CN103596797A - 用于运行由逆变器操控的电机的控制装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行由逆变器(2)控制的电机(1)的方法，其中，所述逆变器(3)包括具有可控功率开关元件(3)和分别与之并联的功率二极管(4)形式的功率器件的半桥分支(10-U、10-V、10-W)，其中每个所述半桥分支(10-U；10-V；10-W)布置在单独的半导体模块(11-U；11-V；11-W)上，其共同布置在基板(12)上，其中，确定流经半桥分支(10-U、10-V、10-W)的相电流(I_U、I_V、I_W)、在功率器件上所施加的电压和半导体模块(11-u、11-V、11-W)上的温度(t_Sens_U、t_Sens_V、t_Sens_W)，从分别在功率器件处流动的电流(I_U；I_V；I_W)和分别施加的电压中为每个所述功率器件计算损耗功率(P)，从损耗功率(P)为每个所述功率器件以及为温度传感器(13-U、13-V、13-W)确定相应的温度偏移(Δt；Δt_Sens)，所述温度传感器用于确定半导体模块上的温度，从所确定的在半导体模块(11-u、11-V、11-W)上的温度(t_Sens_U、t_Sens_V、t_Sens_W)和所确定的在温度传感器(13-U、13-V、13-W)处的温度偏移(Δt_Sens)确定基板(12)的温度(TempCooler)，并根据所确定的温度偏移(Δt)和基板(12)的所确定的温度(TempCooler)来确定电机(1)的转矩或者功率。

Description

用于运行由逆变器操控的电机的控制装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行由逆变器操控的电机的控制装置和方法。
背景技术
通常使用感应式电机形式的电机驱动混合车辆或者电动车辆，所述电机与逆变器(经常也称作Inverter(变换器))结合地被运行。电机在此可选地以发动机或发电机运行方式被运行。在发动机运行中，电机产生驱动力矩，该驱动力矩在用于混合车辆中时支持内燃机，例如在加速阶段。在发电机运行中，电机产生电能，所述电能被存储在储能器中，诸如电池或者超级电容(Super-Cab)。电机的运行方式和功率通过逆变器调节。
已知的逆变器包括一系列开关元件，利用所述开关元件将电机的各个相可选地接至高供电电压电位或者低供电电压电位。在此，分别两个串联的开关元件构成半桥分支，其中第一开关元件与高供电电压电位连接，并且第二开关元件与低供电电压电位连接。电机的每个相于是分别与一个半桥分支相连接。所述开关元件由外部控制单元操控，所述外部控制单元根据驾驶员意愿(加速或者制动)为电机计算额定运行点。所述逆变器与控制单元连接并从其获得对应的运行数据或控制指令。
对于经由逆变器被控制的电机，逆变器的半导体功率器件——下文简称为功率器件——尤其在当转速小时以高电流运行中遭受高热负荷。这样电动车辆或者混合车辆例如必须在纯电行驶运行方式中仅仅能够借助电机起动。如果电机在此在没有平衡转速的耦合元件、例如转矩转换器或者摩擦离合器的情况下与传动装置及从而车辆的车轮连接，那么电机就必须提供从“零”转速起的所需要的起动力矩。例如在陡坡处或者也在街边石边棱处需要特别高的起动力矩。
如果电机例如实施为同步电机，那么定子中的力矩产生场直接与电机转速耦合。由此电场在转速为零时根本不运动或者在转速小时仅非常缓慢地运动，但这导致产生该场的逆变器必须利用相同的功率器件较长时间地提供所需电流。因此逆变器功率器件的负荷在该运行范围内不均匀，从而在功率器件处出现不同的温度。而在较高转速时几乎不出现温差，因为热时间常数明显大于功率器件的换向时间。
由于在逆变器功率器件处出现的温度偏移决定性地影响所述器件的寿命，必须限制功率器件中的温度偏移。为此在达到温度偏移的极限值时降低用于产生力矩产生场的电流并因而限制电机的转矩或功率。
由EP1 768 238A1已知一种用于限制电动机末级温度的方法，其中温度由至少一个包含在末级的桥式构件通过以下方式确定，即测量流经桥式构件的相电流，从相电流中计算桥式构件的损耗功率，由损耗功率确定在桥式构件处得出的温度提高，并且将与末级基板的温度加到温度提高上。当所确定的桥式构件温度超过特定最大温度时，则降低电动机的输出力矩。
发明内容
本发明提供一种用于运行由逆变器操控的n相电机的方法，其中n≥1，其中所述逆变器包括具有可控功率开关元件和分别与之并联的功率二极管形式的功率器件的n个半桥分支，其中每个所述半桥分支布置在单独的半导体模块上，其共同布置在基板上。至少对于低于可预定转速阈值的电机转速范围，确定流经半桥分支的相电流、施加在功率器件上的电压和半导体模块上的温度。从分别在功率器件处流动的电流和分别施加的电压为每个所述功率器件计算损耗功率。从损耗功率接着为每个所述功率器件以及为温度传感器确定相应的温度偏移，所述温度传感器用于确定半导体模块上的温度。然后，由所确定的在半导体模块上的温度和所确定的在温度传感器处的温度偏移确定基板的温度并且最后根据所确定的温度偏移和所确定的基板温度来确定电机的转矩或者功率。
根据另一实施方式，本发明提供一种用于运行由逆变器控制的n相电机的控制装置，其中n≥1，其中所述逆变器包括具有可控功率开关元件和分别与之并联的功率二极管形式的功率器件的n个半桥分支，其中每个所述半桥分支布置在单独的半导体模块上，其共同布置在基板上，所述控制装置具有检测装置，其被设计用于至少对于低于可预定转速阈值的电机转速范围确定流经半桥分支的相电流、和在功率器件上施加的电压和半导体模块上的温度；第一计算装置，其被设计用于从分别在功率器件处流动的相电流和分别施加的电压为每个所述功率器件计算损耗功率；第二计算装置，其被设计用于由损耗功率为每个所述功率器件以及为温度传感器确定相应的温度偏移，所述温度传感器用于确定半导体模块上的温度；第三计算装置，其被设计用于从所确定的在半导体模块上的温度和所确定的在温度传感器处的温度偏移确定基板的温度；以及第四计算装置，其被设计用于根据所确定的温度偏移和所确定的基板温度来确定电机的转矩或者功率。
根据另一实施方式，本发明提供一种系统，所述系统包括根据本发明的控制装置；具有带有可控功率开关元件和分别与之并联的功率二极管形式的功率器件的n个半桥分支的逆变器，其中，每个所述半桥分支布置在单独的半导体模块上，其共同布置在基板上；和由逆变器控制的n相电机，其中n≥1。
本发明优点
根据本发明的装置基于的基本思想在于，在现有运行参量的基础上利用简单装置为逆变器的每个功率器件确定相应的温度偏移，以便可以根据运行情况在不损害功率器件的寿命的情况下限制电流的和从而电机的转矩或者功率的界限，在所述运行情况中出现对功率器件寿命的真实危及或消极影响。在此有利地也一起考虑功率器件处的每个负荷变化。因此可通过最小电机转动(其中重换向或转换到其他功率器件上)，在无减小的情况下较长地提供转矩，而在此不超过功率器件处的最大允许温度偏移。通过这种方式可以例如显著改善具有电驱动装置的车辆的起动能力，因为在电机转速小时也可以提供足够的起动力矩。这尤其在坡处的起动过程情况下有帮助，因为在那里需要特别高的起动力矩。不再需要转矩或者功率时“预防性”减小。
对于根据本发明的方法，在所施加的电流和电压的基础上为每个单个功率器件、即功率开关元件和功率二极管确定当前的损耗功率，以便可以从相应的损耗功率中根据相应的传递函数模仿每个单个功率器件中的温度偏移。在此根据＝传递函数从损耗功率中模仿功率器件和对半导体模块上的温度进行测量的温度传感器之间的热依赖关系，以便也可以在足够的程度上考虑基板或冷却器板的温度。
由于逆变器的各个功率器件之间可察觉的温差基本只在转速小时出现，因此在低于可预定转速阈值的电机转速范围内应用根据本发明的方法是足够的。但原则上可以与电机转速无关地应用根据本发明的方法。
为了能够考虑到功率开关元件和功率二极管的不同热容许负荷，根据本发明的实施方式规定，从所确定的在功率开关元件处的温度偏移确定功率开关元件处的最大温度偏移，从所确定的在功率二极管处的温度偏移(Δt)确定功率二极管处的最大温度偏移并根据所确定的在功率开关元件和功率二极管处的最大温度偏移确定电机的转矩或者功率。
除了出现的温度偏移，功率器件处的绝对温度也对其寿命有影响。因此根据本发明的实施方式规定，从所确定的基板温度和所确定的在功率开关元件和功率二极管处的最大温度偏移确定功率开关元件的绝对温度最大值或者功率二极管的绝对温度最大值并且也根据所确定的在功率开关元件和功率二极管处的绝对温度最大值确定电机的转矩或者功率。
根据本发明的另一实施方式，为了确定基板温度，从由半导体模块上的温度传感器所检测的温度中减去为半导体模块上的温度传感器所确定的温度偏移。于是从由此方式确定的温度值通过形成平均值确定基板温度。另外，通过这种方式补偿温度传感器的测量精度。
根据本发明的另一实施方式，借助至少一个传递函数从半导体模块上的至少一个功率器件的损耗功率确定该半导体模块上的温度传感器的温度偏移。由于根据半导体模块上温度传感器的布置，不是所有功率器件都影响温度传感器处的温度偏移，因此为了减少计算耗费可规定，只考虑对温度传感器有热影响的功率器件的损耗功率。
由于功率器件根据半导体模块上温度传感器的布置对温度传感器处的温度偏移具有不同的影响，本发明的另一实施方式规定，借助分别所分配的且彼此不同的传递函数从各个功率器件的损耗功率分别确定温度偏移分量。温度传感器处的温度偏移于是通过各个温度偏移分量求和来确定。
为了避免对逆变器功率器件寿命的持续损害和/或消极影响，当所确定的温度偏移和/或所确定的绝对温度值超过可预定极限值时，可将电机的转矩或者功率限制为可预定的最大值。
参考附图从以下说明中得出本发明实施方式的其他特征和优点。
附图说明
图1示出由逆变器控制的电机的示意性框图；
图2示出用于实施根据本发明的用于运行由逆变器控制的电机的方法的控制装置的示意性框图；以及
图3示出用于操控用以运行电机的逆变器的控制装置的示意图。
具体实施方式
图1示出三相电机1的示意图，所述电机可以例如被实施为同步、异步或者磁阻电机，具有连接到其上的逆变器2。所述逆变器2包括功率开关形式的功率开关元件3a-3f，其与电机1的各个相U、V、W连接并且将相U、V、W接至高供电电压电位T+或者低供电电压电位T-。与高供电电压电位T+连接的功率开关元件3a-3c在此称为“高压侧开关”，而与低供电电压电位T-连接的功率开关元件3d-3f被称为“低压侧开关”，并且例如可以实施为绝缘栅双极晶体管(IGBT)或者金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。另外，所述逆变器2包括功率二极管4a-4f形式的多个空载二极管，其分别与开关元件3a-3f之一并联布置。开关元件3a和3d、3b和3e以及3c和3f在此与分别所分配的功率二极管4a-4f一起分别构成半桥分支10-U、10-V或者10-W，其分别被分配给电机1的相U、V、W之一。
所述半桥分支10-U、10-V和10-W分别布置在单独的半导体模块11-U或11-V或11-W上。所述半导体模块11-U、11-V和11-W又布置在共同的基板12上，所述基板另外还接管用于功率器件的冷却板的功能。在所述半导体模块11-U、11-V和11-W的每一个上分别布置至少一个温度传感器13-U或13-V或13-W，借助所述温度传感器可以测量相应的半导体模块11-U或11-V或11-W上的温度。
所述逆变器2确定电机1的功率和运行方式并由只示意性示出的第一控制单元5相应地操控，该控制单元也可以被集成在逆变器2中。所述电机1可以在此可选地以发动机或者发电机运行方式被运行。
与脉冲逆变器2并行地布置有所谓的中间电路电容器6，其也可以集成在脉冲逆变器2中并基本用于稳定脉冲逆变器2中的中间电路电压。
所述电机1在所示实施例中实施为三相的，但也可以具有少于或者多于三个相。
下面借助图2阐述根据本发明的方法的实施方式。在此，下面示出的分析块可分别作为计算装置被包括在逆变器2的控制装置中，例如在图1所示的控制单元5中。分析块或计算装置在一个实施方式中可符合目的地被综合在共同的计算装置中。
对于电机的三个相U、V、W中的每一个和从而对于逆变器2的半桥分支10-U、10-V、10-W中的每一个分别设置第一分析块20-U或20-V或20-W。第一分析块20-U或20-V或20-W可以以第一计算装置来构成。向第一分析块20-U、20-V和20-W分别输送当前相电流I_U或I_V或I_W、相应的半导体分支10-U或10-V或10-W的功率开关元件3的占空比dyc_U或dyc_V或dyc_W以及中间电路电容器6处的当前电压U_ZK。所述中间电路电压U_ZK在此与相应的占空比dyc相结合地表征在相应的功率器件上所施加的电压。在第一分析块20-U、20-V和20-W中从这些输入参量中为相应的半桥分支10-U或10-V或10-W的所有功率器件、即为高压侧开关(HSS)3a或3b或3c、低压侧开关(LSS)3d或3e或3f、高压侧二极管(HSD)4a或4b或4c和低压侧二极管(LSD)4-d或4-e或4f计算当前的损耗功率P。
在第二分析块21-U、21-V和21-W中，其中所述第二分析块连接在第一分析块20-U或20-V或20-W之后，借助传递函数从相应的开关元件3和功率二极管4处的损耗功率P确定所有功率器件3a-f和4a-f处的温度偏移Δt。第二分析块21-U、21-V和21-W可以以第二计算装置来构成。另外，借助其他传递函数从相应的开关元件3和功率二极管4处的损耗功率P为相应的温度传感器13-U、13-V和13-W确定温度偏移Δt_Sens。在此可以为各个功率器件、即功率开关元件3以及功率二极管4分别设置不同的传递函数。
将功率器件处的所有所确定的温度偏移Δt以及用于温度传感器13的所有所确定的温度偏移Δt_Sens输送至连接在第二分析块21之后的第三分析块22。所述第三分析块22例如可以构成为第三计算装置。还将借助温度传感器13-U、13-V和13-W确定的在分别涉及的半导体模块11-U或11-V或11-W上的温度t_Sens_U或t_Sens_V或t_Sens_W输送至第三分析块22。在第三分析块22中通过从由所述传感器13分别测量的在半导体模块11上的温度中减去用于相应的温度传感器13-U，13-V和13-W的所确定的温度偏移Δt_Sens分别确定用于基板12的温度值。于是从用于基板12的所述温度值中通过形成平均值、例如形成算术平均值来确定基板12的温度TempCooler和从而冷却器温度。
除此以外，在第三分析块22中从所确定的在功率开关元件3处的温度偏移Δt通过形成最大值确定功率开关元件3处的最大温度偏移以及从所确定的在功率二极管4处的温度偏移Δt通过形成最大值确定功率二极管4处的最大温度偏移。接着通过将基板温度TempCooler加到功率开关元件3处的最大温度偏移上来确定功率开关元件3的绝对温度的最大值TmaxS。同样通过将基板温度TempCooler加到功率二极管4处的最大温度偏移上来确定功率二极管4的绝对温度的最大值TmaxD。这两个最大值TmaxS和TmaxD然后与所确定的基板12温度TempCooler共同地被转交给第四分析块23，其根据所述参量或者也根据由此导出参量确定电机1的转矩或者功率。所述第四分析块23例如可以构成为第四计算装置。尤其是，当所确定的温度偏移和/或所确定的绝对温度值超过可预定极限值时，电机的转矩或者功率被限制到可预定的最大值。
图3示出根据实施例用于运行由逆变器控制的n相电机的控制装置。所述控制装置30可以尤其是类似图1中的控制单元5。还可以规定，控制装置30包括在控制单元5中。所述控制装置30尤其可以用于操控图1中的脉冲逆变器2并且在此设计结合图2所阐述的控制步骤的功能性。
所述控制装置30包括检测装置31、第一计算装置32、第二计算装置33、第三计算装置34和第四计算装置35。
所述检测装置31被设计为至少对于低于可预定转速阈值的电机1转速范围确定流经待操控的脉冲逆变器2的半桥分支10-U、10-V、10-W的相电流和在功率器件上所施加的电压和半导体模块11-U、11-V和11-W上的温度。第一计算装置32被设计用于从分别在功率器件处流动的相电流和分别施加的电压为每个所述功率器件计算损耗功率P。第二计算装置33被设计用于从损耗功率P为每个所述功率器件以及为温度传感器13-U、13-V或13-W确定相应的温度偏移Δt，所述温度传感器用于确定半导体模块11-U、11-V和11-W上的温度。第三计算装置34被设计用于从所确定的在半导体模块11-U、11-V和11-W上的温度和所确定的在温度传感器13-U、13-V或13-W处的温度偏移确定基板12的温度。第四计算装置35被设计用于根据所确定的温度偏移Δt和所确定的基板12的温度确定电机1的转矩或者功率。

Claims (10)

1.用于运行由逆变器(2)控制的n相电机(1)的方法，其中n≥1，其中所述逆变器(3)包括具有可控功率开关元件(3)和分别与之并联的功率二极管(4)形式的功率器件的n个半桥分支(10-U、10-V、10-W)，其中每个所述半桥分支(10-U；10-V；10-W)布置在单独的半导体模块(11-U；11-V；11-W)上，其共同布置在基板(12)上，其中至少对于低于可预定转速阈值的电机(1)的转速范围，
-确定流经半桥分支(10-U、10-V、10-W)的相电流(I_U、I_V、I_W)，在功率器件上所施加的电压和半导体模块(11-u、11-V、11-W)上的温度(t_Sens_U、t_Sens_V、t_Sens_W)，
-从分别在功率器件处流动的电流(I_U；I_V；I_W)和分别施加的电压为每个所述功率器件计算损耗功率(P)，
-从损耗功率(P)为每个所述功率器件以及为温度传感器(13-U、13-V、13-W)确定相应的温度偏移(Δt；Δt_Sens)，所述温度传感器用于确定半导体模块上的温度，
-从所确定的在半导体模块(11-u、11-V、11-W)上的温度(t_Sens_U、t_Sens_V、t_Sens_W)和所确定的在温度传感器(13-U、13-V、13-W)处的温度偏移(Δt_Sens)确定基板(12)的温度(TempCooler)，以及
-根据所确定的温度偏移(Δt)和所确定的基板(12)的温度(TempCooler)来确定电机(1)的转矩或者功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所确定的在功率开关元件(3)处的温度偏移(Δt)确定功率开关元件(3)处的最大温度偏移，从所确定的在功率二极管(4)处的温度偏移(Δt)确定功率二极管(4)处的最大温度偏移，以及根据功率开关元件(3)和功率二极管(4)处的所确定的最大温度偏移确定电机(1)的转矩或者功率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，从所确定的基板(12)的温度和所确定的在功率开关元件(3)和功率二极管(4)处的最大温度偏移确定功率开关元件(3)的绝对温度的最大值(TmaxS)或者功率二极管(4)的绝对温度的最大值(TmaxD)并根据功率开关元件(3)和功率二极管(4)的所形成的最大值(TmaxS；TmaxD)确定电机(1)的转矩或者功率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定基板(12)的温度(TempCooler)
-从通过在半导体模块(11)上的温度传感器(13)所检测的温度(t_Sens)中减去为半导体模块(11)上的温度传感器(13)所确定的温度偏移(Δt_Sens)，并且
-从以这种方式所确定的温度值通过形成平均值确定基板(12)的温度(TempCooler)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助至少一个传递函数从半导体模块(11)上的至少一个功率器件的损耗功率(P)确定该半导体模块(11)上的温度传感器(13)处的温度偏移(Δt_Sens)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，只考虑对温度传感器(13)有热影响的功率器件的损耗功率(P)。
7.根据权利要求5或6任一项所述的方法，其特征在于，借助分别分配的且彼此不同的传递函数从各个功率器件的损耗功率(P)分别确定温度偏移分量并且通过对各个温度偏移分量形成和来确定温度传感器(13)处的温度偏移(Δt_Sens)。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其特征在于，当所确定的温度偏移(Δt)和/或所确定的绝对温度值超过可预定极限值时，将电机(1)的转矩或者功率限制到可预定的最大值。
9.用于运行由逆变器(2)控制的n相电机(1)的控制装置(30)，其中n≥1，其中所述逆变器(3)包括具有可控功率开关元件(3)和分别与之并联的功率二极管(4)形式的功率器件的n个半桥分支(10-U、10-V、10-W)，其中每个所述半桥分支(10-U；10-V；10-W)布置在单独的半导体模块(11-U；11-V；11-W)上，其共同布置在基板(12)上，所述控制装置具有：
检测装置(31)，其被设计用于至少对于低于可预定转速阈值的电机(1)的转速范围，确定流经半桥分支(10-U、10-V、10-W)的相电流(I_U、I_V、I_W)和在功率器件上所施加的电压和半导体模块(11-u、11-V、11-W)上的温度(t_Sens_U、t_Sens_V、t_Sens_W)；
第一计算装置(32)，其被设计用于从分别在功率器件处流动的相电流(I_U；I_V；I_W)和分别施加的的电压为每个所述功率器件计算损耗功率(P)；
第二计算装置(33)，其被设计用于从损耗功率(P)为每个所述功率器件以及为温度传感器(13-U、13-V、13-W)确定相应的温度偏移(Δt；Δt_Sens)，所述温度传感器用于确定半导体模块上的温度；
第三计算装置(34)，其被设计用于从所确定的在半导体模块(11-U、11-V、11-W)上的温度(t_Sens_U、t_Sens_V、t_Sens_W)和所确定的在温度传感器(13-U、13-V、13-W)处的温度偏移(Δt_Sens)确定基板(12)的温度(TempCooler)；以及
第四计算装置(35)，其被设计用于根据所确定的温度偏移(Δt)和所确定的基板(12)的温度(TempCooler)确定电机(1)的转矩或者功率。
10.系统，具有：
根据权利要求9所述的控制装置(30)；
具有带有可控功率开关元件(3)和分别与之并联的功率二极管(4)形式的功率器件的n个半桥分支(10-U、10-V、10-W)的逆变器(2)，其中每个所述半桥分支(10-U；10-V；10-W)布置在单独的半导体模块(11-U；11-V；11-W)上，其共同布置在基板(12)上；以及
由逆变器控制的n相电机(1)，其中n≥1。
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