专利名称：用于电动汽车的自动变速箱装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电学领域，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，设计者只能釆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
本实用新型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。
本实用新型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捧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。
本实用新型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实用新型中的牵引力输入轴连接，电动汽车 的车轴与本实用新型中的驱动力输出轴连接。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。电动汽车驾驶员通过 手动操作器启动本实用新型中的控制器，本实用新型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，本实用新型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。
本实用新型与已有技术相对比，其效果是积极和明显的。本实用新型 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。本实用新型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l是本实用新型的用于电动汽车的自动变速箱装置的模块结构示意图。图2是本实用新型的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是本实用新型的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是本实用新型的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是本实用新型的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。
具体实施方式
如图l、图2、图3和图4所示，本实用新型的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ll、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CPU)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l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。
在本实用新型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l，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^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1G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。
本实用新型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 分利用了本实用新型的控制算法和电动机系统的可调特性。
安装本实用新型装置后的电动汽车，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O. 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1.一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l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l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l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l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l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l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l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l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。
专利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。本实用新型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，可在控制器控制下，实现牵引电机运行最佳状态，整车动力特性最优。
文档编号B60W10/111GK201354843SQ200920068458
公开日2009年12月2日 申请日期2009年3月5日 优先权日2009年3月5日
发明者勇 冒, 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