变频器与HV电池(页)

1、变频器与变频器与HVHV电池电池底盘驱动桥 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 IIMG 1(电动机/发电机)参数项目项目04 款款 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)参数项目项目04款款 PRIUS类型同步交流电动机功能发电、驱动车轮额定电压 VAC 500最大输出功率 kW

2、 (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 ECUHV ECU分解器型速度传感器 (MG2)高压系统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

3、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+

4、-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IPMHV 蓄电池MG1MG2MGR绝缘栅双极晶管体：综合电

5、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 电压的升压操作可变电压系统HV 蓄电池288VON变频器可变电压系统HV蓄电池变频器201-500V直流直流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

6、(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288-650VON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电压的调节由绝缘栅双极晶体管完成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)5004003002001000MG2 速度速度系统系统 电压电压 (要求要求)电机控制电机控制 在车辆上的测量值 (加速踏板 ON

7、/OFF)系统系统 电压电压 (实际实际)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)5004003002001000MG2 速度速度系统系统 电压电压 (实际实际)系统系统 电压电压 (要求要求)电机控制应用电压的增加 电压控制范围低速低速中速中速高速高速电机速度扭矩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VWUIPM变频器IPMMGONON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

8、WUIPM变频器IPMMGONONW相U相导通变频器 总成变频器 运作 电机驱动VWUIPM变频器IPMMGONONV相U相导通变频器总成变频器运作 再生电能VWUIPMIPMMG再生电压再生电压到可变电压系统变频器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

9、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

10、/ 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，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 ECUMG1 变频器MG2 变频器GUUGVUGWUMUUMVUMWUMG2MG1ExtSINCOSExtSINCOS MG1分解器(90

11、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GUUGVUactiveNot-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

12、要处于开启状态，以随时联系从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

13、0.610.61 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GUUPWM为控制平均电流，一个5或10kHz PW

14、M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 201VDC DC转换器DC 500V变频器 总成辅助蓄电池DC 12VDCACAC 201VAC 12VACDC变频器 总成DCDC转换器 电压转换 DC 201V DC 12VMG1MG2HV 蓄电池变频器可变电压系统变频器 总成DC DC 转换器 运作DC 201.6V变压器变压器直流直流 交流交流DC 12V整流二极管整流

15、二极管滤波电路滤波电路 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SAMDMG ECUHV ECU转换器控制电路NODDVLOIGCT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可以通过NODD停止转换器的操作，并可以通知HV ECU转换器的工作情况。VL

16、O是HV ECU根据车辆状态要求转换器操作的信号。辅助蓄电池当辅助蓄电池电压低车辆状态车辆状态辅助蓄电池电压PRIUS档位指示灯不亮(能够变成READY ON状态)9.5 V 或更低不能变成READY ON状态7 V 或更低PRIUS和RX可能因为备用电池电压低只能变为READY ON ，不能使档位指示灯工作。请注意电压的测量是在HV ECU的输入侧测量，不是在电池的连接处。辅助蓄电池当辅助蓄电池电压低时的车辆状态PRIUS正常档位指示灯不亮多信息显示屏熄灭档位指示灯闪烁熄灭9.5 VREADY ON0 V档位指示灯不亮档位指示灯不亮 根据 HV ECU 的命令档位指示灯闪烁档位指示灯闪烁 根

17、据组合仪表的操作HV 蓄电池蓄电池 和和 继电器继电器SMR继电器继电器系统 主继电器HV 系统图电阻电源电缆DC DC 转换器升压转换器MG1MG2SMR1SMR2SMR3A/C 变频器变频器A/C 变频器变频器SMR1SMR2SMR3注意注意:检测区域和故障部位可以是不同的检测区域和故障部位可以是不同的漏电检测传感器蓄电池ECU车辆后部车辆前部如果有一个电流泄漏的故障诊断代码出现，根据出现区域的不同，也有不同的码产生。SMR (系统 主继电器)系统图电流传感器SMR2SMR1SMR3电阻HV 蓄电池检修塞电源开关空气囊传感器总成断路传感器互锁开关 (检修塞)互锁开关(变频器盖)变频器HV

18、ECU电源控制ECU电压传感器蓄电池 ECUHV 蓄电池SMR (系统主继电器) READY ON THS ECU 控制 SMR步骤步骤 1:SMR 1 / SMR 3 ON步骤步骤 2:SMR 2 ON步骤步骤 3:SMR 1 OFFHV 蓄电池SMR (系统主继电器) READY ON步骤步骤 1:SMR 1 / SMR 3 ON步骤步骤 2:SMR 2 ON步骤步骤 3:SMR 1 OFFHV 蓄电池SMR (系统主继电器) READY ON步骤步骤 1:SMR 1 / SMR 3 ON步骤步骤 2:SMR 2 ON步骤步骤 3:SMR 1 OFFHV 蓄电池SMR (系统主继电器) R

19、EADY ON步骤步骤 1:SMR 1 / SMR 3 ON步骤步骤 2:SMR 2 ON步骤步骤 3:SMR 1 OFFHV 蓄电池SMR (系统主继电器) 电源关闭步骤步骤 1:SMR 2 OFF步骤步骤 2:SMR 3 OFFHV 蓄电池SMR (系统主继电器) 电源关闭步骤步骤 1:SMR 2 OFF步骤步骤 2:SMR 3 OFFHV 蓄电池SMR (系统主继电器) 电源关闭步骤步骤 1:SMR 2 OFF步骤步骤 2:SMR 3 OFFSMR运作和系统电压电压时间SMR1SMR2SMR3ONOFFON(+)(-)OFFOFFOFFOFFONONOFFOFFOFF0实际上，首先SMR

20、1短暂的闭合，然后，SMR3短暂的闭合并且测量电压,这时SMR1和SMR3同时起作用，SMR2随后闭合。HV 蓄电池系统图 (PRIUS)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)在蓄电池中有三个温度传感器和一个进气温度传感器。基于这些温度传感器，鼓风机有一个合适的占空比控制来维持或把温度调整到特定值。蓄电池ECU基于电流传感器和电压传感器的信息计算充电状态。 如果空调正对车厢冷却，鼓风机就处于停或低档，因进气来自车厢内部。HV 蓄电池什么是充电状态 ?充电状态 (State of Charge) = 充电率 目标充电状态是60%, 上限80%，下限是40%。HV 蓄电池能量监视器 充电状态 用8条线段表示 8条线段 充电状态 100% 0条线段 充电状态充电状态 0% 输出的功率由蓄电池的温度控制 (不是根据充电状态)充电状态的表示充电状态的表示颜色线段的数量绿色7 8蓝色3 6紫色1