CN101951092B - 电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车用双转子电机，其输出轴至少部分位于机壳中并相对机壳可转动设置，定子套设在输出轴的周围，定子外侧设置有外侧三相绕组，外转子套设在外侧三相绕组的周围并相对定子可转动设置，定子内侧设置有内侧三相绕组，内转子插设在所述内侧三相绕组中围绕输出轴并相对于定子可转动设置，还提供了一种电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统及控制方法，本发明的电动汽车用双转子电机设计巧妙，结构独特，与行星齿轮配合，能充分利用电机调速范围宽的优点进行变速，传动系统结构比与传统内燃机匹配的有级和无级自动变速器都简单，具有无级变速、高传动效率的特点，最终提高了整车性能，适于大规模推广应用。

Description

电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车驱动系统技术领域，特别涉及电动汽车电驱系统电机控制器技术领域，具体是一种电动汽车用双转子电机及相关行星齿轮无级变速系统和控制方法。

背景技术

电动车辆(包括纯电动和混合动力车辆)动力传动系统的技术方案常见的有五种：(1)单电机、减速器、差速器；(2)单电机、变速器、差速器，变速器一般可以是2速至4速；(3)2台或4台轮毂电机，无减速器；(4)2台或4台轮毂电机带行星齿轮减速器；(5)定子和转子可以相反方向转动的逆转电机。

采用轮毂电机虽然可以省去变速器、减速器、差速器、传动轴、联轴节等传动系统，简化动力系统结构，增加系统效率，但因控制复杂、耐久性问题不易解决，至今尚未在电动车辆上获得广泛应用。

单电机、减速器、差速器的动力传动方案多见于普及型纯电动小型和微型车辆中。其优点是没有离合器，便于实现再生制动能量回馈；结构简单，提高了可靠性和效率。另外，由于不需要换档，运行的平顺性好。缺点是要求驱动电机低速时转矩较高，调速范围宽。因此，这个方案一般不适合起步扭矩和最高车速都很大的情况，如在高速公路行使的中巴和大巴等较大型车辆。

单电机、变速器、差速器的动力传动方案可降低对驱动电机峰值转矩、峰值转速和调速范围的要求，进而降低电机的成本，同时可以较容易将常用车速设计在电机最佳效率区，提高了系统的效率。缺点是传动机构较复杂，转动部件多，传动机构本身的效率和可靠性略低。另外，若是沿用原车变速器，则常常带有离合器，但离合器作为起步装置的功能显得多余，一般离合器盘上的减振机构也并非为电动车辆所需。不仅如此，若采用常见的金属带式无级式自动变速器，则功能显得多余，因为浪费了电机本身具有的调速能力，无谓增加了系统复杂性。若采用有级式自动变速器，则换档时的难以避免的不完美给电机本身的平滑动力不必要地添加了缺憾。

综上所述，电动车辆的动力传动系统需要一种有别于传统燃油汽车的技术方案，其主要特点是：(1)充分利用电机调速范围宽的优点进行变速；(2)传动系统结构比与传统内燃机匹配的有级和无级自动变速器都简单；(3)无级变速、高传动效率。

因此，期望提供一种电动车辆的动力传动系统，能充分利用电机调速范围宽的优点进行变速，传动系统结构比与传统内燃机匹配的有级和无级自动变速器都简单，具有无级变速、高传动效率的特点。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种电动汽车用双转子电机及相关行星齿轮无级变速系统和控制方法，该电动汽车用双转子电机设计巧妙，结构独特，与行星齿轮配合，能充分利用电机调速范围宽的优点进行变速，传动系统结构比与传统内燃机匹配的有级和无级自动变速器都简单，具有无级变速、高传动效率的特点，最终提高了整车性能，适于大规模推广应用。

为了实现上述目的，在本发明的第一方面，提供了一种电动汽车用双转子电机，包括机壳、输出轴及位于所述机壳内的外转子和定子，所述输出轴至少部分位于所述机壳中并相对所述机壳可转动设置，所述定子套设在所述输出轴的周围，所述定子外侧设置有外侧三相绕组，所述外转子套设在所述外侧三相绕组的周围并相对所述定子可转动设置，其特点是，所述电动汽车用双转子电机还包括内转子，所述定子内侧设置有内侧三相绕组，所述内转子插设在所述内侧三相绕组中围绕所述输出轴并相对于所述定子可转动设置，从而所述内侧三相绕组和所述内转子构成内电机分系统，所述外侧三相绕组和所述外转子构成外电机分系统。

较佳地，所述外转子和所述内转子分别为永磁体和励磁绕组中的任意一种。

在本发明的第，方面，提供了一种电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统，其特点是，包括行星齿轮和上述的电动汽车用双转子电机，所述外转子与所述行星齿轮的齿圈连接，所述内转子与所述行星架和所述太阳轮中的一部件连接，所述输出轴与所述行星架和所述太阳轮中的另一部件连接。

较佳地，所述外转子与所述齿圈连接，所述内转子与所述太阳轮连接，所述输出轴与所述行星架连接。

较佳地，所述外转子与所述齿圈连接，所述内转子与所述行星架连接，所述输出轴与所述太阳轮连接。

较佳地，所述电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统还包括差速器，所述输出轴与所述差速器的差速器外壳连接。

更佳地，所述电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统还包括主减速齿轮对，所述主减速齿轮对位于所述行星齿轮和所述差速器外壳之间并分别与所述行星齿轮和所述差速器外壳连接。

更佳地，所述电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统还包括半轴，所示半轴与所述差速器连接，所述输出轴为空心轴，所述半轴穿设所述空心轴。

在本发明的第三方面，提供了一种上述的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的最佳能量经济性控制方法，其特点是，通过整车控制器根据车辆的行驶状态、电池荷电状态(SOC)、加速踏板、制动踏板的状态及其时间变化率确定电机运行模式是驱动模式还是制动能量回馈模式，进而确定所述电动汽车用双转子电机的工作转矩T₃；然后向内电机分系统控制器和外电机分系统控制器发出电机运行模式和转矩指令，内电机分系统控制器和外电机分系统控制器根据所述电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的拓扑结构以及齿圈和太阳轮齿数确定所述内转子和所述外转子须提供的转矩T₁、T₂，根据车速、车轮动态半径算出输出转速ω₃，再根据所述内电机分系统和所述外分系统效率曲线实时计算出所述内转子和所述外转子此时最佳的工作转速，其中：

T₁＝f(T₃，N_a，N_s)                      ……(3)，

T₂＝f(T₃，N_a，N_s)                         ……(4)，

ω₃＝f(ω₁，ω₂，N_a，N_s)                       ……(5)，

其中，η_sys是系统总效率，η_sys1是内电机分系统控制器、内侧三相绕组及内转子综合的系统效率；η_sys2是外电机分系统控制器、外侧三相绕组及外转子综合的系统效率；T₁是所述内转子须提供的目标转矩；T₂是所述外转子须提供的目标转矩；ω₁是所述内转子此时最佳的工作转速；ω₂是所述外转子此时最佳的工作转速。

在本发明的第四方面，提供了一种上述的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的最佳能量经济性控制方法，其特点是，通过整车控制器根据车辆的行驶状态、电池荷电状态(SOC)、加速踏板、制动踏板的状态及其时间变化率确定电机运行模式是驱动模式还是制动能量回馈模式，进而确定所述电动汽车用双转子电机的工作转矩T₃；然后向电机控制器发出电机运行模式和转矩指令，电机控制器根据所述电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的拓扑结构以及齿圈和太阳轮齿数确定所述内转子和所述外转子须提供的转矩T₁、T₂，根据车速、车轮动态半径算出输出转速ω₃，再根据所述内电机分系统和所述外分系统效率曲线实时计算出所述内转子和所述外转子此时最佳的工作转速，其中：

$\max \left[{\mathrm{\η}}_{\mathrm{sys}}\right]=\max \left[\frac{{\mathrm{\η}}_{m1}(T_1,{\mathrm{\ω}}_1)T_1{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\η}}_{m2}(T_2,{\mathrm{\ω}}_2)T_2{\mathrm{\ω}}_2}{T_1{\mathrm{\ω}}_1+T_2{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{\η}}_c(T_1,{\mathrm{\ω}}_1,T_2,{\mathrm{\ω}}_2)\right]......\left(7\right),$

T₁＝f(T₃，N_a，N_s)                     ……(3)，

T₂＝f(T₃，N_a，N_s)                     ……(4)，

ω₃＝f(ω₁，ω₂，N_a，N_s)                     ……(5)，

其中，η_sys是系统总效率，η_m1(T₁，ω₁)是内电机分系统的系统效率；η_m2(T₂，ω₂)是外电机分系统的系统效率；η_c(T₁，ω₁，T₂，ω₂)是电机控制器的效率；T₁是所述内转子须提供的目标转矩；T₂是所述外转子须提供的目标转矩；ω₁是所述内转子此时最佳的工作转速；ω₂是所述外转子此时最佳的工作转速。

较佳地，上述的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的控制方法，其特点是，采用电流、转速双闭环控制，一旦确定所述内转子和所述外转子的目标转矩和工作转速，则根据矢量控制算法，确定内侧三相绕组和外侧三相绕组的励磁电流分量i_d1、i_d2和转矩电流分量i_q1、i_q2，再用以下Clarke逆变换公式(8)和Park逆变换公式(9)确定输入到内侧三相绕组和外侧三相绕组的三相交流电流i_A1、i_B1、i_C1和i_A2、i_B2、i_C2，使内转子和外转子在目标转矩和工作转速下运行，其中：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{A1}\\ i_{B1}\\ i_{C1}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}& \\ 1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\end{array}\right]......\left(8\right),$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{A2}\\ i_{B2}\\ i_{C2}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\end{array}\right]......\left(9\right),$

其中θ₁、θ₂分别是α轴(二相静止坐标系α-β)和d轴(二相旋转坐标系d-q)之间的夹角。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统包括行星齿轮和电动汽车用双转子电机，所述外转子与所述行星齿轮的齿圈、行星架和太阳轮中的任一部件连接，所述内转子与所述齿圈、所述行星架和所述太阳轮中的另一部件连接，所述输出轴与所述齿圈、所述行星架和所述太阳轮中的第三部件连接，实现了无级变速这一必要功能。无级变速极大地改善了有级变速箱换档时的扭矩的波动造成的不平顺性，提高了驾乘的舒适度，设计巧妙，结构独特，传动系统结构比与传统内燃机匹配的有级和无级自动变速器都简单，最终提高了整车性能，适于大规模推广应用。

2、本发明的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统能提高电驱传动系统的效率，它可以使内、外两个电机分系统都在综合最佳的工况下运行，有助于提高车辆的经济性、动力性，乃至增加电动车辆的续驶里程、加速及爬坡性能，适于大规模推广应用。

3、本发明的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统可以轻易解决单电机和轮毂电机等传统电驱系统的某些技术难题，比如说坡上保持工况，即松开制动踏板、踩下加速踏板在坡上保持静止的工况。在这种工况下，一般电机需要输出堵转转矩以平衡下坡力造成的转矩。一般电机的堵转时间非常有限，仅数十秒。其后，因电机过热的原因一般由整车控制器提示驾驶员踩下制动踏板，以免电机过热损坏。本发明可以使电机在输出必要转矩的同时行星齿轮系统输出的转速为零而两个转子的转速不为零，实现了坡上保持而不需要电机进入堵转工况，大大延长了坡上保持的时间。

4、本发明的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统在提高系统的性能和效率的同时还考虑了系统的简洁性，仅采用一套行星齿轮机构，系统的零部件数量少、成本低，极大提高了系统的可靠性；若采用一套电机控制器控制内、外电机分系统，则可进一步简化系统，降低成本，适于大规模推广应用。

5、本发明的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统还可以实现一些传统电驱系统不具备的功能，比如超速传动和正向倒车传动。超速传动时系统输出转速高于各个转子的转速，这是一个非常有工程价值的特点，因为这可以使得电机的最高转速不必太高就可以获得很高的车速，可以降低对电机的技术要求，有助于提高电机的可靠性和寿命。正向倒车传动时电机的内、外转子均以正向转动；而输出轴却可以逆向转动，实现倒车工况。这意味着采用此方法可以用两象限运行的电机驱动车辆以实现车辆的全部工况要求。

附图说明

图1是本发明的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的结构示意图。

图2a是本发明的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的一具体实施例的剖视示意图。

图2b是图2a中D-D位置的剖视图。

图2c是图2a中B-B位置的剖视图。

图3a～3e是图2a所示的具体实施例在几种典型工况下转矩、转速状态示意图。

图3f是本发明的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的另一具体实施例在超速传动工况下转矩、转速状态示意图。

图3g是本发明的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的又一具体实施例在正向倒车传动工况下转矩、转速状态示意图。

图4a和4b分别是图2a所示的具体实施例的内电机分系统和外电机分系统在最佳动力性控制策略下最佳工作点的确定方法示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。

请参见图1～2c所示，本发明的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统包括行星齿轮20和电动汽车用双转子电机30。

电动汽车用双转子电机30包括机壳11、输出轴8及位于所述机壳11内的外转子1、内转子3和定子2，所述输出轴8至少部分位于所述机壳11中并相对所述机壳11可转动设置，所述定子2套设在所述输出轴8的周围，所述定子2外侧设置有外侧三相绕组(未示出)，所述外转子1套设在所述外侧三相绕组的周围并相对所述定子2可转动设置，所述定子2内侧设置有内侧三相绕组(未示出)，所述内转子3插设在所述内侧三相绕组中围绕所述输出轴8并相对于所述定子2可转动设置，从而所述内侧三相绕组和所述内转子3构成内电机分系统，所述外侧三相绕组和所述外转子1构成外电机分系统。

也就是说，内转子3和外转子1共用一个定子2，它位于内转子3和外转子1之间，在定子2的内侧和外侧各有一个三相绕组，即内侧三相绕组和外侧三相绕组，分别针对内转子3和外转子1产生旋转磁场。内转子3和外转子1则既可以均是永磁体，也可以均是励磁绕组，或者是两者的组合。请参见图2a～2b所示，在本发明的具体实施例中，内转子3和外转子1均是永磁体。

行星齿轮20的行星架6通过行星轮5分别与齿圈4和太阳轮7连接(见图2c)，所述外转子1与所述行星齿轮20的齿圈4连接，所述内转子3与所述行星架6和所述太阳轮7中的一部件连接，所述输出轴8与所述行星架6和所述太阳轮7中的另一部件连接。

也就是说，外转子1和所述齿圈4连接，内转子3和输出轴8这2个部件与行星架6和太阳轮7这2个部件两两连接，相互之间进行转矩的传递，这里所指的连接可以是刚性的或是仅传递转矩的轴向齿槽，因此，共有2种连接方式：

请参见图2a～2c所示，在本发明的具体实施例中，所述外转子1与所述齿圈4连接，所述内转子3与所述太阳轮7连接，所述输出轴8与所述行星架6连接。也可以，所述外转子1与所述行星架6连接，所述内转子3与所述太阳轮7连接，所述输出轴8与所述齿圈4连接。也可以，所述外转子1与所述齿圈4连接，所述内转子3与所述行星架6连接，所述输出轴8与所述太阳轮7连接。也可以，所述外转子1与所述太阳轮7连接，所述内转子3与所述行星架6连接，所述输出轴8与所述齿圈4连接。也可以，所述外转子1与所述行星架6连接，所述内转子3与所述齿圈4连接，所述输出轴8与所述太阳轮7连接。也可以，所述外转子1与所述太阳轮7连接，所述内转子3与所述齿圈4连接，所述输出轴8与所述行星架6连接。

请参见图2a所示，在本发明的具体实施例中，所述电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统还包括差速器9，所述输出轴8与所述差速器9的差速器外壳(未标出)连接。即输出轴8与行星架6相连接，将转矩输入到差速器9，再经与差速器9连接的半轴10传递到两侧的车轮上，这种方案主要用于前轮驱动车辆，其中输出轴8可以为空心轴，在前舱横置时半轴10可穿过将转矩传递到车轮，输出轴8也可以是实心轴，在纵置时可以连接前桥或后桥将转矩传递到车轮；对于后轮驱动车辆而言，输出轴8则通过传动轴、联轴节等将转矩传递到后桥差速器(图中未示出)。

更佳地，所述电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统还包括主减速齿轮对(未示出)，所述主减速齿轮对位于所述行星齿轮20和所述差速器外壳之间并分别与所述行星齿轮20和所述差速器外壳连接，以提高总传动比。

在此例中采用一台电机控制器对双转子电机行星齿轮无级变速系统进行控制。

采用图2a～2c所示的具体实施例，内转子3和外转子1中产生的转矩T₁、T₂分别传递到行星齿轮20的太阳轮7和齿圈4上后，从行星架6上输出转矩T₃是它们的转矩之和，即

T₃＝T₁+T₂                     ……(10)，

其中，

$T_s=T_1=\frac{N_s}{N_a+N_s}{T}_3......\left(11\right),$

$T_a=T_2=\frac{N_a}{N_a+N_s}{T}_3......\left(12\right),$

在此，A表示齿圈4，C表示行星架6，S表示太阳轮7，T_s、T_a分别是太阳轮7和齿圈4的齿数，N_s、N_a分别是太阳轮7和齿圈4的齿数。可见，在一般情况下，作用在太阳轮7和齿圈4上的转矩T_s、T_a方向相同，不然其中一个转子不是处于电动机模式，而是处于发电机模式工作。在实际车辆中，转矩指令T₃由整车控制器确定，根据公式(11)和(12)可算出电机的内转子3和外转子1中产生的转矩T₁、T₂。而行星架6的输出转速ω_c由下列公式确定：

${\mathrm{\ω}}_c=\frac{N_s}{N_a+N_s}{\mathrm{\ω}}_s+\frac{N_a}{N_a+N_s}{\mathrm{\ω}}_a......\left(13\right),$

其中ω_s、ω_a分别是太阳轮7和齿圈4的转速。可见，当

${\mathrm{\ω}}_a=-\frac{N_s}{N_a}{\mathrm{\ω}}_s......\left(14\right),$

时，ω_c＝0。

因此，该系统可以实现长时间坡上保持功能。这一功能要求输出转速为零，即ω_c＝0，而输出转矩不为零。这时电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的速度和转矩情况如图3a所示。内转子3和外转子1的转速相反，而输入、输出转矩皆为正向。该正向输出转矩通过差速器9作用在车轮上平衡下坡力在车轮上造成的转矩。这是本发明优于一般单电机或轮毂电机驱动系统的主要特点之一。

车辆平地起步时电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的速度和转矩的典型状态如图3b所示，内转子3和外转子1初始转速均为零，内转子3和外转子1输入行星齿轮20的转矩均为正向时可获得最大加速度。

车辆加速时电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的速度和转矩的典型状态如图3c所示，内转子3和外转子1转速均为正向，内转子3和外转子1输入行星齿轮20的转矩也均为正向。

这一行星齿轮20可以获得类似于传统自动变速箱(AT)中的所谓直接驱动，这时电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的速度和转矩的典型状态如图3d所示，其特征是行星齿轮20中的所有部件均以同样的角速度转动，即ω_s＝ω_a＝ω_c，就像刚体一样运动。需要强调的是，此时内转子3和外转子1的转矩并不一定要求相等。

车辆倒车时电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的速度和转矩的典型状态如图3e所示，这时内转子3和外转子1中至少有一个必须反向转动。左面实线部分是外转子1反转的情况，这时内转子3可以是正转、不转或反转。右面虚线部分是内转子3反转的情况，这时外转子1可以是正转、不转或反转。无论是哪种情况，内转子3和外转子1的转矩均需反向。

在任一时刻系统都可按照最佳能量经济性的策略进行控制，图4a和4b显示了一个例子。整车控制器根据车辆运行状态、加速踏板及制动踏板的位置和运动确定驾驶意图为加速，转矩需求T₃为190N-m，太阳轮7和齿圈4中的转矩可根据系统的拓扑以及齿圈和太阳轮的齿数确定，在本例中即公式(16)和(17)，而输出转速ω₃可根据车速、车轮动态半径算出。根据相应电机分系统的效率曲线η₁(T₁，ω)和η₂(T₂，ω₂)和已知量T₃、ω₃求解目标函数(15)，使其满足约束条件(16)至(18)，即可求得内转子3和外转子1的转速ω、ω₂。在本例中T₁、T₂分别为80N-m和110N-m，ω、ω₂分别为2800rpm和2200rpm，这就确定了该时刻的最佳工作点。

$T_1=\frac{N_s}{N_a+N_s}{T}_3......\left(16\right),$

$T_2=\frac{N_a}{N_a+N_s}{T}_3......\left(17\right),$

${\mathrm{\ω}}_3=\frac{N_s}{N_a+N_s}{\mathrm{\ω}}_1+\frac{N_a}{N_a+N_s}{\mathrm{\ω}}_2......\left(18\right),$

当电机的内转子3和外转子1分别与行星齿轮20的行星架6和齿圈4连接而从太阳轮7输出时，系统可实现超速传动，即太阳轮7的转速高于电机的内转子3、外转子1的转速，如图3f所示。此时输出转速ω_s由公式(19)决定：

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{N_a+N_s}{N_s}{\mathrm{\ω}}_c-\frac{N_a}{N_s}{\mathrm{\ω}}_a={\mathrm{\ω}}_c+\frac{N_a}{N_s}({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_a)......\left(19\right).$

由此可见，因为N_a＞N_s，只要ω_c＞ω_a，则ω_s＞ω_c＞ω_a，即超速状态。

当电机的内转子3和外转子1分别与行星齿轮20的行星架6和齿圈4连接而从太阳轮7输出时，系统还可实现正向倒车传动，即电机的内转子3和外转子1正向转动，而从太阳轮7输出的转速为反向，如图3g所示。根据公式(19)，只要满足则输出转速ω_s小于零，即倒车状态。

本发明的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统采用最佳能量经济性控制方法进行控制，通过整车控制器根据车辆的行驶状态、电池荷电状态(SOC)、加速踏板、制动踏板的状态及其时间变化率确定电机运行模式是驱动模式还是制动能量回馈模式，进而确定所述电动汽车用双转子电机的工作转矩T₃；然后向内电机分系统控制器和外电机分系统控制器发出电机运行模式和转矩指令，内电机分系统控制器和外电机分系统控制器根据所述电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的拓扑结构以及齿圈和太阳轮各齿轮齿数确定所述内转子和所述外转子须提供的转矩T₁、T₂，根据车速、车轮动态半径算出输出转速ω₃，再根据所述内、外电机分系统与共用的电机控制器所构成的系统总效率曲线实时计算出所述内转子和所述外转子此时最佳的工作转速。

一旦确定所述内转子和所述外转子的目标转矩和工作转速，则根据矢量控制算法，确定内侧三相绕组和外侧三相绕组的励磁电流分量i_d1、i_d2和转矩电流分量i_q1、i_q2，再用以下Clarke逆变换公式(8)和Park逆变换公式(9)确定输入到内侧三相绕组和外侧三相绕组的三相交流电流i_A1、i_B1、i_C1和i_A2、i_B2、i_C2，使内转子和外转子在目标转矩和工作转速下运行。

本发明的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统有别于传统燃油汽车的技术方案，其主要特点是：(1)充分利用电机调速范围宽的优点进行变速；(2)传动系统结构比与传统内燃机匹配的有级和无级自动变速器都简单；(3)无级变速、高传动效率。本发明利用双转子、单定子交流电机和一组行星齿轮机构，较为理想地实现了上述特点。

虽然双转子电机以前已被提出过，如中国发明专利申请200810157523.1“双转子行星差速发电机”和中国实用新型专利200820171987.3“行星内置式双转子风力发电机”。然而，本发明提出的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统与这两个发明创造中的基本结构和应用场合都不同。第一，本发明中双转子中间有一个定子2，而上述两个发明创造中的双转子电机仅由两个转子构成，并无定子，其内转子相当于一般电机的定子；第二，本发明主要应用于电动汽车，而上述两个发明创造则是用于风力发电机。

综上，本发明的电动汽车用双转子电机设计巧妙，结构独特，与行星齿轮配合，能充分利用电机调速范围宽的优点进行变速，传动系统结构比与传统内燃机匹配的有级和无级自动变速器都简单，具有无级变速、高传动效率的特点，最终提高了整车性能，适于大规模推广应用。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (4)

1.一种电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的最佳能量经济性控制方法，所述双转子电机包括机壳、输出轴及位于所述机壳内的外转子和定子，所述输出轴至少部分位于所述机壳中并相对所述机壳可转动设置，所述定子套设在所述输出轴的周围，所述定子外侧设置有外侧三相绕组，所述外转子套设在所述外侧三相绕组的周围并相对所述定子可转动设置，所述电动汽车用双转子电机还包括内转子，所述定子内侧设置有内侧三相绕组，所述内转子插设在所述内侧三相绕组中围绕所述输出轴并相对于所述定子可转动设置，从而所述内侧三相绕组和所述内转子构成内电机分系统，所述外侧三相绕组和所述外转子构成外电机分系统，所述电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统包括行星齿轮和所述双转子电机，所述外转子与所述行星齿轮的齿圈连接，所述内转子与行星架和太阳轮中的一部件连接，所述输出轴与所述行星架和所述太阳轮中的另一部件连接，其特征在于，通过整车控制器根据车辆的行驶状态、电池荷电状态(SOC)、加速踏板、制动踏板的状态及其时间变化率确定电机运行模式是驱动模式还是制动能量回馈模式，进而确定所述电动汽车用双转子电机的工作转矩T₃；然后向内电机分系统控制器和外电机分系统控制器发出电机运行模式和转矩指令，内电机分系统控制器和外电机分系统控制器根据所述电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的拓扑结构以及齿圈和太阳轮齿数确定所述内转子和所述外转子须提供的转矩T₁、T₂，根据车速、车轮动态半径算出输出转速ω₃，再根据所述内电机分系统和所述外电机分系统效率曲线实时计算出所述内转子和所述外转子此时最佳的工作转速，其中：

T₁＝f(T₃,N_a,N_s)           ……(3)，

T₂＝f(T₃,N_a,N_s)           ……(4)，

ω₃＝f(ω₁,ω₂,N_a,N_s)     ……(5)，

其中，η_sys是系统总效率，η_sys1是内电机分系统控制器、内侧三相绕组及内转子综合的系统效率；η_sys2是外电机分系统控制器、外侧三相绕组及外转子综合的系统效率；N_a是所述齿圈的齿数，N_s是所述太阳轮的齿数；T₁是所述内转子须提供的目标转矩；T₂是所述外转子须提供的目标转矩；ω₁是所述内转子此时最佳的工作转速；ω₂是所述外转子此时最佳的工作转速。

2.根据权利要求1所述的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的最佳能量经济性控制方法，其特征在于，采用电流、转速双闭环控制，一旦确定所述内转子和所述外转子的目标转矩和工作转速，则根据矢量控制算法，确定内侧三相绕组和外侧三相绕组的励磁电流分量i_d1、i_d2和转矩电流分量i_q1、i_q2，再用以下Clarke逆变换公式(8)和Park逆变换公式(9)确定输入到内侧三相绕组和外侧三相绕组的三相交流电流i_A1、i_B1、i_C1和i_A2、i_B2、i_C2，使内转子和外转子在目标转矩和工作转速下运行，其中：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{A1}\\ i_{B1}\\ i_{C1}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -{\sin \mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\end{array}\right]......\left(8\right),$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{A2}\\ i_{B2}\\ i_{C2}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\end{array}\right]......\left(9\right),$

其中θ₁、θ₂分别是α轴(二相静止坐标系α-β)和d轴(二相旋转坐标系d-q)之间的夹角。

3.一种电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的最佳能量经济性控制方法，所述双转子电机包括机壳、输出轴及位于所述机壳内的外转子和定子，所述输出轴至少部分位于所述机壳中并相对所述机壳可转动设置，所述定子套设在所述输出轴的周围，所述定子外侧设置有外侧三相绕组，所述外转子套设在所述外侧三相绕组的周围并相对所述定子可转动设置，所述电动汽车用双转子电机还包括内转子，所述定子内侧设置有内侧三相绕组，所述内转子插设在所述内侧三相绕组中围绕所述输出轴并相对于所述定子可转动设置，从而所述内侧三相绕组和所述内转子构成内电机分系统，所述外侧三相绕组和所述外转子构成外电机分系统，所述电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统包括行星齿轮和所述双转子电机，所述外转子与所述行星齿轮的齿圈连接，所述内转子与行星架和太阳轮中的一部件连接，所述输出轴与所述行星架和所述太阳轮中的另一部件连接，其特征在于，通过整车控制器根据车辆的行驶状态、电池荷电状态(SOC)、加速踏板、制动踏板的状态及其时间变化率确定电机运行模式是驱动模式还是制动能量回馈模式，进而确定所述电动汽车用双转子电机的工作转矩T₃；然后向电机控制器发出电机运行模式和转矩指令，电机控制器根据所述电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的拓扑结构以及齿圈和太阳轮齿数确定所述内转子和所述外转子须提供的转矩T₁、T₂，根据车速、车轮动态半径算出输出转速ω₃，再根据所述内电机分系统和所述外分系统效率曲线实时计算出所述内转子和

所述外转子此时最佳的工作转速，其中：

$\max \left[{\mathrm{\η}}_{\mathrm{sys}}\right]=\max \left[\frac{{\mathrm{\η}}_{m1}(T_1,{\mathrm{\ω}}_1)T_1{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\η}}_{m2}(T_2,{\mathrm{\ω}}_2)T_2{\mathrm{\ω}}_2}{T_1{\mathrm{\ω}}_1+T_2{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{\η}}_c(T_1,{\mathrm{\ω}}_1,T_2,{\mathrm{\ω}}_2)\right]......\left(7\right),$

T₁＝f(T₃,N_a,N_s)           ……(3)，

T₂＝f(T₃,N_a,N_s)           ……(4)，

ω₃＝f(ω₁,ω₂,N_a,N_s)     ……(5)，

其中，η_sys是系统总效率，η_m1(T₁,ω₁)是内电机分系统的系统效率；η_m2(T₂,ω₂)是外电机分系统的系统效率；η_c(T₁,ω₁,T₂,ω₂)是电机控制器的效率；N_a是所述齿圈的齿数，N_s是所述太阳轮的齿数；T₁是所述内转子须提供的目标转矩；T₂是所述外转子须提供的目标转矩；ω₁是所述内转子此时最佳的工作转速；ω₂是所述外转子此时最佳的工作转速。

4.根据权利要求3所述的电动汽车用双转子电机行星齿轮无级变速系统的最佳能量经济性控制方法，其特征在于，采用电流、转速双闭环控制，一旦确定所述内转子和所述外转子的目标转矩和工作转速，则根据矢量控制算法，确定内侧三相绕组和外侧三相绕组的励磁电流分量i_d1、i_d2和转矩电流分量i_q1、i_q2，再用以下Clarke逆变换公式(8)和Park逆变换公式(9)确定输入到内侧三相绕组和外侧三相绕组的三相交流电流i_A1、i_B1、i_C1和i_A2、i_B2、i_C2，使内转子和外转子在目标转矩和工作转速下运行，其中：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{A1}\\ i_{B1}\\ i_{C1}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -{\sin \mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\end{array}\right]......\left(8\right),$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{A2}\\ i_{B2}\\ i_{C2}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\end{array}\right]......\left(9\right),$

其中θ₁、θ₂分别是α轴(二相静止坐标系α-β)和d轴(二相旋转坐标系d-q)之间的夹角。