DE102016009015A1 - Method for providing a derating function based on a temperature difference - Google Patents
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Abstract
Der temperaturbedingte Verschleiß von Komponenten eines Antriebsstranges (10) eines Kraftfahrzeugs soll reduziert werden. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstranges (10), der mehrere Komponenten, beispielsweise einen elektrischen Energiespeicher (12), einen Wechselrichter (14) und eine elektrische Maschine (30), umfasst. Dabei ermittelt eine Erfassungseinrichtung (44) eine Temperaturdifferenz (40) innerhalb der mehreren Komponenten. Durch eine Anpasseinrichtung (64) wird anschließend der Betriebszustand einer oder mehrerer Komponenten angepasst, sodass ein vorgegebener Differenz-Grenzwert (42) für die Temperaturdifferenz nicht überschritten wird.The temperature-related wear of components of a drive train (10) of a motor vehicle is to be reduced. The invention relates to a method for operating a drive train (10) which comprises a plurality of components, for example an electrical energy store (12), an inverter (14) and an electrical machine (30). In this case, a detection device (44) determines a temperature difference (40) within the plurality of components. By adjusting means (64), the operating state of one or more components is subsequently adjusted so that a predetermined difference limit value (42) for the temperature difference is not exceeded.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstranges für ein Kraftfahrzeug, wobei der Antriebstrang mehrere Komponenten aufweist, durch Ermitteln eines Betriebsparameters innerhalb der mehreren Komponenten und Anpassen des Betriebszustandes einer oder mehrerer der Komponenten, wenn der Betriebsparameter ein vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei der Antriebsstrang mehrere Komponenten aufweist, mit einer Erfassungseinrichtung zum Ermitteln eines Betriebsparameters innerhalb der mehreren Komponenten und einer Anpasseinrichtung zum Anpassen eines Betriebszustandes einer oder mehrerer der Komponenten, wenn der Betriebsparameter einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.The invention relates to a method for operating a drive train for a motor vehicle, wherein the drive train comprises a plurality of components by determining an operating parameter within the plurality of components and adjusting the operating state of one or more of the components when the operating parameter exceeds a predetermined threshold. In addition, the invention relates to a control device for a drive train of a motor vehicle, wherein the drive train comprises a plurality of components, with a detection device for determining an operating parameter within the plurality of components and an adjusting device for adjusting an operating state of one or more of the components, if the operating parameter has a predetermined limit exceeds.
Ein elektrischer Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, umfasst mehrere Komponenten, beispielsweise aber nicht beschränkt auf einen elektrischen Energiespeicher, einen Wechselrichter oder Inverter und eine elektrische Maschine. Der elektrische Energiespeicher kann aus einer oder mehreren Batteriezellen aufgebaut sein und als Hochvolt-Speicher, mit einer Spannung von über 60 V oder als Niedervoltspeicher mit einer Spannung von unter 60 V, ausgeführt sein. Der elektrische Energiespeicher versorgt über den Wechselrichter die elektrische Maschine mit elektrischer Energie. Der Wechselrichter, oft auch als Inverter bezeichnet, umfasst eine Schaltungsanordnung aus elektronischen Bauteilen, insbesondere Leistungsmodulen, beispielsweise IGBTs, MosFET und Dioden. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine permanent erregte Synchronmaschine sein. Der elektrische Energiespeicher versorgt die elektrische Maschine über den Wechselrichter mit elektrischer Energie.An electric drive train of a motor vehicle, for example an electric vehicle or hybrid vehicle, comprises a plurality of components, for example but not limited to an electrical energy store, an inverter or inverter and an electrical machine. The electrical energy storage device can be constructed from one or more battery cells and designed as a high-voltage storage, with a voltage of over 60 V or as low-voltage storage with a voltage of less than 60 V. The electrical energy storage device supplies the electrical machine with electrical energy via the inverter. The inverter, often referred to as inverter, comprises a circuit arrangement of electronic components, in particular power modules, such as IGBTs, MOSFETs and diodes. The electric machine may be, for example, a permanent-magnet synchronous machine. The electrical energy storage device supplies the electrical machine with electrical energy via the inverter.
Abhängig von der Höhe der durch den elektrischen Energiespeicher bereitgestellten Spannung und von der spezifikationsgemäßen Leistungsfähigkeit des Elektromotors, werden die einzelnen Komponenten und elektronischen Bauteile des Antriebsstranges dimensioniert und entwickelt. Ziel ist es, eine möglichst hohe Lebensdauer sowie einen möglichst niedrigen Verschleiß der Komponenten und einzelnen elektronischen Bauteile sicherzustellen. Auf der anderen Seite soll eine Überdimensionierung aus Kosten- und Gewichtsgründen vermieden werden.Depending on the amount of voltage provided by the electrical energy storage and the performance of the electric motor according to specifications, the individual components and electronic components of the drive train are dimensioned and developed. The aim is to ensure the longest possible service life and the lowest possible wear of components and individual electronic components. On the other hand, oversizing for cost and weight reasons should be avoided.
Jede Komponente und jedes elektronische Bauteil besitzt Betriebsparameter, mittels derer sich die zu erwartende Lebensdauer einer Komponenten und/oder eines elektronischen Bauteils prognostizieren lässt. Daher werden für die Betriebsparameter Grenzwerte definiert, unter deren Einhaltung sich, beispielsweise erfahrungsgemäß oder durch Simulation ermittelt, eine für einen Anwendungsfall ausreichende Lebensdauer ergibt.Each component and each electronic component has operating parameters by means of which the expected service life of a component and / or an electronic component can be predicted. Therefore, limit values are defined for the operating parameters, under the observance of which, for example, according to experience or determined by simulation, a sufficient life for an application results.
Beispielsweise ist aus der
Aus der
Durch ein Kühlsystem kann hohen Temperaturen entgegengewirkt werden. Ein solches Kühlsystem kann eine Komponente oder mehrere Komponenten beispielsweise mittels eines Kühlmediums, insbesondere Wasser oder Luft, kühlen. Dabei kann ein Wärmeübertrag von der Komponente auf das Kühlmedium erfolgen.A cooling system can be used to counteract high temperatures. Such a cooling system can cool one component or several components, for example by means of a cooling medium, in particular water or air. In this case, a heat transfer from the component to the cooling medium take place.
Wird ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug beschleunigt, so wird ein hohes Motormoment über die elektrische Maschine angefordert. Als Folge des Motormomentes steigt der elektrische Strom in der Leistungselektronik, insbesondere dem Wechselrichter, sehr stark an und erreicht in kurzer Zeit einen Maximalwert. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur im Halbleiter eines elektronischen Bauteils, beispielweise eines Leistungsmoduls sehr schnell ansteigen kann. Da eine direkte Messung der Temperatur des Halbleiters nur erschwert möglich ist, wird die Temperatur an einer Schaltungsanordnung, insbesondere einem Direct Copper Board (DCB), dem das Leistungsmodul zugeordnet ist, gemessen. Beispielsweise wird bei einer Temperatur an der Schaltungsanordnung von 80°C eine Reduzierung des durch den elektrischen Energiespeicher bereitgestellten elektrischen Stromes und/oder Leistung eingeleitet, es findet ein sogenanntes Derating statt. Tatsächlich könnte sich die Temperatur im Leistungsmodul aber bei beispielsweise 140°C befinden.If an electric vehicle or a hybrid vehicle is accelerated, a high engine torque is requested via the electric machine. As a result of the engine torque, the electric current in the power electronics, in particular the inverter, increases very strongly and reaches a maximum value in a short time. As a result, the temperature in the semiconductor of an electronic component, for example a power module, can rise very rapidly. Since a direct measurement of the temperature of the semiconductor is only possible with difficulty, the temperature is measured at a circuit arrangement, in particular a direct copper board (DCB), to which the power module is assigned. For example, at a temperature at the circuit of 80 ° C, a reduction of the electrical energy stored by the electrical energy storage and / or power is initiated, there is a so-called derating. In fact, the temperature in the power module could be at 140 ° C, for example.
Das Deratingmodell von Leistungsmodulen, insbesondere IGBTs, MosFETs oder Dioden, basiert oft auf einem Temperaturmodell, welches nur die Absoluttemperaturen der Leistungsmodule berücksichtigt. In das Berechnungsmodell für die Temperatur geht oftmals die an der Schaltungsanordnung, auch Aufbau- und Verbindungstechnik genannt, der Leistungsmodule gemessene Temperatur mit ein. Die Schaltungsanordnung kann beispielweise mittels eines Direct Copper Board beziehungsweise Direkt Bonded Copper realisiert sein. Die Temperatur der Schaltungsanordnung ist dabei nur eine Abschätzung, von der basierend auf einem Temperaturmodell auf die tatsächliche Temperatur im Halbleiter des Leistungsmoduls geschlossen wird.The derating model of power modules, in particular IGBTs, MOSFETs or diodes, is often based on a temperature model which takes into account only the absolute temperatures of the power modules. The calculation model for the temperature often includes the temperature measured at the circuit arrangement, also called setup and connection technology, of the power modules. The circuit arrangement can be realized for example by means of a direct copper board or direct bonded copper. The temperature of the circuit arrangement is only an estimate from which, based on a temperature model, the actual temperature in the semiconductor of the power module is concluded.
Der Stand der Technik besitzt den Nachteil, dass die Komponenten und einzelnen elektronischen Bauteile zwar vor der Überschreitung von Grenzwerten, beispielsweise Überschreitung eines Temperaturgrenzwertes, geschützt werden, aber nicht vor dem Auftreten hoher Temperaturspreizungen, beispielsweise innerhalb der Schaltungsanordnung oder dem Direct Copper Board, geschützt werden.The prior art has the disadvantage that the components and individual electronic components, although protected from exceeding limit values, for example exceeding a temperature limit, but not protected against the occurrence of high temperature spreads, for example within the circuit arrangement or the direct copper board ,
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Verschleiß der Komponenten eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs zu reduzieren und deren Lebensdauer zu verlängern.It is an object of the present invention to reduce the wear of the components of a drive train of a motor vehicle and to extend their life.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie durch einen Antriebsstrang gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst.This object is achieved by a method and by a drive train according to the respective independent claims.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Figur.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims and the figure.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben eines Antriebsstranges für ein Kraftfahrzeug. Der Antriebsstrang weist mehrere Komponenten auf, beispielsweise aber nicht beschränkt auf einen elektrischen Energiespeicher, einen Wechselrichter oder auch Inverter und eine elektrische Maschine. Der elektrische Energiespeicher versorgt die elektrische Maschine über den Wechselrichter mit elektrischer Energie. Ein Betriebsparameter wird innerhalb der mehreren Komponenten des Antriebsstranges ermittelt. Der Betriebszustand einer oder mehrerer der Komponenten, wird angepasst wenn der Betriebsparameter einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.An inventive method is used to operate a drive train for a motor vehicle. The drive train has a plurality of components, for example but not limited to an electrical energy storage, an inverter or inverter and an electric machine. The electrical energy storage device supplies the electrical machine with electrical energy via the inverter. An operating parameter is determined within the multiple components of the drive train. The operating state of one or more of the components is adjusted when the operating parameter exceeds a predetermined limit.
Um nun den Verschleiß an den mehreren Komponenten zu reduzieren und die Lebensdauer zu erhöhen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Temperaturdifferenz als Betriebsparameter innerhalb der mehreren Komponenten ermittelt wird. Wenn diese Temperaturdifferenz den vorgegeben Grenzwert beziehungsweise Differenz-Grenzwert überschreitet, wird der Betriebszustand einer oder mehr der mehreren Komponenten angepasst. Die eine Komponente, innerhalb derer beziehungsweise die Komponenten, zwischen welchen die Temperaturdifferenz gemessen wird, können zwar müssen aber nicht die Komponente oder die Komponenten sein, deren Betriebszustand angepasst wird. Mit anderen Worten bedeutet das, dass durch das Anpassen des Betriebszustandes einer oder mehrerer Komponenten, das Auftreten von schädlichen Temperaturdifferenzen innerhalb einer Komponente oder zwischen mehreren Komponenten vermieden wird. Dadurch können thermische Spannungen innerhalb einer oder zwischen mehreren Komponenten beschränkt werden und damit der Verschleiß reduziert werden.In order to reduce the wear on the plurality of components and to increase the service life, it is provided according to the invention that a temperature difference is determined as an operating parameter within the plurality of components. If this temperature difference exceeds the predetermined limit value or difference limit value, the operating state of one or more of the plurality of components is adjusted. The one component, within which or the components between which the temperature difference is measured, but may not be the component or the components whose operating state is adjusted. In other words, by adjusting the operating state of one or more components, it prevents the occurrence of harmful temperature differences within one component or between multiple components. As a result, thermal stresses can be limited within one or more components and thus the wear can be reduced.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Temperaturspreizung innerhalb einer Komponente ermittelt werden. Starre Verbindungen zwischen einzelnen Bauteilen unterschiedlicher oder gar gegensätzlicher Heizraten, beispielsweise innerhalb der Schaltungsanordnung des Wechselrichters, sind thermischen Spannungen gegenüber besonders empfindlich. Somit ist die Beschränkung von Temperaturdifferenzen hier besonders vorteilhaft.In one embodiment of the method according to the invention, a temperature spread within a component can be determined. Rigid connections between individual components of different or even opposing heating rates, for example within the circuit arrangement of the inverter, are particularly sensitive to thermal stresses. Thus, the limitation of temperature differences is particularly advantageous here.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Antriebsstrang ein Kühlsystem umfasst, das zumindest eine weitere der mehreren Komponenten kühlt. Hier können sich beim Kühlen von heißen Komponenten besonders hohe Temperaturgradienten ergeben. Deshalb ist es vorgesehen, dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlsystem und einer Weiteren der mehreren Komponenten, insbesondere der zu kühlenden Komponente, ermittelt wird. Dies kann beispielsweise geschehen, indem die Temperaturdifferenz zwischen der zu kühlenden weiteren Komponente und einem Wärmetauscher oder zwischen der zu kühlenden weiteren Komponente und einem Kühlmedium ermittelt wird.In a further embodiment, it is provided that the drive train comprises a cooling system which cools at least one further of the plurality of components. Here, the cooling of hot components can result in particularly high temperature gradients. Therefore, it is provided that a temperature difference between the cooling system and a further of the plurality of components, in particular the component to be cooled, is determined. This can be done, for example, by determining the temperature difference between the further component to be cooled and a heat exchanger or between the additional component to be cooled and a cooling medium.
In besonders vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren, eine Temperaturdifferenz innerhalb einer oder zwischen mehreren Komponenten zu bestimmen und zu begrenzen, mit einem Verfahren kombiniert werden, das die Absoluttemperatur mindestens einer der mehreren Komponenten ermittelt.In a particularly advantageous manner, the method according to the invention, for determining and limiting a temperature difference within or between a plurality of components, may be combined with a method which determines the absolute temperature of at least one of the plurality of components.
In diesem Fall kann der Absoluttemperatur der Komponenten ebenfalls ein vorgegebener Absolut-Grenzwert zugeordnet werden. Auch hier kann dann der Betriebszustand einer oder mehr der mehreren Komponenten derartig angepasst werden, dass dieser Absolut-Grenzwert nicht überschritten wird. Mit anderen Worten wird dann sowohl das Auftreten einer schädlichen Absoluttemperatur als auch die Auftreten einer schädlichen Temperaturdifferenz vermieden. Das heißt, sobald einer der beiden Temperaturwerte, die Absoluttemperatur oder die Temperaturdifferenz, den ihm zugeordneten Absolut-Grenzwert beziehungsweise Differenz-Grenzwert zu überschreitet, wird der Betriebszustand einer oder mehr der mehreren Komponenten angepasst. Die beiden Ereignisse „Überschreitung des Absolut-Grenzwert” und „Überschreitung des Differenz-Grenzwert” können beispielsweise logisch über ein Oder verknüpft sein. In dieser besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Antriebsstrang also sowohl vor erhöhtem Verschleiß durch zu hohe Temperaturdifferenzen und daraus resultierenden thermischen Spannungen als auch durch erhöhten Verschleiß durch zu hohe Absoluttemperaturen geschützt.In this case, the absolute temperature of the components can also be assigned a predetermined absolute limit value. Again, then, the operating state of one or more of the plurality of components can be adjusted such that this absolute limit is not exceeded. In other words, both the occurrence of a harmful absolute temperature and the occurrence of a harmful temperature difference is then avoided. This means that as soon as one of the two temperature values, the absolute temperature or the temperature difference, exceeds its assigned absolute limit value or difference limit value, the operating state of one or more of the several components is adjusted. The two events "Exceeding the absolute limit value" and "Exceeding the differential limit value" can be logically linked via an OR, for example. In this particularly advantageous embodiment of the invention, the drive train is therefore protected against increased wear due to excessive temperature differences and resulting thermal stresses as well as increased wear due to excessive absolute temperatures.
Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch eine Steuervorrichtung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei der Antriebsstrang mehrere Komponenten aufweist, mit einer Erfassungseinrichtung zum Ermitteln eines Betriebsparameters innerhalb der mehreren Komponenten und einer Anpasseinrichtung zum Anpassen eines Betriebszustandes einer oder mehrerer der Komponenten, wenn der Betriebsparameter einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wobei der Betriebsparameter eine Temperaturdifferenz innerhalb der mehreren Komponenten darstellt.In addition, the object is achieved by a control device for a drive train of a motor vehicle, wherein the drive train comprises a plurality of components, with a detection device for determining an operating parameter within the plurality of components and a fitting device for adjusting an operating state of one or more of the components, if the operating parameter exceeds predetermined limit, wherein the operating parameter represents a temperature difference within the plurality of components.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten, bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäße Steuervorrichtung.The preferred embodiments and their advantages presented with reference to the method according to the invention also apply correspondingly to the control device according to the invention.
Es zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang.The single FIGURE shows a schematic representation of an embodiment of the method according to the invention with a drive train according to the invention.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängige 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.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiment, however, the described components of the embodiment each represent individual, independent features of the invention to be considered, which further develop the invention independently of each other and thus individually or in a different than the combination shown as part of the invention. Furthermore, the described embodiment can also be supplemented by further features of the invention already described.
Die Figur zeigt einen Antriebstrang
Der Wechselrichter
Die beiden Signale
Um den thermischen Schutz des Antriebsstranges
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird beispielsweise ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, mit einem Antriebsstrang
Diese Temperaturspreizung kann im Ausführungsbeispiel durch die Erfassungseinrichtung
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung für den Antriebsstrang
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Antriebsstrangpowertrain
- 1212
- elektrischer Energiespeicherelectrical energy storage
- 1414
- Wechselrichterinverter
- 1616
- Schaltungsanordnungcircuitry
- 1818
- Leistungsmodulpower module
- 3030
- elektrische Maschineelectric machine
- 3232
- Kühlsystemcooling system
- 4040
- Temperaturdifferenztemperature difference
- 4242
- Differenz-GrenzwertDifference threshold
- 4444
- Erfassungseinrichtung für TemperaturdifferenzDetecting device for temperature difference
- 4646
- periodische Erfassungperiodic recording
- 4848
- Signal der Differenz-Grenzwert-ÜberschreitungSignal of the difference limit value violation
- 5050
- Absoluttemperaturabsolute temperature
- 5252
- Absolut-GrenzwertAbsolute limit
- 5454
- Erfassungseinrichtung für AbsoluttemperaturAbsolute temperature detection device
- 5656
- periodische Erfassungperiodic recording
- 5858
- Signal der Absolut-Grenzwert-ÜberschreitungSignal of absolute limit value violation
- 6060
- Oder-GatterOR gate
- 6262
- Signal für AnpasseinrichtungSignal for adjustment device
- 6464
- Anpasseinrichtungmatching device
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102014007311 A1 [0005] DE 102014007311 A1 [0005]
- US 2013/0076327 [0006] US 2013/0076327 [0006]
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2016
- 2016-07-23 DE DE102016009015.4A patent/DE102016009015A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R230 | Request for early publication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |