丰田THS-II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。

图14 不同开关示意图

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(Vi)持续极短的一段时间时(Ts)。通过控制“Ton”(Ton，开关 ON 时间)时间，使“Vi x Ts”的面积和“Vd x Ton”(电源电压 x 开关 ON 时间)的面积相同，则有效电压即变为 Vi。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 Width Modulation(即：PWM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PWM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 CPU)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MG1和MG2，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15 驱动电动机产生正弦交流电压

图16 调制波示意图

图17 正弦波形三相交流频率

调制波可分为3种：正弦波PWM、可变PWM和矩形波(1个脉冲)。正弦波PWM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PWM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)。

图18 电动机中速范围功率

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，三相交流（U相、V相、W相）需要连续流动，在MG1和MG2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（MG1 和 MG2）磁极的精确位置对于确保有效控制 MG1 和 MG2 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 MG 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。

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。

图20 转子从特定位置顺时针旋转

如图21所示，当电动机运行时，IGBT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，IGBT的控制正时的基础信号是由MG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。

图21 电动机运转IGBT接通示意图

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，电流以整流后的直流电形式从二极管流出，用来给HV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。

图22 电动机再生制动产生移动磁场

图23 逆变器IGBT晶体管

1.转换器控制

根据MG1和MG2的工作情况，增压转换器将直流电压201.6V的HV蓄电池公称电压最高升至直流电压650V。转换器也可将MG1和MG2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HV蓄电池充电。

2.升高电压的优势

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[电阻]。

如图23所示，转换器由带内置式IGBT的增压IPM、电抗器和高压电容器组成。使用2个IGBT，一个用于升压，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MG1请求大扭矩以起动发动机或由于驾驶员加速请求，MG2请求大扭矩，则将HV蓄电池电压升至最高650V。升压工作时，通过占空控制IGBT（用于升压）的通断时间，可调节升高的电压。如图24所示，当IGBT（用于升压）导通，电抗器通过HV蓄电池构成回路，使HV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HV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（用于升压）再次接通，使HV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。

图24 IGBT导通图

图25 流过电抗器的电流示意图

4.可变电压系统降压工作的原理

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IGBT（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，可让电抗器左端产生略高于201.6V的HV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。

图26 最高电压直流650V经过导通IGBT

图27 IGBT截止示意图

动力管理控制ECU(HV CPU)根据增压转换器的工作信号(PWM)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 CPU)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IGBT以切断增压转换器控制。如下图28所示。

图28 过电压、过电流或电路故障等异常

5.DC/DC 转换器控制

车辆的电气零部件（如前照灯和音响系统）和各 ECU 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。DC/DC 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。

图29 带转换器的逆变器总成

(未完待续)