【汽車電子圖解】(五)探索HEV系統(tǒng)的主要部件：馬達(dá)與變頻器

1、構(gòu)成HEV系統(tǒng)的主要部件包括馬達(dá)、變頻器、電源系統(tǒng)、高電壓輔機(jī)系統(tǒng)等。其中，本文將介紹馬達(dá)和變頻器（電源系統(tǒng)與高電壓輔機(jī)系統(tǒng)將在下次登載）。車載用馬達(dá)大多使用交流馬達(dá)，對小型輕量化、高輸出功率、高轉(zhuǎn)速等方面要求嚴(yán)格。變頻器由功率元件、電容和控制電路組成。本文將對二者的特徵和性能要求等進(jìn)行講解。混合動力車（HEV）的驅(qū)動心臟是馬達(dá)。首先來看馬達(dá)的特徵。馬達(dá)是提供HEV及電動汽車（EV）驅(qū)動力的重要部件。乘用車行駛使用的馬達(dá)一般輸出功率為10k60kW左右。由市售車輛改造而來的EV和小型EV雖然使用直流（DC）馬達(dá)，但交流（AC）馬達(dá)仍佔(zhàn)主流（表1）。大量採用永久磁鐵型馬達(dá)對於HEV用馬達(dá)，可以列

2、舉的性能要求有小型化所需的高輸出功率化、高轉(zhuǎn)速化、高電壓化、提高燃效所需的高效率化、以及行駛系統(tǒng)的免維護(hù)化等。表2分別列出了DC馬達(dá)和AC馬達(dá)在要求項目上的利弊。在支援高電壓和維護(hù)方面AC馬達(dá)有利，其中，小型且高效率的永久磁鐵型馬達(dá)得到了大量採用。永久磁鐵通過使用釹等稀土族磁鐵，實(shí)現(xiàn)了大幅的小型化和高輸出功率化。 永久磁鐵型馬達(dá)可以根據(jù)磁鐵安裝位置的不同分為表面磁鐵型（SPM）和內(nèi)置磁鐵型（IPM）（圖1）。HEV大多採用的是易於實(shí)現(xiàn)高速化，能夠利用磁阻轉(zhuǎn)矩的IPM（圖2）馬達(dá)。SPM馬達(dá)則主要應(yīng)用於存在振動音問題的電子感應(yīng)式動力方向盤等方面。但是，當(dāng)永久磁鐵型馬達(dá)大量使用稀土族磁鐵時，成本與

3、穩(wěn)定供應(yīng)方面存在課題。圖1：SPM與IPM的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)根據(jù)磁鐵的配置可以分成表面磁鐵型（SPM）與內(nèi)置磁鐵型（IPM）。圖2：磁阻轉(zhuǎn)矩的利用HEV大多採用能夠使用磁阻轉(zhuǎn)矩的IPM圖3：HEV用馬達(dá)採用IPM轉(zhuǎn)子。圖3是HEV用馬達(dá)的實(shí)例。雖然在照片上無法判斷，但該馬達(dá)採用的是IPM轉(zhuǎn)子。變頻器的整體結(jié)構(gòu)與功能變頻器的作用是利用與主電池的直流電源橋接的6個功率元件，將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，向馬達(dá)供電（圖4）。在這裡，功率元件是指IGBT（絕緣柵型雙極電晶體）與二極體（續(xù)流二極體）的組合。其控制原理如下。首先，HEV和ECU根據(jù)顯示駕駛員油門踏板操作量的油門開度指令計算出所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，發(fā)出IGB

4、T的驅(qū)動信號。此時，根據(jù)電壓相位與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)係求出的轉(zhuǎn)矩不固定，因此需要以檢測轉(zhuǎn)子位置能夠獲得最大轉(zhuǎn)矩為前提，確定通電的時機(jī)。IGBT的驅(qū)動使用PWM（脈寬調(diào)製）控制，工作方式是從功率元件輸出電壓可變的正弦波三相交流電，控制驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。3相交流的生成原理下面來介紹形成可變電壓正弦波的3相交流原理。比較圖5中相差120度相位的正弦波的電壓指令和三角波，形成圖4所示的位於U/V/W各相的2個IGBT的開/關(guān)信號後，相電壓VU/VV/VW會轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔幌嗖?20度的正弦波狀脈衝電壓（各脈衝的平均電壓變化為正弦波狀）。圖4：變頻器的結(jié)構(gòu)由6個功率元件（IGBT與二極體組合而成）和電容等構(gòu)成。圖5：三相交流的生成原理首先比較相位相差120度的正弦波電壓指令與三角波，生成IGBT的開/關(guān)信號。由於電壓指令振幅的改變，脈衝的開/關(guān)比將發(fā)生變化，電壓值隨之改變。到此為止，電流只在開時流經(jīng)馬達(dá)，關(guān)時流經(jīng)並聯(lián)的二極體。這樣即可向馬達(dá)通入連續(xù)的正弦波電流。另外，提高三角波的頻率雖然可以抑制馬達(dá)電磁干