专利名称：装有电机的电动车辆及其控制方法
技术领域：
本发明涉及电动车辆以及对电动车辆进行控制的方法。具体而言，本发明涉及一种具有防止电力转换器——该电力转换器用于电机的电源－－过热的功能的电动车辆以及实现这种功能的控制方法。
背景技术：
通常，为了控制电机(电动发电机)——其用作驱动电气车辆或混合动力车等电动车辆的电源——的驱动，采用包含导通/关断控制的功率半导体器件(开关元件)的电力转换器(以用于AC电机驱动的变换器为代表)。在例如为逆变器的电力转换器中，通过高频、大电力的开关获得电力转换。这种开关典型地导致在开关元件(例如大功率晶体管，如IGBT)中产生热，因此，对电力转换器的控制需要防止开关元件过热的措施。
鉴于以上情况，日本专利公开No.2000-134990公开了一种在电机锁定——其中，电机的旋转被外力锁定——时通过降低开关元件的开关频率防止电力转换器过热的温度保护控制器。在这种控制器中，采用判断转矩指令值，随着变换器温度升高，将该值设置得相对较低，当电机转矩指令值变得大于判定转矩指令值时，将开关频率设定得与正常情况相比较低。相应地，可防止电力转换器过热，尽量避免由于减小的频率造成的问题，例如电机噪音。
然而，在日本专利公开No.2000-134990公开的配置中，一直到变换器温度——即组成变换器的开关元件的温度——实际已经升高，才减小变换器频率，因此，从保护开关元件的观点来看，这种方法是不够的。举例而言，假设驾驶者给出了具体的指令，且预期电机将以较低的速度旋转、同时连续地接收转矩输出指令。即使在这种情况下，一直到开关元件的温度实际升高，才能采取防止过热的步骤。因此，防止过热的作用不能令人满意。
发明内容
本发明的目标在于为包括电机(电动发电机)——该电机作为驱动车辆的电源——的电动车辆提供一种控制器，其可以适当地防止组成电力转换器——该电力转换器控制电机的驱动——的功率半导体器件(开关元件)的温度升高。
简言之，本发明被指向一种电动车辆，其包含电机、电力转换器、第一与第二检测器以及控制器。通过控制藉由功率半导体器件的导通/关断控制进行的电力转换，电力转换器对电机的驱动进行控制。第一检测器检测车辆加速器踏板的运行。第二检测器检测车辆制动踏板的运行。控制器包含检测部分和第一频率设置部分。检测部分被配置为对加速器踏板和制动踏板均被操作的失速状态(stall state)进行检测。第一频率设置部分适用于当检测部分检测到失速状态时，将功率半导体器件的开关频率设置为与未检测到失速状态时相比较低的值。
或者，控制器控制电机和电力转换器的运行，特别地，其适用于基于来自第一与第二检测器的输出，对加速器踏板和制动踏板均被操作的失速状态进行检测；当检测到失速状态时，将功率半导体器件的开关频率设置为与未检测到失速状态时相比较低的值。
或者，简言之，本发明指向一种控制电动车辆的方法，该电动车辆包含电机和电力转换器，电力转换器通过藉由功率半导体器件的导通/关断控制进行的电力转换来控制电机的驱动，该方法包含第一至第三步骤。在第一步骤中，检测加速器踏板和制动踏板的运行。在第二步骤中，基于第一步骤的检测，检测加速器踏板和制动踏板均被操作的失速状态。在第三步骤中，当在第二步骤中检测到失速状态时，将功率半导体器件的开关频率设置得与未检测到失速状态时相比较低。
通过如上所述配置的电动车辆及其控制方法，在控制电机驱动的电力转换器(以变换器为代表)很可能温度上升的失速状态时，可以将组成电力转换器的功率半导体器件(开关元件)的开关频率减小为与正常状态(当未检测到失速状态时)中相比较低。因此，可以防止处于失速状态的开关元件的温度上升。因此，与在开关元件实际温度上升以后采取防止过热的措施的方法相比，可改进对开关元件进行保护的作用。
优选为，在电动车辆中，控制器还包含第二频率设置部分。第二频率设置部分被配置为当检测部分的检测状态发生从检测到失速的状态到未检测到失速的状态的改变时，将功率半导体器件的开关频率设置得与检测到失速状态时相比较高。或者，当存在从检测到失速的状态到未检测到失速的状态的状态改变时，控制器进一步将功率半导体器件的开关频率设置得与检测到失速状态时相比较高。
优选为控制电动车辆的方法还包含第四步骤。在第四步骤中，当第二步骤中存在从检测到失速的状态到未检测到失速的状态的状态改变时，将功率半导体的开关频率设置得与检测到失速状态时相比较高。
通过这种配置，当解除失速状态时，可以将电力转换器的开关频率增加为与失速状态中相比较高，使电力转换器的开关控制能够适用于正常运行。
优选为在电动车辆中，控制器进一步包含第一与第二设置部分。第一设置部分被配置为根据电机运行状态设置用于导通/关断控制的载波频率。第二设置部分被配置为当运行状态为失速状态时将载波频率设置为与第一设置部分相比较低的值。另外，第一和第二频率设置部分被配置为当检测部分检测到失速状态时，第二设置部分被选择、以便设置载波频率，当检测部分没有检测到失速状态时，第一设置部分被选择、以便设置载波频率。
优选为在控制电动车辆的方法中，在第三与第四步骤中，当第二步骤中没有检测到失速状态时，基于第一设置图——其被构成为根据电机的运行状态设置用于导通/关断控制的载波频率——来设置载波频率，另一方面，当第二步骤中检测到失速状态时，基于第二设置图——其被构成为将载波频率设置为与第一设置图相比较低的值——来设置载波频率。
通过这种配置，通过简单的控制结构，可以适当地设置电力转换器的功率半导体器件(开关元件)的开关频率，在该控制结构中，取决于是否检测到失速状态，有选择地使用预先设置的第一与第二设置部分(例如频率设置图)。
优选为在电动车辆中，第一频率设置部分被配置为当检测部分检测到失速状态时，将用于导通/关断控制的载波频率设置为与未检测到失速状态时相比较低的值。
优选为在控制电动车辆的方法中，当在第二步骤中检测到失速状态时，将用于导通/关断控制的载波频率设置为与未检测到失速状态时相比较低的值。
通过上述配置，通过设置用于电力转换器(以变换器为代表)的功率半导体器件导通/关断控制(即开关控制)的载波频率，可在失速状态下降低电力转换器的开关频率。
优选为电动车辆为另外包含了内燃机的混合动力车。
因此，在包含用于车轮驱动的电机和内燃机的混合动力车中，可以适当地避免组成电力转换器——其控制电机的驱动——的功率半导体器件(开关元件)的温度上升。
因此，本发明的主要优点在于可适当地避免组成电力转换器－－其控制安装在电动车辆中的电机的驱动——的功率半导体器件(开关元件)的温度上升。
结合附图，阅读下面对本发明的详细介绍，可以明了本发明的上述以及其他目标、特征、实施形态以及优点。
图1为一框图，其示出了作为电动车辆实例的混合动力车的构造，该车辆由根据本发明实施例的电动车辆控制器进行控制；图2为一控制框图，其表示图1所示混合动力车的电机控制结构；图3为一波形图，其示出了图2所示PWM信号产生部分中的脉宽调制(PWM)控制；图4为一流程图，其示出了由用于保护变换器开关元件的控制器执行开关频率设置控制的子程序；图5示出了在用于变换器开关控制的载波频率设置图之间的切换；图6为一框图，其表示载波频率切换结构的第一实例；图7为一框图，其表示载波频率切换结构的第二实例；图8为一框图，其表示采用多个控制器(ECU)、执行根据本发明一实施例的开关频率设置控制的结构。
具体实施例方式
下面，将参照附图介绍本发明的实施例。贯穿附图始终，相同或对应的部分用相同的参考标号标示，并且基本上不再重复对其进行介绍。
图1为一框图，其示出了混合动力车100的构造，混合动力车100作为根据本发明一实施例的电动车辆的实例。
参照图1，混合动力车100包含动力分配机构3、发动机4、作为电机的代表实例的电动发电机MG1与MG2、驱动轴62以及车轮(驱动轮)65。混合动力车100还包含DC电压产生单元10#、平滑电容器C0、变换器20与30以及控制器50。
动力分配装置3耦合到发动机4以及电动发电机MG1与MG2，并在它们之间分配动力。举例而言，具有恒星齿轮、行星齿轮架以及环形齿轮的三个旋转轴的行星齿轮机构可用作动力分配装置3。这三个旋转轴相应地连接到发动机4的以及电动发电机MG1与MG2的相应的旋转轴。例如，可以通过使电动发电机MG1的转子中空并使发动机4的曲轴通过其中心来将发动机4和电动发电机MG1与MG2机械连接到动力分配装置3。具体而言，电动发电机MG1的转子连接到恒星齿轮，发动机4的输出轴连接到行星齿轮架，驱动轴62连接到环形齿轮。
电动发电机MG2的旋转轴通过未示出的减速齿轮或运行齿轮(running gear)耦合到驱动轴62。另外，用于电动发电机MG2的旋转轴的减速齿轮可进一步装在动力分配机构3的内部。
电动发电机MG1被构成为具有电动机和发电机的功能，由发动机4驱动作为发电机运行，以及作为可起动发动机4运行的电动机运行。
类似地，电动发电机MG2作为驱动车轮(驱动轮)65的电机安装在混合动力车100内部。另外，电动发电机MG2被构成为具有电动机和发电机的功能，在与车轮65的旋转相反的方向上产生输出转矩，由此进行再生发电。
DC电压产生单元10#包含DC电源B、平滑电容器C1和升压/降压转换器12。
镍氢化物或锂离子二次电池或者例如电气双层电容器等蓄电装置可用作DC电源B。用电压传感器10检测由DC电源B输出的DC电压Vb。电压传感器10将所检测到的DC电压Vb输出到控制器50。
在DC电源B的正电极端和电源线6之间以及在DC电源B的负电极端与接地线5之间，提供继电器(未示出)，其将在车辆运行时导通，并在车辆运行停止时关断。
升压/降压转换器12包含电抗器L1和功率半导体开关元件Q1与Q2。电抗器L1连接在开关元件Q1与Q2的连接节点与电源线6之间。平滑电容器C0连接在电源线7与接地线5之间。
功率半导体开关元件Q1与Q2串联连接在电源线7与接地线5之间。功率半导体开关元件Q1与Q2的导通/关断由来自控制器50的开关控制信号S1与S2控制。
在本发明的实施例中，IGBT(绝缘栅型双极晶体管)、功率MOS(金属氧化物半导体)晶体管或功率双极晶体管可用作功率半导体开关元件(以下简称为“开关元件”)。为开关元件Q1与Q2布置反向并联的二极管D1与D2。
变换器20由在电源线7与接地线5之间并联提供的U相臂22、V相臂24与W相臂26构成。各相的臂通过在电源线7与接地线5之间串联连接的开关元件实现。例如，U相臂22包含开关元件Q11与Q12，V相臂24包含开关元件Q13与Q14，W相臂26包含开关元件Q15与Q16。另外，反向并联的二极管D11至D16分别连接到开关元件Q11至Q16。开关元件Q11至Q16的导通/关断分别由来自控制器50的开关控制信号S11至S16控制。
电动发电机MG1包含在定子上提供的U相线圈U1、V相线圈V1和W相线圈W1以及未示出的转子。U相线圈U1、V相线圈V1和W相线圈W1的一端在中性点N1上连接在一起，另一端分别连接到变换器20的U相臂22、V相臂24和W相臂26。通过对来自控制器50的开关控制信号S11至S16做出响应地进行的开关元件Q11至Q16的导通/关断控制(开关控制)，变换器20在DC电压产生单元10#与电动发电机MG1之间进行双向电力转换。
特别地，根据控制器50的开关控制，变换器20可将接收自电源线7的DC电压转换为三相AC电压，并将转换得到的三相AC电压输出到电动发电机MG1。因此，电动发电机MG1被驱动以产生指定转矩。另外，根据控制器50的开关控制，变换器20可将电动发电机MG1——其接收发动机4的输出——所产生的三相AC电压转换为DC电压，并将转换得到的DC电压输出到电源线7。
变换器30具有与变换器20类似的结构，并包含开关元件Q21至Q26以及反向并联的二极管D21至D26，开关元件Q21至Q26的导通/关断由开关控制信号S21至S26进行控制。
电动发电机MG2具有与电动发电机MG1类似的结构，并包含在定子上提供的U相线圈U2、V相线圈V2和W相线圈W2以及未示出的转子。类似于电动发电机MG1，U相线圈U2、V相线圈V2和W相线圈W2的一端在中性点N2上连接在一起，另一端分别连接到变换器30的U相臂32、V相臂34和W相臂36。
通过对来自控制器50的开关控制信号S21至S26做出响应地进行的开关元件Q21至Q26的导通/关断控制(开关控制)，变换器30在DC电压产生单元10#与电动发电机MG2之间进行双向电力变换。
特别地，根据控制器50的开关控制，变换器30可将接收自电源线7的DC电压转换为三相AC电压，并将转换得到的三相AC电压输出到电动发电机MG2。因此，电动发电机MG2被驱动以产生指定转矩。另外，根据控制器50的开关控制，变换器30可在车辆再生制动时将由电动发电机MG2——其接收车轮65的旋转力——产生的三相AC电压转换为DC电压并将转换得到的DC电压输出到电源线7。
这里的再生制动指的是由混合动力车的驾驶者通过足刹操作进行的伴有再生发电的制动，或者，在不操作足刹的情况下，通过在行驶中释放加速踏板，在再生发电同时的车辆减速(或停止加速)。
各电动发电机MG1和MG2具有电流传感器27和旋转角度传感器(分角器(resolver))28。由于三相电流瞬时值iu、iv与iw的和为零，所需要的是简单地布置电流传感器27，只检测两相的电机电流(例如V相电流iv和W相电流iw)，如图1所示。旋转角度传感器28检测电动发电机MG1与MG2中未示出的转子的旋转角度θ，并将检测得到的旋转角度θ发送到控制器50。基于旋转角度θ，控制器50可计算电动发电机MG1与MG2的旋转数Nmt(角速度ω)。
由这些传感器检测的、电动发电机MG1的电机电流MCRT(1)和转子旋转角度θ(1)以及电动发电机MG2的电机电流MCRT(2)和转子旋转角度θ(2)被输入到控制器50。另外，作为输入，控制器50接收作为电机指令的转矩指令值Tqcom(1)和控制信号RGE(1)——其表示电动发电机MG1的再生运行——以及转矩指令值Tqcom(2)和控制信号RGE(2)——其表示电动发电机MG2的再生运行。
由电子控制单元(ECU)实现的控制器50包含微计算机(未示出)、RAM(随机访问存储器)51和ROM(只读存储器)52，并根据规定的程序处理产生开关控制信号S1和S2(升压/降压转换器12)、S11至S16(变换器20)以及S21至S26(变换器30)，用于升压/降压转换器12以及变换器20与30的开关控制，使得电动发电机MG1与MG2按照输入自级别更高的电子控制单元(ECU)的电机指令运行。
另外，关于DC电源B的信息——例如SOC(充电状态)以及表示充电/放电限制值的允许电力量Win和Wout——被输入到控制器50。特别地，如果需要，控制器50具有对电动发电机MG1与MG2的耗电和发电进行限制的功能，因此，可防止DC电源B的过度充电或过度放电。
如同公知的那样，通过加速器踏板70和制动踏板71的操作，输入来自驾驶者的对混合动力车的加速和减速/停止指令。通过加速器踏板位置传感器73和制动踏板位置传感器74，检测驾驶者对加速器踏板70和制动踏板71的操作(按下量)。加速器踏板位置传感器73与制动踏板位置传感器74分别输出对应于加速器踏板70与制动踏板71的按下量的电压。
表示加速器踏板位置传感器73和制动踏板位置传感器74的按下量的输出信号ACC和BRK被输入到控制器50。可由下面的介绍明了，在本实施例中，当驾驶者既按下加速器踏板70又按下制动踏板71时，执行控制器50对开关元件的过热保护控制。因此，输入到控制器50的信号ACC和BRK可为表示加速器踏板70与制动踏板71的按下量的信号，或者，所述信号可为表示驾驶者是否按下踏板(按下量≠0或反之)的标志信号。加速器踏板位置传感器73对应于本发明的“第一检测器”，制动踏板位置传感器74对应于本发明的“第二检测器”。
下面，将介绍用于对电动发电机MG1与MG2的驱动进行控制的升压/降压转换器12以及变换器20与30的操作。
在升压/降压转换器12的升压(电压升高)操作中，基于电动发电机MG1与MG2的运行状态，控制器50计算DC电压VH的指令值，并基于指令值和由电压传感器13检测到的系统电压VH的检测值，产生开关控制信号S1与S2，使得输出电压VH达到电压指令值。
在升压操作时，升压/降压转换器12通常向变换器20与30提供通过对供自DC电源B的DC电压Vb进行升压得到的DC电压VH(对应于到变换器20与30的输入电压的DC电压将被称为“系统电压VH”)。特别地，对来自控制器50的开关控制信号S1与S2做出响应，设置开关元件Q1与Q2的占空比(导通周期的比率)，且升压比对应于占空比。
在降压操作时，升压/降压转换器12通过降低经平滑电容器C0由变换器20与30提供的DC电压(系统电压)来对DC电源B充电。具体而言，对来自控制器50的开关控制信号S1与S2做出响应，交替地提供仅开关元件Q1为导通的周期以及开关元件Q1与Q2均关断的周期，且降压比对应于导通周期的占空比。
平滑电容器C0对来自升压/降压转换器12的DC电压进行平滑，并将平滑后的DC电压提供给变换器20与30。电压传感器13对平滑电容器C0两端的电压——即系统电压——进行检测，并将所检测到的值VH输出到控制器50。
当对应的电动发电机MG2的转矩指令值为正(Tqcom(2)＞0)时，藉由对来自控制器50的开关控制信号S21至S26做出响应的、开关元件Q21至Q26的导通/关断操作(开关操作)，变换器30驱动电动发电机MG2，使得供自平滑电容器C0的DC电压被转换为AC电压，并输出正的转矩。另外，当电动发电机MG2的转矩指令值为零(Tqcom(2)＝0)时，藉由对开关控制信号S21至S26做出响应的开关操作，变换器30驱动电动发电机MG2，使得DC电压被转换为AC电压，转矩达到零。通过这种方式，电动发电机MG2被驱动，产生如转矩指令值Tqcom所指定的零转矩或正转矩。
另外，在混合动力车的再生运行时，电动发电机MG2的转矩指令值被设置为负值(Tqcom(2)＜0)。这里，藉由对开关控制信号S21至S26做出响应的开关操作，变换器30将电动发电机MG2产生的AC电压转换为DC电压，并将转换得到的DC电压(系统电压)经平滑滤波器C提供给升压/降压转换器12。
通过这种方式，藉由对来自控制器50的开关控制信号S21至S26做出响应的、开关元件Q21至Q26的导通/关断控制，变换器30进行电力转换，使得电动发电机MG2按照指令值运行。另外，与变换器30的运行类似，藉由对来自控制器50的开关控制信号S11至S16做出响应的、开关元件Q11至Q16的导通/关断控制，变换器20进行电力转换，使得电动发电机MG1按照指令值运行。
如上所述，控制器50根据转矩指令值Tqcom(1)和Tqcom(2)来控制电动发电机MG1与MG2的驱动，由此，在混合动力车100中，根据车辆的运行状态，将适当地执行以下操作通过电动发电机MG2的电力消耗产生车辆驱动力、通过电动发电机MG1的发电产生对DC电源B进行充电的电力或由电动发电机MG2消耗的电力、以及通过电动发电机MG2的再生制动运行(发电)产生对DC电源B进行充电的电力。
由控制器50进行的电动发电机MG1与MG2的驱动控制主要通过电机电流MCRT的反馈控制进行，这将在下面介绍。
图2为控制框图，其表示图1所示混合动力车100中的电机控制结构。
参照图2，电流控制块200包含指令电流产生部分210、坐标变换部分220与250、旋转数计算部分230、PI计算部分240、PWM信号产生部分260。这里，电流控制块200表示控制器50中的功能块，其通过以规定的周期执行预先存在控制器50中的程序实现。为各电动发电机MG1与MG2提供电流控制块200。
按照事先准备的表或类似物、根据电动发电机MG1(MG2)的转矩指令值Tqcom(1)(Tqcom(2))，指令电流产生部分210产生指令电流Idcom和Iqcom。
通过采用电动发电机MG1(MG2)的旋转角度θ——其由在电动发电机MG1(MG2)上提供的旋转角度传感器28检测——的坐标变换(3相→2相)，基于由电流传感器27检测得到的电机电流MCRT(iv、iw、iu＝-(iv+iw))，坐标变换部分220计算d轴电流id和q轴电流iq。基于旋转角度传感器28的输出，旋转数计算部分230计算电动发电机MG1(MG2)的旋转数Nmt。
与d轴电流指令值的偏差ΔId(ΔId＝Idcom-id)以及与q轴电流指令值的偏差ΔIq(ΔIq＝Iqcom-iq)被输入到PI计算部分240。采用规定的增益，PI计算部分240通过PI处理为d轴电流偏差ΔId与q轴电流偏差ΔIq中的每一个计算控制偏差，并根据控制偏差产生d轴指令电压值Vd#和q轴指令电压值Vq#。
通过坐标变换(2相→3相)，采用电动发电机MG1(MG2)的旋转角度θ，坐标变换部分250将d轴指令电压值Vd#和q轴指令电压值Vq#变换为U、V、W各相的指令电压值Vu、Vv、Vw。DC电压VH也被反映在从d轴指令电压值Vd#和q轴指令电压值Vq#到各相指令电压值Vu、Vv、Vw的变换中。
PWM信号产生部分260基于相应相的指令电压值Vu、Vv、Vw与规定载波之间的比较，产生图1所示变换器20(30)的开关控制信号S11至S16(S21至S26)。
按照电流控制块200所产生的开关控制信号S11至S16(S21至S26)，对变换器20(30)的开关进行控制，结果，向电动发电机MG1(MG2)施加AC电压，该电压用于输出与转矩指令值Tqcom(1)(Tqcom(2))一致的转矩。
图3为一波形图，其示出了PWM信号产生部分260的脉宽调制(PWM)控制。
PWM控制指的是这样一种控制方法通过在每个规定周期中改变矩形输出电压的脉宽，改变每周期的输出电压的平均值。通常，规定的周期被分为与载波周期相对应的多个开关周期，在每个开关周期中，功率半导体开关元件的导通/关断被控制，因此，实现上述脉宽调制控制。
参照图3，在PWM信号产生部分260中，将来自坐标变换部分250的、与相应相的指令电压值Vu、Vv、Vw相对应的信号波形280与规定频率的载波270进行比较。变换器20(30)的各相臂上的开关元件的导通/关断在载波电压高于信号波形电压的部分与信号波形电压高于载波电压的部分之间切换，由此，作为各相的变换器输出电压，可向电动发电机MG1(MG2)提供作为一组矩形波的AC电压。AC电压的基频分量在图3中用虚线描绘。特别地，载波270的频率(载波频率)对应于组成变换器20(30)的各开关元件的开关频率。
在本实施例中，从保护开关元件的观点出发，取决于情况，对在各变换器20(30)上用于PWM控制的载波270的频率不同地进行设置。
图4为一流程图，其示出了用于保护变换器的开关元件的、由控制器50进行的开关频率设置控制。
参照图4，在步骤S100中，基于图1所示的信号ACC和BRK，控制器50检测驾驶者对加速器踏板的操作和对制动踏板的操作。在步骤S110中，控制器50检测是否处于加速器踏板70和制动踏板71均被按下的状态(下面也称作失速状态)。
具体而言，在步骤S110中，基于信号ACC和BRK，当加速器踏板70的按下量和制动踏板71的按下量均不为0时，检测出失速状态。例如，可以预期，当混合动力车100停止以准备上山时，由于驾驶者的操作进入这样的失速状态。与正常行驶不同，在失速状态下，向处于停止状态或处于极低速状态的电动发电机MG2产生特征电机指令，该指令连续要求某种程度的转矩输出。
这里，在正常运行中，载波频率(即变换器的开关频率)被设置为相对较高的频率，因此，伴随着变换器开关操作的电磁谐振声音达到高于音频范围的频率。然而，开关元件的功耗随着开关频率而上升，因此，在产生上述电机指令的失速状态下，当变换器以正常运行的开关频率运行时，随着开关元件中的功耗增加，可能产生过量的热，有可能导致过热损坏。
具体而言，当进入失速状态且以正常运行的开关频率继续变换器控制时，开关元件的温度极有可能升高，即使开关元件的温度还不高。
因此，在本发明的实施例中，如图5所示，取决于是否检测到失速状态，对用于正常控制的载波频率设置图和用于过热保护——其在认为元件保护有必要时采用——的载波频率设置图进行切换，以便使用。
图5(a)原理性地示出了用于正常运行的正常控制的载波频率设置图(正常图)290，图5(b)原理性地示出了用于过热保护的载波频率设置图(元件保护图)295。正常图290和元件保护图295存储在控制器50的ROM 52中。
参照图5(a)，在正常图290中，根据电动发电机的运行状态(旋转数和输出转矩)确定载波频率。在正常图290中，除低速且高输出——其中，旋转数N＜N1且输出转矩指令值＞T1——时以外，将载波频率设置为正常频率fa。在低速且高输出时，将载波频率设置为保护频率fb。考虑到电磁谐振高于音频范围以及避免过多的开关损耗，将正常频率fa设置为大约5到大约10kHz。相反，保护频率fb被设置为低于正常频率fa的值(例如大约1.25kHz)，以便抑制功耗，而功耗是在开关元件中产生热的一个原因。
当采用保护频率fb时，尽管由于开关操作发生在音频范围内而存在产生噪音的问题，由于开关元件开关次数减少，可以抑制功耗。因此，可抑制开关元件的温度升高，并可保护元件。
另一方面，在元件保护图295中，在旋转数＜N0(N0＜N1)的范围内，无论输出转矩如何，总是将载波频率设置为保护频率fb。进一步地，在高输出转矩(输出转矩值＞T1)时，将载波频率设置为保护频率fb。在其它区域内，将载波频率设置为正常频率fa。
上面介绍的失速状态预期在这样的范围内发生旋转速度低，例如，当车辆停止以准备上山时。这样的一种状态典型地对应于图5中(a)和(b)所示的运行点P0或该点附近，在该点上，车辆以及电动发电机停止或以极低速运行，同时，由于加速器踏板的操作，输出转矩指令值已经达到某个值。因此，根据元件保护图295，可将载波频率设置为失速状态中的载波频率fb。
再次参照图4，当在步骤S110中检测到失速状态时，控制器50在步骤S120中判断当前是否正在采用元件保护图295。当正在使用正常图290时(步骤S120中的“否”)，控制器50在步骤S130中将载波频率设置图从正常图290切换到元件保护图295，并设置载波频率，以便采用元件保护图295来控制变换器。从程序的上一次执行到当前时刻，当驾驶者新近操作一个或一个以上的踏板导致失速状态时，执行步骤S130的过程。
当步骤S120中为“是”时，也就是说，当已经采用元件保护图295时，控制器50在步骤S140中连续采用元件保护图295设置用于控制变换器的载波频率。当失速状态——其一旦由驾驶者操作进入——已被保持时，执行步骤S140的过程。
相反，当在步骤S110中为“否”时，也就是说，当没有检测到失速状态时，控制器50在步骤S150中判断当前是否正在采用正常图290。当目前正在采用正常图290时(步骤S150中的“否”)，控制器50在步骤S160中连续采用正常图290设置用于控制变换器的载波频率。当非失速状态被保持时，执行步骤S160的过程。
当在步骤S150中为否时，也就是说，当目前正在使用元件保护图295时，控制器50在步骤S170中将载波频率设置图从元件保护图295切换到正常图290，并采用正常图290设置用于控制变换器的载波频率。从程序的上一次执行到当前时刻，当驾驶者新近操作了一个或一个以上的踏板取消失速状态时，执行步骤S170的过程。
通过执行根据图4所示子程序的开关频率设置控制，根据电动发电机的运行状态(旋转数和输出转矩)，在正常运行(非失速状态)中采用正常图290、在失速状态中采用元件保护图295地对用于变换器控制的载波频率(即开关频率)进行设置。具体地，选择正常频率fa与保护频率fb中的一个。
可以采用当检测到失速状态时(步骤S110中的“是”)将开关频率固定地设置为保护频率fb的控制结构，而不是参照元件保护图295，并且可获得类似的对开关元件进行保护的作用。
图6示出了载波产生机构的实例，其用于在正常频率fa与保护频率fb之间切换载波频率。
参照图6，载波产生机构300包含产生具有正常频率fa的载波的振荡器310、产生具有保护频率fb(fb＜fa)的载波的振荡器320以及转换开关330。转换开关330对频率选择指令——其指示要选择正常频率fa与保护频率fb中的哪一个——做出响应地将振荡器310与320中的一个连接到PWM信号产生部分260。
当通过载波频率设置图将载波频率设置为正常频率fa时，转换开关330被控制到I侧，具有正常频率fa的载波270被发送到PWM信号产生部分260。
相反，当通过载波频率设置图将载波频率设置为保护频率fb时，转换开关330被控制到II侧，具有低频(保护频率fb)的载波270被发送到PWM信号产生部分260。
或者，可采用图7所示的构造，其中，采用电压控制振荡器，通过一个振荡器切换载波频率。
参照图7，载波产生机构300#包含电压控制振荡器(VCO)340和可变电压产生器350。VCO 340产生频率与输入控制电压Vc相对应的载波270，并将之发送到PWM信号产生部分260。可变电压产生器350对频率选择指令——该指令与图6所示的相类似——做出响应，可变地设置有待输入到VCO 340的控制电压Vc。在这种构造中，同样可以按照频率选择指令在正常频率fa和保护频率fb之间切换载波270的频率。
尽管本实施例中介绍了载波频率在两级——即正常频率fa和保护频率fb——之间切换的构造，载波频率在更多级中切换的构造也是可行的。
另外，尽管在本实施例中介绍了用一个控制器(ECU)50实现对用于变换器控制的开关频率进行切换的机构，通过多个控制器(ECU)的协作可获得类似的控制结构。
举例而言，可采用这样的构造如图8所示，由另一控制器(ECU)50#对加速器踏板70与制动踏板71的操作量进行检测以及检测是否为失速状态。这里，表示是否处于失速状态的失速检测信号从控制器50#被输入到负责变换器控制的控制器50。
在图8所示的构造中，图4所示控制结构中的步骤S100和步骤S110由控制器50#执行，之后的步骤S120到S170由控制器50执行，因此，通过控制器50和50#的协作实现图4所示的子程序。通过这种构造，可获得与上面的实例相类似的作用。
如上所述，在根据本实施例的混合动力车中，当发生电动发电机－－其作为产生车轮驱动力的电机——很可能温度上升的失速状态时，将用于变换器控制的载波频率减小到与正常运行中相比较低，由此，降低变换器的开关频率，并可抑制开关元件的温度上升。因此，与在开关元件实际温度上升后采取过热保护措施的方法相比，可以改进由开关元件——其组成变换器——的过热保护所获得的元件保护作用。
另外，当失速状态解除时，变换器的开关频率相对于失速状态中的开关频率增加，可实现适合正常行驶的变换器开关频率设置控制。
为了更好地理解，将说明本发明与实施例的结构之间的对应性。图4的步骤S100对应于本发明的“第一步骤”，步骤S110对应于“检测装置”或“第二步骤”，步骤S130与S140对应于“第一频率设置装置”或“第三步骤”，步骤S160和S170对应于本发明的“第二频率设置装置”或“第四步骤”。另外，图5(a)的正常图290对应于本发明的“第一设置装置”，图5(b)的元件保护图295对应于本发明的“第二设置装置”。另外，图4中的步骤S130、S140、S160与S170总体对应于本发明的“选择装置”。
注意，根据本实施例的开关频率设置控制可对各电动发电机独立执行。具体而言，可根据多个电动发电机MG1与MG2中每一个的运行状态来设置合适的开关频率。
然而，当基于多个电动发电机MG1与MG2之间不同的开关频率进行变换器控制时，可能产生噪音，这是因为开关频率的不同(载波频率的不同)。考虑到这一点，当在各电动发电机MG1与MG2上进行了上述开关频率设置控制之后，可以将所设置开关频率中的最低频率普遍地用于各电动发电机MG1与MG2的变换器控制。
在上面的实施例中，已经作为实例介绍了并联混合型的混合动力车，其中，发动机4和电动发电机MG2均能产生驱动车轮的驱动力。然而，本发明还适用于在串联混合型的混合动力车中对用于电机控制的电力转换器(变换器)的开关元件进行保护，在串联混合型的混合动力车中，发动机仅作为到电机的动力源运行，并且由电机进行车轮的直接驱动。类似地，在上面的实施例中，介绍了机械分配型的混合动力车，其中，发动机4和电动发电机MG1与MG2通过行星齿轮机构连接且能量由行星齿轮结构进行分配。然而，本发明还适用于所谓的电气分配型的混合动力车。另外，本发明适用于包括没有发动机的电气车辆在内的一般电动车辆——其具有产生用于驱动车轮的驱动力的电机——以保护对电机进行控制的电力转换器(变换器)的开关元件。
另外，当应用本发明时，所用的变换器和电动发电机(电机)的组合和数量不限于在上面的实施例中作为实例介绍的这些。具体而言，在任何具有电机——该电机产生用于驱动车轮的力且该电机的驱动由电力转换器通过功率半导体器件的开关控制进行控制——的电动车辆中，本发明可适用于控制电力转换器的开关频率设置，在电力转换器与电动发电机(电机)的类型和数量上没有任何限制。特别地，本发明适用于设置电力转换器的开关频率，其中，该电力转换器通过利用载波的PWM控制方法以外的方法对开关进行控制。
尽管详细介绍和描绘了本发明，可以明了，这只是作为说明和举例，不应看作限制。本发明的精神和范围仅由所附权利要求的条款限制。
权利要求
1.一种电动车辆(100)，所述车辆包含电机(MG1，MG2)；电力转换器(20，30)，其通过藉由功率半导体器件(Q11至Q16，Q21至Q26)的导通/关断控制进行的电力转换来控制所述电机的驱动；第一检测器(73)，其检测在所述车辆的加速器踏板上的操作；第二检测器(74)，其检测在所述车辆的制动踏板上的操作；以及控制器(50)，其包含检测装置，所述检测装置用于基于来自所述第一检测器与所述第二检测器的输出对失速状态进行检测，在所述失速状态中，所述加速器踏板与所述制动踏板均被操作，所述控制器还包含第一频率设置装置，其用于当由所述检测装置检测到所述失速状态时，将所述功率半导体器件的开关频率设置得与未检测到所述失速状态时相比较低。
2.根据权利要求1的电动车辆(100)，其中所述控制器还包含第二频率设置装置，其用于当所述检测装置的检测状态发生从检测到失速的状态到未检测到失速的状态的改变时，将所述功率半导体器件(Q11至Q16，Q21至Q26)的所述开关频率设置得与检测到所述失速状态时相比较高。
3.根据权利要求2的电动车辆(100)，其中所述控制器(50)还包含第一设置装置(290)，其用于根据所述电机的运行状态设置用于导通/关断控制的载波(270)的频率，以及第二设置装置(295)，其用于当所述运行状态为所述失速状态时，将所述载波的所述频率设置为与所述第一设置装置相比较低的值；以及所述第一频率设置装置与所述第二频率设置装置被配置为当所述检测装置检测到所述失速状态时，所述第二设置装置被选择以设置所述载波的所述频率，当所述检测装置未检测到所述失速状态时，所述第一设置装置被选择以设置所述载波的所述频率。
4.根据权利要求1的电动车辆(100)，其中当所述检测装置检测到所述失速状态时，所述第一频率设置装置将用于所述导通/关断控制的载波(270)的所述频率设置为与未检测到所述失速状态时相比较低的值。
5.根据权利要求1的电动车辆(100)，其为还包含了内燃机(4)的混合车辆。
6.一种电动车辆(100)，所述车辆包含电机(MG1，MG2)；电力转换器(20，30)，其通过藉由功率半导体器件(Q11至Q16，Q21至Q26)的导通/关断控制进行的电力转换来控制所述电机的驱动；第一检测器(73)，其检测在所述车辆的加速器踏板上的操作；第二检测器(74)，其检测在所述车辆的制动踏板上的操作；以及控制器(50)，其控制所述电机与所述电力转换器的运行，其中基于来自所述第一检测器与所述第二检测器的输出，所述控制器检测失速状态，当检测到所述失速状态时，将所述功率半导体器件的开关频率设置得与未检测到所述失速状态时相比较低，其中，在所述失速状态中，所述加速器踏板与所述制动踏板均被操作。
7.根据权利要求6的电动车辆(100)，其中当检测状态发生从检测到失速的状态到未检测到失速的状态的改变时，所述控制器(50)将所述功率半导体器件(Q11至Q16，Q21至Q26)的所述开关频率设置得与检测到所述失速状态时相比较高。
8.一种控制电动车辆(100)的方法，所述车辆包含电机(MG1，MG2)和电力转换器(20，30)，所述电力转换器通过藉由功率半导体器件(Q11至Q16，Q21至Q26)的导通/关断控制进行的电力转换来控制所述电机的驱动，所述方法包含第一步骤(S100)，检测在所述车辆的加速器踏板与制动踏板上的操作；第二步骤(S110)，基于在所述第一步骤中的检测，检测失速状态，在所述失速状态中，所述加速器踏板与所述制动踏板均被操作；以及第三步骤(S130，S140)，当在所述第二步骤中检测到所述失速状态时，将所述功率半导体器件的开关频率设置得与未检测到所述失速状态时相比较低。
9.根据权利要求8对所述电动车辆进行控制的方法，其还包含第四步骤(S160，S170)，当在所述第二步骤(S110)中检测状态发生从检测到失速的状态到未检测到失速的状态的改变时，将所述功率半导体器件(Q11至Q16，Q21至Q26)的所述开关频率设置得与检测到所述失速状态时相比较高。
10.根据权利要求9对所述电动车辆(100)进行控制的方法，其中在所述第三步骤(S130，S140)与所述第四步骤(S160，S170)中，(1)当在所述第二步骤中未检测到所述失速状态时，基于第一设置图(290)设置所述载波(270)的所述频率，所述第一设置图被形成、以便根据所述电机的运行状态设置用于所述导通/关断控制的所述载波频率；以及(2)当在所述第二步骤中检测到所述失速状态时，基于第二设置图(295)设置所述载波频率，所述第二设置图被形成、以便在所述失速状态的运行状态下将所述载波频率设置为与所述第一设置图相比较低的频率。
11.根据权利要求8对所述电动车辆(100)进行控制的方法，其中在所述第三步骤(S130，S140)中，当在所述第二步骤(S110)中检测到所述失速状态时，将用于所述导通/关断控制的所述载波频率设置得与未检测到所述失速状态时相比较低。
12.根据权利要求8对所述电动车辆(100)进行控制的方法，其中所述电动车辆(100)为还包含了内燃机(4)的混合车辆。
全文摘要
根据正常运行中电动发电机的运行状态，正常图(290)确定用于控制电动发电机驱动的变换器的开关控制的载波频率。在驾驶者既按下加速器踏板又按下制动踏板的失速状态中，采用元件保护图(295)代替正常图(290)来确定开关频率。当使用元件保护图(295)时，在对应于失速状态的运行状态下(接近P0)，载波频率被设置为低于正常频率(fa)的保护频率(fb)。因此，在具有作为车辆驱动源的电机(电动发电机)的电气车辆中，可以防止组成电力转换器——其用于控制电机的驱动——的功率半导体器件温度升高。
文档编号H02P9/26GK1967995SQ20061014863
公开日2007年5月23日 申请日期2006年11月20日 优先权日2005年11月18日
发明者沓名正树, 牟田浩一郎 申请人:丰田自动车株式会社