丰田普锐斯电机及驱动控制系统解析

丰田普锐斯电机及驱动控制系统解析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，集发动机和电动机组合而成 的并行混合动力车（图 1）。:机械传输路线迦R -电动传输路线图1丰田第二代混合动力系统示意图丰田第二代混合动力系统（THS-II）,可以根据车辆行驶状态，灵活地使用2 种动力源，并且弥补 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。由于其THS-II电机及驱动系统结构复杂，技术先进，本文将为 大家详细介绍该系统的结构及基本原理，以帮助读者更进一步了解THS-II系统。一、THS-1电机及驱动控制系统的特点1. 在电动机和发电机之间采用AC500V高压电路传输，可以极大地降低动力传输 中电能损耗，高效地传输动力。2. 采用大功率电机输出，提高电机的利用率。当发动机工作效率低时，此系统 可以将发动机停机，车辆依靠电机动力行驶。3. 极大地增加了减速和制动过程中的能量回收，提高能量的利用率。二、THS-II电机及驱动系统基本组成1. HV蓄电池：由168个单格镍氢电瓶（1.2VX6个电瓶X28个模块）组成，额 定电压DC20 1.6V，安装在车辆后备厢内。在车辆起步、加速和上坡时，HV蓄电池将电 能提供给驱动电机。2混合动力变速驱动桥：混合动力变速驱动桥由发电机MG1、驱动电机MG2和 行星齿轮组成（图 2）。图2混合动力变谨璽动桥3. 变频器：由增压转换器、逆变整流器、直流转换器、空调变频器组成。（1）增压转换器：将HV蓄电池DC201.6V电压增压到DC500V （反之从DC500V降 压到 DC201.6V）。（2）逆变整流器：将DC500V转换成AC500V，给电动机MG2供电。反之将AC500V 转换成DC500V，经降压后，给HV蓄电池充电。（3） 直流转换器：将HV蓄电池DC201.6V降为DC12V，为车身电器供电，同时为 备用蓄电池充电。（4）空调变频器：将HV蓄电池DC201.6V转换成AC201.6V交流电为空调系统中电 动变频压缩机供电。4. HV控制ECU采用32位计算机，接收来自传感器和ECU （发动机ECU、HV蓄电 池ECU、制动防滑控制ECU、电动转向ECU）信息。根据此信息，计算车辆所需的扭矩 和功率，将计算结果发送给发动机ECU，变频器总成，蓄电池ECU和制动防滑控制ECU。三、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 同步电动机（BDCM ），另一类称为三相永磁同步电动机（PMSM ），THS- II系统的电机（MG1、 MG2）属于BDCM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 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，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，电枢反应磁场以反作用电磁力 驱动永磁转子同步旋转（图 3）。 air-1 於吸引T:来自变额器# ；屯机内部违接 图3 THS11系统电机工柞原理四、THS-II 电机（MG1、MG2）结构1. MG1、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 机输入较大电流下，获得最大转矩和最小转矩脉动。2. MG1、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（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。3. MG1 、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 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。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）。”转速传感器f解角传感器）銭圈S输出侧图5电动机解角传感器示意图椭圆型转子与 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，2 个检测线圈 S 和 C轴线在空间坐标上正交，HVECU按预定频率的交流电流输入励磁线圈A,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 应电流，HV ECU根据检测线圈S和C感应电流的波形相位和幅值， 以及波形的脉冲次数（图6）,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。llllilllhlllllllllHIlUlllillllllllllCH2CH3AYiiICH1严GND!(线圈A)沖GND，线圈S)Ugnd线圈C)A92OB0图6检测线圈感应电流波形图五、THS-II系统变频器电路THS-II系统变频器主要电路是由电力半导体功率器件绝缘栅双极型晶体管 （IGBT）模块组成，变频器总成内的升压转换器、逆变/整流器担负着提供电机MG1、 MG2的电能转换与调控任务（图7）。国T THSI系址亜频器电路團1.升压转换器升压直流斩波电路由HV蓄电池、电抗器L、绝缘栅双极型晶体管V8、二极管 D7、电容器C组成（图8）。升压时，HV ECU导通和关断绝缘栅双极型晶体管V8的控 制极（绝缘栅双极型晶体管V8起开关作用），使电抗器L上的感应电动势与HV蓄电池 DC201.6V电压叠加提供高压电源。降压直流斩波电路由发电机MG1、逆变/整流器、绝缘栅双极型晶体管V7、二极 管D8、电抗器L、电容器C1组成（图9）。降压时，HV ECU利用绝缘栅双极型晶体管 V7导通，把DC500V降压为平均值DC201.6V的直流电压，向HV蓄电池充电。D7O：D8V8一Cl強沁簸2屮图0降国直流靳皴电路團2. 逆变/整流器逆变电路（以供给MG2电源为例）由绝缘栅双极型晶体管V1-V6、续流二极管 D1-D6和电容器C组成电压型三相桥式逆变电路。由VH ECU触发绝缘栅双极型晶体管 控制极，使VIV6快速导通和关断，强行将DC500V直流电转换成三相AC500V交流电。 如果改变VIV6的触发信号频率和时间，就能改变逆变器输入电机MG2定子绕组电流 空间相量的相位和幅值，以适应电机MG2的驱动需要。反之，电机MG2在车辆减速或制 动时产生再生制动电能，经绝缘栅双极型晶体管VIV6全控型桥式整流电路整流降压 后，向 HV 蓄电池充电。六、THS-II电机驱动系统的控制THS-II电机驱动系统的控制核心组件是HV ECU,在HV ECU中，变频器对电机MG2 输出电流转换的绝缘栅双极型晶体管模块（IGBT模块）的驱动控制电路如图10所示， 图中划线部份是变频器控制逆变电路的微处理器。微机储存的电机MG2速度指令与电机 MG2 解角传感器的速度反馈信号进行比较，速度控制器输一个直流电流指令信号，经过 与电机MG2解角传感器的 转子磁极位置信号相乘，得到电机MG2工作所需的电流指令 信号，参考跟踪电机MG2实际工作电流信号，通过PWM比较器（脉冲宽度调制）计算后, 转换成开关信号输出。该信号经过隔离电路后，直接驱动变频器三组逆变电路IGBT模块中VIV6 控制极快速导通与关断，实现变频器输出电流的逆变、换相和定向目的。七、维修THS- II电动机及驱动系统注意事项1.首先必须辨别THS-II电动机驱动系统高压回路部份的电线和连接器都为橙 色，并与其他线路及车身绝缘。2在检查THS-II电动机驱动系统高压电路之前，必须戴上绝缘手套，拆下维修 插销（图 11），放在技师口袋内。3. 断开维修插销， 5min 内请不要接触任何高压连接器或端子，因为变频器内 的高压电容器需要 5min 的放电时间。4当维修插销无法拆下时，可以将发动机舱内的HV保险丝取下（图12），从 而达到断开高压线路的目的。5安装插销时，必须确认其分离杆锁止是否牢固，否则将会出现THS-II系统 故障代码。