混合动力汽车用四端口机电能量变换器的研究

混合动力汽车用四端口机电能量变换器的研究ResearchontheFourPortsElectromechanicalConverterforHybridElectricVehicles哈尔滨工业大学崔淑梅Email:[e-mail]摘要﹕本文研究将变速器、发电机、电动机集成为一体的四端口机电变换器，使得用一个电机就实现混合动力的变速、启动、混合驱动等多种工作模式，提高了混合动力汽车的部件集成度和燃油经济性。作者研究了这种新型变换器的设计方法、控制方法，研制了实验样机，进行了仿真研究和台架试验。重点研究了内外电机磁场耦合问题，建立了感应式四端口机电能量变换器的等效磁路模型，进行了有限元仿真，分析了变换器的磁场分布及耦合规律。仿真研究了混合动力系统中的四端口机电能量变换器的要求与特点。Abstract:Afourportselectromechanicalconverterintegratingacontinuouslyvariabletransmission,generatorandmotorisinvestigated,whichenablesinonemachinethefunctionofspeedregulation,starterandhybriddriveinahybridelectricvehicle(HEV).Hence,thelevelofHEVintegrationandfueleconomyareincreased.Thispaperstudiesthedesignandcontrolmethodologyforthisnovelconverterwithemphasisonthefieldcouplingbetweentheinnerandoutermachines.Fielddistributionandcouplinglawareanalyzedbasedontheequivalentfluxpathmodelandfiniteelementanalysisandsimulation.ThesimulationstudiesthesizingandoperatingcharacteristicsofthefourportselectromechanicalconverterusedinaHEV关键词﹕四端口机电能量变换器；双机械口电机；电气变速器；混合动力汽车Keywords:FourPortsElectromechanicalConverter;DualMechanicalPortsElectricMachine;ElectricalVariableTransmission;HybridElectricVehicle0引言四端口机电能量变换器，也称为双转子电机、双机械口电机（DMPM，DualMechanicalPortsMachine）、电气变速器（EVT，ElectricalVariableTransmission）或四象限换能器（4QT，FourQuadrantTransducer）。不同的研究者根据原理或用途给出不同的称谓，但基本原理相同，即同心布置的两个电机，内、外电机共用中间转子，具有两个气隙，两个电气端口、两个机械端口，因此，能量的变换模式非常丰富。可以实现：1．机械能到机械能的变换，实现机械速度和转矩的变化，具有CVT的功能；2．机械能到电能，或电能到机械能的相互转换，具有一机实现电动机和发电机的功能；3．通过对电机工作状态的控制，实现能量的合理配置，提高系统效率。由于在混合动力汽车上的应用优势，近年来，该种变换器得到了大力研究。它可以通过电气调速的方式实现无级变速，取代汽车中的启动机和发电机，优化发动机的工作区域，且与CVT相比其功率可以设计得较大，不仅能够应用在轿车中，而且也能够应用在公交车和载重汽车上。发动机作为功率源，将独立于驾驶环境而工作在最优效率曲线上，降低了燃油消耗，车辆也可以获得更加良好的加速能力，提高驾驶性能。图1是它在混合动力系统中的应用示例。输入轴与发动机相连，输出轴通过主减速器与车轮相连。发动机与负载的功率差由电池平衡[1]。图1四端口机电变换器在混合动力汽车中的应用除了在汽车上的应用外，该装置还可以应用在风力发电系统中，因为它既能够直接产生电能，又能够改变两个机械轴的转速比，实现了直驱恒频的电能输出，节省了变速齿轮箱，简化了传动系统。而且由于电池的加入，输出功率不随风力变化，可在风小时使用电池能量，风大时储存能量，构成小型风电系统。目前，四端口的机电能量变换器出现的时间不长。在国际上，从事四端口机电能量变换器研究的主要有荷兰代尔芙特理工大学的Hoeijmakers教授研究的基于感应电机原理的电气变速器EVT[2]，瑞典皇家工学院Sadarangani教授和美国俄亥俄州立大学徐隆亚教授研究的基于永磁电机原理的四象限换能器4QT[3]和双机械口电机DMPM[4]等。国内研究者针对基于永磁电机原理的4QT和DMPM电机研究较多，如哈尔滨工业大学[5]、中科院电工所[6]、中国汽车技术研究中心[7]、上海大学和上海安乃达电子驱动技术有限公司[8]等在内的多家单位都在从事相关研究工作，包括电机设计和理论分析方法、热路计算和散热设计，开发出了多种样机并进行了相关试验。国内针对感应电机原理的四端口机电能量变换器研究主要在哈尔滨工业大学[9~12]、东南大学[13]、华中理工大学[14]和沈阳工业大学[15]，研究工作包括电机设计和仿真计算方法的研究，磁场分布及电磁耦合分析，样机及控制系统研制，在混合动力汽车和风力发电和舰艇推进上的应用研究等。另外哈尔滨工业大学还研制了基于磁阻原理的四端口机电能量变换器及其在电动汽车和风力发电上的应用[16]。目前，该方向研究存在的关键问题是：1.耦合问题：涉及设计方法、理论分析与仿真模型、控制参数与策略；2.冷却问题：涉及散热结构设计、热路损耗计算；3.运行与控制问题：涉及两个电机的动态控制、系统的运行策略等。本课题就感应式四端口机电能量变换器展开研究，探讨它的耦合问题和设计方法。1感应式四端口机电能量变换器磁场分析所研究的感应式四端口机电能量变换器采用定子-外转子-内转子结构，定子和内转子绕有三相对称绕组，外转子采用双层独立鼠笼结构。等效磁路，如图2所示。图2内外电机联合工作空载等效磁路从磁路可以看到，对于外面的电机，由于内电机鼠笼和内转子的存在，主磁通不仅与自己的鼠笼交链，还与内鼠笼交链，另一个励磁的作用与主励磁的作用只是相差一个磁阻。同样，对于内电机，主磁通不仅与自己的鼠笼交链，还与外鼠笼交链，图3为鼠笼转子采用同一铁心，内外电机单独通电时的磁场分布。图3内、外电机单独通电时的磁场分布当内外同时加励磁时，内外鼠笼有两励磁源共同作用，两励磁是矢量相加。另一励磁对电机的作用不仅与其大小有关，还取决于相互角度。如同图4内外电机同时工作时不同通电状态下磁场分布[17]。图4内外电机同时工作时不同通电状态下磁场分布当相位角在180°时形成并联磁路时电机中间转子轭部会严重饱和，而相位角在0°时则呈串联磁路，从串联磁路到并联磁路的过程是串并联并存的一般磁路情况。气隙磁场的变化，也影响着电机的外特性输出。从图5所示的内外电机联合工作与单独工作时的外转子平均转矩对比图中可以看到，当电机工作在串联磁路状态下时，外转子的转矩Tors-ir与内、外电机在相同励磁条件下在外转子上产生的转矩Torir和Tors的和相等，即Tors-ir=Tors+Torir。随着γ角的不断增加，Tors-ir首先减小，而后又逐渐增加，且呈现以180°为中心的对称分布状态。额定电压激励下的并联磁路，电机内部磁场饱和最为严重，变换器的输出转矩下降也最为严重，达到了40%，而且电机输出非常不稳定，波动范围很大，其转矩仿真结果如图6(a)所示，而在串联磁路下对应的转矩输出则平稳许多，如图6(b)所示。当励磁电压减小为80V时，无论改四端口机电能量变换器内部的磁路分布状态如何，Tors-ir与Tors+Torir几乎相等。03060901201501802102402703003300100200300γ/电角度T/NmTors-ir--80VTors+Torir--80VTors-ir--120VTors+Torir--120VTors-ir--160VTors+Torir--160VTors-ir--200VTors+Torir--200V图5内外电机联合与单独工作时外转子平均转矩对比020406080100120140160180200220-2000-1500-1000-50005001000t/msT/N.ma)并联磁路020406080100120140160180200220-2000-1500-1000-50005001000t/msT/N.mb)串联磁路图6外转子转矩仿真结果2四端口机电能量变换器的双气隙场耦合机理分析与比较四端口机电能量变换器可以采用多种形式实现，如直流式、感应式、永磁式或磁阻式。在结构上，一般都采用定子-外转子-内转子结构，定子和内转子上有三相绕组，成为电能输入输出的端口。在磁场耦合机理、影响程度及对电机性能的影响方面，不同原理特点不同。EVT是基于感应原理的四端口机电能量变换器。在外转子上具有双层鼠笼绕组，分属内外电机。EVT内外电机联合工作时，存在两个励磁源，而励磁源产生的磁场由于相位的不同造成了EVT磁场分布的不同特点。通过有限元仿真，可以看到，EVT磁场分布情况如图4所示。对磁阻式四端口机电能量变换器进行了同样的上述分析，图7为磁阻式四端口机电能量变换器的磁路结构。a)串联磁路b)并联磁路c)一般状态磁路图7双转子电机的磁路结构与此不同的是，4QT和DMPM由于永磁体励磁，其磁路分布如图8和图9所示。图84QT电机的电磁场分布图9DMPM电机的电磁场分布对于DMPM电机而言，由于电机的内外气隙磁场是靠嵌入外转子非导磁材料中的永磁体产生的，因此，它是一个电磁耦合的整体，整机的控制必须建立系统的模型来实现，电磁耦合不能忽略。对于4QT电机而言，电机的内外气隙磁场是靠外转子内外两侧的永磁体产生的。永磁体充磁方式是可以预先确定。可以采用同向布置，也可以采用反向布置。同向布置方式类似串联磁路，而反向布置类似并联磁路。采用同向充磁方式，内外电机的磁耦合程度很小，而采用反向充磁时，大部分磁通将切向流过外转子磁轭，导致磁轭深度饱和，致使气隙磁通大幅减小，控制性能下降。因此，4QT一般采用同向充磁方式。3四端口机电能量变换器的设计方法研究和样机研制四端口机电能量变换器内外电机的设计因为外转子的尺寸而互相约束。所以，设计时采用了由内到外的顺序，先设计内电机，根据内电机的气隙和外径确定外电机的主要尺寸，最后设计外电机。铁心尺寸和绕组参数如表1所示，实际样机如图10所示，样机的外转子采用独立鼠笼结构，具有两套独立端环，内外电机均为4极。表1样机铁心尺寸和绕组参数内转子外转子定子内径（mm）50167237外径（mm）166236310每相串联匝数481/260图10感应式四端口机电能量变换器原型样机为了对电机进行实验研究，建立了分体式和一体式样机的测试台架，进行了样机特性测试。所建实验台架构成如图11所示[18]，照片如图12所示。图12中黑色电机即为一体式四端口机电能量变换器，后面的两台为无磁场耦合的分体式四端口机电能量变换器。图11实验台架结构示意图EVT样机负载电机拖动电机各电机对应的控制器转矩转速机电功率测量仪表数据采集图12台架实物照通过测试得出一体式四端口机电能量变换器内外电机的发电和电动的效率特性和外特性如图13所示[19]，测试结果显示其外特性满足了第一轮样机的指标要求，而且由于外电机的尺寸是基于内电机的外尺寸，因此过载能力较强，最大输出功率可达52.1kW，相对而言内电机过载能力有限，只有30.3kW，主要是由于第一轮设计时未考虑内部的散热冷却问题。1010102020203030304040405050505