專利名稱：混合動力汽車用電子無級調(diào)速系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于汽車動力領域,為一種輸入功率分配型混合動力汽車調(diào)速裝置。
背景技術：
近年來，隨著全球環(huán)境惡化以及化石燃料的日益短缺，傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)面臨著嚴峻考驗。因此，節(jié)能環(huán)保的新能源汽車研發(fā)已經(jīng)成為世界各國的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和國內(nèi)外專家學者關注的熱點之一。作為新能源汽車的一種，混合動力汽車憑借其燃油經(jīng)濟性高、尾氣排放低、續(xù)航里程長的顯著優(yōu)點脫穎而出，得到了快速的發(fā)展。有效實現(xiàn)混合動力汽車基本功能的關鍵技術之一是研發(fā)高性能的電子無級調(diào)速(electronically continuously variable transmission,簡稱 E-CVT)系統(tǒng)。根據(jù)是否米用機械齒輪，可將現(xiàn)有市場上以及國內(nèi)外專家學者廣泛研究的E-CVT系統(tǒng)分為兩大類一`類是采用機械齒輪(行星齒輪)的E-CVT系統(tǒng)；另一類為沒有齒輪嚙合的無齒輪E-CVT系統(tǒng)。帶機械齒輪功率分配裝置的E-CVT系統(tǒng)都存在一個問題，即必須采用行星齒輪來調(diào)節(jié)發(fā)動機和連接在汽車驅(qū)動軸上的驅(qū)動電機之間的能量傳送與分配。和所有機械齒輪一樣，行星齒輪也存在傳輸損耗和齒輪噪聲的缺點，而且必須人工定期給齒輪加潤滑劑進行維護。而無機械齒輪功率分配裝置的E-CVT系統(tǒng)，通常采用一個雙轉(zhuǎn)子電機來實現(xiàn)功率分配，即采用電氣連接方式來克服上述問題。然而，這種電氣連接的電子無級調(diào)速系統(tǒng)在克服行星齒輪缺點的同時也產(chǎn)生了一個新的問題系統(tǒng)中所采用的雙轉(zhuǎn)子電機必需利用電刷和滑環(huán)從轉(zhuǎn)子中輸入或輸出電能。而電刷和滑環(huán)將產(chǎn)生額外的損耗，且需要定期維護，此外，雙轉(zhuǎn)子電機中處于最里面的內(nèi)轉(zhuǎn)子的散熱問題也是制約該系統(tǒng)實際應用的一個重要瓶頸。因此，研發(fā)一種既不需要行星齒輪，也不需要電刷和滑環(huán)，且效率高、控制方便、運行穩(wěn)定的新型E-CVT系統(tǒng)成為目前混合動力汽車領域的一個熱點問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明是提出一種基于復合式開關磁阻電機的混合動力汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)既無行星齒輪，也無電刷、滑環(huán)和永磁體。既解決了帶齒輪功率分配裝置存在傳輸損耗和齒輪噪聲的缺點，又解決了普通帶電刷雙轉(zhuǎn)子電機系統(tǒng)產(chǎn)生額外損耗、需要定期維護及不易散熱的問題。此外，由于未采用永磁材料，因此可避免永磁體高溫退磁所引發(fā)一系列問題，極大提高了系統(tǒng)的可靠性。技術方案本發(fā)明的一種混合動力汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)，包括發(fā)動機、離合器、車輛驅(qū)動系統(tǒng)，還包括復合式開關磁阻電機、由內(nèi)定子側(cè)功率變換器、DC-DC變換器、夕卜定子側(cè)功率變換器組成的電功率模塊、電池組、控制單元；發(fā)動機通過離合器連接至復合式開關磁阻電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子，內(nèi)定子側(cè)功率變換器、DC-DC變換器和外定子側(cè)功率變換器串聯(lián)后連接在復合式開關磁阻電機的內(nèi)定子繞組與外定子繞組之間，電池組分別與內(nèi)定子側(cè)功率變換器、DC-DC變換器相連；復合式開關磁阻電機的外轉(zhuǎn)子連接至車輪驅(qū)動系統(tǒng)，控制單元分別與發(fā)動機、內(nèi)定子側(cè)功率變換器、DC-DC變換器、外定子側(cè)功率變換器、電池組相連。
所述的復合式開關磁阻電機由內(nèi)轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子、外定子、外轉(zhuǎn)子組成，且內(nèi)定子與外定子通過隔磁環(huán)集成為一個整體，內(nèi)定子與外定子分別套有內(nèi)定子繞組與外定子繞組。所述的內(nèi)定子側(cè)功率變換器、外定子側(cè)功率變換器均為雙向整流、逆變功能的功率變換器，DC-DC變換器為直流升/降壓功能的變換器，電池組通過以上功率變換器與電機相連，能存儲或輸出能量。所述的復合式開關磁阻電機存在兩個獨立控制的功率通路，高速內(nèi)電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子經(jīng)離合器與發(fā)動機耦合，低速外電機的外轉(zhuǎn)子與車輪驅(qū)動系統(tǒng)耦合，且整個系統(tǒng)不存在永磁體。電功率模塊包括內(nèi)定子側(cè)功率變換器、DC-DC變換器和外定子側(cè)功率變換器。其中，內(nèi)定子側(cè)功率變換器與外定子側(cè)功率變換器都具備雙向整流、逆變功能，內(nèi)定子側(cè)功率變換器與復合式開關磁阻電機的內(nèi)定子繞組相連，外定子側(cè)功率變換器與復 合式開關磁阻電機的外定子繞組相連；DC-DC變換器具備直流升/降壓功能，其分別與內(nèi)定子側(cè)功率變換器和外定子側(cè)功率變換器相連。電池組經(jīng)過電功率模塊連接到復合式開關磁阻電機上，進行能量的輸出或存儲。其中，電池組一路直接連接至內(nèi)定子側(cè)功率變換器，另一路通過DC-DC變換器連接至外定子側(cè)功率變換器。復合式開關磁阻電機，其內(nèi)轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子組成內(nèi)電機，外轉(zhuǎn)子和外定子組成外電機，內(nèi)外電機兩者之間電路、磁路、熱路完全獨立，可以分別進行控制。內(nèi)電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子經(jīng)離合器與高速運行的發(fā)動機耦合，外電機的外轉(zhuǎn)子與低速運行的車輪驅(qū)動系統(tǒng)耦合。汽車上三個旋轉(zhuǎn)設備發(fā)動機，E-CVT和車輪驅(qū)動系統(tǒng)高度集成，發(fā)動機與車輪驅(qū)動系統(tǒng)之間無直接機械連結(jié)，以實現(xiàn)電氣連接的電子無級調(diào)速系統(tǒng)。在作為功率分配器工作時，發(fā)動機驅(qū)動復合式開關磁阻電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子，通過電磁耦合作用，內(nèi)定子繞組獲得電功率，該電功率將分為兩個部分，一部分由內(nèi)定子繞組經(jīng)內(nèi)定子側(cè)功率變換器整流成為與電池組充電電壓相匹配的直流電傳輸?shù)诫姵亟M，以化學能的形式存儲于電池組中；另一部分電功率先后經(jīng)內(nèi)定子側(cè)功率變換器和DC-DC變換器整流后再將直流電壓調(diào)整為適合外定子繞組的幅值，通過外定子側(cè)功率變換器變換，將電能傳遞到復合式開關磁阻電機的外定子繞組中，通過電磁耦合，使外轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩并以機械能的形式驅(qū)動車輪。上述兩部分功率流的大小與方向可以根據(jù)需求，由控制單元合理分配。其中兩種最主要的控制策略為
(1)當由發(fā)動機的機械功率轉(zhuǎn)化至復合式開關磁阻電機內(nèi)定子的電功率超過驅(qū)動車輪所需的機械功率時，控制單元使內(nèi)定子的電功率在經(jīng)過內(nèi)定子側(cè)功率變換器后分配能量，一部分電功率經(jīng)DC-DC變換器、外定子側(cè)功率變換器向外定子繞組提供電功率，再轉(zhuǎn)化成車輛行駛所需的機械功率；另一部分剩余的電功率則給電池組充電，儲存多余能量；
(2)當由發(fā)動機的機械功率轉(zhuǎn)化至復合式開關磁阻電機內(nèi)定子的電功率小于驅(qū)動車輪所需的機械功率時，控制單元使內(nèi)定子的電功率在經(jīng)過內(nèi)定子側(cè)功率變換器后全部送向DC-DC變換器和外定子側(cè)功率變換器，進而全部傳遞到外定子繞組，同時控制電池組經(jīng)DC-DC變換器和外定子側(cè)功率變換器也向外定子繞組提供缺少的電能，最終外定子繞組的電能通過電磁耦合傳遞到外轉(zhuǎn)子，以機械能的形式驅(qū)動車輛，此時車輛行駛所需的能量由電池組與發(fā)動機共同提供。
除了上述兩種主要工作模式外，通過控制發(fā)動機、復合式開關磁阻電機和電池組的工作狀態(tài)，還存在多種其他工作模式，如冷啟動、高速巡航、回饋制動等。有益效果
I、本發(fā)明既無行星齒輪，又無電刷和滑環(huán)，大大提高了系統(tǒng)的效率和可靠性，可以使發(fā)動機一直工作在高效區(qū)域，從而顯著提高整車的工作效率。2、創(chuàng)造性提出了一種復合式開關磁阻電機的設計思想，將兩臺獨立控制的開關磁阻電機集成在一個空間內(nèi)，其旋轉(zhuǎn)部件上無繞組和永磁體，電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子與高速運行的發(fā)動機耦合，外轉(zhuǎn)子與低速運行的車輪驅(qū)動系統(tǒng)耦合； 整個電機系統(tǒng)由內(nèi)而外依次為轉(zhuǎn)子部件、定子部件和轉(zhuǎn)子部件，這樣就改善了傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子電機中內(nèi)轉(zhuǎn)子難以散熱從而無法實際應用的技術瓶頸；整個電機系統(tǒng)不需使用永磁體，大大簡化了結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了魯棒性，且不會出現(xiàn)高溫退磁的問題；復合式開關磁阻電機有多種不同的相數(shù)、定轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)配合方式。3、基于復合式開關磁阻電機的E-CVT系統(tǒng)，通過巧妙設計可以將汽車上三個旋轉(zhuǎn)設備(發(fā)動機，E-CVT和車輪傳統(tǒng)系統(tǒng))高度集成，實現(xiàn)電氣連接的電子無級調(diào)速系統(tǒng)，具有高功率密度、高效率、低噪聲和低振動的優(yōu)點。其不僅可以實現(xiàn)現(xiàn)有電子無級調(diào)速系統(tǒng)的全部功能，而且在結(jié)構(gòu)、體積、性能、散熱、制造工藝、實用性等方面都具有較為明顯的優(yōu)勢，且設計方法靈活多變，可根據(jù)系統(tǒng)應用需求調(diào)整。


圖I是本發(fā)明的基于復合式開關磁阻電機的混合動力汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)框圖，其中包括發(fā)動機1，離合器2，復合式開關磁阻電機3，內(nèi)定子側(cè)功率變換器4，DC-DC變換器5，外定子側(cè)功率變換器6，電池組7，控制單元8，車輪驅(qū)動系統(tǒng)9。圖2是本發(fā)明中所采用的內(nèi)電機定子12槽/轉(zhuǎn)子8極、外電機定子12槽/轉(zhuǎn)子8極的復合式開關磁阻電機的橫向剖視結(jié)構(gòu)示意圖，其中有內(nèi)轉(zhuǎn)子31、內(nèi)定子32、內(nèi)定子繞組33、隔磁環(huán)34，外定子35，外定子繞組36，外轉(zhuǎn)子37。
具體實施例方式如圖I所示本發(fā)明的基于復合式開關磁阻電機的混合動力汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)包括發(fā)動機1，離合器2，復合式開關磁阻電機3，電功率模塊(內(nèi)定子側(cè)功率變換器4、DC-DC變換器5、外定子側(cè)功率變換器6)，電池組7，控制單元8，車輪驅(qū)動系統(tǒng)9等。發(fā)動機I通過離合器2連接到復合式開關磁阻電機3的內(nèi)轉(zhuǎn)子31，復合式開關磁阻電機3的內(nèi)定子繞組33經(jīng)過內(nèi)定子側(cè)功率變換器4、DC-DC變換器5、外定子側(cè)功率變換器6連接至復合式開關磁阻電機3的外定子繞組36，電池組7分別與內(nèi)定子側(cè)功率變換器4、DC-DC變換器5相連，復合式開關磁阻電機3的外轉(zhuǎn)子37連接至車輪驅(qū)動系統(tǒng)9，控制單元8分別與發(fā)動機I、內(nèi)定子側(cè)功率變換器4、DC-DC變換器5、外定子側(cè)功率變換器6、電池組7連接。如圖2所示本發(fā)明中采用的復合式開關磁阻電機3包括內(nèi)轉(zhuǎn)子31、環(huán)繞內(nèi)轉(zhuǎn)子31的內(nèi)定子32、環(huán)繞內(nèi)定子32的隔磁環(huán)34、環(huán)繞隔磁環(huán)34的外定子35、環(huán)繞外定子35的外轉(zhuǎn)子37，；兩個轉(zhuǎn)子與定子之間均設置有氣隙；內(nèi)轉(zhuǎn)子31、外轉(zhuǎn)子37朝向氣隙的一側(cè)均設置有無繞組的凸極齒，內(nèi)定子32和外定子35朝向氣隙的一側(cè)均設置有凸極齒，且分別套有內(nèi)定子繞組33和外定子繞組36。整個電機系統(tǒng)由內(nèi)外兩個獨立轉(zhuǎn)子和一個集成定子組成，其中集成定子包括內(nèi)定子32、外定子35和隔磁環(huán)34三部分，復合式開關磁阻電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子31和內(nèi)定子32組成內(nèi)電機，外轉(zhuǎn)子37和外定子35組成外電機。本發(fā)明提出的電功率模塊包括內(nèi)定子側(cè)功率變換器4、DC_DC變換器5、外定子側(cè)功率變換器6。內(nèi)定子側(cè)功率變換器4和外定子側(cè)功率變換器6分別為可以雙向功率流動的整流、逆變電路，DC-DC變換器5為一個直流升/降壓電路。內(nèi)定子側(cè)功率變換器4的一端與內(nèi)定子繞組33相連，另一端直接與電池組7相連；外定子側(cè)功率變換器6的一端與外定子繞組36相連，另一端經(jīng)過DC-DC變換器5與電池組7相連。發(fā)動機I、內(nèi)定子側(cè)功率變換器4、DC_DC變換器5、外定子側(cè)功率變換器6、電池組7分別與控制單元8相連，實現(xiàn)狀態(tài)的檢測、數(shù)據(jù)的交換與控制信號的實時傳遞。本發(fā)明所提出的車輪驅(qū)動系統(tǒng)可以包括減速裝置。本發(fā)明提出的電子無級調(diào)速系統(tǒng)包括兩路獨立的功率流第一路功率流在發(fā)動 機、復合式開關磁阻電機的內(nèi)電機、電池組之間流動，發(fā)動機的機械能傳遞給內(nèi)轉(zhuǎn)子，再經(jīng)過電磁感應耦合轉(zhuǎn)化成電能輸入到內(nèi)定子繞組中，內(nèi)定子繞組連接至電池組，將電能轉(zhuǎn)化成化學能存儲；第二路功率流在電池組、復合式開關磁阻電機的外電機、車輪驅(qū)動系統(tǒng)之間流動，電池組的化學能轉(zhuǎn)化成電能傳遞給外定子繞組，再經(jīng)過電磁感應耦合轉(zhuǎn)化成機械能輸送到外轉(zhuǎn)子，再傳遞給車輪。除此之外，根據(jù)不同的工況，在內(nèi)定子與外定子的兩套繞組之間亦可通過電功率模塊的功率變換功能實現(xiàn)電能的傳遞。本發(fā)明提出的電子無級調(diào)速系統(tǒng)的運行模式包括
I、冷啟動模式
電池組7提供電能，經(jīng)過內(nèi)定子側(cè)功率變換器4傳遞至內(nèi)定子繞組33，通過電磁感應使內(nèi)轉(zhuǎn)子31旋轉(zhuǎn)，與離合器2結(jié)合，使發(fā)動機I從靜止啟動。此時，復合式開關磁阻電機的內(nèi)電機工作在電動狀態(tài)，外電機不工作。2、純電動模式
電池組7提供電能，經(jīng)過DC-DC變換器5、外定子側(cè)功率變換器6傳遞至外定子繞組36，通過電磁感應使外轉(zhuǎn)子37轉(zhuǎn)動，將機械能傳送到車輪驅(qū)動系統(tǒng)9。此時，復合式開關磁阻電機的內(nèi)電機不工作，外電機工作在電動狀態(tài)。3、混合動力模式
此模式可以應用于加速、爬坡等大功率運行的情況。發(fā)動機I運行產(chǎn)生的機械能同軸傳遞給復合式開關磁阻電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子31，通過電磁感應轉(zhuǎn)化為內(nèi)定子繞組33上的電能，進而通過內(nèi)定子側(cè)功率變換器4、DC-DC變換器5、外定子側(cè)功率變換器6傳遞至外定子繞組36上，再通過電磁感應將電能轉(zhuǎn)換為外轉(zhuǎn)子37上的機械能，最終傳遞給車輪驅(qū)動系統(tǒng)9 ；當發(fā)動機I提供的能量低于外定子所需的能量時，電池組7將電能通過DC-DC變換器5、外定子側(cè)功率變換器6傳遞給外定子繞組36，補充能量差值；當發(fā)動機I提供的能量高于外定子所需的能量時，內(nèi)定子繞組上的多余電能經(jīng)過內(nèi)定子側(cè)功率變換器4給電池組7充電。此時，復合式開關磁阻電機的內(nèi)電機工作在發(fā)電狀態(tài)，外電機工作在電動狀態(tài)。4、再生制動模式
車輛減速、制動和下坡時，車輪驅(qū)動系統(tǒng)9帶動外轉(zhuǎn)子37轉(zhuǎn)動，復合式開關磁阻電機的外電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能，再通過外定子側(cè)功率變換器6、DC-DC變換器5給電池組7充電，車輛的機械能轉(zhuǎn)化并儲存于電池組7 ;發(fā)動機I的全部機械能由復合式開關磁阻電機的內(nèi)電機轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)內(nèi)定子側(cè)功率變換器4向電池組7充電，以化學能的形式儲存。此時，復合式開關磁阻電機的內(nèi)電機工作在發(fā)電狀態(tài)，外電機也工作在發(fā)電狀態(tài)。5、駐車發(fā)電模式
此模式主要運行于電池組7電量不足的情況，發(fā)動機I經(jīng)離合器2帶動內(nèi)轉(zhuǎn)子31轉(zhuǎn)動，通過電磁感應將機械能轉(zhuǎn)化為電能，再經(jīng)內(nèi)定子側(cè)功率變換器4給電池組7充電。此時，復合式開關磁阻電機的內(nèi)電機工作在發(fā)電狀態(tài)，外電機不工作。需要指出的是，由于開關磁阻電機作發(fā)電運行時需要先通入激勵電流，因此，為保證整個電子無極調(diào)速系統(tǒng)的正常工作，必須確保電池組7中的電能一直有余留，沒有被完全用盡。
本發(fā)明采用復合式開關磁阻電機作為功率分配裝置，優(yōu)點體現(xiàn)在
(O只用一個復合電機就能實現(xiàn)多種功能，控制靈活，結(jié)構(gòu)簡單，占用空間?。?br> (2)電池組可以根據(jù)實際情況吸收多余的發(fā)動機能量或補充發(fā)動機能量的不足，且發(fā)動機一直工作在高效區(qū)域，整車的運行效率提高；
(3)無行星齒輪、無電刷與滑環(huán)、無永磁體，整個系統(tǒng)可靠性高，維護方便，且效率更高，有一定的容錯能力。
權利要求
1.一種混合動力汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)，包括發(fā)動機(I)、離合器(2)、車輛驅(qū)動系統(tǒng)(9)，其特征是還包括復合式開關磁阻電機(3)、由內(nèi)定子側(cè)功率變換器(4)、DC-DC變換器(5)、外定子側(cè)功率變換器(6)組成的電功率模塊、電池組(7)、控制單元(8);發(fā)動機(I)通過離合器(2)連接至復合式開關磁阻電機(3)的內(nèi)轉(zhuǎn)子(31)，內(nèi)定子側(cè)功率變換器(4)、DC-DC變換器(5)和外定子側(cè)功率變換器(6)串聯(lián)后連接在復合式開關磁阻電機(3)的內(nèi)定子繞組(33)與外定子繞組(36)之間，電池組(7)分別與內(nèi)定子側(cè)功率變換器(4)、DC-DC變換器(5)相連；復合式開關磁阻電機(3)的外轉(zhuǎn)子(37)連接至車輪驅(qū)動系統(tǒng)(9)，控制單元(8 )分別與發(fā)動機(I)、內(nèi)定子側(cè)功率變換器(4)、DC-DC變換器(5 )、外定子側(cè)功率變換器(6)、電池組(7)相連。
2.根據(jù)權利要求I所述的混合動力汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于，所述的復合式開關磁阻電機(3)由內(nèi)轉(zhuǎn)子(31)、內(nèi)定子(32)、外定子(35)、外轉(zhuǎn)子(37)組成，且內(nèi)定子(32)與外定子(35)通過隔磁環(huán)(34)集成為一個整體，內(nèi)定子(32)與外定子(35)分別套有內(nèi)定子繞組(33)與外定子繞組(36)。
3.根據(jù)權利要求I所述的混合動力汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于，所述的內(nèi)定子側(cè)功率變換器(4)、外定子側(cè)功率變換器(6)均為雙向整流、逆變功能的功率變換器，DC-DC變換器(5)為直流升/降壓功能的變換器，電池組(7)通過以上功率變換器與電機相連，能存儲或輸出能量。
4.根據(jù)權利要求I或2所述的混合動力汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于，所述的復合式開關磁阻電機(3)存在兩個獨立控制的功率通路，高速內(nèi)電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子(31)經(jīng)離合器(2)與發(fā)動機(I)耦合，低速外電機的外轉(zhuǎn)子(37)與車輪驅(qū)動系統(tǒng)(9)耦合，且整個系統(tǒng)不存在永磁體。
全文摘要
一種基于復合式開關磁阻電機的混合動力汽車用電子無極調(diào)速系統(tǒng)，包括發(fā)動機、離合器、復合式開關磁阻電機、電功率模塊、電池組、車輪驅(qū)動系統(tǒng)和控制單元等。本發(fā)明由于采用復合式開關磁阻電機作為功率分配裝置，既無行星齒輪，又無電刷和滑環(huán)等機械裝置，且無永磁材料，損耗低、結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。系統(tǒng)只采用一個電機就能實現(xiàn)多種模式的運行，空間利用率高，且有兩條可以獨立控制的功率流通路徑，大大提高了靈活性和冗余性。本發(fā)明的電子無極調(diào)速系統(tǒng)，可使發(fā)動機一直工作于高效運行區(qū)，有效地提高了整車效率。
文檔編號B60K6/22GK102837592SQ20121034604
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權日2012年9月18日
發(fā)明者花為, 華浩, 柯海波, 程明 申請人:東南大學