混合动力汽车电机和电控技术是怎样的?

混合动力汽车电机和电控技术是怎样的?_58汽车

总结内容:混合动力汽车通过集成发动机和电动机两个动力源,实现了更高效、更环保的行驶方式。本文介绍了混合动力汽车的电机技术,如永磁电机、异步电机等,在电动车驱动中具有高效率、高功率密度的优势。电控技术则体现在能量管理策略上,包括基于规则、全局优化和实时优化的策略。同时,电池管理系统和能量回馈系统等技术也起到了关键作用。混合动力汽车在行驶过程中可根据实际情况选择最优的能量管理策略,以达到更好的燃油经济性和动力性能。混合动力汽车技术综合了发动机和电动机的优点,通过先进的电机和电控技术实现了高效能量管理和优化。其中,电机技术的选择对电动车性能至关重要,而电控技术则是指引汽车能效的“军师”。同时,电池管理系统和能量回馈系统等技术的应用,进一步提高了混合动力汽车的能效和续航里程。整体而言,混合动力汽车的发展将推动汽车行业向更高效、更环保的方向发展。

要讲混合动力汽车的电机和电控技术的话,还是先理解一下什么是混合动力汽车吧,从某百科可以得到概念:广义上说,混合动力汽车(HybridVehicle)是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆,车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或共同提供。

从非专业人士角度去通俗理解就是:一辆车,有两个或以上动力源,根据实际情况可以让一个动力源或多个动力源让车跑起来。

混合动力汽车是综合了不同的动力单元,以最大限度地发挥各自的长处,弥补其他方面的短处的新一代动力系统。一个典型的油电混合动力系统,能将发动机高转速下的高效率与电动机(无需外接电源)低转速下的大扭矩以最有效的方式结合起来,在保持低油耗的同时实现出色的行驶性能。其实就是利用发动机和电动机各自的优点,集他们的长处而造之。那么是不是就是单纯的1+1=2呢?

为了更方便理解,下面简单介绍一下传统和混合动力汽车的驱动结构

驱动结构:

传统汽车的典型结构可以用下图表示:

传统汽车简单粗暴理解就是一个串儿——发动机、离合器、变速器、万向传动装置、主减速器以及车轮。动力依次从发动机传到车轮,发动机带着车轮飞快地转啊转,车儿就跑啊跑。

混合动力汽车的机构就不一样了,它有所谓的并联式电驱动系(机械耦合):

简单地理解:并联式混合动力系统结构有点像电阻的并联,它有两套控制系统结合使用:发动机机驱动控制系统和电机驱动控制系统。并联式混合动力汽车可以同传统汽车一样,由发动机单独驱动,也可以同纯电动汽车一样由电动机驱动,更可以由发动机和电动机共同驱动,发动机和电动机的力在一个叫机械耦合器的装置中被相加在一起,然后给车轮。代表车型有比亚迪秦DM等。

还有串联式电驱动系(电耦合):

什么是串联式电驱动系呢?可以简单理解为发动机和电池搭配供电(他们的电在电耦合装置中被相加在一起),电动机用电。车轮是被电动机带动的,同时电池组也作为能量缓冲器(发动机给电池充电或能量回收系统给电池充电)。这种结构在客车上使用较多,轿车车较少,比如中通的串联式客车和宝马i3增程版等。

混合动力的电驱动系还有:混联式,是基于串联式和并联式的变形。

混联的结构优点和使用优点更加接近于并联结构的车型,但混联的驱动模式更加丰富,在并联的混合驱动模式基础上,加入了充电功能,这意味着发动机和电动机全力驱动车辆时,你不用担心电量消耗的问题。代表车型有丰田卡罗拉双擎等。

上面的内容对当今市面上主要的混合动力结构做了简单介绍,相信大家已经初步了解了混合动力是怎么混的和混合动力汽车的结构,下面开始讲解一下混动的电机及其电控技术。

电机:

首先从上面的结构和工作实例介绍中我们可以看出,电机是一个不可缺少的重要的角色,那么什么才是混合动力汽车适用的电机呢?

与电动机的工业应用不同,电动汽车或者混合动力汽车的电动机通常需要频繁地启动、停车、高变化率的加/减速度、高转矩且低速爬坡、低转矩而高速行驶以及较宽的运行速度范围,也就是说混合动力电动汽车的电动机要耐得住折腾,因此需要高的可靠性(要自带枸杞属性,筋骨奇特,强健可靠)。

下图(有遗漏欢迎指正)展示了应用于电动车的驱动电机的分类:

由于有换向器的直流电机需要换向器和电刷给电枢供电,因而该类电机可靠性低(想象一下电刷要一直在电枢上摩擦摩擦,长时间肯定会有损坏),不适合免维护运行和高速运行,应用范围不广,只适用于一些要求较低的场合(个人看法,如有欠缺,欢迎指正),像一提到电动车或者混合动力汽车,有些脑中能想到的比较有档次的车,与这类电机无缘。

近些年,由于技术的发展,无换向器的电动机得到了大量应用,无换向器电动机具有高效率、高功率密度、低运行成本、高可靠性以及免维护的优点(没有换向器,就不存在什么摩擦等问题)。目前混合动力汽车中应用广泛的是异步电机(Tesla)、永磁电机(应用最多)、开关磁阻电机。

比如比亚迪唐混动版就是用的永磁同步电机。

每种电机都有其自身的特色,这里就不一一介绍每种电机的结构和特点了(之后可以详细介绍)。

电控:

下面来说说混合动力汽车的电控,混合动力汽车的电控技术总的来说体现在它的能量管理策略,能量管理策略是混合动力电动汽车的核心技术,它就像一个好的军师一样,能合理指挥自己的两个手下——发动机和电动机,利用他们各自的优势,指挥他们搭配干活,从而达到好的燃油经济性和动力性。混合动力电动汽车能量管理策略对于能量的节省与效率的优化主要体现在以下几个方面:

1)考虑电机电池组响应快、低速输出扭矩大;而发动机响应慢、起动扭矩小等特点,利用电机实现车辆的快速起步或加速,保证发动机始终工作于高效率区,弥补车辆功率峰值的波动需求,实现发动机的高效率低排放;

2)实现部分工况下的纯电动行驶,使发动机在相应工况下实现零能耗零排放;

3)汽车在下坡减速制动过程中利用电动机回收制动过程中的能量损耗对电池进行充电;

4)利用电机的快速起停特性,避免发动机经常处于怠速工况而产生高油耗和高排放;

现状市场上混动技术最先进的要数丰田汽车,下面我们以丰田卡罗拉的油电混合双擎动力系统(混联式)为例,来讲解一下油电混动系统的工作。

卡罗拉的油电混合动力系统具备出色的低油耗、低排放、低噪音、强动力特点(相较于其他品牌)

在停车时:

汽车处于静止状态时,会关闭整个动力系统(发动机、电动机和发电机会自动关闭,避免因怠速造成的能量浪费)。

在启动时:

启动时,低速区对发动机不是高效区,油电混动动力系统只启动电动机,利用电动机低速大扭矩的优势来启动。

一般行驶时:

在发动机的高效率区间,主要使用发动机的动力行驶。根据实际驾驶条件,有时会将一部分发动机的动力用来带动发电机,给电池充电。需要电动机介入动力时,又会使用电池的电量启动电动机辅助发动机驱动车辆。

加速行驶时:

需要加速时,混合动力系统利用电池提供电力给电动机,电动机提供动力辅助发动机来驱动车辆,使车辆具有强劲的动力完成加速。

在减速时:

丰田的混动系统将车的动能通过车轮带动发动机,让动能再转变为电能储存在电池中,供给以后使用。,

下面我来讲讲“军师”——混合动力能量管理策略,混合动力的能量管理策略目前主要有:

1)基于规则的能量管理策略(大规模实际应用);

基于规则的能量管理策略可以理解为是在根据指导手册指挥发动机和电动机搭配干活.当然了,是在已经明确了在什么条件下执行什么任务的指导手册下指挥。比如说现在正在上坡,车速是80km/h(当然了,一般不可能只根据这两个条件),这个时候就查指导手册,查出电机和发动机各处多少力,怎么处理。所以这完全就是一个老实人的人设,老实人有老实人的好处——可靠、靠谱,当然也有老实人的坏处——木讷,所以这类策略一般不能不能完全考虑情况,优化效果有限。

2)基于全局优化的能量管理策略;

基于全局优化的能量管理策略是优化效果最好的,为什么呢?因为它将全程的运行工况作为输入条件,通过计算来安排发动机和电动机搭配干活。什么意思呢?如果把不同的能量管理策略比作不同的人,他们有一个共同的任务就是从A地去往B地,看谁走的路线最短。大家都是第一次去,人生地不熟。但是全局优化这个人就很坏了,它有一张地图,所以它走的路线不是最短才怪。

所以基于全局优化的能量管理策略的优化效果是最好的,但是他的坏处就是计算的时间太长了,可能等它算完路线了,别的都已经到达目的地了(虽然别的人的路线不是最短的),所以不具备实时控制的作用,并且提前预知整个工况也是不可能了。所以一般把它当判断其他策略好坏的标杆(可以粗暴理解为“中看不中用”)。

2)基于实时优化的能量管理策略;

实时优化算法的控制效果介于规则式和全局优化式之间,为什么呢?因为它不需要预知工况,不需要考虑全局最优,只需要考虑接下来的一步最短就行,所以他的实时性好于全局最优,优化效果低于全局最优,但强于规则式。

在现实生活中,以上能量管理策略只有规则式被大量运用,因为其具有高的稳定性。

能量管理策略的实现又离不开实际的系统基础:启停系统、电机控制系统、电池管理系统、能量回馈系统(可以理解为动能回收)等。

电机控制系统可以说是混合动力汽车驱动系统的核心之一,电机驱动系统关键部分有电机、电机控制器以及功率转换器。

现今的混合动力汽车电机控制系统主要采用永磁电机控制技术(比如快速转矩响应控制),实现电机的无级变速以及转矩的控制。包括正弦波永磁同步电机驱动系统和梯形波无刷直流电机驱动系统,其中正弦波永磁同步电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速;梯形波无刷直流电机控制通常采用“弱磁调速”方式实现电机的控制。

电池管理系统是管理混合动力电动汽车电池的关键,其工作原理是协调各个电池单体,通过对电池的电压、电流、温度实时监控,防止过度放电、过度充电、超温等对电池有危害的情况发生(简单理解就是电池电量少了给电池充电,电池电量多了用掉,使电池的电量维持在一个健康得水平。这一点可以结合生活实际:一般的电瓶单车如果每次都将电量用完再充电,那么电瓶就不会用得太久;一个再强健无比的男人,没有健康的生活方式节制,也会被榨干掏空)。

能量回馈系统能供对能量进行回收,现今混合动力汽车有利用ISG电机(启动发电一体机)进行能量回收利用。汽车在需要制动时,利用车轮(也可以是飞轮)拖动电机,既产生电能又产生制动力矩,产生的电能储存在电池里,再需要的时候被利用,达到提高汽车续航里程的目的。

因此,能量回馈系统在混合动力汽车的发展中发挥了很大的作用。比如丰田就在第二代油电混合动力系统THSII(第二代普锐斯)中加入更成熟的制动能量回收技术,从而实现了更好的燃油效率(丰田大法好,哈哈哈)。

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