Повышающий преобразователь, инверторы мотор-генераторов и DC-DC.
Силовая электроника гибрида: устройство и принцип работы
Высоковольтные процедуры показаны только в учебной модели. Работы выполняют обученные специалисты по документации конкретного автомобиля; модель не заменяет её.
Как работает силовой блок гибрида
Батарея гибрида даёт около 200 В постоянного тока, а мотор-генераторам нужен трёхфазный переменный ток, и чем выше напряжение — тем больше мощность при том же токе. Силовой блок решает обе задачи и ещё питает бортовую сеть 12 В.
Повышающий преобразователь. Нижний ключ замыкает реактор — ток растёт, энергия копится в магнитном поле. Ключ закрывается — реактор отдаёт энергию в конденсатор VH поверх напряжения батареи. Около 10 000 раз в секунду; длительностью импульсов блок держит VH от 200 до 650 В. VH всегда не меньше VL.
Два инвертора. По шесть ключей: широтно-импульсная модуляция делает из VH три синусоидальных тока, сдвинутых на 120°. На малых оборотах — синусоидальная ШИМ, на средних — изменяемая, на высоких — прямоугольное управление одним импульсом.
Рекуперация. Колёса крутят MG2, его ток выпрямляют диоды инвертора, а верхний ключ преобразователя понижает напряжение до уровня батареи. Ток батареи меняет знак — она заряжается.
DC-DC и 12 В. Генератора нет: преобразователь понижает 200 В до 13,5–14 В через трансформатор. При его отказе бортовую сеть питает только батарея 12 В, и она садится.
READY OFF — не значит безопасно. После выключения конденсатор VH заряжен. Обычно инвертор разряжает его за секунды через обмотки MG2 без момента на валу. При неисправности остаётся только разгрузочный резистор, поэтому после снятия сервисной вилки ждут 5–10 минут и проверяют отсутствие напряжения.
Тепло и ограничение мощности. Ключи греются тем сильнее, чем больше ток. Свой контур охлаждения с электронасосом уносит тепло. Если температура инвертора или преобразователя выше предела, блок снижает разрешённую мощность.
Детали в модели «Силовой блок гибрида: преобразователь, инверторы, DC-DC»
Корпус силового блока. Литой алюминиевый корпус. Внутри под одной крышкой собраны повышающий преобразователь, два инвертора и преобразователь 12 В. Крышка снабжена блокировочным выключателем: если её снять, система отключает высокое напряжение.
Плита жидкостного охлаждения. Силовые ключи сверху и снизу прижаты к алюминиевой плите с каналами. Через неё идёт охлаждающая жидкость своего контура — отдельного от контура двигателя, со своим радиатором и электронасосом.
Конденсатор до преобразователя (VL). Сглаживает напряжение батареи на входе преобразователя. На нём блок измеряет напряжение VL — оно почти равно напряжению батареи, около 200 В.
Реактор (дроссель). Катушка на сердечнике. Она сопротивляется изменению тока: когда ключ открыт, запасает энергию в магнитном поле, когда закрыт — отдаёт её, добавляя своё напряжение к напряжению батареи. Так 200 В превращаются в 500–650 В.
Ключи преобразователя. Два силовых транзистора (IGBT) с диодами. Нижний — повышающий: он замыкает реактор на минус около 10 000 раз в секунду. Верхний — понижающий: при зарядке он пропускает ток от инверторов к батарее порциями.
Конденсатор после преобразователя (VH). Большой плёночный конденсатор питает оба инвертора. На нём блок измеряет напряжение VH — до 650 В. После выключения READY заряд на нём опасен, поэтому его принудительно разряжают.
Разгрузочный резистор. Всегда подключён к конденсатору VH. Если быстрый разряд через обмотки мотора не сработал, остаток заряда уходит в тепло на этом резисторе. Это медленно — поэтому после снятия сервисной вилки ждут 5–10 минут.
Инвертор MG1. Трёхфазный мост из шести ключей: по два на фазу. MG1 чаще работает генератором — инвертор выпрямляет его переменный ток. Он же крутит MG1 как стартер при пуске двигателя.
Инвертор MG2. Шесть ключей по сигналам ШИМ делают из постоянного напряжения VH три синусоидальных тока, сдвинутых на 120°. Моменты переключения согласованы с положением ротора. При торможении ток идёт обратно через диоды ключей.
Датчики тока и температуры. Кольцевые датчики на фазных шинах измеряют ток MG1 и MG2, термодатчики стоят у ключей инверторов и преобразователя. Ещё блок измеряет VL и VH. По этим сигналам он проверяет, совпадает ли ток с заданным.
Плата управления. Получает от блока управления гибридной системой заданный момент MG1 и MG2 и формирует сигналы ШИМ для ключей. При перегрузке по току или напряжению выключает ключи неисправной цепи — как автоматический выключатель.
Преобразователь DC-DC 14 В. Заменяет генератор: транзисторный мост делает из 200 В переменный ток, трансформатор понижает его, выпрямитель и стабилизатор дают 13,5–14 В. Номинальный ток около 100 А, напряжение не зависит от оборотов двигателя.
Разъём к высоковольтной батарее. Два оранжевых кабеля: плюс и минус батареи около 202 В. Оранжевый цвет означает высокое напряжение.
Разъём к MG1. Три фазы U, V, W к мотор-генератору MG1.
Разъём к MG2. Три фазы U, V, W к тяговому мотор-генератору MG2. При обрыве фазы блок сразу выключает инвертор MG2.
Провод 12 В. Выход преобразователя 14 В к вспомогательной батарее и бортовой сети. Это обычный низковольтный провод, не оранжевый.
Вспомогательная батарея 12 В. Питает блоки управления и реле при включении. Пока работает READY, её заряжает преобразователь DC-DC. Без 12 В система не перейдёт в READY.
Потребители 12 В (фара). Фары, вентиляторы, обогрев, блоки управления. Ползунок «Нагрузка 12 В» задаёт их суммарный ток.
Лампы на щитке. Лампа заряда (12 В), предупреждение гибридной системы и перегрева. Загораются по сигналам блока управления.
Электронасос охлаждения. Насос с бесколлекторным мотором постоянного тока. В режиме READY работает всё время: гонит жидкость через силовой блок, MG1 и MG2 и свой радиатор.
Шланги контура охлаждения. Подвод жидкости от насоса к плите и отвод к радиатору гибридной установки. Радиатор стоит рядом с радиатором двигателя и обдувается теми же вентиляторами.
Показ по шагам
Что внутри силового блока. Передняя половина корпуса снята. Сверху — два инвертора и большой конденсатор, в середине — плита с охлаждающей жидкостью, снизу — повышающий преобразователь и DC-DC.
Повышающий преобразователь. Батарея даёт около 200 В. Реактор и два ключа поднимают его до 650 В: нижний ключ замыкает реактор, тот запасает энергию и отдаёт её в конденсатор VH поверх напряжения батареи.
Разгон: VH растёт. Чем больше мощность и обороты MG2, тем выше напряжение VH. При полном разгоне — 650 В: тот же ток даёт больше мощности.
Инверторы MG1 и MG2. Шесть ключей на мотор: по два на фазу. Они по очереди подключают фазы к плюсу и минусу VH так, что в обмотках течёт синусоидальный ток.
Рекуперация. MG2 тормозит машину и вырабатывает ток. Инвертор выпрямляет его, верхний ключ преобразователя понижает напряжение, и ток батареи становится отрицательным — она заряжается.
DC-DC вместо генератора. Генератора 12 В в гибриде нет. Преобразователь понижает напряжение батареи до 14 В. Его выходная мощность всегда меньше входной: часть уходит в тепло.
READY OFF: разряд конденсатора. Реле батареи разомкнулись, но в конденсаторе VH остаётся заряд. Инвертор сбрасывает его в тепло через обмотки MG2, параллельно работает разгрузочный резистор. Правило: ждать 5–10 минут, как сказано в руководстве по ремонту.
Свой контур охлаждения. Электронасос гонит жидкость через плиту силового блока, мотор-генераторы и отдельный радиатор. Контур не связан с охлаждением двигателя.
Что ломается и как это проявляется
Перегрев инвертора. Признаки: после полного разгона или долгого подъёма машина заметно слабее тянет, загорается предупреждение. После остывания всё возвращается. Что проверить: уровень жидкости в бачке контура силового блока, работа насоса (слышно и видно поток в бачке), его предохранитель и разъём, воздух в контуре. Температуры инверторов и преобразователя — в списке параметров сканера.
Обрыв фазы MG2. Признаки: резко пропадает тяга, загорается предупреждение гибридной системы, машина едет в аварийном режиме или останавливается. Код неисправности по цепи MG2. Что проверить: только с допуском к высокому напряжению: отключить систему, снять сервисную вилку, подождать 5–10 минут по руководству, проверить отсутствие напряжения. Затем — сопротивление фаз MG2 между собой, затяжку клемм и сам кабель.
Отказ DC-DC. Признаки: горит лампа заряда, фары тускнеют, через какое-то время сбоят блоки управления, а после остановки система может не перейти в READY. Что проверить: напряжение на батарее 12 В при READY: исправно 13,5–14,5 В, при отказе — ниже 12,5 В и падает. Предохранители и разъём преобразователя, его коды неисправности.
Упрощения модели
Значения учебные: батарея около 202 В (в модели 206 В без нагрузки), VH до 650 В, MG2 — 200 Н·м и 50 кВт, батарея отдаёт до 25 кВт и принимает до 20 кВт, DC-DC 100 А. У разных систем эти числа отличаются.
Ключи показаны вспышками в замедленном темпе: в жизни преобразователь переключается около 10 000 раз в секунду, инвертор — тысячи раз в секунду. Частота ключей инвертора на разных участках (около 5 кГц, затем меньше) — учебная оценка.
После READY OFF время в модели идёт быстрее: правило «ждать 10 минут» показано за 30 секунд (в этой модели взято 10 минут, в модели всего автомобиля — 5; у разных машин 5 или 10 минут, реальное время — по руководству по ремонту), разряд через резистор — за десятки секунд вместо минут. Быстрый разряд через обмотки замедлен, чтобы его было видно.
Двигатель, MG1 и делитель мощности не моделируются: обороты MG2 растут при разгоне, а в рекуперации держатся около 2500 об/мин, как на длинном спуске. Мощность сверх разрешённой мощности батареи условно даёт MG1 от двигателя.
Предзаряд конденсаторов и главные реле батареи показаны упрощённо (подробно — в модели высоковольтной батареи). Разряд батареи 12 В ускорен в 40 раз.
Шины, драйверы ключей, фильтры, предохранители и блокировка крышки показаны упрощённо или не показаны. Инвертор кондиционера не показан.
Работы с высоким напряжением выполняют только обученные специалисты с допуском и средствами защиты. Оранжевые кабели и разъёмы самостоятельно не трогать.