新型可重构的混合动力汽车，如何改进油电占比，才能缓解里程问题
文丨八诞纪
编辑丨八诞纪
汽车部门的能源消耗和对全球温室气体排放的贡献，为汽车电气化和杂交化的需要奠定了背景。
随着对全球能源消耗和温室气体排放的如此影响，提高道路交通的燃油经济性是值得关注的。
此外，随着污染水平的增加和对石油储存枯竭的担忧，不断上升的监管限制水平要求更高的燃油效率和低排放的汽车。
电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV），似乎为这一挑战提供了解决方案，额外的重量和电动动力系统组件的成本
为了实现优化的重量、成本和燃油效率，几种具有不同电气化水平的车辆动力系统架构，如微型、轻度、全、插电式混合动力和全电动选项是可用的。
由于电池组的成本和体积的固有问题，以及里程焦虑，电动汽车尚未获得主要的市场份额，而混合动力汽车在高端和低端汽车中都很受欢迎。
微型和轻度混合动力汽车在燃油经济性,和额外电动动力系统的组件成本方面提供了最具吸引力的选择，这可以被认为是其在所有其他替代架构中,更大的市场份额背后的主要驱动力。
一些市场分析报告也表明，混合动力车的增长，直到在能源存储方面取得重大突破，导致廉价和更小的电池系统。
此外，随着人们对电动和混合动力汽车的日益关注，需要满足改进的性能和设计规范，如效率、扭矩密度、重量、体积和成本。
这一要求引发了对不同可能的电机技术的研究，以及重新审视现有的电机技术，在此背景下，一项结合动力电子和电机设计知识设计，微型/轻度混合动力汽车电动驱动来应对这一挑战的研究是相关的。
电动和混合动力汽车的架构
针对汽车的电气化和杂交化，已经提出和开发了几种车辆架构，全电动汽车，完全拆除了内燃机（ICE），用电机代替。
该机器是由一个电力电子逆变器驱动的，从存储在电池中的能量，电池通过车载充电器/非车载充电器使用电源进行充电。
与全电动汽车不同，混合动力结构保留了冰，和电动机器，对于系列混合动力车，车辆再次由电机通过电池通过电力电子转换器完全驱动。
然而当电池充电状态（SOC）较低时，发动机在其最有效的点（扭矩、转速），通过发电机给电池充电，插电式混合动力车也可以选择在旅程开始前，通过车载充电器给电池充电。
这种安排允许减少电池的尺寸，因为电池不需要存储能量针对汽车的全里程，同时解决电动汽车的里程焦虑问题。
虽然这种架构减少了所需的昂贵电池的尺寸，但与电动汽车相比，该车辆由两个全尺寸的机器组成，从而增加了动力系统的成本、重量和体积。
然而，平行混合动力车解决了这一挑战，通过直接用发动机减少必要的扭矩，这种结构减少了电池的尺寸和杂化所需的电机，从而提供了最优化的解决方案。
在传统汽车中，起动电机（通常是直流电机）用于启动内燃机，在低速高扭矩范围内间歇运行（仅启动发动机，最大持续时间为20-30秒）。
此外，还有一个单独的电机（通常是伦德尔交流发电机）来发电，它向车辆电力网络供电并为电池充电。
集成起动交流发电机，向微型或轻度混合动力汽车迈出了第一步，使用单一电机从静止启动内燃机，在发动机运行时产生电能。
ISA可直接用于更换启动电机和交流发电机，在交流发电机的位置，使其通过滑轮与发动机保持连接。
这种安排只允许启动、生成和扭矩提升功能，为了实现再生制动，系统必须进行修改。
只有当要从由发动机产生的转矩中，增加扭矩（控制模式）或减去扭矩（产生模式）时，机器的定子才会通电，否则，机器的转子只将扭矩从发动机传递到变速器。
当施加制动时，离合器脱离，ISA可用于再生制动，通常黑色箭头表示扭矩传递的方向，而蓝色箭头表示电力传递的方向。
很明显，ISA需要在不同的工作模式下运行，如高扭矩-低速启动，巡航时交流发电机模式的高速-低扭矩。
此外，电动驱动为ISA的中间范围的扭矩和速度，将允许其他混合动力功能，如再生和扭矩提升，单台机器的这些不同应用要求在驾驶和发电模式下，都有非常宽的扭矩和速度范围。
不同类型的电机、感应机、永磁电机、伦德尔交流发电机、开关磁阻电动机已被讨论为潜在的候选电机，它们都有一定的优缺点。
感应机和永磁电机在电动和混合动力汽车中，的应用得到了广泛的研究，直流电机虽然控制方案较简单，但由于换流器和电刷的固有问题，并不是该应用最合适的选择。
开关磁阻电动机也在考虑这个问题，虽然开关磁阻电动机具有结构稳健的优点，但控制困难、扭矩波纹和声噪声是需要解决的主要问题。
近年来，开关磁阻电动机在研究领域引起了关注，以寻找永磁电机电机的替代品，它依赖于昂贵的稀土材料。
永磁式电动机
在不同的可能的候选项中，永磁电机机器提供最大的扭矩和功率密度，导致主要汽车制造商的首选。
一个类似的概念已经被扩展到中报告的机器上，从而产生了用于ISA应用的双轴激励发生器，研究了可重构绕组和开绕组配置I永磁电机电机。
研究结果表明，基于成本、尺寸、功率、效率、机器引线和扭矩干扰抽头绕组是一种优化的选择，机器使用4个逆变器模块（3腿桥转换器）提供6相开绕组配置，所描述的机器还可以选择在串联和并行模式下重新配置。
尽管关于ISA应用的永磁电机机器的重要研究报道，但最近稀土材料价格的不确定性已经引起了，人们对没有稀土材料的机器的关注，此外，永磁材料的温度敏感性使其对汽车应用的吸引力降低，而S永磁电机电机不适合非常高的高速。
由于坚固的转子结构和在大速度范围上的恒定功率，开关磁阻电动机已经被认为是，电动和混合动力汽车应用的潜在候选者。
开关磁阻电动机有潜力达到，几乎类似的I永磁电机的功率和扭矩密度，而不使用昂贵的稀土永磁体材料，因此，最近作为EV和HEV应用的替代候选方案，这正在进行显著的研究。
感应电动机
随着电力电子控制器的出现，感应机的变速控制变得容易实现，感应机和空间矢量控制的广泛应用，也被称为通量导向控制（FOC）在其他工业领域的广泛应用，导致了该领域的广泛研究，成为最成熟的电力驱动技术之一。
在电力电子学出现之前，电机曾经直接从线路电源供电，包括电网连接的三相电源、直流电源或小型机器的单相电源，与直流电机相比，由于其简单的结构、良好的效率和易于维护，感应机一直是该行业的主力。
一个线路馈电的感应机（固定电压和频率）的缺点是，由于固定的转矩-速度特性，工作点由负载转矩-速度特性，机器转矩-速度特性的交叉点决定。
电力电子转换器允许为感应机提供，可变电压和变频（VVVF）电源，从而改变机器的转矩-转速特性，这允许针对相同的负荷扭矩速度特性的多个可能的操作点，从而扩大驱动器的扭矩速度特性。
电力电子转换器，允许为感应机提供可变电压和变频电源，从而改变机器的转矩-转速特性，这允许针对相同的负荷扭矩速度特性的，多个可能的操作点，从而扩大驱动器的扭矩速度特性。
研究报告使用简单V/f控制的可重构绕组感应机，为了实现可重构的绕组拓扑结构，将各个定子引线带到外面，并通过电控开关网络进行连接。
虽然在扭矩-速度特性中有一些有趣的改进的报道，但在驾驶和发电模式下，这些许多开关的应用使其在汽车上的实际实现变得困难，类似的转矩速度特性增强，使用较少的开关，通过改变感应机的极数提供了较宽的转矩速度特性。
虽然在电动和混合动力汽车的最初几年，永磁电机机器是由于其更高的扭矩和功率密度的商业解决方案的首选，感应机仍然是下一个选择。
稳健的结构、成熟的制造工艺和已建立的FOC控制，是感应机用于xEV应用的几个优点，然而，感应机的功率密度和效率略低于永磁电机机。
具有高通量密度的永磁电机机器依赖于稀土材料，而2011-12年稀土材料的价格上涨，导致所有主要制造商都全面转向了感应机。
在汽车应用中，永磁电机材料需要特别防止车辆振动引起的高温和冲击，这些限制使永磁电机无材料驱动器，如感应机，成为xEV应用程序的一个有吸引力的选择。
峰值线电压限制为直流母线电压Vdc，基频也受到功率电子设备切换频率、机器频率和总谐波失真（THD）的限制。
在这些限制范围内，三相逆变器可用于控制电压和独立馈送给机器的频率。
结语：
永磁电机机器在体积和重量方面，都显示出最大的扭矩和功率密度，是初始混合动力汽车的首选，也吸引了大量的研究。
稀土材料价格的波动已经改变了，向无稀土材料机器的研究趋势，感应机，特别是铜棒转子机主要用于这一应用，其中采用了成熟的空间矢量脉冲宽度调制，或基于直接转矩控制的控制策略。
此外，由于转矩波纹、控制困难和特殊变换器拓扑要求等重大技术挑战，开关磁阻电动机主要有待研究，尽管据报道其效率、功率和扭矩密度接近永磁电机机器，略高于感应机。
由于提高了系统的鲁棒性，位置传感器较少的控制在这种应用中具有特殊的优势，此外，已经明确报道，实现最大限度的优化设计方法，以及控制策略是重要的，因为应用程序对成本非常敏感。
在电力电子学出现之前，人们提出了一些使用机械开关来改变机器的极数的想法，两种不同配置下的机器的扭矩-速度特性，多相绕组为一个交流发电机-电机设置，如柴油牵引发动机。
参考文献：
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