CN113074834B - 电机控制器的母线电容热模型建模系统和在线估算节温的温度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机控制器的母线电容热模型建模系统和方法，建模系统包括设于实验环境内的待测母线电容、散热器及控制模块：待测母线电容包括传感器组，传感器组检测实验环境的环境温度、待测母线电容的外壳温度、电容器的表面温度、待测母线电容的铜排温度、散热器的散热器温度、散热器内的冷却液温度，并将温度信息发送至控制模块；控制模块基于温度信息计算待测母线电容的热阻网络，以形成热阻模型并存储；当去除传感器组的母线电容应用于电机控制器时，控制模块基于实际环境温度及实际冷却液温度计算母线电容的当前温度。采用上述技术方案后，无需在电容体内放入额外的温度传感器，不会破坏现有电容行业整体灌封的成熟工艺。

Description

电机控制器的母线电容热模型建模系统和在线估算节温的温 度检测方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种电机控制器的母线电容热模型建模系统和在线估算节温的温度检测方法。

背景技术

新能源汽车的电机控制器(简称电控)在整车上使用时，通常放置在前舱或发动机旁，因此其工作环境温度恶劣，例如，使用环境可在极端高或极端低的温度下，也就是说，一般要求电机控制器必须能够在环境温度105℃，冷却液65℃(水冷)正常工作。因此，这也意味着电控的子部件要能够在极端温度下正常工作。

在众多子部件中，母线薄膜电容是其中较为薄弱的元件，由于技术的限制，只能容许薄膜电容内部芯子在温度小于105℃的情况下工作，否则会出现损坏，这必然影响到产品的可靠性，因此在设计产品的时候，要考虑改善电容的散热环境，同时监控电容的内部温度，以便实现相应的保护。对于电容内部温度的监控，目前主要采用两种方式：

1.正向设计，通过改善电容的散热设计以避免过温。由于实际的工况较为复杂这，该方式不能完全避免电容因过温而损坏，例如，环境的异常过温，负载情况恶劣(功率突增)等，都有可能导致已有的散热设计仍旧无法满足散热需求；

2.将温度检测装置(热电偶)埋入电容内部。虽然可以实时检测电容温度，以实现保护。但是由于破坏了电容的整体灌胶工艺，大批量生产时无法避免引入湿气等质量问题，从而导致薄膜电容ESR增大，电容值下降，更严重会导致短路和开路的失效。

因此，需要一种符合实际工况，并降低对电容结构破坏的母线电容温度检测系统和方法。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种电机控制器的母线电容热模型建模系统和在线估算节温的温度检测方法，无需在电容体内放入额外的温度传感器，不会破坏现有电容行业整体灌封的成熟工艺。

本发明公开了一种电机控制器的母线电容热模型建模系统，包括设于实验环境内的待测母线电容、与待测母线电容贴设的散热器及与母线电容电连接的控制模块：

待测母线电容包括传感器组及热阻，传感器组包括：

第一传感器，设于待测母线电容外，以检测实验环境的环境温度；

第二传感器，设于待测母线电容的外壳处，以检测待测母线电容的外壳温度；

第三传感器，设于待测母线电容的电容器上表面，以检测电容器的表面温度；

第四传感器，设于待测母线电容的下表面，以检测待测母线电容的电容铜排温度；

第五传感器，设于散热器面向待测母线电容的端面，以检测散热器的散热器温度；

第六传感器，设于散热器内的冷却通道，以检测散热器内的冷却液温度；

待测母线电容将环境温度、外壳温度、表面温度、电容铜排温度、散热器温度及冷却液温度组成的温度信息发送至控制模块；

控制模块基于温度信息计算待测母线电容的热阻网络，以形成热阻模型并存储；

当去除传感器组的母线电容应用于电机控制器时，控制模块基于实际环境温度及实际冷却液温度计算母线电容的当前温度。

优选地，控制模块根据温度信息和实验功率损耗数据，基于：

计算待测母线电容热阻网络。

优选地，当去除传感器组的母线电容应用于电机控制器时，

设于母线电容的工作环境及散热器内的温度传感器检测实际环境温度及实际冷却液温度，并将实际环境温度及实际冷却液温度发送至控制模块；

控制模块基于：

T_j＝T_冷却液*K₁+T_环境*K₂+P_AC-loss*K₃+R_DC-loss*K₄+P_others*K₅

计算母线电容内部的当前温度，其中K₁、K₂、K₃、K₄、K₅由热阻模型决定。

优选地，第六传感器设于冷却通道的输入口。

优选地，热阻包括：

热阻R_ca，设于第一传感器和第二传感器间；

热阻R_sc，设于第二传感器和第三传感器间；

热阻R_bs，设于第三传感器和第四传感器间；

热阻R_hb，设于第四传感器和第五传感器间；

热阻R_wh，设于第五传感器和第六传感器间。

本发明还公开了一种电机控制器的在线估算节温的温度检测方法，包括以下步骤：

将待测母线电容设于实验环境内，贴设在散热器上，并与一控制模块电连接：

设于待测母线电容外的一传感器检测实验环境的环境温度；

设于待测母线电容的外壳处的第二传感器检测待测母线电容的外壳温度；

设于待测母线电容的电容器上表面的第三传感器检测电容器的表面温度；

设于待测母线电容的下表面的第四传感器检测待测母线电容的铜排温度；

设于散热器面向待测母线电容的端面的第五传感器检测散热器的散热器温度；

设于散热器内的冷却通道的第六传感器检测散热器内的冷却液温度；

待测母线电容将环境温度、外壳温度、表面温度、铜排温度、散热器温度及冷却液温度组成的温度信息发送至控制模块；

控制模块基于温度信息计算待测母线电容的热阻网络，以形成热阻模型并存储；

当去除传感器组的母线电容应用于电机控制器时，控制模块基于实际环境温度及实际冷却液温度计算母线电容的当前温度。

优选地，控制模块根据温度信息和实验功率损耗数据，基于：

计算待测母线电容热阻网络。

优选地，当去除传感器组的母线电容应用于电机控制器时，控制模块基于实际环境温度及实际冷却液温度计算母线电容的当前温度的步骤包括：

设于母线电容的工作环境及散热器内的温度传感器检测实际环境温度及实际冷却液温度，并将实际环境温度及实际冷却液温度发送至控制模块；

控制模块基于：

T_j＝T_冷却液*K₁+T_环境*K₂+P_AC-loss*K₃+R_DC-loss*K₄+P_others*K₅

计算母线电容内部的当前温度，其中K₁、K₂、K₃、K₄、K₅由热阻模型决定。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.无需在电容体内放入额外的温度传感器，不会破坏现有电容行业整体灌封的成熟工艺，通过简化制作流程以降低制造成本；

2.仅利用电容外部环境温度和冷却液温度或者散热器温度输入，依托热阻模型，实时计算当前工况下电容内部温度，实现温度的在线监测；

3.由于整个监控系统核心部分由软件完成，成本低，可灵活适配不同设计的电容。

附图说明

图1为符合本发明一优选实施例中母线电容热模型建模系统的结构示意图；

图2为符合本发明一优选实施例中母线电容温度检测方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

参阅图1，为符合本发明一优选实施例中电机控制器的母线电容热模型建模系统，为实现对实际使用的母线电容的热模型建立，首先需取得一待测母线电容，其设于实验环境内，以对其评估建模。待测母线电容贴设在一散热器上，由散热器对待测母线电容散热降温。同时，一控制模块与待测母线电容电连接，以接收待测母线电容的工况信息。该待测母线电容，用于测试在不同工况环境下，母线电容的温度将如何变化的变化情况，从而将测试结果应用至相同类型的母线电容的普遍情况。因此，该待测母线电容内可埋设有传感器组，用于监测各埋设点的温度。可以理解的是，待测母线电容由于本身的物理属性，使得上电运行后将部分电能损耗转化为热能，基于热力学原理，对其热阻模型进行建模，后期通过模型可用于在线观测工作状态电容内部温度信息。具体地，传感器组包括第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器及第六传感器，其中第一传感器，设于待测母线电容外，以检测实验环境的环境温度，例如该第一传感器可一端连接在待测母线电容外，检测待测母线电容的近侧环境温度；第二传感器设于待测母线电容的外壳处，例如贴设在待测母线电容的外壳，以检测待测母线电容的外壳温度；第三传感器，设于待测母线电容的电容器上表面，以检测电容器的表面温度；第四传感器，设于待测母线电容的下表面，以检测待测母线电容的铜排温度；第五传感器，设于散热器面向待测母线电容的端面，以检测散热器的散热器温度；第六传感器，设于散热器内的冷却通道，优选地，可设于冷却通道的输入口，以检测散热器内的冷却液温度。可以理解的是，散热器内设有供如水等冷却液流过的冷却通道，冷却液流动过程中，将带走散热器的热量，从而间接地对待测母线电容降温。具有上述温度信息后，待测母线电容将环境温度、外壳温度、表面温度、铜排温度、散热器温度及冷却液温度发送至控制模块，控制模块收到温度信息后，基于温度信息计算待测母线电容的热阻网络，以形成热阻模型并存储。

具有热阻模型后，与待测母线电容相同类型的母线电容在应用至实际环境时，热阻模型可参考使用，也就是说，去除了传感器组的母线电容应用于电机控制器时，控制模块将基于实际环境温度及实际冷却液温度计算母线电容的当前温度。换句话说，在不具有内部温度传感器的情况下，仅需采集实际环境温度和实际冷却温度，便可计算母线电容的内部温度。

上述实施例中，对于待测母线电容在不同工况的环境温度下(实验环境可模拟)，得到充分的热阻模型，以满足实际使用工况需求。

另一可选实施例中，控制模块接收到上述温度信息后，将受控在实验环境下，计算不同工况下的待测母线电容的功率损耗，形成实验功率损耗数据。可以理解的是，该实验功率损耗数据的形成，可由用户在实验环境内配置不同的实验参数，例如工作电流、实验环境、电机转速等下，所得到的参数数据，并将该参数数据一并发送至控制模块内，通过各类实验得到更为准确的实验功率损耗数据P_loss，并进一步地基于：计算待测母线电容的热阻网络。

更进一步地，当去除传感器组的母线电容应用于电机控制器时，设于母线电容的工作环境及散热器内的温度传感器检测实际环境温度及实际冷却液温度，记作T_冷却液、T_环境，并将实际环境温度及实际冷却液温度发送至控制模块。控制模块基于：T_j＝T_冷却液*K₁+T_环境*K₂+P_AC-loss*K₃+R_DC-loss*K₄+P_others*K₅计算母线电容内部的当前温度，其中K₁、K₂、K₃、K₄、K₅由热阻模型决定。更具体地，将当前温度记作T_j，基础温度记作T_b，则△T＝T_j-T_b＝R_th*P_Loss，其中△T代表某传感器在待测母线电容工作前后的温度变化量，则基于上述公式，可计算得到R_th，并将该R_th用作为各传感器在各工况下的热阻，以形成热阻模型。进一步地，根据T_j＝T_b+R_th*P_Loss及T_b＝T_冷却液*K₁+T_环境*K₂可得到T_j＝T_冷却液*K₁+T_环境*K₂+P_AC-loss*K₃+R_DC-loss*K₄+P_others*K₅的公式，在该公式中，P_Loss有各种类型，例如P_AC-loss、R_DC-loss、P_others各具有的不同的系数由热阻决定。

上述实施例中，等效热阻可视为包括：热阻R_ca，设于第一传感器和第二传感器间；热阻R_sc，设于第二传感器和第三传感器间；热阻R_bs，设于第三传感器和第四传感器间；热阻R_hb，设于第四传感器和第五传感器间；热阻R_wh，设于第五传感器和第六传感器间。

参阅图2，示出了符合本发明一优选实施例中电机控制器的在线估算节温的温度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100：将待测母线电容设于实验环境内，贴设在散热器上，并与一控制模块电连接：

S200：设于待测母线电容外的一传感器检测实验环境的环境温度；

S300：设于待测母线电容的外壳处的第二传感器检测待测母线电容的外壳温度；

S400：设于待测母线电容的电容器上表面的第三传感器检测电容器的表面温度；

S500：设于待测母线电容的下表面的第四传感器检测待测母线电容的铜排温度；

S600：设于散热器面向待测母线电容的端面的第五传感器检测散热器的散热器温度；

S700：设于散热器内的冷却通道的第六传感器检测散热器内的冷却液温度；

S800：待测母线电容将环境温度、外壳温度、表面温度、铜排温度、散热器温度及冷却液温度组成的温度信息发送至控制模块；

S900：控制模块基于温度信息计算待测母线电容的热阻网络，以形成热阻模型并存储；

S1000：当去除传感器组的母线电容应用于电机控制器时，控制模块基于实际环境温度及实际冷却液温度计算母线电容的当前温度。

优选地或可选地，控制模块根据温度信息和实验功率损耗数据，基于：

计算待测母线电容的热阻网络。

优选地或可选地，当去除传感器组的母线电容应用于电机控制器时，控制模块基于实际环境温度及实际冷却液温度计算母线电容的当前温度的步骤S1000包括：

S1010：设于母线电容的工作环境及散热器内的温度传感器检测实际环境温度及实际冷却液温度，并将实际环境温度及实际冷却液温度发送至控制模块；

S1020：控制模块基于T_j＝T_冷却液*K₁+T_环境*K₂+P_AC-loss*K₃+R_DC-loss*K₄+P_others*K₅计算母线电容内部的当前温度，其中K₁、K₂、K₃、K₄、K₅由热阻模型决定。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种电机控制器的母线电容热模型建模系统，其特征在于，包括设于实验环境内的待测母线电容、与所述待测母线电容贴设的散热器及与所述待测母线电容电连接的控制模块：

所述待测母线电容包括传感器组，所述传感器组包括：

第一传感器，设于所述待测母线电容外，以检测所述实验环境的环境温度；

第二传感器，设于所述待测母线电容的外壳处，以检测所述待测母线电容的外壳温度；

第三传感器，设于所述待测母线电容的电容器上表面，以检测所述电容器的表面温度；

第四传感器，设于所述待测母线电容的下表面，以检测所述待测母线电容的铜排温度；

第五传感器，设于所述散热器面向所述待测母线电容的端面，以检测所述散热器的散热器温度；

第六传感器，设于所述散热器内的冷却通道，以检测所述散热器内的冷却液温度；

所述待测母线电容将所述环境温度、外壳温度、表面温度、铜排温度、散热器温度及冷却液温度组成的温度信息发送至所述控制模块；

所述控制模块基于所述温度信息计算所述待测母线电容的热阻网络，以形成热阻模型并存储；

当去除所述传感器组的母线电容应用于电机控制器时，所述控制模块基于实际环境温度及实际冷却液温度计算母线电容的当前温度。

2.如权利要求1所述的母线电容热模型建模系统，其特征在于，所述控制模块根据所述温度信息和实验功率损耗数据，基于：

计算所述待测母线电容热阻网络。

3.如权利要求2所述的母线电容温度检测系统，其特征在于，

当去除所述传感器组的母线电容应用于电机控制器时，设于所述母线电容的工作环境及散热器内的温度传感器检测所述实际环境温度及实际冷却液温度，并将所述实际环境温度及实际冷却液温度发送至所述控制模块；

所述控制模块基于：

T_j＝T_冷却液*K₁+T_环境*K₂+P_AC-loss*K₃+R_DC-loss*K₄+P_others*K₅

计算所述母线电容内部的当前温度，其中K₁、K₂、K₃、K₄、K₅由热阻模型决定。

4.如权利要求1所述的母线电容热模型建模系统，其特征在于，

所述第六传感器设于所述冷却通道的输入口。

5.如权利要求1所述的母线电容热模型建模系统，其特征在于，

所述热阻包括：

热阻R_ca，设于所述第一传感器和第二传感器间；

热阻R_sc，设于所述第二传感器和第三传感器间；

热阻R_bs，设于所述第三传感器和第四传感器间；

热阻R_hb，设于所述第四传感器和第五传感器间；

热阻R_wh，设于所述第五传感器和第六传感器间。

6.一种电机控制器的在线估算节温的温度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待测母线电容设于实验环境内，贴设在散热器上，并与一控制模块电连接：

设于所述待测母线电容外的一传感器检测所述实验环境的环境温度；

设于所述待测母线电容的外壳处的第二传感器检测所述待测母线电容的外壳温度；

设于所述待测母线电容的电容器上表面的第三传感器检测所述电容器的表面温度；

设于所述待测母线电容的下表面的第四传感器检测所述待测母线电容的铜排温度；

设于所述散热器面向所述待测母线电容的端面的第五传感器检测所述散热器的散热器温度；

设于所述散热器内的冷却通道的第六传感器检测所述散热器内的冷却液温度；

所述待测母线电容将所述环境温度、外壳温度、表面温度、铜排温度、散热器温度及冷却液温度组成的温度信息发送至所述控制模块；

所述控制模块基于所述温度信息计算所述待测母线电容的热阻网络，以形成热阻模型并存储；

当去除所述传感器组的母线电容应用于电机控制器时，所述控制模块基于实际环境温度及实际冷却液温度计算母线电容的当前温度。

7.如权利要求6所述的在线估算节温的温度检测方法，其特征在于，所述控制模块根据所述温度信息和实验功率损耗数据，基于：

计算所述待测母线电容热阻网络。

8.如权利要求7所述的在线估算节温的温度检测方法，其特征在于，

当去除所述传感器组的母线电容应用于电机控制器时，所述控制模块基于实际环境温度及实际冷却液温度计算母线电容的当前温度的步骤包括：

设于所述母线电容的工作环境及散热器内的温度传感器检测所述实际环境温度及实际冷却液温度，并将所述实际环境温度及实际冷却液温度发送至所述控制模块；

所述控制模块基于：

T_j＝T_冷却液*K₁+T_环境*K₂+P_AC-loss*K₃+R_DC-loss*K₄+P_others*K₅

计算所述母线电容内部的当前温度，其中K₁、K₂、K₃、K₄、K₅由热阻模型决定。