装有双电机自动变速器（EVT）的混合动力汽车的原理、系统设计和试验（二）

轻型汽车技术20124总272技术纵横17优缺点，A是重叠式布置，其优点是转子的轭体比较薄，从而减小了电机的整体尺寸，缺点是通过磁隙时，磁力线的作用相互抵消，增加了电磁损耗。B是对称式布置，其优点是有效防止通过磁隙时的磁场损耗，但缺点是转子的铁轭体比较厚，从而增加了双电机的径向尺寸。综合考虑两种布置的优缺点，对结构尺寸的考虑仍然占上风，所以一般选用重叠式布置。、，一U。、相IL_CANCELLAFIOAA重叠式布置方法B对称式布置方法图55外转子上永磁体的布置方法外转子上有两个磁间隙，因此形成两个不同的磁通量间隙密度，分别由外转子的本体和其内、外两个永磁性体形成，内间隙是内磁体和本体之间的间隙，外间隙则由嵌在外转子表面的磁性体形成，如图56所示，之所以做成这样的形状是因其比等厚的磁性体有更好的正弦特性，外磁体和周边的铁性体必需有一定的空隙，大约是两倍的磁间隙，用一层玻璃纤维裹着，防止在离心力的作用下移位，外磁体的间隙较大是为了给玻璃纤维固定带留下空间，内磁体则无此必要，因为，在离心力的作用下，内磁体只会更压紧转子的表面，不会分离出去。图56外转子的结构522磁场衰减性能磁场衰减性能影响外电机的基本L生能，当只是外电机工作时，可以用解析法或利用各个时序上的参数用有限元法FEM计算，见公式13，可用解析法计算衰减值，式中I为电流，L为电感，下标D和Q表示坐标，是永磁体的磁密度，公式1计算外电机的磁阻力矩，图57是用解析法和有限元FEM法的计算结果比较。至量图57外转子P、U的扭矩衰减实线是解析法计算的结果，虚线是时序法计算的结果T入DIID1L1、2LMAFFQ2I2I2DI2Q3衰减量的有限元计算是通过连接外接线路来进行，外接线路包括绕组的电感和电阻，这些参数都可以用解析法计算，假设电机的电源是正弦波，衰减量的控制可通过控制电压和频率来实现，可以用矢量控制进行模拟，使电机减少衰减，增加输出扭矩。模拟结果表明，基本转速愈高，扭矩衰减就愈大，如从4000RPM的基本转速提高到8000RPM，最大扭矩只是4000RPM的45。523磁槽效应COGGING由于内转子和定子的磁芯都有槽口，所谓的磁槽效应是指电机运转时由于外转子相对槽口的位置不同而引起的力矩衰减和波动，尤其在低速时会导致转动不平稳，对双转子的内电机尤其重要，因为其相对转速是发动机和外电机的转速差，转速比较低，外电机的磁槽效应要比内电机低很多，这是因为玻璃纤维的固定带形成了较大气隙的原因，内、外电机的绕组都做成曲面形状，可以降低磁槽效应。国外的研究证明，如绕组不做成曲面形状，磁槽效应导致的内电机的扭矩衰减可达到其额定扭矩的20，这实在是太大了，因此，必需把绕组扭成曲面形状。另外，内转子和定子铁芯的槽口错开布轻型汽车技术20124总272技术纵横19532双电机冷却系统的设计双电机的冷却系统一般采用在电机壳体上加水道和在轴上加风扇的方法，如图5一L2所示，水冷系统包括水道和在壳体上的散热片，空气冷却由风扇、内转子和轴之间的气道和内外转子的气隙组成，在双转子电机中，冷却的重点对象是内转子和定子绕组的温度，因此必须分别了解水冷和气冷对内转子和定子绕组的冷却效果。国外学者对此进行了计算和试验，方法是水冷的方式和水流的速度不变，改变冷却风的风速，分别测量定子绕组和内转子绕组的温度变化情况，然后固定风冷的方式和风速不变，改变冷却水的速度，测量定子绕组和内转子绕组的温度变化情况，表1和表2是测量的结果。从表中的结果可得到非常明显的结果，空气冷却只对内转子的绕组有降温效果，对定子的绕组几乎不起作用，而水冷只对定子绕组有降温效果，对内转子绕组的效果微不足道。从表1的结果还发现一有趣的现象，当冷却风风速提高时，定子绕组的温度不降反升，分析结果表明是因为冷却风的增强对散热片的作用，增加了定子的铁芯和水道之间的热阻，考虑到水冷只对定子绕组有效，所以可以不要散热片，这样不但简化了结构，降低了成本，还提高了冷却效果，表3是某样机采用或不采用散热片的效果对比，测量结果表明，省去散热片温度降低了10。表1冷却风风速对绕组温度的影响风速MS定子绕组的温度内转子的温度2718334521572892849744517715表2冷却水速度对绕组温度的影响冷却水速度M，S定子绕组的温度内转子的温度01049317768025915417746L747517715表3散热片对定子绕组温度的影响冷却水速度M自有散热片定子绕组的温度无散热片定子绕组的温度09158880257686651745645在水冷却的结构设计中要考虑水道的形状和水道的数量，国外的研究表明，扁平式的水道比圆形水道传热面积更大，降温效果更好，水道的数量到定的程度后，再增加对冷却的效果就不太明显，图513是不同的水道数量对温度的影响，图中12道水道已足够，再增加效果不明显，反而增加了水泵的负荷。图513水道数量对降温的效果图512双电机的冷却系统20技术纵横轻型汽车技术20124总272冷却水的流速也是设计时要考虑的，当流速达到一定的速度以后，再增加流速，效果并不明显，图5一L4是冷却水流速对定子绕组的冷却效果，当水的流速达到LMS后，就已经足够了，继续增加流速，只能增加水泵的负荷，冷却效果并不明显。图514冷却水流速对定子绕组的冷却效果SPEED【N嘲图515冷却风风速对内转子绕组温度的影响对双电机冷却系统设计的最大挑战是内转子绕组的冷却，所要达到的目的是在全负荷工作时，内转子绕组的温度不超过155。C，这是F级漆包线能够长期工作的极限温度，只要对冷却风扇和风道进行优化设计，是能够达到的。和水的流速一样，风速也不是越大越好，图515是国外某样机的冷却风风速对内转子绕组温度的影响的模拟计算的结果，当风速达到10MS以后，内转子绕组的温度已可降到155。C以下。国内也有学者提出用冷却油注入电机的内腔，采用循环油对内转子绕组进行冷却，图516是其油路示意图。如采用这样的方法，有很多问题需要去分析和计算，如采用何种物理陛能的介质，原来的气隙被所采用油介质充满后，对磁场的影响如何，是否会影响绕组的绝缘性能，液体的阻力是否会影响电机的传动效率，箱体的密封等都必须加以考虑。当然，最关键的还是能否得到理想的冷却效果，使内电机绕组在全负荷工作时，最高温度降到155OC以下。有一种情况要特别注意，在采用EVT的前驱动的混合动力汽车上，有的设计把减速器和差速器合成到电机的箱体中，把齿轮的润滑油同时作为电机的冷却液，就更值得商榷了，因为这两者是不能混淆的，润滑油需要有一定的粘度，以便在齿轮表面形成油膜，冷却液则要减少粘度，以降低流动阻力。而且齿轮磨损所产生的铁屑有可能引起内外转子气隙短路或破坏绕组之间的绝缘。图516用循环油进行冷却的示意图6采用EVT的混合动力汽车的控制系统EVT混合动力汽车的控制系统包括5个软件包，如图61中的蓝色部分。1驱动功率计算软件包此软件包的作用是根据所采集到的驱动轴工况，如转速、扭矩等计算在此工况下，汽车所需要的驱动功率。2发动机控制软件包此软件包的作用是使发动机始终工作在最优化的工作点。3电机控制软件包比较驱动轴的扭矩和转速和发动机的最优工作点的扭矩和转速，决定内外电机的工作状态，是处于发电机状态还是电动机状态。4电池管理软件对电池的充放电进行管理。5效率计算软件根据从软件包获得的信息，每100KM计算燃油消耗量，可以检验混合动力的燃油经济性，此软件包在对系统进行标定和优化时是不可缺少的。在初始标定时，一般把一固定的驱动循环的参数作为模拟量输入到驱动功率计算软件包，例如按一兰芒卜一3N一2暑芒GAL轻型汽车技术20124总272技术纵横2L国3排放试验的标准，输入V型道路试验的工况，对控制系统进行优化，输入的扭矩和转速的参数可以通过模拟计算得到，也可通过样车在道路上实测得到。图61EVT混合动力汽车的控制系统及其标定发动机控制软件包由两个子软件包组成，即发动机管理子软件包和发动机优化子软件包，发动机管理子软件包的功能是控制从发动机输出功率，决定其输出功率的因素有三部分，驱动轴的负荷、电机的工作状态和由电池管理软件包发出的充放电信号SOC，一般以60作为参考点。图62是发动机管理子软件包的构成示意图。从图中可看出，发动机管理子软件包有一低通滤波器，可以平滑输入的功率信号，在汽车停车，或低于某一设定的车速时，发出关闭发动机的指令。图62发动机控制软件包中的发动机管理子软件包发动机优化子软件包的功能是根据发动机管理子软件包所发出的功率信号，利用从发动机的万有曲线MAP图中得到的发动机最佳效率曲线，计算在此功率下的转速和扭矩并计算其燃油消耗。图63是发动机优化子软件包的构成图。图63发动机控制软件包中的发动机优化子软件包7EVT的室内台架试验71双电机EVT的试验台要成功地研发EVT，必需有专门的试验台架，也可以在传统的动力总成试验台上进行改造，一个标准的EVT试验台必须具有以下功能1试验台本身的动力部分要能满足所模拟的混合动力汽车的功率需求。2试验台有足够的空间能安装各种结构和尺寸的双电机。3既能模拟汽车的各种负荷和工况又能输入标准的驱动工况。4控制系统能灵活地适应各种EVT电机的不同控制策略。5能测量不同工况下EVT的传动效率，以及能分别测量内外电机的传动效率和外特性曲线。6能按照设定的驱动循环，进行EVT的可靠性和耐久性试验。7界面友好并有示教功能，可实时修改试验参数。图71和图72分别是EVT试验台架的结构图和实际的照片。试验台的主要设备有两台电机，一台代替发动机作为动力输出，一台模拟汽车驱动轴的负荷，其性能必需满足所模拟的发动机和汽车对最大扭矩和最大转速的要求，并有足够的余量。有时，为了节约购买电机的成本，也可以通过齿轮箱来升速或减速，以满足最大扭矩和最大转速的要求。试验台的控制系统结构如图73所示，中央控制由DSPACE中的DSP系统和PC机组成，外设接口有若干个信号分析器、脉冲宽度调制器PWM和DAAD转换器，通过它们实现试验过程中来自机械和电器回路的数据交换，每个电能转换器的壳体上装有两个电流传感器，分别测量输入和输出电22技术纵横轻型汽车技术20124总272流。DPS和驱动电机及负载电机控制扭矩的信号传输通过CAN总线实现。控制系统的软件充分利用DSPACE强大功能编制，包括有汽车驱动模拟信号控制器的图形界面和试验参数的人机界面。主要测量仪器有测量机械参数的扭矩传感器和扭矩仪，测量电路参数的电流表和三相电功率表等。图71EVT的台架构成图72试验台架72双电机EVT的试验内容及方法721内外电机性能参数的测量1内转子绕组和定子绕组的电阻和电感测量采用电工学中的办法，用电子电位差计和电感表测量，测量的目的是检验三相绕组的一致性，同时为双电机的有限元计算提供了原始参数。表4是某样机的三相绕组的电阻实测结果，图74是该样机的电感的实测值，横坐标是激励频率，因为电感随激励电流的频率而变化。表4某样机绕组的电阻单位MQA相B相C相定子绕组10911106内转子绕组14815O1452双电机的机械性能参数测量测量在不接电源的情况下进行。空载机械损失首先确定内电机的机械损失，锁住外转子，使其转速为零，分别测量输入轴的扭矩和转速，即可知输人功率，用电表测量内转子滑环上的电功率，两者的差即是电机的损失。PDPFP1一P。PI一电机的机械损失PI电机的铁损用同样的方法锁定内转子，在输出轴上施加功率，测量定子绕组的电功率，也可测量和计算外电机的机械损失。图75和图76分别表示某被测样机的外电机和内电机在无负载状态下的机械功率损失，其中内电机测量曲线中，还分别测量了在连接滑环和不连接滑环的两种情况，最上面的曲线是包含滑环功图73EVT试验台的控制系统图74样机定子绕组上和内转子绕组下的电感轻型汽车技术20124总272技术纵横23率损失的曲线，中间的则不含滑环，两者的差是滑环的摩擦造成的机械损失，用最下面的曲线表示。测量电机的机械损失可用于评价电机的设计和制造质量。，图75样机外电机的无负载下的功率损失I坤_IR一图76样机内电机在无负载时的功率损失722电机的性能测量使EVT双电机按表5的模式工作，在每种工作模式下，均不断地改变扭矩和转速，分别记录内外电机的扭矩和转速的对应关系，即可得到其外特性曲线。表5E、，R的各种驱动模式驱动型式P，输入轴P2输出轴P内电机PS外电机纯电驱动000上电制动回收0O混合驱动混合驱动同时对电池充电需高输出功率时的混合驱动表中0为无功率输入或输出，“”表示为电动机输出功率，“一”表示为发电机输入功率。霉T1荸_1钟CIH图77外电机作为电动机驱动时的外特性曲线RT2W8州图78外电机作为发电机时的外特性曲线舭I图79内电机作为电动机工作时的外特性曲线图710内电机作为发电机工作时的外特性曲线ELL1M蛳M哪枷柚0量I一叠24技术纵横轻型汽车技术20124总272图77图710是某样机内外电机在作为电动机和发电机的不同工作模式下的实测外特性曲线。有了此曲线，即可知道EVT的机械性能。723电机的效率测量电机的效率测量在发电机工作模式下进行，内电机由试验台上的驱动电机驱动，扭矩仪测量扭矩和转速，外转子不转，内电机作为发电机，由三相功率表显示输出功率，输出电能经整流器输出到作为负载的电阻器上，比较输出和输入之比，即为内电机的效率。外电机的测量方法也一样，只是用试验台上作为测功机的电机驱动外转子，内转子不转，测量定子上电能的输出功率。图711和图712是某样机经试验得到的效率MAP图。电机的整体效率可通过下式计算，式中T和I通过输入端的扭矩仪测得，T2和通过输出端的扭矩仪测定，U和I是电机在发电机工作模式下的输出电压和电流，在定子和内转子的绕组上直接测量。100MINPSUICOST2M2T11X100|5001O001500200025O0300O图711某样机内电机的效率图712某样机外电机的效率724EVT的速比试验作为变速器，EVT和CVT的功能相似，通过变换两个电机的差动功率，实现不同的速比，发动机的功率和最大速比决定了汽车的最大加速度，最小速比则决定了汽车的最大车速。试验时输人轴用电机驱动，输入功率和转速一定，如图7一L3所示。此时，电池不给EVT加电，所有电气部分都不工作，EVT只是作为单纯的变速器工作。图713EVT的传动性能试验示意图已知1】而且PLPZPL1使输出轴按一定的转速转动，由于输入功率已知，即可求出输出扭矩T2旦12不断加大内外转子的转速差，即可测出输入扭矩输出扭矩输出转速输出扭矩的范围，两端的临界点即最大和最小速比。725绕组的温升试验试验方法同723的效率测量方法，在发电机模式下测量，通过改变模拟负荷的电阻值逐步加大负荷，直至满负荷，此时整流器输出的电流大小代表了负荷的大小，通过热电耦测量绕组的温度，直到达到热平衡，温度不再随时间上升为止，图714是某样机的内转子绕组的试验结果。图7一L5是定子绕组的温升情况，图中有四组曲线，代表不同冷却方法和不同铁芯布置的效果。726EVT的可靠性试验1模拟道路载荷试验如果试验台具有道路模拟载荷的功能，可作为耐久性试验的首选，因为这最接近实际的使用情况，模拟的道路情况有两种一种是实际测量的道路载荷谱，另一种是模拟国家相关法规所规定的道路驱动循环，如排放法规中的V型试验中的1O万恤0冒邑帕芒NIM3摹卜轻型汽车技术20124总272技术纵横25公里可靠性试验的驱动循环模式。2固定载荷试验在试验台不具备模拟道路载荷功能时，可参考自动变速箱的相关试验标准进行可靠性试验，或采用程序加载的方法。使驱动电机模拟发动机的最佳工作点，输出扭矩和转速保持不变，测功机模拟驱动轴的负荷，分别施加最大载荷的20、40、60、80、100，相对应的转速通过EVT的等功率曲线查找，累计寿命可参考QCT5861999中机械式变速器的要求，累计中值寿命为1110即为合格。产。一一一图714某样机内电机绕组的温升曲线，一一一，_，一AR_1二二二二二2二R_H目蛔HR图715某样机定子绕组的温升曲线参考文献1ERIKNORDLUM，CHANDURSADARANGANIFOURQUADRANTENERGYTRANSDUCERFORHYBRIDELECTRICALVEHICLESSIMULATIONANDSYSTEMDESCRIPTION2PINGZHENG，P,ANRANLIU，PETERTHDIN，IEEERESEARCHONTHEPARAMETERSANDPERFORMANCESOFA4QTPROT