丰田-普锐斯混合动力车系统研究

摘要普锐斯PRIUS于1997年10月底问世，是世界上最早实现批量生产的混合动力汽车。在人们日益关注环保的今天，普锐斯PRIUS因革命性地降低了车辆燃耗和尾气排放，其划时代之意义与先进性得到了全世界的高度评价。2005年12月15日正式我国上市的新款普锐斯PRIUS，是第二代普锐斯PRIUS，它装备了新一代丰田混合动力系统THSII这是在上一代丰田混合动力系统THS的基础上，以能够同时提高环保性能和动力性能的“HYBRIDSYNERGYDRIVE（混合动力同步驾驶）”为概念开发的。THSII通过提升电源系统的电压使马达功率提高到原来的15倍，并通过控制系统的改进解决了一系列的技术难题，从而使发动机动力与马达动力的协同增效作用得到极大程度的发挥。新款普锐斯PRIUS除了拥有新一代丰田混合动力系统THSII特有的“平滑而强劲的动力性能”和“世界顶级的环保性能”外，还拥有前卫的造型、舒适的操控性能、以及电子排档、带湿度感应器的电动变频自动空调等引人注目的卓越功能和先进装备。动力系统构成通过提升电源系统电压来提高马达输出功率，同时控制系统进行了大幅度的改进。自主开发总成所构成的全息系统，带来车辆行驶性能的飞跃。主要新开发总成THSII的主要总成全部由丰田汽车公司自主开发。通过对电源系统、马达、发电机、电池组等的革新，全面提升了系统性能。系统构成包括两个动力源（采用高膨胀比循环的高效汽油发动机和输出功率提升至15倍的永磁式交流同步电动机）及其驱动马达、发电机、内置动力分离装置的混合动力用变速箱、混合动力用高性能镍氢电池组、动力控制总成。与人们所熟悉的将汽油发动机作为动力提供装置的普通汽车不同，普锐斯PRIUS的动力有两部分组成，除了发动机外还多出了电动机（永磁式同步交流电动机）和混合动力车专用蓄电池（密封镍氢电池），这样蓄电池的电力也可以为车辆提供部分动力，达到节省燃油的目的。在普锐斯PRIUS的整个行驶过程中到底是用发动机还是用马达来驱动汽车是要根据车辆的行驶状态来决定的，发动机只有在普通行驶和全面加速的两个阶段中运转，消耗燃料，而在减速制动阶段由车轮来驱动马达将车辆制动能量转换成电能并进行回收将被再次利用。普锐斯PRIUS作为世界首款量产的混合动力车，它改变了人们基于传统汽车的评判标准。通过TOYOTA油电混合动力系统将汽油发动机与电动机进行组合，在达成高水平的燃油经济性和环保性能的前提下，实现了出色的动力性，并创造了舒畅的驾驶乐趣和良好的静谧性。在城市工况下，排量为15L的PRIUS普锐斯达到了相当于20L传统车型的动力性能；而油耗仅相当于10L的传统车型。关键词发动机、电气系统、维修、构造、诊断、图解TITLETOYOTAPRIUSHYBRIDRESEARCHABSTRACTPRIUSPRIUSINAVAILABLEBYTHEENDOFOCTOBER1997,ISTHEWORLDSFIRSTMASSPRODUCTIONOFHYBRIDVEHICLESTHEREISAGROWINGCONCERNINTODAYSENVIRONMENT,THEPRIUSPRIUSASARESULTOFAREVOLUTIONARYWAYTOREDUCEVEHICLEFUELCONSUMPTIONANDEXHAUSTEMISSIONS,WITHITSEPOCHMAKINGSIGNIFICANCEOFTHEADVANCEDNATUREOFTHEWORLDHASBEENHIGHLYPRAISEDDECEMBER15,2005CHINASOFFICIALLISTINGOFTHENEWPRIUSPRIUS,ISASECONDGENERATIONPRIUSPRIUS,EQUIPPEDWITHITSNEXTGENERATIONTOYOTAHYBRIDSYSTEMTHSIITHISISTHELASTGENERATIONTOYOTAHYBRIDSYSTEMTHSONTHEBASISOFTOBEABLETOIMPROVETHEENVIRONMENTALPERFORMANCEOFPOWERANDPERFORMANCEOFTHE“HYBRIDSYNERGYDRIVESYNCHRONOUSHYBRIDDRIVE“FORTHEDEVELOPMENTOFTHECONCEPTTHSIITHROUGHTHEUPGRADINGOFTHEPOWERSYSTEMVOLTAGEMOTORSSOTHATTHEPOWERTOTHEORIGINAL15FOLD,ANDTHROUGHIMPROVEDCONTROLSYSTEMTOSOLVEASERIESOFTECHNICALPROBLEMS,SOTHATTHEENGINEPOWERANDMOTORPOWEROFTHESYNERGIESTOBEAGREATLEVELOFPLAYTHENEWPRIUSADDITIONTOTHENEWGENERATIONTOYOTAPRIUSHYBRIDSYSTEMTHSIISPECIFIC“SMOOTHANDSTRONGPERFORMANCEOFPOWER“AND“THEWORLDSTOPENVIRONMENTALPERFORMANCE“,BUTALSOHAVETHEAVANTGARDESTYLEANDCOMFORTABLECONTROLPERFORMANCE,ASWELLASFOODSTALLSBYE,WITHTHEHUMIDITYSENSORSELECTRICALINVERTERAIRCONDITIONINGAUTOMATICALLYNOTABLE,ANDOTHEROUTSTANDINGFEATURESANDADVANCEDEQUIPMENTPRIUSASTHEWORLDSFIRSTMASSPRODUCTIONOFHYBRID,ITCHANGEDTHEWAYPEOPLEJUDGETHECARBASEDONTHETRADITIONALSTANDARDSTOYOTATHROUGHTHEHYBRIDSYSTEMWITHGASOLINEENGINEANDELECTRICMOTORCOMBINATION,TOREACHAHIGHLEVELOFFUELECONOMYANDENVIRONMENTALPERFORMANCE,ACHIEVEEXCELLENTPOWER,ANDCREATEDACOMFORTABLEDRIVINGFUNANDGOODQUIETCONDITIONSINTHECITIES,15LDISPLACEMENTFORTHEPRIUSPRIUS20LREACHEDTHEEQUIVALENTOFTHETRADITIONALMODELSOFDYNAMICPERFORMANCEAND10LFUELCONSUMPTIONISEQUIVALENTTOONLYTHETRADITIONALMODELKEYWORDSENGINES,ELECTRICALSYSTEMS,MAINTENANCE,CONSTRUCTION,DIAGNOSIS,GRAPHIC目录摘要I11引言3111混合动力车的概述52PRIUS混合动力系统结构821动力系统结构822不同工况下混合动力系统工作状况9221发动机起动9222车辆起步103PRIUS混合动力车技术特征分析1431机械结构分析1432电气结构分析164电机及驱动控制系统分析2141电机及驱动控制系统的特点2142电机及驱动系统基本组成21421电机（MG1、MG2）工作原理23422电机（MG1、MG2）结构23423变频器电路26424电机驱动系统的控制26425维修电动机及驱动系统注意事项28结论29致谢30参考文献3111引言能源和环境是当今世界可持续发展面临的两大根本问题。随着经济的发展，汽车拥有量急剧升高，这两大问题日益突出，而在我国显得更加严重。2002年中国轿车产销量以超过40的增长而被称为“中国轿车元年”。2002年我国汽车总产量达到300万辆，2003年总产量达到400万辆。汽车产销量的飞速增长，给我国石油能源带来巨大的压力，同时也给城市大气环境带来了严重的影响。进入21世纪，随着经济对可持续发展的追求和人们对生活环境提出越来越高的要求。为了降低汽车的燃油消耗，减少有害的排放生成物，各国相继出台了更严格的排放法规，汽车工作者对传统内燃机汽车采取了复杂的技术改造，例如代用燃料、添加剂、催化净化器、多气门结构、稀燃、分层燃烧、电控喷射等。这些技术的应用大大降低了汽车的尾气污染和燃油消耗。但是传统的内燃机车由于其固有的燃烧和排放特性，对燃油消耗和排放的解决有一定的局限性。同时复杂的技术改造直接的后果是使得传统汽车的造价不断上升，利润空间越来越小，长此以往，不利于汽车工业的发展，也不利于汽车的普及。在此背景下，各种各样的新型动力汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比要差上百倍，远远未达到人们所期望的数值。专家估计在未来一段时间内，电动汽车还无法取代燃油发动机汽车，为此采取了一个两全其美的办法，开发了混合动力汽车HEV（HYBRIDELECTRICVEHICLE）。混合动力汽车是一种新出现的绿色环保汽车，它采用内燃机和电动机作为混合动力源,这种混合动力的汽车既有燃油发动机动力性好、续驶里程长的优点，又有电动机无污染和低噪声的好处,可达到发动机和电动机的最佳匹配。对于传统内燃机动力汽车，制动能量全部由刹车片摩擦消耗掉；而对于混合动力汽车，在刹车制动时，通过对电机、刹车系统及动力电池管理系统的协调控制，使电机工作在发电机状态而产生制动转矩，向动力电池高效率回收制动能量，可显著提高整车的能量利用率。一般认为这类汽车的燃油经济性可提高1540，废气排放可降低3050，排放指标最好水平能达到目前排放标准指标值的10。混合动力汽车是目前公认的最具有产业化和市场前景的电动汽车，它具有如下主要的优点可以大幅度降低汽车的排气污染；可以较大幅度的提高汽车燃油效率；与纯电动汽车相比，大大降低了对动力电池的过分依赖，避开了目前电动汽车研发和产业化过程中电池领域的“瓶颈”；使用传统燃料，对基础设施没有提出任何特别的要求；使用方便，成本提高幅度小。混合动力汽车既具有内燃机动力性好、反应快和工作时间长等优点，又有电机无污染和低噪声的特点，可达到电机和发动机的最佳匹配。由于混合动力系统具有充电功能，因此不需要建设配套的充电基础设施。对于电池的要求，与纯电动汽车相比也大大降低了。因此混合动力汽车在技术、经济和环境等方面具有综合优势。111混合动力车的概述混合动力汽车（HEV）是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据车辆的实际行驶状态由单个驱动系单独或共同提供。混合动力汽车的基本组成单元由牵引电机（TRACTIONMOTOR）及控制系统ECU、动力电池（POWERBATTERY）及管理系统ECU、燃油发动机及控制系统ECU等组成。任意设计的HEV是不能达到上述要求的，必须要求设计HEV进行整体性能及参数匹配研究，包括驱动部分的布置形式、各部件的参数选择、功率在燃油发动机和动力电池之间的分配等。根据HEV零部件的种类、数量及联结工作方式，可以将混合动力汽车分为三种基本类型串联型混合动力汽车SHEV（SERIESHYBRIDELECTRICVEHICLE）、并联型混合动力汽车PHEV（PARALLELHYBRIDELECTRICVEHICLE）、混联型混合动力汽车SPHEV（SERIESPARALLELHYBRIDELECTRICVEHICLE）。CAN（CONTROLLERAREANETWORK）总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车工业中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。CAN协议已成为国际标准化组织ISO的11898和11519标准，现在它逐步发展成为用于工业部门控制和通信的现场总线。与其它的现场总线相比，CAN具有低成本、易开发以及抗干扰性能好等优点，传输速率最高为1MBPS，最大传输距离为10KM（5KBPS），同时由于CAN废除了传统的站地址编码，使网络上的节点理论上为无穷大。CAN的诸多优点使它在最近几年得到广泛应用，世界上很多著名的汽车制造商都采用CAN总线来实现汽车内部控制系统及各检测和执行机构间的数据通信。同时，各种基于CAN的高层协议的开发使得CAN总线的功能更强，应用范围更广，不仅在汽车工业、过程控制、数控机床和纺织机械等领域广泛应用，而且也在向医疗、电力、海运电子设备等方面发展。CAN属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下1CAN为多主工作方式，网络上任意节点均可在任意时刻主动的向网络上的其它节点发送消息，不分主从，通信方式灵活，并且无需站地址等节点消息，利用这一特点可方便的构成多机备份系统。2CAN采用非破坏仲裁技术，当多个节点同时向总线发送消息时，优先权较低的消息会主动退出发送，而最高优先级的消息可不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线仲裁时间。3CAN的每帧消息都有CRC校验及其它检错措施，数据出错率低，从而使通信更加可靠。CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，使总线上其它节点的操作不受影响。4CAN总线支持新节点的在线接入，在应用层协议编码上也留有一定的保留位为将来扩充提供支持。112混合动力电动汽车发展概况国际电子技术委员会INTERNATIONALELECTROTECHNICALCOMMISSION，简称IEC对混合动力车辆的定义为“在特定的工作条件下，可以从两种或两种以上的能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车。其中至少有一种存储器或转化器要安装在汽车上。混合动力电动汽车至少有一种能量存储器、能量源或能量转化器可以传递电能。串联式混合动力车辆只有一种能量转化器可以提供驱动力，并联式混合动力车辆则不止一种能量转化器提供驱动力。”混合动力电动汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型。它将现有内燃机与一定容量的储能器件主要是高性能电池或超级电容器通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，从而引起各大汽车公司的关注。世界第一辆由汽油机和电动机组合的混合动力汽车，于1899年由费迪南保时捷（FERDINANDPORSCHE）研制成功。但由于受其他技术（如电动机、电池和控制等）发展的制约，加上环境、能源问题未被引起足够重视等，使混合动力汽车技术在其后的几十年里未被重视。直到近十几年才引起世界各大汽车公司的重视。上世纪90年代以来，日本、美国和欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力汽车。日本丰田汽车公司率先于1997年12月将混合动力电动汽车PRIUS（如图11所示）投放本国市场，2000年初又开始投放北美市场，并将月产由1000辆调升到月产2000辆，三年内销售了45万辆，产品出现了供不应求局面。除了丰田公司以外，本田、日产等汽车公司研制了自己的混合动力汽车，并取得了骄人的成绩。本田汽车公司开发的JVX混合动力电动汽车概念车，其动力系统为1升3缸直喷式VTEC发动机和电动机，还有一组超级电容以替代通常使用的蓄电池系统。1999年末，本田公司在日本、美国等国陆续开始销售小型混合动力轿车INSIGHT。INSIGHT并联式电动汽车装备了本田公司的IMAINTEGRATEDMOTORASSIST混合动力系统和无级变速器，是一种新式未来型跑车，被美国环保总署评为2001年美国十大节能汽车的第一名，第二名则为丰田汽车公司的PRIUS混合动力汽车。日前，丰田公司推出了其豪华品牌雷克萨斯的混合动力电动越野车RX400H。2PRIUS混合动力系统结构21动力系统结构PRIUS采用混联式的机械结构,包括2个电机,即MG1和MG2,MG1主要用于调速,MG2主要作为驱动电机,2个电机均可以作为发电机和电动机。电机和发动机通过一套行星齿轮组连接实现动力分配。如图1所示,发动机与行星架相连,MG1和太阳轮相连,MG2连接在齿圈上,齿圈再通过齿形带和主减速器相连。电机和发动机之间具有以下的转速关系NMG1INMG21INE尽管我国汽车零部件产业总体水平有了很大提高,但仍然严重滞后于整车发展,尚未摆脱弱、小、散的局面。市场集中度低、自主开发能力弱、高新技术产品少、长期投资不足,已成为制约汽车产业发展的关键因素。“十一五”期间,汽车零部件工业要全面提升产业竞争力,不能再走单纯靠投资拉动增量、靠大集团建立封闭零部件制造体系、靠过度依赖国外技术和整车企业的发展道路而要抓住国家支持自主创新的战略机遇期和国际汽车产业转移的契机,进行必要的战略调整,促进产业结构、产品结构的优化升级和开发能力的提高,满足整车发展的需要和市场的需求。对于机械类零部件要提倡自主开发、培育自主品牌,扩大国内外配套份额,进一步做大、做强企业机电类零部件要加快形成产品研发能力,形成一批具有国际竞争力的骨干企业电子类零部件要充分利用国内外技术资源,尽快掌握核心技术,形成一批具有高新技术、能为多家配套的企业,积极参与整车企业产品开发,与整车企业建立长期战略伙伴关系,进入国际市场。PRIUS主要参数PRIUS1997PRIUS2001PRIUS2004长/宽/高MM4310169514643101695146444517251475整备质量KG12551296发动机最大功率KWR/MIN43/400052/450057/5000发动机最大转矩NMR/MIN102/4000111/4200115/4200驱动电机最大功率KWR/MIN30/940200033/1040560050/12001540驱动电机最大转矩NMR/MIN305/0940350/0400400/01200镍氢电池圆柱形模块288V长方体模块2736V长方体模块2016V动力总成最大功率KWKM/H74/12082/120动力总成最大转矩NMKM/H421/11478/22百公里加速时间S128109EPA油耗M/GC/H/COM52/45/4960/51/56PRIUS混合动力系统结构示意图22不同工况下混合动力系统工作状况221发动机起动发动机起动分为热起动、冷起动。热机状态下,MG1作为电动机拖动发动机达到1000R/MIN以上后,发动机开始喷油,同时MG1进入发电模式,如图2所示,如果电池的充电需求为零,则发动机在运行约2S后停机。图3为发动机冷起动时系统工作状况。发动机被MG1拖动到1200R/MIN左右后约2S才开始工作,这实际上包含了发动机的暖机过程。222车辆起步车辆起步时,发动机静止,由MG2拖动车辆,MG1随动,当功率需求达到一定值时,MG1立即拖动发动机起动。根据电池SOC的不同,发动机起动的时刻也不同。图4为车辆起步工况。223加速分别对全油门加速和部分油门加速情况进行试验测试。全油门加速试验时,MG2电流迅速增加,拖动车辆加速,MG1也迅速拖动发动机到较高转速,在发动机转速突变的过程中基本不存在瞬态加浓过程。部分油门时,由于电机MG2的助力作用,发动机的喷油脉宽不存在瞬间增加的情况,而MG1一直作为发电机。224匀速图5为120KM/H匀速工况,由于此时的电池SOC为60,电池充电需求为零,车辆功率需求恒定,发动机工作点比较优化。MG2正向旋转为发电机,而MG1作为调速电机调整发动机的工况点。在车辆匀速行驶时,电池是否充电首先取决于SOC,另外与MG2转速和输出电压有关。当车辆的功率需求较小时,可以以纯电动工况行驶,发动机静止,MG2拖动车辆,MG1随动经观察,纯电动运行最高车速为40KM/H,当电池SOC降低到45时,发动机必须重新起动。225滑行和制动加速踏板松开后,车辆开始滑行,图6为D档滑行情况,初始SOC为60,发动机喷油脉宽逐渐减小直至断油,MG1立刻作为电动机调速使发动机停转,这样减小了滑行过程中的摩擦损失,而MG2一直进行能量回收。车速较高时,为了防止MG1逆向旋转超速,必须对MG1进行转速控制。若电池SOC较低,发动机断油,转速逐渐下降,当降到1000R/MIN时,发动机恢复喷油。B档时利用发动机制动,不管SOC状态如何,发动机必须旋转,MG1作为电动机调速。车辆制动时的工作状况和滑行工况相差不大,不同的是制动时ECU会根据制动功率需求进行液压制动和电机制动的功率分配。图7为初速100KM/H的B档制动,B档制动时,发动机转速降到1000R/MIN,车速降到15KM/H时,发动机停转,不再恢复喷油。3PRIUS混合动力车技术特征分析31机械结构分析丰田混合动力系统已经演变到第二代,THS丰田混合动力系统代的配置和工作原理与第一代PRIUS的THS完全相同,只是对一些主要零部件进行了重新设计、加工。该THS系统由发动机、驱动电机/发电机、发电机、简单的电子机械动力分配装置电控行星齿轮组、镍氢蓄电池组和电控单元等共同组成,其中动力分配装置联接电动机和发电机起到CVT无极变速器的作用。THS系统中不包含单独的起动电机,省掉了传统的齿轮式变速器或自动变速器。该系统的结构特点是既采用串联工作方式又采用并联工作方式,组成了混联的THS混合动力系统,它能根据车辆行驶状态及发动机的效率有效地选定车辆的运行模式,其系统构成如图1所示。THS系统的发动机是1NZFXE15L直列四缸发动机,具有DOHC,每缸4气门,VVTI的“智能”可变气门定时,发动机的缸径750MM冲程847MM,所以其排量为1496CM3。汽油发动机在高膨胀比的米勒循环下运行,这种工作循环的热效率很高,可以显著减少泵气损失发动机的起动和停止方法在THS的应用中非常独特。在起动开始的时候是由发电机/起动电机带动发动机旋转,在发动机达到某一设定转速时开始喷油,通过延迟点火降低了发动机的起动振动冲击。另外在切断燃油供给后同样也是通过发电机/起动电机来使得发动机停止转动。PRIUS的发动机冷却系统有一个非常独特的特征,有一个25L的“热水瓶”在关闭发动机相当时间内还可以保持冷却液的温度,这个措施可以保证PRIUS能够满足ATZEV超前技术零排放车辆的冷起动的排放要求。不锈钢水壶安装于左前翼子板处。表1为三代PRIUS动力总成特征参数比较表。P112型混合动力变速前驱动桥总成包括驱动电机泼电机，发电机起动电机和行星齿轮型扭矩分配单元,变速前驱动桥总成减震器和主减速器,一起装配在轻质、铸造铝合金壳体中。驱动电动机拔电机的转了是交流同步式钱永磁体。转了的8个磁极成“V”字形成对排列，相对于单片式这样可以很大程度的提高励磁面积。对电动机的控制，除了低、高速控制参数以外，在中等转速范围内还有过调制特征来改善中等转速的输出。第三代PRIES与第一代PRIES的蓄电池在能源密度、尺寸和质量上都有很大变化，1998年PRIES的第一代蓄电池组重达75KG体积75L。该蓄电池组由40个模块，其中每个模块包含6个柱状单体组成，占用汽车相当大的空问。第二代蓄电池组由于采用在方形“棱状”单体中分层的电极板，相对于在柱状单体中的同心轴形电极而言，其质量和尺寸都有了很大降低。2001款PRIES配备的就是这种类型的蓄电池组，有38个模块，质量降低了25，体积降低15，零部件数量也减少一半。蓄电池组紧揍的包装也令人满意，因为它允许后排座椅靠背向前折叠从而能够装载更长的物体。最新款PRIES的镍氢蓄电池组由28个模块组成，每个模块有6个单体直列连接组成，总共有168个单体。质量在原有基础上又降低25，为45KG更为紧凑，在输入和输出密度方面提高了35，更换了电极材料降低了内阻。蓄电池组由电装公司的电脑控制，由于体积进一步减小所以仍允许后排座椅靠背向前折叠，可以从后门利用更大的储物空问。蓄电池模块上有温度传感器来测量蓄电池温度，并用风扇把车内空气抽出对蓄电池组进行风冷降温。表2为蓄电池的具体参数表。32电气结构分析THS中一个重要特点就是把高压电源电路组合在电源控制单元中,在电源控制单元中包含1个逆变器。逆变器把蓄电池的直流输出转换为交流来驱动电动机,也可以把发电机和电动机再生制动发电发出的交流电转化为直流电给蓄电池组充电,同时还有1个DC/DC变换器来给12V的辅助蓄电池提供电能。第二代PRIUS在保持电流不变的基础上把蓄电池电压从275V提高到500V,从而通过提高高压电源电路功率来把驱动电动机的功率从原来的33KW提高到50KW。于对同样大小的功率而言,增加电压和降低电流可以最大程度地降低热量堆积和能量损失,从而使得效率更高。由于混合动力电动汽车在结构、工作方式上与传统车辆存在区别，所以采用的传感器也不同，表3为PRIES的部分需要采集的信号及检测方法。321转速传感器丰田开发生产的IGBT绝缘门双极晶体管耐高压产品,属于半导体开关单元,是变频器逆变部分最主要的功率单元。通过6个IGBT改变电流方向,IGBT的开关是由逆变器控制器根据电机转子位置来决定的,而转子位置判断是由电动机、发电机的转速传感器完成的,该传感器是对电动机和发电机进行超精确控制的重要部件,图2为IGBT电路示意图,图3为PRIUS混合动力系统上电动机所采用的转速传感器图。传感器的定子上面嵌有3个线圈,输出线圈B与C的电角度错开90。因为转子为椭圆形,所以当转子旋转时,定子、转子间的气隙长度发生变化,由线圈A中的交流电形成的线圈B、C中的输出信号将随传感器转子的位置而变化,通过判断输出信号的差别可以测出转子的绝对位置。利用微机计算一定时间内转子位置的变化量,通过这种软件检测的方法测出电机转速,所以把这种传感器作为转速传感器使用。322电压、电流传感器PRUS上蓄电池电压高达儿十伏到三白多伏瞬问放电可以达到上白安培，因为要控制充放电及监测蓄电池的荷电状态,另外整个动力总成系统是否有异常,也需要测出电动机以及发电机的电压与电流,所以在PRIUS上使用了电压、电流传感器来检测混合动力系统的各个部位的电压及电流。电流的测量大部分采用霍尔元件式的传感器,而电压测量则考虑到高压安全问题使用隔离模块后再用传感器测量。323高压安全系统从表2的蓄电池参数表中我们可以发现PRIUS上蓄电池组电压很高,比如第二代上蓄电池总电压为274V,通过这个蓄电池组用直流电给高压电气系统供电。从安全性上来考虑,PRIUS采取了一些措施,首先镍氢蓄电池组采用了与手机、便携式电脑和其他消费品上可充电电池相同的封装技术,电解液在单体极板里吸收,即使蓄电池外壳撞裂电解液也不会泄漏。在某些极端的情况下电解液泄漏了,也可以通过使用稀释的硼酸或醋来中和。其次为保证安全,所有的高压电源线和插座均采用桔黄色来标识,并与底盘、车身隔离,所以人不会由于接触金属底盘而有触电的危险在HV蓄电池组中有1个高压保险丝提供高压保护连接高压蓄电池组的正负电源线由12V的常开继电器控制是不是导通,在车辆处于不运行状态时,继电器断开阻断来自蓄电池组的电流流动在车辆运行时,短路故障显示会不断监视高压电气系统对金属底盘的泄漏情况,一旦检测到故障,HVECU就将点亮仪表板上的主警告灯和LCD显示屏上的混合动力警告灯在车辆严重碰撞并激活SRS安全气囊的情况下HV蓄电池组继电器将自动断开以便阻断电流流动。如图4,图5所示。4电机及驱动控制系统分析41电机及驱动控制系统的特点1在电动机和发电机之间采用AC500V高压电路传输，可以极大地降低动力传输中电能损耗，高效地传输动力2采用大功率电机输出，提高电机的利用率。当发动机工作效率低时，此系统可以将发动机停机车辆依靠电机动力行驶。3极大地增加了减速和制动过程中的能量回收，提高能量的利用率。42电机及驱动系统基本组成1HV蓄电池由168个单格镍氢电瓶（12V6个电瓶28个模块）组成，额定电压DC2016V，安装在车辆后备厢内。在车辆起步、加速和上坡时，HV蓄电池将电能提供给驱动电机。2混合动力变速驱动桥混合动力变速驱动桥由发电机MG1、驱动电机MG2和行星齿轮组成（图2）。3变频器由增压转换器、逆变整流器、直流转换器、空调变频器组成。（1）增压转换器将HV蓄电池DC2016V电压增压到DC500V（反之从DC500V降压到DC2016V）。（2）逆变整流器将DC500V转换成AC500V，给电动机MG2供电。反之将AC500V转换成DC500V，经降压后，给HV蓄电池充电。（3）直流转换器将HV蓄电池DC2016V降为DC12V，为车身电器供电，同时为备用蓄电池充电。（4）空调变频器将HV蓄电池DC2016V转换成AC2016V交流电为空调系统中电动变频压缩机供电。4HV控制ECU采用32位计算机，接收来自传感器和ECU（发动机ECU、HV蓄电池ECU、制动防滑控制ECU、电动转向ECU）信息。根据此信息，计算车辆所需的扭矩和功率，将计算结果发送给发动机ECU，变频器总成，蓄电池ECU和制动防滑控制ECU。421电机（MG1、MG2）工作原理交流伺服驱动系统中，应用的交流永磁驱动电机有两大类。一类称为无刷直流同步电动机（BDCM），另一类称为三相永磁同步电动机（PMSM），THS系统的电机（MG1、MG2）属于BDCM类型的驱动电机。BDCM用装有永磁体转子代替了有刷直流电动机的定子磁极。有刷直流电动机依靠机械换向器，将直流电流转换成近似梯形波的交流电流。而BDCM是将逆变器产生的方波交流电流直接输入电机定子绕组，省去了机械换向器和电刷。BDCM定子绕组中通入三相方波交流电流。定子绕组上会产生感应电动势，生成与永磁转子磁场在空间位置成正交的电枢反应磁场。在转子永磁铁磁场的作用下，电枢反应磁场以反作用电磁力驱动永磁转子同步旋转（图3）。422电机（MG1、MG2）结构1MG1、MG2定子组采用三相Y形连接，每由4个绕组并联，可以在电机输入较大电流下，获最大转矩和最小转矩脉动2MG1、MG2永磁转子采用稀土永磁材料为永磁铁，安装在转子铁内部（内埋式永磁转子）。转子内的永磁铁为“V”形，这样永磁体既有径向充磁，又有横向充磁，有效集中了磁通量，提高电机的扭矩（图4）。从永磁转子的磁路特点分析，内埋式永磁转子结构，改变了电机交、直轴磁路，可以改善电机的调速特性，拓宽速度范围。3MG1、MG2解角传感器为了满足电机静止启动和全转速范围内转矩波动的控制目的，需要利用解角传感器精确地测量MG1、MG2永磁转子磁极位置和速度。解角传感器是采用电磁感应原理制成的旋转型感应传感器，它由定子和转子组成（图5）。椭圆型转子与MG1、MG2的永磁转子相连接，同步转动。椭圆型转子外圆曲线代表着永磁转子磁极位置。定子包括1个励磁线圈和2个检测线圈，2个检测线圈S和C轴线在空间坐标上正交，HVECU按预定频率的交流电流输入励磁线圈A，随着椭圆型转子的旋转，转子和定子间的间隙发生变化，就会在检测线圈S和C上感应出相位差90正弦、余弦感应电流，HVECU根据检测线圈S和C感应电流的波形相位和幅值，以及波形的脉冲次数（图6），计算出MG1和MG2永磁转子的磁极位置和转速值信号，作为HVECU对电机MG1、MG2矢量控制的基础信号。423变频器电路THS系统变频器主要电路是由电力半导体功率器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块组成，变频器总成内的升压转换器、逆变/整流器担负着提供电机MG1、MG2的电能转换与调控任务（图7）。1升压转换器升压直流斩波电路由HV蓄电池、电抗器L、绝缘栅双极型晶体管V8、二极管D7、电容器C组成（图8）。升压时，HVECU导通和关断绝缘栅双极型晶体管V8的控制极（绝缘栅双极型晶体管V8起开关作用），使电抗器L上的感应电动势与HV蓄电池DC2016V电压叠加提供高压电源。降压直流斩波电路由发电机MG1、逆变/整流器、绝缘栅双极型晶体管V7、二极管D8、电抗器L、电容器C1组成（图9）。降压时，HVECU利用绝缘栅双极型晶体管V7导通，把DC500V降压为平均值DC2016V的直流电压，向HV蓄电池充电。2逆变/整流器逆变电路（以供给MG2电源为例）由绝缘栅双极型晶体管V1V6、续流二极管D1D6和电容器C组成电压型三相桥式逆变电路。由VHECU触发绝缘栅双极型晶体管控制极，使V1V6快