CN105706355A - 车辆用逆变器的保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明获得一种能保护逆变器的元件不受过热影响并能防止驾驶性能变差的车辆用逆变器的保护装置。包括：根据逆变器的各元件温度运算最大元件温度的最大元件温度运算部；以及元件温度输出限制系数运算部，该元件温度输出限制系数运算部计算与最大元件温度相对应的输出限制值，若本次的输出限制值比前次的输出限制系数小，则设定本次的输出限制值作为本次的输出限制系数，若本次的输出限制值在前次的输出限制系数以上，则将前次的输出限制系数与预先设定的规定值相加来设定为本次的输出限制系数。

Description

车辆用逆变器的保护装置
技术领域
本发明涉及车辆用逆变器的保护装置。
背景技术
以往，作为保护逆变器的元件不受过热影响的装置，提出了一种电动汽车的控制装置，包括：单独对功率器件温度进行检测并分别输出温度值的温度检测单元；以及具有基于来自该温度检测单元的输出中温度最高的器件温度来限制逆变器电流的保护功能的栅极控制电路(例如参照专利文献1)。
此外，还提出了一种加热保护方法，在控制部的存储装置中预先储存逆变器的开关元件的正常导通损耗、开关损耗、瞬态热阻抗等开关特性以及开关元件损耗计算式作为存储内容，在控制部的CPU中，将检测后近似为矩形波的逆变器的输出电流和控制率以及输出频率作为变量，并利用代入了所储存的正常导通损耗、开关损耗等的计算式来导出开关元件的损耗，利用该损耗和存储内容中的瞬态热阻抗来计算元件的结温，并进行逆变器的输出电流控制，使得该温度不超过设定温度(例如参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2001－169401号公报
专利文献2：日本专利特开平9－233832号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，现有技术存在如下问题。
在电动机的转速极低且转矩较大的情况下，流过特定元件的电流较多的时间较长，且元件与电动机旋转同步地开关，因此元件温度变得具有振荡性，且变动变大。因此，若根据元件温度来施加转矩限制，则转矩变动会变大，驾驶性能可能会变差。
这里，专利文献1以及专利文献2所记载的技术都是根据元件温度来施加转矩限制，因此在电动机转速极低且转矩较大的情况下，存在驾驶性能变差的问题。
本发明为了解决上述问题而完成，其目的在于获得一种能保护逆变器的元件不受过热影响并能防止驾驶性能变差的车辆用逆变器的保护装置。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的车辆用逆变器的保护装置具备电动机作为动力源，保护用于驱动电动机的逆变器不受过热影响，其特征在于，包括：最大元件温度运算部，该最大元件温度运算部根据逆变器的各元件温度运算最大元件温度；元件温度输出限制系数运算部，该元件温度输出限制系数运算部计算与最大元件温度相对应的输出限制值，若本次的输出限制值比前次的输出限制系数小，则设定本次的输出限制值作为本次的输出限制系数，若本次的输出限制值在前次的输出限制系数以上，则将前次的输出限制系数与预先设定的规定值相加并设定为本次的输出限制系数；基本转矩限制值运算部，该基本转矩限制值运算部基于电动机的电动机转速对基本转矩限制值进行映射运算；以及转矩限制值决定部，该转矩限制值决定部将基本转矩限制值与元件温度输出限制系数相乘来决定转矩限制值。
发明效果
根据本发明的车辆用逆变器的保护装置，在最大元件温度上升的情况下，根据最大元件温度来迅速施加转矩限制以保护逆变器元件不受过热影响，另一方面，即使最大元件温度产生振荡性变动而暂时降低，也能通过逐渐解除转矩限制来抑制转矩限制的变动，能防止驾驶性能变差。
附图说明
图1是表示包含本发明实施方式1的车辆用逆变器的保护装置的系统整体的结构图。
图2是举例示出图1所示的IGBT芯片的安装结构的结构图。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的车辆用逆变器的保护装置的电动机控制部的框结构图。
图4是详细表示图3所示的转矩限制运算部的框结构图。
图5是表示图4所示的低通滤波运算部以及第一输出限制系数运算部的处理的流程图。
图6是表示图4所示的最大元件温度运算部以及第二输出限制系数运算部的处理的流程图。
图7是表示本发明的实施方式1所涉及的车辆用逆变器的保护装置的输出限制值Ka的说明图。
图8是表示图4所示的最小值选择部、转矩限制映射、以及乘法部的处理的流程图。
图9是表示本发明的实施方式1的车辆用逆变器的保护装置中，电动机转速极低时的转矩限制控制的说明图。
图10是表示本发明的实施方式1的车辆用逆变器的保护装置中，、未驱动逆变器时的转矩限制控制的说明图。
具体实施方式
以下，利用附图来说明本发明所涉及的车辆用逆变器的保护装置的优选实施方式，对于各图中的相同或相当的部分标注相同的标号来说明。
实施方式1.
图1是表示包含本发明实施方式1的车辆用逆变器的保护装置的系统整体的结构图。图1中，逆变器101构成为通过对作为开关元件的IGBT(绝缘栅双极晶体管)102～107的导通截止进行控制，从而将来自电池128的直流电转换为三相交流电，并对三相交流电动机129进行驱动。
IGBT102～107的芯片上搭载有二极管108～113作为元件温度传感器，利用二极管的正向电压具有负温度特性这一点，通过元件温度检测电路121来检测芯片的温度。此外，IGBT102～107还与电力再生用的再生二极管114～119相连。
另外，为便于图示，仅二极管109与元件温度检测电路121连接，省略了与其它二极管的连接，但其它二极管也都与元件温度检测电路121相连。
此外，IGBT102～107由控制装置122通过驱动电路120进行驱动。控制装置122中设有进行与电动机的控制有关的运算并指示IGBT102～107的导通或截止的微机123、以及利用热敏电阻126对逆变器101的冷却水温度进行检测的水温检测电路125。另外，图1中省略了用于IGBT103以外的构件的驱动电路。
图2是举例示出图1所示的IGBT芯片的安装结构的结构图。图2中，从上到下依次层叠有IGBT芯片201、焊料202、铜箔203、绝缘基板204、散热板205、油脂206、水冷却套207。
采用通过使作为制冷剂的冷却水208流过设置在水冷却套207中的水路，从而利用冷却水208对IGBT芯片201中产生的热量进行散热的结构。此外，作为水温传感器的热敏电阻209埋设在水冷却套207中。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的车辆用逆变器的保护装置的电动机控制部的框结构图。该电动机控制部设置在图1的微机123内。
首先，在电动机转矩较大且电动机转速极低的情况下，元件温度的上升不会体现在水温中，因此需要直接检测元件温度来抑制电动机转矩，保护逆变器元件不受过热影响。此外，近年来，在混合动力汽车中，存在共用逆变器冷却水和引擎冷却水的趋势，有时即使没有驱动逆变器，冷却水也会处于高温状态，因此需要检测冷却水温度来抑制电动机转矩，保护逆变器不受过热影响。
然而，在重复进行基于冷却水水温的转矩限制和基于元件温度的转矩限制的情况下，输出会受到过度限制，驾驶性能可能会变差。为此，在本发明的实施方式1中，基于根据水温算出的系数和根据元件温度算出的系数中较小的系数来进行施加转矩限制的处理，从而进行恰当的转矩限制。
图3中，该电动机控制部具有转矩修正运算部301、转矩限制运算部302、最小值选择部303、电流控制运算部304、以及IGBT驱动运算部305。
转矩修正运算部301通过例如未图示的CAN(ControllerAreaNetwork：控制器局域网)从外部的车辆控制器(未图示)接收指令转矩，并对指令转矩运算各种转矩修正，并作为修正后转矩进行输出。
转矩限制运算部302基于由水温检测电路125检测到的冷却水的水温、由元件温度检测电路121检测到的元件温度、以及例如根据设置在电动机129中的旋转变压器(未图示)的信号算出的电动机转速来计算转矩限制值。
最小值选择部303对来自转矩修正运算部301的修正后转矩与来自转矩限制运算部302的转矩限制值进行比较，将其中较小的值选择为目标转矩，并施加转矩限制。
电流控制运算部304以达到最小值选择部303输出的目标转矩的方式对电动机电流进行反馈控制，并输出目标电压。IGBT驱动运算部305对IGBT进行驱动，以达到电流控制运算部304输出的目标电压。
另外，在未设置转矩限制运算部302的情况下，由转矩修正运算部301算出的修正后转矩直接作为目标转矩输出到电流控制运算部304，基于目标转矩设定目标电压。
图4是详细表示图3所示的转矩限制运算部302的框结构图。图4中，转矩限制运算部302具有低通滤波运算部401、第一输出限制系数运算部(水温输出限制系数运算部)402、最大元件温度运算部403、第二输出限制系数运算部(元件温度输出限制系数运算部)404、最小值选择部(限制系数选择部)405、转矩限制映射(基本转矩限制值运算部)406、以及乘法部(转矩限制值决定部)407。
低通滤波运算部401对由水温检测电路125检测到的冷却水的水温Tw进行滤波处理，并输出滤波后水温Twf。第一输出限制系数运算部402基于将预先存储的上限元件温度T* jLMT与经低通滤波运算部401进行滤波后的水温Twf相减后得到的值，计算第一输出限制系数k1。
最大元件温度运算部403根据各元件温度Tj1···6计算并输出最大元件温度Tjmax。第二输出限制系数运算部404基于来自最大元件温度运算部403的最大元件温度Tjmax计算第二输出限制系数k2。
最小值选择部405对来自第一输出限制系数运算部402的第一输出限制系数k1和来自第二输出限制系数运算部404的第二输出限制系数k2进行比较，将较小的值作为输出限制系数k进行输出。
转矩限制映射406是保存有通常的温度区域中的上限转矩的映射，基于电动机转速ωm，并根据转矩限制映射来映射并参照基本转矩限制值TmLMT_b。乘法部407将基本转矩限制值与输出限制系数k相乘，来输出转矩限制值TmLMT。
图5是表示图4所示的低通滤波运算部401以及第一输出限制系数运算部402的处理的流程图。
图5中，首先读取水温Tw(步骤S501)。
接着，对读取到的水温Tw执行低通滤波处理(步骤S502)。
接着计算第一输出限制系数k1(步骤S503)。
这里，若将从元件温度到水温的热阻设为R[℃/W]，将上限元件温度设为T*jLMT[℃]，将设计中作为前提的水温(开始施加限制的温度)设为T*w0[℃]，则上限元件温度下的允许元件发热量QLMT[W]由下式表示。
QLMT＝(T* jLMT－T* w0)/R
另一方面，水温变为高于T* w0的Twf时的允许元件发热量Q’LMT由下式表示。
Q’LMT＝(T* jLMT－Twf)/R
因此，水温Twf下的第一输出限制系数k1由下式表示。
k1＝Q’LMT/QLMT＝(T* jLMT－Twf)/(T* jLMT－T* w0)
接着，以下限＝0.0，上限＝1.0对第一输出限制系数k1执行上下限限制(步骤S504)，结束图5的处理。
图6是表示图4所示的最大元件温度运算部403以及第二输出限制系数运算部404的处理的流程图。
图6中，首先读取各元件温度Tj1···6(步骤S601)。
接着，计算最大元件温度Tjmax(步骤S602)。
接着，如图7所示，根据最大元件温度Tjmax来映射并参照输出限制值Ka(步骤S603)。
接着，将输出限制值Ka与第二输出限制系数的前次值k2(i－1)进行比较(步骤S604)，在输出限制值Ka较小、即输出限制较大的情况下，将修正量Ka设定为第二输出限制系数的本次值k2(i)(步骤S605)。
另一方面，在输出限制值Ka较大的情况下，首先判定输出限制值Ka是否为1(步骤S606)，在最大元件温度充分降低且输出限制值Ka已经为1的情况下，将第二输出限制系数的本次值k2(i)也设定为1，解除输出限制(步骤S607)。
接着，在最大元件温度未降低，且输出限制值Ka尚未变成1的情况下，将第二输出限制系数k2的前次值与预先设定的规定值Kb相加，来设定第二输出限制系数的本次值k2(i－1)。这里，第二输出限制系数由1来限制(步骤S608)。
最后，对第二输出限制系数k2的前次值进行更新(步骤S607)，结束图6的处理。
图8是表示图4所示的最小值选择部405、转矩限制映射406、以及乘法部407的处理的流程图。
图8中，首先对来自第一输出限制系数运算部402的第一输出限制系数k1和来自第二输出限制系数运算部404的第二输出限制系数k2进行比较，并将较小的值作为输出限制系数k进行输出(步骤S701)。
接着，基于电动机转速，根据转矩限制映射计算基本转矩限制值TmLMT_b(步骤S702)。
接着，将基本转矩限制值与输出限制系数k相乘，从而算出转矩限制值TmLMT(步骤S703)，结束图8的处理。
图9是表示本发明的实施方式1的车辆用逆变器的保护装置中，电动机转速极低时的转矩限制控制的说明图。
图9中，在电动机转速极低的情况下，各个IGBT中流过电流的时间较长，因此元件温度的变动较大。即，与电动机旋转同步地进行通电的IGBT发生改变，通电导通中的IGBT的元件温度上升，通电截止中的IGBT的元件温度降低，因此元件温度上下变动。特别是在电动机转速较低的区域中，该变动表现得较为显著。
另一方面，与元件温度变化相比，水温变化较为迟缓。其原因在于从元件到冷却水的热阻、水温传感器的安装位置。
这里，若观察元件温度变化，则根据电流开始流过元件的顺序，元件温度会残留有温度历史，因此六个元件温度的变化各不相同。该例的情况下，单点划线的元件的温度最高，需要限制输出，以对单点划线的元件进行过热保护。
为此，本实施方式1中，例如在元件温度达到130度以上后，开始进行输出限制，使得转矩限制值(虚线)变小，从而限制实际转矩(实线)。另外，在元件温度逐渐上升期间，转矩限制值持续减少。
之后，若输出受到限制从而元件的发热量减少，元件温度开始下降，则转矩限制值逐渐减少规定值而不受元件温度变动影响，因此能抑制转矩变动，防止驾驶性能变差。
图10是表示本发明的实施方式1的车辆用逆变器的保护装置中，未驱动逆变器时的转矩限制控制的说明图。
首先，为了降低成本，如上所述，在混合动力汽车中，共用引擎冷却系统和电动机·逆变器的冷却系统。
图10示出了电动机运行输出较小而引擎运行输出较大的条件下的变化的一个例子，示出了虽然元件温度没有太大变化但由于引擎温度上升而使得水温持续上升的情况。
这里，在该实施方式1中，例如若水温超过60度，则开始进行输出限制，平缓地使转矩限制值变小。
如上所述，根据实施方式1，能获得如下这种车辆用逆变器的保护装置，元件温度输出限制系数运算部在最大元件温度上升的情况下，根据最大元件温度来迅速施加转矩限制以保护逆变器元件不受过热影响，另一方面，即使最大元件温度产生振荡性变动而暂时降低，也能通过逐渐解除转矩限制来抑制转矩限制的变动，能防止驾驶性能变差。
此外，还包括基于逆变器的冷却水水温来运算水温输出限制系数的水温输出限制系数运算部、以及从元件温度输出限制系数以及水温输出限制系数中选择限制系数较小的一方来进行输出的限制系数选择部，转矩限制值决定部将基本转矩限制值与由限制系数选择部选择的元件温度输出限制系数或水温输出限制系数相乘来决定转矩限制值。
因此，利用根据水温和元件温度的双重元件过热保护来更可靠地保护元件。并且，由于选择元件温度输出限制系数或水温输出限制系数以防止保护过度，因此也能恰当地维持元件的输出性能。
此外，水温输出限制系数运算部基于将预先设定的上限元件温度与冷却水的水温相减后得到的值和将上限元件温度与开始施加转矩限制的水温即设计水温相减后得到的值的比，来运算水温输出限制系数。
因此，能基于水温实现恰当的元件的过热保护。

Claims (3)

1.一种车辆用逆变器的保护装置，具备电动机作为动力源，保护用于驱动所述电动机的逆变器不受过热影响，其特征在于，包括：
最大元件温度运算部，该最大元件温度运算部根据所述逆变器的各元件温度运算最大元件温度；
元件温度输出限制系数运算部，该元件温度输出限制系数运算部计算与所述最大元件温度相对应的输出限制值，若本次的输出限制值比前次的输出限制系数小，则设定本次的输出限制值作为本次的输出限制系数，若本次的输出限制值在前次的输出限制系数以上，则将前次的输出限制系数与预先设定的规定值相加来设定为本次的输出限制系数；
基本转矩限制值运算部，该基本转矩限制值运算部基于所述电动机的电动机转速来对基本转矩限制值进行映射运算；以及
转矩限制值决定部，转矩限制值决定部将所述基本转矩限制值与所述元件温度输出限制系数相乘来决定转矩限制值。
2.如权利要求1所述的车辆用逆变器的保护装置，其特征在于，还包括：水温输出限制系数运算部，该水温输出限制系数运算部基于所述逆变器的冷却水的水温来运算水温输出限制系数；以及
限制系数选择部，该限制系数选择部从所述元件温度输出限制系数以及所述水温输出限制系数中选择输出限制系数较小的一方来进行输出，
所述转矩限制值决定部将所述基本转矩限制值与由所述限制系数选择部选出的所述元件温度输出限制系数或所述水温输出限制系数相乘来决定转矩限制值。
3.如权利要求2所述的车辆用逆变器的保护装置，其特征在于，
所述水温输出限制系数运算部基于将预先设定的上限元件温度与所述冷却水的水温相减后得到的值和将所述上限元件温度与开始施加转矩限制的水温即设计水温相减后得到的值的比来运算所述水温输出限制系数。
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