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CN101012779A - 内燃机起动控制器 - Google Patents

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CN101012779A
CN101012779A CNA2007100032229A CN200710003222A CN101012779A CN 101012779 A CN101012779 A CN 101012779A CN A2007100032229 A CNA2007100032229 A CN A2007100032229A CN 200710003222 A CN200710003222 A CN 200710003222A CN 101012779 A CN101012779 A CN 101012779A
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CN
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power supply
frequency
electric power
combustion engine
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柳田英治
佐藤荣次
冲良二
高桥秀典
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

当发动机处于起动操作中(步骤S100得到“是”),特别是在电源处于低温状态(步骤S114得到“是”)、电源的功率密度下降时的发动机起动期间,对连接到电源的逆变器(电力转换器)中所用的载波频率设定进行控制(S120、S130),使得逆变器的载波频率低于发动机处于正常操作中时所用的频率。

Description

内燃机起动控制器
技术领域
本发明涉及内燃机起动控制器,更具体地说,涉及装有内燃机的车辆中的内燃机起动控制器,该内燃机通过使用由电源供给的电力来起动。
背景技术
安装在车辆上的内燃机通常由电动机(起动电动机)来起动,所述电动机由电源供给的电力驱动。具体地说,在一种结构中,内燃机由AC电动机起动,所述AC电动机由逆变器供给的AC电压驱动和控制,所述逆变器通过对电力半导体元件的开关控制而实现。
例如,日本专利申请公开No.2004-183560公开了一种车辆发动机起动控制器,其中,一个AC电动机起动发动机并在发动机被起动之后产生电力。采用这种车辆发动机起动控制器,与既包括用于起动发动机的DC电动机又包括仅用于产生电力的AC电动机的结构相比,可以减少电动机数目。另外,由于不必担心换向器磨损,所以可以提高怠速停止车辆的可靠性,所述怠速停止车辆涉及频繁的发动机起动。
对于驱动电动的逆变器的控制,可以使用一种控制器和一种电压转换器,该控制器根据构成逆变器的电力半导体元件(电力元件)的温度而改变用于控制逆变器的载波频率(参见日本专利申请公开No.5-115106),该电压转换器在大气温度下降、电动机的反电动势超过逆变器的容许电压时,通过增加载波频率来驱动和控制逆变器以防逆变器的操作特性恶化(例如参见日本专利申请公开No.2004-166341)。
但是,由于逆变器进行的电力转换造成了开关操作时的电力损耗(开关损耗),所以有可能在发动机起动期间(需要比较大的电流),所需的大电流与逆变器的电力损耗一起造成电力消耗增大,并因此使电源过载。
特别是,如果用蓄电池组作为电源,就难以供给高电力,因为在低温条件下电池的功率密度会下降。另外,在低温条件下,内燃机中的摩擦力矩增大,所以起动发动机所需的电力还要增大。因此,由于电源的负载过大,电源的输出因而减小,可能使发动机的可起动性能恶化。如果增大电源能力的设计余量以确保发动机的可起动性,则电源的尺寸和成本都要增加。
为此,尽管日本专利申请公开No.2004-183560公开了一种结构,其中发动机由逆变器驱动和控制的AC电动机起动,但是它没有提到如何解决发动机起动期间所用电源上的负载增大的问题。
与之类似,尽管日本专利申请公开No.5-115106和日本专利申请公开No.2004-166341中公开了一种控制方法,其中根据电力半导体元件的温度或大气温度来改变逆变器的载波频率,但是这些文件也没有提到如何解决发动机起动期间所用电源上的负载增大的问题。
发明内容
考虑到上述问题,本发明提供了一种起动控制器,它可以通过抑制车辆内燃机起动期间的电力消耗来降低电源负载,所述车辆设有使用由电源供给的电力来起动的内燃机。
作为本发明的一种实施例,提供了一种安装在车辆中的内燃机起动控制器,它包括:电源;使用由电源供给的电力来起动的内燃机;第一电动机;以及第一电力转换器,所述第一电力转换器构造成能够通过电力半导体元件的开关控制而在电源与第一电动机之间进行电力转换。起动控制器包括起动检测装置和第一频率设定装置。起动检测装置检测内燃机是否处于起动操作中。第一频率设定装置设计为当内燃机处于起动操作中时,将第一电力转换器的开关频率设定为比所述内燃机未处于起动操作中时所用的开关频率更低的频率。
采用上述内燃机起动控制器,可以通过将第一电力转换器的开关频率设定为比内燃机起动期间正常频率更低的频率而减小电力损耗(开关损耗)。由此,可以通过一致内燃机起动期间的电力消耗而减小电源负载。因此,可以防止电源输出下降,从而提高内燃机的可起动性,并可以减少为了确保发动机可起动性而设置的电源能力设计余量,使得可以减少电源的尺寸和成本。当内燃机未处于起动操作而处于正常操作中时,通过使电力转换器的开关频率比内燃机处于起动操作中时所用的更大,可以使电动机在听觉噪声得到抑制的情况下操作。
在根据本发明的内燃机起动控制器中,优选地,第一电动机设置成能够在内燃机处于起动操作中时产生用于起动内燃机的动力,并具有与内燃机处于起动操作中时不同的操作时间周期。
在这样的结构中,优选地,第一电动机设置成能够在内燃机操作时,通过使用内燃机产生的转动力来发电,且第一电力转换器被控制为将第一电动机产生的电力转换为可以对电源充电的电力。
采用上述内燃机起动控制器,可以通过抑制内燃机起动期间的电力消耗来减小电源负载,特别是在安装了既具有起动内燃机的功能、又具有在内燃机操作期间发电功能的电动机的车辆(例如安装了经济运行系统的车辆,或者混合车辆)中。
优选地,根据本发明的内燃机起动控制器还包括低温检测装置。低温检测装置根据检测到的电源温度检测电源的低温状态。即使在内燃机处于起动操作中时,如果低温检测装置未检测到电源的低温状态,则第一频率设定装置也将第一电力转换器的开关频率设定为与内燃机未处于起动操作中时所用的开关频率基本相同的频率。
优选地,当内燃机处于起动操作中时,如果低温检测装置检测到了电源的低温状态,则第一频率设定装置根据检测到的电源温度,将第一电力转换器的开关频率设定为比内燃机未处于起动操作中时所用开关频率更低的频率。
采用上述内燃机起动装置,可以通过在电源处于低温状态(电源的功率密度很可能降低)时抑制内燃机起动期间的电力消耗而降低电源负载。同时,在此情况下,除非当电源处于低温状态,否则即使内燃机处于起动操作中电源负载没有超额的情况下,也可以起动内燃机,同时抑制电源负载未超额的温度范围内(例如室温范围内)的听觉噪声。
优选地,在根据本发明的内燃机起动控制器中,从第二电动机输出的动力被传递到车辆的驱动轴。
优选地,在根据本发明的内燃机起动控制器中,车辆还包括第二电动机和第二电源。第二电动机通过使用由电源供给的电力来驱动,并连接到与第一电动机连接的轴不同的驱动轴。第二电力转换器构造成能够通过电力半导体元件的开关控制,在第二电动机与起动内燃机所用的电源之间进行电力转换。另外,起动控制器还包括第二频率设定装置。第二频率设定装置设计为当内燃机处于起动操作中时,将第二电力转换器的开关频率设定为比内燃机未处于起动操作中时所用开关频率更低的频率。
采用这样的内燃机起动控制器,可以通过降低用于对车辆中多个电动机进行驱动和控制的电力转换器的开关频率,通过抑制内燃机起动期间的电力消耗而降低电源负载,所述车辆上装有多个电动机,这些电动机连接到起动内燃机所用的电源。
采用这样的内燃机起动控制器,可以通过抑制车辆中内燃机起动期间的电力消耗来降低电源负载,所述车辆设有用于产生车辆驱动力的电动机(第二电动机)。
特别优选的是,在这样的结构中,起动控制器还包括低温检测装置,用于根据检测到的电源温度而检测电源的低温状态。即使内燃机处于起动操作中时,如果低温检测装置没有检测到电源的低温状态,则第一和第二频率设定装置将第一电力转换器的开关频率和第二电力转换器的开关频率分别设定为比内燃机未处于起动操作中时所用的开关频率更低的频率。
采用这样的内燃机起动控制器,可以在电源处于低温状态、电源的功率密度很可能降低的时候通过抑制内燃机起动期间的电力消耗而降低电源负载。同时,在此情况下,除非当电源处于低温状态,否则即使内燃机处于起动操作中电源负载没有超额的情况下,也可以起动内燃机,同时抑制电源负载未超额的温度范围内(例如室温范围内)的听觉噪声。
优选地,当内燃机处于起动操作中时,如果低温检测装置检测到电源的低温状态,则第一和第二频率设定装置根据检测到的电源温度,判定是否将第一电力转换器的开关频率和第二电力转换器的开关频率分别设定为比内燃机未处于起动状态中时所用的开关频率更低的频率。
采用这样的内燃机起动控制器,当内燃机在电源温度较低的情况下处于起动状态时,可以根据电源温度来控制是否将电力转换器的开关频率设定为比正常频率更低的频率。因此,在开关频率的降低程度根据电源温度保持在适当范围内的情况下,可以使电力转换器的开关频率降低,使得可以降低电力损耗,但是可能产生听觉噪声。
采用根据本发明的内燃机起动控制器,可以通过抑制车辆中内燃机起动期间的电力消耗来降低电源负载,所述车辆设有使用由电源供给的电力来起动的内燃机。
附图说明
通过阅读下面对本发明优选实施例的详细说明,并结合附图考虑,可以更好地理解本发明的特征、其优点和以及在技术和工业上的意义。在附图中:
图1是对作为车辆示例的混合车辆的结构进行说明的框图,所述车辆中安装有根据本发明一种实施例的内燃机起动控制器;
图2是用于对图1所示混合车辆中的电动机控制系统进行说明的控制框图;
图3是用于对图2所示的由PWM信号产生部分执行的脉宽调制(PWM)控制进行说明的波形图;
图4是对根据本发明实施例的发动机起动控制进行说明的流程图;
图5是示出用于改变载波频率的系统第一示例的框图;
图6是示出用于改变载波频率的系统第二示例的框图;
图7是用于对控制进行说明的示意图,在该控制中,根据电源温度来可变地设定逆变器的载波频率;
图8是示出根据本发明实施例的一种改进示例,设有经济运行系统的自动车发动机起动系统的框图。
具体实施方式
在下面的说明和附图中,将参考示例性实施例对本发明进行更加详细的说明。在下面的说明中,相同或相应的部分将用相同的标号或符号表示,原则上不再对其进行重复说明。
图1是对作为车辆示例的混合车辆100的结构进行说明的框图,所述车辆中具有根据本发明实施例的内燃机起动控制器。
参考图1,混合车辆100包括发动机110、动力分配机构120、作为电动机示例示出的电动机发电机MG1和MG2、减速器130、驱动轴140和车轮(主动轮)150。混合车辆100还包括DC电压发生器10#,滤波电容器C0、逆变器20和30以及控制器50,它们用于对电动机发电机MG1和MG2进行驱动和控制。
发动机110由内燃机构成,例如汽油发动机和柴油发动机。发动机设有冷却剂温度传感器112用于检测冷却剂的温度。冷却剂温度传感器112的输出被送到控制器50。
动力分配机构120构造成能够将发动机110产生的动力在通往驱动轴140的路径与通往电动机发电机MG1的路径之间进行分配。可以使用具有三个转动轴的行星齿轮系统作为动力分配机构120,三个转动轴用于太阳轮、行星架和外环。例如,可以通过将电动机发电机MG1的转子制成中空的,并使发动机110的曲轴穿过转子中心来将发动机110和电动机发电机MG1、MG2机械连接到动力分配机构120。具体地说,电动机发电机MG1的转子连接到太阳轮,发动机110的输出轴连接到行星架,输出轴125连接到外环。输出轴125还连接到电动机发电机MG2的旋转轴,输出轴125经过减速器130连接到驱动轴140用于使驱动轴150转动。可以另外添加用于电动机发电机MG2转动轴的减速器。
电动机发电机MG1构造成作为电动机和发电机,更具体地说,可以作为发动机110带动的发电机,并作为用于起动发动机110的电动机。就是说,电动机发电机MG1对应于本发明的“第一电动机”,连接到电动机发电机MG1的逆变器20对应于本发明的“第一电力转换器”。
与之类似,电动机发电机MG2安装在混合车辆100中作为车辆驱动力发生器,其输出经过输出轴125和减速器130传送到驱动轴140。电动机发电机MG2构造成以如下方式作为电动机和发电机,即通过在与车轮150转动方向相反的方向上产生输出转矩来进行电力再生。就是说,在混合车辆100中,电动机发电机MG2对应于本发明中的“第一电动机”或“第二电动机”。与之类似,连接到电动机发电机MG2的逆变器30对应于“第一电力转换器”或“第二电力转换器”。
接下来将说明用于驱动和控制电动机发电机MG1和MG2的元件。
DC电压发生器10#包括牵引用蓄电池B、滤波电容器C1和正反转换器15。
可以用蓄电池组,例如金属镍氢化物电池或锂离子电池,作为牵引用蓄电池B。但是,在混合车辆100中,可以用电力存储装置(例如双电层电容器)代替牵引用蓄电池B,对于本实施例,下面将对用蓄电池组构成牵引用蓄电池B作为“电源”的结构进行说明。如上所述,在混合车辆100中,发动机电动机MG1使用牵引用蓄电池B作为“电源”执行发动机110的起动。发电机电动机MG2也使用发动机起动期间作为“电源”的牵引用蓄电池B作为电源。
电压传感器10对牵引用蓄电池B输出的电池电压Vb进行检测,电流传感器11对输入到牵引用蓄电池B或从其输出的电池电流Ib进行检测。另外,牵引用蓄电池B设有温度传感器12。由于牵引用蓄电池B的温度可能取决于其各个部分而不同,所以温度传感器12可以设在牵引用蓄电池B中的多个位置处。电压传感器10、电流传感器11和温度传感器12检测到的电池电压Vb、电池电流Ib以及电池温度Tb输出到控制器50。
滤波电容器C1连接在接地线5与电源线6之间。在车辆活动时处于开启状态而在车辆不活动时处于关断状态的继电器(未示出)位于牵引用蓄电池B的阴极端子与电源线6之间,以及牵引用蓄电池B的阳极端子与接地端子5之间。
正反转换器15包括电抗L1以及电力半导体元件(下文中称为“开关元件”)Q1和Q2,这些电力半导体元件可以进行开关控制。电抗L1连接在电源线6以及开关元件Q1、Q2相连处的节点之间。滤波电容器C0连接在电源线7与接地线5之间。
电力半导体开关元件Q1和Q2串联在电源线7与接地线5之间。通过来自控制器50的开关控制信号S1和S2对电力半导体开关元件Q1和Q2的开启和关断进行控制。
在本发明的这种实施例中,可以用IGBT(绝缘栅双极晶体管)、电力MOS(金属氧化物半导体)晶体管、电力双极晶体管等作为开关元件。针对开关元件Q1和Q2分别设置反并联的二极管D1和D2。
逆变器20由U相臂22、V相臂24和W相臂26组成,这些臂并联在电源线7与接地线5之间。每个臂由串联在电源线7与接地线5之间的开关元件构成。例如,U相臂22由开关元件Q11和Q12构成;V相臂24是开关元件Q13和Q14;W相臂是开关元件Q15和Q16。反并联的二极管D11到D16分别连接在开关元件Q11和Q16两端。通过来自控制器50的开关控制信号S11到S16对开关元件Q11到Q16的开启和关断进行控制。
电动机发电机MG1包括设在定子上的U相线圈U1、V相线圈V1和W相线圈W1,以及转子(未示出)。U相线圈U1、V相线圈V1和W相线圈W1的端子之一在中性点N1处相互连接,它们的另一个端子分别连接到逆变器20的U相臂22、V相臂24和W相臂26。逆变器20根据来自控制器50的开关控制信号S11到S16,通过对开关元件Q11到Q16进行开启/关断控制(开关控制),而在DC电压发生器10#与电动机发电机MG1之间进行双向电力转换。
具体地说,逆变器20可以根据控制器50进行的开关控制而将通过电源线7施加的DC电压转换为三相AC电压,并可以将所得的三相AC电压输出到电动机发电机MG1。由此可以驱动电动机发电机MG1以产生指定转矩。另外,逆变器20可以根据控制器50进行的开关控制将电动机发电机MG1在接收发动机110输出时产生的三相AC电压转换为DC电压,并可以将所得的DC电压输出到电源线7。
与逆变器20类似构成的逆变器30包括:根据开关控制信号S21到S26进行开启和关断的开关元件Q21到Q26;以及反并联的二极管D21到D26。
与电动机发电机MG1类似构成的电动机发电机MG2包括设在定子上的U相线圈U2、V相线圈V2和W相线圈W2,以及转子(未示出)。与电动机发电机MG1的情况一样,U相线圈U2、V相线圈V2和W相线圈W2的端子之一在中性点N2处相互连接,它们的另一个端子分别连接到逆变器30的U相臂22、V相臂24和W相臂26。
逆变器30根据来自控制器50的开关控制信号S21到S26,通过对开关元件Q21到Q26进行开启/关断控制(开关控制),而在DC电压发生器10#与电动机发电机MG2之间进行双向电力转换。
具体地说,逆变器30可以根据控制器50进行的开关控制而将通过电源线7施加的DC电压转换为三相AC电压,并可以将所得的三相AC电压输出到电动机发电机MG2。由此可以驱动电动机发电机MG2以产生指定转矩。另外,逆变器30可以根据控制器50进行的开关控制将电动机发电机MG2在车辆的再生制动期间接收到车轮150施加的转动力而产生的三相AC电压转换为DC电压,并可以将所得的DC电压输出到电源线7。
这里的再生制动包括驾驶混合车辆的司机操作脚踏制动器时进行的伴随有电力再生的制动,以及在车辆行驶期间通过释放加速踏板而进行的产生电力再生的车辆减速(或使其停止加速)。
电动机发电机MG1和MG2各设有电流传感器27和转角传感器(解算器)28。由于三相电流iu、iv和iw的瞬时值之和等于零,所以只要如图1所示将电流传感器27设置为对与两相相应的电动机电流(例如V相电流iv和W相电流iw)进行检测就够了。转角传感器28对电动机发电机MG1和MG2的转子(未示出)转角θ进行检测,并将检测到的转角θ发送到控制器50。控制器50可以根据转角θ对电动机发电机MG1和MG2的转速Nmt进行计算。
传感器检测到的电动机发电机MG1的电动机电流MCRT(1)和转子转角θ(1)以及电动机发电机MG2的电动机电流MCRT(2)和转子转角θ(2)供给控制器50。另外,控制器50接收电动机发电机MG1的转矩规定值Tqcom(1)和表示再生操作的控制信号RGE(1)以及电动机发电机MG2的转矩规定值Tqcom(2)和控制信号RGE(2)作为电动机命令。
控制器50由包括微型计算机(未示出)的ECU(电子控制单元)以及RAM(随机访问存储器)51、ROM(只读存储器)52构成。控制器50产生开关控制信号S1和S2(用于正反转换器15)、S11到S16(用于逆变器20)以及S21到S26(用于逆变器30)用于对正反转换器15和逆变器20、30进行开关控制,以使电动机发电机MG1和MG2根据预定的、经编程的处理而按照主机ECU提供的电动机命令进行操作。
另外,控制器50还接收关于牵引用蓄电池B的信息,例如充电状态(SOC),以及表示充电和放电极限的可接收电力量Win、Wout。由此,控制器50具有下述功能:在必要时对电动机发电机MG1和MG2中的电力消耗和电力产生(再生电力)进行限制,以防牵引用蓄电池B过度充电或过度放电。
尽管在此实施例中描述了使用单个控制单元(ECU)50控制逆变器来改变开关频率的机构,但是也可以通过使用多个控制单元(ECU)协同操作来实现类似的控制系统。
接下来将说明正反转换器15以及逆变器20、30在对电动机发电机MG1和MG2进行驱动和控制中进行的操作。
在正反转换器15进行加压(boost)操作时,控制器50根据电动机发电机MG1和MG2的操作状态计算规定了系统电压的值VH,并根据这个规定值以及电压传感器13检测到的系统电压值VH产生开关控制信号S1和S2,以使输出电压VH等于电压规定值。
在加压操作期间,正反转换器15通过增大由牵引用蓄电池B供给的DC电压(电池电压)Vb而向逆变器20和30提供相同的DC电压VH(与施加到逆变器20、30的输入电压对应的这个DC电压下文中将称为“系统电压VH”)。更具体地说,依照来自控制器50的开关控制信号S1和S2来设定开关元件Q1和Q2的占空比(开启周期所占比率),加压速率取决于占空比。
在减压(buck)操作期间,正反转换器15向牵引用蓄电池B充电,同时使从逆变器20和30经过滤波电容器C0供给的DC电压(系统电压)下降。更具体地说,依照来自控制器50的开关控制信号S1和S2,对只有开关元件Q1处于开启状态的周期以及开关元件Q1和Q2都处于关断状态的周期进行交替设置,下降速率取决于作为开启周期比率的占空比。
滤波电容器C0使从正反转换器15供给的DC电压平滑,并将经过平滑处理的DC电压供给逆变器20和30。电压传感器13检测滤波电容器C0两端的电压,即系统电压,并将检测到的值VH输出给控制器50。
在相应的电动机发电机MG2的转矩规定值为正(Tqcom(2)>0)时,通过开关元件Q21到Q26根据来自控制器50的开关控制信号S21到S26的开启/关断操作(开关操作),逆变器30使从滤波电容器C0供给的DC电压转换为AC电压而驱动电动机发电机MG2,使电动机发电机MG2产生正转矩。另一方面,在相应的电动机发电机MG2的转矩规定值等于零(Tqcom(2)=0)时,通过根据开关控制信号S21到S26进行的开关操作将DC电压转换为AC电压,逆变器30驱动电动机发电机MG2,使电动机发电机MG2产生零转矩。这样对电动机发电机MG2进行驱动,以产生转矩规定值Tqcom规定的零转矩或正转矩。
在混合车辆的再生制动期间,电动机发电机MG2的转矩规定值设定为负值(Tqcom(2)<0)。在此情况下,逆变器30通过根据开关控制信号S21到S26进行的开关操作将电动机发电机MG2产生的AC电压转换成DC电压,病假年个所得的DC电压(系统电压)经过滤波电容器C0供给正反转换器15。
逆变器30根据来自控制器50的开关控制信号S21到S26执行开关元件Q21到Q26的开启/关断控制,从而进行电力转换,使得电动机发电机MG2依照规定值操作。与逆变器30的操作情况一样,逆变器20根据来自控制器50的开关控制信号S11到S16执行开关元件Q11到Q16的开启/关断控制,从而进行电力转换,使得电动机发电机MG1依照规定值操作。
如上所述,控制器50依照转矩规定值Tqcom(1)和Tqcom(2)对电动机发电机MG1和MG2进行驱动和控制,由此,混合车辆100根据车辆的操作状态,可以正确地使电动机发电机MG2可以用电力产生车辆驱动力,使电动机发电机MG1可以产生对牵引用蓄电池B充电的电力或者电动机发电机MG2使用的电力,并使电动机发电机MG2可以通过再生制动(电力再生)产生对牵引用蓄电池B充电的电力。
控制器50基本上通过对电动机电流MCRT进行下述反馈控制来驱动和控制电动机发电机MG1和MG2。
图2是用于对图1所示混合车辆100中的电动机进行控制的结构进行说明的控制框图。
参考图2,电流控制框200包括电流规定值产生部分210、坐标转换部分220和250、转速计算部分230、PI计算部分240和PWM信号产生部分260。电流控制框200示出了控制器50的功能块,该功能块是通过以预定周期运行事先储存在控制器50中的程序而实现的。对每个电动机发电机MG1和MG2都设有电流控制框200。
电流规定值产生部分210依照电动机发电机MG1(MG2)的转矩规定值Tqcom(1)(Tqcom(2)),参照预先准备的对照表等产生电流规定值Idcom和Iqcom。
坐标转换部分220通过使用电动机发电机MG1(MG2)的旋转角θ进行坐标转换(三相到两相),根据电流传感器27检测到的电动机电流MCRT(iv、iw、iu=-(iv+iw))计算d轴电流id和q轴电流iq,其中所述旋转角度θ是设在电动机发电机MG1(MG2)上的转角传感器28检测到的。转速计算部分230根据来自转角传感器28的输出计算电动机发电机MG1(MG2)的转动速率Nmt。
PI计算部分240接收d轴电流规定值的偏差ΔId(ΔId=Idcom-id)和q轴电流规定值的偏差ΔIq(ΔId=Iqcom-iq)。PI计算部分240将预定增益用于每个d轴电流偏差ΔId和q轴电流偏差ΔIq进行PI计算以获得所述偏差,并产生与偏差对应的d轴电压规定值Vd#和q轴电压规定值Vq#。
坐标转换部分250通过用电动机发电机MG1(MG2)的旋转角θ进行坐标转换(两相到三相),将d轴电压规定值Vd#和q轴电压规定值Vq#转换为U相、V相和W相各相的电压规定值Vu、VV和Vw。从d轴电压规定值Vd#和q轴电压规定值Vq#到各相电压规定值Vu、Vv和Vw的转换也反映了DC电压VH。
PWM信号产生部分260根据具体载波与各相电压规定值Vu、Vv和Vw之间的比较,产生图1所示逆变器20(30)的开关控制信号S11到S16(S21到S26)。
当依照电流控制框200产生的开关控制信号S11到S16(S21到S26)进行逆变器20(30)的开关控制时,用于产生与转矩规定值Tqcom(1)(Tqcom(2))对应的转矩的AC电压被施加到电动机发电机MG1(MG2)。
图3示出了用于对PWM信号产生部分260执行的脉宽调制(PWM)控制进行说明的波形图。
PWM控制是一种控制方法,其中,通过改变每个预定时间周期的方波输出电压的脉冲宽度来使每个周期上的输出电压平均值改变。大体上,PWM控制是通过根据载波周期将预定时间长度划分成多个开关周期,并在每个开关周期对电力半导体开关元件执行开启/关断控制来进行的。
参考图3,PWM信号产生部分260将具有预定频率的载波与信号波280进行比较,其中信号波280对应于由坐标转换部分250发送的各相电压规定值(Vu、Vv、Vw)。在造波电压高于信号波电压的时间段与信号波电压高于载波电压的时间段之间,使逆变器20(30)各个臂中开关元件的开启/关断状态改变,使得可以向电动机发电机MG1(MG2)供给AC电压(一系列方波电压脉冲)作为逆变器各相的输出电压。图3中的虚线示出了AC电压的基频成分。具体地说,载波270的频率(载波频率)对应于构成逆变器20(30)的开关元件的开关频率。
在本发明的实施例中,当混合车辆100的发动机处于起动操作状态时,如下所述对逆变器20(30)的PWM控制所用的载波270的频率进行控制。
图4是对根据本发明实施例,在发动机起动期间由控制器50执行的发动机起动控制进行说明的流程图。
参考图4,在步骤S100,控制器50确定发动机是否处于起动操作状态。在步骤S100,从产生起动发动机110的命令的时刻起,直到判定为发动机起动已经完成的时刻,判断结果为“是”,所述起动已经完成的时刻例如发动机110的转速达到预定转速之后。
在发动机起动期间(步骤S100中的判定结果为“是”时),控制器50在步骤S110进一步确定发动机是否处于低温状态。步骤S110包括用于获取电池温度的步骤S112和用于将步骤S112中获得的电池温度Tb与参考温度Tjd进行比较的步骤S114,并确定作为“电源”的牵引用蓄电池B是否处于低温状态。
当电池温度Tb低于参考温度Tjd时,即当Tb<Tjd(步骤S114得到“是”)时,控制器50在步骤S110中检测到电源的低温状态。另一方面,当电池温度Tb等于或高于参考温度Tjd时,即当Tb≥Yjd(步骤S114得到“否”)时,没有检测到电源的低温状态。
当发动机并非正在起动(步骤S100得到“否”)时,或者当步骤S110中没有检测到低温状态(步骤S114得到“否”)时,控制器50在步骤S120用正常载波频率作为逆变器20和30的载波频率。载波频率(即逆变器的开关频率)被正常地设定在较高的频率fa(例如约5到10kHz)以使伴随逆变器开关操作的电磁共鸣声具有听觉频率范围之外的频率。正常载波频率可以设定在固定频率。或者,也可以根据相应电动机发电机MG1或MG2的操作状态(例如转速和输出转矩)来可变地设定正常载波频率。
但是,由于开关元件的电力损耗随着开关频率而增大,所以有可能在需要较高电力来使电动机发电机MG1操作的发动机起动期间,所需的高电力与由于这种高频开关导致的逆变器20、30的电力损耗一起造成电源过载。因此,电源输出减小可能使发动机的可起动性恶化。另外,如果采用具有较大电源容量余量的设计以便不造成电源输出的这种下降,则可能使装置的尺寸和成本增加。
为此,在发动机起动期间,在步骤S130,控制器50将载波频率设定在低于正常频率的低频fb(例如约1kHz)以减小逆变器20和/或逆变器30中的开关损耗。
在使用这样的低频fb时,尽管存在对可能由于音频范围的开关操作而造成听觉噪声的担心,但是对开关元件进行开关的次数减少了,使得可以抑制电力损耗。结果,减轻了发动机起动期间应由电源输出的电力负担,并可以使电源负载保持较低。
图5示出了用于使载波频率在正常频率fa与减少损耗所用低频fb之间改变的载波产生系统的示例。
参考图5,载波产生系统300包括用于产生具有正常频率fa的载波的振荡器310、用于产生具有低频fb(fb<fa)的载波的振荡器320以及选择器开关330。选择器开关330依照频率选择命令将振荡器310和320之一连接到PWM信号产生部分260(见图2),所述频率选择命令给出关于应当在正常频率fa和低频fb中选择哪个的指令。
当在步骤S120设定了载波频率时,控制器50产生使选择器开关330切换到I侧位置的频率选择命令。在此情况下,具有正常频率fa的载波270被发送到PWM信号产生部分260。
另一方面,当在步骤S130设定了载波频率时,控制器50产生使选择器开关330切换到II侧位置的年选择命令。在此情况下,具有低频fb的载波270被发送到PWM信号产生部分260。
或者,也可以采用使用压控振荡器的结构,通过这个单一的振荡器来改变载波频率。
参考图6,载波产生系统300#包括压控振荡器(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相应的载波270,并将载波270发送到PWM信号产生部分260(见图2)。可变电压产生器350依照与图5类似的频率选择命令对供给VCO 340的控制电压Vc进行不同的设定。这种结构的载波产生系统300#也可以根据频率选择命令使载波270的频率在正常频率fa与低频fb之间改变。
尽管在此实施例中描述了载波频率在两个水平(即正常频率fa和低频fb)之间改变的结构,但是也可以采用载波频率选自大量水平这样的结构。
在检测到低温状态(步骤S110得到“是”)时,由于电源的功率密度减小,所以电源的负载进一步增大。另外,当温度较低时,发动机110的摩擦力矩较大,这也使得电源负载增大。因此,在发动机起动期间,特别是电源处于低温状态时,很有必要通过如上所述将载波频率设定为低频来降低电源负载。因此,通过试验来根据电源特性(其与温度的关系)确定步骤S114中所用的参考温度Tjd是有好处的。
因此,即使在发动机处于起动操作状态时电源负载没有超额的情况下,除非当电源处于低温状态,否则如果如上所述在步骤S110判定结果为“否”(没有检测到低温状态),就可以在步骤S120设定载波频率。由此,在电源负载没有超额的温度范围内(例如在室温范围内),可以起动发动机110而不在逆变器20和30中产生载波噪声。
另一方面,如果电源的输出特性与温度并没有严重依赖关系,则可以采用这样的控制结构,其中,只根据与发动机是否处于起动操作有关的判定,而在步骤S120将载波频率设定为正常频率与在步骤S130将载波频率设定为降低损耗频率(低频)之间进行选择。或者,也可以采用这样的控制结构,其中根据来自冷却剂温度传感器112的输出来确定发动机110的状态,并在没有检测到电源的低温状态但检测到了发动机的低温状态时执行将载波频率设定为低损耗频率的设定(步骤S130)。
在如上所述由于电源温度(即电池温度Tb)下降而难以确保从电源获得电力输出的情况下,可以采用这样的控制结构,它可以根据电池温度Tb来如图7所示选择降低载波频率的逆变器。
参考图7,当电池温度Tb等于或高于参考温度Tjd时,没有检测到低温状态,控制器50对两个逆变器20和30都执行将载波频率设定为正常频率的设定(步骤S120),两个逆变器20和30对电动机发电机MG1和MG2进行驱动和控制。
另一方面,当电池温度Tb降低到参考温度Tjd以下时,如果Tjd>Tb≥T1,则对某个逆变器(此示例中为逆变器30)采用有利于降低损耗的载波频率设定(步骤S130),所述逆变器对应于采用低载波频率对减小电力消耗带来的影响较小的电动机发电机(此示例中为电动机发电机MG2),而对与另一电动机发电机MG1对应的逆变器20采用正常载波频率设定(步骤S120)。
如果电池温度Tb处于更低的温度范围,即T1>Tb≥T2(T2<T1),则对某个逆变器(此示例中为逆变器20)采用有利于降低损耗的载波频率设定(步骤S130),所述逆变器对应于采用低载波频率对减小电力消耗带来的影响较大的电动机发电机(此示例中为电动机发电机MG1),而对与另一电动机发电机MG2对应的逆变器30采用正常载波频率设定(步骤S120)。
如果电池温度Tb低于T2,则对两个逆变器20和30都采用有利于降低损耗的载波频率设定(步骤S130)。
如上所述,对于根据本发明的这种实施例进行的发动机起动控制,通过在发动机起动期间将驱动和控制电动机发电机MG1、MG2的逆变器20和30的开关频率(载波频率)相对于正常频率进行降低,可以通过减少逆变器20和30的电力损耗而降低来自电源的电力输出。由此降低了在发动机起动期间施加到电源的负载,实现了平稳的发动机起动。另外,电源能力的设计余量保持为较小,所以可以降低电源的尺寸和成本。特别是,根据电源类型,通过使低温状态下(功率密度减小)发动机起动期间逆变器的电力损耗降低,上述效果更加可观。
在发动机起动期间,逆变器20和30的开关频率设定为使得这些频率高于听觉频率范围,这样可以对发动机电动机MG1和MG2进行操作,同时抑制听觉噪声。
对于设有与逆变器相应的多对电动机的结构,通过根据电源温度(电池温度Tb)的降低量来选择降低哪个逆变器的开关频率(载波频率),可以将逆变器开关频率降低,在开关频率的降低程度保持在适当范围内的情况下,可以减少电力损耗但是可能产生听觉噪声。
在图4所示的流程图中,步骤S100对应于本发明的“起动检测装置”,步骤S110对应于本发明的“低温检测装置”。步骤S120和S130对应于“第一频率设定装置”,步骤S120和S130对应于本发明的“第二频率设定装置”。
尽管图1中,图示了机械分配式的混合车辆,即采用行星齿轮系统分配动力,并且是使发动机110和电动机发电机MG2都可以产生车轮驱动力的并行混合结构,但是本发明申请不限于这种结构。本发明可以适用于串行混合结构的混合车辆,其中发动机只用作电动机的电力供给源,而直接驱动车轮的是电动机;也可以适用于另一种混合结构的混合车辆,即通常所谓的电分配式混合车辆,在控制电力转换器的装置(例如逆变器)中,连接到电源也用作起动发动机的电源。
根据上述发明进行的发动机起动控制可以适用于除了混合车辆之外的车辆。因此下面将对此实施例的改进示例进行说明。为了说明改进示例,将对把根据本发明的发动机起动控制应用于设有所谓经济运行系统的车辆(下文中称为“经济运行车辆”)进行说明。
图8的框图示出了根据本发明实施例的改进示例,用于经济运行车辆的发动机起动系统。
参考图8,根据本发明实施例的改进示例的发动机起动系统400包括:通常由蓄电池组构成的电源410;逆变器420;电动机发电机430;发动机440;和控制器450。控制器450构造成能够对发动机起动系统400的组成元件的活动进行控制。
电动机发电机430的输出轴通过连接带435连接到发动机440。由此,电动机发电机430产生的转动力能够起动发动机440。当发动机440操作时,通过连接带435使电动机发电机430转动,因此可以使电动机发电机430作为发电机来发电。
电源410对应于图1所示的牵引用蓄电池B,并可以使用温度传感器415检测电池温度Tb。逆变器420设在电源410与电动机发电机430之间,并构造成能够在其间进行双向电力转换。由此,逆变器420可以通过开关元件的开关控制将电源410供给的DC电力转换为用于使电动机发电机430转动的AC电力,并能够起动发动机440。另一方面,在发动机440操作时,逆变器420可以通过开关元件的开关控制,将发动机带着转动的电动机发电机430所产生的电力转换为可用于对电源410充电的DC电力。
在发动机440操作期间,当满足使发动机自动停止的预定条件时,控制器450自动使操作的发动机440暂时停止;并且在发动机440暂时停止期间,当满足使发动机终止停止的预定条件时使临时停止的发动机440自动重新起动。
通常,在下述情况下满足自动停止发动机的条件:车辆速度等于零且加速踏板操作量等于零这样的状态维持不变达到预定时间长度,并且来自发动机440的废气所经过的催化剂(未示出)已经活化。另一方面,使发动机终止停止的条件对应于不满足自动停止发动机的条件,通常对应于下述状态:对加速踏板进行了操作,且加速踏板操作量不为零。
因此,采用发动机起动系统400,可以在驱动车辆时自动使发动机440暂时停止以及自动重新起动。在发动机起动(包括其重新起动)期间和发动机正常操作期间对逆变器420和电动机发电机430进行图2和图3所示的控制,在所述起动期间电动机发电机430用作电动机,而在所述正常操作期间电动机发电机430用作发电机。
因此,在发动机起动系统400的情况下,也可以根据图4所示流程图对驱动电动机发电机430的逆变器420的开关频率(载波频率)进行设定。
在电源负载变大的发动机起动(重新起动)期间,特别是在低温条件下由于功率密度降低造成电源负载进一步增大的发动机起动(重新起动)期间,通过采用这样的发动机起动控制,可以使用于控制电动机发电机430的逆变器420中的电力损耗减小,从而可以减小电源410的负载。另一方面,在发动机操作中或发动机在室温条件下起动(重新起动)期间,电动机发电机430用作发电机时,通过使逆变器420以正常开关频率操作,可以防止产生听觉噪声。
与对图4所述的情况一样,在图8所示发动机起动系统的情况下,如果电源的输出特性不是严重依赖于温度,则可以采用下述控制结构:仅根据对发动机是否处于起动操作的判定,来选择将载波频率设定为正常频率还是将载波频率设定为降低损耗频率(低频)。或者,也可以采用这样的控制结构:不是在检测到电源的低温状态时,而是在检测到发动机的低温状态时,才执行可以减少损耗的载波频率设定。
在图8所示发动机起动系统中,发动机410对应于本发明的“内燃机”,逆变器420对应于本发明的“第一电力转换器”,电动机发电机430对应于本发明的“第一电动机”。
这里公开的实施例在任何方面都仅仅是示例,应当理解为非限制性的示例。本发明的范围不是由上述说明,而是由权利要求来限定,并意在覆盖落在权利要求范围内或其等同物全部范围内的所有变动和更改。

Claims (9)

1.一种车辆中的内燃机起动控制器,包括:电源(B;410);用所述电源(B;410)供给的电力来起动的内燃机(110;440);第一电动机(MG1;430);以及第一电力转换器(20;420),所述第一电力转换器构造成能够通过电力半导体元件的开关控制而执行所述电源(B;410)与所述第一电动机(MG1;430)之间的电力转换,所述控制器的特征在于包括:
起动检测装置(S100),用于检测所述发动机(110;440)是否处于起动操作中;以及
第一频率设定装置(S120、S130),用于在所述发动机(110;440)处于起动操作中时,将所述第一电力转换器(20;420)的开关频率设定为比所述发动机(110;440)未处于起动操作中时所用开关频率低的频率。
2.根据权利要求1所述的内燃机起动控制器,其特征在于,
所述第一电动机(MG1;430)构造成能够在所述发动机(110;440)处于起动操作中时产生用于起动所述发动机(110;440)的动力,并具有与所述发动机(110;440)处于起动操作中时不同的操作时间周期。
3.根据权利要求2所述的内燃机起动控制器,其特征在于,
所述第一电动机(MG1;430)构造成能够在所述发动机(110;440)操作期间,通过使用所述发动机(110;440)产生的转动力来发电,并且
所述第一电力转换(20;420)被控制为将所述第一电动机(MG1;430)发电的电力转换为可以对所述电源(B;410)进行充电的电力。
4.根据权利要求1到3中任意一项所述的内燃机起动控制器,其特征在于还包括:
低温检测装置(S110),用于根据检测到的所述电源(B;410)的温度来检测所述电源(B;410)的低温状态,其中,
即使在所述发动机(110;440)处于起动操作中时,如果所述低温检测装置(S110)未检测到所述电源(B;410)的所述低温状态,则所述第一频率设定装置(S120、S130)也将所述第一电力转换器(20;420)的开关频率设定为与所述发动机(110;440)未处于起动操作中时所用的开关频率基本相同的频率。
5.根据权利要求4所述的内燃机起动控制器,其特征在于,
当所述发动机(110;440)处于起动操作中时,如果所述低温检测装置(S110)检测到所述电源(B;410)的低温状态,则所述第一频率设定装置(S120、S130)根据检测到的所述电源(B;410)的温度,将所述第一电力转换器(20;420)的开关频率设定为比所述发动机(110;440)未处于起动操作中时所用的开关频率更低的频率。
6.根据权利要求1所述的内燃机起动控制器,其特征在于,
所述车辆还包括:
第二电动机(MG2),所述第二电动机通过使用由所述电源(B)供给的电力来驱动,并连接到与所述第一电动机(MG1)所连接的轴不同的驱动轴(140);和
第二电力转换器(30),构造成能够通过所述电力半导体元件的开关控制,在所述电源(B)与所述第二电动机(MG2)之间进行电力转换,并且
所述起动控制器还包括:
第二频率设定装置(S120、S130),用于在所述发动机(110)处于起动操作中时,将所述第二电力转换器(30)的开关频率设定为比所述发动机(110)未处于起动操作中时所用的开关频率更低的频率。
7.根据权利要求6所述的内燃机起动控制器,其特征在于,
来自所述第二电动机(MG2)的动力输出被传递到所述车辆的驱动轴(140)。
8.根据权利要求6或7所述的内燃机起动控制器,其特征在于还包括:
低温检测装置(S110),用于根据检测到的所述电源(B)的温度来检测所述电源(B)的低温状态,其中,
即使在所述发动机(110)处于起动操作中时,如果所述低温检测装置(S110)未检测到所述电源(B)的所述低温状态,则所述第一与第二频率设定装置(S120、S130)也将所述第一电力转换器(20)的开关频率和所述第二电力转换器(30)的开关频率分别设定为与所述发动机(110)未处于起动操作中时所用的开关频率基本相同的频率。
9.根据权利要求8所述的内燃机起动控制器,其特征在于,
当所述发动机(110)处于起动操作中时,如果所述低温检测装置(S110)检测到所述电源(B)的低温状态,则所述第一与第二频率设定装置(S120、S130)根据检测到的所述电源(B)的温度,将所述第一电力转换器(20)的开关频率和所述第二电力转换器(30)的开关频率分别设定为比所述发动机(110)未处于起动操作中时所用的开关频率更低的频率。
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