混合动力汽车技术基础知识(四)

◆文/山东 刘春晖 张学忠 魏东坡

(接上期)

如图46所示，可以通过双通道整流器(包括桥式整流器和格列茨电路)来避免单通道整流器的缺点，电路由四个二极管构成。左侧施加的交流电压将被转换为一个(右侧所显示的)脉动直流电压。

因为经过双通道整流，所以交流电压的负半波振幅在直流电路中的用电器R上则呈现为正振幅。波纹的频率是输入电压频率的两倍，因此可降低用于电压平滑处理的费用。该电路的效率也得到了显著改善。

图46 双通道整流器

(4)用于三相电流的整流器

如图47所示，通过六线圈桥式电路也可以对三相电流进行整流。通过所采用的六个二极管可以充分使用三相导线上的所有半波，经过整流的直流电流仅具有较小的波纹，这种电路可以在例如车辆发电机电压的整流中使用。

图47 三相电流全波整流器

(5)可控整流器

如图48所示，可控整流器除了整流还可以进行功率调节，例如可在直流电机转速控制范围内使用。带有晶闸管的可控整流器可作为调节阀阻止电流进行双向流动，直至调节阀的控制电极上出现触发脉冲。在图48中以蓝色矩形表示晶闸管的触发脉冲。控制脉冲熄灭后产生电流(以红色显示)。只有电流下降到某一限值时，晶闸管再次对其进行阻止且必须在下一个半波振幅中对其进行重新触发。

图48 通过晶闸管接通时间点的推移对可控整流器进行功率调节

(6)逆变器

可以将直流电压转换为交流电压的整流器被称为逆变器，其电路符号如图49所示。逆变器采用的设计不仅可以用于单相交流电流也可以用于三相交流电流(三相电流)，其效率最高可以达到大约98%。为了进行驱动用电器需要使用交流电压，但是仅有一个直流电源可供使用，此时就需要使用逆变器。例如，在混合动力车辆中电能存储在高压蓄电池内，为了进行电机驱动就需要使用三相电流。

其他应用情况还包括例如光电学设备，将直流电压电源的功率输送至交流或三相电流供电系统。

3.直流电流调节器和交流电流调节器

(1)直流电流调节器

图49 逆变器的电路符号

图50 直流电流调节器的电路符号

图51 交流电流调节器的电路符号

可以通过二极管电路将恒定的输入电压转换为其他数值电压的整流器被称为直流电流调节器，也称DC/DC转换器，其电路符号如图50所示，特别是在电动动力总成技术中采用了直流电流调节器，基本类型包括降压变压器、增压变压器和换流器，采用已广泛使用的功率MOSFET和晶闸管作为开关。因为无需对直流电压进行变压，所以DC/DC转换器可以像电子开关模式电源件一样首先将直流电压转换为交流电压。随后通过变压器将其转换为所需的较高电压，再在整流器内将该电压转换成直流电压并使用网状过滤器进行平滑处理。受工作原理所限，电流在直流电流调节器处只能单向流动。为了使高压蓄电池的电压降低至12V，必须在部分和全混合动力车辆中使用DC/DC转换器。

为了能够使用辅助启动导线或充电器对高压蓄电池充电，DC/DC变流器须能够双向使用。即可以进行双方向的直流电压转换。

(2)交流电流调节器

利用交流电流调节器可以将一个交流电压转换为另一其他数值的交流电压，其电路符号如图51所示。也可以通过使用变压器实现交流电压的转换。但是变压器不属于供电电子装置的部件。也就是说，交流电流调节器可以起到类似变压器的作用，但它不是由带有铁心的线圈制成，而是由供电电子装置的部件所构成的电路。

4.变频器

变频器可以将带有恒定电压振幅和频率的交流或三相电源转换为另一带有可变电压振幅和频率的电源，其基本结构如图52所示。可以通过三相交流电机的无级转速调节对该电压/频率进行控制。

图52 变频器的基本结构

变频器可以将供电电源的恒定电压和频率转换为直流电压。通过该直流电压可为三相交流电机产生一个新的带有可变电压和频率的三相电源。

电压和频率振幅转换时，通过供电部件中的快速换挡会产生能够通过电源或电磁场进行传输的电流。该电流可能会造成测量、控制和调节装置以及数据处理装置等出现故障。因此所有电子设备特别是变频器必须满足电磁兼容性(EMV)的相关规定。

5.混合动力系统中的应用

以混合动力车辆中所使用的供电电子装置为例进行说明。

(1)部分混合动力

如图53所示，部分混合动力的传动系中至少包括一个功率约为10～15kW的电机。这样就可以将制动过程中车辆所产生的大部分动能回收存入高压蓄电池。通过AC/DC变流器将发电机的三相电流转换为直流电压。AC/DC变流器可以进行双向工作，也就是说借助AC/DC变流器可以将高压蓄电池的直流电压转换成三相电流，以便驱动电机。

图53 部分混合动力的电动传动系

因为在混合动力车辆中通过电机实现传统启动机和发电机的功能，所以必须通过DC/DC转换器为12V车载网络供电。该DC/DC转换器同样可以进行双向工作，即可以借助DC/DC转换器通过12V车载网络对高压蓄电池充电。

(2)全混合动力

如图54所示，全混合动力与部分混合动力的电气结构相似。区别在于，至少需要另一个电机。两个电机可以提供较高的功率(20～50kW)，以便能够以纯电动方式行驶。因此还需要两个AC/DC变流器。

图54 全混合动力的电动传动系

(3)插入式混合动力

在插入式混合动力中，借助AC/DC变流器将家用电源插座中的230V交流电转换成可用于高压蓄电池的直流电压，以便为蓄电池充电。与其他混合动力车辆的蓄电池相比，插入式混合动力的蓄电池能量密度明显偏大(图55)。只有这样插入式混合动力车辆以电动方式行驶时才能实现较大的可达里程。通常可以使用一个小排量内燃机对插入式混合动力车辆的电动可达里程进行补充。高压蓄电池的充电状态低于某一限值时，使用内燃气驱动发电机。借助另一个AC/DC变流器将发电机的三相电流转换为直流电压，以便对高压蓄电池进行再次充电。

图55 串联插入式混合动力的动力系

六、电动机械式接触器

如图56所示，电动机械式接触器是一种用于较高断流容量的电气开关。接触器的工作原理与继电器相同。通过接触器接通的功率非常高，接通范围可从500W直至上百千瓦。

接触器与继电器的另一区别是接触器始终采用常闭接点或常开接点的设计。此外可以简单的断开继电器的开关触点，而在接触器中则至少需要两次才能断开，接触器的电路符号图57所示。

图56 继电器的工作原理

接触器的操纵线圈可以按照交流或直流电压驱动方式进行设计。因为对实心开关触点的快速操作可以造成接触器出现机械振动和噪音。关闭接触器时操纵线圈作为感应式用电器会引起干扰电压峰值。为了对控制电子装置进行缓冲需要一个保护电路。

为此需要在交流电流电路中使用一个电阻电容器电路(RC组合电路)。在直流电流电路中则需要使用一个空程二极管。为了避免在开关触点上产生断路火花和表面烧伤，同样需要使用RC组合电路。

七、行星齿轮箱

行星齿轮箱的基本特性是可以提供不同的传动比。行星齿轮箱的结构如图58所示，通过使用不同的输入和输出轴以及一个用于固定的第三轴实现不同的传动比。

1.大传动比

太阳轮进行驱动，齿圈制动，行星齿轮在齿圈的内啮合齿上滚动。行星齿轮架与被驱动太阳轮的转动方向相同。因为被驱动太阳轮的转动速度明显快于行星齿轮架，所以转速比较大。i = n输入/ n输出= n太阳轮/ n行星齿轮架。

2.小传动比

齿圈进行驱动，太阳轮制动，行星齿轮在太阳轮的外啮合齿上滚动行星齿轮架的旋转方向与被驱动的齿圈相同。因为输入和输出之间的转速比例较之前小，所以传动比较小。i = n输入/ n输出= n齿圈/ n行星齿轮架。

3.负传动比

太阳轮进行驱动，行星齿轮架制动。行星齿轮使齿圈的旋转方向与动力输入方向相反。此时产生方向相反的大传动比，i=n输入/n输出=n太阳轮/n齿圈(图59)。

例如，在自动变速器中就使用了行星齿轮箱的不同传动比，使用了多个相互连接的行星齿轮箱，同时使用固定连接，例如在第一个行星齿轮箱的行星齿轮架和另一个行星齿轮组的太阳轮之间。不仅在行星齿轮组之间而且在行星齿轮组与壳体之间同样使用了开关连接。在安装了传统自动变速箱的部分混合动力车辆中同样使用了这种行星齿轮箱。

图58 行星齿轮箱

图59 太阳轮上带有内燃机的行星齿轮箱、齿圈上的电动机和输入轴上的行星齿轮架

图57 接触器的电路符号

在混合动力车辆中还使用了行星齿轮箱的其他一些特性：三根轴上扭矩和功率的分配。能够进行所谓功率分流的行星齿轮箱也被称为功率分流式混合动力驱动装置。通过对电动机转速和扭矩的任意控制以及将电动机同时作为发电机和电机使用，在技术上实现了混合动力车辆的功率分流功能。毫无疑问，对内燃机转速和扭矩进行电子控制是实现混合动力车辆功率分流功能的前提条件。在图59中显示了功率分流功能的原理。为了使其浅显易懂，忽略了例如摩擦等一些因素。

(1)内燃机转动时所产生的驱动力矩通过太阳轮传输至行星齿轮箱

通过电子控制方式使电动机保持静止状态。此时齿圈转速为零。这种状态与使用开关连接固定外壳的变速箱类似。根据太阳轮和行星齿轮架之间的传动比将独立的内燃机驱动力矩传送至输出轴。输出轴上的输出功率与内燃机的驱动功率大小相同，因为带有电动机的路径即不吸收功率也不提供功率。

(2)内燃机再次通过太阳轮将驱动力矩传输至行星齿轮箱

此时启动作为电机的电动机。这意味着根据传动比将由内燃机和电动机提供的扭矩叠加至输出轴。但是转速也要根据相应的传动比进行工作。对内燃机和电动机进行控制时必须注意转速，以便对输出轴上所需总扭矩和所需转速进行调节。也就是说，相反可以通过电动机上的转速变化更改内燃机至输出轴的传动比。因为可以对电动机的转速进行持续控制，这样就能够持续改变传动比。在混合动力车辆中，这种作用有助于内燃机始终在最佳工作效率范围内工作。

(3)当电动机不是作为电机而是作为发电机工作时也可以使用行星齿轮箱的功率分流功能

电动机像“机械式用电器”一样工作并吸收扭矩。从内燃机的扭矩中扣除该扭矩(根据传动比)。这将导致施加在输出轴上的扭矩出现相应的下降。此处也可以通过控制电动机转速和扭矩使内燃机在效率较高的工作范围内运行(例如高负荷时在中等转速范围内工作)。

电动机所吸收的机械能不会流失，而是被转换成电能。在混合动力车辆中，由供电电子装置负责将这些电能存储在高压蓄电池内。