丰田混动普锐斯电机及驱动控制系统解析
作为全球最成功的环保车型，丰田普锐斯（PRIUS）早已成为油电混合动力车型中的全球销量冠军，即使在我们的身边，也经常可以见到它们的身影。目前，在国内生产的丰田普锐斯（PRIUS）是采用丰田第二代混合动力系统，集发动机和电动机组合而成的并行混合动力车。
图 1 丰田第二代混合动力系统示意图
丰田第二代混合动力系统(THS- Ⅱ) ，可以根据车辆行驶状态，灵活地使用 2 种动力源，并且弥补 2 种动力源之间不足之处，从而降低燃油消耗，减少有害气体排放，发挥车辆的最大动力。由于其 THS- Ⅱ电机及驱动系统结构复杂，技术先进，本文将为大家详细介绍该系统的结构及基本原理，以帮助读者更进一步了解 THS- Ⅱ系统。
一、THS- Ⅱ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。
二、THS- Ⅱ电机及驱动系统基本组成
- HV蓄电池：由168 个单格镍氢电瓶（1.2V ×6 个电瓶× 2 8 个模块）组成，额定电压 DC20 1.6V，安装在车辆后备厢内。在车辆起步、加速和上坡时，H V 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 H V 蓄电池 DC201.6V 电压增压到 DC500V （反之从DC500V 降压到 DC201.6V）。
（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 H V 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。
（4 ）空调变频器：将 H V 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。
4.HV 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 。
三、THS- Ⅱ系统电机 （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- Ⅱ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）。
四、THS-Ⅱ电机 （MG1 、MG2 ）结构
1.MG1 、MG2 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。
2.MG1 、MG2 永磁体转子：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，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。
3.MG1 、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，H V ECU 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，HV ECU 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 HV ECU 对电机 MG1 、MG2 矢量控制的基础信号。
五、THS- Ⅱ系统变频器电路
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 。
升压时，HV ECU 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 DC201.6V 电压叠加提供高压 电源。
降压直流斩波电路由发电机 M G 1 、 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。
降压时，HV ECU 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。
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 V1-V6 、续流二极管 D1-D6 和电容器 C 组 成电压型三相桥式逆变电路。由VH ECU 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V 1 ～V 6 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 V 1 ～V 6 全控型桥式整流电路整流降压后，向 HV 蓄电池充电。
六、THS- Ⅱ电机驱动系统的 控制
THS- Ⅱ电机驱动系统的控制核心组 件是 HV ECU ，在 HV ECU 中，变频器对 电机 MG2 输出电流转换的绝缘栅双极型 晶体管模块 （IGBT 模块）的驱动控制电 路如图 10 所示，
图中划线部份是变频器控制逆变电路的微处理器。微机储存的电机 MG2 速度指令与电机 MG2 解角传感器的速度反馈信号进行比较，速度控制器输一个直流电流指令信号，经过与电机MG2 解角传感器的转子磁极位置信号相乘，得到电机 MG2 工作所需的电流指令信号，参考跟踪电机 MG2 实际工作电流信号，通过PWM 比较器（脉冲宽度调制）计算后，转换成开关信号输出。该信号经过隔离电路后，直接驱动变频器三组逆变电路 IGBT 模块中V1～V6 控制极快速导通与关断，实现变频器输出电流的逆变、换相和定向目的。
七、维修 THS- Ⅱ电动机及驱动系统注意事项
1、首先必须辨别 THS- Ⅱ电动机驱动系统高压回路部份的电线和连接器都为橙色，并与其他线路及车身绝缘。
2 .在检查 THS- Ⅱ电动机驱动系统高压电路之前，必须戴上绝缘手套，拆下维修插销（图11），放在技师口袋内。
3.断开维修插销，5min 内请不要接触任何高压连接器或端子，因为变频器内的高压电容器需要5min的放电时间。
4.当维修插销无法拆下时，可以将发动机舱内的 H V 保险丝取下（图12），从而达到断开高压线路的目的。
5.安装插销时，必须确认其分离杆锁止是否牢固，否则将会出现THS- Ⅱ系统故障代码。
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