CN103140681B - 电动压缩机 - Google Patents
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Abstract
公开了即使离开功率元件地配置温度测定单元，也能够跟踪功率元件的温度变化的电动压缩机。在该电动压缩机中，温度测定单元(34)测定配置有功率元件(31)的基板(36)的温度。转速检测单元(35)检测电动机的转速。控制单元(33)根据由转速检测单元(35)检测出的电动机的转速及由温度测定单元(34)测定出的温度，估计功率元件(31)的温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种压缩制冷剂的电动压缩机。
背景技术
近年来为了实现低碳社会，电动汽车及混合动力车备受关注。在此种电动汽车及混合动力车中，作为用于对车内制冷的压缩机，搭载电动的利用电动机的驱动力压缩制冷剂的压缩机(以下记作“电动压缩机”)以代替至今为止的利用发动机的驱动力压缩制冷剂的压缩机。
对于该电动压缩机，若持续处于高负荷的运转状态，则有可能电动机或用于供给电动机的驱动电力的功率元件会成为过热状态，而导致特性劣化，并且有可能导致电动机或功率元件破损。因此，需要检测电动机的温度、功率元件的温度或制冷剂的喷出温度等，在这些温度超过阈值的情况下，使电动压缩机停止或限制其运转。
以往，已有如下电动压缩机，其将直接测定功率元件温度的热敏电阻配置在该功率元件上，根据测定出的功率元件温度与电动机转速及电动机相电流/电压估计制冷剂的喷出温度(例如专利文献1)。若该估计出的制冷剂的喷出温度为规定温度以上，则使功率元件停止(以下记作“功率元件过热保护动作”)，由此，能够对功率元件进行过热保护。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-198230号公报
发明内容
发明要解决的问题
以往的电动压缩机将直接测定功率元件温度的温度测定单元即热敏电阻配置在该功率元件上。若采用该结构，则因为从热源(功率元件)至热敏电阻(温度测定单元)的热阻十分小，所以由温度测定单元测定出的温度与功率元件的温度大致相等。
对于以往的电动压缩机，需要直接将温度测定单元配置在功率元件上，从而导致部件配置的自由度降低。若能够离开功率元件地配置温度测定单元，则部件配置的自由度升高，故而优选。
然而，若并非直接将温度测定单元配置在功率元件上，而是例如将温度测定单元配置在离开功率元件的基板上，则存在如下所述的问题。
通常，功率元件为了通过与制冷剂进行热交换而使自身发热散发，被配置在包围制冷剂的外壳的附近。因此，功率元件本身的温度隔着外壳受到制冷剂热量的影响。
在直接将温度测定单元配置于功率元件的情况下，功率元件与温度测定单元以相同程度受到制冷剂的影响，因此，由温度测定单元测定出的温度大致为功率元件本身的温度。
另一方面，若离开功率元件地配置温度测定单元，则对于功率元件与温度测定单元，制冷剂的影响不同。其结果是在由温度测定单元测定出的温度中，功率元件发出的热量的影响不确定，导致由温度测定单元测定出的温度与功率元件本身的温度不同。
在采用此种配置时，若根据由温度测定单元测定出的温度进行功率元件过热保护动作，则在因该不确定性功率元件的温度急速上升的情况下无法跟踪。其结果是有可能导致功率元件的特性劣化或破损。
本发明的目的在于解决以往的问题，提供即使离开功率元件地配置温度测定单元，也能够跟踪功率元件的温度变化的电动压缩机。
解决问题的方案
本发明的电动压缩机包括：电动机，产生压缩制冷剂的驱动力；功率元件，驱动所述电动机；温度测定单元，测定配置有所述功率元件的基板的温度；转速检测单元，检测所述电动机的转速；以及控制单元，估计所述功率元件的温度，所述控制单元根据所述转速检测单元检测出的电动机的转速及所述温度测定单元测定出的温度，估计所述功率元件的温度。
发明的效果
本发明根据转速检测单元检测出的电动机的转速及温度测定单元测定出的温度，估计所述功率元件的温度。电动机的转速与制冷剂的流量直接相关。因此，利用由转速检测单元检测出的电动机的转速修正由温度测定单元测定出的温度，由此，能够减小制冷剂的影响。
根据以上内容，产生如下效果：即使离开功率元件地配置温度测定单元，也能够跟踪功率元件的温度变化。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的电动压缩机的方框图。
图2是说明上述电动压缩机的配置的图。
图3是说明上述电动压缩机的动作的图。
图4是说明电动机转速与功率元件温度之间的关系的图。
图5是说明电动机转速和功率元件温度与检测温度的温度差值之间的相关性的图。
图6是说明功率元件温度与检测温度的温度差值和检测温度的斜率之间的相关性的图。
图7是说明功率元件的实测温度及功率元件估计温度的实测值的一例的图。
标号说明
1电动压缩机
2蓄电池
3逆变器单元
4压缩单元
5空调ECU
31功率元件
32驱动电路
33控制单元
34温度测定单元
35转速检测单元
36基板
41电动机
42外壳
具体实施方式
以下，参照图1及图2说明本发明的一个实施方式的电动压缩机。图1是本发明的一个实施方式的电动压缩机的方框图。图2是电动压缩机的配置图。此外，图1中，实线箭头表示信号的流向，虚线箭头表示用于驱动电动机的电力的流向。
如图1所示，本实施方式的电动压缩机包括用于压缩制冷剂的机构。电动压缩机1从蓄电池2接受电力供给。该供给电力由电动压缩机1所具有的逆变器单元3从直流转换成交流后，向压缩单元4传输。
逆变器单元3包括：功率元件31，将从蓄电池2供给的直流电力转换成交流电力；驱动电路32，驱动该功率元件31；控制单元33，控制驱动电路32；温度测定单元34，测定基板36的温度；以及转速检测单元35，检测电动机41的转速。功率元件31及温度测定单元34如下所述地配置在基板36上。
另外，压缩单元4压缩吸入的制冷剂后将其喷出。压缩单元4由电动机41、外壳42及未图示的压缩机构构成，上述电动机41利用由逆变器单元3输出的电力，产生压缩制冷剂的驱动力。电动机41配置在外壳42的内部。从外壳42的未图示的吸入口流入的制冷剂在通过该外壳42内部时，由电动机41产生的驱动力压缩，并从未图示的喷出口喷出。
空调ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)5输出的空调控制信号被输入电动压缩机1。空调ECU5根据由车辆乘客进行的制冷温度设定、车内/车外温度或蒸发器温度等计算电动压缩机1的要求转速，并将其作为空调控制信号输出。该空调控制信号被输入控制单元33。
以下详细地对各部分进行说明。
蓄电池2储存电能。能够将能量密度高的二次电池(例如镍氢充电电池或锂离子充电电池)或高容量的电容器用作蓄电池2。
蓄电池2所储存的电力不仅使电动压缩机1进行动作，而且还被用作用于驱动电动汽车的主电动机或混合动力汽车的发动机辅助电动机的动力源、用于使汽车导航装置或汽车音响等附件、或者电动车窗、ETC(ElectronicThrottle Controller，电子节气门控制器)(注册商标)或ECU等电气组件进行动作的电力。
接着详细地说明逆变器单元3。构成逆变器单元3的功率元件31由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等半导体元件构成。功率元件31通过未图示的平滑电容器与蓄电池2连接。功率元件31安装在基板36上。功率元件31的外壳为了散热，通过散热膏等与外壳42发生接触地被固定。
从蓄电池2供给的直流电力通过功率元件31的通电与断电被转换成交流电力，并施加于电动机41。
功率元件31因自身具有的导通电阻或伴随开关动作而产生的开关损耗而发热。在制冷负荷的要求大的情况下，电动机转速总是很大，因此，功率元件31发出的热量也变大。存在如下问题：若功率元件31的温度超过允许值，则功率元件31有可能特性劣化或损坏。
构成逆变器单元3的驱动电路32用于驱动功率元件31，并由控制单元33控制。具体而言，用于进行导通/断开控制的控制信号从控制单元33输入驱动电路32。根据该控制信号使功率元件31通电及断电，由此，从蓄电池2供给的直流电力被转换成交流电力并被施加于电动机41，将该电动机41的转速控制成期望的转速。
温度测定单元34安装在基板36上的离开功率元件31的位置，并测定基板36的温度。测定出的温度(以下记作“测定温度Ts”)被传输至控制单元33。以下，将该被传输的信息称为“温度信息”。温度测定单元34例如为热敏电阻，该热敏电阻使用了电阻会根据温度变化而发生变化的电阻体。
转速检测单元35检测电动机41的每单位时间的转数SPD[rpm]，且例如能够以下述方式实现。以下，将以下述方式检测出的转速的信息称为“转速信息”。
作为电动机41的每单位时间的转数的检测方法，大致存在两种方法。第一种方法是检测用于控制电动机41的转速的设定值本身的方法，第二种方法是直接测定电动机41本身的物理量来检测出转速的方法。
第一种方法例如检测由空调ECU5输出的空调控制信号中所包含的电动压缩机1的要求转速。转速检测单元35从接收到的空调控制信号中提取电动压缩机1的要求转速，并将其作为转速信息输出。
第二种方法利用传感器检测电动机41的电动机电流，根据检测结果、已针对每种电动机41确定的电动机41的线圈电阻(电动机固有值)及电动机41的电感求出感应电压，从而估计出电动机41的转子的角度。并且，通过对该估计值进行积分而计算出转速。
另外，作为第二种方法的其他方法，还能够利用专用硬件直接检测出电动机41的转速。例如，使用霍尔传感器等检测电动机41的转子角度，根据检测出的角度检测出转速。若使用专用元件，则能够更准确地检测出电动机转速，后述的功率元件估计温度Tp_est的计算精度提高。
由上述任一种方法检测出的转速(电动机转速)作为转速信息被输出至控制单元33。
电动机41设置在外壳42的内部。另外，制冷剂通过该外壳42的内部。功率元件31与外壳42的外部发生接触地配置。此处所谓“外壳42的外部”，是指隔着外壳42而与电动机41及制冷剂所处的空间相反的一侧。
如上所述，若功率元件31的温度超过允许值，则该功率元件31有可能特性劣化或损坏，因此，如图2所示，将安装于基板36的功率元件31与铝等导热性好的外壳42发生接触并固定于该外壳42。由此，能够使功率元件31的热量散发至通过内部的吸入制冷剂。
控制单元33由CPU(Central Processing Unit，中央处理器)与ROM(ReadOnly Memory，只读存储器)或RAM(RandoｍAccess Memory，随机存取存储器)等构成。控制单元33根据由空调ECU5输出的空调控制信号中所包含的要求转速，对驱动功率元件31的驱动电路32进行控制。
控制单元33为了以空调控制信号中所包含的接收到的要求转速驱动电动机41，生成用于对功率元件31进行导通/断开控制的控制信号，并输出至驱动电路32，。驱动电路32根据该控制信号使功率元件31通电及断电。由此，能控制电动机转速。
另外，控制单元33除了执行上述控制之外，还具有根据输入的转速信息及温度信息估计功率元件31的温度的功能。将该估计出的功率元件31的温度称为“功率元件估计温度Tp_est”。该估计方法在后面详细叙述。
控制单元33还具有在功率元件估计温度Tp_est为规定的温度(动作上限温度Tmax)以上时，使功率元件31停止的功能。
使用图3说明关于以上述方式构成的电动压缩机的处理动作。图3是说明本发明的一个实施方式的电动压缩机的控制单元的动作的图。
处理开始后，控制单元33获取空调控制信号(S01)，并根据该空调控制信号判断是否改变电动压缩机1的设定(S02)。此处所谓的设定是指电动机41的转速。当不改变电动机41的转速(S02：“否”)时，控制单元33使处理前进至S04。在改变电动机41的转速的情况下，控制单元33控制由功率元件31输出的电力(S03)。
在S03之后或者在S02为“否”的情况下，控制单元33从转速检测单元35获取电动机41的转速信息(S04)，并且从温度测定单元34获取温度信息(S05)。
在S05之后，控制单元33根据S05中所获取到的转速信息及温度信息，估计功率元件31的温度(功率元件估计温度Tp_est)(S06)。该估计方法在后面叙述。
在S06之后，控制单元33判断S06中所计算出的功率元件估计温度Tp_est是否为动作上限温度Tmax以上(S07)。
若功率元件31达到高温(例如100℃左右的值)，则存在特性劣化或损坏的情况。因此，若功率元件31达到动作上限温度Tmax以上(S07，“是”)，则控制单元33使功率元件31的动作停止(S08：功率元件过热保护动作)。
由此，即使功率元件31的温度随着剧烈的负荷变动而急速上升，也能保护功率元件31而不使其特性劣化或损坏。
S08中，控制单元33停止向驱动电路32输出控制信号，使功率元件31停止。由于功率元件31停止，用于驱动电动机41的电力的输出停止。
接着，详细地说明在S06中，控制单元33执行的用于计算出功率元件31的实际温度(Tp)的估计温度(功率元件估计温度Tp_est)的计算式。
图4是说明电动机转速与功率元件温度之间的关系的图。另外，图5是示例电动机转速和功率元件温度与检测温度的温度差值之间的相关性的图。图6是示例功率元件温度与检测温度的温度差值和检测温度的斜率之间的相关性的图。另外，图7是表示功率元件温度测定温度及功率元件估计温度的实测值的一例的图。
可以认为，当如图2那样，将温度测定单元34配置在相对于功率元件31热阻大(隔着基板36)的部位时，温度测定单元34的测定温度与功率元件31的实际温度(Tp)不一致的原因为以下两点。
使用图4说明第一个原因。在电动压缩机中，吸入的制冷剂量(吸入制冷剂量)也会与电动机转速的增加成比例地增加。因此，制冷剂的冷却能力也表现出与电动机转速成比例的倾向(图4的“制冷剂的冷却能力”)。
另一方面，功率元件31会伴随着由其导通电阻引起的损耗与由开关动作引起的损耗而自身发热。该导通电阻不依赖于电动机转速而固定，开关损耗与电动机转速成比例。因此，功率元件31的自身发热量与转速成比例(图4的“功率元件31的自身发热量”)。
能够从“功率元件31的自身发热量”中减去由“制冷剂的冷却能力”产生的冷却热量，计算出功率元件31的实际温度(Tp)。“功率元件31的自身发热量”及“制冷剂的冷却能力”均与电动机转速成比例，因此，功率元件31的实际温度(Tp)也具有与转速成比例的参数。
然而，当将温度测定单元34设置在相对于功率元件31热阻大的部位时，温度响应性会因上述的“制冷剂的冷却能力”对功率元件31的影响而变迟钝。因此，为了计算出功率元件估计温度Tp_est，需要考虑电动机转速。
第二个原因在于：因为从功率元件31至温度测定单元34为止的热阻大，所以会导致热量在基板36上分散，功率元件31的实际温度(Tp)的温度与测定温度Ts不一致，导致温度响应性变迟钝。
作为上述倾向，每单位时间的功率元件31的温度变化越大，则温度测定单元34的瞬态响应延迟越明显。若认为功率元件31与温度测定单元34之间的热阻固定，则温度测定单元34的测定温度Ts在时间上的斜率、与功率元件31的测定温度Ts相对于实际温度的温度差(温度差值Td)存在相关性。因此，为了计算出功率元件估计温度Tp_est，需要考虑该相关关系。
基于上述两个原因，控制单元33通过以下的(1)式计算出功率元件估计温度Tp_est。
Tp_est＝Ts＋α＊SPD＋β＊ΔTs(1)
其中，α[℃/rpm]为电动机转速修正系数
β[℃/(℃/sec)]为瞬态响应修正系数
ΔTs[℃/sec]为测定温度Ts的每单位时间的温度变化
(1)式的α及β在后面叙述。
关于上述(1)式，根据图5及图6的实验数据显示其有用性。
图5是表示电动机转速与温度差值Td(按照电动机转速连续运转至功率元件31的实际温度饱和时的温度差值)之间的关系的曲线图。利用安装在基板36上的热敏电阻测量传感器温度，利用固定于功率元件表面的热电偶测量功率元件31的实际温度(Tp)。另外，将喷出压力Pd设定为2.0MPa及2.3MPa。
如图5所示，具有如下倾向：温度差值Td与电动机转速的上升成比例地减小。即，电动机转速越高，则功率元件31的测定温度Ts相对于实际温度的温度差越大。
通过考虑如图5中的虚线所示的近似式，能够将(1)式中的电动机转速修正系数α例如设定为-0.0027。
这样，控制单元33如(1)式所示，从由温度测定单元34测定出的测定温度Ts中，减去随着由转速检测单元35检测出的电动机转速的增加而增加的值，由此估计功率元件31的温度。由此，温度响应性提高。
图6是表示温度差值Td(按照电动机转速连续运转至功率元件31的实际温度饱和时的温度差值)与ΔTs(测定温度Ts的每单位时间的温度变化)之间的关系的曲线图。图6是使电动机转速保持固定地运转时的数据。
如图6所示，温度变化ΔTs越大，则温度差值Td越大。即，能够确认如下相关性：温度变化ΔTs越大，则测定温度Ts的响应延迟越大。若以各数据的近似式进行替换，则能够将(1)式的瞬态响应修正系数β例如设定为100。
由功率元件31发出的热量通过使该热量扩散的基板36传递至温度测定单元34。由于基板36使热量扩散，所以由温度测定单元34测定出的温度与实际的功率元件31的温度不同，且因热量在基板上传递的时间而产生延迟。
在设为此种配置时，若根据由温度测定单元34测定出的温度进行功率元件过热保护动作，则由于存在热量在基板36上传递的时间，所以在功率元件31的温度急速上升的情况下无法跟踪。其结果是有可能导致功率元件31的特性劣化或破损。
因此，控制单元33如(1)式所示，将与温度测定单元34测定出的测定温度Ts在规定时间内的温度变化(温度变化ΔTs)成比例的值，与温度测定单元34测定出的测定温度Ts相加，从而计算出功率元件估计温度Tp_est。由此，温度响应性提高，所以能够防止功率元件31的特性劣化或破损。
最后，使用图7验证利用(1)式计算出的功率元件31的估计温度与实测温度之间的差值。如图7所示，在时刻100sec～300sec中，温度测定单元34的测定温度Ts对于功率元件31的实际温度Tp的跟踪性差。另外，在时刻500sec以后，温度测定单元34的测定温度Ts达到饱和状态，但功率元件31的实际温度Tp在时刻150sec附近饱和，这两个饱和温度发生偏差。
与此相对，对于功率元件估计温度Tp_est而言，其相对于功率元件31的实际温度Tp的瞬态响应的跟踪性得到改善，并且其饱和温度也取与功率元件31的实际温度Tp的饱和温度大致相等的值，能够确认本发明的温度估计的效果。
如图7所示，由温度测定单元34测定出的测定温度Ts相对于实际温度Tp具有大误差。因此，需要具有相当的余量地设定用于停止向功率元件31供给电力的温度。其结果是电动压缩机1的可运转温度区域变窄，有可能无法实现期望的空气调节。
另一方面，如图7所示，功率元件估计温度Tp_est与实际温度Tp之间的误差小。因此，能减小用于停止向功率元件31供给电力的温度的余量。其结果是能够确保电动压缩机1的可运转温度区域为大温度区域，从而能可靠地实现期望的空气调节。
如上所述，本发明的一个实施方式的电动压缩机1根据由转速检测单元35检测出的电动机41的转速及由温度测定单元34测定出的温度，估计功率元件31的温度。
电动机41的转速与制冷剂的流量直接相关。因此，利用由转速检测单元35检测出的电动机41的转速修正由温度测定单元34测定出的温度，由此，能够减小制冷剂的影响。
根据以上内容，产生如下效果：即使离开功率元件31地配置温度测定单元34，也能够跟踪功率元件31的温度变化。
在2010年10月1日提出的日本专利申请特愿2010-223760号包含的说明书、附图和说明书摘要的公开内容，全部引用于本申请。
工业实用性
本发明作为压缩制冷剂的电动压缩机等有用。
Claims (5)
1.电动压缩机，包括：
电动机，产生压缩制冷剂的驱动力；
功率元件，驱动所述电动机；
温度测定单元，测定配置有所述功率元件的基板的温度；
转速检测单元，检测所述电动机的转速；以及
控制单元，估计所述功率元件的温度，其中，
所述控制单元根据所述转速检测单元检测出的电动机的转速及所述温度测定单元测定出的温度，估计所述功率元件的温度。
2.如权利要求1所述的电动压缩机，
所述控制单元进一步调整所述功率元件输出的电力，当估计出的所述功率元件的温度为规定温度以上时，使所述功率元件停止。
3.如权利要求1所述的电动压缩机，
所述电动机设置在外壳的内部，
制冷剂通过所述外壳的内部，
所述功率元件与所述外壳的外部接触地配置。
4.如权利要求1所述的电动压缩机，
所述控制单元基于将所述温度测定单元测定出的温度中减去随着所述转速检测单元检测出的电动机转速的增加而增加的参数所得到的值，估计所述功率元件的温度。
5.如权利要求1所述的电动压缩机，
所述控制单元将与所述温度测定单元测定出的温度在规定时间内的温度变化成比例的值，与所述温度测定单元测定出的温度相加，由此估计所述功率元件的温度。
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