（电力电子与电力传动专业论文）基于开关磁阻电机的混合动力汽车42v电气系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y t o a u t o m o b i l ea n df u n c t i o no fh u m a nn e e d s ，t h ef u t u r eo fh i g h e re x p e c t a t i o nf o rc a r si n f u e l c o n s u m p t i o n ，e x h a u s te m i s s i o n s ，p o w e ra n dc o m f o r tr e q u i r e m e n t s w i l l i n c r e a s i n g l yh i g h a m o n gt h e m ，e l e c t r o n i ca n de l e c t r i cv e h i c l ei st h ed e v e l o p m e n t t r e n do ff u t u r ea u t o m o b i l ei n d u s t r y t h e r e f o r e ，a l a r g en u m b e ro fh i g h t e c h a p p l i c a t i o n si nc a r s ，w i t ht h er a p i dg r o w t ho fe l e c t r i c i t yo fc a r t h et r a d i t i o n a l14 v a u t o m o b i l ee l e c t r i c a ls y s t e mo fp o w e ri so n l ya b o u t3 k w ( b a t t e r yv o l t a g ei s12 v ) i t c a n tm e e tt h en e e d ，a n dt h ei n c r e a s eo fp o w e rl e a d st om o r ec u r r e n t c a r sw i l la d o p t m o r et h i c kw i r e s ，i n c r e a s i n gt h ec a rc o s ta n de n e r g yc o n s u m p t i o n i fd i d n ti n c r e a s e t h ec u r r e n t ，t h em o s te f f e c t i v ew a y sw i l lb ei m p r o v i n gv o l t a g eo fa u t o m o b i l ee l e c t r i c a l s y s t e m a st h en e x tg e n e r a t i o no fa u t o m o b i l ee l e c t r i c a ls y s t e ms t a n d a r d sv o l t a g e s ， 4 2 ve l e c t r i c a ls y s t e mh a sb e c o m et h ei n t e r n a t i o n a la g r e e m e n t t h e r ea r et w ok i n d so ff e a s i b l es c h e m ea b o u tt h en e we l e c t r i c a ls y s t e mi nh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e s w h o l e4 2 ve l e c t r i c a ls y s t e ma n d4 2 v 14 vm i x e de l e c t r i c a ls y s t e m t h ef o r m e rh a sc a u s eb i g g e ri m p a c tt ot h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y , a n dt h el a t t e rh a s g r e a t e rc o m p a t i b i l i t y t h ef o r m e rw o u l di m p a c ta u t o m o t i v ei n d u s t r ys e v e r e l y ，a n dt h e l a t t e rh a sg r e a t e rc o m p a t i b i l i t y t h ep a p e rm a k e sab a s i ss t u d yo f4 2 v 14 ve l e c t r i c a l s y s t e mo nt h ea p p l i c a t i o no fc a r sb a s e do nt h er e l a t e dr e s e a r c h t h em a i nr e s e a r c hi s a sf o l l o w s f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ec a u s e so fb o o s t i n ga u t o m o b i l ee l e c t r i c a ls y s t e m ， i n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dt e c h n o l o g yt r e n d so fa u t o m o b i l ee l e c t r i c a ls y s t e m s i ta l s od i s c u s s e st h ei n f l u e n c et ok e yp a r t so f4 2 ve l e c t r i c a ls y s t e m ，s u c ha sv e h i c l e e n g i n e ，b a t t e r ya n dv e h i c l e s e c o n d l y , t h ep a p e rs t u d i e sa n dc o m p a r e sb a t t e r i e ss c h e m eo fc u r r e n th y b r i dc a r s ， a n ds t u d i e sv r l a b a t t e r yc h a r g i n gm e t h o do fh y b r i dc a r s4 2 ve l e c t r i c a ls y s t e m t h e p a p e re x p l o r e s t h ed c d cc o n v e r t e rt o p o l o g ys t r u c t u r eo fh y b r i dc a t s ，a n dp u t s e f f e c t i v es c h e m et oi m p r o v ee f f i c i e n c yo fd c d cc o n v e r t e r 江苏大学硕士学位论文 f i n a l l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e si n t e g r a t e ds t a r t u pg e n e r a t o rs y s t e mi n s t a l l a t i o n ， w h i c hi st h ec o r ed e v i c eo f4 2 14 ve l e c t r i c a ls y s t e m ；i tp r o p o s e sd e s i g ns c h e m eo f is gs y s t e mb a s e do ns w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r , a n a l y z i n gt r a n s i e n tv o l t a g ea n d e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ef r o mt h eb o o t i n go fc a r sp o w e r , a n de x p a n d i n gb a s i c m e t h o d st os o l v et h e m t h ep a p e rc o m p l e t e ss t a r te x p e r i m e n ta n d d e b u g g i n gb a s e do n s w i t c hr e l u c t a n c em o t o ro nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，a n dv e r i f i e st h ei s g s y s t e mb a s e do nt h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rc a ns a t i s f yt h en e e do f4 2 14e l e c t r i c a l s y s t e m a tp r e s e n t ，a u t o m o b i l ee l e c t r i c a l s y s t e md e v e l o pf r o m14 vt o4 2 vi sa n i n e v i t a b l et r e n d m i x e d4 2 v 14 ve l e c t r i c a ls y s t e mw i l lb ee x i s ta sat r a n s i t i o n a lp h a s e ， a n di tw o u l db r i n g s h o c k ，o p p o r t u n i t i e s ，c h a l l e n g e s t od o m e s t i cv e h i c l e sa n d a u t o m o b i l ep a r t sm a n u f a c t u r e r s t h i si st h ed o m e s t i ca u t o m o b i l ea n da u t o m o b i l e p a r t sm a n u f a c t u r e r sh a v e b r o u g h ts h o c k ，o p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g e s a tt h es a m et i m e ，i tw i l lb r i n gn e w e l e c t r i c a lt e c h n o l o g yr e v o l u t i o n t oc a ri n d u s t r y ke yw o r d s ：4 2 vs y s t e m ，d s p , d c d c ，s t a r t u pg e n e r a t o r , s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r i i i 江苏大学硕士学位论文 图表目录 图1 14 2 14 v 汽车电气系统方案4 图2 1 恒流恒压充电方式1 l 图2 2 快速充电方式一1 2 图2 3b u c k 斩波电路15 图2 4 带有占空比调节的b u c k 电路1 7 图2 5 带有占空比调节的b u c k 电路电压波形1 7 图2 6b o o s t 斩波电路一l8 图2 7b u c k b o o s t 斩波电路19 图2 8 双管正激d c d c 变换器主电路2 0 图2 9 全桥d c d c 变换器主电路2 l 图2 1 0 全桥d c d c 变换器丌关波形2 1 图2 1 1 可逆双管f 激d c d c 变换器主电路2 2 图2 1 2 硬开关的开关过程2 5 图2 1 3 软丌关的丌关过程2 5 图2 1 4 非同步整流和同步整流的降压斩波器2 6 图2 1 5 死区产生电路2 7 图3 1 丌关磁阻电机i s g 系统框图2 9 图3 2 三相6 4 极开关磁阻电机的结构截面图3 0 图3 3 三相6 4 极丌关磁阻电机典型电路图( 一相) 3 l 图3 4 双绕组式功率变换器电路( 一相) 一3 3 图3 5 电容分压式功率变换器电路( 两相) 一3 4 图3 6 双丌式功率变换器电路( 一相) 一3 5 图4 1 系统硬件框图一3 7 图4 2 混合动力汽车i s g 闭环控制系统3 9 图4 3 主电路原理图4 0 图4 4i p m 外围电路图4 2 图4 5 过欠压保护电路图4 2 v i 江苏大学硕士学位论文 图4 6 开关电源工作原理4 3 图4 7 电压转化电路4 4 图4 8 电流检测电路4 5 图4 9d s p 外扩s r a m 框图4 6 图5 1 主控电路板及功率驱动板实验平台4 9 图5 26 相1 2 1 0 极开关磁阻电机4 9 图5 3 开关磁阻电机全角度起动一5 0 图5 4s r g 不同转速下相电流与相控信号时序波形5l 表2 1 混合动力汽车用蓄电池的参数比较1 4 表4 1 串行数据格式4 4 表5 1 主要仪器设备一5 0 v l l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 保密口， 在年解密后适用本授权书。 不保密。 珂沟文 签字同期少牮占月f 汐 导师签名： 签字蒯。年6 哕 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一躲1 1 2 式 日期： 卟年。 月尺日 7 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 能源与环保是2 l 世纪世界各国面临的重大挑战，特别是刚刚过去的全球金融 危机再一次提醒我们能源的战略地位。传统燃油汽车由于高能耗和高污染等缺点 将面临重大冲击，世界各国都加紧对汽车电气系统技术的研究。发展具有更高能 源利用率的混合动力汽车( h e v , h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 、纯电动汽车( b e v , b a t t e r ye l e c t r i cv e h i c l e ) 和燃料电池汽车( f c v , f u e lc e l lv e h i c l e ) 是汽车转型的 必然选择。就目前现状来看，混合动力汽车凭借其较为成熟的技术，结合我国汽 车工业的技术状况，发展混合动力汽车较为适宜【l l 。混合动力汽车是指由传统的 内燃发动机和电动机作为动力源，通过汽油装置和电力装置混合使用达到节省燃 料和降低排放的目的。经过十几年的发展，混合动力系统已形成多种形式，从原 来的发动机与电机离散结构向发动机、电机、变速箱一体化结构发展，即集成化 混合动力总成系统。而起动发电一体化系统( i n t e g r a t e ds t a r t e dg e n e r a t o r ，简称 i s g ) ，是其中的重要部分。目前，电气系统的高电压化、起动发电一体化以及 新型电池的丌发成为混合动力汽车研究的主要内容，这也是目前国内外的热门研 究领域之一。 1 2 混合动力汽车电气系统的高电压化 1 2 11 4 v 电气系统 从2 0 世纪5 0 年代开始，汽车的7 v ( 电池电压为6 v ) 电气系统逐渐被1 4 v ( 电 池电压为1 2 v ) 电气系统所代替，1 4 v 电气系统由额定输出电压为1 4 v 的交流发 电机、额定电压为1 2 v 的蓄电池和负载组成。发电机通过传输链连接在发动机的 曲柄轴上，利用发动机的机械能产生电能存储在蓄电池中，蓄电池在发动机起动 时为汽车提供电能。由于电气负载和电池的运转状态是变动的，发电机的输出电 压可能在9 1 6 v 之问变动，以不同形式的纹波叠加在电压平均值上。当发动机运 江苏大学硕士学位论文 转时，发动机对蓄电池充电，使构成蓄电池的6 个额定电压为2 v 的蓄电池单元均 被充n 2 3 v 左右，故1 2 v 蓄电池实际电压被充至w 1 3 8 v 左右，接近1 4 v ，这就导致 蓄电池两端的电压在发动机运转时高于发动机停止时，所以实际要处理的电压为 1 4 v 。 1 2 2 汽车电气系统升压原因 早期汽车电气系统主要是发动机点火系统、起动系统和灯光信号系统等必需 的装置。伴随着电子技术的发展，各种汽车电子设备逐渐取代传统的机械和液压 设备，汽车电子技术成为解决汽车工业面临的汽车燃油利用率、排放标准、舒适 度、便利和安全特性等技术难题的最佳方案，汽车电气系统也变得同益复杂。发 动机电控系统、a b s 防抱死系统、电控主动悬架、空气净化系统、导航系统等一 系列技术大量应用在汽车上，提高了汽车的各种性能和质量。 随着电气装置的不断增多，使汽车的电能消耗r 益增长，在电源电压不变的 情况下提高电流和电子控制装置的性能成了1 4 v 电气系统的必然选择。然而汽车 中电子设备的应用会导致电气负载连接到电源的导线也越来越复杂。现如今的高 级轿车里有超过2 5 k m 的导线、2 0 0 0 个终端、3 5 0 个接插件和1 5 0 0 个不同的集成电 路，高电流会导致导线、接插件的体积与重量增加，增加了电力损失，降低了系 统的利用率，还会将损失的能量转换为热辐射并引起其他各种问题。为了解决这 些问题，提高汽车电气系统的电压成了解决问题的焦点1 2 j 。 为此，s a e ( s o c i e t yo fa u t o m o t i v ee n g i n e e r s ) 机构提出了一个代号为 s a e j 2 2 3 2 研究报告，报告指出低于6 5 v 直流电压不会对人体产生影响1 3j 。4 2 v 汽 车电气系统电流强度较1 4 v 电气系统低，同时电缆线可以采用较轻材质，电力 损失有效减低，提高了系统利用率。4 2 v 被认定为下一代混合动力汽车电气系 统最佳标准浮出水面【4 j 。 1 34 2 v 汽车电气系统 1 3 14 2 7 汽车电气系统概述 4 2 v 汽车电气系统是指交流发电机的额定输出电压为4 2 v ，蓄电池额定电压 2 江苏大学硕士学位论文 为3 6 v 。类似于1 4 v 电气系统，4 2 v 电气系统的电池由1 8 个额定电压为2 v 的蓄电 池串联构成，汽车起动后蓄电池实际电压被充到4 2 v 。故实际的汽车电气系统电 压为4 2 v 。 1 3 24 2 v 汽车电气系统优点 ( i ) 线缆和连接器 根据功率p = u i ，采用4 2 v 电气系统后，同等功率下，电压提升3 倍，电流将 降低3 倍，线缆的直径和连接器的体积将大大降低，可以使用更细的导线，车辆 可以实现轻量化。 ( 2 ) 处于安全电压范围 4 2 v 电气系统处于安全电压范围，即使电压波动，也不会超过6 5 v 直流安全 电压。 ( 3 ) 可以直接使用现有的耐压为6 0 v 的功率器件( m o s f e t ) ( 4 ) 为汽车电子提供更大的发展空间 目前的1 4 v 汽车电气系统只能产生3 k w 的动力，而4 2 v 电气系统将产生超过 8 k w 的动力，越来越多的汽车电子装置如车载卫星导航系统、智能电脑系统、主 动悬架、车内娱乐系统、安全气囊等可以安装在汽车中5 1 。 ( 5 ) 电动机和电磁阀 采用4 2 v 电气系统后，电动机和电磁阀的蕈量降低2 0 左右，使汽车空f h j 增 大，舒适度增强。并且电机的输出功率从几千瓦提高1 0 千瓦以上1 6 1 。 ( 6 ) 为发展混合动力车辆提供了条件 采用4 2 v 电气系统后，发动机的一些部件可以分离出来，直接由蓄电池供电， 减小了发动机的体积和重量，提高了发动机的效率。同时，发动机在起步或轻载 工况下效率较低，采用4 2 v 电气系统可以实现汽车起步和轻载工况下由蓄电池供 电，减少了汽车的排放污染，也为混合动力汽车的发展提供了契机。 1 3 34 2 v 汽车电气系统缺点 ( 1 ) 安全性 提高汽车电气系统电压后，漏电、电弧产生的危害将大大增加，因此需要对 江苏大学硕士学位论文 连接器和电源箱的构造进行改进，并充分考虑电路的保护。 ( 2 ) 噪音 提高电压会增加噪声，特别是p w m 控制的开关噪声对音响系统和通讯系统 的影响。 ( 3 ) 电磁兼容性 提高电压会使电子设备更易受到电磁干扰，降低系统的稳定性，务必要提高 电子设备的电磁兼容性，这增加了成本和技术难度。 ( 4 ) 对汽车配套供应商 4 2 v 汽车电气系统的实施，将使汽车零部件设计和结构发生重大变化，发动 机和电动机同样面对改进，研制新产品迫在眉睫。而且在相当一段会出现1 4 v 、 4 2 v 两种电气系统共存的情况，配件供应市场和汽车维修企业工作复杂性增加。 1 3 44 2 v 电气系统的实现方案 汽车采用4 2 vd c 电气系统解决了混合动力汽车对能量的高要求，也为增加汽 车的电气负载提供便利，因此汽车4 2 vd c 电气系统势在必行【7 1 。但是大多数汽车 配套设备采用的电源还是1 4 vd c ，汽车电气系统转变为4 2 v 系统需要一个过渡， 即在开始使用4 2 v 1 4 v 双电压共存的混合电气系统( 图1 1 ) ，经过一段时间再发 展为纯4 2 v 电气系统。 图1 14 2 1 4 v 汽车电气系统方案 在4 2 v 1 4 v 系统中，高功率负载( 加热、冷却、电气悬挂等) 由4 2 v 电气系 统供电，低功率负载( 照明灯、仪表、电动摇窗机、电动陌刷等) 由1 4 v 电气系 统供电【8 j 。如果交流发电机同时产生4 2 v 1 4 vd c 电压，势必会增加发电机结构和 控制的复杂度，如果采用更加技术成熟的d c d c 变换器将有效降低汽车电气系统 的设计难度，故本文采用图1 1 的电气系统方案，交流发电机产生4 2 vd c 输出电 压，一路给3 6 v 蓄电池充电，一路给4 2 v 负载供电，另一路通过d c d c 变换器给 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 v 负载和1 2 v 蓄电池供电。 新的电气系统与传统的1 4 v 电气系统有很好的兼容性。既满足了大功率负载 对高电压的需求，使4 2 v 蓄电池与发动机共同成为汽车动力能源成为可能，同时 又满足了小功率负载的低电压的需求，使低压负载可以采用较细线缆，降低汽车 空间和损耗。因此，作为过渡阶段的4 2 v 1 4 v 电气系统是混合动力汽车电气系统 的趋势1 9 j ，也为汽车全面4 2 v 化提供了推动作用。 1 3 54 2 v 电气系统发展概况 从上世纪末丌始，人们就已经注意到4 2 v 电气系统，麻省理工学院、大众， 奥迪，宝马，欧宝、保时捷、福特、通用、雷诺，沃尔沃，西门子，博世，摩托 罗拉，德尔福等知名汽车商、零部件商以及电子电讯商共同组织起来对4 2 v 电气 系统可行性及标准化进行了探讨。目前，4 2 v 电气系统结构已经得到国际汽车工 业界的认可。通用汽车公司采用双电压方案试制出 4 2 v 电气系统汽车；宝马公 司的b m w z 2 2 概念车也已经使用了4 2 v 双电压供电技术；博世公司开发出了4 2 v 系统i s g ，该发电机在额定电压为4 2 v 下发电功率可达到1 4 k w ；德困两门子汽车 系统公司也研制出了4 2 v 系统一体化起动发电机( i s g ) ，该装置输出功率可达 8 k w ，而其效率在整个发动机的转速范围内都高于8 0 ：德国法兰克福的4 2 v 和 4 2 v 1 2 v 双供电系统设计方案，包括了4 2 v a g m 铅酸电池；锂聚合物电池；用于 4 2 v 1 4 v 混合供电系统的d c d c 转换器；以及动力管理系统，该系统可使电池与 内燃机联合提供动力，应用于先进的动力系统和下一代混合动力驱动系统。以上 产品为4 2 v 供电系统的应用提供了良好基础f 1 0 1 i l l l 。 目前我国对4 2 v 汽车交流发电机系统的研究才刚刚进入起步研究阶段，由于 我国汽车制造业规模小而数量多，与国外相比还存在很大差距，因此很难独立面 对这一挑战。随着更具有优越性价比的4 2 v 电气系统车辆的大量进口，将给我国 汽车工业带来一个很大的冲击。但是，这场变革对我国汽车工业也将是一次难得 的跨越式发展机遇。我国政府主管部门和汽车企业的领导已高度关注这一未来技 术变革，密切跟踪其国际发展动态，规划我国汽车4 2 v 电气系统的发展，组织行 业力量对4 2 v 电气系统进行立项研究，以缩小我国汽车工业同国际汽车行业的差 距。 江苏大学硕士学位论文 1 4 基于开关磁阻电机的混合动力汽车is g 系统 1 4 1 基于开关磁阻电机的l s g 系统简介 传统的燃油汽车电气系统中，起动、发电分别由直流起动电动机和交流发电 机两个独立的了系统构成，实际上，起动电机只在发动机起动时工作，发动机运 行到怠速后就发动机便脱离并停止工作，而交流发电机在发动机运行之后才工 作，随着汽车工业的发展及埘燃油消耗量和排气量的减少的要求越来越高，将独 立的起动、发电系统融合为一体成为一种新发展方向而受到人们重视。 起动发电系统( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) ，简称i s g 系统，是4 2 v 电气系统 的核心装置，包括电机、控制器、莆电池等主要部件。 ( 1 ) 电机 i s g 系统电机融合起动机和发电机于一身，利用电机的可逆原理，在发动机 起动时，电机将电能转化为机械能，驱动发动机，当转速达到某一定值后发动机 点火，这一过程称为起动。起动结束后，发动机驱动电机，电机转为发电机运行， 将机械能转化为电能输出，通过a c d c 得到直流电，供给车载设备并向蓄电池充 电。 国际上i s g 系统的电机主要有感应电机、稀土永磁电机和开关磁阻电机三大 类，其中开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r 简称s r m ) 由于其制造成本 低廉、功率密度高、无级调速、四象限运行、容错能力强以及适应恶劣环境工作 等特殊优剧1 2 j 1 1 3 j l l4 1 ，在本课题中采用了开关磁阻电机作为i s g 系统的起动发电 机。 ( 2 ) 控制器 i s g 系统控制器通常由智能功率模块、检测传感器以及d s p 和c p l d 构成的核 心控制器构成，根据不同的情况，控制电机的工作状态。 ( 3 ) 蓄电池 作为能量的存储单元，包括3 6 v 蓄电池和1 2 v 蓄电池，主要提供电源和发电 储能。 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 2i s g 系统国内外发展现状 由于i s g 系统在4 2 v 汽车电气系统中占重要地位，圈外许多汽车公司纷纷对其 进行研究丌发。宝马公司( b m w ) 与德国科隆公司共同研制的i s g 系统运用现代 电子技术成功将起动机和发电机结合在一起解决了低速起动发动机与高速发电 机的矛盾，并直接装在汽车发动机上【1 5 l 。博世、西门子、萨克斯和德尔福、法雷 奥等公司也开发出这种系统，其中，法雷奥丌发的i s g 选用4 2 v 电气系统，采用 皮带连接的间接传动方式，与传统车相比，可节省2 0 的燃料，在3 0 的停顿过 程中实现“零”排放i l 引。与此同时，一些美囡公司和学术机构也丌始一。体化起动 发电机的研究工作。美国伟世通公司( v i s t e o nc o r p o r a t i o n ) 也推出了其i s g 的样 机，最大输出功率可达1 2 k w l j 。 近年来我国也非常重视混合动力电动汽车的研发工作，一些单位的起步研究 工作正在展开，1 9 9 9 年，江苏理工大学承担了江苏省科委下达的重点工业科技 攻关项目z j k6 7 0 0 h e v 串联式混合动力公交轻型客车的研制。2 0 0 4 年年底， 上汽集团汽车工程研究院同上海交通大学、中科院上海微系统所等译位合作，完 成了上海市科委、上汽集团“申新动l 号”混合动力城市公交车的概念样车丌发。 2 0 0 5 年1 1 月上海交通大学和上海华普汽车有限公司合作丌发了“海威( h e v e n ) ” 混合动力轿车1 引，吉利华普海尚m a ( 海尚3 0 5 ) 在2 0 0 7 年第7 届卜海工业 博览会上登场。这款车足由上海交通大学自主知识产权的混合动力技术改造丌发 的一台中度混合动力轿车。该车采用发动机曲轴i s g 双离合方案，1 5l 发动 机曲轴并联电动机的一体化设计，优点是结构紧凑、可靠性高、成本低，可节省 燃料2 0 左右。 1 5 本论文的主要研究内容 本文对4 2 v 1 4 v 双电压电气系统的电源、双电压转换器模块化设计；i s g 起动 发电机等进行了详尽的介绍；对可能产生的电磁干扰作了进一步的探讨；对基 于开关磁阻电机的i s g 系统进行了实验，证明了基于开关磁阻电机的i s g 系统在 4 2 v 混合动力汽车系统中的优越性。 主要内容包括以下几个方面： 江苏大学硕士学位论文 ( 1j 混合动力汽车4 2 v 电气系统蓄电池及d c d c 变换技术设计方法及研究； ( 2 ) 基于开关磁阻电机的混合动力汽车4 2 v 电气系统的i s g 系统研究及数字 控制硬件设计； ( 3 ) 基于开关磁阻电机的混合动力汽车电气系统4 2 v 化后产生的电磁干扰 e m i 、瞬态高压及对其抑制等。 ( 4 ) 基于开关磁阻电机的混合动力汽车4 2 v 电气系统的软件设计及实验。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章4 2 v 电气系统蓄电池及d c d c 变换器设计 对于4 2 v 混合动力汽车而占，蓄电池足其不可或缺的组成部分，作为辅助动 力源，将传统的铅酸蓄电池串联就呵以达到高电口i 的要求。但是如果考虑到汽车 功能的增加及其体积和重量，就需要确定合适的蓄电池类型、组合方式以及技术 可行性。4 2 v 混合动力汽车用蓄电池，包括酸性电池、碱性电池、电气双层电容 器e d l c ( e l e c t r i cd o u b l el a y e rc a p a c i t o r ) 等l 憎l 。为了实现汽车更高的电气性能， 汽车动力系统h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 化是混合动力汽车4 2 v 电气系统必 须关注的，通过d c d c 变换器可确保辅助动力源的充电和辅机的驱动电源。 2 1 汽车蓄电池 蓄电池又称二次电池，它不仪能将其储存的化学能量转化为电能即放电过 程，也能在参加反应的物质以电能的形式释放完毕后，再用充电器对它输入直流 电能，又可将已损耗的活性物质复活，即充电过程。因此蓄电池i 叮以进行多次充、 放电循环，这是一种可逆的电池。 根据蓄电池电解质的性质不同，蓄电池可以分为酸性电池( 电解质采用稀硫 酸) 和碱性电池( 电解质采用碱性物质，如氢氧化锂、氧化钾、氧化钠) ，另外 电气双层电容器虽不属于蓄电池范畴，但由于其优越的性能，在混合动力汽车中 也可以使用1 2 0 l 。 2 1 1 汽车蓄电池应该具备的特性 4 2 v 混合动力汽车应该具备以下几个特性： ( 1 ) 高冷起动性能：发动机冷起动时需要较大的起动功率， ( 2 ) 电荷保持性能：为了能在长期放置后仍然可以进行冷起动，需要电池 的自放电小； ( 3 ) 通过电池的组合可以得到较高的电压，且对电池的一致性要求很高； ( 4 ) 怠速停机功能以及保证怠速停机时有充足的电能保证负载的运行； ( 5 ) 怠速停机后能保证发动机起动时所需要的功率； 9 江苏大学硕士学位论文 ( 6 ) 能够接受较大的反馈电流( 充电特性) ，以回收制动能鼍； ( 7 ) 输出功率大，加速时能保证大功率输出； ( 8 ) 用蓄咆池独立驱动行驶所需要的功率和能量。 ( 9 ) 混合动力汽车上的蓄电池需频繁充放电，凼此需要蓄电池具备较好的 充放电特性及较长的使用寿命。 2 1 2 酸性蓄电池及其充电特性 最常用的酸性蓄电池为铅酸蓄电池，它具有电动势高且稳定、容量大、转换 效率较高、供电方便且可靠、造价低等优点，广泛应用r 车辆电源中。在传统铅 酸蓄电池中，早期的铅酸蓄电池电解液不仅用于导电和进行电化学反应，还需要 用来浸泡极板和附件，所以电解液量很多，故称为富液式电池。到了2 0 世纪8 0 年代中，在富液式电池的基础上出现了阀控式密封铅酸v r l a ( v a l v er e g u l a t e d l e a da c i d ) 蓄电池。这种电池采用贫液式设计，即将大部分电解液贮存在吸液 式玻纤维隔膜( a g m ) 中，小部分电解液贮存在正负极板活性物质孔隙中，使 电池壳内无流动的电解液，故又称为贫液式蓄电池。铅酸蓄电池的开路电压为 2 0 6 v 只，以正常电流放电时电压逐渐降低，最终电压不应低于1 7 0 - 1 8 0 v 只。 汽车用蓄电池的主要功能足起动直流电机、其次足给负载供电，因此需要高 冷起动性能、电荷保持性能、循环寿命。蓄电池置于发动机舱以外时，因为加水 比较困难，因此汽车上使用的铅酸蓄电池大多为不使用液体、不需要加水的 v r l a 蓄电池。 铅酸蓄电池的充电方法有恒流充电、恒流一恒压充电、恒压充电、快速充电 等几种【2 。 ( 1 ) 恒流充电： 是指充电过程中充电电流保持恒定的充电方法。 ( 2 ) 恒流恒压涓充充电： 开始阶段采用恒流充电，当充电电池的端电压达到预定值后转入恒压充电， 此时电流逐渐减小，当电流小到一定程度后进入涓充，h o d , 电流充电，直至充电 结束。 ( 3 ) 恒压充电： 1 0 江苏大学硕士学位论文 是指充电过程中充电电压保持恒定的充电方法。 ( 4 ) 快速充电： 充电过程为大电流脉冲式充电，充放电频率根掘蓄电池的充电电量自适应调 节。放电去极化，采用叫定式脉宽放电( 相对于充电时间，放电固定脉宽很窄) ， 放电电阻并联切换山m c u 自动控制。 2 1 3 混合动力汽车4 2 v 电气系统用v r l a 蓄电池的充电方法 混合动力汽车用v r i 。a 蓄电池的充电方式推荐采用恒流恒压一涓充充电方式 和快速充电方式两种充电方式。在混合动力汽车4 2 v 电气系统中，恒流恒压涓 充充电方式有利于提l 盎汽车蓄电池的使用寿命，由于充电速度较慢，在不需要快 速充电场合可以采用恒流一恒压一涓充充电方式。但是在需要快速充电场合，恒流 一恒压一涓充充电由于充电时问过长，无法满足混合动力汽车4 2 v 电气系统的需要， 故需采用快速充电方式。 恒流一恒压充电方式通常设定整流器的稳压值为2 2 3 2 3 0 v 只( 2 5 ) ，正常 情况下充电约8 h 。充电时问不能过长，充电后期电流不能大，以防止过充。稳压 值若再提高到2 3 5 v 只，则在充电临近稳压点2 3 5 v 前和即将转入稳压的初始， 为析氧峰值区域，所包围的面积占整个充电过程的析氧鼍的6 0 6 5 ，所以将 稳压值减小到2 2 3 2 3 0 v 只，可以减小继续充电用于水分解的电流值，从而降低 析氧峰值速度和缩小析氧峰值区域面积。其充电方式示意图如图2 1 所示。其中 c 1 0 表示蓄电池1 0 h 率的额定容量。 _ 、 、一 鹾 口 口 恹 ljl 充i l l i 【 压( 2 3 0 v ，j 6 _ o 蟋 正】 正】 根 、- 时间( h ) 图2 1 恒流一恒压充电方式 快速充电方式采用大电流充电，但由于蓄电池自身的特性，持续大电流将导 江苏大学硕士学位论文 致电荷无法充入电池，需要在大电流充电几秒后采用几个窄负脉冲进行放电，其 示意图见图2 2 。 鹾 脚 脚 根 媛 脚 脚 根 2 1 4 碱性蓄电池 图2 2 快速充电方式 时间( h ) 时间( h ) 碱性蓄电池是以碱性化合物( 氢氧化锂、氧化钾、氧化钠) 水溶液为电解液 的蓄电池。其中镍氢蓄电池、锂离子蓄电池具有比铅酸蓄电池更平稳的二l ：作电 压、能高倍率( 大电流) 放电、机械强度高、耐过充过放、低温特性好和使用寿 命强等特点，适用于混合动力汽车领域。 ( 1 ) 镍氢蓄电池 镍氢蓄电池是美国近2 0 年来开发的新型高能二次电池，它的正极是镍氧化 物，负极是可以将活性物质氢通过电化学方式吸藏和放出的氢吸藏合金，电解液 使用高浓度的氢氧化钾水溶液。氢吸藏合金是通过热、压力和电压可以将氢吸藏 和放出的合金。镍氢蓄电池也利用合金的电位变化将氢吸藏或放出。 镍氢蓄电池的初步民用实现于2 0 世纪9 0 年代初，此后为了在混合动力汽车方 面推广和应用，对其功率特性、回馈接收特性和寿命等基本特性进行了改进和技 术开发，于1 9 9 7 年实现了混合动力汽车用镍氢蓄电池的实用化。 镍氢蓄电池在用于混合动力汽车4 2 v 电气系统中，如果将输出侧的电压和系 江苏大学硕士学位论文 统匹配，那么输入侧的电压就可能高于铅酸蓄电池，因此系统的工作范 i | 需比其 他蓄电池系统更宽。此外，还需要解决蓄电池的小型化和低成本化等技术难题。 ( 2 ) 锂离子蓄电池 锂离子蓄电池是采用钻酸锂、锰酸锂作为j 下极活性物质、可吸藏锂离子的碳 材料作为负极的电池，其中锰酸锂较钴酸锂廉价，主要用于混合动力汽车等用途 的大功率蓄电池。锂离子蓄电池不像铅酸蓄电池和镍氢电池那样使用水溶液作为 电解液，而是以混合溶剂为主的有机电解液。充电时正极的锂变为离子在电解液 中移动，并被负极的碳素吸藏，放电时发生相反的反应。此反应过程中，锂时常 以离子的形态存在，而不以金属状态析出。由于铿离子蓄电池的重黾比较轻，能 量密度和功率密度都非常高。因此适合作为4 2 v 混合动力汽车的能量存储单元。 到目前为止，由于成本等问题依然比较突出，但锂离子蓄电池的作为4 2 v 混合动 力汽车储能装置应该会具有广泛的应用。 ( 3 ) 电气双层电容器 电气双层电容器又叫超级电容器、黄会电容或法拉电容，它是一种具有超级 储电能力，可提供强大的脉冲功率的物理二次电源，是2 0 世纪7 0 年代发腱起来的 一种新型蓄电池。它具有有优良的急速充放电性能、低温特性好、低内阻、使用 寿命长、环境污染物质少等特性，它与其他类型蓄电池联用作为混合动力汽车的 动力系统，已被认为是今后解决混合动力汽车发展的最优途径之一。 2 1 5 各种车用蓄电池性能比较 一般来说，混合动力汽车用蓄电池可以根据其具体用途及要求的特性来进行 设计。纯电动车由于考虑瞬时发力，因而对蓄电池的功率密度要求较高，为了达 到一定的续驶罩程，对蓄电池的能量密度要求也比较高。混合动力汽车用蓄电池 由于注重能量的出入，因此和能量密度相比，在设计上更加注重蓄电池的功率密 度。 以上的蓄电池中，钾离子电池的能量密度和功率密度最高，而铅酸蓄电池都 比较低。镍氢电池的性能介于二者之间。电容器的能量密度很低，但具有非常高 的功率密度。 表2 1 对混合动力汽车用铅酸蓄电池、镍氢电池、铿离子蓄电池以及电容器的 江苏大学硕士学位论文 各种特性进行比较【2 2 1 。 表2 1 混合动力汽车用蓄电池的参数比