3-混合电动汽车混合励磁永磁无刷电机的启动发电系统研究

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1、混合动力汽车用混合励磁永磁无刷电机的启动发电系统研究摘要：本文提出了一种新型的混合励磁永磁无刷电机，并且作为混合电动汽车的启动发电机（ISG）。它的优点在于:比其它的永磁混合型无刷电机有更高的启动转矩；比永磁无刷电机有更宽的调速范围。关键问题是通过调节直流电枢电流来实现混合电动汽车的ISG系统的三种主要模式之间的转换，也是说能够成功有效地实现发动机启动，电池的充电和转矩的提高。利用有限元分析法来分析系统的稳态和动态参数。最后，构建了2kw的电机模型通过实验测试验证了仿真结果和已提出ISG系统的有效

2、性。关键词：HEV,混合励磁，ISG,永磁电机1.引言由于人们对环境问题和能源问题的日益关注，混合动力电动汽车的节能技术已经加快了发展的步伐。电机及其驱动是混合动力电动汽车节能技术的关键。对于传统汽车的电气系统，由于大部分电机不可能同时具有高的启动转矩和宽的调速范围，所以启动电机和发电机必须分别独立地进行发动机的启动和电池的充电。随着电机技术和电力电子技术的进步，具有启动发电功能的ISG系统对于汽车和混合动力电动汽车将更有吸引力。近年来，各种各样的电机已经在汽车以及混合动力汽车中得到应用。其中，感

3、应电机因为其高的可靠性和宽的调速范围而成为最主要的应用的对象之一，然而感应电机的控制相当复杂尤其是弱磁控制。开关磁阻电机由于其简单而又稳定的结构也被提出应用在启动发电系统中，但是开关磁阻电机却有着低的功率密度、效率低以及转矩脉动大的缺点，使得它没法得到认可。永磁无刷电机因其功率密度高、效率高而成为成为另外一个得到瞩目的电机之一，然而永磁无刷电机的弱磁控制是相当困难的并且恒功率转速范围有限。因此，目前已经利用不同的控制策略来拓展永磁无刷电机的转速范围，但是这些策略都存在控制过于复杂的弱点。近年来，一

4、种新型的叫做混合励磁无刷电机的永磁无刷电机被提了出来。首先，混合励磁的应用有效的减少了励磁功率的需求。其次，混合励磁的应用有效的扩展了径向磁场爪极式无刷电机、轴向磁场双转子单定子永磁盘式电机以及横向磁场永磁电机的弱磁特性，然而，这些电机都采用永磁体安装在转子上的无刷电机结构和复杂的拓扑结构。就在最近，混合励磁已经进一步的扩展到应用在风力发电的定子永磁无刷电机的拓扑结构。然而混合励磁应用在启动发电机系统中好存在空白。本文提出了一种新型的混合动力汽车用混合励磁永磁电机应用其启动发电系统中，这种电机作为

5、启动发电机来实现发动机的冷启动和发电为电池充电的性能要优于其他各种各样的永磁无刷电机。和传统的作为启动发电机的电机不同的是，此电机采用混合励磁（永磁和直流励磁绕组）来共同产生永磁磁场。因此，由于控制电机的气息磁通是可行的，所提出的电机在不同的转速和负载条件下，不仅仅在发电机启动时提供高的启动转矩而且还能提供恒定的发电电压为电池充电。文章的第二部分将描述系统的构成和工作模式，第三部分描述由混合励磁永磁无刷电机构成的启动发电系统，第四部分将引入介绍电路场转矩时间阶跃有限元分析方法(CFT-TS-FEM

6、)来分析所提出的电机，第四部分讨论仿真了在不同工作模式下的电机特性。然后在第五部分给出了硬件原理图和实验证明。第六部分进一步的将所提出的电机和其他电机进行比较。最后，第七部分将给出最后的结论。2系统组成和工作模式如图Fig.1所示，作为的汽车和混合动力汽车的ISG系统来说，一般包括发动机启动和发电为电池充电两个部分。混合动力汽车的启动发电系统有三个主要的工作模式。图1.应用ISG技术的现代汽车电气系统A.模式1：发动机启动当混合动力汽车从长期的停车的状态时启动时，集成启动发电系统开始工作带动发动机

7、从冷机状态达到要求的发动机实现启动的最小转速，这就是我们所谓的冷启动。因此集成启动发电系统需要提供瞬时的搞启动转矩来克服机械运动阻力当发动机处于冷机状态时。对于现代的混合动力汽车，当汽车处于停止状态时发动机应该被立即关闭也就是所谓的怠速模式特征，这样就可以提高燃料效率，在城市工况时，可以减少尾气的排放，因此，集成启动发电系统需要让发动机实现定期启动。既然发动机处于热机状态，对启动转矩的要求就要比在冷启动时要小的多。B.模式二：电池充电一旦打动机实现启动以后，集成启动发电系统就处于电池充电的工作模式

8、，但是发动机的转速是随着汽车的转速变化而变化的，因此集成启动发电机发出的电压也就是电池充电电压也是时变的。为了防止过电池充电的过电压和延长电池的使用寿命，发电电压应该保持在能够忍受的范围之内。此外，当混合动力汽车处于刹车和下坡状态时，集成启动发电机处于再生制动状态为电池充电。发出的电压是不够为电池充电。C.模式三：助力当混合动力汽车需要爬坡或者过载时，集成启动发电即需要工作在助力状态，也就是说，当发动机的油门处于满状态时，集成启动发电机提供额外的瞬时功率来满足所期望的转矩要求。3.