变频器与HV电池(张)

*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,变频器与,HV,电池,底盘,驱动桥,混合动力变速驱动桥,链条的传动,轴承,变速器液,MG1,发电机,MG2,电动机,THS II,MG 1(,电动机,/,发电机,),参数,项目,04,款,PRIUS,类型,同步交流电动机,功能,发动机的起动机、发电机,额定电压,V,AC 500,最大输出功率,kW(PS)/rpm,37.8(51)/9500,最大扭矩,Nm(kgfm)/rpm,45(4.58)/0,6000,最大扭矩时的电流,A,75,最大转速,10000 rpm,冷却系统,水冷,MG 2(,电动机,/,发电机,),参数,项目,04,款,PRIUS,类型,同步交流电动机,功能,发电、驱动车轮,额定电压,V,AC 500,最大输出功率,kW(PS)/rpm,50(68)/1200,1540,最大扭矩,Nm(kgfm)/rpm,400(40.8)/0,1200,最大扭矩时的电流,A,230,最大转速,6700 rpm,冷却系统,水冷,系统框图,Prius,系统框图,HV,蓄电池,制动执行器,辅助电池,空调压缩机,空调变频器,DC-DC,转换器,继电器,1,、,2,、,3,升压转换器,MG1,MG2,混合驱动桥,变频器,发动机,档位传感器,(,换档,选择,),加速踏板位置 传感器,车速传感器,CAN,发动机,ECU(ECM),防滑控制,ECU,蓄电池,ECU,DLC3,HV ECU,分解器型速度传感器,(MG2),高压系统,高压系统以最理想的方式满足驾驶员需求。为了解驾驶员意图，加速踏板和换档杆的位置信号输送给,HV,ECU,系统。,HV ECU,以下列方式,控制,：用发动机,ECU,控制汽油发动机，用防滑控制,ECU,控制制动系统，用变频器和转换器控制电动机和发电机。,高压电从高压蓄电池经过系统主继电器到变频器和转换器，然后直流电变为,MG1,和,MG2,需要的交流电，也转换为空调压缩电机和,EPS,需要的交流电及辅助蓄电池需要的直流电。,在这,个,课,件,中，我们主要关心高压系统变频器的主要作用及它是怎么工作的，,HV ECU,是怎样控制这些系统的，输入信号的影响是什么？怎样根据修理手册来诊断,？,Prius,系统框图,检修塞,CAN,蓄电池冷却风扇继电器,蓄电池冷却风扇电机,HV,蓄电池,蓄电池冷却风扇控制器,BEAN,电流传感器,电压,x 14,+,-,HV ECU,空调,ECU,发动机,ECU(ECM),温度,x 4,蓄电池,ECU,(,32-bit,),网关,ECU,温度传感器,(,热敏电阻型,),蓄电池中共有,3,个温度传感器，一个进气温度传感器。,基于这些温度传感器，会有一个合适的,DR,来控制鼓风机，来维持或调解到特定值。,充电状态是由蓄电池,ECU,根据电流传感器，和电压传感器信号计算得出。并把计算结果告知,HV ECU.,如果空调系统正在对车厢冷却，鼓风机就关闭或出于的低档，因为蓄电池的进气就是车辆内部气体。,变频器 总成,升压转换器,(,可变电压系统,),系统图,升压转换器,变频器,IPM,大功率晶体管,电抗器,绝缘栅双极晶体管,IPM,HV,蓄电池,MG1,MG2,MGR,绝缘栅双极晶管体：综合电力晶体管和电力场效应晶体管的优点，有良好特性，应用领域广泛。,三端器件：栅极、集电极、发射极。,应用：,DC500V,以上、,DC10A,以上的工业电机、民用小容量电机、逆变器、照像机的频闪观测器等直流电压转换。,变频器 总成,可变电压系统,电压的升压操作,可变电压系统,HV,蓄电池,ON,变频器,201.6V,晶体关的开关频率是,5kHz,，当电流流动时自感线圈也在起作用。,可变电压系统,电压的升压操作,可变电压系统,HV,蓄电池,288V,ON,变频器,可变电压系统,HV,蓄电池,变频器,201-500V,直流,OFF,当电流被截止时，因线圈内部的磁场发生变化，所感应出的电流就被二极管引导给电容器充电。,变频器 总成,可变电压系统,电压降压运作,(,当充电时,),可变电压系统,HV,蓄电池,变频器,ON,变频器 总成,可变电压系统,电压降压运作,(,当充电时,),可变电压系统,HV,蓄电池,变频器,288-650V,ON,可变电压系统,HV,蓄电池,变频器,OFF,可变电压系统,电压降压运作,(,当,充电时,),可变电压系统,HV,蓄电池,变频器,ON,电压的调节由绝缘栅双极晶体管完成,电机控制,电机控制,系统电压,扭矩,MG2,速度,HV,蓄电池电压,500V,为了使损耗最小化，,要根据,MG2,的运行条件调节,系统电压,Time,时间,系统 电压,(V),500,400,300,200,100,0,MG2,速度,系统 电压,(,要求,),电机控制,电机控制,在车辆上的测量值,(,加速踏板,ON/OFF),系统 电压,(,实际,),电机控制,电机控制,车辆运行时的测量值,(,节气门全开,),Time,时间,系统 电压,(V),500,400,300,200,100,0,MG2,速度,系统 电压,(,实际,),系统 电压,(,要求,),电机控制,应用电压的增加,电压控制范围,低速,中速,高速,电机速度,扭矩,为了补偿高速时在线圈中产生的反向电动势，需要施加一个高的电压以达到最大输出电流。,变频器总成,变频器运作,电机驱动,V,W,U,IPM,变频器,IPM,MG,ON,ON,变频器：利用电力半导体器件的通断，将一种频率电源变换为另一频率，实现对交流电动机的起动、变频调速。,W,相,V,相导通,变频器 总成,变频器 运作,电机驱动,V,W,U,IPM,变频器,IPM,MG,ON,ON,W,相,U,相导通,变频器 总成,变频器 运作,电机驱动,V,W,U,IPM,变频器,IPM,MG,ON,ON,V,相,U,相导通,变频器总成,变频器运作,再生电能,V,W,U,IPM,IPM,MG,再生电压,到可变电压系统,变频器,W,相,V,相导通,同步电机：转子本身产生固定方向的磁场,(,用永磁铁或直流电流产生,),，定子旋转磁场“拖着”转子磁场,(,转子,),转动，因此转子的转速等于同步速，因此叫做同步电机。,异步电机,(,感应电机,),工作原理：定子旋转磁场在转子中产生感应电流，产生电磁转矩。转子不直接产生磁场，因此转子转速小于定子磁场转速不同步，因此叫异步电机。异步电机结构简单，应用广泛。,工业电动机大部分使用用异步电动机。普瑞斯采用同步电动机。,变频器 总成,变频器 运行,永久磁铁,定子线圈,三个定子线圈都有一个固定的位置，转子是一个永久磁铁，有北极和南极，电机实际上每个定子线圈被分成,4,个子线圈间隔,90,度角，这意味着三个线圈在圆周上，每个线圈有四个子线圈，这样圆周上有,12,个极，在转子圆周的外面有,8,个永久磁铁即,8,个磁极。,变频器 总成,MG1/MG2,定子线圈的极性和磁场强度是随时在变的,变频器 总成,MG1/MG2,永久磁铁转子的转动是通过定子线圈的吸引和排斥形成的,变频器 总成,MG1/MG2,如果转子停在了这个位置，施加电流也不会给转子力量。因为定子线圈和转子磁场的都分裂成很多极，所以,“,步幅,”,比图示的小。,变频器 总成,MG1/MG2,从这些幻灯片可以看出，定子线圈产生,90,度的脉冲，转子转过角度超过,90,度，事实上，因每个定子线圈分成几个子线圈，转子的磁极也分成四个，一个循环（,360,度），会产生,90,度的转子转动，这将导致更高的扭矩输出，这就要求更高控制频率以产生更高的旋转速度。,电机控制,转子磁极,V-,型,磁体,MG2,转子,(04 PRIUS),MG2,转子,(03 PRIUS),因为转子的磁极有,8,个，分解器只需要探测转子在,90,度范围内的位置。转子就是所谓的,8,极型。,Prius,变频器 总成,HV ECU,MG1,变频器,MG2,变频器,GUU,GVU,GWU,MUU,MVU,MWU,MG2,MG1,Ext,SIN,COS,Ext,SIN,COS,MG1,分解器,(90,度内位置,),MG2,分解器,(90,度内位置,),变频器,变频器中的,绝缘栅双极晶体管,由,HV ECU,中的晶体管控制，每组线圈需要两个,绝缘栅双极晶体管,被触发产生磁场，进入,绝缘栅双极晶体管,控制信号的分离，是在变频器内部完成的。,因为,HV ECU,需要知道什么时候触发哪一个,绝缘栅双极晶体管,，准确的转子位置需要告知,HV ECU,，因此,HV ECU,接受分解器型转子位置传感器的信息。,HV ECU,也计算电机需要功率，并且用占空比信号触发,绝缘栅双极晶体管,。,GUU,、,GVU,及,GWU,变频器 总成,IG,ON,发动机,运转,GUU,GVU,active,Not-active,当点火开关,on,控制,绝缘栅双极晶体管,（变频器中）的晶体管所需要的信号就要处于开启状态，以随时联系从分解器型转子位置传感器得到的信息,因为发电机停转，因此,U,、,W,相之间没有相位差，当发动机运行时，信号差了,120,度，每一个晶体管对一旦被触发就旋转转子磁极。,因为转子有,8,个极，,MG1,的转速可以如下计算：,每个磁极移动需：,2.8ms,转子转动一周周期：,2.8ms x 8,极,=19.6ms,（转子转动一圈）,转子转动频率：,19.6ms/1000ms=51.6Hz(,转,/,秒,),MG1,转速：,51.6 Hz x 60=3096 rpm(,转,/,分,),转换成发动机的转速达到,3096 rpm/3.6=860 rpm,电机控制,应用电压的增加,电压控制的种类,低速,中速,高速,电流波形,利用率,0 0.61,0.61 0.78,0.78,特 征,低扭矩输出,输出增加,RX400,红色正弦波显示电流，是,DR,信号作用在,绝缘栅双极晶体管,上，施加到定子线圈上的电流。,DR,越大，电流越大，,为了用直流电压形成形成这波形，,DR,需要把半波改变成从低频到高频再到低频，因此载波频率用来支持这,DR,可能从,5,到,10kHZ,实现更准确的控制，当需要时。,(MG1,再,RX,上）,建立的正弦波其频率控制,MG,的转动频率。,低扭矩输出,时可以通过控制得到平缓的电流使转子转动步幅小（注：电流频率低，载波信号频率高）,低扭矩时正弦波峰值低，大扭矩时正弦波峰值高,绝缘栅双极晶体管,（,IGBT,）的门控制,变频器 总成,GUU,PWM,为控制平均电流，一个,5,或,10kHz PWM,信号输入到晶体管的控制信号端，触发脉冲越宽，就会有更大电流输出。,电机控制,系统图,(PRIUS),HV,蓄电池,(DC201.6V),电压传感器,变频器,电流传感器,关闭,温度传感器,MG,分解器,HV ECU,失效,信号,PWM(U,V,W),电机速度诊断,需求的扭矩,通讯,电机控制 部分,DC 201V,DC DC,转换器,DC 500V,变频器 总成,辅助,蓄电池,DC 12V,DC,AC,AC 201V,AC 12V,AC,DC,变频器 总成,DCDC,转换器,电压转换,DC 201V,DC 12V,MG1,MG2,HV,蓄电池,变频器,可变电压系统,变频器 总成,DC DC,转换器,运作,DC 201.6V,变压器,直流,交流,DC 12V,整流二极管,滤波电路,辅助,蓄电池,直流,直流转换器,变频器 总成,DC DC,转换器,运作,DC-DC,转换器,变频器,201.6v,备用电池,S,AMD,MG ECU,HV ECU,转换器控制电路,NODD,VLO,IGCT,直流,/,直流,(DC/DC),转换器内置于变频器中，并用一个内部控制线路操控。,HV,从一侧与内部控制线路连接，内部控制线路控制晶体管。,IGCT,继电器负责内部控制线路电源。,12V,直流电的输出通过,AMD,线和,60A,保险给备用电池充电，在备用电池短路时保护,DC/DC,转换器,转换器可以通过,S,端子测量实际输出电压的一个反馈信号。,HV ECU,可以通过,NODD,停止转换器的操作，并可以通知,HV ECU,转换器的工作情况。,VLO,是,HV ECU,根据车辆状态要求转换器操作的信号。,辅助,蓄电池,当辅助蓄电池电压低车辆状态,车辆状态,辅助蓄电池电压,PRIUS,档位指示灯不亮,(,能够变成,READY ON,状态,),9.5 V,或更低,不能变成,READY ON,状态,7 V,或更低,PRIUS,和,RX,可能因为备用电池电压低只能变为,READY ON,，不能使档位指示灯工作。,请注意电压的测量是在,HV ECU,的输入侧测量，不是在电池的连接处。,辅助蓄电池,当辅助蓄电池电压低时的车辆状态,PRIUS,正常,档位指示灯不亮,多信息显示屏熄灭,档位指示灯闪烁,熄灭,9.5 V,READY ON,0 V,档位指示灯不亮,根据,HV ECU,的命令,档位指示灯闪烁,根据组合仪表的操作,HV,蓄电池,和 继电器,SMR,继电器,系统 主继电器,HV,系统图,电阻,电源电缆,DC DC,转换器,升压,转换器,MG1,MG2,SMR1,SMR2,SMR3,A/C,变频器,变频器,A/C,变频器,变频器,SMR1,SMR2,SMR3,注意,:,检测区域和故障部位可以是不同的,漏电检测传感器,蓄电池,ECU,车辆后部,车辆前部,如果有一个电流泄漏的故障诊断代码出现，根据出现区域的不同，也有不同的码产生。,SMR(,系统 主继电器,),系统图,电流传感器,SMR2,SMR1,SMR3,电阻,HV,蓄电池,检修塞,电源开关,空气囊传感器,总成,断路传感器,互锁开关,(,检修塞,),互锁开关,(,变频器盖,),变频器,HV ECU,电源控制,ECU,电压传感器,蓄电池,ECU,HV,蓄电池,SMR(,系统主继电器,),READY ON,THS ECU,控制,SMR,步骤,1:,SMR 1/SMR 3,ON,步骤,2:,SMR 2,ON,步骤,3:,SMR 1,OFF,HV,蓄电池,SMR(,系统主继电器,),READY ON,步骤,1:,SMR 1/SMR 3,ON,步骤,2:,SMR 2,ON,步骤,3:,SMR 1,OFF,HV,蓄电池,SMR(,系统主继电器,),READY ON,步骤,1:,SMR 1/SMR 3,ON,步骤,2:,SMR 2,ON,步骤,3:,SMR 1,OFF,HV,蓄电池,SMR(,系统主继电器,),READY ON,步骤,1:,SMR 1/SMR 3,ON,步骤,2:,SMR 2,ON,步骤,3:,SMR 1,OFF,HV,蓄电池,SMR(,系统主继电器,),电源关闭,步骤,1:,SMR 2,OFF,步骤,2:,SMR 3,OFF,HV,蓄电池,SMR(,系统主继电器,),电源关闭,步骤,1:,SMR 2,OFF,步骤,2:,SMR 3,OFF,HV,蓄电池,SMR(,系统主继电器,),电源关闭,步骤,1:,SMR 2,OFF,步骤,2:,SMR 3,OFF,SMR,运作和系统电压,电压,时间,SMR1,SMR2,SMR3,ON,OFF,ON,(+),(-),OFF,OFF,OFF,OFF,ON,ON,OFF,OFF,OFF,0,实际上，首先,SMR1,短暂的闭,合,，然后，,SMR3,短暂的闭合并且测量电压,这时,SMR1,和,SMR3,同时起作用，,SMR2,随后闭合。,HV,蓄电池,系统图,(PRIUS),检修塞,CAN,蓄电池冷却风扇继电器,蓄电池冷却,风扇电机,HV,蓄电池,蓄电池冷却,风扇控制器,BEAN,电流传感器,电压,x 14,+,-,HV ECU,空调,ECU,发动机,ECU(ECM),温度,x 4,蓄电池,ECU,(,32-bit,),网关,ECU,温度,.,传感器,(,热敏电阻,),在蓄电池中有三个温度传感器和一个进气温度传感器。,基于这些温度传感器，鼓风机有一个合适的占空比控制来维持或把温度调整到特定值。,蓄电池,ECU,基于,电流传感器,和电压传感器的信息计算充电状态。,如果空调正对车厢冷却，鼓风机就处于停或低档，因进气来自车厢内部。,HV,蓄电池,什么是充电状态,?,充电状态,(,S,tate,o,f,C,harge)=,充电率,目标充电状态是,60%,上限,80%,，下限是,40%,。,HV,蓄电池,能量监视器,充电状态 用,8,条线段表示,8,条线段,充电状态,100%,0,条线段,充电状态,0%,输出的功率由蓄电池的温度控制,(,不是根据充电状态,),充电状态的表示,颜色,线段的数量,绿色,7 8,蓝色,3 6,紫色,1 2,HV,蓄电池,充电状态计算,充电状态 是由电流值计算的,(,输入,/,输出,),*,:,当输出电流值大时,电压的下降也大,40%,60%,充电状态,3,次加速,6,次加速,(Full):36kW=160A x 175V*,(Half):20kW=70A x 195V,时间,1,2,3,4,5,6,1,2,3,HV,蓄电池,充电状态 计算,充电状态 和 电压,充电状态,:,相对值,电压,:,绝对值,电压,充电状态,0%,40%,60%,80%,充电状态,100%=6.5 Ah,充电状态,80%=6.5 Ah x 0.8=5.2 Ah,充电状态,60%=6.5 Ah x 0.6=3.9 Ah,充电状态,40%=6.5 Ah x 0.4=2.6 Ah,充电状态,10%,是起动发动机最小的值,充电状态,0%=170 V,HV,蓄电池,充电状态 计算,电压和温度,充电状态下降相同时，电压下降是也会因温度不同而不同。,例,消耗,;80 A,电压,温度,.,30 C,0 C,60 V,30 V,蓄电池的温度越高，在承受了相同的载荷后剩余的电压越高。,HV,蓄电池,充电状态 计算,1,块,对每一块蓄电池充电状态监控,P0A7F:,蓄电池包装劣化,P0A80:,有电压差异,P3011,P3025,：某块电池有故障,HV,蓄电池,输出限制,高,/,低温度,充电状态达到下限,电压,达到下限,有,诊断故障,HV,蓄电池输出下降的部分由发动机输出的增加代替,这样对驾驶性能没有影响,输出限制条件,机密：,电压的下限,PRIUS:168V,