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能源与环境依然是全球关注的问题,近年来,各国都加紧了对新能源和绿色能源的研究。电动汽车作为一种零排放、低污染的绿色交通工具,成为今后汽车领域发展的主攻方向之一。电动汽车一般可分为纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动车等。其中混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,简称HEV),在保留传统汽车优点的同时,还能有效提高燃油经济性,优化车辆运行性能,大幅度降低废气排放,因此得到了国内外学者和世界汽车巨头的高度重视。研究适用于中、重混合动力汽车的新型机电耦合动力合成装置,实现模块化、集成化的混合动力合成系统研究已成为当前国内外混合动力汽车研究领域的热点之一。
本文首先对应用于中、重度混合动力汽车的混合动力合成系统进行了分类,提出了机械式和电磁式混合动力合成系统的概念,并对基于双转子的电磁式混合动力合成系统的结构、基本工作原理及其国内外研究现状进行了阐述。在此基础上,针对混合动力汽车应用场合提出了一种新型双转子开关磁阻电机及其混合动力合成系统,该系统与传统的发动机和电动机分离式系统相比,省去了变速齿轮箱,结构上更加紧凑,传动效率更高。结合混合动力汽车的不同运行模式,分析了基于该混合动力合成系统不同运行工况下的动力合成和功率分配的基本原理,建立了该双转子电机的数学模型和等效磁路结构,根据中、重度混合动力合成系统的功率要求,基于由内而外的设计原则,对该双转子电机进行了电磁参数设计。采用Maxwell软件对该电机进行了有限元建模与仿真,对应混合动力汽车的轻载起动、高速巡航、混合驱动、储能充电四种模式,分别对外电机单独运转、内电机单独运转、内转子超前中间转子、内转子滞后中间转子四种情况进行瞬态仿真。初步验证了电机设计方法和设计参数的正确性。为提高仿真精度,文中还基于Maxwell和Simplorer软件,构建了该电机及控制系统的多物理场瞬态联合仿真系统模型,从仿真得到的转矩电流波形看,设计的双转子开关磁阻电机理论上应该能满足HEV的不同模式下的要求。此外,对该双转子电机进行了温度场建模和分析。运用ePhysics温度场仿真软件建立双转子开关磁阻电机模型,得到了双转子电机的三维温度分布,并相应提出了双转子电机的冷却方法。研究表明,该双转子电机继承了开关磁阻电机结构简单、容错性好、动态响应快、适合高速运行等特点。通过内、外两电机的协调,理论上基于该电机的混合动力合成系统能使发动机工作于最佳燃油经济区,实现整车的效率最高、排放最小。