车载旋转电机 |
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| 申请号 | CN201410548692.3 | 申请日 | 2014-10-16 | 公开(公告)号 | CN104579064A | 公开(公告)日 | 2015-04-29 |
| 申请人 | 株式会社电装; | 发明人 | 中山英明; 堀畑晴美; | ||||
| 摘要 | 一种车载旋转 电机 包括：励磁绕组，其绕在 转子 上以用于使转子的磁极磁化； 定子 绕组，用于根据由磁极生成的旋转 磁场 来生成AC 电压 ；电 力 转换器，用于将AC电压转换成DC电压，并且通过连接至电力转换器的输出 端子 的第一供电线路来输出DC电压；以及甩负荷处理部，用于在电力转换器的输出端子的电压超过第一 阈值 电压时进行甩负荷保护操作。通过与第一供电线路分开设置的第二供电线路为甩负荷处理部供应操作电力。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种车载旋转电机，包括： |
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| 说明书全文 | 车载旋转电机技术领域背景技术[0002] 车载发电机用于通过连接至发电机的输出端子的充电电缆向车辆的电池供应充电电力，该电池向安装在车辆上的各种电气负载供应操作电力。如果在发电机正产生电力时，充电电缆从电池端子或发电机的输出端子脱离或松开，则在发电机的输出端子处发生称为“甩负荷”的瞬时高压。取决于发电机的输出电流，该高压可超过100V。该高压可能破坏或损坏发电机的部件或者破坏或损坏安装在车辆上的电气负载。因此，必须针对甩负荷采取对策。已知一种具有针对甩负荷的保护电路的车载发电机。例如，参照日本专利申请特许公开H09-219938。该文献中描述的车载发电机具有下述结构：该发电机的桥式电路的低侧元件由MOS晶体管构成，并且当发生甩负荷且发电机的输出电压超过参考电压时，接通这些MOS晶体管。当低侧元件(MOS晶体管)被接通后输出电压下降到参考电压以下时，关断MOS晶体管以使得桥式电路可以重新开始其整流操作。 [0003] 然而，上述文献中描述的车载发电机中存在下述问题：因为从由发电机充电的电池来供应保护电路的操作电压，所以如果充电电缆脱离电池的端子从而引起甩负荷，则保护电路可能变得不稳定。可以从车载发电机的输出电压生成保护电路的操作电压以应对该问题。然而，如果由于针对甩负荷而进行的操作导致车载发电机的输出电压过度下降很长时间，则保护电路变得难以正常操作。由于车载发电机必须重复暂时的发电操作以防止输出电压下降得比所需更多，所以输出电压返回至输出电压的正常值花费很长时间，这是因为由于甩负荷而在定子绕组中积累的能量消失花费很长时间。 发明内容[0004] 示例性实施例提供了一种车载旋转电机，包括： [0007] 电力转换器，用于将AC电压转换成直流(DC)电压并且通过连接至电力转换器的输出端子的第一供电线路来输出DC电压；以及 [0008] 甩负荷处理部，用于在电力转换器的输出端子的电压超过第一阈值电压时进行甩负荷保护操作，该甩负荷处理部通过与第一供电线路分开设置的第二供电线路而被供应操作电力。 [0009] 根据示例性实施例，提供了这样一种车载旋转电机，其能够可靠地进行甩负荷保护操作，并能够使其输出电压短时间内返回至输出电压的正常值。 附图说明[0011] 在附图中： [0012] 图1是示出了作为本发明的实施例的车载发电机的结构的图； [0014] 图3是示出了安装在控制电路板上的H桥电路的结构的图，该控制电路板包括在车载发电机中； [0016] 图5是示出了安装在控制电路板上的用于进行甩负荷保护的结构的图，该控制电路板包括在车载发电机中； [0017] 图6是示出了安装在控制电路板上的控制电路的电路结构的图，该控制电路板包括在车载发电机中； [0018] 图7是示出了控制电路的LD处理部的结构的图； [0019] 图8是用于对确定甩负荷的结束的示例进行说明的时序图；以及[0020] 图9是用于对确定甩负荷的结束的另一示例进行说明的时序图。 具体实施方式[0021] 第一实施例 [0022] 图1是示出了作为本发明的实施例的车载发电机100的结构的图。如图1所示，旋转电机100包括两个定子绕组1A和1B、励磁绕组2、两个MOS模块组3A和3B、UVW相驱动器4A、XYZ相驱动器4B、H桥电路5、H桥驱动器6、旋转角传感器7、控制电路8、输入/输出电路9、电源电路10、二极管11以及电容器12。旋转电机100是能够在马达模式下作为马达来操作并且能够在发电机模式下作为发电机来操作的ISG(集成起动发电机)。 [0023] 定子绕组1A是包括绕在定子铁芯(未示出)上的U相绕组、V相绕组以及W相绕组的三相绕组。定子绕组1B是包括在从定子绕组1A偏离30度电角度的位置处绕在定子铁芯上的X相绕组、Y相绕组以及Z相绕组的三相绕组。定子绕组1A和1B构成定子。定子绕组1A和1B的相数可以不同于三。 [0025] MOS模块组3A连接至定子绕组1A以形成三相桥式电路。MOS模块组3A作为电力转换器来操作，该电力转换器在发电机模式下将定子绕组1A中感生的AC电压转换成DC电压，并且在马达模式下将从外部(在本实施例中为高压电池200)供应的DC电压转换成要施加至定子绕组1A的AC电压。MOS模块组3A包括对应于定子绕组1A的三个相的三个MOS模块3AU、3AV以及3AW。MOS模块3AU连接至定子绕组1A的U相绕组。MOS模块3AV连接至定子绕组1A的V相绕组。MOS模块3AW连接至定子绕组1A的W相绕组。 [0026] 如图2所示，MOS模块3AU包括两个MOS晶体管30和31以及电流检测电阻器32。MOS晶体管30是下述上臂(高侧)开关元件：该上臂(高侧)开关元件在其源极处连接至定子绕组1A的U相绕组，并且在其漏极处连接至电源端子PB。电源端子PB连接至例如额定输出为48V的高压电池200，并且连接至高压负载210的正端子。MOS晶体管31是下述下臂(低侧)开关元件：该下臂(低侧)开关元件在其漏极处连接至U相绕组，并且在其源极处通过电流检测电阻器32连接至电源接地端子PGND。两个电阻器30和31的串联电路插置在高压电池200的正电极和负电极之间，两个电阻器30和31的连接节点通过P端子连接至U相绕组。MOS晶体管30的栅极和源极、MOS晶体管31的栅极以及电流检测电阻器 32的两端连接至UVW相驱动器4A。 [0027] MOS晶体管30和31中的每个MOS晶体管在源极和漏极之间连接有二极管。该二极管是MOS晶体管30或31的寄生二极管(体二极管)。分立的二极管可以并联连接至寄生二极管。上臂开关元件和下臂开关元件中的至少之一可以由不同于MOS晶体管的其他元件来形成。 [0028] MOS模块3AV和3AW以及后文说明的MOS模块3BX、3BY和3BZ具有与MOS模块3AU基本相同的结构。因此，省略了对其详细描述。 [0029] MOS模块组3B连接至定子绕组1B以形成三相桥式电路。MOS模块组3B作为下述电力转换器来操作：该电力转换器在发电机模式下将定子绕组1B中感生的AC电压转换成DC电压，并且在马达模式下将从外部(在本实施例中为高压电池200)供应的DC电压转换成要施加至定子绕组1B的AC电压。MOS模块组3B包括对应于定子绕组1B的三个相的三个MOS模块3BX、3BY和3BZ。MOS模块3BX连接至定子绕组1B的X相绕组。MOS模块3BY连接至定子绕组1B的Y相绕组。MOS模块3BZ连接至定子绕组1B的Z相绕组。 [0030] UVW相驱动器4A生成要施加至包括在三个MOS模块3AU、3AV和3AW中的每一个MOS模块中的MOS晶体管30和31的控制信号，并且放大电流检测电阻器32的两端之间的电压。XYZ相驱动器4B生成要施加至包括在三个MOS模块3BX、3BY和3BZ中的每一个MOS模块中的MOS晶体管30和31的控制信号，并且放大电流检测电阻器32的两端之间的电压。MOS模块组3A和UVW相驱动器4A构成第一逆变器(inverter)装置。MOS模块组3B和XYZ相驱动器4B构成第二逆变器装置。 [0031] H桥电路5是连接至励磁绕组2的两端以向励磁绕组2供应励磁电流的励磁电路。如图3所示，H桥电路5包括两个MOS晶体管50和51、两个二极管52和53以及电流检测电阻器54。高侧的MOS晶体管50与低侧的二极管52彼此连接。二者之间的连接节点连接至励磁绕组2的一端。高侧的二极管53、低侧的MOS晶体管51、以及电流检测电阻器54串联连接。二极管53与MOS晶体管51之间的连接节点连接至励磁绕组2的另一端。H桥电路5连接至电源端子PB和电源接地端子PGND二者。当MOS晶体管50和51被接通时，励磁电流从H桥电路51被供应到励磁绕组2。当MOS晶体管50和MOS晶体管51之一被关断时，励磁电流的供应停止，并且励磁电流可以通过二极管52或二极管53在励磁绕组2中循环。 [0032] H桥驱动器6生成要施加至H桥电路5的MOS晶体管50和51的栅极的驱动信号，并且放大电流检测电阻器54的两端之间的电压。 [0033] 旋转角传感器7检测转子的旋转角。旋转角传感器7可以由例如永磁体和霍尔器件形成。在本实施例中，如图4所示，旋转角传感器7由霍尔器件23、24以及固定在转子20的旋转轴21的顶端处的永磁体22形成，其中霍尔器件23和霍尔器件24与永磁体22相对布置，并且霍尔器件23和霍尔器件24彼此分离90度。可以基于霍尔器件23和24的输出来确定转子20的旋转角。 [0034] 控制电路8控制整个旋转电机100。控制电路8包括用于与外部部件进行信号交换的A/D转换器和D/A转换器。在本实施例中，控制电路8由微计算机构成，并且使得旋转电机100作为马达或发电机来操作，并且通过执行用于控制UVW驱动器4A、XYZ驱动器4B和H桥驱动器6的控制程序来进行包括甩负荷保护操作的各种操作。 [0035] 输入/输出电路9用于通过控制线束310与外部交换信号，并且用于对高压电池200的端电压的水平和电源接地端子PGND的电压的水平进行转换。输入/输出电路9是用于处理输入至其或从其输出的信号或电压的输入/输出接口，输入/输出电路9可以由例如定制IC形成。 [0036] 电源电路10与额定输出为12V的低压电池202(第二电池)连接，并且通过例如使用电容器而对周期性地接通和关断的开关元件的输出进行平滑来生成5V的操作电压。UVW相驱动器4A、XYZ相驱动器4B、H桥驱动器6、旋转角传感器7、控制电路8以及输入/输出电路9在该操作驱动上操作。 [0037] 电容器12用于消除或减小在马达模式下接通和关断MOS晶体管30和31时发生的开关噪声。图1示出了使用单个的电容器12。然而，取决于开关噪声的水平，可以使用两个或更多个电容器。 [0038] UVW相驱动器4A、XYZ相驱动器4B、H桥电路5、H桥驱动器6、旋转角传感器7(不包括固定到转子的永磁体)、控制电路8、输入/输出电路9以及电源电路10安装在控制电路板102上。 [0039] 如图1所示，旋转电机设置有下述连接器400：电源端子PB、电源接地端子PGND、控制电力端子CB以及控制线束310配合到该连接器400。电源端子PB是高压正输入/输出端子，其通过电缆(第一供电线路)与高压电池200和高压负载210连接。控制电力端子CB是低压正输入/输出端子，其通过电缆(第二供电线路)与低压电池202和低压负载204连接。 [0040] 作为第一接地端子的电源接地端子PGND用于使电力系统电路接地。电源接地端子PGND通过作为第一接地线的接地线束320连接至车架500。电力系统电路包括MOS模块组(电力转换器)3A和3B以及H桥电路(励磁电路)5。电力系统电路包括：作为定子绕组1A和1B的功率元件的MOS晶体管30、31、50和51以及励磁绕组2。 [0041] 控制接地端子CGND被设置为与电源接地端子PGND分开的第二接地端子，用于使控制系统电路接地。控制接地端子CGND通过与接地线束320分开设置的接地电缆330(第二接地线)而接地。二极管11通过输入/输出电路9的内部线而插置在控制接地端子CGND与旋转电机100的架(frame)(在下文中称为“ISG架”)110之间。具体地，二极管11的阴极连接至架接地端子FLMGND，该架接地端子FLMGND连接至ISG架110。控制系统电路包括：UVW相驱动器4A、XYZ相驱动器4B、H桥驱动器6、旋转角传感器7、控制电路8、输入/输出电路9、断路开关13A和13B等。接地电缆330连接至车辆的地电位(0V)处的部件。在图 1中，二极管11被示出为布置在输入/输出电路9的外部。然而，二极管11可以被布置在输入/输出电路9的内部。 [0042] 连接器400用于将控制线束310、接地电缆300和其他电缆配合到除电源端子PB和电源接地端子PGND以外的各种端子(例如，控制接地端子CGND、控制电源端子CB)。 [0044] 接下来，对由具有上述结构的旋转电机100进行的甩负荷保护操作进行说明。在下述情况下进行保护操作：在该情况下，连接至电源端子PB或高压负载210的电缆中的至少一个电缆从电源端子PB、高压电池200的端子或高压负载210的端子脱离或者松开，由此引起甩负荷，在甩负荷中电源端子PB的电压超过阈值电压(第一阈值电压)。 [0045] 如图5所示，旋转电机100的输入/输出电路9包括专用于进行甩负荷保护操作的电阻器91、92以及A/D转换器94。此外，控制电路8包括LD(甩负荷)检测部82和LD处理部84。LD检测部82和LD处理部84构成甩负荷应对部。 [0046] 电阻器91和92形成分压电路，该分压电路用于对电源端子PB的电压VPB(电力转换器的输出端子的电压)进行分压以生成分压电压VPB'。A/D转换器94将分压电压VPB'转换成数字输出电压数据。A/D转换器94可以被包括在控制电路8中而非被包括在输入/输出电路9中。 [0047] LD检测部82检测甩负荷的开始和结束。具体地，基于从A/D转换器94接收到的输出电压数据，LD检测部82在电源端子PB的电压VPB超过第一阈值电压V1的情况下确定发生了甩负荷，并在满足了预定的LD结束条件(稍后说明)的情况下确定甩负荷已结束。 [0048] LD处理部84进行甩负荷保护操作，以使电源端子PB的电压VPB减小到第一阈值电压V1以下。进行该保护操作直到满足LD结束条件为止。在使用额定输出为48V的高压电池200的本实施例中，进行甩负荷保护操作，以使得例如可以通过将第一阈值电压V1设置成58V来防止电源端子PB的电压VPB超过60V。 [0049] 甩负荷保护操作的示例1： [0050] LD处理部84向H桥驱动器6发送命令以停止将励磁电流供应至励磁绕组2，并且还向UVW相驱动器4A和XYZ相驱动器4B发送命令以接通包括在MOS模块组3A和3B中的所有下臂(低侧)MOS晶体管31。此时，所有上臂(高侧)MOS晶体管30被关断。通过以这种方式控制MOS晶体管30和31，流经定子绕组1A和1B的相绕组的电流可以循环流过MOS晶体管31。因此，电源端子PB的电压VPB可以迅速地减小。 [0051] 在上述方式中，下臂MOS晶体管31被接通并且上臂MOS晶体管30被关断。然而，可以通过接通上臂MOS晶体管30并关断下臂MOS晶体管31来进行甩负荷保护操作。 [0052] 甩负荷保护操作的示例2： [0053] LD处理部84向H桥驱动器6发送命令以停止将励磁电流供应至励磁绕组2，并且还向UVW相驱动器4A和XYZ相驱动器4B发送命令以将分别流经定子绕组1A和定子绕组1B的q轴电流设置成零，并且将分别流经定子绕组1A和定子绕组1B的d轴电流设置成不同于零的预定值，以减小发电扭矩并增加无功电流。针对甩负荷保护操作的本示例2，旋转电机100的控制电路板具有图6和图7中所示的结构。 [0054] 如图6所示，在该结构中，UVW相驱动器4A包括三个放大器即放大器40U、放大器40V和放大器40W，分别用于放大MOS模块3AU、MOS模块3AV和MOS模块3AW的电流检测电阻器32两端的电压。类似地，XYZ相驱动器4B包括三个放大器即放大器40X、放大器40Y和放大器40Z，分别用于放大MOS模块3BX、MOS模块3BY和MOS模块3BZ的电流检测电阻器32两端的电压。H桥驱动器6包括放大器60，该放大器60用于放大H桥电路5的电流检测电阻器54两端的电压。 [0055] 如图6所示，控制电路8包括LD检测部82、LD处理部84和七个A/D转换器80U、80V、80W、80X、80Y、80Z和81。这七个A/D转换器中的每个A/D转换器与UVW相驱动器4A、XYZ相驱动器4B和H桥驱动器6的放大器中的一个放大器对应，并且每个A/D转换器将对应的放大器的输出电压转换成数字数据(相电流数据或励磁电流数据)。 [0056] 如图7所示，LD处理部84包括与UVW相驱动器4A对应的三相/两相转换器180、加法器181、电流控制部182、两相/三相转换器183、PWM控制部184、与XYZ相驱动器4B对应的三相/两相转换器280、加法器281、电流控制部282、两相/三相转换器283以及PWM控制部284。对应于UVW相驱动器4A的结构与对应于XYZ相驱动器4B的结构相同。因此，在下文中，仅说明UVW相驱动器4A的结构。 [0057] 三相/两相转换器180连续地接收从A/D转换器80U、80V和80W输出的相电流数据iu、iv和iw以及从旋转角传感器7输出的旋转角数据θ。三相/两相转换器180基于这些接收到的数据来计算d轴数据id和q轴数据iq。 [0058] 加法器181计算d轴电流的命令值id*与所计算的d轴数据id之间的差作为d轴差数据Δid(Δid＝id*-id)，并且计算q轴电流的命令值iq*与所计算的q轴数据iq之间的差作为q轴差数据Δiq(Δiq＝iq*-iq)。将与驱动扭矩有关的q轴电流的命令值iq*设置为零，并且将与无功功率有关的d轴电流的命令值id*设置为不同于零的预定值，该预定值可以是固定值或者是根据电压VPB和定子绕组1A的电阻而确定的。图7示出了通过单个的加法器181来计算d轴差数据Δid和q轴差数据Δiq二者。然而，实际上，通过两个分开的加法器来计算d轴差数据Δid和q轴差数据Δiq。 [0059] 电流控制部182通过进行PI控制等将d轴差数据Δid和q轴差数据Δiq分别转换成d轴电压数据Vd和q轴电压数据Vq。两相/三相转换器183连续地接收来自电流控制部182的电压数据Vd和Vq以及来自旋转角传感器7的旋转角数据θ，并且生成与这些电压数据Vd和Vq对应的相电压Vu、Vv和Vw。PWM控制部184生成在三个相绕组中生成相电压Vu、Vv和Vw所需的PWM信号。PWM信号被供应给UVW相驱动器4A。UVW相驱动器4A根据PWM信号来对包括在MOS模块3AU、3AV和3AW中的每一个MOS模块中的MOS晶体管 30和31进行驱动。 [0060] 通过以上述方式进行甩负荷保护操作，可以通过减小驱动扭矩(发电扭矩)和增加无功电流来使由于甩负荷而在定子绕组1A和1B以及电容器12中积累的能量耗散。 [0061] 接下来，说明确定甩负荷的结束的示例。 [0062] 确定甩负荷的结束的示例1： [0063] 如图8所示，在停止向励磁绕组2供应励磁电流后循环流过励磁绕组2的励磁电流的值变为零(或预定值以下)的时刻，确定甩负荷已结束。在图9中(同样在图8中)，“VPB”表示电源端子PB的电压的时间变化，而“LD保护”表示甩负荷保护操作的状态(阴影区域示出了甩负荷保护操作处于操作中的时段)。此外，“H桥SW”表示从H桥电路5供应励磁电流的状态(高水平区域示出了正供应励磁电压的时段，低水平区域示出了停止供应的时段)。顺便提及，因为甚至在停止向励磁绕组2供应励磁电流后也必需对循环流过励磁绕组的电流进行测量，所以通过关断H桥电路5内的MOS晶体管50以及接通H桥电路5内的MOS晶体管51来实现停止供应励磁电流。在图9中，“If”表示流经励磁绕组2的励磁电流的时间变化。 [0064] 确定甩负荷的结束的示例2： [0065] 如图9所示，在停止向励磁绕组2供应励磁电流后电源端子PB的电压VPB减小到第二阈值电压V2以下的时刻，确定甩负荷已结束。例如，当高压电池200的额定输出为48V时，将第二阈值电压V2设置为52V。第二阈值电压V2的52V的值是正常状态下的发电电压。然而，第二阈值电压V2可以设置成高于或低于正常发电电压。可以在示例1中的以上条件和示例2中的以上条件均满足的时刻确定甩负荷的结束。 [0066] 如以上所说明的，根据本实施例的旋转电机100，即使输出端子(电源端子PB)或电负载2从第一供电线路电气断开从而引起甩负荷，也可以可靠地进行甩负荷保护操作，这是因为包括LD检测部82和LD处理部84的用于进行甩负荷保护操作的部件是通过第二供电线路被供应电力的。此外，因为不必周期性地进行发电操作以防止输出端子的电压过度下降，所以定子绕组1A和1B中积累的能量能被迅速地耗散，并且因此能缩短输出端子的电压返回至其正常值所需的时间。 [0067] 从连接至低压电池202的电源电路10为LD检测部82和LD处理部84供应电力。因此，可以可靠地获得进行甩负荷保护操作所需的电力。 [0068] LD处理部84通过减小发电扭矩以及增加无功电流来进行甩负荷保护操作。具体地，LD处理部84通过针对定子绕组1A和1B中的每一个定子绕组将q轴电流控制为零并将d轴电流控制为不同于零的预定值来进行甩负荷保护操作。这使得可以迅速地减小输出电压，而没有为发动机施加大负荷。 [0069] 可替换地，LD处理部84通过接通包括在MOS模块组3A和3B中的所有上臂MOS晶体管30(或下臂MOS晶体管31)来进行甩负荷保护操作。这使得可以通过简单控制来减小由于甩负荷导致的输出电压。 [0070] 在电源端子PB的电压VPB(输出电压)减小到低于第一阈值电压V1的第二阈值电压V2以下的时刻，LD检测部82确定甩负荷已结束。因此，通过监视输出端子的电压，可以容易地确定甩负荷的结束。 [0071] 可替换地，在停止向励磁绕组2供应励磁电流后实际流经励磁绕组2的电流减小到零以下或预定值以下的时刻，LD检测部82确定甩负荷已结束。通过监视流经励磁绕组2的电流，可以确定由于甩负荷而在定子绕组1A和1B中积累的能量已消失以及甩负荷已结束。 [0072] 当然可以对以上描述的实施例做出各种修改。例如，以上实施例的旋转电机100包括两个定子绕组1A和1B以及两个MOS模块组3A和3B。然而，本发明可以应用到包括一个或三个或更多个定子绕组以及包括一个或三个或更多个MOS模块组的车载旋转电机。 [0073] 以上说明的优选实施例对本申请的发明给出示例，而本申请的发明仅由以下所附权利要求来描述。应理解，可以进行本领域技术人员可做出的对优选实施例的修改。 |
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