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混合动力汽车用双转子电机的设计与性能分析孙建华【摘要】The solution of hybrid electric vehicle( HEV) based on double power stator permanent magnet motor was introduced to solve the problem of cooling difficulties and unsatisfied dynamic output performance in HEV's traditional dual-rotor permanent magnet synchronous motor. Based on the theory study and analysis on the solution in multi-state modes, the structural size of double power stator permanent magnet motor was designed and calculated. By the finite element method, the important structural parameters of motor were optimized, and the electromagnetic properties of motor flux, back EMF, inductance etc. were simulated and analyzed. The analysis shows that the structural parameters and electromagnetic parameters of motor are reasonable. The transient co-simulation model of the motor drive control system was established by the field circuit coupled method. The simulation results show the motor has the features of stator doubly salient permanent magnet motor, and the size of output torque meets the design requirements, the solution is feasible.%针对混合动力汽车中传统双转子永磁同步电机存在散热困难、动态输出性能不理想的问题，提出了一种基于双功率流定子永磁型电机的混合动力系统方案。
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。
第27卷㊀第5期2023年5月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.5May 2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀超环面双转子混合动力系统性能分析及优化刘欣1,2,㊀冯皓2,㊀王晓远1(1.天津大学电气自动化与信息工程学院,天津300072;2.天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室,天津300387)摘㊀要:超环面双转子电机(PMTM )是一种新型空间电机,在混合动力汽车领域具有十分广阔的应用前景㊂为使该空间双转子电机的动力参数在混合动力系统中合理应用,在采用相同动力输入的前提下,通过与Prius 汽车搭载的丰田混合动力系统(THS )对比,推导了超环面双转子混合动力系统的动力参数㊂为了对比两者燃油经济性和动力性,搭建了采用THS 和超环面双转子混合动力系统的仿真模型,仿真结果表明,两者在动力性上相差不大,且超环面双转子混合动力系统的燃油经济性优于THS ㊂采用模糊PI 控制策略,对超环面双转子混合动力系统中发动机转速进行控制,结果表明,该控制策略能够将发动机工作点较好地集中于最佳燃油经济区,进一步提高了双转子混合动力系统的燃油经济性㊂关键词:混动汽车;超环面电机;燃油经济性;动力性;发动机转速优化;双转子电机DOI :10.15938/j.emc.2023.05.007中图分类号:TM315文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)05-0056-09㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2021-10-31基金项目:国家自然科学基金(51875408);国家留学基金(201808120031)作者简介:刘㊀欣(1981 ),女,博士,教授,博士生导师,研究方向为机电集成系统设计与仿真㊁驱动系统特性与控制研究;冯㊀皓(1996 ),男,硕士,研究方向为机电集成系统设计与仿真㊁驱动系统特性与控制研究;王晓远(1962 ),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为电机电磁场的分析与计算㊁特殊电机电器的设计与控制㊂通信作者:刘㊀欣Performance analysis and optimization of toroidal double-rotorhybrid power systemLIU Xin 1,2,㊀FENG Hao 2,㊀WANG Xiaoyuan 1(1.School of Electrical and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Tianjin Key Laboratory of Modern Electromechanical Equipment Technology,Tiangong University,Tianjin 300387,China)Abstract :Permanent magnet toroidal double-rotor motor (PMTM)is a novel space motor,which has a very broad application prospect in the field of hybrid electric vehicles.Under the premise of the same power input,the power parameters of toroidal double-rotor hybrid power system were deduced by compa-ring with Toyota hybrid system (THS)on Prius.The simulation models with THS and toroidal double-ro-tor hybrid power system were built in Cruise to compare their fuel economy and power performance.Thesimulation results show that the power performances of the two systems have no significant difference,and the fuel economy of toroidal double-rotor hybrid power system is better than THS.The engine speed of to-roidal double-rotor hybrid power system was controlled by fuzzy PI control strategy.The results show that the fuzzy PI control strategy can make the engine operating points more concentrated in the best fuel econ-omy area,and the fuel economy of the toroidal double-rotor hybrid power system is further improved.Keywords :hybrid electric vehicle;toroidal motor;fuel economy;power performance;engine speed opti-mization;double-rotor motor0㊀引㊀言近年来,全球气候逐渐恶化,温室效应日益加剧,节能减排的工作迫在眉睫,其中混合动力汽车由于其高效低排的特点受到了人们日益广泛的关注[1-2]㊂发动机和电动机共同作用使得混合动力汽车在能量利用率和尾气排放等方面得到了极大的改善[3]㊂混合动力汽车可以分为串联式㊁并联式和混联式3种,其中混联式兼具前两者的优点,是近年来混合动力系统研究的热点[4],如丰田公司推出了丰田混合动力系统(Toyata hybrid system,THS),并将其用于Puris车型,该车型自面世以来取得了极大的成功;通用㊁宝马和戴姆勒合作开发了双模混合动力系统,并将这项技术用于雪佛兰Tahoe和Silverado 车型,很大程度上降低了整车的油耗并减少了尾气排放[5-6]㊂这些混合动力系统均通过一组或多组行星齿轮结构实现发动机和电动机的动力耦合和动力输出,并且行星齿轮结构可以实现发动机输出轴和汽车驱动轴的运动解耦,使发动机始终处于最佳燃油经济区运行㊂但采用行星齿轮结构的混合动力系统存在机械结构不可避免的噪声㊁振动以及维护不便等问题[7-8]㊂为了避免机械式行星齿轮结构,近年来学者们又提出一类永磁复合结构电机㊂文献[9]提出一种四象限能量转换器(four-quadrant transducer,4QT),由2台径向磁通永磁同步电机组合而成,外转子内外都贴有永磁体㊂该能量转换器可以使内燃机在所有行驶模式下以最佳效率运行,并且实现同时控制转矩和速度的功能㊂文献[10]介绍了一种电气变速器,将感应电动机与感应发电机同心布置,可以同时实现无极变速和混合动力功能,达到了混合动力集成的目的㊂文献[11]提出一种新型磁场调制无刷双转子电机,由定子㊁调制环转子和永磁转子组成㊂并对该双转子电机进行了功率流特性分析,实现了混合动力汽车的能量优化㊂这些复合结构电机在结构上类似机械式行星齿轮,可以实现动力耦合和动力输出,并且各转子间采用磁齿传动,有效避免了THS存在的噪声㊁振动以及维护不便等问题㊂文献[12-16]对永磁复合结构电机的结构设计㊁电磁性能㊁控制策略以及散热性能等方面进行了研究㊂研究结果表明永磁复合结构电机具有控制简单和功率密度高的优点,并且该类电机可以使整车油耗降低30%~50%,在混合动力汽车领域具有广阔的发展前景㊂然而进一步研究发现永磁复合结构电机存在一些问题,由于永磁复合结构电机具有很高的集成性,其内部电气元件分布紧凑,使得该类电机的散热性能较差㊁转子铁心利用率低,且需要机械变速箱来匹配高速电机与相对低速的负载[17]㊂为了解决永磁复合结构电机存在的问题,本文提出一种永磁超环面双转子空间电机(permanent magnet toroidal double-rotor space motor,PMTM),该电机行星轮独特的安装方式,使该电机内各元件具有足够的散热空腔,极大地提高了该电机的散热性能;环面定子和蜗杆内转子的包覆式结构,不仅增加了磁齿啮合个数,并且减小了该电机的轴向尺寸㊂本文为了验证超环面双转子空间电机用于混合动力汽车时的可行性及有效性,首先,对比分析丰田THS 和超环面双转子混合动力系统的整体结构,并根据THS的动力参数对超环面双转子混合动力系统进行参数设计;其次,在Cruise仿真软件中建立超环面双转子混合动力系统的仿真模型,对比分析其与THS的燃油经济性和动力性;最后,采用模糊PI控制策略对超环面双转子混合动力系统中发动机转速进行优化,通过对比发动机优化前后超环面双转子混合动力系统的燃油经济性和动力性,来验证模糊PI控制器对该系统发动机转速优化的有效性㊂1㊀超环面电机结构原理永磁超环面双转子空间电机主要由环面定子1㊁行星架转子2㊁行星轮3㊁蜗杆内转子4㊁内转子输入轴5及输出轴6组成,其结构如图1所示㊂环面定子由硅钢片叠压而成的铁心以及螺旋绕组构成,电枢绕组嵌放在环面定子铁心的螺旋槽内以形成螺旋磁场;蜗杆内转子表面呈螺旋状嵌有N㊁S极相间的永磁齿;行星架转子固连一定数量的行星轮,行星轮圆周嵌有N㊁S极相间的永磁齿,并且行星轮轴与行星架转子轴垂直,行星轮永磁齿在环面定子旋转磁场和蜗杆内转子永磁齿的共同作用下做环状的螺旋运动,使得行星轮在公转的同时自转,其中行星轮的公转带动行星架转子转动,从而实现动力的输出㊂永磁超环面双转子空间电机是一个多端口电机,该电机用于混合动力汽车时,电池向环面定子螺旋绕组通入三相交流电产生旋转磁场,蜗杆内转子在发动机驱动下转动㊂行星轮永磁齿在环面定子旋转磁场和蜗杆内转子永磁齿共同作用下转动,并通过行星架转子输出动力㊂该空间电机通过输入端口不同的输入组合实现多种工作模式,此外,其驱动结75第5期刘㊀欣等:超环面双转子混合动力系统性能分析及优化构上类似行星齿轮结构,可以实现发动机输出轴与汽车驱动轴的运动解耦,使发动机始终处于最佳燃油经济区,以提高燃油经济性,并降低排放㊂图1㊀永磁超环面双转子空间电机结构Fig.1㊀Structure of permanent magnet toroidaldouble-rotor space motor2㊀超环面电机混动系统与THS 对比THS 是丰田公司于1997年推出的混合动力系统,该系统采用一组行星齿轮结构巧妙地实现了发动机和电动机的动力耦合及动力输出,革命性地降低了汽车油耗并改善了尾气排放,得到了全世界的高度评价㊂为了验证超环面双转子混合动力系统的可行性及有效性,现将该驱动系统与THS 进行燃油经济性和动力性对比分析㊂2.1㊀结构功能对比混合动力系统THS 的结构如图2所示,整个动力系统包括1台发动机和2台电机MG 1㊁MG 2㊂在结构上,行星架与发动机相连,太阳轮与电机MG 1相连,外齿圈与电机MG 2相连;在功能上,电机MG 1为发电机,当电池电量不足时为电池充电,另外,MG 1还可以作为发动机的启动电机,电机MG 2为电动机,将电池电能转化为机械能并驱动车轮㊂THS 的核心部分是行星齿轮机构,整个系统通过行星齿轮机构实现发动机和电动机的动力耦合和动力输出等功能㊂图2㊀THS 结构示意图Fig.2㊀Structure diagram of THS超环面双转子混合动力系统结构如图3所示㊂可以看出,超环面双转子空间电机可以等效为2部分:环面定子与行星轮外侧永磁齿等效为外电机EM,蜗杆内转子永磁齿与行星轮内侧永磁齿等效为内电机PM㊂外电机EM 与电池相连作为电动机,将电池电能转化为机械能,进而驱动行星轮;内电机PM 中蜗杆内转子与行星轮之间通过永磁齿传递动力,不存在能量转化,内电机PM 的动力全部来源于发动机㊂图3㊀超环面双转子混合动力系统Fig.3㊀Toroidal double-rotor hybrid power system通过对比超环面双转子混合动力系统与THS 可知,外电机EM 和电动机MG 2在功能上相同,但内电机PM 和发电机MG 1在功能上不同㊂在理想情况下,即电池在电量充足的前提下,THS 中MG 1和超环面双转子混合动力系统中内电机PM 均不存在能量转化,此时内电机PM 与发电机MG 1功能相同㊂因此,将超环面双转子空间电机等效为内电机和外电机2部分后,理想情况下,超环面双转子混合动力系统与THS 在结构和功能上都相同,可以根据THS 的动力参数对超环面双转子混合动力系统进行参数设计㊂为对比分析超环面双转子混合动力系统与THS 的燃油经济性和动力性,在保证对比客观性的前提下,采用性能参数相同的发动机作为各系统的机械能输入端㊂外电机EM 与MG 2的性能参数相同,作为各系统的电功率输入端,且两电机相率相同㊂此时,超环面双转子混合动力系统与THS 的输入动力相同,在此前提下进行动力性和燃油经济性对比㊂2.2㊀动力参数匹配在理想情况下,即电池电量充足时,THS 将发动机输出动力和电动机输出动力全部传递给驱动轮,其功率流如图4所示㊂THS 中发动机ICE㊁电动机MG 2和负载之间的功率关系为85电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀P L =P ICE +P MG2㊂(1)图4㊀THS 功率流Fig.4㊀Power flow diagram of THS由于PMTM 结构特性,超环面双转子混合动力系统中发动机输出功率一部分用于行星轮公转,另一部分用于行星轮自转㊂同理,电池电能经过外电机EM 转化为机械能后分别用于行星轮公转和自转㊂由于行星轮自转没有作用于行星架转子的转动,而行星轮公转带动行星架转子转动从而实现动力输出㊂因此,将外电机EM 等效为EM 1和EM 22个电机,EM 1用来实现行星轮公转,EM 2用来实现行星轮自转;同理,将内电机PM 等效为PM 1和PM 22个电机,则超环面双转子混动系统功率流如图5所示㊂图5㊀超环面双转子混合动力系统功率流Fig.5㊀Power flow of toroidal double-rotor hybridpower system在理想情况下,超环面双转子混合动力系统中动力与负载之间的功率关系为P L =P PM1+P EM1㊂(2)内电机中PM 2和外电机中EM 2对超环面双转子混合动力系统的动力输出没有影响,只有内电机中PM 1和外电机中EM 1将动力传递到行星架转子以实现动力输出㊂因此,根据THS 中电动机MG 2性能参数对超环面双转子混合动力系统中外电机EM 1进行参数匹配㊂由于内电机PM 1中没有能量转化,PM 1驱动行星轮公转的动力全部来源于发动机,将驱动行星轮公转的发动机部分称为有效发动机ICEH,因此根据THS 中发动机ICE 性能参数完成对超环面双转子混合动力系统中有效发动机ICEH 的参数匹配㊂2.3㊀外电机参数匹配外电机匹配是根据电机EM 的外特性参数,得到电机EM 1的外特性参数㊂电机外特性参数主要包括功率㊁转速和转矩3部分㊂首先分析外电机EM 和EM 1的功率关系㊂电池与外电机EM 相连,外电机将电池电能全部转化为机械能㊂一部分机械能P EM1用于行星轮公转;另一部分机械能P EM2用于行星轮自转,即P EM =P EM1+P EM2=T EM1n EM1+T EM2n EM29550㊂(3)式中:T EM1和T EM2分别为行星轮受外电机EM 作用下的公转力矩和自转力矩;n EM1和n EM2分别为行星轮在外电机EM 作用下的公转转速和自转转速㊂为了得到外电机EM 和EM 1的功率关系,首先对外电机EM 作用下行星轮受到的电磁力矩进行分析㊂将行星轮在外电机处所受的电磁力分解,行星轮在外电机EM 处的受力分解如图6所示㊂图6㊀外电机处行星轮受力分解Fig.6㊀Force decomposition of planet at inner motor根据环面定子处螺旋绕组升角αᶄi ,可得行星轮在外电机EM 处受到的公转分力和自转分力的关系为F EM1=F EM2tan αᶄi ㊂(4)行星轮自转和公转转速关系为n EM1=n EM2tan αᶄi ㊂(5)进一步分析可得行星轮在外电机EM 处的公转力矩和自转力矩的关系为T EM1=s 1tan αᶄi T EM2㊂(6)式中s 1为行星轮受外电机EM 电磁力作用时的公转95第5期刘㊀欣等:超环面双转子混合动力系统性能分析及优化力臂和自转力臂的比值,即环面定子半径r t 和行星轮半径r p 之比㊂将式(5)和式(6)代入式(3),可得外电机EM输出功率与EM 1输出功率的关系,即外电机输出功率中用于行星架公转的功率为P EM1=s 1tan 2αᶄi 1+s 1tan 2αᶄiP EM ㊂(7)根据环面定子处螺旋绕组升角αᶄi,可以得到外电机EM 输出转速与EM 1转速的关系为n EM1=n EM sin αᶄi㊂(8)由式(7)和式(8)可得,外电机EM 输出转矩与EM 1转矩的关系为T EM1=s 1tan 2αᶄi (1+s 1tan 2αᶄi)sin αᶄiT EM ㊂(9)选取超环面双转子空间电机的结构参数如表1所示㊂表1㊀超环面双转子空间电机结构参数Table 1㊀Structure parameters of PMTM㊀㊀㊀㊀参数数值蜗杆内转子永磁齿升角αi /(ʎ)50环面定子处螺旋绕组升角αᶄi/(ʎ)52环面定子轭部半径r t /mm 300行星轮半径r p /mm100蜗杆内转子轭部半径r w /mm100由于外电机EM 与THS 中电动机MG 2的外特性曲线相同,根据电机MG 2(外电机EM)的外特性曲线以及上述分析中外电机EM 和电机EM 1的功率㊁转速和转矩关系,可得电机EM 1的外特性曲线如图7所示㊂图7㊀电机MG 2与EM 1的外特性曲线Fig.7㊀External characteristic curve of MG 2and EM 1从图7可以看出,在恒转矩区,超环面双转子混合动力系统中电机EM 1的转速区间略小于THS 中电机MG 2的转速区间,但电机EM 1的转矩大于THS 中电机MG 2的转矩,转矩大约提高了5.6%,可以保证超环面双转子混合动力系统在低速阶段具有更强的动力性;在恒功率区,相同转速条件下,外电机EM 1的转矩小于电机MG 2的转矩㊂因此当车速较高时,需要发动机及时介入工作,从而保证超环面双转子混合动力系统具有足够的动力输出㊂2.4㊀有效发动机参数匹配超环面双转子混合动力系统中发动机输出的一部分机械能P PM1传递给内电机用于行星轮公转,将这部分机械能称为发动机有效功率P ICEH ;另一部分机械能P PM2用于行星轮自转,即P ICE =P ICEH +P PM2=T ICEH n ICEH +T PM2n PM29550㊂(10)式中:T ICEH 和T PM2分别为有效发动机ICEH 输出力矩和行星轮受电机PM 2作用下的自转力矩;n ICEH 和n PM2分别为有效发动机ICEH 输出转速和行星轮受电机PM 2作用下的自转转速㊂有效发动机参数匹配主要是根据发动机ICE 的外特性曲线和万有特性曲线,得到有效发动机ICEH 的外特性和万有特性曲线,这需要对发动机ICE 和有效发动机ICEH 二者的转速和转矩关系进行分析㊂首先分析ICE 和ICEH 的转速关系,与外电机同理,将发动机ICE 转速分解,根据蜗杆内转子处永磁齿升角αi 可以得到发动机ICE 转速与有效发动机ICEH 转速的关系为n ICEH =n ICE sin αi ㊂(11)行星轮在内电机PM 处公转和自转转速关系为n ICEH =n PM2tan αi ㊂(12)将行星轮在内电机PM 处受力分解,可得行星轮在内电机处公转分力和自转分力的关系为F ICEH =F PM2tan αi ㊂(13)由内电机PM 处行星轮的公转和自转力臂,得到有效发动机输出转矩和行星轮自转转矩的关系为T ICEH =s 2tan αi T PM2㊂(14)式中s 2为行星轮在内电机PM 处的公转力臂与自转力臂的比值,即蜗杆内转子半径r w 与行星轮半径r p的比值㊂将式(11)~式(14)代入式(10),得到发动机ICE 输出转矩和有效发动机ICEH 输出转矩关系为T ICEH=s 2tan 2αi(1+s 2tan 2αi )sin αiT ICE ㊂(15)06电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀根据上述分析及THS 中发动机万有特性曲线,可以得到超环面双转子混合动力系统中有效发动机ICEH 的外特性和万有特性曲线如图8所示㊂图8㊀发动机外特性和万有特性曲线Fig.8㊀Engine external characteristic and universalcharacteristic curves㊀㊀从图8可以看出,在相同转速下,超环面双转子混合动力系统中有效发动机ICEH 的输出转矩小于发动机ICE㊂因为有效发动机ICEH 只是发动机ICE 用于行星轮公转的部分,有效发动机ICEH 输出的机械功率小于发动机ICE㊂3㊀超环面混合动力系统仿真在Cruise 仿真软件中建立超环面双转子混合动力系统的仿真模型,如图9所示㊂将有效发动机ICEH 的外特性和万有特性曲线导入发动机模块中,将外电机EM 1外特性曲线导入永磁超环面双转子电机模块中,选取整车参数如表2所示㊂选取9个典型工况对超环面双转子混合动力系统的燃油经济性进行仿真分析㊂各工况下THS 与超环面双转子混合动力系统的燃油经济性对比如图10所示㊂图9㊀超环面双转子混合动力汽车仿真模型Fig.9㊀Simulation model of hybrid electric vehicle with toroidal double rotor space motor16第5期刘㊀欣等:超环面双转子混合动力系统性能分析及优化表2㊀整车参数Table2㊀Parameters of vehicle图10㊀燃油经济性对比Fig.10㊀Comparison of fuel economy超环面双转子混合动力系统在不同工况下的百公里油耗变化趋势与THS相同,验证了超环面双转子混合动力系统仿真模型建立的正确性和仿真结果的可信度㊂仿真结果表明,在大部分工况下,超环面双转子混合动力系统的百公里油耗低于THS,说明超环面双转子混合动力系统具有较好的燃油经济性㊂在Artemis Urban㊁Ja1015和FTP72工况下,超环面双转子混合动力系统的百公里油耗明显高于THS,是由于这3种工况下,车辆频繁启停并不断切换各种工作模式,使得发动机转速较难准确地跟随目标转速,发动机效率降低,百公里油耗增加㊂THS与超环面双转子混合动力系统的动力性对比如表3所示㊂表3㊀动力性对比Table3㊀Comparison of dynamic performance混动系统最大速度/(km/h)60公里加速/s百公里加速/s THS1707.3015.97 PMTM1707.1116.26汽车的加速性能取决于在同一转速下动力系统可以输出的最大转矩㊂在相同的控制策略下,低速模式(<60km/h)时2种混合动力系统均采用电机单独驱动,并且电机在车辆低速行驶时为恒转矩运行㊂从电动机外特性曲线图中可以看出,在恒转矩区,超环面双转子混合动力系统外电机EM1的转矩大于THS中电机MG2的转矩,因此,超环面双转子混合动力系统60公里加速时间小于THS㊂高速模式下(60~100km/h)两系统均采用电动机和发动机混合动力驱动㊂从发动机外特性曲线可以看出,在相同转速下,超环面双转子混合动力系统中有效发动机ICEH输出转矩小于THS中ICE的输出转矩㊂因此发动机介入工作后,超环面双转子电机混合动力系统的百公里加速时间大于THS㊂4㊀燃油经济性优化上文分析中,超环面双转子混合动力系统采用传统PI控制器对发动机转速进行控制㊂但在实际工作过程中,超环面双转子混合动力系统需要根据路况频繁的切换各种工作模式,发动机实际转速往往不能准确跟随目标转速,使得该系统的燃油经济性有所下降㊂本节采用模糊PI控制器对发动机的转速进行优化,通过改善发动机工作点分布,进一步提升超环面双转子混合动力系统的燃油经济性㊂模糊PI控制可以根据超环面双转子混合动力系统中发动机目标转速与实际转速的偏差和转速偏差变化率对比例系数K p和积分系数K i进行实时调整,使其在任何状态下都保持最优值㊂相比于传统PI控制器中恒定的K p和K i,模糊PI控制具有较强的适应性,应用于超环面双转子混合动力系统时可以使发动机工作点较好地分布在发动机最优燃油经济区,进而提高该系统的燃油经济性㊂4.1㊀模糊PI控制器设计为了保证超环面双转子混合动力系统中发动机转速控制的精度和效果,并保证模糊PI控制器算法简单,选取二维模糊控制器对超环面双转子混合动力系统的发动机转速进行优化㊂在超环面双转子混合动力系统发动机转速模糊PI控制器中,定义输入变量发动机转速偏差E的模糊子集为{NB,NS,ZO,PS,PB},论域为[-6,6];发动机转速偏差变化率E C的模糊子集为{NB,NS, ZO,PS,PB},论域为[-6,6];并且输入变量的隶属函数形状均为高斯形㊂定义输出变量ΔK p的模糊子集为{NB,NS,ZO,PS,PB},论域为[-1,1];变量ΔK i的模糊子集为{NB,NS,ZO,PS,PB},论域为[-1,1];输出变量的隶属函数形状均为三角形㊂超环面双转子混合动力系统中发动机的典型动态响应曲线如图11所示㊂根据超环面双转子混合动力系统发动机目标转速与实际转速的偏差,设计发动机模糊PI控制器中输出变量ΔK p和ΔK i的模糊控制规则分别如表4和表5所示㊂26电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图11㊀发动机典型动态响应曲线Fig.11㊀Typical dynamic response curve of ICE表4㊀ΔK p 模糊控制规则Table 4㊀Fuzzy rule of ΔK pE E CNB NS ZO PS PB NB NB NB NB ZOPSNSNB NS NS PS PB ZO NS NS ZOPS PB PS NS NS PS PSPS PB PSPSPS PB PS 表5㊀ΔK i 模糊控制规则Table 5㊀Fuzzy rule of ΔK iE E CNB NS ZO PSPBNB PB PB PS ZO ZO NSPB PS PS NS NS ZO PB PS ZO NS NS PS PSPSNS NSNSPB ZO ZO NSNB NB 4.2㊀发动机工作点分布对超环面双转子混合动力系统发动机转速的模糊PI 控制器模块进行设计,将输入变量E ㊁E C 和输出变量ΔK p ㊁ΔK i 的隶属函数分别输入到模糊控制器的输入端和输出端㊂将ΔK p ㊁ΔK i 的模糊控制规则依次输入控制器中,并采用Mamdani 推理法进行运算,完成超环面双转子混合动力系统发动机转速模糊PI 控制器设计,再将其导入Simulink 环境下,与Cruise 仿真软件中超环面双转子混合动力系统的仿真模型进行联合仿真㊂以Artemis Urban 工况为例,超环面双转子混合动力系统中发动机转速在传统PI 和模糊PI 控制下其工作点分布如图12所示㊂可以看出,发动机转速在1500r /min 以下,采用传统PI 控制策略和模糊PI 控制策略时发动机工作点分布规律大体相似㊂发动机转速高于1500r /min 时,采用传统PI 控制策略的发动机工作点较为分散,而采用模糊PI 控制策略的发动机工作点更多集中在最优燃油消耗率区间㊂显然,经过模糊PI 控制器优化后,发动机工作点可以较好地分布在最佳燃油经济区㊂图12㊀Artemis Urban 工况发动机工作点分布Fig.12㊀Distribution of engine operating points underArtemis Urban发动机转速优化前和优化后,超环面双转子混合动力系统在不同工况下的燃油经济性仿真结果如图13所示㊂经过模糊PI 控制器对超环面双转子混合动力系统中发动机转速优化后,该混合动力系统在各种工况下百公里油耗均有所下降㊂由此可见超环面双转子混合动力系统中,发动机转速模糊PI 控制器设计的有效性㊂图13㊀转速优化后燃油经济性对比Fig.13㊀Comparison of fuel economy after speedoptimization发动机转速优化前和优化后,超环面双转子混合动力系统的动力性仿真结果如表6所示㊂结果表明,发动机转速优化后,超环面双转子混合动力系统的动力性几乎没有发生变化㊂动力性取决于外电机EM 1和有效发动机ICEH 的外特性参数,由于采用模糊PI 控制器对发动机转速优化后,36第5期刘㊀欣等:超环面双转子混合动力系统性能分析及优化。
基于双转子电机的混合动力系统方案的研究进展双转子电机是一种高效的电机设计，它由两个转子组成，可以同时产生高速和高扭矩的输出。
近年来，双转子电机越来越受到混合动力系统设计师的关注，因为其具有高能效、高负载能力和较小的体积形状等优点。
这篇文章将会介绍基于双转子电机的混合动力系统方案的研究进展。
首先，双转子电机与传统的马达和引擎方案相比，具有更高的效率。
由于双转子电机可以同时工作于不同的速度和扭矩下，因此可以减少机械能损失和能量浪费。
此外，由于双转子电机不需要传统的机械传动装置，可以通过电子控制系统来实现更加智能化的控制和节能模式。
其次，双转子电机在混合动力系统中具有更高的负载能力。
由于双转子电机可以同时推动轮子以及为电池充电，因此可以为混合动力车辆提供更高的动力输出。
这就意味着该系统可以快速加速，更轻松地爬坡，并且可以在轻负载和重负载下实现更加高效的运行。
同时，双转子电机在安装和使用上非常灵活。
由于其小巧的尺寸和重量，可以与传统的电机和发动机紧凑地集成在一起，以减少车辆的整体体积和重量。
此外，双转子电机也可以直接地安装在每个车轮上，以实现精准的动力输出和能量回收。
然而，在将双转子电机应用于混合动力系统中还需要克服一些技术挑战。
例如，如何解决双转子电机输出的电力的电压和电流脉冲问题，如何设计合适的电子控制系统实现高效的能量转换和管理，以及如何实现与其他混合动力系统组件的集成，包括电池、电控系统和发电机等等。
总之，基于双转子电机的混合动力系统是一个既高效又灵活的方案。
虽然还需克服技术挑战，但是这种系统具有很大的应用前景，并可能在未来的混合动力车辆中发挥越来越重要的作用。
近年来，许多潜在的应用场景已经出现，促进了基于双转子电机的混合动力系统的进一步研发。
例如，混合动力船只、农业机械以及医疗设备需求更高效的电机功率输出来满足他们的运行要求。
当然，在汽车领域中，该技术的运用也被认为是未来的发展趋势。
从行业关注的角度，业界对双转子电机的关注也越来越高。
专利名称：四轮驱动汽车的双转子混合动力装置及驱动方法专利类型：发明专利
发明人：赵航,史广奎,万仁君,冯琦
申请号：CN200610013242.X
申请日：20060303
公开号：CN101028799A
公开日：
20070905
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种用于四轮驱动汽车的双转子混合动力系统，由发动机、双转子电机、传动轴、后桥、逆变器、电池、电动机、前桥、车轮组成。
其中双转子电机包括：输入轴、内转子电枢绕组、内转子铁心、外转子永磁磁钢、外转子铁心和输出轴；内转子铁心被固定在输入轴上并与之一起旋转，外转子铁心和外转子永磁磁钢与输出轴刚性相连，并与输出轴一起旋转。
本发明成本低、轻量化、效率高。
申请人：中国汽车技术研究中心
地址：300162 天津市东丽区程林庄道天山路口
国籍：CN
代理机构：天津三元专利商标代理有限责任公司
代理人：郑永康
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双转子电动机动力耦合系统中发动机的控制方法蒋科军;何仁;刘文光;束驰;张兰春【摘要】为了解决双转子电动机动力耦合系统内发动机的控制问题,基于双转子电动机动力耦合系统的结构与原理,分析了双转子电动机动力耦合系统的工作模式以及各工作模式之间相互切换的条件,并据此提出了发动机最优工作点控制的思路和方法.借助高次幂数据拟合方法与最速下降算法,确定了某型发动机的最优工作点,采用模糊控制方法在Simulink环境内建立了发动机最优工作点控制器的仿真模型.仿真结果表明:发动机最优工作点控制方法能够对发动机转矩、转速进行有效调节,能最大限度降低发动机燃油消耗率;在混合动力驱动低速状态下发动机最优工作点控制方法的寻优时间对系统稳定性有明显影响.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(036)006【总页数】7页(P627-633)【关键词】混合动力汽车;双转子电动机;动力耦合;发动机;控制【作者】蒋科军;何仁;刘文光;束驰;张兰春【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏理工学院汽车与交通工程学院,江苏常州213001;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏理工学院汽车与交通工程学院,江苏常州213001【正文语种】中文【中图分类】U469.7doi∶10.3969/j.issn.1671-7775.2015.06.002双转子电动机动力耦合系统是一种新型混合动力耦合系统，2002年由荷兰代尔夫特理工大学M. J.Hoeijmakers等发明［1-2］.双转子电动机动力耦合系统属于非接触式电磁耦合系统，具有结构简单、易于维护、零磨损等优点，适用于重度混合动力汽车，是目前混合动力汽车动力耦合技术发展的新途径［3-4］.双转子电动机动力耦合系统中，发动机与后续传动系统没有机械连接，工况选择更为自由，这是该系统具有最优燃油经济性的根本原因，也对发动机控制提出了更高的要求.双转子电动机动力耦合系统中发动机运行点的控制是双转子电动机动力耦合系统控制策略的重要部分，为了实现双转子电动机动力耦合系统发动机最优工作点的控制，笔者采用数值分析和模糊控制对发动机工况进行分析与控制，以期使发动机工作在最优燃油经济性区域.双转子电动机动力耦合系统结构如图1所示［2］，其主要工作模式有纯电动行驶工作模式、制动能量回收模式、停车发电模式和混合动力驱动模式，其中停车发电模式和混合动力驱动模式需要对发动机工作点进行控制.1.1 停车发电模式停车发电模式使得双转子电动机动力耦合系统在停车后能主动为蓄电池充电，防止蓄电池长时间亏电而缩短寿命，同时该模式也使得双转子电动机动力耦合系统在停车时可以转变为一座发电站，有较强的对外供电能力.停车发电模式的进入条件为式中∶u为车速；SOC为蓄电池荷电量；SOCgen-low为进入停车发电模式蓄电池荷电量的阀值；Kstart为车辆电路总开关信号值.退出条件为式中SOCgen-high为退出停车发电模式蓄电池荷电量的阀值.停车发电模式中发动机工况最为稳定，其最优工作点确定可以转化为寻找发动机燃油消耗率最小值的问题.1.2 混合动力驱动模式混合动力驱动模式可以分为3种状态∶①车速需求较低，但蓄电池荷电量不足，无法继续纯电动行驶，此时发动机运转，一部分动力通过内电动机传递到驱动桥，驱动车辆，另一部分动力则经过内电动机传递到外电动机，由外电动机转化为电能给蓄电池充电；②车速需求较高，车辆功率需求可以使得发动机工作在燃油消耗率比较小的区域，此时发动机动力全部通过内电动机传递到驱动桥；③蓄电池荷电量充足，车速需求很高，车辆功率需求大，要求发动机动力全部通过电磁离合器传递到驱动桥，外电动机也同时对驱动桥输出功率.混合动力驱动模式的3种状态可以用图2来表示，图中uel，SOCel为进入状态①的边界阀值，ueh，SOCeh为状态①进入状态②的边界阀值，uhh，SOCeh为状态②进入状态③的边界阀值，uhl，SOCel为状态③退至状态②的边界阀值.在混合动力驱动模式状态①中，首要控制任务是动力需求的任务分配，为了确保发动机具有较好的燃油经济性，此时优先确保发动机动力的最优输出，即确保发动机转矩和转速稳定在最优工作点上，车辆驱动转矩需求的改变需要通过外电动机的调节来实现，为了适应车速改变，内电动机转速也需要同步调节，不能影响发动机的工况.对于发动机最优工作点控制及内电动机控制而言，状态②与状态①是没有差异的，主要差异在于外电动机是否发电，故只需研究状态①即可.状态③中，为了追求综合效率最高，发动机与驱动桥依靠电磁离合器机械连接，发动机转速与车速刚性相关，此时发动机控制为开环控制.根据发动机特性可知∶发动机轻载和重载时，效率均较低，在每个负载点，并不是节气门全开燃油经济性最好.故在发动机控制时，需要控制负载处于合适范围，并根据载荷大小调节发动机节气门大小，以控制发动机处于最优工作点.文中涉及的双转子电动机动力耦合系统发动机选择为某型排量为1.0 L的四缸汽油机，其万有特性曲线如图3所示.从图3可以看出该发动机的最优工作范围∶负载为65～S3 N·m；转速为1 S00～3 700 r·min-1.根据发动机油耗数据得到发动机的油耗曲面如图4所示.由于曲面数据量较少，在内电动机电磁转矩实时变化时，需要对曲面进行插值和拟合才能快速准确计算油耗数据，在Matlab软件内采用Polynomial方法进行高次幂数据拟合［5］，拟合结果为式中∶x为发动机负载转矩，N·m；y为发动机转速，r·min-1；拟合参数如表1所示.由式（3）可知，发动机最优工作点为式中∶T为内电动机的电磁阻力转矩；ymin，ymax分别为发动机最大、最小转速；fueloPt为发动机最优工作点油耗.至此，发动机最优工作点的确定转变为双变量高次方程的极值求解，求解思路采用最速下降法［6-7］，最速下降法也称为梯度下降法，其本质是无约束优化问题的求解，该算法的计算过程是沿梯度下降方向求解极小值，迭代终止条件是梯度向量的幅值小于设定的迭代精度阈值，具体步骤如图5所示，经过多次迭代后输出的x0，y0即为发动机最优工作点的负载转矩和转速.选择x0，y0，ε的初始值分别为70，2 500和0.001，按图5思路编程计算得到最终迭代结果为75.5 N·m，2 990 r·min-1，该值即为发动机最优工作点的负载转矩和转速，此时燃油消耗率为229.7S g·（kW·h）-1.在双转子电动机动力耦合系统内，发动机唯一的负载来自于内电动机的电磁转矩（电磁离合器未结合时），故发动机最优工作点负载转矩的施加需要追踪内电动机的转矩和转速信号.根据双转子电动机动力耦合系统结构特点，发动机负载转矩即为内电动机的电磁转矩，而发动机转速与内电动机的转速的关系可以表示为式中∶ne为发动机转速；nmotor-in为内电动机转速；nd为传动轴转速；r为车轮有效半径；i0为驱动桥主减速器传动比.根据式（5），在停车发电模式时，u等于0，发动机转速即为内电动机转速.混合动力驱动模式时，内电动机转速为发动机转速与传动轴转速的差值.据此设计发动机最优工作点控制流程如图6所示.发动机系统具有复杂的非线性特性，系统控制的实时性要求使得逻辑判断必须有较好的灵敏性和鲁棒性.对于图6中的决策判断过程，选用2维模糊控制方法［S］，通过对发动机实际转速与最优工作点转速的差值E以及该差值的变化率EC进行模糊化推理，控制发动机节气门开度U，使得发动机实际转速能及时向最优工作点转速收敛，具体模糊控制器控制流程设计如图7所示.对2维控制输入参数E，EC模糊化处理时，隶属度函数选择为Trimf类型，其论域为｛-6，6｝，模糊子集设定为｛NB（负大），NM（负中），NS（负小），ZE（0），PS（正小），PM（正中），PB（正大）｝，所有模糊子集的隶属度函数曲线如图8所示.为了提高控制收敛性，降低在零点位置的灵敏性，增加了零点附近隶属度函数曲线的重迭度.输出参数U为发动机节气门开度，其隶属度函数选择为Trimf类型（目前隶属度函数的构造和选用主要依靠专家经验、例证估算、模糊统计等方法. Trimf类型为三角形隶属度函数，其优点∶隶属度为线性曲线，简单直观，符合思维惯性［9］，论域为｛0，6｝.隶属函数曲线如图9所示.输出参数U反模糊化处理时，采用Centroid方法（该方法取隶属度函数曲线与横坐标围成的平面面积的重心为反模糊输出值，具有反应灵敏、输出平滑、控制鲁棒性好等优点，非常适合机电系统的2维模糊控制），其计算过程可以表示为式中∶u*为清晰化输出量；u为输出变量；μ（u）为模糊集隶属度函数；umax和umin分别为输出变量论域的上限值和下限值.模糊控制规则是根据人们的思维和实际操作经验，以逻辑推理的方式给出的.根据上文发动机最优工作点的控制思路，形成了49个控制规则，如表2所示.依据图10构建双转子电动机动力耦合系统前向型仿真模型，其中内、外电动机均采用永磁同步电动机模型，其控制方法为SVPWM矢量控制［10-13］.在Matlab/Simulink环境下构建仿真文件［14-15］，其中发动机控制器模块结构如图11所示，整车模型中车型数据参照丰田Prius车型，考虑到发动机的起动时间，寻优过程滞后时间设置为0.5 s.仿真结果如下∶1）停车发电模式时，发动机燃油经济性曲线如图12所示，发动机转速曲线如图13所示，节气门开度曲线如图14所示.从图12-14可以看出∶在停车发电模式下，发动机最优工作点的控制已基本实现预定目标，发动机的燃油消耗率稳定值约为237.9 g·（kW·h）-1，发动机转速则在2 9S0～2 995 r·min-1轻微波动，节气门开度稳定值约为63.5％.发动机燃油消耗率虽比最优数值略大（S.12 g·（kW·h）-1），但已经能寻优至最小值.2）混合动力驱动模式时，主要模拟仿真状态1），即边行驶边发电的低速状态，其仿真结果如图15-17所示（驾驶工况为起动及稳定加速工况）.根据图15可知∶在混合动力驱动低速状态下，燃油消耗率的寻优过程基本完成，但效果要差一些，稳定状态下燃油消耗率波动的中值为279.3 g·（kW· h）-1，比最优数值大（49.52 g·（kW·h）-1）.在图16中发动机转速也有一定波动，其波动的中值为2 S42 r·min-1，同样在图17中，节气门开度的波动也很明显.分析其主要原因∶车辆驱动转矩需求的变化虽然由外电动机进行调节，与内电动机没有直接关联，但双转子电动机动力耦合系统内、外电动机共用中间转子部件，该结构特点使得车速波动不可避免地传递到内电动机转速上，间接使得发动机的转速寻优出现波动，该波动与驾驶意图直接相关.这种寻优的波动也反映出发动机最优工作点控制的寻优时间还要进一步缩短，这为后续研究指明了方向.提出的发动机最优工作点控制方法能对发动机进行有效调节，最大限度降低发动机燃油消耗率.在混合动力驱动低速状态下，发动机最优工作点控制方法寻优时间对系统稳定性有明显影响.若能在寻优时间和灵敏性方面对控制方法进行继续改进，双转子电动机动力耦合系统的工作稳定性将有望进一步提升.［1］Hoeijmakers M J.Electromechanical converter∶USA，WO 03/075437 A1［P］.2003-09-12.［2］Hoeijmakers M J，Rondel M.The electrical variable transmission in a city bus［C］∥35th IEEE Power Electronics Speci alistConference.Piscataway，USA∶IEEE，2004∶2773-277S.［3］史广奎，赵航，冯琦.双转子混合动力系统研究［J］.汽车工程，2007，29（2）∶97-100. 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