CN104917378B - 电压转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电压转换装置。本发明旨在不停止转换器的升压操作的情况下，在电池电压传感器与转换器的输入电压传感器之间针对异常进行区分。电压转换装置被配备电池、转换器、电池电压传感器、用于检测转换器的输入电压VL的电压传感器、用于检测电抗器电流的电流传感器、以及控制单元。控制单元在不停止转换器的升压操作的情况下，基于根据电抗器电流计算的VL推定值、转换器的输入电压VL以及电池电压VB，判定是电池电压传感器还是输入电压传感器异常。

Description

电压转换装置

相关申请信息

本申请要求2014年3月14日提交的编号为2014-051005的日本专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用的方式在此纳入。

技术领域

本发明涉及一种能够升高从电池提供的电压、并将该电压提供给负荷的电压转换装置。

背景技术

传统上，已知一种使用升压电路升高电池电压以将该电压提供给负荷 (例如，电动机)的负荷驱动装置。这种负荷驱动装置例如被安装在诸如混合动力自动车(automobile)和电气自动车(包括燃料电池车辆)之类的电动车辆上。

在此方面，编号为2006-288163的日本专利公开描述了一种技术：在包括电池、升压电路、用于检测电池电压的电池电压传感器、用于检测升压电路的输入电压的输入电压传感器、以及用于检测升压电路的输出电压的输出电压传感器的负荷驱动电路中，通过比较传感器检测到的三个电压值来判定哪个电压传感器异常。

在上述专利文献描述的技术中，利用在使升压电路停止升压操作时，这三个电压值理想地相等的理念，基于各个传感器检测到的电压值之间的差异对每个传感器执行异常判定。

但是，在上述专利文献描述的技术中，当执行判定以在各个电压传感器当中针对异常进行区分时，需要停止升压电路的升压(或增压)操作。因此，此技术的问题在于：为了执行传感器异常判定，需要停止升压操作，从而导致升压电路的输出电压所驱动的负荷的动力性能降低。

本发明的目的是提供一种在不停止升压电路的升压操作的情况下，能够在电池电压传感器与升压电路的输入电压传感器之间针对异常进行区分的电压转换装置。

发明内容

根据本发明的一种电压转换装置被配备：电池；升压电路，其能够升高从所述电池输入的电压；电池电压传感器，其用于检测电池电压；输入电压传感器，其用于检测所述升压电路的输入电压；输入电流传感器，其用于检测所述升压电路的输入电流；以及控制单元，来自各个传感器的检测值被输入到该控制单元，并且该控制单元控制所述升压电路的升压操作，其中所述控制单元在不停止所述升压电路的所述升压操作的情况下，基于根据所述升压电路的所述输入电流计算的输入电压推定值、所述升压电路的所述输入电压以及所述电池电压，判定是所述电池电压传感器还是所述输入电压传感器异常。

在根据本发明的电压转换装置中，优选地在所述输入电压传感器的检测值与所述电池电压传感器的检测值相对于所述输入电压推定值的差异的绝对值之间进行比较，从而判定具有较大差异的电压传感器异常。

此外，在根据本发明的电压转换装置中，代替所述电池电压传感器或所述输入电压传感器中被判定为异常的一者，优选地使用另一电压传感器的检测值继续所述升压电路的所述升压操作的控制。

基于根据本发明的电压转换装置，当对所述电池电压传感器和所述升压电路的所述输入电压传感器执行异常判定时，不停止所述升压电路的所述升压操作，因此，被提供给负荷的电力不会不足。因此，可在不影响负荷的动力性能的情况下，在所述电池电压传感器与所述输入电压传感器之间针对异常进行区分。

附图说明

图1是示出包括作为本发明的一个实施例的电压转换装置的电动机驱动单元的整体示意性配置的示意图；

图2是示出当转换器的上臂被接通时的电流流动的示意图；

图3是示出当转换器的下臂被接通时的电流流动的示意图；

图4是与转换器控制相关的控制单元的一部分的功能框图；

图5是示出控制单元的处理过程的流程图；

图6是示出控制单元的另一处理过程的流程图；以及

图7是用于描述图6中计算电池电压推定值的方式的示意图。

具体实施方式

下面参考附图详细地描述根据本发明的实施例。在描述中，具体的形状、材料、数值和方向等仅作为示例，以便于理解本发明，并且可根据应用、使用目的、规范等适当地进行变更。此外，在下面的描述包含多个实施例或变形例的情况下，从开始就已经设想以适当的组合的方式使用这些实施例或实例的特征部分。

图1是应用作为本发明的一个实施例的电压转换装置10的电动机驱动单元100的电路图。如图1所示，电动机驱动单元100被配备：作为DC 电源的电池B；转换器(升压电路)20；逆变器(inverter)30；正极线 12a和12b；负极线14；电流传感器13和19；电压传感器16、18和22；滤波电容器C1；平滑电容器(smoothing capacitor)C2；和控制单元50。该实施例的电压转换装置10被配置为包括这些部件当中的作为DC电源的电池B、正极线12a、负极线14、电流传感器13和19、电压传感器16和 18、转换器20、滤波电容器C1、和控制单元50。

电动机驱动单元100被安装在电动车辆上，例如混合动力自动车和电气车辆(包括燃料电池自动车)。电动机M与未示出的驱动轮机械地耦合以产生用于驱动车辆的转矩。备选地，电动机M可被组装到混合动力自动车中，以使电动机M与未示出的引擎机械地耦合，从而作为用于使用引擎的动力发电的发电机、以及作为用于启动引擎的电动机而工作。

电池B是可再充电的蓄电池，例如，诸如镍氢电池或锂离子电池之类的二次电池。需要指出，可使用大容量电容器来替代二次电池作为电池B。

正极线12a被连接到电池B的正极端子，负极线14被连接到电池B 的负极端子。此外，系统主继电器SMR1被置于正极线12a上，系统主继电器SMR2被置于负极线14上。各个继电器SMR1和SMR2响应于来自控制单元50信号而受到接通/关断控制。

电压传感器16检测电池B的端子间电压。电压传感器16所检测到的电池电压VB被输出到控制单元50。下面，在适当之处将电压传感器16 称为VB传感器。

电流传感器13被设置在与电池B的正极端子相连的正极线12a上。电流传感器13检测被输入到电池B以及从电池B输出的电流。电流传感器13所检测到的电池电流IB被输出到控制单元50。在下文中，电流传感器13在适当之处被称为IB传感器。

转换器20包括电抗器L1、开关元件Q1和Q2、以及二极管D1和D2。电抗器L1的一端被连接到与电池B的正极端子相连的正极线12a，另一端被连接到开关元件Q1与开关元件Q2之间的中间点。开关元件Q1和Q2 在正极线12b与负极线14之间串联连接。开关元件Q1的集电极被连接到正极线12b，开关元件Q2的发射极被连接到负极线14。此外，用于将电流从发射极侧传输到集电极侧的二极管D1和D2中的每一者分别连接在开关元件Q1和Q2中每一者的集电极与发射极之间。

转换器20基于来自控制单元50的信号，将正极线12b与负极线14 之间的电压升高为高于电池电压VB的电压。转换器20的信号包括：选通信号(gate signal)S1，其被用于控制开关元件Q1的接通占空比；以及选通信号S2，其被用于控制开关元件Q2的接通占空比。选通信号S1和S2 彼此关联，以便当执行升压操作时，开关元件Q1和Q2的状态彼此相反(即，当Q1被接通时，Q2被关断，以及当Q1被关断时，Q2被接通)。

电流传感器(输入电流传感器)19检测被输入到转换器20的电抗器L1的电抗器电流IL，并将检测值输出到控制单元50。电流传感器19检测作为正值的从电池B流到电抗器L1的电流，以及作为负值的从电抗器L1 流到电池B的电流。在下文中，电流传感器19在适当之处被称为IL传感器。

滤波电容器C1连接在正极线12a与负极线14之间。电压传感器18 检测跨滤波电容器C1的电压VL作为转换器20的输入电压，并将检测值输出到控制单元50。在下文中，电压传感器18在适当之处被称为VL传感器。

平滑电容器C2连接在正极线12a与负极线14之间。平滑电容器C2 对从转换器20接收的DC电压平滑化，然后将平滑化的DC电压提供给逆变器30。电压传感器20检测跨平滑电容器C2的电压VH作为转换器20 的输出电压，并将检测值输出到控制单元50。在下文中，电压传感器22 在适当之处被称为VH传感器。

逆变器30包括U相臂32、V相臂34和W相臂36。U相臂32、V相臂34和W相臂36在正极线12b与负极线14之间并联连接。U相臂32 包括串联连接的开关元件Q3和Q4。V相臂34包括串联连接的开关元件 Q5和Q6。W相臂36包括串联连接的开关元件Q7和Q8。此外，用于将电流从发射极侧传输到集电极侧的二极管D3到D8中的每一者分别连接在开关元件Q3到Q8中每一者的集电极与发射极之间。各个相的相臂之中的中间点被连接到电动机M的各个相的线圈。

基于来自控制单元50的信号S3到S8，逆变器30将从正极线12b和负极线14提供的直流(DC)电力转换为三相交流电力，并将该交流电力输出到电动机M以驱动电动机M。结果，电动机M被驱动，以便产生由转矩指令值TR指定的转矩。此外，当配备电动机驱动单元100的电动车辆被制动时，逆变器30基于来自控制单元50的信号将电动机M所产生的三相交流电力转换为直流电力，并将该直流电力输出到位于转换器20侧的正极线12b和负极线14。

控制单元50由未示出的电子控制单元(ECU：电子控制单元)构成，该电子控制单元包含CPU(中央处理单元)和存储器。控制单元50被配置为基于存储在存储器中的映射(map)和程序执行预定的算术处理。备选地，控制单元50可被配置为，使得ECU的至少一部分借助诸如电路之类的硬件执行预定的数字/逻辑算术处理。

使用脉宽调制法，控制单元50产生用于驱动转换器20的PWM信号，并将所产生的PWM信号作为信号S1和S2输出到转换器20。

此外，控制单元50基于从未示出的外部ECU接收的电动机M的转矩指令值TR和旋转次数MRN产生用于驱动电动机M的PWM信号，并将所产生的PWM信号作为信号S3到S8输出到逆变器30。

图2示出当转换器20的开关元件Q1处于接通状态时，即，当上臂被接通时，(正)电流IL的流动。在这种情况下，电流IL流过二极管D1，如图2所示。假设开关元件Q1和Q2的连接点与负极线14之间的电压为 Vm，电抗器L1的电感值为L，并且电流IL的梯度(每单位时间的变化率)为dIL/dt，则该状态下的电压方程式导致下面所示的方程式(1)：

VL-L(dIL/dt)-Vm＝0···(1)

假设跨平滑电容器C2的电压为VH，则在电流IL流过二极管D1的同时，电压Vm＝VH。将该电压值代入方程式(1)，然后将该方程式转换为下面所示的方程式(2)。进一步将方程式(2)转换为方程式(3)。

VL-L(dIL/dt)-VH＝0···(2)

dIL/dt＝(VL-VH)/L···(3)

根据此方程式(3)，可以理解，如果电流IL为正，则当开关元件Q1 被接通时，电流IL的梯度dIL/dt为(VL-VH)/L。由于在正常情况下，VL <VH，因此电流IL的梯度dIL/dt为负。

图3示出当转换器20的开关元件Q2处于接通状态时，即，当下臂被接通时，(正)电流IL的流动。在这种情况下，电流IL流过开关元件Q2，如图3所示。该状态下的电压方程式导致下面所示的方程式(4)：

VL-L(dIL/dt)-Vm＝0···(4)

尽管方程式(4)本身与方程式(1)相同，但是当电流IL流过开关元件Q2 时，电压Vm等于0，而非VH。将该电压值代入方程式(4)并将该方程式转换为下面所示的方程式(5)。进一步将方程式(5)转换为方程式(6)。

VL-L(dIL/dt)-0＝0···(5)

dIL/dt＝VL/L···(6)

根据此方程式(6)，可以理解，如果电流IL为正，则当开关元件Q2 被接通时，电流IL的梯度dIL/dt为VL/L。由于在正常情况下，VL>0，因此电流IL的梯度dIL/dt为正。

如上所述，如果电流IL为正，则开关元件Q1被接通时的电流IL以梯度(VL-VH)/L减小，而开关元件Q2被接通时的电流IL以梯度dIL/dt (为VL/L)增加。

接下来，将参考图4描述转换器20中的升压操作的控制。图4是与转换器20的控制相关的控制单元50的一部分的功能框图。如图4所示，控制单元50包括电压指令产生单元52、减法单元54和58、电压控制计算单元56、电流控制计算单元60、驱动信号产生单元62、和载波产生单元 64。

电压指令产生单元52产生电压指令值VR，该值表示作为转换器20 的输出值的电压VH目标值。例如，电压指令产生单元52基于电动M的功率产生电压指令值VR，电动机M的功率是根据电动机M的转矩指令值 TR和旋转次数MRN计算出的。

减法单元54从电压指令值VR减去从VH传感器22输入的电压VH 的检测值，并将计算结果输出到电压控制计算单元56。

使用电压VL的检测值、以及通过从电压指令值VR减去电压VH的检测值所获取的值，电压控制计算单元56执行用于使电压VH与电压指令值VR匹配的控制计算(例如，比例积分控制)。然后，电压控制计算单元56输出所计算的控制量作为电流指令值IR。

减法单元58从由电压控制计算单元56输出的电流指令值IR减去电流IL的检测值，并将计算结果输出到电流控制计算单元60。

电流控制计算单元60接收由减法单元58从电流指令值IR减去IL传感器19检测到的电流IL的值所获取的值，并且执行用于使电流IL与电流指令值IR匹配的控制计算(例如，比例积分控制)。然后，电流控制计算单元60将所计算的控制量输出到驱动信号产生单元62作为占空比指令值(duty command value)d。在此，占空比指令值d可被表示为占空比指令值d＝VL/VH。

载波产生单元64产生由三角波构成的载波信号CR(用于在下面描述的驱动信号产生单元62中产生PWM信号S1和S2)，并将所产生的载波信号输出到驱动信号产生单元62。

驱动信号产生单元62将从电流控制计算单元60接收的占空比指令值 d与从载波产生单元64接收的载波信号CR进行比较，以判定哪个较大，然后根据比较结果产生选通信号S1和S2。例如，如果载波信号CR小于占空比指令值d，则驱动信号产生单元62接通选通信号S1(并且关断选通信号S2)；否则，接通选通信号S2(并且关断选通信号S1)。

在此控制单元50中，由电压控制计算单元56执行用于使电压VH与电压指令值VR匹配的控制计算(电压控制)。此外，由电流控制计算单元60执行用于使电流IL与电流指令值IR匹配的控制计算，其中电压控制计算单元56的控制输出作为电流IL的电流指令值IR(电流控制)。因此，通过相对于电压VH和电流IL执行反馈控制，可阻止由于在开关元件 Q1和Q2中每一者的接通时间期间设定的死区时间(dead time)等而导致的电压VH的变化。

需要指出，减法单元54、电压控制计算单元56、减法单元58和电流控制计算单元60形成用于使电压VH与电压指令值VR匹配的主回路68，并且减法单元58和电流控制计算单元60形成用于使电流IL与电流指令值 IR匹配的副回路70。

电压值和电流值需要通过各种传感器准确地检测，以便上述包括此电压转换装置10的电动机驱动单元100正常工作。为此，控制单元50需要监视各种传感器的异常，并且在检测到任何异常时采取适当的措施以转换为故障安全模式。

在此，如果电压转换装置10中包括的VL传感器18中发生任何异常，则电压转换装置10不再执行上述的转换器20的升压控制。此外，如果电压转换装置10中包括的VB传感器16中发生任何异常，则电压转换装置 10不再监视电池B的状态。在该实施例的电压转换装置10中，只要VL 传感器18和VB传感器16工作正常，两个检测值便彼此一致。因此，即使考虑了误差和瞬时变化，但如果两个检测值之间的差异超过预设阈值，则也可判定传感器中的一者异常。然而，如果停止转换器20的升压操作以在传感器之间针对异常进行区分，则转换器20的输出电压VH的降低使电动机M的动力性能降低。

因此，在该实施例的电压转换装置10中，在控制单元50中执行下面描述的处理以在VB传感器16与VL传感器18之间针对异常进行区分。

图5是示出在控制单元50中执行的处理过程的流程图。如图5所示，控制单元50在步骤S10判定电池电压VB与转换器20的输入电压VL之间的偏差的绝对值是否超过预定阈值。如果偏差超过阈值，则控制单元50 移到下一步骤S12，否则，结束处理。

接下来，控制单元50使用IL传感器19检测到的电抗器电流IL计算转换器输入电压VL的推定值(VLest)。电抗器电流IL的变化率ΔIL被用于此计算。可通过在开关元件Q2被接通时(如图3所示)在两个或更多个点处采样电抗器电流Il来计算该变化率ΔIL。备选地，可将微分电路添加到IL传感器19，以使用微分电路的输出作为ΔIL。可通过将以此方式获取的变化率ΔIL代入上面示出的方程式(5)来计算VL的推定值。也就是说，VL的推定值使用下面所示的方程式(7)来计算：

VLest＝L×ΔIL···(7)

需要指出，电抗器L1的电感值L可以是作为已知的固定值而被预先存储的值并且可被读出，或者可以通过使用电抗器电流IL作为参数来计算。

接下来，在步骤S14，控制器50将电压VL(VL传感器18的检测值) 和VL的推定值之间差异的绝对值与电压VB(VB传感器16的检测值) 和VL的推定值之间差异的绝对值进行比较，以判定哪个较大。

如果电压VL的差异被判定为较大，则将VL传感器18识别为异常。这样，在接下来的步骤S16，用VB传感器16检测到的VB值替代VL传感器18检测到的VL值，并终止一系列处理。在这种情况下，VB传感器 16检测到的电压VB被用作转换器20的电压升压控制中的VL。

另一方面，如果在步骤S14，电压VB的差异被判定为较大，则将VB 传感器16识别为异常。这样，在接下来的步骤S18，用VL传感器18检测到的VL值替代VB传感器16检测到的VB值，并终止一系列处理。在这种情况下，VL传感器18检测到的电压VL被用于监视电池的状态。

如上所述，根据该实施例的电压转换装置10，可在不停止转换器20 的升压操作的情况下，对电池电压传感器16和转换器20的输入电压传感器18执行异常判定。因此，被提供给电动机M的电力不会不足。结果，可在不影响电动机M的动力性能的情况下，在电池电压传感器16与输入电压传感器18之间针对异常进行区分。

此外，在后续控制(包括监视)中，可代替电压传感器16和18中被检测到传感器故障的一者的检测值，使用电压传感器16和18中的另一者的检测值来继续控制。

接下来，参考图6描述控制单元50中的另一处理程序。在图6中，与图5相同的处理由相同的步骤标号表示，不再对其重复描述。参考图6，该处理程序与上述图5中的处理程序的不同之处在于步骤S20和S22。

如图6所示，如果VB传感器16和VL传感器18中的任一者在步骤 S10被判定为异常，则在后续步骤S20中，控制单元50使用电流IB(IB 传感器13的检测值(请参阅图1))计算电池电压VB的推定值(VBest)。具体而言，可基于电池温度、电池B的SOC(充电状态)值、以及电池B 的内电阻RB推导电池电压VB的推定值。

更特别的是，电池温度TB由未示出的温度传感器检测，并且被输入到控制单元50。此外，通过对IB传感器13的检测值进行积分(integrate) 来求出SOC值。更进一步地，使用电池温度TB等作为参数从预先存储在存储器中的映射等推导的值可被用作电池B的内电阻RB。

如图7所示，电池电压VB的推定值可通过以下方式计算：使用SOC 值作为参数，用读取自存储器的理想电池电压VB₀减去内电阻RB所导致的电压降。也就是说，VB的推定值通过下面所示的方程式(8)计算：

VBest＝VB₀-(RB×IB)···(8)

接下来，在步骤S22，控制单元50将电压VL(VL传感器18的检测值)和VB的推定值之间差异的绝对值与电压VB(VB传感器16的检测值)和VB的推定值之间差异的绝对值进行比较，以判定哪个较大。

如果电压VL的差异被判定为较大，则将VL传感器18识别为异常，而如果电压VB的差异被判定为较大，则将VB传感器16识别为异常。后续处理(步骤S16和S18)与图5的对应处理相同。

如上所述，即使在使用VB的推定值对VB传感器16和VL传感器18 执行异常判定时，也可在不停止转换器20的升压操作的情况下做出判定。因此，被提供给电动机M的电力不会不足。结果，在不影响电动机M的动力性能的情况下，可在电池电压传感器16与输入电压传感器18之间针对异常进行区分。

此外，代替电压传感器16和18中被检测到传感器故障的一者的检测值，可使用电压传感器16和18中的另一者的检测值继续后续控制(包括监视)。

需要指出，本发明不限于上述实施例及其修正实例，而是可通过各种方式进行变更和修改。

例如，上面给出了对这样的实例的描述：其中，使用电抗器电流IL 的变化率ΔIL，通过方程式(7)计算VL的推定值。但是不限于此方法，VL 的推定值可基于电池电流IB的变化率ΔIB来计算。

符号说明

10：电压转换装置

12a、12b：正极线

13、19：电流传感器

14：负极线

16：电池电压传感器

18：输入电压传感器

20：转换器(升压电路)

22：电压传感器

30：逆变器

32：U相臂

34：V相臂

36：W相臂

50：控制单元

52：电压指令产生单元

54、58：减法单元

56：电压控制计算单元

60：电流控制计算单元

62：驱动信号产生单元

64：载波产生单元

68：主回路

70：副回路

100：电动机驱动单元

B：电池

C1：滤波电容器

C2：平滑电容器

CR：载波信号

d：占空比指令值

D1到D8：二极管

IB：电池电流

IL：电抗器电流

IR：电流指令值

L：电感值

L1：电抗器

M：电动机

MRN：电动机的旋转次数

Q1到Q8：开关元件

RB：(电池的)内电阻

S1、S2：选通信号

S3到S8：信号

SMR1、SMR2：系统主继电器

TB：电池温度

TR：转矩指令值

VB：电池电压

VB₀：理想电池电压

VH：(转换器的)输出电压

VL：(转换器的)输入电压

Vm：电压

VR：电压指令值

ΔIB、ΔIL：变化率

Claims (2)

1.一种电压转换装置，包括：

电池；

升压电路，其能够升高从所述电池输入的电压；

电池电压传感器，其用于检测电池电压；

输入电压传感器，其用于检测所述升压电路的输入电压；

输入电流传感器，其用于检测所述升压电路的输入电流；以及

控制单元，来自各个传感器的检测值被输入到该控制单元，并且该控制单元控制所述升压电路的升压操作，

其中所述控制单元在不停止所述升压电路的所述升压操作的情况下，基于根据所述升压电路的所述输入电流计算的输入电压推定值、所述升压电路的所述输入电压以及所述电池电压，判定所述电池电压传感器和所述输入电压传感器中的一者异常，并且其中代替通过所述电池电压传感器和所述输入电压传感器中被判定为异常的一者控制所述升压电路的所述升压操作，使用所述电池电压的检测值继续所述升压电路的所述升压操作的控制，

所述电压转换装置能够在所述电池电压传感器与所述输入电压传感器之间针对异常进行区分。

2.根据权利要求1所述的电压转换装置，

其中在所述输入电压传感器的检测值与所述电池电压传感器的检测值相对于所述输入电压推定值的差异的绝对值之间进行比较，从而判定具有较大差异的电压传感器异常。