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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Temperaturgradienten eines Gegenstands.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Temperaturerfassungsanordnung zum Erfassen eines Temperaturgradienten eines Gegenstands.
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Stand der Technik
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In vielen Bereich der Elektronik ist es notwendig, die Temperatur von thermisch belasteten Bauteilen zu erfassen, um eine weitere Schädigung der Elektronik oder gar einen Brand infolge einer Überhitzung der Bauteile zu verhindern.
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Auf dem Gebiet der elektrischen Maschinen ist es bekannt, Wechselrichter zu verwenden, um einen Gleichstrom, der von einer Gleichspannungsquelle bereitgestellt wird, in einen mehrphasigen Wechselstrom umzurichten, um die elektrische Maschine mehrphasig zu bestromen. Eine wesentliche Komponente des Wechselrichters ist dabei die Leistungselektronik, die eine Mehrzahl von Halbbrücken mit jeweils zwei Leistungsschaltern aufweist, um die von der Batterie bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung für die elektrische Maschine umzurichten.
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Die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit der Leistungsschalter, die üblicherweise als Halbleiterschalter ausgebildet sind, hängt stark von der Betriebstemperatur der Leistungsschalter ab. Dabei ist es besonders wichtig, dass die Leistungsschalter eine bestimmte Maximaltemperatur im Gebrauch nicht überschreiten.
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Zur Überwachung der Temperatur kann beispielsweise eine Temperatursicherung eingesetzt werden, die einen vorhandenen Stromkreis bei Erkennung einer Überhitzung abschaltet. Dabei wird die Temperatursicherung durch die umgebende Temperatur und nicht aufgrund des durchfließenden Stroms geschaltet. Daher sind Temperatursicherungen nahe an oder in den zu überwachenden Bauteilen angeordnet. Dadurch werden Überhitzungen eines thermisch belasteten Bauteils nur in einem sehr engen Bereich um die Temperatursicherung erkannt. Diese lokal begrenzte Überwachung der Temperatur ist für beispielsweise Kochgeräte, Heizplatten oder Kaffeemaschinen ausreichend. Sollen jedoch größere elektrische Schaltungen, die eine Vielzahl von elektronischen Bauelementen aufweisen, thermisch überwacht werden, so können lokale Überhitzungen mithilfe einer punktuellen Temperaturmessung nur sehr unzuverlässig erkannt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Verfahren zum Erfassen eines Temperaturgradienten eines Gegenstands bereit, wobei eine elektrische Leitung zum Erfassen des Temperaturgradienten mit dem Gegenstand thermisch gekoppelt ist, wobei zunächst ein elektrisches Signal mit einem Wechselanteil an einem Anschlussende der elektrischen Leitung eingespeist wird, wobei ein Reflexionssignal an dem Anschlussende erfasst wird und wobei der Temperaturgradient des Gegenstands auf der Grundlage des Reflexionssignals ermittelt wird.
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Ferner stellt die vorliegende Erfindung eine Temperaturerfassungsanordnung zum Erfassen eines Temperaturgradienten eines Gegenstands bereit, wobei die Temperaturerfassungsanordnung eine elektrische Leitung, die mit dem Gegenstand thermisch koppelbar ist, einen Signalgenerator, der mit einem Anschlussende der elektrischen Leitung gekoppelt ist und der dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal mit einem Wechselanteil an dem Anschlussende einzuspeisen, eine Erfassungseinheit, die mit dem Anschlussende der elektrischen Leitung gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, ein Reflexionssignal der elektrischen Leitung zu erfassen, und eine Ermittlungseinheit aufweist, die mit der Erfassungseinheit gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, den Temperaturgradienten des Gegenstands auf der Grundlage des Reflexionssignals zu ermitteln.
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Unter einem Temperaturgradienten wird vorliegend eine örtliche und/oder zeitliche Änderung der Temperatur des Gegenstands verstanden.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise zur Überwachung eines Leistungsmoduls verwendet werden, das bei Hybridfahrzeugen in einer Inverter-Leistungselektronik eingesetzt wird. Dazu wird die elektrische Leitung thermisch mit dem Leistungsmodul gekoppelt. Anschließend wird das elektrische Signal eingespeist, das sich entlang der elektrischen Leitung ausbreitet. Existieren entlang der elektrischen Leitung elektrische Inhomogenitäten, so wird zumindest ein Teil des elektrischen Signals an dieser Stelle in Form eines Reflexionssignals reflektiert. Zur Erfassung des Temperaturgradienten des Leistungsmoduls wird daher das Material der elektrischen Leitung vorteilhafterweise so gewählt, dass thermische Inhomogenitäten des Gegenstands zu elektrischen Inhomogenitäten der elektrischen Leitung führen. Somit kann mithilfe des Reflexionssignals zuverlässig ein örtlicher und zeitlicher Temperaturgradient des Gegenstands ermittelt werden.
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Da die elektrische Leitung einen bestimmten Oberflächenbereich des Gegenstands abdeckt und daher mit dem Gegenstand in diesem Bereich thermisch gekoppelt ist, kann die Temperaturänderung des Gegenstands flächig überwacht werden. Somit können auch lokale thermische Änderungen des Gegenstands zuverlässig erkannt werden. Dies führt zu einer erhöhten Lebensdauer des thermisch überwachten Gegenstands (zum Beispiel des Leistungsmoduls). Außerdem werden thermische Zerstörungen des Gegenstands verhindert.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn eine Position des Temperaturgradienten auf der Grundlage einer Laufzeit des Reflexionssignals bestimmt wird.
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Als Laufzeit wird eine Zeitdauer von einem ersten Zeitpunkt, an dem das elektrische Signal eingespeist wird, bis zu einem zweiten Zeitpunkt, an dem das Reflexionssignal erfasst wird, ermittelt. Auf der Grundlage der Laufzeit des Reflexionssignals kann sehr einfach der Ort der elektrischen Inhomogenität und damit auch der Ort der thermischen Inhomogenität bestimmt werden. Dadurch wird es ermöglicht, nicht nur zum Beispiel den Stromkreis zur Verhinderung von thermischen Zerstörungen abzuschalten, sondern auch den Fehlerort genau zu lokalisieren. Somit kann beispielsweise ein fehlerhaftes Bauteil vor dem weiteren Betrieb ausgetauscht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird das Reflexionssignal in Abhängigkeit wenigstens einer elektrischen Eigenschaft der elektrischen Leitung gebildet, die durch den Temperaturgradienten des Gegenstands veränderbar ist.
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Die elektrische Eigenschaft der elektrischen Leitung weist vorteilhafterweise einen hohen Temperaturkoeffizienten auf. Damit führen auch kleine Temperaturänderungen zu einer großen Änderung der elektrischen Eigenschaft der elektrischen Leitung. Mithilfe des daraus resultierenden Reflexionssignals kann der Temperaturgradient des Gegenstands zuverlässig bestimmt werden.
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Dabei wird das Reflexionssignal bevorzugt in Abhängigkeit eines temperaturabhängigen Widerstands der elektrischen Leitung gebildet.
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In dieser Ausführungsform führt eine thermische Inhomogenität des Gegenstands zu einer lokalen Widerstandsänderung. An der Stelle der Widerstandsänderung wird ein Reflexionssignal gebildet, das zur Ermittlung des Temperaturgradienten ausgewertet wird. Vorteilhafterweise wird zu einer zuverlässigen thermischen Überwachung des Gegenstands ein Widerstand mit einem hohen Temperaturgradienten eingesetzt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird vor der Erfassung des Reflexionssignals ein weiteres Reflexionssignal an dem Anschlussende erfasst, wobei der Temperaturgradient ermittelt wird, indem das Reflexionssignal mit dem weiteren Reflexionssignal verglichen wird.
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Durch den Vergleich des Reflexionssignals mit dem weiteren Reflexionssignal können zeitliche Unterschiede in dem Temperaturverlauf des Gegenstands sehr einfach erkannt werden. Besonders bevorzugt wird das weitere Reflexionssignal zu einem Zeitpunkt erfasst, an dem der Gegenstand in einem normalen Temperaturbereich betrieben wird, das heißt solange keine lokalen Überhitzungen des Gegenstands vorliegen. Damit kann ein hoher Temperaturgradient, der auf eine mögliche Überhitzung des Gegenstands hinweist, sehr einfach durch den Vergleich des Reflexionssignals mit dem weiteren Reflexionssignal ermittelt werden
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum Ermitteln des Temperaturgradienten eine Differenz aus dem Reflexionssignal und dem weiteren Reflexionssignal gebildet. Des Weiteren wird eine lokale Überhitzung des Gegenstands ermittelt, sofern die Differenz einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
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Durch diese Maßnahme können örtliche und zeitliche Änderungen der Temperatur des Temperaturgradienten sehr einfach identifiziert werden. Sofern die Differenz den Schwellenwert überschreitet, liegt eine Temperaturänderung vor, die auf eine lokale Überhitzung des Gegenstandes hinweist. Der Ort dieser Überhitzung kann über die Laufzeit des Reflexionssignal (bei der ausgewerteten Differenz) ermittelt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird das elektrische Signal in einem vordefinierten zeitlichen Intervall eingespeist.
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Durch das kontinuierliche Einspeisen des elektrischen Signals und das damit verbundene kontinuierliche Erfassen des Reflexionssignals kann der Gegenstand durchgängig thermisch überwacht werden. Lokale Überhitzungen können damit zu einem sehr frühen Zeitpunkt erkannt werden. Eine thermische Zerstörung des Gegenstands kann wirksam verhindert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein Rechteckimpuls als das elektrische Signal eingespeist.
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In dieser Ausführungsform wird ein hochfrequenter Rechteckimpuls eingespeist. Der Rechteckimpuls weist dabei vorteilhafterweise eine hohe Flankensteilheit auf. Damit können elektrische Inhomogenitäten auf der elektrischen Leitung exakt ermittelt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann auch ein elektrisches Signal mit einer beliebigen anderen Signalform eingespeist werden. Bevorzugt wird jedoch ein kurzzeitiger Sendeimpuls zum Erfassen des Temperaturgradienten verwendet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Leitung gegenüber dem Gegenstand elektrisch isoliert.
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Aufgrund der elektrischen Isolierung werden die elektrischen Signale (eingespeistes elektrisches Signal, Reflexionssignal) nicht durch eine externe elektrische Kontaktierung der elektrischen Leitung beeinflusst. Infolgedessen wird das Reflexionssignal im Wesentlichen durch einen Temperaturverlauf des Gegenstands ausgebildet. Aufgrund dessen kann der Temperaturgradient des Gegenstands zuverlässig erfasst werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Temperaturgradient eines weiteren Gegenstands mittels einer weiteren elektrischen Leitung erfasst, die mit dem weiteren Gegenstand thermisch gekoppelt ist, wobei die weitere elektrische Leitung seriell an die elektrische Leitung gekoppelt wird.
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Durch diese Maßnahme kann zum Beispiel eine Vielzahl von elektrischen Bauelementen sehr einfach thermisch überwacht werden. Dazu wird lediglich das elektrische Signal an dem Anschlussende der elektrischen Leitung eingespeist. Durch die serielle Kopplung der weiteren elektrischen Leitungen wird das elektrische Signal über alle elektrischen Leitungen übertragen. Sofern eine thermische (und damit elektrische) Inhomogenität in einem der Gegenstände vorliegt, wird an dieser Stelle das Reflexionssignal ausgebildet. Mithilfe einer Auswertung der Laufzeit des Reflexionssignals kann direkt der überhitzte Gegenstand und die exakte Position der lokalen Überhitzung ermittelt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Temperaturerfassungsanordnung ist die elektrische Leitung zumindest teilweise mit einer Isolierschicht umgeben.
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Die Isolierschicht verhindert eine elektrische Beeinflussung der auf der elektrischen Leitung übertragenen Signale (elektrisches Signal, Reflexionssignal). Dadurch wird erreicht, dass das Reflexionssignal im Wesentlichen in Abhängigkeit des eingespeisten elektrischen Signals und des Temperaturgradienten des Gegenstands gebildet wird.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die elektrische Leitung beispielsweise auf einem Gehäuse des Gegenstands angeordnet werden, um somit eine Isolierschicht zu vermeiden. Dies ermöglicht einen einfacheren Aufbau der Temperaturerfassungsanordnung.
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In einer weiteren Ausführungsform der Temperaturerfassungsanordnung ist die elektrische Leitung zweiadrig.
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Zur Ermittlung von elektrischen Inhomogenitäten auf der zweiadrigen elektrischen Leitung kann das sogenannte Impulsechoverfahren (TDR: time domain reflection) verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird ein kurzzeitiger Sendeimpuls (elektrisches Signal) in die zweiadrige elektrische Leitung eingespeist und dessen Impulsecho (Reflexionssignal) erfasst.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Temperaturerfassungsanordnung ist wenigstens ein elektrisches Bauteil zwischen zwei Einzeladern der elektrischen Leitung gekoppelt.
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Durch diese Maßnahme wird eine bessere Signalqualität des elektrischen Signals und/oder des Reflexionssignals erreicht. Damit kann der Temperaturgradient des Gegenstands exakter erfasst werden. In einer Ausführungsform kann zum Beispiel ein Kondensator zwischen die beiden Einzeladern der elektrischen Leitung geschaltet werden.
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Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch entsprechend auf die erfindungsgemäße Temperaturerfassungsanordnung zutreffen bzw. anwendbar sind.
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Außerdem versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Form eine Ausführungsform einer Temperaturerfassungsanordnung mit einer elektrischen Leitung zum Erfassen eines Temperaturgradienten eines Gegenstands;
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2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der elektrischen Leitung;
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3 zeigt ein Diagramm zur Darstellung von beispielhaften Reflexionssignalen;
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Temperaturerfassungsanordnung;
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Temperaturerfassungsanordnung; und
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6 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine Temperaturerfassungsanordnung 10 mit einer elektrischen Leitung 12 dargestellt. Die Temperaturerfassungsanordnung 10 dient zum Erfassen eines Temperaturgradienten eines Gegenstands 14. In dem vorliegenden Beispiel soll angenommen werden, dass der Gegenstand 14 ein Leistungsmodul 14 ist, das bei Hybridfahrzeugen in einer Inverter-Leistungselektronik eingesetzt wird. Es versteht sich jedoch, dass mithilfe der erfindungsgemäßen Temperaturerfassungsanordnung 10 auch der Temperaturgradient von beliebigen anderen Gegenständen erfasst werden kann.
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Das Leistungsmodul 14 weist zum Beispiel drei Halbleiterschaltungen 16 auf, die sich während des Betriebs des Leistungsmoduls 14 sehr stark erwärmen können. Die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit der Halbleiterschaltungen 16 hängt stark von der Betriebstemperatur der Halbleiterschaltungen 16 ab. Dabei ist es besonders wichtig, dass eine bestimmte Maximaltemperatur im Gebrauch nicht überschritten wird. Aus diesem Grund wird die Temperatur des Leistungsmoduls 14 mithilfe der elektrischen Leitung 12 überwacht. Durch eine rechtzeitige Erkennung einer Überhitzung des Leistungsmoduls 14 kann eine thermische Zerstörung der Halbleiterschaltungen 16 verhindert werden.
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Bei der elektrischen Leitung 12 handelt es sich beispielsweise um eine Zweidrahtleitung 12, die in einem bestimmten Bereich mit dem Leistungsmodul 14 thermisch gekoppelt ist. Durch die flächige thermische Kopplung der elektrischen Leitung 12 mit dem Leistungsmodul 14 kann die Temperatur des Leistungsmoduls 14 vorteilhafterweise flächig überwacht werden. Damit werden lokale Überhitzungen des Leistungsmoduls 14 sehr frühzeitig detektiert. Des Weiteren ist die elektrische Leitung 12 gegenüber dem Leistungsmodul 14 elektrisch isoliert. Damit kann eine Beeinflussung der Signalübertragung auf der elektrischen Leitung 12 infolge von elektrischen Kontaktierungen zu dem Leistungsmodul 14 vermieden werden. Beispielsweise kann die elektrische Leitung 12 mithilfe einer Isolierschicht gegenüber dem Leistungsmodul 14 isoliert werden. Alternativ kann die elektrische Leitung 12 auf einem Kühlkörper oder einem Gehäuse des Leistungsmoduls 14 angeordnet werden. Damit entfällt die Notwendigkeit für eine separate Isolierschicht.
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Die Temperaturerfassungsanordnung 10 weist außerdem einen Signalgenerator 18 und eine Erfassungseinheit 20 auf, die elektrisch mit einem Anschlussende 22 der elektrischen Leitung 12 gekoppelt werden. Darüber hinaus weist die Temperaturerfassungsanordnung 10 eine Ermittlungseinheit 24 auf, die mit der Erfassungseinheit 20 gekoppelt ist.
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Zum thermischen Überwachen des Leistungsmoduls 14, das heißt zum Erfassen eines zeitlichen und örtlichen Temperaturgradienten des Leistungsmoduls 14 wird von dem Signalgenerator 18 kontinuierlich ein elektrisches Signal, beispielsweise in Form eines hochfrequenten Rechteckimpulses, an dem Anschlussende 22 eingespeist. Die Erkennung einer möglichen lokalen Überhitzung des Leistungsmoduls 14 basiert dabei auf dem Impulsechoverfahren (TDR time domain reflection).
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Zur näheren Erläuterung dieses Verfahrens ist in 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Zweidrahtleitung 12 gezeigt. Gemäß der Leitungstheorie kann die Zweidrahtleitung 12 in Form der in 2 dargestellten Längswiderstände R, Induktivitäten L, Leitwerte G und Kapazitäten C dargestellt werden.
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Das sogenannte Impulsechoverfahren wird üblicherweise zur Fehlerortung auf elektrischen Leitungen verwendet. Dazu wird ein kurzzeitiger Sendeimpuls auf die zu untersuchende Leitung gebracht und dessen Impulsecho aufgezeichnet und/oder oszillografisch dargestellt. Die Fehlerortung basiert auf der Tatsache, dass der Sendeimpuls an elektrischen Inhomogenitäten der elektrischen Leitung, wie zum Beispiel Fehlerstellen oder Quetschungen, mit einem Teil seines Energieinhaltes reflektiert und mit einer für die elektrische Leitung charakteristischen Laufzeit an den Anfang der elektrischen Leitung zurückkehrt. Es entsteht somit an der Einspeisestelle ein charakteristisches Bild für die elektrische Leitung bzw. für die aufgetretene Änderung der elektrischen Eigenschaften der elektrischen Leitung.
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Bei dem vorliegenden Anwendungsfall, bei dem die Temperatur des Leistungsmoduls 14 überwacht werden soll, wird das elektrische Signal an dem Anschlussende 22 eingespeist. Dieses wird entlang der Zweidrahtleitung 12 übertragen. Zum Erkennen von Überhitzungen des Leistungsmoduls 14 wird nun die Zweidrahtleitung 12 so gewählt, dass zumindest eine elektrische Eigenschaft der Zweidrahtleitung 12 infolge einer Temperaturänderung veränderbar ist. In dem vorliegenden Beispiel weist die Zweidrahtleitung 12 einen Widerstand mit einem hohen Temperaturkoeffizienten auf.
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Es soll nun angenommen werden, dass an einer Position 26 des Leistungsmoduls 14, die in einem thermischen Kontakt zu der Zweidrahtleitung 12 steht, eine lokale Überhitzung vorliegt. Aufgrund des hohen Temperaturkoeffizienten wird dadurch der Längswiderstand R, der in 2 mit einem Pfeil 28 gekennzeichnet ist, erhöht. Aufgrund dieser elektrischen Inhomogenität (erhöhter Längswiderstand R) wird zumindest ein Teil des Energieinhaltes des elektrischen Signals an der Position 26 reflektiert. Damit wird an der Position 26 ein Reflexionssignal ausgebildet, das mit einer für die Zweidrahtleitung 12 charakteristischen Laufzeit an das Anschlussende 22 zurück übertragen wird.
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Das Reflexionssignal wird an dem Anschlussende 22 von der in 1 dargestellten Erfassungseinheit 20 erfasst und zur weiteren Auswertung an die Ermittlungseinheit 24 weitergeleitet. An dem Anschlussende 22 entsteht somit ein charakteristisches Bild für die elektrischen Inhomogenitäten entlang der Zweidrahtleitung 12 bzw. für einen Temperaturverlauf (thermische Inhomogenitäten) des Leistungsmoduls 14. Anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Signale auf der Zweidrahtleitung 12 und der Laufzeit des Reflexionssignals kann mittels der Ermittlungseinheit 24 exakt die Position 26 der lokalen Überhitzung ermittelt werden.
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In der 3 sind zwei beispielhafte Verläufe 30, 32 des Reflexionssignals dargestellt. Dabei ist der Reflexionssignalverlauf 30 erfasst, solange das Leistungsmodul 14 bei einer normalen Betriebstemperatur betrieben wird. Dagegen kennzeichnet der Reflexionssignalverlauf 32, der in 3 mittels der gepunkteten Linie dargestellt ist, eine Betriebssituation des Leistungsmoduls 14, bei der eine lokale Überhitzung vorliegt. Durch einen Vergleich der Reflexionssignalverläufe 30, 32 mittels der Ermittlungseinheit 24 kann der Temperaturgradient (lokale Überhitzung) des Leistungsmoduls 14 erfasst werden. Beispielsweise besteht in einem Auswertungszeitraum 34 eine größere Differenz zwischen den beiden Reflexionssignalverläufen 30, 32. Die größere Differenz weist auf eine lokale Überhitzung des Leistungsmoduls 14 hin. Mithilfe der Ermittlungseinheit 24 kann die Position 26 der lokalen Überhitzung in Abhängigkeit der ermittelten Laufzeit des Reflexionssignals bestimmt werden. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel liegt damit eine lokale Überhitzung der Halbleiterschaltung 16b vor. Die Halbleiterschaltung 16b kann somit auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft und möglicherweise ausgetauscht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Temperaturerfassungsanordnung 10 können außerdem weitere elektrische Bauelemente (zum Beispiel Kondensatoren) zwischen die beiden Leitungen der Zweidrahtleitung 12 geschaltet werden, um die Signalqualität zu verbessern. Damit kann der Temperaturgradient des Gegenstands 14 noch exakter erfasst werden.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Temperaturerfassungsanordnung 10. Dabei ist in 4 lediglich die elektrische Leitung 12 mit dem Anschlussende 22 dargestellt. Das Anschlussende 22 kann jedoch, wie in 1 gezeigt, mit dem Signalgenerator 18 und der Erfassungseinheit 20 gekoppelt werden, die wiederum mit der Ermittlungseinheit 24 verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Temperaturgradient von einer Vielzahl von Gegenständen 14a–14e erfasst. Dabei kann es sich bei den Gegenständen 14a–14e beispielsweise um Fahrzeugbatterien 14a–14e bzw. Batteriemodule 14a–14e handeln, die thermisch überwacht werden sollen. Dazu werden an den Fahrzeugbatterien 14a–14e elektrische Leitungen 12a–12e angeordnet, die jeweils einen thermischen Kontakt zu der entsprechenden Fahrzeugbatterie 14a–14e aufweisen. Außerdem werden die elektrischen Leitungen 12a–12e seriell miteinander gekoppelt. Zur Temperaturüberwachung der Fahrzeugbatterien 14 wird in analoger Weise zu dem Ausführungsbeispiel aus 1 an dem Anschlussende 22 das elektrische Signal, zum Beispiel in Form eines hochfrequenten Rechteckimpulses, kontinuierlich eingespeist. Entsprechend wird auch das Reflexionssignal mittels der Erfassungseinheit 20 kontinuierlich erfasst und an die Ermittlungseinheit 24 weitergeleitet. Sobald eine lokale Überhitzung an einer der Fahrzeugbatterien 14a–14e auftritt (siehe zum Beispiel die Position 26), so wird an dieser Stelle zumindest ein Teil des eingespeisten elektrischen Signals reflektiert. Dies führt zu einer Veränderung des erfassten Reflexionssignals an dem Anschlussende 22. Auf der Grundlage dieser Veränderung wird die lokale Überhitzung von der Ermittlungseinheit 24 erkannt. Mithilfe der Laufzeit des Reflexionssignals bestimmt die Ermittlungseinheit 24 die exakte Position 26 der lokalen Überhitzung. Somit kann durch die serielle Kopplung der elektrischen Leitungen 12a–12e sehr einfach eine Vielzahl von Bauelementen 14 überwacht werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Temperaturerfassungsanordnung 10 ist in 5 dargestellt. Mit der Bezugsziffer 36 ist ein Abgassystem gekennzeichnet, das einen Oxidationskatalysator 14a und einen Partikelfilter 14b aufweist. Das Abgassystem 36 dient dazu, ein von einem in 5 nicht dargestellten Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas, das an dem Pfeil 38 in das Abgassystem 36 eintritt, zu reinigen und das gereinigte Abgas an dem Pfeil 40 wieder auszugeben. Das Abgassystem 36 wird im Betrieb sehr stark thermisch belastet und muss daher ebenfalls thermisch überwacht werden. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß die elektrische Leitung 12a an dem Oxidationskatalysator 14a derart angeordnet, dass ein thermischer Kontakt zwischen der elektrischen Leitung 12a und dem Oxidationskatalysator 14a besteht. Die elektrische Leitung 12a weist das Anschlussende 22a auf, an das die Komponenten der Temperaturerfassungsanordnung 10 analog zu der in 1 dargestellten Ausführungsform gekoppelt werden können.
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Weiterhin wird die elektrische Leitung 12b so an dem Partikelfilter 14b angeordnet, dass die elektrische Leitung 12b einen thermischen Kontakt zu dem Partikelfilter 14b aufweist. An das Anschlussende 22b der elektrischen Leitung 12b können ebenfalls die Komponenten der Temperaturerfassungsanordnung 10 analog zur 1 angeschlossen werden. Dabei können die Komponenten der Temperaturerfassungsanordnung (Signalgenerator 18, Erfassungseinheit 20, Ermittlungseinheit 24) entweder gemeinsam genutzt oder separat für jede elektrische Leitung 12a, 12b vorgesehen werden, um die Temperaturgradienten des Oxidationskatalysators 14a und des Partikelfilters 14b mittels der elektrischen Leitungen 12a, 12b zu erfassen. Auch andere Mischformen sind denkbar, so dass zum Beispiel für jede der elektrischen Leitungen 12a, 12b ein separater Signalgenerator 18 und eine separate Erfassungseinheit 20 vorgesehen wird, wohingegen die Ermittlungseinheit 24 gemeinsam für beide elektrische Leitungen 12a, 12b genutzt wird.
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In einer alternativen Ausführungsform kann außerdem die elektrische Leitung 12a seriell mit der elektrischen Leitung 12b gekoppelt werden. Diese Ausführungsform entspricht somit der in 4 dargestellten Ausführungsform.
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Die Erfassung der Temperaturgradienten bzw. der lokalen Überhitzungen des Oxidationskatalysators 14a und des Partikelfilters 14b verläuft analog zu den Ausführungsbeispielen aus 1 und 4. Durch die Anordnung der elektrischen Leitung 12a in Längsrichtung des Abgassystems 36 kann ein Temperaturprofil des Oxidationskatalysators 14a in einer Strömungsrichtung des Abgases bestimmt werden. Dagegen kann mithilfe der speziellen Anordnung der elektrischen Leitung 12b ein Temperaturprofil (Temperaturgradient) des Partikelfilters 14b in einer Strömungs- und Querrichtung zum Abgasstrom erfasst werden. Auf der Basis des erfassten Temperaturgradienten kann zum Beispiel die Regeneration des Partikelfilters gesteuert werden.
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6 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens 42 zum Erfassen eines Temperaturgradienten des Gegenstands 14. Dabei ist die elektrische Leitung 12 zum Erfassen des Temperaturgradienten mit dem Gegenstand 14 thermisch gekoppelt.
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Zunächst wird in einem Schritt 44 das elektrische Signal an dem Anschlussende 22 der elektrischen Leitung 12 eingespeist. Dabei ist das elektrische Signal zum Beispiel ein hochfrequenter Sendeimpuls bzw. ein Rechteckimpuls, der kontinuierlich in die elektrische Leitung 12 eingespeist wird.
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In einem Schritt 46 wird an dem Anschlussende 22 ein initiales Reflexionssignal erfasst, wobei der Gegenstand 14 zu diesem Zeitpunkt in einem regulären Betriebstemperaturbereich betrieben wird. Das initiale Reflexionssignal stellt somit das charakteristische Bild der elektrischen Leitung 12 dar, solange keine lokale Überhitzung des Gegenstands 14 vorliegt.
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Anschließend wird in einem Schritt 48 kontinuierlich das Reflexionssignal an dem Anschlussende 22 mittels der Erfassungseinheit 20 erfasst. In einem Schritt 50 wird eine Differenz aus dem aktuell erfassten Reflexionssignal und dem initialen Reflexionssignal gebildet. Darauf wird in einem Schritt 52 geprüft, ob diese Differenz einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet. Falls dies nicht der Fall ist, wird die Erfassung der Reflexionssignale in dem Schritt 48 fortgesetzt.
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Falls jedoch die Differenz den Schwellenwert überschreitet, so liegt eine lokale Überhitzung des Gegenstands 14 vor. Auf der Grundlage der Laufzeit des Reflexionssignals (bei der die Differenz den Schwellenwert überschreitet) wird in einem Schritt 54 die Position 26 der lokalen Überhitzung ermittelt.
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Anschließend werden in einem Schritt 56 Maßnahmen eingeleitet, um eine thermische Zerstörung des Gegenstands 14 zu verhindern. Beispielsweise kann der Betrieb des Gegenstands 14 unterbrochen werden. Des Weiteren können elektrische Bauelemente, die sich in der Umgebung der lokalen Überhitzung befinden, überprüft und evtl. ausgetauscht werden. Somit kann die Lebensdauer des Gegenstands 14 erhöht werden.
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Obgleich somit bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens 42 und der erfindungsgemäßen Temperaturerfassungsanordnung 10 gezeigt worden sind, versteht sich, dass verschiedene Abwandlungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Temperaturüberwachung auf beliebige Gegenstände 14 angewendet werden. Dies umfasst zum Beispiel Folienkondensatoren, DC/DC-Wandler, Ladegeräte, Steuergeräte für Motormanagement oder Getriebe etc.
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Der Signalgenerator 18, die Erfassungseinheit 20 und die Ermittlungseinheit 24 können in einem Gerät oder auch in unterschiedlichen Geräten angeordnet sein.
