CN102958742A - 用于使在机动车中具有至少三相电机的驱动设备运行的方法和用于逆变器的控制器 - Google Patents

用于使在机动车中具有至少三相电机的驱动设备运行的方法和用于逆变器的控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于使在机动车中作为驱动设备的至少三相的电机（1）运行的方法，该电机通过逆变器（2）、尤其脉冲逆变器控制，其中该逆变器（2）包括半桥（10a-10c）形式的开关元件（3a-3f）并且各一个半桥（10a；10b；10c）与电机（1）的一个相（U;V;W）电连接。在此如果与第一相（U）连接的第一半桥（10a）的第一开关元件（3a）由于故障持久地闭合/断开，第一半桥（10a）的第二开关元件（3d）持久地断开/闭合并且在电旋转的、不受第一相（U）影响的第一角度范围中其它半桥（10b，10c）的所有开关元件（3b，3c，3e，3f）以传统的方式控制。

Description

用于使在机动车中具有至少三相电机的驱动设备运行的方法和用于逆变器的控制器
技术领域
本发明涉及一种用于使在机动车中作为驱动设备的至少三相电机运行的方法以及用于逆变器的控制器。
背景技术
对于混合动力或电动机动车中的驱动装置通常使用感应式电机形式的电机，它与逆变器、经常也称为换流器结合运行。在此电机有选择地以电动机运行模式或发电机运行模式运行。在电动机运行模式中电机产生驱动矩，它在安装在混合动力车中时支持内燃机，例如在加速状态中。在发电机运行模式中电机产生电能，它储存在蓄能器、例如电池或者超级舱（Super-Cab）中。电机的运行方式和功率借助调节单元-经常也称为电机调节器-通过逆变器调整。
已知的逆变器包括一系列开关，通过它们使电机的单个相（U,V,W）有选择地切换到高电位、所谓的中间回路电压或者切换到低的基准电位、尤其接地。开关由外部的控制器控制，它根据司机愿望（加速或制动）计算用于电机的理论运行点。逆变器与控制器连接并且由控制器得到相应的运行数据或控制命令。
出于安全的原因监控电机和逆变器的运行并且在识别到故障时限制或调整其运行。
例如由DE 10 2006 003 254 A1已知一种用于在故障情况下通过脉冲逆变器关闭电机的方法，其中使关闭电机时的不期望的负效应最小化并且使正常的电机运行最大化，其措施是使电机首先切换到断开运行（在这种运行中脉冲逆变器的所有的开关都断开），并且接着切换到短路模式中（在这种运行中与高电位连接的开关断开并且与低电位（接地）连接的开关闭合）。
为了也在故障情况下保持机动车的可用性，如果可能的话，由DE 10 2008 000 904 A1对于混合动力车已知，求得至少一个运行参数值（它给出电机的运行参数），如果至少其中一个运行参数值不对应于运行参数正常状态，则确认故障，并且如果出现确认的故障，则至少部分地限制电机作为行驶驱动设备运行。为此如果出现确认的故障，电机至少暂时作为起动机运行，与电机作为行驶驱动设备运行无关。
发明内容
本发明实现一种用于使在机动车中作为驱动设备的至少三相的电机运行的方法，该电机通过逆变器、尤其脉冲逆变器控制，其中该逆变器包括半桥形式的开关元件并且各一个半桥与电机的一个相电连接。
如果与第一相连接的第一半桥的第一开关元件由于故障持久地闭合，则按照本发明第一半桥的第二开关元件持久地断开并且在电旋转的、不受第一相（U）影响的第一角度范围中其它半桥（10b，10c）的所有开关元件（3b，3c，3e，3f）以传统的方式控制。
相反，如果与第一相连接的第一半桥的第一开关元件由于故障持久地断开，则按照本发明第一半桥的第二开关元件持久地闭合并且在电旋转的、不受第一相（U）影响的第一角度范围中其它半桥（10b，10c）的所有开关元件（3b，3c，3e，3f）以传统的方式控制。
本发明以这种基本思想为基础：即使在逆变器的半桥故障且从属的相的控制性也相应地故障时，至少三相的电机仍可以在电旋转的部分范围中以常见的形式继续运行。在此利用：在每个电旋转中产生不受其中一个相影响的角度范围。在这个角度范围中这样控制其它与故障无关的半桥的开关元件，使电机以电动机运行模式运行，由此给出与正常运行相比尽管减小的转矩，但是它可以用于使机动车继续行驶到最近的车间。在混合动力车情况下（它除了电机以外也具有内燃机作为另一驱动设备），减小的转矩也可以选择用于起动内燃机，因此接着能够实现纯内燃机的继续行驶。对此备选地也可以在第一角度范围中这样控制其它的与故障无关的半桥的开关元件，使得电机以发电机运行模式运行，因此给出与正常运行相比尽管减小的电能，但是它可以用于例如充电机动车的蓄能器、例如电池并由此对于再起动以及其它负载、如灯、用于制动器的负压泵或者伺服转向机构提供能量。因此本发明的方法以微少的费用导致明显提高机动车的可用性。
在按照本发明的方法中已经证实特别有利的事实是，通过连续地控制与故障无关的半桥的开关元件，不仅可以保持电机的现有旋转运动，而且在利用惯性力的情况下甚至能够起动电机，即从停止状态过渡到旋转状态。因此按照本发明的方法可以与电机的转速无关地在开关元件故障的时刻用在逆变器中。
原则上对于在逆变器的半桥内部的开关元件的故障可以设想四种故障情况：
a）开关元件由于故障持久地闭合，该开关元件可以使电机的相（U,V,W）切换到高的供电电位（中间回路电压）（高边开关）。
在这种情况下在电机的相关的相接线端上恒定地施加高的供电电位。这对于电机的电压矢量图意味着，相关的电压矢量持久地处于最大值并由此位于圆形线的圆周线上。但是例如在三相的具有三个基于其轴线以120°移位的相绕组的电机中，一个完整的电旋转的总共三个角度区域中仅有两个角度区域受到这个电压矢量和由此从属的相的影响。因此保留120°的角度范围，在该范围中电机和由此逆变器可以不受开关元件故障影响地以传统的方式继续控制。
为了避免在与故障有关的半桥中短路，使相关半桥的低边开关持久地断开。这有利地已经在电路设计中考虑并且通过用于控制的元器件加以支持。
b）开关元件由于故障持久地闭合，该开关元件可以使电机的相（U,V,W）切换到低的基准电位（接地）（低边开关）。
在这种情况下在电机的相关的相接线端上恒定地施加低的基准电位。但是在这种情况下也保留例如120°的角度范围（见a）），在该角度范围中可以不受开关元件故障影响地以传统的方式继续控制电机并由此也继续控制逆变器。
为了避免在与故障有关的半桥中短路，在这种情况下持久地断开相关半桥的高边开关。这也已经在电路设计中有利地考虑并通过用于控制的元器件加以支持。
c）高边开关由于故障持久地断开。
假设在相关的半桥中的低边开关首先断开，因此相关的相接线端既不直接与高的供电电位连接，也不与低的基准电位连接。仅仅通过电机的相绕组得到间接的连接。在这种情况下相接线端上的电位通过相绕组中的感应电压（或必要时通过施加在电机上的电压）确定。但是通过持久地闭合在与故障有关的半桥中的低边开关可以使电机的相关的相接线端恒定地保持在低的基准电位上，因此得到如同在b）中描述的状况。
d）低边开关由于故障持久地断开。
假设在相关的半桥中的高边开关首先断开，则得到如同在c）中描述的类似情况。但是通过持久地闭合高边开关在与故障相关的半桥中可以使电机的相关的相接线端恒定地保持在高的供电电位上，由此得到如同在a）中描述的状况。
通过这种方式可以对于半桥的电路元件的所有可设想的故障情况使用按照本发明的方法。
按照本发明的实施例其它半桥的开关元件在第二角度范围中持久地断开，由此在这个角度范围中不产生拖拽或制动矩，它们可能不必要地阻碍电机的旋转运动。
本发明还实现一种用于控制逆变器、尤其脉冲逆变器的控制器，该逆变器控制在机动车中作为驱动设备的至少三相的电机，其中所述逆变器包括半桥形式的开关元件并且各一个半桥与电机的一个相连接。在此，这样构成控制器，即在与第一相连接的第一半桥的第一开关元件由于故障持久地闭合时，持久地断开第一半桥的第二开关元件，或者在第一开关元件由于故障持久地断开时，持久地闭合第二开关元件。但是在两种情况下控制器在电旋转的、不受第一相影响的第一角度范围中以传统的方式控制其它半桥（10b，10c）的所有开关元件（3b，3c，3e，3f）。
附图说明
由下面借助于附图的描述给出本发明实施例的其它特征和优点，这些附图是具有按照本发明的电机调节器的电机以及逆变器的示意方框图。附图中：
图1示出具有按照本发明的控制器的电机以及逆变器的示意方框图，
图2示出在完好的半桥中的用于按照图1的电机的电压矢量图，
图3示出在完好的半桥中的按照图1的逆变器的单个开关元件的控制信号变化，
图4示出在其中一个半桥中的开关元件故障时按照图1的电机的电压矢量图，
图5示出在其中一个半桥中的开关元件故障时按照图1的逆变器的单个开关元件的控制信号变化。
具体实施方式
图1示出三相电机1的示意图，它例如可以由同步、异步或磁阻电机构成，具有连接在其上的脉冲逆变器2。脉冲逆变器2包括断路器形式的开关元件3a-3f，它们与电机1的单个相U、V、W连接，并且相U、V、W或者切换到中间回路电压UdcLnk形式的高的供电电位，或者切换到接地形式的低的基准电位。在此与中间回路电压UdcLnk连接的开关元件3a-3c也称为“高边开关”，并且与接地连接的开关3d-3f称为“低边开关”，并且例如可以由绝缘栅双极晶体管（IGBT）构成或者由金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）构成。脉冲逆变器2还包括多个续流二极管4a-4f，它们分别与其中一个开关元件3a-3f并联地布置。在此开关元件3a和3d、3b和3e以及3c和3f分别形成一个半桥10a、10b及10f。
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5相应地控制，控制器5在图1中仅仅示意地示出并且也可以集成到逆变器2中。在此电机1可以有选择地以电动机运行模式或发电机运行模式运行。
脉冲逆变器2还包括所谓的中间回路电容6，它基本上用于稳定蓄能器的电压、即例如电池电压。具有电池7形式的蓄能器的机动车车载电源与中间回路电容6并联。
电机1在所示的实施例中三相地构成，但是也可以具有多于三个的相。
在正常运行中，即对于完好的开关元件3a-3f，得到电压矢量图，如同在图2中示意地示出的那样。在此示例地示出电旋转的一个时刻，在该电旋转中电机的相U对于产生的电压矢量20没有贡献，相反，相V和W分别提供一个分量。
在图3中在一个控制周期的持续时间（0至t周期）上示意地示出通过控制器在这种无故障的情况下产生的用于脉冲逆变器2的单个开关元件3a-3f的控制信号。专业人员熟知这种传统的脉冲逆变器2的控制，因此在此不再详细解释。
下面示例地假设高边开关3a故障，这就是说，高边开关3a由于故障持久地断开（故障情况c））。
在图4中示出由此给出的电压矢量图。在此示出电旋转的与图2相同的时刻。可以看出，开关元件3a的故障在所示时刻对于电压矢量图没有影响。这由此解释，即与具有开关元件3a的半桥10a电连接的相U在这个瞬间对于产生的电压矢量20没有贡献。这个事实适用于整个在图4中阴影表示的120°的角度范围。这个不受与故障有关的相U影响的角度范围按照本发明加以利用，尽管开关元件3a故障也能够使电机1继续运行。
这一点通过控制信号实现，如同在图5中示意示出的那样。在此开关元件3a的控制信号由于故障持久地位于低电平上。通过持久地闭合（恒定的高电平）与故障相关的半桥10a的低边开关3d可以使电机1的相关的相U恒定地处在供电电位上。如图5所示，用于其它半桥10b和10c的其余开关元件3b、3c、3e和3f的控制信号可以与正常运行相比（参见图3）保持不变。但是为了避免拖拽矩和制动矩（它们可能不必要地阻碍电机1的旋转运动），有利的是，其它半桥10b和10c的开关元件3b、3c、3e和3f在受到相U影响的第二角度范围内（在图4中没有阴影的面积）切换到断开模式（Freilauf-Modus），在该模式中所有这些开关元件3b、3c、3e和3f持久地断开。
在保留控制的角度范围中电机1不仅可以电动机运行模式而且可以发电机运行模式运行。因为在三相电机3的情况下只能有一个120°的角度范围（即一个电旋转的三分之一）可以用于馈入或取出功率，因此可能的电动机/发电机的功率相应地也减小到约三分之一。但是可以利用以这种方式产生的减小的转矩或者以这种方式产生的减小的电能，用于使机动车继续运动或者在混合动力车情况下起动内燃机或者充电电池7。
示例地针对故障情况c）描述了本发明，其中高边开关持久地断开。但是按照本发明的方法也以非常类似的方式应用于其余的故障情况a）、b）和d）。最终重要的只是，在与故障有关的半桥中还完好的开关元件这样持久地闭合或断开，即在电机的相关的相接线端上设定限定的电位（中间回路电压或接地）。

Claims (6)

1.一种用于使在机动车中作为驱动设备的至少三相的电机（1）运行的方法，该电机通过逆变器（2）、尤其脉冲逆变器控制，其中该逆变器（2）包括半桥（10a-10c）形式的开关元件（3a-3f）并且各一个半桥（10a；10b；10c）与电机（1）的一个相（U;V;W）电连接，其特征在于，如果与第一相（U）连接的第一半桥（10a）的第一开关元件（3a）由于故障持久地闭合，
-第一半桥（10a）的第二开关元件（3d）持久地断开，并且
-在电旋转的、不受第一相（U）影响的第一角度范围中其它半桥（10b，10c）的所有开关元件（3b，3c，3e，3f）以传统的方式控制。
2.一种用于使在机动车中作为驱动设备的至少三相的电机（1）运行的方法，该电机通过逆变器（2）、尤其脉冲逆变器控制，其中该逆变器（2）包括半桥（10a-10c）形式的开关元件（3a-3f）并且各一个半桥（10a；10b；10c）与电机（1）的一个相（U;V;W）电连接，其特征在于，如果与第一相（U）连接的第一半桥（10a）的第一开关元件（3a）由于故障持久地断开，
-第一半桥（10a）的第二开关元件（3d）持久地闭合并且
-在电旋转的、不受第一相（U）影响的第一角度范围中其它半桥（10b，10c）的所有开关元件（3b，3c，3e，3f）以传统的方式控制。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述其它半桥（10b，10c）的开关元件（3b，3c，3e，3f）在电旋转的、受第一相（U）影响的第二角度范围中持久地断开。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述其它半桥（10a，10b）的开关元件（3b，3c，3e，3f）在第一角度范围中这样控制，使所述电机（1）以电动机运行模式运行，其中利用由此产生的转矩，用于使机动车以减小的转矩继续运动或者用于起动作为另一驱动设备的内燃机。
5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述其它半桥（10b，10c）的开关元件（3b，3c，3e，3f）在第一角度范围中这样控制，使所述电机（1）以发电机运行模式运行，其中利用由此产生的电能，用于充电机动车的蓄能器（7）。
6.用于控制逆变器（2）、尤其脉冲逆变器的控制器（5），该逆变器控制在机动车中作为驱动设备的至少三相的电机（1），其中所述逆变器（2）包括半桥（10a-10c）形式的开关元件（3a-3f）并且各一个半桥（10a；10b；10c）与电机（1）的一个相（U;V;W）电连接，其特征在于，所述控制器（5）在与第一相（U）连接的第一半桥（10a）的第一开关元件（3a）故障时
-如果第一开关元件（3a）由于故障持久地闭合，使第一半桥（10a）的第二开关元件（3d）持久地断开，或者
-如果第一开关元件（3a）由于故障持久地断开，使第二开关元件（3d）持久地闭合，并且
-在电旋转的、不受第一相（U）影响的第一角度范围中其它半桥（10b，10c）的所有开关元件（3b，3c，3e，3f）以传统的方式控制。
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