混合动力汽车电机驱动系统.docx
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混合动力汽车电机驱动系统
混合动力汽车电机驱动系统
一、混合动力汽车电机驱动系统的特点
混合动力汽车以电机驱动为辅助动力，来降低燃料消耗，实现低污染、低燃油消耗。
相较于纯电动汽车，混合动力汽车使用的电驱动系统一般有以下特点：
1、混合动力汽车使用的电机的响应要求更高，混合动力汽车上的电机往往要求频繁启停、频繁加速以及频繁切换工作模式。
2、混合动力汽车的电驱动系统具有体积小、质量轻、功率密度和工作效率高等性能，这是因为汽车内部空间有限。
3、相较于纯电动汽车上的电动机，混合动力汽车的电机具有更高的可靠性、抗震性和抗干扰性。
混合动力汽车的电驱动系统的工作环境更为恶劣，干扰更大。
4、传统电动机一般工作在额定功率附近，而混合动力汽车的电机的工作范围相对宽泛。
、混合动力汽车对驱动电机的要求
汽车行驶时需要频繁地启动、加速、减速、停车等，在低速行驶和爬坡时需要大转矩，在高速行驶时需要降低转矩和功率。
为了满足汽车行驶动力性的需要，获得好的经济性和环境指标等，就对电机提出了十分严格的要求。
育流电动机
中
较密
过载能力（S）
200
300⑶Q
300
300*500
抵值效率
炉89
M'95
S5'97
90
员福效率
80^87
90'92
78'86
功率因数（S）
-
82'85
M't3
60*65
如*率区
一
h9
hL25
1：
3
转運花31
4000^000
12000'20000
4000*10000
可豺A15000
可JI栓
一叢
ft
良野
笙构的坚直性
ft
野
电动机外擲
大
申
小
大
中
fr
Jf
好
控制器本钱
偃
R
-*
1.电压高。
采用高电压可以减少电机和导线等装备的尺寸、降低逆
变器的本钱和提高能量转换效率等。
2.高转速。
电机的功率P与其转矩M和转速n成正比，即P*M.n,因此，在M一定的情况下，提高n那么可以提高P;而在P一定的情况下，提高n那么可降低电动机的M,采用小质量和小体积的电机。
因此采用高速电机是电动汽车开展的趋势之一。
现代电动汽车的高转速电机的转速可以到达8000-12000r/min，由于体积和质量都小，有利于降低整车的装备质量。
3.转矩密度、功率密度大，质量轻，体积小。
转矩密度、功率密度
大指最大转矩体积比和最大功率体积比。
转矩密度、功率密度越大，HEV电机驱动系统占用的空间越小。
采用铝合金外壳等降低电动机的质量。
各种控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。
4.具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩；应具有自动调速功能，减轻操纵强度，提高舒适性，能到达与内燃机汽车同样的控制响应。
5.需要有4-5倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要
求。
6.具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电机协调运
行。
7.机械效率高、损耗少。
8.可兼做发电机使用。
在车辆减速时，可进行制动能量回收，即再生制动，将一局部能量转化为电能储存在储能装置内。
9.电气系统平安性和控制系统的平安性应到达有关的标准和规定，必须装备高压保护装置以保证平安。
10.能够在恶劣条件下可靠工作。
电机应具有高的可靠性、耐低温和高温性、耐潮湿。
并且运行时噪声低，能够在恶劣的环境下长时间工作。
11.结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，价格廉价等。
12.散热性好。
三、混合动力汽车驱动电动机的种类
传统电动种类很多，用途广泛，功率的覆盖面非常大。
相对而言，混合动力汽车所采用的电动机种类较少，功率覆盖面也较小。
早期的混合动力汽车采用控制性能好且本钱较低的直流电动机。
随着电子技术、机械制造技术和自动控制技术的开展，直流电动机逐步被性能更加优越的交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电机取代。
现今混合动力汽车所采用的电机种类如下列图：
a〕直流电动机
1、直流电动机的种类和根本性能在混合动力汽车上最常见的直流电
动机有串励直流电动机和他励直流电动机两种。
〔1〕串励直流电动机
串励直流电动机的励磁电流和电枢电流相等，能获得每单位电流的最高转矩，起动转矩大，有较好的起动特性以及较宽的恒功率调速范围,有利于提高混合动力汽车的动力性能。
〔2〕他励直流电动机
他励直流电动机能够分别控制励磁电流和电枢电流，来实现对电动机的控制。
他励直流电动机具有线性特性和稳定输出特性，可以扩大其调速范围，能够实现在减速和制动时的再生制动，回收一局部能量。
2、直流电动机的特点直流电动机的磁场和电枢可以分别控制，因此控制起来比拟容易，而且控制性能较好。
直流电动机的容量范围很广，可以根据所需的转矩和最高转速来选用所需要的容量。
直流电动机的制造技术和控制技术都较成熟，驱动系统价格较廉价。
因为直流电动机上有电刷、换向器等接触零件，它们容易磨损。
在高速旋转时电刷与换向器之间会产生火花，严重时形成“环火〞，限制了直流电动机转速的提高。
直流电动机的优点是具有优良的电磁转矩控制特性，调速比拟方便，控制装置简单、价廉。
缺点是结构较复杂，效率较低，可靠性较差，重量大，体积大，价格高，需要经常维护和修理。
3、直流电动机的控制系统
直流电动机在电源电路上可以采用少量的控制元器件，最常采用的有IGBT电子功率开关的斩波器作为控制装置。
IGBT斩波器是在直流电源与直流电动机间的一个周期性的通断开关装置，斩波器根据直流电动机输出转矩的需要，脉冲输出和变换直流电动机所需的电压〔从零到最高〕，与直流电动机输出的功率相匹配，来驱动和控制直流电动机运转。
四、三相异步感应交流电动机
1、三相异步感应交流电动机的类型与结构三相异步感应交流电动机有鼠笼式异步感应电动机〔简称感应电动机〕和绕线式异步感应电动机两种。
鼠笼式感应电动机是应用最为广泛的电动机,三相异步感应电动机的定子和转子由层叠、压紧的硅钢片组成，两端采用铝盖封装，在转子和定子之间没有相互接触的部件，结构简单，运行可靠，经久耐用，价格低廉。
〔2〕三相异步感应交流电动机的根本性能三相异步感应电动机的功率容量覆盖面很宽广，从零点几瓦到几千千瓦，最高转速可以到达10000~12000r/min，采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，并且能够实现再生制动。
与同样功率的直流电动机相比拟，效率较高，质量约要轻50%左右。
三相异步感应电动机已经能够大批量地生产，有各种不同型号规格的系列产品供用户选用。
价格廉价，维修简单方便，得到普遍的应用。
〔3〕三相异步感应交流电动机的控制系统混合动力汽车上，一般采用发电机或动力电池组作为电源。
三相异步感应电动机不能直
接使用直流电源，另外，三相异步感应电动机具有非线性输出特
性。
因此，在采用三相异步感应电动机时，需要应用逆变器中的功率半导体交换器件，将直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电，来实现对感应式电动机的控制。
在混合动力汽车上，通常功率电路有以下三种根本形式：
五、永磁电动机
1、永磁电动机的类型
永磁电动机有永磁无刷直流电动机和永磁同步电动机两种类
型。
这两种永磁电动机在结构上和工作原理上大致相同，转子都是永久磁铁，定子通过对称交流电来产生转矩，定子电枢多米用整矩集中绕组。
它们的同步特性的区别主要表现在电波曲线形状上。
永磁同步电动机〔PSM具有正弦波电流。
永磁无刷直流电动机〔PM
BDC具有矩形脉冲波电流。
永磁式电动机的电波曲线形状是由电动机的类型及其控制系统来确定的。
2、永磁电动机的结构
按永久磁铁在永磁电动机上布置可分为：
内部永磁型、外表永
磁型和镶嵌式永磁型等几种结构形式。
将永磁磁极按N极和S极
的顺序排列组成永磁电动机的磁性转子。
〔1〕磁性转子的结构
1内部永磁型转子。
内部永磁型转子的磁路可分为：
径向型磁
路〔图a〕、切向型磁路〔图b〕和合型磁路〔图c〕。
径向型磁路磁眭转子磁漏小，而且不需要隔离环，但它每个磁极的有效面积约为切向型内部永磁转子的一半。
为了提高径向型内部永磁转子的有效面积，多采用截面形状，如图a。
2外表永磁型转子。
图d所示为外表永磁型转子结构，外表永磁型转子的应用正在逐渐增多。
下列图所示为外表永磁型转子永磁电动机的横截面示意图
3
混合式永磁型转子。
混合式永磁型转子（下列图）可以用嵌人永久磁铁中的励磁绕组来对磁通量进行控制，进而改变永磁电动机的机械特性。
（2）磁极的数量
一般感应电动机的磁极数量增多以后，电动机在同样的转速
下，工作频率随之增加，定子的铜耗和铁耗也相应增加，将导致功
率系数急剧下降。
磁阻电动机的磁极数量增多以后，会使电动机输
出的最大转矩与最小转矩值差距很大，对磁阻电动机的性能影响较
大。
独立励磁电动机的磁极数量增多以后，将无法到达额定的转矩。
而永磁电动机的磁极增加一定数量以后，不仅对电动机的性能没有明显的影响，还可以有效地减小永磁电动机的尺寸和质量。
永磁电动机的气隙直径和有效长度取决于电动机的额定转矩气隙磁通密度、定子绕组的线电流密度等参数变化的影响。
气隙磁通密度主要受磁性材料的磁性限制，因此需要采用磁能密度高的磁性材料。
另外，在气隙磁通密度相同的条件下增加磁极的数量，就可以减小电动机磁极的横截面面积，从而使得电动机转子铁心的直径减小。
下列图所示为一个4极永磁转子铁心与一个16极永磁转子铁心的尺寸比拟，后者的横截面面积要小于前者，因此可以减轻电动机的质量。
增加磁通密度、改良磁路结构、减弱电枢反响和提高电动机的转速的研究，是提高永磁电动机性能和效率的主要途径。
3、永磁无刷直流电动机
（1）永磁无刷直流电动机的结构
在直流电动机的转子上装置永久磁铁，转子采用径向永久磁铁
做成的磁极，将磁铁插入转子内部，或将瓦形磁铁固定在转子外表上，转子上不再用电刷和换向器为转子输人励磁电流，所以电动机的转子磁路是各向均匀的，转子上不再用励磁绕组、集电环和电刷等来为转子输入励磁电流，因此称为永磁无刷直流电动机。
〔2〕永磁无刷直流电动机的性能
永磁无刷直流电动机在工作时，直接将方波电流输人永磁无刷直流电动机的定子中，控制永磁无刷直流电动机运转。
矩形脉冲波电流可以使电动机获得较大的转矩，永磁无刷直流电动机的优点是效率高、转矩大、高速操作性能好、无电刷、结构简单牢固、免维护或少维护、尺寸小、质量轻。
输出转矩与转动惯量比值大于相类似的三相感应电动机。
永磁电动机在材料的电磁性能、磁极数量、磁场衰退等多方面的性能都优于其他种类的电动机。
假设输出的波形不好，那么会发生较大的脉动转矩和冲击力，影响电动机的低速性能，电流损耗大，工作噪声大。
因为电流反响控制的无刷直流电动机具有近似正弦气隙磁通密度和正弦定子反响电流，所以它要比同样尺寸的永磁同步电动机的输出功率高出15%。
在相同转速的情况下，电流反响控制的无刷直流电动机输出的转矩要比永磁同步电动机高15%。
但无刷直流电动机的损耗、噪声和转矩波动，都比永磁同步电动机大，给无刷直流电动机的使用带来一定影响。
4、永磁磁阻同步电动机
〔1〕永磁磁阻同步电动机的结构
永磁磁阻同步电动机是将永久磁铁取代他励同步电动机的转子励磁绕组，电动机的定子与普通同步电动机一样。
转子采用径向永久磁铁做成的磁极，做成多层永磁磁极，形成可同步旋转的磁极，这种电动机被称为永磁磁阻同步电动机。
图2-4-8所示为两层6极永磁磁阻同步电动机的定子和转子。
永磁磁阻同步电动机具有高效率〔达97%〕和高比功率〔远超过1kW/kg〕的优点，输出转矩与转动惯量比都大于相类似的三相感应电动机，在高速转动时有良好的可靠性，平稳工作时电流损耗小。
永磁磁阻电动机在材料的电磁性能、磁极数量、磁场衰退等多方面的性能都优于其他种类的电动机，工作噪声也低。
在同步电动机的轴上装有转子位置传感器和速度传感器，它们产生的信号是驱动控制器的输入信号。
永磁磁阻同步电动机具有功率密度高、调速范围宽、效率高、性能更加可靠、结构更加简单、体积小的优点。
与相同功率的其他类型的电动机相比拟，更加适合作为EV、FCEV和混合动力汽车的驱动电动机。
〔2〕永磁磁阻同步电动机的机械特性由于永磁磁阻同步电动机在牵引控制中采用矢量控制方法，在额定转速以下恒转矩运转时，就使定子电流相位领先一个〔3角，
一方面可以增加电动机的转矩，另一方面由于3角领先产生的弱磁作用，使电动机额定转速点增高，增大了电动机在恒转矩运转时的调速范围。
如B角继续增加，电动机将运行在恒功率状态。
永磁磁阻同步电动机能够实现反响制动。
下列图所示为永磁磁阻同步电动机的机
械特性曲线。
永磁磁阻同步电动机的机械特性曲线
5、永磁电动机的特点
由于永磁电动机的转子上无绕组，无铜耗，磁通量小，在低负荷时铁损很小，因此，永磁电动机具有较高的功率/质量比，与其他类型的电动机相比，有更高的工作频率，更大的输出转矩。
转子电磁时间常数较小，电动机的动态特性好，电动机的极限转速和制
动性能等都优于其他类型的电动机。
永磁电动机的定子绕组是主要的发热源，其冷却系统比拟简单。
由于永磁电动机的磁场产生恒定的磁通量，电动机的转矩随着电流的增加而增加，因此，根本上拥有最大的转矩。
随着电动机转速的增加，电动机的功率也增加，同时电压也随之增加。
在混合动力汽车上，一般要求电动机的输出功率保持恒功率，即电动机的输出功率不随转速增加而变化,这就要求在电动机转速增加时，电压保持恒定。
对一般电动机可以用调节励磁电流的方法来控制，但永磁电动机磁场的磁通量调节起来比拟困难，因此需要采用磁场控制技术来实现，这使得永磁电动机的控制系统变得更复杂，而且增加了本钱。
永磁电动机受到永磁材料制造工艺的影响和限制，使得永磁电动机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。
永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，可能会使导磁性能下降或发生退磁现象，因而降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制它不发生过载。
永磁电动机在恒功率模式下，操纵较复杂，永磁式电动机和三相感应式电动机同样需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁式电动机的控制系统造价也很高。
最新研制和开发的混合励磁永磁同步电动机使永磁同步电动机的控制性能得到较大的改良。
六、开关磁阻电动机
1、开关磁阻电动机的性能
开关磁阻电动机〔SRM是一种新型电动机，它的结构是所有
类型电动机中最简单的一种，在电动机的转子上，没有集电环、绕组等转子导体和永久磁铁。
开关磁阻电动机的定子和转子都是凸极结构，只在电动机的定子上安装有简单的集中励磁绕组，励磁绕组的端部较短，没有相间跨接线，磁通量集中于磁极区，通过定子电流来励磁。
各组磁路的磁阻随转子位置的不同而变化。
转子的运转是依靠磁力来运行，转速可以到达1500r/min。
在较宽的转速范围和较宽的转矩范围内效率可以到达85%-93%，比三相感应电动机要高。
它的转矩-转速特性好，在较宽的转速范围内，转矩、转速可灵活控制，调速控制较简单，并可实现四象限运行。
开关磁阻电动机有较高的起动转矩和较低的起动功率，功率密度高，结构简单巩固，可靠性好，但转矩脉动大，控制系统较复杂，工作噪声大，体积比同样功率的感应电动机要大一些。
〔2〕开关磁阻电动机的结构开关磁阻电动机的定子和转子是采用凸极结构，定子和转子都是由硅钢片叠片组成，开关磁阻电动机的定子和转子极数不同，有多种组合方式，最常见的为三相6/4结构〔如图a所示〕和四相8/6结构〔如图b所示〕。
三相开关磁阻电动机的定子上有6个凸极，转子上有4个凸极。
四相开关磁阻电动机的定子上有8个凸极，转子上有6个凸极。
在定子相对称的两个凸极上的集中绕组
互相串联，构成一相，但在转子上没有任何绕组
（3）开关磁阻电动机的工作原理
三相开关磁阻电动机的工作原理如下列图所示。
从图中可知如果
按A—B—C—A的顺序向定子绕组轮流通电时，定子便产生按顺序变换的磁场，电动机的转子即连续不断逆时针地转动。
如果反过来按A—C'—B'—A改变定子绕组通电顺序时，就可以改变开关磁阻电动机转子转动的方向。
三相开关磁阻电动机定子的凸极数为6
个，转，子的凸极数为4个，当A—B-C三相轮流通电一次时,转子共转n/2步进角。
如果改变电流的大小，那么可改变电动机转矩的大小，进而改变电动机的转速。
如果控制在转子极离开定子极通电时，即可产生与转子旋转方向相反的制动转矩。
i=）C
〔4〕开关磁阻电动机的特点
1〕开关磁阻电动机的优点①高起动转矩，低起动电流。
②高效率，低损耗，耐温。
③电动机结构简单，适应于高速运转。
④电动机的功率电路简单⑤可靠性好。
⑥良好的适应性，本钱低。
2〕开关磁阻电动机的缺点①转矩有脉动现象。
②有振动与噪
声。
③控制系统复杂。
④受脉冲电流的影响。
七、电动机的控制
混合动力汽车上采用电源—电源转换器一驱动电动机的动力系统，是属于电力驱动技术范畴，因此，对混合动力汽车驱动电动机的控制和智能控制的研究，是混合动力汽车的关键技术。
〔1〕混合
1、动力汽车电动机的控制系统
混合动力汽车动力系统和驱动力控制系统是由动力电池组、电流转换器〔逆变器〕、发动机-发电机组和驱动电动机以及一些电气和线路共同组成，因此混合动力汽车的技术关键是对动力电池组、发动机-发电机组、驱动电动机的控制或智能控制。
2、混合动力汽车电动机控制系统的组成
混合动力汽车上驱动电动机的控制系统根本由信号输人、信号处理和输出、执行元件和信息反响四大局部组成。
〔1〕信号输入
混合动力汽车主要输人信号源来自驾驶人对加速踏板的位移量和由电动机反响的信号和监测装置反响的信号，这些信号一般转换为电信号的形态，经过接口输人到计算机中。
〔2〕信号处理和输出车载计算机的中央控制器作为信号处理和指令输出的核心，在中央控制器中装有测量装置、乘法器、比拟器、逻辑控制单元、数据库和各种传感器等电子器件，对输人控制信号的输入量进行快速、精确的运算，并产生相应的偏差信号。
将运算得出的微弱的偏差信号，经过放大器进行放大或变换，使输出指令的偏差信号足够大，然后通过接口输送到各个控制模块中去。
〔3〕执行元件控制模块和各种执行机构是控制系统的执行元件，根据放大器所放大或变换的偏差信号，控制模块和各种执行机构对被控制对象发出控制指令，使被控制对象按照规定的指令〔参数〕运行。
〔4〕信息反响电动机运转监测装置上的传感器会对电动机的运转进行监测，并将电动机运转中的机械量和电量的变化及时反响到中央控制器，中央控制器将反响信信息进行比照、运算后，对输出的指令进行调整和修改，使被控制对象的运行参数与输入的信号的给定值趋向一致，并使被控制对象按照新的指令〔参数〕运行。
3、变频器
〔1〕变频器的功能
在各种电动车辆上，采用动力电池组的直流电作为电源，并采用三相交流电动机作为驱动电动机时，三相交流电动机不能直接使用直流电源。
另外三相交流电动机具有非线性输出特性。
变频器可实现直流电源与三相交流电动机之间电流的传输和变换，并要求能够实现频率调节，在所调节的频率范围内保持功率的连续输出，同时实现电压的调节，能够在恒定转矩范围内维持气隙磁通恒定。
将直流电变换为频率和幅值可调以及电压可调的交流电来驱动三相交流电动机。
用变频器对三相交流电动机进行调速控制的控制系统特点为：
1实现了对三相交流电动机的调速控制，扩大了交流电动机的转速范围，实现恒功率范围内的运转，可以对交流电动机进行高速驱动。
2可以实现大范围内的高效率连续调速控制。
进行高频率起动和停止运转，并进行电气制动，快速控制交流电动机正、反转的切换。
3所需要的电源容量较小，电源功率因数较大，可以用一台变频器对多台交流电动机进行控制，组成高性能的控制系统等。
〔1〕变频器根本结构模型
①在有220/380V交流电源处，一般采用交-直-交逆变器系
统。
如图
r
220/380V
交流电源
AC50HZ///
DC
AC///
频率、电压可变交流电
整流器
■
耳
逆变器
CVCF
VVVF
控制电路
交
-直-交逆变器系统根本功率电路
②在220/380V交流电源处，还可以采用交-交变频器系统,
根本功率电路图如下
交-交变频器系统根本功率电路
③在电动车有直流动力电池组电源时，还可以采用直-交逆变
器系统，根本功率电路如图
DC
直-交逆变器系统根本功率电路
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