混合动力汽车的电机驱动系统.ppt

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 、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。 、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。 、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。,、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。 、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。 、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。,（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,+,N,S,电刷,换向片,直流电源,电刷,电流方向：上半边向里，下半边向外。,a,b,c,d,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ad，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da，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,+,N,S,a,d,c,b,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、电枢电流Ia的乘积，即 T= CmIa 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+T0 T0（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=Cen 其中，Ce电机结构常数；磁极磁通；n电枢转速。,电动机的电压平衡方程式： U=E+IaRa U: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。,2、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。,3、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。,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；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= CmIa,、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=CeIa,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=CeN 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,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基本条件。,定子旋转磁场的转速被称为同步速，又称为电动机同步速，用n0表示。 定子旋转磁场的转速与电源电压频率f1成正比与磁极对数P成反比。,三相异步电动机的转动原理 静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，转子切割磁感应线，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流。转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩。电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。,电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速no，因而称为异步电动机。又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，所以也称为感应电动机 转差率 三相异步电动机同步速no与转子转速n之差(n=no-n)称为转差； 转差与同步速百分比称为转差率，用s表示，电动机额定状态下SN(26)。 S =(no-n)/ no 100% n =（1-s）no =（1-s）60fl/p 由以上分析可知转子转速n与同步转速no相差很小，电动机工作在电动状态nno ,电动机工作在发电制动状态nno。,二、三相电动机的调速 根据各种生产机械需要，需要对电动机转速进行调整，这就是调速。 三相异步电动机转速表达式: n=（1-s）no；n=（1-s）60 f1/p 可知三相异步电动机可以通过改变电压频率(fl）调速、改变转差率（s)调速、改变磁极（p）调速等三种方法。,1、变频调速 通过功率转换器把电池存储的直流电变换成为频率和电压均可调节的三相交流电源，然后供给三相异步电动机，从而使电动机的速度得到调节。 变频调速属于无级调速，具有机械特性曲线较硬的特点。调速范围广，调速性能好。,2、改变转差率调速 调压调速 改变定子绕组加的电压，随着电压的下降，转子转速连续下降，可实现无极调速。 缺点：调速范围小，难满足机械调速要求，较少采用,绕线式异步电动机转子绕组串电阻调速 通过改变转子绕组中串接调速电阻的大小来调整转差率实现平滑调速的，又称为变阻调速。 优点:工作可靠，调速简单 缺点：调速范围窄，调速平滑性差，调速能耗大,3、变极调速 变极调速就是改变电动机定子绕组的接法使定子磁极改变，从而改变同步转速no实现 转子转速改变。变极率调速是跳跃式调速，即速度变化非常大；例如电动机从两极调到四极，转速就从2800转分跳跃到1450转分。 适合于多速电动机调速,三相异步电动机的制动 1能耗制动 电动机定子绕组切断三相电源后迅速接通直流电源。感应电流与直流电产生的固定磁场相互作用，产生的电磁转矩方向与电动机转子转动方向相反，起到制动作用。 特点：是制动准确、平稳，但需要额外的直流电源。,2反接制动 电动机停车时将三相电源中的任意两相对调，使电动机产生的旋转磁场改变方向，电磁转矩方向也随之改变，成为制动转矩。 注意：当电动机转速接近为零时，要及时断开电源防止电动机反转。 特点：简单，制动效果好 反接时旋转磁场与转子间的相对运动加快，因而电流较大。对于功率较大的电动机制动时必须在定子电路（鼠笼式）或转子电路（绕线式）中接入电阻，用以限制电流。,3发电反馈制动 电动机转速超过旋转磁场的转速时，电磁转矩的方向与转子的运动方向相反，从而限制转子的转速，起到了制动作用。 当转子转速大于旋转磁场的转速时，有电能从电动机的定子返回给电源，实际上这时电动机已经转入发电机运行，所以这种制动称为发电反馈制动。,三、单相交流电动机 （一）单相异步电动机分类 单相异步电动机是单相交流电源供电的电动机 单相异步电动机由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。 单相异步电动机按结构分，分为罩极式和分相式,分相式电动机 分相式电动机的定子绕组分为工作绕组和起动绕组两相绕组。 工作绕组和启动绕组在定子腔内相互成90电角度； 可分为电容分相、电感分相、电阻分相三种类型。 其转子为鼠笼型转子。,U1和V1之间接电容器C则称为电容分相 若在U1和V1之间接电感器L,则称为电感分相 若在U1和V1之间接电阻器R,则称为电阻分相,（二）单相电动机工作原理 当向单相异步电动机的定子绕组中工作绕组通入单相交流电后，当电流在正半周及负半周不断交变时，其产生的磁场大小及方向也在不断变化，但磁场的轴线则沿纵轴方向固定不动，这样的磁场称为脉动磁场。 当电流为正半波时，磁场方向垂直向下；当电流为负半波时，磁场方向垂直向上；当电流为零时，磁场强度为零。,电流正半周产生的磁场,电流负半周产生的磁场,脉动磁场可分解为两个幅值相等、转速相反的旋转磁场，从而在气隙中建立正转和反转磁场。 这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流 。,感应电流与磁场相互作用产生正、反电磁转矩。正向电磁转矩企图使转子正转；反向电磁转矩企图使转子反转。这两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩。,单相异步电动机定子都有一套工作绕组，它在电动机的气隙中，只能产生正，负交变的脉振磁场，不能产生旋转磁场，当转子静止不动时转子导体的合成感应电动势和电流为0，合成转矩为0，因此转子没有启动转矩。故单相异步电动机如果不采取一定的措施，单相异步电动机不能自行启动，如果用一个外力使转子转动一下，则转子能沿该方向继续转动。,用外力使电动机向某一方向旋转时，转子导体的感应电动势、感应电流，正反转电磁转矩方向相反，但大小不同，使合成感应电动势和电流不为0，合成转矩不为0。这样平衡就打破了，转子所产生的合成电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来。,要使单相电机能自动旋转起来，在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与工作绕组在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与工作绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生旋转磁场,在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开，正常工作时只有工作绕组工作。 起动绕组可以做成短时工作方式。要改变这种电机的转向，只要把起动绕组的接线端头调换一下即可。,在单相电动机中，产生旋转磁场的另一种方法称为罩极法，又称单相罩极式电动机。此种电动机定子做成凸极式的，有两极和四极两种。每个磁极在1/3-1/4全极面处开有小槽，把磁极分成两个部分，在小的部分上套装上一个短路铜环，好象把这部分磁极罩起来一样，所以叫罩极式电动机。,当定子绕组通电后，在磁极中产生主磁通，其中穿过短路铜环的主磁通在铜环内产生一个在相位上滞后90度的感应电流，此电流产生的磁通在相位上也滞后于主磁通，它的作用与电容式电动机的起动绕组相当，从而产生旋转磁场使电动机转动起来。,（四）单相电动机启动 1、电阻启动单绕组运行方式 指单相电动机的启动时，工作绕组和串电阻器的启动绕组并联后加单相交流电压，这两个绕组和轴线在空间成90度电角度形成旋转磁场，电动机在磁场作用下启动，当电动机转速接近同步转速时，靠特殊的离心开关自动断开，使启动绕组切断电源，只有工作绕组接通电源，电动机在脉振磁场作用下稳定运行。,2、电感启动单绕组运行方式 指单相电动机的启动时，工作绕组和串电感器的启动绕组并联后加单相交流电压，这两个绕组和轴线在空间成90度电角度形成旋转磁场，电动机在旋转磁场作用下启动，当电动机转速接近同步转速时，靠特殊的离心开关自动断开，使启动绕组切断电源，只有工作绕组接通电源，电动机在脉振磁场作用下稳定运行。,3、电容启动单绕组运行方式 指单相电动机的启动时，工作绕组和串电容器的启动绕组，并联后加单相交流电压，这两个绕组和轴线在空间成90度电角度形成旋转磁场，电动机在磁场作用下启动，当电动机转速接近同步转速时，靠特殊的离心开关自动断开，使启动绕组切断电源，只有工作绕组接通电源，电动机在脉振磁场作用下稳定运行。,（五）单相电动机调速 单相电动机调速有3种常用的方法，即串电抗器调速、串调速绕组和变频调速，变频调速是目前应用较多。,1、单相电动机串电抗器调速 电抗器L串于单相电动机两个绕组公共端，电抗器L有三条引出线，分别接于调速开关SK的三个定触点，调速开关SK的还有一个触点和电源线相连接，通过改变调速开关SK旋钮位置使得电动机两个绕组承受电压发生改变，从而改变转速，实质是调压调速法。,2、单相电动机串调速绕组调速 将调速绕组串于单相电动机的启动绕组，调速绕组有3条引出线，分别接于调速开关SK的3个定触点，调速开关SK的还有一个触点和电源线相连接，通过改变调速开关SK旋钮位置使得电动机启动绕组承受电压发生改变，从而改变转速，实质是调磁调速法,3、单相电动机变频调速 单相电动机变频调速实质是改变电动机定子绕组电压频率，就会改变电动机同步转速，进而达到改变转速的目的，此调速方法是最理想的方法。,五、无刷直流电动机 直流电动机具有调速和启动性能好，启动转矩大的优点，但是电刷和换向器严重影响点击精度和性能，所产生的火花引起无线电干扰缩短电机寿命。 无刷直流电机利用电子开关线路和位置传感器代替电刷和换向器 无刷直流电动机是由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成,五、无刷直流电动机 直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。,五、无刷直流电动机 （1）无刷直流电动机的基本结构 1、电动机定子 2、电动机转子 3、位置传感器定子 4、位置传感器转子 5、驱动电路或电子开关电路,电动机的定子 电动机的定子绕组为对称多相绕组（星型或封闭式），各相绕组与电子开关线路中的开关管（桥式和非桥式）连接。,电动机的转子 电动机的转子用永磁材料制作成一定极数的永磁体。为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。,位置传感器 电磁式 光电式 霍尔元件,电子开关电路/驱动器 驱动器由功率电子器件和集成电路等构成 功能是： 接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机； 接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩； 接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；,无刷直流电动机的控制 交流电源经整流滤波电路变成直流，通过电子开关电路供给电机，同时，霍尔位置传感器检测转子的位子，将信号送到控制器，通过控制器的信号来控制电子开关电路中功率开关元件的导通与截止，实现电机的转动。,无刷直流电动机工作原理,活动四 永磁同步电机及其控制系统 永磁同步电机其本身是一个自控式同步电机，它有定子和转子组成。该种电机系统有电动机，逆变器、位置传感器。,一、永磁同步电动机的基本组成 1、电动机 永磁同步电动机也是由转子及定子两大部件所构成，定子：三相交流绕组；转子：永磁体。 转子有两种型式的结构，依据定转子之间的气隙分布有凸极式和隐极式之分,2、转子位置传感器 在永磁同步电机中