一种新颖的电力发动机理论分析与控制，用以改善电动汽车电池容量利用效率，并提高驾驶性能

贾立进

（中国，苏州 江苏 215000）

一种新颖的电力发动机理论分析与控制，用以改善电动汽车电池容量利用效率，并提高驾驶性能

贾立进

（中国，苏州 江苏 215000）

电驱动系统为电动汽车提供动力，包括传统旋转电机、动力电池、和控制器，这能代替内燃机驱动系统改善大气污染。但此方案主要缺点是较低的动力电池容量利用效率。这里，我们报告一种新颖的电力发动机，此方案是把永久磁铁置于线圈内部，永久磁铁将受到一个最大的吸引力或排斥力，受力方向同永久磁铁（活塞）的位移方向，故电力发动机能改善电池容量的利用效率。此外，文章还描述了电力发动机控制策略，它将提高电动汽车驾驶稳定性。

电驱动系统；电力发动机；电池容量利用效率；控制策略；稳定性

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驱动功率；

Pl负载需求功率；

U 电力发动机电源供电电压；

I 电力发动机电源供电电流；

η 电力发动机能量转换效率；

nT目标转速；

T 负载扭矩；

D 线圈供电占空比。

引言

近年来，随着电动汽车设计及控制的发展，结合我国政府规划与激励措施，再次激发了专业人士探索与研究电驱动系统电机的兴趣（例如，[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[ 15 ]，和[16]）。但传统的旋转电机的主要缺点是导致电池容量的利用率低，分析原因如下：

左手定则是传统电机的重要理论，但它不是一个完整的理论，图1给出左手定则示意图。当导线中电流方向垂直于外磁场磁力线方向，导线将受力，受力方向同时垂直于导线中电流方向和外磁场磁力线方向。首先，当导线中有电流，在导线附近将产生磁场磁力线，见图1A，磁力线（g）产生于通电导线，它是顺时针方向。其次，当一个外加磁场垂直施加于通电导线，则通电导线附近的磁场磁力线与外加磁场磁力线将产生力的作用，封闭磁力线具有独占性，如果两磁场磁力线都是顺时针方向，或两磁场磁力线都是逆时针方向，则两磁场磁力线间将产生吸引力，吸引力方位为两磁场磁力线中心点的连线；如果一个磁场磁力线是顺时针方向，另一个磁场磁力线是逆时针方向，则两磁场磁力线间将产生排斥力，排斥力方位为两磁场磁力线中心点的连线。见图1B，磁力线（a）是顺时针方向，因此磁力线（g）与磁力线（a）产生吸引力Fga，同理分析可知，Fge、Fgb都是吸引力；磁力线（c）是逆时针方向，因此磁力线（g）与磁力线（c）产生排斥力Fcg，同理分析可知，Fdg、Ffg都是排斥力。第三，图1C给出导线受力分析示意图，主要由Fga、Fge、Fgb、Fcg、Fdg、Ffg组成。最后，图1D给出导线受力分解与导线受力合成示意图， Fx是导线x方位所受的力，其方位同时垂直于靠近导线侧的外磁场磁力线方位和导线中电流方向，这完全与物理学左手定则一致。但Fy无论等于零，亦或不等于零，分力（Fgay、Fgby、Fcgy、Fdgy）总是存在的。

图1 左手定则示意图

因此，在传统旋转电机内，定子磁场磁力线与转子磁场磁力间产生的力，包括切向分力和径向分力（或称法向分力，旋转向心力）。切向分力，例如，Fgax、Fgex、Fgbx、Fcgx、Fdgx与Ffgx，都是做有用功，径向分力，例如，Fgay、Fgby、Fcgy、 Fdgy，都是不做功，但它们在电动汽车电驱动系统中需要动力电池维持，当动力电池SOC下降到一定比例，径向分力不能满足定子与转子间吸引力需求，电机将失去动力，因此，传统电机不能利用动力电池整个电容量空间，导致动力电池容量的利用率低。

一些论文[4]、[5]、[6]、[10]不仅仅聚焦于电驱动系统的电机，还分析电机的控制策略。然而传统电机的控制策略，基于目标转速与电机线圈电流控制电机转速，采用各种算法，例如PID算法，使得当前转速跟随目标转速。但如果负载扭矩呈动态随机变化，那么当前电机旋转速度也将随机波动，因此，电动汽车的驾驶稳定性较差。

这里，我们分析电力发动机[1]理论，并且介绍电力发动机控制策略[2]。在不久的将来，上述缺点将被解决。

本文的其余部分安排如下：第二节给出给出一组简单的电力发动机模型，描述电力发动机概念、架构、工作过程、模型及模型运转，基于电磁物理学理论，分析电力发动机特点；第三节给出电力发动机控制策略模型简单仿真结果，在本节，将详细描述电力发动机控制策略；最后，第四节给出主要结论，并为未来研究人员给出建议。

1、电力发动机

电力发动机（见图2）是电驱动系统重要部件，它将改善动力电池容量的利用效率。本节给出给出一组简单的电力发动机模型，描述电力发动机概念、架构、工作过程、模型及模型运转，基于电磁物理学理论，分析电力发动机特点。

电力发动机（见图2）是电能转换为机械能的设备，它主要应用于新能源电动汽车领域，见图2，主要由支架、曲轴、连杆、活塞、缸体、电磁线圈总成、电力发动机控制单元及霍尔传感器组成。活塞顶部嵌入永久磁铁，电磁线圈总成由缸盖、线圈、缸体组成，缸体线圈位于上止点刻度线与下止点刻度线之间，缸体线圈轴向长度为活塞行程距离。

1.1 工作过程

如果线圈电流是正向，则活塞将上移；如果线圈电流反向，则活塞下移，见图2。

首先，当活塞（5）到达下止点位置，电磁线圈总成（8）线圈电流切换至正向电流，电磁线圈总成（12）线圈电流切换至反向电流，电磁线圈总成（9）线圈电流切换至正向电流，电磁线圈总成（11）线圈电流切换至反向电流。其次，当活塞（13）到达下止点位置，电磁线圈总成（11）线圈电流切换至正向电流，电磁线圈总成（9）线圈电流切换至反向电流，电磁线圈总成（8）线圈电流切换至正向电流，电磁线圈总成（12）线圈电流切换至反向电流。再次，当活塞（14）到达下止点位置，电磁线圈总成（8）线圈电流切换至反向电流，电磁线圈总成（12）线圈电流切换至正向电流，电磁线圈总成（9）线圈电流切换至反向电流，电磁线圈总成（11）线圈电流切换至正向电流。最后，当活塞（7）到达下止点位置，电磁线圈总成（11）线圈电流切换至反向电流，电磁线圈总成（9）线圈电流切换至正向电流，电磁线圈总成（8）线圈电流切换至反向电流，电磁线圈总成（12）线圈电流切换至正向电流。当电力发动机控制单元（10）关断所有电磁线圈总成电源，电力发动机将停止运转。

1.2 模型&模型运转

图3是电力发动机模型及模型运转，图3A是第一代电力发动机模型，图3B是运转中的第一代电力发动机模型，图3C是第二代电力发动机模型，图3D是运转中的第二代电力发动机模型。

图2 电力发动机示意图

图3 电力发动机模型及模型运转

见图3，电力发动机模型都是由曲轴、连杆、活塞、永久磁铁、线圈、缸体、动力驱动板、电力发动机控制单元、霍尔传感器组成。电力发动机控制单元控制线圈电流方向，活塞做往复直线运动，往复直线运动经过连杆、曲轴被转换为旋转运动，最后曲轴输出动力，包括转速与扭矩，代替内燃机与传统旋转电机为电动汽车电驱动系统提供动力。

图4 电力发动机模型控制逻辑框图

图4给出电力发动机模型控制逻辑框图，模型主要功能如下：如果芯片（PIC16F1827）RB0引脚从低电平变为高电平，线圈电流切换至反方向，活塞下行；如果芯片（PIC16F 1827）RB1引脚从低电平变为高电平，线圈电流切换至正方向，活塞上行。

1.3 原理&特点

图5给出磁场磁力线分布示意图，图5A是带电线圈磁场磁力线分布示意图，图5B是永久磁铁磁场磁力线分布示意图。

如图5A，线圈磁场磁力线是封闭曲线。在线圈内部，磁力线的方向是从S极指向N极，磁力线是最集中的，磁场强度是最大的，磁力线具有极好的一致性，磁场具有很好的稳定性。在线圈外部，磁场磁力线的方向是从N极指向S极，磁场强度随着远离磁极而快速衰减。

图5 磁场磁力线分布示意图

如图5B，同样的，永久磁铁磁场磁力线是封闭曲线。在永久磁铁内部，磁力线的方向是从S极指向N极，磁力线是最集中的，磁场强度是最大的，磁力线具有极好的一致性，磁场具有很好的稳定性。在永久磁铁外部，磁场磁力线的方向是从N极指向S极，磁场强度随着远离磁极而快速衰减。

如图5，如果把永久磁铁内部磁场与线圈内部磁场放到一起，它们将产生最大的吸引力或排斥力，且如果两磁场强度相等，能量转换效率最高。

电力发动机方案正是把永久磁铁放置在线圈内部，永久磁铁受到最大的磁场力，磁场力方向是永久磁铁（活塞）的位移方向，磁场力都做有用功，因此，电力发动机方案能改善动力电池容量的利用效率。

2、控制策略

控制策略是电力发动机重要组成部分，它将提高电动汽车的驾驶稳定性。本节给出简单的控制策略模型仿真结果，并详细描述电力发动机控制策略。

追求驱动功率与负载需求功率相等，这是电力发动机控制策略的最高目标。计算如下：

Pd是电力发动机驱动功率，单位为瓦特，见公式（1）。

Pl是电力发动机负载需求功率，单位是千瓦特，见公式（2）。

令驱动功率与负载需求功率相等，见公式（3）和公式（4）。

根据公式（4），计算占空比，见公式（5）。

根据占空比，我们能计算出活塞行程周期内线圈供电时间。

图6 控制策略模型仿真结果

图6给出控制策略模型仿真结果。图6A是目标转速，单位是rad/min。图6B是负载扭矩，单位是Nm。图6C是负载需求功率，单位是kW。图6D是当前实际转速，单位是rad/min。当目标转速维持恒定不变，我们给负载扭矩一个随机增量，增幅不超过30%，这是由LabVIEW编程环境中随机变量函数实现。仿真结果：目标转速波形不变，负载需求功率波形是波动的，但当前实际转速没有波动。因此，本方案控制策略将提高电动汽车驾驶稳定性。

3、结论

本文提出并分析了一种新颖的电力发动机，该方案把永久磁铁置于线圈内部，实现永久磁铁获得最大的吸引力或排斥力，力的方位与永久磁铁（活塞）的位移方位一致，力产生有用功。此电力发动机方案能改善动力电池容量的利用效率，且能提高电动汽车驾驶稳定性。

本文工作实现了电力发动机模型及其控制策略，并分析了电力发动机理论。如果我们能实现30kW电力发动机，并持续研究它，在不久的未来它将被应用到电动汽车中，并将解决动力电池容量低利用效率问题及电动汽车低驾驶稳定性问题。

[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.

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[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.

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[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.

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[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.

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[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

贾立进，生于1980年4月，于2012年获得南京大学计算机技术硕士学位，在IT领域，有八年软件研究与开发工作经验；在汽车领域，有六年主管设计与技术项目管理工作经验，目前，作为主管设计师&电动汽车技术研究人员，他的研究兴趣是电动汽车电驱动系统。