电动汽车驱动技术结课论文

2023年11月24日发(作者：九代半雅阁配置参数)

机械与车辆学院

《电动汽车驱动技术》

论文题目：基于丰田普锐斯电动汽车的电机驱动系统研究

结课论文

（2013-2014学年第一学期）

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班级： 班级：

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摘 要

丰田普锐斯

三相发电机主要是永磁同步电机(PMBLM)。其最新丰田第二代混合丰田普锐斯三相发电机主要是永磁同步电机

动力系统(THS-(THS-ⅡⅡ)，可以根据车辆行驶状态，灵活地使用灵活地使用2种动力源，并且弥补并且弥补

动力系统(THS-可以根据车辆行驶状态，种动力源，

2种动力源之间不足之处，从而降低燃油消耗，减少有害气体排放，发挥车辆的

最大动力。本文通过丰田普锐斯电动汽车的电机驱动系统研究，了解电动汽车的

电机工作过程与原理。

关键词：同步永磁电机；THS-Ⅱ系统电机 ；

目 录

1前言 ....................................................................... 1 1

前言.......................................................................

1.1 本论文写作的目的、意义............................................... 1 本论文写作的目的、意义 1

1.1 本论文写作的目的、意义..............................................

1.2系统或是技术在国内外的发展概况及存在的问题 ........................... 1

系统或是技术在国内外的发展概况及存在的问题

2本论文主体 ................................................................. 3 3

本论文主体.................................................................

2.1永磁同步电动机系统基本构成 ........................................... 3

永磁同步电动机系统基本构成

2.2基本概念 ............................................................. 3 3

基本概念.............................................................

2.2.1永磁同步电动机结构 ............................................. 3 3

永磁同步电动机结构.............................................

2.2.2永磁同步电动机工作原理 ......................................... 4

永磁同步电动机工作原理

2.3 THS-Ⅱ系统电机（............................. 5 Ⅱ系统电机（MG1MG1、、MG2）结构及工作原理）结构及工作原理 5

2.3 THS-Ⅱ系统电机（MG1MG2）结构及工作原理.............................

3结论 ....................................................................... 7 7

结论.......................................................................

参考文献..................................................................... ..................................................................... 8 8

参考文献.....................................................................

1

前言

作为全球最成功的环保车型，丰田普锐斯（PRIUS）早已成为油电混合动力）早已成为油电混合动力

PRIUS

车型中的全球销量冠军，即使在我们的身边，也经常可以见到它们的身影。目

前，在国内生产的丰田普锐斯（PRIUS）是采用丰田第二代混合动力系统，集发）是采用丰田第二代混合动力系统，集发

PRIUS

动机和电动机组合而成的并行混合动力车。

1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求

普锐斯Prius，它装备了新一代丰田混合动力系统，它装备了新一代丰田混合动力系统THS II这是在上一代丰田

Prius

混合动力系统THS的基础上，以能够同时提高环保性能和动力性能的“Hybrid

Synergy Drive（混合动力同步驾驶）”为概念开发的。THS II（混合动力同步驾驶）THS II通过提升电源系

Synergy Drive”为概念开发的。

统的电压使马达功率提高到原来的1.5倍，并通过控制系统的改进解决了一系列

的技术难题，从而使发动机动力与马达动力的协同增效作用得到极大程度的发

挥。电动机驱动系统目前主要有直流电动机(DCM)、感应电动机、感应电动机(IM)(IM)、永磁电动、永磁电动

(DCM)、感应电动机(IM)

机(PMBLM)和开关磁阻电动机和开关磁阻电动机(SRM)4(SRM)4类。而普锐斯采用永磁电动机具有平稳性的而普锐斯采用永磁电动机具有平稳性的

(PMBLM)和开关磁阻电动机类。

特点, , 它在电动车在操作性具有较高的它在电动车在操作性具有较高的, , 是一种一直受大众欢迎的电动汽车驱是一种一直受大众欢迎的电动汽车驱

特点, 它在电动车在操作性具有较高的,

动系统。通过对他电机驱动系统分析，可以了解其优缺点，便于我们参考评价。

1.2?

系统技术在国内外的发展概况及存在的问题

1

.我国发展现状

我国发展现状

我国电动汽车重大科技项目的研发开始于2001年，经过两个五年计划的科技

攻关以及奥运、世博、“十城千辆”示范平台的应用拉动，中国电动汽车从无到

有，技术处于持续进步状态，建立起了具有自主知识产权的电动汽车全产业链技

术体系。

术体系。

到2010底，全国共有全国共有25个城市加入“十城千辆”“十城千辆”节能与新能源汽车示范推广工节能与新能源汽车示范推广工

底，个城市加入“十城千辆”

程，5050多家企业的184个车型进入《节能与新能源汽车示范推广应用工程推荐

程，

车型目录》，各地示范运行各类电动汽车超过1万辆，示范运行里程超过2亿公

里，累计载客90亿人次以上。电动汽车关键技术总体水平和应用规模位于国际

前列，部分领域实现突破性进展。

前列，部分领域实现突破性进展。

经过十年一剑的历程，我国的电动汽车已经开始从研究开发的阶段进入了产业化

的阶段，冉冉升起的中国电动汽车产业正在呈现出蓬勃的生机。

当前，在各种新能源汽车的技术路线中，在各种新能源汽车的技术路线中，以混合动力、以混合动力、纯电动汽车和燃料电池汽纯电动汽车和燃料电池汽

当前，在各种新能源汽车的技术路线中，以混合动力、

车为代表的电动汽车被普遍认为是未来汽车能源动力系统转型发展的主要方向，

已经成为世界汽车强国和主要汽车制造商发展重点。中国已经是世界汽车产业大

国，但“大而不强”，中国未来的汽车工业必须探求新的思路。电动汽车产业有

1?

望为中国汽车工业开拓新的增长点。

望为中国汽车工业开拓新的增长点。

未来10年是我国新能源汽车发展的战略机遇期，中国高度重视电动汽车的发展，

在2011年3月出台的“十二五”规划纲要中，中国把新能源汽车列为战略性新

兴产业之一，提出要重点发展插电式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车纯电动汽车和燃料电池汽车

提出要重点发展插电式混合动力汽车、

技术，开展插电式混合动力汽车、开展插电式混合动力汽车、纯电动汽车研发及大规模商业化示范工程，纯电动汽车研发及大规模商业化示范工程，推推

技术，开展插电式混合动力汽车、纯电动汽车研发及大规模商业化示范工程，

进产业化应用。

进产业化应用。

2.国外发展情况国外发展情况

2.国外发展情况

世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，并且取得了一定程度的进

展和突破。

展和突破。

第一，日本一直以来，出于对能源危机和环境保护的关注及占领未来世界汽车市

场的考虑，日本十分重视电动汽车的研制与开发。从目前世界范围内的整个形势从目前世界范围内的整个形势

日本十分重视电动汽车的研制与开发。

来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动特别是在混合动

日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，

力汽车的产品发展方面，日本居世界领先地位。日本居世界领先地位。目前，目前，世界上能够批量产销混合世界上能够批量产销混合

力汽车的产品发展方面，日本居世界领先地位。目前，

动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。

第二，美国。美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比来自日本的同行逊色不少，

三大汽车公司仅仅小批量生产、销售过纯电动汽车，销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动

三大汽车公司仅仅小批量生产、

汽车目前还未能实现产业化，来自日本的混和动力电动汽车在美国市场上占据了

主导地位。

主导地位。

第三，挪威。20122012年挪威电动汽车销量达到了1万辆，占当年新车销量的比例

第三，挪威。

达到5.2%，这对人口仅，这对人口仅500万人口的挪威来讲颇引人瞩目。挪威市场的电动汽

5.2%

车多为日产Leaf车型，20122012年日产Leaf型车在挪威汽车销售市场上排名第13

车型，

位，其他品牌的电动汽车有Revas和KewetBuddies等。

等。

3.发展过程中的问题发展过程中的问题

3.发展过程中的问题

我国电机电动技术起步发展较晚，尚处于起步阶段，尚处于起步阶段，制造工艺水平落后，制造工艺水平落后，缺缺

我国电机电动技术起步发展较晚，尚处于起步阶段，制造工艺水平落后，

乏自动化生产线，造成产品可靠性、一致性差。产业化规模较小，成本较高现阶

段国家出台的电动汽车驱动电机系统标准较少，且不完善。且不完善。目前我国电动汽车驱

段国家出台的电动汽车驱动电机系统标准较少，

动电机生产企业有30多家，但多数企业规模小，实力还较弱。驱动电机是新型

的电传动行业的一个分支，新型的高新技术企业是这一行业的主力军之一，新型的高新技术企业是这一行业的主力军之一，它们它们

的电传动行业的一个分支，新型的高新技术企业是这一行业的主力军之一，

一般依托于高校或者科研院所，具有较强的技术水平，具有较强的技术水平，但由于成立不久，但由于成立不久，这些企这些企

一般依托于高校或者科研院所，具有较强的技术水平，但由于成立不久，

业大多实力较弱，融资渠道单一，生产能力不强。除了新成立的高新企业外，我

国有相当一部分驱动电机企业是由传统电机制造商转型而来。产品对汽车使用环

境的适应性不足，产业化之路还存在较多瓶颈。国内电机驱动系统的可靠性及耐国内电机驱动系统的可靠性及耐

产业化之路还存在较多瓶颈。

久性尚未得到充分验证，和汽车行业的严格要求还有一定差距。在制造工艺方面在制造工艺方面

和汽车行业的严格要求还有一定差距。

也有很大差距。手工绕线圈、手工装配等传统落后工艺与国外自动生产线大批量

生产相比，其生产的产品一致性差，其生产的产品一致性差，从而导致可靠性差。从而导致可靠性差。国内动力总成装置的集国内动力总成装置的集

生产相比，其生产的产品一致性差，从而导致可靠性差。

成度不高，机电一体化不够，要赶上国外先进水平还需不少时间。

2?

2.1永磁同步电动机系统基本构成

同感应电机和直流电机相似，永磁同步电动机也是由转子及定子两大部件所构

成，三相交流绕组在定子上；永磁体在转子上。

定子：定子通常也称作电枢，它由定子三相绕组、定子铁芯、机座和端盖等零部

件所构成。定子铁芯是由冲压后的硅钢片紧密叠装而成。

转子：转子有两种型式的结构，依据定转子之间的气隙分布有隐极式和凸极式之

分。可看出转子有明显的凸出磁极，且气隙不均匀分为隐极式，转子成圆柱形，

均匀分布气隙。对这两种转子需要采用不同的驱动方式，在永磁电机运行原理一在永磁电机运行原理一

对这两种转子需要采用不同的驱动方式，

节再详细描述。电动机转子使用永磁铁励磁，目前常见的有铁氧体或稀土永磁材目前常见的有铁氧体或稀土永磁材

电动机转子使用永磁铁励磁，

料。依据转子磁场几何形状的异同，磁场在空间上分布有方波（或梯形波）和正

弦波两种。因此反电动势也有两种，根据反电动势的不同分别采用120度的直流

方波控制或正弦波控制。

方波控制或正弦波控制。

2.2.1永磁同步电动机的结构

1.转子位置传感器转子位置传感器

1.转子位置传感器

在永磁同步电机中，通常转子位置传感器与电机轴联在一起，用来随时测定转子用来随时测定转子

通常转子位置传感器与电机轴联在一起，

磁极的位置，为电子换向提供正确的信息。也有例外像洗衣机用的DD电机，往

往将HALL安装到定子上，永磁体安装的转子上。定子转子这里其实只是个相对

的概念。目前PMSM系统的位置传感器有很多种方式，像光电编码式、磁敏式、

和电磁式等。也有控制精度要求相对较高的场合，采用正弦或余弦旋转变压器等采用正弦或余弦旋转变压器等

也有控制精度要求相对较高的场合，

位置传感器的，但无论哪种测量方式本质都是用来测量转子位置信息，只是安装只是安装

但无论哪种测量方式本质都是用来测量转子位置信息，

的体积，方便程度，成本及可靠性要求不同而已。通常在家电变频器上，由于要

求精度不高，安装体积要小，结构要简单，成本要低等，使得我们只能选择霍尔

元件，而且它对周围环境的适应性很强，输出信号的边沿也好。

2.逆变器逆变器

2.逆变器

位置传感器将转子的位置信号电平反馈给控制芯片，控制芯片经过电流采样和数

学变换，并根据反馈的位置信息经过闭环运算，并根据反馈的位置信息经过闭环运算，重新按新的重新按新的PWM占空比输出，来来

学变换，并根据反馈的位置信息经过闭环运算，占空比输出，

触发功率器件，实际上逆变器是自控的，由自身运行来

保证电机的转速和电流输入频率同步，并避免震荡和失步的发生。

3?

永磁同步电动机结构图

永磁同步电动机结构图

2.2.2永磁同步电动机的工作原理

永磁同步电机其本身是一个自控式同步电机，它有定子和转子组成，有的

带位置传感器，有的应用场合因安装的不便利及成本上的要求无法安装位置传感

器。有的定子是线圈，转子是永磁体，有的转子是线圈，定子是永磁体。但无论

哪种方式，电机本身是不能够自己执行旋转控制的，它必须依赖电子换相装置，

这也是为什么这种电机需要变频控制的原因。也可以这样说，

该种电机系统有电动机，逆变器组成（有的还带位置传感器）

由于电机定子三相绕组中接入三相对称交流电产生旋转磁场，用旋转磁极N、S来模拟。

来模拟。

根据磁极异性相吸、同性相斥的原理，不论定子旋转磁极与永磁磁极起始相对位置如何定子

的旋转磁极总会由于磁拉力拖着转子同步旋转，同步电机转速可表示为: :

的旋转磁极总会由于磁拉力拖着转子同步旋转，同步电机转速可表示为

2.3 THS-Ⅱ系统电机（MG1、MG2）结构及工作原理

一.THS-Ⅱ电机（MG1、MG2）结构

1、、MG2定子绕组采用三相Y形连接，每相由4个绕组并联，可以在给电机

1

输入较大电流下，获得最大转矩和最小转矩脉动。

1、、MG2永磁体转子：采用稀土永磁材料作为永磁铁，安装在转子铁芯内部

1

（内埋式永磁转子）。转子内的永磁铁为“V”形，这样永磁体既有径向充磁，

又有横向充磁，有效集中了磁通量，提高电机的扭矩（图4）。从永磁转子的磁

路特点分析，内埋式永磁转子结构，改变了电机交、直轴磁路，可以改善电机的

调速特性，拓宽速度范围。

调速特性，拓宽速度范围。

5?

1、、MG2解角传感器：为了满足电机静止启动和全转速范围内转矩波动的控

1

制目的，需要利用解角传感器精确地测量MG1、、MG2永磁转子磁极位置和速度。

MG1

解角传感器是采用电磁感应原理制成的旋转型感应传感器，它由定子和转子组成

（图5）。

）。

椭圆型转子与MG1、、MG2的永磁转子相连接，同步转动。椭圆型转子外圆曲线代

MG1

表着永磁转子磁极位置。定子包括1个励磁线圈和2个检测线圈，22个检测线圈

个检测线圈，

S和C轴线在空间坐标上正交，HV ECUHV ECU按预定频率的交流电流输入励磁线圈A，

轴线在空间坐标上正交，

随着椭圆型转子的旋转，转子和定子间的间隙发生变化，就会在检测线圈S和C

上感应出相位差90°正弦、余弦感ECU根据检测线圈S和C感应电°正弦、余弦感 应电流，HV HV

90°正弦、余弦感应电流，

流的波形相位和幅值，以及波形的脉冲次数，计算出MG1和MG2永磁转子的磁极

位置和转速值信号，作为HV ECU对电机MG1、、MG2矢量控制的基础信号。

MG1矢量控制的基础信号。

二．THS-Ⅱ系统电机（MG1、MG2）工作原理

交流伺服驱动系统中，应用的交流永磁驱动电机有两大类。一类称为无刷直流同一类称为无刷直流同

应用的交流永磁驱动电机有两大类。

步电动机（BDCMBDCM），另一类称为三相永磁同步电动机（），另一类称为三相永磁同步电动机（PMSM），），THS-THS-Ⅱ系统的电Ⅱ系统的电

步电动机（BDCMPMSM），THS-

机（MG1MG1、、MG2）属于）属于BDCM类型的驱动电机。

机（MG1MG2类型的驱动电机。

BDCM用装有永磁体转子代替了有刷直流电动机的定子磁极。有刷直流电动机依有刷直流电动机依

用装有永磁体转子代替了有刷直流电动机的定子磁极。

靠机械换向器，将直流电流转换成近似梯形波的交流电流。而BDCM是将逆变器

产生的方波交流电流直接输入电机定子绕组，省去了机械换向器和电刷。BDCM

定子绕组中通入三相方波交流电流。定子绕组上会产生感应电动势，定子绕组上会产生感应电动势，生成与永磁生成与永磁

定子绕组中通入三相方波交流电流。定子绕组上会产生感应电动势，生成与永磁

转子磁场在空间位置成正交的电枢反应磁场。在转子永磁铁磁场的作用下，在转子永磁铁磁场的作用下，电枢电枢

转子磁场在空间位置成正交的电枢反应磁场。在转子永磁铁磁场的作用下，

反应磁场以反作用电磁力驱动永磁转子同步旋转（图3）。

）。

6?

（图3）。

）。

3结论

当今世界汽车工业可持续发展面临两大难题，一是全球石油资源枯竭满足不了当今世界汽车工业可持续发展面临两大难题，

需求的日益增长，另一个是汽车保有量的持续增加对环境造成的污染。而电动汽而电动汽

另一个是汽车保有量的持续增加对环境造成的污染。

车能满足汽车环保和节能的要求，因此，因此，对混合动力汽车的研究具有重要的理论

车能满足汽车环保和节能的要求，

意义和工程价值。

意义和工程价值。

本文基于对丰田普锐斯的电机驱动系统的研究，分析介绍了永磁同步电机和

THS-Ⅱ系统电机，了解了最新的电动汽车技术和电动汽车的优缺点以及未来的发Ⅱ系统电机，

THS-

展前景。

展前景。

参考文献

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8?