丰田油电混合动力系统的电动机中采用了交流同步原动机。该装置一直到高旋转带都可高效地产生高扭矩,同时可任意控制转数和产生的扭矩。另外,它还拥有小型、轻量、高效等特点,具有优秀的动力性能,可进行顺畅的启动、加速等各种操作。
在混合动力技术中,通过改变频率的方式控制三相电机的转速。因此,电源电子装置需要的频率范围取决于定子上的极对数量(作为固定变量)和发动机的最高转速,可能还与齿轮比的增加和减小有关。相序u、v,w表示三相电机的旋转方向。如果相位2和3互换,则旋转方向将倒转。对于切换三相电机上的所有6个线圈连接,始终有两种不同方式(星形连接或三角形连接)。可以使用这两种方式意味着只需要将3根电缆排布到电机或发电机:
星形连接:
将电压/时间图中的三个电压u、v、w相加可知,3个电压的和始终等于零。因此,所有线圈的一侧都可作为一个星点而短路。各个线圈连接的电压对应于与零线相对的相应距离。
三角形连接:
三角形电路上的线圈以串联方式连接。因此,每个线圈连接的电压对应于两个相位的相应距离。电压比星形连接高得多。
结果显示,与星形连接相比,采用三角形连接的电机/发电机的电流和电压增加1.73倍(3的平方根)}o采用三角形连接时,功率级别增加3倍。
保时捷混合动力模块中使用的线圈始终采用三竟形连接。
异步电机:
所有电机中最常见的电机是采用交流技术或三相技术的异步电机。之前已提及的交流电容式电机也属于这种电机。设计极其简单以及操作容易是此类电机的两大优势。
“异步”一词指的是旋转场转速和转子转速之间的差异。这两个转速彼此异步。电机轴上的机械负载越大,转速差(以%表示的滑差)以及电机线圈消耗的功率就越大。若无此转速差,异步电机不会产生任何扭矩。同时,这也解释了高启动电流的原因。异步电机的性能范围包括轨道车型中的小型交流电机和兆瓦级的工业电机等。
异步电机的两大缺点是启动电流高和不太适合用作混合动力技术的发电机。
同步电机:
所谓的同步电机最适合混合动力应用。与异步电机相反,同步电机的叶轮/转子转速与旋转场转速相同。这是通过略微修改线圈设计和磁极位置来实现的。转子转速仅由极对数量和频率决定(滑差=0)。
同步电机的缺点是过载抵抗力低。如果机械负载过高,转子转速将下降到旋转场转速以下。这将导致电机不再同步,从而停止运转。因此,同步电机不会自动启动。发动机控制装置必须对此行为进行弥补。在保时捷Cayenne S Hybrid中,电源电子装置会相应地调整频率。频率会从0Hz增加到所需转速,以便电机能够启动。因此,如果没有控制电子装置,同步电机就无法运行。
同步电机的优势包括设计极为紧凑,并可同时用作发电机。图示显示了保时捷Cayenne S Hybrid上的完整混合动力模块,包括发动机和变速器之间的干式离合器和电机/发电机。完整模块的长度达近150mm,可产生的总电功率为38kW 。
车辆构造内使用的三相交流发电机也是同步发电机。
功率和性能:
电气性能(P=功率)定义为电流和电压的乘积(P=Ux1),并以瓦(w)或干瓦(kw)为单位衡量。保时捷Cayenne S Hybrid中的镍氢蓄电池产生的最大电功率为38kW ,直流电压为288V(该最大功率在最大持续电流I=131.9 A时计算)。短时间内电流消耗可能更高。指定的最大脉冲电流为+120 A(充电)或-180A(放电)。蓄电池管理器负责监控蓄电池。此控制单元是蓄电池管理系统(BMS)的一部分,直接位于车辆后部的高压蓄电池上。一定时间段内输出或消耗的电功率(P)称为电功(W=Work)。因此,电功W是功率和时间的乘积(W=P x t),它被视为能量值,因为它表示可用能量的量。对于12V蓄电池,通常指定以安培小时(Ah)为单位的电容C,而不是以瓦特小时(Wh)或千瓦小时(kWh)为单位的电功w。但意思是一样的。蓄龟池电压乘以电容得到电功(w=C x t)。
用于比较:
保时捷Cayenne S Hybrid上安装的12V ACM蓄电池的电容为80Ah(电压为92V)。
所得电功或能含量值为:
960Wh,即约1kWh ( 12V标称电压时)。
安装在车辆后部的高压镍氢蓄电池在288V标称电压时的总能含量约为1.7kWh。
指定功率约为38kW ,容量约为5.5Ah。
效率:
效率指的是输出功率与消耗功率之间的比率。支持采用电驱动的主要依据之一是所有部件的效率都很高。请设想,发动机的效率不超过50%而电机、发电机和蓄电池的效率可高达90%!