一种轮毂电机分布式分时四驱电动汽车底盘构型、四驱电动汽车和控制方法与流程

本发明涉及一种新能源汽车领域，尤其涉及一种分布式分时驱动的轮毂电机燃料电池底盘构型。

背景技术：

面对日益严峻的环保压力，全球各国都制定了日益严苛的排放法规。新能源汽车以其节能、环保等诸多优点，已成为目前汽车发展的重要方向。目前，纯电动汽车已得到了广泛的应用，但续航短、充电时间长两大核心问题一直困扰着电动汽车的发展。燃料电池汽车因其能量转化效率高，排放零污染而具有很广阔的市场前景。

燃料电池发动机增程式电动汽车综合了纯电动汽车和混合动力汽车的优点，其采用燃料电池发动机做增程器，摆脱了纯电动汽车受续驶里程的限制，且传动系统简单，从而提高了传动效率，减少了功率损失。同时，燃料电池发动机的最终产物是水，达到了零排放或近似零排放，能够实现对环境的零污染。

目前，公开的燃料电池汽车采用燃料电池系统和动力电池并联工作向集中驱动的一个电机供电驱动车辆，这样单个电机体积质量较大，影响燃电电堆、氢罐等布置，同时需要经过主减速器、差速器、传动轴将动力从集中驱动电机传输到两个车轮，传动链长、传动效率低。

专利文献(中国专利公开号：cn207311086u)中公开了一种插电式电-电混合燃料电池增程式四驱动力系统，包括集中电机、减速器、差速器、左轮毂电机、右轮毂电机、燃料电池发动机、动力电池组和控制单元，其采用燃料电池发动机为主要动力源，动力电池组为辅助电源装置。但是该专利所述方案中，轮毂电机加集中电机和减速器的驱动系统，结构布置较复杂，且整车控制器对驱动系统的控制较为复杂。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种分布式分时驱动的轮毂电机燃料电池底盘构型。驱动系统采用四个轮毂电机，动力系统采用燃料电池发动机和动力电池组，氢燃料作为能源，可根据工况需求实现两驱/四驱模式适时切换的扭矩协调控制系统尚未有人提出。

本发明公开了一种轮毂电机分布式分时四驱电动汽车底盘构型，包括驱动系统、动力系统和控制系统，所述动力系统连接控制系统，所述控制系统连接驱动单元，所述动力系统包括燃料电池发动机、动力电池组和dc/dc转换器，所述控制系统包括整车控制器、燃料电池发动机控制器、电池管理控制器、轮毂电机控制器，所述驱动系统包括分别连接于四个轮胎轮辋总成上的四个轮毂电机，所述燃料电池发动机通过所述dc/dc转换器与所述动力电池组连接，所述动力电池组通过所述dc/dc转换器与四个轮毂电机连接，所述动力电池组与四个轮毂电机连接，所述整车控制器分别连接所述燃料电池发动机控制器、所述电池管理控制器、所述轮毂电机控制器、所述电池管理控制器和所述dc/dc转换器。

本发明还公开了所述燃料电池发动机的输入端通过氢气管理系统连接有储氢罐；所述燃料电池发动机连接有空压机及其辅助装置。

本发明还公开了其包括工作模式：单桥两轮毂电机/双桥四轮毂电机驱动模式、驱动模式、纯电动驱动模式、增程模式、燃料电池发动机模式和并联模式。

本发明还公开了本发明还公开了所述单桥两轮毂电机/双桥四轮毂电机驱动模式为：当车辆行驶在负荷较低的常规工况时，整车控制器只开启单桥两个轮毂电机，另外一个桥的两个轮毂电机系统关闭，两个轮毂电机直接驱动轮胎轮辋总成；当车辆在负荷较高的工况时,整车控制器开启双桥四个轮毂电机，四个轮毂电机直接驱动轮胎轮辋总成。

本发明还公开了所述纯电动驱动模式为：当动力电池组荷电状态较高且功率需求较低时，只有动力电池组提供电能，整车控制器通过控制策略分配动力输出，电能给单桥两轮毂电机或者给双桥四轮毂电机驱动。

本发明还公开了所述增程模式为：当动力电池组荷电状态较低且功率需求较低时，所述燃料电池发动机输出的电能，经dc/dc转换器，整车控制器通过控制策略分配动力输出，一部分给动力电池组充电，一部分供给单桥两轮毂电机或者给双桥四轮毂电机驱动。

本发明还公开了所述燃料电池发动机模式为：当动力电池组严重故障或者荷电状态非常低并且功率需求较为平稳时，燃料电池发动机输出的电能，整车控制器通过控制策略分配动力输出，经过dc/dc转换器供给单桥两轮毂电机或者给双桥四轮毂电机驱动。

本发明还公开了所述并联模式为：当功率需求较大且动力电池组荷电状态较高时，在功率需求变化阶段，只有动力电池组提供电能，整车控制器通过控制策略分配动力输出，电能供给单桥两轮毂电机或者给双桥四轮毂电机驱动，当功率需求稳定后，整车控制器通过控制策略分配动力输出，动力电池组和燃料电池发动机同时给单桥两轮毂电机或者给双桥四轮毂电机供电驱动车辆行驶。

本发明还公开了一种四驱电动汽车，包括前述的轮毂电机分布式分时四驱电动汽车底盘构型。

本发明还公开了一种四驱电动汽车的控制方法，其为前述的四驱电动汽车，该四驱电动汽车通过整车扭矩协调控制提升整车操控性能；四轮驱动电动汽车作为被控对象，接收整车控制器控制算法决策出的四轮驱动力矩进行响应；车辆反馈车速、加速度、横摆角速度车体状态参数给出控制算法，其控制步骤包括：采用汽车运动学控制算法，对实际的横摆角速度进行控制，通过控制算法调节，以接近或达到理想的横摆角速度，决策出此时所需的附加横摆力矩，然后经过力矩分配策略，对轮毂电机和集中电机的力矩进行分配，实现纯电动车四轮力矩补偿而达到扭矩精准控制。

本发明的控制方法可以参考申请号为2019105503279专利所公开的内容，其直接横摆力矩控制过程采用二自由度模型输出的理想横摆角速度与实际汽车横摆角速度差的作为控制量，通过灵敏度控制器得到实际控制偏差，再通过pi控制器决策直接横摆力矩，直接横摆力矩在这通过左右电机差扭的方式实现，最后通过分配环节将其分配到前后轴上。

本发明的工作原理为：当车辆运行在低负荷工况时，所述系统的单个桥的两个轮毂电机单独驱动车辆，另外一个桥的两个轮毂电机关闭，仅作为动轮，以提高整车经济性且满足车辆行驶需求；高负荷工况时，例如行驶在异附路面或者爬坡的时候，单个桥的两轮毂电机驱动工作难以满足需求，此时另外一个桥的两轮毂电机开始参与工作，开启双桥四轮毂电机四驱模式，整车控制器将负荷按照一定的控制策略分配给四个轮毂电机，使四个轮毂电机都具有较高的负荷率；当车辆转向时，整车控制器控制前桥的两个轮毂电机进行转向，后桥的两个轮毂电机跟随转向，不进行主动转向；当车辆制动时，轮毂电机进行制动能量回收，提高了制动能量回收率，缩短了刹车距离；在燃料电池发动机未启动时，动力电池组直接供给四个轮毂电机，实现车辆的行驶、转向、制动；燃料电池发动机系统启动时，燃料电池发动机输出电能，经过dc/dc转换器，一部分给动力电池组充电，一部分供给四个轮毂电机，实现车辆的行驶、转向、制动。

燃料电池能量管理策略，根据燃料电池发动机、动力电池工作特性和驱动系统总能量需求制定整车能量管理策略。不同整车工况条件下，整车控制器根据轮毂电机扭矩的需求，通过转化为功率，结合当前动力电池soc状态，计算得到燃料电池发动机与动力电池所需的功率，并向燃料电池控制器和动力电池bms发送功率请求。燃料电池控制器控制氢气、空气、水路实现燃料电池发动机功率输出；bms根据功率需求控制动力电池功率输出。

分布式驱动布置形式可以通过整车扭矩协调控制提升整车操控性能。四轮轮毂电机驱动电动汽车作为被控对象，接收整车控制器控制算法决策出的四轮驱动力矩进行响应；车辆反馈车速、加速度、横摆角速度等车体状态参数给控制算法。首先经过车体状态参数及变量计算，计算出前后轴的等效侧偏刚度和垂向载荷分布；然后，经过转向特性设计，设定横摆角速度的理想值作为整车控制跟随控制目标。具体来说，就是采用汽车运动学控制算法，对实际的横摆角速度进行控制，通过控制算法调节横摆角度，以接近或达到理想的横摆角速度，决策出此时所需的附加横摆力矩，然后经过力矩分配策略，分配到四个轮毂电机力矩，实现纯电动车四轮力矩补偿而达到扭矩精准控制。

本发明的有益效果是：1、提出一种新型的电驱动底盘构型，驱动系统采用四个轮毂电机，可实现两驱/四驱模式的自由切换，适用于不同工况，在相同车辆负荷条件下，明显提高电机的工作效率；2、动力系统采用燃料电池发动机和动力电池组，氢气作为能源，可实现零排放，无污染；3、采用分布式布置可减少车辆传动系统的零部件数量，简化底盘布置，提升轻量化空间，提高整车的传动效率，降低能耗，提高整车续航里程；4、分布式驱动布置形式可以通过整车扭矩协调控制提升整车操控性能。

附图说明

图1为本发明分布式分时驱动的轮毂电机燃料电池底盘构型示意图。

图示标注说明：1-轮胎轮辋总成；2-轮毂电机；3-前悬架总成；4-车架总成；5-前悬架总成；6-轮毂电机；7-轮胎轮辋总成；8-逆变器；9-轮毂电机控制器；10-电池管理控制器；11-动力电池组；12-燃料电池发动机；13-空压机及其辅助装置；14-燃料电池发动机控制器；15-整车控制器；16-轮毂电机控制器；17-逆变器；18-轮胎轮辋总成；19-轮毂电机；20-后悬架总成；21-后悬架总成；22-轮毂电机；23-轮胎轮辋总成；24-逆变器；25-毂电机控制器；26-储氢罐；27-氢气管理系统；28-dc/dc转换器；29-轮毂电机控制器；30-逆变器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细描述。

如图所示，一种分布式分时驱动的轮毂电机燃料电池底盘构型，包括燃料电池发动机12、空压机及其辅助装置13、氢气管理系统27、储氢罐26、dc/dc转换器28、动力电池组11、四个轮毂电机2、6、19、22(含逆变器8、17、24、39和轮毂电机控制器9、18、25、29)、整车控制器15、燃料电池控制器14、电池管理控制器10、前悬架总成3和5、后悬架总成20和21、轮胎轮辋总成1、7、18、23、车架总成4。所述的驱动系统包括四个轮毂电机2、6、19、22，分别装在轮辋上，直接驱动轮胎轮辋总成1、7、18、23，实现车辆的行驶、转向和制动；所述的动力系统包括燃料电池发动机12、空压机及其辅助装置13、氢气管理系统27、储氢罐26、动力电池组11和dc/dc转换器28，所述的燃料电池发动机12分别连接氢气管理系统27、空压机及其辅助装置13，储氢罐26连接氢气管理系统27，储氢罐26给燃料电池发动机12提供氢气能源，燃料电池发动机12通过dc/dc转换器28与动力电池组11连接，可以实现给动力电池组11充电，也可直接给轮毂电机2、6、19、22提供电能，动力电池组11可直接给轮毂电机2、6、19、22提供电能；控制系统包括整车控制器15、燃料电池发动机控制器14、电池管理控制器10、轮毂电机控制器9、18、25、29，所述的整车控制器15分别连接轮毂电机控制器9、18、25、29、燃料电池发动机控制器14和电池管理控制器10；所述前悬架总成3和5连接车架总成4和轮胎轮辋总成1、7、18、23为车辆提供转向、承载和减震；所述后悬架总成20和21连接车架总成4和轮胎轮辋总成1、7、18、23为车辆提供承载和减震；所述车架总成4为车辆提供承载。

为了进一步的了解本发明的实施方式及内容，通过附图对本发明进行详细说明，具体如下：

1、单桥两轮毂电机驱动模式当车辆行驶在负荷较低的常规工况时，整车控制器只开启单桥两轮毂电机，另外一个桥的两轮毂电机系统关闭，两轮毂电机直接驱动轮胎轮辋总成，相对于传统纯电动汽车，不仅能满足车辆行驶需求，动力传动链短，传动效率高。如果需要转向时，两轮毂电机也可以参与工作(前桥两轮毂电机驱动时)，车辆转向时，也可通过分布式差扭控制实现转向助力。

2、双桥四轮毂电机驱动模式当车辆在负荷较高的工况时，例如异附路面或者爬坡路面时，两轮毂电机可能难以满足车辆的行驶需求，此时整车控制器通过检测车辆的动力输出，适时开启另外一个桥的两轮毂电机，四个轮毂电机共同驱动车辆，四个轮毂电机都有较高的负荷率，工作在各自的高效区间内。车辆转向时，前桥的两轮毂电机通过分布式差扭控制实现转向助力。

3、纯电动驱动模式当动力电池组荷电状态较高且功率需求较低时，车辆在纯电动模式运行。在该模式下，只有动力电池组提供电能，整车控制器通过控制策略分配动力输出，电能给单桥两轮毂电机或者给双桥四轮毂电机驱动。

4、增程模式

当动力电池组荷电状态较低且功率需求较低时，车辆在增程模式运行。在该模式下，增程器工作，燃料电池发动机输出的电能，经dc/dc转换器，整车控制器通过控制策略分配动力输出，一部分给动力电池组充电，一部分供给单桥两轮毂电机或者给双桥四轮毂电机驱动。

5、燃料电池发动机模式当动力电池组严重故障或者荷电状态非常低，并且功率需求较为平稳时，车辆在燃料电池发动机模式运行。在该模式下，燃料电池发动机输出的电能，整车控制器通过控制策略分配动力输出，经过dc/dc转换器供给单桥两轮毂电机或者给双桥四轮毂电机驱动。

6、并联模式

当功率需求较大且动力电池组荷电状态较高时，车辆在并联模式下运行。在该模式下，在功率需求变化阶段，只有动力电池组提供电能，整车控制器通过控制策略分配动力输出，电能供给单桥两轮毂电机或者给双桥四轮毂电机驱动。当功率需求稳定后，整车控制器通过控制策略分配动力输出，动力电池组和燃料电池发动机同时给单桥两轮毂电机或者给双桥四轮毂电机供电驱动车辆行驶。

7、制动能量回收模式当整车控制器检测到制动信号后，此时开启轮毂电机的制动能量回收模式，将制动时一部分机械能转化为电能，通过逆变器为动力电池组充电，提高了电池能量的利用率。

8、燃料电池能量管理策略燃料电池能量管理策略，根据燃料电池发动机、动力电池工作特性和驱动系统总能量需求制定整车能量管理策略。不同整车工况条件下，整车控制器根据轮毂电机扭矩的需求，通过转化为功率，结合当前动力电池soc状态，计算得到燃料电池发动机与动力电池所需的功率，并向燃料电池控制器和动力电池bms发送功率请求。燃料电池控制器控制氢气、空气、水路实现燃料电池发动机功率输出；bms根据功率需求控制动力电池功率输出。

9、整车扭矩协调控制分布式驱动布置形式可以通过整车扭矩协调控制提升整车操控性能。四轮轮毂电机驱动电动汽车作为被控对象，接收整车控制器控制算法决策出的四轮驱动力矩进行响应；车辆反馈车速、加速度、横摆角速度等车体状态参数给控制算法。首先经过车体状态参数及变量计算，计算出前后轴的等效侧偏刚度和垂向载荷分布；然后，经过转向特性设计，设定横摆角速度的理想值作为整车控制跟随控制目标。具体来说，就是采用汽车运动学控制算法，对实际的横摆角速度进行控制，通过控制算法调节横摆角度，以接近或达到理想的横摆角速度，决策出此时所需的附加横摆力矩，然后经过力矩分配策略，分配到四个轮毂电机力矩，实现纯电动车四轮力矩补偿而达到扭矩精准控制。其中，直接横摆力矩控制过程采用二自由度模型输出的理想横摆角速度与实际汽车横摆角速度差的作为控制量，通过灵敏度控制器得到实际控制偏差，再通过pi控制器决策直接横摆力矩，直接横摆力矩在这通过左右电机差扭的方式实现，最后通过分配环节将其分配到前后轴上。

一种分布式分时驱动的轮毂电机燃料电池底盘构型衍生方案的构型，超级电容代替动力电池组作为辅助电源装置，为轮毂单机提供电能输出。