一种模块化电驱桥系统及其驱动方法与流程

1.本发明涉及重载车辆驱动技术领域，尤其涉及一种模块化电驱桥系统及其驱动方法。


背景技术：

2.随着新一代重载车辆发展，电力驱动作为车辆的推进系统是近几十年的发展的新思路。目前，无论是在车辆，还是在舰船、高铁等应用领域，这种结合愈来愈显示出强大的生命力，以电力作为推进动力传动系统已逐步成为清晰的发展方向。
3.为适应未来需求，对新一代多轴超重载底盘提出了更高的要求，除了需具备高机动、高承载、高适应等性能外，还需具备高信息化、智能化、无人化等功能。电驱动桥作为电驱底盘的核心关键总成，其定义较传统车辆已发生了根本上的改变，已不再只是单纯具有承载、传动功能的组成部件，而是升级为一种具备动力、承载、传动、散热、制动、转向功能的系统集成，而目前在研的多轴超重载电驱底盘车桥大多在原有传统底盘的基础上进行适应性改造，缺乏系统集成设计，模块化程度也不高，信息化、智能化水平较低。
4.现有的驱动桥方案及其不足：
5.1)传统机械桥方案
6.采用主减速+差速器+轮边传动轴+轮边减速器方式，动力由发动机输出，经变速箱、分动箱传递至主减速器，再经差速器、轮边传动轴传递至轮边减速器。传统机械桥方案受制于发动机的功率原因，车桥的动力性往往不足，在超重载多轴车辆上面表现的更加明显。
7.2)集中电驱桥方案
8.集中电驱桥一般在传统车桥(整体式或断开式)基础上，不改变原有车桥结构形式，在其主减速器前端加一驱动电机。该种方案电机体积往往较大、占用的空间较大、不利于车辆的布置，且驱动电机的接口需根据车桥的结构来匹配设计，不能实现不同车桥或不同车辆间的通用互换。
9.3)分布式轮边电驱桥方案
10.分布式轮边电驱桥完全区别于传统车桥和集中式电驱桥，该结构取消了原有车桥的主减速器和差速器，用两个轮边电驱替代，利用轮边电机的电子差速功能替代原有机械差速器。


技术实现要素：

11.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种模块化电驱桥系统及其驱动方法，用以解决现有多轴超重载电驱底盘车桥系统集成度低、模块化水平和机动性能差的问题。
12.本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
13.一种模块化电驱桥系统，包括：整车控制器、一体电源平台以及多个并列设置的电驱动桥；所述整车控制器对每一个电驱动桥独立控制；所述一体电源平台连接整车控制器
和电驱动桥，用于对整车控制器和电驱动桥供电。
14.进一步地，所述电驱动桥包括：电驱动轮、电桥控制器、动力电池包和悬架装置。
15.进一步地，所述电驱动轮对称布置在所述电驱动桥的两侧，并通过转向节与悬架装置铰接。
16.进一步地，所述电驱动轮包括：车轮、轮毂电机、轮边减速器和制动器；所述轮毂电机用于驱动所述车轮旋转；所述轮毂电机与所述车轮之间设置轮边减速器；所述制动器用于对车轮制动。
17.进一步地，所述电驱动桥还包括：转向机构和散热器。
18.进一步地，所述动力电池包用于向所述电驱动桥中的用电设备供电；所述电桥控制器用于控制轮毂电机的启停、制动器的制动或制动解除以及转向机构进行转向驱动。
19.进一步地，所述悬架装置包括：油气弹簧、上横臂和下横臂；上横臂、下横臂均铰接安装在底盘车架上，所述上横臂、所述下横臂均与电驱动轮通过转向节铰接；所述油气弹簧设置在所述下横臂与底盘车架之间；所述油气弹簧的下端与所述下横臂的中部铰接，上端与底盘车架铰接。
20.一种模块化电驱桥系统的驱动方法，包括以下步骤：
21.步骤s1：所述整车控制器向所述电桥控制器发出控制指令；
22.步骤s2：所述电桥控制器控制所在电驱动桥执行驱动、转向、制动或悬架调整动作；
23.步骤s3：所述电驱动桥的轮毂电机、悬架装置、转向机构和制动器执行所述电桥控制器的控制指令。
24.进一步地，所述步骤s1中，所述整车控制器能够同时控制一个或多个电驱动桥。
25.进一步地，所述步骤s3中，一个或多个所述电驱动桥同步执行驱动、转向或制动动作。
26.本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：
27.1.本发明的模块化电驱桥系统，提高了底盘系统的快速集成设计、变型，提高底盘系统的可靠性和维修性。
28.2.本发明的驱动桥系统基于模块化设计的电驱动桥，将动力、散热、悬架、转向、轮组等以桥为基础进行模块化设计和布置。针对现有同类电驱桥产品模块化程度不高、通用互换性差的问题，将电驱桥整体的模块化设计，提高了产品间及产品内的模块化应用程度；各个模块可以互换，模块化的电驱动桥的数量可以增减，获得不同的机动性能，具有良好的适用性。
29.3.本发明的驱动桥系统可作为底盘的直接动力部件、用于实现底盘的承载、驱动、制动、转向、悬架等功能，保证底盘在各种行驶条件下所必需的牵引力、车速和平顺性，系统具备高度调节功能，具备故障诊断、报警和上报功能，具备能量回收和反拖制动功能。
30.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
31.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
32.图1为本发明的模块化电驱桥系统的架构示意图；
33.图2为本发明的模块化电驱桥系统的原理图；
34.图3为本发明的模块化电驱桥系统的独立电驱动桥的流程图；
35.图4为现有的传统车桥方案；
36.图5为现有的民用电驱桥方案；
37.图6为现有的分布式轮边电驱桥方案；
38.图7为本发明的模块化电驱桥系统结构布置的立体视图；
39.图8为本发明的模块化电驱桥系统结构布置的主视图；
40.图9为本发明的转向机构放大图；
41.图10为本发明的模块化电驱动桥的几种行驶模式。
42.附图标记：
43.1-电动轮；2-电桥控制器；3-动力电池包；4-悬架装置；5-转向机构；6-集成散热器；
44.51-动力油缸；52-立柱；53-转向摇臂；54-转向拉杆；55-转向臂。
具体实施方式
45.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
46.实施例1
47.本发明的一个具体实施例，公开了一种模块化电驱桥系统，包括：整车控制器、一体电源平台以及多个并列设置的电驱动桥；所述整车控制器对每一个电驱动桥独立控制；所述一体电源平台连接整车控制器和电驱动桥，用于对整车控制器和电驱动桥供电。
48.如图1、图2所示，多个独立的电驱动桥并列设置，并通过整车控制器对其独立控制。
49.具体地，一体电源平台包括：智能发电机组和高压配电箱。
50.其中，智能发电机组作为一体电源平台的发电模块，提供整车用电所需电力。高压配电箱用于将电力分配至各个独立的电驱动桥。
51.本发明的模块化电驱动桥系统，每一个电驱动桥均模块化处理，可以根据实际需要增减电驱动桥的数量，对重载车辆的长度、负载能力以及运输能力进行调整。
52.本发明的一种具体实施方式中，如图7、图8所示，所述电驱动桥包括：电驱动轮1、电桥控制器2、动力电池包3、悬架装置4、转向机构5和散热器6。
53.其中，所述电驱动轮1对称布置在所述电驱动桥的两侧，并通过转向节与悬架装置4铰接。具体地，电驱动轮1是整个系统的驱动总成，所述电驱动轮1包括：车轮、轮毂电机、轮边减速器和制动器；所述轮毂电机用于驱动所述车轮旋转；所述轮毂电机与所述车轮之间设置轮边减速器；所述制动器用于对车轮制动。电驱动轮1通过转向节球铰与悬架装置4的上横臂和下横臂连接，用于承载和驱动，电驱动轮1的轮毂电机通过水管和集成散热器6进
行循环水热交换散热。
54.电桥控制器2是轮毂电机、转向机构5、制动器、悬架装置4和散热器的集成驱动和控制装置。具体地，所述电桥控制器2用于控制轮毂电机的启停、制动器的制动或制动解除以及转向机构进行转向驱动。
55.电桥控制器2安装于车桥附近的车架内，通过电缆和电驱动轮1的轮毂电机、悬架装置4的液压阀组、转向机构5的液压阀组、散热器6以及相关传感器连接。电桥控制器2的外部设置冷却管路，冷却管路中流通低温冷却液，冷却管路通过水管与集成散热器6连接。
56.具体地，所述动力电池包3用于向所述电驱动桥中的用电设备供电；每个电驱动桥的动力电池包3分别与高压配电箱连接。动力电池包3包括电池和bms(电池管理系统)，动力电池包3为电驱动轮1提供能源动力，通过支座安装于电驱动桥附近的车架内，并通过电缆和电桥控制器2连接；进行电力传输。
57.进一步地，所述悬架装置4包括：油气弹簧、上横臂和下横臂；上横臂、下横臂均铰接安装在底盘车架上，所述上横臂、所述下横臂均与电驱动轮1通过转向节铰接；所述油气弹簧设置在所述下横臂与底盘车架之间；所述油气弹簧的下端与所述下横臂的中部铰接，上端与底盘车架铰接。
58.具体地，转向节为球铰结构。
59.本发明的一种具体实施方式中，悬架装置4包括油气弹簧、调高阀组、高度传感器和冷却管路。
60.本发明的悬架装置4采用双横臂油气弹簧独立悬架形式，采用单腔油气弹簧、外置蓄能器方式，具备高度调节功能，上、下横臂与车架上的安装支座和电驱动轮1的转向节分别铰接，油气弹簧两端分别于下横臂和车架上的油气簧支座铰接。
61.悬架装置4的上横臂的一端与底盘车架上的第一悬架支座铰接，另一端通过转向节与电驱动轮1铰接；悬架装置4的下横臂的一端与底盘车架上的第二悬架支座铰接，另一端通过转向节与电驱动轮1铰接。
62.进一步地，油气弹簧一端与其下横臂通过销轴铰接，另一端与底盘车架通过销轴铰接，用于系统减震并可实现系统高度调节，以适应运输、行驶和越野状态的需要。
63.进一步地，可通过调节油气弹簧的行程来实现姿态调整，以适应负载或地形的变化；具体地，通过调节调高阀组的压力，能够调节油气弹簧的行程，进而调节上横臂与底盘车架之间的角度，进而调节上横臂和下横臂与车轮连接的一端的高度，调节悬架装置的高度和车轮的高度。
64.本发明的一种具体实施方式中，转向机构5是电驱动轮1的转向装置，转向机构5采用电控液压助力转向，包括转向杆系、动力油缸51和角度传感器。
65.其中，转向杆系包括：立柱52、转向摇臂53、转向拉杆54和转向臂55。
66.具体地，如图9所示，动力油缸51一端通过球铰固定在车架上，另一端与转向摇臂53的端部通过球铰连接。转向摇臂53通过立柱52转动安装在车架上；立柱52固定在车架上，且立柱52设置在转向摇臂53的中部；转向摇臂53的一端与动力油缸51的输出端通过球铰连接，另一端与转向拉杆54铰接连接，动力油缸51输出直线位移时，转向摇臂53绕立柱52发生角度偏转。
67.转向拉杆54一端与转向摇臂53连接，另一端与转向臂55通过球铰连接；转向臂55
一端与转向拉杆54连接，另一端与车轮固定连接。转向摇臂53转动时，通过转向拉杆54拉动转向臂55偏转，实现车轮的偏转，进而实现整车的转向。
68.进一步地，立柱52的端部安装角度传感器，用于监测转向摇臂53的偏转角度，并上传至整车控制器。
69.本发明的一种具体实施方式中，散热器6用于对电驱动轮1的轮毂电机和电桥控制器2进行散热。散热器6包括风扇、水泵、温度传感器和冷却管路，散热器6通过支座安装于车架外侧，通过冷却管路对电驱动轮1的轮毂电机和电桥控制器2进行冷却降温。
70.具体地，散热器6通过温度传感器监测轮毂电机和电桥控制器2的表面温度，当轮毂电机和电桥控制器2的表面温度超过设定阈值时，电桥控制器2控制风扇或水泵运转，对电驱动桥进行散热。
71.具体地，散热器6采用水冷散热方式，布置于车架的外侧，采用24v电子风扇和水泵。水泵启动后，将低温液体泵入冷却管路，冷却管路中的低温液体与轮毂电机和电桥控制器2进行热交换后，实现对电驱动桥的冷却降温。
72.本发明的电驱动桥系统采用600v高压母线供电体制、配置全气候低温动力电池系统，采用分布式轮毂电机电动轮驱动，油气弹簧式的悬架装置4具备调高功能，采用机电联合制动方式、具备电机反拖制动功能，采用电控液压转向方式、具备转向锁止功能，采用集成式水冷散热方式、将电机和驱动器进行统一散热管理。
73.实施例2
74.一种模块化电驱桥系统的驱动方法，包括以下步骤：
75.步骤s1：所述整车控制器向所述电桥控制器2发出控制指令；
76.步骤s2：所述电桥控制器2控制所在电驱动桥执行驱动、转向、制动和悬架调整动作；
77.步骤s3：所述电驱动桥的轮毂电机、悬架装置4、转向机构5和制动器执行所述电桥控制器2的控制指令。
78.进一步地，所述步骤s1中，所述整车控制器能够同时控制一个或多个电驱动桥。
79.进一步地，如图3所示，所述步骤s3中，电桥控制器2根据来自整车控制器的上层信号的驱动、转向、制动、悬架调高、热管理等指令，控制电驱动轮1、制动器、悬架装置4、转向机构5、散热器6的执行机构实现对应的功能。
80.所述步骤s3中，电驱动桥执行驱动动作时：综合控制驱动器2先将来自动力电池包3的600v高压直流电逆变为600v交流电后，再将电力通过电缆输送至轮毂电机，轮毂电机输出的转速经过轮边减速器减速后，将扭矩传递至车轮，驱动车轮旋转。
81.电桥控制器2根据来自整车控制器的上层信号输出转矩指令，控制其所在车桥的两个电驱动轮1的轮毂电机输出转矩，轮毂电机输出的转矩可以根据驱动或回馈制动的要求为正值或负值。
82.进一步地，本发明的电驱动桥系统，能够通过第一个电驱动桥驱动，其他车轮从动实现行驶；或者通过全部或部分电驱动桥输出转矩，驱动整车行驶。示例性的，当整车空载时，仅仅启动一个或部分电驱动桥进行驱动；当整车负载较大时，启动全部电驱动桥进行驱动。
83.所述步骤s3中，电桥控制器2控制制动器的启停和制动力的大小，实现对电驱动桥
的制动。
84.由于本发明的每个电驱动桥均设有制动器，因此，可以实现对重载车辆的快速制动。
85.进一步地，所述步骤s3中，电驱动桥执行转向指令时：一个或多个所述电驱动桥同步执行驱动、转向或制动动作。
86.如图10所示，当电驱动桥的数量为6个时，各个电驱动桥相互配合实现直线行驶、弧形转向行驶和u形转向行驶。具体地，直线行驶时，各个电驱动桥的车轮方向相同；弧形转向行驶时，前三个电驱动桥的车轮同向偏转，后三个电驱动桥的车轮向相反的方向偏转；u形转向行驶时，前两个电驱动桥的车轮同向偏转，中间两个电驱动桥的车轮保持向前，后两个电驱动桥的车轮向反方向偏转。本发明的电驱动桥系统通过对各个电驱动桥的独立控制，能够实现多种转向模式，在实际应用中，能够获得更小的转向半径。
87.进一步地，单个电驱动桥的转向过程为：
88.步骤s31：电桥控制器2根据整车控制器的指令控制转向机构5的动力油缸51动作；
89.步骤s32：转向机构5通过动力油缸51的伸缩来实现转向摇臂53的摆动；
90.步骤s33：转向摇臂53摆动时，通过转向拉杆54拉动转向臂55摆动，从而实现车轮转向。
91.进一步地，所述步骤s3中，电桥控制器2根据整车控制器的指令控制调高阀组的动作，通过油气弹簧的伸缩来调节悬架装置4的高度，进而实现车身的高度调节。
92.进一步地，所述步骤s2中，电桥控制器2还能够控制散热器6对电驱动桥进行散热；具体地，散热器6根据温度传感器监测到的温度信号来控制风扇和水泵转速，以实现两个轮毂电机和一个电桥控制器2的热管理。
93.具体地，当温度传感器监测到电驱动桥的表面温度超过设定阈值t℃时，启动风扇和水泵对电驱动桥进行降温；进一步地，随着温度的升高，增大风扇和水泵的转速。
94.具体地，风扇启动的温度阈值为t1℃，当电驱动桥的表面温度达到t1℃时，启动风扇进行降温。即当电驱动桥的轮毂电机和/或电桥控制器2达到t1℃时启动风扇。此时，风扇的功率为一般状态下的初级功率。
95.具体地，水泵启动的温度阈值为t2℃，当电驱动桥的表面温度达到t2℃时，启动水泵进行降温。即当电驱动桥的轮毂电机和/或电桥控制器2达到t2℃时启动水泵。此时，水泵的功率为一般状态下的初级功率。
96.进一步地，当风扇和水泵同时启动，而电驱动桥的温度持续升高时，需要调高风扇和水泵的功率档位。
97.具体地，当电驱动桥的表面温度达到t3℃时，将风扇调高到最大功率。当电驱动桥的表面温度达到t4℃时，将水泵调高到最大功率。
98.其中，t1℃＜t2℃＜t3℃＜t4℃。考虑到，电驱动桥的温度越高对电器元件的损耗越严重，对降温速度的要求越高，各级温度阈值之间的差值逐渐缩小，即t
2-t1＞t
3-t2＞t
4-t3；示例性地，t1＝90，t2＝95，t3＝98，t4＝100。
99.具体的温度阈值t1℃、t2℃、t3℃和t4℃的大小以及风扇、水泵的档位功率可根据实际情况设定。本发明通过设置不同的温度阈值控制风扇和水泵的启停以及功率，既能实现节能效果又能保证对电驱动桥温度的有效控制，避免造成能源浪费。
100.本发明的目的是提供一种模块化电驱动桥系统，用于解决现有多轴超重载电驱底盘车桥系统集成度低、模块化水平和机动性能差的问题。现有的驱动桥的结构形式如图4、图5、图6所示，现有驱动桥结构单一，负载能力差模块化和机动性能不足。与现有技术相比，本实施例提供的至少具有如下有益效果之一：
101.(1)提高系统集成度
102.针对现有同类电驱桥产品系统集成度低问题，基于模块化的设计理念，本发明的模块化电驱动桥系统将车轮、减速器、驱动电机、控制器、散热器、动力电池、转向、制动、悬架等装置以桥为单位进行系统集成和模块化布置，以提高系统整体集成度和模块化程度。
103.(2)提高模块化水平
104.本发明的驱动桥系统基于模块化设计的电驱动桥，将动力、散热、悬架、转向、轮组等以桥为基础进行模块化设计和布置。针对现有同类电驱桥产品模块化程度不高、通用互换性差的问题，将电驱桥整体的模块化设计，以提高产品间及产品内的模块化应用程度；具有良好的适用性。
105.(3)增强机动性能
106.本发明的电驱动桥系统，相对于传统机械桥，采用多轴驱动，增强其动力、转向、通过等机动性能，增强军用高机动越野机动能力。
107.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种模块化电驱桥系统，其特征在于，包括：整车控制器、一体电源平台以及多个并列设置的电驱动桥；所述整车控制器对每一个电驱动桥独立控制；所述一体电源平台连接整车控制器和电驱动桥，用于对整车控制器和电驱动桥供电。2.根据权利要求1所述的模块化电驱桥系统，其特征在于，所述电驱动桥包括：电驱动轮(1)、电桥控制器(2)、动力电池包(3)和悬架装置(4)。3.根据权利要求2所述的模块化电驱桥系统，其特征在于，所述电驱动轮(1)对称布置在所述电驱动桥的两侧，并通过转向节与悬架装置(4)铰接。4.根据权利要求2或3所述的模块化电驱桥系统，其特征在于，所述电驱动轮(1)包括：车轮、轮毂电机、轮边减速器和制动器；所述轮毂电机用于驱动所述车轮旋转；所述轮毂电机与所述车轮之间设置轮边减速器；所述制动器用于对车轮制动。5.根据权利要求4所述的模块化电驱桥系统，其特征在于，所述电驱动桥还包括：转向机构(5)和散热器(6)。6.根据权利要求5所述的模块化电驱桥系统，其特征在于，所述动力电池包用于向所述电驱动桥中的用电设备供电；所述电桥控制器(2)用于控制轮毂电机的启停、制动器的制动或制动解除以及转向机构进行转向驱动。7.根据权利要求3所述的模块化电驱桥系统，其特征在于，所述悬架装置(4)包括：油气弹簧、上横臂和下横臂；上横臂、下横臂均铰接安装在底盘车架上，所述上横臂、所述下横臂均与电驱动轮(1)通过转向节铰接；所述油气弹簧设置在所述下横臂与底盘车架之间；所述油气弹簧的下端与所述下横臂的中部铰接，上端与底盘车架铰接。8.根据权利要求1-7所述的模块化电驱桥系统的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1：所述整车控制器向所述电桥控制器(2)发出控制指令；步骤s2：所述电桥控制器(2)控制所在电驱动桥执行驱动、转向、制动或悬架调整动作；步骤s3：所述电驱动桥的轮毂电机、悬架装置(4)、转向机构(5)和制动器执行所述电桥控制器(2)的控制指令。9.根据权利要求8所述的模块化电驱桥系统的驱动方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述整车控制器能够同时控制一个或多个电驱动桥。10.根据权利要求8所述的模块化电驱桥系统的驱动方法，其特征在于，所述步骤s3中，一个或多个所述电驱动桥同步执行驱动、转向或制动动作。

技术总结
本发明涉及一种模块化电驱桥系统及其驱动方法，属于重载车辆驱动技术领域，解决了现有技术中多轴超重载电驱底盘车桥系统集成度低、模块化水平和机动性能差的问题。本发明包括：整车控制器、一体电源平台以及多个并列设置的电驱动桥；所述整车控制器对每一个电驱动桥独立控制；所述一体电源平台连接整车控制器和电驱动桥，用于对整车控制器和电驱动桥供电。模块化设计的电驱动桥，将动力、散热、悬架、转向、轮组等以桥为基础进行模块化设计和布置。本发明提高了产品间及产品内的模块化应用程度，且具有良好的适用性。且具有良好的适用性。且具有良好的适用性。


技术研发人员：邱路路 常秋红 孟祥伟 燕敬强
受保护的技术使用者：北京机械设备研究所
技术研发日：2022.01.06
技术公布日：2023/7/21