一种纯电动动力总成及其控制方法与流程

本发明涉及新能源车辆技术领域，尤其涉及一种纯电动动力总成及其控制方法。

背景技术：

随着新能源车辆的不断发展，目前，越来越多的纯电动车辆成为新能源车辆的发展主流。然而，目前的纯电动车辆动力总成，尤其是双电机动力总成，仍存在动力总成布置不合理，不满足重型商用车辆的应用需求。重型商用车具有高速效率高、低速扭矩大的应用需求，要求最高车速可以达到80km/h～90km/h，还要求动力总成在低速区能够发挥出非常大的扭矩，例如，城建自卸车要求动力总成能够输出20000～30000n·m的扭矩，同时，在如此大的扭矩下，对轴承的动载荷要求将非常苛刻，并且，对电机的扭矩和功率需求也非常高，电机的成本也随之升高。目前，现有技术主要采用最高转速超过10000r/m的高速电机以降低电机的扭矩，然而，提高最高转速后电机的弱磁损失等也相应增加。

因此，如何合理设计纯电动动力总成，协调多电机扭矩或能量流分配管理的控制过程，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纯电动动力总成，能够在大扭矩工况下降低轴承等零部件的动载荷，提高其可靠性。本发明的另一个目的在于提供一种纯电动动力总成的控制方法，配合上述纯电动动力总成，用于协调控制电机扭矩或能量流分配，提高动力总成的能量利用效率。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种纯电动动力总成，包括第一电机、第二电机、主变速箱和副变速箱，所述主变速箱包括主变速箱输出轴、与所述第一电机相连的第一输入轴以及与所述第二电机相连的第二输入轴，所述第一输入轴和所述第二输入轴上均固连设置有一挡齿轮和二挡齿轮，所述主变速箱还包括与所述第一输入轴并列的第一换挡轴以及与所述第二输入轴并列的第二换挡轴，所述第一换挡轴和所述第二换挡轴上均空套设置有一挡啮合齿轮和二挡啮合齿轮，所述一挡啮合齿轮和所述二挡啮合齿轮之间布置有换挡机构，所述第一换挡轴和所述第二换挡轴上均固连有换挡输出齿轮，所述主变速箱输出轴的输入端设有与所述换挡输出齿轮啮合的主变速齿轮，所述主变速箱输出轴的输出端为所述副变速箱的输入端，所述副变速箱内设有减速机构。

本方案分别将第一电机和第二电机的一挡啮合齿轮和二挡啮合齿轮空套安装在第一换挡轴和第二换挡轴上，相比于现有技术，本方案在相同电机转速的情况下，可以降低主变速箱内轴承的转速，减小轴承的动载荷。本方案采用前置主变速箱且后置副变速箱的结构，在主变速箱内完成换挡后再在副变速箱内进行进一步减速增扭，同时实现扭矩分流，副变速箱输入轴和输出轴的轴承受径向负荷小，从而延长副变速箱的轴承的寿命。

优选地，所述减速机构为双中间轴减速机构或行星架减速机构。

优选地，所述一挡啮合齿轮固连有一挡接合齿圈，所述二挡啮合齿轮固连有二挡接合齿圈，所述换挡机构包括花键毂、滑套、所述一挡接合齿圈和所述二挡接合齿圈。

优选地，所述一挡接合齿圈与所述一挡啮合齿轮为一体式结构，所述二挡接合齿圈与所述二挡啮合齿轮为一体式结构。

优选地，所述第一换挡轴和所述第二换挡轴均固连有所述花键毂。

优选地，所述第一电机为永磁同步电机，所述第二电机为三相交流异步电机。

本发明还提供了一种纯电动动力总成的控制方法，应用于如上所述的纯电动动力总成，在该控制方法中，第一电机和第二电机的扭矩分配包括以下步骤：

根据加速踏板开度、制动踏板开度以及车重，确定动力总成需求扭矩treq；

根据动力电池soc、动力电池soh、动力电池温度、第一电机及其控制器的温度、第二电机及其控制器的温度，确定第一电机功率限值和第二电机功率限值；

根据动力总成需求扭矩treq、动力总成输出转速ncur、第一电机的当前传动比ix、第二电机的当前传动比iy、第一电机功率限值和第二电机功率限值，确定第一电机和第二电机的第一需求扭矩；

根据第一电机当前实际扭矩和第二电机当前实际扭矩，基于第一电机扭矩变化速率标定量和第二电机扭矩变化速率标定量，确定第一电机和第二电机的第二需求扭矩；

第一电机和第二电机的第二需求扭矩作为第一电机和第二电机的需求扭矩。

优选地，上述控制方法还包括电机的挡位控制逻辑：

车辆起步时，第一电机挂一挡进行主驱动，第二电机挂一挡进行辅助驱动；

车速达到第一换挡车速标定量时，第一电机挂二挡进行驱动，第二电机保持在一挡；

车速达到第二换挡车速标定量时，第二电机挂二挡进行主驱动，第一电机保持在二挡进行辅助驱动。

优选地，在确定第一电机和第二电机的第一需求扭矩时，电机驱动扭矩分配控制逻辑基于如下算式：

tx＝txv/(ix·μx)；

ty＝tyv/(iy·μy)；

其中，ncur是当前车速下的动力总成输出转速，ix和iy分别是第一电机和第二电机的当前传动比，txv第一电机折算到输出轴上的需求扭矩，tyv是第二电机折算到输出轴上的需求扭矩，μx和μy分别是当前转速和扭矩下的第一电机和第二电机的机械传动效率，μmx和μmy分别是当前转速和扭矩下的第一电机和第二电机的电机系统效率。

优选地，在确定第一电机和第二电机的第一需求扭矩时，电机制动扭矩分配控制逻辑基于如下算式：

其中，ncur是当前车速下的动力总成输出转速，ix和iy分别是第一电机和第二电机的当前传动比，txv第一电机折算到输出轴上的需求扭矩，tyv是第二电机折算到输出轴上的需求扭矩，μx和μy分别是当前转速和扭矩下的第一电机和第二电机的机械传动效率，μmx和μmy分别是当前转速和扭矩下的第一电机和第二电机的电机系统效率。

通过本发明提供的控制方法，可以在不同转速下合理分配协调两个电机的需求扭矩，从而使两个电机均运行在高效区，提高两个电机的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例中第一种纯电动动力总成的结构布置示意图；

图2为本发明具体实施例中第二种纯电动动力总成的结构布置示意图；

图3为本发明具体实施例中的换挡机构的结构示意图；

图4为本发明具体实施例中的纯电动动力总成的控制方法的流程图。

图1至图3中的各项附图标记的含义如下：

101-第一电机、102-第二电机、201-第一输入轴、202-第二输入轴、301-一挡齿轮、302-二挡齿轮、401-第一换挡轴、402-第二换挡轴、403-换挡输出齿轮、500-换挡机构、501-一挡啮合齿轮、502-二挡啮合齿轮、503-一挡接合齿圈、504-二挡接合齿圈、505-滑套、506-花键毂、600-主变速箱输出轴、601-主变速齿轮、602-副变速箱输入齿轮、700-主变速箱、800-副变速箱、801-第一中间轴、802-第二中间轴、803-中间轴输入齿轮、804-中间轴输出齿轮、805-副变速箱输出齿轮、806-副变速箱输出轴、807-太阳轮、808-行星架、809-齿圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1和图2，图1为本发明具体实施例中第一种纯电动动力总成的结构布置示意图；图2为本发明具体实施例中第二种纯电动动力总成的结构布置示意图；图3为本发明具体实施例中的换挡机构的结构示意图。

本发明提供了一种纯电动动力总成，包括第一电机101、第二电机102、主变速箱700和副变速箱800，主变速箱700包括主变速箱输出轴600、与第一电机101相连的第一输入轴201以及与第二电机102相连的第二输入轴202，第一输入轴201和第二输入轴202上均固连设置有一挡齿轮301和二挡齿轮302，主变速箱700还包括与第一输入轴201并列的第一换挡轴401以及与第二输入轴202并列的第二换挡轴402，第一换挡轴401和第二换挡轴402上均空套设置(通过轴承、滑动轴承等转动设置)有一挡啮合齿轮501和二挡啮合齿轮502，一挡啮合齿轮501与一挡齿轮301啮合，二挡啮合齿轮502与二挡齿轮302啮合，一挡啮合齿轮501和二挡啮合齿轮502之间布置有换挡机构500，第一换挡轴401和第二换挡轴402上均固连有换挡输出齿轮403，主变速箱输出轴600的输入端设有与换挡输出齿轮403啮合的主变速齿轮601，主变速箱输出轴600的输出端为副变速箱800的输入端，副变速箱800内设有减速机构。

需要说明的是，本发明中的换挡机构500可以设计为滑套换挡机构、拨片换挡机构、压盘换挡机构等，优选地，本方案中采用滑套换挡机构，具体的，如图3所示，一挡啮合齿轮501固连有一挡接合齿圈503，二挡啮合齿轮502固连有二挡接合齿圈504，换挡机构500包括花键毂506、滑套505、一挡接合齿圈503和二挡接合齿圈504。其中，花键毂506与其所在的换挡轴之间可以通过花键配合以传递扭矩，为了防止啮合齿轮和花键毂506沿换挡轴的轴向窜动，通过挡圈或轴肩等进行轴向限位。另外，花键毂506与其所在的换挡轴之间也可以采用其他连接方式进行扭矩的传递，例如键配合或一体加工成型等，优选地，第一换挡轴401和第二换挡轴402均固连有花键毂506。滑套505滑动设置于花键毂506外侧，并且通过花键与花键毂506配合，通过移动滑套505的位置可以使滑套505的内齿圈与一挡接合齿圈503或二挡接合齿圈504的外齿接合，从而实现主变速箱700的换挡。

需要说明的是，一挡接合齿圈503与一挡啮合齿轮501的连接方式以及二挡接合齿圈504与二挡啮合齿轮502的连接方式可以采用花键配合，也可以采用其他连接方式，例如过盈配合或一体加工成型等。优选地，本方案中的一挡接合齿圈503与一挡啮合齿轮501为一体式结构，二挡接合齿圈504与二挡啮合齿轮502为一体式结构。

主变速箱700上还安装有换挡执行机构及其控制单元，本文不再赘述。

需要说明的是，本方案中副变速箱800内的减速机构可以设计为双中间轴减速机构或行星架减速机构。如图1所示，双中间轴减速机构包括第一中间轴801和第二中间轴802，主变速箱输出轴600伸入到副变速箱800内的部分为副变速箱输入轴，副变速箱输入轴上固连有副变速箱输入齿轮602，第一中间轴801和第二中间轴802上均分别固连有一个与副变速箱输入齿轮602啮合的中间轴输入齿轮803，第一中间轴801和第二中间轴802上还分别固连有一个中间轴输出齿轮804，副变速箱输出轴806上固连有与两个中间轴输出齿轮804同时啮合的副变速箱输出齿轮805。如图2所示，行星架减速机构包括太阳轮807、行星架808和齿圈809，其中，太阳轮807固连于副变速箱输入轴上，齿圈809与副变速箱800的壳体固连，行星架808与副变速箱输出轴806固连。

优选地，第一电机101为永磁同步电机，第二电机102为三相交流异步电机。永磁同步电机效率更高，作为主驱动电机使用，其高效区位于中速区；三相交流异步电机不存在高速弱磁损耗，在高速空转的过程中不需要额外的电流/能量进行弱磁，因此，作为辅助驱动电机使用，其高效区位于中高速区。另外，车辆在高速巡航时的功率需求小，高效率的主驱动电机单独驱动，辅助驱动的第二电机跟随车辆空转，无弱磁损耗，提高电能利用效率。

本方案分别将第一电机101和第二电机102的一挡啮合齿轮501和二挡啮合齿轮502空套安装在第一换挡轴401和第二换挡轴402上，相比于现有技术，本方案在相同电机转速的情况下，可以降低主变速箱700内轴承的转速，减小轴承的动载荷。本方案采用前置主变速箱700且后置副变速箱800的结构，在主变速箱700内完成换挡后再在副变速箱800内进行进一步减速增扭，同时实现扭矩分流，副变速箱输入轴和输出轴的轴承受径向负荷小，从而延长副变速箱800内的轴承的寿命。可见，本发明提供的纯电动动力总成能够在大扭矩工况下降低轴承等零部件的动载荷，提高其可靠性。

另外，本方案在单电机工作的时候，或者两个电机的输出扭矩差距较大时，本方案采用双中间轴结构的主变速箱700和副变速箱800，可以平衡各轴的径向力，同时，具有零件数量少、结构简单、成本低的优点。

需要说明的是，电机在不同的扭矩和转速下具有不同的效率，因此，通过合理分配电机的扭矩才能使电机的效率提高，降低电机的能耗。例如，假设第一电机101在转速为6000～8000r/m且扭矩为100～400n·m时的效率最高为94％，第二电机102在转速为8000～10000r/m且扭矩为100～400n·m时的效率最高为93％，这时，如果转速为7000r/m，需求的电机扭矩和为300n·m，那么，希望扭矩全部由第一电机101提供，第二电机102空转即可，如此可以达到最高的电机运行效率；如果转速为8000r/m，需求的电机扭矩和为1000n·m，那么，希望扭矩分配给第一电机101和第二电机102，第一电机101和第二电机102的扭矩和所需要的能耗是最低的。

因此，为了协调两个电机的扭矩或能量流分配，提高能量利用效率，本发明还提供了一种纯电动动力总成的控制方法，应用于如上所述的纯电动动力总成，在该控制方法中，第一电机101和第二电机102的扭矩分配包括以下步骤，请参照图4：

s100：根据加速踏板开度、制动踏板开度以及车重，确定动力总成需求扭矩treq，驱动时的动力总成需求扭矩treq为正值，制动能量回收时的动力总成需求扭矩treq为负值；该步骤目的在于解析驾驶员的意图，当检测到加速踏板开度变大时，表示驾驶员具有加速驱动的意图，当检测到制动踏板开度变大时，表示驾驶员具有制动减速的意图，同时，结合载重计算模块输入的车重数据，可确定动力总成需求扭矩treq。

s200：根据动力电池soc(电池的荷电状态)、动力电池soh(电池健康程度)、动力电池温度、第一电机及其控制器的温度、第二电机及其控制器的温度，确定第一电机功率限值和第二电机功率限值；该步骤主要通过充放电功率限制模块根据当前动力电池的荷电状态、健康程度以及温度，并结合两个电机及其控制器的温度，来控制第一电机101和第二电机102的充放电功率避免超出上限值。

电池、电机控制器以及电机等部件的功率受到其温度的影响，例如，电池适宜的工作温度范围为20℃～45℃，如果温度过低，将限制其化学反应速度，进而限制其功率，如果温度过高，电池大功率工作，将产生更多的热量，进一步推升温度，易造成热失控，发生安全事故。再例如，电机控制器的工作温度如果过高，大功率工作时产生更多热量，进一步推升温度，容易造成高压功率开关管爆管起火等事故。再例如，电机的温度如果过高，容易造成永磁同步电机内的稀土永磁材料退磁，所以，在现有技术中根据不同的温度确定了电机的最大功率限制。电池的soc也限制了电池的充放电功率，例如，当soc较高时放电功率大，而充电功率小；反之，当soc较低时放电功率小，而充电功率大。电池的soh与soc的效果类似，在相同soc值的情况下，soh越低，电池的充放电功率也就越低。

s300：根据动力总成需求扭矩treq、动力总成输出转速ncur、第一电机101的当前传动比ix、第二电机102的当前传动比iy、第一电机功率限值和第二电机功率限值，确定第一电机101的第一需求扭矩tx和第二电机102的第一需求扭矩ty；该步骤可由电机扭矩分配模块完成。

具体的，电机扭矩分配模块的电机驱动扭矩分配控制逻辑基于如下算式：

其中，tx＝txv/(ix·μx)；

ty＝tyv/(iy·μy)；

电机扭矩分配模块的电机制动扭矩分配控制逻辑基于如下算式：

其中，ncur是当前车速下的动力总成输出转速，ix和iy分别是第一电机101和第二电机102的当前传动比，txv第一电机101折算到输出轴上的需求扭矩，tyv是第二电机102折算到输出轴上的需求扭矩，μx和μy分别是当前转速和扭矩下的第一电机101和第二电机102的机械传动效率，μmx和μmy分别是当前转速和扭矩下的第一电机101和第二电机102的电机系统效率。

s400：根据第一电机101当前实际扭矩和第二电机102当前实际扭矩，基于第一电机扭矩变化速率标定量mapc1和第二电机扭矩变化速率标定量mapc2，确定第一电机101的第二需求扭矩和第二电机102的第二需求扭矩；该步骤可由扭矩振动抑制模块完成，其目的是为了在两个电机输出转矩发生变化时减少振动。其中，mapc1是标定第一电机101的扭矩变化率限制map得出的单位时间内扭矩的最大变化量，mapc2是标定第二电机102的扭矩变化率限制map得出的单位时间内扭矩的最大变化量。两个电机的扭矩变化率限制map与电机、电机控制器以及传动部件的电气与机械特性相关，也与控制算法相关，例如，扭矩响应比较慢，或者出现扭矩超调波动时，会影响两个电机的扭矩变化速率标定量。两个电机的第二需求扭矩是上文所述的第一需求扭矩的修正值，如果第一需求扭矩导致的变化率小于mapc1或mapc2，那么，第二需求扭矩就是第一需求扭矩；否则，第二需求扭矩就是根据mapc1或mapc2中查表得出的最大变化值确定的。

s500：第一电机101的第二需求扭矩作为第一电机101的需求扭矩，第二电机102的第二需求扭矩作为第二电机102的需求扭矩。

通过本发明提供的控制方法，可以在不同转速下合理分配协调两个电机的需求扭矩，从而使两个电机均运行在高效区，提高两个电机的效率。

为了保证电机驱动的连续性，优选地，本发明提供的控制方法还包括第一电机101和第二电机102的挡位控制逻辑：

车辆起步时，第一电机101挂一挡进行主驱动，第二电机102挂一挡进行辅助驱动；

车速达到第一换挡车速标定量mapv1时，第一电机101挂二挡进行驱动，第二电机102保持在一挡；

车速达到第二换挡车速标定量mapv2时，第二电机102挂二挡进行主驱动，第一电机101保持在二挡进行辅助驱动。

其中，mapv1和mapv2分别是第一电机101和第二电机102的换挡车速，可通过多种方式判断换挡车速，主要包括：1)通过车速判断；2)通过车速和加速踏板开度判断；3)通过车速、加速度和加速踏板开度判断。通过上述第一电机101和第二电机102的挡位控制逻辑，可以确保两个电机的换挡过程更加平顺。

上述动力总成可以运行两种模式，分别为经济模式和动力模式，其中，经济模式为：当车辆车速超过某标定转速时，且辅助驱动的电机在其需求扭矩为0时，其挂空挡，当其需求扭矩不为零时，主驱动电机在其查map获得的需求扭矩基础上增加扭矩(根据标定map)，补充扭矩需求，然后挂挡，辅驱电机参与驱动。

动力模式为：无论辅驱电机还是主驱电机均挂在响应的档位上，当某电机的需求扭矩为零时，电机在挡空转。

需要说明的是，对于其他形式的双电机驱动且每个电机均可独立驱动的纯电动动力总成，本发明提供的控制方法也适用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。