DE102016100861B4

DE102016100861B4 - Steuerung des Herabsetzens der Leistung eines Gleichrichter/Wechselrichter-Moduls

Info

Publication number: DE102016100861B4
Application number: DE102016100861.3A
Authority: DE
Inventors: Syed MD Jaffrey Al Kadry; Mohammad N. Anwar; MD Nayeem Arafat
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2023-06-01
Anticipated expiration: 2036-01-21
Also published as: DE102016100861A1; US20160226421A1; CN105846752A; CN105846752B; US9444389B2

Abstract

System, das umfasst:einen Gleichstrom-Batteriestapel (DC-Batteriestapel) (24);eine mehrphasige elektrische Maschine (20);ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM) (22), das mit dem DC-Batteriestapel (24) und mit der mehrphasigen elektrischen Maschine (20) elektrisch verbunden ist, wobei das PIM (22) eine Vielzahl von Halbleiterschaltern (21) enthält;einen Umrichterkühlmittelkreis (19I), der betrieben werden kann, um das PIM (22) mithilfe einer Zirkulation von Kühlmittel (CI) zu kühlen;einen ersten Temperatursensor (ST), der ausgestaltet ist, um eine Temperatur (Tc) des Kühlmittels in dem Umrichterkühlmittelkreis (19I) zu messen;einen zweiten Temperatursensor (ST), der ausgestaltet ist, um eine Temperatur (Ts) des PIM (22) zu messen; undeinen Controller (50) in Verbindung mit dem PIM (22), der betrieben werden kann, um die Leistung des PIM (22) selektiv herabzusetzen und dadurch ein befohlenes Drehmoment an die elektrische Maschine (20) zu reduzieren, wobei der Controller (50) programmiert ist, um:die Temperatur (TC) des Kühlmittels von dem ersten Temperatursensor (ST) und die Temperatur (TS) des PIM (22) von dem zweiten Temperatursensor (ST) zu empfangen;einen Satz von elektrischen Werten des Systems zu ermitteln;eine Sperrschichttemperatur (θj) der Halbleiterschalter (21) unter Verwendung der Temperatur (TC) des Kühlmittels, der Temperatur (TS) des PIM (22) und des Satzes von elektrischen Werten zu schätzen; unddie Leistung des PIM (22) unter Verwendung der geschätzten Sperrschichttemperatur (θj) selektiv herabzusetzen, wenn die Temperatur (Ts) des PIM (22) eine kalibrierte Maximaltemperatur (TCAL) überschreitet, indem ein Drehmomentbefehl an die und ein verfügbares Drehmoment von der mehrphasigen elektrischen Maschine (20) begrenzt werden;wobei der Controller (50) mit einem kalibrierten Kühlmitteltemperatur-Einstellpunkt (CAL1) und mit einer Kurve der Spannung (VBR) über der Kühlmitteltemperatur (Tc) programmiert ist, und betrieben werden kann, um eine an die Schalter (21) angelegte Spannung zu begrenzen, wenn die gemessene Kühlmitteltemperatur (Tc) den kalibrierten Kühlmitteltemperatur-Einstellpunkt (CAL1) überschreitet und eine gegenwärtige an die elektrische Maschine (20) angelegte Spannung mit Bezug auf die Kurve hoch ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Steuerung des Herabsetzens der Leistung eines Gleichrichter/Wechselrichter-Moduls.
HINTERGRUND
Ein Antriebsstrang eines Hybridelektrofahrzeugs oder eines Batterieelektrofahrzeugs enthält typischerweise eine oder mehrere elektrische Hochspannungsmaschinen, d.h. Motor/Generator-Einheiten oder elektrische Antriebsmotoren. Jede elektrische Maschine entnimmt elektrische Leistung aus einem wiederaufladbaren Gleichstrom-Batteriestapel (DC-Batteriestapel). Die mit Energie versorgten elektrischen Maschinen liefern Motordrehmoment bis hin zu einem insgesamt verfügbaren Drehmoment, das durch einen Controller bestimmt wird, an verschiedene Zahnradsätze eines Getriebes. In einigen Entwürfen kann ein Aufwärtswandler verwendet werden, um die Batterieausgabespannung auf Niveau zu erhöhen, das zur Verwendung durch die elektrischen Maschinen geeignet ist.
Gleichrichter/Wechselrichter-Module oder PIMs enthalten Halbleiterschalter, etwa IGBTs oder MOSFETs, die typischerweise mithilfe von Pulsbreitenmodulationstechniken (PWM-Techniken) gesteuert werden. Die Arbeitsweise des PIM wandelt letztendlich die erhöhte DC-Batterieausgabespannung in eine Wechselstrom-Ausgabespannung (AC-Ausgabespannung) um. Die AC-Ausgabespannung wird dann an individuelle Phasenwicklungen der elektrischen Maschinen angelegt. Die mit Energie versorgten elektrischen Maschinen erzeugen das Motordrehmoment, welches in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus das Fahrzeug antreibt oder den Batteriestapel wieder auflädt. Bei längeren PWM-Schaltoperationen können die Halbleiterschalter in dem PIM heiß werden. Daher wird ein Prozess, der als Leistungsherabsetzung bekannt ist, verwendet, um die Leistungsausgabe aus dem PIM zu verringern und dadurch zum Schutz der Halbleiterschalter vor Überhitzung beizutragen.
Die Druckschrift US 5 923 135 A offenbart eine Steuervorrichtung und ein Verfahren zum Verhindern, dass eine Motorantriebsschaltung überlastet wird, bei denen eine Temperatur, die mit einer Sperrschichttemperatur eines Halbleiterschalters eines Wechselrichters korreliert, erfasst wird und daraus die Sperrschichttemperatur geschätzt wird. Wenn die geschätzte Sperrschichttemperatur einen Grenzwert überschreitet, wird eine Ausgabe an die Motorantriebsschaltung so angepasst, dass die geschätzte Sperrschichttemperatur den Grenzwert nicht überschreitet.
In der Druckschrift US 6 114 828 A sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verhindern einer Überlastung von Halbleiterschaltern in einem Wechselrichter offenbart, bei denen ein Begrenzungsdrehmoment eines Elektromotors als Funktion eines Maximalwerts von geschätzten Sperrschichttemperaturen der Halbleiterschalter bestimmt wird und ein Ausgabedrehmoment des Motors berechnet wird.
Die Druckschrift US 2009 / 0 051 307 A1 offenbart ein System zur Erfassung einer übermäßigen Temperatur eines Wechselrichters für einen Elektromotor, bei dem eine Gleichspannung am Eingang des Wechselrichters, ein vom Wechselrichter ausgegebener Wechselstrom und eine Temperatur eines Halbleiterschalters des Wechselrichters erfasst werden. Durch Schaltvorgänge der Halbleiterschalter erzeugte Verluste werden sequenziell berechnet, und wenn eine Sperrschichttemperatur, die durch diese Verluste berechnet wird, eine bestimmte Temperatur erreicht, wird eine übermäßige Temperatur erfasst.
In der Druckschrift DE 10 2008 046 245 A1 ist eine Temperaturverwaltung eines Wechselrichtermoduls offenbart, die ein Verfahren zum Begrenzen einer Betriebstemperatur eines Motors bereitstellt. Dabei wird ein maximal zulässiger Strom für den Motor basierend auf einer Temperaturdifferenz zwischen einer Temperaturreferenz des Wechselrichtermoduls und einer Halbleiterschaltertemperatur des Wechselrichters erzeugt. Basierend auf dem maximal zulässigen Strom und einem maximal zulässigen Fluss wird ein maximal zulässiges Drehmoment erzeugt und verwendet, um einen Drehmomentbefehl so zu begrenzen, dass die Halbleiterschaltertemperatur unter der Temperaturreferenz liegt.
Die Druckschrift JP 2003- 9 541 A offenbart das genaue Bestimmen der Lebensdauer eines Halbleiterschalters in einem Fahrzeug-Wechselrichter, wobei der Halbleiterschalter so angesteuert wird, dass er vor einem Fahrvorgang Strom mit einem bestimmten Wert für eine bestimmte Zeitspanne an einen Elektromotor liefert, sodass ein Wert des Temperaturwiderstands des Halbleiterschalters berechnet werden kann. Daraus wird die Lebensdauer des Halbleiterschalters abgeleitet.
In der Druckschrift US 2014 / 0 104 902 A1 ist ein Verfahren für den Betrieb eines Wechselrichters offenbart, bei dem Temperaturen jedes Phasenschenkels des Wechselrichters erfasst werden. Aus jeder erfassten Temperatur wird ein Temperaturgradient bestimmt, eine Differenz zwischen den bestimmten Temperaturgradienten und einem geschätzten Gradientenwert wird berechnet, und wenn diese Differenz einen Schwellenwert überschreitet, wird ein Fehler im Wechselrichter erkannt.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird hier ein System offenbart, das einen Gleichstrom-Batteriestapel (DC-Batteriestapel), erste und zweite Temperatursensoren, mindestens eine mehrphasige elektrische Maschine, ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM), das mit dem Batteriestapel und mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist, und einen Umrichterkühlmittelkreis enthält. Das PIM enthält eine Vielzahl von Halbleiterschaltern, d.h. zwei oder mehr Schalter. Ein Controller des Systems steht in Verbindung mit dem PIM und er ist programmiert, um die Leistung des PIM selektiv herabzusetzen und dadurch ein befohlenes Drehmoment für die elektrische(n) Maschine(n) zu verringern. Der Controller ist programmiert, um eine Temperatur des Kühlmittels in dem Umrichterkühlmittelkreis von dem ersten Temperatursensor und eine Temperatur des PIM von dem zweiten Temperatursensor zu empfangen, und um einen Satz von elektrischen Werten der elektrischen Maschine(n) zu ermitteln. Außerdem ist der Controller programmiert, um unter Verwendung der Temperatur des Kühlmittels, der Temperatur des PIM und des Satzes von elektrischen Werten eine Sperrschichttemperatur der Halbleiterschalter zu schätzen. Unter Verwendung der geschätzten Sperrschichttemperatur setzt der Controller selektiv die Leistung des PIM herab, wenn die Temperatur des PIM eine kalibrierte Maximaltemperatur überschreitet.
Der Controller kann programmiert sein, um die Leistung des PIM herabzusetzen, indem er einen elektrischen Phasenstrom reduziert, der an die elektrische(n) Maschine(n) geliefert wird. Bei anderen Gelegenheiten kann der Controller die Leistung des PIM herabsetzen, indem er das Verfahren zur Leistungsherabsetzung verändert, beispielsweise durch Wechsel zwischen DPWM- und SVPWM-Schaltverfahren und/oder durch Reduzieren der Frequenz des Schaltens.
Der Satz von elektrischen Werten kann individuelle elektrische Phasenströme der elektrischen Maschine(n) enthalten. In einer derartigen Ausführungsform kann der Controller einen entsprechenden Wert einer kalibrierten Anzahl von elektrischen Phasenströmen in einem Speicher des Controllers aufzeichnen, um einen kumulierten Phasenstrom zu erzeugen, d.h. einen Phasenstromverlauf, und um die Leistung des PIM selektiv herabzusetzen, wenn sowohl der kumulierte Phasenstrom als auch der augenblickliche Phasenstrom entsprechende Schwellenwerte überschreiten.
In einer optionalen Ausführungsform kann der Satz von elektrischen Werten einen Leistungsverlust und eine thermische Impedanz der Halbleiterschalter umfassen.
Der Controller kann programmiert sein, um einen numerischen Gebrauchsfaktor zu berechnen, der ein Alter der Halbleiterschalter anzeigt, und um die kalibrierte Maximaltemperatur der Halbleiterschalter unter Verwendung des berechneten numerischen Gebrauchsfaktors zu reduzieren. Wenn das System ein Fahrzeug ist, kann ein Lesewert des Kilometerzählers des Fahrzeugs verwendet werden, um den numerischen Gebrauchsfaktor zu berechnen.
Der Controller ist erfindungsgemäß mit einem kalibrierten Kühlmitteltemperatur-Einstellpunkt und mit einer Kurve oder einer tabellarischen Beziehung von Spannung über Kühlmitteltemperatur programmiert. Erfindungsgemäß kann der Controller eine an die Halbleiterschalter angelegte Spannung begrenzen, wenn die gemessene Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels in dem Umrichterkühlmittelkreis den kalibrierten Kühlmitteltemperatur-Einstellpunkt überschreitet und eine gegenwärtige an die elektrische(n) Maschine(n) angelegte Spannung, mit Bezug auf die Kurve hoch ist.
Der Controller kann programmiert sein, um einen Trend bei der Änderung der Kühlmitteltemperatur, d.h. eine Rate bzw. Geschwindigkeit und eine Richtung der Änderung über die Zeit mit Bezug auf die Phasenströme zu überwachen, und um unter Verwendung des Trends einen potentiellen Kühlmittelverlust zu detektieren.
Es wird hier auch ein Verfahren offenbart, um die Leistung eines PIM in einem System herabzusetzen, welches das PIM, ein DC-Batteriemodul, einen Umrichterkühlmittelkreis und eine oder mehrere mehrphasige elektrische Maschinen aufweist. In einer speziellen Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass mithilfe eines Controllers eine Temperatur eines Kühlmittels des Umrichterkühlmittelkreises von einem ersten Temperatursensor und eine Temperatur des PIM von einem zweiten Temperatursensor empfangen werden und dass dann ein Satz von elektrischen Werten der elektrischen Maschine(n) ermittelt wird. Das Verfahren umfasst außerdem, dass eine Sperrschichttemperatur einer Vielzahl von Halbleiterschaltern des PIM unter Verwendung der Temperatur des Kühlmittels, der Temperatur des PIM und des Satzes von elektrischen Werten geschätzt wird. Zudem umfasst das Verfahren, dass mithilfe des Controllers unter Verwendung der geschätzten Sperrschichttemperatur die Leistung des PIM selektiv herabgesetzt wird, wenn die Temperatur des PIM eine kalibrierte Maximaltemperatur überschreitet, um dadurch ein befohlenes Drehmoment an die elektrische(n) Maschine(n) zu verringern.
Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM) und mit einem Controller, der mit einer hier offengelegten Steuerungslogik zur Leistungsherabsetzung programmiert ist.
2 ist eine graphische Aufzeichnung, welche die Arbeitsweise der vorliegenden Strategie zur Leistungsherabsetzung allgemein beschreibt, wobei das verfügbare Motordrehmoment auf der vertikalen Ache dargestellt ist und eine gemessene PIM-Temperatur auf der horizontalen Achse dargestellt ist.
3A ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren für einen Betrieb mit Leistungsherabsetzung des PIM von 1 in einer ersten Ausführungsform beschreibt.
3B ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren für einen Betrieb mit Leistungsherabsetzung des PIM von 1 in einer zweiten Ausführungsform beschreibt.
4 ist eine graphische Aufzeichnung, welche die Arbeitsweise der vorliegenden Strategie zur Leistungsherabsetzung beschreibt, wobei eine Sperrspannung auf der vertikalen Achse dargestellt ist und die Kühlmitteltemperatur auf der horizontalen Ache dargestellt ist.
5 ist eine graphische Aufzeichnung, welche die Arbeitsweise der vorliegenden Strategie zur Leistungsherabsetzung beschreibt, wobei das verfügbare Drehmoment auf der vertikalen Achse dargestellt ist und die Sperrschichttemperatur auf der horizontalen Achse dargestellt ist.
6 ist eine graphische Aufzeichnung, die die Arbeitsweise der vorliegenden Strategie zur Leistungsherabsetzung beschreibt, wobei eine sich verändernde Sperrschichttemperatur auf der vertikalen Achse dargestellt ist und der Phasenstrom auf der horizontalen Achse dargestellt ist.
7 ist eine graphische Aufzeichnung, die den Leistungsverlust auf der vertikalen Achse und eine Motordrehzahl auf der horizontalen Achse darstellt.

GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten in den mehreren Ansichten bezeichnen, ist in 1 ein schematisches beispielhaftes Fahrzeug 10 gezeigt, das ein Getriebe (T) 14 mit einem Eingabeelement 15 und mit einem Ausgabeelement 17 aufweist. Wenn das Fahrzeug 10 als Hybridelektrofahrzeug konfiguriert ist, kann es optional eine Brennkraftmaschine (E) 12 enthalten, wobei die Kraftmaschine 12 mit dem Getriebe 14 über eine Kurbelwelle 13 verbunden ist. Alternativ kann das Fahrzeug 10 ein Batterieelektrofahrzeug sein, das auf die Verwendung der Kraftmaschine 12 verzichtet.
Das Getriebe 14 enthält mindestens eine mehrphasige elektrische Maschine (M) 20 in der Form eines elektrischen Antriebsmotors oder einer Motor/Generator-Einheit oder es ist damit verbunden. Zwar ist zur Vereinfachung der Veranschaulichung in 1 nur eine elektrische Maschine 20 schematisch gezeigt, jedoch können zwei oder mehr elektrische Maschinen 20 verwendet werden. Alle hier beschriebenen Steuerungsschritte können in anderen Ausführungsformen auf die Steuerung von mehreren elektrischen Maschinen 20 erweitert werden, wie der Fachmann versteht.
Die elektrische Maschine 20 dreht sich mit einer Motordrehzahl (Pfeil N_M). Analog dreht sich die optionale Kraftmaschine 12 mit einer Kraftmaschinendrehzahl (Pfeil N_E), und sie kann über eine Betätigung einer Eingangskupplung CI, beispielsweise einer Scheibenkupplung oder einer Anordnung aus Kupplung und Dämpfer, mit dem Eingabeelement 15 selektiv verbunden und davon getrennt werden. Folglich empfängt das Getriebe 14 ein Eingabedrehmoment (Pfeil T_I) von der Kraftmaschine 12 und/oder von der elektrischen Maschine 20 und es überträgt Ausgabedrehmoment (Pfeil T_O) an das Ausgabeelement 17. Das Ausgabeelement 17 schließlich liefert das Ausgabedrehmoment (Pfeil T_O) an eine Antriebsachse 16 und an einen Satz von Antriebsrädern 18.
Jede elektrische Maschine 20 wird über einen Gleichstrom-Batteriestapel (DC-Batteriestapel) (B) 24 und eine (nicht gezeigte) zugehörige Leistungselektronik mithilfe eines Gleichrichter/Wechselrichter-Moduls (PIM) 22 mit Leistung versorgt. Ein Batteriekühlmittelkreis 19B, der in 1 schematisch gezeigt ist, kann verwendet werden, um ein Kühlmittel (Pfeil C_B) an den Batteriestapel 24 zirkulieren zu lassen. Analog kann ein Umrichterkühlmittelkreis 19_I verwendet werden, um Kühlmittel (Pfeil C_I) an das PIM 22 und an eine beliebige zugehörige Leistungselektronik zirkulieren zu lassen. Eine (nicht gezeigte) Pumpe des Leistungselektronik-Kühlmittelkreises (eine PECL-Pumpe) treibt das Kühlmittel in dem Umrichterkühlmittelkreis 19_I an, wobei der Controller 50 in der beispielhaften Ausführungsform von 1 beide Kühlmittelkreise 19B und 191 steuert.
Der Batteriestapel 24 ist über einen DC-Bus 25 mit dem PIM 22 elektrisch verbunden. Das PIM 22 wiederum ist mit der elektrischen Maschine 20 über einen Wechselstrombus (AC-Bus) 27 elektrisch verbunden. Das PIM 22 kann betrieben werden, um mithilfe des Betriebs eines Satzes von Halbleiterschaltern 21 eine DC-Spannung von dem Batteriestapel 24 in eine AC-Ausgabe umzuwandeln, die geeignet ist, um die elektrische Maschine 20 oder mehrere derartige Maschinen mit Leistung zu versorgen. Halbleiterschalttechniken, etwa eine Impulsbreitenmodulation (PWM), und zugehörige IGBT-, MOSFET- oder Thyristor-Halbleiterschalter sind in der Technik gut bekannt, und daher wird zur Einfachheit der Darstellung eine detaillierte Beschreibung von PWM-Schalttechniken und der diesen zugrunde liegenden Halbleiterstruktur weggelassen.
Das Fahrzeug 10 von 1 enthält außerdem einen Controller (C) 50, der programmiert und mit einer zugehörigen Hardware geeignet konfiguriert ist, um den Betrieb des PIM 22 zu steuern. Im Speziellen verringert der Controller 50 die Leistung, die von dem PIM 22 ausgegeben wird, oder setzt diese auf eine Weise herab, die von elektrischen Bedingungen an Bord des Fahrzeugs 10 abhängt, wie nachstehend offengelegt wird. Das Herabsetzen von Leistung begrenzt temporär einen Drehmomentbefehl an die und/oder ein verfügbares Ausgabedrehmoment aus der elektrischen Maschine 20, indem beispielsweise eine Spannung, ein Strom, ein PWM- oder ein anderes Schaltverfahren und/oder eine Schaltfrequenz des PIM 22 verringert werden, um dadurch eine tatsächliche Sperrschichttemperatur der Halleiterschalter 21 des PIM 22 zu verringern. Dieses Ziel kann in Übereinstimmung mit Verfahren 100 oder 200 erreicht werden, wie nachstehend mit Bezug auf 2-7 offengelegt wird.
Der Controller 50 von 1 überträgt Steuerungssignale (Pfeil 11) an das PIM 22 und er empfängt im Verfahren 100 eine von einem Temperatursensor S_T, der in dem PIM 22 positioniert ist, beispielsweise von einem Thermistor oder einem anderen geeigneten Temperatursensor, gemessene Temperatur (T_S). Außerdem empfängt der Controller 50 eine Kühlmitteltemperatur (Tc) von einem weiteren derartigen Sensor S_T, der in dem Umrichterkühlmittelkreis 191 positioniert ist und betrieben werden kann, um die Temperatur eines Kühlmittels zu messen, das in dem Umrichterkühlmittelkreis 19_I fließt, und er kann auch von Phasenstromsensoren S_I gemessene Phasenstromwerte (I_PH) empfangen. Alternativ kann zur Reduzierung der Anzahl der Sensoren der Phasenstrom (I_PH) jeder elektrischen Phase berechnet werden, d.h.: $I_{P H} = \sqrt{I_{d}^{2} + I_{q}^{2}}$
wobei I_d und I_q die vom Controller bereitgestellten d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehle für die elektrische Maschine 20 sind, wie in der Technik gut bekannt ist.
Der Controller 50, der mit der elektrischen Maschine 20 und mit dem PIM 22 in Verbindung steht, enthält einen Prozessor P und einen Speicher M. Der Speicher M enthält konkreten, nicht vorübergehenden Speicher, z.B. Festwertspeicher, unabhängig davon, ob er optisch, magnetisch, ein Flash-Speicher oder etwas anderes ist. Außerdem enthält der Controller 50 ausreichende Mengen an Speicher mit wahlfreiem Zugriff, elektrisch löschbarem, programmierbarem Festwertspeicher und dergleichen sowie einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, Analog/Digital- und Digital/Analog-Schaltungen und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen.
Herkömmliche Techniken zur Leistungsherabsetzung vergleichen eine empfangene gemessene PIM-Temperatur mit der Temperatur Ts, welche als Approximation der Temperatur der Halbleiterschalter dient, die in diesem PIM verwendet wird, d.h. eine Sperrschichttemperatur (θ_j). Die empfangene Temperatur Ts wird mit einer kalibrierten Schwellenwert-Maximaltemperatur, beispielsweise 150°C verglichen, und auf der Grundlage der Ergebnisse dieses Vergleichs wird ein Entschluss zur Leistungsherabsetzung getroffen. Die vorliegende Steuerungsmethodik weicht von dieser Vereinbarung ab, da es hier erkannt wurde, dass es schwierig sein kann, die Sperrschichttemperatur eines Schalters in Echtzeit genau zu ermitteln. In dem in 1 gezeigten Fahrzeug 10 beispielsweise können Thermistoren oder andere Sensoren, die zum Messen von Sperrschichttemperatur verwendet werden, nicht genau an der tatsächlichen schaltenden Sperrschicht der Schalter 21 platziert werden. Darüber hinaus weisen diese Sensoren eine relativ langsame dynamische Reaktion auf. Daher beginnt die vorliegende Herangehensweise mit der Erkenntnis, dass eine gemessene Sperrschichttemperatur, z.B. Ts, verzögert ist und daher keine tatsächliche oder genaue Anzeige der Sperrschichttemperatur zu einem beliebigen gegebenen Moment ist.
Um die Verwendung beliebiger abgesetzt angeordneter Thermistoren und deren relativ langsame dynamische Reaktion zu berücksichtigen, kann die kalibrierte Maximaltemperatur abgesenkt werden, um eine festgelegte Fehlertoleranz einzuprägen. Ein Ergebnis einer derartigen Herangehensweise kann sein, das der Betrieb des PIM 22 und damit die Drehmomentausgabe der elektrischen Maschine 20 lange vor dem Zeitpunkt begrenzt wird, an dem die schaltende Sperrschicht der Halbleiterschalter 21 zu heiß wird. Das vorliegende Verfahren 100 und das alternative Verfahren 200, die nachstehend beschrieben sind, sollen zur Lösung dieses speziellen Steuerungsproblems beitragen. Im Fall des Verfahrens 200 kann der Sensor S_T weggelassen sein, da die Sperrschichttemperatur nur mithilfe von Berechnungen geschätzt wird, oder der Sensor S_T kann zur Verwendung beim Detektieren möglicher Kühlmittelfehler beibehalten werden, wie nachstehend mit Bezug auf 3B erläutert wird.
Mit Bezug auf die Verläufe 30 von 2, welche ein von der elektrischen Maschine 20 verfügbares Motordrehmoment (τ_A) auf der vertikalen Achse und die gemessene Temperatur (Ts) auf der horizontalen Achse darstellen, sind die Auswirkungen der verschiedenen Herangehensweisen zur Leistungsherabsetzung, die vorstehend allgemein beschrieben sind, als Verläufe 34 und 36 von 2 gezeigt. Die Verläufe 34 und 36 stellen jeweils herkömmliche und Herangehensweisen „mit übermäßigem Schutz“ zur Leistungsherabsetzung dar. Der Verlauf 34 stellt die Herabsetzung von Leistung der Ausgabe des PIM 22 von 1 auf lineare Weise dar, bevor eine kalibrierte Maximaltemperatur (T_CAL) erreicht wird. Der Verlauf 36 veranschaulicht eine zusätzliche Fehlertoleranz, wobei der Verlauf 36 mit einer ersten Rate schnell abfällt und sich dann mit einer langsameren zweiten Rate der Null nähert. Im Gegensatz dazu sind die Auswirkungen der vorliegenden Verfahren 100 und 200 als ein Verlauf 32 dargestellt. Wie nachstehend erläutert wird, kann die Schätzung oder die Berechnung der Sperrschichttemperatur der Halbleiterschalter 21 beispielsweise auf einem Phasenstrom und einer Kühlmitteltemperatur (Tc) beruhen. Eine Zone 35 veranschaulicht das verfügbare Motordrehmoment (τ_A), das durch die Verfahren 100 und 200 freigesetzt wird, wodurch ein größerer möglicher Betriebsbereich ermöglicht wird.
Mit Bezug auf 3A ist eine erste beispielhafte Ausführungsform für das Verfahren 100 dargestellt, bei dem eine Sperrschichttemperatur (θ_j) der in 1 gezeigten Halbleiterschalter 21 indirekt geschätzt oder vorhergesagt wird. Im Verfahren 100 werden Phasenstromwerte sowohl hinsichtlich des augenblicklichen Phasenstroms (I_PH) als auch hinsichtlich eines akkumulierten Phasenstroms (I_PH*), d.h. eines aktuellen Verlaufs von Phasenströmen, berücksichtigt. Mit Bezug auf den Phasenstromverlauf kann der Controller 50 eine kalibrierte Anzahl von Phasenströmen (I_PH) in seinem Speicher (M) über einen gegebenen Fahrzyklus des Fahrzeugs 10 von 1 hinweg aufzeichnen, etwa in einem Ringpuffer oder in einer Matrix, wobei der älteste aufgezeichnete Wert durch den aktuellsten aufgenommenen Wert überschrieben wird. Ein diskreter Phasenstrommesswert kann bei jedem Gateimpuls der Schalter 21 aufgezeichnet werden. Wie in der Technik bekannt ist, können die Phasenstromsensoren (S_I) von 1 verwendet werden, um zwei der drei Phasenströme (I_PH) für eine typische AC- oder mehrphasige elektrische Maschine zu messen, wobei der dritte Phasenstrom unter Verwendung der zwei bekannten Phasenströme berechnet wird, oder die Phasenströme können wie vorstehend erwähnt aus den d-Achsen- und q-Achsen-Strömen berechnet werden.
Bei einem optionalen Schritt 101 wird die von dem Fahrzeug 10 zurückgelegte kumulierte Distanz in den Speicher M des Controllers 50 eingelesen. Beispielsweise kann der Controller 50 den gegenwärtigen Wert eines Kilometerzählers (KMZ) in den Speicher M einlesen. Der optionale Schritt 101 geht dann zu dem optionalen Schritt 103 weiter.
Bei Schritt 102 ermittelt der Controller 50 von 1 die Werte für den Phasenstrom (I_PH), für einen kumulierten Phasenstrom (I_PH*) über eine vorgesehene Anzahl von Abtastwerten innerhalb eines gegebenen Fahrzyklus oder einer Reihe aktueller Fahrzyklen, für die gemessene Thermistor-Temperatur (T_S) und für die Kühlmitteltemperatur (T_C) von Kühlmittel, das in dem Umrichterkühlmittelkreis 191 zirkulieren gelassen wird, und er zeichnet diese Werte dann temporär im Speicher (M) auf. Diese Informationen werden dann bei den Schritten 104, 118 und 120 verwendet, wobei das Verfahren 100 zu Schritt 104 weitergeht.
Bei dem optionalen Schritt 103 kann der Controller 50 einen numerischen Gebrauchsfaktor (UF) berechnen. Wenn die Halbleiterschalter 21 neu sind, weisen sie eine niedrigere thermische Impedanz auf. Wenn die Halbleiterschalter 21 altern, führt jegliche Verschlechterung der Halbleiterschalter 21 über die Zeit zu einer höheren thermischen Impedanz und folglich zu höheren Temperaturen. Schritt 103 kann umfassen, dass der Kilometerzähler-Lesewert als Stellvertreter für das Alter der Halbleiterschalter 21 verwendet wird, welcher bei Schritt 104 angewendet werden kann. Ein derartiger Gebrauchsfaktor kann in einer möglichen Ausführungsform mathematisch dargestellt werden als: $UF = 1 + \frac{K I L O M E T E R Z \ddot{A} H L E R}{Z I E L L E B E N S D A U E R} \cdot DF$
Wobei DF einen kalibrierten numerischen Verschlechterungsfaktor repräsentiert, beispielsweise 0,06, und die Ziellebensdauer der Halbleiterschalter 21 von 1 ein kalibrierter Wert ist. Nachdem der Gebrauchsfaktor berechnet wurde, geht das Verfahren 100 zu Schritt 104 weiter.
Bei Schritt 104 stellt der Controller 50 fest, ob die innerhalb des PIM 22 von 1 gemessene Temperatur (T_S) von einen ersten Kalibrierungswert (CAL₁) überschreitet, d.h. einen vorbestimmten Maximaltemperaturwert, etwa 150°C. Wenn der optionale Schritt 103 verwendet wird, kann Schritt 104 umfassen, dass der berechnete Gebrauchsfaktor (UF) von Schritt 103 auf den ersten Kalibrierungswert (CAL₁) angewendet wird, beispielsweise $\frac{C A L_{1}}{U F},$
um die kalibrierte Maximaltemperatur auf die Alterung zu justieren.
Als eine weitere beispielhafte Herangehensweise für das zeitlich justierte Altern der Halbleiterschalter 21 von 1 kann der erste Kalibrierungswert (CAL₁) über die Zeit auf eine spezielle Weise allmählich verringert werden, beispielsweise linear oder in Übereinstimmung mit einem kalibrierten Profil. Unter Verwendung beispielsweise des vorstehenden Maximaltemperaturwerts von 150°C kann der Controller 50 von 1 den Maximaltemperaturwert auf der Grundlage des Kilometerzähler-Lesewerts kontinuierlich oder periodisch verringern. Der Gebrauchsfaktor wird mit der Konstruktion und mit dem Temperaturverhalten des speziellen Thermistors oder des anderen Temperatursensors, der zum Messen der Temperatur (Ts) innerhalb des PIM 22 von 1 verwendet wird, variieren. Eine optionale Maßnahme, die durch dieses optionale Merkmal ermöglicht wird, ist die Erzeugung eines Diagnosecodes, um die Schalter 21 auszutauschen, wenn der Gebrauchsfaktor unter einen Schwellenwert fällt. Das Verfahren 100 geht von Schritt 104 zu Schritt 106 weiter, wenn die gemessene Temperatur (Ts) den ersten Kalibrierungswert (CAL₁) überschreitet. Wenn die gemessene Temperatur (Ts) den ersten Kalibrierungswert (CAL₁) nicht überschreitet, dann geht das Verfahren 100 alternativ zu Schritt 108 weiter.
Zu Schritt 106 gelangt man von Schritt 104 aus auf die Entscheidung des Controllers 50 hin, dass der erste Kalibrierungswert (CAL₁) durch die gemessene Temperatur (Ts) gegenwärtig überschritten wird. In diesem Fall kann der Controller 50 eine Steuerungsmaßnahme (C.A. 2) ausführen, welche in diesem Fall umfasst, dass eine Drehmomentherabsetzung der elektrischen Maschine 20 von 1 mithilfe des PIM 22, das in der gleichen Figur gezeigt ist, begonnen wird. Als Teil von Schritt 106 kann der Controller 50 den für die elektrische Maschine 20 maximal zulässigen Phasenstrom auf ein niedrigeres relatives Niveau einstellen, um die verfügbare Drehmomentausgabe der elektrischen Maschine 20 effektiv zu begrenzen.
Mit Bezug auf 4 ist eine grafische Aufzeichnung einer Sperrspannung (V_BR) der Schalter 21 auf der vertikalen Achse und einer Kühlmitteltemperatur (T_C) auf der horizontalen Achse gezeigt. Eine Linie 31 repräsentiert eine Grenze der Leistungsherabsetzung für die Halbleiterschalter 21. Wenn die an die Phasenwicklungen der elektrischen Maschine 20 von 1 angelegte Spannung für eine gegebene Kühlmitteltemperatur gegenwärtig höher als die Linie 31 ist, wenn die Kühlmitteltemperatur (T_C) niedriger als der Einstellpunkt ist, d.h. CAL₁, begrenzt der Controller 50 die an die Halbleiterschalter 21 angelegte Spannung auf das Niveau der Linie 31, wodurch eine Herabsetzung der Leistung des PIM 22 und jeglicher Drehmomentausgabe der elektrischen Maschine 20 durchgeführt wird. Dies ermöglicht ein optionales Merkmal der kalten Leistungsherabsetzung, bei dem, wenn die Temperatur niedriger als CAL₁ ist, die angelegte Spannung auf einen niedrigeren relativen Wert begrenzt wird, was dazu beitragen soll, die Halbleiterschalter 21 von einem Lawinendurchbruch bei kalten Temperaturen zu schützen. Dann kehrt das Verfahren 100 zu Schritt 102 zurück.
Wieder mit Bezug auf 3A wird Schritt 108 von Schritt 104 aus auf die Feststellung durch den Controller 50 hin erreicht, dass der erste Kalibrierungswert (CAL₁) nicht überschritten worden ist. In diesem Fall kann der Controller 50 optional eine Steuerungsmaßnahme (C.A. 1) ausführen, zum Beispiel das Einleiten einer Frequenzherabsetzung, oder das Verändern des PWM-Schaltverfahrens, beispielsweise einer differentiellen PWM (DPWM) oder einer Raumvektor-PWM (SVPWM) der Halbleiterschalter 21 in Abhängigkeit von dem Leistungsbedarf aus der elektrischen Maschine 20, beispielsweise in Ansprechen auf eine Drehmomentanforderung eines Fahrers des Fahrzeugs 10 von 1. Eine Frequenzherabsetzung bedeutet, so wie sie hier verwendet wird, eine Reduktion der Schaltfrequenz der Halbleiterschalter 21, die mithilfe des Controllers 50 nach Bedarf befohlen wird, im Gegensatz zu einer Begrenzung des elektrischen Stroms durch die Halbleiterschalter 21 hindurch oder einer Spannung an diesen wie bei Schritt 106. Das Verfahren 100 kehrt dann zu Schritt 102 zurück.
Schritt 110 des Verfahrens 100 kann umfassen, dass eine Kurve der Veränderung der Kühlmitteltemperatur (ΔTc) über der Veränderung des Phasenstroms (I_PH) berechnet wird. Unter kurzer Bezugnahme auf 6 wird die Kühlmitteltemperatur hier als Vertretung für die Sperrschichttemperatur verwendet und sie wird daher als Δθ_jc dargestellt. Das Ausführen von Schritt 110 ermöglicht, dass der Controller 50 von 1 feststellt, ob es wahrscheinlich eine Reduktion beim Kühlmittelfluss in dem Umrichterkühlmittelkreis 19_I von 1 gegeben hat, beispielsweise aufgrund eines Kühlmittellecks oder eines anderen Fehlers. Ein Weg zum Detektieren einer derartigen Bedingung besteht darin, den Trend bei der Veränderung der Kühlmitteltemperatur mit zunehmendem Phasenstrom (I_PH) zu überwachen. Es kann auf einen Verlauf 51 oder auf diesem zugrunde liegende Daten, die eine derartige Beziehung zwischen Temperatur und Phasenstrom beschreiben, zugegriffen werden, um festzustellen, ob der Verlauf 51 abnimmt, wie durch die Richtung des Pfeils 52 in 6 angezeigt ist. Das Verfahren 100 geht zu Schritt 112 weiter, wenn der Verlauf der Veränderung der Kühlmitteltemperatur (ΔTc) über der Veränderung des Phasenstroms (I_PH) im Speicher M des Controllers 50 erfasst wurde.
Schritt 112 in 3A umfasst, dass festgestellt wird, ob die von dem Sensor S_T von 1 gemessene Temperatur T_S, die an den Controller 50 übertragen wurde, über einem geeigneten oder kalibrierten Verlauf 51 von 6 liegt. Schritt 112 kann durchgeführt werden, indem die gemessene Temperatur T_S mit einem gegebenen der Verläufe 51 verglichen wird, welche offline vorbestimmt oder kalibriert sein können. Das Verfahren 100 geht zu Schritt 114 weiter, wenn die von dem Sensor S_T in dem PIM 22 gemessene Temperatur T_S über dem geeigneten Verlauf 51 liegt. Schritt 116 wird alternativ dann ausgeführt, wenn die gemessene Temperatur T_S unter dem geeigneten Verlauf 51 liegt.
Schritt 114 des Verfahrens 100 wird bei einer Feststellung bei Schritt 112 erreicht, dass die von dem Sensor S_T gemessene Temperatur Ts über einem geeigneten Verlauf 51 von 6 liegt. Als Folge dieser Feststellung zeichnet der Controller 50 einen geeigneten Fehlercode (FLT) auf, etwa einen Diagnosecode, der anzeigt, dass ein möglicher Kühlmittelfehler detektiert wurde. Das Verfahren 100 ist dann abgeschlossen.
Immer noch mit Bezug auf 3A umfasst Schritt 116 das Ausführen einer Steuerungsmaßnahme (C.A. 3), welche in diesem Fall umfasst, dass das Fahren des Fahrzeugs 10 von 1 fortgesetzt wird, ohne Leistung an/Drehmoment von der elektrischen Maschine herabzusetzen. Mit anderen Worten führt das Gelangen zu Schritt 116 beim Ausführen des Verfahrens 100 zu dem uneingeschränkten Betrieb der Maschine 20 mit Bezug auf deren zulässiges Drehmoment, wobei die elektrische Maschine 20 nach Bedarf innerhalb des zulässigen Drehzahl/Drehmoment-Betriebsbereichs ihres Entwurfs betrieben wird. Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt 102 fort.
Bei Schritt 118 umfasst das Verfahren 100 als Nächstes das Vergleichen der gemessenen Kühlmitteltemperatur (Tc) von Schritt 102 mit einem kalibrierten hohen Schwellenwert (CAL_H). Das Verfahren 100 geht zu Schritt 120 weiter, wenn die Kühlmitteltemperatur (Tc) den kalibrierten hohen Schwellenwert (CAL_H) überschreitet. Das Verfahren 100 geht zu Schritt 122 weiter, wenn die Kühlmitteltemperatur (T_C) den kalibrierten hohen Schwellenwert (CAL_H) nicht überschreitet.
Bei Schritt 120 umfasst das Verfahren 100, dass der kumulierte Phasenstrom (I_PH*) von Schritt 102 mit einem kalibrierten Schwellenwert für den kumulierten Phasenstrom (CAL) verglichen wird. Das Verfahren 100 geht zu Schritt 125 weiter, wenn der kumulierte Phasenstrom (I_PH*) über beispielsweise einer vorgesehenen Anzahl von Abtastwerten innerhalb des gegenwärtigen Fahrzyklus oder innerhalb eines kalibrierten Ablaufzeitfensters den kalibrierten Schwellenwert für den kumulierten Phasenstrom überschreitet. Andernfalls geht das Verfahren 100 zu Schritt 116 weiter.
Bei Schritt 124 bestimmt der Controller 50, wie die Leistung des PIM 22 auf der Grundlage der Sperrspannung (V_BR) seiner Halbleiterschalter 21 herabgesetzt werden soll. Schritt 122 hat festgestellt, dass die Kühlmitteltemperatur (T_C) mit Bezug auf den kalibrierten niedrigen Schwellenwert (CAL_L) zu niedrig war. Folglich kann die Kühlmitteltemperatur (T_C) niedrig genug sein, um ein kaltes Herabsetzen zu rechtfertigen, d.h. die Temperatur des Kühlmittels (T_C) ist zu niedrig, um zuzulassen, dass die Sperrspannung an die Halbleiterschalter 21 angelegt wird. Folglich ermöglicht Schritt 124 dem Controller 50 von 1 die Bedingung der niedrigen Temperatur bei seiner Herabsetzungsentscheidung zu berücksichtigen. Wenn eine Leistungsherabsetzung nicht benötigt wird, etwa wenn die angelegte Spannung niedriger als die Sperrspannung ist, geht das Verfahren 100 zu Schritt 116 weiter. Andernfalls geht das Verfahren 100 zu Schritt 106 weiter, bei dem die Leistungsherabsetzung beginnt.
Schritt 125 von 3A umfasst, dass der augenblickliche Phasenstrom (I_PH) mit einem kalibrierten Phasenstromschwellenwert (CAL_PH) verglichen wird. Das Verfahren 100 geht zu Schritt 104 weiter, wenn der augenblickliche Phasenstrom (I_PH) den kalibrierten Phasenstromschwellenwert (CAL_PH) überschreitet. Wenn der augenblickliche Phasenstrom (I_PH) den kalibrierten Phasenstromschwellenwert (CAL_PH) nicht überschreitet, geht das Verfahren 100 stattdessen zu Schritt 116 weiter.
Mit Bezug auf 3B ist das Verfahren 200 eine alternative Herangehensweise zu der in 3A gezeigten Ausführungsform des Verfahrens 100, das vorstehend erläutert wurde. Im Verfahren 200 kann der Temperatursensor S_T von 1 weggelassen sein. Wie das Verfahren 100 ist auch das Verfahren 200 dazu gedacht, eine ungenaue Schätzung der Sperrschichttemperatur in den Halbleiterschaltern 21 des PIM 22 zu verbessern und es vermeidet Verfahren zur Leistungsherabsetzung mit übermäßigem Schutz, welche das Motordrehmoment und damit die Leistung des PIM 22 begrenzen, lange bevor die Sperrschicht zu heiß wird. Wie das Verfahren 100 berücksichtigt auch das Verfahren 200 die Schwankung der Kühlmitteltemperatur (T_C) und sagt eine Sperrschichttemperatur (θ_j) zur Laufzeit voraus, ohne die Leistung zu begrenzen, bis sich das PIM 22 einer kalibrierten Maximaltemperatur nähert.
Es wurde hier erkannt, dass die Sperrschichttemperatur (θ_j) von der Kühlmitteltemperatur (T_C), der thermischen Impedanz (Z_TH) des Stapels, der den Halbleiterschalter 21 bildet, und bestimmten Motorbetriebsbedingungen, speziell vom Leistungsverlust (P_L) abhängt: $θ_{j} = ƒ (T_{C}, P_{L}, Z_{T H})$
Wie in der Technik bekannt ist, kann der Leistungsverlust (P_L) als Funktion von verschiedenen Betriebsparametern der elektrischen Maschine 20 ermittelt werden: $P L = ƒ (V_{D C}, ω_{r}, V_{d}, V_{q}, I_{d}, I_{q}, L_{v a r}, C_{m e t})$
wobei V_DC die DC-Busspannung ist, ω_r die Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine 20 ist, V_d, V_q, I_d und I_q die vom Controller ermittelten d-q-Achsenspannungen bzw. -Ströme sind, L_var beliebige bekannte Verlustpolynome repräsentiert und C_met die spezielle Steuerungsfrequenz und das spezielle verwendete Verfahren repräsentiert. Diese Variablen sind in einer typischen Motorsteuerungslogik leicht verfügbar und ihre Beziehung in geschlossener Form ist daher in der Technik gut bekannt.
Das verfügbare Drehmoment (T_A), das von dem Controller 50 befohlen wird, wird in Übereinstimmung mit dem Verfahren 200 variiert. Das verfügbare Drehmoment, das selbst eine Funktion von vielen Faktoren ist, kann allgemein durch folgende Gleichung repräsentiert werden: $T_{A} = ƒ (θ_{j}, L_{c}, L_{c f}, V_{B R}, ω_{s t})$
wobei L_c der Volumenverlust von Kühlmittel ist, L_cf der Verlust von Kühlmittelströmung in dem Umrichterkühlmittelkreis 19I von 1 ist, V_BR die Sperrspannung der Halbleiterschalter 21 ist und ω_st die Drehzahl beim Ausschalten der elektrischen Maschine 20 ist. Im Verfahren 200 wird das verfügbare Drehmoment der elektrischen Maschine 20 in Übereinstimmung mit einem Laufzeitschätzwert der Sperrschichttemperatur θ_j variieren. Wie bei dem Verfahren 100 wird eine Herabsetzung des Drehmoments erst angewendet, wenn man sich einer maximal zulässigen Sperrschichttemperatur nähert, d.h. in Übereinstimmung mit dem Verlauf 32 von 2.
Ein optionaler Schritt 201 des Verfahrens 100 umfasst, dass die bisher von dem Fahrzeug 10 zurückgelegte kumulierte Distanz ermittelt wird, welche in den Speicher M des Controllers 50 gelesen wird, wie bei dem vorstehend erwähnten Schritt 101. Der optionale Schritt 201 geht dann zu Schritt 203 weiter.
Schritt 202 umfasst, dass die Kühlmitteltemperatur Tc beispielsweise mithilfe eines Sensors S_T von 1 gemessen wird und dass dann zu den Schritten 203 und 218 weitergegangen wird.
Schritt 203A umfasst, dass die thermische Impedanz Z_TH ermittelt wird. Ein derartiger Wert kann für einen gegebenen Schalter 21 offline ermittelt werden und im Speicher M als kalibrierter Wert aufgezeichnet werden.
Schritt 203 umfasst, dass die thermische Impedanz Z_H von Schritt 203A optional durch das Alter auf eine Weise justiert wird, die derjenigen ähnelt, die in Schritt 103 von 3A durchgeführt wird. Beispielsweise kann die thermische Impedanz Z_TH über die Anwendung eines Gebrauchsfaktors (UF) justiert werden, z.B. durch Multiplizieren der thermischen Impedanz mit dem Gebrauchsfaktor, um eine effektive thermische Impedanz Z_TH,E zu ermitteln, und/oder auf der Grundlage der Kühlmitteltemperatur (Tc) modifiziert werden, wie in Schritt 103 erläutert wurde. Das Verfahren 200 geht dann zu Schritt 208 weiter.
Bei Schritt 204 ermittelt der Controller 50 einen Satz von Werten (WERTE ERMITTELN) für sein System, welche d-q-Achsenspannungen und -ströme V_d, V_q, I_d und I_q, die DC-Busspannung V_DC und die gegenwärtige Motordrehzahl ω_r umfassen. Das Verfahren 200 geht dann zu den Schritten 205 und 206 weiter.
Bei Schritt 205 ermittelt der Controller 50 auf der Grundlage des Vergleichs der angelegten Spannung mit der Sperrspannung (V_BR DRT) von 4, ob ein Herabsetzen des Drehmoments benötigt wird. Dieser Schritt ist analog zu dem Schritt 124 des Verfahrens 100, der vorstehend beschrieben wurde. Wenn das Herabsetzen des Drehmoments nicht benötigt wird, geht das Verfahren 100 zu Schritt 227 weiter. Andernfalls geht das Verfahren 200 zu Schritt 207 weiter.
Schritt 206 umfasst, dass der Leistungsverlust (P_L) berechnet wird, was in der Technik bekannt ist, und dass dann zu Schritt 208 weitergegangen wird. Schritt 206 kann optional umfassen, dass eine Prüfung des Ausschaltens des Motors [engl.: stall check] ausgeführt wird. Unter kurzer Bezugnahme auf 7 veranschaulichen Verläufe 70 den Leistungsverlust (P_L) auf der vertikalen Achse und die Motordrehzahl auf der horizontalen Achse, wobei ein Leistungsverlust als Verlauf 72 dargestellt ist. Wie in der Technik bekannt ist, ist ein Leistungsverlust bei Drehzahlen beim Ausschalten (P_LS) und bei Drehzahlen ohne Ausschalten (P_LNS) für einen gegebenen Motor, beispielsweise für die elektrische Maschine 20, eine Funktion verschiedener Parameter, etwa der DC-Busspannung, der Schaltfrequenz, des Modulationsindex und des Leistungsfaktors. Diese können offline ermittelt und im Speicher als kalibrierte Werte aufgezeichnet werden. Schritt 206 kann umfassen, dass der Leistungsverlust (P_L) je Schalter 21 als Funktion dieser bekannten Werte berechnet wird: $P_{L} = P_{L S} \cdot A + P_{L N S} \cdot (1 - A)$
wobei A = 1, wenn die Motordrehzahl (ω_r) kleiner als ein erster Einstellpunkt (ω_s1) ist, beispielsweise 50 U/min. Wenn die Motordrehzahl (ω_r) kleiner als ein höherer zweiter Einstellpunkt, beispielsweise 100 U/min ist, kann der Wert von A wie folgt berechnet werden: $A = \frac{ω_{s 2} - ω_{r}}{ω_{s 2} - ω_{s 1}}$
Zu allen anderen Zeitpunkten ist in der vorstehenden Leistungsverlustformel A = 0.
Bei Schritt 207 führt der Controller 50 ein kaltes Herabsetzen von Leistung durch, wie es vorstehend mit Bezug auf Schritt 106 von 3A mit Bezug auf 4 beschrieben wurde, und geht dann zu Schritt 208 weiter.
Schritt 208 umfasst, dass die geschätzte Sperrschichttemperatur θ_j berechnet wird, welche wie vorstehend erwähnt eine Funktion der Kühlmitteltemperatur Tc, des Leistungsverlusts P_L und der thermischen Impedanz Z_TH ist. Das Verfahren 200 geht dann zu den Schritten 210 und 218 weiter.
Schritt 210 umfasst, dass die Sperrschichttemperatur θ_j von Schritt 208 mit einem kalibrierten Schwellenwert (CAL_B), beispielsweise 150°C, verglichen wird. Das Verfahren 200 geht zu Schritt 205 weiter, wenn die berechnete Sperrschichttemperatur θ_j kleiner als der kalibrierte Schwellenwert (CAL_B) ist, und alternativ zu Schritt 212.
Schritt 212 umfasst, dass festgestellt wird, ob eine zuvor berechnete Sperrschichttemperatur (θ_j(n-1)) kleiner als die aktuelle Sperrschichttemperatur θ_j ist. Wenn dies zutrifft, stellt der Controller fest, dass die Temperatur der Halbleiterschalter 21 zunimmt, und als Folge geht das Verfahren 200 zu Schritt 214 weiter. Wenn die zuvor berechnete Sperrschichttemperatur (θ_j(n-1)) stattdessen die aktuelle Sperrschichttemperatur θ_j überschreitet, d.h. sich die Schalter 21 abkühlen, dann geht das Verfahren 200 zu Schritt 216 weiter.
Unter kurzer Bezugnahme auf 5, die das verfügbare Drehmoment (τ_A) auf der vertikalen Ache und die Sperrschichttemperatur (θ_j) auf der horizontalen Achse darstellt, kann der Controller 50 in einer möglichen Ausführungsform ein Hystereseband 60 anwenden, um das Einleiten und das Abbrechen des Herabsetzens von Drehmoment bei den folgenden Schritt 214 und 216 zu koordinieren. Die Weise, in welcher das Hystereseband angewendet wird, hängt davon ab, ob die Temperatur der Schalter 21 von 1 zunimmt oder abnimmt. Wenn beispielsweise die berechnete/geschätzte Sperrschichttemperatur (θ_j) zunimmt, kann das verfügbare Drehmoment τ_A, d.h. die maximal zulässige Drehmomentausgabe des Motors/der elektrischen Maschine 20 nach einem anfänglichen Anstieg (Verlauf 61A) auf einem konstanten Niveau gehalten werden wie durch die ebene Trajektorie des Verlaufs 61 angezeigt ist, bis ein Herabsetzen von Drehmoment bei etwa einer Temperatur (θ₂) beginnt, bei der der Controller 50 das verfügbare Drehmoment τ_A in Übereinstimmung mit der Trajektorie des Pfads A herabsetzt. Jedoch wird das Herabsetzen nicht unmittelbar unterbrochen, wenn die Sperrschichttemperatur wieder unter die Temperatur (θ₂) fällt. Stattdessen wartet der Controller 50, bis eine niedrigere Schwellenwerttemperatur (θ₁) erreicht wird, bevor das Herabsetzen in Übereinstimmung mit der Trajektorie des Pfads B allmählich nicht mehr fortgesetzt wird. Eine derartige Herangehensweise bei der Steuerung kann zum Minimieren von elektrischen Verlusten und von Systemgeräuschen beitragen.
Bei Schritt 214 umfasst das Verfahren 200 das Herabsetzen der Drehmomentausgabe des Motors 20 von 1 über den Pfad A von 5, wie vorstehend beschrieben wurde. Dann kehrt das Verfahren 200 zu Schritt 208 zurück.
Bei Schritt 216 umfasst das Verfahren 200 das Herabsetzen der Drehmomentausgabe des Motors 20 von 1 über den Pfad B von 5, wie vorstehend beschrieben wurde. Das Verfahren 200 kehrt dann zu Schritt 208 zurück.
Schritt 218 umfasst, dass die berechnete Sperrschichttemperatur θ_j mit einer kalibrierten Kurve verglichen wird, ein Schritt, der analog zu dem vorstehend beschriebenen Schritt 110 ist. Schritt 227 wird ausgeführt, wenn die berechnete Sperrschichttemperatur θ_j unter der Kurve liegt, und Schritt 225 wird ausgeführt, wenn die berechnete Sperrschichttemperatur θ_j über der Kurve liegt.
Ein optionaler Schritt 220 kann verwendet werden, wenn ein Temperatursensor S_T verwendet wird, um die Temperatur der Halbleiterschalter 21 zu messen. Ein derartiger Sensor S_T wird für den Betrieb des Verfahrens 200 nicht benötigt. Wenn der Sensor S_T jedoch verwendet wird, kann er eine alternative Herangehensweise für eine Entscheidung darüber bereitstellen, ob Schritt 225 ausgeführt werden soll. Bei Schritt 220 kann der Controller 50 die gemessene Temperatur Ts mit der berechneten oder geschätzten Sperrschichttemperatur θ_j von Schritt 208 plus einer Toleranz (TOL) vergleichen. Schritt 225 kann ausgeführt werden, wenn die gemessene Temperatur Ts diesen Wert überschreitet. Andernfalls kann Schritt 227 ausgeführt werden, d.h. das Herabsetzen wird nicht angewendet.
Schritt 225 ist analog zu Schritt 114 von 3A und er wird erreicht, wenn bei Schritt 218 festgestellt wird, dass die Sperrschichttemperatur über einem geeigneten Verlauf 51 liegt. Als Ergebnis dieser Feststellung zeichnet der Controller 50 einen geeigneten Fehlercode (FEHLERCODE) auf, etwa einen Diagnosecode, der anzeigt, dass ein möglicher Kühlmittelfehler detektiert wurde. Das Verfahren 100 ist dann abgeschlossen.
Bei Schritt 227 führt der Controller 50 eine Steuerungsmaßnahme (C.A. 3) aus, welche in diesem Fall umfasst, dass mit dem Antreiben des Fahrzeugs 10 von 1 fortgefahren wird, ohne das Drehmoment aus der elektrischen Maschine 20 herabzusetzen. Mit anderen Worten führt das Erreichen von Schritt 227 wie bei Schritt 116 des Verfahrens 100 zu einem nicht eingeschränkten Betrieb des Motors 20 von 1 mit Bezug auf sein zulässiges Drehmoment.
Wie der Fachmann auf dem Gebiet, der mit den vorstehenden Methodiken arbeitet, verstehen wird, ist der Controller 50 programmiert, um jede der folgenden Aufgaben auszuführen: Wechseln eines PWM-Schaltverfahren des PIM 22, Reduzieren einer Schaltfrequenz der Halbleiterschalter 21 und Reduzieren eines Drehmoment- oder Strombefehls an die elektrische Maschine 20. Der Controller 50 ist ferner programmiert, um die Leistung des PIM 22 selektiv herabzusetzen, indem es entweder das PWM-Schaltverfahren des PIM 22 wechselt oder die Schaltfrequenz der Halbleiterschalter 21 reduziert oder den Drehmoment- oder Strombefehl an die elektrische Maschine 20 reduziert. Der Controller 50 kann mehr als eine dieser Maßnahmen ausführen und er kann dies in einer speziellen Reihenfolge tun, z.B. zuerst das PWM-Verfahren wechseln, dann die Schaltfrequenz reduzieren und dann den Drehmoment- oder Strombefehl reduzieren, wobei die spezielle Reihenfolge davon abhängt, wie schnell eine und/oder wie viel Herabsetzung benötigt wird.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Offenbarung im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann auf dem Gebiet, das diese Offenbarung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

System, das umfasst: einen Gleichstrom-Batteriestapel (DC-Batteriestapel) (24); eine mehrphasige elektrische Maschine (20); ein Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (PIM) (22), das mit dem DC-Batteriestapel (24) und mit der mehrphasigen elektrischen Maschine (20) elektrisch verbunden ist, wobei das PIM (22) eine Vielzahl von Halbleiterschaltern (21) enthält; einen Umrichterkühlmittelkreis (19I), der betrieben werden kann, um das PIM (22) mithilfe einer Zirkulation von Kühlmittel (C_I) zu kühlen; einen ersten Temperatursensor (S_T), der ausgestaltet ist, um eine Temperatur (Tc) des Kühlmittels in dem Umrichterkühlmittelkreis (19I) zu messen; einen zweiten Temperatursensor (S_T), der ausgestaltet ist, um eine Temperatur (Ts) des PIM (22) zu messen; und einen Controller (50) in Verbindung mit dem PIM (22), der betrieben werden kann, um die Leistung des PIM (22) selektiv herabzusetzen und dadurch ein befohlenes Drehmoment an die elektrische Maschine (20) zu reduzieren, wobei der Controller (50) programmiert ist, um: die Temperatur (T_C) des Kühlmittels von dem ersten Temperatursensor (S_T) und die Temperatur (T_S) des PIM (22) von dem zweiten Temperatursensor (S_T) zu empfangen; einen Satz von elektrischen Werten des Systems zu ermitteln; eine Sperrschichttemperatur (θ_j) der Halbleiterschalter (21) unter Verwendung der Temperatur (T_C) des Kühlmittels, der Temperatur (T_S) des PIM (22) und des Satzes von elektrischen Werten zu schätzen; und die Leistung des PIM (22) unter Verwendung der geschätzten Sperrschichttemperatur (θ_j) selektiv herabzusetzen, wenn die Temperatur (Ts) des PIM (22) eine kalibrierte Maximaltemperatur (TCAL) überschreitet, indem ein Drehmomentbefehl an die und ein verfügbares Drehmoment von der mehrphasigen elektrischen Maschine (20) begrenzt werden; wobei der Controller (50) mit einem kalibrierten Kühlmitteltemperatur-Einstellpunkt (CAL₁) und mit einer Kurve der Spannung (V_BR) über der Kühlmitteltemperatur (Tc) programmiert ist, und betrieben werden kann, um eine an die Schalter (21) angelegte Spannung zu begrenzen, wenn die gemessene Kühlmitteltemperatur (Tc) den kalibrierten Kühlmitteltemperatur-Einstellpunkt (CAL₁) überschreitet und eine gegenwärtige an die elektrische Maschine (20) angelegte Spannung mit Bezug auf die Kurve hoch ist.
System nach Anspruch 1, das ferner ein Getriebe (14) umfasst, wobei das System ein Fahrzeug (10) ist und die elektrische Maschine (20) ein Motordrehmoment an das Getriebe (14) liefert.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller (50) programmiert ist, um die Leistung des PIM (22) herabzusetzen, indem er einen elektrischen Phasenstrom reduziert, der an die elektrische Maschine (20) geliefert wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Satz von elektrischen Werten elektrische Phasenströme der elektrischen Maschine (20) umfasst.
System nach Anspruch 4, wobei der Controller (50) programmiert ist, um einen entsprechenden Wert einer kalibrierten Anzahl der elektrischen Phasenströme (I_pH) im Speicher (M) des Controllers (50) aufzuzeichnen, um dadurch einen kumulierten Phasenstrom (I_pH*) zu erzeugen und um die Leistung des PIM (22) selektiv herabzusetzen, wenn der kumulierte Phasenstrom (I_pH*) und der augenblickliche Phasenstrom (I_pH) entsprechende Schwellenwerte (CAL, CAL_pH) überschreiten.
System nach Anspruch 1, wobei der Satz von elektrischen Werten einen Leistungsverlust (PL) und eine thermische Impedanz (ZTH) der Halbleiterschalter (21) umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller (50) programmiert ist, um einen numerischen Gebrauchsfaktor (UF) zu berechnen, der ein Alter der Halbleiterschalter (21) anzeigt, und um die kalibrierte Maximaltemperatur (TCAL) unter Verwendung des berechneten numerischen Gebrauchsfaktors (UF) zu reduzieren.
System nach Anspruch 7, wobei der Controller (50) programmiert ist, um einen Kilometerzähler-Lesewert (KMZ) des Fahrzeugs (10) zu ermitteln, und um den numerischen Gebrauchsfaktor (UF) unter Verwendung des Kilometerzähler-Lesewerts (KMZ) zu berechnen.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller (50) programmiert ist, um einen Trend bei einer Veränderung der Kühlmitteltemperatur (Tc) mit Bezug auf den Phasenstrom (I_pH) zu ermitteln und um einen potentiellen Verlust des Kühlmittels (C_I) unter Verwendung des Trends zu detektieren.