基于双转子电机的混合动力系统方案的研究进展

基于双转子电机的混合动力系统方案的
研究进展
摘要：混合动力系统中，双转子电机由于能量传输能量，其应用前景十分广阔。

基于此，本文就双转子电机混合动力系统方案展开研究，首先阐述了混合动力系统，其次对双转子电机进行详细分析，为后续研究提供参考。

关键词：双转子电机；混合动力系统；方案
新能源汽车技术重点在于纯电动、燃料电池，但是由于技术限制当前市场上的新能源汽车主要为油电混合动力汽车，技术也逐渐得到发展。

单当前，混合动力系统典型系统是丰田THS系统、通用AHS系统，其核心部件为动力耦合器中的行星齿轮变速器，其可以促使内燃机与电机实现速度、转矩耦合，优化发动机。

但是，需要定期维护行星齿轮结构。

一、混合动力系统概述
双转子电机混合动力系统中包括内燃机、双转子电机、变换其、能量存储装置等。

双转子电机中，内转子轴连接了内燃机，外转子轴连接了汽车驱动桥。

内转子轴设置了三相交流绕组，并连接着内电机交/直流变换其，定子上也设置了三相交流绕组，并连接着外电机交/直流变换器，而能量存储装置则分别连接着内外电机交/直流变换器[1]。

双转子电机类型不同，外转子轴上不仅设置了内外永磁体，同时也设置了内外三相交流绕组。

由双转子电机内转子输入发动机输出功率，由于双转子电机输入端功率分流，输入功率分成了两路，一路传输至输出端，另一路存储起来。

内外转子轴间转速只是对输入功率分配比例和大小产生影响，随意调节，这就表示发动机能够在任何转速下运行，使发动机转速和整车车速能够实现完全解耦。

由外转子输出双转子电机输出功率，由于能量存储功能，输出功率分别来自于输入功率和储能装置。

双转子电机输出端具有功率合流功能，通过对外气隙电磁转矩改变，进而使整车输出转矩改变，并保证发动机转矩不会发生变化，促使发动机转矩和整车转矩能够实现完全解耦。

根据上述分析，双转子电机混合动力系统中，储能装置对于系统功率分流具有重要意义。

传统汽车发动机是利用功率金相控制，随着整车需要功率，发动机输出功率具有正比例关系。

双转子电机系统中，整车需要的功率若是低于内燃机输出功率，超出的功率在存储装置中存储，可以防止功率浪费，若是高于内燃机输入功率，存储装置会补足所需功率，实现削峰填谷，保证内燃机能够在最佳效率点运行，见图1，B点为等效最佳工作点，在汽车运行工况处于A点时，根据转速转矩解耦功能在发动机处于B点时并不受汽车行驶工况，整车燃油更具有经济性。

图1 发动机最佳效率图
二、双转子电机分析
（一）结构拓扑
双转子电机可以分成有刷式、无刷式两种。

1.有刷式。

根据电机机理，有刷式可以分成感应式、永磁同步式、磁阻式。

（1）感应式是由荷兰代尔夫特科技大学在感应电机串级调速原理所提出的电气无级变速器，这种电机内转子、定子均为绕线式，外转子为双层独立鼠笼结构。

内转子绕组将内交/直流变换器连接存储装置，定子绕组将外交直流变换器连接村装置。

（2）永磁同步式是由瑞典皇家工学院提出的，其所一种四象限能量变换器，内部结构同上，外转子采用的是永磁体，内外电机均为同步电机。

这种结构的电机采用控制更为简单的矢量控制，永磁体可以改变充磁方向，进而改善磁场耦合问题。

而GI Oos等人通过研究提出更轻型磁性材料，例如碳纤维塑料等来取代铁芯，将磁滞、涡流损耗等消除[2]。

徐隆亚教授根据4QT研究提出双机械端口电机，其由于使用的是单层永磁体外转子结构，进而促使内外电机形成统一整体，二者具有较高的耦合度，但是由于该结构导致电机磁场呈现复杂性，控制难度提高。

为提高其性能，使其能够符合控制要求，我国改善了内部拓扑结构，例如庄兴明就提出了一种电机，这种电机与同一磁场双转子电机结构比较类似，其永磁体属于内外电机共用，但是在永磁体的布置存在不同之处。

范涛通过进行辐型磁钢双机器端口电机有限元仿真分析，外电机轴磁链削弱，内电机轴磁链反而会增加，对内外电机负轴电流进行控制，强化外内电机转矩输出能力，验证该电机具有更好的电磁耦合性以及系统效率。

Chandur Sadarangania教授通过分析4QT，利用内部永磁体布置对磁场分布进行优化，该项工作可以优化电机性能，也能够减轻控制困难度。

见图2。

图2 电机结构
（3）磁阻式。

崔淑梅教授提出的这种四端口机电能量变换器，外转子解耦股为内外双凸极，这种结构的跟可靠，恒功率区域也更宽，但是其会导致外转子轭部容易饱和，电机磁路处于高饱和状态中。

2.无刷式。

根据现有资料，无刷式分为电磁机构式、爪极式、磁场调制式。

（1）电磁机构式。

黄胜华教授提出了无刷双馈双机械端口电机，其可以利用磁场实现转差功率回馈，同时让内外转子间允许转速差，这就表示其在低速大转矩混合动力汽车中更适合应用，并对其提出了三种布置方案。

（2）爪极式。

郑萍教授提出了无刷爪极双转子电机，同时建立了数学模型，对电机磁通密度和转机特性、损耗等进行分析，并验证可行性。

（3）磁场调制式。

郑萍教授提出轴向磁场调制无刷双转子电机，同时对电机内部连接、匹配情况进行分析。

该电机利用调制换转子谐波调制内外磁场，进行极对数匹配，其可以解决线圈过热问题以及碳刷滑环不稳定问题，而通过对调制环的电流频率进行调制，进而做到转速解耦。

（二）控制策略
1.底层控制。

双转子电机实质上仍然是电机，控制方法照旧，其控制方法主要为矢量、直接转矩以及磁弱控制。

控制双转子电机时，若是忽略了内外磁场耦合模型，电机电感参数和实际情况有较大差异，导致控制程序误差，对此需要注意内外电机线圈间互感性。

2.整车控制。

（1）模糊控制。

该控制方法分为三个模糊逻辑控制器，其可以在整车功率需求满足基础上可以对电池SOC值处于合理控制区间内。

（2）动态规划。

根据动态规划算法提出控制策略，采取逆序递推算法可得最低油耗，但是为保证控制策略可行，动态规划可以在确定瞬时发动机工作点上应用，改进之后能够优化系统效率，且计算量比较小，具有较好的应用效果。

（三）冷却系统
1.油冷却。

黄苏融提出了新型油冷结构，该系统的应用能够使内转子温度下降，高系统整体运行效率。

2.风冷却。

孙西凯提出了双层封口冷却系统，其是在内转子中设置了主通风口和辅通风口，这两个通风口合作散热可以让内转子的温度降低。

3.混合冷却。

郑萍教授提出这种风冷和水冷结合的混合冷却系统，其中水冷系统可以降低外定子绕组温度，风冷系统可以降低内转子温度。

优化原冷却系统，将外定子上风冷通道取消，同时使水冷通道横截面的形状变化，减少其数量，提高系统散热性。

结束语：
综上，新能源汽车中，双转子电机应用前景广阔，但是当前研究并未形成完整体系，无法满足实际应用。

此外，由于双转子电机的能量流向更灵活，在汽车行驶工况中应用更合适，也是未来研究重点方向。

参考文献：
[1]孙建华.混合动力汽车的双转子电机控制策略研究[J].计算机技术与发展,2014(03):208-211+215.
[2]孙建华.混合动力汽车用双转子电机的设计与性能分析[J].电机与控制应用,2014,41(4):57-57.
[3]罗玉涛,周斯加,赵克刚,等.电磁耦合无级变速传动系统[J].机械工程学报,2006,(8).35-39.doi:10.3321/j.issn:0577-6686.2006.08.005.
[4]程远.基于四端口机电能量变换器的混合动力系统的研究[D].哈尔滨工业大学,2009.1-115.。