作者：姚科业
出版社：机械工业出版社
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看图学修汽车混合动力系统试读：
前言
汽车废气排放和能源成本问题一直备受关注，混合动力汽车和电动汽车被看做是一种自然的发展目标。通过了解整个混合动力和电动汽车传动系统能量消耗的详细分析，以及传动系统内部各个相关部件的运转状态，可以最大程度地优化汽车的设计，从而达到改善油耗的目标。
混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）是指同时装备两种动力来源的汽车，这是广义的混合动力汽车。狭义上的混合动力汽车是指由传统的汽油机或者柴油机产生与电动力源（电池与电动机）的汽车。混合动力汽车的发动机要使用燃油，而且在起步、加速时，由于有电动机的辅助，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，使发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。
在全球汽车市场，丰田堪称是混合动力的鼻祖。丰田成功的因素很多，其中之一就是混合动力技术的开发和应用。混合动力技术是丰田的核心技术。丰田的混合动力系统是全混合系统。它拥有一台汽油机和一个电动机。这种系统能够实现电动机的单独驱动。目前丰田的油电混合动力技术已经发展到第二代。
除了丰田公司外，其他汽车厂家也在混合动力汽车研究和开发上取得了不错的成绩。目前在国内市场上有几款混合动力技术比较成熟的车，如本田思域、别克君越和大众途观等。国内汽车厂家也在这一领域取得了不错的成绩，如比亚迪汽车公司。
目前，市面上有关混合动力汽车方面的书很少，为了让更多人，特别是使用和维修混合动力汽车的人所了解，我们编写了本书。本书以丰田凯美瑞、本田思域、别克君越为主，用通俗的语言和详细的图表说明了混合动力汽车的结构、原理与维修。
本书共分四章，第一章对混合动力汽车的定义、分类、组成等进行了介绍；第二章详细介绍了丰田凯美瑞混合动力汽车的结构、工作原理与维修；第三章详细介绍了本田思域混合动力汽车的结构、工作原理与维修；第四章详细介绍了别克君越混合动力汽车的结构、工作原理与维修。
本书由姚科业主编，参加编写的人员还有李其龙、李春晖、李善良、林瑞康、叶发金、杨飞燕、郑跃伟、潘志光、杨汉珠、杨永建、欧春英、许晓嫦、宣承永等。在本书的编写过程中，编者参考了国内外许多同行、专家的论文及论著的研究内容，在此对他们衷心感谢！
本书可作为技术人员和维修人员学习和掌握混合动力汽车结构、工作原理和维修的入门书，适合从事汽车维修、销售和技术管理等工作的工人和技术人员阅读，也可供汽车维修、汽车检测及相关技术人员作为培训或参考使用。
本书所涉及的技术内容较新，范围较广，但编者水平有限，书中难免有不妥之处，恳请读者不吝指正。编者
第一章 混合动力汽车基本结构与工作原理
第一节 混合动力汽车的基本原理
一、混合动力汽车的概念从广义上说，混合动力汽车是指拥有至少两种动力源，使用其中一种或多种动力源提供部分或者全部动力的车辆，也叫复合动力汽车。但是，在现今的实际生活中，混合动力汽车多半是指采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套动力系统的汽车。使用的内燃机既有柴油机又有汽油机，因此可以使用传统汽油或者柴油，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。使用的电力系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。图1-1所示是混合动力电驱动系统的概念示意图，以及可能的各种动力流的通路。图1-1 混合动力电驱动系统的概念示意图
混合动力电驱动系统通过被采用的动力系统向载荷供应其动力。在由汽油（柴油）机（发动机动力系统1）和蓄电池-电动机（电力系统2）混合集成的情况下，与载荷需求相配合的由两动力系统运作的有效模式共有九种，分别如下：
模式①，发动机动力系统1单独向载荷提供动力
这一模式是单发动机驱动模式，可应用于蓄电池组近乎完全放电而发动机没有剩余功率给蓄电池组充电的情况，或可应用于蓄电池组已完全充电而发动机能供应足够的动力去满足车辆动力需求的情况。
模式②，电力系统2单独向载荷提供动力
这一模式是纯粹的电驱动模式，其中发动机是关闭的。这一模式可应用于发动机不能有效地运行的场合，如极低速状态，或在严禁排放的区域内行驶的场合。
模式③，发动机动力系统1和电力系统2两者都向载荷提供动力
这一模式是混合牵引模式，可应用于需要大量动力供给的情况，如当急剧加速或爬陡坡之际。
模式④，电力系统2由载荷获得功率（再生制动）
这一模式是再生制动模式，由此借助于电动机运行在发电机状态，车辆的动能或位能得以回收。回收的能量储存于蓄电池组，并在以后重复利用。
模式⑤，电力系统2从发动机动力系统1中获得功率
这一模式是发动机向蓄电池组充电的模式，这时车辆处于停止、惯性滑行或小坡度下坡运行状态，没有动力应用于载荷或来自载荷。
模式⑥，电力系统2从发动机动力系统1和载荷中同时获得功率
这一模式是同时存在再生制动和内燃机向蓄电池组充电的模式。
模式⑦，发动机动力系统1同时向载荷和电力系统2提供动力
这一模式是发动机驱动车辆和同时向蓄电池组充电的模式。
模式⑧，发动机动力系统1向电力系统2提供功率，同时电力系统2向载荷提供动力
这一模式是发动机向蓄电池组充电，同时蓄电池组向载荷供应功率的模式。
模式⑨，发动机动力系统1向载荷提供动力，同时载荷向电力系统2提供功率
这一模式是借助于车辆的质量，来自于热机的动力流进入蓄电池组的模式。
在混合动力汽车中，稳定的功率可由内燃机、斯特林发动机或燃料电池等提供。因为动态功率取自动态功率源，故所采用的内燃机或燃料电池比单动力系统设计中的内燃机或燃料电池要小得多，于是便能令其稳定地运行在最佳效率区。动态功率可由配置蓄电池组的电动机、超级电容器组或飞轮组（机械蓄电池组）提供，或可由它们组合配置提供。二、混合动力系统的主要部件
1.发动机
内燃机是现今应用于汽车最主要的动力装置。在可预见的将来，它将仍是主要的汽车动力装置。在混合动力汽车中，内燃机也将是主要电源的第一选择。然而，混合动力汽车的工作与传统汽车有所不同，混合动力汽车中的发动机需较长时间以高功率运转，而不需频繁改变功率输出。到目前为止，专为混合动力汽车设计和控制的发动机系统还没有得到充分的开发。
混合动力汽车可以广泛地采用四冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、二冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。一般转子发动机和燃气轮机的燃烧效率比较高，排放也比较洁净，采用不同的发动机就可以组成不同的混合动力汽车。
2.电动机
混合动力汽车的电动机作为辅助动力来降低燃料的消耗和实现低污染，或在纯电动驱动模式时实现“零污染”。混合动力汽车上电动机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。混合动力汽车可以采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。随着混合动力汽车的发展，直流电动机已经很少采用，多数采用了感应电动机和永磁电动机，开关磁阻电动机的应用也得到重视，还可以采用特种电动机为混合动力汽车的驱动电动机，采用不同的电动机就可以组成不同的混合动力汽车。
3.电池
混合动力汽车具有两个蓄电池系统：一个是12V直流蓄电池系统，它主要是为车上常规的用电器提供电压；另一个是电压更高的直流蓄电池系统，它经过DC-DC转换器将直流转换后给电机提供交流电能，同时它还将存储电机发电所产生并经DC-DC转换器转换后的直流电。高压直流蓄电池系统储电量和电压随混合动力系统的要求而变化。混合动力汽车的高压直流蓄电池从36V到600V以上不等，所有混合动力设计采用串联连接的蓄电池均是为了获取所需的直流电源电压。
4.混合动力控制系统
在混合动力汽车上普遍地采用以计算机为核心的现代计算机技术和自动控制技术，各种智能控制系统包括自适应控制技术、模糊控制技术（Fuzzy）、专家控制系统（Expert System）、神经网络控制系统（Neural Networks）等，它逐渐应用到混合动力汽车上，使混合动力汽车更加安全、节能、环保和舒适。（1）混合动力汽车控制系统的功能
①使混合动力汽车的动力性能能够达到或接近现代内燃机汽车的水平，逐步实现混合动力汽车的实用化。
②最大程度地发挥了电动机驱动的辅助作用，使混合动力汽车的燃油消耗量尽量降低，实现发动机的节能化。目前混合动力汽车已达到3L/100km左右的水平。
③在环保方面，实现“超低污染”的环保标准。
④在混合动力汽车上实现对发动机驱动系统和对电动机驱动系统的双重控制。发动机与电动机的动力系统应进行最有效的组合，实现最佳匹配和高效利用，能够回收再生制动能量，延长车辆的行驶里程，改进混合动力汽车的环保性能。
⑤在操纵装置和操纵方法上继承或沿用内燃机汽车主要的操纵装置和操纵方法，适应驾驶人的操作习惯，使操作简单化和规范化。
⑥在整车控制系统中，采用全自动、机电一体化控制系统，达到安全、可靠、节能、环保和控制灵活的目的。
混合动力汽车一般是传统内燃机汽车的替代和延伸，继承和沿用了很大部分内燃机汽车的传动系统，保留了内燃机汽车的操纵装置，包括发动机控制装置加速踏板、制动踏板、离合器、自动离合器、变速器的操纵装置等。由这些操纵装置发出控制信号，通过中央控制器和各种控制模块，向内燃机的驱动系统或电动机驱动系统发出单独驱动指令或混合驱动指令，来获得不同的驱动模式，按照驾驶人的意图，实现混合动力汽车的起动、行驶、加速、爬坡、减速和制动时驱动模式转换的控制。（2）混合动力汽车控制系统的组成部分
①控制系统，由操纵装置、中央控制器和各种控制模块共同组成。
②发动机及其驱动系统，以及发动机和发动机驱动系统的控制系统。
③电动机及其驱动系统，以及电动机和电动机驱动系统的控制系统。
④信号反馈及检测装置，包括各电信号检测装置、显示装置和自诊断系统等。三、混合动力汽车的优缺点
1.混合动力汽车的优点
①混合动力汽车按平均需用的功率来确定发动机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率但发动机功率不足时，由蓄电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给蓄电池充电，由于发动机可持续工作，蓄电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。
②因为有了蓄电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。
③在繁华市区，可关闭发动机，由蓄电池单独驱动，实现“零”排放。
④发动机可以十分方便地解决空调、取暖、除霜耗能大等纯电动汽车遇到的难题。
⑤可以利用现有的加油站加油，不必再投资。
⑥可让蓄电池保持在良好的工作状态，不发生过充电及过放电，延长其使用寿命，降低成本。
2.混合动力汽车的缺点
混合动力汽车有两套动力，各自有各自的管理控制系统，结构更复杂，技术更难，成本更高。
第二节 混合动力系统的类型
一、按结构来分类目前世界各国研究开发的混合动力汽车有不同的结构形式，根据其动力传动系统的配置和组合方式不同，分为串联式、并联式、混联式和复合式四种形式。
1.串联式混合动力系统
图1-2所示为串联式混合动力系统的示意图。串联式混合动力系统的关键特征是在功率变换器中两个电功率被加在一起。该功率变换器起电功率耦合器的作用，控制从蓄电池组和发电机到电动机的功率流，或反向控制从电动机到蓄电池组的功率流。燃油箱、发动机和发电机组成基本能源，而蓄电池组则起能量缓冲器的作用。图1-2 串联式混合动力系统的示意图
2.并联式混合动力系统
图1-3所示为并联式混合动力系统的示意图。它的关键特征是在机械耦合器中两个机械功率被加在一起。发动机是基本能源设备，而蓄电池组和电动机驱动装置则组成能量缓冲器。此时，功率流仅受动力装置——发动机和电动机所控制。图1-3 并联式混合动力系统的示意图
3.混联式混合动力系统
图1-4所示为混联式混合动力系统的示意图。这一构造的明显特征是使用了两个功率耦合器——机械的和电气的耦合器。实际上，这一构造是串联式和并联式结构的组合，它具有两者的主要特性，并且相比于串联式或并联式的单一结构，拥有更多的运行模式。从另一方面来说，它的结构相对地更为复杂，且多半成本较高。图1-4 混联式混合动力系统的示意图
4.复合式混合动力系统
图1-5所示为典型复合式混合动力系统的示意图，它具有与混联式相似的结构。唯一的差异在于电耦合功能由功率变换器转移到蓄电池组，并且在电动机/发电机组和蓄电池组之间加入一个功率变换器。图1-5 典型复合式混合动力系统的示意图
上述分类在科学意义上并非十分清晰，且可能引起混淆。实际上，混合动力汽车中，在驱动系统内存在着两类能量流：一类是机械能量流；另一类是电能量流。在功率交汇点处，始终以同一类功率形式，即电气的或机械的功率形式，而不是呈现着两个功率的相加或将一个功率分解为两个功率。这样，或可由功率耦合或解耦特性来更精确地定义混合动力汽车电力驱动系统的构造，例如电耦合驱动系统、机械耦合驱动系统以及机械-电气耦合驱动系统。二、按混合程度来分类
根据在混合动力系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不同，混合动力系统还可以分为微混合动力系统、轻混合动力系统、中混合动力系统、完全混合动力系统和插电混合动力系统五种类型，它们的电力/燃油所占比例如图1-6所示。图1-6 电力／燃油所占比例
1.微混合动力系统（BSG系统）
微混合动力系统在传统发动机上的起动机（一般为12V）上加装了带驱动起动机（Belt-al- ternator Starter Generator，BSG）。该电机为发电机-起动机（Stop-Start）一体式电机，用来控制发动机的起动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上说，微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。在微混合动力系统里，电机的电压通常有两种：12V和42V，其中42V主要用于柴油混合动力系统。微混合动力系统代表的车型是PSA公司的混合动力版C3和丰田公司的混合动力版Vitz。
2.轻混合动力系统（ISG系统）
轻混合动力系统采用了电动机-发电机一体化（Integrated Starter Generator，ISG）。与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的起动和停止外，还能够实现：
①在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收。
②在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动力系统的混合度一般在20%以下。轻混合动力系统的代表车型是通用汽车公司的混合动力皮卡车。
3.中混合动力系统
中混合动力系统同样采用了ISG系统，但与轻度混合动力系统不同的是高压电机。此外，中度混合动力系统还增加了一个功能：在车辆处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而提高了整车的性能。这种系统的混合程度可以达到30%左右，技术已经成熟，应用比较广泛。中混合动力系统的代表车型是本田公司旗下混合动力的音赛特（Insight），雅阁和思域等车型。
4.完全混合动力系统
完全混合动力系统采用了272～650V的高压起动机，混合程度更高。与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度可以达到50%以上。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。完全混合动力系统的代表车型是丰田公司的普锐斯和未来的Estima。
5.插电混合动力系统
插电式混合动力系统是一种将纯电动系统和现有混合动力系统相结合的产物。由于车辆带有外接插入式充电系统，车辆可以单独利用电动机行驶较长的距离，将内燃机的工作比例进一步缩小，提供更好的节油比例，但会消耗一定的电能。同时，又解决了目前纯电动汽车续驶里程短的问题。但随着电池技术的发展，插电式混合动力系统仅仅是一种过渡方案。
以上五种不同的混合方式，都能在一定程度上降低油耗和排放。各大汽车厂商经过多年研发投入，试验总结，商业应用，形成了各具特色的混合动力技术之路。
第三节 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1-7所示。图1-7 现代混合动力汽车所采用的各种电动机
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1-1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。表1-1 各种电动机的基本性能比较（续）
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1-8a所示。
②交-交变频器系统，如图1-8b所示。
③交-直-交逆变器系统，如图1-8c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。图1-8 交流电动机调速系统功率电路的基本形式四、永磁电动机
1.永磁电动机的类型
永磁电动机有永磁无刷直流电动机和永磁同步电动机两种类型。这两种永磁电动机在结构上和工作原理上大致相同，转子都是永久磁铁，定子通过对称交流电来产生转矩，定子电枢多采用整矩集中绕组。它们的同步特性的区别主要表现在电波曲线形状上。永磁同步电动机（PSM）具有正弦波电流，如图1-9a所示。永磁无刷直流电动机（PM BDC）具有矩形脉冲波电流，如图1-9b所示。永磁式电动机的电波曲线形状是由电动机的类型及其控制系统来确定的。图1-9 永磁电动机的同步特性
2.永磁电动机的结构
按永久磁铁在永磁电动机上布置可分为：内部永磁型（Interior Permanent Magent，IPM）、表面永磁型（Surface Permanent Magnet，SPM）和镶嵌式永磁型（Insettype，ISPM）等几种结构形式。将永磁磁极按N极和S极的顺序排列组成永磁电动机的磁性转子。（1）磁性转子的结构
①内部永磁型转子。内部永磁型转子的磁路可分为：径向型磁路（图1-10a）、切向型磁路（图1-10b）和混合型磁路（图1-10c）。
径向型磁路磁性转子磁漏小，而且不需要隔离环，但它每个磁极的有效面积约为切向型内部永磁转子的一半。为了提高径向型内部永磁转子的有效面积，多采用截面形状，如图1-10a所示。
②表面永磁型转子。图1-10d所示为表面永磁型转子结构，表面永磁型转子的应用正在逐渐增多。图1-11所示为表面永磁型转子永磁电动机的横截面示意图。图l-l0 永久磁铁的磁路结构形式图1-11 表面永磁型转子永磁电动机的横截面示意图
③混合式永磁型转子。混合式永磁型转子（图1-12）可以用嵌入永久磁铁中的励磁绕组来对磁通量进行控制，进而改变永磁电动机的机械特性。（2）磁极的数量
一般感应电动机的磁极数量增多以后，电动机在同样的转速下，工作频率随之增加，定子的铜耗和铁耗也相应增加，将导致功率系数急剧下降。磁阻电动机的磁极数量增多以后，会使电动机输出的最大转矩与最小转矩值差距很大，对磁阻电动机的性能影响较大。独立励磁电动机的磁极数量增多以后，将无法达到额定的转矩。而永磁电动机的磁极增加一定数量以后，不仅对电动机的性能没有明显的影响，还可以有效地减小永磁电动机的尺寸和质量。
永磁电动机的气隙直径和有效长度取决于电动机的额定转矩、气隙磁通密度、定子绕组的线电流密度等参数变化的影响。气隙磁通密度主要受磁性材料的磁性限制，因此需要采用磁能密度高的磁性材料。另外，在气隙磁通密度相同的条件下增加磁极的数量，就可以减小电动机磁极的横截面面积，从而使得电动机转子铁心的直径减小。图1-13所示为一个4极永磁转子铁心与一个16极永磁转子铁心的尺寸比较，后者的横截面面积要小于前者，因此可以减轻电动机的质量。增加磁通密度、改进磁路结构、减弱电枢反应和提高电动机的转速的研究，是提高永磁电动机性能和效率的主要途径。图1-12 混合式永磁型转子的结构图1-13 4极永磁转子铁心与一个16极永磁转子铁心的尺寸比较
3.永磁无刷直流电动机（1）永磁无刷直流电动机的结构
在直流电动机的转子上装置永久磁铁，转子采用径向永久磁铁做成的磁极，将磁铁插入转子内部，或将瓦形磁铁固定在转子表面上，转子上不再用电刷和换向器为转子输入励磁电流，所以电动机的转子磁路是各向均匀的，转子上不再用励磁绕组、集电环和电刷等来为转子输入励磁电流，因此称为永磁无刷直流电动机。（2）永磁无刷直流电动机的性能
永磁无刷直流电动机在工作时，直接将方波电流输入永磁无刷直流电动机的定子中，控制永磁无刷直流电动机运转。矩形脉冲波电流可以使电动机获得较大的转矩，永磁无刷直流电动机的优点是效率高、转矩大、高速操作性能好、无电刷、结构简单牢固、免维护或少维护、尺寸小、质量轻。输出转矩与转动惯量比值大于相类似的三相感应电动机。永磁电动机在材料的电磁性能、磁极数量、磁场衰退等多方面的性能都优于其他种类的电动机。若输出的波形不好，则会发生较大的脉动转矩和冲击力，影响电动机的低速性能，电流损耗大，工作噪声大。
因为电流反馈控制的无刷直流电动机具有近似正弦气隙磁通密度和正弦定子反馈电流，所以它要比同样尺寸的永磁同步电动机的输出功率高出15%。在相同转速的情况下，电流反馈控制的无刷直流电动机输出的转矩要比永磁同步电动机高15%。但无刷直流电动机的损耗、噪声和转矩波动，都比永磁同步电动机大，给无刷直流电动机的使用带来一定影响。
4.永磁磁阻同步电动机（1）永磁磁阻同步电动机的结构
永磁磁阻同步电动机是将永久磁铁取代他励同步电动机的转子励磁绕组，电动机的定子与普通同步电动机一样。转子采用径向永久磁铁做成的磁极，做成多层永磁磁极，形成可同步旋转的磁极，这种电动机被称为永磁磁阻同步电动机。图1-14所示为两层6极永磁磁阻同步电动机的定子和转子。永磁磁阻同步电动机具有高效率（达97%）和高比功率（远远超过1kW/kg）的优点，输出转矩与转动惯量比都大于相类似的三相感应电动机，在高速转动时有良好的可靠性，平稳工作时电流损耗小。永磁磁阻电动机在材料的电磁性能、磁极数量、磁场衰退等多方面的性能都优于其他种类的电动机，工作噪声也低。
在同步电动机的轴上装有转子位置传感器和速度传感器，它们产生的信号是驱动控制器的输入信号。永磁磁阻同步电动机具有功率密度高、调速范围宽、效率高、性能更加可靠、结构更加简单、体积小的优点。与相同功率的其他类型的电动机相比较，更加适合作为EV、FCEV和混合动力汽车的驱动电动机。（2）永磁磁阻同步电动机的机械特性
由于永磁磁阻同步电动机在牵引控制中采用矢量控制方法，在额定转速以下恒转矩运转时，就使定子电流相位领先一个β角，一方面可以增加电动机的转矩，另一方面由于β角领先产生的弱磁作用，使电动机额定转速点增高，增大了电动机在恒转矩运转时的调速范围。如β角继续增加，电动机将运行在恒功率状态。永磁磁阻同步电动机能够实现反馈制动。图1-15所示为永磁磁阻同步电动机的机械特性曲线。图1-14 两层6极永磁磁阻同步电动机图1-15 永磁磁阻同步电动机的机械特性曲线
5.永磁电动机的特点
由于永磁电动机的转子上无绕组，无铜耗，磁通量小，在低负荷时铁损很小，因此，永磁电动机具有较高的功率/质量比，与其他类型的电动机相比，有更高的工作频率，更大的输出转矩。转子电磁时间常数较小，电动机的动态特性好，电动机的极限转速和制动性能等都优于其他类型的电动机。永磁电动机的定子绕组是主要的发热源，其冷却系统比较简单。
由于永磁电动机的磁场产生恒定的磁通量，电动机的转矩随着电流的增加而增加，因此，基本上拥有最大的转矩。随着电动机转速的增加，电动机的功率也增加，同时电压也随之增加。在混合动力汽车上，一般要求电动机的输出功率保持恒功率，即电动机的输出功率不随转速增加而变化，这就要求在电动机转速增加时，电压保持恒定。对一般电动机可以用调节励磁电流的方法来控制，但永磁电动机磁场的磁通量调节起来比较困难，因此需要采用磁场控制技术来实现，这使得永磁电动机的控制系统变得更复杂，而且增加了成本。
永磁电动机受到永磁材料制造工艺的影响和限制，使得永磁电动机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，可能会使导磁性能下降或发生退磁现象，因而降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制它不发生过载。永磁电动机在恒功率模式下，操纵较复杂，永磁式电动机和三相感应式电动机同样需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁式电动机的控制系统造价也很高。最新研制和开发的混合励磁永磁同步电动机使永磁同步电动机的控制性能得到较大的改进。五、开关磁阻电动机
1.开关磁阻电动机的性能
开关磁阻电动机（SRM）是一种新型电动机，它的结构是所有类型电动机中最简单的一种，在电动机的转子上，没有集电环、绕组等转子导体和永久磁铁。开关磁阻电动机的定子和转子都是凸极结构，只在电动机的定子上安装有简单的集中励磁绕组，励磁绕组的端部较短，没有相间跨接线，磁通量集中于磁极区，通过定子电流来励磁。各组磁路的磁阻随转子位置的不同而变化。转子的运转是依靠磁力来运行，转速可以达到1500r/min。在较宽的转速范围和较宽的转矩范围内效率可以达到85%～93%，比三相感应电动机要高。它的转矩-转速特性好，在较宽的转速范围内，转矩、转速可灵活控制，调速控制较简单，并可实现四象限运行。开关磁阻电动机有较高的起动转矩和较低的起动功率，功率密度高，结构简单坚固，可靠性好，但转矩脉动大，控制系统较复杂，工作噪声大，体积比同样功率的感应电动机要大一些。
2.开关磁阻电动机的结构
开关磁阻电动机的定子和转子是采用凸极结构，定子和转子都是由硅钢片叠片组成，开关磁阻电动机的定子和转子极数不同，有多种组合方式，最常见的为三相6/4结构（图1-16）和四相8/6结构（图1-17）。三相开关磁阻电动机的定子上有6个凸极，转子上有4个凸极。四相开关磁阻电动机的定子上有8个凸极，转子上有6个凸极。在定子相对称的两个凸极上的集中绕组互相串联，构成一相，但在转子上没有任何绕组。图1-16 三相6/4凸极单绕组结构的开关磁阻电动机图1-17 四相8/6凸极结构的开关磁阻电动机
3.开关磁阻电动机的工作原理
三相开关磁阻电动机的工作原理如图1-18所示。从图1-18a中可知如果按A—B—C—A的顺序向定子绕组轮流通电时，定子便产生按顺序变换的磁场，电动机的转子即连续不断逆时针地转动。如果反过来按A′—C′—B′—A′改变定子绕组通电顺序时，就可以改变开关磁阻电动机转子转动的方向。三相开关磁阻电动机定子的凸极数为6个，转子的凸极数为4个，当A—B—C三相轮流通电一次时，转子共转π/2步进角。如果改变电流的大小，则可改变电动机转矩的大小，进而改变电动机的转速。如果控制在转子极离开定子极通电时，即可产生与转子旋转方向相反的制动转矩。图1-18 三相开关磁阻电动机的工作原理
4.开关磁阻电动机的特点（1）开关磁阻电动机的优点
①高起动转矩，低起动电流。
②高效率，低损耗，耐温。
③电动机结构简单，适应于高速运转。
④电动机的功率电路简单。
⑤可靠性好。
⑥良好的适应性，成本低。（2）开关磁阻电动机的缺点
①转矩有脉动现象。
②有振动与噪声。
③控制系统复杂。
④脉冲电流的影响。六、电动机的控制
混合动力汽车上采用电源—电源转换器—驱动电动机的动力系统，是属于电力驱动技术范畴，因此，对混合动力汽车驱动电动机的控制和智能控制的研究，是混合动力汽车的关键技术。
1.混合动力汽车电动机的控制系统
混合动力汽车动力系统和驱动力控制系统是由动力电池组、电流转换器（逆变器）、发动机-发电机组和驱动电动机以及一些电气和线路共同组成，因此混合动力汽车的技术关键是对动力电池组、发动机-发电机组、驱动电动机的控制或智能控制。
2.混合动力汽车电动机控制系统的组成
混合动力汽车上驱动电动机的控制系统基本由信号输入、信号处理和输出、执行元件和信息反馈四大部分组成。（1）信号输入
混合动力汽车主要输入信号源来自驾驶人对加速踏板的位移量和由电动机反馈的信号和监测装置反馈的信号，这些信号一般转换为电信号的形态，经过接口输入到计算机中。（2）信号处理和输出
车载计算机的中央控制器作为信号处理和指令输出的核心，在中央控制器中装有测量装置、乘法器、比较器、逻辑控制单元、数据库和各种传感器等电子器件，对输入控制信号的输入量进行快速、精确的运算，并产生相应的偏差信号。将运算得出的微弱的偏差信号，经过放大器进行放大或变换，使输出指令的偏差信号足够大，然后通过接口输送到各个控制模块中去。（3）执行元件
控制模块和各种执行机构是控制系统的执行元件，根据放大器所放大或变换的偏差信号，控制模块和各种执行机构对被控制对象发出控制指令，使被控制对象按照规定的指令（参数）运行。（4）信息反馈
电动机运转监测装置上的传感器会对电动机的运转进行监测，并将电动机运转中的机械量和电量的变化及时反馈到中央控制器，中央控制器将反馈信息进行对比、运算后，对输出的指令进行调整和修改，使被控制对象的运行参数与输入的信号的给定值趋向一致，并使被控制对象按照新的指令（参数）运行。
3.变频器（1）变频器的功能
在各种电动车辆上，采用动力电池组的直流电作为电源，并采用三相交流电动机作为驱动电动机时，三相交流电动机不能直接使用直流电源。另外三相交流电动机具有非线性输出特性。变频器可实现直流电源与三相交流电动机之间电流的传输和变换，并要求能够实现频率调节，在所调节的频率范围内保持功率的连续输出，同时实现电压的调节，能够在恒定转矩范围内维持气隙磁通恒定。将直流电变换为频率和幅值可调以及电压可调的交流电来驱动三相交流电动机。用变频器对三相交流电动机进行调速控制的控制系统特点为：
①实现了对三相交流电动机的调速控制，扩大了交流电动机的转速范围，实现恒功率范围内的运转，可以对交流电动机进行高速驱动。
②可以实现大范围内的高效率连续调速控制。进行高频率起动和停止运转，并进行电气制动，快速控制交流电动机正、反转的切换。
③所需要的电源容量较小，电源功率因数较大，可以用一台变频器对多台交流电动机进行控制，组成高性能的控制系统等。（2）变频器基本结构模型
①交-直-交逆变器系统在有220/380V交流电源处，一般采用交-直-交逆变器系统，基本功率电路如图1-19所示。图1-19 交-直-交逆变器系统基本功率电路
②交-交变频器系统在220/380V交流电源处，还可以采用交-交变频器系统，基本功率电路如图1-20所示。图1-20 交-交变频器系统基本功率电路
③直-交逆变器系统在电动车辆有直流动力电池组电源时，还可以采用直-交逆变器系统，基本功率电路如图1-21所示。图1-21 直-交逆变器系统基本功率电路
第二章 丰田凯美瑞汽车混合动力系统维修
第一节 凯美瑞汽车混合动力系统的工作原理
一、丰田混合动力系统-Ⅱ（THS-Ⅱ）概述丰田混合动力汽车的核心技术是丰田混合动力系统（THS-Ⅰ）技术，它结合了汽油发动机和电动机两种动力，通过并联或串联相结合的方式进行工作，以达到良好的动力性、经济性和低排放效果。2003年丰田公司推出了第二代丰田混合动力系统（THS-Ⅱ），该系统运用在凯美瑞和普锐斯等混合动力车型上。
2010款混合动力版凯美瑞使用丰田混合动力系统-Ⅱ（THS-Ⅱ）。该系统对3AZ-FXE发动机和P311混合动力传动桥（混合动力车辆传动桥总成）内的高转速、大功率电动机-发电机组（MG1和MG2）执行最佳协同控制。P311混合动力传动桥（混合动力车辆传动桥总成）提供了良好的传动性能。
另外，它采用了由大功率混合动力汽车蓄电池（额定电压为直流244.8V，以后简称为HV蓄电池）和可将系统工作电压升至最高电压（直流650V）的增压转换器组成的变压系统。
1.THS-Ⅱ的优点（1）优良的行驶性能
丰田混合动力系统-Ⅱ（THS-Ⅱ）采用了由可将工作电压升至最高电压（直流650V）的增压转换器组成的变压系统。可在高压下驱动电动机-发电机1（MG1）和电动机-发电机2（MG2），并以较小电流将与供电相关的电气损耗降到最低。因此，可以使MG1和MG2高转速、大功率工作。通过高转速、大功率MG2和高效3AZ-FXE发动机的协同作用，达到较高水平的驱动力，使车辆获得优良的行驶性能。（2）良好的燃油经济性
THS-Ⅱ通过优化MG2的内部结构获得高水平的再生能力，从而实现良好的燃油经济性。
THS-Ⅱ车辆怠速运转时，发动机停止工作，并在发动机工作效率不良的情况下尽量停止发动机工作，车辆此时仅使用MG2来工作。在发动机工作效率良好的情况下，发动机在发电的同时，使用MG1驱动车辆。因此，该系统以高效的方式影响驱动能量的输入-输出控制，以实现良好的燃油经济性。
THS-Ⅱ车辆减速时，前轮的动能被回收并转换为电能，通过MG2对HV蓄电池再充电。（3）低排放
THS-Ⅱ车辆怠速运转时，发动机停止工作，并在发动机工作效率不良的情况下尽量停止发动机工作，车辆此时仅使用MG2来工作，实现发动机尾气的零排放。在发动机工作效率良好的情况下，发动机在发电的同时，使用MG1驱动车辆。这样，发动机始终工作在燃烧效率最好的状态，有效降低了排放。
2.THS-Ⅱ的特征
THS-Ⅱ具有以下两个典型特征：
①THS-Ⅱ采用了由可将系统工作电压升至最高电压（直流650V）的增压转换器和可将直流电转换为交流电的逆变器组成的变压系统，为MG1和MG2提供系统电压。
②电机减速行星齿轮机构的目的是降低电机转速，用来使高转速、大功率的MG2最适合混合动力传动桥内的动力分配行星齿轮机构。
3.THS-Ⅱ的组成
THS-Ⅱ的基本组成如图2-1所示。图2-1 THS-Ⅱ的基本组成
THS-Ⅱ主要由以下系统和零部件组成：（1）变压系统
在THS-Ⅱ中，带转换器的逆变器总成内使用增压转换器。增压转换器将系统工作电压升至最高电压（直流650V）且逆变器将直流电转换为交流电，以在高压下驱动MG1和MG2，并以较小电流将与供电相关的电气损耗降至最低，如图2-2所示。因此，可以使MG1和MG2高转速、大功率工作。图2-2 变压系统（2）无离合器系统
无离合器系统通过齿轮将前轮和MG2机械相连。变速杆位置传感器输出N位置信号，将逆变器（控制MG1和MG2）内所有功率晶体管关闭，以在空档位置切断原动力，从而切断MG1和MG2操作，车轮处的原动力变为零。（3）P311混合动力传动桥（混合动力车辆传动桥总成）
根据车辆驾驶条件，THS-Ⅱ通过优化方式结合发动机和MG2的原动力来驱动车辆。在该系统中，发动机动力是基础。P311混合动力传动桥总成内的动力分配行星齿轮机构将发动机动力分成两路：一路用来驱动车轮；另一路用来驱动MG1。因此，MG1可作为发电机使用，为电池充电。
P311混合动力传动桥总成主要由MG1、MG2、复合齿轮机构（由电机减速行星齿轮机构和动力分配行星齿轮机构组成）、中间轴齿轮机构以及差速器齿轮机构组成，如图2-3所示。图2-3 P311混合动力传动桥总成
发动机、MG1和MG2由复合齿轮机构机械地连接在一起。复合齿轮机构由电机减速行星齿轮机构和动力分配行星齿轮机构组成。电机减速行星齿轮机构降低MG2的转速，动力分配行星齿轮机构将发动机的原动力分成两路：一路用来驱动车轮，另一路用来驱动MG1。
在电机减速行星齿轮机构中，太阳齿轮与MG2的输出轴耦合在一起，且行星齿轮架固定。此外，复合齿轮机构使用由2个行星齿圈、1个中间轴主动齿轮和1个驻车档齿轮集成在一起的复合齿轮机构。（4）无拉索节气门控制
装备THS-Ⅱ的车辆的发动机采用智能电子节气门控制系统（ETCS-i）。无拉索节气门系统不使用加速踏板拉索，而是使用加速踏板位置传感器和节气门位置传感器来检测加速踏板位置和节气门位置，如图2-4所示。图2-4 智能电子节气门控制系统
混合动力车辆控制ECU根据加速踏板位置传感器提供的信号、车辆驾驶条件和蓄电池的充电状态（SOC）计算目标发动机转速和所需发动机原动力。根据这些计算结果，混合动力汽车控制ECU优化控制节气门。
4.THS-Ⅱ基本工作原理
根据驾驶条件，THS-Ⅱ结合发动机、MG1和MG2产生原动力驱动车辆行驶，工作过程如图2-5所示。图2-5 THS-Ⅱ工作过程
下面介绍THS-Ⅱ在车辆的不同工作状态下的工作原理。（1）起动
当车辆起动时，THS-Ⅱ仅使用由HV蓄电池提供能量的电动机（MG2）的动力起动，此时发动机并不运转，如图2-6所示。因为发动机不能在低转速输出大转矩，而电动机可以灵敏、顺畅、高效地进行起动。
注意：点火起动时，发动机将进行运转，直至充分预热。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]