CN102712255A - 在汽车中在通过逆变器触发的电机中识别故障的方法和用于监控电机运行的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在汽车中在通过逆变器（2）控制的电机（1）只识别故障的方法，在所述方法中测定电机（1）的相电流（lu、lv、lw），特别是电技术测定，并且当这些相电流（lu、lv和lw）中的至少一个相电流或者从其中推导出来的参数超过规定的上阈值，则识别出故障，其中，根据汽车的，特别是电机（1）的，和/或逆变器（2）的运行参数确定上阈值。

Description

在汽车中在通过逆变器触发的电机中识别故障的方法和用于监控电机运行的装置
本发明涉及一种在汽车中在通过逆变器触发的电机中识别故障的方法，和一种在汽车中监控通过逆变器触发的电机的运行的装置。
背景技术
例如在混合动力汽车中使用具有逆变器的电机。在混合动力汽车中这种具有逆变器的电机有选择地按电动劝机或发电机的运行方式运行。在按电动机运行方式运行时电机产生附加的驱动力矩。这种附加的驱动力矩例如在加速阶段支持内燃机。在按发电机运行时电机产生电能，电能存储在蓄能器中，例如蓄电池或者超级出租车（Super-cab）中。借助逆变器调节电机的运行方式和功率。
因为在混合动力汽车中必须提供比较高的电流和电压，以便能将电机用作动力装置用于驱动汽车，因此，为了保护电网和与电网相连接的部件经常对电机的运行参数，例如相电流进行监控。
在识别帮障功能时，例如识别相位过电流功能故障时将脉冲逆变器接通到安全状态，以防止可能损害电元件。现有技术主要公开了两个不同的断路方法。在第一方法中关闭脉冲逆变器的所有与低电位连接的开关（Low-Side-Schalter），并且打开脉冲逆变器的所有与高电位连接的开关（High-Side-Schalter）。这种运行方式也叫做短接模式。在另一断路方法中打开脉冲逆变器的所有开关。这种方法也叫作断开（Frei-Schalt）模式。
在DE 10 2006 003 254 A1中公开的用于在有干扰时断开具有脉冲逆变器的电机的方法规定，通过下述措施在电机断路时使所不希望的副作最小化和使正常的电机运行最大化，即首先将电机接通到断开运行，在这种运行中脉冲逆变器的所有开关是打开的，并且紧接着接通到短接模式中，在这个模式中，那些与高电位连接的开关是打开的，并且那些与低电位连接的开关是关闭的。
DE 10 2007 020 509 A1公开了一种用于在混合驱动的电机中处理故障的方法。在这种方法中首先检测，是否电机的至少一个运行参数位于所配属的运行参数极限值之上。当其中检测出至少一个运行参数在所配属的极限值以上时，将电机的供电接头断开一段分配给该运行参数的那段时间间隔，并且在这段时间间隔结束之后将供电接头短接到接地线。
发明内容
在根据本发明的用于在汽车中的通过逆变器触发的电机中识别故障的方法规定，得出电机的相电流，并且当这些相电流中的至少一个相电流，或者从其中推导出来的参数超过规定的上阈值，则识别故障。其中，根据本发明，根据汽车的，特别是电机的，和/或逆变器的运行参数确定上阈值。有利地通过测量技术测定电机的所有相电流。但是代替地也可部分地通过计算求出相电流。
根据汽车的运行参数改变上阈值一方面能改进逆变器的自我保护，特别是逆变器的功率器件（通常也叫做功率半导体）的自我保护。另一方面也可根据特定情况扩大通过逆变器的功率器件规定的逆变顺的运行极限。此外，本发明还能根据运行点限制最大出现的位电流。因为相电流对电机的形成转矩的参数有直接影响，所以按照这种方式也可提高汽车的运行安全性。
根据本发明的一个实施形式，当至少一个从相电流中推导出来的参数低于规定的下阈值诊断出故障。其中，根据汽车的，特别是电机的，和/或逆变器的运行参数确定下阈值。代替相电流和电流阈值直接进行比较地也可首先将相电流转变为相对应的另一参数，例如电压，并且紧接着将对应的电压和电压阈值进行比较。在这其中相电流1u、1v和1w例如可按0V到5V的电压间隔地映射到对应的电压值上。然后，当电动机1作为发动机运行时例如可如此地确定电压阈值，即这个阈值精确地位于电压间隔的中间，也就是2.5伏。这样，对于电机发电运行，除了产生用于相电流的正半波的上阈值外也产生在数量上不同的用于相电流的负半波的下阈值。为了也在这种情况中极为广泛地利用上述优点根据运行点也确定下阈值是有意义的。
本发明的另一实施形式规定，从一定数量的存储的阈值中挑选上阈值和/或下阈值。存储多个规定的阈值，根据运行点分别选择相应当前有效的阈值可特别容易实现，并且电路技术和程序技术的花费也少。
根据本发明的另一实施形式根据电机的运行状态确定上阈值，和/或下阈值。
在逆变器在功率极限区域运行期间在不考虑寿命效应的情况下主要具有下述限制因素：
- 在接通逆变器的功率开关元件时的最大允许过电压uschalt—下面称作开关过电压，
- 导致电机的永久磁铁去磁的最大相电流，
- 逆变器本身的热条件，所述热条件直接与相电流有关联。
在逆变器中的功率开关元件上存在的电压uIh分别是从当前的中间电路电压uzk和开关过电压uschalt的总和产生的。为了避免损害功率开关元件或者功率半导体，在功率开关元件上存在的电压uIh必须总是小于最大电压umax。因此得出下式：
uzk + uschalt = uIh < umax               （1）
此外，在逆变器的功率开关元件出现的开关过电压uschalt直接与相应接通的相电流成Iphase成正比，因此得出下式：
uschalt ~ Iphase                       （2）
因此，在功率开关元件上存在的电压uIh主要是通过中间电路电压uzk 以及相电流Iphase确定的。然而，由于高压蓄电池的内阻和它的引线在逆变器的功率开关元件上在电机发电运行时比电动机运行时有明显更高的中间电路电压。因此，在作为电动机运行时可允许相电流比电机在发电运时明显的更高。因此，为了尽可能最佳地利用逆变器的这个运行区域根据电机的运行状态确定上阈值，和/或下阈值是有意义的，也就是说至少为发电运行和电动机运行规定不同的阈值。
考虑电机的运行状态的一个特别简单的可能性在于相应地考虑中间电路电压uzk。因此，本发明的一个实施形式规定，根据中间电路电压uzk确定上阈值，和/或下阈值。其中，特别是随着中间电路电压uzk的增加上阈值下降，并且在必要时提高下阈值。与之相应地当中间电路电压uzk减小时提高上阈值，并且在必要时下阈值下降。
根据本发明的另一实施形式，根据温度，特别是阻挡层温度，可电击穿的功率器件的，特别是功率开关元件的，逆变器的温度确定上阈值，和/或下阈值。
因为在可击穿的功率器件中，例如它们是功率开关元件，或者也是逆变器中的二极管，器件的反向电压与相应的器件的温度有关，所以根据这些器件上的温度确定允许的相电流是有利的。其中，特别是随着器件温度的增加降低上阈值，并且在必要时提高下阈值。与之相对应的是在结构部件的温度下降时提高上阈值，并且在必要时降低下阈值。其中，阻挡层温度，或者功率开关元件的接合（junction）温度特别重要。
根据本发明的一个实施形式根据相电流的高度，和/或根据相电流的流动持续时间确定上，和/或下阈值。
无论是相电流的高度，还是它的流动持续时间，也就是相电流流过的时间段，影响逆变器的功率开关元件上的损耗功率。为了一方面充分利用逆变器的运行范围，另一方面为了可靠地防止损害功率器件，因此，根据相电流的高度和流动持续时间确定相电流的极限值是有意义的。其中，特别是随着电流高度的增加，和/或流动持续时间的增加降低上阈值，和在必要时提高下阈值。与之相应的是，随着电流高度的减小，和/或流动持续时间的减小提高上阈值，和/或在必要时降低下阈值。
此外，也可根据逆变器的功率开关元件的集电极—发射极电压，或者源漏电压，根据逆变器的功率器件的冷却体的温度，特别是功率开关元件的温度，或者也根据逆变器的功率开关元件的集电极电流或者源极电流确定上和/或下阈值。所有这些参数都影响逆变器的可击穿的功率器件上的热条件，并且因此影响处于相应条件下还允许的相电流。因此，也可通过考虑这些运行温度提高逆变器的本身安全性，同时，与运行点有关地引发出最大可能的相电流。
此外，本发明还提供一种用于监控汽车中通过逆变器触发的电机的运行的装置，它具有用于将相电流或者从其中推导出来的电机的参数和规定的上阈值进行比较的相电流监控装置，和用于根据汽车的运行参数，特别是电机，和/或逆变器的运行参数确定上阈值的控制单元。
其中，控制单元可作为独立的单元，例如以微控制器的形式，或者也以硬件电路的形式实现。
相电流监控装置可将从相电流中推导出来的参数和下阈值进行比较。控制单元可根据汽车的，特别是电机的，和/或逆变器的运行参数确定下阈值。原则上讲，根据本发明的装置是如此设计的，即它可执行根据本发明的方法，包括所有的实施形式。
从下述说明，并参考附图可得到本发明的实施形式的其它特别和优点。
附图简短说明
这些附图是：
图1：通过逆变器触发的三相电机的简图。
图2：逆变器的功率开关元件上的电压分量简图。
图3：根据本发明的用于监控通过逆变器触发的电机的运行的装置的方框电路简图。
图4：根据本发明的一个实施形式在用于确定下和上电压阈值的相电流监控装置中的电路设置简图。
图5：借助根据图4的电路设置确定的电压阈值的简图。
图1示出电机1的简图，它具有与它相连接的脉冲逆变器2形式的逆变器。脉冲逆变器2包括多个功率器件—通常也称为功率半导体—，其形式为功率开关元件3a-3f。这些功率开关元件与电机1的单个的相u、v、w连接，相u、v、w或者是按照高的供电位接通（蓄电池电压uBat+），或者按照低的供电位（uBat-）接通。其中，和高的供电位uBat+连接的功率开关元件3a-3c也叫作“高侧开关(High-Side-Schalter)”，并且与低的供电流uBat-连接的功率开关元件3d-3f也叫作“低侧开关(Low-Side-Schalter)”。此外，脉冲逆变器2还包括空转二极管4a-4f形式的其它功率器件，这些功率器件在所示的实施形式中以六脉冲整流器-桥式电路的形式设置。其中，二极管4a-4f分别与功率开关元件3a-3f中之一平行设置。功率开关元件例如可设计为IGBT（Insolated Gate Bipolar Transistor）或者设计为MOSFET（Metal Oxide Semi condactor Field-Effect Transistor）。
脉冲逆变器2确定电机1的功率和运行方式，并且由控制器6进行相应的触发。因此，电机1可有选择地按电动机或者发电机方式运行。在电动机方式运行时它产生例如在加速阶段时支持内燃机的附加的驱动力矩。而相反地在发电机运行时将机械能转变为电能，并且将其存储在蓄能器中，在此存储在蓄电池5中。蓄电池5与汽车中的未示出的供能网连接，其中，蓄电池可设计为高压蓄电池和供能网，例如设计成混合动力汽车中的高压牵引网。
与脉冲逆变器2平行地设置有所谓的中间电路电容器C，所述电容器主要是用于稳定蓄电池电压uBat，并且在所述电容器上设置中间电路电压uzk。
借助电流传感器（参见图4）得出电机1的相l、u或w中的相电流lu、lv、lw。有利地采用测量技术测定所有的相电流lu、lv、lw。但是也可代替地只有一部分相电池通过电流传感器测量，其余的相电流采用计算方法得到。
为了电机1和脉冲逆换器2的自身保护要求对相电流lu、lv和lw进行监控，并且当相电流lu、lv或lw中的至少一个超过规定的阈值—经常也叫作过电流阈值—，将脉冲逆变器2转换到安全的运行状态中。当在相位u、v或w的至少一个相位中识别出电流太高形式的功能故障时，通过控制器6的触发脉冲逆变器2自动地接通到断开-或者短接的模式中。
在脉冲逆变器2的内部可击穿的功率器件，并且其中，特别是功率开关元件3a-3f对电压特别敏感。在功率开关元件3上出现的电压uIh作为中间电路电容器c上的中间电路电压uzk和开关过电压uschalt的总和产生（参见图2）。为了避免持久地损害功率开关元件，在功率开关元件上存在的电压uIh必须总是小于最大电压umax。开关过电压uschalt直接与相应的相电流有关。当相电流lu、lv和lw和一个唯一固定规定的过电流阈值进行比较时其必须借助最大可能的中间电路电压uzk和从中产生的最大允许的开关过电压uschalt确定。但是然后可不再对中间电路电压uzk的降低作出反应，这样，在这种类型的运行状态中就不是最佳地利用脉冲逆变器2的运行范围。
根据本发明，根据汽车的，特别是电机1的，和/或脉冲逆变器2的运行参数确定相电流lu、lv、lw的上阈值。这样就有可能根据运行点确定最大允许的相电流，也就是确定不会导致损害功率开关元件3的最大可能的相电流，并且因此可明显地扩大脉冲逆变器2的运行范围。
由于蓄电池5的内阻和它的引线，在电机1发电运行时产生的中间电路电压uzk明显地比作为发动机运行时的高。因此，在作为发动机运行时所允许的开关过电压uschalt明显的比作为发电运行时的更大，并且因此所允许的相电流lu、lv、lw明显的更高。当根据电机1的运行方式，或者根据中间电路电压uzk—此外它也表示运行方式的特性—确定相电流的上极限时可大大地扩大特别是在电机1的电动机运行时的脉冲逆变器2的运行范围。
图3示出根据本发明的用于监控通过逆变器触发的电机的运行的装置的方框电路简图。在触发脉冲逆变器2的控制器6和得出相电流lu、lv或lw的电流传感器30a-30c之间连接有相电流监控装置31。通过相电流监控装置31，例如借助比较器将相电流lu、lv、lw和规定的上阈值进行比较。当相电流lu、lv或者lw中的至少一个相电流超过上阈值时则识别出故障，并且以信号NIPHMAX的形式通知控制单元6和故障逻辑电路32。在图3中将故障逻辑电路作为独立的单元示出，但是它也可集成到控制单元6中。于是，通过故障逻辑电路32，和/或控制器6脉冲逆变器2进入到空转形式或者短接形式的安全的运行状态中。根据本发明控制器6将控制信号IPHMAX-CTRL传输到相电流监控装置31。借助这个控制信号确定上阈值。其中，有利地在相电流监控装置31中存储有多个上阈值。从这些阈值中根据控制信号IPHMAX-CTRL挑选出当前有效的阈值。这样就可根据运行点确定上阈值。
若例如为电机1的发电运行或者发动机运行只设置两个不同的上阈值，则控制信号IPHMAX-CTRL例如可以简单的逻辑信号实现，所述信号可具有“高”或“低”电平。其中，例如传输低电平是用于调定用于发动机运行的第一上阈值，传输高电平是用于调定用于发电机运行的第二上阈值。当设置两个以上的上阈值时则可以设置多个这种类型的控制信号IPHMAX-CTRL。代替地也可以脉冲宽度调制的信号，或者模拟信号的形式实现控制信号。
代替相电流lu、lv、lw和电流阈值直接比较的做法地也可将相电流lu、lv、lw首先转变为相对应的另一参数，例如电压，并且紧接着将这些对应的电压和电压阈值进行比较。其中，可以一个0和5V的电压间隔中将相电流lu、lv、lw例如映射到对应的电压数值。然后例如可如此地为电机1的发动机运行规定电压阈值，即这个电压阈值准确地在电压间隔的中间，也就是2.5伏。但是在电机作为发电机运行时除了用于相电流的正半波的上阈值外，也可为相电流的负半波产生在数量上有偏差的下阈值。根据本发明的一个实施形式也可根据运行点确定这个下阈值。
图4示出根据本发明的实施形式用于确定下和上电压阈值的在相电流监控装置31中的电路设置简图。其中，将控制信号IPHMAX-CTRL接到第一晶体管T1的基极接头上。第一晶体管T1的集电极接头通过拉起（Pull-up）电阻R1与第二晶本管T2的栅极（Gate）接头连接。所述第二晶体管在所示实施形式中设计为场效应晶体管T2。在第二晶体管T2的后面连接有分压器。所述分压器是通过三电阻R2、R3和R4的串联电路形成。其中，第二晶体管T2的漏极接头与分压器的第一电阻R2和第二电阻R3之间的第一中间抽头M1连接，并且第二晶体管T2的源极接头与分压器的第二电阻R3和第三电阻R4之间的第二中间抽头M2连接。在第一中间抽头M1上取得与相电流对应的电压的上阈值。在第二中间抽头M2上取得与相电流相对应的电压的下阈值。
在电机1作为发动机运行时，只要控制信号IPHMAX-CTRL的数值为OV（低电平），则通过第一晶体管T1和拉起电阻R1接通第二晶体管T2。通过这一措施在分压器上出现电压比1:1，这样，在数值例如2.5伏时相电流的正的或负的半波的上和下阈值重合了。当控制信号IPHMAX-CTRL具有高电平时，第二晶体管T2闭合，这样，为上和下阈值产生不同的电压值。其中，在正半波时不得超过上阈值，在负半波时不得低于下阈值。因此，在图4中示出的电路是一种特别简单和成本有利地实现相电流监控装置31。其适合用于，当在和阈值进行比较之前将相电流lu、lv和lw转变为对应的电压时调节相电流的上和下阈值。
图5简图示出借助图4的电路装置确定的电压阈值。其中，发动机运行时的上阈值—根据选择的实施形式所述上阈值与发动机运行时的下阈值重合—用附图标记50表示。用于发电机运行的上和下阈值作为虚线51和52表示。其中，阈值51和52围绕平均值2.5伏对称布置，并且表示了相电流的正半波的+m安培或负半波的-m伏特的相电流的特性。
除了中间电路电压uzk和和电机1的运行方式以外还有其它的因素，例如功率开关元件3a-3f的阻挡层温度、相电流lu、lv和lw的高度和流动持续时间，集电极发射极电压，或者功率开关元件3a-3f的源极漏极电压、功率开关元件3a-3f的冷却体上的温度，或者还有集电极电流或者功率开关元件3a-3f的源极电流，都影响功率开关元件3a-3f的损耗功率，和/或热情况，并且因此也影响最大允许相电流lu、lv和lw。因此，为了尽可能最佳地利用脉冲逆变器2的运行范围，在确定上阈值，和必要时确定下阈值也考虑该运行参数是有利的。
虽然是借助三相的电机对本发明进行了说明，但是本发明当然也可用于具有多于或者少于三相的电机。

Claims (12)

1.用于在汽车中在通过逆变器（2）触发的电机（1）中识别故障的方法，在所述方法中得出电机（1）的相电流（lu、lv、lw），特别是以测量技术得出，并且当相电流（lu、lv、lw）中的至少一个相电流或者从其中推导出来的参数超过规定的上阈值，则识别出故障，其中，根据汽车的、特别是电机（1）的和/或逆变器（2）的运行参数确定上阈值。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，当至少一个从相电流（lu、lv、lw）中推导出来的参数低于规定的下阈值时则识别出故障，其中，根据汽车的特别是电机（1）的和/或逆变器（2）的运行参数确定下阈值。
3.按照权利要求1或2中的任一项所述的方法，其中，上阈值和/或下阈值是从一定数量的存储的阈值中挑选出来的。
4.按照前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，根据电机（1）的运行状态确定上阈值和/或下阈值。
5.按照权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，根据中间电路电压（uzk）确定上阈值和/或下阈值。
6.方法按照，其中，根据温度，特别是阻档层温度、电可击穿的功率器件的，特别是功率开关元件（3）的，逆变器（2）的温度确定上阈值和/或下阈值。
7.按照前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，根据相电流（lu、lv、lw）的高度和/或根据相电流（lu、lv、lw）的流动持续时间确定上和/或下阈值。
8.按照前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，根据逆变器（2）的功率开关元件（3）的集电极发射极电压或源极漏极电压确定上阈值和/或下阈值。
9.按照前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，根据功率器件的，特别是功率开关元件（3）的，逆变器（2）的冷却体的温度确定上阈值和/或下阈值。
10.按照前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，根据逆变器（2）的功率开关元件（3）的集电极电流，或者源极电流确定上阈值和/或下阈值。
11.用于监控通过逆变器（2）触发的汽车中的电机（1）的运行的装置，具有
- 用于将相电流（lu、lv、lw）或者从中推导出来的电机（1）的参数和规定的上阈值进行比较的相电流监控装置（31），
- 用于根据汽车的，特别是电机（1）的和/或逆变器（2）的运行参数确定上阈值的控制单元（6）。
12.按照权利要求12所述的装置，其中，相电流监控装置（31）将从相电流（lu、lv、lw）推导出来的参数和下阈值进行比较，并且控制单元（6）根据汽车的，特别是电机（1）的和/或逆变器（2）的运行参数确定下阈值。
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