CN110945733A - 用于保护起动机-交流发电机系统的功率电子模块的部件的方法以及实施该方法的系统 - Google Patents

用于保护起动机-交流发电机系统的功率电子模块的部件的方法以及实施该方法的系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于保护车辆的起动机‑交流发电机系统的功率电子模块的部件的方法，所述起动机‑交流发电机系统具有能够控制功率电子模块的控制模块，其中，当在车辆的起动阶段期间所述功率电子模块的至少一个部件的温度(Tjunction)被确定为大于预定义的阈值温度值时，切断功率电子模块的供应电流，通过使用以下公式进行估算来确定所述部件温度：Tjunction＝Tleadframe+ΔT，其中，Tleadframe是在其上安装有所述功率电子部件的基板的温度，且ΔT是在起动阶段期间功率电子部件中由所述部件中电流流动引起的温度变化。

Description

用于保护起动机-交流发电机系统的功率电子模块的部件的 方法以及实施该方法的系统
技术领域
本发明涉及一种用于保护起动机-交流发电机系统的功率电子模块的部件的方法。本发明还涉及一种实施该方法的系统。本发明在机动车辆的旋转电机领域中找到应用，特别是在可以在交流发电机模式和驱动模式下工作的可逆电机领域中。
背景技术
如今，出于经济和生态方面的考虑，汽车制造商寻求为其车辆配备自动起动/停止系统，这被盎格鲁-撒克逊人称为“停走”。
这种“停走”系统通常用在与内燃机联接的可逆电机或起动机-交流发电机上。在某些情况下，在“停走”系统中使用起动机-交流发电机包括某些情况下在车辆自身停止后导致内燃机完全停止，然后例如在驾驶员的动作转变了他或她的重新起动车辆的愿望之后再次起动内燃机。为此，“停走”系统使用代表车辆运行状况的信息、来自车辆传感器(比如用于检测离合器踏板位置的传感器)的信息、在数据通信总线上读取的信息(比如车辆的速度或发动机的转速)。
然而，连续的重新起动会导致起动机-交流发电机的过热，超过功率电子器件的热极限。实际上，尽管重新起动阶段的持续时间很短，但它需要大量的功率，因此在功率电子模块的部件中，尤其是在控制起动机-交流发电机的定子中的电流的MOSFET晶体管中，需要能够达到600至1000A的高电流。然而，功率电子部件设计成达到有限温度，例如对于MOSFET晶体管，温度达到200℃的数量级。
限制工作电流的另一种方法是，一旦至少一个部件的温度达到预定义阈值，就可以通过切断电源来保护功率电子部件，从而停止起动。这种保护要求精确确定功率电子部件的温度，尤其是MOSFET晶体管的温度。
为此，可以设想用装备有传感器的智能部件代替传统的功率电子部件。然而，这种智能部件很昂贵。考虑到它将需要许多连接和附加部件来处理测量，因此这样的解决方案不仅昂贵，而且麻烦。
发明内容
为了解决上面详细描述的在车辆起动期间功率电子部件过热的风险的问题，申请人提出了一种用于保护该部件的方法，其中估算该部件的温度并将其与温度阈值进行比较，从而使得一旦估算的温度超过温度阈值，则起动机-交流发电机系统就会停止，从而在起动机模式下，车辆会停止起动，并且在交流发电机模式下，系统会停止发电。
根据第一方面，本发明涉及一种用于保护车辆起动机-交流发电机系统的功率电子模块的部件的方法，所述起动机-交流发电机系统包括能够控制功率电子模块的控制模块。该方法的特征在于，当所述功率电子模块的至少一个部件的温度Tjunction被确定为大于预定义的阈值温度值时，切断对功率电子模块的供应电流，通过使用以下公式进行估算来确定所述部件温度：
Tjunction＝Tleadframe+ΔT，
其中，Tleadframe是在其上安装有所述功率电子部件的基板的温度，而ΔT是在起动阶段期间功率电子部件中由所述部件中电流流动引起的温度变化。
该方法的优点在于，保护功率电子部件免受在车辆的起动或重新起动阶段期间或者在扭矩辅助阶段期间由于起动机-交流发电机中功率的增加而引起的任何过热，而不会增加所述起动机-交流发电机的制造成本。
有利地，当功率电子模块的部件的温度Tjunction被确定为低于或等于阈值温度值时，如果温度变化ΔT达到增加的阈值，则切断对功率电子模块的供应电流。这样，不仅在高温情况下，而且在温度急剧上升的情况下，也可以保护功率电子部件。
根据某些实施例，使用以下公式来估算基板的温度：
Figure BDA0002378583790000021
其中，Tchip是控制模块的温度，TStator是起动机-交流发电机的定子的温度，Th_gain是与将定子的温度和控制模块的温度相关联的增益有关的预定义参数。该实施例使得可以确定基板的温度而不会引起起动机-交流发电机的制造成本的任何增加。
根据其他实施例，基板的温度Tleadframe通过位于基板上的传感器来测量。
在某些替代方案中，控制模块的温度和定子的温度由传感器测量。
在某些实施例中，根据起动机-交流发电机的至少一个旋转速度、控制模块的温度以及在功率电子模块中循环的电流来确定温度变化ΔT。该温度变化的优点是能够使用测量的数据或通过起动机-交流发电机内测量的值所近似的数据来计算。
可以使用以下离散公式来确定温度变化ΔT：
ΔT(n)＝K1(Speed,Tchip,Idc)–K2(ΔT(n-1))+ΔT(n-1)
其中，K是根据热容量和由功率电子部件中的电流引起的损耗确定的参数，K1在步骤n中确定，K2在步骤n-1中确定。
根据某些替代方案，根据进入起动机-交流发电机时所接收的电流的测量值来估算在功率电子模块中循环的电流。
根据某些其他替代方案，在起动机-交流发电机系统的每个阶段测量在功率电子模块中循环的电流。
根据第二方面，本发明涉及一种车辆起动机-交流发电机系统，包括转子/定子组件、功率电子模块和控制模块，其特征在于，所述控制模块实施上述方法。
有利地，控制模块包括能够至少确定部件温度的估算的集成电路。
根据某些实施例，功率电子模块包括多个MOSFET晶体管，其在起动机-交流发电机处于起动阶段或处于扭矩辅助阶段时被保护免受由电流流动引起的过热。
附图说明
通过阅读由附图示出的说明，本发明的其他优点和特征将显而易见，其中：
-图1表示根据本发明的起动机-交流发电机系统的功能图；
-图2表示由图1的起动机-交流发电机的功率模块的MOSFET晶体管估算的温度曲线图的示意性示例；以及
-图3表示根据本发明的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
下面参考附图详细描述其中实施了根据本发明的用于保护功率电子部件的方法的起动机-交流发电机系统的示例。该示例说明了本发明的特征和优点。然而要提醒的是，本发明不限于该示例。
在附图上，相同的元件用相同的符号示出。对于附图的易读性问题，不遵守图示元件之间的尺寸比例。
本发明的起动机-交流发电机系统是多相可逆旋转电机，其功能图在图1中示出，当其在起动机模式下工作时由车辆的车载电网络供电，并且当其在交流发电机模式下工作时向该网络提供电能。
该旋转电机包括与转子轴成一体的转子10、围绕转子安装的定子20以及承载定子的外壳。外壳包括分别位于定子端部以支撑和引导转子轴的前轴承和后轴承。
定子在其内周上(相对于转子)包括容纳相绕组的敞开凹口。这些绕组是三角形或星形连接的多相绕组，并且其输出连接到功率电子模块30。该功率电子模块30简称为功率模块，包括多个功率电子部件，尤其是连接的功率晶体管，以形成定子的控制开关。这些功率晶体管中的每一个都通过控制模块40来控制，控制模块40包括多个控制部件，控制部件包括微控制器，其作用将在下面描述。
因此，如图1所示，根据本发明的起动机-交流发电机系统包括控制模块40、功率模块30和电池50。电池50一方面连接到功率模块30，另一方面连接到控制模块40。此外，控制模块40直接连接至功率模块30。功率模块30能够控制定子20中的电流。控制模块40包括转子的励磁电路45，其能够控制转子中的电流。控制模块40也连接至至少一个位置传感器12，该位置传感器12设计为检测与转子10连接的目标11的位置，以及还连接至发动机控制单元60，该发动机控制单元60设计为传输与车辆的操作有关的数据，比如各种传感器发送的数据。
图1的起动机-交流发电机系统实施了一种用于在重新起动或起动阶段或者扭矩辅助阶段期间保护功率模块30的功率部件的方法。在下面的描述中，该方法将在其应用于车辆起动中进行描述，应理解该方法也可应用于扭矩辅助阶段。无论何种应用，这些功率部件中的每一个(例如MOSFET晶体管类型的功率晶体管)都经过部件制造商的认证，可达到预定义的温度阈值VTS。对于MOSFET晶体管，此阈值温度值VTS可以约为200℃。如果超过该阈值温度值VTS，则有可能会损坏功率部件且因此损坏功率模块，更普遍地，可能会大大降低所述功率模块的寿命。
因此，为了保护功率部件，重要的是在车辆的起动阶段期间确定功率模块的每个功率部件的温度。本发明的方法提出估算这些功率部件的温度，并且根据该估算，以确定功率部件的估算温度不超过阈值温度值VTS。
使用以下公式来确定功率部件的温度：
Tjunction＝Tleadframe+ΔT (E1)
其中，Tjunction是所要估算的功率部件的温度，Tleadframe是其上安装了所述功率部件的基板的温度，且ΔT是在起动阶段期间功率部件中由所述部件中电流流动引起的温度变化。
根据某些实施例，通过位于其上安装有功率部件的基板上的传感器来测量基板的温度Tleadframe。
根据其他实施例，基板的温度Tleadframe也通过估算来确定。使用以下公式来估算基板的温度：
Figure BDA0002378583790000051
其中，Tchip是控制模块40的温度，TStator是起动机-交流发电机的定子20的温度，Th_gain是与将定子20的温度和控制模块40的温度相关联的增益有关的预定义参数。此参数Th_gain是恒定的；它是在热试验期间在起动机-交流发电机的起动之前定义的。
控制模块40的温度Tchip由位于支撑控制模块40的印刷电路板上的传感器42确定。定子的温度TStator由位于定子输出端的传感器22确定。控制模块的温度Tchip是功率部件的环境中的温度，即相对稳定的室温。相反，定子的温度TStator是非常可变的温度，其取决于定子中循环的电流而变化。因此，根据本发明的方法，基板的温度Tleadframe被认为是根据定子的温度调节的控制模块的温度。
在E1公式中，功率部件的温度Tjunction取决于温度变化ΔT。此温度变化ΔT是在起动阶段期间电流流经功率部件时所述功率部件中温度的升高/降低。根据以下方程，此温度变化直接取决于功率部件的热导率和由该功率部件中的电流引起的损耗：
CthΔT/dt＝PMOSFET-GthΔT (E3)
其中，Cth是热容量，Gth是热导率，PMOSFET是功率部件中的电流引起的损耗。
通过使用欧拉变换，可以用采样周期Te来离散方程E3，以获得方程：
Cth(ΔT(n)-ΔT(n-1))/Te＝PMOSFET-GthΔT(n) (E4)
经过简化，其可以变成：
ΔT(n)＝K1(Speed,Tchip,Idc)–K2(ΔT(n-1))+ΔT(n-1) (E5)
其中：
·K1＝[Te.PMOSFET(Speed,Tchip,Idc)]/Cth，以及
·K2＝[Te.K(ΔT)]Cth
根据方程E5，只要知道转子的速度Speed、控制模块的温度Tchip以及流经功率部件的电流值，就可以确定ΔT(n)。然而，在功率部件中循环的电流可被估算为大致等于进入(或离开)定子的Idc电流。该Idc电流可以在控制模块40中借助于例如霍尔效应传感器或分流器来测量。速度Speed可以由控制模块40根据位置传感器12测量的数据来确定。并且可以如前所述通过位于支撑控制模块40的印刷电路板上的传感器42来测量控制模块的温度Tchip。
无论何时确定温度变化ΔT，并且本实施例无论选择何种方式确定基板的温度Tleadframe(通过传感器测量或通过公式E2估算)，都可以通过公式E1来估算功率部件的温度Tjunction。根据本发明的保护方法，将功率部件的估算温度Tjunction与预定义温度阈值VTS进行比较。如果功率部件的估算温度低于或等于温度阈值，则继续起动操作。相反，如果在起动阶段期间功率部件的估算温度大于温度阈值，则切断对功率模块的供应电流以停止所述起动阶段。
在由此切断对功率模块的供应电流的同时，保护所述模块的功率部件在起动阶段期间免于过热。此外，在至少一个功率部件的估算温度超过阈值温度值VTS时切断供电的事实使得可以尽可能长地保持最大起动容量，从而有助于起动时避免功率部件过热。
在图2中以示意性方式示出了MOSFET晶体管的估算温度的示例。曲线C1表示当MOSFET晶体管中循环的电流约为300A时的估算温度的示例。曲线C2表示当MOSFET晶体管中循环的电流约为600A时的估算温度的示例。这些曲线图C1和C2示出了约150ms的起动阶段，然后在随后的250ms期间处于待机阶段，在时刻t1切断供应电流之后，待机阶段被激活。如曲线图C1和C2所示，在图2的示例中，对于曲线C1，阈值温度值VTS1约为200℃，对于曲线C2，阈值温度值VTS2约为240℃。
根据某些实施例，该保护方法可以包括另外的操作，其中将温度变化ΔT与最大增加的温度值VES进行比较，以保护功率部件免于温度上升过陡。实际上，功率部件的温度急剧升高，即温度水平快速变化到较高温度水平，会对部件的钎焊产生有害影响。本发明的方法的实施例提出，直到切断对功率模块的供应电流为止，检查功率部件的温度升高是否不大于预定义的增加的阈值(例如100℃)。换句话说，如果功率部件的估算温度Tjunction没有达到温度阈值VTS，则将温度变化ΔT与增加的阈值VES进行比较。并且如果温度的升高达到增加的阈值VES，则尽管功率部件的温度未达到预定义的温度阈值，也会切断对功率模块的供应电流。
图3表示与这些实施例有关的功能图的示例。如图3所示，当开始起动时(步骤100)，根据上述方法，在步骤110通过估算来确定每个功率部件的温度Tjunction。将每个功率部件的温度Tjunction与阈值温度值VTS进行比较，并且如果仅一个(或多个)功率部件的温度超过阈值温度值VTS(步骤120)，则停止起动机-交流发电机的起动。如果任何功率部件的温度没有超过阈值温度值VTS，则该方法继续至步骤130，在该步骤中，将温度变化ΔT与增加的阈值VES进行比较(步骤130)。如果温度变化ΔT达到增加的阈值VES，则停止起动(步骤140)。
诸如刚刚描述的功率模块30的功率部件的温度由诸如集成在控制模块40中的微控制器之类的集成电路来估算。微控制器例如ASIC能够计算出功率部件的温度的估算以及功率部件的估算温度与阈值温度值VTS之间的比较和温度变化ΔT与增加的阈值VES之间的比较。每当微控制器确定达到阈值温度值或增加的阈值时，控制模块40就控制功率部件，特别是功率晶体管，从而不再向定子供应电流。然后，起动阶段停止。车载计算机可以发出咨询消息，以告知驾驶员起动阶段的此停止的原因。
尽管通过一定数量的示例、替代方案和实施例进行了描述，但根据本发明的用于保护起动机-交流发电机系统的功率模块的功率部件的方法包括各种替代方案、修改和改进，这些替代方案、修改和改进对于本领域技术人员而言将是显而易见的，应理解的是，这些替代方案、修改和改进是如所附权利要求书所限定的本发明范围的一部分。

Claims (12)

1.一种用于保护车辆起动机-交流发电机系统的功率电子模块(30)的部件的方法，所述起动机-交流发电机系统包括能够控制所述功率电子模块(30)的控制模块(40)，其特征在于，当所述功率电子模块的至少一个部件的温度(Tjunction)被确定为大于预定义的阈值温度值(VTS)时，切断对所述功率电子模块(30)的供应电流，通过使用以下公式进行估算来确定所述部件温度：
Tjunction＝Tleadframe+ΔT，
其中，Tleadframe是在其上安装有所述功率电子部件的基板的温度，而ΔT是在起动阶段期间所述功率电子部件中由所述部件中电流流动引起的温度变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述功率电子模块的部件的温度(Tjunction)被确定为低于或等于所述阈值温度值(VTS)时，如果所述温度变化ΔT达到增加的阈值(VES)，则切断对所述功率电子模块的供应电流。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用以下公式来估算所述基板的温度：
Figure FDA0002378583780000011
其中，Tchip是所述控制模块的温度，TStator是所述起动机-交流发电机的定子的温度，Th_gain是与将所述定子的温度和所述控制模块的温度相关联的增益有关的预定义参数。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基板的温度(Tleadframe)通过位于所述基板上的传感器来测量。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述控制模块的温度和所述定子的温度由传感器测量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述起动机-交流发电机的至少一个旋转速度(Speed)、所述控制模块的温度(Tchip)以及在所述功率电子模块中循环的电流来确定所述温度变化ΔT。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用以下离散公式来确定温度变化ΔT：
ΔT(n)＝K1(Speed,Tchip,Idc)–K2(ΔT(n-1))+ΔT(n-1)
其中，K是根据热容量和由所述功率电子部件中的电流引起的损耗确定的参数，K1在步骤n中确定，K2在步骤n-1中确定。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，根据进入所述起动机-交流发电机时所接收的电流(Idc)的测量值来估算在所述功率电子模块中循环的电流。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述起动机-交流发电机系统的每个阶段测量在所述功率电子模块中循环的电流。
10.一种车辆起动机-交流发电机系统，包括转子/定子(10/20)组件、功率电子模块(30)和控制模块(40)，其特征在于，所述控制模块实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制模块(40)包括能够至少确定所述部件温度的估算的集成电路。
12.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述功率电子模块包括多个MOSFET晶体管，其在所述起动机-交流发电机处于起动阶段时被保护免受由电流流动引起的过热。
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