CN107797015A - 开关装置的温度传感器的故障诊断方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关装置的温度传感器的故障诊断方法和系统。一种开关装置的温度传感器的故障诊断方法包括利用由开关装置的温度传感器检测的温度和用于冷却开关装置的冷却水的温度来设定采样周期。随后，在采样周期中，比较通过温度传感器检测的温度感测值与存储在存储器中的温度参考值，从而确定在温度传感器中是否发生故障。

Description

开关装置的温度传感器的故障诊断方法和系统

技术领域

本发明涉及一种安装在开关装置中的温度传感器的故障诊断方法和系统，其用于在开关装置的温度超过正常范围时提前关断电流以保护系统。

背景技术

用于驱动电机的逆变器控制器以交流(AC)波形的形式产生供应至电机的电流并且调节其周期，以便利用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、经由脉宽调制(PWM)切换方法来调节电机电流和速度。具体地，IGBT可以执行切换以供应电流，并且在这种情况下产生热量。

当由IGBT产生的热量的量超过由制造该IGBT的公司提出的温度限制规范时，IGBT的寿命会降低，并且会发生IGBT的故障。因此，常规逆变器包括冷却作为主热量源进行工作的IGBT的冷却系统，并且用于车辆的逆变器通常利用水冷却系统。具体地，通常而言，当感测到由于各种原因(例如，冷却系统的异常、部件的异常等)超过正常范围而异常提高的IGBT的温度时，将逆变器控制器配置成提前关断电流以保护系统。

因此，当在感测IGBT的温度期间发生异常(例如，连接器断开连接、短路、噪声、PCB模式的异常、冷焊的硬件错误)并且没有正常感测到IGBT温度时，逆变器输出可能在正常运行状态下关闭，整个车辆系统的正常驱动受到阻碍或者没有检测到IGBT温度的异常，从而损坏逆变器。因此，在使用诸如IGBT的开关装置的电力系统中，对于IGBT温度的感测是否正常以及确保IGBT温度的感测值的可靠性的诊断是重要的技术性关键因素。

公开于该部分的上述信息仅仅旨在加深对发明背景的理解，因此其可以包含的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

因此，本发明提供一种安装在开关装置中的温度传感器的故障诊断方法和系统，用于在没有附加的冷却水的温度传感器或流动传感器的情况下，使用开关装置的温度来确定开关装置的温度传感器是否发生故障。

根据本发明的一个方面，一种开关装置的温度传感器的故障诊断方法可以包括：利用由开关装置的温度传感器检测的温度和用于冷却开关装置的冷却水的温度来设定采样周期，并且在采样周期中将通过温度传感器检测的温度感测值与存储在存储器中的温度参考值进行比较，以及确定在温度传感器中是否发生故障。

设定所述采样周期可以包括将由所述温度传感器检测到的温度升高并且所述冷却水的温度随着时间经过而保持恒定的时间段设定为所述采样周期。所述开关装置可以配置为调节驱动电机所需的电流，并且设定所述采样周期可以包括在所述开关装置将电机从停止状态切换为驱动状态的工作期间，将由所述温度传感器检测到的温度升高、并且所述冷却水的温度随着时间经过而保持恒定的时间段设置为所述采样周期。

控制器可以配置为当所述电机从停止状态切换到驱动状态时，操作所述开关装置以输出比所需电流更大的电流量，并且采样周期可以从开关装置输出所需电流的时间点开始。确定是否发生故障可以包括在所述采样周期中以预设的参考时间间隔比较所述温度感测值和所述温度参考值，并且确定所述温度传感器中是否发生故障。

所述温度参考值可以是基于吸收到所述开关装置中的热量的量和传递到所述冷却水的热量的量来确定的。温度参考值可以根据以下等式来确定。

T₁(t)＝(T₁(0)-T₂(0)-c×m×R_th)×exp(-t/(c×m×R_th))+T₂(0)+c×m×R_th

其中，T₁(t)：在采样周期中经过时间t后的温度参考值，T₁(0)：采样周期中的初始温度感测值，T₂(0)：采样周期中的冷却水的初始温度，c：开关装置的比热，m：开关装置的质量，R_th：合成热电阻。

所述控制器可以配置为当在所述采样周期中经过参考时间之后的温度感测值与温度参考值之间的差小于预设的误差范围时，确定所述温度传感器正常，而当在参考时间过去之后的温度感测值与温度参考值之间的差等于或大于误差范围时，确定所述温度传感器中发生故障。

所述方法可以进一步包括将在所述采样周期中所述温度传感器中发生故障的时间存储在所述存储器中，并且当存储在所述存储器中的时间不定期地分布在所述采样周期中时，将所述温度传感器的故障原因分析为接触不良。此外，所述方法可以进一步包括在所述采样周期中所述温度传感器中发生故障时，将温度感测值存储在所述存储器中，并且当存储在所述存储器中的温度感测值相同时，将所述温度传感器的故障原因分析为短路。

根据本发明的另一个方面，开关装置的温度传感器的故障诊断系统可以包括：温度传感器，其配置为检测所述开关装置的温度；冷却流动通道和冷却水，其冷却所述开关装置；存储器，其配置为存储温度参考值；以及控制器，其配置为利用通过所述温度传感器检测的温度和所述冷却水的温度来设定采样周期，在所述采样周期中比较所述温度参考值和通过所述温度传感器检测到的温度感测值，以确定是否在温度传感器中发生故障。所述控制器可以进一步配置成将通过所述温度传感器检测到的温度升高、同时所述冷却水的温度保持恒定的时间段设定为采样周期。

附图说明

通过随后结合所附附图所呈现的详细描述，将会更为清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征以及其它优点，在这些附图中：

图1是示出根据本发明的示例性实施方案的开关装置的温度和冷却水的温度的每单位时间的温度变化率的曲线图；

图2为根据本发明的示例性实施方案的开关装置的温度传感器的故障诊断方法的流程图；

图3为示出根据本发明的示例性实施方案的开关装置的温度传感器的故障诊断系统的结构的图。

具体实施方式

应了解本文所用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语一般包括机动车辆，如客运汽车，包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、大货车、各种商用车辆、包括多种小船和船舰的船只、飞机等，并包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他选择性的燃料车辆(例如衍生自除了石油之外的来源的燃料)。

虽然示例性实施方案被描述为使用多个单元执行的示例性过程，但是应该理解，示例性过程也可以通过一个或多个模块而被执行。此外，应该理解的是，术语控制器/控制单元指包括存储器和处理器的硬件设备。配置存储器以储存模块，并且专门配置处理器以执行所述模块，以便执行以下进一步描述的一个或更多处理器。

此外，本发明的控制逻辑可以体现为在包括由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非易失性的计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存、智能卡以及光学数据存储设备。计算机可读记录介质也能够被分布在网络联接的计算机系统，以便计算机可读介质以分布的方式被储存并执行，例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网络(CAN)。

本文使用的术语仅为了描述特定实施方案的目的，并非旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”旨在也包括复数形式，除非文中明确地另有所指。还应理解，当在本说明书中使用术语“包含(comprises)”和/或“包括(comprising)”时，特指存在的状态特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其分组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项目的任意和所有组合。

除非具体地规定或者从上下文明显看出，如本文所使用的术语“大约”应理解为在本领域中的正常公差的范围内，例如在平均值的2个标准差内。“大约”能够理解为在规定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％的范围内。除非在上下文中另外明确，否则本文所提供的所有数值都通过术语“大约”来修改。

下面，将参考所附附图来描述根据本发明的示例性实施方案的用于车辆的照明模块。

由本发明提出的开关装置10可以包括在逆变器等中使用并且配置成产生大量的热量的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，所述绝缘栅双极型晶体管是因为开关装置10以极高速度重复接通/断开而产生大量热量。因此，为了散发热量，开关装置10可以进一步包括单独的冷却系统和广泛用作冷却系统的水冷却系统。

在常规上，为了测量从包括水冷却系统的开关装置10所产生的热量，通常而言，已经使用了安装在开关装置10内的温度传感器20以及安装在冷却流动通道30内的温度传感器20或流动传感器。除了传播到大气中的最少量的热量之外，从开关装置10产生的一些热量被吸收到开关装置10或冷却水40中。

本发明提出了一种在特定情况下更准确地预测开关装置10的温度的方法，而不需要在冷却流动通道30中的单独的温度传感器20或流动传感器。具体地，特定情况是图2所示的采样周期。采样周期可以使用由开关装置10的温度传感器20检测的温度和用于在控制器60中的冷却开关装置10的冷却水40的温度来设定。设定采样周期的方法可以基于图1的曲线图。

图1是示出由开关装置10所产生的热量而导致的开关装置10的温度和冷却水40的每单位时间的温度变化率的曲线图。从图1可以看出，开关装置10的温度由于产生的热量而增加，并且在预定时间过去之后通过冷却系统而稳定，并且因此收敛在预定温度。

此外，冷却水40的温度最初不改变(例如，最初保持恒定)，并且在经过预定时间之后，由于将开关装置10的热量传递到冷却水40所需的时间以及由于冷却水40的热容量而使温度增加所需的时间，从而冷却水40的温度增加。因此，本发明提出了这样的一种方法：其设定冷却水40的温度不变化(例如，保持恒定)的时段而作为采样周期并更精确地估计开关装置10的温度而没有单独的传感器。因此，根据本发明的采样周期是指当温度传感器20检测到的温度随着时间经过而增加，同时冷却水40的温度保持恒定的时间段，如图1所示。

例如，开关装置10可以是配置为调节驱动电机所需的电流的开关装置。具体地，开关装置10可以是配置为调节施加到驱动电机的电流的IGBT装置。因此，在采样周期的设定(步骤S10)中，在开关装置10将电机从停止状态切换到驱动状态的工作期间，控制器可以配置为，将当温度传感器检测到的温度随着时间经过而增加，同时冷却水的温度保持恒定的时间段作为采样周期。

在将电机从停止状态切换到驱动状态时，控制器60可以配置为操作开关装置10以在短时间段内输出比实际需要的电流更大的电流量，并且从这样的时间点开始采样周期，在该时间点，从开关装置10输出的电流被再次降低并输出期望的所需电流。当由开关装置10供应给驱动电机的所需电流为最小时，开关装置10和冷却水之间的温度差最小，因此可能难以比较温度。因此，根据本发明，当开始电机驱动时，可以在短时间段内从开关装置10输出最大电流量，并且在最初确定温度突然改变的时段并对该时段进行采样以比较温度，从而可以更准确地确定开关装置10的温度传感器20是否发生故障。

在采样周期的设定(步骤S10)中设定采样周期之后，控制器可以配置为将温度感测值和温度参考值进行比较(步骤S20)，如图2所示。具体地，可以在采样周期中以预设的参考时间间隔比较温度感测值和温度参考值。参考时间可以根据设计者的要求而具有各种值，并且随着参考时间的减少，开关装置10的温度感测的精度可以提高。然而，控制器60可能过载，因此需要适当地选择参考时间(图1的采样周期中的值t₁，t₂至t_k指的是本发明中的温度感测值)。

温度感测值可以由安装在开关装置10内的温度传感器20感测，因此，可以使用感测值而不进行改变，但是与温度感测值进行比较的温度参考值可以基于由开关装置10吸收的热量的量和从开关装置10传递到冷却水40的热量的量来确定。具体地，温度参考值可以根据以下等式来获得。

T₁(t)＝(T₁(0)-T₂(0)-c×m×R_th)×exp(-t/(c×m×R_th))+T₂(0)+c×m×R_th

其中，T₁(t)：在采样周期中经过时间t后的温度参考值，T₁(0)：采样周期中的初始温度感测值，T₂(0)：采样周期中的冷却水40的初始温度，c：开关装置10的比热，m：开关装置10的质量，R_th：合成热电阻。

具体地，合成热电阻可以通过将IGBT的热电阻和冷却水40的热电阻求和来获得，并且IGBT和冷却水40可以彼此串联连接，因此即使当确定合成热电阻时，也不存在根据其获得温度参考值的显著误差。

从上述等式可以看出，该等式表示微分等式的解，并且如上所述，由于冷却水40的温度在采样周期中具有恒定值，因此冷却水40的温度不对应于变量，并且因此冷却水40的温度可以被计算为常数并且根据上述等式以开关装置10的温度的微分等式的形式进行计算。然而，在上述等式中需要确定采样周期中的冷却水40的初始温度，但是冷却水40的初始温度是当不从开关装置10产生热量时的冷却水40的温度，因此，可以测量和确定冷却水40的初始温度，然后可以连续使用测量的温度。

具体地，温度感测值和温度参考值的比较(步骤S20)包括比较温度感测值和温度参考值之间的差值是否小于预设误差范围，如图2所示。当温度感测值和温度参考值之间的差值小于误差范围时，可以确定温度传感器20正常(步骤S30)(例如，没有失效或故障)，而当温度感测值和温度参考值之间的差值等于或大于误差范围时，则可以确定温度传感器20故障(步骤S40)。

误差范围可以是在使用传感器检测的温度感测值与理论上获得的温度参考值之间产生的误差值，并且可以被认为是本发明的示例性实施方案的余量值(margin value)。因此，根据温度传感器20的精度或设计者的要求，误差范围可以具有各种值。另外，温度参考值可以存储在存储器50中。具体地，存储器50可以是控制器60中的存储空间，诸如只读存储器(ROM)、以及与控制器60无关的单独的存储器50。

根据本发明，当温度传感器20中发生故障时，可以分析温度传感器20的故障原因，而与温度检测值和温度参考值之间的差值何时小于误差范围，以及温度传感器20何时被确定为正常无关。具体地，如图2所示，在确定温度传感器20中的故障(步骤S40)之后，可以将在采样周期中温度传感器20中发生故障的时间、或当在温度传感器20中确定发生故障时的温度感测值，通过存储器50中的记录(步骤S50)而存储在存储器50中。然后，可以基于存储在存储器50中的信息来分析温度传感器20的故障原因(步骤S60)，并且根据本发明，故障原因可以广泛地包括由于接触不良导致的故障和由于短路导致的故障。

当在温度传感器20中发生接触不良时，在温度传感器20中发生接触或非接触，因此，通过温度感测值的温度传感器20的故障诊断不一定是恒定的。因此，当存储在存储器50中的温度传感器20的故障诊断时间不定期地分布在采样周期中时，可以将温度传感器20的故障原因确定为接触不良。

此外，当温度传感器20短路时，可以不使用温度传感器20检测开关装置10的温度，因此，通过温度传感器20检测的温度感测值不可避免地恒定。因此，当存储在存储器50中的温度感测值相同时，可以将温度传感器20的故障原因确定为短路。

根据本发明，开关装置10的温度传感器20的故障诊断系统可以包括：温度传感器20，其配置为检测开关装置10的温度；冷却流动通道30和冷却水40，其用于冷却开关装置10；存储器50，其配置为存储温度参考值；以及控制器60，其配置为使用由温度传感器20检测的温度和冷却水40的温度来设定采样周期，并且在采样周期中比较温度参考值和由温度传感器20检测的温度感测值，以确定温度传感器20是否发生故障，如图3所示。

通过上述说明显然的是，根据本发明，当确定开关装置的温度传感器中是否发生故障时，可以不利用附加的冷却水的温度传感器和流动传感器而估算开关装置的温度的预测值来确定是否发生故障，从而降低用于另外安装传感器的成本并降低系统复杂性，并且在开关装置的温度传感器中是否发生故障可以被确定为在电力系统的安全性中的重要方面，从而增强电力系统的安全性和可靠性。

虽然以上已经参照所附附图描述了本发明的示例性实施方案，但是本领域技术人员将理解的是，本发明可以在各种其他示例性实施方案中实现，而不改变其技术构思或特征。

Claims (13)

1.一种开关装置的温度传感器的故障诊断方法，其包括：

使用由开关装置的温度传感器检测的温度和用于冷却开关装置的冷却水的温度，通过控制器来设定采样周期；

在采样周期中，通过控制器将通过温度传感器检测的温度感测值与存储在控制器的存储器中的温度参考值进行比较，并且确定在温度传感器中是否发生故障。

2.根据权利要求1所述的开关装置的温度传感器的故障诊断方法，其中，设定采样周期包括：

通过控制器将由温度传感器检测到的温度升高、同时冷却水的温度随着时间经过保持恒定的时间段设定为采样周期。

3.根据权利要求1所述的开关装置的温度传感器的故障诊断方法，其中：

开关装置配置为调节驱动电机所需的电流；

设定采样周期包括：在开关装置将电机从停止状态切换为驱动状态的工作期间，将由温度传感器检测到的温度升高、同时冷却水的温度随着时间经过保持恒定的时间段设置为采样周期。

4.根据权利要求3所述的开关装置的温度传感器的故障诊断方法，其中：

控制器配置为当电机从停止状态切换到驱动状态时，操作开关装置以输出比所需电流更大的电流量；

采样周期从开关装置输出所需电流的时间点开始。

5.根据权利要求1所述的开关装置的温度传感器的故障诊断方法，其中，确定是否发生故障包括：

通过控制器，在采样周期中以预设的参考时间间隔比较温度感测值和温度参考值；

通过控制器确定温度传感器中是否发生故障。

6.根据权利要求5所述的开关装置的温度传感器的故障诊断方法，其中，温度参考值是基于吸收到开关装置中的热量的量和传递到冷却水的热量的量来确定的。

7.根据权利要求5所述的开关装置的温度传感器的故障诊断方法，其中，温度参考值根据如下等式来确定：

T₁(t)＝(T₁(0)-T₂(0)-c×m×R_th)×exp(-t/(c×m×R_th))+T₂(0)+c×m×R_th

其中，T₁(t)：在采样周期中经过时间t后的温度参考值，T₁(0)：采样周期中的初始温度感测值，T₂(0)：采样周期中的冷却水的初始温度，c：开关装置的比热，m：开关装置的质量，R_th：合成热电阻。

8.根据权利要求5所述的开关装置的温度传感器的故障诊断方法，其中，控制器配置为当在采样周期中经过参考时间之后的温度感测值和温度参考值之间的差小于预设的误差范围时，确定温度传感器正常，而当在经过参考时间之后的温度感测值和温度参考值之间的差等于或大于误差范围时，确定温度传感器中发生故障。

9.根据权利要求8所述的开关装置的温度传感器的故障诊断方法，进一步包括：

通过控制器将在采样周期中温度传感器发生故障的时间存储在存储器中；

当在采样周期中不定期地分布存储在存储器中的时间时，通过控制器将温度传感器的故障原因分析为接触不良。

10.根据权利要求8所述的开关装置的温度传感器的故障诊断方法，进一步包括：

在采样周期中温度传感器中发生故障时，将温度感测值存储在存储器中；

当存储在存储器中的温度感测值相同时，通过控制器将温度传感器的故障原因分析为短路。

11.一种开关装置的温度传感器的故障诊断系统，其包括：

温度传感器，其配置为检测开关装置的温度；

冷却流动通道和冷却水，其冷却开关装置；

存储器，其配置为存储温度参考值；

控制器，其配置为使用通过温度传感器检测的温度和冷却水的温度来设定采样周期，在采样周期中比较温度参考值和通过温度传感器检测到的温度感测值，以确定是否在温度传感器中发生故障。

12.根据权利要求11所述的开关装置的温度传感器的故障诊断系统，其中，控制器配置成将通过温度传感器检测到的温度升高、同时冷却水的温度保持恒定的时间段设定为采样周期。

13.根据权利要求11所述的开关装置的温度传感器的故障诊断系统，其中，所述温度参考值根据如下等式来确定：

T₁(t)＝(T₁(0)-T₂(0)-c×m×R_th)×exp(-t/(c×m×R_th))+T₂(0)+c×m×R_th

其中，T₁(t)：在采样周期中经过时间t后的温度参考值，T₁(0)：采样周期中的初始温度感测值，T₂(0)：采样周期中的冷却水的初始温度，c：开关装置的比热，m：开关装置的质量，R_th：合成热电阻。