混合動力汽車技術基礎知識(四)

◆文/山東 劉春暉 張學忠 魏東坡

(接上期)

如圖46所示，可以通過雙通道整流器(包括橋式整流器和格列茨電路)來避免單通道整流器的缺點，電路由四個二極管構成。左側施加的交流電壓將被轉換為一個(右側所顯示的)脈動直流電壓。

因為經過雙通道整流，所以交流電壓的負半波振幅在直流電路中的用電器R上則呈現為正振幅。波紋的頻率是輸入電壓頻率的兩倍，因此可降低用于電壓平滑處理的費用。該電路的效率也得到了顯著改善。

圖46 雙通道整流器

(4)用于三相電流的整流器

如圖47所示，通過六線圈橋式電路也可以對三相電流進行整流。通過所采用的六個二極管可以充分使用三相導線上的所有半波，經過整流的直流電流僅具有較小的波紋，這種電路可以在例如車輛發電機電壓的整流中使用。

圖47 三相電流全波整流器

(5)可控整流器

如圖48所示，可控整流器除了整流還可以進行功率調節，例如可在直流電機轉速控制范圍內使用。帶有晶閘管的可控整流器可作為調節閥阻止電流進行雙向流動，直至調節閥的控制電極上出現觸發脈沖。在圖48中以藍色矩形表示晶閘管的觸發脈沖。控制脈沖熄滅后產生電流(以紅色顯示)。只有電流下降到某一限值時，晶閘管再次對其進行阻止且必須在下一個半波振幅中對其進行重新觸發。

圖48 通過晶閘管接通時間點的推移對可控整流器進行功率調節

(6)逆變器

可以將直流電壓轉換為交流電壓的整流器被稱為逆變器，其電路符號如圖49所示。逆變器采用的設計不僅可以用于單相交流電流也可以用于三相交流電流(三相電流)，其效率最高可以達到大約98%。為了進行驅動用電器需要使用交流電壓，但是僅有一個直流電源可供使用，此時就需要使用逆變器。例如，在混合動力車輛中電能存儲在高壓蓄電池內，為了進行電機驅動就需要使用三相電流。

其他應用情況還包括例如光電學設備，將直流電壓電源的功率輸送至交流或三相電流供電系統。

3.直流電流調節器和交流電流調節器

(1)直流電流調節器

圖49 逆變器的電路符號

圖50 直流電流調節器的電路符號

圖51 交流電流調節器的電路符號

可以通過二極管電路將恒定的輸入電壓轉換為其他數值電壓的整流器被稱為直流電流調節器，也稱DC/DC轉換器，其電路符號如圖50所示，特別是在電動動力總成技術中采用了直流電流調節器，基本類型包括降壓變壓器、增壓變壓器和換流器，采用已廣泛使用的功率MOSFET和晶閘管作為開關。因為無需對直流電壓進行變壓，所以DC/DC轉換器可以像電子開關模式電源件一樣首先將直流電壓轉換為交流電壓。隨后通過變壓器將其轉換為所需的較高電壓，再在整流器內將該電壓轉換成直流電壓并使用網狀過濾器進行平滑處理。受工作原理所限，電流在直流電流調節器處只能單向流動。為了使高壓蓄電池的電壓降低至12V，必須在部分和全混合動力車輛中使用DC/DC轉換器。

為了能夠使用輔助啟動導線或充電器對高壓蓄電池充電，DC/DC變流器須能夠雙向使用。即可以進行雙方向的直流電壓轉換。

(2)交流電流調節器

利用交流電流調節器可以將一個交流電壓轉換為另一其他數值的交流電壓，其電路符號如圖51所示。也可以通過使用變壓器實現交流電壓的轉換。但是變壓器不屬于供電電子裝置的部件。也就是說，交流電流調節器可以起到類似變壓器的作用，但它不是由帶有鐵心的線圈制成，而是由供電電子裝置的部件所構成的電路。

4.變頻器

變頻器可以將帶有恒定電壓振幅和頻率的交流或三相電源轉換為另一帶有可變電壓振幅和頻率的電源，其基本結構如圖52所示。可以通過三相交流電機的無級轉速調節對該電壓/頻率進行控制。

圖52 變頻器的基本結構

變頻器可以將供電電源的恒定電壓和頻率轉換為直流電壓。通過該直流電壓可為三相交流電機產生一個新的帶有可變電壓和頻率的三相電源。

電壓和頻率振幅轉換時，通過供電部件中的快速換擋會產生能夠通過電源或電磁場進行傳輸的電流。該電流可能會造成測量、控制和調節裝置以及數據處理裝置等出現故障。因此所有電子設備特別是變頻器必須滿足電磁兼容性(EMV)的相關規定。

5.混合動力系統中的應用

以混合動力車輛中所使用的供電電子裝置為例進行說明。

(1)部分混合動力

如圖53所示，部分混合動力的傳動系中至少包括一個功率約為10～15kW的電機。這樣就可以將制動過程中車輛所產生的大部分動能回收存入高壓蓄電池。通過AC/DC變流器將發電機的三相電流轉換為直流電壓。AC/DC變流器可以進行雙向工作，也就是說借助AC/DC變流器可以將高壓蓄電池的直流電壓轉換成三相電流，以便驅動電機。

圖53 部分混合動力的電動傳動系

因為在混合動力車輛中通過電機實現傳統啟動機和發電機的功能，所以必須通過DC/DC轉換器為12V車載網絡供電。該DC/DC轉換器同樣可以進行雙向工作，即可以借助DC/DC轉換器通過12V車載網絡對高壓蓄電池充電。

(2)全混合動力

如圖54所示，全混合動力與部分混合動力的電氣結構相似。區別在于，至少需要另一個電機。兩個電機可以提供較高的功率(20～50kW)，以便能夠以純電動方式行駛。因此還需要兩個AC/DC變流器。

圖54 全混合動力的電動傳動系

(3)插入式混合動力

在插入式混合動力中，借助AC/DC變流器將家用電源插座中的230V交流電轉換成可用于高壓蓄電池的直流電壓，以便為蓄電池充電。與其他混合動力車輛的蓄電池相比，插入式混合動力的蓄電池能量密度明顯偏大(圖55)。只有這樣插入式混合動力車輛以電動方式行駛時才能實現較大的可達里程。通常可以使用一個小排量內燃機對插入式混合動力車輛的電動可達里程進行補充。高壓蓄電池的充電狀態低于某一限值時，使用內燃氣驅動發電機。借助另一個AC/DC變流器將發電機的三相電流轉換為直流電壓，以便對高壓蓄電池進行再次充電。

圖55 串聯插入式混合動力的動力系

六、電動機械式接觸器

如圖56所示，電動機械式接觸器是一種用于較高斷流容量的電氣開關。接觸器的工作原理與繼電器相同。通過接觸器接通的功率非常高，接通范圍可從500W直至上百千瓦。

接觸器與繼電器的另一區別是接觸器始終采用常閉接點或常開接點的設計。此外可以簡單的斷開繼電器的開關觸點，而在接觸器中則至少需要兩次才能斷開，接觸器的電路符號圖57所示。

圖56 繼電器的工作原理

接觸器的操縱線圈可以按照交流或直流電壓驅動方式進行設計。因為對實心開關觸點的快速操作可以造成接觸器出現機械振動和噪音。關閉接觸器時操縱線圈作為感應式用電器會引起干擾電壓峰值。為了對控制電子裝置進行緩沖需要一個保護電路。

為此需要在交流電流電路中使用一個電阻電容器電路(RC組合電路)。在直流電流電路中則需要使用一個空程二極管。為了避免在開關觸點上產生斷路火花和表面燒傷，同樣需要使用RC組合電路。

七、行星齒輪箱

行星齒輪箱的基本特性是可以提供不同的傳動比。行星齒輪箱的結構如圖58所示，通過使用不同的輸入和輸出軸以及一個用于固定的第三軸實現不同的傳動比。

1.大傳動比

太陽輪進行驅動，齒圈制動，行星齒輪在齒圈的內嚙合齒上滾動。行星齒輪架與被驅動太陽輪的轉動方向相同。因為被驅動太陽輪的轉動速度明顯快于行星齒輪架，所以轉速比較大。i = n輸入/ n輸出= n太陽輪/ n行星齒輪架。

2.小傳動比

齒圈進行驅動，太陽輪制動，行星齒輪在太陽輪的外嚙合齒上滾動行星齒輪架的旋轉方向與被驅動的齒圈相同。因為輸入和輸出之間的轉速比例較之前小，所以傳動比較小。i = n輸入/ n輸出= n齒圈/ n行星齒輪架。

3.負傳動比

太陽輪進行驅動，行星齒輪架制動。行星齒輪使齒圈的旋轉方向與動力輸入方向相反。此時產生方向相反的大傳動比，i=n輸入/n輸出=n太陽輪/n齒圈(圖59)。

例如，在自動變速器中就使用了行星齒輪箱的不同傳動比，使用了多個相互連接的行星齒輪箱，同時使用固定連接，例如在第一個行星齒輪箱的行星齒輪架和另一個行星齒輪組的太陽輪之間。不僅在行星齒輪組之間而且在行星齒輪組與殼體之間同樣使用了開關連接。在安裝了傳統自動變速箱的部分混合動力車輛中同樣使用了這種行星齒輪箱。

圖58 行星齒輪箱

圖59 太陽輪上帶有內燃機的行星齒輪箱、齒圈上的電動機和輸入軸上的行星齒輪架

圖57 接觸器的電路符號

在混合動力車輛中還使用了行星齒輪箱的其他一些特性：三根軸上扭矩和功率的分配。能夠進行所謂功率分流的行星齒輪箱也被稱為功率分流式混合動力驅動裝置。通過對電動機轉速和扭矩的任意控制以及將電動機同時作為發電機和電機使用，在技術上實現了混合動力車輛的功率分流功能。毫無疑問，對內燃機轉速和扭矩進行電子控制是實現混合動力車輛功率分流功能的前提條件。在圖59中顯示了功率分流功能的原理。為了使其淺顯易懂，忽略了例如摩擦等一些因素。

(1)內燃機轉動時所產生的驅動力矩通過太陽輪傳輸至行星齒輪箱

通過電子控制方式使電動機保持靜止狀態。此時齒圈轉速為零。這種狀態與使用開關連接固定外殼的變速箱類似。根據太陽輪和行星齒輪架之間的傳動比將獨立的內燃機驅動力矩傳送至輸出軸。輸出軸上的輸出功率與內燃機的驅動功率大小相同，因為帶有電動機的路徑即不吸收功率也不提供功率。

(2)內燃機再次通過太陽輪將驅動力矩傳輸至行星齒輪箱

此時啟動作為電機的電動機。這意味著根據傳動比將由內燃機和電動機提供的扭矩疊加至輸出軸。但是轉速也要根據相應的傳動比進行工作。對內燃機和電動機進行控制時必須注意轉速，以便對輸出軸上所需總扭矩和所需轉速進行調節。也就是說，相反可以通過電動機上的轉速變化更改內燃機至輸出軸的傳動比。因為可以對電動機的轉速進行持續控制，這樣就能夠持續改變傳動比。在混合動力車輛中，這種作用有助于內燃機始終在最佳工作效率范圍內工作。

(3)當電動機不是作為電機而是作為發電機工作時也可以使用行星齒輪箱的功率分流功能

電動機像“機械式用電器”一樣工作并吸收扭矩。從內燃機的扭矩中扣除該扭矩(根據傳動比)。這將導致施加在輸出軸上的扭矩出現相應的下降。此處也可以通過控制電動機轉速和扭矩使內燃機在效率較高的工作范圍內運行(例如高負荷時在中等轉速范圍內工作)。

電動機所吸收的機械能不會流失，而是被轉換成電能。在混合動力車輛中，由供電電子裝置負責將這些電能存儲在高壓蓄電池內。