机电驱动设备、制动系统和电池管理系统的制作方法

本发明通常涉及在机电系统的使用中采用的推进、制动和电池管理系统的领域。

背景技术：

使用单个马达的机电系统遭受不良性能和不良效率的困扰。这些类型的系统的示例可以包括轻型出行交通工具，诸如电动踏板车，电动自行车，小型汽车，工业机器人等。采用双马达的机电系统可以克服许多这些问题。

双马达驱动设备的一个目的是在紧凑封装中提供具有增强的性能和效率的连续变速。一些实施例涉及使用两个马达。在一些实施例中，主马达用于固定功率输出，并且具有为高效率设计的尺寸。辅马达用于改变期望输出的速度。这两个马达通过行星齿轮机构耦合在一起。主马达驱动太阳齿轮，而辅马达驱动行星架。来自固定在壳体上的齿圈的输出可以驱动轮。这些组件被组装在紧凑型壳体内的固定轴上，该壳体可以直接安装在用于驱动机电系统的轮或轴上。

该概念还可以扩展到任何类型的马达/引擎组合，其中，基于扭矩需求选择主马达/引擎，并且根据期望速度变化选择辅马达。可以将行星齿轮机构设计为输入和输出齿轮的期望组合，以满足速度和扭矩要求。采用复合的行星齿轮机构在控制速度和扭矩时可以具有坚固性和灵活性。

线控驱动技术的发展增加了对机电制动系统的需求。尽管许多交通工具系统都配备有机电制动系统，但是现有系统仍然不够高效和可靠。因此，需要创新和开发包括电动马达的有效制动机构。基于楔块的制动是一种有助于在具有自供能能力的情况下提高制动效率的创新方法，但已知会遇到卡塞问题。

许多机电制动系统仅限于中型和重型商用车辆。本文所述的机电制动系统适用于轻型个人出行交通工具和商用车辆。这些系统具有紧凑的附加优点。

在一些实施例中，描述了一种测试夹具，以使用无刷直流(dc)马达评估楔形/扁平制动器的制动性能。可以从测试夹具的操作中获得作为时间的函数产生的制动/夹紧力。负载和感应电流的幅度可以在指定时间内与制动器启动相互关联。

电池在电子设备中必不可少，尤其是在简单的交通工具系统中，诸如电动自行车，电动踏板车和电动摩托车。电池可以为系统提供电力并减少行驶时间。实际上，不同装置可能会在不同的电压下工作，电池问题可能会影响其使用并可能导致严重的事故。因此，应在装置运行期间使用创新的电池管理系统来管理电池。不同类型的电池可能具有不同的管理系统，这些管理系统无法应用于不同类型的电池。这导致成本增加和开发周期延长。另外，由于每个电池单元具有不同的充电和放电特性，因此应该平衡电池。电池不平衡会导致电池寿命缩短，并可能构成隐患。

因此，在本领域中需要机电驱动设备在提供期望扭矩和速度要求的同时提供改进的性能和效率。在本领域中需要可应用于轻型个人出行交通工具和商用车辆的机电制动系统。在本领域中需要优化机电系统中电池电力使用的电池管理系统。

技术实现要素：

因此，并且有利地，一些实施例提供了在机电系统中使用双马达，在提供改进的性能和效率的同时满足要求的扭矩和速度要求。

采用双马达的机电系统提供了对采用单马达的系统的替代方案。双马达驱动设备可以通过连续可变的速度和扭矩来提供改进的性能和改进的效率。

提出了一种基于楔形机构操作的马达驱动制动系统，作为一种用于在轻型个人出行交通工具和商用车辆中实现紧凑型制动系统的创新方法。开发了紧凑型机电测试夹具，用于扁平/楔形制动系统的性能评估。

对于轻型个人出行交通工具和商用车辆，描述了装有柔性转子的固定卡钳型制动系统。在一些实施例中，马达驱动楔形制动衬块迫使转子抵靠固定的扁平制动衬块。施加制动器时，转子会发生弹性变形，从而实现牢固地抓住制动器并减少制动器打滑。此外，楔形感应的自供能制动系统减少制动马达的施力。

描述了电池管理系统，该电池管理系统包括控制单元和平衡算法，在应用到机电系统时有效地使用电池。

根据本发明的双马达驱动设备，包括：主马达；辅马达；固定轴；以及行星齿轮机构，所述行星齿轮机构包括太阳齿轮，一个或多个行星齿轮和齿圈；其中，主马达和辅马达可操作以提供用于机电系统的动力。

根据本发明的双马达驱动设备，主马达的定子刚性地附接到固定轴；以及主马达的定子由于感应磁场而驱动主马达的转子。主马达的转子附接到太阳齿轮。太阳齿轮驱动齿圈。齿圈连接到马达壳体并提供设备的输出功率。主马达的转子通过滚珠轴承附接到固定轴。

根据本发明的双马达驱动设备，辅马达的定子刚性地附接固定轴；以及辅马达的定子由于感应磁场而驱动辅马达的转子。辅马达的转子附接到一个或多个行星齿轮。辅马达的转子通过滚珠轴承附接到固定轴。

根据本发明的双马达驱动设备，主马达的功率输出保持恒定，并且辅马达的功率输出保持为零以提供恒定速度。主马达的功率输出保持恒定，并且辅马达的功率输出变化以提供可变速度。

根据本发明的电动楔形制动系统，包括：马达驱动螺旋轴，其自由端装有磁铁，驱动楔形柱塞，该柱塞在内部卡钳块/浮动卡钳的凹槽内往复运动；楔形制动衬块，与螺旋轴磁性接触；外部卡钳块，装有扁平制动衬块、磁隔离物(将扁平制动衬块保持在适当的位置)，力传感器和调节螺钉；制动转子，穿过卡钳块之间的槽，卡钳块任一侧具有制动衬块；制动马达，耦合到螺旋轴；以及非接触类型附件，诸如nfc、光学、螺线管、声学等，以通过它们各自的控制信号来测量制动轴的转速。

根据本发明的电动楔形制动系统是通过由具有楔形配对件的圆柱形柱塞将楔形制动衬块压在制动转子上抵靠在固定的扁平制动衬块上来制动。本发明特别使用具有螺纹孔的圆柱形楔形柱塞的构造，制动螺钉穿过该螺纹孔，并且在其外围上突出的导轨沿着与卡钳块上的槽对齐的轴延伸，以防止在操作制动器时柱塞随着往复运动而旋转。

根据本发明的制动器测试装置，包括驱动马达，具有支撑板；马达驱动轴，具有附接的制动转子以及带有轴承支撑的飞轮；制动系统，该制动系统可以是上述电动楔形制动系统；以及电制动控制单元，包括马达控制器、驱动器和用户定义的程序。

可以在测试装置中采用控制策略，涉及用户定义的程序，其中，用户可以输入参数，诸如期望的制动力、调整参数、制动持续时间、加速度等，以评估制动性能。

两种不同的制动技术(即：柔性转子–固定卡钳，刚性转子–浮动卡钳)与楔形机构结合。

根据本发明的电池管理系统包括：包括多个电池单元的电池组；电源管理电路，用于测量电池和电池单元的电压、电流和温度，用于对电压和电流进行滤波，切换电池组和平衡电路之间的连接，用于诊断和识别电路故障并防止电路故障；可重复编程的控制单元，用于上传和更新警告模块，显示模块，数据存储模块，通信模块和电源开关的控制策略，并对从内部模块和外部设备获得的信息进行信息处理；警告模块，用于生成声音信号，光信号和振动信号；显示模块，用于显示所述电池组中，电池单元和电池管理系统的信息；显示模块，用于显示电池组，电池单元和电池管理系统的信息；数据存储模块，用于存储；以及通信模块，用于建立电池管理系统与外部设备之间连接。

根据本发明的平衡策略包括：确定要平衡的电池单元，以及电池组和电池单元的参数；根据获取的参数和预定参数进行平衡电流计算，可以提供高平衡效率，防止高温问题；根据计算的平衡电流来平衡要平衡的电池单元的功率。

根据下面详细描述的本发明，实现了这些和其他优点。

附图说明

为了便于理解，在可能的情况下使用了相同的附图标记来表示图中共有的相同元件。附图未按比例绘制，并且附图中各个元件的相对尺寸被示意性地描述且未按比例绘制。

通过结合附图考虑以下详细描述，可以容易地理解本发明的技术，在附图中：

图1是示出双马达驱动设备的示例的示意图。

图2是双马达驱动设备的可能操作模式的流程图。

图3是示出部件的组装的剖视图。

图4是机电楔形制动器测试夹具组装的示意图。

图5是示出单马达柔性转子-固定卡钳设计的制动机构的测试夹具的示意图。

图6是单马达柔性转子-固定卡钳设计机电楔形制动器的分解图。

图7是在单马达柔性转子-固定卡钳设计中采用的制动机构的横截面。

图8是单马达浮动卡钳制动系统的制动机构的示意图。

图9是单马达浮动卡钳制动系统的分解图。

图10是在单马达浮动卡钳制动系统中采用的制动机构的横截面。

图11是描述制动系统的可能操作模式的流程图。

图12是电池管理系统的框图。

图13是电力管理模块的框图。

图14是电池平衡策略的流程图。

具体实施方式

以下连同附图提供一个或多个实施例的详细描述。结合这样的实施例提供了详细描述，但是不限于任何特定示例。范围仅由权利要求书限定，并且包含许多替代，修改和等同物。为了提供透彻的理解，在以下描述中阐述了许多具体细节。提供这些细节是为了示例的目的，并且可以在没有这些具体细节的部分或全部的情况下根据权利要求来实践所描述的技术。为了清楚起见，没有详细描述与实施例相关的技术领域中已知的技术材料，以避免不必要地模糊描述。

必须注意，除非上下文另外明确指出，否则本文以及权利要求书中所使用的单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数指代。因此，例如，对“一个部件”的引用包括两个或多个部件等。

在提供值的范围的情况下，可以理解，每个插入数值到下限单位的十分之一，在该范围的上限和下限之间，都在本发明的范围之内。如果使用修饰词“约”或“大约”，则规定数量最多可以相差10％。

如本文所使用的术语“水平”将被理解为被定义为平行于地球的平面或表面的平面。术语“垂直”将是指与先前定义的水平垂直的方向。诸如“在…上面(above)”，“在…下面(below)”，“底部(bottom)”，“顶部(top)”，“侧面(side)”，“较高(higher)”，“较低(lower)”，“上面的(upper)”，“在…之上(over)”和“在…之下(under)”的术语是相对于水平面而定义。术语“在...上(on)”是指元件之间直接接触。“在…上面(above)”将允许存在中间元件。

如本文所使用的，术语“在…上面(above)”和“在…之上(over)”将被理解为是指直接接触或由中间元件分开。

如本文所使用的，术语“在...上(on)”将被理解为意味着直接接触。

如本文所使用的，术语“在...之间”(当与一系列值一起使用时)将被理解为表示边界值和边界之间的任何值都可以在该一系列值的范围内。

如本文所使用的，术语“第一”，“第二”和其他序数将被理解为仅提供区分，而不是强加任何特定的空间或时间顺序。

如本文所使用的，术语“基本上”通常是指规定值的±5％。

使用单马达驱动设备的机电系统遭受不良性能和不良效率的困扰。这些类型的系统的示例可以包括轻型出行交通工具，诸如电动踏板车，电动自行车，小型汽车，工业机器人，微型机动车辆等。采用双马达驱动设备的机电系统可以克服许多这些问题。在一些实施例中，双马达驱动设备包括直接安装在轮或轴上的行星传动单元。双马达驱动设备包括为行星齿轮机构提供动力的两个电动马达输入。变速箱的旋转输出直接驱动轮或轴。双马达驱动设备可以提供连续可变的速度和扭矩。

图1是示出双马达驱动设备的示例的示意图。在一些实施例中，双马达驱动设备包括主马达101和辅马达102。主马达101包括主定子103和主转子104。辅马达102包括辅定子105和辅转子106。双马达驱动设备还包括太阳齿轮107，行星齿轮108和齿圈109。主定子103和辅定子105刚性地固定在轴110上。

图2是双马达驱动设备的可能操作模式的流程图。为了一致性，已经使用了与先前使用和描述的相同的元件编号。如前所述，双驱动马达系统包括主马达101和辅马达102。这两个马达与行星齿轮机构200耦合，以提供双马达动力传递。本领域技术人员将理解，行星齿轮机构200包括诸如前述的太阳齿轮107，行星齿轮108和齿圈109的元件。

在一些实施例中，双马达驱动设备提供了机电系统的期望速度。在一些实施例中，需要减速模式(即减速)202。在要求双马达驱动设备提供减速的实施例中，主马达101和辅马达102均被禁用并且采用制动系统。

在一些实施例中，需要恒定速度模式(即，巡航)203。在要求双马达驱动设备提供恒定速度的实施例中，主马达101被接合而辅马达102被禁用。

在一些实施例中，需要加速模式(即，增加动力)204。在要求双马达驱动设备提供加速的实施例中，主马达101被接合且辅马达102也被接合。

图3是示出部件的组装的剖视图。为了一致性，已经使用了与图1中使用和描述的相同的元件编号。使用键(key)300将主马达101的主定子103刚性地连接至固定轴110。主定子103包括堆叠式层压板周围的铜绕组，并且由于感应磁场而驱动主转子104。主转子104被构造为在其内周上包括永磁体301的圆柱体。主转子104使用紧固件连接至太阳齿轮107，并且可操作以旋转太阳齿轮。主转子104也使用两个滚珠轴承302连接到固定轴110，而卡簧303用于约束其轴向运动。太阳齿轮107驱动与马达壳体304连接的齿圈109。马达壳体304连接到轮，作为双马达驱动设备输出。

辅马达102的辅定子105使用键(key)305刚性地连接到固定轴110。辅定子105包括堆叠式层压板周围的铜绕组，并且由于感应磁场而驱动辅转子106。辅转子106被构造成在其内周上包括永磁体306的圆柱体。辅转子106使用两个轴承307，卡簧308和超越离合器309连接到固定轴110。可以使用螺栓310，使用螺钉和卡簧311以及使用滚珠轴承312中的至少一种方式将三组行星齿轮108安装在辅转子106。

在一些实施例中，主马达101的转速保持恒定在预定值，以提供从双马达驱动设备输出的恒定功率。对于各种应用，恒定功率输出可以用于以恒定速度驱动轮或者以恒定旋转驱动轴。如关于图2所讨论的，仅接合主马达可以被视为恒定速度模式203。在恒定速度模式203期间，辅马达未接合，并且辅转子106被限制用于由主驱动使用超越离合器309引起的反向旋转。

在一些实施例中，对双马达驱动设备的要求是提供加速。如关于图2所讨论的，使主马达和辅马达均接合可以被视为加速模式204。在一些实施例中，在加速模式期间，接合辅转子106和相关的行星齿轮108增加了齿圈109的速度。这是主马达的功率输出的补充，并增加了双马达驱动设备的总功率输出。恒速模式的极限速度(仅主马达)可以根据最大主马达性能和效率的计算来选择。通过在不牺牲主马达的性能或效率的情况下接合辅马达，可以满足双马达驱动设备对附加速度或加速度的要求。

在一些实施例中，双马达驱动设备被结合到轻型出行交通工具中，诸如电动踏板车，电动自行车，电动摩托车，小型汽车，工业机器人，微型机动车辆等。

图4是机电楔形制动器测试夹具组装的示意图。在一些实施例中，测试夹具包括驱动单元和制动单元。在一些实施例中，驱动单元是交流(ac)伺服马达400，从动飞轮401用于向制动转子402施加惯性负载。在一些实施例中，制动单元包括无刷直流马达403，从动楔形机构用于将马达力传递到与从动轴404连接的柔性制动转子402。

在一些实施例中，驱动马达400和制动马达403分别安装在夹板405和406上。驱动马达400的轴通过法兰407和联轴器414连接到柔性转子402。在轴承408上，飞轮401在夹板406和409之间支撑，耦合到制动转子402。保持所有制动部件的制动卡钳410通过联轴器413安装在夹板411上。整个测试夹具可以安装在基板412上。

在一些实施例中，包括在测试夹具中采用的电子控制系统和控制方法。在一些实施例中，使用控制器和用户定义的程序来控制驱动马达400和制动马达403，其中，用户可以输入期望的参数，诸如制动力，调整参数等。测试夹具被设计为测量制动性能并验证制动系统。使用力传感器测量力。在一些实施例中，诸如近场通信(nfc)，光学，螺线管，声学等任何普通非接触类型的辅助单元(以避免对制动性能的任何影响)可以用于测量制动马达的参数。在一些实施例中，可以基于特定的极性布置将一组永磁体附接到制动马达轴，并且缠绕在其周围的线圈可以用于测量制动期间的感应电流/电压，并且感应电流或电压用作制动控制器的输入，以建立制动马达的控制策略。

图5是示出单马达柔性转子-固定卡钳设计的制动机构的测试夹具的示意图。为了一致性，已经使用了与先前使用和描述的相同的元件编号。在一些实施例中，制动马达403安装在夹板406的一侧，而卡钳块组件500和501安装在另一侧。限位开关503限制卡钳。

图6是单马达柔性转子-固定卡钳设计机电楔形制动器的分解图。为了一致性，已经使用了与先前使用和描述的相同的元件编号。制动马达403连接到螺旋轴502，螺旋轴502进而来回驱动柱塞600。柱塞600是圆柱形部分，其具有螺纹孔，在其外围沿其轴线的一对突出的导轨，以使其可以在卡钳块500的长孔中滑动。柱塞600的前表面被楔入以倾斜的角度接合内部制动衬块601。一旦在尾端由限位开关503完全施加制动，卡钳块500内柱塞600在螺旋轴502上的运动就由负载传感器603记录的极限力控制。柱塞600的前端与内部制动衬块601上的楔形配对件匹配。在制动器关闭时，内部制动衬块601附接到螺旋轴502的磁性端，以避免与转子402接触。在施加制动后，柱塞600将内部制动衬块601推向转子402。柔性的转子402弹性变形，以与放置在转子402的另一端的固定扁平制动衬块604接触。转子402与外部制动衬块601之间的距离可以使用调节螺钉605进行改变。

图7是在对于图6描述的单马达柔性转子-固定卡钳设计中采用的制动机构的横截面。为了保持一致性，使用了与先前使用和描述的相同的元件编号。

图8是单马达浮动卡钳制动系统的制动机构的示意图。图9是单马达浮动卡钳制动系统的分解图。为了一致性，已经使用了与先前使用和描述的相同的元件编号。在一些实施例中，制动系统包括具有浮动卡钳801的刚性转子800，制动系统可以是一种楔形制动器。浮动卡钳801使用两个弹簧加载导杆803安装在制动适配器802上。浮动卡钳801的主体一侧具有围绕制动适配器802往复运动的空心活塞801a，另一侧具有制动马达804。制动马达804通过螺旋轴901驱动柱塞900。一旦施加制动，柱塞900就将倾斜制动衬块805推向转子800，直到接触为止。一旦无法继续前进，柱塞900将向后推动浮动卡钳801，并且这样做会拉动相对的制动衬块806，使其更靠近转子800。相对的侧制动衬块806安装在平板807上，该平板又通过浮动卡钳801的相同导杆803弹簧加载到制动适配器802。

图10是在单马达浮动卡钳制动系统中采用的制动机构的横截面。为了一致性，已经使用了与先前使用和描述的相同的元件编号。

图11是描述制动系统的可能操作模式的流程图。在操作1100中，制动系统的操作开始。在操作1101中，系统被初始化。在操作1102中，诊断系统以确认没有故障。操作1103是判定操作。如果在操作1103中检测到故障，则系统前进到操作1104，在操作1104中，生成警告和错误代码并进行通信或显示。然后，系统进行到结束步骤1105，并等待故障的修复或纠正。在判定操作1103中，如果没有故障，则系统进行到操作1106，在操作1106中，确定制动系统的参数。在操作1107中，采用了制动系统的控制策略。在操作1108中，使用控制策略来激活制动马达。操作1109是判定操作。如果尚未施加期望的制动力，则系统循环回到操作1106，并且重复操作1106至操作1108。如果已经施加了期望的制动力，则系统前进至结束步骤1105。

图12是电池管理系统(bms)的框图。在一些实施例中，描述了bms的配置1200。在一些实施例中，bms1200包括电池组1201(包括多个电池单元)，电力管理1202，控制单元1203，警告模块1204，显示模块1205，数据存储模块1206，通信模块1207。bms1200可以连接到外部设备1208。

图13是电力管理模块的框图。为了一致性，已经使用了与先前使用和描述的相同的元件编号。在一些实施例中，电池组1201经由线束连接至电力管理模块1202。在一些实施例中，电力管理模块1202包括开关模块1301和平衡模块1302。

在一些实施例中，电力管理模块1202包括开关模块1301，平衡模块1302和其他模块(未示出)，这些模块用于测量和滤波电压和电流并保护系统电路。在一些实施例中，电力管理模块1202具有诊断，识别和保护免受过充电，过放电，过电压，欠电压，过热，短路和开路问题的功能。

在一些实施例中，连接开关模块1301和平衡模块1302。开关模块1301具有通道切换功能，由电池组1201中的电池单元数量确定，并由控制单元1203控制。

在一些实施例中，控制单元1203具有通过通信模块1207重复上传和更新用于电力管理模块1202，警告模块1204，显示模块1205，数据存储模块1206，通信模块1207的控制策略以及对从内部模块和外部设备获得的参数进行信息处理的功能。

在一些实施例中，bms1200包括通信模块1207。通信模块1207具有用于bms1200和外部设备的信息交换的功能。在一些实施例中，通信模块1207具有上传和更新控制策略以及通过有线或无线通信方法(诸如集成电路间(iic)、串行外围接口(spi)、控制器局域网(can)、2.4g或5g无线保真(wi-fi)和蓝牙)与外部设备进行通信的功能。

在一些实施例中，bms1200包括警告模块1204。警告模块1204具有响应于检测到的系统故障而生成声音信号，光学信号和/或振动信号的功能。

在一些实施例中，bms1200包括显示模块1205。显示模块1205具有信息显示的功能。可以确定并在显示模块1205上呈现电池组1201的电压，电流，充电状态(soc)，健康状态(soh)和温度，电池单元的温度以及电池管理系统1201的工作状态和位置。通过控制单元1203和通信模块1207对详细信息进行编程。

在一些实施例中，bms1200包括数据存储模块1206。数据存储模块1206具有将特定信息保存到可读和可写存储介质的功能。数据存储模块1206可以使用安全数字存储卡(sd卡)、通用串行总线闪存驱动器(usb闪存驱动器)、软盘、dvd或其他常用存储介质。

图14是电池平衡算法的流程图。在一些实施例中，先前描述的控制单元用于控制每个模块。具体地，控制单元包括设计成实现算法以平衡电池组的软件，如图14所示。

在操作1401中，算法执行系统检查以确定是否存在任何故障。操作1402是决策操作。如果在操作1401中检测到故障，则系统前进到操作1409，在操作1409中，生成警告和错误代码并进行通信或显示，并且系统等待故障的修复或纠正。如果在操作1401中没有检测到故障，则在操作1403中，系统确定要平衡的电池单元和参数。这些数据被通信到数据获取和平衡电流计算操作1411。操作1404是判定操作。如果最大soc和最小soc之间的差大于预定阈值(soc_th)，则系统进入操作1405。如果最大soc和最小soc之间的差小于预定阈值(soc_th)，则系统处于平衡状态，并且返回到开始操作1401。操作1405是判定操作。如果电池组当前正在充电，则根据操作1411中的平衡电流计算，在操作1410中将平衡电流从具有最大soc的电池单元传输至具有最小soc的电池单元。如果电池组当前没有充电，则系统前进到操作1406。操作1406是判定操作。如果充电之间的空闲时间大于预定时间阈值(t_th)，则系统返回操作1411中的平衡电流计算以请求新的平衡参数并前进到操作1407。如果充电之间的空闲时间大于预定时间阈值(t_th)，则根据操作1411中的平衡电流计算，在操作1407中将平衡电流从具有最大soc的电池单元传输到具有最小soc的电池单元，并且系统前进到操作1408以实现电池平衡。如果充电之间的空闲时间小于预定时间阈值(t_th)，则系统处于平衡状态并返回到启动操作1401。

从操作1411计算的平衡电流是所获取数据或参数的函数，例如，i＝f(n,v,temp,temp_th,socs,δsoc,soc_th,ws,t_th)，其中，n是要平衡的电池单元的数量，v是电池和电池单元的电压，temp是电池和电池单元的温度，soc是电池和电池单元的充电状态，δsoc表示电池单元的最大soc和最小soc之间的差，temp_th，soc_th和t_th是预定值，并且ws表示电池组的工作状态。

尽管本文已经详细示出和描述了结合本发明的教导的各种实施例，但是本领域技术人员可以容易地设计出仍然结合这些教导的许多其他变化的实施例。