本发明涉及电动汽车驱动技术，具体涉及一种电动汽车动力系统及其效率提升的方法。
背景技术：
电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。
一般，电力驱动系统由电控单元、控制器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成，电动机是将电源的电能转化为机械能，通过机械传动装置或直接驱动车轮和工作装置。
传统的电动汽车动力总成普遍采用单电机—单速比传动系统的结构，称为sm1st，如图1所示，为现有技术单电机—单速比传动系统的结构示意图，这种结构比较简单(图1中，减速齿轮对一1包含第一小齿轮11和第一大齿轮12，终减速齿轮对3包含：第三小齿轮31和第三大齿轮32，8为差速器)，但是其平均工作效率较低。为了提高效率，有研究者将两档传动系统引入，即采用单电机—两速传动系统的结构，称为sm2st，如图2所示，为现有技术单电机—两速传动系统的结构示意图(图2中，减速齿轮对一1包含第一小齿轮11和第一大齿轮12，终减速齿轮对3包含：第三小齿轮31和第三大齿轮32，8为差速器)，这种结构可改善系统的动力性和经济性，但是其在挡位切换时可能出现动力中断的情况。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种电动汽车动力系统及其效率提升的方法，该方法能够解决现有两种模式工作效率低的问题，能够通过双电机模式使电动汽车动力系统的平均工作效率得到提升，从而节省能耗成本，增加电动汽车的行驶里程。
为了达到上述目的，本发明提供了一种电动汽车动力系统效率提升的方法，该方法包含：
将单电机—两速系统中原有电机用第一电机和第二电机替换，采用双电机输入的动力总成结构，为行星轮式或平行轴式，驱动模式包含：第一电机单独驱动、第二电机单独驱动、双电机联合驱动；
通过各优化模型对动力总成的驱动模式、电机输出扭矩和速度进行选择，使动力总成结构的能量效率得到提升；
其中，在所述的行星轮式中，选择所述驱动模式的优化模型为：
s.t.eq.(2)；eqs.(3-6)
0≤ω1≤ωmax1；-tmax1(ω1)≤t1≤tmax1(ω1)
0≤ω2≤ωmax2；-tmax2(ω2)≤t2≤tmax2(ω2)；
式(1)中，p_loss1表示第一电机的损失，p_loss2表示第二电机的损失，t1表示第一电机的的输出扭矩，t2表示第二电机的的输出扭矩，ω1表示第一电机的转速，ω2表示第二电机的转速，tmax1表示第一电机的最大输出扭矩，ωmax1表示第一电机的最高转速；tmax2表示第二电机的最大输出扭矩，ωmax2表示第二电机的最高转速；pdmpgt表示行星轮式动力总成结构消耗的总功率；
式(2)为行星齿轮的速度约束条件方程，式(2)中，ωc表示行星架转速；ip表示行星轮齿圈与太阳轮的齿数比；v表示整车车速；if表示终减速齿轮对速比；i1表示第一电机的减速齿轮对速比；i2表示第二电机的减速齿轮对速比；rw表示轮胎半径；
式(3)-(6)为行星齿轮的力矩约束条件方程，式(3)-(6)中，
在所述的平行轴式中，选择所述驱动模式的优化模型为：
s.t.eqs.(8-9)
0≤ω1≤ωmax1；-tmax1(ω1)≤t1≤tmax1(ω1)
0≤ω2≤ωmax2；-tmax2(ω2)≤t2≤tmax2(ω2)；
式(8)为力矩约束条件方程，式(8)中，i1表示第一电机的转动惯量；i2表示第二电机的转动惯量；tl表示整车的阻力矩；mv表示整车质量
式(9)为速度约束条件方程。
优选地，所述原有电机的功率等于所述第一电机和第二电机的功率之和。
优选地，行星轮式动力总成结构包含：第一电机、第二电机、制动器b1、制动器b2、减速齿轮对一、减速齿轮对二、终减速齿轮对、行星轮齿圈、太阳轮、行星轮系小齿轮，和行星架。
其中，所述减速齿轮对一包含：第一小齿轮和第一大齿轮；所述减速齿轮对二包含：第二小齿轮和第二大齿轮；所述终减速齿轮对包含：第三小齿轮和第三大齿轮。
其中，所述第一电机与所述减速齿轮对一的第一小齿轮转动连接，所述第二电机与所述减速齿轮对二的第二小齿轮转动连接，所述太阳轮与所述减速齿轮对一的第一大齿轮通过轴固定连接，所述行星轮齿圈与所述减速齿轮对二的第二大齿轮通过轴固定连接，所述行星轮系小齿轮对称周向设置在所述太阳轮外侧，且其内侧与所述太阳轮啮合连接，外侧与所述行星轮齿圈啮合连接，所述行星架用于转动连接对称设置的行星轮系小齿轮，该行星架通过其输出轴与所述终减速齿轮对的第三小齿轮转动连接，该终减速齿轮对的第三大齿轮与差速器转动连接。
所述制动器b1用于制动所述的太阳轮；所述制动器b2用于制动所述的行星轮齿圈。
优选地，所述的平行轴式动力总成结构包含：第一电机、第二电机、减速齿轮对一、减速齿轮对二和终减速齿轮对。
其中，所述减速齿轮对一包含：第一小齿轮和第一大齿轮；所述减速齿轮对二包含：第二小齿轮和第二大齿轮；所述终减速齿轮对包含：第三小齿轮和第三大齿轮。
其中，所述第一电机与所述减速齿轮对一的第一小齿轮转动连接，所述第二电机与所述减速齿轮对二的第二小齿轮转动连接，减速齿轮对一的第一大齿轮、减速齿轮对二的第二大齿轮和终减速齿轮对的第三小齿轮同轴转动，所述终减速齿轮对的第三大齿轮与差速器转动连接。
优选地，所述的驱动模式根据所述第一电机和第二电机的转速进行判断：
当ω1＝0时，所述驱动模式为第二电机单独驱动；
当ω2＝0时，所述驱动模式为第一电机单独驱动；
当ω1和ω2均不为0时，所述驱动模式为双电机联合驱动。
优选地，所述的驱动模式根据所述第一电机和第二电机的输出扭矩进行判断：
当t1＝0时，所述驱动模式为第二电机单独驱动；
当t2＝0时，所述驱动模式为第一电机单独驱动；
当t1和t2均不为0时，所述驱动模式为双电机联合驱动。
优选地，该方法还包含：
在所述第一电机和第二电机的功率分配比率不同时，根据优化模型，在使系统的动力性满足要求的约束条件下，选择各减速齿轮的速比。
优选地，所述系统的动力性包含：最大爬坡度、最高车速和速度从0至100km/h的加速时间，且所述的最大爬坡度不低于40％，所述的最高车速不低于180km/h，从0至100km/h的加速时间不大于10s。
本发明还提供了一种行星轮式电动汽车动力系统，该系统包含：第一电机和第二电机；制动器b1，其用于制动太阳轮；制动器b2，其用于制动行星轮齿圈；减速齿轮对一，其包含：第一小齿轮和第一大齿轮，第一小齿轮与所述第一电机转动连接；减速齿轮对二，其包含：第二小齿轮和第二大齿轮，第二小齿轮与所述第二电机转动连接；太阳轮，其与所述减速齿轮对一的第一大齿轮通过轴固定连接；行星轮齿圈，其与所述减速齿轮对二的第二大齿轮通过轴固定连接；行星轮系小齿轮，其对称周向设置在所述太阳轮外侧，且其内侧与所述太阳轮啮合连接，外侧与所述行星轮齿圈啮合连接；行星架，其用于转动连接对称设置的行星轮系小齿轮；以及终减速齿轮对，其包含：第三小齿轮和第三大齿轮，第三小齿轮与所述行星架的输出轴连接，第三大齿轮与差速器转动连接。
在使用状态时，在所述制动器b1或制动器b2分别处于断开状态时，所述减速齿轮对二或减速齿轮对一处于工作状态；在所述制动器b1和制动器b2均处于断开状态时，所述减速齿轮对二和减速齿轮对一均处于工作状态。
本发明还提供了一种平行轴式电动汽车动力系统，该系统包含：第一电机和第二电机；减速齿轮对一，其包含：第一小齿轮和第一大齿轮，第一小齿轮与所述第一电机转动连接；减速齿轮对二，其包含：第二小齿轮和第二大齿轮，第二小齿轮与所述第二电机转动连接；以及终减速齿轮对，其包含：第三小齿轮和第三大齿轮，第三小齿轮与所述减速齿轮对一的第一大齿轮和减速齿轮对二的第二大齿轮同轴转动，且第三大齿轮与差速器转动连接。
在使用状态时，通过所述第一电机和第二电机的开启或关闭以控制第一电机和/或第二电机同时或单独处于工作状态。
本发明的电动汽车动力系统及其效率提升的方法，解决了现有两种模式工作效率低的问题，具有以下优点：
本发明的dmpgt(行星轮式)和dmpat(平行轴式)相对于传统的sm1st(单电机—单速比传动系统)和sm2st(单电机—两速传动系统)的效率都有非常明显的提升，dmpgt和dmpat通过以下两种方式提升动力总成的综合效率：
(1)通过优化模型制定的能量管理策略可使双电机在三种驱动模式之间切换并选择最优的驱动模式，以提升系统的综合效率；
(2)采用小功率电机代替大功率电机，电机的工作点将向高效率区域移动，从而提高平均工作效率；
因此，本发明的dmpgt和dmpat具有非常高的产业化价值。
附图说明
图1为现有技术单电机—单速比传动系统的结构示意图。
图2为现有技术单电机—两速传动系统的结构示意图。
图3为本发明的行星轮式电动汽车动力系统的结构示意图。
图4为本发明的行星轮式电动汽车动力系统的行星轮系受力分析图。
图5为本发明的平行轴式电动汽车动力系统的结构示意图。
图6为各系统在la92工况下动力总成效率曲线。
图7为各系统在nedc工况下动力总成效率。
图8为各系统在hwfet工况下动力总成效率。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种电动汽车动力系统效率提升的方法，该方法包含：
将单电机—两速系统中原有电机em0用第一电机em1和第二电机em2替换，采用双电机输入的动力总成结构，为行星轮式或平行轴式，驱动模式包含：第一电机单独驱动、第二电机单独驱动、双电机联合驱动；
通过各优化模型对动力总成的驱动模式、电机输出扭矩和速度进行选择，使动力总成结构的能量效率得到提升。
在行星轮式中，选择驱动模式的优化模型为：
s.t.eq.(2)；eqs.(3-6)
0≤ω1≤ωmax1；-tmax1(ω1)≤t1≤tmax1(ω1)
0≤ω2≤ωmax2；-tmax2(ω2)≤t2≤tmax2(ω2)；
式(1)中，p_loss1表示第一电机的损失，p_loss2表示第二电机的损失，t1表示第一电机的的输出扭矩，t2表示第二电机的的输出扭矩，ω1表示第一电机的转速，ω2表示第二电机的转速，tmax1表示第一电机的最大输出扭矩，ωmax1表示第一电机的最高转速；tmax2表示第二电机的最大输出扭矩，ωmax2表示第二电机的最高转速；pdmpgt表示行星轮式动力总成结构消耗的总功率。
式(2)为行星齿轮的速度约束条件方程，式(2)中，ωc表示行星架转速；ip表示行星轮齿圈与太阳轮的齿数比；v表示整车车速；if表示终减速齿轮对速比；i1表示第一电机的减速齿轮对速比；i2表示第二电机的减速齿轮对速比；rw表示轮胎半径。
式(3)-(6)为行星齿轮的力矩约束条件方程，式(3)-(6)中，
在平行轴式中，选择驱动模式的优化模型为：
s.t.eqs.(8-9)
0≤ω1≤ωmax1；-tmax1(ω1)≤t1≤tmax1(ω1)
0≤ω2≤ωmax2；-tmax2(ω2)≤t2≤tmax2(ω2)；
式(8)为力矩约束条件方程，式(8)中，i1表示第一电机的转动惯量；i2表示第二电机的转动惯量；tl表示整车的阻力矩；mv表示整车质量
式(9)为速度约束条件方程。
根据本发明一实施例，原有电机em0的功率等于第一电机em1和第二电机em2的功率之和。本发明的方法采用更小功率的双电机代替传统大功率的单电机结构，使电动汽车动力系统的平均工作效率得到提升，从而节省能耗成本，增加电动汽车的行驶里程，而且不会增加成本。
根据本发明一实施例，如图3所示，为本发明的行星轮式电动汽车动力系统的结构示意图，如图4所示，为本发明的行星轮式电动汽车动力系统的行星轮系受力分析图(图中，c、s、r、p分别表示行星轮系的行星架、太阳轮、齿圈、小齿轮，w表示速度)，行星轮式动力总成结构包含：第一电机em1、第二电机em2、制动器b1、制动器b2、减速齿轮对一1、减速齿轮对二2、终减速齿轮对3、行星轮齿圈4、太阳轮5、行星轮系小齿轮6，和行星架7。
其中，减速齿轮对一1包含：第一小齿轮11和第一大齿轮12；减速齿轮对二2包含：第二小齿轮21和第二大齿轮22；终减速齿轮对3包含：第三小齿轮31和第三大齿轮32。
其中，第一电机em1与减速齿轮对一1的第一小齿轮11转动连接，第一电机em2与减速齿轮对二2的第二小齿轮21转动连接，太阳轮5与减速齿轮对一1的第一大齿轮12通过轴固定连接，行星轮齿圈4与减速齿轮对二2的第二大齿轮22通过轴固定连接，行星轮系小齿轮6周向设置在太阳轮5外侧，且其内侧与太阳轮5啮合连接，外侧与行星轮齿圈4啮合连接，行星架7用于转动连接对称设置的行星轮系小齿轮6，该行星架7通过其输出轴与终减速齿轮对3的第三小齿轮31转动连接，该终减速齿轮对3的第三大齿轮32与差速器8转动连接。
制动器b1用于制动太阳轮5；制动器b2用于制动行星轮齿圈4。
对于dmpgt，第一电机em1单独驱动时，制动器b1处于断开状态，制动器b2处于制动状态，第二电机em2不工作；第二电机em2单独驱动时，制动器b2处于断开状态，制动器b1处于制动状态，第一电机em1不工作；第一电机em1和第二电机em2共同驱动时，两个制动器均处于断开状态。当整车所需动力较小时，第一电机em1或第二电机em2可独立驱动，这有助于减少电机的损失；当整车所需动力较大且任何一个电机独立驱动无法满足动力需求时，两个电机则同时驱动整车，以达到动力性要求。
根据本发明一实施例，如图5所示，为本发明的平行轴式电动汽车动力系统的结构示意图，平行轴式动力总成结构包含：第一电机em1、第一电机em2、减速齿轮对一1、减速齿轮对二2和终减速齿轮对3。
其中，减速齿轮对一1包含：第一小齿轮11和第一大齿轮12；减速齿轮对二2包含：第二小齿轮21和第二大齿轮22；终减速齿轮对3包含：第三小齿轮31和第三大齿轮32。
其中，第一电机em1与减速齿轮对一1的第一小齿轮11转动连接，第一电机em2与减速齿轮对二2的第二小齿轮21转动连接，减速齿轮对一1的第一大齿轮12、减速齿轮对二2的第二大齿轮22和终减速齿轮对3的第三小齿轮31同轴转动，终减速齿轮对3的第三大齿轮32与差速器8转动连接。
对于dmpat，不需要使用同步器和制动器，直接控制第一电机em1和第二电机em2的开启或关闭以进行驱动模式选择，即第一电机em1独立驱动时，第一电机em1开启而第二电机em2关闭；第二电机em2独立驱动时，第二电机em2开启而第一电机em1关闭；双电机驱动模式下则第一电机em1和第二电机em2同时开启。
根据本发明一实施例，驱动模式根据第一电机em1和第一电机em2的转速进行判断：
当ω1＝0时，驱动模式为第二电机单独驱动；
当ω2＝0时，驱动模式为第一电机单独驱动；
当ω1和ω2均不为0时，驱动模式为双电机联合驱动。
根据本发明一实施例，驱动模式根据第一电机em1和第一电机em2的输出扭矩进行判断：
当t1＝0时，驱动模式为第二电机单独驱动；
当t2＝0时，驱动模式为第一电机单独驱动；
当t1和t2均不为0时，驱动模式为双电机联合驱动。
根据本发明一实施例，该方法还包含：
在第一电机em1和第一电机em2的功率分配比率不同时，根据优化模型，在使系统的动力性满足要求的约束条件下，选择各减速齿轮的速比。
系统的动力性包含：最大爬坡度、最高车速和速度从0至100km/h的加速时间，且最大爬坡度不低于40％，最高车速不低于180km/h，从0至100km/h的加速时间不大于10s。
一种行星轮式电动汽车动力系统，该系统包含：第一电机em1和第一电机em2；制动器b1，其用于制动太阳轮；制动器b2，其用于制动行星轮齿圈4；减速齿轮对一1，其包含：第一小齿轮11和第一大齿轮12，第一小齿轮11与第一电机em1转动连接；减速齿轮对二2，其包含：第二小齿轮21和第二大齿轮22，第二小齿轮21与第一电机em2转动连接；太阳轮5，其与减速齿轮对一1的第一大齿轮12通过轴固定连接；行星轮齿圈4，其与减速齿轮对二2的第二大齿轮22通过轴固定连接；行星轮系小齿轮6，其周向设置在太阳轮5外侧，且其内侧与太阳轮5啮合连接，外侧与行星轮齿圈4啮合连接；行星架7，其用于转动连接对称设置的行星轮系小齿轮6；以及终减速齿轮对3，其包含：第三小齿轮31和第三大齿轮32，第三小齿轮31与行星架7的输出轴连接，第三大齿轮32与差速器8转动连接。
在使用状态时，在制动器b1或制动器b2分别处于断开状态时，减速齿轮对二2或减速齿轮对一1处于工作状态；在制动器b1和制动器b2均处于断开状态时，减速齿轮对二2和减速齿轮对一1均处于工作状态。当整车所需动力较小时，第一电机em1或第二电机em2可独立驱动，这有助于减少电机的损失；当整车所需动力较大且任何一个电机独立驱动无法满足动力需求时，两个电机则同时驱动整车，以达到动力性要求。
一种平行轴式电动汽车动力系统，该系统包含：第一电机em1和第一电机em2；减速齿轮对一1，其包含：第一小齿轮11和第一大齿轮12，第一小齿轮11与第一电机em1转动连接；减速齿轮对二2，其包含：第二小齿轮21和第二大齿轮22，第二小齿轮21与第一电机em2转动连接；以及终减速齿轮对3，其包含：第三小齿轮31和第三大齿轮32，第三小齿轮31与减速齿轮对一1的第一大齿轮12和减速齿轮对二2的第二大齿轮22同轴转动，且第三大齿轮32与差速器8转动连接。
在使用状态时，通过第一电机em1和第一电机em2的开启或关闭以控制第一电机em1和/或第一电机em2同时或单独处于工作状态。该系统不需要使用同步器和制动器，直接控制第一电机em1和第二em2的开启或关闭以进行驱动模式选择。
对本发明的两种系统和传统sm1st和sm2st的动力总成齿轮对速比选择对速度的影响研究，如表1所示，为各系统的动力总成齿轮对速比选择对比表：
表1各系统的动力总成齿轮对速比选择对比表
注：v10表示从开始加速10s之后的速度，若这个速度大于100km/h，则满足速度从0至100km/h的加速时间不大于10s的加速性要求。
表1中数据是各种动力总成的齿轮速比，在表1中的齿轮速比的取值能够使系统的动力性满足要求。第一电机的功率比β＝第一电机的功率/(第一电机的功率+第二电机的功率)，表中β为0.5～0.8，能量效率较高。
研究本发明的两种系统和传统sm1st和sm2st在不同工况下的能量效率，如图6所示，为各系统在la92工况下动力总成效率曲线(sm1sti0＝2.63,sm2sti1＝3.33；dmpgt&dmpatβ＝0.5)，在la92工况下，本发明的两种系统的能量效率η均在75％～82％以上，而传统的两种系统最高达到63％～70％，如图7所示，为各系统在nedc工况下动力总成效率(sm1sti0＝2.20；sm2sti1＝2.67；dmpgt&dmpatβ＝0.65)，在nedc(neweuropeandrivingcycle，新欧洲循环工况)工况下，本发明的两种系统的能量效率η均在83％～91％以上，而传统的两种系统最高达到75％～79％，如图8所示，为各系统在hwfet工况下动力总成效率(sm1sti0＝1.77；sm2sti1＝2.00；dmpgt&dmpatβ＝0.8)，在hwfet(highwayfueleconomydrivingschedule，高速燃油经济性循环工况)工况下本发明的两种系统的能量效率η均在90％以上，而传统的两种系统最高达到86％，可以看出本发明的两种系统在不同工况下均能取得很好的能量效率。
综上所述，本发明的电动汽车动力系统及其效率提升的方法能够通过双电机模式使电动汽车动力系统的平均工作效率得到提升，从而节省能耗成本，增加电动汽车的行驶里程。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。