谈谈新能源混合动力车辆— 电驱动关键技术(1)

在新能源汽车领域中，混合动力汽车是由传统燃油车过渡到燃料电池汽车的必经之路，而对混合动力汽车的研究至关重要，无论是国内的上汽、比亚迪、长城、吉利，还是国外的丰田、本田、通用等都有相应的混动产品来满足日益严格的排放和油耗法规要求。

因此，对混合动力车辆电驱动系统的研究尤为重要，特别是动力总成以及附属部件的关键技术，接下来，会对电驱动系统中的电机和电池技术做一个全方位的介绍，让大家对混合动力系统的电驱动系核心部件：电机和电池有更加深入的理解和认识。

众所周知，混合动力车辆电驱动系统中的电机关键技术就是电机及其控制技术，因此，我们对电机本体结构及相关知识有一个全方位的认识，将有利于对驱动电机控制系统的理解。

首先，介绍电机的基础知识，主要功能是：将电能与机械能相互转换的机电装置。

一、主要特点：

1.1、在传统车辆中，电机可以处理能量源所提供的能量并向驱动桥传递功率和转矩，当车辆制动时，电机还能提供一个反方向的将车轮的机械能向电能转化的功率流过程；

1.2、当电机将电能转化为机械能时，称为电动机，反之，称为发电机；

1.3、在纯电动汽车中，电机是唯一的动力单元，在混合动力汽车中，电机和内燃机通过串联或并联的方式组合在一起为车辆提供动力。

二、电机分类：

2.1、电机可分为直流型和交流型，包括简单电机、直流电机、三相交流电机、感应电机、永磁电机、开关磁阻电机等；

2.2、应用于电动汽车的驱动电机可以分为有换向器电动机和无换向器电动机，有换向器电动机主要指直流电动机，包括串励、并励、复励、他励以及永磁励磁。

驱动电机分类(应用于电动汽车)

然后，需要对电机的基本原理和物理现象有充分的认识和理解。

从物理学角度来看，电机转矩的产生是通过利用以下两种基本电磁理论：

1、利用洛伦磁力原理，通过两组正交磁动势的相互作用；

2、通过利用转子向最低磁阻位置运动过程中的磁阻转矩。

且电机中同时发生机电能量转换的原因，是由于：导体在电磁场中移动时会产生感应电压以及通电导体在电磁场中移动时会受到机械力的作用。

当导体以一定速度在均匀磁场中运行时，且产生的电动势称为运行电动势或者速度电动势，

导体内产生的电动势表达式如下：

关键参数：

V为导体的速度；B为磁场强度；L为导体长度。

导体中的感应电动势(物理表现)

同时，在电动势表达式已明确的条件下，通电导体在磁场中受到的力由电磁力决定，表达式如下：

关键参数：

I为导体中的电流；B为磁场强度；L为导体长度。

通电导体在磁场中受到的力

在了解电机基础知识和物理现象后，接下来，介绍一些典型电机来加深对电机结构、原理以及控制系统的理解。

首先介绍简单直流电机系统，基本原理是单砸线圈置于一对磁极中间的气隙处，使其在磁场作用下可绕其旋转轴线自由转动，磁极对和单砸线圈形成了一个简单电机；在下图的简单电机中，旋转的单砸线圈称为转子，而永久磁铁构成定子，定子磁极对中的磁通构成了电机的磁场，称为场磁通。

单砸线圈在磁场中

上图表示磁场可以通过一对磁极构成，磁场方向为N极指向S极。

单砸线圈产生的感应电动势为两个侧边和底边产生的感应电动势之和：

关键参数：

L为导体长度；B为磁场强度；V为导体速度。

根据感应电动势，可以进一步得出线圈的最大磁通量计算表达式如下：

关键参数：

L为导体长度；B为磁场强度；r为旋转半径。

此外，可以通过连接在简单电机中单砸线圈导体末端的换向器和电刷产生直流电压，换向器与线圈末端连接并随线圈一起转动；电刷是固定的，与外部电路相连，两个电刷的位置分别于磁极对对齐，因此他们可以通过换向器收集由磁极和线圈侧边产生的电动势；换向器和电刷的结构为一种机械整流结构，可以将线圈侧边产生的变化的电动势转化为单向或直流电压。

下图所示为磁场磁通、感应电动势和直流电压的相互关系：

磁场磁通、感应电动势和直流电压

由上图可以计算得出在电刷处最终输出的平均直流电压为：

关键参数：

w为旋转角速度。

接下来，说明简单直流电机的力和力矩的关系；在直流电机系统中，接入电阻，会产生电流，称为电枢电路，对于单砸线圈，流过电阻的电流表达式为：

关键参数：

L为电流；B为磁场强度；w为角速度。

同时，在电枢上产生的沿旋转轴方向的转矩表达式为：

关键参数：

I为电流；Te为电枢产生的沿旋转轴方向的转矩。

最后，产生的平均转矩表达式为：

关键参数：

I为电流；Te为电机转矩。

以上简单直流电机的力和力矩关系明确之后，可以用如下图来加深理解，因为电机就是物理学中最典型的机电一体化应用：

电流产生的作用在线圈侧边上的力

很显然，上图表示作用在两个线圈侧边上的力，通过图形能够加深对电机力和力矩的理解。

接下来，继续介绍简单直流电机原理；对于磁阻电机，在转子绕旋转轴转动时有一个可变磁阻方向的磁通，线圈电感的变化是转子角位移的函数，表达式为：

关键参数：L为电感。

简单磁阻电机的转矩表达式为：

关键参数：

I为励磁电流；Te为磁阻电机的转矩。

励磁电流在同步转速下产生的平均转矩表达式为：

关键参数：

L为电感，关于转速角的函数；Im为励磁电流最大值。

以上描述的简单磁阻电机如下图所示：

简单磁阻电机

很显然，上图表示一个单相简单磁阻电机，气隙的磁阻变化量是转子角位移的函数。

在以上简单直流电机的基础上，下面，我们对一般形式的直流电机进行介绍。

一般形式下的直流电机为两组绕组，一组在转子上，一组在定子上，这两组绕组提供两组磁通量，因此，磁动势可以相互作用从而产生转矩且电机中保证两组磁动势正交的部件为换向器和电刷，转子中的绕组称为电枢绕组，定子中的绕组称为励磁绕组。

直流电机的优点如下：

1、基于线性的易控制性；

2、具有转矩和磁通独立控制的能力；

3、成熟的制造技术。

直流电机的缺点如下：

1、电刷易磨损从而导致较高的维护成本；

2、最大转矩较低；

3、电磁干扰以及功率质量比较低。

直流电机的等效电路

对于他励直流电机或电动机中存在独立的电枢电压和励磁电流控制，为满足电机的转矩—转速要求提供了额外性能优化的可能性；电机驱动的性能指标包括：效率、每安培的转矩、转矩脉动以及响应时间等，在纯电动以及混合动力汽车中应用最广的指标是效率性能。下图展示的是典型直流电机的磁化特性：

典型直流电机的磁化特性

根据基尔霍夫电压定律，电枢回路的电压平衡方程为：

关键参数：

Ea为反电动势；Laa为电感；Va为电枢回路电压。

励磁电路包括励磁绕组电阻以及电感，励磁电路方程为：

未完待续！

原文作者：SOA开发者

原文链接：https://blog.51cto.com/u_15357546/4809573