弱混合动力汽车

1.1引言在石油资源日益缺乏和环境友好可持续的要求下，寻找新能能源代替传统燃料已成为国际共识。近年来，我国机动车辆保持有量迅猛增长，其尾气排放已成为污染空气的最主要的污染源之一，严重制约着世界的发展。因此，新能源汽车研究项目被列为国家了“863”重大科技课题。纯电动汽车虽然具有突出的环保优势，但是其产业发展的研究总体上处于起步阶段，受限于燃料电池等关键技术，其动力差，行驶路程短以及成本高等问题没有得到解决。作为传统燃油汽车与电动汽车的过度产品和折衷方案混合动力汽车已成为国际范围内新型环保车辆开发的热点，具有很好的发展前景和市场潜力。混合动力汽车是具有低油耗和低污染的新一代清洁汽车，它是传统内燃机车辆与电动车辆的有效组合。它既继承了电动汽车低排放的优点，有发扬了石油燃料比能量和比功率高的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性。 混合动力汽车的优点有：可以最大限度发挥内燃机汽车和纯电动汽车的双重优点；由于有原动机作为辅助动力，电池的数量和重量可减少，因此汽车自身重量可减少；辅助动力单元的选用是汽车的续使里程和动力性能达到内燃汽车的水平；2.2.4.借助原动力的动力，可带动空调，真空助力，转动主力及其他辅助电器，不需要消耗电池组有限的电能，从而保证了驾车和乘坐的舒适性。而弱混和（BSG技术）是一项轻度混合动力技术，节油效果约为5%。不同于电动汽车技术，BSG对传统汽柴油发动机的工况进行优化，在怠速、启动等情况下提高燃油效率，因而节油效果有5%。1.2车用BSG简介混合动力汽车的定义是由2个以上的动力源提供行车动力，当前一般的混合动力汽车采用的是由内燃机车发电机加上一个蓄电池发电机组成动力系统。目前，世界上的混合动力汽车分为强混合动力汽车，中度混合动力汽车，和弱混合动力汽车。这里我们主要论述的是弱混合动力汽车，即BSG混合动力汽车。1.2.1BSG系统定义弱混（或称之为轻度混合）技术（MildHybrid）主要包括Start-Stop（启停）、BSG（Belt-drivenStarter/Generator皮带传动启动/发电一体化电机）技术，BSG系统就是利用一种电机，该电机通过皮带传动在极短时间内将发动机转速由零增加至怠速以上，从而实现汽车的快速起停的装置。1.2.2车用BSG系统的特点该混合动力系统主要是由BSG控制电脑（HCU）、BSG电机、BSG蓄电池以及离合器位置开关、空挡位置开关、刹车真空度传感器、电流流量传感器。蓄电池温度传感器等元件组成。下面我们就具体说下这些元件的工作原理。HCU通过接收各传感器信号判定整车的行驶工况，当汽车处于正常行驶时，BSG电机作为发电机进行发电；判定汽车处于怠速运转工况时，HCU会依据停机的条件实现发动机停机，代替传统的怠速工况，从而实现节油减排的目的；当驾驶员试图行车时，HCU会依据判定条件自动发出启动的指令来启动发电机，该启动时间比传统启动时间段，因此称为快速启动，从而降低启动时的排放污染。奇瑞A5BSG售价7.48万，仅增加成本的5%，就可以实现节省10%的燃油经济性。一年行驶10万公里，5元/L的油价计算，年省5000元，可以说，平均6年省出一辆QQ车，和增加的成本相比非常可观。这不仅一扫环保汽车“高高在上”的形象，更为中国普及环保车型带来新的契机，让更多的普通消费者可以实实在在享受到混合动力的新成果。奇瑞A5BSG采用的混合动力，是一种具备怠速停机功能的混合动力技术，能够彻底解决车辆起步停车过程中燃油浪费的问题，实现汽车在红灯前和堵车时发动机暂停工作。当车辆识别到驾驶员有起步意图时，系统通过BSG系统快速地启动发动机，也就消除了发动机在怠速工作时的油耗、排放与噪声。也就是说，BSG系统的主要功能是实现怠速时的零油耗，在正常行驶时依旧完全依靠发动机。以一辆A5来计算，在动力性能不变的情况下，相当于降低汽车排量0.2-0.3L，等于每周少开一天车，可以节油10%左右，减少二氧化碳排放12%左右。奇瑞汽车对这一技术的成功应用，真正达到降低污染，节约能源，保护环境的积极意义，很好地响应了温家宝总理对于汽车“红灯停车”的号召。业内人士表示，在节能、环保、绿色成为整个社会发展重点的今天，奇瑞A5BSG混合动力车开创了中国自主品牌汽车参与新能源技术普及的先河，引领中国绿色新能源汽车产业迈向一个新的高度。二.BSG电机目前弱混合动力汽车采用混合励磁爪极电机作为起动---发电机BSG。混合励磁爪极电机采用了永磁励磁和电力磁相结合的励磁方式，兼有永磁发电机和电力磁发电机的优点，可以解决永磁发电机磁场不可调的缺点，通过电力磁的调节，可以实现在转速及负载变化范围内满足输出恒定电压的技术要求，因此具有广阔的发展前景。混合励磁爪极发电机具有效率高、电机低速性能好、集线圈励磁的电压调节性能和高功率密度等优点。2.1其模型如下：2.2新型混合励磁爪极同步发电机的结构及参数新型混合励磁爪极电机定子铁心上嵌有多相电枢绕组，其极数和转子数相同。转子上装有的爪形磁极和环形励磁绕组，在两块爪形磁极中间放置一块圆柱形永磁体，电力磁和永磁两种磁势源串联。空载时，一对极下的主磁通由两部分组成：（a）励磁绕组通电后所建立的磁场由一个爪极经气隙和电枢至另一个爪极而闭合，从而在爪极圆柱表面上形成N,S间隔的极形，此为励磁电流产生的主磁通；（b）永磁体产生的主磁通。负载时，定子三相电流产生旋转磁动势，气隙磁场是由永磁体、励磁绕组中的励磁电流和定子绕组中的三相交流电流共同产生。爪形磁场结构有利于在转子直径较小的情况下安排较多的磁极。其中定子叠片的材料为M19-24G，碟片系数为0.95，槽为梨形槽，线径为0.38mm。转子铁心的材料为GBA3。励磁绕组的匝数为110匝，每个导体的并绕根数为3,励磁绕组的线径为0.42mm；电机中永磁体的长度为10mm，材料是xg196/96。2.3混合励磁爪极发电机的特性研究2.3.1空载特性爪极电机的空载特性是指在一定的转速条件下。空载端电压随励磁电流变化的关系，即在n=1500r/min的情况下，永磁爪极电机的空载端电压为130V，电力磁爪极电机和混合励磁爪极电机的空载特性曲线如图所示。2.3.2调节特性在电压和转速维持不变的情况下，负载电流和励磁电流之间的关系成为调节特性。即负载电流=励磁电流在n=1500r/min电压U=115V的情况下，电力磁爪极电机和混合励磁爪极电机的调节特性如下图。2.3.3性能参数的对比在电机相数、极数、频率、结构尺寸相同并保持电机有相同的励磁电流、负载电流的情况下，计算了电力磁爪极电机、永磁爪极电机和混合励磁爪极电机的一些性能参数，如下表：由表可知，混合励磁电机爪极电机的功率密度比相对较高。三.混合励磁同步电机3.1简介混合励磁同步电机（HybridExcitationSynchronousMachine-HESM）是上个世纪80。与传统的电力磁同步电机以及永磁同步电机结构不同。HSEM中既有永磁体又有调磁绕组。两个磁势源同时存在。它集成了电力磁同步电机调磁方便且调磁容量小和永磁同步电机效率高、转矩/质量比较大等优点，同时又克服了永磁同步电机磁场调节难的缺陷，有较大的推广应用价值。3.2工作原理HSEM电机两个磁势源，一是永磁体，它在气隙中产生一个基本不变的磁通，另个是一个直流励磁绕组。工作时，通过调节励磁绕组上的电流大小和方向，使得气隙中的磁通发生变化。定子电枢绕组为三相对称绕组，被定子环形直流励磁绕组分成两部分，定子两段铁心由其外的背轭在机械和电磁上相连接；转子也分为N极端和S极端两部分，每极端由极性永磁体极和铁心极相互错开。转子铁心和转轴间为导磁性能好的转了背轭。工作时，若直流励磁电流为零，则气隙磁场只由永磁体产生，工作磁通从N极的永磁体发出，经气隙和定子铁心回到S极永磁体。如图1，若直流励磁电流与所示电流方向相反时，则同一极端永磁体和铁心磁场方向相反。对定子绕组而言，同一线圈下既有N极又有S极，从而使气隙有效磁场减弱。当励磁电流大到一定值时，气隙合成磁场变为零；若直流励磁电流与所示电流方向相同时，则同一极端永磁极和铁心磁场方向相反。对定子绕组而言，同一线圈下磁场极性相同，气隙合成磁场增强。因此，通过调节励磁调节电流的大小和方向，可使得气隙磁通发生变化，达到调磁的目的。3.3具体的混合励磁同步电机实例（CCPM）CPPM是英国学者提出的一种电机拓扑。定子电枢绕组为三相对称绕组。定子被环形直充励磁绕组分成两部分，定子两段铁心由其外的背轭在机械和电磁上相连接；转自分成N极端和S极端两部分。每极端由同极性永磁体极和铁心极交错排列，且两端的N、S永磁体极和铁心也相互错开。转子铁心和转轴间导磁性能好的转子背轭，用于转子的轴向导磁。径向/轴向磁场CPPM电机中，永磁体产生的磁通路径为：N极磁体（径）一气隙（径）f定子铁心（径）f定子背轭（轴）f定子铁心（径）f气隙（径）-S极磁体（径）一转子铁心（径）一气隙（径）一S极磁体（径）一转子铁心（径）一转子背轭（径）一转子铁心（径）fN极磁体（径）f；当励磁绕组通入电流时，励磁电流所产生的电力磁通路径为：定子铁心（径）f定子背轭（轴）f定子铁心（径）f气隙（径）f转子铁心极（径）f转子铁心（径）f定子背轭（轴）f转子铁心（径）f转子铁心极（径）f气隙（径）f定子铁心（径））f定子背轭。这两个磁势源的磁路相对独立，两者并联提供工作磁；共同作用形成电机的主磁场。因此，这种结构的电机为径向/轴向混合结构磁路，附加气隙多，磁路磁阻较大，故适宜为短而粗的结构。参考文献：【1】付翔中国电动汽车产业发展动力系统研究武汉：武汉理工大【2】朱喆车用BSG系统简介汽车维修，2011(6)：24-27【3】杨超国内外混合动力汽车