混合动力汽车的电机驱动系统

项目三混合动力汽车的电机驱动系统活动一混合动力汽车的电机驱动系统电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构混合动力汽车电机驱动系统一般由电机、控制器、功率转换器及传感器、电源等构成。一、混合动力汽车电机驱动系统的组合形式驱动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控）之一，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标混合动力汽车电机驱动系统的组合形式:机械驱动式、机电集成化驱动系统、机电一体化驱动系统、轮毂点击驱动。二、混合动力汽车的电机驱动系统的要求１、转矩、功率密度大无论是纯电动汽车还是混合动力汽车，动力总成结构都非常紧凑，留给电机驱动系统的空间非常小，在减小电机体积的同时，还要求电机具有足够的转矩和功率。２、电机工作速域宽在电机和输出到轮毂的轴之间设有主减速齿轮，要达到车辆的最高转速，驱动电机的理想机械特性是：基速以下输出大转矩，以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况；基速以上为恒功率运行，以适应最高车速、超车等要求。３、系统效率高电动车供电电源能量有限，提高电驱动系统的效率是提高汽车续航里程和经济型的重要手段。４、系统适应环境能力强电机及其驱动器要防水、防尘、防震，具有很强的适应环境能力。电机结构要坚固、体积尽可能小、重量尽可能轻、具有良好的环境适应性和高可靠性。５、电磁兼容性好电机驱动系统在汽车上是比较大的干扰源，在电机和驱动器设计及整车布置上要充分考虑电磁兼容和屏蔽，尽量避免和减小驱动系统对其他电器的影响。另外也要避免和减小点火系统等干扰源对电机驱动系统的影响。６、性价比高电机驱动系统作为整车的一个元件，在保证性能的前提下，造价不能太高，尤其是当前世界汽车行业竞争激烈的环境下，提高驱动电机的性价比才能为电动车的产品化铺平道路。三、电机驱动系统的电机及其控制器电机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械，用于实现电能与机械能的转换。电动机一般按要求具有电动和发电两项功能，按类型可选用直流电动机、感应电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机四大类三、电机驱动系统的电机及其控制器电机的控制系统主要起到调节电机运行状态，使其满足整车不同运行要求的目的。功率转换器按所选电机类型，有DC/DC、DC/AC、PWM功率转换器。其作用按电动机驱动电流要求，将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流、交流或脉冲电源DC/DC是直流斩波电路将直流电变为另一固定电压的直流电或可调电压的直流电。其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。开关电源可以用于升压和降压。DC/AC的转换器（逆变器）将电池组的直流电源转化成输出电压和频率稳定的交流电源。PWM（脉冲宽度调节）通过调节脉冲宽度实现电压的调节指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。四、驱动电机及控制系统的发展趋势1、电机永磁化永磁电机效率高、比功率大、功率因数高、可靠性高、便于维护2、逆变器数字化电动汽车中，蓄电池直流电通过逆变器转换成交流电给电动机，其核心原件为TGBT和电容占电机驱动控制器成本的50%以上3、系统集成化在电动汽车中，系统集成化是降低成本的需要。电机驱动系统的集成化包括两个方面：（1）机电集成：电动机与发动机集成、电动机与变速器（2）控制元件集成：电机驱动系统所有控制元件集成活动二直流电机及其控制系统直流电机是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。一、直流电动机结构主要由电枢、磁极、电刷及电刷架、壳体及前后端盖等组成现代汽车起动机一般使用直流串励式电动机，这种直流电动机其励磁绕组与电枢绕组串联。电刷及电刷架磁极电枢换向器（一）定子（静止部分):产生主磁场和电动机的机械支撑1、磁极由磁极铁心和磁场绕组两部分组成磁极是用来产生电动机的磁场磁极铁心上套有磁场绕组，4个（6个）绕组按一定方向连接，绕组通电后产生磁场，将磁极磁化，各磁极的内侧形成N、S极相间排列的形式，在磁极、外壳和电枢铁心之间形成磁路磁场绕组的连接方式有两种方式：一种是四个绕组依次串联后再与电枢绕组串联；另一种是磁场绕组两两串联后再并联，然后与电枢绕组串联，这一种电动机内阻小，可以获得更大的电枢电流。2、换向磁极：由磁极铁心和绕组两部分组成产生附加磁场，在电动机换向时，减小电刷与换向器之间的火花，避免烧坏换向器。3、电刷和电刷架与换向器保持滑动接触，是将电流引入电枢使之产生定向转矩电刷一般是四个，相对安装是同极，分别为绝缘电刷和搭铁电刷。4、前后端盖与轴承前端盖用钢板压制，内装电刷架。后端盖用灰铸铁或用铝合金铸造，内装电机传动机构，设拨叉座及驱动齿轮行程调整螺钉。5、机壳机壳为基础件，并起导磁作用，用钢管制成，其一端开有窗口，作为观察电刷与换向器之用，壳上只有一个与外壳绝缘的电源接线柱，并在机壳内部与磁场绕组的一端相接。（二）电枢（转动部分）：电枢又称转子，它用来产生电磁转矩由铁心、电枢绕组、电枢轴及换向器组成1、电枢铁心电枢铁心由多片互相绝缘的硅钢片叠成，借内圆面的花键槽压装在电枢轴上，其外圆表面有槽，用来安装电枢绕组。2、电枢绕组励磁绕组通电后，在磁场的作用下，产生感应电流，产生电磁转矩，实现电能转化为机械能3、换向器压装在电枢轴上，作用是把电刷的直流电转变为电枢绕组中的导体所需要的交变电流。二、直流电动机的工作原理（一）直流电动机的作用与基本原理直流电动机是将电能转化为机械能的装置，其作用是产生发动机起动时所需要的电磁转矩。直流电动机是利用载流导体在磁场中受力运动的原理制造的。U+–NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈II电流方向：上半边向里，下半边向外。abcd电流方向为：蓄电池正极→正电刷→换向片A→线圈abcd→换向片B→负电刷→蓄电池负极。电流方向为a→d，由左手定则可以确定，线圈受到逆时针方向的转矩作用,电枢绕组及换向片在电磁力矩的作用下逆时针转动。电流方向为：蓄电池正极→正电刷→换向片B→线圈dcba→换向片A→负电刷→蓄电池负极。线圈中的电流方向为d→a，由左手定则可以确定，线圈仍然受到逆时针方向的转矩作用,电枢绕组及换向片在电磁力矩的作用下继续逆时针转动。注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。U+–NS电刷换向片IIadcbFFTn直流电动机的工作原理1、直流电动机的转矩当直流电动机接上直流电源时，由于载流导体在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩使电枢旋转。电动机产生的电磁转矩M取决于磁通φ、电枢电流Ia的乘积，即T=CmIaφ其中Cm为电机结构常数，它与电动机的磁极对数以及绕组的个数有关。电动机电磁转矩平衡方程式：T=TL+T0T0（空载损耗转矩）:电动机运行时，由于电动机本省机械摩擦等原因产生的阻转矩。TL（负载转矩）：（电动机拖动生产机械的负载转矩）只有当电磁转矩T与空载转矩T0和负载转矩TL平衡时电动机才会稳定平滑的运行。2、反电动势原理：当直流电动机的电枢绕组通电后，产生电磁转矩，使电枢旋转。旋转的电枢绕组切割磁力线后产生感应电动势，由右手定则可判断出其电动势的方向和线圈电流方向相反，即与外加电压的方向相反，故称为反电动势，其大小为：E反=Ceφn其中，Ce——电机结构常数；φ——磁极磁通；n——电枢转速。电动机的电压平衡方程式：U=E+IaRaU:电枢绕组的端电压IaRa：电枢绕组上损失的电压降反电动势E与电枢电流Ia方向是相反的,在电路中起着限制电枢电流的作用四、直流电动机的分类直流电动机按励磁方式可分为永磁式和电磁式两大类。永磁式直流电动机磁极磁通工作时保持不变，其转速随转矩的增加而近似地按线性规律下降，但下降很小。电磁式直流电动机按励磁绕组与电枢绕组的连接关系又可分并励式、串励式和复励式三种1、他励、并励式直流电动机励磁绕组与电枢绕组联在同一电源上，若外电压不变、励磁电阻不变，则每极磁通也基本不变，其机械特性和永磁式基本相同，即它们具有较“硬”的机械特性它们的适应性能较差，一般用于减速型起动机。M他励UfIfIaUM并励UIf2、串励式直流电动机励磁绕组与电枢绕组相串联，电枢电流等于励磁绕组电流，并与总电流相等。串励式电动机具有起动转矩大，轻载转速高，重载转速低，短时间内能输出最大功率等特点，它具有较“软”的机械特性因此特别适合应用于直接驱动式起动机。串励MU3、复励式电动机磁极上有两组励磁绕组，一组同电枢串联，另一组则同电枢并联。复励式电动机在空载运行的情况下与并励电动机相似，加了负载后，串励绕组的磁场将随负载的增加而加强，运行情况接近串励式电动机。因此它的机械特性比并励式软，较串励式硬。复励式直流电动机被一些大功率起动机所采用。复励MU直流电动机的调速调速：使电动机在同样的负载下得到不同的转速调速的目的：改变电机的工作速度，适应不同工况下汽车行驶要求。可见，要改变电动机的转速，有三种方法：（1）调节电枢端电压U；降压方向，从上向下调（2）调节励磁磁通Φ；弱磁调速，从下向上调（3）调节电枢外串电阻；从上向下调直流电动机的制动电机有两种运转状态：电动:运转T与n同向。制动:运转T与n反向。制动的目的使电机停车或限速。T=CmIaφ１、能耗制动：制动瞬间,断开电源，励磁不变，因惯性转速不变，n不变，但电枢电流改变了方向，使T反向，电机处于制动状态。T=CeΦIa2、反接制动：转速反向的反接制动：正接反转。电机的转矩小于负载转矩，电机被负载拖动反向起动，使电机的转速逆电磁转矩的方向旋转，n与T反向，电机处于制动状态。电枢反接的反接制动：正转反接。电机在电动状态下运行，突将电枢反接，即U为负，电枢电流改变方向，使T改变方向，电机处于制动状态。3、回馈制动：再生制动1)负载拖动电动机，电机运行在反向电动状态，某原因使电机的转速达到某一数值时，EnU，使电枢电流反向，即T反向，电机进入发电机运行状态，而起制动作用。电机将轴上输入的机械功率大部分回馈给电源，小部分消耗在电阻上En=CeΦNU=En+IaRa2)改变电枢电压：电机在正向电动状态运行，突降电枢电压,En来不及变化，出现回馈制动活动三感应电机及其控制系统一、三相交流异步电动机结构三相交流异步电动机按结构分为两种：鼠笼式三相异步电动机和绕线式三相异步电动机。异步电动机由两个基本部分组成：定子(固定部分)和转子(旋转部分)。1、定子：定子是三相异步电动机的静止部分，其作用是产生旋转磁场和机械支撑。2、转子：转子是三相异步电动机的旋转部分，其作用是旋转，产生电磁转矩。1、对称三相定子绕组鼠笼式和绕线式三相异步电动机的定子结构完全相同，均由定子铁芯和对称三相定子绕组组成三相绕组匝数相同、绕组分布相同，三相绕组首和首、尾和尾均相差120°，每相绕组首、尾相差180°2、三相异步电动机转子绕组转子结构不同，鼠笼式三相异步电动机转子由转子铁芯和鼠笼组成，而绕线式三相异步电动机转子由转子铁芯和对称三相转子绕组组成。绕线型转子经绕组为三相绕组，而且三相绕组为星型(Y)接法，有三个端头与三个转动滑环相连接，三个转动滑环通过电刷与外设三相启动设备相连接)120sin(2)120sin(2sin2CBAtIitIitIipppAiAiBiCXBYCZ3、三相异步电动机的工作原理旋转磁场的产生把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源，定子绕组中便有对称三相电流流过。三相异步电动机的定子绕组是一个空间位置对称的三相绕组，如果在定子绕组中通入三相对称的交流电流，就会在电动机内部建立起一个恒速旋转的磁场，称为旋转磁场，它是异步电动机工作的