CN114552961A - 逆变器、配置逆变器的方法、控制逆变器的方法以及相应的计算机程序 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种逆变器(110)，包括：输入端子(IT+，IT‑)；输出端子(OT)；DC链路电容器(112)，其连接到输入端子(IT+，IT‑)并配置为平滑输入端子(IT+，IT‑)处存在的DC电压(E)；可控开关，其连接到DC链路电容器(112)和输出端子(OT)；以及控制设备(116)。控制设备(116)配置为控制可控开关，使得可控开关将DC电压(E)转换为将存在于输出端子(OT)处的AC电压。控制设备(116)配置为根据包括可控开关的第一调制技术和第一开关频率的第一开关控制方案来控制可控开关。控制设备(116)配置为响应于DC链路电容器(112)的温度，根据第二开关控制方案控制可控开关，第二开关控制方案比第一开关控制方案在DC链路电容器(112)中引起更少的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及逆变器、配置逆变器的方法、控制逆变器的方法以及相应的计算机程序。本发明还涉及电驱动装置和车辆。本发明尤其旨在用于机动车辆，例如向车辆的电驱动马达提供电力。
背景技术
逆变器用于从例如电池提供的DC电压产生AC电压。通常，逆变器包括DC链路电容器，以平滑DC电压。
在逆变器运行期间，DC链路电容器可能会变热，从而潜在地降低逆变器的可靠运行。
发明内容
本发明的目的是提供用于防止逆变器的DC链路电容器过热的装置。
本发明的目的通过一种逆变器来解决，该逆变器包括：
-输入端子，
-输出端子，
-DC链路电容器，其连接到输入端子并配置为平滑输入端子处存在的DC电压，
-可控开关，其连接到DC链路电容器和输出端子，以及
-控制设备，其配置为控制可控开关，使得可控开关将DC电压转换为将存在于输出端子处的AC电压，控制设备配置为根据包括可控开关的第一调制技术和第一开关频率的第一开关控制方案来控制可控开关，以及响应于DC链路电容器的温度，根据第二开关控制方案控制可控开关，第二开关控制方案比第一开关控制方案在DC链路电容器中引起更少的损耗。
逆变器包括可控开关，其例如是可控半导体开关，例如相关领域中公知的IGBT，并且配置为将DC电压转换成AC电压。例如，DC电压由电池提供。AC电压存在于逆变器的输出端子，可以是单相或多相AC电压。特别地，AC电压可以是三相AC电压。
通过适当的开关控制方案适当地接通和断开可控开关，从DC电压产生AC电压。可控开关由控制设备控制，该控制设备例如可以包括微控制器或微处理器。
为了平滑输入端子的DC电压，逆变器包括DC链路电容器。在逆变器运行期间，DC链路电容器例如由于流经其的电流而变热，导致损耗。
DC链路电容器的损耗尤其取决于可控开关所应用的开关控制方案。
为了防止DC链路电容器过热，控制设备配置为响应于DC链路电容器的温度，根据第一开关控制方案和第二开关控制方案来控制可控开关。第一开关控制方案包括第一调制技术和第一开关频率，并且第二开关控制方案比第一开关控制方案在DC链路电容器中引起更少的损耗。
逆变器的控制设备可以配置为响应于DC链路电容器的温度，特别是当DC链路电容器的温度超过预定温度时，将根据第一开关控制方案控制可控开关改变为第二开关控制方案。
本发明的一个方面涉及用于控制本发明逆变器的方法，包括以下步骤：
-根据第一开关方案控制可控开关，
-获得DC链路电容器的温度，以及
-响应于DC链路电容器的温度，尤其是当DC链路电容器的温度超过预定温度时，将可控开关的控制从第一开关控制方案改变为第二开关控制方案。
因此，响应于DC链路电容器的温度，尤其是当该温度超过预定温度时，开关控制方案从第一开关控制方案改变为第二开关控制方案。因此，如果DC链路电容器的温度超过预定温度，可控开关由第二开关控制方案操作，这使得DC链路电容器的损耗更少，潜在地减轻了DC链路电容器过热的风险。
与第一开关控制方案相比，第二开关控制方案导致DC链路电容器的损耗更少，但可能导致逆变器或包括逆变器和由逆变器供电的电动马达的电驱动装置的较差性能。
逆变器可以包括至少一个温度传感器，其耦合到控制设备，用于测量DC链路电容器的温度。然而，逆变器可以配置成例如通过监测流入DC链路电容器的电流和/或通过监测逆变器的输出端子的电流来估计DC链路电容器的温度。
为了估计DC链路电容器的温度，逆变器特别是其控制设备可以包括DC链路电容器的温度模型，该模型例如计算与特定参考温度的温差，该特定参考温度例如通过传感器测量。测量的温度可以是例如用于冷却可控开关和/或冷却DC链路电容器的冷却液的温度。
优选地，控制设备配置为响应于DC链路电容器的实际温度，根据第二开关控制方案控制可控开关，第二开关控制方案比第一开关控制方案在DC链路电容器中引起更少的损耗。DC链路电容器的实际温度可以通过前述温度传感器或者通过估计实际温度来测量，例如通过DC链路电容器的前述温度模型。
然而，DC链路电容器的温度可以是其温度的增加，这可以例如通过基于例如通过DC电容器的电流或基于逆变器的输出电流的适当模型来估计。特别地，该模型可以是I2t模型，它是DC链路电容器的DC电流或逆变器的输出电流的平方的积分。这模仿了欧姆定律，但并不直接计算温度。
DC链路电容器的损耗可能不仅取决于流经DC链路电容器的电流，还取决于DC链路电容器的等效串联电阻。这种等效串联电阻取决于频率。结果是，流经DC链路电容器的电流频谱形状对其损耗有影响。因此，通过改变频谱，可以降低DC链路电容器的损耗且因此温度。因此，等效串联电阻的频率依赖性可以通过在第二开关控制方案期间控制可控开关来考虑。
因此，在第一开关控制方案期间流过DC链路电容器的电流的频谱不同于第二开关控制方案期间。
第二开关控制方案可以包括用于控制可控开关的第二开关频率，其小于第一开关频率，允许在第二开关控制方案期间以相对成本有效的方式减少DC链路电容器的损耗。
第二开关控制方案可以包括不同于第一调制技术的用于控制可控开关的第二调制技术。第一调制技术可以包括或者是第一空间矢量调制技术，第二调制技术可以包括或者是不同于第一空间矢量调制技术的第二空间矢量调制技术。这种开关控制方案也可以以相对容易的方式实现。
第二调制技术尤其可以是平顶调制技术，其允许导致DC链路电容器相对较小损耗的操作。
优选地，控制设备可以配置为将开关控制方案从第一开关控制方案改变为第二开关控制方案，同时在一个或多个AC端子处保持恒定的电流和/或电压。然后，由电动马达提供的扭矩可以保持不变。
同样可选地，改变开关控制方案可以包括降低开关频率。这种特征提供简单且成本有效的方式来改变DC链路电容器电流的频谱，从而可以减少DC链路电容器中的损耗。
同样可选地，改变开关控制方案可以包括改变调制技术，例如通过从空间矢量调制技术切换到另一种调制技术，例如平顶调制技术。这种特征提供有效的方式来改变DC链路电容器电流的频谱，从而降低DC链路电容器中的损耗，特别是当开关频率不能进一步降低时。
同样可选地，独立于前述特征或与其相结合，逆变器可以进一步包括至少一个传感器，用于测量不同于DC链路电容器温度的物理量，并且控制设备可以配置用于接收至少一个传感器的测量值，并且根据接收的测量估计DC链路电容器的温度。
本发明还涉及一种配置逆变器的方法，包括以下步骤：
-确定作为DC链路电容器电流的频率的函数的DC链路电容器的等效串联电阻，
-确定用于具有不同调制技术和/或不同开关频率的多个开关控制方案的DC链路电容器电流的频谱，
-对于每个开关控制方案，根据所考虑的开关控制方案的等效串联电阻和频谱来估计DC链路电容器的损耗，以及
-配置控制设备，用于响应于DC链路电容器的温度，从所述开关控制方案中的一个切换到导致更少估计损耗的另一个。
则有可能确定相对较好的(如果不是最佳的或最合适的)开关控制方案。
本发明还涉及一种可从通信网络下载和/或记录在计算机可读介质上的计算机程序，包括当所述程序在计算机上执行时，用于执行根据本发明的用于控制电转换器系统的方法的步骤的指令。
附图说明
将参照附图更具体地描述本发明，其中：
-图1是示出包括根据本发明的逆变器的机动车辆的实施例的示意图，
-图2是示出逆变器的DC链路电容器的等效串联电阻和DC链路电容器中的电流随频率变化的曲线图，以及
-图3示出了逆变器中使用的两种调制技术下，DC链路电容中的电流与频率的关系。
具体实施方式
参考图1，现在将描述根据本发明的车辆100。在所描述的示例中，车辆100是机动车辆。
车辆100包括车轮102和电驱动装置104，其配置为至少间接地驱动至少一个车轮102。车辆100还包括DC电压源106，例如电池，用于为电驱动装置104供电。DC电压源106配置成提供DC电压E。
电驱动装置104包括电动马达108和逆变器110，其配置成例如通过供电来驱动电动马达108。例如，电动马达108是包括定子相的旋转电动马达。在所描述的示例中，电动马达108是包括三个定子相的三相电动马达。
逆变器110包括连接到DC电压源106的输入端子IT+、IT-，使得DC电压E存在于输入端子IT+、IT-。更准确地，输入端子IT+、IT-包括连接到DC电压源106的正端子的正输入端子IT+和连接到DC电压源106的负端子的负输入端子IT-。
逆变器110还包括连接到输入端子IT+、IT-的DC链路电容器112。DC链路电容器112配置成平滑DC电压E(例如极限电压过冲)。在操作中，电流ICap旨在流过DC链路电容器112。
逆变器110还包括连接到电动马达108的输出端子OT。AC电压旨在存在于输出端子OT，用于给电动马达108供电。AC电压可以是单相或多相AC电压。在电动马达108是三相电动马达的所述示例中，AC电压是三相AC电压。
逆变器110还包括连接到DC链路电容器112和输出端子的可控开关。可控开关可以是包括例如晶体管的半导体开关。可控开关例如是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和/或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
在所描述的示例中，逆变器110包括分别与电动马达108的定子相相关的开关支路114。每个开关支路114包括连接到正输入端子IT+的高侧(HS)可控开关和连接到负输入端子IT-的低侧(LS)可控开关。HS可控开关和LS可控开关在中间点彼此连接，该中间点连接到输出端子OT，其连接到电动马达108的相关定子相。
每个开关支路114旨在被控制以在两种配置之间切换。在第一配置，称为高侧(HS)配置，HS可控开关闭合，LS可控开关断开，因此DC电压E基本施加到相关的定子相。在第二配置，称为低压侧(LS)配置，HS可控开关断开，LS可控开关闭合，从而零电压基本施加到相关的定子相。
逆变器110还包括控制设备116，其配置为控制可控开关，使得可控开关将DC电压转换成AC电压。例如，AC电压以输出频率fel振荡。
更准确地，控制设备116配置成根据包括可控开关的第一调制技术和第一开关频率的第一开关控制方案来控制可控开关。第一调制技术包括或例如是脉冲宽度调制(PWM)技术。开关频率通常是每个开关完成PWM技术的开关周期所需时间的倒数。
在所描述的示例中，控制设备116配置为在上述两种配置之间换向每个开关支路114。
控制设备116还配置成获得DC链路电容器112的温度。
在第一实施例中，逆变器110包括至少一个温度传感器118，用于测量DC链路电容器112的温度。每个温度传感器118耦合到控制设备116，并且控制设备116配置成接收DC链路电容器112的测量温度。
在可以与前一实施例相结合的另一实施例中，逆变器110可以配置为例如通过监测流入DC链路电容器的电流和/或通过监测逆变器110的输出端子OT的电流来估计DC链路电容器112的温度。
控制设备116然后配置成从传感器接收物理量的测量，并从接收的测量估计DC链路电容器112的温度。
控制设备116还配置为响应于DC链路电容器112的温度，根据第二开关控制方案控制可控开关。第二开关控制方案比第一开关方案在DC链路电容器112中引起更少的损耗。
例如，控制设备116配置为当DC链路电容器112的温度超过预定温度时，从根据第一开关控制方案控制可控开关转变为根据第二开关控制方案控制可控开关。
参考图2，示出了DC链路电容器电流ICap的频谱，开关频率为7kHz(虚线)和开关频率为10kHz(实线)，两者都采用相同的调制技术，即矢量空间调制技术。如图2所示，频谱包括特定频率f下的峰值p，每个峰值p具有所指出的幅度(f)。为了清楚起见，图2中只有一些峰用附图标记P和f表示。
特别地，根据以下公式，峰值频率f包括取决于表示为fPWM开关频率和AC电压的输出频率fel的频率：(1)f＝k*fPWM±3*n*fel，其中k＝1，2，3，4，5，...并且n＝0，1，2。
同样在图2上，示出了DC链路电容器112的等效串联电阻(ESR)随频率的变化。如图2所示，ESR通常随频率而增加。
如上所述，取决于DC链路电容器电流ICap，DC链路电容器112产生损耗PL。根据以下公式，对于每个峰值频率f，损耗PL，Cap可以通过将在该峰值频率f的电容器电流ICap的幅度ICap(f)的平方与在该峰值频率f的DC链路电容器112的ESR(表示为RESR(f))相乘来近似计算：(2)PL，Cap＝∑RESR(f)*ICap(f)2。
因此，为了降低损耗PL，峰值P的幅度应该减小和/或峰值频率应该向低频移动。
因此，在第一实施例中，第二开关控制方案包括小于第一开关频率的第二开关频率108。
实际上，如图2所示，与开关频率为10kHz(实线)的DC链路电容电流的频谱相比，开关频率为7kHz(虚线)的DC链路电容电流ICap的频谱仅包含较低频率的峰值。因此，损耗计算中隐含的ESR降低，损耗本身也如此。
在可以与前一实施例相结合的另一实施例中，第二开关控制方案包括不同于第一调制技术的第二调制技术。优选地，第一调制技术包括或者是空间矢量调制技术，第二调制技术包括或者是不同于第一空间矢量调制技术的第二空间矢量调制技术。例如，第二调制技术是不连续脉宽调制技术，例如平顶调制技术或GDPWM(广义不连续PWM)，它是另一种(更有效)DPWM技术。
参考图3，示出了空间矢量调制技术(SVM)的DC链路电容电流的频谱；虚线和平顶调制技术(DPWM1)；实线表示相同的9kHz开关频率和相同的运行条件。如图3所示，第一调制技术的峰值频率低于第二调制技术的峰值频率。如上所述，损耗计算中隐含的ESR因此降低，因此损耗本身和DC链路电容器112的温度也如此。
控制设备116优选地配置为将开关控制方案从第一开关控制方案改变为第二开关控制方案，同时在一个或多个AC端子处保持恒定的电流和/或电压。
控制设备116可以是计算机系统，例如微控制器。计算机系统可以包括数据处理单元(例如微处理器)和可由处理单元访问的主存储器(例如RAM存储器，代表“随机存取存储器”)。控制设备116的功能可以通过包含用于处理单元的指令的计算机程序来实现。该计算机程序例如旨在被加载到主存储器中，以便处理单元执行其指令。
可替代地，这些功能的全部或部分可以硬件模块的形式实现，即以电子电路的形式，例如微连线，不涉及计算机程序。例如，控制设备116可以包括现场可编程门阵列(FPGA)。
现在将描述用于配置逆变器110的方法。该方法包括以下步骤：
-确定作为DC链路电容器电流ICap的频率的函数的DC链路电容器112的等效串联电阻，
-确定用于具有不同调制技术和/或不同开关频率的多个开关控制方案的DC链路电容器电流ICap的频谱，
-对于每个开关控制方案，根据所考虑的开关控制方案的等效串联电阻和频谱来估计DC链路电容器112的损耗，以及
-配置控制设备116，用于响应于DC链路电容器112的温度，从所述开关控制方案中的一个切换到导致更少估计损耗的另一个。
逆变器110可以在操作使用之前根据前述方法进行配置。
由于这种配置，例如根据逆变器110和/或电动马达108的操作条件，可以选择相对较好的(如果不是最佳的或最合适的)开关控制方案。
要指出的是，本发明不限于上述实施例。对于本领域的技术人员来说，根据刚刚公开的教导，确实可以对上述实施例进行各种修改。
在本发明的先前详细描述中，所使用的术语不应被解释为将本发明限制于本描述中呈现的实施例，而是应被解释为包括本领域技术人员通过将他们的一般知识应用于刚刚公开的教导的实现而能够达到的所有等同物。
Claims (12)
1.一种逆变器(110)，包括：
-输入端子(IT+，IT-)，
-输出端子(OT)，
-DC链路电容器(112)，其连接到输入端子(IT+，IT-)并配置为平滑输入端子(IT+，IT-)处存在的DC电压(E)，
-可控开关，其连接到DC链路电容器(112)和输出端子(OT)，以及
-控制设备(116)，其配置为控制可控开关，使得可控开关将DC电压转换为将存在于输出端子(OT)处的AC电压，控制设备(116)配置为根据包括可控开关的第一调制技术和第一开关频率的第一开关控制方案来控制可控开关，以及响应于DC链路电容器(112)的温度，根据第二开关控制方案控制可控开关，第二开关控制方案比第一开关控制方案在DC链路电容器(112)中引起更少的损耗。
2.根据权利要求1所述的逆变器(110)，其中，所述控制设备(116)配置为响应于所述DC链路电容器(112)的温度，尤其是当DC链路电容器(112)的温度超过预定温度时，将控制所述可控开关从所述第一开关控制方案改变为所述第二开关控制方案，和/或其中，在第一开关控制方案期间流经DC链路电容器(112)的电流的频谱不同于第二开关控制方案期间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的逆变器(110)，其中，所述第二开关控制方案包括用于控制所述可控开关的第二开关频率小于所述第一开关频率，和/或所述第二开关控制方案包括不同于所述第一调制技术的用于控制所述可控开关的第二调制技术。
4.根据权利要求3所述的逆变器(110)，其中，所述第一调制技术包括或者是空间矢量调制技术，并且所述第二调制技术包括或者是不同于所述第一空间矢量调制技术的第二空间矢量调制技术。
5.根据权利要求3或4所述的逆变器(110)，其中，所述第二调制技术是平顶调制技术。
6.根据前述权利要求中任一项所述的逆变器(110)，还包括至少一个温度传感器(118)，其耦合到所述控制设备(116)，用于测量所述DC链路电容器(110)的温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的逆变器(100)，其中，所述控制设备(108)配置为将所述开关控制方案从所述第一开关控制方案改变为所述第二开关控制方案，同时在一个或多个AC端子处保持恒定的电流和/或电压。
8.一种电驱动装置，包括根据前述权利要求中任一项所述的逆变器和由逆变器驱动的电动马达。
9.一种车辆，包括车轮和根据权利要求8所述的电驱动装置，所述电驱动装置配置为至少间接地驱动至少一个车轮。
10.一种用于配置根据权利要求1至7中任一项所述的逆变器(100)的方法，包括：
-确定作为DC链路电容器电流的频率的函数的DC链路电容器(112)的等效串联电阻，
-确定用于具有不同调制技术和/或不同开关频率的多个开关控制方案的DC链路电容器电流的频谱，
-对于每个开关控制方案，根据所考虑的开关控制方案的等效串联电阻和频谱来估计DC链路电容器(112)的损耗，以及
-配置控制设备(116)，用于响应于DC链路电容器的温度，从所述开关控制方案中的一个切换到导致更少估计损耗的另一个。
11.一种用于控制根据权利要求1至7中任一项所述的逆变器的方法，包括：
-根据第一开关控制方案控制可控开关，
-获得DC链路电容器的温度，以及
-响应于DC链路电容器的温度，尤其是当DC链路电容器的温度超过预定温度时，将控制可控开关从第一开关控制方案改变为第二开关控制方案。
12.一种可从通信网络下载和/或记录在计算机可读介质上的计算机程序，包括当所述程序在计算机上执行时用于执行根据权利要求11所述的方法的步骤的指令。
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