2020款廣汽豐田C-HR EV車高壓電系統(tǒng)解析（二）

常州交通技師學(xué)院 蔣 誠

1.2 帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成

緊湊型、輕量化的帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成（圖16、圖17）集成有電機(jī)控制器（MG ECU）、逆變器、DCDC轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器及電流傳感器等，采用了獨(dú)立于動力蓄電池冷卻系統(tǒng)的水冷型冷卻系統(tǒng)，從而確保了散熱；同時配備了互鎖開關(guān)作為使用高壓電的安全防護(hù)措施，在拆下逆變器端子蓋，或斷開動力蓄電池電源電纜連接器時，互鎖開關(guān)斷路，EV控制ECU斷開系統(tǒng)主繼電器。

圖16 帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成外觀

圖17 帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成的內(nèi)部組成

1.2.1 逆變器

逆變器主要由智能動力模塊（IPM）和電容器組成。IPM為集成動力模塊，包括信號處理器、保護(hù)功能處理器和功率晶體管。功率晶體管為反向傳導(dǎo)絕緣柵雙極晶體管（RC-IGBT），每個IPM 內(nèi)部均由6個功率晶體管組成橋接電路，3個IPM分別控制電機(jī)的V相、U相和W相。如圖18所示，逆變器負(fù)責(zé)將動力蓄電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，以驅(qū)動電機(jī)；當(dāng)松開加速踏板或踩下制動踏板時，逆變器又可將電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電，為動力蓄電池充電。此外，逆變器通過MG ECU將電流控制所需的信息傳輸至EV控制ECU。

圖18 逆變器的工作原理

1.2.2 MG ECU

MG ECU接收來自EV控制ECU的控制電機(jī)所需的信息（如所需驅(qū)動力等），然后控制IPM以切換電機(jī)的三相交流電；同時MG ECU也會將車輛控制所需的信息（如逆變器溫度、任何故障信息等）傳輸至EV控制ECU，當(dāng)接收到來自MG ECU的過熱、過電流或電壓故障信號時，EV控制ECU將切斷控制信號傳輸至MG ECU，以斷開IPM。

1.2.3 DC-DC轉(zhuǎn)換器

如圖19所示，DC-DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將355.2 V的動力蓄電池高壓直流電逐步降至約14 V的直流電，以向電氣部件供電，并為輔助蓄電池充電。為調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，EV控制ECU將輸出電壓請求信號傳輸至DC-DC轉(zhuǎn)換器，以響應(yīng)輔助蓄電池狀態(tài)傳感器信號。

圖19 DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理

1.2.4 溫度傳感器和電流傳感器

帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成內(nèi)有2個溫度傳感器（圖20）和3個電流傳感器（圖21），其中2個溫度傳感器分別安裝在帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成上的冷卻液通道上和U相的IPM上，用于對帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成的冷卻系統(tǒng)控制；3個電流傳感器分別安裝在電機(jī)的V相、U相及W相電路中，用于檢測驅(qū)動電機(jī)的三相交流電的電流。

圖20 帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成內(nèi)的2個溫度傳感器

圖21 帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成內(nèi)的3個電流傳感器

1.3 帶電機(jī)的EV傳動橋總成

如圖22、圖23所示，帶電機(jī)的傳動橋總成包括提供驅(qū)動力的電機(jī)、電機(jī)減速機(jī)構(gòu)（中間軸齒輪副和減速齒輪副）、差速器及機(jī)械油泵等部分組成。電機(jī)的驅(qū)動力經(jīng)中間軸齒輪副（中間軸主動齒輪和中間軸從動齒輪）和減速齒輪副（減速主動齒輪和減速從動齒輪）傳遞至差速器，同時帶動機(jī)械油泵工作。電機(jī)減速機(jī)構(gòu)能夠降低電機(jī)轉(zhuǎn)速并增大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。

圖22 帶電機(jī)的EV傳動橋總成結(jié)構(gòu)示意

圖23 帶電機(jī)的EV傳動橋齒輪系布局示意

1.3.1 電機(jī)

采用了緊湊、輕量化、高效的永磁同步電機(jī)。如圖24所示，三相交流電施加至定子線圈的三相繞組時，電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置和速度控制磁場旋轉(zhuǎn)以將轉(zhuǎn)子中的永久磁鐵拉向磁場，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。此轉(zhuǎn)矩與電流成比例，且轉(zhuǎn)速由交流電的頻率控制。發(fā)電時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場，引起定子線圈中的電流流動。

圖24 電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子

電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向均由轉(zhuǎn)角傳感器（也叫電機(jī)解析器）監(jiān)測。如圖25所示，轉(zhuǎn)角傳感器的定子采用3個線圈，分別為勵磁線圈A、檢測線圈S和檢測線圈C，其中檢測線圈S和檢測線圈C彼此呈90°角布置。轉(zhuǎn)角傳感器的電路如圖26所示。

圖25 轉(zhuǎn)角傳感器的結(jié)構(gòu)

圖26 轉(zhuǎn)角傳感器的電路

如圖27所示，MG ECU向轉(zhuǎn)角傳感器的勵磁線圈A輸入恒定頻率的交流電，檢測線圈S和檢測線圈C輸出與轉(zhuǎn)角傳感器轉(zhuǎn)子位置相對應(yīng)的交流電。轉(zhuǎn)角傳感器的轉(zhuǎn)子為橢圓形，定子與轉(zhuǎn)子間的距離隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而變化。由于間隙的變化，檢測線圈S和檢測線圈C輸出波形的峰值隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，MG ECU持續(xù)監(jiān)視這些峰值，并將其連接形成虛擬波形。MG ECU根據(jù)波形的峰值及相位計算轉(zhuǎn)子的絕對位置和旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)預(yù)定時間內(nèi)轉(zhuǎn)子的位置變化量計算轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

圖27 轉(zhuǎn)角傳感器3個線圈的信號波形

電機(jī)上還配備了溫度傳感器，用以檢測定子溫度，EV控制ECU負(fù)責(zé)接收該溫度信號，從而對電機(jī)進(jìn)行最佳控制。

1.3.2 電動油泵和電機(jī)冷卻器

如圖28所示，除了機(jī)械油泵以外，帶電機(jī)的EV傳動橋總成還配備電動油泵。傳動橋油經(jīng)電動油泵加壓并輸送至電機(jī)冷卻器，然后冷卻的傳動橋油輸送至傳動橋頂部，優(yōu)化了傳動橋內(nèi)的液流，降低了高負(fù)載時的油溫，同時對電機(jī)進(jìn)行了冷卻。另外，冷卻液經(jīng)過電機(jī)冷卻器流入傳動橋內(nèi)部為電機(jī)冷卻。

圖28 電動油泵和電機(jī)冷卻器

1.4 電動空調(diào)壓縮機(jī)總成

如圖29所示，電動空調(diào)壓縮機(jī)總成由一對螺旋繞組固定卷軸和旋轉(zhuǎn)卷軸、無刷電機(jī)、機(jī)油分離器、電機(jī)軸及空調(diào)逆變器等部分組成。如圖30所示，帶轉(zhuǎn)換器的逆變器總成將動力蓄電池的高壓電輸送至電動空調(diào)壓縮機(jī)總成；空調(diào)放大器通過CAN總線將空調(diào)請求等信號傳遞至EV控制ECU；EV控制ECU再通過LIN總線將相關(guān)信號傳遞給電動空調(diào)壓縮機(jī)總成；最后由電動空調(diào)壓縮機(jī)總成內(nèi)部的空調(diào)逆變器控制無刷電動機(jī)驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)。

圖29 電動空調(diào)壓縮機(jī)總成結(jié)構(gòu)

圖30 電動空調(diào)壓縮機(jī)總成控制電路

除了由電機(jī)驅(qū)動外，電動空調(diào)壓縮機(jī)總成的基本構(gòu)造和工作原理與普通渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)基本相同。如圖31所示，電動空調(diào)壓縮機(jī)總成的工作原理分為以下3個過程。

圖31 電動空調(diào)壓縮機(jī)總成工作原理

（1）吸入。由旋轉(zhuǎn)卷軸和固定卷軸產(chǎn)生的壓縮室內(nèi)的容積隨旋轉(zhuǎn)卷軸的旋轉(zhuǎn)而增大，從而從進(jìn)氣口吸入制冷劑氣體。

（2）壓縮。從吸氣過程完成時起，壓縮室的容積隨旋轉(zhuǎn)卷軸的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)而逐漸縮小，吸入的制冷劑氣體逐漸壓縮并輸送至固定卷軸中央。旋轉(zhuǎn)卷軸旋轉(zhuǎn)約2圈時，制冷劑氣體的壓縮完成。

（3）排放。制冷劑氣體的壓縮操作完成且制冷劑壓力變高時，推動排放閥以將制冷劑氣體從位于固定卷軸中央的排放端口排出。

1.5 電動加熱器分總成

該車采用獨(dú)立加熱回路（圖32），加熱元件安裝在電動加熱器分總成（圖33）內(nèi)，用于加熱在加熱回路中循環(huán)的冷卻液。

圖32 獨(dú)立加熱回路

圖33 電動加熱器分總成

如圖34所示，1號動力蓄電池接線盒將動力蓄電池的高壓電分配至電動加熱器分總成，空調(diào)放大器根據(jù)目標(biāo)出風(fēng)溫度計算目標(biāo)冷卻液溫度，并根據(jù)電動加熱器分總成內(nèi)部冷卻液溫度傳感器信號操作電動加熱器分總成。電動加熱器分總成通過LIN總線與空調(diào)放大器總成進(jìn)行通信。EV控制ECU通過端子WSTB輸出操作禁止請求信號。

圖34 電動加熱器分總成控制電路

1.6 充電系統(tǒng)部件

該車采用插電式充電控制系統(tǒng)，將電能從外部電源（如電源插座或充電器）供應(yīng)至動力蓄電池。插電式充電控制系統(tǒng)支持2種充電方式，分別為交流充電系統(tǒng)和直流充電系統(tǒng)。

1.6.1 交流充電系統(tǒng)

如圖35、圖36所示，交流充電系統(tǒng)通過交流充電電纜、交流充電接口、交流充電器、交流充電繼電器（CHRB、CHRG、CHRP）及系統(tǒng)主繼電器（SMRB、SMRG、SMRP）等從外部電源為動力蓄電池充電。

圖35 交流充電系統(tǒng)的組成

圖36 交流充電系統(tǒng)的原理

1.6.1.1 交流充電電纜

如圖37所示，交流充電電纜由充電連接器、充電電路中斷設(shè)備（CCID）和插頭組成，其輸入電壓為AC 220 V，額定輸入電流為8 A，長度為7.5 m。

圖37 充電電纜的結(jié)構(gòu)

（1）如圖38所示，充電連接器上安裝有通過鎖栓解鎖按鈕操作的微動開關(guān)（PISW），以檢測充電連接器與交流充電接口的連接狀態(tài)，并將其發(fā)送至交流充電器。

圖38 充電接口電路

（2）如圖39所示，CCID負(fù)責(zé)檢測CCID與交流充電器之間交流電線路的絕緣故障，一旦檢測到漏電，則切斷交流電供應(yīng)。CCID通過點(diǎn)亮或閃爍電源指示燈、充電指示燈和故障指示燈來顯示充電狀態(tài)。

圖39 交流充電系統(tǒng)線路的連接

（3）插頭內(nèi)安裝有溫度傳感器，以檢測插頭連接松動導(dǎo)致的異常高溫，從而控制停止充電。

1.6.1.2 交流充電接口

車輛上的交流充電接口與交流充電電纜上的充電連接器連接，以向交流充電器供電。交流充電接口的端子說明如圖40所示，端子1和端子3為交流電源端子；端子2為車身搭鐵信號；端子4為控制先導(dǎo)信號（CPLT信號），用于識別充電設(shè)施或充電站的額定電流；端子5負(fù)責(zé)向交流充電器傳遞交流充電電纜上的充電連接器與交流充電接口的連接狀態(tài)信號（PISW信號）。

圖40 交流充電接口端子說明

如圖41所示，交流充電接口附近還有交流充電接口鎖總成、交流充電接口指示燈、交流充電接口照明燈、交流充電接口蓋罩開關(guān)、交流充電接口蓋等部件。

圖41 交流充電接口附近的部件

（1）交流充電接口鎖總成根據(jù)來自交流充電器的請求信號鎖止和解鎖充電連接器和交流充電接口，以防止未經(jīng)授權(quán)的人員在車輛停放時進(jìn)行惡意破壞或其他干擾。車門解鎖時，充電連接器解鎖，且在一段時間（約30 s）后充電連接器再次鎖止。

（2）交流充電接口指示燈點(diǎn)亮或閃爍以指示充電狀態(tài)。

（3）交流充電接口蓋罩開關(guān)將充電接口蓋罩打開或關(guān)閉信號發(fā)送至交流充電器，由交流充電器控制點(diǎn)亮交流充電接口照明燈。

另外，交流充電接口還內(nèi)置了2個溫度傳感器（圖42），分別用以監(jiān)測交流供電端子ACIC和端子ACIH的溫度，若監(jiān)測到溫度升高，則停止充電。

圖42 交流充電接口內(nèi)置的溫度傳感器

1.6.1.3 交流充電器

交流充電器（圖43）采用水冷方式冷卻，輸入電壓為AC 220 V，電源頻率為50 Hz，最大輸入電流為32 A，最大額定輸出功率為6.6 kW。如圖44所示，交流充電器的主要功能如下。

圖43 交流充電器外觀

圖44 交流充電器內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)

（1）根據(jù)來自EV控制ECU的信號進(jìn)行交流充電。

（2）將來自外部電源的交流電壓提升后，并轉(zhuǎn)換為直流電，以對動力蓄電池進(jìn)行充電。

（3）具有副DC-DC轉(zhuǎn)換器，在操作交流充電期間向輔助蓄電池供電。

1.6.2 直流充電系統(tǒng)

如圖45、圖46所示，直流充電系統(tǒng)通過直流充電器、直流充電接口、直流充電控制ECU、直流充電繼電器（DCRB、DCRG）、系統(tǒng)主繼電器（SMRB、SMRG、SMRP）等對動力蓄電池進(jìn)行快速充電。直流充電接口上共9個端子（圖47），各端子的作用見表1所列。直流充電接口符合標(biāo)準(zhǔn)《電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第3部分：直流充電接口》（GB/T 20234.3—2015）。

表1 直流充電接口各端子的作用

圖45 交流充電系統(tǒng)的組成

圖46 交流充電系統(tǒng)的原理

圖47 直流充電接口的端子

1.7 高壓線束

如圖48所示，高壓線束是一組高電壓、大電流的電纜，包括HV地板底部線束、HV空調(diào)線束、HV蓄電池充電線束、交流充電接口線束、直流充電接口線束及電機(jī)線束，用于連接高壓部件。高壓線束由屏蔽電纜制成，以減少電磁干擾。為便于辨認(rèn)，高壓線束及連接器均采用橙色，以將其與普通低壓線束區(qū)分開來。

圖48 高壓線束的布置

（未完待續(xù)）