JP5638079B2 - 電気機械用インバータおよび電気機械用インバータの作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械用インバータ並びに電気機械用インバータの作動方法に関する。

従来技術
インバータを備えた電気機械は、例えばハイブリッド車両において使用される。ハイブリッド車両では電気機械は選択的に、モーターモードまたはジェネレーターモードで作動される。モーターモード時に、電気機械は、付加的な駆動トルクを生成する。この駆動トルクは例えば加速フェーズにおいて、内燃機関をサポートする。ジェネレーターモード時に電気機械は電気エネルギーを生成し、この電気エネルギーはエネルギー蓄積器、例えばバッテリーまたはＳｕｐｅｒ−Ｃａｂ内に蓄積される。電気機械の動作様式および性能は、インバータによって調節される。

ハイブリッド自動車では、電気機械をモーターとして自動車の駆動に使用するために、比較的高い電圧が準備されなければならないので、電気網を保護するため、および電気網に接続されている部品を保護するために、常に、継続的な損傷を阻止する措置が講じられている。

従って例えば、電気網の機能エラーが検出されると、電気蓄積器を電気網から電気的に分離させることが知られている。電気機械がこの時点で、ジェネレーターモードにある場合には、この結果、電気網電圧が著しく上昇し、これによってインバータの出力段が破壊されてしまう。

これを阻止するために、例えば、ＥＰ１５２４７６１Ａ１号には、インバータの所定の電圧境界を越えると、インバータを短絡モードに切り替えることが開示されている。

ＤＥ１０２２１０８１Ａ１号から、電気機械用インバータが公知である。これは複数のスイッチングエレメントを含んでいる。これらのスイッチングエレメントはブリッジ回路に配置されており、電気機械とバッテリーとの間の接続を形成する。インバータのローサイド分岐内に組み込まれているスイッチングエレメントは、制御電圧が印加されない状態で導電性のスイッチングエレメント、いわゆるノーマリーオン形スイッチングエレメントである。これによって、供給電圧が欠如している場合および電気機械が回転している場合に、電気機械のコイルが短絡されて、過電圧が生じないことが保証される。

ＤＥ１０２００６００３２５４Ａ１号から公知の、故障時に、パルスインバータを備えた電気機械をオフにするための方法では、電気機械スイッチオフ時の不所望の副作用が、電気機械がはじめはフリースイッチングモードにされ、次に短絡モードに切り替えられることによって最小化され、通常の機械動作が最大化される。切断モードではパルスインバータの全てのスイッチは開放され、短絡モードでは高いポテンシャルに接続されているスイッチが開放され、低いポテンシャルに接続されているスイッチは閉成されている。

ＤＥ１０２００７０２０５０９Ａ１号から、ハイブリッド駆動部の電気機械におけるエラー処置のための方法が公知である。ここではまずは、電気機械の少なくとも１つの動作パラメータが、対応する動作パラメーター境界値の上方に位置しているか否かが検出される。ここで、少なくとも１つの動作パラメーターがこの対応する境界値の上方に位置している場合には、電気機械の供給端子がこの動作パラメータに割り当てられている時間インターバルの間、切断され、この時間インターバルが経過した後にこの供給端子はアースに短絡される。

本発明の開示
本発明の、電気機械用インバータは、電気機械とエネルギー供給網との間の接続を形成する少なくとも１つの出力段ユニットと、この少なくとも１つの出力段ユニットを制御する制御ユニットと、１つ／複数の出力段ユニットにエネルギーを供給する、エネルギー供給網に依存しない給電ユニットとを有している。さらに、１つ／複数の出力段ユニットに割り当てられている、故障時に１つ／複数の出力段ユニットを制御する少なくとも１つの緊急動作時制御部と、前記１つ／複数の出力段ユニットに割り当てられている、故障時に１つ／複数の出力段ユニット用の給電エネルギーをエネルギー供給網から形成する少なくとも１つの緊急動作時給電部とが設けられている。

１つ／複数の出力段ユニットに割り当てられている少なくとも１つの緊急動作時制御部と、１つ／複数の出力段ユニットに割り当てられている少なくとも１つの緊急動作時給電部を設けることによって、制御ユニットおよび／または給電ユニットの機能エラー時にも、インバータ、殊にインバータの出力段を安全な動作状態、例えば短絡モードに切り替えることができる。これによって、出力段が継続的に損傷を被ることとなる、エネルギー供給網内の過電圧が阻止される。

本発明の１つの実施形態では、少なくとも１つの緊急動作時制御部が、インバータ内の動作パラメータを監視し、少なくとも１つの動作パラメータが所定の下方閾値を下回ると、または所定の上方閾値を上回ると、故障を診断する。従って、例えば、給電ユニットによって供給された供給電圧が所定の下方閾値を下回っている否か、または所定の上方閾値を上回っているか否かが監視される。同様に例えば、制御ユニットの制御信号が所定の信号レベル−インターバル内にあるか否かが検査される。

緊急動作時制御部による動作パラメータの監視および故障の診断は、本発明によるインバータの回路技術的に有利な１つの実施形態である。しかし動作パラメータの監視および故障の診断を択一的に、１つまたは複数の別個の回路部品内で実現してもよい。

別の実施形態では、少なくとも１つの緊急動作時給電部がオン／オフ可能に構成されている。これによって、故障が検出された後に、動作パラメータが再び、許容される値領域に戻ってきた場合に、緊急動作から再び通常動作に切り換えることができる。

本発明の電気機械用インバータ作動方法では、インバータは少なくとも１つの出力段ユニットを、電気機械とエネルギー供給網との間の接続を形成するために有しており、通常動作において、この１つ／複数の出力段ユニットは、エネルギー供給網に依存しない給電ユニットを介してエネルギー供給され、制御ユニットを介して制御される。故障時に起動される緊急動作では、少なくとも１つの緊急動作時給電部によって、１つ／複数の出力段ユニットにエネルギー供給するためにエネルギー供給網からエネルギーが形成され、１つ／複数の出力段ユニットが、少なくとも１つの緊急動作時制御部によって制御される。

本発明の方法の１つの実施形態では、少なくとも１つの緊急動作時給電部が、故障診断後にオンにされ、有利には、故障が診断されなくなるとすぐに、再びオフにされる。

別の実施形態では、出力段を通る電流の流れも監視され、過電流が診断されると、短絡モードへの切り替えが阻止される、または既に開始されている短絡モードが中断される。このようにして、過電流による出力段の損傷も回避される。

本発明の実施形態の別の特徴および利点は、添付図面を参照した以降の記載に開示されている。

本発明のインバータの概略的なブロック回路図 本発明の方法を実施するための回路装置の概略図

電気機械１は、インバータ２を介してエネルギー供給網３と接続されている。このエネルギー供給網は、例えば高圧トラクション網として、ハイブリッド車両内に構成される。電気機械１がモーターモードで動作している場合には、電気機械にエネルギー供給網３からエネルギーが供給される。ジェネレーターモードで動作している場合には、電気機械は逆に、電気エネルギーをエネルギー供給網３に供給する。エネルギー供給網３は、エネルギー蓄積器４、例えばバッテリーと接続されている。スイッチ５を介して、エネルギー供給網３は、殊に、電気網内での機能エラー検出時に、エネルギー蓄積器４から分離される。インバータ２は、制御ユニット６、給電ユニット７並びに出力段ユニット８を有している。ここで、電気機械の各相に対して、出力段ユニット８が１つずつ設けられている。図示の例は三相電気機械１に基づいているので、３つの出力段ユニット８−１、８−２および８−３が設けられている。しかし電気機械１の相の数に依存して、３つよりも多くの、または３つよりも少数の出力段ユニットを設けることもできる。

給電ユニット７は、出力段ユニット８−１、８−２および８−３のエネルギー供給のために用いられる。これは、エネルギー供給網３に依存せずに構成されており、例えば、ハイブリッド車両の低圧搭載電源網を介して給電される。出力段ユニット８−１、８−２および８−３の制御は、制御ユニット６を介して行われる。

出力段ユニット８は、例えばパワー半導体回路の形態の出力段９と出力段駆動制御部１０を１つずつ有している。これらの出力段ユニット８は、図示の実施例では、フローティングされて構成されているので、出力段ユニット８内にはそれぞれ１つの相給電ユニット１１が設けられている。相給電ユニットはそれぞれ、給電装置７と出力段駆動制御部１０との間に接続されている。通常動作時には、出力段駆動制御部１０−１、１０−２および１０−３は、相給電ユニット１１−１、１１−２ないしは１１−３を介して給電ユニット７からエネルギー供給される。出力段ユニット８がフローティングされて構成されていない場合には、相給電ユニット１１を省くこともでき、出力段駆動制御部１０を直接的に給電ユニット７と接続することができる。制御ユニット６から、出力段駆動制御部１０はそれぞれ制御基準値を得る。この制御基準値は次に、出力段９を駆動制御するための適切な制御信号に変換される。

駆動制御またはエネルギー供給が正常に機能しない場合、すなわち制御ユニット６および／または給電ユニット７の故障時または機能エラー時にも出力段ユニット８を動作準備状態に保ち、エネルギー供給網上の過電圧を確実に阻止するために、各出力段ユニット８内に、緊急動作時制御部１２と緊急動作時給電部１３が設けられる。故障時には、出力段駆動制御部１０に対する制御基準値ひいては、出力段ユニット８の制御は、各緊急動作時制御部１２によって担われる。出力段ユニット８のエネルギー供給は緊急動作時には、緊急動作時給電部１３を介して行われる。ここで、この緊急動作時給電部は、必要なエネルギーをエネルギー供給網３から生成する。

図示の実施例では、各出力段ユニット８−１から８−３に対してそれぞれ、固有の緊急動作時制御部１２−１から１２−３と緊急動作時給電部１３−１から１３−３とが設けられている。しかしこれに対して択一的に、単独の、または少なくとも複数の出力段ユニット８に割り当てられている緊急動作時制御部および／または緊急動作時給電部を設けることもできる。ここで重要なのは、存在し、使用されている各出力段ユニット８に、緊急動作時制御部１２および緊急動作時給電部１３が割り当てられており、故障時に、出力段ユニット８の、制御ユニット６および給電ユニット７に依存しない制御ないしはエネルギー供給が保証される、ということだけである。

緊急動作中、すなわち故障時には、出力段９の頻繁なスイッチングは必要ないので、緊急動作時給電部１３によって大きい充／放電電流が供給されることはない。従ってこれは、小さい出力損失用に設計される。

図２には、概略的に、本発明の方法を実現するための回路の例が示されている。ここで、緊急動作時制御部１２は、例えば閾値スイッチの形態の比較ユニット２０を有している。これは、相給電ユニット１１によって供給された供給電圧を、供給電圧の所定の下方閾値Ａと比較する。相給電ユニット１１によって供給された電圧値がこの閾値Ａを下回っている場合、緊急動作時給電部１３は、殊に、内部に設けられている電圧調整器２１をオン状態にする。この緊急動作時給電部１３はこれに従って、エネルギー供給網３からエネルギーを生成する。ここで生成された電圧は、緊急動作時制御部１２内の第２の比較ユニット２２、例えば別の閾値スイッチによって、供給電圧の上方閾値Ｂと比較される。緊急動作時給電部１３によって生成された電圧が上方閾値Ｂを上回ると、出力段駆動制御部１０内に設けられたスイッチング手段２３が操作される。この結果、出力段９は、制御ユニット６によって設定された制御信号を介して制御されなくなり、緊急動作時制御信号Ｃを介して制御される。この緊急動作時制御信号によって例えば、出力段９内の１つまたは複数のローサイドスイッチングエレメントが、導電性にスイッチングされる。このような制御が、存在し、使用されている全ての出力段ユニット８に対して使用されると、インバータ２の短絡モードが実現される。これは、エネルギー供給網３内の過電圧、ひいては出力段９の継続的な損傷を確実に阻止する。

付加的に、出力段を流れる電流を監視することもでき、過電流が診断されると、短絡モードへのスイッチがはじめは全く許可されない、または既に開始されている短絡モードが中断される。このようにして、さらに、過電流による出力段の損傷も阻止される。

Claims (9)

1. ハイブリッド車両内の電気機械（１）用インバータ（２）であって、
   ・前記電気機械（１）とエネルギー供給網（３）との間の接続を形成する、少なくとも１つの出力段ユニット（８）と、
   ・当該少なくとも１つの出力段ユニット（８）を制御する制御ユニット（６）とを有するものにおいて、
   ・前記１つ又は複数の出力段ユニット（８）にエネルギーを供給する、前記エネルギー供給網（３）に依存しない給電ユニット（７）と、
   ・前記インバータ（２）内の動作パラメータを監視し、当該動作パラメータの少なくとも１つが所定の下方閾値を下回るまたは所定の上方閾値を上回ると、前記制御ユニット（６）および／または前記給電ユニット（７）の故障または機能エラーを診断し、かつ前記制御ユニット（６）および／または前記給電ユニット（７）の故障時または機能エラー時に、前記１つ又は複数の出力段ユニット（８）を制御する、前記１つ又は複数の出力段ユニット（８）に割り当てられた、少なくとも１つの緊急動作時制御部（１２）とを有しており、ここで前記緊急動作時制御部（１２）は、前記制御ユニット（６）に依存しないで、前記１つ又は複数の出力段ユニット（８）を制御し、
   ・前記制御ユニット（６）および／または前記給電ユニット（７）の故障時または機能エラー時に、前記１つ又は複数の出力段ユニット（８）のための供給エネルギーを前記エネルギー供給網（３）から生成する、前記１つ又は複数の出力段ユニット（８）に割り当てられた、少なくとも１つの緊急動作時給電部（１３）とを有しており、ここで前記緊急動作時給電部（１３）は、前記給電ユニット（７）に依存しないで、前記１つ又は複数の出力段ユニット（８）のための供給エネルギーを生成する、
   ことを特徴とするインバータ（２）。
2. 前記少なくとも１つの緊急動作時給電部（１３）はオン及びオフ可能に構成されている、請求項１記載のインバータ（２）。
3. ハイブリッド車両内の電気機械（１）用インバータ（２）の作動方法であって、
   当該インバータ（２）は、前記電気機械（１）とエネルギー供給網（３）との間の接続を形成する、少なくとも１つの出力段ユニット（８）を有している方法において、
   当該方法において通常動作時に、当該１つ又は複数の出力段ユニット（８）に、前記エネルギー供給網（３）に依存しない給電ユニット（７）を介してエネルギーを供給し、当該１つ又は複数の出力段ユニット（８）を制御ユニット（６）を介して制御し、
   前記インバータ（２）内の動作パラメータを監視し、当該動作パラメータの少なくとも１つが所定の下方閾値を下回るまたは所定の上方閾値を上回ると、前記制御ユニット（６）および／または前記給電ユニット（７）の故障または機能エラーを診断し、前記制御ユニット（６）および／または前記給電ユニット（７）の故障時または機能エラー時には、少なくとも１つの緊急動作時給電部（１３）によって、前記給電ユニット（７）に依存しないで前記１つ又は複数の出力段ユニット（８）にエネルギー供給するために、前記エネルギー供給網（３）からエネルギーを生成し、前記１つ又は複数の出力段ユニット（８）を、少なくとも１つの緊急動作時制御部（１２）によって、前記制御ユニット（６）に依存しないで制御する、
   ことを特徴とする、電気機械（１）用インバータ（２）の作動方法。
4. 前記制御ユニット（６）および／または前記給電ユニット（７）の故障または機能エラーの診断後に、少なくとも１つの緊急動作時給電部（１３）をオンにする、請求項３記載の方法。
5. 前記制御ユニット（６）および／または前記給電ユニット（７）の故障または機能エラーが診断されなくなるとすぐに、少なくとも１つの緊急動作時給電部（１３）を再びオフにする、請求項４記載の方法。
6. 前記緊急動作時制御部（１２）は、エネルギー供給網（３）内の過電圧が阻止されるように、各出力段ユニット（８）を制御する、請求項３から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記緊急動作時制御部（１２）は、前記出力段ユニット（８）内のスイッチングエレメントが短絡モードに切り替えられるように、各出力段ユニット（８）を制御する、請求項６記載の方法。
8. 前記緊急動作時制御部（１２）は、前記出力段内の過電流が阻止されるように、前記各出力段ユニット（８）を制御する、請求項７記載の方法。
9. 過電流が診断されると、短絡モードへの切り替えを阻止する、または短絡モードを中断する、請求項８記載の方法。

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