（三）、混合动力电驱动系统

    一、混合动力汽车电驱动系统概述
    1．混合动力汽车电驱动系统的特点
    混合动力汽车是利用电驱动作为辅助动力，来降低燃料的消耗，实现低污染，或在纯电动驱动模式时实现零污染。混合动力汽车上电驱动系统的工作条件及其工作模式与传统电动机相比有着很大的区别，这些区别使得工业电动机不适合在汽车上使用。相对于传统工业电动机而言，混合动力汽车上所使用的电驱动系统一般有以下特点：
    ①混合动力汽车上所使用的电机的响应性能要求更高。混合动力汽车上的电机往往要求频繁起停、频繁加减速以及频繁切换工作模式（作为电动机使用时驱动汽车，作为发电机使用时实现能量回收及发电）。
    ②混合动力汽车电驱动系统具有体积小、质量轻、功率密度和工作效率高等性能，这是因为汽车内部空间有限。
    ③相对于传统电机而言，混合动力汽车的电机具有更高的可靠性、抗振性和抗干扰性。
混合动力汽车电驱动系统的工作环境更为恶劣，干扰更大。
    ④传统电动机一般工作在额定功率附近，而混合动力汽车电动机的工作范围相对较宽，且由于混合动力汽车上电机工作模式的特殊性（工况经常处于动态变化中），额定功率这个参数对于混合动力所使用的电动机而言没有特别大的意义，所以对其额定功率的要求并不严格。而在高效工作区间，这个参数则更为实际和重要。
    ⑤在供电方式上，传统电机由常规标准电源供电，而混合动力汽车用电机所使用的电能来源于蓄电池，且由功率变换器直接供给。另外电机的使用电压及形式并不确定，从减少功率损耗及降低电动机逆变器成本的角度而言，一般倾向于使用较高的电压。

    2．混合动力汽车驱动电动机的种类
    传统电动机的种类很多，用途广泛，功率的覆盖面非常大。相对而言，混合动力汽车所采用的电动机种类较少，功率覆盖面也较窄。
    混合动力汽车最早采用了控制性能好和成本较低的直流电动机。随着电子技术、机械制造技术和自动控制技术的发展，直流电动机逐步被性能更加优越的交流电动机、永磁电动机和开关磁组电动机所取代。现今混合动力汽车所采用的电动机种类如图7所示。

    3.混合动力汽车对电动机性能的基本要求
    混合动力汽车驱动电动机的主要参数为：电动机类型、额定电压、机械特性、效率、尺寸参数、质量参数、可靠性和成本等。表1所示为现今混合动力汽车所采用的各种电动机的基本性能比较。此外，电动机所配置的电子控制系统和驱动系统，也会影响驱动电动机的性能。

    ①在允许的范围内，尽可能采用高电压。这样可以减小电动机和导线等的尺寸，特别是可以降低逆变器的造价。
    ②高转速。电动汽车所采用的感应式电动机的转速可以达到8000～12000r/min。高转速电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低混合动力汽车的整车装备质量。
    ③质量轻。电动机采用铝合金外壳，以降低电动机的质量，各种控制装置和冷却系统的质量等也要求尽可能轻。
    ④电动机应具有较大的起动转矩和较大范围的调速性能。大的起动转矩和大范围的调速性能使混合动力汽车具有良好的起动性能和加速性能，以获得所需要的起动、加速、行驶、减速、制动等的功率与转矩。
    ⑤电动机具有自动调速功能。装备自动调速功能电动机的车辆可以减轻驾驶人的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。
    ⑥电驱动系统应效率高、损耗低，并在车辆减速时能实现再生制动将制动能量回收。
再生制动回收的能量一般可达到总能量的10％～15%。
    ⑦电动机的工作电压可以达到300V以上，其电气系统和控制系统的安全性都必须符合国家（或国际）有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定，装备有高压保护设备。
    除了上面所述的这些以外，电驱动系统还要求可靠性好、耐温和耐潮性能强、运行时噪声低、能够在较恶劣的环境下长时间工作、结构简单、适合大批量生产、使用维修方便、价格便宜等。

    二、直流电动机
    1．直流电动机的种类和基本性能
    在混合动力汽车上最常见的直流电动机有串励直流电动机和他励直流电动机两种。
    （1）串励直流电动机
    串励直流电动机的励磁电流和电枢电流相等，能获得每单位电流的最高转矩，起动转矩大，有较好的起动特性以及较宽的恒功率调速范围，有利于提高混合动力汽车的动力性能。
    （2）他励直流电动机
    他励直流电动机能够分别控制励磁电流和电枢电流，来实现对电动机的控制。他励直流电动机具有线性特性和稳定输出特性，可以扩大其调速范围，能够实现在减速和制动时的再生制动，回收一部分能量。
    2．直流电动机的特点
    直流电动机的磁场和电枢可以分别控制，因此控制起来比较容易，而且控制性能较好。直流电动机的容量范围很广，可以根据所需的转矩和最高转速来选用所需要的容量。直流电动机的制造技术和控制技术都较成熟，驱动系统价格较便宜。
    因为直流电动机上有电刷、换向器等接触零件，它们容易磨损。在高速旋转时电刷与换向器之间会产生火花，严重时形成“环火”，限制了直流电动机转速的提高。
    直流电动机的优点是具有优良的电磁转矩控制特性，调速比较方便，控制装置简单、价廉。缺点是结构较复杂，效率较低，可靠性较差，重量大，体积大，价格高，需要经常维护和修理。
    3．直流电动机的控制系统
    直流电动机在电源电路上可以采用少量的控制元器件，最常采用的有IGBT电子功率开关的斩波器作为控制装置。IGBT斩波器是在直流电源与直流电动机之间的一个周期性的通断开关装置，斩波器根据直流电动机输出转矩的需要，脉冲输出和变换直流电动机所需的电压（从零到最高），与直流电动机输出的功率相匹配，来驱动和控制直流电动机运转。

    三、三相异步感应交流电动机
    1．三相异步感应交流电动机的类型与结构
    三相异步感应交流电动机有鼠笼式异步感应电动机（简称感应电动机）和绕线式异步感应电动机两种。
    鼠笼式感应电动机是应用最为广泛的电动机，三相异步感应电动机的定子和转子由层叠、压紧的硅钢片组成，两端采用铝盖封装，在转子和定子之间没有相互接触的部件，结构简单，运行可靠，经久耐用，价格低廉。
    2．三相异步感应交流电动机的基本性能
    三相异步感应电动机的功率容量覆盖面很宽广，从零点几瓦到几千千瓦，最高转速可以达到10000～12000r/min，采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，并且能够实现再生制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量约要轻50％左右。三相异步感应电动机已经能够大批量地生产，有各种不同型号规格的系列产品供用户选用。价格便宜，维修简单方便，得到普遍的应用。

    3．三相异步感应交流电动机的控制系统
    在混合动力汽车上，一般采用发电机或动力电池组作为电源。三相异步感应电动机不能直接使用直流电源，另外，三相异步感应电动机具有非线性输出特性。因此，在采用三相异步感应电动机时，需要应用逆变器中的功率半导体交换器件，将直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电，来实现对感应式电动机的控制。在混合动力汽车上，通常功率电路有以下三种基本形式：

    ①交-直逆变器系统，如图8a所示。
    ②交-交变频器系统，如图8b所示。
    ③交-直一交逆变器系统，如图8c所示。
    在有些装有交流发电机的混合动力汽车上，根据动力系统结构模型的要求，可采用前两种变频器或逆变器系统。

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