第二章 动力系统
第一节 动力驱动系统
一、驱动电机的类型
微混合型混合动力汽车使用的电机为BSG电机，轻度混合型混合动力汽车和重度混合型混合动力汽车使用的电机为驱动电机，其类型有异步电机和永磁同步电机。目前，国内厂商以永磁同步电机为主。
1.BSG电机
发电起动一体化电机（Belt-Driven Starter Generator，BSG）是通过传动带与发电机连接的双功能电机。BSG电机是混合动力汽车重要的配置，因为没有BSG电机就没有行车发电功能，如图2-1-1所示。
图2-1-1 BSG电机
48V BSG电机属于低压电机，合资品牌中的奔驰S320L、奥迪A8L、路虎揽胜等，自主品牌中吉利旗下的嘉际、博瑞等车型均配备了48V轻混系统。图2-1-2所示为48V BSG轻混系统，整个系统由集成在发动机前端轮系上的BSG电机、DC/DC变换器、辅助蓄电池、动力蓄电池等组成。
图2-1-2 奥迪48V轻混合系统
2.异步电机
异步电机又称交流感应电机，它是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步是指转子转速与定子磁场的转速不同步。
3.永磁同步电机
永磁同步电机属于交流电机的一种，其转子由带有永久磁场的钢材制成，电机工作时给定子通电，产生旋转磁场推动转子转动，而“同步”的意思是在稳态运行时，转子的旋转速度与磁场的旋转速度同步。
二、驱动电机的结构及工作原理
1.BSG电机
BSG电机将传统发动机的发电机和起动机进行了一体化设计，发动机和BSG电机之间依靠传动带传动。当发动机正常工作时，发动机通过传动带带动BSG电机进行发电，给动力蓄电池充电，此时BSG电机充当传统发电机的角色。当自动起/停系统开始工作，发动机停止运行。当发动机重新起动时就需要BSG电机的帮助，BSG电机通过传动带带动发动机重新起动，此时BSG电机充当传统起动机的角色，如图2-1-3所示。
图2-1-3 BSG电机动力系统结构示意
2.异步电机
异步电机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，定子和转子之间存在气隙，如图2-1-4所示。定子是最外面的圆筒，圆筒内侧缠有很多绕组，这些绕组与外部交流电源接通，由于整个圆筒与机座连接在一起，固定不动，因此称为定子。转子在定子的内部，其是一个缠绕着很多导线的圆柱体（即绕线式转子），或是笼形结构的圆柱体（即笼式转子），由于转子不被固定，而是与动力输出轴连接在一起旋转，因此称为转子。转子与定子之间没有任何连接和接触，之间的间隙被称为气隙，通常为0.2～1mm，并以套筒的形式相互套住。当定子绕组接通交流电源时，转子就会旋转并输出动力。
图2-1-4 异步电机的结构示意图
三相异步电机在构造上的特别之处，在于定子绕组是一个空间位置对称的三相绕组，每个相位在空间的位置彼此相差120°。当把三相绕组接成星形联结并接通交流电后，则在定子中产生三相电流。三相电流形成的旋转磁场矢量会叠加，并对转子产生影响，使得转子能更快速地旋转（相比单相异步电机），其转速可达12000～15000r/min，从而驱动电动汽车行驶，如图2-1-5所示。
图2-1-5 异步电机工作原理
3.永磁同步电机
永磁同步电机由定子、转子、机壳等部件组成，如图2-1-6所示。
图2-1-6 永磁同步电机的结构
由于转子自带磁性，当定子绕组通电后，转子立即受力，这就使得定子磁场与转子两者的转速实现了同步，如图2-1-7所示。
图2-1-7 永磁同步电机工作原理（一）
电机的转子是一个永磁体，N、S极沿圆周方向交替排列，定子是旋转的磁场。电机运行时，定子存在旋转磁动势，转子像磁针在旋转磁场中旋转一样，随着定子的旋转磁场同步旋转，如图2-1-8所示。
图2-1-8 永磁同步电机工作原理（二）
永磁同步电机的定子是三相对称绕组，三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正弦波电流，并在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场与已充磁的磁极作用，带动转子与旋转磁场同步旋转，并力图使定、转子磁场轴线对齐。当外加负载转矩以后，转子磁场轴线将落后定子磁场轴线一个功率角，负载越大，功率角也越大，直到一个极限角度，电机停转。由此可见，同步电机在运行中转速必须与频率严格成比例旋转，否则会失步停转，如图2-1-9所示。
图2-1-9 永磁同步电机的控制
1—磁场-旋转方向 2—转子-旋转方向 3—同步 4—正时提前（转子在定子正时后） 5—正时滞后（转子在定子正时前）
三、混合动力汽车驱动电机的应用
下面以奥迪Q5混合动力车型为例讲解。
混合动力模块安装在发动机和自动变速器之间的空隙处（取代变矩器）。混合动力模块包含一个永磁同步电机，该电机由定子产生的三相旋转磁场来驱动。电机可作为发动机的起动机以及发电机和驱动电机等，如图2-1-10所示。
除了定子和转子等主要部件，混合动力模块中还包含多片式离合器K0、转子位置传感器和温度传感器等部件，如图2-1-11所示。其中离合器K0用来接合、分离发动机与电机之间的连接。除此之外，在电机和变速器之间还有一组多片式离合器K1，用来接合、分离电机与传动系统之间的连接。
图2-1-10 混合动力模块的布置
图2-1-11 混合动力模块分解图
电驱动装置的电机是水冷式的，它集成在内燃机的高温循环管路上。冷却液是由高温循环管路冷却液泵V467根据需要来进行调节的（分三级，也就是说有三档）。该泵由发动机控制单元J632来操控。电驱动装置温度传感器1-G712是个NTC电阻（就是负温度系数电阻），它测量电驱动装置电机线圈间的温度。如果这个温度高于180～200℃，那么电驱动装置电机的功率就被降至零（在发电机模式和电动行驶时）。重新起动发动机取决于电驱动装置电机的温度情况，必要时可通过12V起动机来起动，如图2-1-12所示。
图2-1-12 冷却液循环和温度管理
已冷却下来的冷却液
热的冷却液
1—放气螺塞 2—暖风热交换器 3—冷却液截止阀*3 4—冷却液膨胀罐 5—冷却液泵 6—废气涡轮增压器 7—发动机机油冷却器 8—高温循环散热器（包括变速器机油冷却器） 9—低温循环散热器 F265—特性曲线控制的发动机冷却系统节温器*2（开启温度：95℃） G62—冷却液温度传感器 J293—散热器风扇控制单元*2 J671—散热器风扇控制单元2*2 JX1—电驱动装置的功率和控制装置 N82—冷却液截止阀*2（在热的一侧） V51—冷却液续动泵*2 V141—电驱动装置电机*1 V467—高温循环冷却液泵*2 V468—低温循环冷却液泵*1
*1由电驱动装置的功率和控制电子装置JX1来控制。
*2由发动机控制单元J623来控制。
*3由空调控制单元J255经空调冷却液截止阀N422来间接控制。
电驱动装置温度传感器1-G712用于测量电驱动装置电机线圈间的温度，它通过一个温度模型来判定该电机的最热点。这个温度传感器的信号用于控制高温循环的冷却能力。高温循环管路是创新温度管理的组件。通过一个电动冷却液辅助泵和接通内燃机的冷却液泵，可实现让冷却液从静止（不流动）到最大冷却能力之间的调节，如图2-1-13所示。
图2-1-13 电驱动装置温度传感器/位置传感器
G712—电驱动装置温度传感器 G713—电驱动装置位置传感器
由于带有转速传感器的内燃机在以电动模式工作时，与电驱动装置的电机是断开的，因此电驱动装置的电机需要有自己的传感器，以便用于检测转子位置和转子转速。为此，在电驱动装置的电机内集成了一个G713电机位置传感器，如图2-1-14所示。
图2-1-14 电机位置传感器结构与波形
1—励磁线圈-初级绕组 2—励磁线圈-次级绕组 3—线圈-正弦 4—90° 5—线圈-余弦