CN110411594B - 一种功率器件管芯温度估算方法与设备 - Google Patents

一种功率器件管芯温度估算方法与设备 Download PDF

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Abstract

一种功率器件管芯温度估算方法与设备，包括标定设备和电机控制器，所述标定设备中设置有温度检测模块和中心逻辑处理及标定模块，所述中心逻辑处理及标定模块分别与温度检测模块和电机控制器电性连接；所述温度检测模块和中心逻辑处理及标定模块均与电机控制器电性连接；相对于传统的测量方法，该方法及其设备无需测量微弱的信号，所有需要的参数均可通过普通的测量方法测得，也无需做抗干扰噪声的处理，本发明中设计了功率器件管芯温度估算通用型标定设备，解决了人工操作复杂的问题，降低了标定过程所需的人力物力。

Description

一种功率器件管芯温度估算方法与设备
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，特别涉及一种功率器件管芯温度估算方法与设备。
背景技术
电机控制器的功率模块是纯电动车的核心部分，它决定着输出功率的大小以及控制器的性能，而影响功率器件的性能及使用寿命的关键因素之一是温度。有关研究表明功率器件的失效有55％是由于功率器件过热引起的，为使功率器件的性能得以充分发挥，使功率器件的安全性能得以保证，得知功率器件管芯温度显得十分重要，而在电机控制器上无法直接测量功率器件的管芯温度。
现有的技术方案中，大部分是利用半导体器件的电学量是与温度相关的函数，如晶体管集电极和发射极之间相对于时间变化的关断电压变化、开启电压降等，估算当前功率器件的管芯温度。
例如专利名称为“用于估算晶体管的温度的方法”(申请号为201610108069.5)中公开的方法具体如下：
检测器测量晶体管的集电极和发射极之间的相对于时间变化的关断电压变化，和晶体管在集电极处的峰值电压。基于关断电压变化和峰值电压，电子数据处理器确定关断电流、开启电流和开态电压降的中间参数。基于晶体管的集电极和发射极之间的关断电流、开启电流和开态电压降，数据处理器确定晶体管在一个开关循环内的功率损耗或能量损耗。数据处理器估算晶体管在开关循环内的相关联的平均管芯温度。
上述方法十分依赖测量信号的精度，对于关断电压变化的测量，要求较高的系统响应性，以及数据处理的速度，而且需要额外的硬件电路，增加了控制器成本。此外开启电压降的测量属于微弱信号检测，噪声对其影响很大，不易于实现。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种功率器件管芯温度估算方法与设备，过普通的测量方法测得所需参数，解决了人工操作复杂的问题，降低了标定过程所需的人力物力。
一种功率器件管芯温度估算方法，包括以下步骤：
S1：以一阶低通滤波器的形式表示出Foster-Type热网络模型，并基于一阶Foster-Type热网络模型搭建温度估算模型；
S2：通过工程标定来记录在不同相电流、不同电角速度下的一系列不同的数据；
S3：以曲线拟合的方式确定不同相电流、不同电角速度所对应的模型的参数；
S4：将步骤S3中确定的参数通过CAN收发器发送至电机控制器MCU中，并写入电机控制器的flash中；
S5：当电机控制器离线应用时，通过采集实时的相电流及铝台温度，并借助上述写入电机控制器的flash中的一系列参数，精确的估算出当前功率器件管芯温度。
通过标定设备来确定一系列参数，并根据采集到的铝台温度来估算出当前功率器件管芯温度。
优选的，所述步骤S1中还包括以下步骤：采用z变换的方式将所述温度估算模型传递函数离散化。
优选的，所述步骤S2中标定的数据包括功率器件管芯温度随时间变化的曲线、铝台温度随时间变化的曲线、当前电机控制器输出的相电流最大值和当前电机控制器输出的电角速度。
优选的，所述数据的标定方法具体为：固定电角速度,等间隔改变相电流最大值，然后等间隔增加电角速度，每增加一次电角速度，便将相电流等间隔循环一次。每次测量时，均需记录功率器件管芯温度以及铝台温度随时间的变化，且每次开始测量都需要等到管芯温度以及铝台温度降至环境温度。
优选的，所述步骤S3中拟合曲线的具体步骤为：
S3.1：将功率器件管芯温度与铝台温度做差，将差值进行曲线拟合；
S3.2：拟合固定电角速度不同相电流的一系列曲线；
S3.3：增加电角速度这一维度，将不同电角速度与损耗系数的补偿值拟合出函数关系；
S3.4：更换多组相电流的曲线，验证函数拟合结果的合理性，如果有偏差过多的，则重新拟合函数关系，直至得出偏差较小的函数关系。
更优选的，所述步骤S3中的参数为时间常数与损耗系数；所述时间常数为管芯温度上升的速度，而损耗系数为当前相电流工况下，功率器件管芯温度所能达到的最大值与当前相电流最大值的比值。
本发明还提供了一种功率器件管芯温度估算设备，包括标定设备和电机控制器，所述标定设备中设置有功率器件温度检测模块和中心逻辑处理及标定模块，所述中心逻辑处理及标定模块分别与功率器件温度检测模块和电机控制器电性连接；所述温度检测模块和中心逻辑处理及标定模块均与电机控制器电性连接。设计了标定设备，并与电机控制器电性连接，可以通过标定设备测得一系列参数配合设备中的运算方法来对功率管管芯的温度进行估算。
优选的，所述电机控制器中设置有铝台温度检测模块和相电流检测模块，所述铝台温度检测模块和相电流检测模块均与中心逻辑处理及标定模块电性连接。在电机控制器中设置有铝台温度检测模块与相电流检测模块采集并分析数据，配合标定设备进行温度估算。
优选的，所述铝台温度检测模块包括铝台、凹槽、铝台温度采集点、温度传感器保护垫和和限位块，所述凹槽设置在铝台的上表面，所述限位块、铝台温度采集点和温度传感器设置在凹槽内。铝台温度采集点为热敏电阻的放置位置，限位块用于固定热敏电阻时做辅助作用，其中铝台温度作为功率器件管芯温度估算的基点，其采集位置十分重要，应该为铝台上最热的点，且必须离功率器件较近，这样可以降低热流传递的距离，并增强估算的精度。
更优选的，所述功率器件温度检测模块中设置有光学测温探头。
本发明的有益效果：相对于传统的测量方法，该方法无需测量微弱的信号，所有需要的参数均可通过普通的测量方法测得，也无需做抗干扰噪声的处理，本发明中设计了功率器件管芯温度估算通用型标定设备，解决了人工操作复杂的问题，降低了标定过程所需的人力物力；本标定方法无需额外的硬件电路，节约了成本。
附图说明
图1为本发明中设备的结构框图。
图2铝台温度检测模块的具体结构示意图。
图3为本发明中方法控制流程图。
图4为估算模型原理示意图。
图5为估算离散化模型示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
本发明涉及一种功率器件管芯温度估算设备，如图1所示，包括标定设备和电机控制器，标定设备中设置有功率器件温度检测模块和中心逻辑处理及标定模块，中心逻辑处理及标定模块分别与功率器件温度检测模块和电机控制器电性连接；功率器件温度检测模块和中心逻辑处理及标定模块均与电机控制器电性连接，其中功率器件温度检测模块中设置有光学测温探头。
其中电机控制器机控制器中设置有铝台温度检测模块和相电流检测模块，铝台温度检测模块和相电流检测模块均与中心逻辑处理及标定模块电性连接，如图2所示，铝台温度检测模块包括铝台1、凹槽2、铝台温度采集点3、温度传感器保护垫4和限位块5，所述凹槽2设置在铝台1的上表面，所述铝台温度采集点3、温度传感器保护垫4和限位块5设置在凹槽2内。在铝台温度采集点3上设置有热敏电阻并连接至功率器件温度检测模块以测得铝台实时温度。
本发明还包括一种功率器件管芯温度估算方法，如图3所示，包括以下步骤：
a、电机控制器及标定设备上电开始工作，此时标定设备中的中心逻辑处理及标定模块的中心开始记录铝台和功率管芯的初始温度，并令转速命令W＝W0、转矩命令T＝T0；
b、中心逻辑处理及标定模块向电机控制器发送转速命令W和转矩命令T；
c、中心逻辑处理及标定模块记录此时的铝台温度、功率管芯的温度和相电流的最大值并进行处理；
d、由中心逻辑处理及标定模块来判断此时的功率管芯温度上升斜率是否大于3℃/s以及功率管芯的温度是否小于150℃；若功率管芯温度上升斜率和功率管芯的温度中任一项满足上述条件，则于1秒后返回步骤c，若功率管芯温度上升斜率和功率管芯的温度同时不满足上述条件，则停止转矩命令。
e、转矩命令停止后，记录此时的铝台温度和功率管芯的温度；
f、判断功率管芯温度下降斜率是否大于3℃/s，是则于1秒后返回步骤e，否则继续判断管芯温度和铝台温度与室温的关系；
g、判断管芯温度和铝台温度是否与当前室温相等，否则返回步骤f，是则T＝T+T_intervar；
h、判断此时T是否大于T_Max，否则返回步骤b，是则令W＝W+W_intervar；
i、判断此时W是否大于W_Max，否则返回步骤b，是则将测量模块测得的曲线进行拟合，并将通过拟合曲线确定下来的参数存至电机控制器中的Flash中；
j、结束标定过程，控制器进入离线应用时，根据采集得到的铝台温度与相电流最大值，结合离线标定的一系列系数，就可以估算当前功率器件管芯温度。
上述步骤中的铝台温度和功率管芯温度是一直随时间变化的，标定设备能够测得该变化的曲线，同时上述步骤g中的T_intervar代表转矩间隔，具体数值由标定的密集程度而定，步骤h中的T_Max代表所能给的转矩最大值，由电机控制器本身的性能决定，W_intervar代表转速间隔，具体数值由标定的密集程度而定，步骤I中的W_Max为所能给的转速最大值，由电机控制器本身的性能决定。
其中T_intervar与W_intervar通过已知的T_Max和W_Max和标定的密集程度决定，如需要转矩需要标定m个点，则转矩间隔T_intervar＝T_Max/m；转速需要标定n个点，则转速间隔W_intervar＝W_Max/n。
上述过程中涉及到的一些参数计算是基于热电比拟理论，温度等效为电压，热阻等效为电阻，热容等效为电容，功率等效为电流，因此可得图1估算模型基础示意图。图4中Iploss为流过电阻及电容的总电流，即相电流最大值
Figure GDA0002182365830000051
Vj为节点j的电压，即功率器件管芯温度，Vc为节点c的电压，即电机控制器铝台温度，R为电阻，C为电容。该模型的传递函数可推导为
Figure GDA0002182365830000052
采用z变换的方式将传递函数离散化，
Figure GDA0002182365830000053
该传递函数离散化模型如图4所示。
图5中TNTC为电机控制器铝台采集点温度，Ips为相电流最大值，ωr为电机控制器输出的电角速度，LUT1与LUT2为参数表格，LUT1输出的量为损耗系数，LUT2输出的量为时间常数，F(u)为根据当前电机控制器输出的电角速度所得的损耗系数的补偿值。在标定后，控制器离线应用时，基于自己采到的铝台温度与相电流最大值，结合离线标定的一系列系数，就可以估算当前功率器件管芯温度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种功率器件管芯温度估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：以一阶低通滤波器的形式表示出Foster-Type热网络模型，并基于一阶Foster-Type热网络模型搭建温度估算模型；
S2：通过工程标定来记录在不同相电流、不同电角速度下的一系列数据；
S3：以曲线拟合的方式确定不同相电流、不同电角速度所对应的模型的参数；
S4：将S3中确定的参数通过CAN收发器发送至电机控制器MCU中，并写入电机控制器的flash中；
S5：当电机控制器离线应用时，通过采集实时的相电流与铝台温度，并借助上述写入电机控制器的flash中的一系列参数，精确的估算出当前功率器件管芯温度。
2.根据权利要求1中所述的一种功率器件管芯温度估算方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括以下步骤：采用z变换的方式将所述温度估算模型传递函数离散化。
3.根据权利要求1中所述的一种功率器件管芯温度估算方法，其特征在于，所述步骤S2中标定的数据包括功率器件管芯温度随时间变化的曲线、铝台温度随时间变化的曲线、当前电机控制器输出的相电流最大值和当前电机控制器输出的电角速度。
4.根据权利要求1中所述的一种功率器件管芯温度估算方法，其特征在于，所述步骤S2中的数据的标定方法具体为：固定电角速度,等间隔改变相电流最大值，然后等间隔增加电角速度，每增加一次电角速度，便将相电流等间隔循环一次；每次测量时，均需记录功率器件管芯温度以及铝台温度随时间的变化，且每次开始测量都需要等到管芯温度以及铝台温度降至环境温度。
5.根据权利要求1中所述的一种功率器件管芯温度估算方法，其特征在于，所述步骤S3中拟合曲线的具体步骤为：
S3.1：将功率器件管芯温度与铝台温度做差，将差值进行曲线拟合；
S3.2：拟合固定电角速度不同相电流的一系列曲线；
S3.3：增加电角速度这一维度，将不同电角速度与损耗系数的补偿值拟合出函数关系；
S3.4：更换多组相电流的曲线，验证函数拟合结果的合理性，如果有偏差过多的，则重新拟合函数关系，直至得出偏差较小的函数关系。
6.根据权利要求1中所述的一种功率器件管芯温度估算方法，其特征在于，所述步骤S3中的参数为时间常数与损耗系数；所述时间常数为管芯温度上升的速度，而损耗系数为当前相电流工况下，功率器件管芯温度所能达到的最大值与当前相电流最大值的比值。
7.一种功率器件管芯温度估算设备，使用权利要求3中所述的一种功率器件管芯温度估算方法，其特征在于，包括标定设备和电机控制器，所述标定设备中设置有温度检测模块和中心逻辑处理及标定模块，所述中心逻辑处理及标定模块分别与温度检测模块和电机控制器电性连接；所述温度检测模块和中心逻辑处理及标定模块均与电机控制器电性连接；
所述电机控制器中设置有铝台温度检测模块和相电流检测模块，所述铝台温度检测模块和相电流检测模块均与中心逻辑处理及标定模块电性连接。
8.根据权利要求7中所述的一种功率器件管芯温度估算设备，其特征在于，所述铝台温度检测模块包括铝台（1）、凹槽（2）、铝台温度采集点（3）、温度传感器保护垫（4）和限位块（5），所述凹槽（2）设置在铝台（1）的上表面，所述铝台温度采集点（3）、温度传感器（4）和限位块（5）设置在凹槽（2）内。
9.根据权利要求7中所述的一种功率器件管芯温度估算设备，其特征在于，所述温度检测模块中设置有光学测温探头。
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