豐田THS-II混合動(dòng)力核心控制策略介紹(二)

◆/江蘇 田銳

(接上期)

逆變器是一種把直流電轉(zhuǎn)換成交流電或反之亦然的裝置，為了使直流逆變產(chǎn)生交流，需要將4個(gè)不同的開(kāi)關(guān)(圖14)，從S1到S4,按如下方式組合，改變開(kāi)關(guān)的開(kāi)/關(guān)時(shí)間可以相應(yīng)的改變頻率。

圖14 不同開(kāi)關(guān)示意圖

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)需要產(chǎn)生正弦交流電壓，產(chǎn)生正弦波形交流而不是矩形波形交流則需要持續(xù)改變電壓以產(chǎn)生正弦波。如圖15所示，當(dāng)檢測(cè)到所需輸出電壓(Vi)持續(xù)極短的一段時(shí)間時(shí)(Ts)。通過(guò)控制“Ton”(Ton，開(kāi)關(guān) ON 時(shí)間)時(shí)間，使“Vi x Ts”的面積和“Vd x Ton”(電源電壓 x 開(kāi)關(guān) ON 時(shí)間)的面積相同，則有效電壓即變?yōu)?Vi。通過(guò)此方式控制逆變器電路中IGBT的通斷時(shí)間，使產(chǎn)生的電壓持續(xù)改變，從而模擬產(chǎn)生出正弦交流電壓。這種控制方式的全稱(chēng)是 Pulse Width Modulation(即：PWM脈沖寬度調(diào)制)，它是用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化和正弦波等效的PWM波形控制逆變器電路中IGBT的通斷時(shí)間，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需的交流輸出電壓。動(dòng)力管理控制ECU(HV CPU)根據(jù)車(chē)輛的工作條件，通過(guò)改變調(diào)制波(圖16)的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變器電路輸出電壓的頻率和幅值，以有效控制MG1和MG2，由此，確保最大效率的控制不同工況下電動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速。簡(jiǎn)而言之，它是通過(guò)改變輸出方波的占空比來(lái)改變等效的輸出電壓，為了讓電動(dòng)機(jī)獲得更大的扭矩輸出，正弦波形的三相交流的振幅(電流)應(yīng)該增加，為了使電動(dòng)機(jī)的速度增加，正弦波形三相交流的頻率應(yīng)該增加(圖17)。

圖15 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生正弦交流電壓

圖16 調(diào)制波示意圖

圖17 正弦波形三相交流頻率

調(diào)制波可分為3種：正弦波PWM、可變PWM和矩形波(1個(gè)脈沖)。正弦波PWM是最常用的電壓波形，電壓和電流成正弦波，轉(zhuǎn)矩變化小，可以獲得較為平滑的輸出，多用于電動(dòng)機(jī)的低速范圍。與其他控制方式比較，其缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的輸出電壓較低。矩形波理論上可以產(chǎn)生最大的基本波分量，調(diào)制率固定，電壓振幅不可變，多用于電動(dòng)機(jī)的高速范圍。可變PWM的調(diào)制率處于兩者之間，能夠有效的提高電動(dòng)機(jī)中速范圍內(nèi)的功率(圖18)。

圖18 電動(dòng)機(jī)中速范圍功率

三、MG1和MG2解析器的工作原理

為了使三相交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，需要正確檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，三相交流（U相、V相、W相）需要連續(xù)流動(dòng)，在MG1和MG2中分別安裝有一個(gè)速度傳感器（即解析器），它們是可靠性極高且結(jié)構(gòu)緊湊的傳感器，可以高精度的檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置。轉(zhuǎn)子（MG1 和 MG2）磁極的精確位置對(duì)于確保有效控制 MG1 和 MG2 非常重要。解析器的定子包括 3 種線圈：勵(lì)磁線圈、檢測(cè)線圈 S 和檢測(cè)線圈 C和一個(gè)橢圓形的轉(zhuǎn)子（與 MG 轉(zhuǎn)子作為一個(gè)單元一起旋轉(zhuǎn)）組成。定子與轉(zhuǎn)子間的距離隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而變化。檢測(cè)線圈S的+S和-S相互偏離90度。檢測(cè)線圈C的+C和-C也以同樣的方式相互偏離90度。線圈S和C相互分離45度。如圖19所示。

圖19 解析器定子示意圖

由于勵(lì)磁線圈具有恒定頻率的交流，向線圈S和C輸出恒定頻率的磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。勵(lì)磁線圈的磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子送至線圈S和C。由于轉(zhuǎn)子為橢圓形，因此定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而變化。由于間隙的變化，檢測(cè)線圈S和C輸出波形的峰值隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。MG ECU持續(xù)監(jiān)視這些峰值，將其連接形成虛擬波形并根據(jù)線圈S的虛擬波形和線圈C的虛擬波形的相位差判定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。此外，MG ECU根據(jù)規(guī)定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子位置的變化量計(jì)算轉(zhuǎn)速。如圖20所示，為轉(zhuǎn)子從特定位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁線圈、線圈S和線圈C的輸出波形。

圖20 轉(zhuǎn)子從特定位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

如圖21所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，IGBT根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置（永磁體）接通，產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子位置相適應(yīng)的三相交流，當(dāng)三相交流電通過(guò)定子線圈的三相繞組時(shí)，在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置和轉(zhuǎn)速控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體收到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的吸引，產(chǎn)生扭矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，IGBT的控制正時(shí)的基礎(chǔ)信號(hào)是由MG電機(jī)各自的解析器型位置傳感器提供。所產(chǎn)生的扭矩對(duì)于所有實(shí)際用途都與電流大小成比例，而轉(zhuǎn)速則由交流電的頻率來(lái)控制。

圖21 電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)IGBT接通示意圖

如圖22所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)時(shí)，輪子轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子（永磁體），轉(zhuǎn)子（永磁體）的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)的磁場(chǎng)，并且由于電磁感應(yīng)在定子線圈U相、V相和W相產(chǎn)生三相交流電壓，電流以整流后的直流電形式從二極管流出，用來(lái)給HV蓄電池充電。逆變器的交流變直流轉(zhuǎn)換。如圖23所示，逆變器的IGBT晶體管每個(gè)都有并聯(lián)的二極管，單獨(dú)看每個(gè)二極管就是發(fā)電機(jī)的三相整流橋，兩個(gè)MG電機(jī)發(fā)出的電能被整流為直流電到可變電壓系統(tǒng)。

圖22 電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)產(chǎn)生移動(dòng)磁場(chǎng)

圖23 逆變器IGBT晶體管

1.轉(zhuǎn)換器控制

根據(jù)MG1和MG2的工作情況，增壓轉(zhuǎn)換器將直流電壓201.6V的HV蓄電池公稱(chēng)電壓最高升至直流電壓650V。轉(zhuǎn)換器也可將MG1和MG2產(chǎn)生的電壓從直流電壓650V（最高電壓）降至直流電壓201.6V以對(duì)HV蓄電池充電。

2.升高電壓的優(yōu)勢(shì)

由于“電功率=電壓X電流”，因此可使用高壓提高功率輸出以驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。同時(shí)，為使功率相同，可使用較高的電壓和較小的電流。從而，減少電路以熱能的形式損失能量并使逆變器更為緊湊。假使電壓升高一倍，如果電流恒定，則功率升高一倍。如果功率相同，電流可降低一半，則由于電路發(fā)熱而導(dǎo)致的能量損失降低75%。同時(shí)，可使逆變器更為緊湊，即：[熱值]=[電流的平方]x[電阻]。

如圖23所示，轉(zhuǎn)換器由帶內(nèi)置式IGBT的增壓IPM、電抗器和高壓電容器組成。使用2個(gè)IGBT，一個(gè)用于升壓，一個(gè)用于降壓。電抗器是抑制電流變化的零部件，電抗器將試圖穩(wěn)定電流，通過(guò)利用這些特征可升壓和降壓。高壓電容器存儲(chǔ)升高的電壓，并為逆變器提供穩(wěn)定的升高的電壓。

3.可變電壓系統(tǒng)升壓工作的原理

如果MG1請(qǐng)求大扭矩以起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或由于駕駛員加速請(qǐng)求，MG2請(qǐng)求大扭矩，則將HV蓄電池電壓升至最高650V。升壓工作時(shí)，通過(guò)占空控制IGBT（用于升壓）的通斷時(shí)間，可調(diào)節(jié)升高的電壓。如圖24所示，當(dāng)IGBT（用于升壓）導(dǎo)通，電抗器通過(guò)HV蓄電池構(gòu)成回路，使HV蓄電池電壓（直流201.6V的公稱(chēng)電壓）電流流向電抗器為其充電，由于電抗器的感抗會(huì)使電抗器的兩端電壓平衡需要一定的時(shí)間，從而達(dá)到抑制電流變化的效果，由此，使電抗器存儲(chǔ)了電能，雖然這個(gè)時(shí)間很短。根據(jù)楞次定律，當(dāng)電抗器內(nèi)的電流增大時(shí)會(huì)受到阻礙，感抗和HV蓄電池電壓是固定的，那么當(dāng)IGBT（用于升壓）導(dǎo)通時(shí)間滿(mǎn)足了產(chǎn)生最高650V感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的要求時(shí)就會(huì)被截止。如圖25所示，在流過(guò)電抗器的電流被截止時(shí)，根據(jù)楞次定律，電抗器內(nèi)的電流減小也會(huì)受到阻礙，在電抗器內(nèi)電流消失的過(guò)程中，電抗器產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（電流持續(xù)從電抗器流出），該電動(dòng)勢(shì)使電壓升至最高電壓直流650V，在電抗器產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的作用下，電抗器中流出的電流被與IGBT（用于降壓）并聯(lián)的二極管導(dǎo)通使增壓后的電壓流入逆變器和電容器。持續(xù)執(zhí)行此操作，可將電壓存儲(chǔ)在高壓電容器內(nèi)，從而可產(chǎn)生穩(wěn)定電壓。當(dāng)IGBT（用于升壓）再次接通，使HV蓄電池的電壓再次為電抗器充電。與此同時(shí)，通過(guò)釋放電容器中存儲(chǔ)的電能（最高電壓為直流650V），持續(xù)向逆變器提供穩(wěn)定的升高的電壓。

圖24 IGBT導(dǎo)通圖

圖25 流過(guò)電抗器的電流示意圖

4.可變電壓系統(tǒng)降壓工作的原理

如圖26所示，從逆變器過(guò)來(lái)的最高電壓直流650V經(jīng)過(guò)導(dǎo)通的IGBT（用于降壓），電抗器右端被施加最高電壓直流650V電壓。電抗器的自感作用使其左端的電壓不會(huì)與右端的電壓同步升到650V，當(dāng)IGBT（用于降壓）的導(dǎo)通時(shí)間滿(mǎn)足了產(chǎn)生201.6V的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的要求時(shí)就會(huì)被截止。如圖27所示，當(dāng)IGBT（用于降壓）截止時(shí)，電抗器左端有201.6V的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，HV蓄電池連同并聯(lián)的電容器一并被充電，通過(guò)與IGBT（用于升壓）并聯(lián)的二極管導(dǎo)通構(gòu)成的回路，電抗器完成放電。當(dāng)IGBT（用于降壓）再次導(dǎo)通時(shí)，電抗器開(kāi)始充電的瞬間相當(dāng)于該回路的截?cái)酄顟B(tài)，這時(shí)與HV蓄電池并聯(lián)的電容器會(huì)持續(xù)的對(duì)HV蓄電池提供充電。精確的控制IGBT（用于降壓）的通斷時(shí)間，可讓電抗器左端產(chǎn)生略高于201.6V的HV蓄電池充電電壓。與HV蓄電池并聯(lián)的電容器和逆變器側(cè)的電容器都是起到了儲(chǔ)存能量和濾波的作用。

圖26 最高電壓直流650V經(jīng)過(guò)導(dǎo)通IGBT

圖27 IGBT截止示意圖

動(dòng)力管理控制ECU(HV CPU)根據(jù)增壓轉(zhuǎn)換器的工作信號(hào)(PWM)控制增壓轉(zhuǎn)換器并檢測(cè)增壓前后的電壓，提供反饋以檢查是否達(dá)到目標(biāo)增壓值。增壓轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障時(shí)，動(dòng)力管理控制ECU(HV CPU)監(jiān)視增壓轉(zhuǎn)換器的控制狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)電壓、過(guò)電流或電路故障等異常時(shí)，動(dòng)力管理控制ECU(HV CPU)斷開(kāi)異常電路中的增壓轉(zhuǎn)換器IGBT以切斷增壓轉(zhuǎn)換器控制。如下圖28所示。

圖28 過(guò)電壓、過(guò)電流或電路故障等異常

5.DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制

車(chē)輛的電氣零部件（如前照燈和音響系統(tǒng)）和各 ECU 使用直流電壓14V 作為其電源。在常規(guī)車(chē)輛中，交流發(fā)電機(jī)用于為 14V 蓄電池充電并為電氣零部件供電。然而，在混合動(dòng)力車(chē)輛中，發(fā)動(dòng)機(jī)間歇操作期間發(fā)動(dòng)機(jī)定期停止。因此，混合動(dòng)力車(chē)輛不使用交流發(fā)電機(jī)。DC/DC 轉(zhuǎn)換器在晶體管橋接電路中將高壓 (201.6 V) 暫時(shí)轉(zhuǎn)換為交流并通過(guò)變壓器降至低壓。然后，將交流轉(zhuǎn)換為直流，并穩(wěn)定地輸出至直流電壓14V系統(tǒng)供電。與常規(guī)車(chē)輛不同，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出電流和輸出電壓無(wú)關(guān)，如圖29所示。

圖29 帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成

(未完待續(xù))