专利名称：一种用于电动汽车的自动变速箱装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电学领域，尤其涉及电动汽车的控制装置，特别是一种用于电动汽车的自动变速箱装置。
背景技术：
现有技术利用变频控制技术对电动车辆进行无级调速控制，但是，现有的控制装 置难以同时满足低速大扭矩和达到最高行驶速度的要求。具体的，当电动汽车在运行到爬 坡状态时，车辆必须输出很大的转矩，以保证具有很好的爬坡特性；当运行在高速状态时， 车辆必须满足最高速度的运行状态，达到设计时的最高运转速度。在不采用自动变速箱时， 要同时满足如上二点，设计者只能采用比额定工况大出多倍的功率满足之。但是，对于电 动车来说，功率和装置尺寸对整车设计是最难以处理的，更何况增加功率后，必然会加大能耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电动汽车的自动变速箱装置，所述的这种用于电动 汽车的自动变速箱装置要解决现有技术中电动汽车的调速控制装置难以同时满足低速大 扭矩和达到最高行驶速度要求的技术问题。本发明的这种用于电动汽车的自动变速箱装置由齿轮变速箱、车速检测装置、齿 轮变速箱驱动机构和控制器构成，其中，所述的齿轮变速箱中设置有牵引力输入轴和驱动 力输出轴，所述的牵引力输入轴与所述的驱动力输出轴平行，牵引力输入轴上套设有一个 轴向活动套管，所述的轴向活动套管上设置有一个第一主动齿轮和一个第二主动齿轮，驱 动力输出轴上设置有一个第一从动齿轮和一个第二从动齿轮，所述的第一主动齿轮和第二 主动齿轮的相向端面之间的距离大于所述的第一从动齿轮和第二从动齿轮的相反端面之 间的距离，或者，所述的第一主动齿轮和第二主动齿轮的相反端面之间的距离小于所述的 第一从动齿轮和第二从动齿轮的相向端面之间的距离，第一主动齿轮的齿数小于第一从动 齿轮的齿数，第二主动齿轮的齿数大于第二从动齿轮的齿数，所述的齿轮变速箱驱动机构 由动力推杆和动作执行机构构成，所述的动力推杆连接轴向活动套管和所述的动作执行 机构中的运动输出部件，动作执行机构的控制端通过导线与所述的控制器连接，所述的车 速检测装置的信号输出端通过导线与控制器连接，控制器中设置有DSP(即数字信号处理 器)、CPLD可编程逻辑器件、电源电路、电压信号调理电路、模数转换电路、存储器、通讯模 块电路和CAN总线(即控制器局域网总线)接口，所述的数字信号处理器通过中断和控制 线与所述的CPLD可编程逻辑器件连接，CPLD可编程逻辑器件与所述的电源电路连接，所述 的电压信号调理电路与所述的模数转换电路连接，模数转换电路与CPLD可编程逻辑器件、 一个地址总线和一个数据总线连接，所述的通讯模块电路与CPLD可编程逻辑器件、所述的 地址总线和所述的数据总线连接，所述的存储器与CPLD可编程逻辑器件、地址总线和数据 总线连接，数字信号处理器和控制器局域网总线接口均分别与地址总线和数据总线连接。
进一步的，所述的车速检测装置的信号输出端通过导线与控制器中的通讯模块电路连接，所述的动作执行机构的控制端通过导线与控制器中的通讯模块电路连接。进一步的，所述的动作执行机构是气动执行机构、或者液压执行机构、或者电动执 行机构。进一步的，所述的数字信号处理器与一个处理器时钟发生器连接。进一步的，所述的模数转换电路中设置有一个时钟发生器。进一步的，所述的地址总线和数据总线上连接有一个总线时钟发生器。进一步的，所述的通讯模块电路与一个通讯时钟发生器连接。进一步的，所述的电源电路中设置有整流电路和稳压滤波电路，电源电路与CPLD 可编程逻辑器件之间设置有指示灯。进一步的，所述的电源电路与一个电源管理电路连接，所述的电源管理电路中设 置有一个开关，所述的开关设置在一个手动操作器中。进一步的，控制器中的存储器中设置有牵引电机转速调节程序和齿轮位置变换 程序，所述的车速检测装置将车速信号传递到控制器，控制器中的数字信号处理器在所述 的牵引电机转速调节程序和齿轮位置变换程序的控制下，在车速降低到设定的低速范围内 时，通过地址总线、数据总线和通讯接口电路向动作执行机构的控制端输出控制信号，由动 作执行机构将第一主动齿轮移动到并保持在与第一从动齿轮的啮合位置，并在第一主动齿 轮与第一从动齿轮、第二主动齿轮与第二从动齿轮的脱离状态中，通过地址总线、数据总线 和控制器局域网总线接口向控制器局域网总线发送牵引电机调速信号，在车速增加并超过 设定的低速范围时，由动作执行机构将第二主动齿轮移动到并保持在与第二从动齿轮的啮 合位置，并在第一主动齿轮与第一从动齿轮、第二主动齿轮与第二从动齿轮的脱离状态中， 通过地址总线、数据总线和控制器局域网总线接口向控制器局域网总线发送牵引电机调速 信号。本发明的工作原理是电动汽车的牵引电机的控制端与CAN总线连接，牵引电机 的输出轴与本发明中的牵引力输入轴连接，电动汽车的车轴与本发明中的驱动力输出轴连 接，电动汽车驾驶员通过手动操作器启动本发明中的控制器，本发明的自动变速箱装置进 入工作状态，电动汽车的排挡进入自动调节状态。车速检测装置实时检测电动汽车的移动 速度，将车速信号传递到控制器，控制器中的数字信号处理器在牵引电机转速调节程序和 齿轮位置变换程序的控制下，向CAN总线输出牵引电机转速调节命令，向动作执行机构的 控制端输出齿轮位置变换命令。在车速降低并回落到设定的低速范围内时，通过地址总线、 数据总线和通讯接口电路向动作执行机构的控制端输出控制信号，由动作执行机构将第一 主动齿轮移动到并保持在与第一从动齿轮的啮合位置，这时由于速比的关系，车轴得到大 扭矩的输出，力矩最大，数字信号处理器并在第一主动齿轮与第一从动齿轮、第二主动齿轮 与第二从动齿轮的脱离状态中，通过地址总线、数据总线和控制器局域网总线接口向控制 器局域网总线发送牵引电机调速信号，将第一主动齿轮调节至与第一从动齿轮相同的比例 速度。在车速增加并超过设定的低速范围时，由动作执行机构将第二主动齿轮移动到并保 持在与第二从动齿轮的啮合位置，车轴得到最高速度的运行状态，数字信号处理器并在第 一主动齿轮与第一从动齿轮、第二主动齿轮与第二从动齿轮的脱离状态中，通过地址总线、 数据总线和控制器局域网总线接口向控制器局域网总线发送牵引电机调速信号，将第二主动齿轮调节至与第二从动齿轮相同的比例速度。设计时还可以改变第一主动齿轮、第二主动齿轮、第一从动齿轮和第二从动齿轮的齿数，从而可以方便地组合成不同的驱动力和电 动汽车最高速度。具体的，本发明中所述的第一主动齿轮、第二主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动 齿轮、动力推杆、动作执行机构、车速检测装置、数字信号处理器、CPLD可编程逻辑器件、电 源电路、电压信号调理电路、模数转换电路、存储器、通讯模块电路和CAN总线接口均采用 现有技术中的公知技术方案，有关上述公知技术方案，本领域的技术人员均已经了解，在此 不再赘述。本发明与已有技术相对比，其效果是积极和明显的。本发明利用车速检测装置实 时检测车速，利用数字信号处理器根据车速输出牵引电机调速信号和齿轮位置变换信号， 利用动作执行机构实现齿轮传动比改变，在低车速时，电动汽车的车轴得到大扭矩的输出， 力矩最大，超过低车速后，车轴得到最高速度的运行状态。本发明解决了现有技术难以同 时满足低速大扭矩和达到最高行驶速度要求的技术问题，同时可使牵引电机运行在最佳状 态，整车的动力特性最优。
图1是本发明一种用于电动汽车的自动变速箱装置的模块结构示意图。图2是本发明一种用于电动汽车的自动变速箱装置在低车速状态时的齿轮位置 示意图。图3是本发明一种用于电动汽车的自动变速箱装置在动态调速过程中的齿轮位 置示意图。图4是本发明一种用于电动汽车的自动变速箱装置在高车速状态时的齿轮位置 示意图。图5是本发明一种用于电动汽车的自动变速箱装置中的控制器的电路原理图。
具体实施例方式如图1、图2、图3和图4所示，本发明一种用于电动汽车的自动变速箱装置，由齿 轮变速箱3、车速检测装置11、齿轮变速箱驱动机构7和控制器2构成，其中，所述的齿轮变 速箱3中设置有牵引力输入轴12和驱动力输出轴13，所述的牵引力输入轴12与所述的驱 动力输出轴13平行，牵引力输入轴12上套设有一个轴向活动套管14，所述的轴向活动套 管14上设置有一个第一主动齿轮4和一个第二主动齿轮5，驱动力输出轴13上设置有一个 第一从动齿轮6和一个第二从动齿轮10，所述的第一主动齿轮4和第二主动齿轮5的相向 端面之间的距离大于所述的第一从动齿轮6和第二从动齿轮10的相反端面之间的距离，或 者，所述的第一主动齿轮4和第二主动齿轮5的相反端面之间的距离小于所述的第一从动 齿轮6和第二从动齿轮10的相向端面之间的距离，第一主动齿轮4的齿数小于第一从动齿 轮6的齿数，第二主动齿轮5的齿数大于第二从动齿轮10的齿数，所述的齿轮变速箱驱动 机构7由动力推杆15和动作执行机构16构成，所述的动力推杆15连接轴向活动套管14 和所述的动作执行机构16中的运动输出部件，动作执行机构16的控制端通过导线与所述 的控制器2连接，所述的车速检测装置11的信号输出端通过导线与控制器2连接，如图5所示，控制器2中设置有DSP(即数字信号处理器)、CPLD可编程逻辑器件、电源电路、电压 信号调理电路、模数转换电路、存储器、通讯模块电路和CAN总线(即控制器2局域网总线) 接口，所述的数字信号处理器通过中断和控制线与所述的CPLD可编程逻辑器件连接，CPLD 可编程逻辑器件与所述的电源电路连接，所述的电压信号调理电路与所述的模数转换电路 连接，模数转换电路与CPLD可编程逻辑器件、一个地址总线和一个数据总线连接，所述的 通讯模块电路与CPLD可编程逻辑器件、所述的地址总线和所述的数据总线连接，所述的存 储器与CPLD可编程逻辑器件、地址总线和数据总线连接，数字信号处理器和控制器2局域 网总线接口均分别与地址总线和数据总线连接。进一步的，所述的车速检测装置11的信号输出端通过导线与控制器2中的通讯模 块电路连接，所述的动作执行机构16的控制端通过导线与控制器2中的通讯模块电路连接。进一步的，所述的动作执行机构16是气动执行机构、或者液压执行机构、或者电动执行机构。进一步的，所述的数字信号处理器与一个处理器时钟发生器连接。进一步的，所述的模数转换电路中设置有一个时钟发生器。进一步的，所述的地址总线和数据总线上连接有一个总线时钟发生器。进一步的，所述的通讯模块电路与一个通讯时钟发生器连接。进一步的，所述的电源电路中设置有整流电路和稳压滤波电路，电源电路与CPLD 可编程逻辑器件之间设置有指示灯。进一步的，所述的电源电路与一个电源管理电路连接，所述的电源管理电路中设 置有一个开关，所述的开关设置在一个手动操作器1中。进一步的，控制器2中的存储器中设置有牵引电机转速调节程序和齿轮位置变换 程序，所述的车速检测装置11将车速信号传递到控制器2，控制器2中的数字信号处理器在 所述的牵引电机转速调节程序和齿轮位置变换程序的控制下，在车速降低到设定的低速范 围内时，通过地址总线、数据总线和通讯接口电路向动作执行机构16的控制端输出控制信 号，由动作执行机构16将第一主动齿轮4移动到并保持在与第一从动齿轮6的啮合位置， 并在第一主动齿轮4与第一从动齿轮6、第二主动齿轮5与第二从动齿轮10的脱离状态中， 通过地址总线、数据总线和控制器2局域网总线接口向控制器2局域网总线发送牵引电机 调速信号，在车速增加并超过设定的低速范围时，由动作执行机构16将第二主动齿轮5移 动到并保持在与第二从动齿轮10的啮合位置，并在第一主动齿轮4与第一从动齿轮6、第二 主动齿轮5与第二从动齿轮10的脱离状态中，通过地址总线、数据总线和控制器2局域网 总线接口向控制器2局域网总线发送牵引电机调速信号。在本发明的一个优选实施例中，电动汽车驾驶员通过与排挡杆联动的手动操作器 1，控制器2得到这信号后，就进入自动调节状态。在控制器2的输出控制调节下，牵引电机9开始转动，此过程均采用公知技术，在 此不再赘述。齿轮变速箱3中的一对齿轮处于啮合状态，电动汽车的车轴8运行。控制器2通过速度传感器信号得到车辆的实际运行速度。低车速状态时，第一主动齿轮4与第一从动齿轮6相啮合，这时由于速比的关系， 车轴得到大扭矩的输出，力矩最大。
根据控制器的设定值(可以改变)，当实际车速彡15kM/h时，控制器2将输出信号至齿轮变速箱驱动机构7，将第一主动齿轮4与第一从动齿轮6、第二主动齿轮5与第二从 动齿轮10移动到脱离位置(空挡位置)，然后在800毫秒内完成系统转速调节，将第二主动 齿轮5调节至与第二从动齿轮10相同的比例速度，然后再启动齿轮变速箱驱动机构7，将第 二主动齿轮5与第二从动齿轮10啮合，完成自动变换齿轮的上行啮合过程，当齿轮啮合的 初始阶段系统跟踪退出啮合状态前的转动力矩，用以消除转矩的波动。在整个调速过程中，第一主动齿轮4与第一从动齿轮6、第二主动齿轮5与第二从 动齿轮10位于脱离位置时，由控制器2对牵引电机速度进行调节，调节的目标值是目标齿 轮的比值速度，而且当齿轮切入的瞬间，电机驱动系统让电机参照调速前的扭矩，用以使电 动汽车运行平稳。根据控制器的设定值(可以改变)，当实际车速< 15kM/h时，控制器2输出信号至 齿轮变速箱驱动机构7，第一主动齿轮4与第一从动齿轮6、第二主动齿轮5与第二从动齿 轮10移动到脱离位置(空挡位置)，在800毫秒内完成系统转速调节，第一主动齿轮4调节 至与第一从动齿轮6相同的比例速度，然后再启动齿轮变速箱驱动机构7，将第一主动齿轮 4与第一从动齿轮6啮合，完成自动变换齿轮的下行啮合过程，当齿轮啮合的初始阶段系统 跟踪退出啮合状态前的转动力矩，用以消除转矩的波动。本发明通过对电动汽车的速度测量，以及动态快速调节改变电动机的转速、动态 扭矩的跟踪，通过DSP数字处理器完成数值算法，实现平稳无缝的切换，实现了自动排档动 态变换过程。这个过程的外部特征类同于燃油车的全自动手排档系统，其平稳度优于燃油 车的调速过程，这是充分利用了本发明的控制算法和电动机系统的可调特性。安装本发明装置后的电动汽车，其启动功率减低，能耗降低，动力指标得到有效的 改善，而且对操作者没有特殊要求，其操作过程等同于传统燃油车的全自动排档车系统。
本实施例中，核心CPU芯片采用DSP器件LF2407，模拟量输入首先通过电压信号调 理变成A/D量程范围内能接受的信号，然后完成A/D转换，2路高速脉冲输入通过CPLD为 DSP所接收，在数据总线的支持下完成进入CPU的算法流程，同时，数字的输出控制驱动模 块完成了气动执行机构的动作，在系统软件的支持下，完成对多通道讯息逻辑的算法组合。 图5中所示电路均为公知技术，在此不再赘述。具体的算法如下1)、依照固有的齿轮间的速比，建立‘比例因子(2个)’2)、运行的全过程进行速度检测，记录输输入、出轴的速度，记录动态变化的转矩。3)、当控制器测量到的速度达到设定值区域时，进入切换状态(由低速向高速或 由高速向低速切换)4)、控制器系统存储启动切换前的车辆速度(从动轴速度)，以及瞬间的动态转 矩，以此作为调节控制的目标值。5)、将调节的目标值乘以相对应的‘比例因子’，相乘后的参数为实际的调节量。系 统监测动态调节过程，当速度误差小于0. 15%时(该参数的大小可以在调试时给予设定)， 输出执行信号、驱动执行机构，系统将在瞬间保持动作前后的速度值、转矩值，以使电动汽 车平滑，然后进入新的调节过程。6)、系统重复循环进入上述的2)。
权利要求
一种用于电动汽车的自动变速箱装置，由齿轮变速箱、车速检测装置、齿轮变速箱驱动机构和控制器构成，其特征在于所述的齿轮变速箱中设置有牵引力输入轴和驱动力输出轴，所述的牵引力输入轴与所述的驱动力输出轴平行，牵引力输入轴上套设有一个轴向活动套管，所述的轴向活动套管上设置有一个第一主动齿轮和一个第二主动齿轮，驱动力输出轴上设置有一个第一从动齿轮和一个第二从动齿轮，所述的第一主动齿轮和第二主动齿轮的相向端面之间的距离大于所述的第一从动齿轮和第二从动齿轮的相反端面之间的距离，或者，所述的第一主动齿轮和第二主动齿轮的相反端面之间的距离小于所述的第一从动齿轮和第二从动齿轮的相向端面之间的距离，第一主动齿轮的齿数小于第一从动齿轮的齿数，第二主动齿轮的齿数大于第二从动齿轮的齿数，所述的齿轮变速箱驱动机构由动力推杆和动作执行机构构成，所述的动力推杆连接轴向活动套管和所述的动作执行机构中的运动输出部件，动作执行机构的控制端通过导线与所述的控制器连接，所述的车速检测装置的信号输出端通过导线与控制器连接，控制器中设置有数字信号处理器、CPLD可编程逻辑器件、电源电路、电压信号调理电路、模数转换电路、存储器、通讯模块电路和控制器局域网总线接口，所述的数字信号处理器通过中断和控制线与所述的CPLD可编程逻辑器件连接，CPLD可编程逻辑器件与所述的电源电路连接，所述的电压信号调理电路与所述的模数转换电路连接，模数转换电路与CPLD可编程逻辑器件、一个地址总线和一个数据总线连接，所述的通讯模块电路与CPLD可编程逻辑器件、所述的地址总线和所述的数据总线连接，所述的存储器与CPLD可编程逻辑器件、地址总线和数据总线连接，数字信号处理器和控制器局域网总线接口均分别与地址总线和数据总线连接。
2.如权利要求1所述的用于电动汽车的自动变速箱装置，其特征在于所述的车速检 测装置的信号输出端通过导线与控制器中的通讯模块电路连接，所述的动作执行机构的控 制端通过导线与控制器中的通讯模块电路连接。
3.如权利要求1所述的用于电动汽车的自动变速箱装置，其特征在于所述的动作执 行机构是气动执行机构、或者液压执行机构、或者电动执行机构。
4.如权利要求1所述的用于电动汽车的自动变速箱装置，其特征在于所述的数字信 号处理器与一个处理器时钟发生器连接。
5.如权利要求1所述的用于电动汽车的自动变速箱装置，其特征在于所述的模数转 换电路中设置有一个时钟发生器。
6.如权利要求1所述的用于电动汽车的自动变速箱装置，其特征在于所述的地址总 线和数据总线上连接有一个总线时钟发生器。
7.如权利要求1所述的用于电动汽车的自动变速箱装置，其特征在于所述的通讯模 块电路与一个通讯时钟发生器连接。
8.如权利要求1所述的用于电动汽车的自动变速箱装置，其特征在于所述的电源电 路中设置有整流电路和稳压滤波电路，电源电路与CPLD可编程逻辑器件之间设置有指示 灯。
9.如权利要求1所述的用于电动汽车的自动变速箱装置，其特征在于所述的电源电 路与一个电源管理电路连接，所述的电源管理电路中设置有一个开关，所述的开关设置在 一个手动操作器中。
10.如权利要求1所述的用于电动汽车的自动变速箱装置，其特征在于控制器中的存储器中设置有牵引电机转速调节程序和齿轮位置变换程序，所述的车速检测装置将车速信 号传递到控制器，控制器中的数字信号处理器在所述的牵引电机转速调节程序和齿轮位置 变换程序的控制下，在车速降低到设定的低速范围内时，通过地址总线、数据总线和通讯接 口电路向动作执行机构的控制端输出控制信号，由动作执行机构将第一主动齿轮移动到并 保持在 与第一从动齿轮的啮合位置，并在第一主动齿轮与第一从动齿轮、第二主动齿轮与 第二从动齿轮的脱离状态中，通过地址总线、数据总线和控制器局域网总线接口向控制器 局域网总线发送牵引电机调速信号，在车速增加并超过设定的低速范围时，控制器通过算 法，给出执行指令，由动作执行机构将第二主动齿轮移动到并保持在与第二从动齿轮的啮 合位置，并在第一主动齿轮与第一从动齿轮、第二主动齿轮与第二从动齿轮的脱离状态中， 通过地址总线、数据总线和控制器总线接口向控制器网络总线发送牵引电机调速信号。
全文摘要
一种用于电动汽车的自动变速箱装置，由齿轮变速箱、车速检测装置、齿轮变速箱驱动机构和控制器构成，齿轮变速箱驱动机构由动力推杆和动作执行机构构成，动作执行机构与控制器连接，车速检测装置的信号输出端通过导线与控制器连接，车速检测装置将车速信号传递到控制器，数字信号处理器根据车速输出牵引电机调速信号和齿轮位置变换信号，利用动作执行机构实现齿轮传动比改变，在低车速时，电动汽车的车轴得到大扭矩的输出，力矩最大，当电动汽车车速超过低速设定点后，车辆进入高速的运行状态。本发明解决了现有技术难以同时满足低速大扭矩和达到最高行驶速度要求的技术问题，可以在控制器控制下，实现牵引电机运行最佳状态，整车的动力特性最优。
文档编号B60K31/00GK101811442SQ20091004659
公开日2010年8月25日 申请日期2009年2月24日 优先权日2009年2月24日
发明者冒勇, 刘庆凯, 姚欣译, 岑兆奇, 虞光明, 陆政德 申请人:上海瑞华(集团)有限公司