丰田混合动力系统THS主要部件电机与电池

混合动力汽车检修----THS的主要部件电机、变频器与电池主讲：韦峰THS的主要部件电机、变频器与电池THSⅡTHS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SMR1,2and3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ECUHVECU分解器型速度传感器(MG2)*BasicallytheHV系统fillsintherequirementsofthedriverinthemostoptimalway.高压系统基本上能以最理想的方式满足驾驶员的需求Toknowthedriverintentions,accpedalandshiftpositionareinput.为了解驾驶员的意图，加速踏板和换档杆的位置信号输送给高压系统TheHV系统控制thaninaprogrammedwaythe:高压系统不是以程序直接控制而以下列方式： Gasoline发动机viathe发动机ECU 用发动机ECU控制汽油发动机 Thebrake系统viatheskid控制ECU 防滑控制ECU控制制动系统 Theelectricmotorsandgenerator(MG1andMG2)viathe变频器/converter 用变频器和转换器控制电动机和发电机HVflowsfromHV蓄电池viathe系统主继电器stothe变频器/converter.FromheretheDC电压isboostedupandconvertedintoACforMG1andMG2,convertedtodrivetheacmotororEPSandconvertedtochargetheaux.batt.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。DuringthiscoursewewillconcentrateontheHV系统:在这次课程中，我们主要关心高压系统-Whathappensinthe变频器andhowdoesitwork变频器的主要作用及它是怎么工作的-HowdoestheHVECU控制allthis,andwhatinfluencehaveinputsignalsHVECU是怎样控制这些系统的，输入信号的影响是什么？-HowtodiagnoseaccordingRM(andbeyond)怎样根据修理手册来诊断THS的主要部件电机、变频器与电池 THS-Ⅱ电机及驱动控制系统的特点 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。 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。 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。THS的主要部件电机、变频器与电池 MG1和MG2 功用 都是高效的交流永磁同步电机。 都可作为电动机 MG1作为发动机的起动机，或驱动太阳轮，辅助行星齿轮机构工作。 MG2作为驱动电机驱动驱动轮，或提供坡上起步辅助。 都可作为发电机 MG1向MG2供电及向电池充电。 MG2回收能量，向电池充电。 MG1还通过调节发电量（改变发电机的转速），有效控制变速驱动桥的连续可变输出转速，实现无极变速器的功能。THS的主要部件电机、变频器与电池 MG1和MG2 结构 有水冷却系统THS的主要部件电机、变频器与电池 MG1和MG2 结构 定子绕组采用三相Y形连接，每相由4个绕组并联，可以在给电机输入较大电流下，获得最大转矩和最小转矩脉动。 转子采用稀土永磁材料作为永磁铁，安装在转子铁芯内部（内埋式永磁转子）。 转子内的永磁铁为“V”形，有效集中了磁通量，提高电机的扭矩。THS的主要部件电机、变频器与电池 MG1和MG2 结构MG1MG2 项目 ’04PRIUS 类型 同步交流电动机 功能 发电、驱动车轮 额定电压V AC500 最大输出功率kW(PS)/rpm 50(68)/1200–1540 最大扭矩N·m(kgf·m)/rpm 400(40.8)/0-1200 最大扭矩时的电流Arms 230 最大转速 6,700rpm 冷却系统 水冷 项目 ’04PRIUS 类型 同步交流电动机 功能 发电机,发动机的起动机 额定电压V AC500 最大输出功率kW(PS)/rpm 37.8(51)/9500 最大扭矩N·m(kgf·m)/rpm 45(4.58)/0–6000 最大扭矩时的电流Arms 75 最大转速 10,000rpm 冷却系统 水冷THS的主要部件电机、变频器与电池 MG1和MG2 工作原理THS的主要部件电机、变频器与电池 MG1、MG2转速传感器 又叫触角传感器。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，需要利用触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。THS的主要部件电机、变频器与电池 MG1、MG2转速传感器 椭圆型转子与MG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 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 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，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。THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 功用 为HV蓄电池、MG1、MG2、空调压缩机、备用电池、发动机、整车其他电气提供合适电压的电源。THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 组成 （1）逆变整流器（变频器）：将DC500V转换成AC500V，反之将AC500V转换成DC500V。 （2）增压转换器DC201.6V电压增压到DC500V（反之从DC500V降压到DC201.6V）。 （3）直流转换器：将HV蓄电池DC201.6V降为DC12V。 （4）空调变频器：将HV蓄电池DC201.6V转换成AC201.6V交流电为空调系统中电动变频压缩机供电。空调变频器直流转换器空调变频器直流转换器THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 THS-Ⅱ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。 变频器总成内的增压转换器、逆变/整流器担负着提供电机MG1、MG2的电能转换与调控任务。IGBT是全控型功率半导体器件，它是由MOSFET场效应管与GTR大功率达林顿晶体管结合，并由前者担任驱动，因此具有：驱动功率小，通态压降低，开关速度快等优点，目前已广泛应用于变频调速，开关电源等电子领域，就全控性能而言，IGBT是最适合斩波应用的器件，而且技术极为简单，几乎IGBT器件本身就构成了斩波电路。THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 逆变整流器（变频器）： 功用： 受HVECU控制，将DC500V转换成AC500V，给电动机MG1或MG2供电。反之MG1/2输出的AC500V转换成DC500V，经降压后，给HV蓄电池充电。 将电流控制的信息传输给HVECU。THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 逆变整流器（变频器）： 组成 逆变电路（以供给MG2电源为例）由绝缘栅双极型晶体管V1-V6、整流二极管D1-D6和电容器C组成电压型三相桥式逆变电路。THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 逆变整流器（变频器）： 原理 由VHECU触发绝缘栅双极型晶体管控制极，使V1～V6快速导通和关断，强行将DC500V直流电转换成三相AC500V交流电。如果改变V1～V6的触发信号频率和时间，就能改变逆变器输入电机MG2定子绕组电流空间相量的相位和幅值，以适应电机MG2的驱动需要。反之，电机MG2在车辆减速或制动时产生再生制动电能，经绝缘栅双极型晶体管V1～V6全控型桥式整流电路整流降压后，向HV蓄电池充电。THS的主要部件电机、变频器与电池VWUIPM变频器IPMMG*THS的主要部件电机、变频器与电池VWUIPM变频器IPMMG*THS的主要部件电机、变频器与电池VWUIPM变频器IPMMGn=60f/Pf为电源频率P是磁场的磁极对数n每分钟转数。*THS的主要部件电机、变频器与电池 再生电能VWUIPMIPMMG再生电压到可变电压系统变频器* PriusTHS的主要部件电机、变频器与电池HVECUMG1变频器MG2变频器GUUGVUGWUMUUMVUMWUMG2MG1ExtSINCOSExtSINCOSMG1分解器MG2分解器变频器*变频器中的绝缘栅双极晶体管由HVECU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HVECU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HVECU，因此HVECU接受分解器型转子位置传感器的信息。HVECU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。附注：（网上说明材料）绝缘栅双极晶体管(绝缘栅双极晶体管)是高压开关家族中最为年轻的一位。由一个15V高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。 绝缘栅双极晶体管本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层，绝缘栅双极型晶体管系列可用于自动控制、电机控制和功率变换中。模拟输出转换成高速1位数据流,转换时间200ns,有效分辨率8位,超范围检测3us, 绝缘栅双极晶体管（IGBT）的门控制THS的主要部件电机、变频器与电池GUUPWM脉冲宽度调制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。*To控制averagecurrentflow,a5or10kHzPWMsignalisputontopofthetransistor控制signals.Thewidertheactivationpulsesare,themorecurrentisdrawn.为控制平均电流，一个5或10kHzPWM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。THS的主要部件电机、变频器与电池 应用电压的增加 电压控制的种类RX400 低速 中速 高速 电流波形 利用率 0–0.61 0.61–0.78 0.78 特征 低扭矩输出 输出增加*TheredsinewaveindicatesthecurrentdrawnbythecoilsthroughtheappliedDRsignalonthegateofthe绝缘栅双极晶体管’s.ThehigherthisDRis,thehigherthecurrentwillbe.TobeabletoformthiswaveformfromaDC电压,theDRneedstochangeoverahalfaperiodfromlowtohighbacktolow.ThereforethecarrierfrequencyusedtosupportthisDRmightfluctuatebetween5and10kHzformoreaccurate控制whenrequired(MG1onRX)Thefrequencyofthecreatedsinewave控制therotational速度oftheMG.Thesmalltorquefluctuationsmaketherotorrotatesteplessby控制lingasmoothcurrentchange.红色正弦波显示电流显示电流，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（自注：电流频率低，载波信号频率高）THS的主要部件电机、变频器与电池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HVECU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*THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 增压转换器 功用 受控于HVECU，将HV蓄电池DC201.6V电压增压到DC500V向变频器供电。 反之将从变频器输出的DC500V降压到DC201.6V，向蓄电池、直流转换器、空调变频器供电。THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 增压转换器 电路组成： 电抗器L 绝缘栅双极型晶体管V7、8 二极管D7、8 电容器C1THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 增压转换器 原理 升压时，HVECU导通和关断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DC201.6V电压叠加提供高压电源。 降压时，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DC201.6V的直流电压，向HV蓄电池充电。THS的主要部件电机、变频器与电池 电压的升压操作可变电压系统HV蓄电池ON变频器288V*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.THS的主要部件电机、变频器与电池 电压的升压操作201-500V直流OFF*Whenthecurrentflowisstopped,duetothechangeinmagneticfieldinsidethecoil.Inductionisbeingbuildupandguidedbythediodetochargethecapacitor.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。THS的主要部件电机、变频器与电池 电压降压运作(当充电时)可变电压系统HV蓄电池变频器ON*THS的主要部件电机、变频器与电池 电压降压运作(当充电时)OFF*变频器总成 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*THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 直流转换器 将HV蓄电池DC201.6V降为DC12V，为车身电器供电，同时为备用蓄电池充电。THS的主要部件电机、变频器与电池 DC–DC转换器 电压转换DC201VDC12V*DC288VDC12Vconversiontochargetheauxiliary蓄电池288V的直流转换成12V直流给备用电池充电。THS的主要部件电机、变频器与电池 DC–DC转换器 运作DC12V*THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 空调变频器 将HV蓄电池DC201.6V转换成AC201.6V交流电为空调系统中电动变频压缩机供电。THS的主要部件电机、变频器与电池 变频器总成 冷却THS的主要部件电机、变频器与电池 电池 Ni-MH 高储能、低重量 有风冷的冷却系统 THS-Ⅱ通过充放电来保持HV蓄电池的SOC（充电状态）为恒定数值 蓄电池、蓄电池ECU、检修塞和SMR（系统主继电器）集中于行李箱中 THS的主要部件电机、变频器与电池 电池 THS-Ⅱ系统的蓄电池有28个模块共168个电瓶。1.2Vx6个电瓶x28个模块=201.6V电池盖电池固定托架蓄电池ECU通风管THS的主要部件电机、变频器与电池 电池 检测塞可以切断HV蓄电池中部的高压电路。 检修塞总成包括互锁的导线开关，将卡框翻起，关闭导线开关，进而切断SMR。 先关闭点火开关，再拔下检修塞。程序 戴上绝缘手套，拆下维修塞*找到维修塞位置，拆下HV电池维修塞。当处理橙色高压组件和线路时，确保带着绝缘橡胶手套将拆下的维修插销放在你的口袋中以防止其他人将它安装回车上去，并将裸露的维修塞槽使用绝缘胶布封住LocateandremovetheHVbatteryserviceplug.Alwayswearinsulatedrubbergloveswhenworkingontheorangecolouredhighvoltagecomponentsandwiring.Placetheservicepluginyourpockettopreventsomeoneelserefittingittothevehicleandcovertheexposedplugportwithinsulatingtape.程序 如果因为损坏或其它的原因无法取下HV电池维修塞 在发动机室内接线盒中取下HV保险丝*当出现意外事故或类似情况，HV电池的维修塞无法取下，可以通过将在发动机室内的HV保险丝取下，达到断开高压线路的目的InsituationswheretheHVbatteryserviceplugisnotaccessibleduetoaccidentdamageorsimilarcircumstances,itispossibletoisolatethehighvoltagecircuitbyremovingtheHVfusefromtheengineroomjunctionblock.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HVECU电源控制ECU电压传感器蓄电池ECU*LayoutofSMRSMR的布置HV蓄电池 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x14+-HVECU空调ECU发动机ECU(ECM)温度x4蓄电池ECU(32-bit)网关ECU温度传感器(热敏电阻型)*3temp.sensorsinthe蓄电池cellsandoneintakeairtempsensor.在蓄电池中共有3个温度传感器，和一个进气温度传感器。Basedonthesetemp.theblowersare控制ledwithanappropriateDRtomaintainorbringthetempbetweenspecificvalues.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iscalculatedbythe蓄电池ECUbasedon电流传感器and电压sensorinformation.HVECUisinformedabout充电状态计算results.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HVECU.IfA/Ciscoolingdownthecabin,theblowersareturnedOFForLOsincetheintakeairforthebatt,isinthevehicleinterior.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。THS的主要部件电机、变频器与电池 电池 冷却系统 行李箱右侧有进风口和冷却风扇 有进气温度传感器和蓄电池温度传感器风扇电机控制单元冷却风扇THS的主要部件电机、变频器与电池 电池 备用电池 后备箱右侧有12V备用蓄电池，可为大灯、音响和其他附件及所有ECU供电。*BasicallytheHV系统fillsintherequirementsofthedriverinthemostoptimalway.高压系统基本上能以最理想的方式满足驾驶员的需求Toknowthedriverintentions,accpedalandshiftpositionareinput.为了解驾驶员的意图，加速踏板和换档杆的位置信号输送给高压系统TheHV系统控制thaninaprogrammedwaythe:高压系统不是以程序直接控制而以下列方式： Gasoline发动机viathe发动机ECU 用发动机ECU控制汽油发动机 Thebrake系统viatheskid控制ECU 防滑控制ECU控制制动系统 Theelectricmotorsandgenerator(MG1andMG2)viathe变频器/converter 用变频器和转换器控制电动机和发电机HVflowsfromHV蓄电池viathe系统主继电器stothe变频器/converter.FromheretheDC电压isboostedupandconvertedintoACforMG1andMG2,convertedtodrivetheacmotororEPSandconvertedtochargetheaux.batt.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。DuringthiscoursewewillconcentrateontheHV系统:在这次课程中，我们主要关心高压系统-Whathappensinthe变频器andhowdoesitwork变频器的主要作用及它是怎么工作的-HowdoestheHVECU控制allthis,andwhatinfluencehaveinputsignalsHVECU是怎样控制这些系统的，输入信号的影响是什么？-HowtodiagnoseaccordingRM(andbeyond)怎样根据修理手册来诊断*****变频器中的绝缘栅双极晶体管由HVECU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HVECU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HVECU，因此HVECU接受分解器型转子位置传感器的信息。HVECU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。附注：（网上说明材料）绝缘栅双极晶体管(绝缘栅双极晶体管)是高压开关家族中最为年轻的一位。由一个15V高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。 绝缘栅双极晶体管本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层，绝缘栅双极型晶体管系列可用于自动控制、电机控制和功率变换中。模拟输出转换成高速1位数据流,转换时间200ns,有效分辨率8位,超范围检测3us,*To控制averagecurrentflow,a5or10kHzPWMsignalisputontopofthetransistor控制signals.Thewidertheactivationpulsesare,themorecurrentisdrawn.为控制平均电流，一个5或10kHzPWM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。*TheredsinewaveindicatesthecurrentdrawnbythecoilsthroughtheappliedDRsignalonthegateofthe绝缘栅双极晶体管’s.ThehigherthisDRis,thehigherthecurrentwillbe.TobeabletoformthiswaveformfromaDC电压,theDRneedstochangeoverahalfaperiodfromlowtohighbacktolow.ThereforethecarrierfrequencyusedtosupportthisDRmightfluctuatebetween5and10kHzformoreaccurate控制whenrequired(MG1onRX)Thefrequencyofthecreatedsinewave控制therotational速度oftheMG.Thesmalltorquefluctuationsmaketherotorrotatesteplessby控制lingasmoothcurrentchange.红色正弦波显示电流显示电流，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（自注：电流频率低，载波信号频率高）**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.*Whenthecurrentflowisstopped,duetothechangeinmagneticfieldinsidethecoil.Inductionisbeingbuildupandguidedbythediodetochargethecapacitor.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。****DC288VDC12Vconversiontochargetheauxiliary蓄电池288V的直流转换成12V直流给备用电池充电。**找到维修塞位置，拆下HV电池维修塞。当处理橙色高压组件和线路时，确保带着绝缘橡胶手套将拆下的维修插销放在你的口袋中以防止其他人将它安装回车上去，并将裸露的维修塞槽使用绝缘胶布封住LocateandremovetheHVbatteryserviceplug.Alwayswearinsulatedrubbergloveswhenworkingontheorangecolouredhighvoltagecomponentsandwiring.Placetheservicepluginyourpockettopreventsomeoneelserefittingittothevehicleandcovertheexposedplugportwithinsulatingtape.*当出现意外事故或类似情况，HV电池的维修塞无法取下，可以通过将在发动机室内的HV保险丝取下，达到断开高压线路的目的InsituationswheretheHVbatteryserviceplugisnotaccessibleduetoaccidentdamageorsimilarcircumstances,itispossibletoisolatethehighvoltagecircuitbyremovingtheHVfusefromtheengineroomjunctionblock.*LayoutofSMRSMR的布置*3temp.sensorsinthe蓄电池cellsandoneintakeairtempsensor.在蓄电池中共有3个温度传感器，和一个进气温度传感器。Basedonthesetemp.theblowersare控制ledwithanappropriateDRtomaintainorbringthetempbetweenspecificvalues.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iscalculatedbythe蓄电池ECUbasedon电流传感器and电压sensorinformation.HVECUisinformedabout充电状态计算results.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HVECU.IfA/Ciscoolingdownthecabin,theblowersareturnedOFForLOsincetheintakeairforthebatt,isinthevehicleinterior.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。