CN102837592B - 混合动力汽车用电子无级调速*** - Google Patents

Abstract

一种基于复合式开关磁阻电机的混合动力汽车用电子无极调速***，包括发动机、离合器、复合式开关磁阻电机、电功率模块、电池组、车轮驱动***和控制单元等。本发明由于采用复合式开关磁阻电机作为功率分配装置，既无行星齿轮，又无电刷和滑环等机械装置，且无永磁材料，损耗低、结构简单，可靠性高。***只采用一个电机就能实现多种模式的运行，空间利用率高，且有两条可以独立控制的功率流通路径，大大提高了灵活性和冗余性。本发明的电子无极调速***，可使发动机一直工作于高效运行区，有效地提高了整车效率。

Description

混合动力汽车用电子无级调速***

技术领域

本发明属于汽车动力领域，为一种输入功率分配型混合动力汽车调速装置。

背景技术

近年来，随着全球环境恶化以及化石燃料的日益短缺，传统汽车产业面临着严峻考验。因此，节能环保的新能源汽车研发已经成为世界各国的战略性产业和国内外专家学者关注的热点之一。作为新能源汽车的一种，混合动力汽车凭借其燃油经济性高、尾气排放低、续航里程长的显著优点脱颖而出，得到了快速的发展。

有效实现混合动力汽车基本功能的关键技术之一是研发高性能的电子无级调速（electronically continuously variable transmission，简称E-CVT）***。根据是否采用机械齿轮，可将现有市场上以及国内外专家学者广泛研究的E-CVT***分为两大类：一类是采用机械齿轮（行星齿轮）的E-CVT***；另一类为没有齿轮啮合的无齿轮E-CVT***。带机械齿轮功率分配装置的E-CVT***都存在一个问题，即必须采用行星齿轮来调节发动机和连接在汽车驱动轴上的驱动电机之间的能量传送与分配。和所有机械齿轮一样，行星齿轮也存在传输损耗和齿轮噪声的缺点，而且必须人工定期给齿轮加润滑剂进行维护。而无机械齿轮功率分配装置的E-CVT***，通常采用一个双转子电机来实现功率分配，即采用电气连接方式来克服上述问题。然而，这种电气连接的电子无级调速***在克服行星齿轮缺点的同时也产生了一个新的问题：***中所采用的双转子电机必需利用电刷和滑环从转子中输入或输出电能。而电刷和滑环将产生额外的损耗，且需要定期维护，此外，双转子电机中处于最里面的内转子的散热问题也是制约该***实际应用的一个重要瓶颈。因此，研发一种既不需要行星齿轮，也不需要电刷和滑环，且效率高、控制方便、运行稳定的新型E-CVT***成为目前混合动力汽车领域的一个热点问题。

发明内容

技术问题：本发明是提出一种基于复合式开关磁阻电机的混合动力汽车用电子无极调速***。该***既无行星齿轮，也无电刷、滑环和永磁体。既解决了带齿轮功率分配装置存在传输损耗和齿轮噪声的缺点，又解决了普通带电刷双转子电机***产生额外损耗、需要定期维护及不易散热的问题。此外，由于未采用永磁材料，因此可避免永磁体高温退磁所引发一系列问题，极大提高了***的可靠性。

技术方案：本发明的一种混合动力汽车用电子无极调速***，包括发动机、离合器、车辆驱动***，还包括复合式开关磁阻电机、由内定子侧功率变换器、DC-DC变换器、外定子侧功率变换器组成的电功率模块、电池组、控制单元；发动机通过离合器连接至复合式开关磁阻电机的内转子，内定子侧功率变换器、DC-DC变换器和外定子侧功率变换器串联后连接在复合式开关磁阻电机的内定子绕组与外定子绕组之间，电池组分别与内定子侧功率变换器、DC-DC变换器相连；复合式开关磁阻电机的外转子连接至车轮驱动***，控制单元分别与发动机、内定子侧功率变换器、DC-DC变换器、外定子侧功率变换器、电池组相连。

所述的复合式开关磁阻电机由内转子、内定子、外定子、外转子组成，且内定子与外定子通过隔磁环集成为一个整体，内定子与外定子分别套有内定子绕组与外定子绕组。

所述的内定子侧功率变换器、外定子侧功率变换器均为双向整流、逆变功能的功率变换器，DC-DC变换器为直流升/降压功能的变换器，电池组通过以上功率变换器与电机相连，能存储或输出能量。

所述的复合式开关磁阻电机存在两个独立控制的功率通路，高速内电机的内转子经离合器与发动机耦合，低速外电机的外转子与车轮驱动***耦合，且整个***不存在永磁体。

电功率模块包括内定子侧功率变换器、DC-DC变换器和外定子侧功率变换器。其中，内定子侧功率变换器与外定子侧功率变换器都具备双向整流、逆变功能，内定子侧功率变换器与复合式开关磁阻电机的内定子绕组相连，外定子侧功率变换器与复合式开关磁阻电机的外定子绕组相连；DC-DC变换器具备直流升/降压功能，其分别与内定子侧功率变换器和外定子侧功率变换器相连。

电池组经过电功率模块连接到复合式开关磁阻电机上，进行能量的输出或存储。其中，电池组一路直接连接至内定子侧功率变换器，另一路通过DC-DC变换器连接至外定子侧功率变换器。

复合式开关磁阻电机，其内转子和内定子组成内电机，外转子和外定子组成外电机，内外电机两者之间电路、磁路、热路完全独立，可以分别进行控制。内电机的内转子经离合器与高速运行的发动机耦合，外电机的外转子与低速运行的车轮驱动***耦合。

汽车上三个旋转设备：发动机，E-CVT和车轮驱动***高度集成，发动机与车轮驱动***之间无直接机械连结，以实现电气连接的电子无级调速***。

在作为功率分配器工作时，发动机驱动复合式开关磁阻电机的内转子，通过电磁耦合作用，内定子绕组获得电功率，该电功率将分为两个部分，一部分由内定子绕组经内定子侧功率变换器整流成为与电池组充电电压相匹配的直流电传输到电池组，以化学能的形式存储于电池组中；另一部分电功率先后经内定子侧功率变换器和DC-DC变换器整流后再将直流电压调整为适合外定子绕组的幅值，通过外定子侧功率变换器变换，将电能传递到复合式开关磁阻电机的外定子绕组中，通过电磁耦合，使外转子输出转矩并以机械能的形式驱动车轮。上述两部分功率流的大小与方向可以根据需求，由控制单元合理分配。

其中两种最主要的控制策略为：

（1）当由发动机的机械功率转化至复合式开关磁阻电机内定子的电功率超过驱动车轮所需的机械功率时，控制单元使内定子的电功率在经过内定子侧功率变换器后分配能量，一部分电功率经DC-DC变换器、外定子侧功率变换器向外定子绕组提供电功率，再转化成车辆行驶所需的机械功率；另一部分剩余的电功率则给电池组充电，储存多余能量；

（2）当由发动机的机械功率转化至复合式开关磁阻电机内定子的电功率小于驱动车轮所需的机械功率时，控制单元使内定子的电功率在经过内定子侧功率变换器后全部送向DC-DC变换器和外定子侧功率变换器，进而全部传递到外定子绕组，同时控制电池组经DC-DC变换器和外定子侧功率变换器也向外定子绕组提供缺少的电能，最终外定子绕组的电能通过电磁耦合传递到外转子，以机械能的形式驱动车辆，此时车辆行驶所需的能量由电池组与发动机共同提供。

除了上述两种主要工作模式外，通过控制发动机、复合式开关磁阻电机和电池组的工作状态，还存在多种其他工作模式，如冷启动、高速巡航、回馈制动等。

有益效果：

1、本发明既无行星齿轮，又无电刷和滑环，大大提高了***的效率和可靠性，可以使发动机一直工作在高效区域，从而显著提高整车的工作效率。

2、创造性提出了一种复合式开关磁阻电机的设计思想，将两***立控制的开关磁阻电机集成在一个空间内，其旋转部件上无绕组和永磁体，电机的内转子与高速运行的发动机耦合，外转子与低速运行的车轮驱动***耦合；整个电机***由内而外依次为转子部件、定子部件和转子部件，这样就改善了传统双转子电机中内转子难以散热从而无法实际应用的技术瓶颈；整个电机***不需使用永磁体，大大简化了结构，降低了成本，提高了鲁棒性，且不会出现高温退磁的问题；复合式开关磁阻电机有多种不同的相数、定转子齿槽数配合方式。

3、基于复合式开关磁阻电机的E-CVT***，通过巧妙设计可以将汽车上三个旋转设备（发动机，E-CVT和车轮传统***）高度集成，实现电气连接的电子无级调速***，具有高功率密度、高效率、低噪声和低振动的优点。其不仅可以实现现有电子无级调速***的全部功能，而且在结构、体积、性能、散热、制造工艺、实用性等方面都具有较为明显的优势，且设计方法灵活多变，可根据***应用需求调整。

附图说明

图1是本发明的基于复合式开关磁阻电机的混合动力汽车用电子无极调速***的拓扑结构框图，其中包括：发动机1，离合器2，复合式开关磁阻电机3，内定子侧功率变换器4，DC-DC变换器5，外定子侧功率变换器6，电池组7，控制单元8，车轮驱动***9。

图2是本发明中所采用的内电机定子12槽/转子8极、外电机定子12槽/转子8极的复合式开关磁阻电机的横向剖视结构示意图，其中有：内转子31、内定子32、内定子绕组33、隔磁环34，外定子35，外定子绕组36，外转子37。

具体实施方式

如图1所示本发明的基于复合式开关磁阻电机的混合动力汽车用电子无极调速***包括：发动机1，离合器2，复合式开关磁阻电机3，电功率模块（内定子侧功率变换器4、DC-DC变换器5、外定子侧功率变换器6），电池组7，控制单元8，车轮驱动***9等。发动机1通过离合器2连接到复合式开关磁阻电机3的内转子31，复合式开关磁阻电机3的内定子绕组33经过内定子侧功率变换器4、DC-DC变换器5、外定子侧功率变换器6连接至复合式开关磁阻电机3的外定子绕组36，电池组7分别与内定子侧功率变换器4、DC-DC变换器5相连，复合式开关磁阻电机3的外转子37连接至车轮驱动***9，控制单元8分别与发动机1、内定子侧功率变换器4、DC-DC变换器5、外定子侧功率变换器6、电池组7连接。

如图2所示本发明中采用的复合式开关磁阻电机3包括内转子31、环绕内转子31的内定子32、环绕内定子32的隔磁环34、环绕隔磁环34的外定子35、环绕外定子35的外转子37,；两个转子与定子之间均设置有气隙；内转子31、外转子37朝向气隙的一侧均设置有无绕组的凸极齿，内定子32和外定子35朝向气隙的一侧均设置有凸极齿，且分别套有内定子绕组33和外定子绕组36。整个电机***由内外两个独立转子和一个集成定子组成，其中集成定子包括内定子32、外定子35和隔磁环34三部分，复合式开关磁阻电机的内转子31和内定子32组成内电机，外转子37和外定子35组成外电机。

本发明提出的电功率模块包括：内定子侧功率变换器4、DC-DC变换器5、外定子侧功率变换器6。内定子侧功率变换器4和外定子侧功率变换器6分别为可以双向功率流动的整流、逆变电路，DC-DC变换器5为一个直流升/降压电路。内定子侧功率变换器4的一端与内定子绕组33相连，另一端直接与电池组7相连；外定子侧功率变换器6的一端与外定子绕组36相连，另一端经过DC-DC变换器5与电池组7相连。

发动机1、内定子侧功率变换器4、DC-DC变换器5、外定子侧功率变换器6、电池组7分别与控制单元8相连，实现状态的检测、数据的交换与控制信号的实时传递。本发明所提出的车轮驱动***可以包括减速装置。

本发明提出的电子无级调速***包括两路独立的功率流：第一路功率流在发动机、复合式开关磁阻电机的内电机、电池组之间流动，发动机的机械能传递给内转子，再经过电磁感应耦合转化成电能输入到内定子绕组中，内定子绕组连接至电池组，将电能转化成化学能存储；第二路功率流在电池组、复合式开关磁阻电机的外电机、车轮驱动***之间流动，电池组的化学能转化成电能传递给外定子绕组，再经过电磁感应耦合转化成机械能输送到外转子，再传递给车轮。除此之外，根据不同的工况，在内定子与外定子的两套绕组之间亦可通过电功率模块的功率变换功能实现电能的传递。

本发明提出的电子无级调速***的运行模式包括：

1、冷启动模式：

电池组7提供电能，经过内定子侧功率变换器4传递至内定子绕组33，通过电磁感应使内转子31旋转，与离合器2结合，使发动机1从静止启动。此时，复合式开关磁阻电机的内电机工作在电动状态，外电机不工作。

2、纯电动模式：

电池组7提供电能，经过DC-DC变换器5、外定子侧功率变换器6传递至外定子绕组36，通过电磁感应使外转子37转动，将机械能传送到车轮驱动***9。此时，复合式开关磁阻电机的内电机不工作，外电机工作在电动状态。

3、混合动力模式：

此模式可以应用于加速、爬坡等大功率运行的情况。发动机1运行产生的机械能同轴传递给复合式开关磁阻电机的内转子31，通过电磁感应转化为内定子绕组33上的电能，进而通过内定子侧功率变换器4、DC-DC变换器5、外定子侧功率变换器6传递至外定子绕组36上，再通过电磁感应将电能转换为外转子37上的机械能，最终传递给车轮驱动***9；当发动机1提供的能量低于外定子所需的能量时，电池组7将电能通过DC-DC变换器5、外定子侧功率变换器6传递给外定子绕组36，补充能量差值；当发动机1提供的能量高于外定子所需的能量时，内定子绕组上的多余电能经过内定子侧功率变换器4给电池组7充电。此时，复合式开关磁阻电机的内电机工作在发电状态，外电机工作在电动状态。

4、再生制动模式：

车辆减速、制动和下坡时，车轮驱动***9带动外转子37转动，复合式开关磁阻电机的外电机将机械能转化为电能，再通过外定子侧功率变换器6、DC-DC变换器5给电池组7充电，车辆的机械能转化并储存于电池组7；发动机1的全部机械能由复合式开关磁阻电机的内电机转化为电能，经内定子侧功率变换器4向电池组7充电，以化学能的形式储存。此时，复合式开关磁阻电机的内电机工作在发电状态，外电机也工作在发电状态。

5、驻车发电模式：

此模式主要运行于电池组7电量不足的情况，发动机1经离合器2带动内转子31转动，通过电磁感应将机械能转化为电能，再经内定子侧功率变换器4给电池组7充电。此时，复合式开关磁阻电机的内电机工作在发电状态，外电机不工作。

需要指出的是，由于开关磁阻电机作发电运行时需要先通入激励电流，因此，为保证整个电子无极调速***的正常工作，必须确保电池组7中的电能一直有余留，没有被完全用尽。

本发明采用复合式开关磁阻电机作为功率分配装置，优点体现在：

（1）只用一个复合电机就能实现多种功能，控制灵活，结构简单，占用空间小；

（2）电池组可以根据实际情况吸收多余的发动机能量或补充发动机能量的不足，且发动机一直工作在高效区域，整车的运行效率提高；

（3）无行星齿轮、无电刷与滑环、无永磁体，整个***可靠性高，维护方便，且效率更高，有一定的容错能力。

Claims (2)

1.一种混合动力汽车用电子无极调速***，包括发动机(1)、离合器(2)、车辆驱动***(9)，其特征是还包括复合式开关磁阻电机(3)、由内定子侧功率变换器(4)、DC-DC变换器(5)、外定子侧功率变换器(6)组成的电功率模块、电池组(7)、控制单元(8)；发动机(1)通过离合器(2)连接至复合式开关磁阻电机(3)的内转子(31)，内定子侧功率变换器(4)、DC-DC变换器(5)和外定子侧功率变换器(6)串联后连接在复合式开关磁阻电机(3)的内定子绕组(33)与外定子绕组(36)之间，电池组(7)分别与内定子侧功率变换器(4)、DC-DC变换器(5)相连；复合式开关磁阻电机(3)的外转子(37)连接至车轮驱动***(9)，控制单元(8)分别与发动机(1)、内定子侧功率变换器(4)、DC-DC变换器(5)、外定子侧功率变换器(6)、电池组(7)相连；

所述的复合式开关磁阻电机(3)由内转子(31)、内定子(32)、外定子(35)、外转子(37)组成，且内定子(32)与外定子(35)通过隔磁环(34)集成为一个整体，内定子(32)与外定子(35)分别套有内定子绕组(33)与外定子绕组(36)；

所述的内定子侧功率变换器(4)、外定子侧功率变换器(6)均为双向整流、逆变功能的功率变换器，DC-DC变换器(5)为直流升/降压功能的变换器，电池组(7)通过内定子侧功率变换器(4)、外定子侧功率变换器(6)和DC-DC变换器(5)与复合式开关磁阻电机(3)相连，能存储或输出能量。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车用电子无极调速***，其特征在于，所述的复合式开关磁阻电机(3)存在两个独立控制的功率通路，内转子(31)和内定子(32)组成高速内电机，外定子(35)和外转子(37)组成低速外电机，高速内电机的内转子(31)经离合器(2)与发动机(1)耦合，低速外电机的外转子(37)与车轮驱动***(9)耦合，且整个***不存在永磁体。