双转子混合动力系统研究

水边秀

前言

“十五”期间，我国将混合动力汽车列为“国家863电动汽车”专项的主要支持内容，支持部分骨干企业对混合动力汽车的整车及关键总成进行技术攻关，使得我国在混合动力汽车研发方面取得了较大的进步。但是，除个别引进项目外，我国还没有实现混合动力汽车的产业化，技术水平仍与国外差距很大。一个很重要的原因在于机电耦合传动模式方面没有重大突破，缺少性能优良的执行机构——动力耦合器。因此迫切要求开发性能优越、成本低廉的混合动力新结构。

2003年以来，中国汽车技术研究中心投入力量研究双转子混合动力总成，采用一种由内外两个径向式磁路结构的复合电机组成一体化的双转子混合动力电机，代替一般的发电机和电动机分离式结构。通过内外两个电机的协调工作使发动机运行于最高效率点，从而提高系统的总效率。以双转子电机为动力耦合部件，开发出用于某SUV车型的混合动力总成样机。经试验证明双转子混合动力总成可以对发动机工作点实施有效控制，并且双转子电机自身具备减速增转矩功能，能够取消离合器和变速器，降低整车开发成本。

1 技术方案和技术特点

如图1，双转子混合动力系统由发动机、双转子电机、逆变器、电池及控制系统等构成。双转子电机由内、外转子和定子组成，内转子与发动机曲轴相连，外转子与驱动桥相连。内转子和外转子构成内电机，外转子和定子构成外电机。发动机的转矩通过内、外转子之间的电磁场直接作用在驱动桥上，同时利用两转子之间的转速差发电，电流由控制器传输给外电机，对驱动桥产生附加转矩。发动机和驱动桥之间没有机械连接，因此发动机的工作点可以灵活选择。


双转子电机的工作电压为312V，最大输入输出功率63kW，最大输入转矩120N·m，最大输出转矩440N·m。

汽车起步或低速行驶时，由电池提供动力，外电机驱动，实现零排放行驶。汽车正常行驶时，由发动机提供动力，各参数之间关系为


式中T1、T2、Td 分为内电机（发动机）、外电机和传动轴转矩；ω1、ω2分别为发动机和传动轴的角速度；Pm、Pe、Pd分别为内外转子之间直接传递的机械功率、内外电机之间传递的电功率和传动轴的总输出功率。

需要说明的是，当ω1>ω2时，Pe>0，内电机处于发电状态，外电机处于用电状态，此时Td>T1，相当于汽车用低速挡行驶；当ω1=ω2时，Pe=0，内电机处于电动堵转状态，外电机不工作，此时Td=T1，相当于汽车用直接挡行驶；当ω1<ω2时，P<0，内电机处于用电状态，外电机处于发电状态，此时Td
汽车全负荷行驶时，除发动机提供主要动力外，电池也对外电机提供额外动力，传动轴的总输出功率为Pd=Pm+Pe+Pb

式中Pb为电池对外电机提供的电功率。

汽车减速行驶时，外电机处于发电状态，将汽车的动能转化为电能，储存在电池中。

双转子混合动力系统的特点是它保留了串联混合动力系统能灵活调节发动机工作点的优点，同时根据汽车行驶工况，只将发动机输出动力的一部分经过机械能—电能—机械能转换，发动机的大部分动力靠电磁力直接传递给传动轴，这就使得系统效率大大提高，同时由于双转子混合动力系统通过电磁力直接传递大部分功率，所以对内、外电机设计的容量要求会大幅度减小。

2 关键技术

2.1内电机的冷却

图2为内电机的冷却示意图，双转子电机由内到外依次是内转子、外转子和定子。由于内转子处于电机的最里层，内转子上的绕组散热条件很差。曾对内电机采用风冷方案，结果机壳温度达到85℃时，仍未达到热平衡状态，导致电机轴承烧毁。因此，放弃风冷方案，采用液冷方案：冷却液先在机壳内循环，冷却定子绕组；后经前端盖进入输入轴，由输入轴分散到输入轴与内转子冲片的结合部位，冷却内转子绕组；再由输入轴后端流经后端盖，进入油底壳，通过液泵经外置散热器散热后，进入下一个冷却循环。


冷却方案技术要领如下： 1）冷却路线不但经过系统中的静止部件而且还要经过系统中的旋转部件，所以需要在旋转部件和静止部件连接部分采取适当的密封措施；（2）在结构上保证冷却液和内转子冲片有足够的接触面积，在不影响磁路的前提下，冷却道尽量靠近电枢绕组；（3）系统工作时，保证油底壳内的液面高度适当，防止冷却液进入气隙，造成功率损失；（4）冷却液应具备良好的绝缘性。

为了考察冷却方案的可行性，对试制的样机进行了温升试验，试验方法是：内电机在额定负荷下连续工作1h，测定冷却液入口温度、出口温度以及机壳温度。试验结果：环境温度为32℃时，在电机运行20min后，内电机达到热平衡状态，冷却液入口温度为41℃，出口温度为46℃，机壳温度为65℃，冷却效果明显优于风冷方案。

2.2发动机的工作点选择

发动机的工作区域很宽，但低油耗、低排放区域却很窄。双转子电机的输入轴和输出轴独立运转，这为选择合适的发动机工作点提供了必要条件。单从发动机效率方面考虑，应选择发动机效率最高的一点工作，但实际上这是不现实的。因为不同工况下汽车所需的功率差别很大，如果将发动机设置在某一点，势必会造成发动机的输出能量不足或过剩，尽管有电池蓄能或弥补，但由于存在能量转换问题，整体效率反而会降低。所以应尽量保证发动机在一条高效率线上工作，这条线要跨越一定的功率范围，功率范围应能满足汽车在良好路面上以不同车速匀速行驶时的需求。

确定发动机高效率运行线的方法如下：（1）通过发动机台架试验，测出发动机MAP图，得到发动机工作面上各点的有效燃油消耗率；（2）在发动机MAP图上画出等功率线；（3）在每条等功率线找出最低的有效燃油消耗率点；（4）将各个最低有效燃油消耗率点连接起来，得到发动机的高效率运行线。发动机高效率运行线如图3所示。


实际上，发动机在高效率运行线上工作并不是油耗最低，因为双转子电机有两条动力传递通道，一是靠内外转子电磁场直接将发动机转矩传递出去的机械通道，其效率为ηm 二是利用内外转子之间的转速差发电，再由外电机产生附加转矩的电力通道，其效率为ηe，混合动力系统总效率η为

η=ηfc（ηm Pm+ηe Pe）/（Pm+Pe）

式中ηfc为发动机效率。

试验证实ηm比ηe大得多。因此，在选择发动机工作点时，需要考虑：（1）发动机尽量在高效率运行线上工作；（2）尽量减小机械能转化为电能的比例。简单易行的协调方法是让发动机的实际工作点沿等功率线适当偏离高效率运行线，偏离的方向为有利于减小内外转子之间的转速差。

在确定发动机目标转速时，需考虑汽车行驶时电池SOC的稳定问题。如图4，SOC的标准值为0165，正Tf356常工作范围为效率可达到最高。当发动机转速与传动轴转速不等时，发动机的功率靠机、电两个通道传递，其中电力通道的最高效率约为73%，随着发动机与传动轴的转差的减小，电力通道的效率降低，但电力通道所传递的能量流比例减小，系统的总效率提高。由于系统的电力通道等同于串联混合动力系统，因此汽车运行时，双转子混合动力系统的总效率要比串联混合动力系统高得多。


对双转子电机的动力输出特性进行了测试。试验在发动机以最大转矩113N·m运行时，双转子电机的最大输出转矩为440N·m，传动比达到了319，能够满足汽车在加速时的驱动力需求。

3 结论

（1）双转子混合动力总成能够使发动机独立于车轮运转，可灵活地选择发动机工作点，发动机的转矩靠内外转子之间的磁场作用直接传给驱动桥，降低了机械能和电能的转换比例，使得系统的总效率比普通串联混合动力系统高出10%～20%，同时设计容量大幅度减小。

（2）双转子电机自身具备无级变速器的功能，最大传动比可达到319，不需另加变速器，即可达到汽车的驱动力需求。

（3）综合考虑发动机燃烧效率、系统传动效率和电池的充放电需求，确定发动机的工作点。

（4）内电机散热条件差是双转子电机的缺点，试验对比说明将冷却液引到旋转的内转子上是一种较为理想的冷却方式。

jackie张

希望早日成功！

wp_wangpeng

成果真样?有这种惦记吗?