CN103201948A - 电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种既能够防止因LC谐振引起的部件的热破坏、蓄电池的劣化，又能够确保电动车辆的驱动性能的技术。本说明书公开了一种电动机控制装置，在具备蓄电池、转换器电路、变换器电路、平滑电容器和电动机的电动车辆中，通过控制变换器电路的工作来控制电动机的驱动。在该电动机控制装置中，引起由转换器电路的电抗器和平滑电容器构成的LC电路的谐振的电动机的工作区域设定为谐振区域。在该电动机控制装置中，在转换器电路不进行升压、且电动机的工作点包含于谐振区域的情况下，仅在预定时间内容许电动机的矩形波控制。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及电动机控制装置。

背景技术

已知有通过转换器（converter）电路将来自蓄电池的电力升压、供给电动机的电动车辆。在这种电动车辆中，由使通过转换器电路升压了的电压平滑的平滑电容器、和转换器电路的电抗器构成LC电路。若该LC电路产生谐振（LC谐振），则在电路中流动的电流以大振幅并以高频率进行振动，导致部件的过热、蓄电池的劣化。因此，在电动车辆的工作中，需要尽量不引起LC谐振。

在很多电动车辆中，作为电动机的控制方式，并用正弦波PWM控制和矩形波控制。电动机在低速低转矩区域工作的情况下，使用正弦波PWM控制。电动机在高速高转矩区域工作的情况下，使用矩形波控制。正弦波PWM控制中的变换器（inverter）电路的开关，以按照比LC电路的谐振频率高的载波频率的周期进行，所以在正弦波PWM控制中，不会产生LC谐振。相对于此，矩形波控制中的变换器电路的开关，以与电动机的转速相应的中断周期进行，所以根据电动机的转速，会产生LC谐振。

专利文献1中，公开了避免上述的矩形波控制中的LC谐振的技术。专利文献1的技术中，在电动机的工作点包含于预定的谐振区域中时，通过转换器电路进行升压以使变换器电路侧电压比蓄电池侧电压高，并且使用正弦波PWM控制方式来控制变换器电路。在此所说的谐振区域是指，在电动机以其转矩和转速工作的情况下，会在LC电路产生谐振的电动机的工作区域。在专利文献1的技术中，通过利用转换器电路进行升压，使能够应用正弦波PWM控制的区域扩大。由此，在谐振区域中能够应用正弦波PWM控制，不进行矩形波控制。根据专利文献1的技术，在电动机的工作点包含于谐振区域的情况下不进行矩形波控制，所以能够防止发生LC谐振。

专利文献1：日本特开2009-225633号公报

发明内容

在需要保护变换器电路免受热侵害的情况下、在转换器电路产生故障的情况下等等，存在电动车辆在不进行转换器电路的升压的状况下工作的情况。在不进行转换器电路的升压的状况下，能够应用正弦波PWM控制的区域窄，谐振区域脱离能够应用正弦波PWM控制的区域。在这种情况下，若完全禁止谐振区域中的矩形波控制，则不能使电动机输出所期望的转矩，会损害电动车辆的驱动性能。期待有一种既能够防止LC谐振引起的部件的过热、蓄电池的劣化，又能够确保电动车辆的驱动性能的技术。

本说明书公开了一种电动机控制装置，在具备蓄电池、对来自蓄电池的直流电力进行升压的转换器电路、将来自转换器电路的直流电力变换为交流电力的变换器电路、设置于转换器电路和变换器电路之间的平滑电容器、和利用来自变换器电路的交流电力进行驱动的电动机的电动车辆中，通过控制变换器电路的工作来控制电动机的驱动。在该电动机控制装置中，引起由转换器电路的电抗器和平滑电容器构成的LC电路的谐振的电动机的工作区域设定为谐振区域。在该电动机控制装置中，在转换器电路不进行升压、且电动机的工作点包含于谐振区域的情况下，仅在预定时间内容许电动机的矩形波控制。

在上述的电动机控制装置中，通过仅在预定时间容许谐振区域中的电动机的矩形波控制，防止电动机输出的转矩的降低，确保电动车辆的驱动性能。在该情况下，虽然伴随电动机的矩形波控制产生LC谐振，但是若经过预定时间则禁止矩形波控制，所以能够在导致部件的过热、蓄电池的劣化之前使LC谐振结束。根据上述的电动机控制装置，既能够防止因LC谐振引起的部件的过热、蓄电池的劣化，又能够确保电动车辆的驱动性能。

优选：上述的电动机控制装置，在转换器电路不进行升压、且电动机的工作点包含于谐振区域的情况下，至蓄电池电压低于下限值为止容许电动机的矩形波控制，当蓄电池电压低于下限值时，禁止电动机的矩形波控制。

若产生LC谐振，则从蓄电池反复取出大电流，蓄电池电压逐渐降低。在上述的电动机控制装置中，在蓄电池电压比下限值高期间容许电动机的矩形波控制，若因LC谐振的持续而导致蓄电池电压降低、蓄电池电压低于下限值，则禁止电动机的矩形波控制。根据上述的电动机控制装置，既能够防止因LC谐振引起的部件的热破坏、蓄电池的劣化，又能够确保电动车辆的驱动性能。

本说明书也公开了另外的电动机控制装置。该电动机控制装置在具备蓄电池、对来自蓄电池的直流电力进行升压的转换器电路、将来自转换器电路的直流电力变换为交流电力的变换器电路、设置于转换器电路和变换器电路之间的平滑电容器、和利用来自变换器电路的交流电力进行驱动的电动机的电动车辆中，通过控制变换器电路的工作来控制电动机的驱动。在该电动机控制装置中，引起由转换器电路的电抗器和平滑电容器构成的LC电路的谐振的电动机的工作区域设定为谐振区域。在该电动机控制装置中，在转换器电路不进行升压、且电动机的工作点包含于谐振区域的情况下，至蓄电池电压低于下限值为止容许电动机的矩形波控制，当蓄电池电压低于下限值时，禁止电动机的矩形波控制。

根据上述的电动机控制装置，既能够防止因LC谐振引起的部件的热破坏、蓄电池的劣化，又能够确保电动车辆的驱动性能。

通过下述的发明的实施方式，详细说明本说明书公开的技术。

附图说明

图1是示意地表示电动车辆10的电气系统的图。

图2是表示转换器电路20不进行升压的情况下的电动机16的工作特性的图。

图3是控制装置30进行的处理的流程图。

具体实施方式

图1表示电动车辆10的电气系统。电动车辆10具备：蓄电池12；电力转换装置14；和电动机16。在电动车辆10中，将蓄积在蓄电池12的电力经由电力转换装置14供给至电动机16。另外，在蓄电池12为二次电池的情况下，还能够在电动车辆10减速时，将由电动机16的再生发电而产生的电力经由电力转换装置14供给至蓄电池12，对蓄电池12进行充电。电动车辆10，可以为电池式电动汽车，也可以为混合汽车。蓄电池12可以为镍氢电池、锂离子电池等二次电池，也可以为燃料电池等一次电池。电动机16是使车轮的驱动轴旋转的三相交流电动机。

电力转换装置14具备：转换器电路20；第1平滑电容器22；三相变换器电路24；第2平滑电容器26；放电电阻28；和控制装置30。

转换器电路20是将从蓄电池12供给的电压根据需要升压至适合电动机16驱动的电压的DC/DC转换器。在本实施例中，从蓄电池12供给的电压是300V，适合电动机16的驱动的电压是600V。另外，转换器电路20也能够将电动车辆10减速时电动机16再生发电的电压降压至与蓄电池12相同的电压。转换器电路20具有：电抗器25；上臂开关27；和下臂开关29。上臂开关27是具有作为开关元件的IGBT27a和回流二极管（還流ダイオ一ド）27b的反向导通型开关。下臂开关29是具有作为开关元件的IGBT29a和回流二极管29b的反向导通型开关。上臂开关27和下臂开关29互补地切换导通/断开。

第1平滑电容器22设置于蓄电池12和转换器电路20之间，使蓄电池12和转换器电路20之间的输入输出电压平滑。

三相变换器电路24将从转换器电路20供给的直流电力转换为用于电动机16的驱动的三相交流电力。另外，三相变换器电路24也能够将电动车辆10减速时电动机16再生发电的三相交流电力转换为用于向转换器电路20供给的直流电力。三相变换器电路24的转换工作通过控制装置30控制。

第2平滑电容器26设置于转换器电路20和三相变换器电路24之间，使转换器电路20和三相变换器电路24之间的输入输出电压平滑。

放电电阻28与第2平滑电容器26并联连接。放电电阻28是为了在电动车辆10的电气系统停止、转换器电路20、三相变换器电路24不工作时，将蓄积在第2平滑电容器26的电荷放电而设置的。

控制装置30控制转换器电路20的上臂开关27和下臂开关29的导通/断开工作。另外，控制装置30控制三相变换器电路24的开关元件的导通/断开工作。在蓄电池12设置有检测电压的电压传感器（未图示），该电压传感器的检测值输入控制装置30。

电动机16进行动力运行（牵引）工作时，从蓄电池12向电动机16供给电力。在该情况下，转换器电路20将从蓄电池12输入的低电压的直流电力转换为向三相变换器电路24输出的高电压的直流电力。此时，通过电抗器25、下臂开关29的开关元件29a和上臂开关27的回流二极管27b，转换器电路20作为升压斩波（chopper）电路发挥作用。此时的高压侧电压VH和低压侧电压VL的比，与下臂开关29的导通/断开的负载比（占空比）对应。通过适当地设定下臂开关29的负载比，能够实现作为目标的高压侧电压VH。

在电动机16进行再生工作时，从电动机16向蓄电池12供给电力。在该情况下，转换器电路20将从三相变换器电路24输入的高电压的直流电力转换为向蓄电池12输出的低电压的直流电力。此时，通过电抗器25、上臂开关27的开关元件27a和下臂开关29的回流二极管29b，转换器电路20作为降压斩波电路发挥作用。此时的高压侧电压VH和低压侧电压VL的比，与上臂开关27的导通/断开的负载比对应。通过适当地设定上臂开关27的负载比，能够实现作为目标的高压侧电压VH。

另外，在三相变换器电路24的冷却系统产生异常的情况等等以保护三相变换器电路24免受热侵害的模式进行工作的情况下，有时在转换器电路20中不进行升降压。此时，使上臂开关27一直导通，使蓄电池12侧的电压和三相变换器电路24侧的电压为相同电压。在上臂开关27出现导通故障的情况下、下臂开关29出现断开故障的情况下，转换器电路20也不进行升降压，蓄电池12侧的电压和三相变换器电路24侧的电压为相同电压。

在电动机16中，为了扩大能够工作的旋转速度区域，根据转速和转矩切换控制方式。在低速低转矩区域中，通过正弦波PWM控制来驱动电动机16。在正弦波PWM控制中，控制三相变换器电路24的工作，使得从三相变换器电路24对电动机16实质上施加正弦波电压。通过进行正弦波PWM控制，能够一边抑制转矩波动，一边高效地驱动电动机16。与此相对，在高速高转矩区域中，通过矩形波控制来驱动电动机16。在矩形波控制中，控制三相变换器电路24的工作，以使从三相变换器电路24对电动机16施加矩形波电压。在高速高转矩区域中，电动机16的反电动势高，用正弦波PWM控制难以稳定地控制电动机16，但通过进行矩形波控制，能够稳定地控制电动机16。由此，电动机16的能够工作的旋转速度区域扩大。

在电力转换装置14中，由转换器电路20的电抗器25和第2平滑电容器26形成LC电路。当在该LC电路产生谐振（LC谐振）时，在电力转换装置14流动的电流以大振幅且以高频率进行振动。在该情况下，因反复流过大电流，所以电抗器25等电力转换装置14的部件、蓄电池12等会过热。另外，由于从蓄电池12反复取出大电流，所以蓄电池12的劣化变早。

当产生LC谐振时，电流以比搭载在电动车辆10的电流传感器的数据获取周期快的周期进行振动，流动有超过电流传感器的能够测定范围的电流。因此，不能正确估计实际上流动的电流。因此，在本实施例中，预先将会引起LC谐振的电动机16的工作区域设定为谐振区域。

图2表示在转换器电路20不进行升降压的情况下的、关于电动机16的转矩和转速的工作特性。图2的实线40表示电动机16能够工作的范围的边界线。图2的虚线42表示在正弦波PWM控制和矩形波控制之间切换电动机16的驱动方式的边界线。在电动机16的工作点位于比虚线42靠左侧的情况下，控制装置30通过正弦波PWM控制来驱动电动机16。在电动机16的工作点位于比虚线42靠右侧的情况下，控制装置30通过矩形波来控制驱动电动机16。此外，在转换器电路20进行升降压的情况下，虚线42的位置根据由转换器电路20升压后的电压进行变化。若由转换器电路20升压后的电压高，则即使高转速下也能够进行正弦波PWM控制，从正弦波PWM控制向矩形波控制切换的转速也变高。

在以正弦波PWM控制来驱动电动机16的情况下，转矩波动非常小。另外，三相变换器电路24中的开关工作的周期与载波频率对应。通常，在正弦波PWM控制使用的载波频率比在电力转换装置14的内部构成的LC电路的谐振频率高，双方相距较大，所以在进行正弦波PWM控制的情况下，不会产生LC谐振。

与此相对，在以矩形波控制来驱动电动机16的情况下，产生某种程度的大小的转矩波动。另外，三相变换器电路24中的开关工作的周期按照与电动机16的转速对应的中断周期。因此，根据电动机16的转速，三相变换器电路24的开关周期接近LC电路的谐振周期，产生LC谐振。

在转换器电路20进行升压的情况下，能够应用正弦波PWM控制的区域扩大，即使在谐振区域也能够应用正弦波PWM控制。因此，在谐振区域不进行矩形波控制，不会产生LC谐振。但是，在转换器电路20发生故障不能进行升压的情况下、电动车辆10以不进行升压的模式进行工作的情况下等，不通过转换器电路20进行升压。在这种情况下，会出现能够应用正弦波PWM控制的范围窄、在谐振区域不得不进行矩形波控制的情况。在这种情况下，若完全禁止在谐振区域的矩形波控制，则虽然能够防止LC谐振的产生，但是导致电动机16输出的转矩显著降低。

所以，在本实施例的电动车辆10中，在转换器电路20不进行升压时、电动机16的工作点包含于谐振区域的情况下，仅在预定时间内容许矩形波控制。预定时间根据产生LC谐振时的最大电流持回流动情况下的、电力转换装置14的部件的耐久时间来决定。在本实施例中，采用电力转换装置14的部件中耐热最弱的电抗器25的耐久时间作为预定时间。通过这样仅以短时间容许谐振区域中的矩形波控制，能够尽可能抑制电动机16的转矩的降低。

具体来讲，在本实施例的电动车辆10中，在电动机16在图2中斜线所示的区域44中进行工作的情况下，容许矩形波控制直到经过预定时间，在预定时间经过之后禁止矩形波控制。由此，能够尽可能抑制从电动机16输出的转矩的降低。

另外，在本实施例的电动车辆10中，监视蓄电池12的电压，容许矩形波控制直到蓄电池12的电压低于下限值，在电池12的电压低于下限值的情况下，禁止矩形波控制。若LC谐振持续进行，则从蓄电池12反复引出大电流，所以蓄电池12的电压逐渐下降。所以，在本实施例中，在蓄电池12的电压低于下限值之后，禁止矩形波控制，从而防止LC谐振进一步持续进行。由此，能够防止因LC谐振引起的蓄电池12的劣化。

下面，参照图3，说明控制装置30进行的处理。

在步骤S2中，判断转换器电路20是否正在进行升压。在转换器电路20正在进行升压的情况下（是的情况下），不会产生LC谐振，所以处理返回步骤S2。在转换器电路20不在进行升压的情况下（否的情况下），处理向步骤S4前进。

在步骤S4中，判断电动机16的工作点是否包含于谐振区域。在本实施例中，在电动机16的转速在预定范围内的情况下，判断为电动机16的工作点包含于谐振区域。在电动机16的工作点不包含于谐振区域的情况下（否的情况下），不会产生LC谐振，所以处理返回步骤S2。在电动机16的工作点包含于谐振区域的情况下（是的情况下），处理向步骤S6前进。

在步骤S6中，判断是否有电动机16的控制方式变为矩形波控制的可能性。在本实施例的控制装置30中，使用预先存储的映射（map），根据电动机16的转速和转矩，决定电动机16的控制方式。此时使用的映射是电力转换装置14中假定的下限电压下的、关于正弦波PWM控制和矩形波控制的切换的映射。在电动机16的控制方式不是矩形波控制的情况下（否的情况下），不会产生LC谐振，所以处理向步骤S10前进。在电动机16的控制方式是矩形波控制的情况下（是的情况下），处理向步骤S8前进。

在步骤S8中，判断电动机16的谐振区域中的矩形波控制的持续时间是否达到预定时间。在矩形波控制的持续时间未达到预定时间的情况下（否的情况下），处理向步骤S10前进。若矩形波控制的持续时间达到预定时间（为是时），则向步骤S12前进，禁止电动机16的矩形波控制。

在步骤S10中，判断蓄电池12的电压是否成为了下限值以下。在蓄电池12的电压超过下限值的情况下（否的情况下），处理返回步骤S2。若蓄电池12的电压在下限值以下（为是时），则向步骤S12前进，禁止电动机16的矩形波控制。

根据本实施例，通过仅在预定时间内容许谐振区域中的电动机16的矩形波控制，能够防止电动机16输出的转矩的降低，确保电动车辆10的驱动性能。在该情况下，虽然伴随电动机16的矩形波控制产生LC谐振，但当经过了预定时间时，禁止矩形波控制，所以能够在导致电力转换装置14的部件的过热、蓄电池12的劣化之前，使LC谐振结束。既能够防止因LC谐振引起的部件的过热、蓄电池12的劣化，又能够确保电动车辆10的驱动性能。

此外，在上述中说明了以下的结构：在转换器电路20不进行升压且电动机16的工作点进入谐振区域的情况下，监视矩形波控制的持续时间和蓄电池电压这双方，在矩形波控制的持续时间达到预定时间或者蓄电池电压成为了下限值以下的情况下，禁止矩形波控制。也可以与此不同，做成仅仅监视矩形波控制的持续时间和蓄电池电压中的任意一方的结构。即，可以做成如下结构：在图3的流程图中，不进行步骤S10，仅仅着眼于矩形波控制的持续时间，在矩形波控制的持续时间达到预定时间时禁止矩形波控制。或者，也可以做成如下结构：图3的流程图中，不进行步骤S6和S8，仅仅着眼于蓄电池12的电压，在蓄电池12的电压成为了下限值以下时禁止矩形波控制。

参照附图对本发明的代表性的且非限定的具体例详细地进行了说明。该详细的说明，只是单纯地为了向本领域技术人员示出用于实施本发明的优选例的详细内容，并无意于限定本发明的范围。另外，为了提供进一步改善后的电动机控制装置，所公开的追加的特征和发明，可以与其他的特征、发明单独或一起使用。

另外，在上述详细的说明中公开的特征、工序的组合，并不是在最宽意思下实施本发明时所必须的，而仅仅是用于特别说明本发明的代表性的具体例而记载的。还有，上述的代表性的具体例的各种特征、独立以及从属权利要求记载的各种特征，在提供本发明的追加的且有用的实施方式时，并不一定按在此记载的具体例那样或者列举的顺序那样组合。

本说明书和/或权利要求记载的全部的特征，与实施例和/或权利要求记载的特征的结构不同，作为申请最初的公开以及权利要求的特定事项的限定，分别且相互独立地公开。还有，全部的数值范围和组或集团相关的记载，作为申请当初的公开以及权利要求的特定事项的限定，具有公开它们中间的结构的意思。

以上，对本发明的具体例详细地进行了说明，但这些只是例示，并不限定权利要求的范围。权利要求书记载的技术，包含将以上例示的具体例进行了各种变形、变更的内容。本说明书或者图面说明过的技术要素通过单独或者各种组合发挥技术方面的有用性，不限于申请时权利要求记载的组合。另外，本说明书或者图面例示的技术能够同时达成多个目的，达成其中一个目的就具有技术方面的有用性。

Claims (3)

1.一种电动机控制装置，在具备蓄电池、对来自蓄电池的直流电力进行升压的转换器电路、将来自转换器电路的直流电力变换为交流电力的变换器电路、设置于转换器电路和变换器电路之间的平滑电容器、和利用来自变换器电路的交流电力进行驱动的电动机的电动车辆中，通过控制变换器电路的工作来控制电动机的驱动，其特征在于：

引起由转换器电路的电抗器和平滑电容器构成的LC电路的谐振的电动机的工作区域设定为谐振区域，

在转换器电路不进行升压、且电动机的工作点包含于谐振区域的情况下，仅在预定时间内容许电动机的矩形波控制。

2.如权利要求1所述的电动机控制装置，

在转换器电路不进行升压、且电动机的工作点包含于谐振区域的情况下，至蓄电池电压低于下限值为止容许电动机的矩形波控制，当蓄电池电压低于下限值时，禁止电动机的矩形波控制。

3.一种电动机控制装置，在具备蓄电池、对来自蓄电池的直流电力进行升压的转换器电路、将来自转换器电路的直流电力变换为交流电力的变换器电路、设置于转换器电路和变换器电路之间的平滑电容器、和利用来自变换器电路的交流电力进行驱动的电动机的电动车辆中，通过控制变换器电路的工作来控制电动机的驱动，其特征在于：

引起由转换器电路的电抗器和平滑电容器构成的LC电路的谐振的电动机的工作区域设定为谐振区域，

在转换器电路不进行升压、且电动机的工作点包含于谐振区域的情况下，至蓄电池电压低于下限值为止容许电动机的矩形波控制，当蓄电池电压低于下限值时，禁止电动机的矩形波控制。

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