电气系统结构与各部分电力电子装置详解

丰田新一代混合动力系统THSⅡ的整车电气驱动系统，如图7－3所示。主要由采用AtkinSon 循环的高效发动机、永磁交流同步电动机、发电机、动力分配装置、高性能镍金属氢化物（NI-MH）电池、控制管理单元以及各相关逆变器和DC-DC 变换器等部件组成。

图7－3　Prius THSⅡ整车电气系统结构

高压电源电路、各种逆变器和14 V 蓄电池用辅助DC-DC 变换器组成了功率控制单元，该单元集成了DSP 控制器、驱动和保护电路、直流稳压电容、半导体、绝缘体、传感器、液体冷却回路以及和汽车通信的CAN 总线接口。

下面主要介绍功率控制单元的结构组成和主要作用。

1.电动机/发电机用逆变器单元

在Prius THSⅡ主驱动系统中，电动机和发电机所用三相电压型逆变器（功率分别为50 kW 和30 kW）被集成在一个模块上，逆变器的电气结构如图7－4所示，直流母线最大供电电压被设定为500 V。功率器件选用带有反并联续流二极管的商用IGBT （850 V/200 A），该功率等级的IGBT 具有足以承受最大500 V 反压的能力，以及其他诸如雪崩击穿、瞬时短路的能力。

图7－4　功率主回路示意图

电动机用逆变器的每个桥臂都是由并联有两个IGBT 模块和二极管模块组成，而发电机用逆变器的每个桥臂只包含有一个IGBT 模块和二极管模块。每个IGBT 芯片的面积为133 mm2 （13.7 mm×9.7 mm），并且发射极使用了5 μm 厚的铝膜；而每个二极管芯片的面积为90 mm2 （8.2 mm×11 mm）。

图7－5所示为THSⅡ系统中能量交换示意图，图中发电机的功率为30 kW，蓄电池组的瞬时功率为20 kW，两者联合起来为50 kW 的电机提供能量。图中升压变换器的容量也被设计为20 kW。

(www.xing528.com)

图7－5　Prius THSⅡ可变压系统电路结构

这种系统具有以下优点：

（1）由于电机的最大输出功率能力是与直流母线电压成正比的，因此与原THS 系统相比，在不增加驱动电流的情况下，THSⅡ系统中电机在500 V 供电时，其最大输出功率及转矩的输出能力是原THS 系统的2.5 倍；此外相同体积的电机，还能够输出更高的功率。

（2）由于使用了直流母线供电电压可变系统，因此THSⅡ可以根据电动机和发电机的实际需要，自由调节直流母线供电电压，从而选择最优的供电电压，达到减少逆变器开关损耗以及电动机铜损的节能目的。

（3）对于供电电压一定的蓄电池组来说，由于可以通过调整升压变压器的输出电压的方式，来满足电动机和发电机的实际需要，因此从某种程度上讲，可以减少蓄电池的使用数量，降低整车质量。

图7－5所示的DC-DC 升压变换器，每个支路都并联有两个IGBT 模块和续流二极管模块，其中每个IGBT 芯片的面积为225 mm2 （15 mm×15 mm），每个续流二极管芯片的面积为117 mm2 （13 mm×9 mm）。由于DC-DC 升压变换器的作用，而使主电容器上的系统电压（System Voltage）不同于蓄电池组的输出电压，从而在保证电动机和发电机高电压工作的同时，而不受蓄电池组低电压输出能力的限制。

目前，电动汽车普遍采用PWM 控制的电压型逆变器。除传统的PWM 控制技术外，最近出现了谐振直流环节变换器和高频谐振交流环节变换器。采用零电压或零电流开关技术的谐振式变换器具有开关损耗小、电磁干扰小、低噪声、高功率密度和高可靠性等优点，引起研究人员广泛的兴趣。

2.DC-DC 升压变换器单元

在THS 中，蓄电池组通过逆变器直接与电机和发电机相连；而在THSⅡ中，蓄电池组输出的电压首先通过DC-DC 升压变换器进行升压操作，然后再与逆变器相连，因此逆变器的直流母线电压从原THS 的202 V 提升为现在的500 V。

3.DC-DC 降压变换器单元

通常汽车中各种用电设备由14 V 蓄电池组供电（额定电压为12 V），Prius 也选用了14 V 蓄电池组作为诸如控制计算机、车灯、制动器等车载电气设备的供电电源，而对该蓄电池的充电工作则由直流202 V 通过一个DC-DC 降压变换器来完成，变换器的容量为1.4 kW （100 A/14 V），功率器件选用压控型商用MOSFET （500 V/20 A），每个MOSFET 芯片的面积为49 mm2 （7 mm×7 mm）。