丰田混动普锐斯电机及驱动控制系统解析

作为全球最成功的环保车型，丰田普锐斯（PRIUS）早已成为油电混合动力车型中的全球销量冠军，即使在我们的身边，也经常可以见到它们的身影。目前，在国内生产的丰田普锐斯（PRIUS）是采用丰田第二代混合动力系统，集发动机和电动机组合而成的并行混合动力车。

图 1 丰田第二代混合动力系统示意图

丰田第二代混合动力系统(THS- Ⅱ) ，可以根据车辆行驶状态，灵活地使用 2 种动力源，并且弥补 2 种动力源之间不足之处，从而降低燃油消耗，减少有害气体排放，发挥车辆的最大动力。由于其 THS- Ⅱ电机及驱动系统结构复杂，技术先进，本文将为大家详细介绍该系统的结构及基本原理，以帮助读者更进一步了解 THS- Ⅱ系统。

一、THS- Ⅱ电机及驱动控制系统的特点

1 . 在电动机和发电机之间采用 AC500V 高压电路传输，可以极大地降低 动力传输中电能损耗，高效地传输动力。

2.采用大功率电机输出，提高电机的利用率。当发动机工作效率低时，此系统可以将发动机停机，车辆依靠电机动力行驶。

3.极大地增加了减速和制动过程中的能量回收，提高能量的利用率。

二、THS- Ⅱ电机及驱动系统基本组成

3.变频器：由增压转换器、逆变整流器、直流转换器、空调变频器组成。

（1 ）增压转换器 ：将 H V 蓄电池 DC201.6V 电压增压到 DC500V （反之从DC500V 降压到 DC201.6V）。

（2）逆变整流器：将 DC500V 转换成 AC500V ，给电动机 MG2 供电。反之将 AC500V 转换成 DC500V ，经降压后，给 HV 蓄电池充电。

（3 ）直流转换器：将 H V 蓄电池 DC201.6V 降为 DC12V ，为车身电器供 电，同时为备用蓄电池充电。

（4 ）空调变频器：将 H V 蓄电池 DC201.6V 转换成 AC201.6V 交流电为空 调系统中电动变频压缩机供电。

4.HV 控制 ECU 采用32 位计算机，接 收来自传感器和 ECU （发动机 ECU 、HV 蓄电池 ECU 、制动防滑控制 ECU 、电动 转向 ECU）信息。根据此信息，计算车辆 所需的扭矩和功率， 将计算结果发送给发 动机 ECU ，变频器总成，蓄电池 ECU 和 制动防滑控制 ECU 。

三、THS- Ⅱ系统电机 （MG1 、 MG2 ）工作原理

交流伺服驱动系统中，应用的交流永磁驱动电机有两大类。一类称为无刷直流同步电动机（BDCM ），另一类称为三相永磁同步电动机（PMSM ），THS- Ⅱ系统的电机 （MG1 、MG2）属于BDCM 类型的驱动电机。

BDCM 用装有永磁体转子代替了有刷直流电动机的定子磁极。有刷直流电动机依靠机械换向器，将直流电流转换成近似梯形波的交流电流。而BDCM 是将逆变器产生的方波交流电流直接输入电机定子绕组，省去了机械换向器和电刷。BDCM 定子绕组中通入三相方波交流电 流。定子绕组上会产生感应电动势，生成 与永磁转子磁场在空间位置成正交的电枢反应磁场。在转子永磁铁磁 场的作用下， 电枢反应磁场 以反作用电磁力驱动永磁 转子同步旋转（图 3）。

四、THS-Ⅱ电机 （MG1 、MG2 ）结构

1.MG1 、MG2 定子绕 组采用三相 Y 形连接， 每相 由 4 个绕组并联， 可以在给 电机输入较大电流下，获得 最大转矩和最小转矩脉动。

2.MG1 、MG2 永磁体转子：采用稀土永磁材料作为永磁铁，安装在转子铁芯内部（内埋式永磁转子）。转子内的永磁铁为“V”形，这样永磁体既有径向充磁，又有横向充磁，有效集中了磁通量，提高电机的扭矩（图4）。从永磁转子的磁路特点分析，内埋式永磁转子结构，改变了电机交、直轴磁路，可以改善电机的调速特性，拓宽速度范围。

3.MG1 、MG2 解角传感器：为了满足电机静止启动和全转速范围内转矩波动 的控制目的，需要利用解角传感器精确地 测量 MG1 、MG2 永磁转子磁极位置和速 度。解角传感器是采用电磁感应原理制成 的旋转型感应传感器，它由定子和转子组成（图 5）。

椭圆型转子与 MG1 、MG2 的永磁转 子相连接， 同步转动。椭圆型转子外圆曲 线代表着永磁转子磁极位置。定子包括 1 个励磁线圈和 2 个检测线圈，2 个检测线 圈 S 和 C 轴线在空间坐标上正交，H V ECU 按预定频率的交流电流输入励磁线 圈A ，随着椭圆型转子的旋转，转子和定子间的间隙发生变化，就会在检测线圈S 和 C 上感应出相位差 90 °正弦、余弦感应电流，HV ECU 根据检测线圈S 和C 感应电流的波形相位和幅值，以及波形的脉冲次数，计算出MG1 和MG2 永 磁转子的磁极位置和转速值信号，作为 HV ECU 对电机 MG1 、MG2 矢量控制的基础信号。

五、THS- Ⅱ系统变频器电路

THS- Ⅱ系统变频器主要电路是由电 力半导体功率器件绝缘栅双极型晶体管 （IGBT）模块组成，变频器总成内的升压 转换器、逆变 / 整流器担负着提供电机 MG1 、MG2 的电能转换与调控任务 （图7）。

1.升压转换器

升压直流斩波电路由HV 蓄电池、电 抗器 L 、绝缘栅双极型晶体管 V8 、二极管 D7 、 电容器 C组成 。

升压时，HV ECU 导通和关断绝缘栅双极型晶体管 V8 的控制极 （绝缘栅双极型晶体管 V8 起开 关作用），使电抗器 L 上的感应电动势与 HV 蓄电池 DC201.6V 电压叠加提供高压 电源。

降压直流斩波电路由发电机 M G 1 、 逆变 / 整流器、绝缘栅双极型晶体管 V7 、 二极管 D8 、 电抗器 L 、 电容器 C1 组成。

降压时，HV ECU 利用绝缘栅双极型 晶体管 V7 导通，把 DC500V 降压为平均 值 DC201.6V 的直流电压，向HV 蓄电池充电。

2.逆变 / 整流器

逆变电路（以供 给 MG2 电源为例）由 绝缘栅双极型晶体管 V1-V6 、续流二极管 D1-D6 和电容器 C 组 成电压型三相桥式逆变电路。由VH ECU 触发绝缘栅双极型晶体管控制极，使V1～V6快速导通和关断，强行将 DC500V 直流电转换成三相 AC500V交流电。如果改变V 1 ～V 6 的触发信号频率和时间，就能改变逆变器输入电机MG2 定子绕组电流空间相量的相位和幅值，以适应电机 MG2 的驱动需要。反之，电机MG2 在车辆减速或制动时产生再生制动电能，经绝缘栅双极型晶体管 V 1 ～V 6 全控型桥式整流电路整流降压后，向 HV 蓄电池充电。

六、THS- Ⅱ电机驱动系统的 控制

THS- Ⅱ电机驱动系统的控制核心组 件是 HV ECU ，在 HV ECU 中，变频器对 电机 MG2 输出电流转换的绝缘栅双极型 晶体管模块 （IGBT 模块）的驱动控制电 路如图 10 所示，

图中划线部份是变频器控制逆变电路的微处理器。微机储存的电机 MG2 速度指令与电机 MG2 解角传感器的速度反馈信号进行比较，速度控制器输一个直流电流指令信号，经过与电机MG2 解角传感器的转子磁极位置信号相乘，得到电机 MG2 工作所需的电流指令信号，参考跟踪电机 MG2 实际工作电流信号，通过PWM 比较器（脉冲宽度调制）计算后，转换成开关信号输出。该信号经过隔离电路后，直接驱动变频器三组逆变电路 IGBT 模块中V1～V6 控制极快速导通与关断，实现变频器输出电流的逆变、换相和定向目的。

七、维修 THS- Ⅱ电动机及驱动系统注意事项

1、首先必须辨别 THS- Ⅱ电动机驱动系统高压回路部份的电线和连接器都为橙色，并与其他线路及车身绝缘。

2 .在检查 THS- Ⅱ电动机驱动系统高压电路之前，必须戴上绝缘手套，拆下维修插销（图11），放在技师口袋内。

3.断开维修插销，5min 内请不要接触任何高压连接器或端子，因为变频器内的高压电容器需要5min的放电时间。

4.当维修插销无法拆下时，可以将发动机舱内的 H V 保险丝取下（图12），从而达到断开高压线路的目的。

5.安装插销时，必须确认其分离杆锁止是否牢固，否则将会出现THS- Ⅱ系统故障代码。

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丰田普锐斯插电式混合动力测试：复杂的关系

丰田普锐斯插电式混合动力测试：复杂的关系

丰田的新款普锐斯显然做出了改变。经常被斥为环保车的丑小鸭，如今已成为帅气的极速赛车手。日本人在表演上也不吝惜。然而，这辆车有一点让我们感到绝望。

新款丰田普锐斯一览*

*（加权综合能耗 (WLTP)：0.7-0.5 升/100 公里 + 13.3-12.8 千瓦时/100 公里；二氧化碳排放量综合：17-12 克/公里；二氧化碳等级：B - 电池放电后的综合油耗：4.6 -4.1 升/100 公里)

从丑小鸭到设计亮点

坦白地说：前两代普锐斯简直太丑了。任何持相反观点的人都应该咨询配镜师。只是逐渐地，丰田才开始赋予其环保汽车更具吸引力的外形。现在到了第五代，这个结似乎终于破裂了。我们发现了 Mirai II 的影子，但总体而言，新款普锐斯以积极的方式展现出独立和未来感。简而言之：没有人会再为这辆车感到羞耻。

不仅更令人愉悦的外观确保了更高的接受度，而且进一步开发的传动系统也确保了这一点。循环经济全混合动力车现在仅在欧洲以外地区销售，而插电式混合动力车的系统输出已翻倍，对于普锐斯而言，功率达到令人印象深刻的 164 kW（223 hp）。事实上：纸面价值并没有承诺太多。这辆4.60米长的旅行车移动轻便，主要是纯电动，让街道变得不安全，可以说，就像披着羊皮的狼一样。

GT86级别的加速值

当我们用力踩下油门踏板时，我们有些惊讶地发现自然吸气2.0升四缸发动机与电动机如何直接而和谐地协同工作，为普锐斯赋予了运动感。这款插电式混合动力车从零加速到 100 公里/小时（Vmax 177 公里/小时）仅需 6.8 秒，与 GT86（配备自动变速箱）相当，一般可以将其描述为跑车。日本人在弯道上也不会放弃。除了良好的推进力之外，普锐斯还提供坚固的车身、平衡良好的钢制底盘和足够直接的转向。当然，前轮驱动在某种程度上会降低驾驶乐趣，但我们仍然在这里写关于丰田普锐斯的文章。

大幅增大的锂离子电池容量为 13.6 kWh，放置在后座下方，电动 WLTP 续航里程可达 86 公里。但实际上，我们的行驶里程大约为 65 公里。但即使电池电量耗尽，汽油发动机也经常会出现传输中断的情况。混合动力系统始终为启动、滚动和游泳提供足够的能量。甚至还有一个可选的太阳能屋顶，每天可产生高达 185 瓦的电力或 9 公里的电力范围。另一方面较弱：混合动力系统可以在壁箱上以最大 3.3 kW 的交流电充电。

普锐斯的辅助系统让你绝望

只有当传动系统承受更大的压力时，通过无级无级变速变速箱连接的自然吸气发动机才会大声说话，但可怕的“橡皮筋效应”基本上不会发生。任何在没有电力支持的情况下长途旅行的人预计每 100 公里消耗约 5 至 6 升。否则，与所有插电式混合动力车一样，综合消耗量差异很大，具体取决于您的个人驾驶风格和驾驶情况。

然而，从现在开始，我们与新款丰田普锐斯的关系确实变得复杂起来。虽然可以放心地驾驶，但作为一个负责任的驾驶员，最终可能要花很多时间才能安心地开走。因为普锐斯的辅助系统超载，由于其侵入性，完全阻止了它们应该实现的目标：为道路交通提供更多安全。

最主要的是稳定控制可以关闭，不走弯路

它不断地发出蜂鸣声和警告，所以在第一次旅行仅仅几分钟后，我们就非常恼火，以至于我们站在路边寻找如何停用所有新奇的东西。幸运的是，这仍然是可能的，但那里的路线最初很复杂 - 每次重新启动车辆时都必须重新进行。

使用方向盘按钮，我们可以关闭车道保持助手、烦人的欧盟限速蜂鸣器，以及非常重要的注意力助手。即使视野与道路上发生的情况有最轻微的偏差，也会出现这种情况。与此完全相反，但却是丰田的典型特征：通过按住中控台上的按钮可以轻松停用牵引力控制系统。应该有人明白这一点。

最后，即使是胶带也无济于事

我们发现普锐斯中的系统非常烦人，以至于我们想用简单的胶带超越整个技术。我们的想法是：如果方向盘上方的传感器系统没有识别出我，它最多只能举起食指警告一次。但远非如此——日本工程师显然依赖于德国人的聪明才智。除其他事项外，注意力助手与转向角度相关。每次转向回零位后，显示屏上仍然有相应的警告信息。

顺便说一句，我们对挡风玻璃上的围裙摄像头进行了类似的尝试，我们认为它负责交通标志识别。情况可能确实如此，但丰田在使用导航系统的速度方面也会保护自己。尽管速度限制是错误的，但仍然设定了速度限制，并且当有疑问时汽车会愉快地发出蜂鸣声。我们显然在 12.3 英寸信息娱乐显示屏上缺乏简单的快捷按钮或直观的操作方法来轻松结束这场噩梦。雷诺（拥有 Scenic E-Tech）等制造商以及大众（拥有 ID.7）等制造商都展示了如何做得更好。

结论

新款丰田普锐斯插电式混合动力车外观宽敞，驾驶性能良好，甚至具有强大的动力。内饰也令人印象深刻——在高级内饰中，舒适的座椅甚至覆盖着制作精良的合成皮革。本质上，除了相对较小的后备箱（仅可容纳 284 升）、有限的充电性能以及相当雄心勃勃的定价（起价 45,990 欧元）之外，没有什么可抱怨的。然而，与众多的光顾辅助系统相比，这些都是小事，而这些辅助系统只能通过数字仪表盘非常困难地停用。易用性看起来绝对不同。

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