电动客车转向泵及空压机取力系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种纯电动客车，特别是指一种电动客车转向泵及空压机取力系统及其控制方法。

背景技术：

纯电动客车通常由电动液压助力转向泵提供转向助力，包括转向泵总成、转向电机和转向电机控制器，转向电机的输出轴与转向泵总成的泵轴相连，具体结构在中国专利cn201620011636.0等文献中有所论述，典型地，6～12米电动客车电动转向电机在1～3kw。

中国专利cn201511002908.7公开了一种新能源客车直流无刷型电动液压助力转向泵及其控制方法，该方案中，客车安装有检测方向盘转动角度的角度传感器，实时获取当前方向盘转角值，并检测当前方向盘转角值是否大于设定角度值，转向控制器根据角度信号闭环控制转向电机总成的转速。

纯电动客车整车开启门泵和刹车用气源通常由电动空压机产生，6～12米纯电动客车典型的电动空压机在1.5～4kw之间，如中国专利cn201610003583.2所述。

空压机和电动液压助力转向泵分别通过独立的dc/ac逆变器将整车直流电源(典型值在336～630v之间)逆变为交流电后驱动各自的电机并独立控制。其部件分散、系统集成度低，且成本高(两个独立的dc/ac逆变器成本较高)，占用车辆有效体积并增加了重量。

也有采用复合泵的方式，如中国专利cn201510781319.7所述，将两个独立的dc/ac逆变器和电机集成为1个逆变器和1个电机，该电机由逆变器驱动，电机输出部分与水油复合泵相连，并通过离合器输出驱动空压机。该方案在相对于上述案例减少了1个dc/ac逆变器和1个电机，使体积、重量有所减小并降低了成本。该方案中，驱动电机采用常用的5kwdc/ac变频器驱动，该电机无法用于驱动车辆传动系(即驱动车辆运转)；气泵、水油复合泵无法完全解耦，即无法实现仅让空压机工作，而水油复合泵关闭的模式，若整车气压不足，即使无转向需求，水油复合泵也无法关闭。

中国专利cn201610652069.1提出一种在变速箱输出两路能量流方式，第一输出轴传递动力给车辆后桥后驱动车轮运转，第二输出轴通过取力器和传动轴输出能量到转向/空压机集成泵，省去了2个dc/dc和2个小功率电机。该方案存在如下弊端：

1)基于传统空压机和转向泵，在没有新开发零部件情况下存在负荷无法调节情况，即在连续行车时，空压机已经不需要工作，但是转向不能关闭，此时若整车气压已经足够，空压机不能关闭，只能通过气阀放气的方式卸载，仍然损耗8～12％额定功率载荷；

2)或者空压机需要工作，车辆处于高速行驶工况，根据汽车理论可知，此时车辆实际所需转向扭矩需求不大，但由于转向泵通过传动轴固定连接，此时无法调低转向负荷，不能实现根据车速动态调节转向功率功能，不利于节能。

3)该方案牵引电机与车辆传动系直接耦合，未说明是否支持原地不行车时打转向情况，若原地不行车仅需要打转向，则牵引电机必须运转，车辆必定会移动，无法实现原地转向。实际上在诸如狭小的城市停车位等地段，车辆距离前后车间隙较小时，存在原地转向的可能，此时车轮不允许运动(容易与其他车辆接触)，必须原地打转向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电动客车转向泵及空压机取力系统及其控制方法，该系统直接从自动变速箱取力，转向和制动功能均可独立进行。

为实现上述目的，本发明所设计的电动客车转向泵及空压机取力系统，包括整车控制器(vehiclecontrolunit，简称vcu)、牵引电机及其控制器、自动变速箱、空压机本体(指不含电机的空压机)、转向泵本体(指不含电机的液压转向泵)、取力器、第一齿轮、第二齿轮、第一磁粉离合器和第二磁粉离合器；所述取力器与自动变速箱的中间轴相连，用于从自动变速箱获取动力；所述第一齿轮、第二齿轮并列地设置在取力器的输出端；所述第一磁粉离合器的输入轴与第一齿轮相连，所述第一磁粉离合器的输出轴与空压机本体的输入端相连；所述第二磁粉离合器的输入轴与第二齿轮相连，所述第二磁粉离合器的输出轴与转向泵本体的输入端相连；所述牵引电机控制器、自动变速箱、第一磁粉离合器和第二磁粉离合器各自的通讯控制接口分别与整车控制器相连。

本发明同时提供了前述电动客车转向泵及空压机取力系统的控制方法，包括空压机控制步骤和转向泵控制步骤，所述空压机控制步骤通过整车控制器控制第一磁粉离合器的结合程度，来调整空压机本体的输入转速，使制动气压保持在所需的范围内；所述转向泵控制步骤通过整车控制器控制第二磁粉离合器的输入部分和输出部分的结合程度，来调整转向泵本体的输入转速，提供所需大小的转向力。

优选地，所述空压机控制步骤包括：

1)车辆起步前，若整车控制器检测到制动气压不足，则不允许行车，整车控制器忽略挂挡操作并使自动变速箱保持在空挡；驾驶员踩下加速踏板后，牵引电机空转，整车控制器控制第一磁粉离合器励磁使后者的输入部分和输出部分进行咬合，牵引电机的力矩经由自动变速箱、取力器、第一齿轮、第一磁粉离合器传递给空压机本体，带动空压机本体运转，提高制动气压；待制动气压提高到满足安全要求后，恢复挂挡功能，允许车辆行车；

2)行车过程中，整车控制器控制第一磁粉离合器的励磁电流大小(可通过改变励磁电流占空比来调整)来调整磁粉离合器的结合程度，进而调整空压机本体的输入转速，使制动气压保持在所需范围内；

优选地，所述转向泵控制步骤包括：

1)整车控制器对车辆转向模式进行判断，具体可通过方向盘转角传感器进行判断或者通过本发明提供的方法进行判断；

2)若处于转向激活模式，整车控制器控制第二磁粉离合器励磁使后者的输入部分和输出部分进行咬合，牵引电机力矩经由自动变速箱、取力器、第二齿轮、第二磁粉离合器传递给转向泵本体，激活转向助力；整车控制器通过控制第二磁粉离合器的励磁电流大小(可通过改变励磁电流占空比来调整)来调整第二磁粉离合器的结合程度，进而调整转向泵本体的输入转速，获得所需的转向力；

3)若处于转向关闭模式，整车控制器控制第二磁粉离合器的励磁电流降至最小，使第二磁粉离合器的输入部分和输出部分分离，此时转向泵本体不工作。

优选地，所述空压机控制步骤中，在车辆起步前提高制动气压时，整车控制器控制牵引电机处于恒定转速，并使第一磁粉离合器励磁电流达到最大，第一磁粉离合器的输入和输出部分完全咬合，使制动气压快速提高，减少驾驶员等待时间。

优选地，所述转向激活模式分为原地转向模式和行车转向模式；若检测到同时满足以下条件：a)高压上电成功，b)驻车开关有效，c)驾驶员挂空挡，d)制动踏板开度为0，e)加速踏板开度大于设定值使其具有较大的开度，f)自动变速箱输出轴转速为0，则激活原地转向模式；若检测到同时满足以下条件：ⅰ)高压上电成功，ⅱ)驻车开关解除，ⅲ)加速踏板或者制动踏板的开度不为0，ⅳ)驾驶员挂前进挡或者倒车挡，ⅴ)自动变速箱输入轴、输出轴转速均不为0，则激活行车转向模式。

关于开度的说明：加速踏板、制动踏板的开度小于设定的最小开度值(如1％)时认为开度为0，大于等于设定的最小开度值时认为开度不为0或大于0。

优选地，若检测到车辆加速踏板开度、制动踏板开度、自动变速箱输出轴转速及自动变速箱输入轴转速均为0，且驻车开关有效，则进入转向关闭模式。

优选地，原地转向模式激活时，整车控制器控制牵引电机处于恒定转速，并使第二磁粉离合器励磁电流达到最大，第二磁粉离合器输入和输出部分完全咬合，以提供较大的转向力，以满足原地转向需求。

优选地，行车过程中，整车控制器根据自动变速箱的输出轴转速查找预先建立的自动变速箱输出轴转速-第二磁粉离合器励磁电流占空比的map图表，实时调整第二磁粉离合器的励磁电流。

优选地，行车过程中，整车控制器根据制动气压、自动变速箱的输出轴转速查找预先建立的制动气压-自动变速箱输出轴转速-第一磁粉离合器励磁电流占空比的map图表，实时调整第一磁粉离合器的励磁电流。通常变速箱输出轴转速较低且制动气压也较低时，整车控制器控制第一磁粉离合器占空比较大，变速箱输出轴转速中等及较高时且制动气压较高时，整车控制器控制第一磁粉离合器占空比较小。

优选地，制动气压过高时，例如检测到制动气压接近上限时整车控制器控制第一磁粉离合器励磁电流逐渐减小，到达上限后保持最小励磁电流；自动变速箱输出轴转速达到较高转速后，整车控制器控制第二磁粉离合器励磁电流为较小值；确保转向泵本体和空压机本体能耗最低。

优选地，车辆起步前，空压机本体或转向泵本体工作时，牵引电机处于转速控制模式；行车过程中，牵引电机除换挡操作时处于转速控制模式外，其他时间均处于转矩控制模式。

本发明的有益效果是：

1)本发明通过利用电动客车从自动变速箱中间轴取力后经过取力器及两个齿轮、两个磁粉离合器独立实现为空压机本体和转向泵本体提供动力，同时自动变速箱输出轴连接传动轴后驱动车辆前进或后退；

2)整车控制器控制牵引电机处于转速或转矩模式，配合自动变速箱挡位控制实现原地转向，原地驱动空压机本体，行车中可动态调节转向泵本体和空压机本体负荷，转向泵本体和空压机本体独立解耦，灵活性高。

3)相对于现有的电动转向泵和电动空压机方案，本发明减少两个独立的dc/ac逆变器和两个小功率转向泵或空压机电机，优化了整车布置空间，减轻了整车重量，并有效降低了成本。

附图说明

图1为本发明所设计的电动客车转向泵及空压机取力系统的结构示意图。

图2为磁粉离合器(包括第一磁粉离合器和第二磁粉离合器)的励磁电流与扭矩曲线。

图3为制动气压-自动变速箱输出轴转速-第一磁粉离合器励磁电流占空比map示意图，图中d11(dutycycle占空比)等具体数值由试验测定，根据车辆自身情况而变。

图4为自动变速箱输出轴转速-第二磁粉离合器励磁电流占空比的map示意图。

图5是整车控制器控制第一磁粉离合器励磁电流功能的逻辑流程图。

图6是整车控制器控制转向功能状态切换的逻辑流程图。

其中：整车控制器101、牵引电机201、牵引电机控制器202、自动变速箱301、取力器302、传动轴401、车辆驱动桥501、第一齿轮601、第二齿轮602、第一磁粉离合器701、第二磁粉离合器702、空压机本体801、转向泵本体802

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明所设计的电动客车转向泵及空压机取力系统，包括整车控制器101(vehiclecontrolunit，下简称vcu)，牵引电机201(含牵引电机控制器202)，自动变速箱301，取力器302，第一齿轮601，第二齿轮602，第一磁粉离合器701，空压机本体801(图1中空压机)，第二磁粉离合器702和转向泵本体802(图1中转向泵)。

其中，牵引电机逆变器输出三相交流电驱动牵引电机201工作，牵引电机201的输出轴与自动变速箱301的输入轴相连；自动变速箱301的输出为两路，第一路经过自动变速箱301的输出轴(受挡位影响)连接传动轴401后再连接车辆驱动桥501(前桥或者后桥)；第二路由变速箱中间轴(不受挡位影响)连接取力器302，取力器302再输出给第一齿轮601和第二齿轮602，第一齿轮601连接第一磁粉离合器701输入轴，第一磁粉离合器701输出轴连接空压机本体801，空压机本体801输出压缩空气至整车储气罐(图中未画出)；第二齿轮602连接第二磁粉离合器702输入轴，第二磁粉离合器702输出轴与转向泵本体802输入端相连。

自动变速箱301处于倒挡时，牵引电机201在车辆倒车工况和前进工况时的转向相同，确保转向泵本体802和空压机本体801在前进和倒车时转向相同。自动变速箱301处于空挡时，牵引电机201转动但是变速箱输出轴转速为0，车辆不前进也不倒退，可以实现原地转向和打气。

磁粉离合器通过vcu调节励磁电流十分方便地控制转矩传递，如图2所示，磁粉离合器传递转矩随励磁电流呈良好的线性关系，与励磁电流在相当广阔的范围内成正比。由于转矩是随励磁电流和磁场的建立而建立，经过一段极短的无响应时间后，基本上按线性规律上升的。

牵引电机控制器202、自动变速箱301、第一磁粉离合器701和第二磁粉离合器702各自的通讯控制接口(通讯接口或控制接口)分别与整车控制器101相连。vcu控制自动变速箱301处于空挡(n)或前进挡(d)或倒挡(r)，并解析驾驶员驾驶需求控制牵引电机控制器202工作。自动变速箱301的输出轴转速传感器发出的脉冲信号输出给vcu脉冲采集电路，vcu计算该转速并根据can报文获取牵引电机201转速即自动变速箱301的输入轴转速。

整车控制器101获取整车制动管路气压(即制动气压)，可以通过仪表采集制动管路气压后通过can报文获取，也可通过整车控制器101自身模拟量采集获取。

牵引电机控制器202具备转速和转矩控制模式，正常行车中除换挡外均处于转矩控制模式。起步阶段未行车时vcu根据整车制动管路气压值和是否为原地转向模式需求控制牵引电机控制器202处于转速控制模式，即牵引电机201处于恒定转速运转。

本实施例还提供了前述电动客车转向泵及空压机取力系统的控制方法，包括空压机控制步骤和转向泵控制步骤，具体说明如下。

1)空压机控制步骤：

如图5所示，车辆起步前，若高压上电成功，若整车控制器101检测到制动气压不足，则不允许行车，即使驾驶员挂前进挡(d)或者倒挡(r)，整车控制器101也会忽略挂挡操作，同时使自动变速箱301保持在空挡，并在仪表上提示制动气压不足。驾驶员踩下加速踏板(开度在区间(0～80％]内)后，牵引电机201在设定转速(典型值如1800rpm)空转。整车控制器101控制第一磁粉离合器701励磁使后者的输入部分和输出部分进行咬合，牵引电机201的力矩经由自动变速箱301、取力器302、第一齿轮601、第一磁粉离合器701传递给空压机本体801，带动空压机本体801运转，提高制动气压。为尽快提高制动气压，减少驾驶员等待时间，该过程中，控制第一磁粉离合器701励磁电流达到最大，第一磁粉离合器701的输入和输出部分完全咬合。待制动气压提高到满足安全要求后，恢复挂挡功能，允许车辆行车，驾驶员需要重新挂d挡或r挡才能行车。之所以需要重新挂挡，是为了防止驾驶员初始时请求前进挡，整车控制器认为挂挡无效，气压打满了整车控制器认为挂挡有效车辆进入前进挡模式，若驾驶员踩着加速踏板气压打满了却不察觉，很容易造成车辆前冲，产生危险。

行车过程中，整车控制器101控制第一磁粉离合器701的励磁电流大小来调整磁粉离合器的结合程度，进而调整空压机本体801的输入转速，使制动气压保持在所需范围内。

2)转向泵控制步骤：

整车控制器101对车辆转向模式进行判断。

若处于转向激活模式，整车控制器101控制第二磁粉离合器702励磁使后者的输入部分和输出部分进行咬合，牵引电机201力矩经由自动变速箱301、取力器302、第二齿轮602、第二磁粉离合器702传递给转向泵本体802，激活转向助力。整车控制器101通过控制第二磁粉离合器702的励磁电流大小来调整第二磁粉离合器702的结合程度，进而调整转向泵本体的输入转速，获得所需的转向力。

若处于转向关闭模式，整车控制器101控制第二磁粉离合器702的励磁电流降至最小，使第二磁粉离合器702的输入部分和输出部分分离，此时转向泵本体802不工作。

转向模式及其切换时机的判断，常规方法通过安装方向盘转角传感器及其附属机构进行反馈。对于未安装方向盘转角传感器及其附属机构的车辆，可采用如图6所示的方法进行判断，具体说明如下：

若检测到车辆加速踏板开度、制动踏板开度、自动变速箱输出轴转速及自动变速箱输入轴转速均为0，且驻车开关有效，则进入转向关闭模式。转向激活模式分为原地转向模式和行车转向模式模式。

若检测到同时满足以下条件：a)高压上电成功，b)驻车开关有效，c)驾驶员挂空挡，d)制动踏板开度为0，e)加速踏板开度80％～100％，f)自动变速箱输出轴转速为0，则激活原地转向模式。此时整车控制器101控制第二磁粉离合器702占空比达到最大，实现完全咬合，并控制牵引电机控制器处于转速控制模式，工作在前述设定转速。

若检测到同时满足以下条件：ⅰ)高压上电成功，ⅱ)驻车开关解除，ⅲ)加速踏板或者制动踏板的开度不为0，ⅳ)驾驶员挂前进挡或者倒车挡，ⅴ)自动变速箱输入轴、输出轴转速均不为0，则激活行车转向模式。

以上触发条件未完全满足时，维持所在状态不变，详见图6所述状态切换图。

该转向模式判断方法根据驻车开关，加速和制动踏板，变速箱输入轴输出轴转速等间接判断驾驶员转向需求，省去了成本较高的方向盘转角传感器和附属机构。

3)空压机、转向泵的能耗优化

如图3所示，行车过程中，整车控制器101根据制动气压、自动变速箱301的输出轴转速查找预先建立的制动气压-自动变速箱输出轴转速-第一磁粉离合器励磁电流占空比的map图表，实时调整第一磁粉离合器701的励磁电流。该map图表通过试验确定，可采用如下方法：控制自动变速箱输出轴在某一转速，调整第一磁粉离合器的励磁电流，在保证制动效果及其他供气需求的前提下，获得最低励磁电流占空比；在不同的自动变速箱输出轴转速下进行试验，获得对空压机能耗充分优化的map图表。行车中参照该map图表调整第一磁粉离合器的励磁电流，能够显著降低空压机本体的能耗。

如图4所示，行车过程中，整车控制器101根据自动变速箱301的输出轴转速查找预先建立的自动变速箱输出轴转速-第二磁粉离合器励磁电流占空比的map图表，实时调整第二磁粉离合器702的励磁电流。该map图表通过试验确定，可采用如下方法：控制自动变速箱输出轴在某一转速，调整第二磁粉离合器的励磁电流，在保证转向效果的前提下，获得最低励磁电流占空比；在不同的自动变速箱输出轴转速下进行试验，获得对转向泵能耗充分优化的map图表。行车中参照该map图表调整第二磁粉离合器的励磁电流，能够显著降低转向泵本体的能耗。

原地打气和原地转向时，牵引电机201工作在低载荷区，效率略低，两种工况出现比例很少(由于整车装有储气罐，除非整车漏气才会出现制动气压不足的情况)，对整体系统性能影响不大。