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技术领域

本发明涉及电动汽车的驱动系统，具体为电动汽车电磁变矩驱动系统。

背景技术

通常的内燃动力汽车是将汽油或柴油的化学能转化为热能，在经由热能转化为驱 动汽车前进的机械能。这种方式存在一个热效率不高的问题，以汽油机为例，即便是涡轮增 压或VVT可变气门正时技术等等，也就最多30%热效率转换（柴油热效率高，也不过40%左 右），其余大部分热能都变成发动机热量或制动时的刹车热能被白白释放了。而经过变速 箱、主减速器最后到达车轮驱动的热效率值就更低了，顶多5%-10%了。热能白白被释放，这 是以汽油（柴油）为代表的常见汽车的效率损失。而拥堵城市驾驶，频繁起步、加速再到制 动，也会更加剧用车油耗。尽管我们可以通过一定的技术，比如先进变速箱放大低速扭矩以 增强汽车起步能力，但内燃机本身的工作方式已经决定了他起步扭矩较低，即便引入涡轮 增压缸内直喷技术也是无济于事。

根据美国能源信息署EIA发布的国际能源展望，世界能源市场消耗量2005年到 2030年预计增加50%。随着能源消耗的逐年增加，二氧化碳的排放量也将增加，目前二氧化 碳排放中，25%来自于汽车。至2030年，将由2005年的281亿吨增至423亿吨。在我国，汽 车排放的污染已经成为城市大气污染的重要因素，我国的二氧化碳排放目前已居全球第 二，减排二氧化碳的压力将越来越大。

近年来，我国的汽车行业发展迅速，已成为世界第四大汽车生产国和第三大汽车 消费国。根据国务院发展研究中心估计，到2020年将达到1.4亿辆，机动车的燃油需求为 2.56亿吨，为当年全国石油总需求的57%。我国的石油资源短缺，目前石油进口量以每年两 位数字的百分比增长，预计到2020年进口依存度将超过50%。因此大力发展新能源汽车，用 电代油，是保证我国能源安全的战略措施。因此大力发展新能源汽车是实现我国能源安全、 环境保护以及中国汽车工业实现跨越式、可持续发展的需要。

目前，轮毂式电驱动系统是新兴的一种电动汽车驱动形式。轮毂式电驱动系统有 直接驱动式电动轮和带轮边减速器电动轮两种基本形式。它直接将电机安装在车轮轮毂 中，省略了传统的离合器、变速箱、主减速器及差速器等部件，大大简化了整车结构，提高了 传动效率，并且能通过控制技术实现对电动轮的电子差速控制。因而电动轮成为未来电动 汽车的发展方向。

直接驱动式电动汽车采用低速外转子电动机，电动轮与车轮组成一个完整部件， 采用电子差速方式，电机布置在车轮内部，直接驱动车轮带动汽车行驶。其主要优点就是电 机体积小、质量轻和成本低，系统传动效率高，结构紧凑，既利于整车结构布置和车身设计， 也便于改型设计。这种电动轮直接将外转子安装在车轮的轮辋上驱动车轮转动。然而电动 汽车在起步时需要较大的转矩，也就是说安装在直接驱动型电动轮中的电动机必须能在低 速时提供大转矩。为了使汽车能够有较好的动力，电动机还必须具有很宽的转矩和转速调 节范围。由于电机工作产生一定的冲击和振动，还要求车轮轮辋和车轮支承必须坚固、可 靠，同时由于非簧载质量大，要保证车辆的舒适性，要求对悬架系统弹性元件和阻尼元件进 行优化设计，电机输出转矩和功率也受到车轮尺寸的限制，系统成本高。

带轮边减速器电动轮电驱动系统采用高速内转子电动机，能适合现代高性能电动 汽车的运行要求。它起源于矿用车的传统电动轮，属于减速驱动类型，这种电动轮允许电动 机在高速下运行，通常电动机的最高转速设计在4000r/min～20000r/min之间，其目的是为 了能够获得较高的比功率，而对电动机的其它性能没有特殊要求，因此可以采用普通的内 转子高速电动机。减速机构布置在电动机和车轮之间，起到减速和增矩的作用，从而保证电 动汽车在低速时能够获得足够大的转矩。电机输出轴通过减速机构与车轮驱动轴连接，使 电机轴承不直接承受车轮与路面的载荷作用，改善了轴承的工作条件；采用固定速比行星 齿轮减速器，使系统具有较大的调速范围和输出转矩，充分发挥驱动电机的调速特性，克服 了电机输出转矩和功率受到车轮尺寸影响的问题。设计中主要应考虑解决齿轮的工作噪声 和润滑问题，其非簧载质量也比直接驱动式电动轮电驱动系统的大，对电机及系统内部的 结构方案设计要求更高。

电动轮式电驱动系统是当前用于电动汽车电驱动的最常用的方法。从上述两种驱 动方法各有优缺点：直接驱动式电动汽车在起步和加速时为了获得大启动转矩必须向电机 提供数倍额定电流的驱动电流。数倍额定电流的驱动电流对电子控制装置、电动机、电池等 设备造成很大电冲击，尤其在频繁启停时更加重设备的工作负担，从而降低了设备的使用 寿命和使用的安全性。直接驱动式电机一般都是用永磁无刷电动机为驱动电机，因受永磁 材料的限制，目前最大电机功率也只有几十千瓦；其次，永磁转子的励磁无法调节，导致电 机调速困难，调速范围不宽；带轮边减速器电动轮电驱动系统解决了直接驱动式电机不宜 启动的问题，但它增加了一套齿轮减速装置，如果齿轮减速比1:10时，车轮转速为1500r/ min，电机的转速最低也应该在15000r/min以上。（一般低速启动时从发动机到车轮的减速 比在1:13以上）带轮边减速器电动轮电驱动系统传动比固定，低速启动时满足了高启动转 矩的条件，但在高速时电机的转速就要高于15000r/min，这就需要更精密的机械传动结构 和润滑散热装置。这也就增加了驱动系统的制造难度和成本。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了电动汽车电磁变矩驱动系统，该系统是依据电动 轮直接驱动和带轮边减速器驱动而提出的具有电磁变矩功能高效的新型电动汽车驱动系 统。

本发明是采用如下的技术方案实现的：电动汽车电磁变矩驱动系统，包括电磁变 矩驱动装置、功率电池、电子控制器、三相桥式全控逆变电路和三相整流电路，电磁变矩驱 动装置包括三相它激式同步电机和电磁变矩电机，三相它激式同步电机的转子和电磁变矩 电机的内转子连接，功率电池和三相桥式全控逆变电路的输入端连接，三相桥式全控逆变 电路的输出端和三相它激式同步电机的电枢绕组连接，三相桥式全控逆变电路受控于电子 控制器，电磁变矩电机的内转子磁极绕组通过三相整流电路和三相它激式同步电机的励磁 绕组连接，电磁变矩电机的外转子和轮毂连接。

工作时，功率电池通过电子控制器产生可控三相正弦交流电驱动三相它激式同步 电机旋转（磁阻转矩启动）。由于三相它激式同步电机转子与电磁变矩电机同轴，即带动电 磁变矩电机内转子同步旋转。此时带动轮毂的外转子速度为零，内转子上磁极绕组切割外 转子永磁磁场而产生感应电势。该感应电势经整流后直接加到三相它激式同步电机的励磁 绕组上，形成了三相它激式同步电机的励磁磁场。由于三相它激式同步电机励磁电流与电 枢电流成正比，当电枢电压固定时，根据电枢电流的变化来调整同步电机的输出转速。该转 速又作用到电磁变矩电机的内转子上，内转子上磁极绕组电压也将随之改变，其值的变化 又进一步改变了三相它激式同步电机的励磁电流。这是一个正反馈过程。在这个正反馈过 程中作用到电磁变矩电机外转子上的力矩在快速上升，如果继续提高电枢电压，当电磁变 矩电机外转子输出转矩克服了摩擦阻力后，便开始旋转起来，这个加速过程即为电磁变矩 驱动过程。电磁变矩驱动是电动汽车电动轮驱动的一个全新的概念，它将内燃机汽车已应 用成熟的液力变矩技术通过电磁在电动轮驱动中实现变矩驱动，从而达到与内燃式驱动一 样效果的驱动特性。

上述的电动汽车电磁变矩驱动系统，还包括重力发电机和整流电路，重力发电机 的绕组和整流电路的输入端连接，整流电路的输出端连接在功率电池和三相整流电路的连 接线路上。通过重力发电机回收汽车因路面不平整而产生上下颠簸损失掉的能量，提高电 动汽车的续航能力。

电动汽车电磁变矩驱动系统具有以下特点：

1）电磁变矩驱动在额定电流下可实现大的启动转矩。在采用永磁无刷电机驱动时，由 于电机外转子直接与轮毂连接，它不能实现变矩驱动。启动时为了克服阻力必须给电机施 加超大的电流，这将对控制系统和电机本身形成冲击，降低了使用寿命。

2）电磁变矩驱动可自动调节转速与转矩的值。尤其是在启动时汽车轮必须获得大 的启动转矩才能从静态变为动态。在电磁变矩驱动是在车轮处在静止时同步电机便可将电 机转速从零提搞到几千或上万转，这将在电动轮上产生几倍或数十倍的额定转矩的启动转 矩，这个特性在电磁变矩驱动过程中亲而易举的实现。当电动轮速度上升时如果给定的控 制电压不变，转矩将与转速的上升而降低。当行走阻力增大时速度降低转矩相应提升达到 自适应能力。

3）采用电磁变矩驱动使电机与车轮实现了软连接，实现了负载与动力源的隔离， 减轻了负载对电机的动力冲击，提高了驱动系统的使用寿命。

4）变矩电机和同步电机同轴不同体，使运行中产生的热量不得叠加，散热效果明 显提供。

5）可实现大功率驱动。在功率恒定时电机的体积与输出转速成反比，因此，电机的 功率密度可做的很大。

电动轮驱动将是未来电动汽车的发展方向，而本发明提出了电磁变矩驱动这一全 新概念，并通过具体结构实现电磁变矩驱动，电磁变矩驱动电动轮的市场应用将会非常大。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

图2为三相它激式同步电机、电磁变矩电机从启动到停止过程转速、转矩关系示意 图。

图3为本发明的控制流程图。

具体实施方式

电动汽车电磁变矩驱动系统，包括电磁变矩驱动装置、功率电池、电子控制器、三 相桥式全控逆变电路和三相整流电路，电磁变矩驱动装置包括三相它激式同步电机和电磁 变矩电机，三相它激式同步电机的转子和电磁变矩电机的内转子连接，功率电池和三相桥 式全控逆变电路的输入端连接，三相桥式全控逆变电路的输出端和三相它激式同步电机的 电枢绕组连接，三相桥式全控逆变电路受控于电子控制器，电磁变矩电机的内转子磁极绕 组通过三相整流电路和三相它激式同步电机的励磁绕组连接，电磁变矩电机的外转子和轮 毂连接。

上述的电动汽车电磁变矩驱动系统，还包括重力发电机和整流电路，重力发电机 的绕组和整流电路的输入端连接，整流电路的输出端连接在功率电池和三相整流电路的连 接线路上。

三相它激式同步电机由定子、转子组成，在定子和转子上均有电磁绕组，转子上的 绕组为励磁绕组，供电来源于电磁变矩电机的电磁绕组。电磁变矩电机应用了三相永磁发 电机原理，带永磁磁极的为外转子，直接与轮毂连接，带电磁绕组的为内转子，电磁变矩电 机内外转子速差越大外转子上获得的转矩也越大，反之速差越小外转子的到的转矩也越 小。对于永磁无刷电机或通过行星减速电动轮驱动是没有这个特性的。它与三相它激式同 步电机转子硬连接。同时电磁变矩电机内转子绕组在切割外转子磁极磁场而产生的交变电 压经整流后的直流电压输送给三相它激式同步电机的励磁绕组，使之产生励磁电流，加强 三相它激式同步电机的电磁转矩。

图2为三相它激式同步电机、电磁变矩电机从启动到停止过程转速、转矩关系示意 图，下面分别说明各阶段的控制过程：

启动过程：

启动前O点同步电机、电磁变矩电机均为停止状态。首先给同步电机按频压比施加三相 交流电（正弦），频率从零开始，同步电机转子跟随旋转磁场开始旋转。因同轴电磁变矩电机 内转子将产生同步电机的励磁电流，该励磁电流增加又控制了同步电机转速的提高。这时 继续增加同步电机电枢端电压，直到推动电磁变矩电机外传子开始旋转，完成了启动过程A 点。

加速过程：

电磁变矩电机外转子开始旋转便进入到加速过程A点。由于外转子旋转的投入削弱了 同步电机的励磁电流，此时必须同时提高电枢电压和转速，保证电磁变矩电机外转子的转 速增加。当到达指定转速后完成了加速过程B点。

匀速过程：

匀速过程包括两个方面，一是自由匀速控制；二是巡航速度控制。在进行自由匀速控制 时其实就是手动控制，提速提高电压提高频率，降速降低频率降低电压；巡航速度控制是由 计算机实施的自动速度控制，保证速度恒定。这个区间由B和C段组成。

制动过程：

制动过程从C点开始，制动时间的长短取决于控制力度。当要制动操作时降低同步电机 的控制频率，同时改变控制电压（电枢电压），为保证有一定的制动力矩可控制电枢电流的 大小，其强度可根据实际需要决定。当电磁变矩电机内转子转速低于外转子转速时将产生 制动力矩，强制使外转子降低速度。当内转子转速为零时打开机械抱闸强制制停，即D点。

滑行过程：

上述四个过程均是电动过程，而滑行过程相反，停止向同步电机供电。电磁变矩在滑行 过程中，由于不再向同步电机供电，变矩电机的外转子转速将大于内转子转速，形成发电状 态。而同步电机也变成了发电机，它通过电枢绕组将电能返回给电池组，实现了再生发电。

本发明提出的电动汽车电磁变矩驱动系统采用了电磁变矩驱动，在启动、加速、匀 速、制动过程中转矩与速度可自动调节，在启动时产生低速转矩，在匀速时实现高速低转矩 运行，制动时电磁变矩驱动在电子控制器的控制下可产生制动力矩和能量回收。它还可以 通过重力发电机回收汽车因路面不平整而产生上下颠簸损失掉的能量，提高电动汽车的续 航能力。