CN110945777B - 仪器保护装置及仪器保护方法 - Google Patents

Abstract

在仪器保护装置中，具有：第1传感器，其检测在包含发热体的仪器的的冷却中使用的制冷剂的温度；第2传感器，其检测仪器的温度；以及控制器(10)，其基于通过第1传感器检测出的第1检测温度和通过第2传感器检测出的第2检测温度，对仪器施加驱动限制，控制器(10)对第1检测温度和第2检测温度之间的温度差进行运算，在温度差高于规定的温度差阈值的情况下对仪器施加驱动限制，在第2检测温度高于规定的第1温度阈值的情况下对仪器施加驱动限制。

Description

仪器保护装置及仪器保护方法

技术领域

本发明涉及仪器保护装置及仪器保护方法。

背景技术

通过温度传感器检测逆变器温度，计算温度变化量，在温度变化量大于阈值时，进行逆变器温度的修正。并且，已知有如下方法，即，对修正后的逆变器温度进行平滑处理，在平滑处理的处理后温度大于上限温度的情况下，设定负载限制率，对电动机的扭矩施加限制(专利文献1)。

专利文献1：日本特开2006-230037号公报

发明内容

但是，在周边温度是高温时，存在未在适当的定时(timing)施加扭矩限制，发热部分变成高温的问题。

本发明要解决的课题是提供一种能够抑制发热部分的温度上升的仪器保护装置以及仪器保护方法。

本发明分别检测在仪器的冷却中使用的制冷剂的温度和仪器的温度，对制冷剂的检测温度与仪器的检测温度之间的温度差进行运算，在温度差高于规定的温度差阈值的情况下对仪器施加驱动限制，在仪器的检测温度高于规定的温度阈值的情况下对仪器施加驱动限制，由此，解决上述课题。

发明的效果

根据本发明，能够抑制发热部分的温度上升。

附图说明

图1是包含本实施方式涉及的仪器保护装置的驱动系统的框图。

图2是表示仪器保护装置的控制流程的流程图。

图3A是表示环境温度是低温(T_L)时的温度特性的曲线图。

图3B是表示环境温度是低温(T_L)时的温度特性的曲线图。

图4A是表示环境温度是高温(T_H)时的温度特性的曲线图。

图4B是表示环境温度是高温(T_H)时的温度特性的曲线图。

图5A是表示环境温度是低温(T_L)时的温度特性的曲线图。

图5B是表示环境温度是低温(T_L)时的温度特性的曲线图。

图6A是表示环境温度是高温(T_H)时的温度特性的曲线图。

图6B是表示环境温度是高温(T_H)时的温度特性的曲线图。

图7是表示本实施方式的变形例中的温度与上限值的相关性的曲线图。

图8是表示本实施方式的变形例中的温度与上限值的相关性的曲线图。

具体实施方式

下面，基于附图说明本发明的实施方式。本实施方式涉及的仪器保护装置是对包含发热体的仪器的温度上升进行抑制的装置。仪器保护装置例如设置于在车辆中搭载的驱动系统，对驱动系统所包含的仪器的温度进行管理并且抑制仪器的温度上升。

在下面的说明中，对仪器保护装置设置于车辆用的驱动系统的例子进行说明。此外，仪器保护装置不是必须设置于驱动系统，也可以设置于包含发热部分的其他系统。另外，仪器保护装置不限于设置于车辆，也可以设置于其他装置。

图1是包含本实施方式涉及的仪器保护装置的驱动系统的框图。驱动系统具有电源1、负载2、电力转换装置3、冷却装置4以及控制器10。

电源1是车辆的电力源，是将锂离子电池等二次电池并联或者串联连接而成的电池组。负载2是电动机(电机)，以将旋转力赋予车轮的方式与车轮连结。负载2例如使用三相交流电动机。

电力转换装置3连接于电源1与负载2之间。电力转换装置3具有逆变器电路以及控制电路等。逆变器电路是将IGBT等开关元件连接成桥状的、能够进行两相三相转换的电路。逆变器电路连接于负载2与电源1之间。逆变器电路将串联连接了多个开关元件的串联电路对应于3相而并联连接。在逆变器电路中，上桥臂的开关元件和下桥臂的开关元件的各连接点与电动机侧的UVW相的输出端子连接。另外，逆变器电路具有平滑电容器。平滑电容器使电源1的输入输出电压平滑，连接于桥式开关元件的电路与电源1侧的连接端子之间。

电力转换装置3具有用于检测装置的内部温度的温度传感器21。电力转换装置3通过对逆变器电路所包含的开关元件的接通、断开进行切换而进行电力转换。如果开关元件进行接通、断开动作，则由于通断损耗等而发热。开关元件作为功率模块而被模块化，设置于电力转换装置3的内部。温度传感器21对通过开关元件的通断动作而上升的功率模块的温度进行检测。温度传感器21设置于功率模块。温度传感器21将检测值输出至控制器10。此外，温度传感器21的检测值也可以经由电力转换装置3内的控制器输出至控制器10。此外，温度传感器21不限于功率模块，也可以设置于电力转换装置，以能够对电力转换装置3的其他内部部件的温度进行检测。

冷却装置4通过使制冷剂在电力转换装置3内循环而冷却电力转换装置3。冷却装置4具有用于输出制冷剂的泵、用于调整制冷剂量的调整阀、热交换器等。冷却装置4与电力转换装置3之间由使制冷剂流通的流道连接。流道形成为从冷却装置4出来，穿过电力转换装置的内部，返回至冷却装置4。制冷剂用于功率模块的冷却，是水等液体、制冷气体等。

冷却装置4具有用于检测制冷剂的温度的温度传感器22。温度传感器22设置于流道。温度传感器22将检测值输出至控制器10。

控制器10是执行仪器保护装置的控制处理的计算机，通过基于温度传感器21的检测温度以及温度传感器22的检测温度对电力转换装置3进行控制，从而保护电力转换装置3。控制器10具有储存了执行用于保护电力转换装置3的控制的程序的ROM(Read OnlyMemory)、用于执行该ROM中储存的程序的CPU(Central Processing Unit)、以及作为能够访问的存储装置起作用的RAM(Random Access Memory)。控制器10通过信号线与电力转换装置3内的控制器连接。此外，控制器10也可以设置于电力转换装置3内而具有控制通断动作的功能。另外，控制器10也可以直接控制功率模块内的开关元件。

下面，使用图2说明控制器10进行的用于保护电力转换装置3的控制流程。控制器10在电力转换装置3的驱动中，以规定的周期执行下面的控制流程。

在步骤S1中，控制器10使用温度传感器22检测制冷剂的温度(T1)。在步骤S2中，控制器10使用温度传感器21检测电力转换装置3的功率模块的温度(仪器温度：T2)。

在步骤S3中，控制器10通过求出检测出的制冷剂温度(T1)与检测出的仪器温度(T2)之间的差值来运算温度差(ΔT＝T2-T1)。

在步骤S4中，控制器10将温度差与规定的温度差阈值(ΔT__th)进行比较。温度差阈值ΔT__th是预先设定的阈值。如后所述，在环境温度低的情况下，仪器的温度上升的速度比制冷剂的温度上升的速度快，温度差的上升也变快。温度差阈值(ΔT__th)通过温度差表示在低温状态下电力转换装置3的温度上升的状态下，在电力转换装置3的温度达到容许温度之前对电力转换装置3施加驱动限制的定时。

在温度差(ΔT)小于或等于温度差阈值(ΔT__th)的情况下，控制器10执行步骤S5的控制流程。另一方面，在温度差(ΔT)大于温度差阈值(ΔT__th)的情况下，控制器10执行步骤S6的控制流程。

在步骤S5中，控制器10将仪器温度(T2)与温度阈值(T__th1)进行比较。在仪器温度(T2)高于温度阈值(T__th1)的情况下，控制器10执行步骤S6的控制流程。另一方面，在仪器温度(T2)小于或等于温度阈值(T__th1)的情况下，控制器10执行步骤S8的控制流程。温度阈值(T__th1)是用于判定是否执行后述的第1保护处理的阈值，设定为比温度差阈值(ΔT__th)高的温度。温度差阈值(ΔT__th)是低温环境用的阈值，温度阈值(T__th1)是高温环境用的阈值。

在步骤S6中，控制器10基于当前的电动机的驱动状态，判定是否能够进行通断频率的限制。控制器10通过从电力转换装置3取得电动机转速，从而确认电动机的驱动状态。通断频率是控制开关元件的接通、断开时的载波频率。在温度差(ΔT)高于温度差阈值(ΔT__th)的情况下，或者在仪器温度(T2)高于温度阈值(T1__th1)的情况下，为了抑制功率模块的温度上升，对功率模块施加驱动限制。通过对功率模块施加驱动限制，对电动机的驱动也施加限制。驱动限制通过使载波频率低于当前频率来执行。但是，当在电动机的转速高的状态下将通断频率设定得低的情况下，存在控制分歧(control divergence)的可能性。因此，在步骤S6的控制流程中，判定电动机的驱动状态是否处于能够将通断频率设定得低的状态。具体而言，控制器10将当前的电动机转速与转速阈值进行比较，在当前的电动机转速(N)低于转速阈值(N_th)的情况下，判定为能够限制通断频率，在当前的电动机转速大于或等于转速阈值的情况下，判定为不能限制通断频率。转速阈值也可以预先设定，设定为与电动机的扭矩相应的值。

在判定为能够限制通断频率的情况下，在步骤S7中，控制器10执行第1保护处理。第1保护处理通过对通断频率施加限制，从而对电动机施加驱动限制。具体而言，控制器10从电力转换装置3取得当前的电动机的输出扭矩以及电动机转速。能够选择的通断频率被预先设定，能够选择的通断频率与电动机的驱动状态相应地不同。

例如，作为能够选择的通断频率，预先设定有3个频率(f_sw1、f_sw2、f_sw3)。其中，频率f_sw3最高，频率f_sw1最低。另外，预先设定有低于转速阈值的转速阈值(N_{th_L})。而且，与电动机的当前的转速相应地决定能够选择的通断频率。在电动机的当前的转速N高于转速阈值(N_th)的情况下，能够选择的通断频率仅为f_sw3，相当于不能进行通断频率的限制的状态。在电动机的当前的转速小于或等于转速阈值(N_th)且高于转速阈值(N_{th_L})的情况下，能够选择的通断频率是频率(f_sw3)以及频率(f_sw2)。而且，例如，在当前的载波频率高于频率(f_sw2)且低于频率(f_sw3)的情况下，控制器10将载波频率设定为频率(f_sw2)，对载波频率施加限制。另外，在电动机的当前的转速小于或等于转速阈值(N_{th_L})的情况下，能够选择的通断频率是频率(f_sw1)、频率(f_sw2)、频率(f_sw3)。例如，在当前的载波频率高于频率(f_sw3)的情况下，控制器10将载波频率设定为频率(f_sw3)，对载波频率施加限制。即，控制器10在能够与电动机的当前的转速相应地进行选择的通断频率有多个的情况下，设定为低于当前的载波频率的载波频率。由此，能够抑制损耗，抑制功率模块的发热。另外，能够选择的通断频率不限于电动机转速，也可以由电动机的扭矩决定。

在步骤S8中，控制器10将仪器温度(T2)与温度阈值(T__th2)进行比较。温度阈值(T__th2)是用于判定是否执行后述的第2保护处理的阈值，被设定为高于温度阈值(T__th1)的温度。在仪器温度(T2)高于温度阈值(T__th2)的情况下，控制器10执行步骤S9的控制流程。另一方面，在仪器温度(T2)小于或等于温度阈值(T__th2)的情况下，控制器10执行步骤S10的控制流程。

在步骤S9中，控制器10执行第2保护处理。第2保护处理将仪器温度(T2)达到温度阈值(T__th2)的时间点的请求扭矩设定为来自电动机的最大输出，由此，对来自电动机的输出扭矩施加限制。具体而言，在仪器温度(T2)达到温度阈值(T__th2)的情况下，控制器10对电力转换装置3的控制器发送指令信号，以使得将与请求扭矩相应的扭矩指令值的上限设为当前的扭矩指令值。电力转换装置3的控制器在接收到指令信号时，将当前的扭矩指令设定为上限值。在设定了上限值之后，即使在通过驾驶员的加速器操作而输入了超过扭矩指令的上限值的请求扭矩的情况下，控制器也在将扭矩指令值限制为上限值的基础上，生成与电动机的当前的转速、电动机的当前的电流相应的通断信号，控制开关元件。由此，由于对请求扭矩施加限制，因此，抑制了电动机的输出扭矩，作为其结果，抑制了功率模块的温度。

在步骤S10中，控制器10将仪器温度(T2)与上限温度(T__fail)进行比较。上限温度(T__fail)表示功率模块所容许的温度的上限值，被设定为高于温度阈值(T__th1)以及温度阈值(T__th2)的温度。在仪器温度(T2)高于上限温度(T__fail)的情况下，控制器10执行步骤S11的控制流程。另一方面，在仪器温度(T2)小于或等于上限温度(T__fail)的情况下，控制器10结束控制流程。

在步骤S11中，控制器10对电力转换装置3内的控制器发送强制使电动机停止的主旨的故障安全(fail-safe)信号。电力转换装置3内的控制器在接收到故障安全信号的情况下，使电力转换装置3的工作停止(故障安全处理)。由此，能够防止功率模块超过上限值。

下面，使用图3A、图3B、图4A、图4B，对第1保护处理和温度的关系进行说明。图3A、图3B示出环境温度是低温(T_L)时的温度特性，图4A、图4B示出环境温度是高温(T_H)时的温度特性。在图3A、图3B、图4A、图4B中，曲线a表示温度差(ΔT)的特性，曲线b表示通过温度传感器22检测出的制冷剂温度(T1)，曲线c表示通过温度传感器21检测出的仪器温度(T2)，曲线d表示开关元件的实际的温度(Tsw)。另外，横轴表示时间，纵轴表示温度的大小。图3A以及图4A示出在驱动系统中没有设置本实施方式涉及的仪器保护装置时的特性(对比例)。图3B以及图4B示出将本实施方式涉及的仪器保护装置设置于驱动系统时的特性。

如图3A所示，在环境温度低时，在时刻t2的时间点，仪器温度(T2)达到温度阈值(T__th1)。另一方面，温度差(ΔT)在早于时刻t2的时刻t1的时间点达到温度差阈值(ΔT__th)。即，在低温时，在仪器温度(T2)达到温度阈值(T__th1)之前，制冷剂温度与仪器温度的温度差扩大，温度差(ΔT)达到温度差阈值(ΔT__th)。而且，如图3B所示，在本实施方式中，在温度差(ΔT)达到温度差阈值(ΔT__th)的时间点，执行第1保护处理，因此，在开关元件的温度变成高温之前损耗降低，能够抑制开关元件温度(Tsw)。另一方面，在不执行第1保护处理的对比例中，在时刻t1及以后，开关元件温度Tsw也继续上升。

如图4A所示，在环境温度高时，在温度差(ΔT)达到温度差阈值(ΔT__th)的时间点(时刻t₄)之前，仪器温度(T2)达到温度阈值(T__th1)(时刻t₃)。而且，如图4B所示，在本实施方式中，在温度差(T2)达到温度阈值(T__th1)的时间点，执行第1保护处理，因此，在开关元件的温度变成高温之前损耗降低，能够抑制开关元件温度(Tsw)。

下面，使用图5A、图5B、图6A、图6B，对第2保护处理和温度的关系进行说明。图5A、图5B示出环境温度是低温(T_L)时的温度特性，图6A、图6B示出环境温度是高温(T_H)时的温度特性。在图5A、图5B、图6A、图6B中，曲线a表示温度差ΔT的特性，曲线b表示通过温度传感器22检测出的制冷剂温度(T1)，曲线c表示通过温度传感器21检测出的仪器温度(T2)，曲线d表示开关元件的实际的温度(Tsw)。另外，横轴表示时间，纵轴表示温度的大小。图5A以及图6A示出本实施方式涉及的仪器保护装置仅进行第1保护处理的情况下的特性，图5B以及图6B示出本实施方式涉及的仪器保护装置进行第1保护处理以及第2保护处理的情况下的特性。

如图5A所示，在第1保护处理之后功率模块的温度继续上升的情况下，仪器温度(T2)在时刻(T₅)的时间点达到上限温度(T__fail)，因此，执行故障安全处理。另一方面，在本实施方式中，如图5B所示，在仪器温度(T2)达到上限温度(T__fail)之前，在仪器温度(T2)达到温度阈值(T__th2)的时间点，执行第2保护处理，将仪器温度(T2)达到温度阈值(T__th2)的时间点的输出作为上限，施加扭矩限制。由此，能够抑制开关元件的温度上升，延长电力转换装置3能够工作的时间。

如图6A所示，在第1保护处理之后功率模块的温度继续上升的情况下，仪器温度(T2)在时刻(t₆)的时间点达到上限温度(T__fail)，因此，执行故障安全处理。另一方面，在本实施方式中，如图6B所示，在仪器温度(T2)达到上限温度(T__fail)之前，在仪器温度(T2)达到温度阈值(T__th2)的时间点，执行第2保护处理，将仪器温度(T2)达到温度阈值(T__th2)的时间点的输出作为上限，施加扭矩限制。由此，在环境温度是高温时，也能够抑制开关元件的温度上升，延长电力转换装置3能够工作的时间。

如上所述，本实施方式涉及的仪器保护装置，分别检测在功率模块等仪器的冷却中使用的制冷剂的温度和仪器的温度，运算制冷剂的检测温度与仪器的检测温度之间的温度差，在温度差高于温度差阈值(ΔT_th)的情况下对仪器施加驱动限制，在仪器的检测温度高于温度阈值(T__th1)的情况下对仪器施加驱动限制。由此，能够抑制发热体的温度上升，抑制施加于发热体或者仪器的热负荷。另外，能够延长仪器的工作时间。

另外，在本实施方式中，在仪器的检测温度高于温度阈值(T__th2)的情况下，将仪器的检测温度上升而达到温度阈值(T__th2)的时间点的输出设定为来自仪器的最大输出。由此，限制了成为使发热体的温度上升的直接原因的输出，能够延长仪器能够工作的时间。

另外，在本实施方式中，作为仪器的驱动限制，将开关元件的通断频率设定为低于当前频率的频率。由此，通过降低损耗，能够不对电力转换装置的输出施加限制而抑制温度上升。

另外，在本实施方式中，作为驱动限制，与电动机的转速相应地对开关元件的通断频率施加限制。由此，能够设定与电动机转速相应的最合适的频率，防止控制分歧。

另外，在本实施方式中，在仪器的检测温度大于或等于温度阈值(T__fail)的情况下，使仪器的工作停止。由此，能够防止仪器产生异常。

另外，作为本实施方式的变形例，第2保护处理将来自电动机的上限输出设定为第1限制值，当在对电动机的输出施加限制之后仪器温度上升的情况下，将来自电动机的上限输出设定为低于第2限制值的值。图7是表示仪器温度和来自电动机的上限输出的限制值的关系的曲线图。

如图7所示，在仪器温度(T2)小于或等于温度阈值(T__th2)的情况下，将来自电动机的上限输出设定为P_th1。因此，将来自电动机的输出抑制为小于或等于上限值(P_th1)。并且，在将来自电动机的输出限制为上限值(P_th1)的状态下，在仪器温度(T2)高于温度阈值(T__th2)的情况下，控制器10基于图7所示的相关性对来自电动机的上限输出施加进一步的限制。控制器10存储表示图7的相关性的对应图。控制器10参照对应图，确定与仪器温度(T2>T__th2)对应的上限值(P_th)，以确定出的上限值对来自电动机的输出施加限制。由此，变形例涉及的仪器保护装置能够抑制发热体的温度上升。另外，由于没有完全停止输出，因此，能够维持最低限度的动力性能。

另外，仪器温度与上限值的相关性也可以是图8的曲线图所示的相关性。在图8中，随着仪器温度(T2)变得高于温度阈值(T__th2)，来自电动机的输出的上限值以比例关系变小。

标号的说明

1…电源

2…负载

3…电力转换装置

4…冷却装置

10…控制器

21、22…温度传感器

Claims (7)

1.一种仪器保护装置，其具有：

第1传感器，其检测在包含发热体的仪器的冷却中使用的制冷剂的温度，

第2传感器，其检测所述仪器的温度；以及

控制器，其基于通过所述第1传感器检测出的第1检测温度以及通过所述第2传感器检测出的第2检测温度，对所述仪器施加驱动限制，

所述控制器：

取得电动机的电动机转速，

对所述第1检测温度和所述第2检测温度之间的温度差进行运算，

在所述温度差高于规定的温度差阈值的情况下，或者，在所述温度差低于所述规定的温度差阈值且所述第2检测温度高于规定的第1温度阈值的情况下，将当前的所述电动机转速与转速阈值进行比较而判定是否能够对所述仪器施加所述驱动限制，

在所述当前的电动机转速低于所述转速阈值的情况下，判定为能够对所述仪器施加所述驱动限制，

在判定为能够对所述仪器施加所述驱动限制的情况下，对所述仪器施加所述驱动限制。

2.根据权利要求1所述的仪器保护装置，其中，

所述控制器在所述第2检测温度高于规定的第2温度阈值的情况下，将所述第2检测温度上升而达到所述第2温度阈值的时间点的输出，设定为来自所述仪器的最大输出。

3.根据权利要求1或2所述的仪器保护装置，其中，

所述仪器具有开关元件，

所述第2传感器检测所述开关元件的温度，

所述控制器作为所述驱动限制而将所述开关元件的通断频率设定为低于当前频率的频率。

4.根据权利要求1所述的仪器保护装置，其中，

所述仪器具有与电动机连接的开关元件，

所述第2传感器检测所述开关元件的温度，

所述控制器作为所述驱动限制，与所述电动机的转速相应地对所述开关元件的通断频率施加限制。

5.根据权利要求1所述的仪器保护装置，其中，

所述控制器作为所述驱动限制而将来自所述仪器的上限输出设定为第1限制值，当在对来自所述仪器的输出施加限制之后所述第2检测温度上升的情况下，将来自所述仪器的上限输出设定为低于所述第1限制值的第2限制值。

6.根据权利要求1所述的仪器保护装置，其中，

在所述第2检测温度大于或等于规定的上限值的情况下，所述控制器使所述仪器的工作停止。

7.一种仪器保护方法，其是使用处理器对包含发热体的仪器进行保护的保护方法，在该仪器保护方法中，

使用第1传感器检测在所述仪器的冷却中使用的制冷剂的温度，

使用第2传感器检测所述仪器的温度，

对通过所述第1传感器检测出的所述制冷剂的检测温度和通过所述第2传感器检测出的所述仪器的检测温度之间的温度差进行运算，

取得电动机的电动机转速，

在所述温度差高于规定的温度差阈值的情况下，或者，在所述温度差低于所述规定的温度差阈值且第2检测温度高于规定的第1温度阈值的情况下，将当前的所述电动机转速与转速阈值进行比较而判定是否能够对所述仪器施加驱动限制，

在所述当前的所述电动机转速低于所述转速阈值的情况下，判定为能够对所述仪器施加所述驱动限制，

在判定为能够对所述仪器施加所述驱动限制的情况下，对所述仪器施加所述驱动限制。