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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslegen einer Kühlvorrichtung für eine elektrische Komponente eines Kraftwagens, insbesondere eines Hybrid- oder Elektrokraftwagens.
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Insbesondere bei elektrisch betriebenen Kraftwagen, deren Elektromotoren im Bremsbetrieb auch zur Rekuperation genutzt werden können, kommt es zu stark schwankenden elektrischen Belastungen der Komponenten des Kraftwagens. Diese starken Schwankungen führen gleichzeitig zu starken Schwankungen in der thermischen Belastung der genannten Komponenten. Zur Auslegung von Kühlsystemen für Komponenten solcher Kraftwagen werden bislang statistische Verfahren wie die Erfahrungsstatistik oder Verteilungsfunktionen benutzt. Solche Auslegungsverfahren ignorieren jedoch den zeitlichen Ablauf der Belastung und verlieren Information über Belastungsspitzen. Thermisch kritische Belastungsspitzen werden also nicht erkannt. Aus diesem Grund ist üblicher Weise eine Überdimensionierung der Kühlvorrichtungen für derartige Komponenten beziehungsweise der Komponenten selbst notwendig. Eine Überdimensionierung solcher Komponenten führt zu zusätzlichem Gewicht und zu zusätzlichem Bauraumverbrauch. Hierdurch werden die Verbrauchswerte des Kraftwagens verschlechtert und seine Betriebskosten erhöht. Die Überdimensionierung führt gleichzeitig zu höheren Herstellungskosten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine Überdimensionierung von Kraftwagenkomponenten oder diesen zugeordneten Kühlvorrichtungen vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer Approximation eines stochastischen Belastungsverlaufs der elektrischen Komponente durch ein sich periodisch wiederholendes thermisches Referenzlastspiel. Zur Parametrisierung des Referenzlastspiels wird zunächst wenigstens ein Zeitverlauf eines Stromflusses durch die Komponente in deren Betrieb für eine vorgegebene Lastspieldauer gemessen. Die Messpunkte des Zeitverlaufs werden als geordnete Paare aus gemessenen Belastungswerten und jeweils zugeordneten Zeitwerten gespeichert.
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Aus diesen Zeitverläufen wird dann ein zeitgewichteter Effektivwert einer Belastung der Komponente für wenigstens eine Zeitfensterbreite bestimmt. Die Zeitfensterbreite liegt dabei zwischen einer Abtastperiode des Messens und der gesamten Lastspieldauer. Zum Ermitteln des zeitgewichteten Effektivwertes wird zunächst der Effektivwert nach einer vorgegebenen Formel für alle überlappenden Zeitfenster innerhalb des Zeitverlaufes bestimmt. Mit anderen Worten wird das vorgegebene Zeitfenster über den gesamten Zeitverlauf verschoben und für jede Position des Zeitfensters ein Effektivwert nach der vorgegebenen Formel ermittelt. Der maximal auftretende Effektivwert für eine gegebene Zeitfensterbreite wird dann als zeitgewichteter Effektivwert zusammen mit der zugeordneten Zeitfensterbreite gespeichert. Bevorzugt wird dies für alle möglichen Zeitfensterbreiten durchgeführt, so dass man einen weiteren Datensatz geordneter Wertepaare zwischen Zeitfensterbreite und zugeordnetem maximalen Effektivwert der Belastung erhält.
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Durch die Variation der Zeitfensterbreite wird also eine zeitliche Verteilungsfunktion der Belastung der Komponente gewonnen, aus welcher sowohl auftretende Spitzenlasten als auch die durchschnittliche Dauerbelastung der Komponente entnommen werden kann.
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Um zu einem einfachen Modell eines Referenzlastspiels zu gelangen, wird nun eine komponentenabhängige Kurzzeitbelastungsdauer festgelegt. Diese ist unabhängig von äußeren Faktoren und damit eine intrinsische Eigenschaft der Komponente. Das zu modellierende Referenzlastspiel ergibt sich aus einem dreiphasigen Ablaufes dargestellt. Die erste Phase der Periode besteht aus einer maximalen Kurzzeitbelastung für die vorgegebene maximale Kurzzeitbelastungsdauer. Diese kann als Maximalwert der zeitgewichteten Effektivwerte mit einer zugeordneten Zeitfensterbreite zwischen der Abtastperiode und der vorgegebenen maximalen Kurzzeitbelastungsdauer aus den ermittelten Daten abgelesen werden. Diese erste Phase ist Teil des Referenzlastspiels.
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Die dritte Phase des Referenzlastspiels ist als konstante Belastung in Höhe einer maximalen Dauerbelastung der Komponente angenommen und erstreckt sich zeitlich vom Ende des untersuchten Zeitverlaufs. Auch die maximale Dauerbelastung ist nicht von äußeren Parametern abhängig und ist eine intrinsische Eigenschaft der Komponente. Die maximale Dauerbelastung kann ebenfalls aus den gemessenen zeitgewichteten Effektivwerten abgelesen werden. Hierzu wird der Maximalwert aller zeitgewichteten Effektivwerte mit einer zugeordneten Zeitfensterbreite zwischen einer vorgegebenen Abklingbelastungsdauer und der Lastspieldauer abgelesen. Die Dauerbelastung ist nur in so fern Teil des Referenzlastspiels, als dass sie dem Wert der Belastung, der sich nach dem kompletten Ablauf eines Referenzlastspiels ergibt, entspricht.
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Als zweite Phase, die zwischen Kurzzeit- und Dauerbelastung liegt, beschreibt das Abklingen der Belastung von der maximalen Kurzzeitbelastung auf die Dauerbelastung. Mit der Festlegung der größten Höhe der Kurzzeitbelastung, Dauer der Kurzzeitbelastung, Höhe der Dauerbelastung und Dauer des Referenzlastspiels ist der Verlauf in der Abklingphase determiniert. Im Gegensatz zu statischen Verfahren kann damit für jedes beliebige Zeitfenster innerhalb der Abklingzeit geprüft werden, ob die Referenzbelastung tatsächlich höher ist als die entsprechende zeitgewichtete Belastung innerhalb der der Auslegung zugrunde liegenden Fahrzyklen.
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Das so bestimmte Referenzlastspielmodell ist thermisch äquivalent zu dem im ersten Schritt des Verfahrens tatsächlich gemessenen Lastspiel, kann aber aufgrund seiner einfachen periodischen Form ohne stochastische Anteile wesentlich besser mathematisch gehandhabt werden. Auf Grundlage dieses Referenzlastspiels kann nun auf einfache Weise die Auslegung der Kühlvorrichtung oder der Komponente selbst anhand der maximalen Dauerbelastung und der maximalen Kurzzeitbelastung bestimmt werden. Die Kühlvorrichtung oder die Komponente selbst werden also optimal auf die tatsächlich auftretenden Belastungen ausgelegt, so dass keine Überdimensionierung mehr notwendig ist. Damit werden Gewicht, Bauraum und Herstellungs- sowie Betriebskosten eingespart.
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Als Referenzgröße der Belastung und damit als einzige Verlustquelle wird nachfolgend der Strom betrachtet. Sofern in der Komponente noch andere Verlustmechanismen außer dem Strom wirken, wird in einem Zwischenschritt aus allen Belastungsgrößen der zeitliche Verlauf der Verlustleistung bestimmt und das Verfahren auf den Zeitverlauf der Verlustleistung angewendet. In diesem Fall erfolgt der Rückschluss vom Referenzlastspiel auf die Belastungsgrößen über eine worst case-Betrachtung der Verlustmechanismen.
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Besonders zweckmäßig ist es, den Effektivwert für die Belastung in Form eines Rootmean-square-Mittels über den Stromverlauf in einem Zeitfenster darzustellen. Hiezu wird bevorzugt folgende Gleichung benutzt:
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Ieff(t*, t) bezeichnet hierbei den zeitgewichtete Effektivwert der Belastung in einem Zeitfenster mit der Zeitfensterbreite t*, welches sich von dem gemessenen Belastungswert mit dem zugeordneten Zeitwert t bis zum Belastungswert mit dem zugeordneten Zeitwert t + t* erstreckt. tD gibt weiterhin die Abtastrate der Messung wieder. Durch die Quadrierung des gemessenen Stromflusses I wird eine Vorzeichenunabhängigkeit der Bestimmung des Effektivwertes erreicht. Damit können im Fall von Kraftwagen mit Motoren, die im Bremsbetrieb zur Rekuperation eingesetzt werden, die umgekehrten Stromflussrichtungen berücksichtigt werden, ohne dass eine Verfälschung der Berechnung entsteht. Gleichzeitig ist die quadrierte Stromstärke über dem meistbekannten Innenwiderstand der Komponente direkt proportional zur aufgebrachten Leistung, stellt also ein besonders gutes Maß für die thermische Belastung dar.
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Zur Bestimmung des Zeitgewichteten Effektivwerts der Belastung für eine zugeordnete Zeitfensterbreite wird vorzugsweise folgende Gleichung verwendet: Ieff,max(t*) = max(Ieff(t*, t = 0), ..., Ieff(t*, t = tLs – t*))
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Ieff,max(t*) bezeichnet dabei den zeitgewichteten Effektivwert mit der zugeordneten Zeitfensterbreite t*. tLs bezeichnet die vorgegebene Lastspieldauer.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Komponente in Schritt a) nach einem vorgegebenen Belastungsverlauf betrieben. Hierzu können beispielsweise standardisierte Belastungsverläufe, wie sie auch für die Ermittlung von Emissionen und Verbrauchswerten von Kraftwagen verwendet werden, Anwendung finden. Als Beispiele seien die genannten Belastungsverläufe nach NEFZ, FTP75, UDDS (FDP72), US06 und dergleichen genannt. Hierdurch ist eine standardisierte Auslegung der Komponenten des Kraftwagens möglich.
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Alternativ hierzu kann die Komponente im Schritt a) auch in einem normalen Fahrbetrieb des Kraftwagens betrieben werden. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn die Schritte a) bis d) des Verfahrens, also die Aufnahme der Messwerte, die Bestimmung der zeitgewichteten Effektivwerte und die Bestimmung der Parameter eines Referenzlastspiels, von einer Steuereinrichtung, insbesondere einer Motorsteuereinheit des Kraftwagens durchgeführt werden. Solche Daten können dann beispielsweise bei regelmäßigen Inspektionen ausgelesen werden, so dass Daten über den Belastungsverlauf von Komponenten einer gesamten Kraftwagenflotte erhalten werden. Diese können bei einer Weiterentwicklung des Kraftwagenmodells benutzt werden, um eventuelle Über- oder Unterdimensionierungen von Komponenten des Kraftwagens zu erkennen und in einer nächsten Modellvariante zu korrigieren. Für den individuellen Kraftwagen können bei der Wartung aus derartigen Daten auch Informationen über aufgetretene Überbelastungen entnommen werden, die beispielsweise bei Schäden durch Überbelastungen zur Regelung von Garantiefällen genutzt werden können.
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Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
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1 einen Graphen eines zeitabhängigen Spannungsverlaufs in einer Kraftwagenkomponente,
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2 einen Graphen eines Referenzlastspiels zur Modellierung der Belastung einer Kraftwagenkomponente,
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3 einen Graphen des Temperaturverlaufs einer Kraftwagenkomponente, die gemäß dem Referenzlastspiel aus 2 belastet wird,
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4 einen Graphen einer zeitgewichteten Effektivbelastung einer Kraftwagenkomponente, bezogen auf die maximale zulässige Belastung,
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5 einen Graphen mehrerer zeitgewichteter Effektivbelastungen einer Kraftwagenkomponente mit Hilfslinien zur Bestimmung einer maximalen Spitzenbelastung und einer maximalen Dauerbelastung,
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6 und 7 den Graphen aus 5 mit einem einer Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Referenzlastspielverlauf,
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8 bis 10 den Graphen aus 7 mit zusätzlich aufgetragenen, im Fahrtbetrieb eines Kraftwagens bestimmten Belastungswerten unter verschiedenen Betriebsbedingungen.
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1 zeigt den Verlauf des Stromflusses durch eine Batterie eines elektrisch betriebenen Kraftwagens im Fahrbetrieb des Kraftwagens. Negative Ströme geben dabei der Batterie entnommene Ströme an, die vom Motor zum Antrieb des Kraftwagens verwendet werden. Positive Ströme bezeichnen Ströme die im rekuperativen Bremsbetrieb vom Motor generiert und der Batterie zugeführt werden. Um aus diesem zeitabhängigen Stromverlauf Informationen zu thermischen Auslegung der Batterie oder einer anderen Komponente des Kraftwagens zu gewinnen, müssen die erhaltenen Informationen vereinfacht werden, da der gezeigte Zeitverlauf von stochastischen Einflussfaktoren beeinflusst wird. Bislang wurden hierzu statistische Methoden verwendet, die jedoch mit dem Nachteil behaftet sind, dass Informationen über die Zeitabhängigkeit der Belastung verloren gehen.
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Eine besonders zweckmäßige Vereinfachung kann durch die Modellierung eines Referenzlastspiels, wie in 2 gezeigt, erzielt werden. Das Referenzlastspiel umfasst eine erste Phase, bei welcher die Komponente für die maximal zulässige Zeit und ihrer maximal zulässigen Belastung betrieben wird. Nach dieser, im Diagramm mit tpeak bezeichneten maximalen Spitzenbelastung (Ipeak) wird die Komponente für eine weitere Phase des Referenzlastspiels mit der maximal zulässigen Dauerbelastung (IDauer) betrieben. Dieses Belastungsmuster wird periodisch wiederholt. In der Komponente ergibt sich dabei der in 3 gezeigte Temperaturverlauf. Während der ersten Phase des Betriebs unter der maximal zulässigen Belastung der Komponente steigt die Temperatur bis zu einer maximal zulässigen Temperatur an, welche zum Zeitpunkt tpeak erreicht wird. Während der Dauerbelastung sinkt die Temperatur wieder ab bis auf den maximal zulässigen Dauerbelastungswert der Temperatur. Auch dieser Verlauf wiederholt sich periodisch.
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Mit dem im Folgenden geschilderten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens soll erreicht werden, aus dem Zeitverlauf, der in 1 dargestellt ist, Parameter für ein Referenzlastspiel gemäß 2 zu errechnen. Durch die Anpassung der Parameter an den tatsächlichen Zeitverlauf der Komponente wird erreicht, dass das Referenzlastspiel aus 2 thermisch äquivalent zu einer echten Belastung ist und daher zur Auslegung von Kraftwagenkomponenten oder von Kühlvorrichtungen für Kraftwagenkomponenten Verwendung finden kann.
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Zum Bestimmen dieser Parameter wird zunächst ein zeitgewichteter Effektivwert der Belastung berechnet. Eine graphische Auftragung dieses zeitgewichteten Effektivwerts ist in 4 bezogen auf die maximale zulässige Belastung dargestellt. Zur Berechnung dieses Effektivwertes wird ein Zeitfenster mit vorgegebener Breite über den Zeitverlauf aus 1 verschoben. Für jede mögliche Position des Zeitfensters werden die Messwerte für den Stromfluss innerhalb des Zeitfensters zur Berechnung eines Effektivwerts der Belastung verwendet. Dieser Effektivwert kann beispielsweise als Rootmean-square-Mittelung über das Zeitfenster bestimmt werden. Ist dieser Effektivwert für alle möglichen Zeitfenster einer gegebenen Länge über dem Zeitverlauf aus 1 bestimmt, so wird der maximal erreichte Effektivwert für die gegebene Zeitfensterbreite ermittelt und in 4 über dieser Zeit aufgetragen. Dies wird für alle möglichen Zeitfensterbreiten, also für Zeitfensterbreiten zwischen der Abtastperiode der Messung in 1 und der Gesamtdauer der Messung in 1 wiederholt und die jeweils ermittelten maximalen Effektivwerte der Belastung gemäß 4 aufgetragen.
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5 zeigt mehrere solche zeitgewichteten maximalen Effektivwerte der Belastung, die unter standardisierten Betriebszyklen wie beispielsweise NEFZ, FTP75 und dergleichen ermittelt wurden. Um aus diesen zeitgewichteten Belastungskurven ein Referenzlastspiel nach 2 zu bestimmen, wird nun die Länge der maximalen Spitzenbelastung der Komponente vorgegeben. Diese ist temperaturunabhängig und eine intrinsische Eigenschaft der Komponente. im gezeigten Beispiel in 5 ist diese Länge mit der strichlierten Linie 10 bezeichnet. Als maximale effektive Spitzenbelastung, die die erste Phase des Referenzlastspiels aus 2 definiert, wird ein Wert gewählt, der über dem Maximum der gemessenen Belastungskurven für Zeitfensterbreiten zwischen 0 Sekunden und der Dauer der maximalen Spitzenbelastung liegen gewählt. Dieser Maximalwert ist in 5 durch die strichlierte Linie 12 gegeben. Um die maximale Dauerbelastung zu bestimmen wird ein weiterer komponentenspezifischer Zeitwert festgelegt, der in 5 durch die strichlierte Linie 14 gekennzeichnet ist. Für alle Zeitfensterbreiten größer als dieser Wert wird die maximale gemessene effektive Belastung ermittelt und als maximale Dauerbelastung festgelegt. Diese ist in 5 durch die strichlierte Linie 16 dargestellt. Damit ist das Referenzlastspiel aus 2 vollständig definiert. Bevor das Referenzlastspiel zur Auslegung der Komponente und insbesondere von Kühlvorrichtungen für die Komponente verwendet werden kann, ist der sich ergebende Verlauf in der Abklingphase zu überprüfen. Dazu wird das Verfahren der Zeitgewichtung ebenso auf das Referenzlastspiel angewendet. Ein solches Referenzlastspiel ist in Form der Linie 18 in 6 den gemessenen effektiven Lastverläufen überlagert. Während der Abklingphase zwischen Spitzenbelastung und Dauerbelastung sinkt die Belastung exponentiell zwischen den jeweiligen Belastungshöhen der anderen Phasen ab. Die in 6 gewählte Modellierung lässt einen Problembereich erkennen, der durch den Kreis 20 hervorgehoben ist. Hier ist der Abstand zwischen dem Referenzlastspiel 18 und dem höchsten gemessenen Belastungswert gering, so dass in diesem Zeitbereich Überbelastungen drohen. Um dies zu korrigieren, muss eine oder mehrere der vier Stellgrößen noch einmal verändert werde. Beispielsweise kann die Dauer der zulässigen Spitzenbelastung verlängert werden, um den Abstand zwischen den Graphen zu erhöhen. Das Ergebnis dieser Änderung am Referenzlastspiel ist in 7 im zeitgewichteten Verlauf dargestellt.
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Neben der Auslegung von Komponenten des Kraftwagens und seines Kühlsystems können die so bestimmten Belastungskurven und das Referenzlastspiel auch genutzt werden, um den Kraftwagen in seinem Fahrbetrieb zu überwachen. Hierzu findet eine ständige Messung des Stromflusses beispielsweise durch die Batterie des Kraftwagens statt, aus welcher in einer Steuereinrichtung, beispielsweise im Motorsteuergerät ständig aktualisierte zeitgewichtete Belastungskurven errechnet werden. Diese sind in Form von Punkten in den 8 bis 10 dem Graphen aus 7 überlagert. 8 zeigt dabei die Belastung des Kraftwagens in einem problemlosen Normalbetriebszustand. Alle Messpunkte der Messreihe 22 liegen unterhalb des Referenzlastspiels, für welches die Komponenten des Kraftwagens ausgelegt wurden. Es kommt also unter keinen Betriebsbedingungen zu einer Überhitzung des Kraftwagens.
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9 zeigt dagegen eine Überlastung des Kraftwagens. Alle Messpunkte der Messreihe 24 liegen oberhalb des Referenzlastspiels 20. Die Komponenten des Kraftwagens wurden daher thermisch zu stark beeinträchtigt, eine Information, die beispielsweise bei einer Wartung genutzt werden kann, um zusätzliche Überprüfungen durchzuführen.
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10 zeigt einen weiteren Fall. Hier liegen alle Messpunkte der Messreihe 26 deutlich unterhalb des Referenzlastspiels 20. Hieraus kann die Information entnommen werden, dass die betrachtete Kraftwagenkomponente oder ihr Kühlsystem überdimensioniert wurde. In der Weiterentwicklung des entsprechenden Kraftwagenmodells kann dies berücksichtigt werden, so dass in der nächsten Modellvariante ein geringer dimensioniertes Kühlsystem Anwendung finden kann, wodurch Gewicht und Bauraum einsparbar ist. Durch die ständige Onlinebeobachtung der Belastung der Komponenten in der Motorsteuerung können solche Daten für ganze Fahrzeugflotten erhoben werden, was eine Auslegung von Komponenten von einer besonders gut gesicherten Datenbasis ermöglicht.
