均处于自由状态，而所述行星排行星架转速跟随车速呈线性变化，依据所述行星排变速装置的固有特性，所述辅助电机与所述行星排太阳轮会自动降速，所述行星排齿圈会自动升速，在较短时间内所述行星排太阳轮、行星排齿圈及行星排行星架的转速会达到一致，并始终自适应地趋于一致，即实现所述自适应调速效应；
步骤三：当车辆速度继续增大时，行驶阻力增大，车辆需要工作于大功率高速状态；由于所述自适应调速作用，所述离合器可直接带动所述行星排齿圈与所述行星架输出轴接合，所述辅助电机参与扭矩输出，相当于双电机高速挡；此时所述辅助电机与所述主驱动电机同轴同转速工作，从而根据能量优化方法进行合理的扭矩分配，并共同驱动使车辆车速进一步提高。
在上述任一方案中优选的是，所述车辆从加速、减速、制动至停驶阶段进行自主完成模式切换的控制方法包括以下步骤：
步骤四：在车辆处于高速挡、车辆以较高车速行驶时，若减少加速踏板开度缓慢降速时，所述主驱动电机根据需要调整扭矩，所述辅助电机将逐渐减小直至清除扭矩进入自由模式，所述离合器带动所述行星排齿圈进入空挡，此时由所述主驱动电机单独驱动车辆，即进入中速挡；在中速挡时，所述辅助电机根据当前车速变化基于机器学习算法进行主动自适应预调速，其调速趋势为车速越低则所述辅助电机转速调至相应较高值，车速提高则所述辅助电机转速调至相应较低值，当车速提高至一定值后，则不再进行主动调速控制，进入所述行星排变速装置特性下的自适应调速过程；
步骤五：当车辆处于中速挡且速度进一步降低后，根据所述主动自适应预调速作用，所述辅助电机转速与换挡目标转速间速差为合理的较小值，可以无需调速直接通过所述离合器将所述行星排齿圈与所述行星排壳体接合，即进入低速挡；
步骤六：当车辆处于高速挡并在较高车速下大幅度制动时，所述辅助电机与所述主驱动电机将同时进行制动能量回馈即发送负目标扭矩，为了最大限度回收能量，在该步骤过程中将不进行挡位切换；在制动结束后，根据车辆当前所处状态及控制方法再次完成相应换挡操作。
在正常行驶过程中，低速挡仅用于起步和爬坡过程。当车辆正常行驶时，一般仅需根据工况和能量管理需要，在中速挡和高速挡之间进行切换，因此可以充分利用所述自适应预调速特性，大大简化换挡过程。所述车辆的各挡位模式切换时机将由所述动力控制单元综合加速踏板、制动踏板、车速、电机状态等信息后判断给出，能够准确识别车辆状态和驾驶员意图，不会出现循环换挡等现象。在所述换挡过程中，始终存在自适应预调速过程，在执行换挡操作瞬间无需电机再进行快速精准调速，也无需使用复杂的机械同步器，换挡过程中无明显滑磨过程，即本发明在换挡过程中可以实现预调速平顺换挡。在所述换挡过程中，所述主驱动电机一直向整车输出动力，且所述辅助电机扭矩输入前已由所述动力控制单元控制完成扭矩协调分配过程，即本发明在换挡过程中可以实现无动力中断、无动力波动换挡。
本发明所述空挡下行星排自适应预调速特性、空挡下主动自适应预调速方法能够应用于各种类似结构或类似技术方案中，考虑到目前纯电动客车工况特性，本发明中仅依托双电机两挡行星排变速箱构型进行阐述，但基于相同特性的其它结构或控制方法也应落入本发明的保护范围内。
本发明与现有技术相比的有益效果是：能够良好地应用于纯电动车辆，尤其是纯电动客车技术领域，所使用的主驱动电机和辅助电机之间相互配合，能够良好地拓宽整车扭矩输出及转速可调区间，从而进一步优化了驱动外特性，大幅提高整车性能。
本发明采用行星排结构作为两挡变速装置，结构简单，布置紧凑，其圆柱形机械结构能够与圆柱形电机外壳进行良好连接，相比于现有的AMT式变速箱，本耦合装置的质量和体积均大幅减小，从而有利于整车布置和轻量化设计。
本发明利用双电机和两挡行星排变速装置的同轴组合，设计出低速挡、中速挡和高速挡三种行车挡位，分别对应于一般客车的起步爬坡需求、城市工况中速行驶需求以及郊区高速公路工况中的大功率行驶需求，各模式的切换与车辆由起步至逐步提速的过程一致，模式设计合理，切换平顺。
与现有的变速器装置相比，本发明深入考虑行星排的惯量和阻尼影响，在升挡时充分利用了行星排的机械特性，使得待调速部件能够自适应自动调节至所需转速，无需主动调节辅助电机转速，大大简化了辅助电机传统的高精度调速控制方式；同时将调速过程放在换挡之前完成，并利用上述机械特性完成自适应跟随的预调速过程，在车辆一般行驶过程中，可以直接由中速挡切换至高速挡，无需在极短的时间内快速调节辅助电机转速。现有的纯电动车用变速箱换挡时间一般在0.8～1秒时间，而本发明可将换挡时间缩短至0.2秒，极大改善了现有变速装置换挡时间较长的固有缺陷，也使得换挡过程平滑无冲击。
与现有的变速装置相比，本发明的自适应调速精度远远高于现有电机换挡瞬时调速精度，现有技术中，一般在换挡瞬时电机主动调速时仅能将速差调节至30～50rpm，而本发明能够将速差调节至低于3rpm，大大改善了挂挡时对同步器的冲击和磨损，提高了换挡平顺性，延长了同步器使用寿命。
与现有的变速装置相比，本发明在降挡时采用了主动预调速控制方法，能够提前将转速调节至所需要的状态；同时，在以车速为基础的换挡规律前提下，充分对当前真实换挡意图的进行预测，引入低速挡切换概率函数P，综合当前车辆状态判断是否需要进行主动低速挡切换预调速，防止了频繁的大幅度电机主动调速，能够最大限度地实现准确切换意图判断，仅在切换入低速挡前进行相应的辅助电机主动升速调速。
与现有的变速装置相比，本发明能够实现无动力中断、无动力波动换挡。在驱动过程中主驱动电机可以一直向整车输出动力，不会出现任何动力中断现象；动力控制单元可以协调辅助电机的扭矩输出，平顺地接入或脱离传动系，其不仅有充足时间匹配扭矩，且电机本身便易于快速精准调扭，传动系上不会有突变载荷。车辆的行驶平顺性和乘坐舒适性可以大大提升，并进一步消除一般变速器因传动轴上扭矩快速归零又快速加载所产生的扭震等危害，提高各零部件使用寿命。
与现有的变速装置相比，本发明的各模式根据整车扭矩和功率需求设计，在高速下制动时，双电机恰可以同时进行制动能量回馈，可以最大限度地将制动时的能量进行回收。
与现有动力耦合装置相比，本发明充分考虑了车辆在行驶中的各种状态及需求，能够根据车辆实际需要进行合理的挡位切换控制。现有的动力耦合装置，有的只能在车辆停驶状态下进行模式切换，有的则需要使用复杂的如湿式离合器、超越离合器、同步器、精密电子调速等才能完成动态模式切换。本发明仅使用了一般的双向结合装置即可实现上述自适应预调速功能，并能完成快速平稳的挡位切换。
本发明所提出的双电机耦合驱动模式，解除了单电机在功率、扭矩方面的限制；在同功率、扭矩的情况下，使得成本大大降低；同时，双电机的耦合驱动也提高了电驱动***的容错性。
本发明中相关采集信号的传感器均封装在整个装置内部，无需在原结构中加入新的传感器；该耦合装置本身具有独立的内部CAN通讯网络，仅需要动力控制单元与整车控制单元进行信息交互，无需在原车各控制器中进行复杂数据传输，缩短了***响应时间，提高了***可靠性。因此该耦合装置易于实施，也便于在原结构基础上进行改造升级，具有较强的实用性。
附图说明
图1作为本发明的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置的一优选实施例的总体框架结构示意图；
图2为按照本发明的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置图1所示实施例中的行星排变速装置结构示意图；
图3为按照本发明的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置的所述中速挡行星排自适应调速实验结果示意图。
附图标记说明：
1整车CAN通讯网络(CAN1)；2内部CAN通讯网络(CAN2)；3仪表控制单元(Instrument Control Unit，ICU)；4整车控制单元(Vehicle Control Unit，VCU)；5整车踏板及其它模块；6车辆驱动轮；7动力控制单元(Traction Control Unit，TCU)；8主驱动电机(Traction Motor，TM)；9车辆传动轴；10车辆驱动桥；11TM电机控制单元(Motor ControlUnit，MCU1)；12行星排变速装置输出轴转速传感器；13辅助电机输入轴转速传感器；14 AM电机控制单元(MCU2)；15辅助电机(Auxiliary Motor，AM)；16动力电池；17电池管理***(Battery Management System，BMS)。
100行星排变速装置；101辅助电机输出轴；102行星排太阳轮；103行星排齿圈；104离合执行器；105双向结合装置；106行星架输出轴；107行星排壳体；108行星排行星架。
具体实施方式
下面结合图1-3详细描述所述双电机自适应预调速多挡动力耦合装置的技术方案：
如图1、2所示，一种双电机自适应预调速多挡动力耦合装置，包括主驱动电机8、行星排变速装置100、辅助电机15、车辆传动轴9和车辆驱动桥10，行星排变速装置100包括行星齿轮机构和双向结合装置105，所述行星齿轮机构包括行星排太阳轮102、行星排齿圈103、行星排行星架108和行星排壳体107，辅助电机15的动力输出端与行星排太阳轮102相连接，主驱动电机8一端与行星排行星架108的行星架输出轴106相连接，其另一端通过车辆传动轴9与车辆驱动桥10相连接，行星排齿圈103通过双向结合装置105分别与行星排壳体107或行星架输出轴106相接合。主驱动电机8、行星排变速装置100和辅助电机15之间采用同轴布置结构。双向结合装置105包括离合器和离合执行器104，所述离合器设置在行星排齿圈103上并由离合执行器104进行驱动，所述离合器两端接合处设置有同步器。离合执行器104动力源可以选择采用电磁吸合式动力源、电机驱动式动力源、液压传动式动力源和气压传动式动力源中的任意一种。主驱动电机8输入轴处设置有行星排变速装置输出轴转速传感器12，辅助电机15包括辅助电机输出轴101，辅助电机输出轴101处设置有辅助电机输入轴转速传感器13。包括动力电池16、电池管理***17、AM电机控制单元14和车辆驱动轮6，动力电池16分别与电池管理***17和AM电机控制单元14相连接，AM电机控制单元14与辅助电机15相连接，车辆驱动轮6与车辆驱动桥10相连接。包括整车CAN通讯网络1、内部CAN通讯网络2、仪表控制单元3、整车控制单元4、整车踏板及其它模块5、动力控制单元7和TM电机控制单元11，整车CAN通讯网络1分别与电池管理***17、仪表控制单元3、整车控制单元4和整车踏板及其它模块5相连接，内部CAN通讯网络2分别与动力控制单元7和整车控制单元4相连接，TM电机控制单元11分别与主驱动电机8和AM电机控制单元14相连接，动力控制单元7与行星排变速装置100、行星排变速装置输出轴转速传感器12和辅助电机输入轴转速传感器13相连接。主驱动电机8工作高效区为中速、中扭段，一般驱动电机效率特性即可满足。上述行星排的特征参数即齿圈与太阳轮齿数比设为K，所述接合装置的具体形式不限，可以选择采用一般的同步器结合套、牙嵌式离合器等结构形式。
当驱动装置处于中速挡时，离合执行器104将行星排齿圈103推动至空挡自由状态，辅助电机15也处于自由状态。此时，通过测功机模拟车辆匀速行驶等效负载，仅通过主驱动电机8输出扭矩，分别将车辆传动轴9的转速梯度加速至200rpm、400rpm和600rpm，如图3中虚线所示，主驱动电机8及车辆传动轴9的转速分别按上述梯度阶跃变化；如图3中实线所示，辅助电机15的转速能够在不进行任何主动控制条件下，在大约10秒时间内自适应调速至与主驱动电机8相同转速，即实现自适应调速效应。
根据行星排转速关系式：
ns+Knr＝(1+K)nc
式中，ns为行星排太阳轮102转速，nr为行星排齿圈103转速，nc为行星排行星架108转速。由该公式易于得出，当辅助电机15的转速自适应调速至与主驱动电机8相同时，行星排齿圈103的转速也会自适应调速至与其相同。即在进入中速挡后，即便主驱动电机8以阶跃形式调速，辅助电机15及行星排齿圈103也能在约10秒时间内自适应调速至相同转速。考虑到实际车辆行驶时，车辆传动轴9几乎不会阶跃突变，因此在实际应用中，辅助电机15与行星排齿圈103的自适应调速时间应会更加短暂。本发明中的所述自适应调速升挡控制即是基于行星排变速装置100自适应调速效应特性实现。
本发明的工作原理：为突出本发明技术特点，现仅以单参数即车速作为换挡规律进行描述，且仅描述与本发明直接相关的整车控制逻辑，其它控制逻辑默认为一般逻辑，不再赘述。
当车辆停驶时，行星排变速装置100默认接入低速挡，即离合执行器104将行星排齿圈103与行星排壳体107接合。当车辆起步或爬坡时，辅助电机15输出扭矩通过行星排变速装置100减速增扭至(1+K)倍，与主驱动电机8扭矩叠加后输出至车辆驱动桥10，推动整车爬坡或快速起步。
当车辆起步后在中低速行驶时，行驶阻力较小，所需扭矩及功率较小，将切换入中速挡，即主驱动电机8逐步增大扭矩，辅助电机15逐步减小扭矩直至扭矩清零，离合执行器104将行星排齿圈103推动至空挡自由状态，此时辅助电机15也处于自由状态。主驱动电机8恰能工作于中速、中高扭矩的高效区，推动车辆匀速或加速行驶。基于上述自适应调速效应，辅助电机15的转速与行星排齿圈103的转速会自适应主动调节至与主驱动电机8转速一致。
在中速挡时，动力控制单元7将读取车辆当前速度，根据车辆加速或减速程度并进行判断。若车速大于VH时，即判定车辆当前工作状态即将接入高速挡，因此对辅助电机15转速不做主动调节；若车速小于VL时，则判定车辆当前工作状态即将接入低速挡，通过辅助电机15主动调速至与主驱动电机8转速的(1+K)倍，为换挡做好准备；若车速介于VH和VL之间时，则对辅助电机15进行动态自适应跟随预调速，其调节转速值为：
式中辅助电机15的转速和行星架输出轴106的转速可分别由相应的辅助电机输入轴转速传感器13和行星排变速装置输出轴转速传感器12测量，P可为由中速挡换至低速挡的概率或转速调节权重系数，P应为踏板开度、车速等参考变量的函数。在本发明中，P的初始值将由基于车速的特定概率密度函数确定，在实车应用中，通过机器学习算法不断基于踏板开度、车速等信号进行更新，最终完成成熟高效的自适应调速算法。同时，换挡车速阈值VH和VL也应根据实车道路试验进行在线更新标定。通过这种方法，在任意时刻如果存在换挡可能，则行星排变速装置100输入轴转速必然已预先调节至与输出轴转速相同或较小速差范围内，使得换挡瞬时辅助电机15无需大幅度精确调速，仅需在小速差范围内二次调速甚至无需调速便可以直接完成换挡操作。
当车辆切换入高速挡时，主驱动电机8和辅助电机15可以共同输出扭矩，满足高速工况下大功率、高转速的需求。当车辆在最高车速减速时，动力控制单元7协调控制主驱动电机8增大扭矩，辅助电机15减小扭矩直至清零，离合执行器104将行星排齿圈103推动至空挡自由状态，车辆即进入中速挡，重复上述自适应调速判断过程。
当车辆在高速挡下大幅度制动时，则不进行挡位切换操作，由辅助电机15和主驱动电机8共同施加负扭矩，进行最大限度制动能量回馈。
当车辆需响应阶跃式扭矩输出响应，如紧急满功率加速时，动力控制单元7判定无充分时间完成自适应调速，则行星排变速装置100将采用现有的主动快速调速完成挡位切换。这种情形在实际客车行驶过程中出现概率较小，且本发明所述自适应调速的趋势与主动调速一致，也能在一定程度上缩短了换挡时的调速时间。
下面结合图1-3详细描述所述双电机自适应预调速多挡动力耦合装置的控制方法的技术方案：
一种双电机自适应预调速多挡动力耦合装置的控制方法，实施该控制方法的***包括上述实施例中任一项的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置，包括车辆从停驶、起步至加速阶段进行自主完成模式切换的控制方法，以及车辆从加速、减速、制动至停驶阶段进行自主完成模式切换的控制方法。
所述车辆从停驶、起步至加速阶段进行自主完成模式切换的控制方法包括以下步骤：
步骤一：在车辆停驶时，所述离合器默认将行星排齿圈103与行星排壳体107相接合，此时相当于低速挡位；在起步或爬坡时，行星排变速装置100仍处于低速挡，辅助电机15动力通过减速增扭后与主驱动电机8同轴扭矩耦合，并输出至车辆驱动桥10上，使得车辆加速能力和爬坡能力得到增强；
步骤二：当车辆起步加速到一定值时，车辆无需继续输出较大的扭矩，主驱动电机8逐渐提高扭矩输出，辅助电机15逐渐减小直至清除扭矩并进入自由模式，主驱动电机8根据整车行驶需要继续提升或保持扭矩，所述离合器将行星排齿圈103接入空挡进入自由模式，此时主驱动电机8恰能工作于中速、中扭矩区间，相当于单电机驱动中速挡；在该耦合装置位于中速挡并继续提速时，辅助电机15及所固连的行星排太阳轮102与位于空挡的行星排齿圈103均处于自由状态，而行星排行星架108转速跟随车速呈线性变化，依据行星排变速装置100的固有特性，辅助电机15与行星排太阳轮102会自动降速，行星排齿圈103会自动升速，在较短时间内行星排太阳轮102、行星排齿圈103及行星排行星架108的转速会达到一致，并始终自适应地趋于一致，即实现所述自适应调速效应；
步骤三：当车辆速度继续增大时，行驶阻力增大，车辆需要工作于大功率高速状态；由于所述自适应调速作用，所述离合器可直接带动行星排齿圈103与行星架输出轴106接合，辅助电机15参与扭矩输出，相当于双电机高速挡；此时辅助电机15与主驱动电机8同轴同转速工作，从而根据能量优化方法进行合理的扭矩分配，并共同驱动使车辆车速进一步提高。
所述车辆从加速、减速、制动至停驶阶段进行自主完成模式切换的控制方法包括以下步骤：
步骤四：在车辆处于高速挡、车辆以较高车速行驶时，若减少加速踏板开度缓慢降速时，主驱动电机8根据需要调整扭矩，辅助电机15将逐渐减小直至清除扭矩进入自由模式，所述离合器带动行星排齿圈103进入空挡，此时由主驱动电机8单独驱动车辆，即进入中速挡；在中速挡时，辅助电机15根据当前车速变化基于机器学习算法进行主动自适应预调速，其调速趋势为车速越低则辅助电机15转速调至相应较高值，车速提高则辅助电机15转速调至相应较低值，当车速提高至一定值后，则不再进行主动调速控制，进入行星排变速装置100特性下的自适应调速过程；
步骤五：当车辆处于中速挡且速度进一步降低后，根据所述主动自适应预调速作用，辅助电机15转速与换挡目标转速间速差为合理的较小值，可以无需调速直接通过所述离合器将行星排齿圈103与行星排壳体107接合，即进入低速挡；
步骤六：当车辆处于高速挡并在较高车速下大幅度制动时，辅助电机15与主驱动电机8将同时进行制动能量回馈即发送负目标扭矩，为了最大限度回收能量，在该步骤过程中将不进行挡位切换；在制动结束后，根据车辆当前所处状态及控制方法再次完成相应换挡操作。
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上这一种实施方案，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。
Claims (10)
1.一种双电机自适应预调速多挡动力耦合装置，包括主驱动电机（8）、行星排变速装置（100）、辅助电机（15）、车辆传动轴（9）和车辆驱动桥（10），行星排变速装置（100）包括行星齿轮机构和双向结合装置（105），所述行星齿轮机构包括行星排太阳轮（102）、行星排齿圈（103）、行星排行星架（108）和行星排壳体（107），辅助电机（15）的动力输出端与行星排太阳轮（102）相连接，主驱动电机（8）一端与行星排行星架（108）的行星架输出轴（106）相连接，其另一端通过车辆传动轴（9）与车辆驱动桥（10）相连接，其特征在于，行星排齿圈（103）通过双向结合装置（105）分别与行星排壳体（107）或行星架输出轴（106）相接合。
2.如权利要求1所述的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置，其特征在于，主驱动电机（8）、行星排变速装置（100）和辅助电机（15）之间采用同轴布置结构。
3.如权利要求1所述的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置，其特征在于，双向结合装置（105）包括离合器和离合执行器（104），所述离合器设置在行星排齿圈（103）上并由离合执行器（104）进行驱动，所述离合器两端接合处设置有同步器。
4.如权利要求3所述的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置，其特征在于，离合执行器（104）动力源采用电磁吸合式动力源、电机驱动式动力源、液压传动式动力源和气压传动式动力源中的任意一种。
5.如权利要求1所述的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置，其特征在于，主驱动电机（8）输入轴处设置有行星排变速装置输出轴转速传感器（12），辅助电机（15）包括辅助电机输出轴（101），辅助电机输出轴（101）处设置有辅助电机输入轴转速传感器（13）。
6.如权利要求5所述的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置，其特征在于，包括动力电池（16）、电池管理***（17）、AM电机控制单元（14）和车辆驱动轮（6），动力电池（16）分别与电池管理***（17）和AM电机控制单元（14）相连接，AM电机控制单元（14）与辅助电机（15）相连接，车辆驱动轮（6）与车辆驱动桥（10）相连接。
7.如权利要求6所述的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置，其特征在于，包括整车CAN通讯网络（1）、内部CAN通讯网络（2）、仪表控制单元（3）、整车控制单元（4）、整车踏板及其它模块（5）、动力控制单元（7）和TM电机控制单元（11），整车CAN通讯网络（1）分别与电池管理***（17）、仪表控制单元（3）、整车控制单元（4）和整车踏板及其它模块（5）相连接，内部CAN通讯网络（2）分别与动力控制单元（7）和整车控制单元（4）相连接，TM电机控制单元（11）分别与主驱动电机（8）和AM电机控制单元（14）相连接，动力控制单元（7）与行星排变速装置（100）、行星排变速装置输出轴转速传感器（12）和辅助电机输入轴转速传感器（13）相连接。
8.一种双电机自适应预调速多挡动力耦合装置的控制方法，实施该控制方法的***包括如权利要求1至7中任一项的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置，其特征在于，包括车辆从停驶、起步至加速阶段进行自主完成模式切换的控制方法，以及车辆从加速、减速、制动至停驶阶段进行自主完成模式切换的控制方法。
9.如权利要求8所述的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置的控制方法，其特征在于，所述车辆从停驶、起步至加速阶段进行自主完成模式切换的控制方法包括以下步骤：
步骤一：在车辆停驶时，所述离合器默认将行星排齿圈（103）与行星排壳体（107）相接合，此时相当于低速挡位；在起步或爬坡时，行星排变速装置（100）仍处于低速挡，辅助电机（15）动力通过减速增扭后与主驱动电机（8）同轴扭矩耦合，并输出至车辆驱动桥（10）上，使得车辆加速能力和爬坡能力得到增强；
步骤二：当车辆起步加速到一定值时，车辆无需继续输出较大的扭矩，主驱动电机（8）逐渐提高扭矩输出，辅助电机（15）逐渐减小直至清除扭矩并进入自由模式，主驱动电机（8）根据整车行驶需要继续提升或保持扭矩，所述离合器将行星排齿圈（103）接入空挡进入自由模式，此时主驱动电机（8）恰能工作于中速、中扭矩区间，相当于单电机驱动中速挡；在该耦合装置位于中速挡并继续提速时，辅助电机（15）及所固连的行星排太阳轮（102）与位于空挡的行星排齿圈（103）均处于自由状态，而行星排行星架（108）转速跟随车速呈线性变化，依据行星排变速装置（100）的固有特性，辅助电机（15）与行星排太阳轮（102）会自动降速，行星排齿圈（103）会自动升速，在较短时间内行星排太阳轮（102）、行星排齿圈（103）及行星排行星架（108）的转速会达到一致，并始终自适应地趋于一致，即实现所述自适应调速效应；
步骤三：当车辆速度继续增大时，行驶阻力增大，车辆需要工作于大功率高速状态；由于所述自适应调速作用，所述离合器可直接带动行星排齿圈（103）与行星架输出轴（106）接合，辅助电机（15）参与扭矩输出，相当于双电机高速挡；此时辅助电机（15）与主驱动电机（8）同轴同转速工作，从而根据能量优化方法进行合理的扭矩分配，并共同驱动使车辆车速进一步提高。
10.如权利要求8所述的双电机自适应预调速多挡动力耦合装置的控制方法，其特征在于，所述车辆从加速、减速、制动至停驶阶段进行自主完成模式切换的控制方法包括以下步骤：
步骤四：在车辆处于高速挡、车辆以较高车速行驶时，若减少加速踏板开度缓慢降速时，主驱动电机（8）根据需要调整扭矩，辅助电机（15）将逐渐减小直至清除扭矩进入自由模式，所述离合器带动行星排齿圈（103）进入空挡，此时由主驱动电机（8）单独驱动车辆，即进入中速挡；在中速挡时，辅助电机（15）根据当前车速变化基于机器学习算法进行主动自适应预调速，其调速趋势为车速越低则辅助电机（15）转速调至相应较高值，车速提高则辅助电机（15）转速调至相应较低值，当车速提高至一定值后，则不再进行主动调速控制，进入行星排变速装置（100）特性下的自适应调速过程；
步骤五：当车辆处于中速挡且速度进一步降低后，根据所述主动自适应预调速作用，辅助电机（15）转速与换挡目标转速间速差为合理的较小值，可以无需调速直接通过所述离合器将行星排齿圈（103）与行星排壳体（107）接合，即进入低速挡；
步骤六：当车辆处于高速挡并在较高车速下大幅度制动时，辅助电机（15）与主驱动电机（8）将同时进行制动能量回馈即发送负目标扭矩，为了最大限度回收能量，在该步骤过程中将不进行挡位切换；在制动结束后，根据车辆当前所处状态及控制方法再次完成相应换挡操作。
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