1、双机械端口新型电机及控制,概述,常规电机无论何种结构均只有一个机械端口，这制约了它的应用范围。双机械端口电机具有两个机械轴，并可以实现两个机械轴能量的独立传递，在混合动力车、无级变速器等领域有广泛的应用前景。 当今世界汽车以每年几千万辆的速度增长，汽车数量的不断增加与众多燃油汽车排放所造成空气质量的日益恶化和石油资源的渐趋匮乏, 使得开发低排放、低油耗的新型汽车成为当今世界汽车发展的紧迫任务。虽然发动机的电控技术(燃油喷射、点火正时、怠速稳定、废气循环等电子控制) 和三元催化等排气净化技术的应用, 使汽车的排放和油耗已下降到了很低的程度, 但还是未能从根本上解决汽车排污和能源问题。因此世界各国
2、汽车工业巨头们都致力于其它燃料的汽车和电动汽车的研究和开发, 以求掌握未来汽车的主动权。由于电动汽车(Electric Vehicle 简称EV) 在使用中可实现零污染, 并可利用煤炭、水力等其它非石油资源, 因此, 无疑是解决问题的最有效途径。但是, 由于电动汽车的关键部件之一的蓄电池或燃料电池其能量密度、寿命、价格等方面的问题, 使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡。近年来， 融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle, 简称HEV ) 异军突起, 在世界范围内成为新型汽车开发的热点。,HEV将原动机、电动机、能量储存装置(蓄
3、电池) 按某种方式组合在一起,有串联式、并联式和混联式3 种形式。,串联式并联式混联式,串联式HEV动力传动系中的发动机和汽车驱动轮之间没有机械连接，具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，适用于市内常见的频繁起步加速和低速运行工况。适用于轮毂电机。 缺点是需要功率足够大的发电机、电动机和电池容量；整体的能量利用率较低。,图1 串联式HEV动力传动系结构图,串联式,并联式HEV的发动机机械能可直接输出到汽车驱动桥， 系统效率较高； 电动机同时又可作为发电机使用， 系统仅有发动机和电动机2 个动力总成， 整车质量和成本减小。 缺点是发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接， 发动机运行工况必将
4、受到汽车行驶工况的影响， 要维持发动机在最佳工作区运行， 则控制系统和控制策略较复杂。,图2 并联式HEV动力传动系结构图,并联式,混联式HEV 布置方案综合了串、并联两种布置方案的优点, 具有了最佳的综合性能, 但系统组成庞大, 传动系布置困难。另外, 实现串、并联分支间合理的切换对控制系统和相关控制策略的设计也提出了更高的要求。,开关式结构 分路式结构 图3 混联式HEV动力传动系结构图,混联式,双机械端口电机能量变换装置EVT,为了使内燃机（ICE）能在整个运行工况下均保持最佳效率运行，同时又可以减少装置的复杂程度，一种双机械端口新型电机能量变换装置（Electrical Variabl
5、e Transmission）EVT应运而生，EVT结构简图如下图所示。 图中内燃机（ICE）与内转子（机械端口1）相连，外转子（机械端口2）直接与汽车的齿轮相连，电力电子变换器直流侧接蓄电池（电端口）。内转子采用三相绕线式绕组，通过集电环将转差功率通过电力电子变换器向蓄电池充电或直接送到外侧的定子。,EVT的优点,机械装置比混联式HEV明显减少，EVT代替了离合器、齿轮箱、起动器和发电机。ICE和汽车驱动桥没有直接的机械联系。从而可以使ICE始终保持在最佳效率点工作，克服了并联式HEV的缺点。控制电力电子变换器可以控制转差功率的流向和大小，从而控制外转子的转速。由于有一部分能量直接从内转子传
6、到外转子，所以电力电子变换器和蓄电池的容量可以小一些，克服了串联式HEV的缺点。,EVT的工作原理,图5 EVT分拆结构图,上图中，Pm1为内燃机输出给EVT内转子的机械功率，Tm1为内燃机的机械转矩，m1为内转子旋转速度。Pe为内转子绕组中的转差功率，Pd为内转子通过气隙传递给外转子的的电磁功率，m2为外转子旋转速度， Pm2为外转子输出的机械功率，Tm2为外转子输出的机械转矩。Tf1和Tf2分别为内气隙和外气隙传递的电磁转矩。分析时假设无损耗，则内燃机输出的的机械功率为：,内转子和外转子通过磁场相互作用，使Pm1的一部分功率转化为转差功率Pe，另一部分转化为电磁功率Pd：,功率和转矩特性如
7、图6所示,图6 功率和转矩特性图,Pe通过电力电子变换器送到EVT的定子中，然后通过外气隙传送给外转子，因此外气隙的电磁转矩Tf2为： 外转子的机械转矩Tm2应该为Tf1和Tf2的综合作用，并可求出Tm2与Tm1的关系为：,图6表明，在m2=m1点附近，Pe相对来说比较小，因此在这点附近的损耗相对来说也较小，所以在这个区域是最佳工作区。当m2比较小时，Pe相对来说较高，转矩较大，因此这个区域是较短时间的加速区。所以，在实际的机车驱动系统中，直接驱动速度能够获得相对较高的效率。,EVT的基本结构,内、外转子同心的EVT结构如图8所示，实物图如图9所示。图中EVT内转子分布有三相绕组，通过滑环与变
8、流器1相连；定子上也分布有三相绕组，引出线与变流器2相连；外转子内、外两侧分别装有永久磁钢，通过内、外转子气隙磁场与内转子、定子交换电磁能量。,图8 EVT结构图,图9 EVT实物图,EVT除了可以作成径向磁场结构外，根据不同的需求，还可作成轴向磁场结构和混合磁场结构，如图10所示。,图10 不同结构的EVT,一般来说，在最普遍的工作情况下，功率的流向如下图所示，在以后的讨论中，我们选取图示情况为各种功率流向的正方向（箭头方向为功率流向的假定正向）。Ps为蓄电池功率（下同）。,车辆各种运行工况的功率流向,Pm1,Pd,Pm2,Pe1,Pe2,Ps,EVT电能的变换与传输可分解为Pe1、 Pe2
9、、 Ps三部分，其电能流向（正、负）可判断如下： 1.判断Pe1的正负 所以 则当m1m2时，Pe10，当m1m2 时，Pe1Tm2 时，Pe2Pm2时Ps0, Tm20）A. m1m2 ，Tm1m2 ，Tm1Tm2,Pm1,Pd,Pm2,Pe1,Pe2,Ps,C. m1m2 ，Tm10, Tm2m2,Pm1,Pd,Pm2,Pe1,Pe2,Ps,B. m1m2,Pm1,Pd,Pm2,Pe1,Pe2,Ps,反向电动（m20, Tm2Tm2,Pm1,Pd,Pm2,Pe1,Pe2,Ps,B. Tm1Tm2,Pm1,Pd,Pm2,Pe1,Pe2,Ps,EVT控制策略,EVT有多种控制策略，这里介绍三种
10、模式下的控制策略。ICE最佳效率运行模式纯电动车控制模式车辆起动控制模式,ICE最佳效率运行模式,ICE最佳效率运行曲线如下图所示，ICE在不同的功率输出下，有不同的最佳效率运行速度和转矩。ICE最佳效率运行模式有两种方式，一种是ICE的输出功率保持恒定，负载和ICE之间能量的差值由蓄电池来补偿；另一种方式要求ICE的输出功率紧紧跟随车轮功率的变化，车轮输出功率信号反馈给控制系统，信号过滤后，控制系统通过查ICE最佳效率工作曲线图来调节ICE的输出转速和转矩。我们选取后一种方式来进行更深入的分析。此运行模式下ICE的转速、转矩一般与驱动车轮的转速、转矩不相等，可分为三种工况分析。,m2m1 这
11、种工况与上一种工况相反。 驱动轮的工作点A位于ICE最佳效率运行曲线的下方。从功率平衡出发，驱动轮的输出机械转矩小于ICE输入的机械转矩。外转子多余的电磁功率Pe通过变流器送给内转子，电磁功率Pe越大，驱动轮转速m2越高。Pe的流向是从定子流向内转子。,m2=m1这种工况下，通过变流器传递的转差功率Pe等于0。系统运行效率最高。,上述控制策略，ICE必须在从低到高的整个负荷区范围内运行，而且ICE的输出功率要求快速而动态地变化。为了减少ICE功率变化，要求车辆驱动轮额定功率与ICE额定功率相等。大部分运行时间内蓄电池不通过变流器与外界交换能量。当车辆驱动功率大于或小于额定功率时，由蓄电池发出或
12、吸收电能，补充驱动轮功率与ICE功率的差额，这部分能量一般不会太大。,纯电动车控制模式,在这种工况下，汽车是纯电动运行，直到蓄电池SOC（State of Charge）低于最低限值。随后，ICE启动，在最低油耗(或排放)点按恒功率输出，一部分功率用于满足车轮驱动功率要求，另一部分功率向蓄电池充电。而当蓄电池组SOC上升到所设定的高门限值时，ICE关闭，汽车又变成纯电动运行。在这种模式中蓄电池组要满足所有瞬时功率的要求， （可并联超级电容器UC解决蓄电池耐冲击电流不够的难题，由于UC耐压低，需引入高效DC/DC变换器）。 蓄电池组的过度循环所引起的损失可能会减少内燃机优化所带来的好处。这种模式对内燃机比较有利而对蓄电池不利。,纯电动车运行模式适应于极低噪音和零污染排放的运行场合。例如，美国军方正在研制的军用战车，即考虑采用纯电动车驱动模式，具有更高的隐蔽性。EVT在城市密集区采用纯电动车运行模式，可大大改进城市交通污染问题。,车辆起动控制模式 车辆静止起动模式：下图中的实线功率流程 车辆同时起动模式：下图中的实、虚线功率流程,Pm1,Pd,Pm2,Pe1,Pe2,Ps,此种方式下，EVT可作为一台电动机用作内燃机的起动机。与此同时，车辆也可以由蓄电池供电运行于纯电动运行状态，此时，就多出了上图中虚线右侧部分的功率流向。,
