賈立進(jìn)

（中國(guó)，蘇州 江蘇 215000）

一種新穎的電力發(fā)動(dòng)機(jī)理論分析與控制，用以改善電動(dòng)汽車電池容量利用效率，并提高駕駛性能

賈立進(jìn)

（中國(guó)，蘇州 江蘇 215000）

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，包括傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)、動(dòng)力電池、和控制器，這能代替內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改善大氣污染。但此方案主要缺點(diǎn)是較低的動(dòng)力電池容量利用效率。這里，我們報(bào)告一種新穎的電力發(fā)動(dòng)機(jī)，此方案是把永久磁鐵置于線圈內(nèi)部，永久磁鐵將受到一個(gè)最大的吸引力或排斥力，受力方向同永久磁鐵（活塞）的位移方向，故電力發(fā)動(dòng)機(jī)能改善電池容量的利用效率。此外，文章還描述了電力發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略，它將提高電動(dòng)汽車駕駛穩(wěn)定性。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；電力發(fā)動(dòng)機(jī)；電池容量利用效率；控制策略；穩(wěn)定性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.003

CLC NO.: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-06-04

命名

Pd驅(qū)動(dòng)功率；

Pl負(fù)載需求功率；

U 電力發(fā)動(dòng)機(jī)電源供電電壓；

I 電力發(fā)動(dòng)機(jī)電源供電電流；

η 電力發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率；

nT目標(biāo)轉(zhuǎn)速；

T 負(fù)載扭矩；

D 線圈供電占空比。

引言

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)及控制的發(fā)展，結(jié)合我國(guó)政府規(guī)劃與激勵(lì)措施，再次激發(fā)了專業(yè)人士探索與研究電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的興趣（例如，[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[ 15 ]，和[16]）。但傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的主要缺點(diǎn)是導(dǎo)致電池容量的利用率低，分析原因如下：

左手定則是傳統(tǒng)電機(jī)的重要理論，但它不是一個(gè)完整的理論，圖1給出左手定則示意圖。當(dāng)導(dǎo)線中電流方向垂直于外磁場(chǎng)磁力線方向，導(dǎo)線將受力，受力方向同時(shí)垂直于導(dǎo)線中電流方向和外磁場(chǎng)磁力線方向。首先，當(dāng)導(dǎo)線中有電流，在導(dǎo)線附近將產(chǎn)生磁場(chǎng)磁力線，見圖1A，磁力線（g）產(chǎn)生于通電導(dǎo)線，它是順時(shí)針方向。其次，當(dāng)一個(gè)外加磁場(chǎng)垂直施加于通電導(dǎo)線，則通電導(dǎo)線附近的磁場(chǎng)磁力線與外加磁場(chǎng)磁力線將產(chǎn)生力的作用，封閉磁力線具有獨(dú)占性，如果兩磁場(chǎng)磁力線都是順時(shí)針方向，或兩磁場(chǎng)磁力線都是逆時(shí)針方向，則兩磁場(chǎng)磁力線間將產(chǎn)生吸引力，吸引力方位為兩磁場(chǎng)磁力線中心點(diǎn)的連線；如果一個(gè)磁場(chǎng)磁力線是順時(shí)針方向，另一個(gè)磁場(chǎng)磁力線是逆時(shí)針方向，則兩磁場(chǎng)磁力線間將產(chǎn)生排斥力，排斥力方位為兩磁場(chǎng)磁力線中心點(diǎn)的連線。見圖1B，磁力線（a）是順時(shí)針方向，因此磁力線（g）與磁力線（a）產(chǎn)生吸引力Fga，同理分析可知，F(xiàn)ge、Fgb都是吸引力；磁力線（c）是逆時(shí)針方向，因此磁力線（g）與磁力線（c）產(chǎn)生排斥力Fcg，同理分析可知，F(xiàn)dg、Ffg都是排斥力。第三，圖1C給出導(dǎo)線受力分析示意圖，主要由Fga、Fge、Fgb、Fcg、Fdg、Ffg組成。最后，圖1D給出導(dǎo)線受力分解與導(dǎo)線受力合成示意圖， Fx是導(dǎo)線x方位所受的力，其方位同時(shí)垂直于靠近導(dǎo)線側(cè)的外磁場(chǎng)磁力線方位和導(dǎo)線中電流方向，這完全與物理學(xué)左手定則一致。但Fy無(wú)論等于零，亦或不等于零，分力（Fgay、Fgby、Fcgy、Fdgy）總是存在的。

圖1 左手定則示意圖

因此，在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)內(nèi)，定子磁場(chǎng)磁力線與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)磁力間產(chǎn)生的力，包括切向分力和徑向分力（或稱法向分力，旋轉(zhuǎn)向心力）。切向分力，例如，F(xiàn)gax、Fgex、Fgbx、Fcgx、Fdgx與Ffgx，都是做有用功，徑向分力，例如，F(xiàn)gay、Fgby、Fcgy、 Fdgy，都是不做功，但它們?cè)陔妱?dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中需要?jiǎng)恿﹄姵鼐S持，當(dāng)動(dòng)力電池SOC下降到一定比例，徑向分力不能滿足定子與轉(zhuǎn)子間吸引力需求，電機(jī)將失去動(dòng)力，因此，傳統(tǒng)電機(jī)不能利用動(dòng)力電池整個(gè)電容量空間，導(dǎo)致動(dòng)力電池容量的利用率低。

一些論文[4]、[5]、[6]、[10]不僅僅聚焦于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)，還分析電機(jī)的控制策略。然而傳統(tǒng)電機(jī)的控制策略，基于目標(biāo)轉(zhuǎn)速與電機(jī)線圈電流控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用各種算法，例如PID算法，使得當(dāng)前轉(zhuǎn)速跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速。但如果負(fù)載扭矩呈動(dòng)態(tài)隨機(jī)變化，那么當(dāng)前電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度也將隨機(jī)波動(dòng)，因此，電動(dòng)汽車的駕駛穩(wěn)定性較差。

這里，我們分析電力發(fā)動(dòng)機(jī)[1]理論，并且介紹電力發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略[2]。在不久的將來(lái)，上述缺點(diǎn)將被解決。

本文的其余部分安排如下：第二節(jié)給出給出一組簡(jiǎn)單的電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型，描述電力發(fā)動(dòng)機(jī)概念、架構(gòu)、工作過程、模型及模型運(yùn)轉(zhuǎn)，基于電磁物理學(xué)理論，分析電力發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)；第三節(jié)給出電力發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略模型簡(jiǎn)單仿真結(jié)果，在本節(jié)，將詳細(xì)描述電力發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略；最后，第四節(jié)給出主要結(jié)論，并為未來(lái)研究人員給出建議。

1、電力發(fā)動(dòng)機(jī)

電力發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖2）是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重要部件，它將改善動(dòng)力電池容量的利用效率。本節(jié)給出給出一組簡(jiǎn)單的電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型，描述電力發(fā)動(dòng)機(jī)概念、架構(gòu)、工作過程、模型及模型運(yùn)轉(zhuǎn)，基于電磁物理學(xué)理論，分析電力發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)。

電力發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖2）是電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備，它主要應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車領(lǐng)域，見圖2，主要由支架、曲軸、連桿、活塞、缸體、電磁線圈總成、電力發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元及霍爾傳感器組成?；钊敳壳度胗谰么盆F，電磁線圈總成由缸蓋、線圈、缸體組成，缸體線圈位于上止點(diǎn)刻度線與下止點(diǎn)刻度線之間，缸體線圈軸向長(zhǎng)度為活塞行程距離。

1.1 工作過程

如果線圈電流是正向，則活塞將上移；如果線圈電流反向，則活塞下移，見圖2。

首先，當(dāng)活塞（5）到達(dá)下止點(diǎn)位置，電磁線圈總成（8）線圈電流切換至正向電流，電磁線圈總成（12）線圈電流切換至反向電流，電磁線圈總成（9）線圈電流切換至正向電流，電磁線圈總成（11）線圈電流切換至反向電流。其次，當(dāng)活塞（13）到達(dá)下止點(diǎn)位置，電磁線圈總成（11）線圈電流切換至正向電流，電磁線圈總成（9）線圈電流切換至反向電流，電磁線圈總成（8）線圈電流切換至正向電流，電磁線圈總成（12）線圈電流切換至反向電流。再次，當(dāng)活塞（14）到達(dá)下止點(diǎn)位置，電磁線圈總成（8）線圈電流切換至反向電流，電磁線圈總成（12）線圈電流切換至正向電流，電磁線圈總成（9）線圈電流切換至反向電流，電磁線圈總成（11）線圈電流切換至正向電流。最后，當(dāng)活塞（7）到達(dá)下止點(diǎn)位置，電磁線圈總成（11）線圈電流切換至反向電流，電磁線圈總成（9）線圈電流切換至正向電流，電磁線圈總成（8）線圈電流切換至反向電流，電磁線圈總成（12）線圈電流切換至正向電流。當(dāng)電力發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（10）關(guān)斷所有電磁線圈總成電源，電力發(fā)動(dòng)機(jī)將停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 模型&模型運(yùn)轉(zhuǎn)

圖3是電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型及模型運(yùn)轉(zhuǎn)，圖3A是第一代電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型，圖3B是運(yùn)轉(zhuǎn)中的第一代電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型，圖3C是第二代電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型，圖3D是運(yùn)轉(zhuǎn)中的第二代電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型。

圖2 電力發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖

圖3 電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型及模型運(yùn)轉(zhuǎn)

見圖3，電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型都是由曲軸、連桿、活塞、永久磁鐵、線圈、缸體、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)板、電力發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、霍爾傳感器組成。電力發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元控制線圈電流方向，活塞做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)經(jīng)過連桿、曲軸被轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最后曲軸輸出動(dòng)力，包括轉(zhuǎn)速與扭矩，代替內(nèi)燃機(jī)與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)為電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力。

圖4 電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型控制邏輯框圖

圖4給出電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型控制邏輯框圖，模型主要功能如下：如果芯片（PIC16F1827）RB0引腳從低電平變?yōu)楦唠娖剑€圈電流切換至反方向，活塞下行；如果芯片（PIC16F 1827）RB1引腳從低電平變?yōu)楦唠娖剑€圈電流切換至正方向，活塞上行。

1.3 原理&特點(diǎn)

圖5給出磁場(chǎng)磁力線分布示意圖，圖5A是帶電線圈磁場(chǎng)磁力線分布示意圖，圖5B是永久磁鐵磁場(chǎng)磁力線分布示意圖。

如圖5A，線圈磁場(chǎng)磁力線是封閉曲線。在線圈內(nèi)部，磁力線的方向是從S極指向N極，磁力線是最集中的，磁場(chǎng)強(qiáng)度是最大的，磁力線具有極好的一致性，磁場(chǎng)具有很好的穩(wěn)定性。在線圈外部，磁場(chǎng)磁力線的方向是從N極指向S極，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著遠(yuǎn)離磁極而快速衰減。

圖5 磁場(chǎng)磁力線分布示意圖

如圖5B，同樣的，永久磁鐵磁場(chǎng)磁力線是封閉曲線。在永久磁鐵內(nèi)部，磁力線的方向是從S極指向N極，磁力線是最集中的，磁場(chǎng)強(qiáng)度是最大的，磁力線具有極好的一致性，磁場(chǎng)具有很好的穩(wěn)定性。在永久磁鐵外部，磁場(chǎng)磁力線的方向是從N極指向S極，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著遠(yuǎn)離磁極而快速衰減。

如圖5，如果把永久磁鐵內(nèi)部磁場(chǎng)與線圈內(nèi)部磁場(chǎng)放到一起，它們將產(chǎn)生最大的吸引力或排斥力，且如果兩磁場(chǎng)強(qiáng)度相等，能量轉(zhuǎn)換效率最高。

電力發(fā)動(dòng)機(jī)方案正是把永久磁鐵放置在線圈內(nèi)部，永久磁鐵受到最大的磁場(chǎng)力，磁場(chǎng)力方向是永久磁鐵（活塞）的位移方向，磁場(chǎng)力都做有用功，因此，電力發(fā)動(dòng)機(jī)方案能改善動(dòng)力電池容量的利用效率。

2、控制策略

控制策略是電力發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分，它將提高電動(dòng)汽車的駕駛穩(wěn)定性。本節(jié)給出簡(jiǎn)單的控制策略模型仿真結(jié)果，并詳細(xì)描述電力發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略。

追求驅(qū)動(dòng)功率與負(fù)載需求功率相等，這是電力發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的最高目標(biāo)。計(jì)算如下：

Pd是電力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率，單位為瓦特，見公式（1）。

Pl是電力發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載需求功率，單位是千瓦特，見公式（2）。

令驅(qū)動(dòng)功率與負(fù)載需求功率相等，見公式（3）和公式（4）。

根據(jù)公式（4），計(jì)算占空比，見公式（5）。

根據(jù)占空比，我們能計(jì)算出活塞行程周期內(nèi)線圈供電時(shí)間。

圖6 控制策略模型仿真結(jié)果

圖6給出控制策略模型仿真結(jié)果。圖6A是目標(biāo)轉(zhuǎn)速，單位是rad/min。圖6B是負(fù)載扭矩，單位是Nm。圖6C是負(fù)載需求功率，單位是kW。圖6D是當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速，單位是rad/min。當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速維持恒定不變，我們給負(fù)載扭矩一個(gè)隨機(jī)增量，增幅不超過30%，這是由LabVIEW編程環(huán)境中隨機(jī)變量函數(shù)實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果：目標(biāo)轉(zhuǎn)速波形不變，負(fù)載需求功率波形是波動(dòng)的，但當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速?zèng)]有波動(dòng)。因此，本方案控制策略將提高電動(dòng)汽車駕駛穩(wěn)定性。

3、結(jié)論

本文提出并分析了一種新穎的電力發(fā)動(dòng)機(jī)，該方案把永久磁鐵置于線圈內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)永久磁鐵獲得最大的吸引力或排斥力，力的方位與永久磁鐵（活塞）的位移方位一致，力產(chǎn)生有用功。此電力發(fā)動(dòng)機(jī)方案能改善動(dòng)力電池容量的利用效率，且能提高電動(dòng)汽車駕駛穩(wěn)定性。

本文工作實(shí)現(xiàn)了電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型及其控制策略，并分析了電力發(fā)動(dòng)機(jī)理論。如果我們能實(shí)現(xiàn)30kW電力發(fā)動(dòng)機(jī)，并持續(xù)研究它，在不久的未來(lái)它將被應(yīng)用到電動(dòng)汽車中，并將解決動(dòng)力電池容量低利用效率問題及電動(dòng)汽車低駕駛穩(wěn)定性問題。

[1] Li-Jin, Jia. A Power Engine. P.R.China Patent No. 201010171217.0, May 2010.

[2] Li-Jin, Jia. An Electric Car Electric Drive Electronic Control Device. P.R.China Patent No. 201410271132.8, June 2014.

[3] Fitzgerald, A. E., Charles Kingsley. Electric Machinery. New York: McGraw-Hill, 1952.

[4] Rahman, K. M., Ehsani, M. Performance analysis of electric motor drives for electric and hybrid electric vehicle application. IEEE Power Electronic in Transportation, 49-56, ISBN 0-7803-3292-X, 1996.

[5] Ehsani, M., Gao, Y., Miller, J. M. Hybrid electric vehicles: Architecture and motor drives. Proceedings of the IEEE, Special issue on Electric, Hybrid Electric and Fuel Cells Vehicle, Vol. 95, No. 4, April 2007.

[6] Huang, F., Tien, D. A neural network approach to position sensorless control of brushless DC motors. Proceedings of the IEEE 22nd International Conference on Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, Vol. 2, pp. 1167-1170, August 1996.

[7] Verma, R., Verma, V., Chakraborty, C. ANN based sensorless vector controlled induction motor drive suitable for four quadrant operation. IEEE Students' Technology Symposium (TechSym), pp. 182-187, March 2014.

[8] Ehsani, M. Method and Apparatus for Sensing the Rotor Position of a Switched Reluctance Motor. U.S. Patent No. 5,410,235, April 1995.

[9] Werninck, E. H. (ed.). Electric Motor Handbook. London: McGraw-Hill, 1978.

[10] Rahman, Z., Ehsani, M., K. Butler. An investigation of electric motor drive characteristics for EV and HEV propulsion systems. Society of Automotive Engineers (SAE) Journal, Paper No. 2000-01-3062, Warrendale, PA, 2003.

[11] Fahimi, B., Suresh, G., Rahman, K. M., Ehsani, M. Mitigation of acoustic noise and vibration in switched reluctance motor drive using neural network based cur-rent profiling. Proceedings of the 1998 IEEE Industry Application Society Annual Meeting, Vol. 1, pp. 715-722, 1998.

[12] Bianchi, N., Fornasiero, E., Bolognani, S. Effect of Stator and Rotor Saturation on Sensorless Rotor Position Detection. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 49, Issue: 3, pp. 1333-1342, 2013.

[13] Faggion, A., Bianchi, N., Bolognani, S., Fornasiero, E. Analysis and Experimental Tests of the Sensorless Capability of a Fractional-Slot Inset PM Motor. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. PP, Issue: 99, pp. 1, 2014.

[14] Schrodl, M. Sensorless control of permanent magnet synchronous motors. Electric Machines and Power Systems, 22, 173-185, 1994.

[15] Regnier, D., Oudet, C., Prudham, D. Starting brushless DC motors utilizing velocity sensors. Proceedings of the 14th Annual Symposium on Incremental Motion Control Systems and Devices, Champaign, IL, Incremental Motion Control Systems Society, pp. 99-107, June 1985.

[16] Hao Chen., Gu, J.J. Switched Reluctance Motor Drive With External Rotor for Fan in Air Conditioner. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 18, Issue: 5, pp. 1448-1458, 2013.

Theoretical Analysis & Control of a Novel Electric Engine for an Electric Vehicle to Improve Utilization Efficiency of the Battery Capacity and to Enhance Driveability

Jia Lijin
（Suzhou China, Jiangsu 215000）

Electric drive systems provide power for electric vehicle, the essential components are traditional rotary motors, power batteries, and electronic controllers; it can be used to improve air pollution by replacing internal combustion engine drive systems. But the main drawbacks of this scheme are the low utilization efficiency of the battery capacity. Here, we report a novel electric engine, the scheme is that the permanent magnet is put in the coil inside, the permanent magnet experiences a maximum force, the force orientation is the displacement orientation of the permanent magnet (piston), this electric engine can improve utilization efficiency of the battery capacity. This paper describes the electric engine control strategies; it will enhance electric vehicle driveability.

Electric drive system; electric engine; utilization efficiency of the battery capacity; control strategy; driveability

U469.72

A

1671-7988 (2016)12-06-04

賈立進(jìn)，生于1980年4月，于2012年獲得南京大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)碩士學(xué)位，在IT領(lǐng)域，有八年軟件研究與開發(fā)工作經(jīng)驗(yàn)；在汽車領(lǐng)域，有六年主管設(shè)計(jì)與技術(shù)項(xiàng)目管理工作經(jīng)驗(yàn)，目前，作為主管設(shè)計(jì)師&電動(dòng)汽車技術(shù)研究人員，他的研究興趣是電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。