专利名称：电机控制单元及配备其的车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电机控制单元和装配了所述电机控制单元的车辆。
背景技术：
各领域都使用了电机驱动控制系统，在其中，由逆变器驱动电机。在这样的系统中，驱动电机的逆变器电路包括诸如IGBT器件、功率MOS器件等的开关器件。由于这些开关器件可能被高温损坏，当所述逆变器的温度升高时，通常限制转矩。
日本专利申请公报JP-A-9-121595描述了一种用于电力变换器的热防护装置，即使逆变器电路的开关器件的温度变得很高，其也能够对该开关器件进行热保护，并且不降低转矩。
当所述开关器件的检测到的温度升高时，在所述装置进行控制的热防护中，首先，将高载波频率切换为低载波频率，而不限制转矩。然后，如果温度仍然继续升高，所述装置将转矩限制为较小的值。
日本专利申请公报JP-A-7-322401中描述了另一种相关技术。
近来，诸如电动车、混合动力车、燃料电池车等环保型车辆受到广泛关注。这些类型的车辆装配了由直流电源和逆变器驱动的电机。所述电机为车辆产生驱动转矩。
然而，出于减少成本以及驱动电机的逆变器的安装空间的需要，趋势是更低热容量的更小的逆变器。如果使用这样的逆变器，由于热集中，将很可能出现温度的突然升高。在频繁进行开关的高载波频率，此温度升高尤其明显。
注意到基于电机的转速和所需要的转矩来设置载波频率fc，此载波频率fc确定所述开关频率。
图5A和5B是概念示图，其阐明了所述载波频率。
图5A示出了载波频率fc是1.25kHz的情况。将此载波频率用作为ON/OFF波形的PWM控制的基础，从而导致电流ICOIL流动。
另一方面，图5B示出了电流ICOIL的频率比图5A更高的情况。在这种情况下，需要将载波频率fc增加到2.5kHz，以使得电流ICOIL平稳流动。在此载波频率上进行PWM控制，从而开启或关闭所述开关器件。
通过降低所述载波频率而不是限制转矩，能够减少切换操作的次数。因此，能够减少开关损耗，从而抑制温度升高，此抑制的量对应于开关损耗的减少。然而，这样并不必然使得电机平稳旋转，从而可能增加电机的振动。
图6阐明了所述载波频率以及开关器件的温度升高。
图6示出了初始温度是65℃的情况。在这种情况下，当载波频率fc是1.25kHz或fc是2.5kHz时，即使延长电机工作时间，所述开关器件的温度也并不会升高到110℃，此温度是开关器件会被损坏的温度。
另一方面，当载波频率是5kHz时，所述开关损耗变大到开关频率更高的程度，并且所述开关损耗产生热。因此，如果在载波频率fc是1.25kHz或fc是2.5kHz的情况下初始温度是65℃时，在时刻t1之后温度可能超过110℃。于是，当载波频率较高时，除非采取对策，否则器件将被损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电机控制单元和装配了所述单元的车辆，此单元能够最大程度地产生所需要的转矩，并且同时抑制开关器件的温度升高。
根据本发明的方面的电机控制单元，包括驱动电机的驱动电路，该电机产生转矩以获得车辆的驱动力；以及控制所述驱动电路的控制部分。所述控制部分利用限制值控制所述驱动电路，从而使得所述电机进行受限操作。根据在所述驱动电路中包含的开关器件的开关频率和该开关器件的温度来确定所述限制值。
在根据本发明所述方面的电机控制单元中，所述控制部分可以通过根据所述电机的转速和从所述电机获得的转矩选择所述开关频率来控制所述驱动电路。
在根据本发明所述方面的电机控制单元中，可以基于转矩限制值确定所述限制值。可以根据所述开关器件的开关频率和温度预先确定所述转矩限制值。
进一步，在根据本发明所述方面的电机控制单元中，当尽管所述电机的转速增加至少预定量但所述开关频率却不增加时，基于根据所述开关器件的开关频率和温度预先确定的所述转矩限制值确定所述限制值。并且，当随着所述电机的转速增加至少所述预定量，所述开关频率也增加时，可以基于根据所述开关器件的已增加的开关频率和温度预先确定的转矩限制值来确定所述限制值。
根据本发明的所述方面的车辆包括电机，其产生转矩以获得所述车辆的驱动力；以及电机控制单元，其控制所述电机。所述电机控制单元包括用于驱动所述电机的驱动电路，以及用于控制所述驱动电路的控制部分。所述控制部分利用限制值控制所述驱动电路，从而使得所述电机进行受限操作。根据在所述驱动电路中包含的开关器件的开关频率和所述开关器件的温度确定所述限制值。
在根据本发明所述方面的车辆中，所述控制部分可以通过根据所述电机的转速和从该电机获得的转矩选择所述开关频率来控制所述驱动电路。
在根据本发明所述方面的车辆中，可以基于转矩限制值确定所述限制值，并且可以根据所述开关器件的开关频率和温度预先确定所述转矩限制值。
在根据本发明所述方面的车辆中，当尽管所述电机的转速增加至少预定量但所述开关频率却并不增加时，基于根据所述开关器件的开关频率和温度预先确定的所述转矩限制值确定所述限制值。并且，当随着所述电机的转速增加至少所述预定量，所述开关频率也增加时，可以基于根据所述开关器件的比当前的开关频率更高的预测的开关频率以及温度预先确定的转矩限制值来确定所述限制值。
根据本发明的所述方面，在所述电机控制单元和装配了该单元的车辆中，可以最大程度的产生所需要的转矩，并且同时能够保护开关器件。
从以下参考附图对优选实施例的描述，本发明的前述和/或进一步的目的、特征以及优势将变得更加明显，在所述附图中，用相同的参考数字表示相同的或对应的部分，其中图1是电路图，其阐明装配了根据本发明的电机控制单元的车辆100的构造；图2是流程图，其阐明了图1中的控制单元30的控制流程；图3是示图，其阐明了载波频率fc；图4是示图，其阐明了在图2的步骤S4、S6和S8中使用的转矩限制映象；图5A和5B是概念性示图，其阐明了所述载波频率；以及图6是示图，其阐明了所述载波频率和温度升高。
具体实施例方式
此后，将参考附图详细描述本发明的实施例。注意到，利用相同的参考数字表示相同的或对应的部分，并省略其描述。
图1是电路图，其示出装配了本发明的电机控制单元的车辆100的构造。
车辆100装配了电池B、电压传感器10、系统主继电器SR1、SR2、电容器C1、电压转换器20、逆变器14、温度传感器35、电流传感器24以及控制单元30。
电池B是诸如镍氢电池、锂离子电池等的二次电池。电压传感器10检测从电池B输出的直流(DC)电压VB，并向控制单元30输出反映所检测的DC电压的信号。通过来自控制单元30的信号SE开启或关闭系统主继电器SR1、SR2。更具体地，当信号SE为高电平(逻辑高)时，开启系统主继电器SR1、SR2，而当信号SE为低电平(逻辑低)时，将其关闭。当系统主继电器SR1、SR2开启时，电容器C1平滑电池B的端子之间的电压。
电压转换器20包括电压传感器21、电流传感器11、升压转换器12、电容器C2以及电压传感器13。
电流传感器11检测在电池B和升压转换器12之间经过的直流电流。然后，电流传感器11向控制单元30输出反映了所检测到的电流的直流电流IB信号。
升压转换器12包括电抗器L1、IGBT器件Q1、Q2以及二极管D1、D2。电抗器L1一端经由系统主继电器SR1被连接到电池B的正极。IGBT器件Q1、Q2被串联在升压转换器12的输出端子之间，所述升压转换器12输出电压VH。二极管D1、D2分别与IGBT器件Q1、Q2并联。
电抗器L1的另一端被连接到IGBT器件Q1的发射极以及IGBT器件Q2的集电极。二极管D1的阴极被连接到IGBT器件Q1的集电极，同时二极管D1的阳极被连接到IGBT器件Q1的发射极。二极管D2的阴极被连接到IGBT器件Q2的集电极，同时二极管D2的阳极被连接到IGBT器件Q2的发射极。
电压传感器21检测升压转换器12的输入侧的电压，即，电压VL。电流传感器11检测流向电抗器L1的电流，即，电流IB。电容器C2被连接到升压转换器12的输出侧，并且存储升压转换器12提供的能量。电容器C2还平滑所述电压。电压传感器13检测升压转换器12的输出侧的电压，即，电容器C2的电极之间的电压，亦即，电压VH。
逆变器14在从升压转换器12提供的升压后的电压上驱动交流(AC)电机M1。逆变器14还向升压转换器12返回由AC电机M1连同再生制动产生的电力。此时，由控制单元30控制升压转换器12，以作为降压电路进行工作。
AC电机M1是用来产生驱动车辆100的驱动轮(未示出)的转矩的电机。例如，此电机适用于混合动力车。更具体地，此电机可作为由发动机(未示出)驱动的发电机，并且也可作为用于所述发动机的电动机，其能起动所述发动机。
逆变器14包括U相臂15、V相臂16以及W相臂17。U相臂15、V相臂16以及W相臂17被并联在升压转换器12的输出线之间。
U相臂15包括IGBT器件Q3、Q4和二极管D3、D4。IGBT器件Q3和Q4互相串联，而二极管D3、D4分别并联到IGBT器件Q3、Q4。二极管D3的阴极连接到IGBT器件Q3的集电极，同时二极管D3的阳极连接到IGBT器件Q3的发射极。二极管D4的阴极连接到IGBT器件Q4的集电极，同时二极管D4的阳极连接到IGBT器件Q4的发射极。
V相臂16包括IGBT器件Q5、Q6和二极管D5、D6。IGBT器件Q5、Q6互相串联，而二极管D5、D6分别并联到IGBT器件Q5、Q6。二极管D5的阴极连接到IGBT器件Q5的集电极，同时二极管D5的阳极连接到IGBT器件Q5的发射极。二极管D6的阴极连接到IGBT器件Q6的集电极，同时二极管D6的阳极连接到IGBT器件Q6的发射极。
W相臂17包括IGBT器件Q7、Q8和二极管D7、D8。IGBT器件Q7、Q8互相串联，而二极管D7、D8分别并联到IGBT器件Q7、Q8。二极管D7的阴极连接到IGBT器件Q7的集电极，同时二极管D7的阳极连接到IGBT器件Q7的发射极。二极管D8的阴极连接到IGBT器件Q8的集电极，同时二极管D8的阳极连接到IGBT器件Q8的发射极。
各相臂15、16、17的中间点连接到AC电机M1的U相、V相和W相线圈的各自端。AC电机M1是三相永磁电机，其中，三个线圈中的每一个的一端在它们之间的中点连接到其它线圈。U相线圈的另一端连接到IGBT器件Q3、Q4的连接结点。V相线圈的另一端连接到IGBT器件Q5、Q6的连接结点。W相线圈的另一端连接到IGBT器件Q7、Q8的连接结点。
电流传感器24检测流经AC电机M1的电流，即，电机电流MCRT1。然后，电流传感器24向控制单元30输出电机电流MCRT1。
温度传感器35检测逆变器14的温度，并输出逆变器温度T信号。注意到，逆变器温度T对应于开关器件Q3到Q8的温度。
控制单元30接收针对转矩命令值TR1、电机转速MRN1、电压VB、VL、VH、电流IB、电机电流MCRT1，以及逆变器温度T的信号。然后，控制单元30向电压转换器20输出升压指令PWU和降压指令PWD。进一步，控制单元30向逆变器14输出驱动指令PWMI1和再生指令PWMC1。驱动指令PWMI1指示逆变器14将从升压转换器12输出的DC电压转换为用于驱动电机M1的AC电压。再生指令PWMC1指示逆变器14将由电机M1生成的AC电压转换为DC电压，从而向升压转换器12侧返回所述DC电压。
接下来，将简要解释电压转换器20的操作。电压转换器20中的升压转换器12，在供电操作时，作为升压电路进行工作，其作为正向转换电路，将来自电池B的电力提供给逆变器14。相反，在再生操作中，升压转换器12作为降压电路工作，其作为反向转换电路，用电机M1生成的电力对电池B充电。
当IGBT器件Q1关闭时，通过开关IGBT器件Q2，升压转换器12作为升压电路工作。更具体地，当IGBT器件Q2开启时，电流沿着经由电抗器L1和IGBT器件Q2从电池B的正极到电池B的负极的路径流动。当电流流动时，能量被存储在电抗器L1中。
当IGBT器件Q2关闭时，存储在电抗器L1中的能量经由二极管D1流向逆变器14。结果，电容器C2的电极之间的电压增加。于是，作用到逆变器14的升压转换器12的输出电压被升高。
另一方面，当IGBT器件Q2关闭时，通过开关IGBT器件Q1，升压转换器12作为降压电路工作。更具体地，当IGBT器件Q1开启时，经由逆变器14返回的再生电流通过IGBT器件Q1和电抗器L1，流向电池B。
进一步，当IGBT器件Q1关闭时，形成包含电抗器L1、电池B和二极管D2的环路，并且用电抗器L1中存储的能量向电池B充电。在此逆转换中，逆变器14提供电力的时间比电池B接收电力的时间更长。因此，逆变器14的电压降低，并向电池B充电。通过在供电操作和再生操作之间的切换适当地控制电压转换器20的操作。
应该注意到，当驾驶员通过踩下脚制动器制动车辆时，所述再生控制包括混合动力车或电动车中的再生发电。所述再生控制还包括当释放加速踏板时车辆减速或停止加速时的再生发电，即使此时没有踩下脚制动器。
控制单元30通过根据电机的转速以及从电机M1获得的转矩来选择开关频率，即，载波频率fc，来控制逆变器14。
逆变器14驱动电机M1，以产生用于获得车辆的驱动力的转矩。控制单元30控制逆变器14，从而使得电机M1进行受限操作。根据包含在逆变器14中作为开关器件的IGBT器件Q3到Q8的载波频率fc以及对应于该开关器件的温度的逆变器温度T，来确定所述受限操作。
如果逆变器温度T变高，控制单元30限制电机M1的转矩，从而使得逆变器14的温度不再升高。基于逆变器温度T和载波频率fc确定所述转矩的限制值。
图2是流程图，其阐明了图1中的控制单元30的控制流程。
首先，在步骤S1，控制单元30读取由温度传感器35检测到的逆变器温度T。
然后，控制单元30在步骤S2读取当前的载波频率fc。
下面将参考图3描述载波频率fc。
在图3中，水平轴指示电机M1的转速N，而垂直轴指示电机M1需要的转矩。在转速N等于或者在边界线W1之内的区域中，即，包含点A的区域，将载波频率fc设置为1.25kHz。
在边界线W1和W2之间的区域，即，包含点B的区域，将载波频率fc设置为2.5kHz。在边界线W2和W3之间的区域，即，包含点C的区域，将所述载波频率设置为5kHz。
控制单元30基于图3所示的映象(map)确定所述载波频率。在图2的步骤S2，控制单元30使用控制单元30自身确定的载波频率fc。
在步骤S3，确定载波频率fc是否为1.25kHz。如果载波频率fc是1.25kHz，则处理进行到步骤S4。如果不是，则处理进行到步骤S5。
在步骤S4，控制单元30读取1.25kHz的载波频率fc的转矩限制映象。然后，处理进行到步骤S9。
在步骤S5，确定载波频率fc是否为2.5kHz。如果载波频率fc是2.5kHz，则处理进行到步骤S6。如果不是，则处理进行到步骤S7。
在步骤S6，控制单元30读取2.5kHz的载波频率fc的转矩限制映象。在完成步骤S6之后，处理进行到步骤S9。
在步骤S7，确定载波频率fc是否为5kHz。如果载波频率fc是5kHz，则处理进行到步骤S8，在此步骤，控制单元30读取5kHz的载波频率fc的转矩限制映象。
注意到，即使载波频率fc不是5kHz，处理仍将进行到步骤S8。之所以以这种方式执行处理是因为5kHz的载波频率的转矩限制映象是最严格的映象。可以改变所述流程，从而使得所述处理直接进行到步骤S8，而不进行步骤S7的确定。
在步骤S8，控制单元30读取5kHz的载波频率的转矩限制映象。然后，处理进行到步骤S9。在步骤S9，控制单元30用由所确定的转矩限制值限制的转矩来控制逆变器14，以旋转电机。
然后，所述处理从步骤S9进行到步骤S10，在该步骤处理结束。
图4阐明了在图2的步骤S4、S6和S8中使用的转矩限制映象。
在图4中，水平轴指示由图1中的温度传感器35检测到的逆变器温度T。垂直轴指示转矩限制值，其为控制电机M1的驱动的条件。
如图4所示，根据载波频率fc和等同于开关器件温度的逆变器温度T预先确定所述转矩限制值。
当载波频率fc是1.25kHz时，在实际驱动期间不限制转矩。选择100％的预定转矩作为每个温度范围内的转矩限制值。
当载波频率fc是2.5KHz时，如果逆变器温度T等于或高于T2，随着温度变高，对所述转矩施加更大的限制。换言之，所述转矩限制值变得更小。
当载波频率fc是5kHz时，如果逆变器温度T低于T2却不低于T1，随着温度变高，将所述转矩限制值设置为更小。
如图6所示，例如，当初始温度是65℃并且所述载波频率fc是1.25kHz或fc是2.5kHz时，即使延长电机操作时间，温度也不会升高到110℃，此温度是开关器件将被损坏的温度。
另一方面，当载波频率是5kHz时，开关损耗变得大到使得开关频率更高的程度，并且开关损耗产生热。因此，如果如载波频率fc是1.25kHz或者fc是2.5kHz的情况，初始温度是65℃，则在时刻t1之后，所述温度可能超过110℃。为避免这种情况，当逆变器温度T是65℃时，仅当载波频率是5kHz时，将转矩限制值设置为小。然而，当逆变器温度T是65℃并且在低载波频率进行操作时，所要求的转矩不被限制到所述转矩限制值。
利用以上构造，能够最大程度产生所要求的转矩，同时，能够保护所述开关器件。
应该注意到，可以通过按照如下描述改变转矩限制值的应用方法进一步抑制逆变器温度T的升高。
在尽管电机的转速增加至少预定量而载波频率fc也不增加的操作区域中，电机基于所述转矩限制值进行受限操作。根据当前的载波频率fc以及对应于所述开关器件温度的逆变器温度T预先确定所述转矩限制值。上述操作区域是由例如图3中的边界线W1和W2A定义的区域。在此区域中，基于当前2.5kHz的载波频率fc选择图4的转矩限制值，并且，电机进行受限操作。
在电机的转速增加至少预定量时载波频率fc增加的操作区域中，电机可基于转矩限制值进行受限操作，其中，根据增加的载波频率fc以及对应于所述开关器件的温度的逆变器温度T预先确定所述转矩限制值。此区域是由例如图3中的边界线W2A和W2定义的区域。在此区域中，基于所述增加后的5kHz的载波频率fc而不是2.5kHz的当前的载波频率fc来选择图4中的转矩限制值，并且，电机进行受限操作。
即，在预定时间之后载波频率倾向于增加的操作区域中，使用与高于当前载波频率的预测的载波频率相对应的限制值。并且，可以基于对电机转速的增加/降低的监控来预测所述载波频率。如果预测所述载波频率将增加，利用与高于当前载波频率的预测载波频率相对应的限制值在此改变之前进行所述受限操作。此外，可以为所述限制值的使用设置滞后。如果预测所述载波频率将降低，则无需改变，应用与当前载波频率相对应的限制值。
在此实施例中，基于电机的转速设置载波频率。替换地，可以基于车辆速度设置载波频率。
虽然参考示例实施例描述了本发明，但是，需要知道，本发明不限于所述示例实施例或构造。相反，本发明意在覆盖各种修改和等同的安排。另外，虽然通过各种组合和构造示出了示例实施例的各种元件，但是，这是示例性的，其它组合和构造，包括增加、减少或者仅使用单个元件，都落入本发明的精神和范围之内。
权利要求
1.一种电机控制单元，其特征在于，包括驱动电机的驱动电路，该电机产生转矩以获得车辆的驱动力；以及控制所述驱动电路的控制部分，其中，所述控制部分利用限制值控制所述驱动电路，从而使得所述电机进行受限操作，根据在所述驱动电路中包含的开关器件的开关频率和所述开关器件的温度来确定所述限制值。
2.根据权利要求1所述的电机控制单元，其中，所述控制部分通过根据所述电机的转速和从所述电机获得的转矩选择所述开关频率来控制所述驱动电路。
3.根据权利要求1所述的电机控制单元，其中，基于转矩限制值确定所述限制值，并且根据所述开关器件的开关频率和温度预先确定所述转矩限制值。
4.根据权利要求1所述的电机控制单元，其中，当尽管所述电机的转速增加至少预定量但所述开关频率却不增加时，基于根据所述开关器件的当前的开关频率和温度预先确定的转矩限制值来确定所述限制值，以及，当随着所述电机的转速增加至少所述预定量，所述开关频率也增加时，基于根据比所述当前的开关频率更高的预测的开关频率以及所述开关器件的温度预先确定的所述转矩限制值来确定所述限制值。
5.一种车辆，其特征在于，包括电机，其产生转矩以获得所述车辆的驱动力，以及，电机控制单元，其控制所述电机，其中，所述电机控制单元包括用于驱动所述电机的驱动电路，以及用于控制所述驱动电路的控制部分，并且所述控制部分利用限制值控制所述驱动电路，从而使得所述电机进行受限操作，根据在所述驱动电路中包含的开关器件的开关频率和所述开关器件的温度确定所述限制值。
6.根据权利要求5所述的车辆，其中，所述控制部分通过根据所述电机的转速和从该电机获得的转矩选择所述开关频率来控制所述驱动电路。
7.根据权利要求5所述的车辆，其中，基于转矩限制值确定所述限制值，并且根据所述开关器件的开关频率和温度预先确定所述转矩限制值。
8.根据权利要求5所述的车辆，其中，当尽管所述电机的转速增加至少预定量但所述开关频率却并不增加时，基于根据所述开关器件的开关频率和温度预先确定的转矩限制值来确定所述限制值，以及，当随着所述电机的转速增加至少所述预定量，所述开关频率也增加时，基于根据比当前的开关频率更高的预测的开关频率以及所述开关器件的温度预先确定的所述转矩限制值来确定所述限制值。
全文摘要
一种电机控制单元和装配了根据本发明所述的单元的车辆，其包括控制单元，该单元根据电机的转速和从电机获得的转矩选择开关频率，即，载波频率。当逆变器温度变高时，控制单元限制电机的转矩，从而抑制逆变器温度进一步升高。根据所述逆变器的温度和载波频率确定在受限操作中使用的限制值。
文档编号B60L11/18GK101091304SQ200580045184
公开日2007年12月19日 申请日期2005年12月27日 优先权日2004年12月28日
发明者牟田浩一郎 申请人:丰田自动车株式会社