双电动机电动变速器及控制方法
阅读说明：本技术 双电动机电动变速器及控制方法 (Dual-motor electric transmission and control method ) 是由 J·范丁格恩 B·汉农 K·卡托尔 F·萨齐特 于 2021-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于电动车辆的双电动机电动变速器和一种用于双电动机电动变速器的控制方法。该变速器包括用于驱动车辆的第一电动机和第二电动机、第一齿轮布置、第二齿轮布置和汇总箱,其中,第一齿轮布置包括第一齿轮布置第一轴和至少一个第一齿轮和第二齿轮,其中,第一齿轮和第二齿轮中的每一个都可以经由第一离合器元件和第二离合器元件与第一齿轮布置第一轴选择性地接合和脱离,并且第一齿轮布置被构造成经由第一齿轮和第二齿轮中的一个将来自第一电动机的第一扭矩供应到汇总箱,第二齿轮布置包括第二齿轮布置第一轴和至少一个第二齿轮布置第一齿轮,其中,第二齿轮布置第一齿轮可以经由第二齿轮布置第一离合器元件与第二齿轮布置第一轴接合和脱离,并且第二齿轮布置被构造成将来自第二电动机的第二扭矩供应到汇总箱。(The present invention relates to a dual-motor electrically-variable transmission for an electric vehicle and a control method for the dual-motor electrically-variable transmission. The transmission comprises a first and a second electric motor for driving the vehicle, a first gear arrangement, a second gear arrangement and a junction box, wherein the first gear arrangement comprises a first gear arrangement first shaft and at least one first and second gear, wherein each of the first and second gear is selectively engageable and disengageable with the first gear arrangement first shaft via a first and second clutch element, and the first gear arrangement is configured to supply a first torque from the first electric motor to the junction box via one of the first and second gear, the second gear arrangement comprises a second gear arrangement first shaft and at least one second gear arrangement first gear, wherein the second gear arrangement first gear is engageable and disengageable with the second gear arrangement first shaft via a second gear arrangement first clutch element, and the second gear arrangement is configured to supply the second torque from the second electric motor to the junction box.)
技术领域
本发明涉及一种用于电动车辆的双电动机电动变速器和一种用于控制双电动机电动变速器的控制方法。
背景技术
改善电动车辆的驱动单元的主要目标是提高电动变速器的效率。为了使电动机以最佳效率运行，需要有向着变速器输出的多个齿轮比率。为了最佳性能，也需要动力切换(powershifting，或称“动力换挡”)。动力切换能够在不降低输出扭矩功能的情况下进行齿轮切换(换挡)。特别是在非公路市场或其他高性能应用中，需要动力切换以及功能安全的设计
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种双电动机电动变速器，其具有改善的效率和功能安全的设计。
该目标通过根据独立权利要求1的双电动机电动变速器装置和用于根据权利要求10的双电动机电动变速器装置的控制方法实现。在从属权利要求中提到双电动机电动变速器装置的有利实施例。
根据本发明的用于电动车辆的双电动机电动变速器包括：用于驱动汽车的第一电动机和第二电动机，第一齿轮布置、第二齿轮布置，以及汇总箱，其中所述第一齿轮布置包括第一齿轮布置第一轴和至少一个第一齿轮和第二齿轮，其中，所述第一齿轮和所述第二齿轮中的每一个都能经由第一离合器元件或第二离合器元件与所述第一齿轮布置第一轴选择性地接合和脱离，并且所述第一齿轮布置被构造成经由所述第一齿轮和所述第二齿轮中的一个将来自所述第一电动机的第一扭矩供应到所述汇总箱，第二齿轮布置包括第二齿轮布置第一轴和至少一个第二齿轮布置第一齿轮，其中，第二齿轮布置第一齿轮能经由第二齿轮布置第一离合器元件与第二齿轮布置第一轴接合和脱离，并且第二齿轮布置被构造成将来自第二电动机的第二扭矩供应到汇总箱，以及汇总箱被构造成结合第一扭矩和第二扭矩，并且构造成输出结合的输出扭矩。
通过在输入侧有两个电动机，并且在变速器的输出侧有结合的输出扭矩，可以彼此基本独立地并且根据分别连接的齿轮布置来驱动第一电动机和第二电动机，使得双电动机电动变速器的效率最大化。此外，根据本发明的变速器能够动力切换，这意味着在齿轮切换(换挡)期间可以保持结合的输出扭矩。
根据本发明的最简单的构造，第二齿轮布置可以是直接驱动或单个的恒定齿轮比率。
根据本发明的有利实施例，第一齿轮布置还可以包括第一齿轮布置第二轴和第一齿轮布置固定齿轮组，其中，第一齿轮布置第一轴经由第一齿轮布置固定齿轮组联接至第一齿轮布置第二轴。
根据另一有利实施例，第二齿轮布置还可以包括第二齿轮布置第二齿轮，第二齿轮布置第二齿轮能经由第二齿轮布置第二离合器元件与第二齿轮布置第一轴接合或脱离。
根据另一有利实施例，第二齿轮布置还可以包括第二齿轮布置第二轴和第二齿轮布置固定齿轮组，其中，第二齿轮布置第一轴经由第二齿轮布置固定齿轮组联接至第二齿轮布置第二轴。
根据另一有利实施例，第二齿轮布置还可以包括第二齿轮布置第二轴和与该第二齿轮布置第二轴固定接合的至少两个另外的齿轮，其中，两个另外的齿轮中的一个与第二齿轮布置第一轴的第二齿轮布置第一齿轮啮合，而两个另外的齿轮中的另一个联接至汇总箱。
根据另一有利实施例，离合器元件可以是弹簧加载的和/或在失去致动的情况下自动脱离。这使得变速器的机械系统在功能上是安全的，意味着在第一齿轮和第二齿轮布置的离合器没有被液压地、电动地或其他方式激活的情况下，没有动力可以从电动机传递到车轮。
根据另一有利实施例，离合器元件可以包括齿式离合器或同步离合器，或由齿式离合器或同步离合器组成。
根据另一有利实施例，第二电动机可以连接到取力器和/或充电泵。特别是，第二电动机可以选择性地与汇总箱脱离，以便只为取力器和/或充电泵提供动力。
根据另一有利实施例，结合的输出扭矩可以输出到前输出轭(叉)和/或后输出轭(叉)。
根据另外一个有利实施例，可以在汇总箱与后输出轭和前输出轭之间附加第三齿轮布置，其中，第三齿轮布置可以包括两个齿轮组，它们可以经由第三齿轮布置的第一离合器元件和第二离合器元件接合和脱离。这些离合器元件可以由湿式离合器组成或构成。湿式离合器能够动力切换。
根据另一有利实施例，在前输出轭和后输出轭之间可以布置桥间差速器，可选地包括锁定功能，和/或断开离合器，以使前输出轭与后输出轭脱离或者使后输出轭与前输出轭脱离。替代地，前输出轭和后输出轭是刚性连接的或通过其他方式连接。
根据另一有利实施例，该双电动机电动变速器可以包括第一控制单元，该第一控制单元适于控制第二电动机，以在第一齿轮布置的齿轮切换期间提供增加的第二扭矩，使得结合的输出扭矩在齿轮切换期间基本保持不变。
根据另一有利实施例，该双电动机电动变速器可以包括第二控制单元，该第二控制单元适于控制第一电动机，以在第二齿轮布置的齿轮切换期间提供增加的第一扭矩，使得结合的输出扭矩在齿轮切换期间基本保持不变。
第一控制单元和第二控制单元可以是一个共同的控制单元的一些部分，或者也可以是单独的构件和/或可以连接到主控制单元。第一控制单元和第二控制单元可以是逆变器控制单元，并且可以适于分别控制第一电动机和第二电动机，以实现由主控制单元提供的速度-扭矩设定点。
根据另一有利实施例，增加的第一扭矩或第二扭矩可以是第一电动机或第二电动机的峰值扭矩，其中，该峰值扭矩可以是第一电动机或第二电动机的连续扭矩的大约两倍。
本发明还包括一种用于控制如上文所述的双电动机电动变速器以在第一齿轮布置中执行从第一齿轮到第二齿轮的齿轮切换的控制方法，该控制方法包括：控制第二电动机以与第二齿轮布置第一齿轮同步，控制第二齿轮布置第一离合器元件以与第二齿轮布置第一轴接合，控制第一电动机以将第一扭矩减小到零，并且同时控制第二电动机以增加第二扭矩，使得结合的输出扭矩基本恒定，控制第一离合器元件以与第一齿轮布置第一轴脱离，控制第一电动机以与第一齿轮布置第二齿轮同步，控制第二离合器元件以与第一齿轮布置第一轴接合，控制第二电动机以减小第二扭矩，并且同时控制第一电动机以增加第一扭矩，使得结合的输出扭矩基本恒定。
根据上述控制方法的有利实施例，如果第一齿轮(挡位)低于第二齿轮(挡位)，则第一齿轮布置中的齿轮切换过程可以是升挡过程。
根据上述控制方法的另一有利实施例，如果第一齿轮(挡位)高于第二齿轮(挡位)，则第一齿轮布置中的齿轮切换过程可以是降挡过程。
本发明还包括一种用于控制如上文所述的包括具有的至少两个齿轮的第二齿轮布置的双电动机电动变速器，以在第二齿轮布置中执行从第一齿轮到第二齿轮的齿轮切换，该控制方法包括：控制第一电动机以与第一齿轮布置第一齿轮同步，控制第一离合器元件以与第一齿轮布置第一轴接合，控制第二电动机以将第二扭矩减小到零，并且同时控制第一电动机以增加第一扭矩，使得结合的输出扭矩基本恒定，控制第一离合器元件以与第二齿轮布置第一轴脱离，控制第二电动机以与第二齿轮布置第二齿轮同步，控制第二齿轮布置第二离合器元件以与第二齿轮布置第一轴接合，控制第一电动机以减第一扭矩，并且同时控制第二电动机以增加第二扭矩，使得结合的输出扭矩基本恒定。
根据上述控制方法的有利实施例，如果第二齿轮布置第一齿轮(挡位)低于第二齿轮布置第二齿轮(挡位)，则第二齿轮布置中的齿轮切换过程可以是升挡过程。
根据本发明的另一有利实施例，如果第二齿轮布置第一齿轮(挡位)高于第二齿轮布置第二齿轮(挡位)，则第二齿轮布置中的齿轮切换过程可以是降挡过程。
根据本发明的控制方法的优点是，输出扭矩是一条连续的曲线，在扭矩曲线中没有下降。尽管第一齿轮布置是最简单的构造，具有齿式离合器的双速齿轮布置，但在换挡期间将维持输出扭矩。这是通过增加一个电动机的扭矩，同时另一个电动机在零功率下使开式齿式离合器同步来实现的。对于全动力切换，可以选择这样的电动机，换挡期间的峰值功率至少是连续功率的两倍。对于许多高性能应用都需要动力切换，如非公路应用。但是，电动动力系统需要高效率，以减少能量储存，例如电池尺寸。因此，高效的齿式离合器是优选的。
附图说明
在下文中，基于以下附图更详细地描述根据本发明的双电动机电动变速器和控制方法的一些优选实施例。所描述的特征不仅可以设想公开实施例的组合，而且可以独立于各种其它组合中的具体实施例来实现。
图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的变速器布局，
图2示意性地示出了根据本发明的第二实施例的变速器布局，
图3示意性地示出了根据本发明的第三实施例的变速器布局，
图4示出了根据变速器输出速度的不同的变速器输出扭矩曲线，以及
图5示出了根据变速器输出速度的不同的变速器输出功率曲线。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的变速器布局。根据第一实施例，用于电动车辆的双电动机电动变速器装置包括第一电动机1，其由第一逆变器控制器la控制，以及第二电动机2，其由第二逆变器控制器2a控制。第一电动机和第二电动机1、2被构造成驱动电动车辆。变速器还包括第一齿轮布置10、第二齿轮布置20和汇总(summation)箱30。
第一齿轮布置10包括第一齿轮布置第一轴l0a、第一齿轮11和第二齿轮12，其中，第一齿轮和第二齿轮11、12中的每一个都可以经由第一齿式离合器或第二齿式离合器(dogclutch)11a、12a与第一齿轮布置第一轴10a选择性地接合和脱离。第一齿轮布置10还包括第一齿轮布置第二轴13和带有齿轮14、15的第一齿轮布置固定齿轮组。齿轮14与第一齿轮布置第二轴永久接合，齿轮15与第一齿轮布置第一轴10a永久接合，并且齿轮14、15彼此啮合，使得第一齿轮布置第一轴10a经由第一齿轮布置固定齿轮组14、15联接至第一齿轮布置第二轴13。
第二齿轮布置20包括第二齿轮布置第一轴20a和第二齿轮布置第一齿轮22，其中，第二齿轮布置第一齿轮22可以经由第二齿轮布置第一齿式离合器22a与第二齿轮布置第一轴20a接合和脱离。第二齿轮布置20还包括第二齿轮布置第二轴23和与第二齿轮布置第二轴23固定接合的两个另外的齿轮24、25，其中，两个另外的齿轮24、25中的一个与第二齿轮布置第一轴20a的第二齿轮布置第一齿轮22啮合，而两个另外的齿轮24、25中的另一个联接至汇总箱30。此外，第二齿轮布置第一轴20a连接到取力器(power take-off)。在这种情况下，齿式离合器22a与第二齿轮布置第一轴20a脱离，只有取力器由第二电动机2提供动力。
汇总箱包括轴30a、汇总箱第一齿轮32和汇总箱第二齿轮31，汇总箱第一齿轮32和汇总箱第二齿轮31与轴30a永久接合。轴30a还与前输出轭34和后输出轭33连接。前输出轭和后输出轭33和34被构造成对车辆的车轮递送组合的输出扭矩。
第一齿轮布置10的第一齿轮11与汇总箱第一齿轮32啮合。第一齿轮布置10的第二齿轮12和第二齿轮布置20的齿轮25中的每一个都与汇总箱第二齿轮32啮合。
第一齿轮布置10被构造成经由第一齿轮和第二齿轮11、12中的一个将来自第一电动机1的第一扭矩供应到汇总箱30。第二齿轮布置20被构造成将来自第二电动机2的第二扭矩供应到汇总箱30。汇总箱30被构造成将第一扭矩和第二扭矩结合起来，并且将结合的输出扭矩输出到前输出轭和后输出轭34和33。
在本实施例中，第一齿轮布置10的第二齿轮12和第二齿轮布置第一齿轮22具有相同的尺寸，并且形成变速器的第二挡。第一齿轮布置10的第一齿轮11比齿轮12和22小，并且形成变速器的第一挡。换句话说，当变速器处于第一挡的情况下，只有电动机1可以通过接合第一齿式离合器11a来进行驱动。在变速器的第二挡的情况下，电动机1通过接合离合器12a或者电动机2通过接合离合器22a而可以单独驱动，或者电动机1和2两者可以通过接合两个离合器12a和22a而一起驱动。因此，在变速器的第二挡的情况下，电动机1和2两者都可以有助于输出扭矩，并且负载可以在电机1和2两者之间对称地分配，以提高变速器的性能。
图2示意性地示出了根据本发明的第二实施例的变速器布局。在第二实施例中，第一齿轮布置10和汇总箱30被设计成如第一实施例中那样。第二实施例与第一实施例的不同之处在于第二齿轮布置20的设计。第二实施例的第二齿轮布置20被设计成与第一齿轮布置10类似。
第二齿轮布置20包括第二齿轮布置第一轴20a和第二齿轮布置第一齿轮21，其中，第二齿轮布置第一齿轮21可以经由第二齿轮布置第一齿式离合器21a与第二齿轮布置第一轴20a接合和脱离。第二齿轮布置20可以还包括第二齿轮布置第二齿轮22，该第二齿轮布置第二齿轮22可以经由第二齿轮布置第二齿式离合器22a与第二齿轮布置第一轴20a接合或脱离。第二齿轮布置20还包括第二齿轮布置第二轴23和带有齿轮26、27的第二齿轮布置固定齿轮组。齿轮26与第二轴23永久接合，而齿轮27与第一轴20a永久接合。齿轮26和27彼此啮合，使得第二齿轮布置第一轴20a经由第二齿轮布置固定齿轮组26、27联接至第二齿轮布置第二轴23。
第一齿轮布置第一齿轮11和第二齿轮布置第一齿轮21中的每一个都与汇总箱30的齿轮32啮合。此外，第一齿轮布置第二齿轮21和第二齿轮布置第二齿轮22中的每一个都与汇总箱30的齿轮31啮合。
在本实施例中，第一齿轮布置10的第一齿轮11和第二齿轮布置第一齿轮21具有相同的尺寸，并且形成变速器的第一挡。第一齿轮布置10的第二齿轮12和第二齿轮布置第一齿轮22具有相同的尺寸，比齿轮11和21大，并且形成变速器的第二挡。换句话说，在变速器的第一挡的情况下，电动机1通过接合离合器11a或者电动机2通过接合离合器21a而可以单独驱动，或者电动机1和2两者可以通过接合两个离合器11a和21a而一起驱动。而且，在变速器的第二挡的情况下，电动机1通过接合离合器12a或者电动机2通过接合离合器22a而可以单独驱动，或者电动机1和2两者可以通过接合两个离合器12a和22a而一起驱动。因此，在变速器的第一挡以及第二挡的情况下，电动机1和2两者都可以有助于输出扭矩，并且负载可以在电机1和2两者之间对称地分配，以提高变速器的效率。在两个电动机1、2都被构造成在第一挡中驱动的情况下，变速器的最大输出扭矩可得以增加。
图3示意性地示出了根据本发明的第三实施例的变速器布局。第三实施例与第二实施例类似。然而，第三实施例与第二实施例的不同之处在于，其包括第三齿轮布置50和桥间差速器60，第三齿轮布置50连接到汇总箱30的轴30a。
第一齿轮布置第一齿轮11和第二齿轮布置第一齿轮21中的每一个都与汇总箱30的齿轮32啮合。此外，第一齿轮布置第二齿轮12和第二齿轮布置第二齿轮22中的每一个都与汇总箱30的齿轮31啮合。在第一实施例至第三实施例中，汇总箱齿轮31比汇总箱齿轮32小。
在本实施例中，第一齿轮布置10的第一齿轮11和第二齿轮布置第一齿轮21具有相同的尺寸，并且形成变速器的第一挡。第一齿轮布置10的第二齿轮12和第二齿轮布置第二齿轮22具有相同的尺寸，比齿轮11和21大，并且形成变速器的第二挡。换句话说，在变速器的第一挡的情况下，电动机1可以通过接合离合器11a并且经由汇总箱齿轮32来单独驱动，或者电动机2可以通过接合离合器21a并且经由汇总箱齿轮32来单独驱动，或者电动机1和2两者都可以通过接合离合器11a和21a并且经由合箱齿轮32来驱动。在变速器的第二挡的情况下，电动机1可以通过接合离合器12a并且经由汇总箱齿轮31来单独驱动，或者电动机2可以通过接合离合器22a并且经由汇总箱齿轮31来单独驱动，或者电动机1和2两者都可以通过接合离合器12a和22a并且经由合箱齿轮31来驱动。因此，在变速器的第一挡以及第二挡中，两个电动机1和2都可以有助于输出扭矩。由于在变速器的第一挡和第二挡的情况下联接至不同的汇总箱齿轮，负载可以在电动机1和2两者之间分配，这可以提高变速器的效率。
第三齿轮布置是一个带有湿式离合器的两速的齿轮布置。另外的两个齿轮51、52可以经由湿式离合器51a、52a与汇总箱30的轴30a选择性地接合和脱离。齿轮比率51、52适用于两个电动机1、2。对于某些应用，这些附加的速度比率可以有助于达到更高的速度或扭矩。湿式离合器51a、52a允许在附加齿轮51、52中的动力切换。但是，如果该应用允许一些齿轮切换发生在输出扭矩下降的情况下，替代地也可以在这里使用齿式离合器或同步器或其他种类的离合器。作为进一步的替代选择，第三齿轮布置可以是呈基本构造的、没有离合器的单一齿轮比率。
经由第三齿轮布置50，汇总箱联接至桥间差速器60。桥间差速器60具有由湿式离合器提供的锁定功能。替代地，也可以选择其他的离合器，例如齿式离合器。
在下文中，描述了这样的控制方法，其用于控制根据第一实施例的双电动机电动变速器，以在第一齿轮布置1中执行从第一齿轮11到第二齿轮12的切换换挡，而不出现输出扭矩下降。第二齿轮布置2只具有一个向着输出的齿轮比率，而第一齿轮布置1具有两个向着输出的齿轮比率。该车辆应用允许在第一挡使用一个电动机，并且在第二挡使用两个电动机。在第一挡中，第一电动机1用于驱动车辆，而第二电动机2关闭以用足够高的速度来供应取力器/充电泵的动力。在第二挡中，第一电动机1和第二电动机2两者都驱动车辆。在齿轮切换(挡位切换)过程开始时，控制第一电动机1经由第一齿式离合器11a来驱动。接着，控制第二电动机2以与第二齿轮布置第一齿轮22同步。然后，控制第二齿轮布置第一齿式离合器22a以与第二齿轮布置第一轴20a接合。接着，控制第一电动机1以将第一扭矩减小到零，并且同时控制第二电动机2以增加第二扭矩，使得结合(组合)的输出扭矩基本恒定。于是，控制第一齿式离合器11a以从第一齿轮布置第一轴10a脱离。接着，控制第二电动机1以与第二齿轮布置第一齿轮12同步。于是，控制第二齿式离合器12a以与第一齿轮布置第一轴10a接合。接着，控制第二电动机21以减小第二扭矩，并且同时控制第一电动机1以增加第一扭矩，使得结合的输出扭矩基本恒定。
图4示出了根据变速器输出速度的不同的变速器输出扭矩曲线。连续曲线71、72和74分别代表一个电动机在第二挡、两个电动机在第二挡和一个电动机在第一挡的情况下的连续扭矩。虚线曲线73、75、76分别代表一个电动机在第二挡、两个电动机在第二挡和一个电动机在第一挡的情况下的峰值扭矩。图5示出了根据变速器输出速度的不同的变速器输出功率曲线。连续曲线81、82和84分别代表一个电动机在第二挡、两个电动机在第二挡和一个电动机在第一挡的情况下的连续功率。虚线曲线83、85和86分别代表一个电动机在第二挡、两个电动机在第二挡和一个电动机在第一挡的情况下的峰值功率。第一挡的连续扭矩由连续曲线74表示，第二挡的连续扭矩由连续曲线72表示。在换挡过程中，一个电动机的扭矩增加以补偿另一个电动机的零扭矩。这由虚线曲线73表示。由于虚线曲线73在换挡区域中位于曲线74和曲线72上方，在换挡期间没有观察到扭矩下降。因此，对车轮的输出扭矩在整个车速范围内维持，没有扭矩下降。换句话说，通过动力切换来进行挡位改变。
出于功能性安全的考虑，在车辆不安全的情况下，需要自动切换到空挡。尽管对于第一齿轮布置和第二齿轮布置10和20，齿式离合器优选地是常开离合器，但也可以使用其他技术。一个示例是弹簧式同步离合器。使用同步离合器的一个优点是，电动机的同步可以不那么精确，这可简化电动机的控制。
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