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1、新能源汽车丰田THSⅡ系统牵引电机与升压转换器控制技术探讨孙旭东(上海汽车集团股份有限公司技术中心)【摘要】文章论述了丰田新一代混合动力汽车THSⅡ系统牵引电机动力输出和可变电压系统输出的相关控制技术。【主题词】牵引电机混合动力汽车1永磁电机的特性和基本控制丰田在THSⅡ(ToyotaHybridSystemII)系统中采用永磁式电机是因为它不像感应式电机依赖场电流(提高了效率,避免了二级铜损),并且永磁式电机的磁通量密度要高得多(有效地减小了电机尺寸)。方程(1)和(2)为电机稳态时电压和力矩的方程式:图1电流相位—扭矩特性vdR-ωL
2、qid0=+(1)vqωLdRiqωΦT=p{Φiq+(Ld-Lq)idiq}(2)式中,vd和vq是d轴和q轴的电机电流;ω是角速度;Ld和Lq是d轴和q轴的电机电感;R是电阻;φ是互连磁通量;p是电极对数;T是电机扭矩。方程(2)等号右端为电机的磁阻力矩。图1为电流振幅恒定时,力矩与相位间的关系。相位超前使得磁阻力矩提高,当电流相位角图2电流相位—电压特性超前90°时电机的扭矩达到最大值。图中将不同电流振幅时最大扭矩所对应的点连接起来,所得压与相位间的关系。其特性为:当相位超前时感曲线就是最合适的工作曲线。电机沿这条曲线工应电压会下降
3、,感应电压与转速成正比,所以高电作时可获得最大扭矩和效率,此时电机控制类型压只在高转速时获得。如果感应电压高于逆变器称作最大扭矩控制。电压,那么电流就会失去控制,所以必须通过电流图2为电流振幅恒定时单位转速下的感应电相位的超前量来控制电压,这种方法称为弱场控收稿日期:2008-01-20·8·上海汽车200814新能源汽车制。通过弱场控制,电机电流对扭矩的影响相对减弱,效率也相应降低,但是这种方法优点是可以2高功率电机控制使电机处于转速状态。图3所示为在不同的转速范围中采取相应的最大扭矩控制和弱场控制。2.1电压波形和调制率通过改变逆变器
4、的输出波形,可以提升电机功率,正弦波PWM是最常用的控制电压波形,它的优点是可以迅速通过正弦波抑制扭矩波动,使输出平滑,但是调制率较低(较低的调制率会影响电机的功率输出)。方波在理论上会产生最大的基波成分,它的调制率被恒定为0.78。只有这种控制方法能使电压振幅不变的同时控制电压的相位变化。因为传统的电流控制算法假定振幅和相位都是可以控制的,因此为永磁式电机开发的控制算法是由方波驱动。图3控制系统区域过调制PWM的调制率介于0.61～0.78之从上述原理,可以得知通过控制电流的振幅间,是一种补充波形。在混合动力系统中如果不和相位就能控制永
5、磁式电机。图4所示为永磁式采用过调制PWM,电机在中高速范围内将会逐渐电机的基本控制:高位发出的扭矩指令被转换成损失扭矩。过调制PWM可以同时控制电压振幅电流指令(Idcom,Iqcom),当电流传感器探测到电和相位,因此可以用来控制电流。流的当前值与电流指令值吻合时,就启动反馈控图5所示为电机不同转速时采用3种不同波形制。为了使反馈控制不受交流电相位延迟的影驱动永磁式电机时的扭矩输出。正弦波PWM和过响,将电流传感器所读取的交流电流值转换为d调制PWM控制着最大扭矩,方波用来弱场控制。轴、q轴坐标(角度传感器的值被用来坐标变换)。图4电
6、流控制示意图图5电压波形控制恒定电压后电机动力下降,由于电压的约束,2.2方波电压相位控制系统必须在高转速下切换为弱场控制,提升电机为了使永磁式电机由方波驱动,丰田公司开电压就可能在高转速下获得最大扭矩,从而使动发了一种通过控制电压相位来控制扭矩的方法。力提升。有两种方法可以提升电机电压:提高电如上文所述,永磁式电机的电压方程式(1)和(2)源电压;电源电压不变,改变逆变器开关波形。这对应于电压相位,方程式(3)给出了扭矩和电压相两种方法将在下文详细论述。位间的关系(θ为磁体的相位角)。上海汽车200814·9·新能源汽车2pΦVp(Ld
7、-Lq)VT=cosθ-2sin2θ(3)ωLd2ωLdLq图6为方程式(3)对应的曲线图。在扭矩上升的区域电压相位也超前,在此区域中扭矩只由电压相位控制。图7电流偏移修正(系统电压)来提升电机功率是常规的方法,然而,提高电池电压又会使电池的体积和成本急剧上升,同时也会因为内阻而损失更多的能量,所以单一地采用此方法无法获得高动力输出。另外,提图6电压相位—扭矩高电压后,在充电时逆变器等元件必须承受更高的电压,这就无形中增加了元件的体积和成本。通过计算可知,方波控制的实际电机动力在因此,丰田公司设计了升压转换器来提升电池电电机、逆变器、电池
8、没有任何改变的情况下,动力压,而不是直接采用高电压蓄电池。图8所示为提高了将近30%。可变电压系统工作时的系统结构和能量流(此例2.3直接电流偏移反馈中电池电压由200V提升到了500V)。在
