CN203844623U - 电动汽车独立四轮毂电驱动*** - Google Patents

电动汽车独立四轮毂电驱动*** Download PDF

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杨博文
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Abstract

电动汽车独立四轮毂电驱动***、各驱动单元的电压和功率设计方法及其控制方法，涉及短途纯电动乘用车技术领域，包括四个毂电机、四个驱动***、整车控制器和仪表显示及驾驶员输入***，四个驱动***分别与四个毂电机相连，用于驱动轮毂电机；其特征在于设有四个动力电池组及管理***、四个动力电池组及管理***分别与四个驱动***相连，为其提供直流电能，并给出了四个驱动***不同工作状态下的控制方法。本实用新型具有四个动力电池组的单体电池总数少、单元电池组的寿命长、能量回收效率高、充电时间更短更易于实现电动汽车的模块化、标准化生产，可以有效的降低成本，提高整车的可靠性的优点。

Description

电动汽车独立四轮毂电驱动***
技术领域
本发明涉及短途纯电动乘用车技术领域，详细讲是一种电池单元数量少，使用寿命长，充电速度快，能量回收效率高的电动汽车独立四轮毂电驱动***。
背景技术
短途纯电动乘用车满足《纯电动乘用车技术条件》（GB/T 28382-2012）的下限，定位为取代目前市场上的低速纯电动乘用车。根据《纯电动乘用车技术条件》，短途纯电动乘用车的最高车速的下限为80km/h，结合短途纯电动乘用车的用途，主要在城乡道路行驶，不考虑高速公路行驶需求，最高车速一般略大于80km/h即可。
独立驱动技术被称为“电动汽车驱动***的发展方向”和“适合电动汽车的底盘技术”。由于短途纯电动乘用车的最高车速较低，可以不考虑非簧载质量对整车平顺性的影响，独立四轮毂电驱动***将是短途纯电动乘用车优选的驱动***。
目前，公开资料显示的分布式独立四轮毂电驱动***的结构为：
（1）***包括四个轮毂电机，四个轮毂电机的转子分别与四个车轮连接。包括四个轮毂电机驱动***，分别用于驱动四个轮毂电机旋转，通过轮毂电机带动车轮旋转。包括一个整车控制器，用于根据驾驶员输入以及整车状态反馈来确定传送至四个轮毂电机驱动***的目标转矩。
（2）***包括一个动力电池组及管理***，统一为四个轮毂电机驱动***提供直流电能，同时监控动力电池组及单体电池的电压、电流和温度等运行参数，并实时计算动力电池组的剩余电量。动力电池组到四个轮毂电机驱动***的接线方式为：从动力电池组的正极引出四根导线，分别连接到四个轮毂电机驱动***的正极，从动力电池组的负极引出四根导线，分别连接到四个轮毂电机驱动***的负极，即，四个轮毂电机驱动***的正负极并联到动力电池组的正负极。
（3）***包括一个仪表显示及驾驶员输入***，用于实时地显示整车状态以及采集驾驶员的输入信息。***包含的四个轮毂电机驱动***、动力电池组管理***、整车控制器及仪表显示及驾驶员输入***之间的数据传输采用通讯总线的连接方式。
上述结构的独立四轮毂电驱动***虽然解决了四轮独立驱动的问题，但是由于采用单一的电池组同时给四轮毂电驱动***供电，在电源***上存在如下问题：电池组的电池单元数量大、使用寿命短，电池组在外接充电时，仅能通过一个充电机充电，充电时间长；制动能量回收时，四个轮毂电机驱动***同时向电池组充电，四个轮毂电机驱动***均会对电池组的直流母线电压产生影响，充电电流的大小受电压差的影响，造成四个轮毂电机驱动***的制动能量回收过程互相影响，影响制动能量回收效率。传统四轮毂电驱动***各个轮毂电机的功率和电压大小一致，汽车整体结构设计受限，整车结构不合理；各个驱动单元的功率受其他驱动单元的约束，各个驱动单元的功率设计单一。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，提供一种电池单元数量小，使用寿命长，充电速度快，能量回收效率高的电动汽车独立四轮毂电驱动***。
本发明解决上述技术的不足所采用的技术方案是：
一种电动汽车独立四轮毂电驱动***，包括第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机、第一驱动***、第二驱动***、第三驱动***、第四驱动***、整车控制器和仪表显示及驾驶员输入***，第一驱动***、第二驱动***、第三驱动***、第四驱动***分别与第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机相连，用于驱动轮毂电机；其特征在于设有第一动力电池组及管理***、第二动力电池组及管理***、第三动力电池组及管理***和第四动力电池组及管理***，第一动力电池组及管理***、第二动力电池组及管理***、第三动力电池组及管理***和第四动力电池组及管理***分别与第一驱动***、第二驱动***、第三驱动***和第四驱动***相连，为其提供直流电能。
本发明中所述的第一驱动***、第二驱动***、第三驱动***、第四驱动***、第一动力电池组及管理***、第二动力电池组及管理***、第三动力电池组及管理***、第四动力电池组及管理***、整车控制器和仪表显示及驾驶员输入***之间采用总线连接的方式进行连接、数据传输。
本发明中第一轮毂电机、第一驱动***和第一动力电池组及管理***组成第一驱动单元，用于独立驱动右前车轮；第二轮毂电机、第二驱动***和第二动力电池组及管理***组成第二驱动单元，用于独立驱动右后车轮；第三轮毂电机、第三驱动***和第三动力电池组及管理***组成第三驱动单元，用于独立驱动左前车轮；第四轮毂电机、第四驱动***和第四动力电池组及管理***组成第四驱动单元，用于独立驱动左后车轮。
上述电动汽车独立四轮毂电驱动***的控制方法，
（1）当四个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元及第四驱动单元发出目标转矩，第一驱动单元和第三驱动单元的目标转矩相同，第二驱动单元和第四驱动单元的目标转矩相同；
（2）当第一驱动单元处于故障状态，另外三个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第二驱动单元、第三驱动单元及第四驱动单元发出目标转矩；第三驱动单元和第四驱动单元的目标转矩之和与第二驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为60km/h；
（3）当第二驱动单元处于故障状态，另外三个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元、第三驱动单元及第四驱动单元发出目标转矩；第三驱动单元和第四驱动单元的目标转矩之和与第一驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为60km/h；
（4）当第三驱动单元处于故障状态，另外三个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元、第二驱动单元及第四驱动单元发出目标转矩；第一驱动单元和第二驱动单元的目标转矩之和与第四驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为60km/h；
（5）当第四驱动单元处于故障状态，另外三个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元、第二驱动单元及第三驱动单元发出目标转矩；第一驱动单元和第二驱动单元的目标转矩之和与第三驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为60km/h；
（6）当第一驱动单元和第三驱动单元处于故障状态，另外两个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第二驱动单元和第四驱动单元发出目标转矩；第二驱动单元和第四驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为40km/h；
（7）当第二驱动单元和第四驱动单元处于故障状态，另外两个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元和第三驱动单元发出目标转矩；第一驱动单元和第三驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为40km/h；
（8）当第一驱动单元和第四驱动单元处于故障状态，另外两个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第二驱动单元和第三驱动单元发出目标转矩；第二驱动单元和第三驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为30km/h；
（9）当第二驱动单元和第三驱动单元处于故障状态，另外两个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元和第四驱动单元发出目标转矩；第一驱动单元和第四驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为30km/h；
（10）当第一驱动单元和第二驱动单元处于故障状态，另外两个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第三驱动单元和第四驱动单元发出目标转矩；整车速度上限设置为20km/h；
（11）当第三驱动单元和第四驱动单元处于故障状态，另外两个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元和第二驱动单元发出目标转矩；整车速度上限设置为20km/h；
（12）当只有一个驱动单元处于正常工作状态，另外三个驱动单元均处于故障状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向处于正常工作状态的驱动单元发出目标转矩；整车速度上限设置为10km/h；
（13）当四个驱动单元均处于故障状态时，车辆无法行驶。
本发明中整车控制器发送给各个驱动单元的目标转矩不大于由路面附着条件限制决定的转矩极限。保证车轮工作在纯滚动工况，不出现车轮滑转或者滑移的工况。
本发明具有如下有益效果：
1、在相同的工况下，本发明的四个动力电池组的单体电池总数小于传统单一供电单元需要的单体电池的总数。2、在相同的工况下，本发明的四个动力电池组的寿命长于传统单一供电单元电池组的寿命，通常纯电动乘用车的电池组使用寿命为3年左右，本发明的电池组的使用寿命为4-5年。3、制动能量回收时，四个单独供电单元可以独立接收四个轮毂电机驱动***的充电，充电过程独立，能量回收效率高。4、外接电源充电时，四个单独供电单元可以通过四个充电机同时充电，充电时间更短，理论上可达到传统的充电时间的1/4。5、更易于实现电动汽车的模块化、标准化生产，可以有效的降低成本，提高整车的可靠性。
附图说明
图1是本发明的***结构示意图。
图2是本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
如图1所示的电动汽车独立四轮毂电驱动***，包括第一轮毂电机1、第二轮毂电机8、第三轮毂电机9、第四轮毂电机18、第一驱动***2、第二驱动***7、第三驱动***10、第四驱动***17、整车控制器14和仪表显示及驾驶员输入***13。其中第一轮毂电机1、第二轮毂电机8、第三轮毂电机9和第四轮毂电机18分别与电动汽车四个车轮连接，用于提供车辆行驶的驱动力，并且在车辆制动时实现制动能量的回收。第一驱动***2、第二驱动***7、第三驱动***10、第四驱动***17分别与第一轮毂电机1、第二轮毂电机8、第三轮毂电机9、第四轮毂电机18相连，用于驱动轮毂电机；各个轮毂电机的控制模式均采用转矩闭环模式。上述结构与现有技术相同，不再赘述。本发明的特征在于设有第一动力电池组及管理***4、第二动力电池组及管理***5、第三动力电池组及管理***12和第四动力电池组及管理***15，第一动力电池组及管理***4、第二动力电池组及管理***5、第三动力电池组及管理***12和第四动力电池组及管理***15分别与第一驱动***2、第二驱动***7、第三驱动***9和第四驱动***17相连，为其提供直流电能，同时监控各自动力电池组及单体电池的电压、电流和温度等运行参数，并实时计算各自动力电池组的剩余电量。第一驱动***、第二驱动***、第三驱动***、第四驱动***、第一动力电池组及管理***、第二动力电池组及管理***、第三动力电池组及管理***、第四动力电池组及管理***、整车控制器14和仪表显示及驾驶员输入***13之间数据传输采用通讯总线的连接方式，目前典型的应用为采用CAN（控制器局域网）总线的连接方式，形成分布式的控制***，在实现多控制单元数据传输的过程中可以避免传感器冗余以及线束数量的激增。仪表显示及驾驶员输入***的主要功能是实时地显示电动汽车独立四轮毂电驱动***中各零部件的状态信息以及采集驾驶员的输入信息。
第一轮毂电机、第一驱动***和第一动力电池组及管理***组成第一驱动单元3，用于独立驱动右前车轮；第二轮毂电机、第二驱动***和第二动力电池组及管理***组成第二驱动单元6，用于独立驱动右后车轮；第三轮毂电机、第三驱动***和第三动力电池组及管理***组成第三驱动单元11，用于独立驱动左前车轮；第四轮毂电机、第四驱动***和第四动力电池组及管理***组成第四驱动单元16，用于独立驱动左后车轮；各个驱动单元的控制模式均采用转矩闭环模式，在车辆制动时各自独立实现制动能量的回收。
整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈来确定传送至第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元的目标转矩，以满足车辆行驶的需要。目标转矩的计算依据需要满足如下三个条件：
（1）在保证整车动力性的前提下尽量使各个驱动单元工作在高效区，提高整车的续驶里程；驾驶员完全松开加速踏板，即进入再生制动工况，再生制动目标转矩应保证最大制动能量回收效率；
（2）为了保证整车的横摆稳定性，在整车控制器计算目标转矩的过程中，允许的情况下应保证第一驱动单元和第三驱动单元的目标转矩相同，第二驱动单元和第四驱动单元的目标转矩相同；
（3）整车控制器发送给各个驱动单元的目标转矩应不大于由路面附着条件限制决定的转矩极限，即保证车轮工作在纯滚动工况，不出现车轮滑转或者滑移的工况；
仪表显示及驾驶员输入***的主要功能是实时地显示电动汽车各零部件的状态信息以及采集驾驶员的输入信息。
将各个驱动单元分为两种工作状态：（1）正常工作状态，此时驱动单元可以正常的驱动车轮。（2）故障状态，此时驱动单元不可以驱动车轮，整车控制器传送至处于故障状态的驱动单元的目标转矩为0，同时通过仪表显示及驾驶员输入***报警，指示具体哪个驱动单元发生故障，便于维修。
如图2所示，根据各个驱动单元的工作状态，整车控制器对驱动***采用如下控制方法：
（1）当四个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元及第四驱动单元发出目标转矩，第一驱动单元和第三驱动单元的目标转矩相同，第二驱动单元和第四驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为90km/h；
（2）当第一驱动单元处于故障状态，另外三个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第二驱动单元、第三驱动单元及第四驱动单元发出目标转矩；第三驱动单元和第四驱动单元的目标转矩之和与第二驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为60km/h；
（3）当第二驱动单元处于故障状态，另外三个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元、第三驱动单元及第四驱动单元发出目标转矩；第三驱动单元和第四驱动单元的目标转矩之和与第一驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为60km/h；
（4）当第三驱动单元处于故障状态，另外三个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元、第二驱动单元及第四驱动单元发出目标转矩；第一驱动单元和第二驱动单元的目标转矩之和与第四驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为60km/h；
（5）当第四驱动单元处于故障状态，另外三个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元、第二驱动单元及第三驱动单元发出目标转矩；第一驱动单元和第二驱动单元的目标转矩之和与第三驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为60km/h；
（6）当第一驱动单元和第三驱动单元处于故障状态，另外两个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第二驱动单元和第四驱动单元发出目标转矩；第二驱动单元和第四驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为40km/h；
（7）当第二驱动单元和第四驱动单元处于故障状态，另外两个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元和第三驱动单元发出目标转矩；第一驱动单元和第三驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为40km/h；
（8）当第一驱动单元和第四驱动单元处于故障状态，另外两个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第二驱动单元和第三驱动单元发出目标转矩；第二驱动单元和第三驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为30km/h；
（9）当第二驱动单元和第三驱动单元处于故障状态，另外两个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元和第四驱动单元发出目标转矩；第一驱动单元和第四驱动单元的目标转矩相同；整车速度上限设置为30km/h；
（10）当第一驱动单元和第二驱动单元处于故障状态，另外两个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第三驱动单元和第四驱动单元发出目标转矩；整车速度上限设置为20km/h；
（11）当第三驱动单元和第四驱动单元处于故障状态，另外两个驱动单元均处于正常工作状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向第一驱动单元和第二驱动单元发出目标转矩；整车速度上限设置为20km/h；
（12）当只有一个驱动单元处于正常工作状态，另外三个驱动单元均处于故障状态时，整车控制器根据驾驶员输入以及整车状态反馈实时向处于正常工作状态的驱动单元发出目标转矩；整车速度上限设置为10km/h；
（13）当四个驱动单元均处于故障状态时，车辆无法行驶。
当整车处于驱动工况时，整车控制器向各个驱动单元发出的目标转矩是目标驱动转矩，当整车处于制动工况时，整车控制器向各个驱动单元发出的目标转矩是目标制动转矩。
在上述控制方法的控制下及其对车速的限速下，可以实现在四个车轮不同状态下车辆平稳的行驶。本驱动***除四个驱动单元同时出现故障外，电动汽车都可平稳的运行，且在运行时，不会因为驾驶员的***稳，避免因此而引发交通事故。
本发明中第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机、第一驱动***、第二驱动***、第三驱动***、第四驱动***、第一动力电池组及管理***、第二动力电池组及管理***、第三动力电池组及管理***、第四动力电池组及管理***、整车控制器和仪表显示及驾驶员输入***可以选用市场上现有的成熟的产品。
本发明的有益效果如下：
1、在相同的工况下，本发明的四个动力电池组的单体电池总数小于传统单一供电单元需要的单体电池的总数。2、在相同的工况下，本发明的四个动力电池组的寿命长于传统单一供电单元电池组的寿命。3、制动能量回收时，四个单独供电单元可以独立接收四个轮毂电机驱动***的充电，充电过程独立，能量回收效率高。4、外接电源充电时，四个单独供电单元可以通过四个充电机同时充电，充电时间更短，理论上可达到传统的充电时间的1/4。5、更易于实现电动汽车的模块化、标准化生产，可以有效的降低成本，提高整车的可靠性。
发明人对大量的实验数据统计分析得出：对于整车参数完全相同的电动汽车，采用传统四轮毂电驱动***和采用本发明提出的独立四轮毂电驱动***相比，在相同的工况下，采用同样多的单体电池，采用本发明提出的独立四轮毂电驱动***的电动汽车续驶里程为采用传统四轮毂电驱动***的电动汽车续驶里程的1.1倍。
对于整车参数完全相同的电动汽车，在相同的工况下采用本发明提出的独立四轮毂电驱动***的电动汽车电池组的寿命为采用传统四轮毂电驱动***的电动汽车电池组的寿命的1.5倍。
发明人采用下述方法计算制动时回收的能量：在电池组母线加装电流传感器及电压传感器，在电动汽车的车轮加装转矩和转速传感器，测得制动能量回收时的电池组的电压值、电流值以及车轮的转矩值和转速值，将该实测值乘以采样周期，得出该单一采样周期对应的机械能和充电电能，将制动能量回收过程的所有采样周期的机械能和充电电能累加，得出制动能量回收过程的机械总能和充电总能。通过大量的实验数据的统计和分析得出：对于整车参数完全相同的电动汽车，在相同的工况下采用本发明提出的独立四轮毂电驱动***的电动汽车制动能量回收效率为采用传统四轮毂电驱动***的电动汽车制动能量回收效率的1.2倍。
本发明针对单个驱动轮设计了完全独立的驱动***，一个轮毂电机、一个轮毂电机驱动***、一个动力电池组及管理***组成了一个独立的驱动单元，更易于实现电动汽车的模块化、标准化生产，可以有效的降低成本，提高整车的可靠性；四个驱动单元中部分驱动单元发生故障时，不会影响其它驱动单元，整车还可以工作在降额模式，提高了整车的容错性能；整车驱动***的可选择的工作模式更多，通过整车控制器，可以自由的控制各个独立的驱动单元工作在电动机驱动模式还是发电机能量回收模式。

Claims (2)

1.一种电动汽车独立四轮毂电驱动***，包括第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机、第一驱动***、第二驱动***、第三驱动***、第四驱动***、整车控制器和仪表显示及驾驶员输入***，第一驱动***、第二驱动***、第三驱动***、第四驱动***分别与第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机相连，用于驱动轮毂电机；其特征在于设有第一动力电池组及管理***、第二动力电池组及管理***、第三动力电池组及管理***和第四动力电池组及管理***，第一动力电池组及管理***、第二动力电池组及管理***、第三动力电池组及管理***和第四动力电池组及管理***分别与第一驱动***、第二驱动***、第三驱动***和第四驱动***相连，为其提供直流电能。
2.根据权利要求1所述的电动汽车独立四轮毂电驱动***，其特征在于所述的第一驱动***、第二驱动***、第三驱动***、第四驱动***、第一动力电池组及管理***、第二动力电池组及管理***、第三动力电池组及管理***、第四动力电池组及管理***、整车控制器和仪表显示及驾驶员输入***之间采用总线连接。
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