DE102015205958A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schätzen eines Temperaturbeitrags eines Wechselrichters für eine elektrische Maschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Schätzen eines Temperaturbeitrags eines Wechselrichters für eine elektrische Maschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen eines Temperaturbeitrags eines zur Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, eingesetzten Wechselrichters. Das Verfahren umfasst die Schritte zum Berechnen oszillierender Temperaturhübe von Komponenten des Wechselrichters; und Bestimmen, als geschätzten Temperaturbeitrag (ΔT(ω), ΔTi(ω), (ΔTd(ω)) des Wechselrichters, einer oberen Einhüllenden einer Amplitude einer Summe der berechneten oszillierenden Temperaturhübe. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. eine zu dessen Ausführung ausgebildete Vorrichtung kann zum Schätzen einer Temperatur oder eines vollständigen Temperaturbeitrags des Wechselrichters erweitert werden und ist insbesondere für eine Verwendung in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb ohne Drehzahlwandler vorgesehen, um die Betriebstemperatur einer darin aufgenommenen Fahrzeugantrieb-Leistungselektronik zu schätzen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schätzen eines Temperaturbeitrags eines zur Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, eingesetzten Wechselrichters.
  • Stand der Technik
  • Bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen spielt die Temperaturüberwachung der Leistungselektronik eine wesentliche Rolle. Werden die im Pulswechselrichter, im Folgenden auch einfach Wechselrichter genannt, verbauten IGBTs und Dioden zu heiß, kann es zu Schäden an den Halbleitern des Wechselrichters und einem damit verbundenen Ausfall des elektrischen Antriebs kommen. Für die Überwachung der Temperaturen kommt ein Temperaturmodell zum Einsatz. Dieses bestimmt die Temperaturen der Halbleiter und ermöglicht eine rechtzeitige Beschränkung des Drehmoments und der daraus resultierenden Ströme.
  • In Hybrid-/Elektrofahrzeugen, bei denen der elektrische Antrieb ohne Drehzahlwandler mit den Rädern bzw. mit dem Abtrieb gekoppelt ist, muss zum Losfahren bzw. bei kleinen Drehfrequenzen der elektrische Antrieb das erforderliche Drehmoment somit ohne eine mechanische Unterstützung aufbringen. Besonders relevant ist dies beim Anfahren an Berg oder an steilen Anstiegen.
  • Dadurch wird der Wechselrichter, der diese hohe Stromanforderung zur Verfügung stellen soll, überlastet, da bei kleinen Drehfrequenzen, besonders bei Drehzahl Null, der Strom im schlimmsten Fall für eine längere Zeit über den gleichen Leistungshalbleiter einer Phase anliegt. Es findet eine unsymmetrische Belastung der Leistungshalbleiter des Wechselrichters statt. Demzufolge ergibt sich die Notwendigkeit diese Überlastung der Leistungshalbleiter zu identifizieren und somit für den Eigenschutz der Leistungshalbleiter den Strom zu reduzieren.
  • Ein bekannter Ansatz zur Schätzung bzw. Berechnung der Leistungshalbleiter-Temperaturen beruht auf einem linearen Netzwerk-Verfahren. Es wird aus den Momentanströmen, Spannungen und dem Tastverhältnis bzw. Duty Cycle, die Verlustleistung (insgesamt zwölf Teilverluste) jedes Leistungshalbleiters berechnet und daraus je einen Temperaturhub errechnet. Hierfür wird die thermische Abhängigkeit zwischen den einzelnen Leistungshalbleitern, die durch IGBTs und Dioden ausgebildet sind, verwendet. Diese thermische Abhängigkeit wird durch Übertragungsfunktionen erster Ordnung beschrieben. Zur Berechnung der absolut maximalen IGBT-Temperatur, wird das Maximum aus den sechs einzelnen IGBT-Temperaturhüben ermittelt und zur Kühlwassertemperatur addiert. Analog wird die absolute maximale Diodentemperatur berechnet. Nachteil dieses Verfahrens ist seine fehlende Rückkopplung und seine aufwändige Berechnung. Durch seine fehlende Rückkopplung ist es nicht robust genug gegenüber Störungen.
  • Außerdem ist der Einsatz eines Temperaturbeobachters bekannt, der zur Berechnung der mittleren Temperaturen der IGBTs und Dioden verwendet wird. Der Temperaturbeobachter ist aber insbesondere nicht für die Temperaturschätzung bei stark transienten Ansteuerungsvorgängen, wie beim Anfahren bzw. kleinen Drehfrequenzen, geeignet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mit der die bekannten Verfahren verbessert werden können. Außerdem sollen das Verfahren und die Vorrichtung universell, also auch für niedrige Drehfrequenzen, einsetzbar sein und gute Temperaturschätzungen bereitstellen können.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Außerdem wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
  • Ein Verfahren zum Schätzen eines Temperaturbeitrags eines zur Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, eingesetzten Wechselrichters umfasst die Schritte zum Berechnen oszillierender Temperaturhübe von Komponenten des Wechselrichters; und Bestimmen, als geschätzten Temperaturbeitrag des Wechselrichters, einer oberen Einhüllenden einer Amplitude einer Summe der berechneten oszillierenden Temperaturhübe.
  • Die elektrische Maschine wird bevorzugt dreiphasig bestromt. Der Wechselrichter ist also dreiphasig ausgestaltet.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die obere Einhüllende bestimmt wird als eine maximale Amplitude der über eine, bevorzugt volle, elektrische Periode berechneten Amplituden der summierten berechneten oszillierenden Temperaturhübe.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die oszillierenden Temperaturhübe berechnet werden auf Grundlage einer berechneten mittelwertfreien oszillierenden Verlustleistung und bevorzugt auf Grundlage einer über eine volle elektrische Periode berechneten mittleren Verlustleistung.
  • Außerdem sieht eine Ausführungsform des Verfahrens vor, dass die oszillierenden Temperaturhübe berechnet werden auf Grundlage einer vorgegebenen, insbesondere sinusförmigen, Signalform einer Stammfunktion von Harmonischen der mittelwertfreien oszillierenden Verlustleistung, und ferner bevorzugt auf Grundlage einer Fourier-Analyse berechnet werden.
  • Ferner sieht eine Ausführungsform des Verfahrens vor, dass die oszillierenden Temperaturhübe berechnet werden auf Grundlage von, bevorzugt für alle Phasen des Wechselrichters, vorgegebenen Übertragungsfunktionen, die thermische Kopplungen zwischen einer derselben Phase zugeordneten Komponenten des Wechselrichters beschreiben. Die Übertragungsfunktion ist durch eine Frequenzgang und einen Phasengang vorgegeben. Die thermischen Kopplungen beschreiben die Eigenkopplung und die Querkopplungen der Komponenten, also der IGBTs und der Dioden, des Wechselrichters in einer Phase der drei Phasen.
  • Außerdem sieht eine Ausführungsform vor, dass der Wechselrichter insbesondere als IGBTs ausgebildete Komponenten eines ersten Schaltertyps und insbesondere als Dioden ausgebildete Komponenten eines zweiten Schaltertyps aufweist, und dass die oszillierenden Temperaturhübe für die Komponenten des ersten Schaltertyps und die oszillierenden Temperaturhübe für die Komponenten des zweiten Schaltertyps gemäß einer selben parametrisierten Berechnungsvorschrift aber mit für die zwei Schaltertypen unterschiedlichen Parameterwerten berechnet werden.
  • Eine weitere Ausführungsform ist ein Verfahren zum Schätzen einer Temperatur oder eines vollständigen Temperaturbeitrags eines zur Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, eingesetzten Wechselrichters, mit den Schritten zum Bestimmen eines ersten Temperaturbeitrags des Wechselrichters mittels Ausführen eines Verfahrens nach einer der zuvor dargestellten Ausführungsformen; sowie Berechnen einer mittleren Verlustleistung des Wechselrichters über eine, bevorzugt volle, elektrische Periode; Berechnen, bevorzugt durch einen Luenberg-Temperaturbeobachter, eines mittleren Temperaturbeitrags des Wechselrichters auf Grundlage der berechneten mittleren Verlustleistung; und Berechnen, als die geschätzte Temperatur oder den vollständigen Temperaturbeitrag des Wechselrichters, einer Summe des ersten Temperaturbeitrags und des mittleren Temperaturbeitrags. Der kombinierte Einsatz des Temperaturbeobachters und des zuvor geschilderten Verfahrens gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen ermöglicht auf besonders beeindruckende Weise, den Temperaturbeobachter und dessen Vorteile auch bei niedrigen Drehfrequenzen nutzen zu können.
  • Ferner umfasst eine Ausführungsform eine Vorrichtung zum Schätzen eines Temperaturbeitrags eines zur Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, eingesetzten Wechselrichters, mit einer Einrichtung zum Berechnen oszillierender Temperaturhübe von Komponenten des Wechselrichters; und einer Einrichtung zum Bestimmen, als geschätzten Temperaturbeitrag des Wechselrichters, einer oberen Einhüllenden einer Amplitude einer Summe der berechneten oszillierenden Temperaturhübe.
  • Eine weitere Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zum Schätzen einer Temperatur oder eines vollständigen Temperaturbeitrags eines zur Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, eingesetzten Wechselrichters, mit eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines ersten Temperaturbeitrag mit der vorhergehend dargestellten Ausführungsform; einer Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer mittleren Verlustleistung des Wechselrichters über eine, bevorzugt volle, elektrische Periode und zum Berechnen, bevorzugt durch einem Luenberg-Temperaturbeobachter, eines mittleren Temperaturbeitrags des Wechselrichters auf Grundlage der berechneten mittleren Verlustleistung; und einer Schätzeinrichtung zum Berechnen, als die geschätzte Temperatur oder den vollständigen Temperaturbeitrag des Wechselrichters, einer Summe des ersten Temperaturbeitrags und des mittleren Temperaturbeitrags. Diese mit einem Temperaturbeobachter versehene Vorrichtung bietet den Vorteil, dass der Temperaturbeobachter und dessen Vorteile auch bei niedrigen Drehfrequenzen genutzt werden können.
  • Ferner umfasst eine Ausführungsform eine Verwendung eines vorhergehend dargestellten Verfahrens oder einer entsprechenden Vorrichtung, wobei das Verfahren oder die Vorrichtung in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, bei dem insbesondere ein elektrischer Antrieb ohne Drehzahlwandler mit den Fahrzeugrädern bzw. dem Abtrieb gekoppelt ist, verwendet wird und darin insbesondere für Eigenschutzzwecke einer das Elektrofahrzeug steuernden bzw. antreibenden Leistungselektronik für Fahrszenarien, wie bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten, einem Anfahren aus dem Stillstand und besonders einem Anfahren am Berg, eingesetzt wird. Für diese Anwendung sind die zuvor erläuterten Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung besonders gut geeignet.
  • Merkmale der obigen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Verfahrensmäßig offenbarte Merkmale sollen auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten, und umgekehrt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Möglichkeit bereit, auch bei kleinen Frequenzen den Temperaturbeobachter zu verwenden, und nutzt somit auch seine Vorteile und Robustheit. Es wird hier im Gegensatz zum oben genannten bekannten Verfahren nicht das Maximum aus den sechs IGBT-Temperaturhüben und sechs Diodentemperaturhüben berechnet, sondern es wird die obere Einhüllende der IGBT-/Diodentemperatur (Die Schreibweise IGBT/Diodentemperatur wird im Folgenden als Kurzform für die Formulierung IGBT-Temperatur und Diodentemperatur verwendet. Dies gilt entsprechend für andere Begriffe mit dieser Schreibweise) gerechnet. Diese obere Einhüllende ist auf die mittlere Temperatur, welche vom Temperaturbeobachter berechnet wird, zu beziehen. Die obere Einhüllende ist also die Differenz zwischen der unbekannten absolut maximalen Temperatur und der mit dem Temperaturbeobachter bestimmten mittleren Temperatur.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine einheitliche Berechnung der IGBT-/Diodentemperaturen in allen Frequenzbereichen. Sie ermöglicht eine Erweiterung des bisher verwendeten Temperaturbeobachters, welcher zur Berechnung der mittleren IGBT-/Diodentemperaturen verwendet wird, um einen Algorithmus zur Schätzung der oberen Einhüllenden der IGBT-/Diodentemperaturen bei kleinen Frequenzen. Hierzu wird mittels der Fourier-Analyse der bekannten Mittelwerte der IGBT-/Diodenverlustleistungen deren mittelwertfreier oszillierender Anteil – über eine elektrische Periode betrachtet – geschätzt, welche bei kleinen Frequenzen zu einer unsymmetrischen Belastung der IGBTs bzw. Dioden führt. Ausgehend von den genannten mittelwertfreien Schwingungsanteilen der IGBT-/Diodenverlustleistungen werden die um den Mittelwert der IGBT-/Diodentemperaturen oszillierenden Temperaturhübe berechnet, und zwar unter Berücksichtigung der thermischen Eigenkopplungen und der thermischen Querkopplungen der jeweiligen High-Side-Komponenten (IGBTs und Dioden der High-Side) und Low-Side-Komponenten (IGBTs und Dioden der Low-Side) einer Vollbrücke, die der Wechselrichter ausbildet.
  • Der Ansatz der Erfindung besteht darin, die um die mittlere IGBT-/Diodentemperatur oszillierenden Temperaturhübe zu ermitteln.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird in einem ersten Schritt aus den bekannten Mittelwert der IGBT-/Diodenverlustleistung sowie der elektrischen Rotorfrequenz die mittelwertfreie oszillierende IGBT-/Diodenverlustleistung, bestehend aus der ersten, zweiten und dritten Harmonischen, bestimmt bzw. berechnet. Zur Bestimmung der mittelwertfreien oszillierenden IGBT-/Diodenverlustleistung sollten deren Gleichanteil sowie die Signalform der Stammfunktion bekannt sein. Es wird angenommen, dass die Verlustleistung sich aus einem Sinus und einem Sinusquadrat bzw. quadrierten Sinus zusammensetzt. Der Gleichanteil stellt den Mittelwert der Verlustleistung über eine volle elektrische Periode dar. In einem weiteren Schritt wird in Abhängigkeit der ermittelten mittelwertfreien oszillierenden Verlustleistungen und der bekannten Übertragungsfunktionen zur Beschreibung der thermischen Abhängigkeiten zwischen den Leistungshalbleitern einer Phase, die frequenzabhängige Amplitude der oberen Einhüllenden der oszillierenden Temperaturhübe geschätzt. Hierzu werden Kenntnisse über das Amplituden-/Phasenspektrum der einzelnen Übertragungsfunktionen verwendet.
  • Die Erfindung ermöglicht außerdem die Kombination eines Temperaturbeobachters, welcher zur Berechnung der mittleren IGBT-/Diodentemperaturen verwendet wird, mit dem Verfahren gemäß einer der Ausführungsformen zur Berechnung der mittelwertfreien Schwingungsanteile der Temperaturen bzw. Temperaturbeiträgen bei kleinen Frequenzen. Durch die Verwendung eines Luenberger-Beobachters mit seiner Rückführung werden auch bei kleinen Frequenzen dessen Vorteile, nämlich eine Anpassung an Alterungseffekte und ein Fehlerausgleich in der Verlustleistungsberechnung, genutzt.
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform sehr detailliert erläutert, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern.
  • Das Verfahren errechnet die Amplitude der oberen Einhüllenden der IGBT-/Diodentemperaturen auf Basis der mittleren IGBT-/Diodenverlustleistung, der Übertragungsfunktionen zwischen den einzelnen Komponenten des Wechselrichters in einer Phase sowie der elektrischen Rotorfrequenz. Da bei kleinen Frequenzen nicht mehr davon ausgegangen werden kann, dass sich die Verlustleistung im Mittel über alle drei Phasen betrachtet gleichmäßig verteilt, muss eine Maßnahme erarbeitet werden, um diese unsymmetrische Belastung der Phasen zu berücksichtigen. Es soll zunächst erläutert werden, wie aus dem bekannten Mittelwert der Verlustleistung deren mittelwertfreier oszillierender Anteil POscn(ω·t) gewonnen werden. Die Kenntnis über diese Größe würde die Schätzung der Amplitude der oberen Einhüllenden der Temperaturen ΔT(ω) ermöglichen. Im Folgenden werden die einzelnen Schritte zur Schätzung von ΔT(ω) erläutert.
  • Die Verlustleistung kann wie folgt beschrieben werden: Pv(t) = P V + POscn(ω ·t)= PVLin·sin(ω·t) + PVSq·sin(ω·t)2 t ∊ [0,π] (1) wobei
    Figure DE102015205958A1_0002
    • PV(t)
    ist die Gesamtverlustleistung.
    P V
    ist der Mittelwert der Verlustleistung bzw. deren Gleichanteil und wird in diesem Verfahren als bekannt bzw. bereits ermittelt vorausgesetzt.
    POscn(ω·t)
    ist der Schwingungsanteil der Verlustleistung.
    PVLin
    ist proportional zum Momentanstrom.
    PVSq
    ist proportional zum Quadrat des Momentanstroms.
  • Da zur Berechnung der mittelwertfreien oszillierenden Anteile der Verlustleistung die Kenntnis der darin enthaltenen Harmonischen erforderlich ist, wird eine Fourier-Analyse der Gesamtverlustleistung durchgeführt. Aus der obigen Gleichung (1) geht hervor, dass die Verlustleistleistung sich aus einem Sinus-Signal und einem Sinusquadrat-Signal zusammensetzt. Dem zufolgende wird im Folgenden die Herleitung der Fourier-Analyse dargestellt.
  • Im Rahmen der nun erfolgenden Vorstellung der Bestimmung der Verlustleistungen werden zunächst die Fourier-Koeffizienten eines linearen Anteils (Sinus-Signal) der Verlustleistung hergeleitet, und im Anschluss daran werden die Fourier-Koeffizienten eines quadratischen Anteils (Sinusquadrat-Signal) der Verlustleistung hergeleitet.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen
  • 1 das einseitige Amplitudenspektrum des Sinus über eine halbe Periode betrachtet,
  • 2 das einseitige Amplitudenspektrum vom sin(wt)^2,
  • 3 die beispielhafte Interpretation des Frequenzgangs,
  • 4 eine Übersicht der Berechnung der oberen Einhüllenden der IGBT-Temperatur,
  • 5 ein Blockschaltbild eines Hybridbeobachters,
  • 6 die Fourier-Analyse der Verlustleistung,
  • 7 einen Vergleich des bekannten Verfahren zur Berechnung der Temperaturen,
  • 8 eine Ausführungsform des Verfahrens in einem Flussdiagramm und
  • 9 Messergebnisse zwecks Vergleich des bekannten Netzwerkverfahrens.
  • 1 zeigt das einseitige Amplitudenspektrum des Sinus über eine halbe Periode betrachtet und mit einer Frequenz von 1Hz. Daraus können die im Signal auftretenden Harmonischen sowie die entsprechenden normierten Amplituden abgeleitet werden. Es ist ersichtlich, dass die erste, zweite und vierte Harmonische (in 1 als #1, #2 bzw. #4 bezeichnet) und außerdem ein Gleichanteil (in 1 mit #0 bezeichnet) im Signal vorhanden sind. Mit der Kenntnis dieser Fourier-Koeffizienten kann sowohl der gesamte Verlauf als auch der mittelwertfreie oszillierende Anteil abgeleitet werden:
    Figure DE102015205958A1_0003
  • Bei dieser Betrachtung wird die vierte Harmonische nicht berücksichtigt, da ihr Beitrag irrelevant ist.
    • PVLin(t) beschreibt die mit dem Momentanstrom proportionale Verlustleistung.
    • POscnLin(ωt) beschreibt den mittelwertfreien oszillierenden Anteil der mit dem Momentanstrom proportionalen Verlustleistung.
    • Figure DE102015205958A1_0004
      beschreibt den Gleichanteil der mit dem Momentanstrom proportionalen Verlustleistung.
  • 2 zeigt das einseitige Amplitudenspektrum vom sin(wt)^2 (also von dem Sinusquadrat-Signal) über eine Halbwelle. Daraus können die interessanten Frequenzanteile abgeleitet werden. Im Gegensatz zum Sinus-Signal tritt hier zusätzlich zum Gleichanteil (#0 in 2) und zur ersten und zweiten Harmonischen, eine dritte Harmonische (in 2 als #1, #2 bzw. #3 bezeichnet) auf. Somit ergibt sich für den quadratischen Anteil der Verlustleistung die Formel (5):
    Figure DE102015205958A1_0005
  • Analog zu (3) und (4) folgt:
    Figure DE102015205958A1_0006
  • Der mittelfreie oszillierende Verlustleistungsanteil ergibt sich durch Addition der Gleichung (4) und (6). Somit kann die Formel (7) abgeleitet werden: POscn(ωt) = POscnLin(ωt) + POscnSq(ωt) = Pf1·sin(ωt) – Pf2·cos(2ωt) – Pf3·sin(3ωt) (7)
  • Aus den bekannten Fourier-Koeffizienten lassen sich wie folgt die Faktoren Pf1, Pf2 und Pf3 bestimmen:
    Figure DE102015205958A1_0007
  • Die Formel zur Berechnung der mittelwertfreien oszillierenden IGBT-Verlustleistung lautet somit: POscnIGBT(ωt) = Pf1IGBT·sin(ωt) – Pf2IGBT·cos(2ωt) – Pf3IGBT·sin(3ωt) (8)
  • Die Formel der mittelwertfreien oszillierenden Diodenverlustleistung ergibt sich durch eine zeitliche Verschiebung von (8) um Pi POscnDde(ωt) = –Pf1Dde·sin(ωt) – Pf2Dde·cos(2ωt) + Pf3Dde·sin(3ωt) (9)
  • Im Folgenden soll die Schätzung der Amplituden der oberen Einhüllenden der IGBT-Temperaturen bzw. Diodentemperaturen näher erläutert werden.
  • Zur Schätzung der Amplituden der oberen Einhüllende der IGBT-/Diodentemperaturen werden die thermischen Abhängigkeiten der High-Side- und Low-Side-Leistungshalbleiter, also der IGBTs und Dioden, in einer Phase betrachtet. Hierzu werden insgesamt fünf Übertragungsfunktionen erster Ordnung verwendet. Diese beschreiben sowohl die Eigenkopplung als auch die Querkopplungen der Leistungshalbleiter untereinander in einer Phase. Das thermische Verhalten der Eigenkopplung wird durch zwei Filter erster Ordnung, beispielsweise ein Tiefpassfilter, auch PT1-Filter genannt, beschrieben, und das/die thermische Verhalten der Querkopplungen durch je ein Filter erster Ordnung.
  • Ausgehend von den Übertragungsfunktionen und den mittelwertfreien oszillierenden IGBT-/Diodenverlustleistungen nach Gleichungen (8) und (9) wird mit Hilfe des Frequenzgangs eines Filters erster Ordnung die obere Einhüllende der IGBT-/Diodentemperaturen ermittelt.
  • Der Frequenzgang enthält die Informationen, wie jede Frequenz innerhalb des Systems verstärkt wird, und welche Phasenverschiebung zwischen dem Ein- und Ausgangssignal auftritt. In 3 wird die Interpretation des Frequenzgangs beispielhaft veranschaulicht.
  • Zur Bestimmung der oberen Einhüllenden der IGBT-/Diodentemperaturen wird am Eingang jedes der fünf Filter erster Ordnung die mittelwertfreie oszillierende IGBT-/Diodenverlustleistung eingegeben. In 4 ist die mittelwertfreie oszillierende IGBT-Verlustleistung mit dem Bezugszeichen 45 versehen, und die mittelwertfreie oszillierende Diodenverlustleistung ist mit dem Bezugszeichen 46 versehen. 4 zeigt außerdem beispielhaft eine Übersicht der Berechnung der oberen Einhüllenden der IGBT-Temperatur. Am Ausgang jedes Filters erster Ordnung, mit Bezugszeichen 40 bis 44 versehen, entsteht ein frequenzabhängiger oszillierender Temperaturhub, der jeweils aus der ersten, zweiten und dritten Harmonischen besteht. Somit ergeben sich insgesamt fünf Schwingungsanteile mit der gleichen Frequenz.
  • Die direkt als nächstes angeführte Formel (10) zur Beschreibung des Temperaturhubs am Ausgang jedes Filters erster Ordnung lautet:
    Figure DE102015205958A1_0008
    Figure DE102015205958A1_0009
  • Die Amplitude der obere Einhüllenden der Temperaturhübe ergibt sich aus der Addition der einzelnen Temperaturhübe am Ausgang jedes Filters erster Ordnung. Zur Vereinfachung werden die jeweils fünf Anteile mit der gleichen Frequenz zusammengefasst. Daraus folgt: ΔTOscnIGBT(ω) = ΔTH_II_HH1(ω) + ΔTH_II_HH2(ω) + ΔTH_II_LH(ω) + ΔTH_DI_HH + ΔTH _DI_LH(ω)(11)
  • Nach Einsetzen der Gleichung (10) in Gleichung (11) und Zusammenfassen der Anteile mit gleicher Frequenz kann die unten stehende Gleichung (12) hergeleitet werden. ΔTOscnIGBT(ω) = AIGBT·sin(ωt + φges1) – BIGBT·cos(2ωt + φges2) –CIGBT·sin(3ωt + φges3) (12) ΔTIGBT_max(ω) = max(ΔTOscnIGBT(ω)) über [0; 2π] (13) TIGBTMax(t) = T IGBT + ΔTIGBT_Max(ω) t ∊ [0; 2π] (14)
  • Das Maximum von (12) über eine elektrische Periode beschreibt den Verlauf der oberen Einhüllenden der IGBT-Temperatur gemäß Gleichung (13). Die maximale absolute IGBT-Temperatur laut Gleichung (14), die sich bei kleinen Frequenzen einstellen kann, ergibt sich aus der Addition der mittleren Temperatur und der eben genannten oberen Einhüllenden. Die Bestimmung der Amplituden AIGBT, BIGBT, CIGBT und der Phasen φges1, φges2, φges3 können aus den Additionstheoremen, trigonometrische Formeln und Überlagerungssätzen abgeleitet werden.
  • Die Berechnung der oberen Einhüllenden der Diodentemperatur ist analog zu der oben detailliert dargestellten IGBT-Berechnung. Allerdings muss hier auf die Vorzeichenunterschiede (siehe Gleichungen (8) und (9)) geachtet werden, die sich bei der Bestimmung der mittelwertfreien oszillierenden Verlustleistung ergeben haben. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Hybridbeobachters zur Berechnung einer Leistungshalbleiter-Junction-Temperatur, basierend auf einer Kombination eines Luenberger-Temperaturbeobachters und einer der zuvor dargestellten Ausführungsformen des Verfahrens zum Schätzen des Temperaturbeitrags auf Grundlage einer Fourier-Analyse und eines Bodeansatzes.
  • Konkret zeigt 5 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Schätzen einer maximalen Temperatur Ti,max (für die IGBTs) bzw. Td,max (für die Dioden) eines Wechselrichters. Block 51 ist ausgebildet als eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer mittleren Verlustleistung, also des Mittelwertes der Leistung, Pv_i (für die IGBTs) bzw. Pv_d (für die Dioden) des Wechselrichters über eine volle elektrische Periode. Block 52 ist ausgebildet als eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen, durch einen Luenberg-Temperaturbeobachter, eines mittleren Temperaturbeitrags (Ti,mean, Td,mean) des Wechselrichters auf Grundlage der berechneten mittleren Verlustleistung (Pv_i, Pv_d).
  • Block 50 ist ausgebildet als eine Vorrichtung zum Schätzen eines Temperaturbeitrags eines Wechselrichters und umfasst eine Einrichtung zum Berechnen oszillierender Temperaturhübe von Komponenten des Wechselrichters und eine Einrichtung zum Bestimmen, als geschätzten Temperaturbeitrag des Wechselrichters, einer oberen Einhüllenden einer Amplitude einer Summe der berechneten oszillierenden Temperaturhübe. Konkret wird in einem Block 53 zunächst mit Kenntnis des Mittelwertes der Verlustleistung Pv_i und Pv_d über eine volle elektrische Periode für die IGBTs und Dioden, der von Block 51 an den Block 53 zugeführt wird, ein mittelwertfreier oszillierender Anteil Pv_i,osc (für die IGBTs) bzw. Pv_d,osc (für die Dioden) über eine volle elektrische Periode mittels einer Fourier-Reihe als Funktion von sin(nωt) und cos(nωt) berechnet. Die berechneten Anteile Pv_i,osc und Pv_d,osc werden einer Transformation unterzogen, symbolisiert durch Block 54 (Frequenzgang des Übertragungsverhaltens) bzw. Block 55, die die oszillierenden Leistungsanteile in jeweilige Temperaturhübe der IGBTs bzw. Dioden transformiert, wie zuvor insbesondere mit Verweis auf 4 geschildert. Block 55 ist ausgebildet zum Ermitteln der Amplitude der einhüllenden Temperaturschwingungen als Funktion von ω, um daraus eine obere Einhüllende ΔTi(ω) (für die IGBTs) bzw. ΔTd(ω) (für die Dioden) als geschätzte Temperaturbeiträge des Wechselrichters zu ermitteln.
  • Die Temperatur Ti,max bzw. Td,max wird dann durch den Addierer 56 als Summe von Ti,mean + ΔTi(ω) bzw. Td,mean + ΔTd(ω) berechnet.
  • 6 veranschaulicht die Fourier-Analyse der Verlustleistung (vertikal aufgetragen) über der Zeit (horizontal aufgetragen) zur Bestimmung der mittelwertfreien oszillierenden Verlustleistung. Bezugszeichen 61 stellt die Verlustleistung aus den Momentanströmen dar. Bezugszeichen 62 stellt die Fourier-Rekonstruktion dar. Die rechte Hälfte von 6 zeigt die Zusammensetzung der Verlustleistung aus Gleichanteil (oberer Graph 63) und mittelwertfreiem oszillierenden Anteil (unterer Graph 64) mit den ersten bis dritten Harmonischen der Fourier-Transformierten (Bezugszeichen 65, 66 bzw. 67).
  • 7 veranschaulicht einen Vergleich des eingangs erwähnten bekannten Verfahren zur Berechnung der Temperaturen unter Verwendung der linearen (thermischen) Netzwerke mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung.
  • In dem oberen Graph von 7 sind die Temperaturverläufe (vertikal aufgetragen) bei Phase 240 für die sechs IGBTs des Wechselrichters dargestellt.
  • Der Ansatz der vorliegenden Erfindung ist in dem mittleren und dem unteren Graphen von 7 visualisiert, wobei vertikal ebenfalls die Temperatur aufgetragen ist. Im Gegensatz zum Netzwerk-Verfahren, wo die Temperatur jedes Leitungshalbleiters berechnet und anschließend das Maximum aus den sechs Temperaturen gebildet wird, wird bei dem hier vorgestellten Verfahren zusätzlich zum Beobachter (siehe mittlerer Graph), welcher die mittlere Temperatur 70 errechnet, die um die mittlere Temperatur 70 vom Beobachter versetzte maximale Amplitude 71 der Schwingungen bestimmt, um die Gesamttemperatur 72 zu berechnen. Somit wird ein Verfahren zugrunde gelegt, welches die Vorteile und Robustheit eines Beobachters beinhalten.
  • 8 veranschaulicht eine Ausführungsform des Verfahrens in einem Flussdiagramm. Zuerst wird im Schritt S1 gemäß der obigen Gleichung (2) die mittlere Verlustleistung über eine volle elektrische Periode berechnet. Anschließend wird im Schritt S2 aus der Kenntnis über den Mittelwert der Verlustleistung und der Signalform, also Sinus und Sinusquadrat, die mittelwertfreie oszillierende Verlustleistung unter Verwendung einer Fourier-Analyse ermittelt. Anschließend wird im Schritt S3 aus der ermittelten mittelwertfreien oszillierenden Verlustleistung bzw. deren harmonischen Anteilen und den Übertragungsfunktionen, die die thermischen Abhängigkeiten der Leistungshalbleiter bzw. Komponenten des Wechselrichters in einer Phase beschreiben, die Amplitude der einzelnen Schwingungstemperaturhübe unter Verwendung der Kenntnisse über den Amplituden-/Phasengang einer Übertragungsfunktion berechnet. Es schließt sich der Schritt S4 mit den aufeinander folgenden Einzelschritten S41, S42 und S43 an. Im Schritt S41 werden die berechneten Temperaturhübe am Ausgang jeder Übertragungsfunktion zusammenaddiert. Im Schritt S42 werden die Anteile mit gleicher Frequenz zusammengefasst und dann wird eine vereinfachte Gleichung für die Amplitude der oberen Einhüllenden bestimmt. Im Schritt S43 wird das Maximum der vereinfachten Gleichung über eine volle elektrische Periode bestimmt.
  • In 9 sind Messergebnisse zwecks Vergleich des bekannten Netzwerkverfahrens und des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem realen Wechselrichter dargestellt. Die Kurve 90 zeigt den Effektivphasenstrom. Die Kurve 95 zeigt die elektrische Rotorfrequenz. Die Kurve 92 zeigt das Ergebnis aus dem bekannten Netzwerk-Verfahren. Die Kurve 91 das Ergebnis des in dieser Anmeldung neu vorgestellten Verfahrens laut Gleichung (14) dar. Die Kurve 93 stellt die mit dem Temperaturbeobachter berechnete mittlere IGBT-Temperatur dar. Die Kurve 94 stellt die mit dem neuen Verfahren ermittelte Amplitude der oberen Einhüllende der IGBT-Temperatur dar.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Schätzen eines Temperaturbeitrags eines zur Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, eingesetzten Wechselrichters mit den Schritten zum: Berechnen oszillierender Temperaturhübe von Komponenten des Wechselrichters; und Bestimmen, als geschätzten Temperaturbeitrag des Wechselrichters, einer oberen Einhüllenden (ΔT(ω), ΔTi(ω), (ΔTd(ω)) einer Amplitude einer Summe der berechneten oszillierenden Temperaturhübe.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Einhüllende bestimmt wird als eine maximale Amplitude der über eine, bevorzugt volle, elektrische Periode berechneten Amplituden der summierten berechneten oszillierenden Temperaturhübe.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierenden Temperaturhübe berechnet werden auf Grundlage einer berechneten mittelwertfreien oszillierenden Verlustleistung (Pv_i,osc, Pv_d,osc) und bevorzugt auf Grundlage einer über eine volle elektrische Periode berechneten mittleren Verlustleistung (Pv_i, Pv_d).
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierenden Temperaturhübe berechnet werden auf Grundlage einer vorgegebenen, insbesondere sinusförmigen, Signalform einer Stammfunktion von Harmonischen der mittelwertfreien oszillierenden Verlustleistung, und ferner bevorzugt auf Grundlage einer Fourier-Analyse berechnet werden.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierenden Temperaturhübe berechnet werden auf Grundlage von, bevorzugt für alle Phasen des Wechselrichters, vorgegebenen Übertragungsfunktionen, die thermische Kopplungen zwischen einer derselben Phase zugeordneten Komponenten des Wechselrichters beschreiben.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter insbesondere als IGBTs ausgebildete Komponenten eines ersten Schaltertyps und insbesondere als Dioden ausgebildete Komponenten eines zweiten Schaltertyps aufweist, und dass die oszillierenden Temperaturhübe für die Komponenten des ersten Schaltertyps und die oszillierenden Temperaturhübe für die Komponenten des zweiten Schaltertyps gemäß einer selben parametrisierten Berechnungsvorschrift aber mit für die zwei Schaltertypen unterschiedlichen Parameterwerten berechnet werden.
  7. Verfahren zum Schätzen einer Temperatur oder eines vollständigen Temperaturbeitrags eines zur Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, eingesetzten Wechselrichters, mit den Schritten zum: Bestimmen eines ersten Temperaturbeitrags (ΔT(ω), ΔTi(ω), (ΔTd(ω)) des Wechselrichters mittels Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche; Berechnen einer mittleren Verlustleistung (Pv_i, Pv_d) des Wechselrichters über eine, bevorzugt volle, elektrische Periode; Berechnen, bevorzugt durch einen Luenberg-Temperaturbeobachter (52), eines mittleren Temperaturbeitrags (Ti,mean, Td,mean) des Wechselrichters auf Grundlage der berechneten mittleren Verlustleistung (Pv_i, Pv_d); und Berechnen, als die geschätzte Temperatur (Ti,max, Td,max) oder den vollständigen Temperaturbeitrag des Wechselrichters, einer Summe des ersten Temperaturbeitrags (ΔT(ω), ΔTi(ω), (ΔTd(ω)) und des mittleren Temperaturbeitrags (Ti,mean, Td,mean).
  8. Vorrichtung (50) zum Schätzen eines Temperaturbeitrags eines zur Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, eingesetzten Wechselrichters, umfassend: eine Einrichtung zum Berechnen oszillierender Temperaturhübe von Komponenten des Wechselrichters; und eine Einrichtung zum Bestimmen, als geschätzten Temperaturbeitrag des Wechselrichters, einer oberen Einhüllenden einer Amplitude einer Summe der berechneten oszillierenden Temperaturhübe.
  9. Vorrichtung zum Schätzen einer Temperatur oder eines vollständigen Temperaturbeitrags eines zur Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, eingesetzten Wechselrichters, umfassend: eine Bestimmungseinrichtung (50) zum Bestimmen eines ersten Temperaturbeitrag mit einer Vorrichtung nach Anspruch 8; eine Berechnungseinrichtung (51, 52) zum Berechnen einer mittleren Verlustleistung (Pv_i, Pv_d) des Wechselrichters über eine, bevorzugt volle, elektrische Periode und zum Berechnen, bevorzugt durch einen Luenberg-Temperaturbeobachter, eines mittleren Temperaturbeitrags (Ti,mean, Td,mean) des Wechselrichters auf Grundlage der berechneten mittleren Verlustleistung (Pv_i, Pv_d); und eine Schätzeinrichtung (56) zum Berechnen, als die geschätzte Temperatur oder den vollständigen Temperaturbeitrag des Wechselrichters, einer Summe des ersten Temperaturbeitrags und des mittleren Temperaturbeitrags.
  10. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren oder die Vorrichtung in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, bei dem insbesondere ein elektrischer Antrieb ohne Drehzahlwandler mit den Fahrzeugrädern bzw. dem Abtrieb gekoppelt ist, verwendet wird und darin insbesondere für Eigenschutzzwecke einer das Elektrofahrzeug steuernden bzw. antreibenden Leistungselektronik für Fahrszenarien, wie bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten, einem Anfahren aus dem Stillstand und besonders einem Anfahren am Berg, eingesetzt wird.
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