弱混合動力汽車

1.1引言在石油資源日益缺乏和環(huán)境友好可持續(xù)的要求下，尋找新能能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料已成為國際共識。近年來，我國機動車輛保持有量迅猛增長，其尾氣排放已成為污染空氣的最主要的污染源之一，嚴重制約著世界的發(fā)展。因此，新能源汽車研究項目被列為國家了“863”重大科技課題。純電動汽車雖然具有突出的環(huán)保優(yōu)勢，但是其產業(yè)發(fā)展的研究總體上處于起步階段，受限于燃料電池等關鍵技術，其動力差，行駛路程短以及成本高等問題沒有得到解決。作為傳統(tǒng)燃油汽車與電動汽車的過度產品和折衷方案混合動力汽車已成為國際范圍內新型環(huán)保車輛開發(fā)的熱點，具有很好的發(fā)展前景和市場潛力。混合動力汽車是具有低油耗和低污染的新一代清潔汽車，它是傳統(tǒng)內燃機車輛與電動車輛的有效組合。它既繼承了電動汽車低排放的優(yōu)點，有發(fā)揚了石油燃料比能量和比功率高的長處，顯著改善了傳統(tǒng)內燃機汽車的排放和燃油經濟性。 混合動力汽車的優(yōu)點有：可以最大限度發(fā)揮內燃機汽車和純電動汽車的雙重優(yōu)點；由于有原動機作為輔助動力，電池的數量和重量可減少，因此汽車自身重量可減少；輔助動力單元的選用是汽車的續(xù)使里程和動力性能達到內燃汽車的水平；2.2.4.借助原動力的動力，可帶動空調，真空助力，轉動主力及其他輔助電器，不需要消耗電池組有限的電能，從而保證了駕車和乘坐的舒適性。而弱混和（BSG技術）是一項輕度混合動力技術，節(jié)油效果約為5%。不同于電動汽車技術，BSG對傳統(tǒng)汽柴油發(fā)動機的工況進行優(yōu)化，在怠速、啟動等情況下提高燃油效率，因而節(jié)油效果有5%。1.2車用BSG簡介混合動力汽車的定義是由2個以上的動力源提供行車動力，當前一般的混合動力汽車采用的是由內燃機車發(fā)電機加上一個蓄電池發(fā)電機組成動力系統(tǒng)。目前，世界上的混合動力汽車分為強混合動力汽車，中度混合動力汽車，和弱混合動力汽車。這里我們主要論述的是弱混合動力汽車，即BSG混合動力汽車。1.2.1BSG系統(tǒng)定義弱混（或稱之為輕度混合）技術（MildHybrid）主要包括Start-Stop（啟停）、BSG（Belt-drivenStarter/Generator皮帶傳動啟動/發(fā)電一體化電機）技術，BSG系統(tǒng)就是利用一種電機，該電機通過皮帶傳動在極短時間內將發(fā)動機轉速由零增加至怠速以上，從而實現汽車的快速起停的裝置。1.2.2車用BSG系統(tǒng)的特點該混合動力系統(tǒng)主要是由BSG控制電腦（HCU）、BSG電機、BSG蓄電池以及離合器位置開關、空擋位置開關、剎車真空度傳感器、電流流量傳感器。蓄電池溫度傳感器等元件組成。下面我們就具體說下這些元件的工作原理。HCU通過接收各傳感器信號判定整車的行駛工況，當汽車處于正常行駛時，BSG電機作為發(fā)電機進行發(fā)電；判定汽車處于怠速運轉工況時，HCU會依據停機的條件實現發(fā)動機停機，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的怠速工況，從而實現節(jié)油減排的目的；當駕駛員試圖行車時，HCU會依據判定條件自動發(fā)出啟動的指令來啟動發(fā)電機，該啟動時間比傳統(tǒng)啟動時間段，因此稱為快速啟動，從而降低啟動時的排放污染。奇瑞A5BSG售價7.48萬，僅增加成本的5%，就可以實現節(jié)省10%的燃油經濟性。一年行駛10萬公里，5元/L的油價計算，年省5000元，可以說，平均6年省出一輛QQ車，和增加的成本相比非?？捎^。這不僅一掃環(huán)保汽車“高高在上”的形象，更為中國普及環(huán)保車型帶來新的契機，讓更多的普通消費者可以實實在在享受到混合動力的新成果。奇瑞A5BSG采用的混合動力，是一種具備怠速停機功能的混合動力技術，能夠徹底解決車輛起步停車過程中燃油浪費的問題，實現汽車在紅燈前和堵車時發(fā)動機暫停工作。當車輛識別到駕駛員有起步意圖時，系統(tǒng)通過BSG系統(tǒng)快速地啟動發(fā)動機，也就消除了發(fā)動機在怠速工作時的油耗、排放與噪聲。也就是說，BSG系統(tǒng)的主要功能是實現怠速時的零油耗，在正常行駛時依舊完全依靠發(fā)動機。以一輛A5來計算，在動力性能不變的情況下，相當于降低汽車排量0.2-0.3L，等于每周少開一天車，可以節(jié)油10%左右，減少二氧化碳排放12%左右。奇瑞汽車對這一技術的成功應用，真正達到降低污染，節(jié)約能源，保護環(huán)境的積極意義，很好地響應了溫家寶總理對于汽車“紅燈停車”的號召。業(yè)內人士表示，在節(jié)能、環(huán)保、綠色成為整個社會發(fā)展重點的今天，奇瑞A5BSG混合動力車開創(chuàng)了中國自主品牌汽車參與新能源技術普及的先河，引領中國綠色新能源汽車產業(yè)邁向一個新的高度。二.BSG電機目前弱混合動力汽車采用混合勵磁爪極電機作為起動---發(fā)電機BSG?；旌蟿畲抛O電機采用了永磁勵磁和電力磁相結合的勵磁方式，兼有永磁發(fā)電機和電力磁發(fā)電機的優(yōu)點，可以解決永磁發(fā)電機磁場不可調的缺點，通過電力磁的調節(jié)，可以實現在轉速及負載變化范圍內滿足輸出恒定電壓的技術要求，因此具有廣闊的發(fā)展前景?；旌蟿畲抛O發(fā)電機具有效率高、電機低速性能好、集線圈勵磁的電壓調節(jié)性能和高功率密度等優(yōu)點。2.1其模型如下：2.2新型混合勵磁爪極同步發(fā)電機的結構及參數新型混合勵磁爪極電機定子鐵心上嵌有多相電樞繞組，其極數和轉子數相同。轉子上裝有的爪形磁極和環(huán)形勵磁繞組，在兩塊爪形磁極中間放置一塊圓柱形永磁體，電力磁和永磁兩種磁勢源串聯(lián)?？蛰d時，一對極下的主磁通由兩部分組成：（a）勵磁繞組通電后所建立的磁場由一個爪極經氣隙和電樞至另一個爪極而閉合，從而在爪極圓柱表面上形成N,S間隔的極形，此為勵磁電流產生的主磁通；（b）永磁體產生的主磁通。負載時，定子三相電流產生旋轉磁動勢，氣隙磁場是由永磁體、勵磁繞組中的勵磁電流和定子繞組中的三相交流電流共同產生。爪形磁場結構有利于在轉子直徑較小的情況下安排較多的磁極。其中定子疊片的材料為M19-24G，碟片系數為0.95，槽為梨形槽，線徑為0.38mm。轉子鐵心的材料為GBA3。勵磁繞組的匝數為110匝，每個導體的并繞根數為3,勵磁繞組的線徑為0.42mm；電機中永磁體的長度為10mm，材料是xg196/96。2.3混合勵磁爪極發(fā)電機的特性研究2.3.1空載特性爪極電機的空載特性是指在一定的轉速條件下。空載端電壓隨勵磁電流變化的關系，即在n=1500r/min的情況下，永磁爪極電機的空載端電壓為130V，電力磁爪極電機和混合勵磁爪極電機的空載特性曲線如圖所示。2.3.2調節(jié)特性在電壓和轉速維持不變的情況下，負載電流和勵磁電流之間的關系成為調節(jié)特性。即負載電流=勵磁電流在n=1500r/min電壓U=115V的情況下，電力磁爪極電機和混合勵磁爪極電機的調節(jié)特性如下圖。2.3.3性能參數的對比在電機相數、極數、頻率、結構尺寸相同并保持電機有相同的勵磁電流、負載電流的情況下，計算了電力磁爪極電機、永磁爪極電機和混合勵磁爪極電機的一些性能參數，如下表：由表可知，混合勵磁電機爪極電機的功率密度比相對較高。三.混合勵磁同步電機3.1簡介混合勵磁同步電機（HybridExcitationSynchronousMachine-HESM）是上個世紀80。與傳統(tǒng)的電力磁同步電機以及永磁同步電機結構不同。HSEM中既有永磁體又有調磁繞組。兩個磁勢源同時存在。它集成了電力磁同步電機調磁方便且調磁容量小和永磁同步電機效率高、轉矩/質量比較大等優(yōu)點，同時又克服了永磁同步電機磁場調節(jié)難的缺陷，有較大的推廣應用價值。3.2工作原理HSEM電機兩個磁勢源，一是永磁體，它在氣隙中產生一個基本不變的磁通，另個是一個直流勵磁繞組。工作時，通過調節(jié)勵磁繞組上的電流大小和方向，使得氣隙中的磁通發(fā)生變化。定子電樞繞組為三相對稱繞組，被定子環(huán)形直流勵磁繞組分成兩部分，定子兩段鐵心由其外的背軛在機械和電磁上相連接；轉子也分為N極端和S極端兩部分，每極端由極性永磁體極和鐵心極相互錯開。轉子鐵心和轉軸間為導磁性能好的轉了背軛。工作時，若直流勵磁電流為零，則氣隙磁場只由永磁體產生，工作磁通從N極的永磁體發(fā)出，經氣隙和定子鐵心回到S極永磁體。如圖1，若直流勵磁電流與所示電流方向相反時，則同一極端永磁體和鐵心磁場方向相反。對定子繞組而言，同一線圈下既有N極又有S極，從而使氣隙有效磁場減弱。當勵磁電流大到一定值時，氣隙合成磁場變?yōu)榱?；若直流勵磁電流與所示電流方向相同時，則同一極端永磁極和鐵心磁場方向相反。對定子繞組而言，同一線圈下磁場極性相同，氣隙合成磁場增強。因此，通過調節(jié)勵磁調節(jié)電流的大小和方向，可使得氣隙磁通發(fā)生變化，達到調磁的目的。3.3具體的混合勵磁同步電機實例（CCPM）CPPM是英國學者提出的一種電機拓撲。定子電樞繞組為三相對稱繞組。定子被環(huán)形直充勵磁繞組分成兩部分，定子兩段鐵心由其外的背軛在機械和電磁上相連接；轉自分成N極端和S極端兩部分。每極端由同極性永磁體極和鐵心極交錯排列，且兩端的N、S永磁體極和鐵心也相互錯開。轉子鐵心和轉軸間導磁性能好的轉子背軛，用于轉子的軸向導磁。徑向/軸向磁場CPPM電機中，永磁體產生的磁通路徑為：N極磁體（徑）一氣隙（徑）f定子鐵心（徑）f定子背軛（軸）f定子鐵心（徑）f氣隙（徑）-S極磁體（徑）一轉子鐵心（徑）一氣隙（徑）一S極磁體（徑）一轉子鐵心（徑）一轉子背軛（徑）一轉子鐵心（徑）fN極磁體（徑）f；當勵磁繞組通入電流時，勵磁電流所產生的電力磁通路徑為：定子鐵心（徑）f定子背軛（軸）f定子鐵心（徑）f氣隙（徑）f轉子鐵心極（徑）f轉子鐵心（徑）f定子背軛（軸）f轉子鐵心（徑）f轉子鐵心極（徑）f氣隙（徑）f定子鐵心（徑））f定子背軛。這兩個磁勢源的磁路相對獨立，兩者并聯(lián)提供工作磁；共同作用形成電機的主磁場。因此，這種結構的電機為徑向/軸向混合結構磁路，附加氣隙多，磁路磁阻較大，故適宜為短而粗的結構。參考文獻：【1】付翔中國電動汽車產業(yè)發(fā)展動力系統(tǒng)研究武漢：武漢理工大【2】朱喆車用BSG系統(tǒng)簡介汽車維修，2011(6)：24-27【3】楊超國內外混合動力汽車