双转子轮毂电机变压充电制动能量回收系统及方法

摘要

本发明公开了一种双转子轮毂电机变压充电制动能量回收系统及方法，包括双转子轮毂电机的内转子线圈和外转子线圈、与内转子线圈连接的内电机控制器、与外转子线圈连接的外电机控制器、所述内电机控制器和外电机控制器分别与BMS总控制器连接；所述第一动力电池组和第二动力电池组分别与BMS总控制器连接；再生制动控制器与BMS总控制器连接。制动能量回收方法为通过判断电机制动模式、确定制动模式、确定再生制动力矩、确定动力电池电压、确定参与制动能量回收的电池单体的组合等步骤。有益效果：本发明有效提高能量回收效率；通过切换模块将参与制动的电机切换到SOC小的动力电池组进行充电，有利于实现两个动力电池组的平衡。

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽车轮毂电机制动能量回收系统及方法，特别指一种双转子轮毂电机变压充电制动能量回收系统及方法，属于电动汽车制动技术领域。

背景技术

轮毂电机由于取消了变速箱、传动轴等部件，提高了驱动效率；同时轮毂电机更有利于各个轮胎驱动力和制动力的调节，能更好的实现对汽车运动的精确控制。轮毂电机作为新能源汽车的重要发展方向，已经得到了越来越多的高校、科研院所和车企的青睐。

针对单个轮毂电机需要宽调速范围才能满足汽车不同工况需求的问题，有学者提出了双转子轮毂电机的解决方案。

中国专利ZL201510453976.9公开了一种四轮驱动电动汽车的双转子轮毂电机及其动力传递方法。双转子电机通过与行星齿轮机构结合，能够实现转矩和转速的耦合，实现了选用较小功率电机的情况下仍能够满足汽车不同工况的需求。

中国专利ZL201410162607.x公开了一种基于双转子电机的电动轮及其控制方法。通过双转子电机、外转子电磁缓速制动器、内转子电磁缓速制动器、摩擦制动器的配合，提供多种驱动工况和制动工况。具有扩大电机再生制动的使用范围，增加了电动汽车的续驶里程和能源利用率，减少电动汽车的制动能量消耗的优点。

中国专利ZL201511009944.6公开了一种基于双转子电机的轮边动力驱动系统及其控制方法。提供纯电动驱动、混合动力驱动、制动能量回收、发电等功能，更好的匹配了汽车的不同运行工况。

以上专利更多的涉及双转子电机不同工作模式与汽车不同运行工况的匹配，针对如何具体提高双转子电机制动能量回收技术方面没有涉及。

在电机能量回收方面，中国专利201510628638.4公开了一种动力电池的主动无损双向均衡方法、装置和电路。通过对高压电池单体电池的正极开关和负极开关闭合给能量均衡模块单元充电；控制低压单体电池的正极开关和负极开关闭合使能量均衡单元给低电压单体电池充电。该专利实现了动力电池内各单体电池以及电池包与电池包之间的能量均衡。但是方法需要借助能量均衡模块，先由高压的单体电池向均衡模块放电，在由均衡模块向低压单体电池充电，通过两次转换，损耗较大。而且该方法针对的是电池在未充电的状态下自身内部的能量均衡，没有涉及到电池在充电过程中如何进行单体电池的能量均衡。

针对这个问题，中国专利申请号201711123651.X公开了一种基于BMS的轮毂电机再生制动的变压充电结构及控制方法，在电机进行能量回收对电池进行充电的时候，通过BMS对参与能量回收的单体蓄电池数量控制，实现了对再生制动力矩精确控制的同时达到了均衡单体电池能量的目的。但是该方法，需要根据当前电机的转速以及需求力矩确定参与再生制动的单体蓄电池数量，只适用于参数相同的电机。针对双转子轮毂电机，动力电池组不能提供同时满足内电机和外电机需求的单体电池数量。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中存在的不足，针对变压充电方法不能直接用于双转子轮毂电机的问题，本发明公开了一种双转子轮毂电机变压充电制动能量回收系统及方法。

技术方案：一种双转子轮毂电机变压充电制动能量回收系统，包括双转子轮毂电机，所述双转子轮毂电机包括内转子线圈和外转子线圈；内电机控制器，所述内电机控制器与内转子线圈连接；外电机控制器，所述外电机控制器与外转子线圈连接；BMS总控制器，所述内电机控制器和外电机控制器分别与BMS总控制器连接；第一动力电池组，所述第一动力电池组与BMS总控制器连接；第二动力电池组，所述第二动力电池组与BMS总控制器连接；再生制动控制器，所述再生制动控制器与BMS总控制器连接。

再生制动控制器根据驾驶意图、车速、当前驱动模式等车辆运行状态信息判断出需求的再生制动模式以及计算出第一动力电池组和第二动力电池组参与再生制动的电池电压。再生制动控制器通过对BMS总控制器的控制实现两个动力电池组充电电压的独立控制或者内外电机与动力电池组之间的切换，有效提高能量回收效率。

优选项，为了进一步提高能量回收效率，所述BMS总控制器包括切换模块、第一BMS控制器和第二BMS控制器，所述内电机控制器和外电机控制器分别通过切换模块与第一BMS控制器和第二BMS控制器连接；所述第一BMS控制器与第一动力电池组连接；所述第二BMS控制器与第二动力电池组连接。通过切换模块可以实现内外电机与各动力电池组之间的连接切换，通过多种再生制动能量回收模式的切换进一步的提高了能量回收效率。

优选项，为了实现再生制动能量回收模式之间的切换，所述切换模块包括S3、S4、S5、S6四个双向开关，所述开关S3与开关S4为第一联动开关，所述开关S5与开关S6为第二联动开关；

所述第一联动开关接通第一BMS控制器与内电机控制器连接电路时，第二联动开关不接通第二BMS控制器与内电机控制器连接电路；

所述第一联动开关接通第一BMS控制器与外电机控制器连接电路时，第二联动开关不接通第二BMS控制器与外电机控制器连接电路；

所述第二联动开关接通第二BMS控制器与内电机控制器连接电路时，第一联动开关不接通第一BMS控制器与内电机控制器连接电路；

所述第二联动开关接通第二BMS控制器与外电机控制器连接电路时，第一联动开关不接通第一BMS控制器与外电机控制器连接电路。

优选项，为了实现变压充电制动能量回收，所述第一动力电池组和第二动力电池组内部结构相同，所述第一动力电池组和第二动力电池组分别包括至少两个串联的电池单体组件，所述电池单体组件包括电池单体、电池检测模块、串联开关和并联开关；所述电池单体与电池检测模块并联后与串联开关串联，最后再与并联开关并联；所述电池检测模块将电池单体的性能参数传递至BMS总控制器；所述BMS总控制器分别控制第一动力电池组和第二动力电池组内电池单体组件的串联开关和并联开关的通断；同一电池单体组件内的串联开关和并联开关不同时闭合，串联开关闭合同时并联开关断开时电池单体接入主电路，串联开关断开同时并联开关闭合时电池单体从主电路断开。通过排序和选择接入电池单体的数量实现变压充电制动能量回收，进一步提高了能量回收的效率。

一种双转子轮毂电机变压充电制动能量回收方法，所述制动能量回收方法包括以下步骤：

步骤一、判断电机制动模式，驾驶员采取制动措施时，车辆由驱动模式转为制动模式，判断参与驱动工作的电机数量和类型；

步骤二、确定制动模式，根据步骤一驱动模式转换为制动模式时参与驱动工作的电机数量和类型确定制动模式，所述制动模式包括单独内电机制动模式、单独外电机制动模式、内外电机同时制动模式；

步骤三、确定再生制动力矩，根据车辆制动参数计算出需求的总制动力矩，结合制动模式最终确定电机的再生制动力矩；

步骤四、确定动力电池电压，根据选定的制动模式、动力电池组和所需的再生制动力矩，并基于拟定好的充电电压求取控制算法，计算出第一动力电池组理想电压值U1和第二动力电池组的理想电压值U2；

步骤五、确定参与制动能量回收的电池单体的组合，根据第一动力电池组理想电压值U1和第二动力电池组的理想电压值U2以及电池单体的SOC值的排序，确定电池单体的数量和组合。

优选项，所述确定电机制动模式的方法为：

S61、车辆由驱动模式转为制动模式时，判断参与驱动工作的是单电机单独工作还是双电机同时工作；为了提高驱动到制动模式切换的响应速度，制动工况优先选择与驱动工况相同的工作电机和动力电池组；

S62、双电机同时工作，则两个电机同时提供再生制动力矩，两个电机分别提供需求制动力矩的一半，动力电池组不需要切换；

S63、单独电机驱动时，先计算需求的制动力矩，判断当前处于工作状态的电机能否提供需求的制动力矩；

S63.1、可以提供所需制动力矩时，则选择参与驱动工作的电机进行能量回收，制动工况选择与驱动工况相同的工作电机和动力电池组；BMS总控制器根据电池检测模块检测出的电池单体SOC值分别得出第一动力电池组的SOC数值和第二动力电池组的SOC数值；

如果驱动工况下参与能量回收的动力电池组的SOC超过可以进行制动能量回收的最大限值时，即充电到其满电状态的90%，则BMS总控制器控制切换模块进行动力电池组的切换，将SOC超过进行制动能量回收最大限值的动力电池组切换为SOC没有超过进行制动能量回收最大限值的动力电池组。

当参与制动的动力电池组的SOC值不小于进行制动能量回收的最大限值时，判断另一组动力电池组的SOC值是否小于进行制动能量回收的最大限值，如果另一组动力电池组的SOC值小于进行制动能量回收的最大限值，则切换模块将当前参与制动的工作电机切换至另一组动力电池组连接；如果另一组动力电池组的SOC值不小于进行制动能量回收的最大限值，则进入S64；

S63.2、无法提供所需制动力矩时，判断内外电机同时工作能否提供需求的制动力矩；若内外电机同时工作可以满足需求制动力矩，则选择两电机同时提供需求的制动力矩；切换模块将未参与驱动工作的电机与未参与驱动工作的动力电池组接通进行制动能量回收，两个电机分别提供一半的需求制动力矩；

S64、如果内外电机同时工作能仍然不能满足需求的制动力矩，则内外电机提供最大的再生制动力矩，不足的制动力矩由液压制动系统提供。

优选项，所述确定参与制动能量回收的电池单体的组合的方法为：

S71、BMS总控制器根据电池检测模块检测出的电池单体SOC值，选出电池单体的SOC值低于可以进行制动能量回收的最大限值的电池单体，根据电池单体的SOC值从小到大进行排序；标记第一动力电池组中SOC最小的单体电池电压为u

S72、再生制动控制器根据内电机和外电机需求的再生制动力矩，分别计算出内电机需求的电池电压U

S73、根据当前参与制动的电机需求的电池电压值，确定参与制动所需的单体电池数量；

S73.1、当再生制动过程中有单体电池的SOC值不小于进行制动能量回收的最大限值时，重新进行排序并重新确定参与制动所需的单体电池数量；

S73.2、当k值小于参与制动所需的单体电池数量时，所有单体电池参与制动，不足的制动力矩由液压制动系统提供；

S73.3、当k值等于零时，停止再生制动能量回收，由液压制动系统提供制动力矩。

优选项，所述第一动力电池组或第二动力电池组作为动力电池输出时，所在动力电池组的所有电池单体组件的串联开关闭合，同时断开并联开关；制动能量回收时，将选定的电池单体组件的串联开关闭合，同时断开并联开关，未选定的电池单体组件的并联开关合，同时断开串联开关闭。

有益效果：两个动力电池组可以实现充电电压的独立控制，在内外电机同时制动模式下，内外电机分别与独立的动力电池组连接进行充电，实现了内外电机都可以按照轮毂电机反电动势一半的电池电压进行变压充电，可以实现内外电机都处于最大功率能量回收状态，有效提高能量回收效率；在单电机进行制动能量回收的工况下，通过切换模块，可以择优选择对应的动力电池组；在单一动力电池组不具备充电条件的时候，可以通过切换模块将参与制动的电机切换到可以进行充电的一组动力电池进行充电，有利于提高能量回收的效率；在两个动力电池组SOC差距较大的时候，可以通过切换模块将参与制动的电机切换到SOC小的动力电池组进行充电，更有利于实现两个动力电池组的平衡，为驱动工况提供有利的条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的BMS总控制器及动力电池组的结构示意图；

图3为本发明制动能量回收的方法流程图；

图4为本发明确定制动模式的方法流程图；

图5为本发明确定参与制动能量回收的电池单体的组合的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示，一种双转子轮毂电机变压充电制动能量回收系统，包括双转子轮毂电机1，所述双转子轮毂电机1包括内转子线圈11和外转子线圈12；内电机控制器2，所述内电机控制器2与内转子线圈11连接；外电机控制器3，所述外电机控制器3与外转子线圈12连接；BMS总控制器4，所述内电机控制器2和外电机控制器3分别与BMS总控制器4连接；第一动力电池组5，所述第一动力电池组5与BMS总控制器4连接；第二动力电池组6，所述第二动力电池组6与BMS总控制器4连接；再生制动控制器7，所述再生制动控制器7与BMS总控制器4连接。

再生制动控制器7根据驾驶意图、车速、当前驱动模式等车辆运行状态信息判断出需求的再生制动模式以及计算出第一动力电池组5和第二动力电池组6参与再生制动的电池电压。再生制动控制器7通过对BMS总控制器4的控制实现两个动力电池组充电电压的独立控制或者内外电机与动力电池组之间的切换，有效提高能量回收效率。

为了进一步提高能量回收效率，所述BMS总控制器4包括切换模块41、第一BMS控制器42和第二BMS控制器43，所述内电机控制器2和外电机控制器3分别通过切换模块41与第一BMS控制器42和第二BMS控制器43连接；所述第一BMS控制器42与第一动力电池组5连接；所述第二BMS控制器43与第二动力电池组6连接。通过切换模块41可以实现内外电机与各动力电池组之间的连接切换，通过多种再生制动能量回收模式的切换进一步的提高了能量回收效率。

如图1和2所示，为了实现再生制动能量回收模式之间的切换，所述切换模块41包括S3、S4、S5、S6四个双向开关，所述开关S3与开关S4为第一联动开关，所述开关S5与开关S6为第二联动开关；

所述第一联动开关接通第一BMS控制器42与内电机控制器2连接电路时，第二联动开关不接通第二BMS控制器43与内电机控制器2连接电路；

所述第一联动开关接通第一BMS控制器42与外电机控制器3连接电路时，第二联动开关不接通第二BMS控制器43与外电机控制器3连接电路；

所述第二联动开关接通第二BMS控制器43与内电机控制器2连接电路时，第一联动开关不接通第一BMS控制器42与内电机控制器2连接电路；

所述第二联动开关接通第二BMS控制器43与外电机控制器3连接电路时，第一联动开关不接通第一BMS控制器42与外电机控制器3连接电路。

为了实现变压充电制动能量回收，所述第一动力电池组5和第二动力电池组6内部结构相同，所述第一动力电池组5和第二动力电池组6分别包括m个串联的电池单体组件，所述电池单体组件包括电池单体、电池检测模块、串联开关和并联开关；所述电池单体与电池检测模块并联后与串联开关串联，最后再与并联开关并联；所述电池检测模块将电池单体的性能参数传递至BMS总控制器4；所述BMS总控制器4分别控制第一动力电池组5和第二动力电池组6内电池单体组件的串联开关和并联开关的通断；同一电池单体组件内的串联开关和并联开关不同时闭合，串联开关闭合同时并联开关断开时电池单体接入主电路，串联开关断开同时并联开关闭合时电池单体从主电路断开。通过排序和选择接入电池单体的数量实现变压充电制动能量回收，进一步提高了能量回收的效率。

所述第一动力电池组5或第二动力电池组6作为动力电池输出时，所在动力电池组的所有电池单体组件的串联开关闭合，同时断开并联开关；制动能量回收时，将选定的电池单体组件的串联开关闭合，同时断开并联开关，未选定的电池单体组件的并联开关合，同时断开串联开关闭。

如图3所示，一种双转子轮毂电机变压充电制动能量回收方法，所述制动能量回收方法包括以下步骤：

步骤一、判断电机制动模式，驾驶员采取制动措施时，车辆由驱动模式转为制动模式，判断参与驱动工作的电机数量和类型；

步骤二、确定制动模式，根据步骤一驱动模式转换为制动模式时参与驱动工作的电机数量和类型确定制动模式，所述制动模式包括单独内电机制动模式、单独外电机制动模式、内外电机同时制动模式；为了提高驱动到制动模式切换的响应速度，制动工况优先选择与驱动工况相同的工作电机和动力电池组.

步骤三、确定再生制动力矩，根据车辆制动参数计算出需求的总制动力矩，结合制动模式最终确定电机的再生制动力矩；

步骤四、确定动力电池电压，根据选定的制动模式、动力电池组和所需的再生制动力矩，并基于拟定好的充电电压求取控制算法，计算出第一动力电池组理想电压值U1和第二动力电池组的理想电压值U2；

步骤五、确定参与制动能量回收的电池单体的组合，根据第一动力电池组理想电压值U1和第二动力电池组的理想电压值U2以及电池单体的SOC值的排序，确定电池单体的数量和组合。

如图4所示，所述确定电机制动模式的方法为：

S61、车辆由驱动模式转为制动模式时，判断参与驱动工作的是单电机单独工作还是双电机同时工作；

S62、双电机同时工作，则两个电机同时提供再生制动力矩，两个电机分别提供需求制动力矩的一半，动力电池组不需要切换；

S63、单独电机驱动时，先计算需求的制动力矩，判断当前处于工作状态的电机能否提供需求的制动力矩；

S63.1、可以提供所需制动力矩时，则选择参与驱动工作的电机进行能量回收，制动工况选择与驱动工况相同的工作电机和动力电池组；BMS总控制器4根据电池检测模块检测出的电池单体SOC值分别得出第一动力电池组5的SOC数值和第二动力电池组6的SOC数值；

如果驱动工况下参与能量回收的动力电池组的SOC超过可以进行制动能量回收的最大限值时，即充电到其满电状态的90%，则BMS总控制器控制切换模块进行动力电池组的切换，将SOC超过进行制动能量回收最大限值的动力电池组切换为SOC没有超过进行制动能量回收最大限值的动力电池组。

在处于单独工作状态的电机能够满足需求的制动力矩的时候，为方便描述，标记当前参与再生制动的动力电池组的SOC数值为S

若BMS总控制器检测到S

当参与制动的动力电池组的SOC值不小于进行制动能量回收的最大限值时，判断另一组动力电池组的SOC值是否小于进行制动能量回收的最大限值，如果另一组动力电池组的SOC值小于进行制动能量回收的最大限值，则切换模块41将当前参与制动的工作电机切换至另一组动力电池组连接；如果另一组动力电池组的SOC值不小于进行制动能量回收的最大限值，则进入S64；

S63.2、无法提供所需制动力矩时，判断内外电机同时工作能否提供需求的制动力矩；若内外电机同时工作可以满足需求制动力矩，则选择两电机同时提供需求的制动力矩；切换模块41将未参与驱动工作的电机与未参与驱动工作的动力电池组接通进行制动能量回收，两个电机分别提供一半的需求制动力矩；

S64、如果内外电机同时工作能仍然不能满足需求的制动力矩，则内外电机提供最大的再生制动力矩，不足的制动力矩由液压制动系统提供。

如图5所示，所述确定参与制动能量回收的电池单体的组合的方法为：

S71、BMS总控制器4根据电池检测模块检测出的电池单体SOC值，选出电池单体的SOC值低于可以进行制动能量回收的最大限值的电池单体，根据电池单体的SOC值从小到大进行排序；标记第一动力电池组5中SOC最小的单体电池电压为u

S72、再生制动控制器7根据内电机和外电机需求的再生制动力矩，分别计算出内电机需求的电池电压U

S73、根据当前参与制动的电机需求的电池电压值，确定参与制动所需的单体电池数量；

S73.1、当再生制动过程中有单体电池的SOC值不小于进行制动能量回收的最大限值时，重新进行排序并重新确定参与制动所需的单体电池数量；

S73.2、当k值小于参与制动所需的单体电池数量时，所有单体电池参与制动，不足的制动力矩由液压制动系统提供；

S73.3、当k值等于零时，停止再生制动能量回收，由液压制动系统提供制动力矩。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。