一種單行星排結構電動汽車動力總成及其控制方法與流程
本發明屬于電動汽車領域，具體為電動汽車驅動及傳動系統的2個驅動電機、變速機構及其控制單元構成及控制方法。
背景技術：
隨著電動汽車的快速發展，人們對電動汽車最高車速、加速度、爬坡度及舒適性提出了更高的要求，國內外也針對這些指標制定了更為嚴苛的標準。電動汽車的驅動方式及傳動結構作為其核心決定著電動汽車的動力性、經濟性和舒適性，由于受到電機特性的限制，傳統的單電機直驅的模式只能通過增大電機功率的方法適應人們的使用需求和法律法規的要求，不僅增加了電機的成本、增大電機的體積，而且造成電機多數時間工作在低效區，降低了電動汽車續航里程。
為了解決以上問題，電動汽車的動力系統開始采用變速機構滿足最大牽引力和最高車速的需求，由于電機四象限運行的特點使能量回饋制動成為其節能的重要手段，要求傳動機構在具有較高的傳統效率的同時具備雙向扭矩傳遞的功能，因此在傳統燃油車上應用較多的自動變速機構（AT）并不適用于電動汽車，目前應用較多的是兩檔機械式自動變速箱（AMT）技術。
然而，機械式自動變速箱的換擋過程為自動控制，駕駛員無法了解具體換擋時間，換擋過程車輛驅動力缺失，不僅降低了駕駛的舒適性，而且給車輛的安全性帶來較大的隱患。
行星排傳動技術在工業減速機及混合動力汽車上有大量的應用，然而在工業領域行星排只是代替齒輪起到固定減速比減速的作用，在混合動力車輛中起到對發動機輸出能量在驅動和發電之間的分配作用，本發明中的行星排作為動力系統的一個組成部分，起到對兩個驅動電機轉速和車速之間解耦的作用，使車速不依賴于某個電機的轉速，在減小電機總功率的同時，達到滿足車輛對最大扭矩和最高車速的需求。
技術實現要素：
本發明提出的目的在于提供一種電動汽車動力系統的結構和驅動的控制方法，旨在解決以上電動汽車在經濟性、舒適性、安全性和動力性上存在的問題，所述電動汽車動力系統由整車控制器、第一電機、第一電機控制器、第二電機、第二電機控制器、行星排、離合器組成。
動力系統內部連接方式包括機械連接、電氣連接和通信接口：
其中機械連接包括：第一電機輸出軸與行星排齒圈連接，第二電機輸出軸與行星排太陽輪連接，離合器一端與第二電機輸出軸連接、另一端與車體連接；
電氣連接包括：第一電機控制器與第一電機之間的高壓驅動線路，第二電機控制器與第二電機之間的高壓驅動線路；
通信接口為第一電機控制器、第二電機控制器、整車控制器之間的高壓CAN總線接口；
動力系統對外接口也包括機械連接、電氣連接和通信接口：
其中機械接口為行星排行星架與電動汽車主軸之間的連接；
電氣連接包括第一電機控制器、第二電機控制器與動力電池之間的高壓供電線路，第一電機控制器、第二電機控制器、整車控制器的低壓供電線路；
通信接口包括整車控制器與儀表、ABS、行車記錄儀、空調的低壓CAN總線接口及與內部通信接口共用的連接動力電池、DC/DC、DC/AC的高壓CAN總線接口。
傳動系統中行星排的太陽輪、齒圈和行星架三個構件的角速度及轉速滿足下式：
式中，kp為行星排齒數比；z1為太陽輪齒數；z2為齒圈齒數；ωs、ωR、ωC分別為太陽輪、齒圈、行星架的旋轉角速度，ns、nR、nC分別為太陽輪、齒圈、行星架的轉速。
太陽輪、齒圈和行星架三個構件的轉矩關系滿足下式：
式中，Ts、TR、TC分別為太陽輪、齒圈、行星架的旋轉角速度。
由以上關系式可推導出電動汽車需求與第一電機、第二電機的功率、速度、扭矩關系，
式中：Pveh_dem為整車需求功率，PMG1為第一電機輸出功率，PMG2為第二電機功率，nTM2為第二電機轉速，nTM1為第一電機轉速，i1為主減速比，V為車速，r為車輪半徑，F為整車牽引力，TMG2為第二電機輸出扭矩，TMG1為第一電機輸出扭矩。
本發明根據以上公式匹配計算行星排傳動參數及第一電機和第二電機功率、扭矩和轉速參數。
優選的，確定行星排功率及扭矩不小于整車需求，傳動比Kp介于2-4之間。
根據車輛及工況參數確定不同車速下整車所需最大牽引力F及最高車速。
第一電機和第二電機輸出功率之和大于整車最大需求功率。
電動汽車低速運行時時，第一電機為整車提供的最大牽引力不小于給定車速下整車最大牽引力需求。
第一電機與第二電機最高轉速與最高車速之間滿足速度關系式。
優選的，以第一電機與第二電機功率之和為優化目標，以各車速下最大需求牽引力為約束條件，優化計算出第一電機與第二電機最為匹配的功率、轉速和扭矩等參數。
優選的，第一電機采用扭矩控制模式，第二電機采用轉速控制模式并限定輸出扭矩。
優選的，整車控制器具有連接高壓設備控制單元的高壓CAN總線接口、連接低壓設備控制單元的低壓CAN總線接口和標定設備的標定CAN總線接口
本發明的優點包括以下五點。
1.本發明匹配的兩個電機總功率小于電機直驅模式中電機的功率，降低系統成本。
2.本發明的兩個電機通過行星齒輪傳動，實現無極變速，提高駕駛舒適性和安全性。
3.本發明通過對離合器和電機的協調控制，使離合器在接合和斷開時不受其他外力的作用，有效提高傳動部件的使用壽命。
4.本發明實現車速與電機轉速的解耦，可使電機更多的工作在高效區，降低能量損失，提高車輛續航里程。
5.本發明可根據車輛不同工況需求調整兩個電機的參數匹配關系，無需更改傳動部件的結構，減少系統設計驗證的工作，提高可靠性。
附圖說明
圖1是本發明一實施例的動力系統架構示意圖。
圖2是本發明一實施例的控制流程圖。
圖3是本發明一實施例動力系統部件扭矩轉速關系圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
為了能夠更為清晰的描述本發明所述動力系統，附圖1所示為在本發明所述電動汽車動力系統基本機械及電氣構成基礎上增加了與車輛相關的主軸、驅動軸、主減速器及車輪，并增加了為系統供電的動力電池組。
粗實線9代表動力電能傳輸路徑，細實線10代表機械能量傳輸路徑，虛線8代表CAN總線控制數據傳輸路徑。
第一電機51輸出軸與行星排4的齒圈42相連接，第二電機50的輸出軸與行星排4的太陽輪40相連接，并在此處對機體11設置有電磁離合器6與機體11連接，行星排4的行星架41作為動力系統動力輸出，與電動汽車主軸、驅動軸及車輪連接，驅動車輛。
第一電機51和第二電機50驅動車輛所需電能及能量回饋的電能由動力電池2提供或存儲，動力電池2的電能經過第一電機控制器71轉換后提供給第一電機51，動力電池2的電能經過第二電機控制器70轉換后提供給第二電機50，電能的是雙向傳輸的。
第一電機控制器71、第二電機控制器70、動力電池2與整車控制器1通過CAN總線連接，交換控制指令和狀態信息。
整車控制器1采集電動汽車油門踏板、制動踏板、檔位、空調的信息，并根據這些信息實時控制第一電機51、第二電機50的轉速和扭矩及離合器6與機體11的結合與斷開。
參照附圖2，整車控制器對動力系統及電動汽車的控制過程具體描述如下。
步驟一，系統運行后，首先根據檔位、車速、鑰匙開關、充電開關判斷電動汽車是否進入到驅動模式，如不是驅動模式則執行其它模式的工作，本發明關注驅動模式下動力系統協調工作過程，非驅動模式的工作過程不再贅述。
如電動汽車進入驅動模式，則整車控制器1根據油門踏板開度、制動踏板開度、車速、空調及其它車內負載計算出整車需求扭矩。
步驟二，根據電動汽車前一時刻狀態確定是否處于雙電機驅動狀態，如是則執行步驟三，如否則執行步驟七。
步驟三，判定當前車速是否小于V02，如不小于V02則執行步驟十，電動汽車繼續工作在雙電機驅動狀態，如小于V02，則執行步驟四，進行雙電機驅動到單電機驅動狀態的切換。
步驟四，將第二電機目標轉速設定為0，并采集第二電機50轉速，直至第二電機50實際轉速為0。
步驟五，接合離合器6，將第二電機50設定為不使能，由第一電機51單獨驅動電動汽車。
步驟六，將電動汽車當前狀態切換到單電機驅動狀態，全部整車需求扭矩由第一電機提供，返回步驟一，重復步驟一到步驟六，直至電動汽車退出驅動模式或切換到雙電機驅動模式。
步驟七，電動汽車處于單電機驅動狀態，當前車速大于V01，執行步驟八，當前車速不大于V01執行步驟六。
步驟八，電動汽車進入單電機驅動到雙電機驅動的轉換過程，根據當前第一電機51實際輸出扭矩，接合行星排4扭矩的杠桿平衡關系，計算滿足扭矩平衡時第二電機50應輸出扭矩，控制第二電機50限制扭矩為滿足這一關系的扭矩值，直至第二電機50實際輸出扭矩達到目標值。
步驟九，斷開離合器6。
步驟十，根據電動汽車整車扭矩需求確定第一電機51和第二電機50目標輸出扭矩，根據當前車速結合第一電機51和第二電機50效率特性曲線確定第一電機51和第二電機50的目標轉速。
在單電機驅動模式下，第一電機51采用扭矩控制。
在雙電機驅動模式及雙電機驅動模式向單電機驅動模式過渡過程中，第一電機51采用扭矩控制，第二電機50采用轉速控制。
在單電機驅動模式向雙電機驅動模式過渡過程中，第一電機51采用扭矩控制，第二電機50采用限制扭矩下的轉速控制。
單電機驅動模式向雙電機驅動模式切換時判定的閾值V02和雙電機驅動模式向單電機驅動模式切換時判定的閾值V01，由第一電機51、第二電機50的功率及行星排4傳動速比參數共同決定，假定第一電機51在當前轉速下最大可輸出扭矩為TM1_MAX，第二電機50零轉速下最大可輸出扭矩為TM2_MAX,行星排齒圈與太陽輪齒數比為Kp，V01設定值應滿足關系式：TM1_MAX/Kp≤TM2_MAX,且V01與V02應滿足V02≤V01。
參照附圖3所示電動汽車動力系統各部件動力作用關系如下。
動力系統中第一電機51、第二電機50及行星排4的行星架41輸出軸之間扭矩和轉速滿足杠桿平衡關系。
在單電機驅動模式下，作用在行星排太陽輪42上的扭矩由離合器6提供，在雙電機驅動模式及過渡過程中，作用在行星排太陽輪42上的扭矩由第二電機50提供。
電動汽車動力系統參數的確定可首先確定行星排4傳動比，在行星排4參數Kp確定后，根據電動汽車自身參數：車重、迎風面積、主減速比、輪徑及工況性能參數：摩擦阻力系數、最高車速、加速度、爬坡度確定電機總功率，并進一步確定第一電機51和第二電機50的功率和轉速范圍，選取電壓等級，并根據電動汽車最大功率需求和續航里程確定動力電池的容量和充放電倍率。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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