DE102005021918A1

DE102005021918A1 - Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Bauelementes

Info

Publication number: DE102005021918A1
Application number: DE200510021918
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Greif
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: DE102005021918B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Temperatur eines Bauelementes. Hierbei wird die Temperatur des Bauelementes anhand der Umgebungstemperatur, welche von einem Sensor erfasst wird, und dem in das Bauelement eingebrachten Strom ermittelt. Die Berechnung erfolgt in mehreren Zeitschleifen, wobei in einer ersten Zeitschleife die eingebrachte Wärmeenergie, in einer zweiten Zeitschleife die Temperaturänderung bzw. die Temperatur des Bauteils und in einer dritten Zeitschleife der Wärmeabfluss über den Wärmewiderstand des Bauteils ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der aktuellen Temperatur eines Bauelementes im Betrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 22.
Leiterplatten werden häufig mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen bestückt. Die Bauelemente erzeugen eine hohe Abwärme, welche von dem Bauelement selbst, von der Leiterplatte und von benachbarten Bauelementen abgehalten und abgeführt werden muss, um das Bauelement selbst, die Leiterplatte oder die benachbarten Bauelemente nicht zu beschädigen.

So ist beispielsweise aus der DE-OS-27 43 647 bekannt, derartige Bauelemente mit hoher Abwärme auf einer Metallplatte zu montieren, welche zur elektrischen Isolierung mit einer elektrisch isolierenden Folie überzogen ist. Die Bauelemente sind auf der Metallplatte montiert, wobei aber die isolierende Folie der Wärmeableitung einen thermischen Widerstand entgegensetzt.

Aus der DE-A-38 29 117 ist eine weitere Leiterplatte bekannt, welche einen Metallkern aufweist, der von einem dielektrischen Werkstoff umhüllt ist. Der Metallkern ist so ausgebildet, dass über ihn die Verlustwärme von Bauelementen direkt abgeführt werden kann. Außerdem lässt sich eine definierte Lage des Metallkerns beim Spritzgießen erzeugen und so eine einwandfreie Verbindung der Umhüllung mit dem Metallkern gewährleisten.

Aus der DE-A-43 26 506 ist ein elektrisches Gerät mit einer die elektronische Schaltung tragende Leiterfolie bekannt, welche mit SMD-Leistungsbauelementen bestückt ist. Die Leiterfolie ist zur mechanischen Stabilisierung und zur Wärmeableitung der von den Leistungsbauelementen erzeugten Abwärme auf einer Trägerplatte aufgebracht. Unterhalb des Leistungsbauelementes ist auf der Leiterfolie eine lötfähige Randschicht ausgebildet, die eine großflächige Ausnehmung begrenzt. Diese Ausnehmung ist mit einer wärmeleitenden Masse aufgefüllt, so dass ein großflächiger Wärmetransport vom Leistungsbauelement zur Trägerplatte möglich ist.

Aus der DE-A-195 32 992 ist eine einseitig bestückte Leiterplatte bekannt, auf deren Rückseite unter Einfügung einer Zwischenschicht eine Kühlplatte aufgebracht ist. Die Leiterplatte trägt zumindest ein thermisch hochbelastbares Bauelement. Die Auflagefläche dieses Bauelementes ist durch eine Wärmeleitbrücke in Form eines Metallkörpers oder Kupferbolzens mit der Kühlplatte verbunden. Der Metallkörper sitzt in einer Aussparung, die die Auflagefläche des Bauelementes durch die Zwischenschicht-hindurch mit der Kühlplatte verbindet.

Aus der DE-A-196 01 649 ist eine weitere Anordnung zur Verbesserung der Wärmeableitung bei elektrischen und elektronischen Bauelementen, bei der eine die Bauelemente tragende Leiterplatte über eine Isolationsschicht mit einer Metallplatte stoffschlüssig verbunden ist, bekannt. Im Bereich wenigstens eines Bauelementes sind in die Leiterplatte und in die Isolationsschicht korrespondierende Öffnungen eingebracht. Die Metallplatte weist Erhebungen auf, deren Höhe etwa der Dicke der Leiterplatte und der Isolationsschicht entspricht oder diese auch geringfügig übersteigt. Die Erhebungen werden durch die Öffnungen hindurchgeführt.

Schließlich ist aus der DE-A-198 05 492 eine Leiterplatte bekannt, welche mit mindestens einem Wärme abgebenden elektronischen Bauelement bestückt ist. Im weiteren ist sie mit einer der Wärmeabfuhr dienenden metallischen Platte versehen. Ein wärmeleitendes Verbindungselement ragt zwischen dem Bauelement und der metallischen Platte aus einer beidseitig mit Isolierfolie abgedeckten Kupferschicht heraus. Das Verbindungselement ist als integraler Bestandteil der Kupferschicht aus dieser herausgeätzt.

Für viele Anwendungen in der Leistungselektronik ist es beispielsweise zwingend notwendig, einen Überlastbetrieb und eine kurzeitige Überhitzung der betroffenen Bauteile und/oder Baugruppen für einen bestimmten Zeitraum zuzulassen.

Normalerweise sind die eingesetzten Bauteile und/oder Baugruppen in elektrischen Systemen, insbesondere Systemen der Leistungselektronik, nicht für einen Dauerbetrieb mit den maximal möglichen Strömen ausgelegt. Je nach Umgebungstemperatur und Beanspruchung kann ein bestimmter Betriebspunkt entsprechend länger oder kürzer gefahren werden.

Eine Lösungsmöglichkeit für ein solches elektrisches System ist es, dieses Überlastszenario „hart" in der Steuerung zu begrenzen, d. h. das System zu stoppen, um eine Überhitzung der Bauteile und/oder Baugruppen zu vermeiden. Hierdurch wird aber u. U. die Leistungscharakteristik des Systems erheblich beeinträchtigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren und eine Anordnung aufzuzeigen, welche es ermöglichen, dass das elektrische System stets die maximale Leistungscharakteristik zur Verfügung stellen kann.

Diese Aufgabe wird anhand der Merkmale der Patentansprüche 1 und 22 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind aus den jeweiligen abhängigen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.

Um stets die maximale Leistungscharakteristik des elektrischen Systems zur Verfügung stellen zu können, ist es sinnvoll, die jeweils aktuellen Temperaturwerte der Bauteile und/oder Baugruppen zu kennen und zu überwachen und anhand der aktuellen Temperatur der Bauteile und/oder Baugruppen bzw. deren vermutlichen Entwicklung die Leistungscharakteristik des elektrischen Systems zu bestimmen und entsprechend bereitzustellen. Hierbei muss aber zugleich gewährleistet sein, dass eine Beschädigung des Bauteils und/oder der Baugruppen nicht erfolgt. Ein Betrieb in einem „Überlastbereich" ist daher nur kurzfristig und in den vorgegebenen Temperaturschranken zulässig. Durch geschickte Absenkung der Leistungscharakteristik des elektrischen Systems kann daher auf Grundlage der ermittelten Temperatur ohne merkliche Verluste der Leistungscharakteristik diese gesteuert werden.

Um jedoch im Betrieb eines Bauteils und/oder Baugruppen bestimmen zu können, ob das Bauteil noch über einen definierten Zeitraum mit einer vorgegebenen Leistung betrieben werden kann, oder ob es wegen einer drohenden Überhitzung zu einer möglichen Beschädigung des Bauteils und/oder der Baugruppen kommt, muss die Temperatur des Bauteils bzw. der Baugruppe bekannt sein.

Eine andere Möglichkeit ist es, direkt, d. h. online, in der Steuerung ein thermisches Modell der kritischen Bauteile zu rechnen. Dadurch ergeben sich dynamische Grenzen, die der jeweiligen Situation angepasst sind.

Der Vorteil des nachfolgend beschriebenen Verfahrens ist, dass das thermische Modell einerseits an die tatsächlichen Gegebenheiten angepasst ist und andererseits nicht allzu große Anforderungen an die Steuerungseinheit, wie beispielsweise eine Mikrocomputereinheit, bei der Durchführung des Verfahrens stellt.

Das hier erfindungsgemäße Verfahren für eine thermische Modellierung zeichnet sich durch den Einsatz von wenigen und einfachen Rechenoperationen aus und greift auf Daten zu, die bereits zur Regelung des Systems notwendigerweise vorhanden sind.

Diese für die Regelung notwendigen und bereits im System vorhandenen Daten sind der aktuell durch das Bauteil, beispielsweise durch einen Shunt, fließende Strom, die Umgebungstemperatur des Bauteils sowie die Temperatur eines Temperatursensors. Auf Basis dieser Werte kann anhand eines Modells die im Shunt erzeugte Verlustleistung in Abhängigkeit des Stromflusses im Shunt errechnet werden. Diese Verlustleistung lädt die Wärmekapazität des Shunts selbst, sowie die Wärmekapazität des den Shunt umgebenden Bereichs, wie beispielweise die Kupferflächen oder die Leiterplatte selbst, auf. Die Leiterplattenstruktur, auf welcher der Shunt angeordnet ist, stellt einen thermischen Widerstand dar. Über diesen thermischen Widerstand erfolgt eine Ableitung der Verlustleistung zum Rand der Leiterplatte. Dort befindet sich der bereits genannte Temperatursensor, der die Temperatur lokal bezogen erfasst. Hierbei wird sowohl die Temperatur der Leiterplatte, als auch gegebenenfalls die Umgebungstemperatur erfasst. Anhand der Temperaturdifferenz dieser beiden Werte kann die Wärmeabstrahlung ermittelt werden. In vorteilhafter Weise wird die Umgebungstemperatur über einen weiteren Sensor, beispielsweise einem im Bordnetz bereits vorhandenen Temperatursensor, der über eine Busleitung in Form eines Datensatzes oder in Form von Daten zur Verfügung gestellt wird, bereitgestellt.

Die vom Temperatursensor bereitgestellte Temperatur dient als Ausgangspunkt für die Ermittlung der Shunt-Temperatur. Hierzu bietet sich an, ein iteratives Verfahren, welches in der Steuerungseinheit bzw. in der Mikrocomputereinheit abläuft, zu verwenden. In der Mikrocomputereinheit wird ein Software-Stufenmodell zur Abarbeitung der einzelnen, im weiteren nachfolgend beschriebenen, Prozesse implementiert, derart, dass die einzelnen Prozesse unabhängig voneinander laufen, jedoch untereinander selbst die notwendigen Daten bereitstellen und austauschen, damit der jeweilige andere Berechnungsprozess optimal auf die benötigten Werte zugreifen kann und auf diesen Werten basierend seine Berechnungen vornimmt. Es ist daher zwingend erforderlich, dass die Grunddaten zur Berechnung in einer schnelleren Zeitfolge ermittelt werden, damit die abhängigen weiteren Berechnungen stets aktuelle Daten als Eingaben haben.

Zum Start des Verfahrens muss die aktuelle Energiemenge, d. h. die aktuelle Wärmekapazität, des Shunts sowie die aus dessen Umgebung ermittelt und berücksichtigt werden. Hierzu wird in einer Initialisierungsphase ein Wert benötigt, der beim Systemstart mit Null initialisiert werden kann.

Im weiteren werden nunmehr die einzelnen Berechnungsprozesse bzw. Software-Stufen nebst Operationen beschrieben.

Im ersten Berechnungsprozess wird in einer schnellen, sich wiederholenden Zeitfolge, einer sogenannten Zeitschleife, der dynamische Vorgang der Energieeinbringung in den Shunt und dessen aufgenommenen Energie in Form einer Wärmeenergieerhöhung pro Taktzyklus errechnet. In vorteilhafter Weise wird für den Taktzyklus der Berechnung der eingebrachten Wärmeenergie in den Shunt der Takt der Pulsweitenmodulation für die Ansteuerung der Regelung verwendet. Diese Berechnung der eingebrachten Wärmeenergie erfolgt nach der Formel:

In der oben genannten Formel ist R der ohmsche Widerstand des Shunts, I der aktuelle Stromwert, der durch den Shunt fließt. Hieraus errechnet sich dann die aufgebrachte Energieänderung, welche über die Variable W, welche bei Start des Systems mit Null initialisiert wurde, kontinuierlich aufaddiert wird. Das Zeitintervall Δt₁ entspricht dem Taktzyklus der Pulsweitenmodulation, d. h. des Taktes der Steuerung. Der jeweils aktuelle Wert der eingebrachten Wärmeenergie W wird anhand der Formel W = W + dWin berechnet. Aus dieser Formel ist ersichtlich, dass sich der Wert der Energieänderung dW kontinuierlich über die Zeit verändert. Insoweit wird kontinuierlich über den gesamten Prozess der Inbetriebnahme des Systems die Energieeinbringung erfasst, d. h. der Berechnungsprozess wird laufend wiederholt.

In einem zweiten Berechnungsprozess bzw. der zweiten Software-Stufe wird nunmehr in Abhängigkeit von den vorher berechneten Wärmeenergiewerten, die Temperatur im Shunt selbst errechnet. Dies erfolgt anhand der Formeln TShunt = ΔT + TSensor wobei

Mit ΔT ist die Änderung der Temperatur bezeichnet, wobei diese durch die Quotientenbildung der aktuell eingebrachten Wärmeenergie W mit der Wärmekapazität C_th des Shunts und dessen Umgebung ermittelt wird. Die Wärmekapazität C_th ist bekannt bzw. wird aufgrund von Messungen erfasst. Als in der Praxis relevantes Zeitintervall hat sich für die Berechnung der Temperatur des Shunts ein Zeitintervall von t = 10 ms als vorteilhaft erwiesen.

Basierend auf diesen Berechnungsergebnissen wird nunmehr in einem dritten Berechnungsprozess, der dritten Software-Stufe, die Wärmeabfuhr über die Leiterplatte und die Umgebung errechnet. Über den thermischen Widerstand der Leiterplatte findet ein ständiger Wärmetransport statt, der abhängig ist von dem Temperaturgefälle zwischen der Temperatur des Shunts und der Außenkante der Leiterplatte. Da auch diese Berechnung nicht sehr zeitkritisch ist, kann diese Berechnung ebenfalls mit einer geringeren Zeitfolge errechnet werden, wobei aber auch diese Berechung in einer separaten Software-Stufe und einem abgetrennten Berechnungsprozess erfolgt. Auch hierbei hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Zeitfolge der Berechnungen in einem Abstand von jeweils t = 10 ms vorzunehmen. Die Wärmeabfuhr berechnet sich wie folgt:

Hierbei ist W_out die abgegebene Wärmeenergie, ΔT die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Shunts und der vom Sensor gemessenen Temperatur, R_th der thermische Widerstand der Leiterplatte und Δt₂ der Zeittakt der Berechung, welcher in vorteilhafter Weise mit t = 10 ms gewählt ist. Die neue gespeicherte Gesamtwärmeenergie ergibt sich demnach wie folgt: W = W – dWout.

In einer nunmehr anschließenden weiteren Software-Stufe, dem vierten Berechnungsprozess, wird eine Grenzwertbetrachtung anhand der errechneten Temperatur des Shunts und der gemessenen Temperatur am Temperatursensor und einem definierten Vergleichswert durchgeführt. Als sinnvoller Vergleichswert und somit als Grenzwert hat sich beispielsweise eine Temperaturdifferenz von 40 bis 45 Kelvin ergeben, wobei die Shunt-Temperatur maximal 140 bis 150 Grad Celsius betragen darf. Diese letzte Grenzwertbetrachtung kann in einer unkritischen zeitlichen Intervallbetrachtung erfolgen, so dass hier die Berechnungsintervalle beispielsweise mit ca. t = 100 ms gewählt werden können. Es ist zu berücksichtigen, dass ein gewisser Trägheitseffekt zwischen der thermischen Aufladung des Shunts sowie der thermischen Kapazität des Shunts und der Umgebung vorhanden ist. Dies wird dadurch berücksichtigt, dass die Maximaltemperatur des Shunts, welche als zulässig erachtet wird, stets beachtet wird.

Anhand der aktuellen errechneten Shunt-Temperatur greift die Regelung ein und erhöht oder vermindert den Stromfluss für das elektrische System derartig, dass die kritische Shunt-Temperatur nicht überschritten wird und sich maximal auf den Grenzwert einregelt. Auf diese Weise wird ein hartes Abschalten vermieden. Es erfolgt vielmehr eine weiche Abriegelung. Auf diese Weise werden sich für einen Nutzer des Systems die Temperaturerhöhungen und die dadurch ggf. wegen einer drohenden Überhitzung notwendige Rücknahme der Leistungscharakteristik des Systems nicht direkt fühlbar auswirken.

Im Weiteren ist zu berücksichtigen, dass häufig die zulässigen Maximaltemperaturen nicht vom elektrischen System am Shunt erreicht werden und somit das System mit maximaler Leistungscharakteristik läuft. Auf die durch die Erfindung beschriebene Weise können durchaus mit handelsüblichen Bauteilen und der vorgeschriebenen Berechnungsweise die notwendigen Erfordernisse erfüllt und eine kostengünstige Realisierung der Baugruppe zur Regelung eines Systems vorgenommen werden.

Im Nachfolgenden wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels für einen Einsatz für eine elektrische Lenkhilfe eines Kraftfahrzeuges anhand von Figuren beschrieben.

Es zeigen:

1 eine schematisches Darstellung eines Widerstandes und dessen schematisches thermisches Modell; und

2 einen schematischen Aufbau der zur Regelung und zur Durchführung des Verfahrens notwenigen Komponenten.

Bei der Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Lenkhilfe werden Drehstrommotoren mit einem dreiphasigen Drehstrom versorgt. Zum Betrieb der elektrischen Lenkhilfe sind elektrische Widerstände, sogenannte Shunts vorhanden, welche einer erhöhten thermischen Beanspruchung unterliegen. Derartige Shunts werden insbesondere bei der Strommessung eingesetzt.

Die bei der elektrischen Lenkhilfe eingesetzten Shunts sind normalerweise nicht für einen Dauerbetrieb mit maximal möglichen Strömen ausgelegt. Je nach Umgebungstemperatur und Beanspruchung ist ein bestimmter Betriebspunkt entsprechend über längere oder kürzere Zeit haltbar. Da jeder der drei Phasenströme gemessen wird und die Belastung der drei Phasen sehr unterschiedlich bei einer elektrischen Lenkhilfe ausfallen kann, wie beispielsweise bei Stillstand des Fahrzeuges bei maximalem Drehmoment an der Lenkung, sogenanntes „Bordstein drücken", ist es notwendig, für jeden der drei Shunts separat die aktuelle Betriebstemperatur zu erfassen.

Zur Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Lenkhilfe für ein Kraftfahrzeug werden diverse Parameter erfasst. Damit die elektrische Lenkhilfe mit maximaler Leistungscharakteristik einsetzbar ist, müssen verschiedene Parameter eingehalten werden. Damit es beim Betrieb der elektrischen Lenkhilfe nicht zu einer Beschädigung der Komponenten kommt, müssen diese überwacht werden. Hierbei ist insbesondere zu beachten, dass bei der elektrischen Lenkhilfe diese ihre Unterstützung in Abhängigkeit des für den anzutreibenden Elektromotor notwendigen Stromes bereitstellen kann. Je höher der Grad der Unterstützung, desto höher die Stromaufnahme. Um den Elektromotor nicht zu überlasten, wird daher die Stromaufnahme überwacht. Hierzu wird der Motorstrom gemessen. Da es sich um einen Drehstrommotor handelt, wird jeder der drei Phasenströme gemessen.

Zur Strommessung werden, wie bereits ausgeführt, Shunts eingesetzt. Da der Shunt bei maximaler Leistung des Motors mit einem hohen Strom belastet wird, ist der Shunt thermisch zu überwachen, damit es nicht zu einer Temperaturüberhöhung des Shunts und somit zu einer Zerstörung desselbigen kommt. Ein sehr wichtiger Parameter für die Ermittlung der Temperatur des Shunts ist der durch den Shunt fließende Strom.

In 1 ist ein schematisches thermisches Modell eines Widerstandes, insbesondere eines Shunts, dargestellt. Dieses schematische thermische Modell eines Shunts zeigt die schematischen, bei der thermischen Betrachtung des Shunts, zu beachtenden Elemente eines Shunts, nämlich den Shunt 1 selbst, die Verlustleistung 2 des Shunts, das thermische Modell 3 des Shunts 1, die thermische Kapazität 4 des Shunts 1 und der umgebenden Leiterplatte und dessen thermischen Widerstand 5.

Aufgrund des Stromflusses durch den Shunt 1 wird eine thermische Verlustleistung 2 erzeugt. Diese thermische Verlustleistung 2 lädt die thermische Kapazität 4 des Shunts 1 und des umgebenden Kupfers der Leiterplatte bzw. die den Shunt 1 umgebende Leiterplattenfläche auf. Die Leiterplattenstruktur, auf welcher der Shunt 1 angeordnet ist, und der Shunt 1 selbst stellen einen thermischen Widerstand 5 dar. Über diesen thermischen Widerstand 5 erfolgt eine Ableitung der Verlustleistung 2 zum Rand der Leiterplatte.

In 2 ist ein schematischer Aufbau der zur Regelung und zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Komponenten dargestellt. 2 zeigt einen Temperatursensor 21, eine Steuerungseinheit 22, eine Stromversorgungseinheit 23, einen Teilbereich der Leiterplatte 24 mit den Shunts 26, 27, 28, die Lenkhilfe 25, welche gesteuert wird und in welche über die Leitung 32 der Strom für die einzelne Phase des dort angeordneten Drehstrommotors, welcher in 2 nicht dargestellt ist, fließt. Es ist die Steuerleitung 29 gezeigt, die der Steuerungseinheit 22 Daten vorgibt, welche von der elektrischen Lenkhilfe 25 umgesetzt werden sollen. Außerdem ist die Energiezuführungsleitung 30, welche die Stromversorgungseinheit 23 versorgt, gezeigt, sowie die Zuleitung 31, welche den jeweilig erforderlichen Strom für die elektrische Lenkhilfe 25 und insbesondere für den Drehstrommotor zur Verfügung stellt, welcher jeweils über die Shunts 26, 27, 28 geführt wird.

Die Steuerungseinheit 22 steuert den gesamten Ablauf der elektrischen Lenkhilfe 25 bzw. des dort ansässigen, nicht dargestellten, Drehstrommotors. An die Steuerungseinheit 22 ist ein Temperatursensor 21 angeschlossen. Dieser Temperatursensor 21 überwacht die Temperatur der Leiterplatte selbst. Im weiteren erhält die Steuerungseinheit 22 über die Stromversorgungseinheit 23 aktuell durch die Shunts 26, 27, 28 fließenden Ströme, welche über die Leitung 31 zugeführt werden. Da der Steuerungseinheit 22 die Widerstandswerte der Shunts 26, 27, 28 bekannt sind, errechnet diese die eingebrachte Wärmeenergie in die jeweiligen Shunts 26, 27, 28. Hierbei wird die eingebrachte Wärmeenergie für jeden Shunt 26, 27, 28 gesondert errechnet. Insoweit laufen in der Steuerungseinheit 22 jeweils drei getrennt voneinander laufende Berechnungsprozesse ab, um jeweils die Temperatur in jedem einzelnen Shunt 26, 27, 28 zu ermitteln. Der ohmsche Widerstand jedes Shunts 26, 27, 28 ist in der Steuerungseinheit 22 hinterlegt und wird in vorteilhafter Weise bei der Endkontrolle ermittelt und im Speicher, bzw. in der der Steuerungseinheit 22 zugeordneten Speichereinheit, gespeichert. In Versuchen hat sich gezeigt, dass der Einsatz von Festspeichern oder elektrisch löschbaren Speichern hierfür vorteilhaft ist.

Für jeden Shunt 26, 27, 28 errechnet die Steuerungseinheit 22 zu jedem Zeittakt des Taktzyklusses die eingebrachte Wärmeenergie. Der Taktzyklus ist in vorteilhafter Weise der Pulsweitenmodulationstakt. Die Steuerungseinheit 22 errechnet anhand der Widerstandswerte der Shunts 26, 27, 28, des aktuellen Stromflusses durch die Shunts 26, 27, 28 und innerhalb eines vordefinierten Zeitintervalls die jeweils eingebrachte Wärmeenergie.

Die Steuerungseinheit 22 errechnet die jeweils in jeden der drei Shunts 26, 27, 28 eingebrachte Wärmeenergie anhand des Produktes des jeweiligen Ohmschen Widerstandes des jeweiligen Shunts, des Quadrates des Wertes des durch den Shunt fließenden Stroms, sowie des Zeitintervalls, welches zwischen der aktuellen Berechnung und der vorherigen Berechnung liegt. Natürlicherweise initialisiert die Steuerungseinheit 22 beim Start der Berechnung die jeweiligen Startwerte gemäß der aktuellen Umgebungstemperatur, der Temperatur der Shunts, etc.

Den ersten Berechnungsprozess nimmt die Steuerungseinheit 22 in einem sogenannten Software-Stufenmodell vor. Die Berechnung erfolgt in einer ersten Zeitschleife, welche ausschließlich für die erste Berechnung vorgesehen ist. Diese Berechnung wird gemäß exakten Zeittakten vorgenommen, welche in vorteilhafter Weise dem Pulsweitenmodulationstakt entsprechen.

In einem zweiten Berechnungsprozess und in einer zweiten Zeitschleife, berechnet nunmehr die Steuerungseinheit 22 aus den in der schnelleren ersten Zeitschleife errechneten Wärmeenergieeinträgen in den jeweiligen Shunt 26, 27, 28 die Temperatur des jeweiligen Shunts 26, 27, 28. Hierzu errechnet die Steuerungseinheit 22 die Temperaturänderung als Quotienten der aktuell errechneten Wärmeenergie im Shunt und der thermischen Kapazität des jeweiligen Shunts 26, 27, 28. Aus diesem Ergebnis ermittelt die Steuerungseinheit 22 die aktuelle Temperatur des Shunts 26, 27, 28 als Summe der ermittelten Temperaturänderung und der Temperatur der Leiterplatte, welche vom Temperatursensor 21 geliefert wird. Hierbei wird bei der Wärmekapazität des Shunts 26, 27, 28 auch dessen Umgebung auf der Leiterplatte und deren Wärmekapazität berücksichtigt. Diese Berechnung nimmt die Steuerungseinheit 22 ebenfalls zu festgelegten Zeittakten vor, wobei diese Berechnungen in deutlich größeren Zeitintervallen erfolgt.

Ausgehend von diesen Berechnungsergebnissen nimmt die Steuerungseinheit 22 in einer dritten, zeitlich noch unkritischeren, Zeitschleife die Berechnung der Wärmeableitung vom Shunt 26, 27, 28 über die Leiterplatte an die Umgebung vor. Über den thermischen Widerstand der Leiterplatte findet ein ständiger Wärmetransport statt, der abhängig ist von dem Temperaturgefälle zwischen der Temperatur des Shunts 26, 27, 28 und der Außenkante der Leiterplatte. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Berechnungsintervalle synchron zu denjenigen der Temperaturberechnung des Shunts 26, 27, 28, d. h. dem zweiten Berechnungsprozess, vorzunehmen. Die Wärmeenergieableitung errechnet sich anhand des Quotienten aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Shunt 26, 27, 28 und der Leiterplattenaußenkante und dem thermischen Widerstand der Leiterplatte, multipliziert mit der Dauer des jeweiligen Zeitintervalls der Berechnung.

Die aktuelle im Shunt 26, 27, 28 vorhandene Gesamtwärmeenergie errechnet die Steuerungseinheit 22 anhand der vorherig ermittelten Gesamtwärmeenergie abzüglich der errechneten Wärmeenergieableitungsmenge. Diese Berechnung erfolgt iterativ, wie auch bereits die vorherigen Berechnungen. Auch diese Berechung nimmt die Steuerungseinheit 22 in einer separaten Zeitschleife vor.

In einer nunmehr anschließenden vierten Zeitschleife bzw. einem vierten Berechnungsprozess nimmt die Steuerungseinheit 22 anhand der errechneten Temperatur eines jeden Shunts 26, 27, 28 und der vom Temperatursensor 21 gemessenen Temperatur der Leiterplatte und einem definierten Vergleichswert eine Grenzwertbetrachtung vor. Als sinnvoller Grenzwert hat sich beispielsweise eine Temperaturdifferenz von 40 bis 45 Kelvin ergeben, wobei die Shunt-Temperatur maximal 140 bis 150 Grad Celsius betragen darf. Diese letzte Grenzwertbetrachtung kann in einer unkritischen zeitlichen Intervallbetrachtung erfolgen, so dass hier die Berechnungsintervalle beispielsweise mit ca. t = 100 ms gewählt werden können.

Anhand der aktuellen errechneten Temperatur eines jeden Shunts 26, 27, 28, bzw. anhand der zulässigen Temperaturdifferenz zwischen den Shunts 26, 27, 28 und der Leiterplatte regelt die Steuerungseinheit 22 den Stromdurchfluss durch jeden Shunt 26, 27, 28. Wird die zulässige maximale Temperaturdifferenz und/oder die Maximaltemperatur des Shunts erreicht, reduziert die Steuerungseinheit 22 den Strom, der durch den Shunt 26, 27, 28 fließt und greift somit in die Regelung der elektrischen Lenkhilfe 25 ein und erhöht oder vermindert den Stromfluss für das elektrische System derartig, dass die im Shunt 26, 27, 28 aktuell anliegende Temperatur nicht überschritten wird und maximal auf dem Grenzwert gehalten wird. Auf diese Weise wird eine harte Abriegelung vermieden. Es erfolgt vielmehr eine weiche Regelung, welche sich für einen Nutzer der elektrischen Lenkhilfe 25 nicht direkt fühlbar auswirkt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Energieeintrag im Shunt durch den Stromfluss anhand einer Hilfsvariablen betrachtet, um so die Berechnungsgeschwindigkeit des ersten Berechnungsprozesses noch weiter zu erhöhen. Demnach wird eine Hilfsvariable H eingerichtet, welche den Quotienten aus dem Quadrat des aktuellen Stromflusses und einem Divisor repräsentiert. Der Energieeintrag ΔH errechnet sich nach der Formel:

wobei der Divisor beliebig wählbar ist. Beispielsweise kann für n = 10 gewählt werden. Die Hilfsvariable H ergibt sich dann zu H = H + ΔH,wobei die Hilfsvariable H bei Systemstart mit dem Wert Null initialisiert wird.

Im zweiten Berechnungsprozess wird die Hilfsvariable zunächst gelesen, umgerechnet in die eigentliche eingebrachte Wärmeenergie und anschließend wieder gelöscht. Die eingebrachte Wärmeenergie errechnet sich demnach durch die Formel ΔWin = H·R·Δt·2n.

Der jeweils aktuelle Wert der eingebrachten Wärmeenergie W wird anhand der Formel W = W + ΔWin berechnet. Die eingebrachte Wärmeenergie W ist demnach ein inkrementaler Wert in Abhängigkeit der vorherigen Werte. Anschließend wird die Hilfsvariable H wieder gelöscht: H = 0.

Anschließend wird nunmehr, wie in bereits beschriebener Weise, die aktuelle Shunt-Temperatur in Abhängigkeit der vorher berechneten Wärmeenergiewerten errechnet: TShunt = ΔT + TSensor,wobei

Basierend auf diesen Berechnungsergebnissen wird nunmehr in einem dritten Berechnungsprozess die Wärmeabfuhr über die Leiterplatte und die Umgebung

Die neue gespeicherte Gesamtwärmeenergie ergibt sich demnach wie folgt: W = W – dWout.

Abschließend wird in einer weiteren Software-Stufe, dem vierten Berechnungsprozess, eine Grenzwertbetrachtung zwischen der errechneten Temperatur des Shunts und der gemessenen Temperatur am Temperatursensor und einem definierten Vergleichswert ermittelt.

1: Shunt
2: Verlustleistung des Shunts
3: thermisches Modell des Shunts
4: thermische Kapazität des Shunts
5: thermischen Widerstand des Shunts
21: Temperatursensor
22: Steuerungseinheit
23: Stromversorgungseinheit
24: Teilbereich der Leiterplatte
25: Elektrische Lenkhilfe
26: Shunt
27: Shunt
28: Shunt
29: Steuerleitung
30: Energiezuführungsleitung
31: Stromleitungen zu den Shunts
32: Stromleitungen zum Drehstrommotor der elektrischen Lenkhilfe

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Bauelementes, wobei die Temperatur des Bauelementes anhand der Umgebungstemperatur, welche von einem Sensor erfasst wird, und dem im Bauelement eingebrachten aktuellen Strom ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Zeitschleife die eingebrachte Wärmeenergie anhand des aktuell durch das Bauteil fließenden Stroms errechnet wird, in einer zweiten Zeitschleife in Abhängigkeit der errechneten eingebrachten Wärmeenergie und der vom Temperatursensor bereitgestellten Umgebungstemperatur die Temperaturänderung und die Temperatur des Bauteils errechnet wird, und in einer dritten Zeitschleife der Wärmeabfluss über den Wärmewiderstand des Bauteils und des thermischen Widerstandes der das Bauteil umgebenden Leiterplatte ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer vierten Zeitschleife eine Grenzwertbetrachtung anhand der errechneten Temperatur des Shunts und der gemessenen Temperatur am Temperatursensor und einem definierten Vergleichswert durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Über- oder Unterschreitung des definierten Vergleichswertes eine Regelungs- und/oder Steuerungseinheit in ein elektrisches System eingreift.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische System weitestgehend eine maximale Leistungscharakteristik aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausfall des elektrischen Systems vermieden wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überhitzung und/oder Beschädigung des Bauelementes vermieden wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer Zeitschleife zumindest ein Berechnungsprozess zugeordnet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsprozesse parallel und unabhängig voneinander erfolgen, wobei jedoch die in den einzelnen Berechnungsprozessen ermittelten Daten für zumindest einen anderen Berechnungsprozess bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsprozesse unterschiedliche Berechnungsintervalle bzw. Berechnungstaktzeiten aufweisen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Berechnungsprozess die kürzesten Berechnungsintervalle bzw. Berechnungstaktzeiten aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungstaktzeit des ersten Berechnungsprozesses der Pulsweitenmodulationstaktzeit der Regelungs-und Steuerungseinheit entspricht.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite und dritte Berechnungsprozesses die gleiche Berechnungstaktzeit aufweisen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Berechnungsprozess die größte Berechnungstaktzeit aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsprozesse iterativ erfolgen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Verlustleistung des Bauelementes die Wärmekapazität des Bauelementes sowie die Wärmekapazität des den das Bauelementes umgebenden Bereichs ermittelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der das Bauelement umgebende Bereich die Leiterplatte selbst und/oder Kupferflächen an der Leiterplatte sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Leiterplattentemperatur mit einem ersten Sensor erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Umgebungstemperatur mit einem zweiten Sensor erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor über eine Busleitung in Form eines Datensatzes und/oder Daten bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Mikrocomputereinheit abgebildet ist
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer elektrischen Lenkhilfe in einem Kraftfahrzeug angewandt wird.
Anordnung zur Umsetzung des Verfahrens zur Bestimmung der Temperatur eines Bauelementes nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche.