CN109143012B - Igbt剩余寿命预估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种IGBT剩余寿命预估方法，所述IGBT剩余寿命预估方法将估算IGBT的温度作为IGBT剩余寿命预估的基础，先对估算的温度进行拐点判别，再利用雨流计数判别条件筛选符合判别条件的温度拐点，从而获取相邻温度拐点之间的温度平均值及温度变化幅值，基于预定义的影响因子三维矩阵和温度平均值及温度变化幅值各自构成的数组分别推算影响因子三维矩阵中每个坐标点的损耗因子和计数因子进而获取IGBT的损耗程度以及IGBT的剩余寿命。本发明的方法主要基于IGBT的估算温度，与通用的硬件测量方法相比，无需增加额外硬件，不仅缩减了成本，还避免了信号之间的扰动，提高了预估结果的精准度。
Description
技术领域
本发明涉及可靠性分析技术领域，特别涉及一种IGBT剩余寿命预估方法。
背景技术
在纯电动车和混合动力汽车中，电驱动系统主要由驱动电机、逆变器和高压电池组成；其中，逆变器作为核心元部件，主要由IGBT和续流二极管组成。由于IGBT不同于长期工作在定工况的工业发电机、电动机，IGBT在电动车长期处于加速减速的过程中，会经受10khz的开关频率，长期的电流冲击和热冲击极易对IGBT性能造成损伤。因此，估算IGBT的损耗程度以及残余寿命预估成为新能源汽车领域的一个重点研究内容。
现有的IGBT剩余寿命预估方法主要以测量IGBT所在电路参数为主，具体包括热阻、关断时间、集射级饱和压降等。然而，这些方法均面临着不同的物理制约。例如，采用热阻法时，理论背景为不同的损耗会对IGBT的热阻造成影响，进而影响元器件运行过程中的发热量，通过添加热电偶的方式可以对这一参量进行采集，然而，精准的热电偶成本较高，且每个逆变器均由至少六个IGBT组成，如果为每个IGBT均配置一个热电偶，将对成本造成很大提升；采用关断时间进行测量时，理想情况下，不同损耗IGBT的关断时间有所差别，但在实际工程应用中，IGBT的工作频率已经高达10khz，在此基础上的微小时间变化很难通过物理的方式进行测量；集射级饱和压降预估寿命的方法是通过测量集电极与发射极之间的电势差来预估寿命，但是该方法一方面受到开关频率高的影响，需要使用成本极高的采样电路才能跟随上这一开关频率，另一方面，IGBT的温度变化本身就对集射级的压降有很大的影响，很容易对测量精度造成扰动。
综上，针对采用硬件测量方法获取IGBT剩余寿命预估方法存在的不足，主要在于成本高、测量精度低的问题，由此，提出一种满足低成本、高测量精度的IGBT剩余寿命预估方法成为现有技术中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种IGBT剩余寿命预估方法，以弥补使用现有的通过测量IGBT所在电路参数预估IGBT剩余寿命预估方法存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种IGBT剩余寿命预估方法，所述IGBT剩余寿命预估方法包括以下步骤：
S1：对IGBT的温度进行估算以获取估算温度；
S2：筛选出估算温度中的温度拐点，筛选出符合雨流计数判别条件的温度拐点，以获取相邻温度拐点之间的温度平均值及温度变化幅值，并构建温度平均值形成第一数组，构建温度变化幅值形成第二数组；
S3：根据预定义的影响因子三维矩阵推算所述影响因子三维矩阵中每个坐标点的损耗因子，根据所述第一数组和所述第二数组寻找其对应于所述影响因子三维矩阵中的每个坐标点的计数因子，并根据每个坐标点的损耗因子和计数因子获得IGBT的损耗程度；
S4：根据所述IGBT的损耗程度计算IGBT的剩余寿命。
可选的，在所述的IGBT剩余寿命预估方法中，在步骤S1中，基于连续的温度信号对IGBT的温度进行估算。
可选的，在所述的IGBT剩余寿命预估方法中，还包括：
S0：预定义一迟滞因子，所述连续温度信号先通过迟滞因子滤波，再基于经过滤波的温度信号对IGBT的温度进行估算。
可选的，在所述的IGBT剩余寿命预估方法中，步骤S1包括：
获取环境温度，并根据接收的连续温度信号获取IGBT的功率损耗；
根据IGBT的功率损耗和热阻计算IGBT的温升，将IGBT的温升与环境温度求和作为IGBT的估算温度。
可选的，在所述的IGBT剩余寿命预估方法中，步骤S2包括：
S21：筛选出估算温度中的温度拐点，按照筛选出的温度拐点的先后顺序依次存入若干拐点数组中，其中，每个拐点数组包括四个温度拐点；
S22：寻找每个拐点数组中符合雨流计数判别条件的温度拐点，并计算每个拐点数组中符合雨流计数判别条件的温度拐点的温度平均值及温度变化幅值，并将每次计算的温度平均值及温度变化幅值分别存至第一数组和第二数组。
可选的，在所述的IGBT剩余寿命预估方法中，在步骤S22中，寻找每个拐点数组中符合雨流计数判别条件的温度拐点的过程如下：
任一拐点数组中四个温度拐点构成三个区间，若中间区间的范围小于剩余两个区间的范围，则判定构成中间区间的两个拐点符合雨流计数判别条件；反之，则判定当前拐点数组中不存在符合雨流计数判别条件的拐点。
可选的，在所述的IGBT剩余寿命预估方法中，当拐点数组包括的四个温度拐点分别为TP1、TP2、TP3、TP4，且TP2、TP3为拐点数组中符合雨流计数判别条件的温度拐点时，温度平均值等于TP2和TP3的平均值，温度变化幅值等于TP3与TP2的差值的绝对值。
可选的，在所述的IGBT剩余寿命预估方法中，步骤S3包括：
S31：预定义一影响因子三维矩阵，其中，所述影响因子三维矩阵的x坐标表征温度平均值，y坐标表征温度变化幅值，z坐标表征x，y坐标对应的温度平均值、温度变化幅值下对应的损耗因子，并预定义x坐标、y坐标的变化范围和各自的单位坐标；
S32：根据所述影响因子三维矩阵中x坐标和y坐标所限定的坐标点推算所述坐标点的损耗因子；
S33：将所述第一数组和所述第二数组分别按照最小二乘法寻找其对应于所述影响因子三维矩阵中的坐标点，并将所在坐标点的计数因子增加1；
S34：将每个坐标点的损耗因子与对应坐标点的计数因子相乘，并将所有坐标点获得的乘积结果求和以获得IGBT的损耗程度。
可选的，在所述的IGBT剩余寿命预估方法中，步骤S32包括：
设定实验条件，所述实验条件通过从所述影响因子三维矩阵中x坐标和y坐标分别选取一个坐标，每个实验条件对应x-y坐标系中一坐标点；
将IGBT置于所选取的实验条件下进行反复实验直至损坏，并统计在当前实验条件下IGBT损坏所需的实验循坏次数，所述循坏次数的倒数为对应当前实验条件下的坐标点的损耗因子。
可选的，在所述的IGBT剩余寿命预估方法中，每个坐标点的损耗因子采用Coffin-Manson公式计算，所述Coffin-Manson公式如下：
其中，
为损耗因子；a，n为参数；k为玻尔兹曼常数；Ea为激发能常数；Tm为温度平均值，ΔTj为温度变化幅值。
可选的，在所述的IGBT剩余寿命预估方法中，在步骤S4中，所述IGBT的剩余寿命百分比等于1减去所述IGBT的损耗程度。
在本发明所提供的IGBT剩余寿命预估方法中，所述IGBT剩余寿命预估方法将估算IGBT的温度作为IGBT剩余寿命预估的基础，先对估算的温度进行拐点判别，再利用雨流计数判别条件筛选符合判别条件的温度拐点，从而获取相邻温度拐点之间的温度平均值及温度变化幅值，基于预定义的影响因子三维矩阵和温度平均值及温度变化幅值各自构成的数组分别推算影响因子三维矩阵中每个坐标点的损耗因子和计数因子进而获取IGBT的损耗程度以及IGBT的剩余寿命。本发明的方法主要基于IGBT的估算温度，与通用的硬件测量方法相比，无需增加额外硬件，不仅缩减了成本，还避免了信号之间的扰动，提高了预估结果的精准度。
附图说明
图1是本发明一实施例的IGBT剩余寿命预估方法的流程图；
图2是本发明一实施例中雨流计数判别条件的示意图；
图3是本发明一实施例中预定义的影响因子三维矩阵录入损耗因子后的示意图；
图4是本发明一实施例中预定义的影响因子三维矩阵录入计数因子后的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的IGBT剩余寿命预估方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，其为本发明的IGBT剩余寿命预估方法的流程图，如图1所示，所述IGBT剩余寿命预估方法具体包括如下步骤：
首先，执行步骤S1，对IGBT的温度进行估算以获取估算温度；具体的，基于连续的温度信号对IGBT的温度进行估算，其具体过程包括：获取环境温度，并根据接收的连续温度信号获取IGBT的功率损耗；根据IGBT的功率损耗和热阻计算IGBT的温升(计算公式为：ΔT＝P*Rc，ΔT为IGBT的温升，P为IGBT的功率损耗，Rc为IGBT的热阻)，将IGBT的温升与环境温度求和作为IGBT的估算温度。
接着，执行步骤S2，筛选出估算温度中的温度拐点，筛选出符合雨流计数判别条件的温度拐点，以获取温度拐点的温度平均值及温度变化幅值，并构建温度平均值及温度变化幅值各自的数组，其中，构建温度平均值形成第一数组，构建温度变化幅值形成第二数组。
步骤S2具体的包括：
S21：筛选出估算温度中的温度拐点，按照筛选出的温度拐点的先后顺序依次存入若干拐点数组中(即每个拐点数组中的温度拐点均为连续的拐点)，其中，每个拐点数组包括四个温度拐点；
S22：寻找每个拐点数组中符合雨流计数判别条件的温度拐点，并计算每个拐点数组中符合雨流计数判别条件的温度拐点的温度平均值及温度变化幅值，并将每次计算的温度平均值及温度变化幅值分别存至第一数组和第二数组。
步骤S21为步骤S22的执行奠定基础，两个步骤均为满足雨流计数法而设定的。雨流计数法又可称为“塔顶法”，在疲劳寿命计算中运用非常广泛。把应变-时间历程数据记录转过90°,时间坐标轴竖直向下,数据记录犹如一系列屋面,雨水顺着屋面往下流,故称为雨流计数法，雨流计数法对载荷的时间历程进行计数的过程反映了材料的记忆特性，具有明确的力学概念，因此该方法得到了普遍的认可。通常雨流计数法被广泛应用于机械行业进行寿命预估，本发明基于雨流计数法的理论背景获知，其不局限于机械行业，考虑到IGBT的损耗最终也是由于其内部的绑定铝线在热冲击及大电流冲击下造成结合点的裂纹损伤造成，符合雨流计数法对于失效的界定，因此，可以将雨流计数法扩展至解决IGBT寿命预估的问题当中。较佳的，当采用雨流计数法时，可以在通过多种方式达到器件保护的目的，例如当损耗率超过一定范围(可标定)时，通过仪表面板的指示灯信号提醒驾驶员及时更换逆变器模组，或在损耗率高时开启限功率模式，提高了IGBT的使用寿命。
根据国际材料组织ASTM的定义，将连续输入信号的转折点定义为拐点，将连续的四个拐点归为一组，计算当中的三个区间，当中间的区间范围小于之前与之后的两个区间的范围时，认为其满足雨流计数法。具体的，请参考图2，本实施例中,所述连续输入信号为连续温度信号，拐点为温度变化趋势出现转折的点，因此，每个拐点指代的是温度拐点。在步骤S22中，寻找每个拐点数组中符合雨流计数判别条件的温度拐点的过程如下：任一拐点数组中四个温度拐点构成三个区间，若中间区间的范围小于剩余两个区间的范围，则判定构成中间区间的两个拐点符合雨流计数判别条件；反之，则判定当前拐点数组中不存在符合雨流计数判别条件的拐点。最终保留存在符合雨流计数判别条件的拐点的拐点数组，舍弃不存在不存在符合雨流计数判别条件的拐点的拐点数组。
为了较好的理解温度平均值及温度变化幅值的计算过程，以任一拐点数组包括四个温度拐点分别为TP1、TP2、TP3、TP4为例，若|TP1-TP2|>|TP2-TP3|且|TP3-TP4|>|TP2-TP3|，则判定TP2、TP3为拐点数组中符合雨流计数判别条件的温度拐点，温度平均值为
温度变化幅值为|TP2-TP3|。
接着，执行步骤S3，根据预定义的影响因子三维矩阵推算所述影响因子三维矩阵中每个坐标点的损耗因子，根据所述第一数组和所述第二数组寻找其对应于所述影响因子三维矩阵中的每个坐标点的计数因子，并根据每个坐标点的损耗因子和计数因子获得IGBT的损耗程度。
步骤S3具体包括：
S31：预定义一影响因子三维矩阵，其中，所述影响因子三维矩阵的x坐标表征温度平均值，y坐标表征温度变化幅值，z坐标表征x，y坐标对应的温度平均值、温度变化幅值下对应的损耗因子，并预定义x坐标、y坐标的变化范围和各自的单位坐标(具体请参考图3)；
S32：根据所述影响因子三维矩阵中x坐标和y坐标所限定的坐标点推算所述坐标点的损耗因子；其中，推算每个坐标点的损耗因子的过程如下：
设定实验条件，所述实验条件通过从所述影响因子三维矩阵中x坐标和y坐标分别选取一个坐标，每个实验条件对应x-y坐标系中一坐标点；
将IGBT置于所选取的实验条件下进行反复实验直至损坏，并统计在当前实验条件下IGBT损坏所需的实验循坏次数，所述循坏次数的倒数为对应当前实验条件下的坐标点的损耗因子。
通过计算损耗因子的Coffin-Manson公式(即
为损耗因子；a，n为参数；k为玻尔兹曼常数；Ea为激发能常数；Tm为温度平均值，ΔTj为温度变化幅值，其中，Ea、a、n均可通过仿真或实验测试获取)可知，IGBT的使用寿命同时受到温度平均值与温度变化幅值的影响，因此，预定义的影响因子三维矩阵以符合雨流计数判别条件的温度拐点的温度平均值(后续简称为温度平均值)和符合雨流计数判别条件的温度拐点的温度变化幅值(后续简称为温度变化幅值)作为预定义的依据。当影响因子三维矩阵中对x，y各自的单位坐标比较小，确定的坐标点过多时，无需每个坐标点均采用加速寿命实验获取损耗因子，仅需要通计算几个坐标点的损耗因子即可确定Coffin-Manson公式中未知参数a，n，后续基于已算出的a，n计算剩余坐标点的损耗因子即可，简化了计算过程。
S33：请参考图4，将所述第一数组和所述第二数组分别按照最小二乘法寻找其对应于所述影响因子三维矩阵中的坐标点(图4中每个格代表一个坐标点)，并将所在坐标点的计数因子增加1；
S34：将每个坐标点的损耗因子与对应坐标点的计数因子相乘，并将所有坐标点获得的乘积结果求和以获得IGBT的损耗程度。
由于步骤S32中根据影响因子三维矩阵推算所述坐标系中每个坐标点的损耗因子是根据设定实验条件反复实验获得的，其与实际情况有所不同，实际情况中，会受到多方面因素的影响，因此，经实验推算出的损耗因子存在一定的误差。针对该问题，步骤S34中通过将每个坐标点的计数因子的数值(基于实际情况下记录的数据)和每个坐标点中录入的损耗因子(基于实验条件获取的数据)相结合，最终计算IGBT的损耗程度的精准度较高，符合实际需求，无需增加额外硬件，缩减了成本。
接着，执行步骤S4，根据所述IGBT的损耗程度计算IGBT的剩余寿命。其中，所述IGBT的剩余寿命百分比等于1减去所述IGBT的损耗程度。
进一步地，所述的IGBT剩余寿命预估方法在步骤S1之前还包括步骤S0，预定义一迟滞因子的步骤，将连续温度信号先通过迟滞因子滤波后传输给所述IGBT温度估算模型，从而降低传输给所述IGBT温度估算模型的温度的连续震荡对于预估精度造成的影响，提高了估算IGBT的温度的精度、简化了计算量。
综上，在本发明所提供的IGBT剩余寿命预估方法中，所述IGBT剩余寿命预估方法将估算IGBT的温度作为IGBT剩余寿命预估的基础，先对估算的温度进行拐点判别，再利用雨流计数判别条件筛选符合判别条件的温度拐点，从而获取相邻温度拐点之间的温度平均值及温度变化幅值，基于预定义的影响因子三维矩阵和温度平均值及温度变化幅值各自构成的数组分别推算影响因子三维矩阵中每个坐标点的损耗因子和计数因子进而获取IGBT的损耗程度以及IGBT的剩余寿命。本发明的方法主要基于IGBT的估算温度，与通用的硬件测量方法相比，无需增加额外硬件，不仅缩减了成本，还避免了信号之间的扰动，提高了预估结果的精准度。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种IGBT剩余寿命预估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对IGBT的温度进行估算以获取估算温度；
S2：筛选出估算温度中的温度拐点，筛选出符合雨流计数判别条件的温度拐点，以获取相邻温度拐点之间的温度平均值及温度变化幅值，并构建温度平均值形成第一数组，构建温度变化幅值形成第二数组；
S3：根据预定义的影响因子三维矩阵推算所述影响因子三维矩阵中每个坐标点的损耗因子，根据所述第一数组和所述第二数组寻找其对应于所述影响因子三维矩阵中的每个坐标点的计数因子，并根据每个坐标点的损耗因子和计数因子获得IGBT的损耗程度；
S4：根据所述IGBT的损耗程度计算IGBT的剩余寿命；
其中，步骤S3包括：
S31：预定义一影响因子三维矩阵，其中，所述影响因子三维矩阵的x坐标表征温度平均值，y坐标表征温度变化幅值，z坐标表征x，y坐标对应的温度平均值、温度变化幅值下对应的损耗因子，并预定义x坐标、y坐标的变化范围和各自的单位坐标；
S32：根据所述影响因子三维矩阵中x坐标和y坐标所限定的坐标点推算所述坐标点的损耗因子；
S33：将所述第一数组和所述第二数组分别按照最小二乘法寻找其对应于所述影响因子三维矩阵中的坐标点，并将所在坐标点的计数因子增加1；
S34：将每个坐标点的损耗因子与对应坐标点的计数因子相乘，并将所有坐标点获得的乘积结果求和以获得IGBT的损耗程度。
2.如权利要求1所述的IGBT剩余寿命预估方法，其特征在于，在步骤S1中，基于连续的温度信号对IGBT的温度进行估算。
3.如权利要求2所述的IGBT剩余寿命预估方法，其特征在于，还包括：
S0：预定义一迟滞因子，所述连续温度信号先通过迟滞因子滤波，再基于经过滤波的温度信号对IGBT的温度进行估算。
4.如权利要求1所述的IGBT剩余寿命预估方法，其特征在于，步骤S1包括：
获取环境温度，并根据接收的连续温度信号获取IGBT的功率损耗；
根据IGBT的功率损耗和热阻计算IGBT的温升，将IGBT的温升与环境温度求和作为IGBT的估算温度。
5.如权利要求1所述的IGBT剩余寿命预估方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21：筛选出估算温度中的温度拐点，按照筛选出的温度拐点的先后顺序依次存入若干拐点数组中，其中，每个拐点数组包括四个温度拐点；
S22：寻找每个拐点数组中符合雨流计数判别条件的温度拐点，并计算每个拐点数组中符合雨流计数判别条件的温度拐点的温度平均值及温度变化幅值，并将每次计算的温度平均值及温度变化幅值分别存至第一数组和第二数组。
6.如权利要求5所述的IGBT剩余寿命预估方法，其特征在于，在步骤S22中，寻找每个拐点数组中符合雨流计数判别条件的温度拐点的过程如下：
任一拐点数组中四个温度拐点构成三个区间，若中间区间的范围小于剩余两个区间的范围，则判定构成中间区间的两个拐点符合雨流计数判别条件；反之，则判定当前拐点数组中不存在符合雨流计数判别条件的拐点。
7.如权利要求6所述的IGBT剩余寿命预估方法，其特征在于，当拐点数组包括的四个温度拐点分别为TP1、TP2、TP3、TP4，且TP2、TP3为拐点数组中符合雨流计数判别条件的温度拐点时，温度平均值等于TP2和TP3的平均值，温度变化幅值等于TP3与TP2的差值的绝对值。
8.如权利要求1所述的IGBT剩余寿命预估方法，其特征在于，步骤S32包括：
设定实验条件，所述实验条件通过从所述影响因子三维矩阵中x坐标和y坐标分别选取一个坐标，每个实验条件对应x-y坐标系中一坐标点；
将IGBT置于所选取的实验条件下进行反复实验直至损坏，并统计在当前实验条件下IGBT损坏所需的实验循坏次数，所述循坏次数的倒数为对应当前实验条件下的坐标点的损耗因子。
9.如权利要求1所述的IGBT剩余寿命预估方法，其特征在于，每个坐标点的损耗因子采用Coffin-Manson公式计算，所述Coffin-Manson公式如下：
其中，
为损耗因子；a，n为参数；k为玻尔兹曼常数；Ea为激发能常数；Tm为温度平均值，
为温度变化幅值。
10.如权利要求1至7中任一项所述的IGBT剩余寿命预估方法，其特征在于，在步骤S4中，所述IGBT的剩余寿命百分比等于1减去所述IGBT的损耗程度。
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| 功率IGBT模块的寿命预测;王彦刚 等;《机车电传动》;20130331;第16页第4节至第17页第5节 * |
| 功率变流器的可靠性研究现状及展望;周雒维 等;《电源学报》;20130131;第9页第4.1节至第10页第4.2节 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11846668B2 (en) | 2019-03-12 | 2023-12-19 | Schneider Electric Power Drives Gmbh | Method for assessing the thermal loading of a converter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109143012A (zh) | 2019-01-04 |
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