電力變換裝置和配備了電力變換裝置的車輛的製作方法
2023-06-30 17:26:56 1
專利名稱：電力變換裝置和配備了電力變換裝置的車輛的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力變換裝置。更確切地說，本發明涉及一種具有檢測絕緣電阻功能的電力變換裝置，並且還涉及配備了該電力變換裝置的車輛。
背景技術：
為保證電氣化安全，ISO(國際標準化組織)標準以及ECE(歐洲經濟委員會)標準要求對於一定的電壓，必須保證一定的絕緣電阻值。也即，在具有被規定為標準值的絕緣電阻率KR(Ω/V)以及工作電壓Vs的系統中，需要保證絕緣電阻R＝KR×Vs(Ω)。
因此，從安全角度來看，在操作期間準確檢測絕緣電阻是非常重要的，日本專利申請公開2002-325302披露了一種漏電檢測器，其能夠準確檢測電力單元中的漏電，該電力單元用於驅動電動機，使得混合動力車、電動車等電驅動車輛得以行駛。
此外，在由電負載和產生驅動該電負載的電力的電力變換裝置(電力單元)所組成的系統中，還已知一種結構，其中電力變換裝置不僅具有在直流電和交流電之間進行電力轉換的功能，還具有轉換電壓電平的功能。例如，日本專利申請公開2003-134606披露了一種混合動力車驅動單元，其具有這樣的結構，其中，輸入電壓被升壓變換器升壓，然後被轉換為用於驅動電動機單元的交流電壓。
然而，無論日本專利申請公開2002-325302還是日本專利申請公開2003-134606都沒有披露這樣的結構，其中，電力變換裝置(電力單元)的工作條件在絕緣電阻老化時發生變化。因此，如果此絕緣電阻老化，除了停止變換器(單元)的工作，沒有其它辦法可保證安全，或者，在相同的條件下讓變換器(單元)繼續工作，而不考慮改進安全性。
發明內容
本發明的一個目的在於提供一種電力變換裝置，其能夠通過校正工作條件得以連續地工作，以這種方式即使在絕緣電阻老化時，也可確保安全。本發明的另一個目的是提供一種配備了此電力變換裝置的車輛。
在本發明的第一方面，電力變換裝置配備了電壓轉換電路，控制電路，以及檢測電路。電壓轉換電路接收輸入電壓，並將其轉換為可用於驅動電負載的工作電壓。檢測電路檢測電壓轉換電路輸出側的絕緣電阻。控制電路確定工作電壓的設定值，並在檢測電路所檢測到的絕緣電阻老化時，將此時的工作電壓設置為低於絕緣電阻正常工作時的工作電壓。
根據本發明的上述第一方面，絕緣電阻可在操作期間得到檢測，而且工作電壓可在絕緣電阻老化時降低。因此，即使絕緣電阻已經老化，在確保安全的條件下仍可繼續操作。
特別地，設置工作電壓使其保持低於某受控電壓，此受控電壓可以表示為預定標準比率的倒數與檢測到的絕緣電阻的乘積，其中所述比率指所要保證的絕緣電阻關於工作電壓的比。從而，ISO標準或ECE標準中規定的絕緣電阻的標準值可以得到滿足。
此外，如果電壓轉換電路被設計為允許電壓升壓，在上述受控電壓低於輸入電壓的情況下，工作電壓被設置為與未進行電壓提升操作的電壓轉換電路的輸入電壓電平相同。結果，相對抵消了由於絕緣電阻老化導致的安全性降低。
在前述第一方面中，控制電路可依照檢測到的絕緣電阻設置工作電壓，從而使得此工作電壓將不超過由絕緣電阻確定的受控電壓。
在與前述第一方面相關的方面中，受控電壓可表示為預定標準比率的倒數與檢測到的絕緣電阻的乘積，其中所述比率指所要保證的絕緣電阻關於工作電壓的比。
在前述第一方面中，如果受控電壓高於最大電壓，控制電路可將工作電壓設置在某個範圍內，使得工作電壓的上限值等於電壓轉換電路所能輸出的最大電壓。如果受控電壓低於最小電壓，控制電路可設置工作電壓，使其等於電壓轉換電路所能輸出的最小電壓。如果受控電壓高於最小電壓而低於最大電壓，控制電路可將工作電壓設置在某個範圍內，使得工作電壓的上限值等於上限電壓。
在與前述第一方面相關的一個方面中，電壓轉換電路可以升高輸入電壓，並且，如果受控電壓低於輸入電壓，控制電路可將工作電壓設置為等於此輸入電壓。
在前述第一方面或者與之相關的方面中，電壓轉換電路可配備非絕緣變換器。
在前述第一方面或者與之相關的方面中，電壓轉換電路可配備絕緣變換器，構造此絕緣變換器使得變壓器配備在電源和電負載之間。
在本發明的第二方面中，披露了一種車輛，其具有直流電力單元，用於提供為直流電壓的輸入電壓，根據前述第一方面的電力變換裝置，以及交流電動機，其被配備作為電負載，並且能夠驅動至少一個車輪。電力變換裝置配備在電壓轉換電路和交流電動機之間，並且還包括逆變器，用於進行工作電壓與用於驅動式地控制交流電動機的交流電壓之間的電力轉換。
根據前述第二方面，此車輛可以在電力變換裝置的工作期間檢測絕緣電阻，其中該電力變換裝置驅動式地控制用於驅動車輪的交流電動機，並且當絕緣電阻老化時，其可以降低工作電壓。這樣，即使不能容易地保證車輛中的絕緣特性，但由於防止了絕緣電阻老化所引起的安全惡化，還可以繼續操作，從而滿足了ISO標準、ECE標準等所規定的絕緣電阻的標準比率(Ω/V)。
在前述第二方面中，電壓轉換電路可以升高輸入電壓。
在前述第二方面或者與之相關的方面中，電壓轉換電路可配備非絕緣變換器。
在前述第二方面或者與之相關的方面中，電壓轉換電路可配備絕緣變換器，構造此絕緣變換器使得變壓器配備在電源和電負載之間。
圖1為原理框圖，用於解釋裝配了根據本發明的電力變換裝置的混合動力車的構造；圖2為電路圖，示出了根據本發明的電力變換裝置的構造；圖3為流程圖，用於解釋圖2所示的控制電路的操作；圖4為由控制電路確定工作電壓的技術的詳細解釋視圖；圖5為電路圖，用於解釋作為根據本發明的電力變換裝置的代表例的示於圖1中的PCU的構造。
具體實施例方式
下面，將參照附圖詳細描述本發明的實施例。需要注意的是，附圖中相同或者相似的部分用同樣的參考符號標註，並且對這些部分不進行重複描述。
圖1為原理框圖，用於解釋裝配了根據本發明的電力變換裝置的混合動力車的構造。
參照圖1，根據本發明本實施例的混合動力車100裝配了電池100，PCU(電力控制單元)20，電力輸出裝置30，差速齒輪(DG差速齒輪)40，前輪50L、50R，後輪60L、60R，前座70L、70R，以及後座80。
作為「直流電力單元」的電池10由，比如，鎳氫、鋰離子等類型的二次電池構成。電池10向PCU 20提供直流電壓，並由來自PCU 20的直流電壓充電。電池10置於後座80後面。
電力輸出裝置30置於位於儀錶板90前面的發動機室中。PCU 20與電力輸出裝置30電連接。電力輸出裝置30與DG 40相連接。
PCU 20升高來自電池10的直流電壓，將升高後的直流電壓轉換為交流電壓，從而驅動式地控制包含在電力輸出裝置30中的電動發電機MG。此外，PCU 20將由包含在電力輸出裝置30中的電動發電機MG產生的交流電壓轉換為直流電壓，並給電池10充電。即，所述PCU 20響應於「電力變換裝置」，此電力變換裝置進行在由電池10提供的直流電與用於驅動式地控制電動發電機MG的交流電之間的電力轉換。
電力輸出裝置30將由發動機和/或電動發電機MG獲得的電能經由DG 40傳送給前輪50L、50R，從而驅動前輪50L、50R。此外，電力輸出裝置30產生歸因於由前輪50L、50R獲得的電動發電機MG的迴轉力的電能，並將所產生的電能提供給PCU 20。即，電動發電機MG扮演著能驅動至少一個車輪的「交流電動機」的角色。DG 40將來自電力輸出裝置30的電力傳送給前輪50L、50R，並將前輪50L、50R的迴轉力傳送給電力輸出裝置30。
接下來，將給出對根據本發明的電力變換裝置的一般構造的描述，以及如圖1所示，當電力變換裝置配備於混合動力車100時的具體構造。
圖2為電路圖，其示出了根據本發明的電力變換裝置的構造。
參照圖2，根據本發明的電力變換裝置110配備了電源120，電壓轉換電路130，電負載驅動電路140，控制電路160，以及檢測電路170。電源120置於電力轉換電路130的輸入側，並提供輸入電壓V1。電壓轉換電路130將輸入電壓V1轉換為工作電壓V2。電負載驅動電路140置於電壓轉換電路130和電負載150之間。
工作電壓V2用於驅動電負載150。電負載驅動電路140接收工作電壓V2，並產生用於驅動電負載150的電力。可以避免使用電負載驅動電路140，而採取一種構造，其中電負載150直接由電壓轉換電路130輸出的工作電壓V2驅動。反過來看，在如此構造的情況下需要設置電負載驅動電路140，即，在該構造中，通過對電壓電平轉換後獲得的工作電壓V2進一步進行電力轉換來驅動電負載150。如上所述，並不一定需要使用電負載驅動電路140。是否需要使用電負載驅動電路140，取決於電負載150的類型。
檢測電路170測量電壓轉換電路130輸出側的絕緣電阻值R。控制電路160通過依據由檢測電路170檢測到的絕緣電阻值R，控制電壓轉換電路130中的電壓轉換比K，來確定工作電壓V2的設定值。電壓轉換比K被表示為工作電壓V2和輸入電壓V1的比(即，K＝V2/V1)。
在根據本發明的電力變換裝置中，檢測絕緣電阻的方法，即，檢測電路170的構造並沒有特別的限制，根據優選的設計，可以採用任何已知的技術。
圖3為流程圖，其解釋圖2所示控制電路的工作。
參照圖3，控制電路160通過對檢測電路170的輸入信號進行採樣，來檢測絕緣電阻(步驟S100)。依據所檢測的絕緣電阻值R，控制電路160通過將在以下描述的技術，確定作為來自電壓轉換電路130的輸出電壓的工作電壓V2(步驟S110)。進一步的步驟120和130將被解釋如下。
圖4為由控制電路確定工作電壓的技術的詳細解釋視圖。
圖4中的橫坐標軸表示檢測到的絕緣電阻值R(Ω)，而圖4中的縱坐標軸表示從電壓轉換電路130輸出的工作電壓V2(V)的設定值。
前述ISO和ECE標準確定了絕緣電阻的標準比率KR(Ω/V)，其定義為所要保證的絕緣電阻關於工作電壓V2的比。因此，控制電路160需要設置工作電壓V2，使得工作電壓V2保持至少低於「受控電壓」，依據檢測到的絕緣電阻值R確定該受控電壓以允許能夠保證標準所要求的必需的絕緣電阻。如圖4中虛線300所指示的，「受控電壓」表示為前述標準比率的倒數(1/KR)與檢測到的絕緣電阻值R的乘積。
另外，工作電壓V2的上限值依據圖4所示的設定的特性線310，考慮電壓轉換電路130的可能輸出範圍而確定。
工作電壓V2的最大電壓和最小電壓VTmax和VTmin，其示於圖4的縱坐標軸上，由輸入電壓V1和電壓轉換電路130中的電壓轉換比K的可能範圍確定。電壓轉換比K的可能範圍根據電路結構和電壓轉換電路130的電路常數預先確定。例如，如果構造電壓轉換電路130使得輸入電壓可被升高(K≥1.0)，最小電壓VTmin等於輸入電壓V1。
在根據本發明的電力變換裝置中，電壓轉換電路130的電壓轉換比K的可能範圍並沒有特殊限制。只要提供了電壓電平轉換函數，任何電路結構都可被採用。
首先，在受控電壓(虛線300)高於工作電壓V2的最大電壓VTmax的區域324中，工作電壓V2的上限值設置為與電壓轉換比K的最大值相對應的最大電壓VTmax。
相反，在受控電壓(虛線300)低於工作電壓V2的最小電壓VTmin的區域320中，工作電壓V2的上限值設置為與電壓轉換比K的最小值相對應的最小電壓VTmin。
在區域320中，由於不滿足標準比率KR，例如，如果電負載150處於某種模式，則操作需要被停止。或者，如果電負載150處於不會引發安全問題的模式時，即使在不滿足標準比率KR的情況下，只要警告消息被發送給操作員，就可以繼續操作。這樣，在根據本發明的構造中，通過將工作電壓V2降低到其下限，由絕緣電阻老化所引發的安全惡化相對被抵消了。
除此之外，在上述區域320和324之間的中間區域322中，工作電壓V2的上限值等於受控電壓(虛線300)。即，工作電壓V2的上限值設置為能夠滿足標準比率KR的最大值。
在區域322和324中，只要不超過由設定的特性線310所指示的上限值，考慮電負載150的效率確定工作電壓V2。一般而言，可通過提高工作電壓V2並降低負載電流更有效地提高負載效率。因此，通過將工作電壓V2設置為對應於絕緣電阻值R的上限值，可實現耗電的全面降低。另一方面，在區域320中，工作電壓V2被確定為由設定的特性線310所指示的最小電壓VTmin。
如果將作為區域320和322之間的邊界值的絕緣電阻標註為Rt1，且將作為區域322和324之間的邊界值的絕緣電阻標註為Rt2，可得到Rt1＝KR×VTmin，且Rt2＝KR×VTmax。如果絕緣電阻已經從對應於可確保足夠絕緣電阻的正常狀態的區域324降低，即，如果R＜Rt2，則通過如上所述設置工作電壓V2的上限值，控制電路160可以確定絕緣電阻已經老化。然後，根據圖4所示設定的特性線310，控制電路160可將工作電壓V2設置為低於正常狀態下的電壓。
再次參照圖3，控制電路160從在步驟S120中設置的工作電壓V2設置電壓轉換比K，並發出控制指令，使得電壓轉換電路130工作於設定的電壓轉換比(步驟S120)。當本發明的電力變換裝置工作時，每次預定周期經過進行步驟S100到S120的操作(步驟S130)。
於是，在本發明的電力變換裝置中，絕緣電阻在其工作期間被定期檢測，且工作電壓在絕緣電阻老化時被降低，這樣在保證安全的同時可以繼續操作。
特別地，由於工作電壓被設置以保持低於表達為絕緣電阻和預定標準比率之乘積的受控電壓，可以滿足任何定義為絕緣電阻值與工作電壓的比的絕緣電阻的標準值。
接下來，將描述一種具體構造，其中，根據本發明的電力變換裝置被用為裝載於圖1所示混合動力車100上的PCU 20。
圖5為電路圖，用於解釋作為根據本發明的電力變換裝置的代表例的如圖1所示的PCU的構造。
參照圖5，PCU 20包括檢測電路170，啟動繼電器202、204，平滑電容器210、240，變換器220，以及逆變器250。
從以下描述將可知，電池10對應於圖2中所示的「電源120」，變換器220對應於圖2中所示的「電壓轉換電路130」。具體而言，變換器220被描述為使得輸入電壓升高的電壓轉換電路的例子。同理，逆變器250對應於圖2所示的「電負載驅動電路140」，且電動發電機MG對應於圖2所示的「電負載150」。
啟動繼電器202連接在電源線201和電池10的正極之間，並且啟動繼電器204連接在地線205和電池10的正極之間。啟動繼電器202、204在操作期間導通，而在操作停止期間不導通。
平滑電容器210連接在電源線201和地線205之間，平滑來自電池10的輸入電壓V1。
變換器220包括電抗器230，開關元件Q1、Q2，以及二極體D1、D2。例如，IGBT(絕緣柵雙極電晶體)在本實施例中作為開關元件使用。
電抗器230連接在電源線201和開關元件Q1、Q2的連接節點之間。開關元件Q1、Q2在電源線206和地線205之間串聯連接。反並聯的二極體D1、D2分別連接在開關元件Q1、Q2各自的集電極和發射極之間，從而電流從發射極側流向集電極側。響應於來自控制電路(ECU電動控制單元)160的柵極信號G1、G2，開關元件Q1、Q2受到開/關控制，即，開關控制。
電容器240連接在電源線206和地線205之間，用來平滑變換器220的輸出電壓，即，作為逆變器250的輸入電壓的工作電壓V2。
地線205經由絕緣電阻通過車輛100(圖1)的車身接地。關於在電力變換裝置220輸出側，即，在高電壓側的絕緣電阻值R的問題，在於保證上述標準比率。
逆變器250由U相臂251，V相臂252，以及W相臂253組成。U相臂251、V相臂252以及W相臂253在電源線206和地線205之間並聯連接。U相臂251由串聯連接的開關元件Q3、Q4組成。V相臂252由串聯連接的開關元件Q5、Q6組成。W相臂253由串聯連接的開關元件Q7、Q8組成。反並聯的二極體D3到D8分別連接在開關元件Q3到Q8各自的集電極和發射極之間。響應於來自控制電路160的柵極信號G3到G8，開關元件Q3到Q8受到開/關控制，即，開關控制。
各相臂的中間點分別連接到作為三相永磁電動機的電動發電機MG的各相線圈261到263的相端。各線圈261到263通常將其一端與中性點相連接。交流電動機，其可具有任意數目的相(例如，三相)，並可以是任何類型(例如，永磁電動機)，可用來作為所述電動發電機MG。
變換器220接收從電池10向電源線201和地線205之間的點提供的輸入電壓V1，並響應於柵極信號G1、G2，進行開關元件Q1、Q2的開關控制。變換器220從而升高輸入電壓V1，產生工作電壓V2，並將其提供給電容器240。
變換器220中的升壓比，即，電壓轉換比K＝V2/V1，依據開關元件Q1、Q2之間所佔周期的比(佔空比)確定。此外，當輸入電壓V1在變換器220中被轉換為工作電壓V2時，就確立了K≥1.0的關係，並且工作電壓V2的最小電壓等於輸入電壓V1。
電容器240平滑來自變換器220的工作電壓V2，並將其提供給逆變器250。逆變器250將來自電容器240的工作電壓V2轉換為交流電壓，並驅動電動發電機MG。
此外，通過響應於柵極信號G3到G8分別對開關元件Q3到Q8進行開關控制，逆變器250將電動發電機MG產生的交流電壓轉換為直流電壓，並將其提供給電容器240。電容器240平滑來自電動發電機MG的直流電壓，並將其提供給變換器220。變換器220降低來自電容器240的直流電壓，並將其提供給電池10或者輔助電源的DC/DC變換器(未示出)。
控制電路160產生柵極信號G3到G8，以依據來自各種傳感器的輸出值，控制逆變器250的操作，從而，對應於電動機指令值的轉矩、迴轉等在電動發電機MG中生成。來自傳感器的輸出值包括，例如，來自電動發電機的位置/速度傳感器的輸出，每一相中的電流傳感器的輸出，以及來自用於檢測工作電壓V2的感應器的輸出。
控制電路160依據由檢測電路170根據圖3和圖4所示的控制模式測量到的絕緣電阻值R，確定工作電壓V2。此外，控制電路160產生柵極信號G1、G2，從而實現了對應於所確定的工作電壓V2的電壓轉換比(升壓比)K。
通過採用上述構造，在混合動力車100中，絕緣電阻在操作期間被定期檢測，並且，在絕緣電阻老化時，工作電壓降低，這樣，可在保證安全的同時，繼續操作。
從以上敘述可知，本實施例中描述了一個構造的例子，其中，根據本發明的電力變換裝置被裝載在混合動力車中，並且，此混合動力車具有作為電負載的用於驅動車輪的交流電動機。特別地，由於絕緣屬性在車輛中不易得到保證，絕緣電阻的標準比率(Ω/V)在ISO標準、ECE標準等中有嚴格規定。因此，根據本發明的電力變換裝置的應用具有重要意義。
然而，根據本發明的電力變換裝置的應用並不限於前述構造例。即，本發明可應用於具有轉換電壓以及檢測絕緣電阻功能的電力變換裝置，而無需對電負載等進行特別限制。
在圖5所示的構造例中，非絕緣變換器220作為允許電壓升高的電壓轉換電路的具體實例被描述。然而，具有其它電路結構的絕緣變換器等，例如，其中在電源和負載之間配備了變壓器的構造，也可以被使用。
此處披露的實施例需要被理解為範例，而不具有任何限制性。本發明的範圍不是由以上描述，而是根據權利要求定義。本發明意在併入等同於權利要求的含義和範圍的所有改進。
權利要求
1.一種電力變換裝置，其配備了電壓轉換電路，用於接收輸入電壓，並將該輸入電壓轉換為可用於驅動電負載的工作電壓，其還配備了檢測電路，用於檢測所述電壓轉換電路輸出側的絕緣電阻，其特徵在於控制電路確定所述工作電壓的設定值，並當所述檢測電路檢測到的所述絕緣電阻老化時，將所述工作電壓設置為低於所述絕緣電阻正常工作時的所述工作電壓。
2.根據權利要求1的電力變換裝置，其特徵在於，所述控制電路依據所檢測的絕緣電阻設置所述工作電壓，使得所述工作電壓保持低於由所述絕緣電阻所確定的受控電壓。
3.根據權利要求2的電力變換裝置，其特徵在於，所述受控電壓表示為預定標準比率的倒數與所述檢測到的絕緣電阻的乘積，該預定標準比率為所要保證的絕緣電阻關於所述工作電壓的比。
4.根據權利要求1的電力變換裝置，其特徵在於如果所述受控電壓高於所述電壓轉換電路所能輸出的最大電壓，所述控制電路將所述工作電壓設置在某範圍內，使得所述工作電壓的上限值等於該最大電壓，如果所述受控電壓低於所述電壓轉換電路所能輸出的最小電壓，所述控制電路可設置所述工作電壓，使所述工作電壓等於該最小電壓，並且如果所述受控電壓高於所述最小電壓而低於所述最大電壓，所述控制電路將所述工作電壓設置在某個範圍內，使得所述工作電壓的上限值等於所述上限值電壓。
5.根據權利要求4的電力變換裝置，其特徵在於所述電壓轉換電路可以升高所述輸入電壓，並且，如果所述受控電壓低於所述輸入電壓，所述控制電路可將所述工作電壓設置為等於此輸入電壓。
6.根據權利要求1到5中任何一個的電力變換裝置，其特徵在於，所述電壓轉換電路可配備非絕緣變換器。
7.根據權利要求1到5中任何一個的電力變換裝置，其特徵在於，所述電壓轉換電路可配備絕緣變換器，此絕緣變換器被構造為使得變壓器配備在電源和所述電負載之間。
8.一種車輛，其具有直流電力單元，用於提供為直流電壓的輸入電壓，根據權利要求1到5中任何一個的電力變換裝置，以及交流電動機，其被配備作為電負載，並且能夠驅動至少一個車輪，其特徵在於所述電力變換裝置配備在所述電壓轉換電路和所述交流電動機之間，並且還包括逆變器，其用於在所述工作電壓和用於驅動式地控制所述交流電動機的交流電壓之間進行電力轉換。
9.根據權利要求8的電力變換裝置，其特徵在於，所述電壓轉換電路可以升高所述輸入電壓。
10.根據權利要求8或9的電力變換裝置，其特徵在於，所述電壓轉換電路可配備非絕緣變換器。
11.根據權利要求8或9的電力變換裝置，其特徵在於，所述電壓轉換電路可配備絕緣變換器，此絕緣變換器被構造為使得變壓器配備在電源和所述電負載之間。
全文摘要
電源(120)提供輸入電壓(V1)。電壓轉換電路(130)將來自電源(120)的輸入電壓(V1)轉換為可用於驅動電負載(150)的工作電壓(V2)。檢測電路(170)測量電壓轉換電路(130)輸出側的絕緣電阻值(R)。控制電路(160)依據由檢測電路(170)檢測到的絕緣電阻值(R)，控制電壓轉換電路(130)中的電壓轉換比(K(K＝V2/V1))，其被表示為工作電壓(V2)與輸入電壓(V1)之間的比。控制電路(160)設置電壓轉換比(K)，使得絕緣電阻老化時的工作電壓(V2)低於其正常工作時的工作電壓(V2)。
文檔編號H02M7/00GK1723602SQ200480001889
公開日2006年1月18日 申請日期2004年11月30日 優先權日2003年12月9日
發明者中山寬 申請人:豐田自動車株式會社