用于释放残留在驱动装置中的电容器中的电荷的方法

文档序号:7463657
专利名称:用于释放残留在驱动装置中的电容器中的电荷的方法
技术领域
本发明涉及一种驱动装置、在其上安装有该驱动装置的车辆以及用于控制该驱动装置的方法。更特别地,本发明涉及一种释放残留在该驱动装置中的电容器中的电荷的技术。
背景技术
近年来,作为环保型车辆的电动车辆被给予了极大关注,电动车辆上安装有蓄电装置(例如,二次电池或电容器)并且利用由蓄电装置中蓄积的电力产生的驱动力来行驶。该电动车辆包括例如电气自动车、混合动力车、燃料电池车等。
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该电动车辆可包括电动发电机,在启动或加速时,所述电动发电机用于接收来自蓄电装置的电力并且产生用于行驶的驱动力,而在制动时,所述电动发电机通过再生制动而产生电力并且将电能蓄积在蓄电装置中。为了根据如上所述的行驶状态来控制电动发电机,通过变换器和逆变器变换电力的电力变换装置安装在电动车辆上。该电力变换装置包括大容量平滑电容器以稳定供给的DC电力。在电力变换装置工作期间,与施加的电压相对应的电荷被蓄积在平滑电容器中。例如当车辆碰撞发生时,必须快速地释放蓄积在平滑电容器中的这些电荷。公开号为2004-201439的日本专利公开了这样一种构造在混合动力车或电气自动车中,当电动机的驱动停止时,包括在电压变换系统中的电容器中残留的电荷被回充到DC电源,并且当电容器两端的电压变得等于或低于DC电源的电压并且无法进行回充时,通过电压变换系统中包括的变换器的重复升压操作和降压操作,借助变换器来释放残留在电容器中的电荷。根据在公开号为2004-201439的日本专利所公开的技术,当车辆碰撞发生并且电动机的驱动停止时,蓄积在电容器中的电荷被回充,并且此后残留电荷被变换器消耗。因此,能够消除当碰撞发生时蓄积在电容器中的高压电力对周围的影响。然而,根据碰撞的状态,可随着时间的推移来减少或中断向控制装置的供电。于是,在一些情况下,无法输出用于驱动变换器的指令,并且无法适当地释放残留在电容器中的电荷。因此,例如,当碰撞发生时,必须尽快释放残留在电容器中的电荷。

发明内
本发明能够解决上述问题,其目的是在能够利用来自蓄电装置的电力而行驶的车辆中尽快释放蓄积在驱动装置中的电容器中的残留电荷。根据本发明的驱动装置为一种利用来自蓄电装置的电力来驱动安装在车辆上的旋转电机的驱动装置。所述驱动装置包括电力变换装置,其包括切换元件并且变换来自所述蓄电装置的所述电力;电容器,其与所述电力变换装置并联连接;以及控制装置,其用于驱动所述切换元件的控制端子并且释放蓄积在所述电容器中的电荷。所述电力变换装置包括多个逆导型半导体元件。所述多个逆导型半导体元件中的每个由第一半导体元件和第二半导体元件一体地形成,所述第一半导体元件作为所述切换元件而工作,而所述第二半导体元件并联连接至所述第一半导体元件并且作为续流二极管而工作。在对所述电容器进行放电操作时,所述控制装置在通过所述第二半导体元件进行的电流循环操作期间改变施加到所述第一半导体元件的所述控制端子的电压并且增加所述第二半导体元件中的电力损耗。优选地,所述多个逆导型半导体元件中的每个具有如下特性在所述电流循环操作期间,所述第二半导体元件的传导电阻随着施加到所述第一半导体元件的所述控制端子的电压的增加而增大。在对所述电容器进行放电时,所述控制装置将施加到所述多个逆导型半导体元件中的存在于所述电流循环操作期间的循环路径中的逆导型半导体元件中包括的所述第一半导体元件的所述控制端子的所述电压设定为比当所述旋转电机被驱动时施加的电压高。优选地,所述电力变换装置为逆变器,所述逆变器包括所述多个逆导型半导体元·利用所述逆变器和所述旋转电机来释放所述电容器中的电荷。优选地,所述控制装置通过不使所述旋转电机旋转地使包括在所述旋转电机中的线圈消耗所述电荷来释放所述电容器中的电荷。优选地,所述电力变换装置为这样一种变换器其包括所述多个逆导型半导体元件中的至少一个和电抗器,并且变换从所述蓄电装置供给的DC电压,所述多个逆导型半导体元件中的所述至少一个和所述电抗器构成斩波电路。在对所述电容器进行放电时,所述控制装置控制所述变换器以利用所述电抗器来释放所述电容器中的电荷。优选地,在所述多个逆导型半导体元件的每个中,所述第一半导体元件由IGBT形成,并且所述第二半导体元件由与所述IGBT反并联连接的二极管形成。优选地,所述多个逆导型半导体元件中的每个由功率MOSFET形成,并且所述第二半导体元件为所述功率MOSFET的寄生二极管。优选地,车辆包括用于对车辆的碰撞进行检测的碰撞检测单元。当所述碰撞检测单元检测到车辆的碰撞时,所述控制装置驱动所述切换元件的控制端子并且释放蓄积在所述电容器中的电荷。根据本发明的另一方案,根据本发明的驱动装置为一种通过利用来自蓄电装置的电力来驱动安装在车辆上的旋转电机的驱动装置,所述驱动装置包括逆变器,其用于驱动所述旋转电机;电容器,其与所述逆变器并联连接;以及控制装置,其用于驱动所述切换元件的控制端子并且释放蓄积在所述电容器中的电荷。所述逆变器具有至少一个逆导型半导体元件,所述逆导型半导体元件由第一半导体元件和第二半导体元件一体地形成,所述第一半导体元件作为切换元件而工作,而所述第二半导体元件并联连接至所述第一半导体元件并且作为续流二极管而工作。在对所述电容器进行放电操作时,所述控制装置在通过所述第二半导体元件进行的电流循环操作期间改变施加到所述第一半导体元件的所述控制端子的电压并且增加所述第二半导体元件中的电力损耗。
优选地,所述驱动装置进一步包括变换器,所述变换器具有所述逆导型半导体元件,并且所述变换器变换来自所述蓄电装置的DC电压且将变换后的DC电压供给所述逆变器。根据本发明的又一方案,本发明涉及一种车辆,包括蓄电装置;旋转电机;以及驱动装置,其通过利用来自所述蓄电装置的电力来驱动所述旋转电机并且产生行驶驱动力。所述驱动装置包括电力变换装置,其具有切换元件并且变换来自所述蓄电装置的所述电力;电容器,其与所述电力变换装置并联连接;以及控制装置,其用于驱动所述切换元件的控制端子并且释放蓄积在所述电容器中的电荷。所述电力变换装置包括多个逆导型半导体元件。所述多个逆导型半导体元件中的每个由第一半导体元件和第二半导体元件一体地形成,所述第一半导体元件作为所述切换元件而工作,而所述第二半导体元件并联连接至所述第一半导体元件并且作为续流二极管而工作。在对所述电容器进行放电操作时,所述控制装置在通过所述第二半导体元件进行的电流循环操作期间改变施加到所述第一半导体元件的所述控制端子的电压并且增加所述第二半导体元件中的电力损耗。根据本发明的另一方案,本发明涉及一种控制驱动装置的方法,所述驱动装置通·过利用来自蓄电装置的电力来驱动安装在车辆上的旋转电机,所述驱动装置包括电力变换装置,其具有切换元件并且变换来自所述蓄电装置的电力;以及电容器,其与所述电力变换装置并联连接。所述电力变换装置包括多个逆导型半导体元件。所述多个逆导型半导体元件中的每个由第一半导体元件和第二半导体元件一体地形成,所述第一半导体元件作为所述切换元件而工作,而所述第二半导体元件并联连接至所述第一半导体元件且作为续流二极管而工作。所述方法包括如下步骤驱动所述切换元件的控制端子并且释放蓄积在所述电容器中的电荷;以及在释放所述电容器中的电荷时,在通过所述第二半导体元件进行的电流循环操作期间改变施加到所述第一半导体元件的所述控制端子的电压并且增加所述第二半导体元件中的电力损耗。本发明的主要效果是在能够利用来自所述蓄电装置的电力行驶的车辆中尽快释放蓄积在所述驱动装置中的所述电容器中的残留电荷。通过下面结合附图对本发明的详细说明,本发明的前述的以及其它的目的、特征、方案和优点将变得更加显而易见。


图I为在其上安装有根据本发明的实施例的驱动装置的车辆的整体框图。图2为用于说明由IGBT和二极管形成的逆导型半导体元件的一个示例的图。图3为用于说明由功率MOSFET形成的逆导型半导体元件的一个示例的图。图4为用于说明当栅极电压变化时续流二极管中的电压和电流之间的关系的曲线图。图5为用于说明当逆变器用于释放电容器中残留的电荷时的电流流动的第一图。图6为用于说明当逆变器用于释放电容器中残留的电荷时的电流流动的第二图。图7为示出切换元件的切换操作和负载电流之间的关系的一个示例的曲线图。图8为用于说明驱动切换元件的正时的第一示例的图。图9为用于说明驱动切换元件的正时的第二示例的图。
图10为用于说明在本实施例中的MG-ECU中执行的残留电荷释放控制过程的流程图。图11为用于说明当变换器用于释放电容器中残留的电荷时的电流流动的图。
具体实施例方式下面将参照附图对本发明的实施例进行详细说明,其中相同或相应的部分由相同的附图标记表示,并且将不再重复对它们的描述。图I为在其上安装有根据本发明的实施例的驱动装置的车辆100的整体框图。尽管在本实施例中通过举例的方式将车辆100描述作为电气自动车,但是车辆100的构造不限于此。只要车辆100为能够利用来自蓄电装置的电力行驶的车辆,本发明都是适用的。除了电气自动车外,车辆100还包括例如混合动力车、燃料电池车等。参照图1,车辆100包括蓄电装置110、系统主继电器(SMR) 115、用作驱动装置的
P⑶(功率控制单元)120、电动发电机160、动力传送齿轮165、驱动轮170、碰撞检测单元180、辅助电池190以及HV-ECU (电子控制单元)300。PCU 120包括变换器130、逆变器140、MG-ECU 350、栅极驱动单元360和电容器Cl至C3。在P⑶120中,MG-E⑶350和栅极驱动单元360构成了控制单元370。P⑶120中的各个装置通常容纳在相同的壳体中并且通过电缆、汇流条等与PCU 120外部的其它装置联接。蓄电装置110为被构造为可再充电的电力蓄积元件。蓄电装置110例如被构造为包括诸如锂离子电池、镍金属氢化物电池或铅蓄电池的二次电池或者诸如双电层电容器的蓄电元件。蓄电装置110通过电力线路PLl和NLl与P⑶120中的变换器130连接。蓄电装置110将用于驱动电动发电机160的电力供至P⑶120。蓄电装置110还蓄积由电动发电机160产生的电力。例如,蓄电装置110的输出大约为200V。SMR115中包含的继电器连接至蓄电装置110和电力线路PLl或NL1。根据来自HV-E⑶300的控制信号SEl来控制SMR 115,并且SMR 115对蓄电装置110和变换器130之间的电力供给以及电力中断进行切换。电容器Cl连接在电力线路PLl和电力线路NLl之间。电容器Cl减少电力线路PLl和电力线路NLl之间的电压波动。电压传感器150检测施加到电容器Cl的电压并且将检测值VL输出到MG-ECU 350。变换器130包括切换元件Ql和Q2、二极管Dl和D2以及电抗器LI。切换元件Ql和Q2串联地连接在电力线路PL2和NLl之间,将从电力线路PL2朝向电力线路NLl的方向取为正向。虽然在本实施例中通过举例的方式将切换元件描述为IGBT,但是也可使用功率MOS (金属氧化物半导体)晶体管、功率双极晶体管等作为其它示例。反并联二极管Dl和D2分别与切换元件Ql和Q2连接。电抗器LI设置在电力线路PLl和将切换元件Ql和Q2连接的节点之间。换句话说,变换器130构成了斩波电路。根据基于来自MG-E⑶350的控制信号PWC而由栅极驱动单元360生成的栅极电压信号VGC来控制切换元件Ql和Q2,并且切换元件Ql和Q2执行电力线路PL1、NLl和电力线路PL2、NLl之间的电压变换操作。基本上控制变换器130以使得切换元件Ql和Q2在每个切换周期内交替地以互补的方式导通/切断。在升压操作期间,变换器130使来自蓄电装置110的DC电压升压。该升压操作通过如下方式执行经由切换元件Ql和反并联二极管Dl将在切换元件Q2的导通期间内蓄积在电抗器LI中的电磁能供给至电力线路PL2。在降压操作期间,变换器130使来自逆变器140的DC电压降压。该降压操作通过如下方式执行经由切换元件Q2和反并联二极管D2将在切换元件Ql的导通期间内蓄积在电抗器LI中的电磁能供给至电力线路NLl。根据上述切换周期中切换元件Ql的导通期间与切换元件Q2的导通期间之间的比率(占空比)来控制这些升压操作和降压操作中的电压变换比。应注意的是,当不需要升压操作和降压操作时,还能够通过设定控制信号PWC而将电压变换比设定为1.0 (占空比=100%),从而将切换元件Ql选定为导通而将切换元件Q2选定为切断。应注意的是,变换器130在本发明中不是必须的,并且本发明可具有这样的构造·来自蓄电装置110的输出电压直接供至逆变器140。电容器C2连接在连接变换器130和逆变器140的电力线路PL2和NLl之间。电容器C2减少电力线路PL2和电力线路NLl之间的电压波动。电压传感器155检测施加到电容器C2的电压并且将检测值VH输出至MG-ECU350。逆变器140通过电力线路PL2和NLl连接至变换器130。根据基于来自MG-E⑶350的控制信号PWI而由栅极驱动单元360生成的栅极电压信号VGI来控制逆变器140,并且逆变器140将自变换器130输出的DC电力变换为用于驱动电动发电机160的AC电力。逆变器140包括U相臂141、V相臂142和W相臂143,U相臂141、V相臂142和W相臂143构成了桥接电路。U相臂141、V相臂142和W相臂143并联地连接在电力线路PL2和电力线路NLl之间。U相臂141包括切换元件Q3和Q4以及二极管D3和D4,切换元件Q3和Q4串联地连接在电力线路PL2和电力线路NLl之间,二极管D3和D4分别并联地连接至切换元件Q3和Q4。二极管D3的阴极连接至切换元件Q3的集电极,其阳极连接至切换元件Q3的发射极。二极管D4的阴极连接至切换元件Q4的集电极,其阳极连接至切换元件Q4的发射极。V相臂142包括切换元件Q5和Q6以及二极管D5和D6,切换元件Q5和Q6串联地连接在电力线路PL2和电力线路NLl之间,二极管D5和D6分别并联地连接至切换元件Q5和Q6。二极管D5的阴极连接至切换元件Q5的集电极,其阳极连接至切换元件Q5的发射极。二极管D6的阴极连接至切换元件Q6的集电极,其阳极连接至切换元件Q6的发射极。W相臂143包括切换元件Q7和Q8以及二极管D7和D8,切换元件Q7和Q8串联地连接在电力线路PL2和电力线路NLl之间,二极管D7和D8分别并联地连接至切换元件Q7和Q8。二极管D7的阴极连接至切换元件Q7的集电极,其阳极连接至切换元件Q7的发射极。二极管D8的阴极连接至切换元件Q8的集电极,其阳极连接至切换元件Q8的发射极。例如,电动发电机160为三相AC电动发电机,其包括其中嵌入有永磁体的转子以及具有在中性点处为“Y”连接的三相线圈的定子。U相线圈、V相线圈和W相线圈中的每个的一端连接至中性点。U相线圈的另一端连接至将切换元件Q3和Q4相连接的节点。V相线圈的另一端连接至将切换元件Q5和Q6相连接的节点。W相线圈的另一端连接至将切换元件Q7和Q8相连接的节点。电动发电机160的输出扭矩经由由减速器和功率分配装置形成的动力传送齿轮165传送至驱动轮170并且使车辆100行驶。在车辆100的再生制动操作期间,电动发电机160能够利用驱动轮170的旋转力而产生电力。所产生的电力通过逆变器140变换为用于对蓄电装置110进行充电的电力。在除电动发电机160之外还安装有发动机(未示出)的混合动力车中,该发动机和电动发电机160以协作的方式操作以产生必要的车辆驱动力。在此情况下,还能够利用由于发动机的旋转而产生的电力对蓄电装置110进行充电。虽然图I示出了这种设置有一个电动发电机的构造,但是电动发电机的数量不限于此。可设置有多个电动发电机。例如,在包括两个电动发电机的混合动力车的情况下,一个电动发电机可专用作用于驱动驱动轮170的电动机,而另一个电动发电机可专用作由发
动机驱动的发电机。碰撞检测单元180包括未示出的传感器(例如,G传感器)并且检测车辆100是否已碰撞。然后,碰撞检测单元180将碰撞检测信号COL输出至HV-E⑶300。HV-ECU 300和MG-ECU 350包括CPU (中央处理单元)、存储装置和输入/输出缓冲器,但是在图I中未示出这些部件。HV-E⑶300和MG-E⑶350接收来自各个传感器等的信号或者将控制信号输出至各个装置,并且控制车辆100以及各个装置。HV-E⑶300为对整个车辆进行集中控制的控制装置,而MG-E⑶350为用于控制P⑶120中的装置(变换器130、逆变器140、栅极驱动单元360等)的控制装置。HV-ECU 300和MG-ECU 350中的控制不限于通过软件进行的处理,还能够通过专用硬件(电子电路)来实现所述控制。尽管在图I中通过举例的方式示出了将HV-E⑶300和MG-E⑶350单独设置为控制装置的构造,但是控制装置的构造不限于此。例如,HV-E⑶300和MG-E⑶350可集成到一个控制装置中,或者可为各个装置和各项功能设置多个控制装置。HV-ECU 300接收来自碰撞检测单元180的碰撞检测信号COL。HV-ECU300还接收来自MG-ECU 350的由电压传感器150和155检测到的电压VL和VH。HV-ECU 300基于用户对加速器的操作、电动发电机160的转速等来计算变换器130的目标升压电压VR和目标要求扭矩TR。然后,HV-E⑶300将目标升压电压VR、目标要求扭矩TR和碰撞检测信号COL输出至 MG-ECU350。MG-ECU 350基于来自HV-ECU 300的目标升压电压VR和目标要求扭矩TR、通过电压传感器150和155的检测值VL和VH、电动发电机160的电流和转速等来生成分别用于驱动变换器130和逆变器140的控制信号PWC和PWI。MG-E⑶350将这些控制信号PWC和PWI输出至栅极驱动单元360。栅极驱动单元360基于控制信号PWC和PWI而生成分别用于驱动包括在变换器130和逆变器140中的各个切换元件的栅极的栅极电压信号VGC和VGI,并且分别将栅极电压信号VGC和VGI输出至变换器130和逆变器140。MG-E⑶350还接收来自HV-E⑶300的车辆100的碰撞检测信号C0L。在接收到碰撞检测信号COL时,MG-E⑶350生成控制信号PWC和PWI以通过利用电动发电机160和/或变换器130而释放蓄积在电容器C2中的残留电荷。辅助电池190为用于将电源电压供至控制装置(诸如各个E⑶)以及车辆100的低压装置(诸如未示出的辅助装置)的电压源。例如,辅助电池190通常由铅蓄电池形成并且辅助电池190的输出电压大约为12V。辅助电池190通过电力线路PL3连接至HV-ECU 300、MG_ECU 350和栅极驱动单元360并且将电源电压供给至这些装置。在P⑶120中,电容器C3设置在电力线路PL3和地之间。电容器C3为这样的备用电容器当从辅助电池190至PCU 120的电源电压的供给被中断时,电容器C3暂时使MG-E⑶350和栅极驱动单元360工作,并且利用来自辅助电池190的电压蓄积电力。结果,即使当从辅助电池190至PCU 120的电源电压的供给由于碰撞等而中断时,MG-ECU 350和栅极驱动单元360也能够利用蓄积在电容器C3中的电力而暂时工作。在具有上述构造的车辆100中,当车辆100利用来自电动发电机160的驱动力而行驶时,P⑶120中的电容器Cl和C2在其中蓄积有电荷。当在此状态下发生碰撞时,为了抑制由短路、接地故障等引起的装置的损坏以及对于周围的影响,期望尽快释放蓄积在电容器Cl和C2中的残留电荷。
·电动发电机160以使电动发电机160中的线圈消耗电荷、或者通过重复变换器130的升压操作和降压操作以使包括在变换器130中的电抗器LI消耗电荷来实现这种放电。在这种情况下,MG-E⑶350和栅极驱动单元360必须工作以驱动变换器130和逆变器140。然而,当从辅助电池190至PCU 120的电源电压的供给由于例如碰撞而中断时,仅以蓄积在电容器C3中的电力可能不能完成放电操作。为了解决该问题而增大电容器C3的容量导致了成本的增加。因此,即使当从辅助电池190到rcu 120的电源电压的供给在碰撞发生时中断,也必须在不增大电容器C3的容量的情况下可靠地完成放电操作。在P⑶120中的变换器130和逆变器140中,可以使用由切换元件和与切换元件反并联连接的续流二极管(FWD)—体形成的所谓的逆导型半导体元件。该逆导型半导体元件具有如下特性在电流流经续流二极管的同时,当对应的切换元件的栅极电压升高时,续流二极管的传导电阻也增加,下面将对此进行说明。因此,在本实施例中,在诸如变换器130和逆变器140的电力变换装置包括这种逆导型半导体元件的情况下,上述特性被用于缩短放电时间。图2为逆导型半导体元件200的截面结构的示例的示意图。图2中的逆导型半导体元件是由IGBT和二极管形成的,也称为RC-IGBT (逆导IGBT)。参照图2,逆导型半导体元件200的表面具有所谓的沟槽栅型结构。另一方面,背面是由将形成IGBT区域的集电极层(P+层)210和将形成FWD区域的阴极层(N+层)220形成的。通过这种构造,当集电极210 —侧上的电位高于发射极260 —侧上的电位时,通过将栅极电压施加到IGBT区域中的沟槽栅230,电流从集电极210流经P基极层240而到达发射极260。当发射极260 —侧上的电位高于集电极210 —侧上的电位时,在FWD区域中电流从阳极流到阴极220。虽然在图2中通过举例的方式示出了沟槽栅型IGBT,但是也可以使用平面栅型IGBT。图3示出了由功率MOSFET形成的逆导型半导体元件400的截面结构的示例。功率MOSFET包括寄生二极管,因此当阳极420的电位高于阴极410的电位时,该寄生二极管使电流从阳极420流到阴极410。另一方面,当漏极410的电位高于源极420的电位时,通过将栅极电压施加到沟槽栅430,电流从漏极410流到源极420。在这种逆导型半导体元件中,公知的是在逆导型半导体元件作为二极管工作时,当栅极电压升高时,二极管的正向特性降低而传导电阻增加。这是因为,栅极电压升高致使P基极层中的沟道区域扩大并且图2中的P基极层240和N-层250之间的电位差减小。图4是示出当栅极电压变化时二极管即逆导型半导体元件的正向特性的一个示例的曲线图。在图4中,水平轴表示二极管即逆导型半导体元件的正向电压Vf,垂直轴表示流经逆导型半导体元件的电流If。参照图4,随着栅极电压升高,正向特性的曲线从线WlO变为线W13。因此,当栅极电压在相同大小的电流经过的同时升高时,工作点从例如图4中的点Pl变到点P2,并且逆导型半导体元件中的电压降变大。换句话说,逆导型半导体元件中的传导损耗增加。在本实施例中,在PCU中使用包括逆导型半导体元件的诸如逆变器和变换器的电力变换装置的情况下,逆导型半导体元件的上述特性用于在短时间内释放残留在PCU中的电容器中的电荷。将参照图5至图7对释放残留在电容器中的电荷的操作进行说明。参照图5,例如,基于来自栅极驱动单元360的栅极电压信号VGI,使得逆变器140中U相臂141的上臂中的切换元件Q3和V相臂142的下臂中的切换元件Q6导通。结果,电流从电容器C2流出(如图5中的箭头ARl所示),并且能量蓄积在电动发电机160的U相线圈和V相线圈中。此后,在图5所示的状态下,使U相臂141的上臂中的切换元件Q3不再导通,如图6所示。然后,由于蓄积在U相线圈和V相线圈中的能量,电流循环经过切换元件Q6和二极管D4,如图6中的箭头AR2所示。此时,电流流经U相线圈和V相线圈以及各个元件时的传导损耗致使放电。此后,当再次使得切换元件Q3导通时,电流再次从电容器C2流到U相线圈和V相线圈。如上所述,通过使切换元件Q3按适当的占空比在导通状态和非导通状态之间切换,如图7所示随着时间推移逐渐地释放残留在电容器C2中的电荷。应当注意的是,图7中的线W20表示流经负载(诸如上述U相线圈和V相线圈)的电流,箭头ARlO表示在图5中所示的状态下的电流,箭头AR20表示在图6中所示的状态下的电流。另外,虚线W21表示平均负载电流。在上述放电操作中,无论栅极电压是否施加到切换元件Q4,作为续流二极管工作的二极管D4都被导通。然而,当切换元件Q4和二极管D4是由上述逆导型半导体元件形成时,二极管D4中的传导损耗会由于栅极电压的升高而增加。结果,电流循环操作中的电力消耗增加,并且能够缩短放电时间。已经参照图5和图6对U相臂141中的切换元件被切换以通过利用U相线圈和V相线圈来释放残留电荷的情况进行了说明。然而,除了切换元件Q6之外,还可使得W相臂143中的切换元件Q8导通以通过进一步利用W相线圈来执行放电操作。另外,代替U相臂141或者除U相臂141,V相臂142和W相臂143中的切换元件也可被切换以执行放电操作。
图8是示出当在本实施例中执行上述放电操作时的栅极电压的时序图。在图8中,水平轴表不时间,垂直轴表不用于切换兀件Q3和Q4的栅极电压信号。参照图8,在PWM控制中,当电动发电机被驱动以使车辆行驶时,栅极电压信号可施加到上臂中的切换元件以使切换元件导通,并且正侧AC电压被供给至电动发电机的线圈。在这种情况下,当上臂中的切换元件处于非导通状态时(栅极电压信号断开),通过下臂中的二极管使电流循环发生。此时,为了不造成任何不必要的损耗,栅极电压信号通常不施加到下臂中的切换元件。然而,当碰撞发生时,为了增加下臂中的二极管中的传导损耗,在上臂中的切换元件处于非导通状态的同时,将栅极电压信号施加到下臂中的切换元件。如参照图3所描述的,随着栅极电压升高,二极管中的传导损耗增加。因此,所施加的栅极电压更优选地被设定为电压VGI-2,其比在使车辆行驶的常规驱动中所使用的栅极电压VGI-I高。理想地,期望将所施加的栅极电压设定为能够施加到栅极的最大额定电压。应注意的是,为了防止因使上臂中的切换元件和下臂中的切换元件同时导通而导致的短路,通常在施加到上臂中的切换元件的栅极电压和施加到下臂中的切换元件的栅极电压之间设置停滞时间(deadtime) Δt。另外,如图9所示,同样在使车辆行驶的常规驱动的情况下,可进行控制以使栅极电压交替地以互补的方式施加到上臂中的切换元件和下臂中的切换元件(图9中的虚线·极电压高的栅极电压施加到下臂中的切换元件,如图9中的实线W31所示,从而能够增加下臂中的二极管中的传导损耗。图10是用于说明在本实施例中当发生车辆碰撞时在MG-E⑶350中执行的残留电荷释放控制过程的流程图。图10中所示的流程图中的每个步骤是通过按预定周期从主程序调用预先存储在MG-ECU 350中的程序并且执行所述程序来实现的。可选地,步骤的一部分还能够通过专用硬件(电子电路)来实现。参照图I和图10,在步骤(下文简写为S) 100中,MG-ECU 350基于来自HV-ECU 300的碰撞检测信号COL来判定是否已检测到车辆100的碰撞。应注意的是,同样在HV-E⑶300和MG-E⑶350之间的通信被中断并且MG-E⑶350由于碰撞或其它因素而无法接收到碰撞检测信号COL的情况下,因为存在碰撞的可能,所以MG-E⑶350可判定已经检测到碰撞。如果未检测到碰撞(S100中为否),则该过程是不必要的,因此MG-E⑶350跳过后续过程并且结束该过程。如果已经检测到碰撞(S100中为是),则过程继续进行到S110,并且MG-E⑶350将续流一侧上的切换元件的栅极电压设定为比车辆行驶时的常规操作中的栅极电压高。然后,在S120中,MG-E⑶350驱动逆变器140中的切换元件并且执行如上所述的释放残留在电容器C2中的电荷的操作。此后,在S130中,MG-E⑶350判定施加到电容器C2的电压VH是否小于预定阈值α。该阈值α可被设定为例如60V。如果电压VH大于阈值a (S130中为否),则放电操作尚未完成。因此,过程返回至S120,并且MG-E⑶350继续放电操作,直到电压VH变得小于阈值α为止。如果电压VH小于阈值a (S130中为是),则MG-E⑶350判定出释放残留在电容器C2中的电荷已经完成并且结束放电操作。通过依照上述过程的控制,当车辆碰撞发生时,能够缩短用于释放包括在P⑶中的电容器中残留的电荷的时间。其结果是,即使当从辅助电池到PCU的电源电压的供给被中断,也能够在不使用大容量备用电容器的情况下完成放电操作。因此,能够防止成本增加。(变型例)在上述实施例中已经对驱动逆变器并且利用电动发电机来释放残留电荷的构造进行了说明。在如图I所示的这种来自蓄电装置的DC电压被变换器升压并且供给至逆变器的构造中,可使变换器工作以释放电容器中残留的电荷,代替或外加于利用逆变器和电动发电机的上述放电操作。图11为用于说明利用图I中的变换器130来释放电容器C2中残留的电荷的操作的图。参照图I和图11,在常规行驶期间,来自蓄电装置110的DC电压被变换器130升压,因此施加到电容器C2的电压通常高于施加到电容器Cl的电压。当碰撞发生时,栅极电压施加到切换元件Ql以使切换元件Ql导通从而释放电容器C2中残留的电荷,并且电流从电容器C2流经切换元件Ql和电抗器LI而到达电容器Cl,如箭头AR3所示。此时,能量被蓄积在电抗器LI中。此后,使切换元件Ql不再导通,并且栅极电压施加到切换元件Q2。然后,在蓄积在电抗器LI中的能量被释放至电容器Cl的同时,电流流过如虚线箭头AR4所示的循环路径。在切换元件Ql和Q2为逆导型半导体元件的情况下,能够增加二极管D2的传导电阻,并且能够通过利用逆变器如上文示例中所示的增加施加到切换元件Q2的栅极电压来增加二极管D2中的传导损耗。如上所述,在如图I所示的具有包括逆导型半导体元件的变换器的构造的情况下,通过除了借助逆变器和电动发电机的上述放电操作之外还借助变换器执行放电操作,并且通过增加施加到循环路径中的切换元件的栅极电压以及增加变换器中的二极管中的传导损耗,能够进一步缩短用于释放残留电荷的时间。另外,借助变换器的放电操作能够在PCU的内部执行而不使用位于PCU外部的诸如电动发电机的装置。因此,例如,即使当电动发电机和PCU之间的诸如电缆的传导路径由于碰撞的发生而断开时,也能够单独利用变换器在PCU中释放残留电荷。此时,能够通过增加施加到循环路径中的切换元件的栅极电压并且增加变换器中的二极管中的传导损耗来缩短利用变换器的放电时间。为了便于理解,在上述实施例中已经通过举例的方式对当车辆碰撞发生时释放残留在电容器中的电荷的情况进行了说明。然而,上述控制也可适用于在除了车辆碰撞之外的情况下必须释放残留在电容器中的电荷时。应注意的是,本实施例中的“控制单元370 ”对应于本发明中的“控制装置”。虽然已经对本发明进行了详细地说明和阐述,但应清楚理解的是,本发明仅通过示例和举例的方式进行,而不应采用限制的方式,本发明的范围由随附的权利要求书中的术语进行解释。
权利要求
1.一种驱动装置,其通过利用来自蓄电装置的电力来驱动安装在车辆上的旋转电机,所述驱动装置包括 电力变换装置,其包括切换元件并且变换来自所述蓄电装置的所述电力; 电容器,其与所述电力变换装置并联连接;以及 控制装置,其用于驱动所述切换元件的控制端子并且释放蓄积在所述电容器中的电荷,其中 所述电力变换装置包括多个逆导型半导体元件, 所述多个逆导型半导体元件中的每个由第一半导体元件和第二半导体元件一体地形成,所述第一半导体元件作为所述切换元件而工作,而所述第二半导体元件并联连接至所述第一半导体元件并且作为续流二极管而工作,并且 在对所述电容器进行放电操作时,所述控制装置在通过所述第二半导体元件进行的电流循环操作期间改变施加到所述第一半导体元件的所述控制端子的电压并且增加所述第二半导体元件中的电力损耗。
2.根据权利要求I所述的驱动装置,其中 所述多个逆导型半导体元件中的每个具有如下特性在所述电流循环操作期间,所述第二半导体元件的传导电阻随着施加到所述第一半导体元件的所述控制端子的电压的增加而增大,并且 在对所述电容器进行放电时,所述控制装置将施加到所述多个逆导型半导体元件中的存在于所述电流循环操作期间的循环路径中的逆导型半导体元件中包括的所述第一半导体元件的所述控制端子的所述电压设定为比当所述旋转电机被驱动时施加的电压高。
3.根据权利要求2所述的驱动装置,其中 所述电力变换装置为逆变器,该逆变器包括所述多个逆导型半导体元件中的至少一个并且驱动所述旋转电机,并且 在对所述电容器进行放电时,所述控制装置通过利用所述逆变器和所述旋转电机来释放所述电容器中的所述电荷。
4.根据权利要求3所述的驱动装置,其中 所述控制装置通过不使所述旋转电机旋转地使包括在所述旋转电机中的线圈消耗所述电荷来释放所述电容器中的所述电荷。
5.根据权利要求2所述的驱动装置,其中 所述电力变换装置为这样一种变换器其包括所述多个逆导型半导体元件中的至少一个和电抗器,并且变换从所述蓄电装置供给的DC电压,所述多个逆导型半导体元件中的所述至少一个和所述电抗器构成斩波电路,并且 在对所述电容器进行放电时,所述控制装置控制所述变换器以利用所述电抗器来释放所述电容器中的所述电荷。
6.根据权利要求I所述的驱动装置,其中 在所述多个逆导型半导体元件的每个中,所述第一半导体元件由IGBT形成,并且所述第二半导体元件由与所述IGBT反并联连接的二极管形成。
7.根据权利要求I所述的驱动装置,其中 所述多个逆导型半导体元件中的每个由功率MOSFET形成,并且所述第二半导体元件为所述功率MOSFET的寄生二极管。
8.根据权利要求I所述的驱动装置,其中 所述车辆包括用于对所述车辆的碰撞进行检测的碰撞检测单元,并且 当所述碰撞检测单元检测到所述车辆的所述碰撞时,所述控制装置驱动所述切换元件的所述控制端子并且释放蓄积在所述电容器中的所述电荷。
9.一种驱动装置,其通过利用来自蓄电装置的电力来驱动安装在车辆上的旋转电机,所述驱动装置包括 逆变器,其具有至少一个逆导型半导体元件并且驱动所述旋转电机,所述逆导型半导体元件由第一半导体元件和第二半导体元件一体地形成,所述第一半导体元件作为切换元件而工作,而所述第二半导体元件并联连接至所述第一半导体元件并且作为续流二极管而工作; 电容器,其与所述逆变器并联连接;以及 控制装置,其用于驱动所述切换元件的控制端子并且释放蓄积在所述电容器中的电荷,其中 在对所述电容器进行放电操作时,所述控制装置在通过所述第二半导体元件进行的电流循环操作期间改变施加到所述第一半导体元件的所述控制端子的电压并且增加所述第二半导体元件中的电力损耗。
10.根据权利要求9所述的驱动装置,进一步包括 变换器,其具有所述逆导型半导体元件,并且变换来自所述蓄电装置的DC电压且将变换后的所述DC电压供给所述逆变器。
11.一种车辆,包括 蓄电装置; 旋转电机;以及 驱动装置,其通过利用来自所述蓄电装置的电力来驱动所述旋转电机并且产生行驶驱动力, 所述驱动装置包括 电力变换装置,其具有切换元件并且变换来自所述蓄电装置的所述电力; 电容器,其与所述电力变换装置并联连接;以及 控制装置,其用于驱动所述切换元件的控制端子并且释放蓄积在所述电容器中的电荷,其中 所述电力变换装置包括多个逆导型半导体元件, 所述多个逆导型半导体元件中的每个由第一半导体元件和第二半导体元件一体地形成,所述第一半导体元件作为所述切换元件而工作,而所述第二半导体元件并联连接至所述第一半导体元件并且作为续流二极管而工作,并且 在对所述电容器进行放电操作时,所述控制装置在通过所述第二半导体元件进行的电流循环操作期间改变施加到所述第一半导体元件的所述控制端子的电压并且增加所述第二半导体元件中的电力损耗。
12.—种控制驱动装置的方法,所述驱动装置通过利用来自蓄电装置的电力来驱动安装在车辆上的旋转电机,所述驱动装置包括 电力变换装置,其具有切换元件并且变换来自所述蓄电装置的所述电力;以及 电容器,其与所述电力变换装置并联连接, 所述电力变换装置包括多个逆导型半导体元件, 所述多个逆导型半导体元件中的每个由第一半导体元件和第二半导体元件一体地形成,所述第一半导体元件作为所述切换元件而工作,而所述第二半导体元件并联连接至所述第一半导体元件且作为续流二极管而工作, 所述方法包括如下步骤 驱动所述切换元件的控制端子并且释放蓄积在所述电容器中的电荷;以及在释放所述电容器中的所述电荷时,在通过所述第二半导体元件进行的电流循环操作期间改变施加到所述第一半导体元件的所述控制端子的电压并且增加所述第二半导体元件中的电力损耗。
全文摘要
本发明提供一种用于释放残留在驱动装置中的电容器中的电荷的方法。PCU利用来自蓄电装置的电力来驱动电动发电机。所述PCU包括电力变换装置、电容器和控制单元。当检测到碰撞时,所述控制单元驱动所述电力变换装置并且释放残留在电容器中的电荷。包括在电力变换装置中的多个逆导型半导体元件中的每个由第一半导体元件和第二半导体元件一体地形成,所述第一半导体元件作为切换元件而工作,而所述第二半导体元件作为续流二极管而工作。响应于检测到车辆的碰撞,所述控制单元在通过所述第二半导体元件进行的电流循环操作期间改变施加到所述第一半导体元件的栅极端子的电压并且增加电力损耗。其结果是,能够尽快地释放蓄积在驱动装置中的电容器中的残留电荷。
文档编号H02M7/5387GK102882400SQ201210244758
公开日2013年1月16日 申请日期2012年7月13日 优先权日2011年7月14日
发明者広瀬敏 申请人:丰田自动车株式会社
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