我國將混合動力汽車列為“國家863電動汽車”專項(xiàng)的主要支持內(nèi)容，支持部分骨干企業(yè)對混合動力汽車的整車及關(guān)鍵總成進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，使得我國在混合動力汽車研發(fā)方面取得了較大的進(jìn)步。但是，除個(gè)別引進(jìn)項(xiàng)目外，我國還沒有實(shí)現(xiàn)混合動力汽車的產(chǎn)業(yè)化，技術(shù)水平仍與國外差距很大。

一個(gè)很重要的原因在于機(jī)電耦合傳動模式方面沒有重大突破，缺少性能優(yōu)良的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——動力耦合器。因此迫切要求開發(fā)性能優(yōu)越、成本低廉的混合動力新結(jié)構(gòu)。

2003年以來，中國汽車技術(shù)研究中心投入力量研究雙轉(zhuǎn)子混合動力總成，采用一種由內(nèi)外兩個(gè)徑向式磁路結(jié)構(gòu)的復(fù)合電機(jī)組成一體化的雙轉(zhuǎn)子混合動力電機(jī)，代替一般的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)分離式結(jié)構(gòu)。通過內(nèi)外兩個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)工作使發(fā)動機(jī)運(yùn)行于最高效率點(diǎn)，從而提高系統(tǒng)的總效率。以雙轉(zhuǎn)子電機(jī)為動力耦合部件，開發(fā)出用于某SUV車型的混合動力總成樣機(jī)。經(jīng)試驗(yàn)證明雙轉(zhuǎn)子混合動力總成可以對發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)實(shí)施有效控制，并且雙轉(zhuǎn)子電機(jī)自身具備減速增轉(zhuǎn)矩功能，能夠取消離合器和變速器，降低整車開發(fā)成本。

1 技術(shù)方案和技術(shù)特點(diǎn)

如圖1，雙轉(zhuǎn)子混合動力系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、雙轉(zhuǎn)子電機(jī)、逆變器、電池及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)由內(nèi)、外轉(zhuǎn)子和定子組成，內(nèi)轉(zhuǎn)子與發(fā)動機(jī)曲軸相連，外轉(zhuǎn)子與驅(qū)動橋相連。內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子構(gòu)成內(nèi)電機(jī)，外轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成外電機(jī)。發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間的電磁場直接作用在驅(qū)動橋上，同時(shí)利用兩轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)速差發(fā)電，電流由控制器傳輸給外電機(jī)，對驅(qū)動橋產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩。發(fā)動機(jī)和驅(qū)動橋之間沒有機(jī)械連接，因此發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)可以靈活選擇。

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的工作電壓為312V，最大輸入輸出功率63kW，最大輸入轉(zhuǎn)矩120N·m，最大輸出轉(zhuǎn)矩440N·m。

汽車起步或低速行駛時(shí)，由電池提供動力，外電機(jī)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)零排放行駛。汽車正常行駛時(shí)，由發(fā)動機(jī)提供動力，各參數(shù)之間關(guān)系為

式中T1、T2、Td 分為內(nèi)電機(jī)（發(fā)動機(jī)）、外電機(jī)和傳動軸轉(zhuǎn)矩；ω1、ω2分別為發(fā)動機(jī)和傳動軸的角速度；Pm、Pe、Pd分別為內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間直接傳遞的機(jī)械功率、內(nèi)外電機(jī)之間傳遞的電功率和傳動軸的總輸出功率。

需要說明的是，當(dāng)ω1>ω2時(shí)，Pe>0，內(nèi)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，外電機(jī)處于用電狀態(tài)，此時(shí)Td>T1，相當(dāng)于汽車用低速擋行駛；當(dāng)ω1=ω2時(shí)，Pe=0，內(nèi)電機(jī)處于電動堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，外電機(jī)不工作，此時(shí)Td=T1，相當(dāng)于汽車用直接擋行駛；當(dāng)ω1<ω2時(shí)，P<0，內(nèi)電機(jī)處于用電狀態(tài)，外電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)Td

汽車全負(fù)荷行駛時(shí)，除發(fā)動機(jī)提供主要動力外，電池也對外電機(jī)提供額外動力，傳動軸的總輸出功率為Pd=Pm+Pe+Pb

式中Pb為電池對外電機(jī)提供的電功率。

汽車減速行駛時(shí)，外電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將汽車的動能轉(zhuǎn)化為電能，儲存在電池中。

雙轉(zhuǎn)子混合動力系統(tǒng)的特點(diǎn)是它保留了串聯(lián)混合動力系統(tǒng)能靈活調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)汽車行駛工況，只將發(fā)動機(jī)輸出動力的一部分經(jīng)過機(jī)械能—電能—機(jī)械能轉(zhuǎn)換，發(fā)動機(jī)的大部分動力靠電磁力直接傳遞給傳動軸，這就使得系統(tǒng)效率大大提高，同時(shí)由于雙轉(zhuǎn)子混合動力系統(tǒng)通過電磁力直接傳遞大部分功率，所以對內(nèi)、外電機(jī)設(shè)計(jì)的容量要求會大幅度減小。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1內(nèi)電機(jī)的冷卻

圖2為內(nèi)電機(jī)的冷卻示意圖，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)由內(nèi)到外依次是內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子和定子。由于內(nèi)轉(zhuǎn)子處于電機(jī)的最里層，內(nèi)轉(zhuǎn)子上的繞組散熱條件很差。曾對內(nèi)電機(jī)采用風(fēng)冷方案，結(jié)果機(jī)殼溫度達(dá)到85℃時(shí)，仍未達(dá)到熱平衡狀態(tài)，導(dǎo)致電機(jī)軸承燒毀。因此，放棄風(fēng)冷方案，采用液冷方案：冷卻液先在機(jī)殼內(nèi)循環(huán)，冷卻定子繞組；后經(jīng)前端蓋進(jìn)入輸入軸，由輸入軸分散到輸入軸與內(nèi)轉(zhuǎn)子沖片的結(jié)合部位，冷卻內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組；再由輸入軸后端流經(jīng)后端蓋，進(jìn)入油底殼，通過液泵經(jīng)外置散熱器散熱后，進(jìn)入下一個(gè)冷卻循環(huán)。

冷卻方案技術(shù)要領(lǐng)如下： 1）冷卻路線不但經(jīng)過系統(tǒng)中的靜止部件而且還要經(jīng)過系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)部件，所以需要在旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件連接部分采取適當(dāng)?shù)拿芊獯胧?；?/SPAN>2）在結(jié)構(gòu)上保證冷卻液和內(nèi)轉(zhuǎn)子沖片有足夠的接觸面積，在不影響磁路的前提下，冷卻道盡量靠近電樞繞組；（3）系統(tǒng)工作時(shí)，保證油底殼內(nèi)的液面高度適當(dāng)，防止冷卻液進(jìn)入氣隙，造成功率損失；（4）冷卻液應(yīng)具備良好的絕緣性。

為了考察冷卻方案的可行性，對試制的樣機(jī)進(jìn)行了溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)方法是：內(nèi)電機(jī)在額定負(fù)荷下連續(xù)工作1h，測定冷卻液入口溫度、出口溫度以及機(jī)殼溫度。試驗(yàn)結(jié)果：環(huán)境溫度為32℃時(shí)，在電機(jī)運(yùn)行20min后，內(nèi)電機(jī)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，冷卻液入口溫度為41℃，出口溫度為46℃，機(jī)殼溫度為65℃，冷卻效果明顯優(yōu)于風(fēng)冷方案。

2.2發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)選擇

發(fā)動機(jī)的工作區(qū)域很寬，但低油耗、低排放區(qū)域卻很窄。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的輸入軸和輸出軸獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，這為選擇合適的發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)提供了必要條件。單從發(fā)動機(jī)效率方面考慮，應(yīng)選擇發(fā)動機(jī)效率最高的一點(diǎn)工作，但實(shí)際上這是不現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)椴煌r下汽車所需的功率差別很大，如果將發(fā)動機(jī)設(shè)置在某一點(diǎn)，勢必會造成發(fā)動機(jī)的輸出能量不足或過剩，盡管有電池蓄能或彌補(bǔ)，但由于存在能量轉(zhuǎn)換問題，整體效率反而會降低。所以應(yīng)盡量保證發(fā)動機(jī)在一條高效率線上工作，這條線要跨越一定的功率范圍，功率范圍應(yīng)能滿足汽車在良好路面上以不同車速勻速行駛時(shí)的需求。

確定發(fā)動機(jī)高效率運(yùn)行線的方法如下：（1）通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，測出發(fā)動機(jī)MAP圖，得到發(fā)動機(jī)工作面上各點(diǎn)的有效燃油消耗率；（2）在發(fā)動機(jī)MAP圖上畫出等功率線；（3）在每條等功率線找出最低的有效燃油消耗率點(diǎn)；（4）將各個(gè)最低有效燃油消耗率點(diǎn)連接起來，得到發(fā)動機(jī)的高效率運(yùn)行線。發(fā)動機(jī)高效率運(yùn)行線如圖3所示。

實(shí)際上，發(fā)動機(jī)在高效率運(yùn)行線上工作并不是油耗最低，因?yàn)殡p轉(zhuǎn)子電機(jī)有兩條動力傳遞通道，一是靠內(nèi)外轉(zhuǎn)子電磁場直接將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞出去的機(jī)械通道，其效率為ηm 二是利用內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)速差發(fā)電，再由外電機(jī)產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩的電力通道，其效率為ηe，混合動力系統(tǒng)總效率η為

η=ηfc（ηm Pm+ηe Pe）/（Pm+Pe）

式中ηfc為發(fā)動機(jī)效率。

試驗(yàn)證實(shí)ηm比ηe大得多。因此，在選擇發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)時(shí)，需要考慮：（1）發(fā)動機(jī)盡量在高效率運(yùn)行線上工作；（2）盡量減小機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的比例。簡單易行的協(xié)調(diào)方法是讓發(fā)動機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)沿等功率線適當(dāng)偏離高效率運(yùn)行線，偏離的方向?yàn)橛欣跍p小內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)速差。

在確定發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，需考慮汽車行駛時(shí)電池SOC的穩(wěn)定問題。如圖4，SOC的標(biāo)準(zhǔn)值為0165，正Tf356常工作范圍為效率可達(dá)到最高。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與傳動軸轉(zhuǎn)速不等時(shí)，發(fā)動機(jī)的功率靠機(jī)、電兩個(gè)通道傳遞，其中電力通道的最高效率約為73%，隨著發(fā)動機(jī)與傳動軸的轉(zhuǎn)差的減小，電力通道的效率降低，但電力通道所傳遞的能量流比例減小，系統(tǒng)的總效率提高。由于系統(tǒng)的電力通道等同于串聯(lián)混合動力系統(tǒng)，因此汽車運(yùn)行時(shí)，雙轉(zhuǎn)子混合動力系統(tǒng)的總效率要比串聯(lián)混合動力系統(tǒng)高得多。

對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的動力輸出特性進(jìn)行了測試。試驗(yàn)在發(fā)動機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩113N·m運(yùn)行時(shí)，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩為440N·m，傳動比達(dá)到了319，能夠滿足汽車在加速時(shí)的驅(qū)動力需求。

3 結(jié)論

（1）雙轉(zhuǎn)子混合動力總成能夠使發(fā)動機(jī)獨(dú)立于車輪運(yùn)轉(zhuǎn)，可靈活地選擇發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩靠內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的磁場作用直接傳給驅(qū)動橋，降低了機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換比例，使得系統(tǒng)的總效率比普通串聯(lián)混合動力系統(tǒng)高出10%～20%，同時(shí)設(shè)計(jì)容量大幅度減小。

（2）雙轉(zhuǎn)子電機(jī)自身具備無級變速器的功能，最大傳動比可達(dá)到319，不需另加變速器，即可達(dá)到汽車的驅(qū)動力需求。

（3）綜合考慮發(fā)動機(jī)燃燒效率、系統(tǒng)傳動效率和電池的充放電需求，確定發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)。

（4）內(nèi)電機(jī)散熱條件差是雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的缺點(diǎn)，試驗(yàn)對比說明將冷卻液引到旋轉(zhuǎn)的內(nèi)轉(zhuǎn)子上是一種較為理想的冷卻方式。

（轉(zhuǎn)載）