阅读说明：本技术 逆变装置和车辆控制装置 (Inverter device and vehicle control device ) 是由 中岛明生 于 2020-03-27 设计创作，主要内容包括：本发明的课题在于提供一种逆变装置和车辆控制设备,其中,可防止在车辆出发等的马达旋转的开始时,电流偏到一部分的相的开关元件以使该开关元件损伤的情况,或者通过该防止的控制,转矩不足的情况可改善。逆变装置包括逆变器(1)和控制部(9),该逆变器(1)通过各相的半导体开关元件(3)的开闭,将直流电流变换为与马达(10)的形式相对应的交流电流。控制部(9)在启动上述马达(10)后等时的马达(10)的转数小于阈值的场合,施加电流限制。另外,控制部(9)在表示开关元件(3)的使用状况的已确定的事项满足设定条件的场合,减缓上述电流限制。表示上述使用状况的已确定的事项比如,为开关元件(3)或其冷却用的冷却水的测定温度,此外,也可采用经历时间。(The present invention addresses the problem of providing an inverter device and a vehicle control device that can prevent a switching element of a phase whose current is partially biased to damage the switching element at the start of motor rotation such as when a vehicle starts, or can prevent torque shortage from being reduced by the control of the prevention. The inverter device is provided with an inverter (1) and a control unit (9), wherein the inverter (1) converts a direct current into an alternating current corresponding to the form of a motor (10) by opening and closing semiconductor switching elements (3) of each phase. The control unit (9) limits the current when the number of rotations of the motor (10) is less than a threshold value after the motor (10) is started or the like. The control unit (9) slows down the current limitation when a predetermined item indicating the use state of the switching element (3) satisfies a set condition. The predetermined items indicating the use state are, for example, the measured temperature of the switching element (3) or the cooling water for cooling the switching element, and the elapsed time.)

逆变装置和车辆控制装置

技术领域

本发明涉及控制马达的逆变装置与装载它的车辆控制设备。

背景技术

图1表示普通的内轮系统的电动汽车的构思方案。其具体结构通过用于实施发明的方式的有关部分而进行说明。VCU(车辆控制单元)14读取驾驶员的加速器的操作角度，将其换算为转矩指令，在逆变装置1A中执行该指令。逆变装置1A将来自电池2的电力变换为基于转矩指令的三相交流，控制相应的马达10。在此场合，也可采用2个逆变装置，但是，本例子的逆变装置1A为2轴一体型，可驱动2个马达10。本例子为后轮驱动，但是，前轮驱动、4轮驱动也可通过同样的结构而实现。

图7为1轴的逆变装置1A的基本结构。在图1的例子中，采用2组的该基本结构。

该逆变装置1A包括构成强电电路的逆变器1与控制该逆变器1的控制部9，该逆变装置1A装载于车身上。逆变器1通过电池2而供给电力，在其内部通过平滑电容器5使电力稳定，为了使与通过控制部9内的运算电路部8而进行计算的转矩相对应的电流流动，门驱动电路7适当地驱动由半导体构成的开关元件(比如，IGBT)3。

马达驱动电流通过电流传感器4而计量，通过电流监视电路6而判断是否为适合的电流，通过运算电路部8而进行控制。运算电路部8通过下述方式控制马达电流，该方式为：如果经过计量的电流小于经过计算的电流指令值，则进一步增加指令电流，如果经过计量的电流大于经过计算的电流指令值，则进一步减小指令电流。

一般，3相交流的电流Iu、Iv、Iw比如可通过下述方式

Iu＝Acos(θ)

Iv＝Acos(θ+120°)

Iw＝Acos(θ－120°)

而表示。A表示电流的实效值，θ表示相位角。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2010－233383号公报

发明内容

发明要解决的课题

图8为实效值A＝100(Arms)时的3相交流的电流波形。比如，在驱动4极对的马达的场合，以360°的电动角，即0～360°的相位角使马达旋转1/4圈。即，360°的电动角的时间相当于马达旋转1/4圈的时间。另外，轮仅以施加减速器的减速比的量而进行旋转。

在这里，在马达旋转中，在图7中，比如在流过100(Arms)的Iu的电流的场合，在相位角在0～180°的范围内的场合，6个开关元件3中的开关元件3-up负责承载该电流，在相位角在180°～360°的范围内的场合，开关元件3-vn负责承载该电流。于是，比如，如果考虑到开关元件3中的1个流过实效值的1/2，即，50(Arms)的电流的情况，则可计算损失。其它的全部的开关元件也可流过50(Arms)的电流。

在这里，人们考虑车辆出发时，即从马达10的停止中起的开始启动时的情况。比如，在该时刻相位角为90°的场合，由于马达转数为0，故在U相流过即141(A)的电流，仅仅在开关元件3-up中，集中有141(A)的电流。另外，对于V、W相，分别在开关元件3-vn、开关元件3-wn中，每次流有一半，即，70.5(A)的电流，在其它的3个开关元件中没有流有电流。这是开关元件3-up的负荷的最恶劣条件。相应的开关元件3在特定的相位角，为与前述相同的最恶劣条件。

开关元件3的损失在低旋转的场合，主要分为开关损失和导通损失，但是，如果开关速度为一定，则其基本与电流成比例。由于开关元件3的温度上升由损失和冷却性能确定，故损失越大，温度上升越大。由于开关元件3的结温度通常在150℃左右，其构成极限，故在平时，必须要求按照小于等于该温度的方式进行控制。结温度的最大值为Tjmax。通常，在开关元件3的附近设置温度传感器，推算结温度，按照不超过Tjmax的方式进行控制，然而，由于因开关元件3与温度传感器之间的热阻等的原因，具有温度差，无法仅仅凭借此而推算结温度，故无法仅仅通过温度传感器而充分地保护开关元件3。

在这里，如果通过单纯的计算，则将冷却性能视为一定，由于在上述最恶劣条件下，损失为2.82倍，故在启动时，只能流过通常行驶的1/2.82，即35％的电流。马达10的转矩在低旋转的场合，基本与电流成比例。于是，转矩也限制在35％。

在将这样的状况用于车辆的场合，比如，在通过坡道的场合，可以具有足够的转矩的方式通过，但是在通过相同的角度的坡道而出发的场合，考虑上述最恶劣条件，将转矩限制在35％，其结果是，视为不能出发的情况。或者，在考虑上述最恶劣条件，选择可流过大电流的开关元件3的场合，在通常行驶的场合，具有造成超出规格，成本上升的缺点。

于是，必须要求确立不选择必要程度以上的输出的开关元件3，而可确保爬坡性能的运用方法。

在于专利文献1中记载的技术的场合，使集中的电流的相位错开而获得8％的改善。但是，人们打算再稍大的改善。

本发明消除了上述课题，本发明的目的在于，提供一种逆变装置和车辆控制设备，其中，可防止在车辆出发等的马达旋转的开始时，电流偏到一部分的相的开关元件以使该开关元件损伤的情况，或者通过该防止的控制，转矩不足的情况可改善。

用于解决课题的技术方案

本发明的逆变装置1A包括逆变器1和控制部9，该逆变器通过由各相的半导体构成的开关元件的开闭，将直流电流变换为与驱动对象的马达10的形式相对应的交流电流，该控制部9控制该逆变器1，上述控制部9在启动上述马达10后等的上述马达10的转数小于阈值的场合，施加电流限制，在表示上述开关元件3的使用状况的已确定的事项满足设定条件的场合，减缓上述电流限制。

按照该方案，在启动上述马达10后等，控制部9在马达10的转数小于阈值的场合施加电流限制。由此，即使在为了在启动时极低速的旋转，电流偏于逆变器1的一部分的开关元件3上的情况下，仍防止因过电流导致该开关元件3损伤的情况。如果强烈地进行电流限制，则开关元件3难以损伤，但是，产生马达10的转矩不足。另外，开关元件3根据其启动时的使用的状况、周边温度、启动开始后的使用的状况等，受到限制的电流产生富裕。于是，在控制部9中，确定用于减缓电流限制的表示开关元件3的使用状况的事项与设定条件，在满足设定条件的场合，减缓上述电流限制。由此，防止白白地对开关元件3的电流进行限制的情况，可改善转矩不足的情况。

像这样，在刚开始启动后的马达10的转数低的场合，基本上进行电流限制，可防止为了仅仅在条件充足时减缓限制，电流偏到一部分的相的开关元件3中，开关元件3损伤的情况，另外可通过该防止的控制，改善转矩不足的情况。

在本发明中，表示上述开关元件3的使用状况的已确定的事项也可包括上述开关元件3的直接或间接而测定的温度的事项。

过电流的开关元件3的损伤在因该元件3的发热，温度以某程度而上升的场合产生。由此，用于减缓电流限制的判断的表示开关元件3的使用状况的事项采用开关元件3的温度，由此，电流限制的减缓适当地进行。另外，如果为温度，则其测定容易地进行。

也可在上述已确定的事项为开关元件3的温度的场合，在冷却上述逆变器1的冷却水的温度低于设定温度的场合，减缓上述电流限制。

开关元件3组装于包装件的内部，难以直接地测定其温度，但是，逆变器1的冷却水的温度可容易地测定。虽然冷却水的温度没有以良好的精度而表示开关元件3的温度，但是冷却水的温度与开关元件3的温度的相关关系强，另外，也构成表示冷却开关元件3的能力的指标。由此，在冷却水的温度低的场合，通过减缓电流限制，简单地进行电流限制的减缓的控制。

还可在上述已确定的事项为开关元件3的温度时，在测定上述开关元件3的温度的温度传感器的测定温度低于设定温度的场合，减缓上述电流限制。

可通过逆变器1的结构，设置测定开关元件3的温度的温度传感器。该温度传感器也可在比如各自的开关元件3的外罩等上设置温度的检测部。在可通过温度传感器而测定各自的开关元件3的温度的场合，通过采用该温度传感器的测定温度，以更进一步良好的精度，进行电流限制的减缓的控制。

也可在本发明的逆变装置中，表示上述开关元件3的使用状况的已确定的事项包括从通电开始起或从电流值超过设定值起的经历时间。

一般，如果为瞬间的电流等的短时间的电流，则开关元件3、其它的电子元件可使某种程度大的电流流过。另外，时间的计量容易地进行。由此，通过使经历时间为限制减缓的条件，可简单地实现电流限制的适合的减缓。

在本发明的逆变装置中，在表示上述开关元件3的使用状况的已确定的事项满足设定条件的场合包括冷却上述逆变器1的冷却水的温度小于设定温度的场合、测定上述开关元件3的温度的温度传感器的测定温度小于设定温度的场合、以及满足经历时间的设定事项的场合中的多个的场合。

通过判断影响开关元件3的损伤的多个事项，在谋求确实的损伤的防止的同时，在更多的场合可减缓电流限制，提高转矩不足的改善效果。另外，如果转矩不足的改善的程度相同，则谋求更进一步的确实的损伤防止。

本发明的车辆控制设备也可装载本发明的前述的任意一项所述的方案的逆变装置1A，上述马达10为车辆的行驶驱动用的马达10。

通过将本发明用于进行车辆的行驶驱动用的马达10的控制的逆变装置1A，可防止电流偏到本发明中的一部分的相的开关元件3中，该开关元件3损伤的情况，另外，通过该防止的控制，有效地发挥改善转矩不足的情况的效果。

另外，权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少2个结构中的任意的组合均包含在本发明中。特别是，权利要求书中的各项权利要求的2个以上的任意的组合也包含在本发明中。

附图说明

根据参照附图的下面的优选的实施形式的说明，会更清楚地理解本发明。但是，实施形式和附图用于单纯的图示和说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由权利要求而确定。该附图中，多个附图中的同一符号表示同一部分。

图1为装载内轮系统的电动汽车的一个例子的构思图；

图2为表示本发明的一个实施方式的内轮装置的构思方案的说明图；

图3为水冷的开关元件模块的原理图；

图4为表示转数的电流限制的一个例子的曲线图；

图5为表示伴随时间的推移的电流限制的一个例子的曲线图；

图6为开关元件模块的一个例子的立体图；

图7为过去的逆变装置的构思方案的方框图；

图8为3相交流的电流波形的曲线图。

具体实施方式

(车辆的基本结构)

根据图1～图6，对本发明的实施方式进行说明。

图1为装载内轮系统的电动汽车的一个例子的构思图。该电动车的逆变装置1A采用本实施方式的逆变装置。该电动汽车为后轮二轮驱动车，在该后轮二轮驱动车中，构成后轮的左右的车轮22为分别通过马达10而驱动的驱动轮，构成前轮的车轮21为通过操舵装置23而操舵的从动轮。马达10为构成内轮马达装置的马达。马达10也可为设置于车身20上的马达。各马达10为交流马达，采用三相的同步马达。操舵装置23通过方向盘等的操舵操作机构24而进行操作。在各车轮21、22上设置制动器25，按照通过由制动踏板构成的制动操作机构16的踏下操作等而进行制动。

控制系统包括：VCU 14，该VCU 14进行车辆的整体的综合控制、协调控制；逆变装置1A，该逆变装置1A按照该VCU 14所输出的指令控制马达10。VCU 14通过微型计算机与电子电路等构成。VCU 14读取驾驶员的加速操作机构15的操作角度等的加速输入和制动操作机构16的操作角度等的制动输入，将其换算为转矩指令，对逆变装置1A执行指令。逆变装置1A将来自电池2的电力变换为基于转矩指令的三相交流，控制相应的马达10。在场合，也可采用2个逆变装置，但是，该图的例子的逆变装置1A为2轴一体型，可驱动2个马达10。本例子为后轮驱动，但是，在全部轮驱动车、4轮驱动车中，均可采用本实施方式的逆变装置和车辆控制装置。

(逆变装置的基本结构)

图2为1轴的逆变装置1A的基本结构，图1所示的逆变装置1A包括2组的该基本结构。

在图2中，逆变装置1A包括逆变器1与控制该逆变器1的控制部9。

逆变器1为桥接电路，该桥接电路由各相U、V、W中的每个的上下的开关元件3(Up、Un、Vp、Vn、Wp、Wn)构成，通过上述开关元件3的关闭而将电池2的直流电流变换为模拟的正弦波长的3相的交流电流。另外，在区分相应的开关元件3的场合，对于标号，在“3”的后面标注上述Un、Vp、Vn、Wp、Wn的标号，像“3-up”那样而示出。开关元件3采用IGBT、MOS－FET等的半导体开关元件。另外，平滑用电容器5与电池2并联。逆变器1的各相的输出端与马达10的各相的输入端连接。

(控制部的基本结构)

控制部9具有运算电路部8、门驱动电路7与电流监视电路6。运算电路部8通过其基本控制部31，按照流有与由高级的VCU 14(图1)提供的转矩指令相对应的电流的方式，将指令提供给门驱动电路7。门驱动电路7使开关元件3开闭。从逆变器1而输出，流过马达10的马达驱动电流通过电流传感器4而计量，通过电流监视电路6而判断是否为适合的电流，通过运算电路部8而对其进行控制。运算电路部8的基本控制部31通过在与经过计算的电流指令值相比较，经过计量的电流较小时，进一步增加指令电流，在与经过计算的电流指令值相比较，经过计量的电流较大时，进一步减小指令电流的电流反馈控制，控制马达电流。

(电流限制部)

针对这样的基本结构的逆变装置1，在该控制部9的运算电路部8中设置电流限制部32。电流限制部32在刚启动马达10等的马达10的转数小于阈值的场合，施加电流限制，在表示开关元件3的使用状况的已确定的事项满足设计条件的场合，减缓上述电流限制。电流限制的条件在限制条件设定部33中设定，减缓的条件在减缓条件设定部34中设定。减缓的条件指表示上述开关元件3的使用状况的事项，与涉及该事项的上述设定条件。

表示上述开关元件3的使用状况的已确定的事项包括上述开关元件3的直接或间接地测定的温度的事项。涉及该温度的事项具体来说，比如，指冷却逆变器1的冷却水的温度，在低于设定温度的场合，减缓电流限制。

涉及上述温度的事项也可为测定开关元件的温度的温度传感器的测定温度，在该测定温度低于元件用的设定温度的场合，减缓上述电流限制。

(冷却水温度的限制减缓)

图3为水冷的开关元件3简单的原理图。开关元件3设置于由金属件等构成的放热器11中。在放热器11中设置覆盖内面的冷却水外套13，在该冷却水外套13内的冷却水12中浸渍有放热器11的放热翅片11a。由开关元件3所损耗的热量传导给放热器11，通过冷却水12而进行冷却。冷却水12通过在图中没有示出的循环机构，在循环线路的内部进行循环，在循环线路中，通过散热器(在图中没有示出)而冷却。

对于各开关元件3，按照分别缠绕在多个开关元件3上，与放热器11一起地接纳于包装件(在图中没有示出)中的方式，构成开关元件模块3A。上述冷却水外套13也可为包装件的表层的一部分。

对开关元件3的损失和温度的关系进行说明。如果开关元件3的温度为Td(℃)，冷却水12的温度为Tw(℃)，则对于其温度差ΔT(℃)，ΔT＝Td－Tw。

在这里，虽然正确地说，多应考虑从带有密封件(packing)的开关元件3A内的开关元件3到包装件的热阻、包装件与放热器11之间的热阻、放热器11与冷却水12之间的热阻、冷却水12的温度分布、流速、放热器11内部的热传导等，但是，为了简化说明、简化计算，通过开关元件3损耗的热量全部地通过冷却水12而进行冷却，从1个开关元件3汇集冷却水12的热阻，得到θs(℃/w)。

开关元件3的损失主要分为开关损失和导通损失，如果开关速度一定，则在低旋转的场合，其基本与电流成比例。另外，实际上，在开关元件3中，放入有在图中没有示出的逆向的二极管(FRD：Fast Recovery Diode)，还应考虑其损失，但是，本次，为了简化说明、简化计算，不考虑该影响。

通过U相电流，开关元件3-up的损失超过通过实际有效值而计算的损失的时刻，与前面的描述和图8相比较，为超过实际有效值的1/2、相位角在20°～160°的120°的期间，为全部周期的1/3。

在马达10的旋转为某程度以上的转数，电流一定、处于热平行的状态的场合，在相位角在20°～160°的期间，开关元件3-up的温度上升，在其它的时刻，该开关元件3-up的温度下降的情况反复。

如果马达10的旋转下降，则相位角在20°～160°的的开关元件3-up的温度上升，但是产生超过结温度的最大值Tjmax的可能性。由此，在此场合，必须要求通过马达的转数，降低最大电流。图4表示这样的限制性的一个例子。

在图4所示的例子中，在马达10的转数，即3相交流的频率超过Fn(Hz)的场合，可使1max的电流流过。在3相电流的频率小于等于Fn(Hz)，伴随频率而降低到1res。

因该方式，可实现不超过开关元件3的结温度的最大值TImax的运用，可防止逆变器的故障。

但是，如果转数的限制率为Rres，Rres＝Imax/Ires，则具有像前述那样，产生Rres＝2.82，出发时的转矩不足的担心的情况。

为了简化，Imax由1个开关元件3的损失Pa、Tw、Td、θs确定。

Td＝Tjmax

如果Pa基本与相电流I成比例，比例系数为Kp，则：

Pa＝Kp·I

由于Pa＝ΔT/θs，故

Td－Tw＝Kp·I·θs

I＝(Td－Tw)/(Kp·θs)。

作为一个例子，在通过10kHz的取样而驱动的35kW的马达中，如果

Td＝150、Tw＝60、Kp＝1、θs＝0.3，则：

Imax＝I＝300(Arms)

Ires＝I＝106(Arms)

考虑到输出连续最大输出时的温度上升，冷却水水温Tw比如，像上述那样，为60℃。

在这里，如果在车辆出发时，假定冷却水水温没有上升，其比如，为30℃，则：

Imax＝I＝400(Arms)

Ires＝I＝142(Arms)

其中，对于Imax，任意的水温上升，必须要求Tw＝60，

Imax＝I＝300(Arms)

Ires＝I＝142(Arms)

R_res＝2.11，2.82/2.11，在本例子中，稍稍改善到134％。

或者，可采用水温计测定Tw，确定Ires。

或者，在没有水温计的场合，将在停止时附属于开关元件3的温度传感器(在图中没有示出)的测定值作为Tw，确定Ires。在此场合，伴随开关元件3的温度上升，附属于开关元件3的温度传感器的测定值急剧地上升，但是，即使在短时间，采用初始的冷却水水温Tw的值，仍没有关系。短时间指比如，冷却水12在循环线路中循环1周的时间。换言之，该时间为全部冷却水量除以流量后的时间。

接着，在仅仅上述最恶劣条件的场合的开关元件3-up的场合，为141(A)，在开关元件3-vn、开关元件3-wn，为70.5(A)，此外，在0(A)的场合，将热阻视为θs。

图6表示开关元件模块3A的一个例子。6个开关元件3分别采用放热器11的1/6的区域，进行放热。在上述最恶劣条件的场合，由于在开关元件3-un、开关元件3-vp中，没有电流流动，故开关元件3-un也可采用其2个放热器区域。其中，由于不位于开关元件3-up的正下方，故热阻大，放热器11的3/6的全部无法有效地使用。在这里，假定热阻为2倍，仍具有与放热器11的2/6的区域可利用的场合相同的效果，θs为1/2。

在此场合，由于相对最初的Imax＝300(Arms)，Ires＝106(Arms)的情况，Ires＝204(Arms)，Rres＝1.47，2.82/1.47，故在本例子中，改善到192％。

如果将以上组合，则在本例子中，实现134×192＝257％的改善。

Rres＝1.10

Ires＝273(Arms)

，另外，在此场合，可利用下次的时间的电流限制的减缓，进一步减缓电流限制。

对采用时间的电流限制的减缓的例子进行说明。

即使在为上述最恶劣条件的情况下，如果为短时间，则可使电流流动，直至Imax。即，即使在Rres的初始值为1的情况下，仍没有关系。在车辆出发时，马达转数慢慢地上升，在短时间，上述3相交流的频率达到Fn。

其中，在于陡坡、高差等处，车辆无法前进的场合，马达10处于锁定状态，电流为Imax，在短时间，结温度超过Tjmax，开关元件3发生故障。

于是，在从通电开始或超过某种程度的电流值起的时间，进行电流限制这一点是有效的。

电流限制的函数可按照图5的时间的电流限制的例子的方式，以正弦波形或通过虚线表示的直线而进行。形成Imax＝100(Arms)时的例子，Tlim的期间的波形为频率Fn，为与图5的U相的相位角在90°～160°的范围内的场合相同的波形。如果为该波形，由于为在高旋转侧所采用的波形，故至少不应产生问题。

或者，也可通过虚线那样的函数而进行限制。

在电流限制的方法中，比如，可在马达10启动时，以最大电流的50％以上的时刻为起点设定时间函数，与转数的限制相组合，在两者中，采用较大者的电流，进行运用。

另外，以上的计算为用于说明本发明的原理的简化的说明，但是也可在实际的应用中，添加严密的计算或模拟的计算，变更数值。

以上，根据实施方式，对用于实施本发明的方式进行了说明，但是，本次公开的实施方式在全部的方面，是列举性的，没有限制性。本发明的范围不是通过上述的说明，而通过权利要求书而给出，应包括与权利要求等同的意思和权利要求的范围内的全部的变更。

标号的说明：

标号1表示逆变器；

标号1A表示逆变装置；

标号2表示电池；

标号3表示开关元件；

标号5表示电容器；

标号6表示电流监视电路；

标号7表示门驱动电路；

标号8表示运算电路部；

标号9表示控制部；

标号10表示马达；

标号14表示VCU；

标号20表示车身；

标号31表示基本控制部；

标号32表示电流限制部；

标号33表示限制条件设定部；

标号34表示减缓条件设定部。