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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Begrenzen einer Performanz eines Steuergeräts in einem Kraftfahrzeug. Mit Performanz ist hier beispielsweise eine durch das Steuergerät geschaltete elektrische Leistung oder eine durch das Steuergerät durchgeführte Anzahl von Rechenschritten pro Sekunde gemeint. Das Steuergerät hängt dabei von einer Kühlung durch eine Kühleinrichtung des Kraftfahrzeugs ab, welche nicht nur das Steuergerät, sondern zumindest ein weiteres Fahrzeuggerät kühlt und deren Kühlleistung im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs variiert. Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, in welchem die Performanz eines Steuergeräts begrenzt wird.
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Damit ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug unter allen klimatischen Bedingungen einwandfrei funktioniert, muss innerhalb des Steuergeräts dafür gesorgt werden, dass es sich in jedem denkbaren Betriebsfall spezifikationsgemäß verhält und hierdurch seine Steueraufgabe oder Regelaufgabe im Gesamtverbund des Kraftfahrzeugs wahrnimmt. Insbesondere darf das Steuergerät nicht derart überhitzen, dass es vollständig ausfällt. Hier ist es vielmehr sinnvoller, dass es in seiner Performanz begrenzt wird, um einen weiteren Anstieg der Betriebstemperatur zu vermeiden oder sogar eine Abkühlung zu erreichen. Ein solches Begrenzen der Performanz eines Steuergeräts, das heißt das Setzen eines Maximalwerts für die Performanz, wird als Derating (Drosseln) bezeichnet. Die Performanz wird hierdurch auf eine Derating-Grenzwert begrenzt. Mit anderen Worten wird ein Grenzarbeitspunkt des Steuergeräts definiert.
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Die auf die Funktionstüchtigkeit des Steuergeräts einwirkende Einflussgröße Temperatur kann zum einen von außen auf das Steuergerät und zum anderen durch eine Wärmequelle im Inneren des Steuergeräts bestimmt sein. Die Heizleistung im Inneren bestimmt, wie viel Wärme im Steuergerät entsteht, die Außentemperatur entscheidet, mit welcher Rate Wärmeenergie abgeführt werden kann.
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Nun kann man auf zwei Arten dafür sorgen, dass ein Steuergerät unter dem Einfluss einer Temperatur innerhalb seiner Spezifikationen betrieben wird: Man überdimensioniert das Steuergerät dermaßen, dass über die so erreichte Steuergeräterobustheit die Stellfunktion oder Regelfunktion in allen Betriebsbereichen gewährleistet ist. Alternativ dazu verbaut man einen Sensor, der die aktuelle Steuergerätetemperatur aufnimmt und die Performanz des Steuergeräts dermaßen beeinflusst, dass die Performanz in Abhängigkeit von dem Sensorsignal reduziert wird.
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Das Überdimensionieren eines Steuergeräts weist den Nachteil auf, dass ein solches Steuergerät in der Herstellung teuer ist. Bei einem Sensor ergibt sich das Problem, dass dieser einen Toleranzbereich aufweist, wenn es sich nicht um einen besonders hochwertigen und damit teuren Sensors handeln kann. Entsprechend muss auch bei der Temperaturüberwachung ein Grenzwert vorgesehen sein. Dies führt dazu, dass viele Steuergeräte zwar einen Sensor zur Betriebstemperaturüberwachung haben, diese aber die Performanz so bereits bei Temperaturwerten beeinflussen, die wesentlich niedriger als eine kritische Temperaturgrenze sind. Dies führt dazu, dass Leistungsreserven oder Performanzreserven des Steuergeräts nicht ausgenutzt werden können.
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Aus der
DE 10 2007 039 836 A1 ist eine Kühlung eines Steuergeräts eines Kraftfahrzeugs bekannt. Ein Lüfter kühlt das Steuergerät in Abhängigkeit von einer ermittelten Steuergerät-Temperatur mit mindestens einem Teil-Luftstrom. Der Betrieb des Steuergeräts kann eingeschränkt werden, wenn die Steuergerät-Temperatur oberhalb einer kritischen Temperaturgrenze ist. Eine derartige Einschränkung ist bei einem Motor-Steuergerät insbesondere eine Einschränkung der Leistung des Verbrennungsmotors.
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Aus der
DE 10 2009 046 394 A1 ist bekannt, einen Betrieb eines Steuergeräts in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter zu steuern. Der Betriebsparameter beschreibt eine Abnutzung des Steuergeräts.
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Aus der
DE 100 60 539 C1 ist ein Steuergerät bekannt, das mehrere Betriebszustände aufweist, die sich in der von dem Steuergerät aufgenommenen oder verbrauchten Leistung unterscheiden. Ein Power-Management-System überführt das Steuergerät in einen Stand-by-Modus oder in einen leistungslosen Modus nur dann, wenn das Steuergerät momentan nicht benötigt wird.
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Aus der
DE 10 2013 209 043 A1 , die den Oberbegriff bildet, ist ein Verfahren zum Drosseln einer Leistung eines Steuergeräts bekannt, welches mittels eines Temperaturmodells die Temperaturverteilung in dem Steuergerät nachgebildet und hierbei als Eingangsgrößen für das Temperaturmodell die Temperatur einzelner Elektronikeinrichtungen sowie die Außentemperatur des Steuergeräts vorsieht. Die Temperatur der Elektronikeinrichtungen kann indirekt geschätzt werden, indem eine aktuelle Nutzung der Elektronikeinrichtungen des Motorsteuergeräts berechnet werden. Das Temperaturmodell gibt an, wie diese Temperaturen sich dann am Einbauort des Steuergeräts auswirken.
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Aus der
DE 600 28 713 T2 ist bekannt, dass bei einem Motorsteuergerät eine Kühlung bereitgestellt werden kann, indem ein Wärmetauscher mit Kühlmittel durch-flossen wird, bei dem es sich um die Treibstoff-Versorgung des von dem Motorsteuergerät gesteuerten Motors handelt. Des Weiteren ist beschrieben, dass auch die Umgebungstemperatur einen Einfluss auf die Kühlung hat. Zur Vergrößerung einer Kühlleistung kann eine Luft-Strömung verbessert werden, indem ein Gebläse eingeschaltet wird oder die Drehzahl des Gebläses vergrößert wird.
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Aus dem Fachbeitrag von Eckart et al. (MÄRZ, Martin; ECKARDT, Bernd; SCHLETZ, Andreas: Anforderungsgerechte Auslegung von Leistungselektronik im Antriebsstrang. In: Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology IISB (Hrsg.): Fachtagung ”Elektrik/Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen”. 2008, S. 213–225. ISBN 978-3-8109-2817-1) ist eine Diskussion zur Auslegung der Leistungselektronik im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt. Mittels eines Simulationsmodells wurde überprüft, wie Steuergeräte auszugestalten sind, um eine optimierte passive Kühlung zu erreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Kraftfahrzeug ein Steuergerät hochperformant zu betreiben.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche gegeben.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Begrenzen einer Performanz eines Steuergeräts in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt. Bei der Performanz kann es sich beispielsweise um eine durch das Steuergerät geschaltete oder kontrollierte elektrische Leistung handeln, die beispielsweise zwischen einer elektrischen Maschine und einem elektrischen Gleichspannungs-Zwischenkreis über das Steuergerät ausgetauscht oder geführt wird. Die Performanz kann auch beispielsweise eine von dem Steuergerät bereitgestellte Rechenleistung sein, also eine Anzahl an Rechenschritten, die pro Zeiteinheit durchgeführt wird, falls das Steuergerät z. B. Bestandteil eines Infotainmentsystems (Informations-Unterhaltungssystems) ist. Die Performanz kann auch beispielsweise eine Leuchthelligkeit eines Scheinwerfers des Kraftfahrzeugs sein.
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Die Erfindung geht davon aus, dass mit steigender Performanz auch eine in dem Steuergerät umgesetzte oder freiwerdende Verlustleistung steigt. Das Verfahren wird in folgender Umgebung durchgeführt. Das Kraftfahrzeug weist eine Kühleinrichtung auf, die das Steuergerät und zumindest ein weiteres Fahrzeuggerät kühlt. Die Kühlleistung der Kühleinrichtung variiert dabei im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs, weil beispielsweise eine Pumpe oder ein Ventilator der Kühleinrichtung über den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angetrieben wird, der eine variierende Drehzahl aufweist. Bei einer Luftkühlung kann ein Staudruck am Lüftereinlass fahrgeschwindigkeitsabhängig sein.
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Bei dem Verfahren wird in der beschriebenen Weise in dem Steuergerät durch eine Deratingeinrichtung oder Begrenzungseinrichtung ein vorgegebenes Sollwertsignal der aktuell bereitzustellenden Performanz auf einen einstellbar ausgestalteten Derating-Grenzwert begrenzt. Das Sollwertsignal wird dem Steuergerät dabei von außen vorgegeben oder zugeführt. Beispielsweise kann das Sollwertsignal durch einen Benutzer vorgegeben werden oder durch eine zentrale Recheneinrichtung des Kraftfahrzeugs oder durch ein Energiemanagementsystem. Die Erfindung sieht nun vor, den Derating-Grenzwert derart einzustellen, dass Temperaturreserven und/oder Kühlungsreserven in dem Kraftfahrzeug ausgeschöpft werden. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein mit der Kühlleistung der Kühleinrichtung korrelierter Betriebsparameterwert des Kraftfahrzeugs erfasst wird. Der Betriebsparameterwert repräsentiert mit anderen Worten eine momentan oder aktuell durch die Kühleinrichtung bereitgestellte Kühlleistung. Es handelt sich um eine Motordrehzahl. Da aber die Kühleinrichtung das Steuergerät und zumindest ein weiteres Fahrzeuggerät kühlt, ist hierdurch noch nicht klar, wie viel Kühlleistung an der eigentlichen Kühlschnittstelle zwischen der Kühleinrichtung und dem Steuergerät bereitsteht. Die Kühlschnittstelle bildet den Wärmeabfuhrbereich oder Übergangsbereich zwischen dem Steuergerät und der Kühleinrichtung. Sie kann z. B. einen Kühlkörper des Steuergeräts umfassen, der von der Kühleinrichtung gekühlt wird.
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Mittels einer Kennlinie wird anhand des Betriebsparameterwerts des Kraftfahrzeugs ein Zustandswert der Kühlschnittstelle ermittelt. Mit anderen Worten wird ermittelt, in welchem Zustand ein an der Kühlschnittstelle durch die Kühleinrichtung vorbeigeführter Kühlmittelstrom ist. In Abhängigkeit von dem Zustandswert wird dann ein digitales Gerätemodell des Steuergeräts parametriert. Mit anderen Worten wird durch ein digitales Gerätemodell die Wärmeentwicklung und/oder Wärmeverteilung in dem Steuergerät nachgebildet, wobei der Zustand der Kühleinrichtung an der Kühlschnittstelle berücksichtigt wird. Mit anderen Worten ist das Gerätemodell ein Temperaturmodell. Mittels des Gerätemodells wird der Derating-Grenzwert ermittelt und dieser Derating-Grenzwert in der Deratingeinrichtung eingestellt.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass der Derating-Grenzwert nun angepasst ist an den aktuellen Zustand der Kühleinrichtung an der Kühlschnittstelle. Des Weiteren wird durch das Gerätemodell berücksichtigt, welchen Einfluss dieser Zustand der Kühlschnittstelle auf die geräteinterne Wärmeverteilung hat. Somit kann der Grenzarbeitspunkt an die tatsächlichen Wärmeverhältnisse im Steuergerät und an der Kühlschnittstelle angepasst werden. Mittels des Derating-Grenzwerts wird somit das von außen vorgegebene Sollwertsignal derart begrenzt, dass für den Fall, dass das Sollwertsignal einen Sollwert größer als den Derating-Grenzwert aufweist, dieser Bereich des Sollwertsignals auf den Derating-Grenzwert eingestellt wird. Durch eine Steuerung und/oder eine Regelung kann dann ein Stellsignal zum Stellen einer Fahrzeugkomponente des Kraftfahrzeugs erzeugt werden, wobei das Stellsignal dann in Abhängigkeit von dem durch den Derating-Grenzwert begrenzten Sollwertsignal erzeugt wird.
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Zu der Erfindung gehören auch optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Gemäß einer Weiterbildung ermitteln Sensoren des Steuergeräts eine Kühlmitteleintrittstemperatur und eine Kühlmittelaustrittstemperatur an der Kühlschnittstelle. Durch das Steuergerät wird aus der Kühlmitteleintrittstemperatur und der Kühlmittelaustrittstemperatur ein Temperaturhubwert an der Kühlschnittstelle ermittelt. Mit anderen Worten wird ermittelt, um welche Temperaturdifferenz sich das Kühlmittel an der Kühlschnittstelle erwärmt, weil es Wärmeenergie aus dem Steuergerät aufnimmt. Mittels des Temperaturhubwerts wird das Gerätemodell konfiguriert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Diffusionsrate der Wärmeenergie an der Kühlschnittstellt beim Ermitteln des Derating-Grenzwerts berücksichtigt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung wird mittels des Gerätemodells ein geräteinterner Wärmefluss von zumindest einer Wärmequelle des Steuergeräts hin zu der Kühlschnittstelle nachgebildet. Als Wärmequelle kann beispielsweise ein Transistor vorhanden sein, durch welchen elektrische Leistung geschaltet wird. Durch Berücksichtigen des geräteinternen Wärmeflusses werden die Wärmetransportgeschwindigkeit und/oder der thermische Widerstand der Kühlstrecke von der zumindest einen Wärmequelle hin zur Kühlschnittstelle berücksichtigt.
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Gemäß einer Weiterbildung wird mittels des Gerätemodells eine jeweilige Wärmekapazität von zumindest einem Bauteil des Steuergeräts berücksichtigt. Insbesondere wird ermittelt, welche Kapazitätsreserven das jeweilige Bauteil aktuell aufweist, das heißt wie viel thermische Energie das Bauteil noch aufnehmen kann, bis es eine vorgegebene zulässige Höchsttemperatur erreicht. Durch Berücksichtigen der Wärmekapazität von zumindest einem Bauteil ergibt sich der Vorteil, dass ein Zeitgewinn bis Begrenzen oder Reduzieren der Performanz ermöglicht ist. Die Reduktion kann verzögert werden, falls anhand der jeweiligen Wärmekapazität des zumindest einen Bauteils erkannt wird, dass das Steuergerät zunächst weiter mit einer größeren Performanz betrieben werden kann und die Begrenzung auf einen geringeren Performanzwert erst nach Ausschöpfen der Wärmekapazität nötig ist.
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Gemäß einer Weiterbildung wird die Kennlinie, mittels welcher der Betriebsparameterwert des Kraftfahrzeugs in den Zustandswert der Kühlschnittstelle umgewandelt oder abgebildet wird, wie folgt ermittelt. Die Kennlinie wird aus mehreren vorbestimmten Kennlinien in Abhängigkeit von einem jeweiligen Stellwert zumindest einer Komponente der Kühleinrichtung ausgewählt. Der jeweilige Stellwert der mindestens einen Kühlkomponente besagt, in welchem aktuellen Betriebszustand sich die Komponente befindet. Beispielsweise kann ein Stellwert eine aktuelle Stellung eines Ventils oder einer Klappe angeben. Ein Stellwert kann angeben, ob eine Innenraumheizung des Kraftfahrzeugs durchströmt wird. Ein Stellwert kann einen Betriebszustand einer Pumpe der Kühleinrichtung angeben. Durch den ermittelten zumindest einen Stellwert wird beschrieben, wie die von der Kühleinrichtung erzeugte Kühlleistung auf das Steuergerät einerseits und das zumindest eine weitere Fahrzeuggerät andererseits aufgeteilt wird. Mit anderen Worten wird durch den zumindest einen Stellwert die Verteilung der Kühlleistung im Kraftfahrzeug angegeben oder beschrieben. Je nach Einstellung der zumindest einen Komponente der Kühleinrichtung wird also ein verschieden großer Anteil der Kühlleistung an die Kühlschnittstelle des Steuergeräts gefördert. Entsprechend ist dann eine andere Kennlinie vorgesehen, mittels welcher aus dem Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs der Zustandswert der Kühlschnittstelle ermittelt wird. Der zumindest eine Stellwert korreliert somit insbesondere mit einer Verteilung eines Kühlmittelstroms in der Kühleinrichtung.
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Der Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs selbst legt insbesondere fest, mit welcher Antriebsleistung die Kühlmitteleinrichtung in dem Kraftfahrzeug momentan oder aktuell angetrieben wird. In diesem Zusammenhang sieht eine Weiterbildung vor, dass als Betriebsparameterwert eine Motordrehzahl eines Motors des Kraftfahrzeugs ermittelt wird, wobei durch den Motor sowohl das Kraftfahrzeug als auch die Kühleinrichtung angetrieben werden. Beispielsweise kann über einen Riemen eine Pumpe der Kühleinrichtung angetrieben werden. Bei dem Motor kann es sich um einen Verbrennungsmotor, beispielsweise einen Ottomotor oder Dieselmotor, oder einen Elektromotor handeln. Bei dieser Weiterbildung wird also effektiv die Motordrehzahl auf einen Zustandswert der Kühlschnittstelle abgebildet und anschließend ausgehend von dem Zustand der Kühlschnittstelle mittels des Gerätemodells der Derating-Grenzwert festgelegt.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Steuergerät einen Pulswechselrichter für eine elektrische Maschine aufweist. In dem Pulswechselrichter wird Abwärme oder Verlustleistung insbesondere in den Transistoren der Halbbrücken umgesetzt oder erzeugt. Als die zu überwachende oder zu begrenzende Performanz des Steuergeräts wird eine von dem Pulswechselrichter zwischen einem elektrischen Zwischenkreis und der elektrischen Maschine übertragene elektrische Leistung begrenzt. Die Verlustwärme in den Transistoren korreliert nämlich mit der von dem Wechselrichter übertragenen, d. h. den Transistoren geschalteten elektrischen Leistung. Zusätzlich oder alternativ zur Leistung sieht eine Weiterbildung eine Begrenzung eines jeweiligen Phasenwechselstroms zumindest einer Drehstromleitung des Steuergeräts vor. Über die zumindest eine Drehstromleitung wird die elektrische Maschine mit einem Drehstrom für den Motorbetrieb versorgt. Zusätzlich oder alternativ dazu kann über die Drehstromleitung ein Phasenwechselstrom von der elektrischen Maschine hin zum Zwischenkreis geführt werden, falls die elektrische Maschine im Generatorbetrieb betrieben wird.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, welches ein Steuergerät zum Stellen einer Fahrzeugkomponente des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer elektrischen Maschine, und eine Kühleinrichtung aufweist. Die Kühleinrichtung kühlt sowohl das Steuergerät als auch zumindest ein weiteres Fahrzeuggerät, beispielsweise eine Brennkraftmaschine und/oder einen Elektromotor. Des Weiteren variiert in dem Kraftfahrzeug die Kühlleistung der Kühleinrichtung im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs. Grund dafür kann eine vom Fahrbetrieb abhängige Antriebsleistung für die Kühleinrichtung sein. Ein weiterer Grund kann darin bestehen, dass die Kühlleistung zwischen dem Steuergerät und dem zumindest einen weiteren Fahrzeuggerät in Abhängigkeit von Stellwerten von Komponenten der Kühleinrichtung unterschiedlich aufgeteilt wird. Das Steuergerät empfängt ein Sollwertsignal für seine Performanz. Das Sollwertsignal kann durch eine Einheit bereitgestellt werden, die hier als Performanzvorgabeeinrichtung bezeichnet ist. Es kann sich hierbei beispielsweise um eine zentrale Recheneinrichtung oder ein Energiemanagementsystem oder auch eine Bedieneinrichtung für einen Benutzer des Kraftfahrzeugs handeln. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Steuergerät für die Fahrzeugkomponente dazu ausgelegt ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Hierdurch wird das Steuergerät unter Ausnutzung von Temperatur- und Kühlungsreserven derart betrieben, dass sich das Steuergerät bei maximal möglicher Performanz betreiben lässt.
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Gemäß einer Weiterbildung des Kraftfahrzeugs ist das Steuergerät mit einer elektrischen Maschine gekoppelt, um die elektrische Maschine zu stellen oder zu betreiben. Das Steuergerät weist hierbei einen Pulswechselrichter auf, mittels welchem elektrische Energie der elektrischen Maschine zugeführt wird und/oder von der elektrischen Maschine abgeführt wird. Das Steuergerät begrenzt mittels des Verfahrens eine Leistungsübertragung und/oder eine Stromübertragung des Pulswechselrichters. Mit anderen Worten wird überprüft, ob das Sollwertsignal einen Sollwert aufweist, der größer als der Derating-Grenzwert ist. In diesem Fall wird dann das Sollwertsignal auf den Derating-Grenzwert eingestellt oder begrenzt.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet.
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Als zu der Erfindung gehörig wird ebenfalls ein Steuergerät angesehen, das für sich allein dazu ausgelegt ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Bei dem erfindungsgemäßen Steuergerät handelt es sich insbesondere um ein Steuergerät für eine elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs. Das Steuergerät weist in diesem Fall einen Wechselrichter für die elektrische Maschine auf. Das erfindungsgemäße Steuergerät und die elektrische Maschine sind beispielsweise zusammen durch einen Riemenstartergenerator bereitgestellt.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
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2 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts, das in dem Kraftfahrzeug von 1 bereitgestellt ist, und
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3 einen schematisierten Verlauf von Kennlinien, die in dem Steuergerät von 2 bereitgestellt sind.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, handeln kann. Dargestellt sind ein Antriebsmotor 2, eine Kühleinrichtung 3, ein Steuergerät 4, eine elektrische Maschine 5 und eine Performanzvorgabeeinrichtung 6. Bei dem Motor 2 kann es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor handeln. Die Kühleinrichtung 3 kann über eine Koppeleinrichtung 7, beispielsweise einen Riemen und/oder ein Getriebe, mit einer Kurbelwelle des Motors 2 gekoppelt sein. Hierdurch kann die Kühleinrichtung 3 durch den Motor 2 angetrieben werden. Das Steuergerät 4 kann mit der elektrischen Maschine 5 gekoppelt sein. Beispielsweise kann das Steuergerät 4 einen Wechselrichter 8, insbesondere einen Pulswechselrichter, aufweisen, über welchen die elektrische Maschine 5 mit einem elektrischen Zwischenkreis 9 gekoppelt sein kann. Von dem Zwischenkreis 9 sind eine Plusleitung 10, eine Minusleitung 11 für eine Gleichspannung und ein Zwischenkreiskondensator 12 dargestellt. Die Plusleitung 10 und die Minusleitung 11 können mit einem (nicht dargestellten) elektrischen Bordnetz des Kraftfahrzeugs 1 gekoppelt sein. Durch den Wechselrichter 8 kann ein Drehstrom in den Phasenleitungen 13 mittels einer elektrischen Gleichspannung des Zwischenkreises 9 erzeugt werden. Der Drehstrom ist durch Phasenwechselströme in den Drehstromleitungen 13 gebildet. Hierdurch wird die elektrische Maschine 5 im Motorbetrieb angetrieben. Umgekehrt kann ein von der elektrischen Maschine 5 erzeugter Drehstrom durch den Wechselrichter 8 in einen Gleichstrom für den Zwischenkreis 9 gewandelt werden. Das Steuergerät 4 und die elektrische Maschine 5 können zusammen beispielsweise einen Riemenstartergenerator 14 für den Verbrennungsmotor 2 darstellen.
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Ein Betrieb des Steuergeräts 4 wird durch ein Vorgabesignal S der Performanzvorgabeeinrichtung 6 vorgegeben oder gesteuert. Die Performanzvorgabeeinrichtung 6 kann beispielsweise ein Energiemanagementsystem oder eine Starteinrichtung zum Starten des Motors 2 sein.
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Die Kühleinrichtung 3 kann beispielsweise eine Fluidkühlung für das Kraftfahrzeug 1 sein, z. B. mit Wasser oder Öl als Kühlmittel. In 1 ist dargestellt, dass die Kühleinrichtung 3 das Steuergerät 4 kühlt. Hierzu sind Kühlleitungen 15 der Kühleinrichtung 3 an eine Kühlschnittstelle 16 des Steuergeräts 4 angeschlossen. Die Kühlschnittstelle 16 kann in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein. Die Kühlschnittstelle 16 kann beispielsweise einen Kühlkörper umfassen, der von dem Kühlmittel der Kühleinrichtung 3 durchspült wird. An der Kühlschnittstelle 16 tritt Wärmeenergie aus dem Steuergerät 4, beispielsweise aus Transistoren des Wechselrichters 8, in das Kühlmittel der Kühleinrichtung 3 über. Die Kühleinrichtung 3 kann zusätzlich dazu ausgelegt sein, ein anderes Fahrzeuggerät zu kühlen, beispielsweise den Motor 2, wie dies in 1 durch weitere Kühlleitungen angedeutet ist.
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Das Steuergerät 4 ist dazu ausgelegt, seine Performanz zu begrenzen, um nicht zu überhitzen und dabei weiterhin seine Stellfunktion, das heißt das Steuern und/oder Regeln, weiter auszuführen. In dem Beispiel wird also der Betriebspunkt der elektrischen Maschine 5 durch einen Grenzbetriebspunkt des Steuergeräts 4 begrenzt. Durch die Begrenzung der Performanz wird also die durch das Vorgabesignal S angeforderte Performanz bereitgestellt, falls die Performanz unter einem Höchstwert der Performanz ist, der durch einen Derating-Grenzwert festgelegt ist. In dem in 1 veranschaulichten Beispiel besteht die Performanz in der Übertragung von elektrischen Leistungen durch den Wechselrichter 8, zwischen dem Zwischenkreis 9 und der elektrischen Maschine 5. Durch den Derating-Grenzwert wird die maximal übertragene Leistung und/oder eine Stromstärke der Phasenwechselströme jeweils auf einen Höchstwert begrenzt.
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Das Steuergerät 4 stellt hierbei den Derating-Grenzwert in Abhängigkeit von einer aktuellen Kühlleistung der Kühleinrichtung 3 ein. Dies wird wie im Folgenden erläutert bewirkt.
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Das Steuergerät 4 empfängt einen Betriebsparameterwert des Kraftfahrzeugs 1. In dem in 1 veranschaulichten Beispiel ist der Betriebsparameterwert durch eine Motordrehzahl R des Motors 2 repräsentiert. Die Motordrehzahl R ist ein Betriebsparameterwert, der mit der Kühlleistung der Kühleinrichtung 3 korreliert, da der Motor 2 und die Kühleinrichtung 3 über die Koppeleinrichtung 7 gekoppelt sind, und die Kühleinrichtung 3 durch den Motor 2 über die Koppeleinrichtung 7 angetrieben wird.
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Im Folgenden ist im Zusammenhang mit der Funktionsweise des Steuergeräts 4 auf 2 und 3 verwiesen. In 2 ist zusätzlich eine Recheneinrichtung 17 des Steuergeräts 4 dargestellt. Die Recheneinrichtung 17 weist ein Kennfeld 18, ein Steuergerätemodell 19 und eine Deratingeinrichtung 20 auf. Das Vorgabesignal S kann durch einen Sollwertgebermodell 21 empfangen und an die Deratingeinrichtung 20 übertragen werden. Hierbei kann das Sollwertsignal beispielsweise durch das Sollwertgebermodell 21 skaliert oder in anderer Weise für den Betrieb in dem Steuergerät 4 in an sich bekannter Weise verändert werden.
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Das Sollwertgebermodell 21 kann optional das Vorgabesignal S in ein Sollwertsignal 22 für ein Steuergerätemodell 23 umrechnen, z. B. durch Skalieren. Das Sollwertsignal 22 kann auch mit dem Vorgabesignal S identisch sein.
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Das Steuergerätmodell 23 repräsentiert in 2 die Steuerung und/oder Regelung, mittels welcher ein Stellsignal 24 erzeugt wird, welches beispielsweise der Wechselrichter 8 oder allgemein eine Funktionskomponente des Steuergeräts 4 für eine außenwirksame Gerätefunktion gestellt wird. Das Sollwertsignal 22 wird durch die Deratingeinrichtung 20 dahingehend überwacht, ob das Sollwertsignal 22 einen aktuellen Sollwert aufweist, der größer ist als der beschriebene Derating-Grenzwert 25. Der Derating-Grenzwert 25 ist adaptiv oder dynamisch einstellbar. Durch den Derating-Grenzwert 25 ist die aktuell verfügbare Kühlmöglichkeit für das Steuergerät 4 berücksichtigt.
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Hierzu wird der Betriebsparameterwert, also in dem Beispiel die Motordrehzahl R, über das Kennfeld 18 auf einen Zustandswert Z der Kühlschnittstelle 16 abgebildet.
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3 zeigt hierzu beispielhaft das Kennfeld 18. Angegeben ist die Motordrehzahl R in Drehzahl pro Minute (1/min). Als Zustandswert Z wird gemäß 3 ein Volumenstrom V ermittelt, der beispielsweise in Litern pro Minute (l/min) definiert sein kann. Das Kennfeld 18 kann mehrere vorgegebene Kennlinien 26 aufweisen, wobei die einzelnen Kennlinien 26a, 26b, 26c, 26d sich darin unterscheiden, dass sie den Volumenstrom V in Abhängigkeit von der Drehzahl R zusätzlich in Abhängigkeit davon angeben, welche Stellzustände einzelne Komponenten der Kühleinrichtung 3 aufweisen. Beispielsweise kann als eine Komponente ein Ventil 27 als Stellwert 28 eine Ventilöffnungsstellung aufweisen. Durch die Ventilöffnungsstellung wird festgelegt, wie viel Kühlmittel oder welcher Kühlmittelteilstrom durch das Ventil 27 hindurch strömt. Dies beeinflusst, welcher Teil des Kühlmittels tatsächlich an die Kühlschnittstelle 16 gelangt. Entsprechend ergibt sich in Abhängigkeit von der Drehzahl R ein anderer Wert für den Volumenstrom V an der Kühlschnittstelle 16.
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In Abhängigkeit von dem ermittelten Zustandswert Z wird das Temperaturmodell 19 dahingehend konfiguriert, dass der an der Kühlschnittstelle 16 verfügbare Volumenstrom V berücksichtigt ist. Das Temperaturmodell 19 stellt ein Steuergerätemodell oder kurz Gerätemodell im Sinne der Erfindung dar. Das Temperaturmodell 19 modelliert einen Wärmestrom von zumindest einer Wärmequelle des Steuergeräts 4 hin zur Kühlschnittstelle 16. Beispielsweise kann eine Wärmeentwicklung oder Wärmeerzeugung oder Verlustleistungsabgabe der Transistoren des Wechselrichters 8 durch das Temperaturmodell 19 und eine Übertragung der Verlustwärme hin zur Kühlschnittstelle 16 modelliert sein. Hierzu sind an sich entsprechende Temperaturmodelle 19 bekannt, welche thermische Kapazitäten und/oder Wärmewiderstände von Komponenten eines Steuergeräts 4 berücksichtigen. Das Steuergerätemodell kann auch beispielsweise in einfacher Form als Tabelle bereitgestellt sein, welche einzelnen Werten für den Zustandswert Z einen jeweils zugeordneten Derating-Grenzwert 25 zuordnet. Durch Vorgabe einer Höchsttemperatur für die Transistoren kann dann mittels des Temperaturmodells 19 ein Derating-Grenzwert 25 bestimmt oder ermittelt oder festgelegt werden. Der Derating-Grenzwert 25 wird dann in der Deratingeinrichtung 20 eingestellt.
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Das Steuergerät 4 schöpft somit Temperatur- und Kühlungsreserven, die hauptsächlich zum Derating führen, aus, was zu Kraftstoffeinsparung führt. Wird der Steuergerättyp des Steuergeräts 4 über mehrere Fahrzeugtypen und Derivate verwendet, kann das jeweilige Steuergerät 4 entsprechend neu bedatet werden, indem das Temperaturmodell 19 neu konfiguriert wird, so dass beispielsweise eine Geometrie der Kühlschnittstelle 16 berücksichtigt ist. Die Steuergeräteauslastung bildet nicht mehr den Worst-Case ab, sondern die geforderte Systemfunktion, das heißt es sind keine Reserven für nur theoretisch denkbare Fälle nötig. Das Steuergerät 4 wird auch in allen Anwendungsfällen optimal betrieben. Insbesondere wird das Steuergerät 4 in keinem Anwendungsfall überlastet. Es gibt auch keine „weiße Flecken” des Steuergerätebetriebs während eines Fahrzyklus.
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Somit ergibt sich ein Steuergerät 4, dessen Performanz maßgeblich von der Kühlung abhängt, wobei die Performanz des Steuergeräts 4 umso größer ist, je mehr Kühlleistung an der Kühlschnittstelle bereitsteht. Die Gesamtkühlleistung des Kühlkreislaufes der Kühleinrichtung 3 hängt hierbei mit dem Fahrzeugbetriebszustand zusammen. Das Steuergerät 4 kann beispielsweise in einer wassergekühlten Antriebsmaschine bereitgestellt sein, wie einem Riemenstartergenerator. Das Kühlwasser hängt direkt mit dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors zusammen. Steigt die Leistung des Verbrenners an, steigt auch die Kühlmitteltemperatur, was zur Reduzierung der Antriebsleistung der Maschine führt. Steigt nun die Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeit, steigt auch die Kühlleistung des Kühlmittels, was wiederum zur besseren Kühlung des Steuergeräts 4 führt. Im Steuergerät 4 sind Steuergerätemodelle für Leistungselektronik, Antriebsmaschine, Wärmeübergangswiderstände hinterlegt. Diese Steuergerätemodelle sind zu dem Temperaturmodell 19 kombiniert. Weiterhin wird im Steuergerät 4 eine Tabelle abgelegt, die die Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeit über die Drehzahl des Verbrennungsmotors abbildet.
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Die im Steuergerät 4 abgelegten Modelle können nun die Kühlleistung des Kühlmittels verrechnen und damit die Steuergeräteperformanz länger zur Verfügung stellen, da die internen Sensoren, durch welche der Temperaturhub ermittelt wird, zusätzlich durch aktuelle Fahrzeugdaten ergänzt werden. Hierzu ermitteln Temperatursensoren 29 des Steuergeräts 4 eine Kühlmitteleintrittstemperatur T1 und eine Kühlmittelaustrittstemperatur T2 an der Kühlschnittstelle 16. Durch das Steuergerät 4 wird aus der Kühlmitteleintrittstemperatur T1 und der Kühlmittelaustrittstemperatur T2 ein Temperaturhubwert T2–T1 an der Kühlschnittstelle 16 ermittelt wird und das Temperaturmodell 19 mittels des Temperaturhubwerts konfiguriert.
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Allgemein sieht somit die Erfindung die drei folgenden Schritte vor:
- 1. Einführung eines Kennfelds, dass die Steuergeräteperformanz über eine begrenzte Systemkonstante abbildet.
- 2. Einführung eines Steuergerätemodells, insbesondere eines Temperaturmodells, das als Eingangsgröße die Steuergeräteperformanz aus dem Kennfeld erhält.
- 3. Reduzierung der Steuergeräteperformanz anhand der Rechenergebnisse aus dem Steuergerätemodell, das mit Fahrzeugparametern feinabgestimmt wurde.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Feinabstimmung von Steuergerätemodellen erreicht werden kann.
