輪轂電機電動汽車制動系統的製作方法
2023-08-07 10:09:57 3
本實用新型屬於電動汽車領域，具體涉及輪轂電機驅動的電動汽車制動系統。
背景技術：
：電動汽車以其零排放、環保節能的優越性，近年來成為汽車領域的朝陽產業。而輪轂電機的應用更是讓電動汽車的操縱性超越了傳統汽車，並大大簡化了汽車傳動系統。目前制約電動汽車發展的一個瓶頸之一是電動汽車的續航裡程和傳統汽車相比仍有差距。因此如何提高電動汽車的續航裡程是電動汽車研究領域的熱點之一。電動汽車上再生制動技術的應用將汽車剎車時的機械能轉化為電能重新利用，提高了電動汽車的續駛裡程。目前大多再生制動系統，是利用電機的可逆性。汽車制動時，使電機運行在發電機狀態，將制動產生的回饋電流充入蓄電池中。在制動力分配方面，由於傳統電動汽車大多為前驅或者後驅，只能回收前輪或者後輪上的制動力，無法回收四個車輪上的制動能量。其次，傳統電動汽車上的制動系統中機械制動往往採用液壓制動。機械制動力大小難以實現高精度控制，造成回饋制動力與機械制動力的分配實現起來比較困難。再次，在需要頻繁啟動剎車的城市路況，蓄電池反覆快速地充放電，使蓄電池壽命大大降低。回收少量的電能，卻損傷了昂貴的蓄電池，得不償失。針對此問題，有部分設計者給制動系統增加一個超級電容，用來暫時儲存能量，不過超級電容價格要比同等儲能量鋰電池價格高出十倍，非常昂貴。並且，附加的超級電容又增添了電動汽車的重量，使續駛裡程降低。不僅如此，在汽車處於緊急制動的極端情況時，回饋電流過大，可能會燒毀電機。傳統的制動能量回收系統沒有設計在極端狀態下有效保護電機的結構和措施。技術實現要素：本實用新型的目的是針對現在輪轂電機電動汽車再生制動系統的不足，提出一種安全、經濟、高效的輪轂電機電動汽車制動系統。本實用新型包括制動裝置和控制系統。所述的制動裝置包括輪轂電機、電機控制器、行星減速器、電磁執行器、磁粉制動器和車載鋰電池；每個車輪內部都集成有輪轂電機、電機控制器、行星減速器和磁粉制動器；所述的電機控制器固定在車架上，輪轂電機的定子固定在車架上，每個輪轂電機由一個電機控制器控制；輪轂電機經行星減速器連接磁粉制動器，磁粉制動器輸出軸與輪轂採用螺栓連接。行星減速器包括齒圈、減速器外殼和電磁執行器；減速器外殼通過軸承支承在磁粉制動器的磁粉制動器輸入軸上；齒圈與減速器外殼構成轉動副，並與減速器外殼通過多個電磁執行器連接。所述的磁粉制動器由磁軛、激磁線圈、轉子、磁粉、板靴、後端蓋、軸承、前端蓋、磁粉制動器輸入軸和磁粉制動器輸出軸組成。所述磁粉制動器輸入軸的兩端分別通過軸承支承在行星減速器的減速器殼體和前端蓋上；磁粉制動器輸出軸的一端外花鍵與磁粉制動器輸入軸的內花鍵連接，另一端與車輪輪轂通過螺栓連接；後端蓋與車架固定，磁粉制動器輸出軸通過軸承支承在後端蓋上；轉子和板靴設置在前、後端蓋之間；轉子固定在磁粉制動器輸入軸上；板靴呈圓環結構，固定在後端蓋上，與轉子同軸設置，且與轉子的徑向間隙內填入磁粉。磁軛套在轉子外，且兩端分別與前、後端蓋固定；磁軛內部裝有激磁線圏。所述的控制系統包括蓄電池線路DC/DC轉換器、AC/DC轉換器、電機線路DC/DC轉換器、制動踏板位置傳感器、車速傳感器、蓄電池荷電狀態傳感器、整車控制器、車載電器、電路開關S1、電路開關控制線圈KJ1、電磁執行器開關S2和電磁執行器開關控制線圈KJ2。整車控制器控制四個磁粉制動器、四個電機控制器、電路開關控制線圈KJ1和電磁執行器開關控制線圈KJ2；電路開關控制線圈KJ1控制電路開關S1，電磁執行器開關控制線圈KJ2控制電磁執行器開關S2；蓄電池的正極接電路開關S1及電磁執行器開關S2的一端，電路開關S1的另一端接蓄電池線路DC/DC轉換器的一端；蓄電池線路DC/DC轉換器的另一端接電機線路DC/DC轉換器、車載電器及四個磁粉制動器的激磁線圏一端；電機線路DC/DC轉換器的另一端接AD/DC變換器的一端；四個電機控制器並聯接AD/DC變換器的另一端，每個電機控制器的控制輸出端接對應輪轂電機的控制輸入端；四個輪轂電機並聯接車載電器的另一端、蓄電池的負極及四個激磁線圏的另一端；所有電磁執行器的電磁鐵並聯接在電磁執行器開關S2的另一端及蓄電池負極。制動踏板位置傳感器檢測到的制動踏板位置信號、車速傳感器檢測到的車速信號、蓄電池荷電狀態 傳感器檢測到的蓄電池荷電狀態信號分別輸入到整車控制器中，整車控制器計算每個車輪上非回饋制動力與再生制動力的大小。非回饋制動力大小是由整車控制器控制磁粉制動器的激勵電流大小，從而控制磁粉制動器制動力矩的大小而得。而再生制動力大小是由整車控制器通過電機控制器來控制電機制動力矩的大小而得。所述的行星減速器還包括太陽輪、行星輪和行星架。所述的太陽輪固定在輪轂電機的電機輸出軸上，且通過與沿圓周均布的三個行星輪與齒圈嚙合；行星輪與行星架的端部構成轉動副；行星架的中心處與磁粉制動器輸入軸通過花鍵連接。所述的齒圈外側面開設沿圓周均布的多個圓槽，圓槽的數量與電磁執行器的數量相等；減速器外殼開設沿圓周均布的四個孔徑與圓槽槽寬相等的圓孔。所述的電磁執行器由擋塊、滑杆、彈簧、電磁鐵和電磁執行器外殼組成。所述的電磁執行器外殼用螺栓固定在減速器外殼上，電磁鐵固定在電磁執行器外殼上。所述的滑杆一端固定在電磁鐵上，擋塊與滑杆另一端構成滑動副。彈簧套置在滑杆上，兩端分別與電磁鐵和擋塊接觸。每個電磁執行器的擋塊設置在減速器外殼對應的一個圓孔內；擋塊在彈簧作用下嵌入齒圈外側面的圓槽內。本實用新型與現有技術相比具有以下優勢：1、採用改進的磁粉制動器提供非回饋制動力，不僅取消了液壓管路的布置，而且制動力矩的大小與激勵電流的大小几乎呈線性關係，非回饋制動力矩可以得到有效控制，使得回饋制動力與非回饋制動力的分配可以有效落實。2、行星減速器中，電磁執行器的齒圈固定裝置可以實現齒圈的固定與釋放，當汽車在極端情況突然緊急制動時，電磁鐵通電吸合擋塊釋放齒圈，使齒圈空轉，保護電機。3、輕度制動回收到的電能直接用於車載電器，少數重度制動回收能量，才會將多餘的電能充入蓄電池。大大減少了再生制動時電機向蓄電池充電的頻率。避免了向蓄電池反覆充電而使蓄電池的壽命減短。附圖說明圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為本實用新型的裝配示意圖；圖3為本實用新型中行星減速器的結構剖視圖；圖4為本實用新型中控制系統的電路圖。圖中：1、輪轂電機，1-1、電機輸出軸，2、電機控制器，3、行星減速器，3-1、太陽輪，3-2、行星輪，3-3、行星架，3-4、齒圈，3-5、減速器外殼，4、電磁執行器，4-1、擋塊，4-2、滑杆，4-3、彈簧，4-4、電磁鐵，4-5、電磁執行器外殼，5、磁粉制動器，5-1、磁軛，5-2、激磁線圈，5-3、轉子，5-4、磁粉，5-5、板靴，5-6、後端蓋，5-7、軸承，5-8、前端蓋，6、輪轂，7、輪胎，8、磁粉制動器輸入軸，9、磁粉制動器輸出軸，10、蓄電池，11、蓄電池電路DC/DC變換器，12、AC/DC變換器，13、電機電路DC/DC變換器，14、制動踏板位置傳感器，15、車速傳感器，16、蓄電池荷電狀態傳感器，17、整車控制器，18、車載電器，S1、電路開關，KJ1、電路開關控制線圈，S2、電磁執行器控制開關，KJ2、電磁執行器開關控制線圈。具體實施方式下面將結合附圖對本實用新型具體實施方式作進一步描述。如圖1和2所示，輪轂電機電動汽車制動系統，包括制動裝置和控制系統。制動裝置包括輪轂電機1、電機控制器2、行星減速器3、電磁執行器4、磁粉制動器5和車載鋰電池10。每個車輪內部都集成有輪轂電機1、電機控制器2、行星減速器3和磁粉制動器4；電機控制器2固定在車架上，輪轂電機1的定子(外殼)固定在車架上，每個輪轂電機1由一個電機控制器控制。輪轂電機1經行星減速器3連接磁粉制動器5，磁粉制動器輸出軸9與輪轂6採用螺栓連接；輪胎7套置在輪轂6上。如圖2和3所示，行星減速器3包括太陽輪3-1、行星輪3-2、行星架3-3、齒圈3-4、減速器外殼3-5和電磁執行器4。太陽輪3-1固定在輪轂電機1的電機輸出軸1-1上，且通過與沿圓周均布的三個行星輪3-2與齒圈3-4嚙合；齒圈3-4與減速器外殼3-5構成轉動副，行星輪3-2與行星架3-3的端部構成轉動副；行星架3-3的中心處與磁粉制動器輸入軸8通過花鍵連接。齒圈3-4外側面開設沿圓周均布的八個槽深為10mm的圓槽；減速器外殼3-5開設沿圓周均布的四個孔徑與圓槽槽寬相等的圓孔。如圖3所示，電磁執行器4由擋塊4-1、滑杆4-2、彈簧4-3、電磁鐵4-4和電磁執行器外殼4-5組成。電磁執行器外殼4-5用螺栓固定在減速器外殼3-5上，電磁鐵4-4固定在電磁執行器外殼4-5上。滑杆4-2一端固定在電磁鐵4-4上，擋塊4-1與滑杆4-2另一端構成滑動副。彈簧4-2套置在滑杆4-2上，兩端分別與電磁鐵4-4和擋塊4-1接觸。四個電磁執行器的擋 塊4-1分別設置在減速器外殼3-5對應的一個圓孔內；擋塊4-1在彈簧4-3作用下嵌入齒圈3-4外側面的圓槽內從而固定齒圈3-4，電磁鐵4-4通電時擋塊4-1從圓槽內吸出。如圖2所示，磁粉制動器5由磁軛5-1、激磁線圈5-2、轉子5-3、磁粉5-4、板靴5-5、後端蓋5-6、軸承5-7、前端蓋5-8、磁粉制動器輸入軸8和磁粉制動器輸出軸9組成。磁粉制動器輸入軸8的兩端分別通過軸承5-7支承在減速器殼體3-5和前端蓋5-8上；磁粉制動器輸出軸9的一端外花鍵與磁粉制動器輸入軸8的內花鍵連接，另一端與車輪輪轂通過螺栓連接；後端蓋5-6與車架固定，磁粉制動器輸出軸9通過軸承5-7支承在後端蓋5-6上；轉子5-3和板靴5-5設置在前、後端蓋之間；轉子5-3固定在磁粉制動器輸入軸8上；板靴5-5呈圓環結構，固定在後端蓋5-6上，與轉子5-3同軸設置，且與轉子5-3的徑向間隙內填入導磁率髙和耐熱性好的磁粉5-4。磁軛5-1套在轉子外，且兩端分別與前、後端蓋固定；磁軛內部裝有激磁線圏5-2。為節省空間，軸承5-7設計在磁粉制動器5內部。磁粉制動器5可以實現汽車按設定力矩制動。當激磁線圏5-2不通電時，轉子旋轉，由於離心力的作用，磁粉被甩在轉子的內壁上，磁粉與板靴之間沒有接觸，輪轂電機1帶動車輪旋轉。當激磁線圏5-2接通直流電源後產生電磁場，工作介質磁粉在磁力線作用下形成磁粉鏈，把轉子、板靴聯接起來，由於板靴固定，轉子被制動。磁粉制動器的激磁電流和制動轉矩基本成線性關係，通過控制激勵電流的大小即可控制制動力矩的大小，便於制動力的分配。如圖4所示，控制系統包括蓄電池線路DC/DC轉換器11、AC/DC轉換器12、電機線路DC/DC轉換器13、制動踏板位置傳感器14、車速傳感器15、蓄電池荷電狀態傳感器16、整車控制器17、車載電器18、電路開關S1、電路開關控制線圈KJ1、電磁執行器開關S2和電磁執行器開關控制線圈KJ2。整車控制器17控制四個磁粉制動器5、四個電機控制器2、電路開關控制線圈KJ1和電磁執行器開關控制線圈KJ2；電路開關控制線圈KJ1控制電路開關S1，電磁執行器開關控制線圈KJ2控制電磁執行器開關S2；蓄電池10的正極接電路開關S1及電磁執行器開關S2的一端，電路開關S1的另一端接蓄電池線路DC/DC轉換器11的一端；蓄電池線路DC/DC轉換器11的另一端接電機線路DC/DC轉換器13、車載電器18及四個磁粉制動器5的激磁線圏5-2一端；電機線路DC/DC轉換器13的另一端接AD/DC變換器12的一端； 四個電機控制器2並聯接AD/DC變換器12的另一端，每個電機控制器2的控制輸出端接對應輪轂電機1的控制輸入端；四個輪轂電機1並聯接車載電器18的另一端、蓄電池10的負極及四個激磁線圏5-2的另一端；所有電磁執行器的電磁鐵4-4並聯接在電磁執行器開關S2的另一端及蓄電池10負極。制動踏板位置傳感器14檢測到的制動踏板位置信號、車速傳感器15檢測到的車速信號、蓄電池荷電狀態傳感器16檢測到的蓄電池荷電狀態信號分別輸入到整車控制器17中，整車控制器17計算每個車輪上非回饋制動力與再生制動力的大小。非回饋制動力大小是由整車控制器17控制磁粉制動器5的激勵電流大小，從而控制磁粉制動器5制動力矩的大小而得。而再生制動力大小是由整車控制器17通過電機控制器2來控制電機1制動力矩的大小而得。該輪轂電機電動汽車制動系統的工作過程如下：包括制動力分配過程和能量回收利用過程。制動力分配過程具體如下：1、整車控制器17根據制動踏板位置傳感器14測得的信號求出需求的總制動力F大小，將需求的總制動力F按理想的前後輪制動力分配關係分配至前、後輪，理想的前後輪制動力分配關係的計算公式為：Fr=12Ghgb2+4hgLGFf-(Gbhg+2Ff)Fr+Ff=F]]>式中，G為汽車重力；b為汽車質心至後軸中心線的距離；hg為汽車質心高度，L為汽車前、後軸的軸距；Ff為兩個前輪分配到的總制動力,Fr為兩個後輪分配到的總制動力。2、整車控制器17將Fr平均分配給兩個後輪，將Ff平均分配給兩個前輪。3、每個車輪上進行非回饋制動力與再生制動力的分配，各個車輪的非回饋制動力與再生制動力分配原則一致，現以後輪為例，進行非回饋制動力與再生制動力的分配。首先檢測蓄電池剩餘電量SOC，當蓄電池剩餘電量較滿時，充電會對蓄電池造成損傷。在SOC>85％的情況下，蓄電池不允許被充電。與此同時，綜合考慮蓄電池與輪轂電機的影響，將非回饋制動力與再生制動力之間的分配分為以下四種情況。輪轂電機制動能力通過輪轂電機在車速v下的最大制動 力矩表達，即Tmot＝TmotmaxKv，其中，Kv為對應車速下的電機制動力矩因數，Tmotmax為輪轂電機的最大扭矩，Kv、Tmotmax是由電機參數決定的。①當SOC>85％，車速高於20km/h時，蓄電池不允許充電，而輪轂電機制動能力較強。車輪的制動力優先分配給輪轂電機進行能量回收，回收功率的最大值為車載電器功率Pele，剩餘的制動力由磁粉制動器承擔，即再生制動力Fmot＝min(Pele/(4v)，0.5Fr)，min為取最小值，非回饋制動力Fmp＝0.5Fr-Fmot，其中，Pele為車載電器功率。②當SOC>85％，車速低於20km/h時，蓄電池不允許充電，輪轂電機制動能力較弱。車輪的制動力優先分配給輪轂電機進行能量回收，而輪轂電機再生制動力被車載電器功率Pele與電機制動能力共同限制，即Fmot＝min(Pele/(4v),TmotmaxKv/r，0.5Fr)，Fmp＝0.5Fr-Fmot，其中，r為車輪外徑。③當SOC≤85％，車速高於20km/h時，蓄電池允許充電，電機制動能力較強。車輪的制動力優先分配給輪轂電機進行能量回收，但回收功率的最大值為車載電器和蓄電池充電的最大功率Pbat之和，剩餘的制動力由磁粉制動器承擔，即Fmot＝min[(Pele+Pbat)/(4v)，0.5Fr]，Fmp＝0.5Fr-Fmot。④當SOC≤85％，車速低於20km/h時，蓄電池允許充電，電機制動能力較弱。車輪的制動力優先分配給輪轂電機進行能量回收，但回收的最大值為電機制動能力的限制值，剩餘的制動由磁粉制動器承擔，即Fmot＝min(TmotmaxKv/r，0.5Fr)，Fmp＝0.5Fr-Fmot。能量回收利用過程包括如下兩個過程：1、控制輪轂發電機1產生的電流流向，從而控制對輪轂電機在汽車制動過程中產生的電能的利用；2、控制電磁執行器4的工作狀況，從而控制輪轂電機與車輪之間動力傳輸的通斷。控制對輪轂電機在汽車制動過程中產生的電能的利用：在蓄電池10與DC/DC轉換器11中間接入電控開關S1，整車控制器17通過控制線圈KJ1的電流來控制電路開關S1的通斷。根據加速踏板位置傳感器14傳來的加速踏板位置信號、車速傳感器傳來的車速信號v、電池荷電狀態傳感器16傳來的電池荷電狀態信號控制電控開關控制線圈KJ1中的電流，來控制電路開關S1的通斷，接通或切斷蓄電池，來控制輪轂發電機1產生的電流流向，從而控制對輪轂電機在汽車制動過程中產生的電能的利用。當電路開關S1閉合時，輪轂電機1與蓄電池10、磁粉制動器5和車載電器18並聯連接；當電路開關S1斷開時，蓄電池10從電路中切斷，無法對輪轂電機1、磁粉制動器5 及車載電器18供電，同時，在制動時蓄電池10也不接收輪轂電機1的充電。具體情況如下：①當汽車驅動行駛，即加速踏板位置傳感器14檢測的制動踏板位置信號N＝0時。整車控制器17給電控開關控制線圈KJ1提供高電平，電路開關S1處於閉合狀態，蓄電池給輪轂電機以及車載電器提供電能。②當汽車處於制動狀態，即制動踏板位置信號N＞0時，電控開關控制線圈KJ1的狀態還要根據蓄電池剩餘電量SOC以及當前四個輪轂電機制動功率之和Pmot判斷，Pmot＝4vFmot。當SOC>85％或Pmot＜Pele，整車控制器17給電控開關控制線圈KJ1提供低電平，電路開關S1處於斷開狀態，輪轂電機回收而來的能量僅僅供給車載電器和磁粉制動器5使用，不給蓄電池充電。③當汽車處於制動狀態，另SOC≤85％且Pmot≥Pele時，整車控制器17給電控開關控制線圈KJ1提供高電平，電路開關S1處於閉合狀態，電機回收而來的能量不僅提供給車載電器和磁粉制動器5，多餘的電能給蓄電池充電。電磁執行器4控制輪轂電機與車輪之間動力傳輸的通斷：行星減速器的電磁執行器4串聯電磁執行器開關S2後接入蓄電池10兩端。整車控制器17根據車速信號來控制電磁執行器開關線圈KJ2的電流，從而控制電磁執行器控制電磁執行器開關S2的通斷，來控制電磁執行器4的工作狀況。非急劇制動狀態時，整車控制器17向電磁執行器開關線圈KJ2提供低電平，電磁執行器開關線圈KJ2無電流，電磁執行器開關S2斷開，電磁執行器4不通電，擋塊4-1在彈簧4-3的作用下抵在齒圈3-4的圓槽內，在擋塊4-1和減速器外殼3-5的作用下，齒圈3-4被固定。動力由行星減速器的太陽輪3-1傳向行星架3-3，從而使動力從輪轂電機傳向車輪。當車速急劇下降時，判斷汽車處於急劇制動狀態，整車控制器17控制電磁執行器開關控制線圈KJ2通電，電磁執行器給電磁執行器開關線圈KJ2提供高電平，使電磁執行器控制電磁執行器開關S2閉合，電磁執行器4通電，電磁鐵4-4克服彈簧4-3吸合擋塊4-1，齒圈3-4被釋放，即車輪帶動齒圈空轉，相當於電機與車輪之間的動力連接被切斷，有效地保護了電機。具體情況如下：①當汽車處於非急劇制動狀態，即汽車加速度a＞-8m/s2時，整車電機控制器17給電磁執行器開關線圈KJ2提供低電平，使電磁執行器開關S2處於斷開狀態，電磁執行器不工作，動力由輪轂電機傳到車輪。②當汽車處於急劇制動狀態，即汽車加速度a≤-8m/s2時，整車電機控制器17給電磁執行器開關線圈KJ2提供高電平，使電磁執行器開關S2處於閉合狀態，電磁執行器4工作，電磁鐵4-4吸合擋塊4-1，釋放齒圈3-4，齒圈可以空轉，相當於切斷了輪轂電機與車輪之間的動力傳遞。極端工況下，保護了輪轂電機。當前第1頁1 2 3