豐田普銳斯電機及驅(qū)動控制系統(tǒng)解析6

1、豐田普銳斯電機及驅(qū)動控制系統(tǒng)解析作為全球最成功的環(huán)保車型，豐田普銳斯（PRIUS早已成為油電混合動力車型中的全球銷量冠軍， 即使在我們的身邊， 也經(jīng)?？梢砸姷剿鼈兊纳碛?。 目前， 在國內(nèi)生產(chǎn)的豐田普銳斯（PRIUS是采用豐田第二代混合動力系統(tǒng)，集發(fā)動機 和電動機組合而成的并行混合動力車（圖1）。豐田第二代混合動力系統(tǒng)（THS- n ）,可以根據(jù)車輛行駛狀態(tài)，靈活地使 用 2種動力源， 并且彌補 2 種動力源之間不足之處， 從而降低燃油消耗， 減少有 害氣體排放，發(fā)揮車輛的最大動力。由于其THS-n電機及驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)先進， 本文將為大家詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及基本原理， 以幫助讀者更進一

2、 步了解THS-n系統(tǒng)。一、THS-n電機及驅(qū)動控制系統(tǒng)的特點1. 在電動機和發(fā)電機之間采用 AC500V高壓電路傳輸，可以極大地降低動 力傳輸中電能損耗，高效地傳輸動力。2. 采用大功率電機輸出，提高電機的利用率。當(dāng)發(fā)動機工作效率低時， 此系統(tǒng)可以將發(fā)動機停機，車輛依靠電機動力行駛。3. 極大地增加了減速和制動過程中的能量回收，提高能量的利用率。二、THS-n電機及驅(qū)動系統(tǒng)基本組成1. HV蓄電池：由168個單格鎳氫電瓶（1.2VX6個電瓶X 28個模塊）組 成，額定電壓DC20 1.6V，安裝在車輛后備廂內(nèi)。在車輛起步、加速和上坡時，HV蓄電池將電能提供給驅(qū)動電機。2. 混合動力變速驅(qū)動橋

3、：混合動力變速驅(qū)動橋由發(fā)電機MG1驅(qū)動電機MG2和行星齒輪組成（圖2）。3. 變頻器：由增壓轉(zhuǎn)換器、逆變整流器、直流轉(zhuǎn)換器、空調(diào)變頻器組成。（1）增壓轉(zhuǎn)換器：將HV蓄電池DC201.6V電壓增壓到 DC500V反之從 DC500V 降壓到 DC201.6V）。（2）逆變整流器：將 DC500V專換成AC500V給電動機MG2供電。反之將 AC500V轉(zhuǎn)換成DC500V經(jīng)降壓后，給 HV蓄電池充電。（3）直流轉(zhuǎn)換器：將 HV蓄電池DC201.6V降為DC12V為車身電器供電， 同時為備用蓄電池充電。（4）空調(diào)變頻器：將HV蓄電池DC201.6V轉(zhuǎn)換成AC201.6V交流電為空調(diào)系 統(tǒng)中電動變頻壓

4、縮機供電。4. HV控制ECU采用32位計算機，接收來自傳感器和 ECU（發(fā)動機ECU HV蓄電池ECU制動防滑控制ECU電動轉(zhuǎn)向ECU信息。根據(jù)此信息，計算車 輛所需的扭矩和功率，將計算結(jié)果發(fā)送給發(fā)動機ECU變頻器總成，蓄電池 ECU和制動防滑控制 ECU。三、THS-n系統(tǒng)電機（MG1 MG2工作原理交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，應(yīng)用的交流永磁驅(qū)動電機有兩大類。一類稱為無刷直流同步電動機（BDCM，另一類稱為三相永磁同步電動機（PMSM, THS-n 系統(tǒng)的電機（MG1 MG2屬于BDCh類型的驅(qū)動電機。BDCM用裝有永磁體轉(zhuǎn)子代替了有刷直流電動機的定子磁極。有刷直流電動機依靠機械換向器，將直流電流

5、轉(zhuǎn)換成近似梯形波的交流電流。而BDCM是將逆變器產(chǎn)生的方波交流電流直接輸入電機定子繞組，省去了機械換向器和電刷。 BDCM!子繞組中通入三相方波交流電流。定子繞組上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，生成與永磁 轉(zhuǎn)子磁場在空間位置成正交的電樞反應(yīng)磁場。在轉(zhuǎn)子永磁鐵磁場的作用下，電樞反應(yīng)磁場以反作用電磁力驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)（圖3）。四、THS-n電機（MG1 MG2結(jié)構(gòu)1. MG1、MG2定子繞組采用三相 Y形連接，每相由4個繞組并聯(lián)，可以 在給電機輸入較大電流下，獲得最大轉(zhuǎn)矩和最小轉(zhuǎn)矩脈動。2. MG1、MG2永磁體轉(zhuǎn)子：采用稀土永磁材料作為永磁鐵，安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部（內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子）。轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁鐵為“ V

6、'形，這樣永磁體既有徑 向充磁，又有橫向充磁，有效集中了磁通量，提高電機的扭矩（圖4）。從永磁轉(zhuǎn)子的磁路特點分析，內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，改變了電機交、直軸磁路，可以改 善電機的調(diào)速特性，拓寬速度范圍。3. MG1、MG2解角傳感器：為了滿足電機靜止啟動和全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩波 動的控制目的，需要利用解角傳感器精確地測量MG1 MG2永磁轉(zhuǎn)子磁極位置和速度。解角傳感器是采用電磁感應(yīng)原理制成的旋轉(zhuǎn)型感應(yīng)傳感器， 它由定子和轉(zhuǎn) 子組成（圖 5）。橢圓型轉(zhuǎn)子與 MG1 MG2的永磁轉(zhuǎn)子相連接，同步轉(zhuǎn)動。橢圓型轉(zhuǎn)子外 圓曲線代表著永磁轉(zhuǎn)子磁極位置。定子包括 1 個勵磁線圈和 2個檢測線圈， 2個 檢測

7、線圈S和C軸線在空間坐標(biāo)上正交，HV ECU按預(yù)定頻率的交流電流輸入勵 磁線圈A，隨著橢圓型轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子和定子間的間隙發(fā)生變化，就會在檢測 線圈S和C上感應(yīng)出相位差90°正弦、余弦感 應(yīng)電流，HV ECU根據(jù)檢測線圈S 和C感應(yīng)電流的波形相位和幅值，以及波形的脈沖次數(shù)（圖6），計算出MG1和MG2永磁轉(zhuǎn)子的磁極位置和轉(zhuǎn)速值信號，作為HV ECU寸電機MG1 MG2矢量控制 的基礎(chǔ)信號。五、THS-U系統(tǒng)變頻器電路THS-n系統(tǒng)變頻器主要電路是由電力半導(dǎo)體功率器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊組成，變頻器總成內(nèi)的升壓轉(zhuǎn)換器、逆變/整流器擔(dān)負(fù)著提供電機MG1 MG2勺電能轉(zhuǎn)換與調(diào)

8、控任務(wù)（圖 7）。1. 升壓轉(zhuǎn)換器升壓直流斬波電路由HV蓄電池、電抗器L、絕緣柵雙極型晶體管 V8、二 極管D7、電容器C組成（圖8）0升壓時，HV ECU導(dǎo)通和關(guān)斷絕緣柵雙極型晶 體管V8的控制極（絕緣柵雙極型晶體管 V8起幵關(guān)作用），使電抗器L上的感應(yīng) 電動勢與HV蓄電池DC201.6V電壓疊加 提供高壓電源。降壓直流斬波電路由發(fā)電機 MG1逆變/整流器、絕緣柵雙極型晶體管 V7、 二極管D8電抗器L、電容器C1組成（圖9）。降壓時，HV ECU利用絕緣柵雙 極型晶體管V7導(dǎo)通，把DC500V降壓為平均值DC201.6V的直流電壓，向HV蓄電 池充電。2. 逆變/整流器逆變電路（以供給MG

9、2電源為例）由絕緣柵雙極型晶體管 V1-V6、續(xù)流 二極管D1-D6和電容器C組成電壓型三相橋式逆變電路。由 VH ECU觸發(fā)絕緣柵 雙極型晶體管控制極，使V1V6快速導(dǎo)通和關(guān)斷，強行將DC500VS流電轉(zhuǎn)換成 三相AC500V交流電。如果改變V1V6的觸發(fā)信號頻率和時間， 就能改變逆變器 輸入電機MG2定子繞組電流空間相量的相位和幅值， 以適應(yīng)電機MG2勺驅(qū)動需要。反之，電機MG2在車輛減速或制動時產(chǎn)生再生制動電能，經(jīng)絕緣柵雙極型晶體管V1V6全控型橋式整流電路整流降壓后，向HV蓄電池充電。六、THS-n電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制THS- n電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制核心組件是HV ECU在HV ECU中，

10、變頻器對電機MG2俞出電流轉(zhuǎn)換的絕緣柵雙極型晶體管模塊（IGBT模塊）的驅(qū)動控制電 路如圖 10所示，圖中劃線部份是變頻器控制逆變電路的微處理器。微機儲存的 電機MG2速度指令與電機 MG2解角傳感器的速度反饋信號進行比較， 速度控制器 輸一個直流電流指令信號，經(jīng)過與電機MG2解角傳感器的 轉(zhuǎn)子磁極位置信號相乘,得到電機MG2工作所需的電流指令信號， 參考跟蹤電機MG2實際工作電流信 號，通過PWM匕較器（脈沖寬度調(diào)制）計算后，轉(zhuǎn)換成幵關(guān)信號輸出。該信號經(jīng)過隔離電路后，直接驅(qū)動變頻器三組逆變電路IGBT模塊中V1V6控制極快速導(dǎo)通與關(guān)斷，實現(xiàn)變頻器輸出電流的逆變、換相和定向目的。七、維修THS-n電動機及驅(qū)動系統(tǒng)注意事項1. 首先必須辨別THS-n電動機驅(qū)動系統(tǒng)高壓回路部份的電線和連接器 都為橙色，并與其他線路及車身絕緣。2. 在檢查THS-n電動機驅(qū)動系統(tǒng)高壓電路之前，必須戴上絕緣手套，拆 下維修插銷（圖 11），放在技師口袋內(nèi)。3. 斷開維修插銷， 5min 內(nèi)請不要接觸任何高壓連接器或端子，因為變 頻器內(nèi)的高壓電容器需要 5min 的放電時間。4. 當(dāng)維修插銷無法拆下時，可以將發(fā)動機艙內(nèi)的 HV保險絲取下（圖12），從而達到斷