变频器与hv电池(页)

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1、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 VAC 500 最大输出功率 kW (PS) / rpm37.8 (51) / 9500 最大扭矩 Nm (kgfm) / rpm45 (4.58) / 0 6000 最大扭矩时的电流 A75 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 VAC 500

2、 最大输出功率 kW (PS) / rpm50 (68) / 1200 1540 最大扭矩 Nm (kgfm) / rpm400 (40.8) / 0 1200 最大扭矩时的电流 A230 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 MG1MG2 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 DLC3DLC3 HV ECU 分解器型速度传感

3、 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

4、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

5、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

6、 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

7、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

8、 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

9、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

10、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

11、，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

12、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

13、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

14、0.61 0.780.78 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

15、， 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

16、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 ECUHV ECU 转换器控制电路 NODDVLO 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