CN1193214C - 温度推定方法及其设备 - Google Patents

Abstract

依据热的产生或消失，晶体管(300)显示出相当快的变化，而冷却水(CLW)显示出相当缓慢的变化。当在晶体管(300)中没有热产生时，两者的温度下降到大约相等。此时，所述晶体管或冷却水中一个的温度和晶体管(300)的增能量用于推定其中另一个的温度。此方法也适用于其他的温度推定，如电机定子线圈和定子铁心之间温度的推定等。

Description

温度推定方法及其设备

本发明涉及一种推定没有安装温度传感器的区域的温度的技术。

在测量温度时，通常使用温度传感器。但是，有一种情况，必须检查某区域的温度，而不能在那里直接安装温度传感器。另外，随着温度传感器数量的增加其失误的几率也增加了。因此很多情况下都希望温度传感器的数量尽可能少。在这种情况下，测量一个非温度的物理量，并按此物理量与温度的关系为基础来推定温度已付诸实践。例如日本专利公开号No.7-2344162公开了一种技术，测得绝缘栅式双极晶体管(IGBT)的一个正向电流和一个正向电压，于是IGBT的温度即可通过温度与电流-电压特性的关系推定。

此外，在有的场合，虽然安装了温度传感器，该安装了温度传感器的区域的温度仍由其他方式推定，来检测温度传感器是否正常工作。例如，日本专利公开号No.10-62266公开了一种技术，为了鉴别用于测量电动机线圈温度的热敏电阻工作是否正常，该线圈温度是通过其他方式推定的。在此技术中，线圈的电阻通过线圈的感应系数和电流值获得，线圈温度就由温度同电阻的关系推定。

在上面提到的温度推定技术中，将要推测其温度的区域的一个指定的物理特性被测量出来，于是温度即在温度同此物理特性的关系的基础上被推定出来。对于此物理特性，它应表现出与温度的本质关系。

但是，基于这种将被推定温度的区域，也可能存在表示出与温度的本质联系的物理特性不能被测得的情况。或者，虽然该物理特性的测量是可行的，但因为要减少传感器的数量，其测量结果并不理想。由于以上几种情况，另有一种理想的技术，其温度的推定并非直接由该区域的物理特性与温度的关系而推定的。

本发明的一个目的在于提供一种技术，温度的推定并非直接由温度与要推定温度的区域的物理特性的关系推出。

本发明的一个方面，一种温度推定方法包括：步骤(a)指定一个第一物体，它能显示出一个相对轻微的温度变化；步骤(b)指定一个第二物体，它能响应增能引起的自身生热的产生或消失而表现出一个相对快的温度变化，并且它被放置在第一个物体的附近以使它们之间能换热，并且设想没有热产生时同第一个物体有大约相同的温度；步骤(c)确定第一和第二物体其中之一的温度；步骤(d)依据步骤(c)中确定的温度和一个基本上指出增能量的特定值，推定第一和第二物体中另一个的温度。另外，步骤(c)中确定其中之一的温度可以使用温度传感器或其它推定方法。

依据上面提到的方面，因为第一物体或第二物体的温度的推定是在另一物体温度由一些方式确定和那个基本上指出增能量而导致第二物体有热产生的特定值的基础上，温度可以由其它方式推定而不是直接利用温度与该物体物理特性的关系。

顺便提及，若第一物体的温度假设为T1，第二物体的温度假设为T2，第二物体的温度增量假设为ΔT，它和基本上指出增能量的特定值相关，则可预先设定温度增量ΔT与基本上指出增能量的特定值之间的关系，其步骤(d)中温度的推定依据方程：T2＝T1+ΔT执行。

通过这种修正，就可以从指出增能量的特定值来确定温度增量ΔT，并且通过这些容易推定第一或第二物体的温度。

对于第一和第二物体的组合，各种组合形式都可考虑。

例如，第二物体可以是一个功率半导体器件，第一物体可以是一种用于冷却所述功率半导体元件的冷却剂。步骤(d)包括一个依据基本上指出功率半导体元件增能量的特定值通过预先设定的温度增量ΔT与基本上指出功率半导体元件增能量的特定值之间的关系来确定温度增量ΔT的过程。

通常，所述功率半导体元件只有很小的热容量，表现温度变化很快。因此，很容易从基本上指出功率半导体元件增能量的特定值和冷却剂温度来推定功率半导体元件或冷却剂的温度。

或者，第一物体可以是一个电动机的定子铁心，第二物体是该电机的定子线圈。步骤(d)包括一个依据基本上指出电机增能量的特定值通过预先设定的温度增量ΔT与基本上指出电机增能量的特定值之间的关系来确定温度增量ΔT的过程。

在此结构中，可用定子铁心的温度或定子线圈的温度和基本上指出电机增能量的特定值，推定其中另外一个的温度。

在此结构中，步骤(c)可以包括一个根据电机的冷却定子的冷却剂温度和基本上指出电机增能量的特定值来确定定子铁心温度的过程。

在此结构中，定子铁心的温度可由冷却剂温度确定，定子线圈的温度也可由此确定。

在另一个结构中，第二物体可以是电机的定子铁心，第一物体可以是冷却电机定子的冷却剂。步骤(d)可以包括一个依据冷却剂温度和基本上指出电机增能量的特定值来确定定子铁心温度的过程。

在此结构中，可用定子铁心的温度或冷却剂温度和基本上指出电机增能量的特定值，推定另外一个的温度。

或者，第二物体可以是一个功率半导体元件，第一物体可以是冷却该功率半导体元件的冷却剂。步骤(c)可以包括一个使用安装在功率半导体元件上的温度传感器来测量该功率半导体元件温度的过程，步骤(d)可以包括一个在所述功率半导体元件没有增能状态下从该功率半导体元件温度变化确定冷却剂温度的过程。

功率半导体元件没有增能状态下，功率半导体元件的温度很快稳定到与冷却剂温度基本相同。因此，冷却剂温度可以从功率半导体元件没有增能时的温度变化推断出来。

注意到这些，本发明可以由几种方式实现；例如，实现方式可以包括：一种推定温度的方法和设备；一种载有该设备的运输车辆；一种使所述方法或设备的功能得以完成的计算机程序；一种记录计算机程序的媒介；包括计算机程序的数字信号等，其中数字信号通过载波获得。

图1是本发明第一实施例混合机车的总体构造说明图；

图2是激励电路的内部结构说明图；

图3是冷却激励电路的晶体管的冷却系统构造的说明图；

图4是晶体管和冷却水温度变化的曲线图；

图5是获得晶体管温度后将要用到的温度偏差ΔT(Ptr)的图的示例；

图6是冷却第一电机的冷却系统构造的说明图；

图7表示电机铁心温度和冷却水温度变化的示例的曲线图；

图8是冷却第二电机的方法的说明图；

图9是表示第二电机的线圈温度和铁心温度的变化的示例曲线图；

图10是冷却所述功率管的冷却系统的另一个构造说明图；

图11是一曲线图表示当晶体管交替处于运行和停止状态时晶体管温度Ttr的温度变化和冷却水温度TW的变化；

图12是一说明图，表示冷却所述管和第一电机的通常的冷却系统的构造；

图13是推定冷却水温度和外部环境温度的程序的流程图。

本发明的一个实施例将以下面的顺序说明：

A.混合车辆的总体结构

B.混合车辆的基本运行

C.功率管温度的推定

D.第一电机MG1的温度的推定

E.第二电机MG2的温度的推定

F.冷却水温度的推定(第一部分)

G.冷却水温度的推定(第二部分)

H.改进的例子

A.混合车辆的总体结构

图1是作为本发明一个实施例混合机车的总体构造说明图。此混合机车装有三台原动机，包括引擎150、电动机/发电机MG1、MG2。这里的电动机/发电机指一种电机它可以完成电动机和发电机的功能。注意，为了简便下文中的引擎150、电动机/发电机MG1、MG2都简化称为电机。此机车由控制系统200控制。

控制系统200有一个主ECU’(电子控制单元)210、一个闸电子控制单元220、一个电池电子控制单元230、一个引擎电子控制单元240。每一个电子控制单元包括大量的电路元件如一个微型计算机、一个输入接口、和一个输出接口它们都被安装于一个电路板上作为一个单元。主电子控制单元210有一个电机控制部分260和一个主控制部分270。主控制部分270的一个功能就是确定可控变量例如原动机150、MG1、MG2输出的分配。

引擎150是一普通的汽油发动机，它能旋转机轴156。引擎150的运行由电机电子控制单元240控制。所述电机电子控制单元240根据主控制部分270的命令控制引擎的喷射量。

每一个电机MG1、MG2都构造为同步电机，它包括一个有大量永久电磁铁在其周边表面的转子132(142)、一个周围盘绕了用于形成旋转电磁场的三相绕组131(141)的定子133(143)。定子133、143安装于壳体119上。绕在定子133(143)上的每一个三相绕组131、141都分别通过激励电路191(192)和一个第二电池连接。每一个激励电路191、192都设有成对的晶体管组成的晶体管换流器，每一对就是每相的转换元件。激励电路191，192由发动机的控制部分260控制。当激励电路191(192)的晶体管被电机控制部分260来的信号转换后，电池194和电机MG1(MG2)之间就会有一个电流。电机MG1、MG2当收到电池194的电力时可作为电动机，该电动机转动以驱动其它装置(在下文中这种运行状态指的是：“电力转动”)，当转子132、142被外部力驱动时电机MG1、MG2也可以作为电子发电机在三相绕组131、141的两端产生电动势，以便给电池194充电(下文中这种运行状态指的是“再生转动”)。

引擎150和电机MG1、MG2的转轴通过行星轮120互相机械连接。行星轮120包括一个恒星轮121、一个环行齿轮122、一个装有行星小齿轮123的行星齿轮架124。在此混合机车的实施例中，电机150的曲轴156通过缓冲器130和行星齿轮架轴127连接。缓冲器130用于吸收曲轮156中产生的扭转振动。电机MG1的转子132和恒星齿轮轴125连接。电机MG2的转子142和环行齿轮轴126连接。环行齿轮122的转动通过一个链带129和一个差速齿轮114传递给轮轴112和车轮116R、116L。

控制系统200使用各种传感器完成对整个机车的控制。例如，加速器传感器165测得驾驶员在加速器踏板上的降低的数量，一个换档位置传感器167获得变速杆的位置，一个闸传感器163测闸踏板上的压力，一个电池传感器196探测电池194的充电状态，一个转速传感器144测量电机MG2的转速(单位时间的旋转圈数)等等。因为环行齿轮轴126和轮轴112机械地连接于链带129，所以环行齿轮126和轮轴112转速的比例是恒定的。因此，通过安装在环行齿轮126上的转速传感器144不仅可以获得电机MG2的转速还可获得轮轴112的转速。

图2是激励电路191、192的内部结构说明图。每一个激励电路191、192都分别是一个包括6个功率管Tr1-Tr6(Tr11-Tr16)的三相晶体管变换器。例如，对晶体管Tr1-Tr6和Tr11-Tr16来说，各种功率半导体元件如IGBT都可以用。第一激励电路191具有这样的一种结构，其中6个晶体管Tr1-Tr6这种方式设置：分成每组晶体管有两个晶体管串接三组晶体管，此三组晶体管并联连接到动力线L1、L2。三组成对的晶体管中的每一个接点连接到第一电机MG1的三相绕组的线圈部分。电机控制部分260(图1)通过PMW控制晶体管Tr1-Tr6开启次数的比率的由流经三相绕组134的各自的线圈部分形成的虚拟正弦波。第二激励电路192同第一激励电路191以相同的方式设置。

注意测量电流Iu1、Iv1的两个电流传感器197u、197v安装在第一激励电路191的三相输出线U相和V相的线上。相似地，测量电流Iu2、1v2的两个电流传感器198u、198v安装在第二激励电路192的三相输出线U相和V相的线上。这些电流测量值被输入电机控制部分260(图1)。顺便提及，因为三相电流值的和是零，W相的电流可以从U相和V相的电流值确定。

B.混合车辆的基本运行

首先，为解释混合机车的基本动作，行星齿轮120的运行将如下面所述。行星齿轮120有一个特点，即，当所述三个转轴中的两个的旋转速度已知，另一个轴的旋转速度即可推得。各转轴的旋转速度的关系如方程(1)所示：

Nc＝Ns·ρ/(1+ρ)+Nr·1/(1+ρ)

其中Nc是行星齿轮架轴127的转动速度，NS是恒星齿轮轴125的转动速度，Nr是环行齿轮轴126的旋转速度。另外，ρ是如下列方程表述的恒星齿轮121和环行齿轮122的齿轮比。

ρ＝[恒星齿轮121的齿数]/[环行齿轮122的齿数]

此外，三个转动轴的转矩具有如方程(2)、(3)所示的固定关系，该关系不考虑转动速度：

Ts＝Tc·ρ/(1+ρ)           (2)

Tr＝Tc·ρ/(1+ρ)＝Ts/ρ    (3)

其中Tc是行星齿轮架轴127的转矩，Ts是恒星齿轮轴125的转矩，Tr是环行齿轮轴126的转矩。

考虑到这种行星齿轮120的作用，该实施例所述的混合机车可以以各种方式行驶。例如，当混合机车开始以相对低的速度状态行驶时，当引擎150被关闭，电动机MG2执行电力转动，其动力被传递到轮轴112去推动机车。也会有一种情况，即引擎150空转时机车也处于电力转动状态。

当机车启动后达到预定速度时，控制系统200使引擎150利用电机MG1的输出转矩处于电力回转状态来电力转动并且启动。此时，电机MG1的反作用转矩通过行星齿轮120向环行齿轮122输出。

当电机150运转行星齿轮架轴127转动，恒星齿轮轴125和环行齿轮轴126在满足前面的方程(1)、(3)的条件下转动。事实上行星齿轮轴126的转动产生的力传递给车轮116R、116L。恒星齿轮轴125转动产生的力可由第一电动机MG1重新产生作为电力动力。另一方面，如果第二电机执行动力转动，其动力可通过环行齿轮轴126被输出到轮子116R、116L。

当运行稳定时引擎150的输出被设置成约等于轮轴112所需的动力(即轮轴112的转速*转矩)。此时，引擎150的部分输出通过环行齿轮轴126直接传递给轮轴112，剩下的输出由第一电机MG1再生出作为电力动力。如此产生的电功率是用于产生一个转矩并由此第二电机MG2使环行齿轮轴126转动。作为一个结果，轮轴112可以以预期的转动速度和预期的转矩被驱动。

当传递到轮轴112的转矩不足时，第二电机MG2用于增加转矩。对于增加转矩所需的电功率，第一电机MG1再生的电力动力和储存在电池149的电功率将被使用。因而，控制系统200响应从轮轴112输出的动力而控制两个电机MG1、MG2的运行。

此实施例的所述混合机车在操纵电机150运行时可以相反的方向运动。当电机150被操纵时，行星轮架轴127以机车向前运动时相同的方向转动。此时，如果通过控制第一电机150使恒星齿轮轴127以比行星轮架轴127高的旋转速度转动，则环行齿轮轴126以相反的方向转动，如前述的方程(1)所显示的。当第二电机MG2以相反的方向转动时，控制系统200可通过控制第二电机MG2的输入转矩使混合机车朝相反的方向运动。

行星齿轮120可使环行齿轮122停止时行星齿轮架124和恒星齿轮121转动。因此，即使当机车停止时电机150仍能运行。例如，当电池194剩下的容量下降，可以通过启动引擎150给电池194充电，也可使电机MG1执行再生发电操作。如果当机车停止时第一电机MG1处于电力转动，引擎150进入电动同转状态并被启动。

C.功率管的温度推定

图3是冷却激励电路191、192的功率管的冷却系统构造的说明图。构成激励电路191、192的12个晶体管300(Tr1-Tr6和图2的Tr11-Tr16)焊接在底板302上。顺便提及，图3中，方便起见只画一个晶体管。底板302通过焊料焊接在铝质的冷却板306上。该焊料是为了加强底板和冷却板306之间的热传导。晶体管300上方的空间由铝质的盖子308覆盖。另外，冷却通道310在晶体管300下方的冷却板306中形成。

冷却晶体管300的冷却水CLW通过冷却板内的冷却通道310，在泵402处被加压，被散热器404冷却后，经由循环通道406回到冷却通道310。在安装了冷却板306通道的上游安装有温度传感器408，以测量冷却水CLW的温度。注意散热器404和电机的散热器单独设置。

底板302、焊料304、冷却板306都是由热传导性质良好的材料制成。因此，晶体管300产生的热通过这些部件很快传递给冷却水CLW。

顺便说，第一电机MG1如上所述主要用作发电机，同时第二电机主要用作电动机。于是，通常第二电机有一个较大的电流值。因为，通常，晶体管的电流值越大，产生的热越大，第二电机的晶体管Tr11-Tr16(图2)显示了比第一电机的晶体管Tr1-Tr6达到更高温度的趋势。于是，在此实施例中，安装在六个晶体管的中间的V-相晶体管Tr13、Tr14，有达到最高温度的趋势，它们被选作将被推定温度的物体。

图4是晶体管和冷却水温度变化的曲线图的例子。当晶体管300没有被操作，晶体管300不会产生热，从而晶体管的温度Ttr和水温Tw不变并基本相等。另外，冷却散热器404的气流温度Tair略低于晶体管温度和水温而且也不变。

当晶体管300在时刻t1暂时打开，因为热的产生晶体管温度Ttr略微上升。但是因为晶体管的热容相对于冷却板306等部件的热容相比小得多，其热量很快传递到冷却水CLW，晶体管温度Ttr降低到大约和冷却水温度Tw相同的温度。

从时刻t2到时刻t3晶体管300以相同的输出持续接通。这时，因为热量值大，晶体管温度Ttr逐渐上升并且因此冷却水的温度Tw也上升。于是，当晶体管300在时刻t3停止运行，晶体管温度Ttr很快下降(在几秒或几十秒内)到和冷却水温度Tw相同。顺便提及，是假设气流温度Taiv不变。

这样，晶体管温度Ttr在晶体管300运行期间上升超过冷却水温度，当晶体管运行停止，降低到大约和冷却水温度Tw相同。此外，在晶体管300运行期间，晶体管温度Ttr和冷却水温度Tw之间的差分ΔTtr/w基本保持恒定。

在任意时刻i的晶体管温度Ttr(i)可由下面的方程(4)表示：

Ttr(i)＝Ttr(i-1)+K11·PLtr(i)-K12[Ttr(i-1)-Tw(i-1)]， (4)

这里的PLtr(i)是晶体管(动力损失)从时刻(i-1)到时刻i的热量值，K11和K12分别是预定的系数。

方程(4)右边的第一项是晶体管在时刻(i-1)的温度。右边第二项表示温度由于热量的产生而上升的量，第三项表示因为对冷却水CLW的传热晶体管温度下降的值。顺便提及，右边的第二项和第三项是单位时间内温度变化的量。这里的单位时间指从时刻(i-1)到时刻i的一段时间。

严格地说，应该在前面的方程(4)中考虑其它因素，诸如由于从晶体管300的热辐射引起的温度降低和底板302的传导引起的温度的降低。但是已经表明这些额外因素的影响微小到可以忽略。

顺便提及，已经表明只要晶体管以一个恒定的输出运行，前面所述方程(4)右边第二项即保持一定值。换句话说，右边的第二项给出的是有关晶体管输出的函数。另外，从图4所示例可以理解，只要晶体管的输出基本不变，晶体管温度Ttr和冷却水温度Tw之间的差分ΔTtr/w基本保持恒定。这意味为着方程(4)右边的第三项几乎不变。因此，方程右边的第三项给出的也是晶体管输出的函数。也就是说，右边的第二项和第三项都是晶体管输出的函数。考虑到这些事实，前面的方程(4)可写成下面的方程(5)：

Ttr(i)＝Ttr(i-1)+ΔTtr(Ptr)       (5)

方程中ΔTtr(Ptr)是当晶体管输出为Ptr时单位时间内晶体管温度的变化量。

如图4当晶体管温度Ttr在时刻t2后的一段时间里近乎线性上升时，晶体管的变化量ΔTtr(Ptr)与温度的上升比率相应。

顺便提及，在时刻(i-1)时晶体管温度Ttr(i-1)被表示为冷却水温度Tw(i-1)和晶体管/冷却水温度的差分ΔTtr/w的和。

因此，前面的方程(5)可以写成下面方程(6)的形式：

Ttr(i)＝Tw(i-1)+ΔTtr/W(Ptr)+ΔTtr(Ptr)    (6)

合并右边的第二项和第三项为一项，得到下面的方程(7)

Ttr(i)＝Tw(i-1)+ΔT(Ptr)          (7)

其中

ΔTtr/w(Ptr)+ΔT(Ptr)＝ΔTtr(Ptr)

即，当晶体管的输出是Ptr时在时刻i的晶体管温度Ttr(i)为在时刻(i-1)的冷却水温度Tw(i-1)和取决于晶体管输出的偏差ΔT(Ptr)的累加。

这里，方程(6)右边的第三项是晶体管温度上升速度，大约等于冷却水温度上升的速度，这从图4可以理解。因此，方程(6)右边的第一项和第三项的和大约等于在时刻i时的水温Tw(i)。于是，也可以把方程(6)改写成方程(8)：

Ttr(i)＝Tw(i)+ΔT’(Ptr)  (8)

其中

ΔT’(Ptr)＝ΔTtr/w(Ptr)

冷却水温度Tw(i-1)、Tw(i)由安装在循环管道406上的温度传感器408测得(图30)。另外，温度偏差ΔT(Ptr)、ΔT’(Ptr)可由按照电机MG1、MG2和三相转换电流的频率显示温度偏差值的图来确定。此图是在事先通过实验方法获得的。注意到，因为第一电机MG1主要用作发电机，其电流值相对较小，因此第一电机的晶体管产生的热可以忽略不计。因此，此实施例中，温度偏差ΔT(Ptr)、ΔT’(Ptr)可根据主要作为电动机的第二电机的电流值和三相效变电流的频率来确定。

图5展示一有关温度偏差ΔT(Ptr)的图的例子。在这张图中，对于三相转换电流的频率不同的值示出了电机的电流值和晶体管的温度偏差ΔT的关系。

这样，晶体管温度Ttr可以容易地推定为冷却水温度Tw和依据于晶体管输出Ptr的温度偏差ΔT的和。因此，晶体管温度可以推定而不直接使用晶体管的物理特性同温度关系，如温度和晶体管电流值的关系。

温度偏差ΔT、ΔT’可以依据其它基本上指出晶体管增能量的特定值来确定，而不限于电流值和三相转换电流频率的结合。例如温度偏差ΔT、ΔT’可以依据从主控制部分270给电机控制部分260的转矩指令值和从电机控制部分260给激励电路192、192的激励信号的一个载波频率(PWM中激励信号脉冲频率)来确定。

顺便提及，晶体管的热值也取决于输给电机的电流是否是正弦波或者矩形波。因此各种波形的温度偏差ΔT、ΔT’同图都应准备。

D.第一电机MG1的温度的推定

图6是冷却第一电动机MG1的冷却系统构造的说明图。第一电机MG1有一个转子320、一个定子线圈322、定子铁心324，所有这些部被装入电机壳326中。电机壳326的外围封闭有套体328，冷却水CLW的通道即在壳体和套体间形成。

图6所示的冷却系统的结构和图三所示的晶体管的冷却系统基本相同。顺便提及，晶体管的和电机的冷却系统可以制成共用的一个冷却系统，但是这里的叙述假设它们的冷却系统各自独立。

对于第一电机MG1的产生的热的因素，列举有铜损(线圈322中的损失)和铁损(铁心324中的损失)。因为第一电机MG1主要用作发电机，电流密度相对小，所以铜损很小，可以忽略。因此第一电机MG1中所有应被考虑的发热因素就是铁损，所以温度上升最高的是定子铁心324。

图7表示第一电机MG1的铁心温度和冷却水温度的变化的示例的曲线图。当第一电机MG1没有运转时就没有热量从铁心产生，因此铁心温度Tgf和水温Tw保持—不变的相同的温度。

从时刻t11到时刻t12，电机MG1以一个恒定的输出不停运转。这时，铁心温度Tgf逐渐上升，冷却水温度Tw也上升。于是当输入给电机MG1的电功率在时刻t12停止，铁心温度漫漫接近冷却水的温度Tw，最终都降到大约相同的温度。

这样，第一电机MG1的铁心温度Ttr有一个特性：当第一电机有电力供给时该铁心温度高于冷却水温度，一旦电力供给停止，就逐渐降低到和冷却水温度大约相等的温度。

任意时刻i的铁心温度Tgf(i)可以如下方程(9)表示：

Tgf(i)＝Tgf(i-1)+K21·PLgf(i)-K22[Tgf(i-1)-Tw(i-1)]  (9)

其中PLgf(i)是从时刻(i-1)到时刻i铁心的热量，K21、K22分别是提前设定的系数。

方程(9)的右边第二项表示因产生热温度的增加量，右边第三项表示因冷却温度的降低量。

由图7和图4的对比可知铁心温度的变化相对慢，铁心温度Tgf和冷却水温度Tw的温度偏差ΔTgf/w也随时间缓慢变化。原因是铁心324有一个很大的热容。

第一电机MG1的铁心温度Tgf通过使用方程(9)确定。方程(9)右边的未知项是水温Tw(i-1)和铁心热值PLgf。水温Tw(i-1)由安装在循环通道406上的温度传感器408测量。另外，铁心热值PLgf从事先做好的图上获得，图是这样作成的，每一条数据对应一个基本上指出电机输出的数值，如电机的转矩或旋转速度。这图和上面描述的图5相似，此处其说明省略。

顺便提及，铁心温度Tgf的初值是通过当电机MG1经过足够长时间没有电力供给时测量水温Tw再加上一个预先设定的温度偏差ΔTOw确定的。这个温度偏差ΔTOw是事先对不同水温TW通过实验手段获得的。换句话说，当增能停止时可以储存下水温Tw和铁心温度Tgf，并利用没有转矩的空闲时间通过方程(9)推定温度偏差ΔTOw。

如上面提到的，第一电机MG1的铁心温度Tgf可以依据冷却水的温度TW和因电机MG1的输出产生的热量PLgf(i)(或第一电机的增能量)来推定。铁心温度可以不直接应用温度和电机物理特征的关系而推定。

E.第二电机MG2的温度推定

图8是冷却第二电动机MG2的方法的说明图。

第二电机MG2有一个转子340、一个定子线圈342、一个定子铁心344，所有这些都被装入电机壳346中。电机壳326的由气流冷却。顺便提及，铁心344有温度传感器350。另外，电机MG2的前面安装有温度传感器352以测量外面的环境温度。第二电机MG2主要作为发动机，因为电流密度相对大，铜损不能被忽略。于是在第二电机MG2中，铜损和铁损都将作为热的因素被考虑。顺便提及，定子线圈342达到的温度最高。

图9是表示第二电机MG2的线圈温度Tmc和铁心温度Tmf的变化的示例曲线图。当电机MG2没有运转，没有热产生，于是温度Tmc、Tmf保持不变并且大约相等。

当电机MG2在时刻t21有电力供给时，因为热产生线圈温度Tmc稍微地上升，与此一致铁心温度Tmf也上升了一点。但是，因为线圈342的热容量相对于铁心得热容量很小，并且两者之间的热传导率很高，因此在很短的时间内线圈温度Tmc降低到大约和铁心温度相同Tmf的值。

从时刻t22到时刻t23，电机MG2以一个稳定的输出不停运转。此时线圈温度Tmc和铁心温度Tmf逐渐上升。于是，当在时刻t23对电机MG2的电力供给停止时，线圈温度Tmc在相当短的时间里接近铁心温度Tmf。随后，铁心温度缓慢接近外面的环境温度Tair并最终降到和外面环境温度大约相同。

这样，第二电机MG2的线圈温度Tmc以相当快的方式变化，同时铁心温度Tmf以相当慢的方式变化。另外线圈温度Tmc有一特性：当电机MG1有电力供给，线圈温度Tmc比铁心温度Tmf上升的高，但是当电力供给停止，线圈温度降到大约和铁心温度Tmf相同。

任意时刻i时的线圈温度Tmc(i)可由下列方程(10)表述：

Tmc(i)＝Tmc(i-1)+K31·PLm(i)-K32[Tmc(i-1)-Tmf(i-1)]   (10)

其中PLm(i)是电机MG2的从时刻(i-1)到时刻(i)的热量，K31和K32分别是预先确定的系数。

注意，到依据发动机的热值K31·PLm(i)考虑由发动机MG2高热的线圈342中所生热量的部分。那就是，方程(10)右边第二项表示由于线圈342生热引起的温度增量。另外，右边第三项表示由于从线圈342到铁心344的热传导的温度减少数量。

图9中线圈温度Tmc和铁心温度Tmf之间的关系相似于图4中晶体管温度Ttr与冷却水温度Tw之间的关系。于是，此实施例中，作为一个方程给出线圈温度Tmc，下面的用以代替方程(10)的方程(11)类似于前面的方程(7)：

Tmc(i)＝Tmc(i-1)+ΔT(Pm)        (11)

其中Pm是电机MG2的输出。

即是，当电机MG2以输出Pm运转时，在任意时刻i的线圈温度Tmc(i)是在时刻(i-1)时的铁心温度Tmc(i-1)和根据电机MG2的输出的温度偏差ΔT(Pm)的和。

或者，也可以用类似于前面方程(8)的下面的方程(12)代替方程(11)：

Tmc(i)＝Tmf(i)+ΔT’(Pm)          (12)

铁心温度Tmf(i-1)、Tmf(i)由安装在铁心344上的温度传感器350(图8)测量。另外，温度偏差ΔT(Pm)、ΔT’(Pm)从显示温度偏差的图上确定，每一个相应于一个本质显示电机的输出的值(或多个值)，例如，电机的转矩或旋转速度。此图和上面所述的图5相似，这里的说明省略。

于是，如果铁心温度Tmf被测量，铁心温度Tmc容易推定为所测得的铁心温度和依赖于电机MG2输出的温度偏差ΔT的和。因此，线圈温度可以推定而不直接使用温度和线圈物理性质的关系，如温度和线圈电阻的关系。

顺便提及，如果前面方程(11)、(12)右边第一项铁心温度Tm不能被测得，也能通过外面环境温度Tair推定铁心温度Tmf。此时，任意时刻i的铁心温度Tmf(i)可由如下方程(13)表示：

Tmf(i)＝Tmf(i-1)+K41·PLm(i)-K42[Tm(i-1)-Tair(i-1)]   (13)

其中K41、K42分别是提前设定的系数。

注意，到从线圈342传导到铁心344的热以电机热值K41·PLm(i)的形式考虑，外界环境温度Tair(i-l)包括于方程右边的第三项，是由安装在电机MG2上游的温度传感器352(图8)测得的。顺便提及，冷却时冷却气流流速的影响可以忽略，并且在方程右边第三项中没有考虑。

方程(13)中的铁心温度Tmf的初值，是在电机足够长时间没有电力供给时，在测得的外界环境温度Tair上加一个预先设定的温度偏差ΔTOair来确定的。这个温度偏差ΔTOair是事先对各水平的外界环境温度Tair以实验方法获得的。

如上面提到的，第二电机MG2的铁心温度Tmf可以以外部作为冷却介质的空气流的温度Tair和依赖于电机MG2的输出(或电机的增能数量)的热值PLm(i)为基础推定。所述铁心温度可以不直接利用温度和电机物理性质的关系而推出。

进一步，使用这样推出的铁心温度，线圈温度也可以由前面的方程(11)、(12)推定。

F.冷却水温度的推定(第一部分)

图10是冷却所述功率管的冷却系统的另一个构造说明图。此构造和图3所示构造区别在于，用温度传感器312代替测量冷却水温度的温度传感器408测量晶体管300的温度Ttr。通过这种结构，冷却水温度Tw可以从测得的晶体管温度Ttr推定出来。

任意时刻i的冷却水温度Tw(i)可由下列方程(14)表示：

Tw(i)＝Tw(i-1)+K51[Ttr(i-1)-Tw(i-1)]-K52[Tw(i-1)-Tair(i-1)]

                                                  (14)

其中K51、K52分别是预先设定的系数。

方程(14)右边第二项表示由于从晶体管的热传导引起的温度增加量，第三项表示由于散热器404的冷却引起的温度减少量。

当冷却水温度Tw利用方程(14)推定，通常外部环境温度Tair由温度传感器测得。但是，将在下面提及，利用其它方法获得外界环境温度，通过方程(14)推定冷却水温度Tw。

顺便提及，也可以使用通过修改上面描述的方程(8)而获得的下面的方程(15)代替上面的方程(14)：

Tw(i)＝Ttr(i)-ΔT’(Ptr)    (15)

其中ΔT’(Ptr)是依赖于晶体管输出的温度偏差。

也就是说，冷却水温度Tw(i)可以推定为为晶体管温度Ttr的测得值和依赖于晶体管输出的温度的偏差ΔT的差。

当晶体管的输出为零，方程(15)右边第二项也是零。因此，当晶体管在运行状态和停止状态不断转换时，晶体管温度Ttr和冷却水温度Tw也展示出变化，例如图11所示。也就是说，当晶体管的输出是零时，水温Ttr大约等于冷却水的温度Tw。

考虑到这种现象，当晶体管输出为零时，冷却水温度Tw可由下面的方程(16)推定：

Tw(i)＝Ttr(i)-δ              (16)

其中Ttr(i)是晶体管温度测量值，δ是预先设定的温度差分。

温度差分δ是一个由实验确定的值，但是可以假设成δ＝0。

在推定温度的各种方法中，利用表现出一个相当小温度变化的第一物体使(冷却水或定子铁心)和表现出相对快温度变化的第二物体(晶体管或定子线圈)中一个的温度推出另一个的温度。将第二物体选择为有这样的性质，它因为增能有热产生，当不产生热时，它的温度降到和第一物体大约相等的温度。另外，第一和第二物体应该安装得互相临近以进行传导的热交换。这里，“第一和第二物体安装得互相临近”不是要求两者互相直接接触，只要求两者的位置可使基本的热交换出现。

G.冷却水温度的推定(第二部分)

图12是一说明图，表示冷却所述功率管和第一电机MG1的通常的冷却系统的构造；这个冷却系统和图10中的区别仅在于第一电机MG1的冷却通道插入到激励电路191、192和泵402之间，此外其机构也相同于图10所示的系统。用此系统，冷却水温度Tw可以由测量晶体管温度Ttr来推定。

在任意时刻i的冷却水温度Tw(i)可由下列的方程(17)表示：

Tw(i)＝Tw(i-1)+K61·PLg(i)+K62·PLm(i)-K63[Tw(i-1)-Tair(i-1)]

                                                        (17)

其中K61、K62、K63分别是预先确定的系数。

方程(17)右边第二项表示由于第一电机MG1的铁损导致的温度增加量和由于驱动第一电机MGI晶体管300产生热导致的温度增加量的和。方程右边第三项表示因晶体管300驱动第二电机MG2产生热导致的温度的增加量。另外，方程右边第四项表示因为冷却温度降低的数量。

方程(17)  右边第二项是通过一张事先制成的图来推定的，该图是这样制成的：每一数据对应基本上指出第一电机MG1增能量(电流值和三相交变电流频率，或转矩和载波频率)的值。另外，右边第三项类似地由一张事先制成的图确定，该图是这样制成的：每一数据对应基本上指出第二电机MG2增能量的值。应注意，这些图上的参数可能被部分简化。例如，因为转矩的载波频率和载波频率有一个相当小的影响，使用了只有转矩作为参数的图。

如果方程(17)右边第四项外界环境温度Tair是由温度传感器测得的，任意时刻i的水温Tw可以推定。但是，此实施例中，冷却水温度Tw和外界环境温度Tw都是由以下述方式在安装利用晶体管300上的温度传感器312测得，而没有使用温度传感器测量外界环境温度Tair。

图13是推定冷却水温度和外部环境温度的程序的流程图。这个过程是通过一个主控制部分270(没有在图中表示)内的CPU执行一个预先设定的程序来完成的。

在步骤S1，将初值设定为外界环境温度Tair。对此初值，使用了一个任意温度(例如：10EC)。在步骤S2，当两电机MG1、MG2转矩为零时，晶体管温度Ttr通过温度传感器312测量。

在步骤S3，当转矩为零时通过晶体管温度Ttr的一个封闭曲线推定水温Tw。当两电机转矩为零，如上面描述的图11所示，晶体管温度Ttr几乎降到水温Tw。因此，此时水温Tw可通过前面的方程(16)推定。

在步骤S4，当两电机的转矩为零时，水温Tw’的变化可通过外界环境温度Tair的初始值来推定。当两电机的转矩为零时，水温Tw’的变化由下面的方程(18)给出，方程(18)是将零代入前述方程(17)右边的第二项和第三项而得到的：

Tw’(i)＝Tw’(i-1)-K63[Twi(i-1)-Tair(i-1)]    (18)

从这个方程可以了解到，冷却水CLW由外部的空气冷却，并且它的温度如图1右端所示逐渐减低。如果实际的外界环境温度Tair和步骤S1中所设的初值一致，用方程(16)推定的水温Tw将被假定同通过方程(18)推定的水温Tw’一致。于是在步骤S5，外界环境温度Tair将被修定，以使水温Tw、Tw’的两个推定值彼此一致。

在步骤S6检查修改的外界空气温度是否在认为正常的预先设定范围。例如，作为一个正常的外界环境温度，可设定-40到+60EC的范围。

一方面，如果修改的外界环境温度不在正常范围之内，在步骤58中操作者将被警告外界环境温度不正常。

顺便提及，对故障的原因，可能有几种，如冷却系统的泵402和晶体管300的温度传感器312。在另一方面，如果修改的外界环境温度Tair在正常范围内，流程进入到步骤S7，在步骤S7通过使用这个修改的外界环境温度Tair，任意时刻的水温Tw可依据方程(17)推定。顺便提及，这个修改的外界环境温度Tair将在下面的行程中作为初值。这里，“行进”指机车控制的行进(从接通导关闭)。

当外界环境温度已经如此推定，水温Tw可以使用方程(17)推定，甚至在两个电机的转矩不为零的情况下。进一步，用前面的方程(7)或(8)，晶体管温度Ttr可由水温Tw反推出来。如果这样反推出的晶体管温度Ttr和从温度传感器312测得的相差很远，就有可能温度传感器312出现故障。也就是说，通过使用推定的水温Tw，可以发现温度传感器312是否出现故障。

顺便提及，提供给混合机车一个温度传感器以测量外界环境温度，温度传感器的测量值可以当作外界环境温度用到前面的方程(17)中。另外，可以通过外界环境温度的测量值是否和图13所示步骤S5的外界环境温度的推定值一致，来发现外界环境温度传感器和冷却系统是否工作正常。

在这里概括所描述的冷却水温度的推定：首先通过使用由温度传感器测得的第二物体温度(晶体管温度或外界环境温度)来推定第一物体的温度(冷却水温度)；然后，以推定的第一物体温度、第二物体的温度增加的部分和温度减少的部分为基础反推第二物体温度。于是，可以通过对比反推的第二物体温度和由温度传感器测得的第二物体温度的差，检查温度传感器是否工作正常。

顺便提及，工作不正常的原因之一是第二物体温度传感器，另一个至少是一个第一物体或第二物体的冷却系统。因此，就可以至少检查这两个部件中的至少一个。顺便提及，上面提到的本实施例的各种温度的推定都是由在主控制部分270(图中没有表示出)中的一个CPU执行一个预先设定的温度推定程序来完成的。这个计算机程序储存在主控制部分270(图中没有表示出)的ROM中。因此，主控制部分240相当于本发明的推定部分。顺便提及，本发明的温度确定由各种温度传感器来实现。但是，在某区域要确定其温度但没有温度传感器的情况下，主控制部分270也起温度确定的作用。

H.改进的例子

注意到本发明并不仅限于所述实施例，在不偏离其要点的范围内可以多种形式实现；例如下面所示的变化也可以。

H1.改进的例子1

在实施例中，称为机械分配形式的混合机车，引擎的动力通过行星齿轮分配给轮轴和电机MG1。但是，本发明可以应用于所述电力分配形式的混合机车，引擎的动力通过电动机/发电机电力地分配，而不使用行星轮。电力分配形式的混合机车已经被公开，例如，由本发明人申请的日本专利公开号No.H9-46965。因此，其解释被省略。

进一步，本发明也可应用于除混合机车外的其他车辆。另外，本发明可应用于除车辆外的各种机械和设备的温度推定和故障检测。

Claims (7)

1.一种温度推定方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)指定一个第一物体；

(b)指定一个可增能的第二物体(300，MG1，MG2)，第二物体由于其增能而产生热，其中所述第二物体展示出响应热的温度变化，该变化比第一物体响应热的温度变化要快得多，所述第二物体安装在第一物体附近而在其间进行热交换，使得当其中不生热时，第二物体呈现的温度等于第一物体的温度；

(c)确定第一和第二物体其中一个的温度；和

(d)以在步骤(c)中确定的温度和一个指出第二物体增能量的特定值为基础推定第一和第二物体中另一个的温度，

其中，当第一物体的温度假设为T1，第二物体的温度假设为T2，与指出增能量的特定值相关的第二物体的温度增量假设为ΔT，则温度增量ΔT和指出增能量的特定值之间的关系预先设定，并且在步骤(d)根据以下方程执行所述推定：T2＝T1+ΔT。

2.如权利要求1所述的温度推定方法，其特征在于，第二物体是功率半导体元件(300)，其中第一物体是冷却所述功率半导体元件的冷却剂，并且步骤(d)包括一个确定温度增量ΔT的过程，此过程依据指出功率半导体元件增能量的特定值从预先确定的温度增量ΔT与指出所述半导体元件的增能量的特定值之间的关系来确定温度增量ΔT。

3.如权利要求1所述的温度推定方法，其特征在于，第一物体是电机的定子铁心(344)，第二物体是电机定子线圈(342)，并且步骤(d)包括一个确定温度增量ΔT的过程，此过程依据指出电机增能量的特定值从预先确定的温度增量ΔT与指出述电机的增能量的特定值之间的关系来确定温度增量ΔT。

4.如权利要求3所述的温度推定方法，其特征在于，步骤(c)包括一个以冷却电机定子的冷却剂的温度和指出电机增能量的特定值为基础来确定定子铁心温度的过程。

5.如权利要求1所述的温度推定方法，其特征在于，第二物体是功率半导体元件(300)，第一物体是冷却所述功率半导体元件的冷却剂，步骤(c)包括一个通过安装在功率半导体元件上的温度传感器测量功率半导体元件温度的过程，并且步骤(d)包括一个在功率半导体元件处于没有增能的状态下，通过功率半导体元件温度变化确定冷却剂温度的过程。

6.一种温度推定方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)指定一个第一物体；

(b)指定一个可增能的第二物体(300，MG1，MG2)，第二物体由于其增能而产生热，其中所述第二物体展示出响应热的温度变化，该变化比第一物体响应热的温度变化要快得多，所述第二物体安装在第一物体附近而在其间进行热交换，使得当其中不生热时，第二物体呈现的温度等于第一物体的温度；

(c)确定第一和第二物体其中一个的温度；和

(d)以在步骤(c)中确定的温度和一个指出第二物体增能量的特定值为基础推定第一和第二物体中另一个的温度，

其中，第二物体是电机的定子铁心，第一物体是冷却电机定子的冷却剂，并且步骤(d)包括一个以冷却剂温度和指出电机增能量的特定值为基础来确定定子铁心温度的过程。

7.一种温度推定设备，通过第一和第二物体其中一个物体的温度，推定另一物体的温度，其特征在于包括：

一个温度确定部分，以确定第一物体和第二物体其中一个的温度；和

一个推定部分，以温度确定部分确定的温度和一个指出第二物体增能量的特定值为基础推定第一和第二物体中另一物体的温度，

其中，第二物体(300、MG1、MG2)是当其增能时能产生热的可增能物体，该第二物体由于热而呈现的温度变化比第一物体由于热而呈现的温度变化快得多，所述第二物体安装在第一物体附近而在其间进行热交换，使得当其中不生热时，第二物体呈现的温度等于第一物体的温度，

其中，当第一物体的温度假设为T1，第二物体的温度假设为T2，与指出增能量的特定值相关的第二物体的温度增量假设为ΔT，则温度增量ΔT和指出增能量的特定值之间的关系预先设定，并且在步骤(d)根据以下方程执行所述推定：T2＝T1+ΔT。

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