第二节 动力控制系统

控制系统的定义如下：混合动力汽车电机控制器用于将动力蓄电池的直流电转换成驱动电机的交流电，通过CAN总线与整车控制器进行通信，控制混合动力汽车所需的速度和动力。

电机控制器作为混合动力汽车中连接动力蓄电池与驱动电机的电能转换单元，是电机驱动及控制系统的核心。它从整车控制器获得整车的需求，从动力蓄电池获得电能，经过自身逆变器的调制，获得控制电机需要的电流和电压，提供给驱动电机，使得驱动电机的转速和转矩满足整车的加速、减速、制动、停车等要求。

电机控制器主要有以下功能：

1）把直流电变成交流电。动力蓄电池提供的是直流电，但驱动电机使用的是交流电。

2）控制驱动电机正反向驱动、正反转发电。电机驱动车辆行驶时，电机作为电动机工作；制动能量回收时，电机作为发电机工作。

3）控制驱动电机的动力输出，满足电动汽车的行驶需求，同时对驱动电机进行短路、过电流、过电压、欠电压和过热保护。

4）通过CAN总线与其他控制模块通信，接收并发送相关的信号，间接地控制混合动力汽车上相关系统的运行。

5）制动能量回收控制。电动汽车减速或制动时，可以把多余的能量回馈给动力蓄电池，增大续驶里程。

6）自身内部故障的检测和处理。

从外部看，电机控制器最少具备两个高压接口和一个低压接头。两个孔的高压输入接口用于连接动力蓄电池；三个孔的高压输出接口用于连接驱动电机，提供控制电源。所有通信、传感器、低压电源等都要通过低压接头引出，连接到整车控制器和动力蓄电池管理系统，如图2-2-1所示。

1.控制系统的组成

电机控制器主要由电子控制模块、驱动模块、功率变换模块和各种传感器组成，如图2-2-2所示。

（1）电子控制模块

电子控制模块包括硬件电路和相应的控制软件。硬件电路主要包括微处理器，电机电流、电压、转速、温度等状态的监测电路，各种硬件保护电路，以及与整车控制器、蓄电池管理系统等外部控制单元进行数据交互的通信电路。控制软件根据不同类型电机的特点实现相应的控制算法。

（2）驱动模块

驱动模块将微处理器对电机的控制信号转换为驱动功率变换器的驱动信号，并实现功率信号和控制信号的隔离。

（3）功率变换模块

功率变换模块对电机电流进行控制。电动汽车经常使用的功率器件有大功率晶体管、门极关断晶闸管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）以及智能功率模块等。IGBT是电控核心关键零部件，起着功率转换的作用。

（4）传感器

传感器主要包括电流传感器、电压传感器、温度传感器。电流传感器用以检测供给电机工作的实际电流（包括母线直流电流、三相交流电流）；电压传感器用以检测供给电机控制器工作的实际电压（包括动力蓄电池电压、辅助12V蓄电池电压）；温度传感器用以检测电机控制系统的工作温度（包括模块温度、电机控制器温度）。

2.控制系统的工作原理

电机作为发电机运转产生三相交流电时，逆变器须将交流电转为直流电，为动力蓄电池充电。必须调节电压，以通过直流-直流变换器防止动力蓄电池充电过度或充电不足，进而影响12V蓄电池发生充电过度或充电不足。

当电机运转时，逆变器须从动力蓄电池中接收动力蓄电池直流电，然后以正确频率变换为交流电，还需调节电压，让电机产生正确的转矩值。

为达到此目的，逆变器使用微处理器控制的整流器来实现这些功能。用绝缘栅双极型晶体管替换整流器中的二极管，这样，处理器可精确管理流入/流出的电机电流。

整流器包含六个IGBT，逆变器闸驱动板控制其开关，让极性正确的电流流过电路，如图2-2-3所示。

整流器总成温度通过热敏电阻测量。为稳定三相的整流器输出，电路中接入了一个电容器。

电机控制方式主要有电压控制方式、电流控制方式、频率控制方式、弱磁控制、矢量控制、直接转矩控制。

（1）电压控制方式

电压控制方式是通过改变电机端电压实现转速控制的控制方式。

（2）电流控制方式

电流控制方式是通过改变电机绕组电流实现转速控制的控制方式。

（3）频率控制方式

频率控制方式是通过改变电机的电源频率实现转速控制的控制方式。

（4）弱磁控制

弱磁控制是通过减弱气隙磁场控制电机转速的控制方式。

（5）矢量控制

矢量控制是将交流电机的定子电流作为矢量，经坐标变换分解成与直流电机的励磁电流和电枢电流相对应的独立控制电流分量，以实现电机转速/转矩控制的方式。

（6）直接转矩控制

直接转矩控制是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得转矩的高动态性能的控制方式。

3.控制系统的冷却系统

下面以丰田普锐斯混合动力车型为例讲解。

变频器总成有专用散热器，独立于发动机散热器，如图2-2-4所示。