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奔驰q7N e w Car Tech新车新技术丰田THS-M混合动力核心控制策略介绍(二)
♦/江苏田锐
(接上期)
逆变器是一种把直流电转换成交流电或反之亦然的装置，为 了使直流逆变产生交流，需要将4个不同的开关(图14)，从S1到 S4，按如下方式组合，改变开关的开/关时间可以相应的改变频率。
驱动电动机需要产生正弦交流电压，产生正弦波形交流而不 是矩形波形交流则需要持续改变电压以产生正弦波。如图15所 示，当检测到所需输出电压(V i)持续极短的一段时间时(Ts)。通 过控制“Ton”（Ton，开关O N时间)时间，使“Vi x Ts”的面积和
“Vd x Ton”（电源电压x开关O N时间)的面积相同，则有效电 压即变为V i。通过此方式控制逆变器电路中IGBT的通断时间，使 产生的电压持续改变，从而模拟产生出正弦交流电压。这种控制 方式的全称是Pulse W idth M odulation(即：P W M脉冲宽度调 制)，它是用脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PW M波形 控制逆变器电路中IGBT的通断时间，使其输出的脉冲电压的面积 与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，从而达到驱动 电动机所需的交流输出电压。动力管理控制ECU(HV
C PU)根据 车辆的工作条件，通过改变调制波(图16)的频率和幅值则可调节 逆变器电路输出电压的频率和幅值，以有效控制M G1和M G2，由此，确保最大效率的控制不同工况下电动机的扭矩和转速。简而 言之，它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压，为 了让电动机获得更大的扭矩输出，正弦波形的三相交流的振幅(电 流)应该增加，为了使电动机的速度增加，正弦波形三相交流的频 率应该增加(图17)。
图16调制波示意图
调制波可分为3种：正弦波PW M、可变PW M和矩形波(1个脉 冲)。正弦波PW M是最常用的电压波形，电压和电流成正弦波，转 矩变化小，可以获得较为平滑的输出，多用于电动机的低速范围。与其他控制方式比较，其缺点是电动机的输出电压较低。矩形波 理论上可以产生最大的基本波分量，调制率固定，电压振幅不可 变，多用于电动机的高速范围。可变P W M的调制率处于两者之 间，能够有效的提高电动机中速范围内的功率(图18)。
三、MG1和MG2解析器的工作原理
为了使三相交流电动机转动，需要正确检测转子的位置，三
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图17正弦波形三相交流频率
图18电动机中速范围功率
相交流（U 相、V 相、W 相）需要连续流动，在M G 1和M G 2中分别 安装有一个速度传感器（即解析器），它们是可靠性极高且结构紧 凑的传感器，可以高精度的检测转子磁极的位置。转子（M G 1和 M G 2)磁极的精确位置对于确保有效控制M G 1和M G 2非常重 要。解析器的定子包括3种线圈：励磁线圈、检测线圈S 和检测 线圈C 和一个椭圆形的转子（与M G 转子作为一个单元一起旋 转）组成。定子与转子间的距离随转子的旋转而变化。检测线圈 S 的+S 和-S 相互偏离90度。检测线圈C 的+C 和-C 也以同样的方 式相互偏离90度。线圈S 和C 相互分离45度。如图19所示。
[Location of Speed Sensor (Resolver)]
图19解析器定子示意图由于励磁线圈具有恒定频率的交流，向线圈S 和C 输出恒定 频率的磁场，与转子转速无关。励磁线圈的磁场由转子送至线圈 S 和C 。由于转子为椭圆形，因此定子与转子之间的间隙随转子的 旋转而变化。由于间隙的变化，检测线圈S 和C 输出波形的峰值随 转子位置的变化而变化。MG  ECU 持续监视这些峰值，将其连接 形成虚拟波形并根据线圈S 的虚拟波形和线圈C 的虚拟波形的相 位差判定转子的旋转方向。此外，MG  ECU 根据规定时间内转子 位置的变化量计算转速。如图20所示，为转子从特定位置顺时针 旋转时，励磁线圈、线圈S 和线圈C 的输出波形。
如图21所示，当电动机运行时，丨GBT 根据转子的位置（永磁 体）接通，产生于转子位置相适应的三相交流，当三相交流电通过 定子线圈的三相绕组时，在电动机中产生一个旋转磁场，根据转 子的旋转位置和转速控制旋转磁场，使转子内的永磁体收到旋转 磁场的吸引，产生扭矩，使转子转动，IG BT 的控制正时的基础信 号是由M G 电机各自的解析器型位置传感器提供。所产生的扭矩 对于所有实
际用途都与电流大小成比例，而转速则由交流电的频 率来控制。
如图22所示，当电动机再生制动时，轮子转动转子（永磁 体），转子（永磁体）的旋转产生一个移动的磁场，并且由于电磁感
应在定子线圈U 相、V 相和W 相产生三相交流电压，电流以整流后
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-----Phase V —Phase W
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图21电动机运转IG BT 接通示意图
图22电动机再生制动产生移动磁场
的直流电形式从二极管流出，用来给H V 蓄电池充电。逆变器的交 流变直流转换。如图23所示，逆变器的IGBT 晶体管每个都有并联 的二极管，单独看每个二极管就是发电机的三相整流桥，两个MG 电机发出的电能被整流为直流电到可变电压系统。1.转换器控制
根据M G 1和M G 2的工作情况，增压转换器将直流电压 201.6V 的H V 蓄电池公称电压最高升至直流电压650V 。转换器
也可将M G 1和M G 2产生的电压从直流电压650V  (最高电压）降 至直流电压201.6V 以对H V 蓄电池充电。2. 升高电压的优势上海2手车市场
由于“电功率=电压X 电流”，因此可使用高压提高功率输出 以驱动车辆。同时，为使功率相同，可使用较高的电压和较小的电 流。从而，减少电路以热能的形式损失能量并使逆变器更为紧凑。 假使电压升高一倍，如果电流恒定，则功率升高一倍。如果功率 相同，电流可降低一半，则由于电路发热而导致的能量损失降低 75%。同时，可使逆变器更为紧凑，即：[热值]=[电流的平方]x [电 间。
如图23所示，转换器由带内置式IGBT 的增压IP M 、电抗器和
高压电容器组成。使用2个IGBT , —个用于升压，一个用于降压。 电抗器是抑制电流变化的零部件，
电抗器将试图稳定电流，通过 利用这些特征可升压和降压。高压电容器存储升高的电压，并为 逆变器提供稳定的升高的电压。3. 可变电压系统升压工作的原理
如果M G 1请求大扭矩以起动发动机或由于驾驶员加速请求， M G 2请求大扭矩，则将H V 蓄电池电压升至最高650V 。升压工作 时，通过占空控制IG B T (用于升压）的通断时间，可调节升高的电 压。如图24所示，当IG B T (用于升压）导通，电抗器通过H V 蓄电 池构成回路，使H V 蓄电池电压（直流201.6V 的公称电压）电流流 向电抗器为其充电，由于电抗器的感抗会使电抗器的两端电压平
衡需要一定的时间，从而达到抑制电流变化的效果，由此，使电抗 器存储了电能，虽然这个时间很短。根据楞次定律，当电抗器内的 电流增大时会受到阻碍，感抗和H V 蓄电池电压是固定的，那么当 IGBT  (用于升压）导通时间满足了产生最高650V 感应电动势的 要求时就会被截止。如图25所示，在流过电抗器的电流被截止时， 根据楞次定律，电抗器内的电流减小也会受到阻碍，在电抗器内电 流消失的过程中，电抗器产生电动势（电流持续从电抗器流出）， 该电动势使电压升至最高电压直流650V ，在电抗器产生电动势的 作用下，电抗器中流出的电流被与IGBT  (用于降压）并联的二极管 导通使增压后的电压流入逆变器和电容器。持续执行此操作，可 将电压存储在高压电容器内，从而可产生稳定电压。当IGBT  (用
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增压转换器 逆变器
于升压）再次接通，使H V 蓄电池的电压再次为电抗器充电。与此 同时，通过释放电容器中存储的电能（最高电压为直流650V ), 持续向逆变器提供稳定的升高的电压。4.可变电压系统降压工作的原理
一汽b30如图26所示，从逆变器过来的最高电压直流650V 经过导通 的IGBT  (用于降压），电抗器右端被施加
最高电压直流650V 电 压。电抗器的自感作用使其左端的电压不会与右端的电压同步升 到650V ，当IGBT  (用于降压）的导通时间满足了产生201.6V 的感应电动势的要求时就会被截止。如图27所示，当IGBT  (用 于降压）截止时，电抗器左端有201.6V 的感应电动势产生，HV 蓄电池连同并联的电容器一并被充电，通过与IG B T  (用于升 压）并联的二极管导通构成的回路，电抗器完成放电。当IGBT (用于降压）再次导通时，电抗器开始充电的瞬间相当于该回路 的截断状态，这时与HV 蓄电池并联的电容器会持续的对HV 蓄电 池提供充电。精确的控制IGBT  (用于降压）的通断时间，可让电
增压转换器 逆变器
抗器左端产生略高于201.6V 的H V 蓄电池充电电压。与HV 蓄电 池并联的电容器和逆变器侧的电容器都是起到了储存能量和滤波 的作用。
动力管理控制E C U (H V  C P U )根据增压转换器的工作信号 (P W M )控制增压转换器并检测增压前后的电压，提供反馈以检 查是否达到目标增压值。增压转换器发生故障时，动力管理控制 ECU(HV  C P U )监视增压转换器的控制状态。当出现过电压、过 电流或电路故障等异常时，动力管理控制ECU(HV  CPU )断开异 常电路中的增压转换器IG B T 以切断增压转换器控制。如下图28
所示。
增压转换器
图28过电压、过电流或电路故障等异常
5.D C /D C 转换器控制
车辆的电气零部件（如前照灯和音响系统）和各E C U 使用 直流电压14V 作为其电源。在常规车辆中，交流发电机用于 为14V 蓄电池充电并为电气零部件供电。然而，在混合动力 车辆中，发动机间
歇操作期间发动机定期停止。因此，混合动 力车辆不使用交流发电机。D C /D C 转换器在晶体管桥接电路 中将高压（201.6 V ；)暂时转换为交流并通过变压器降至低压。 然后，将交流转换为直流，并稳定地输出至直流电压14V 系统 供电。与常规车辆不同，发动机转速与输出电流和输出电压无 关，如图29所示。
H V 蓄电池
辅助蓄电池
12 V 系统
斯巴鲁价格
大广高速路线图(ECU 等）
图29带转换器的逆变器总成
(未完待续）E
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