【汽车电子图解】(五)探索HEV系统的主要部件：马达与变频器

1、構成HEV系統的主要部件包括馬達、變頻器、電源系統、高電壓輔機系統等。其中，本文將介紹馬達和變頻器（電源系統與高電壓輔機系統將在下次登載）。車載用馬達大多使用交流馬達，對小型輕量化、高輸出功率、高轉速等方面要求嚴格。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行講解。混合動力車（HEV）的驅動心臟是馬達。首先來看馬達的特徵。馬達是提供HEV及電動汽車（EV）驅動力的重要部件。乘用車行駛使用的馬達一般輸出功率為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，但交流（AC）馬達仍佔主流（表1）。大量採用永久磁鐵型馬達對於HEV用馬達，可以列

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

3、穩定供應方面存在課題。圖1：SPM與IPM的轉子結構根據磁鐵的配置可以分成表面磁鐵型（SPM）與內置磁鐵型（IPM）。圖2：磁阻轉矩的利用HEV大多採用能夠使用磁阻轉矩的IPM圖3：HEV用馬達採用IPM轉子。圖3是HEV用馬達的實例。雖然在照片上無法判斷，但該馬達採用的是IPM轉子。變頻器的整體結構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，將直流電轉換為三相交流電，向馬達供電（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（續流二極體）的組合。其控制原理如下。首先，HEV和ECU根據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動轉矩，發出IGB

4、T的驅動信號。此時，根據電壓相位與轉子位置的關係求出的轉矩不固定，因此需要以檢測轉子位置能夠獲得最大轉矩為前提，確定通電的時機。IGBT的驅動使用PWM（脈寬調製）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，控制驅動轉矩。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/關信號後，相電壓VU/VV/VW會轉變為相位相差120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：變頻器的結構由6個功率元件（IGBT與二極體組合而成）和電容等構成。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/關信號。由於電壓指令振幅的改變，脈衝的開/關比將發生變化，電壓值隨之改變。到此為止，電流只在開時流經馬達，關時流經並聯的二極體。這樣即可向馬達通入連續的正弦波電流。另外，提高三角波的頻率雖然可以抑制馬達電磁干