DE102016202306A1

DE102016202306A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102016202306A1
Application number: DE102016202306.3A
Authority: DE
Inventors: Axel Reuter; Oliver Dieter Koller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2015-04-08
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2016-10-13
Also published as: US10040357B2; CN106043160A; CN106043160B; US20160297302A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Bordnetz, das wenigstens ein elektrisches oder elektronisches Bauteil aufweist, das während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs durch eine Belastung belastet wird, wobei eine kumulierte Belastung (B₁, B₂) des wenigstens einen Bauteils ermittelt wird, wobei wenigstens eine Schädigungsart, die zur Belastung beiträgt, ermittelt wird, wobei eine aufgrund der ermittelten kumulierten Belastung (B₁, B₂) zu erwartende Lebensdauer (t'_ist,2, t'_ist,3) des wenigstens einen Bauteils ermittelt wird, und wobei wenigstens eine in Abhängigkeit von der wenigstens einen Schädigungsart ausgewählte, das wenigstens eine Bauteil beim Betrieb schädigende Größe in eine belastungsreduzierende Richtung verändert wird, wenn die zu erwartende Lebensdauer (t'_ist,2, t'_ist,3) des wenigstens einen Bauteils von einer Soll-Lebensdauer (t_max) abweicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Bordnetz und mit wenigstens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil.
Stand der Technik
Durch die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstrangs moderner Kraftfahrzeuge werden vermehrt elektrische oder elektronische Bauteile wie bspw. Halbleiter, insbesondere in Form von Schaltelementen wie Transistoren, eingesetzt. Diese sind den unwirtlichen äußeren Bedingungen des Motorraums ausgesetzt, beispielsweise passiven Temperaturhüben. Passive Temperaturhübe entstehen dadurch, dass die Abwärme des Verbrennungsmotors den Motorraum während der Fahrt erwärmt.
Eine besonders hohe Belastung wirkt auf elektronische Bauteile des Umrichters der elektrischen Maschine in solchen Kraftfahrzeugen, die zusätzlich durch aktive Temperaturhübe aufgrund der Eigenerwärmung bei hohem Strom belastet werden. Große Stromamplituden werden typischerweise während motorischen Boost- und generatorischen Rekuperationsvorgängen (in Fahrzeugen mit entsprechend betreibbaren elektrischen Maschinen) erreicht. Bei den elektronischen Bauteilen des Umrichters handelt es sich um funktionskritische Komponenten, da ihr Ausfall zu einer Nichtfunktionalität der kompletten elektrischen Maschine führt.
Die Lebensdauer von elektronischen Bauteilen und so auch die des Umrichters der elektrischen Maschine hängt wesentlich von der Zyklisierung mit aktiven und passiven Temperaturwechseln ab, da in der Aufbau- und Verbindungstechnik Materialien unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten Verwendung finden. Diese unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten (sog. thermisches Mismatch) führen zu mechanischen Spannungen während einer thermischen Aufwärmung bzw. Abkühlung der Aufbau- und Verbindungstechnik.
Da die Anzahl und die Amplitude von Boost- und Rekuperationsvorgängen stark vom Anwendungsfall, also u.a. vom Fahrverhalten des Fahrers (aggressiv, defensiv) und/oder den Verkehrssituationen, in denen ein entsprechendes Kraftfahrzeug überwiegend bewegt wird (Stadtverkehr, Autobahn), abhängen, stellt die Auslegung der elektronischen Bauteile im Umrichter eine technische Herausforderung dar.
Um einen frühzeitigen und unkontrollierten Ausfall von elektrischen oder elektronischen Bauteilen zu vermeiden, können Verfahren zur Abschätzung ihrer Restlebensdauer eingesetzt werden. Hierbei wird mithilfe eines thermischen Modells und durch Speicherung von Temperaturhüben die Restlebensdauer bestimmt.
Aus der DE 10 2013 203 661 A1 ist bspw. ein Verfahren zum Anpassen einer Restlebensdauer eines Halbleiters in einem Kraftfahrzeug bekannt. Dazu wird bei einer erkannten Abweichung einer Ist-Belastung von einer Nenn-Belastung des Halbleiters ein belastungsbeeinflussender Faktor reduziert. Eine genauere Beschreibung der eingeleiteten Maßnahmen wird jedoch nicht gegeben.
Es besteht daher der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zum Betreiben von elektrifizierten Kraftfahrzeugen, die in ihrem Bordnetz entsprechende elektrische oder elektronische Bauteile aufweisen, und mittels derer ein zuverlässigerer Betrieb ohne unerwartete Ausfälle und Komforteinbußen ermöglicht wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Bordnetz, das wenigstens ein elektrisches oder elektronisches Bauteil aufweist, das während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs durch eine Belastung belastet wird. Dabei wird eine kumulierte Belastung des wenigstens einen Bauteils ermittelt, weiterhin wird wenigstens eine Schädigungsart, die zur Belastung beiträgt, ermittelt. Außerdem wird eine aufgrund der ermittelten kumulierten Belastung zu erwartende Lebensdauer des wenigstens einen Bauteils ermittelt, und es wird wenigstens eine in Abhängigkeit von der wenigstens einen Schädigungsart ausgewählte, das wenigstens eine Bauteil beim Betrieb schädigende Größe verändert, wenn die zu erwartende Lebensdauer des wenigstens einen Bauteils von einer Soll-Lebensdauer abweicht.
Wird das Bauteil über die Soll-Lebensdauer kontinuierlich oder im Mittel mit einer Soll-Belastung belastet, kann davon ausgegangen werden, dass es die Soll-Lebensdauer erreicht, also nicht vorzeitig ausfällt. Wird das Bauteil über die Soll-Lebensdauer kontinuierlich oder im Mittel mit einer geringeren Belastung als der Soll-Belastung belastet, ist davon auszugehen, dass es die Soll-Lebensdauer überschreitet, es also erst geraume Zeit nach dem Ende der Soll-Lebensdauer ausfällt. Wird das Bauteil hingegen über die Soll-Lebensdauer kontinuierlich oder im Mittel mit einer höheren Belastung als der Soll -Belastung belastet, kann davon ausgegangen werden, dass das Bauteil ggf. vor dem Ende der Soll-Lebensdauer ausfällt, es also seine Soll-Lebensdauer nicht erreichen wird. Es versteht sich, dass die Soll-Lebensdauer einen Sicherheitsfaktor umfassen kann, so dass sichergestellt werden kann, dass bei einer Exemplarstreuung auch negative Ausreißer nicht vor Ende der Soll-Lebensdauer ausfallen.
Durch eine Alterung der Aufbau- und Verbindungstechnik von elektrischen oder elektronischen Bauteilen werden diese Bauteile belastet, d.h. deren thermische Eigenschaften, bspw. eine Wärmeabfuhr, wird verschlechtert. Dadurch entsteht wiederum eine größere Belastung der Aufbau- und Verbindungstechnik, da sich in diesem Fall größere Temperaturhübe und eine höhere Mittentemperatur einstellen, was den Alterungsprozess weiter beschleunigt. Es handelt sich um einen sogenannten Mitkopplungseffekt.
Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann also gezielt eine das elektrische oder elektronische Bauteil, bei welchem es sich insbesondere um Halbleiter oder Halbleiterschalter wie bspw. Transistoren und dergleichen handeln kann, schädigende Größe verändert werden, wenn bspw. eine übermäßige Belastung des Bauteils, die sich bspw. durch eine verringerte Wärmeabfuhr zeigt, festgestellt wurde. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass gezielt diejenige schädigende Größe verändert wird, die bei der ermittelten Schädigungsart Einfluss oder zumindest den größten Einfluss auf die Belastung hat. Somit vergrößert sich bspw. die Belastung im Vergleich zu einer nicht gealterten Aufbau- und Verbindungstechnik nicht und der oben erwähnte Mitkopplungseffekt wird vermieden.
Die Schädigungsart kann dabei bspw. mittels einer thermischen Sprungantwort ermittelt werden. Wird das Bauteil mit einem Stromimpuls beaufschlagt, erwärmt sich das Bauteil. Anhand eines Modells kann damit eine Information über den Zustand der Aufbau- und Verbindungstechnik des Bauteils gewonnen werden. Die Schädigungsart ist dabei am Verlauf der thermischen Sprungantwort zu erkennen.
Vorzugsweise wird die wenigstens eine Größe nur verändert, wenn die ermittelte kumulierte Belastung von einer kumulierten Soll-Belastung entsprechend der Soll-Lebensdauer um mehr als einen Schwellwert abweicht. Damit kann ein gewisser Toleranzbereich vorgegeben werden, bei dem eine zu große Belastung noch toleriert werden kann, da diese Belastung bspw. noch nicht unweigerlich zu einem Totalausfall des Bauteils führt.
Zweckmäßigerweise wird der Schwellwert mit zunehmendem Anteil an der Soll-Lebensdauer zum Zeitpunkt der Ermittlung der zu erwartenden Lebensdauer geringer. Damit kann bspw. zu Beginn der Soll-Lebensdauer ein größerer Toleranzbereich zugelassen werden, der im Laufe der Betriebsdauer bis zum Erreichen der Soll-Lebensdauer noch ausgeglichen werden kann. Gegen Ende der Soll-Lebensdauer hingegen kann der Toleranzbereich enger gehalten werden, da ein Ausgleich nur noch in geringerem Maße möglich ist.
Vorteilhafterweise wird die kumulierte Belastung durch Ermitteln einer Anzahl und Höhe durchlaufener Temperaturhübe des Bauteils ermittelt. Dazu kann bspw. über ein Thermomodell der Temperaturverlauf im Bauteil online modelliert werden. Hierbei sei angemerkt, dass der reale Temperaturverlauf im Bauteil, insbesondere im Inneren des Bauteils nicht gemessen werden kann, weswegen eine Modellierung vorteilhaft ist. Durch ein Klassierverfahren (sog. Rainflow-Zählung) kann dieser Temperaturverlauf dann in belastende Temperaturhübe reduziert werden. Durch ein hinterlegtes Belastungs- oder Lebensdauermodell des Bauteils kann damit die Belastung durch jeden einzelnen Temperaturhub und durch Aufsummieren die aktuelle kumulierte Belastung ermittelt werden. Übliche Bauteile sind nämlich dafür ausgelegt, eine gewisse Anzahl von Temperaturhüben einer gewissen Höhe unbeschadet zu überstehen, wobei die sich Anzahl und Höhe gegenseitig beeinflussen, d.h. geringere Temperaturhübe sind häufiger möglich als höhere Temperaturhübe. Werden nun die tatsächlich erlittenen Temperaturhübe in Anzahl und Höhe erfasst, können daraus die aktuelle kumulierte Belastung und die voraussichtliche Restlebensdauer für unveränderte Bedingungen ermittelt werden.
Es ist von Vorteil, wenn eine Stärke der wenigstens einen Schädigungsart ermittelt wird und wenn die wenigstens eine Größe in Abhängigkeit von der Stärke verändert wird. Damit ist eine feinere Anpassung der Größe möglich. Dabei kann die Größe bspw. proportional zur Stärkegeändert werden oder aber bspw. auch innerhalb mehrerer vorgegebener Bereiche, denen die ermittelte Stärke zugeordnet wird. Die Stärke der Schädigungsart kann dabei anhand des Verlaufs der thermischen Sprungantwort, bspw. deren Veränderung gegenüber einem Verlauf bei normalem Zustand, erkannt werden.
Vorzugsweise umfasst die wenigstens eine Größe einen Strombetrag, insbesondere wenn die wenigstens eine Schädigungsart eine Degradation einer Lötstelle umfasst. Eine Degradation wie bspw. eine Zerrüttung einer Lötstelle, insbesondere des Lots, führt dazu, dass der thermische Widerstand an dieser Stelle ansteigt. Somit entsteht eine stärkere Erwärmung bei gleichbleibender Strombelastung. Diese Schädigungsart ist bspw. durch eine höhere Temperatur als üblich in der thermischen Sprungantwort erkennbar. Durch gezielte Änderung des Strombetrags, bspw. einer Reduzierung, kann diesem Effekt gezielt entgegengewirkt werden.
Vorteilhafterweise umfasst die wenigstens eine Größe einen Stromgradienten, insbesondere wenn die wenigstens eine Schädigungsart eine Delamination umfasst. Treten Delaminationseffekte, d.h. Schichtablösung, auf, wird die thermische Masse der Aufbau- und Verbindungstechnik reduziert und es entsteht ein steilerer Temperaturgradient. Dieser steilere Temperaturgradient ist bspw. in der thermischen Sprungantwort erkennbar. Dem kann durch eine Änderung, bspw. einer Reduzierung, des Stromgradienten gezielt entgegengewirkt werden. Belastungsfälle, die zeitlich so begrenzt sind, dass das thermische Gleichgewicht nicht erreicht wird, führen in diesem Fall ebenfalls zu größeren Temperaturhüben. Dies ist bspw. während Rekuperationsphasen einer elektrischen Maschine in dem Kraftfahrzeug der Fall.
Es ist auch von Vorteil, wenn die wenigstens eine Größe eine Spannung, insbesondere einen Spannungsbetrag und/oder einen Spannungsgradienten, umfasst. Die Spannung kann dabei vorzugsweise erhöht werden, wenn erkannt wird, dass die Soll-Lebensdauer nicht erreicht wird. Durch eine Erhöhung der Spannung kann bei gleichbleibender Leistung nämlich der Strom reduziert werden. Denkbar ist dabei auch, dass für einen zulässigen Spannungsbereich, welcher in Kraftfahrzeugbordnetzen oftmals zwischen 36 und 54 Volt liegt, eine höhere untere Grenze, bspw. 48 Volt, vorgegeben wird.
Analog zu den beiden beschriebenen Schädigungsarten können vorteilhaft auch weitere Schädigungsarten wie bspw. Diffusionsprozesse und dergleichen auf deren Auswirkungen auf die Belastung, insbesondere thermische Widerstände und Massen, untersucht werden. Eine auftretende Verschlechterung des thermischen Verhaltens kann dann bspw. durch Eingriffe in Strombetrag und/oder Stromgradient kompensiert werden.
Zweckmäßigerweise wird die wenigstens eine Größe in eine belastungsreduzierende Richtung verändert, wenn die zu erwartende Lebensdauer geringer als die Soll-Lebensdauer ist. Im Falle eines Strombetrags oder eines Stromgradienten als Größe wird dieser insbesondere reduziert. Damit können weitere Schädigungen begrenzt und somit die Soll-Lebensdauer des Bauteils erreicht werden.
Es ist von Vorteil, wenn die wenigstens eine Größe in eine belastungserhöhende Richtung verändert wird, wenn die zu erwartende Lebensdauer größer als die Soll-Lebensdauer ist. Im Falle eines Strombetrags oder eines Stromgradienten als Größe wird dieser insbesondere erhöht. Damit kann bspw. die Soll-Lebensdauer vollständig ausgenutzt werden. Insbesondere wird die wenigstens eine Größe jedoch höchstens bis zu einem Soll-Wert für einen regulären Betrieb verändert, da eine Veränderung, insbesondere eine Erhöhung darüber hinaus möglicherweise auf andere Art schädigend auf das Bauteil wirken könnte.
Es ist besonders von Vorteil, wenn eine Totzeit für weitere Veränderungen für das wenigstens eine Bauteil vorgesehen wird, wenn die wenigstens eine Größe verändert wird. Damit kann ein häufiger Wechsel der Betriebsweise des Bauteils vermieden werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bauteil um ein Bauteil einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Bauteil eines Umrichters der elektrischen Maschine. Gerade bei Verwendung der elektrischen Maschine als Rekuperationsmaschine treten starke Belastungen der verbauten elektrischen bzw. elektronischen Bauteile, insbesondere im Umrichter, auf. Daher ist eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in diesem Fall besonders vorteilhaft, um eine gewünschte Lebensdauer des Bauteils und somit auch der elektrischen Maschine, tatsächlich zu erreichen.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, elektrische und optische Datenträger wie Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einem Diagramm kumulierte Belastungsverläufe zweier Bauteile über einer Betriebsdauer jeweils bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
2 zeigt Verläufe von Wärmeeinträgen bei einem Bauteil mit und ohne Belastung in einem nicht erfindungsgemäßen Fall.
3 zeigt Verläufe von Wärmeeinträgen bei einem Bauteil mit und ohne Belastung bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
4 zeigt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 sind in einem Diagramm Verläufe von kumulierten Belastungen B₁ und B₂ zweier Bauteile über einer Betriebsdauer t jeweils bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Bei den beiden Bauteilen kann es sich bspw. um Halbleiterelemente in einem Umrichter einer als Rekuperationsmaschine verwendeten elektrischen Maschine handeln.
Möglich ist aber auch, dass es sich bei dem Bauteil um eine Kohlebürste handelt, über die der Erregerstrom auf den Rotor einer elektrischen Maschine übertragen wird.
Weitere Beispiele für Bauteile, bei denen das Verfahren eingesetzt werden kann, sind Schaltmosfets eines DC-DC-Wandlers und Platinenbauteile (wie z.B. Keramikkondensatoren) einer Platine des DC-DC-Wandlers.
Ein noch weiteres Beispiel für ein solches Bauteil ist eine Batterie im Bordnetz.
Weiterhin sind in dem Diagramm auf der Hochwertachse eine aktuelle, kumulierte Lebensdauer t_ist und eine zu erwartende Lebensdauer t'_ist aufgetragen. Die kumulierte Lebensdauer t_st entspricht dabei einem aufgrund der ermittelten kumulierten Belastung verbrauchten Anteil an einer gesamten Soll-Lebensdauer t_max eines Bauteils. Die zu erwartende Lebensdauer t'_ist entspricht einer ausgehend vom Zeitpunkt der Ermittlung der Belastung bei linearer Extrapolation errechneten theoretischen Lebensdauer eines Bauteils.
Weiterhin ist ein Verlauf einer kumulierten Soll-Belastung B_soll gezeigt, die einer idealisierten, gleichmäßigen Belastung über die gesamte Betriebsdauer t hinweg entspricht, sodass genau die Soll-Lebensdauer t_max erreicht wird. Mit B_tol und B'_tol sind eine obere und eine untere Toleranzgrenze für die kumulierte Belastung eingezeichnet, welche jeweils einen Schwellwert darstellen, den eine aktuelle kumulierte Belastung über- oder unterschreiten kann oder muss, damit eine Änderung durchgeführt wird. Die Toleranzgrenzen nähern sich mit zunehmender Betriebsdauer t immer mehr der kumulierten Soll-Belastung B_soll an, d.h. die Schwellwerte werden mit zunehmender Betriebsdauer t immer geringer. Die oberen und die unteren Schwellwerte müssen dabei betragsmäßig nicht identisch sein, sondern können je nach Bedarf vorgegeben werden.
Anhand der beiden kumulierten Belastungen B₁ und B₂ wird im Folgenden ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert. Zum Zeitpunkt t₁ wird die kumulierte Belastung B₁ eines ersten Bauteils ermittelt. Wie bereits oben erwähnt, kann hierzu anhand eines Thermomodells und eines Temperaturverlaufs die Anzahl der Temperaturhübe ermittelt werden. Aus der kumulierten Belastung zum Zeitpunkt t₁ und ggf. weiterer, vorher ermittelter kumulierten Belastungen, kann eine lineare Extrapolation durchgeführt werden, welche eine erwartete Lebensdauer des ersten Bauteils ergibt (in 1 nicht mehr dargestellt, jedoch anhand der gestrichelten Linie zu erkennen). Dabei wird deutlich, dass diese zu erwartende Lebensdauer zum Zeitpunkt t₁ deutlich über der Soll-Lebensdauer t_max liegt.
Weiterhin ist zu erkennen, dass die kumulierte Belastung zum Zeitpunkt t₁ um mehr als einen Schwellwert ∆t_ist über der kumulierten Soll-Belastung B_soll zum selben Zeitpunkt liegt. Daher wird eine Größe, bspw. ein Strombetrag, der in dem ersten Bauteil fließt, geändert, vorliegend insbesondere reduziert. Im weiteren Verlauf der kumulierten Belastung B₁ ab dem Zeitpunkt t₁ ist zu sehen, dass die kumulierte Belastung über die Betriebsdauer t weniger stark zunimmt als vor dem Zeitpunkt t₁.
Hierzu sei angemerkt, dass die Größe bevorzugt nur dann verändert werden soll, wenn dies zur Vermeidung eines Ausfalls des Bauteils wirklich nötig ist, d.h. wenn bspw. auch im Rahmen einer Toleranz kein unveränderter Betrieb mehr möglich ist. Die Schwellwerte können dazu entsprechend gewählt werden. Dies liegt darin begründet, dass bspw. eine Reduzierung der Größe zu Beeinträchtigungen im Betrieb der Komponenten, welche das Bauteil aufweist, führt. Allerdings ist eine Einschränkung gegenüber einem Totalausfall zu bevorzugen.
Zum Zeitpunkt t₂ wird erneut ein aktueller Wert der kumulierten Belastung B₁ ermittelt, woraus in derselben Weise wie zum Zeitpunkt t₁ eine zu erwartende Lebensdauer, vorliegend t'_ist,2 ermittelt wird. Hier ist zu erkennen, dass die zu erwartende Lebensdauer t'_ist,2 unter der Soll-Lebensdauer t_max liegt. Daher wird der zugehörige Strombetrag wieder verändert, vorliegend erhöht. Zwar würde ohne diese Erhöhung das erste Bauteil nicht ausfallen, da die Soll-Lebensdauer t_max unterschritten wird, jedoch kann die verbleibende Rest-Lebensdauer durch die Erhöhung bestmöglich ausgenutzt werden.
Weiterhin ist am Verlauf der kumulierten Belastung B₁ zu erkennen, dass nach dem Zeitpunkt t₁, an dem eine Änderung des Stroms vorgenommen wird, eine Totzeit eingeführt wird, d.h. bis zum Zeitpunkt t₂ wird keine Änderung des Strombetrags mehr vorgenommen. Damit wird ein häufiger Wechsel der Betriebsweise des ersten Bauteils und somit auch eine zusätzliche Belastungsquelle, vermieden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass eine solche Erhöhung der Größe wie zum Zeitpunkt t₂ ggf. nur bis zu einem beim regulären Betrieb gewünschten oder benötigten Soll-Wert Sinn macht, da eine Erhöhung darüber hinaus möglicherweise auf andere Weise im Sinne einer Überlastung schädigend für das Bauteil wirken könnte und außerdem für einen ordnungsgemäßen Betrieb meist nicht nötig ist.
Zum Zeitpunkt t₃ wird die kumulierte Belastung B₂ eines zweiten Bauteils ermittelt. Aus der kumulierten Belastung zum Zeitpunkt t₃ und ggf. weiterer, vorher ermittelter kumulierten Belastungen, kann eine lineare Extrapolation durchgeführt werden, welche eine erwartete Lebensdauer t'_ist,3 des zweiten Bauteils ergibt. Dabei ist zu sehen, dass die zu erwartende Lebensdauer t'_ist,3 zum Zeitpunkt t₃ unter der Soll-Lebensdauer t_max liegt.
Weiterhin ist zu sehen, dass die kumulierte Belastung B₂ unter der Toleranzgrenze B'_tol und somit einen gewissen Schwellwert unter der kumulierten Soll-Belastung B_soll liegt. Daher wird eine zugehörige Größe, bspw. ein Stromgradient, erhöht, sodass die verbleibende Lebensdauer bis zur Soll-Lebensdauer t_max bestmöglich ausgenutzt wird.
In 2 sind Strom I durch bzw. in einem Bauteil und Wärmeeintrag ∆T in das Bauteil über der Zeit t in einem nicht erfindungsgemäßen Fall gezeigt. Strom I₀ stellt dabei einen bei regulärem Betrieb des Bauteils fließenden Strom dar. Mit ∆T₀ ist ein Verlauf des Wärmeeintrags bei nicht belastetem Bauteil und mit ∆T₁ ein Verlauf bei belastetem Bauteil gezeigt.
Dabei ist zu erkennen, dass der Wärmeeintrag ∆T_1,m zu einem Messzeitpunkt t_m bei belastetem Bauteil größer ist als der Wärmeeintrag ∆T_0,m bei unbelastetem Bauteil zum selben Messzeitpunkt t_m. Ein derart erhöhter Wärmeeintrag führt bei gleichbleibendem Strom I₀ über weitere Betriebszyklen hinweg zu einer Belastung zusätzlich zur ohnehin bereits vorhandenen Belastung durch den regulären Betrieb (bei angenommener unveränderter Belastung).
In 3 sind Strom I durch bzw. in einem Bauteil und Wärmeeintrag ∆T in das Bauteil über der Zeit t in einem erfindungsgemäßen Fall gezeigt. Strom I₀ stellt dabei einen bei regulärem Betrieb des Bauteils fließenden Strom dar. Mit ∆T₀ ist ein Verlauf des Wärmeeintrags bei nicht belastetem Bauteil gezeigt.
Bei erkannter Belastung wird nun der Verlauf des Stroms vom Verlauf I₀ zum Verlauf I₂ geändert. Vorliegend handelt es sich dabei um eine Änderung des Stromgradienten zu Beginn des Stromflusses. Mit ∆T₂ ist nun eine zum reduzierten Stromgradienten bzw. Strom I₂ gehöriger Wärmeeintrag bei belastetem Bauteil gezeigt. Zu einem Messzeitpunkt t_m unterscheiden sich die Wärmeeinträge ∆T_0,m und ∆T_2,m nicht voneinander.
Somit ist die durch den Stromfluss hinzukommende, zusätzliche Belastung des Bauteils nicht oder zumindest kaum von der über die Betriebsdauer kumulierten Belastung abhängig. Der eingangs erwähnte Effekt der Mitkoppelung wird somit vermieden und eine Soll-Lebensdauer des Bauteils kann, unabhängig von einer während der Betriebsdauer tatsächlich auftretenden Belastung, erreicht werden.
In 4 ist in einem Blockdiagramm ein möglicher Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem Schritt 100 wird eine aktuelle kumulierte Belastung eines Bauteils ermittelt. Zudem werden die Schädigungsarten und deren Stärken bzw. Intensitäten ermittelt.
In einem Schritt 110 werden eine erste Schädigungsart, bspw. eine Lotzerrüttung, und deren zugehörige Stärke identifiziert. Analog wird in einem Schritt 111 eine zweite Schädigungsart, bspw. eine Delamination, und deren zugehörige Stärke identifiziert. Entsprechend können, falls vorgesehen, weitere Schädigungsarten identifiziert werden.
Handelt es sich bei dem Bauteil um die Kohlebürste, kann als Schädigungsart der Verschleiß identifiziert werden.
Handelt es sich bei dem Bauteil um Schaltmosfets oder Platinenbauteile, insbesondere des DC-DC-Wandlers, kann als Schädigungsart eine Lotalterung diagnostiziert werden.
Handelt es sich bei dem Bauteil um die Batterie, kann als Schädigungsart ein Leistungs- und Kapazitätsverlust festgestellt werden, der sich z.B. auf Grund zu hoher Zyklisierung und/oder zu hohem Ladungsdurchsatz ergeben kann.
In einem Schritt 120 können nun bspw. in einer in einem Steuergerät hinterlegten Tabelle (Look-up Table) die zu den identifizierten Schädigungsarten und deren Stärken gehörigen Maßnahmen ermittelt werden.
In einem Schritt 130 wird nun die ermittelte Maßnahme zu der ersten Schädigungsart umgesetzt. Bspw. kann ein Strombetrag, in Abhängigkeit von der ermittelten Stärke, begrenzt werden. Entsprechend wird in einem Schritt 131 die ermittelte Maßnahme zu der zweiten Schädigungsart umgesetzt. Bspw. kann hier ein Stromgradient entsprechend der ermittelten Stärke reduziert werden. Dieser Ablauf kann, je nach gewünschter oder geforderter Umsetzung, nach einer gewissen Betriebsdauer wiederholt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013203661 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Bordnetz, das wenigstens ein elektrisches oder elektronisches Bauteil aufweist, das während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs durch eine Belastung belastet wird, wobei eine kumulierte Belastung (B₁, B₂) des wenigstens einen Bauteils ermittelt wird, wobei wenigstens eine Schädigungsart, die zur Belastung beiträgt, ermittelt wird, wobei eine aufgrund der ermittelten kumulierten Belastung (B₁, B₂) zu erwartende Lebensdauer (t'_ist,2, t'_ist,3) des wenigstens einen Bauteils ermittelt wird, und wobei wenigstens eine in Abhängigkeit von der wenigstens einen Schädigungsart ausgewählte, das wenigstens eine Bauteil beim Betrieb schädigende Größe (I) in eine belastungsreduzierende Richtung verändert wird, wenn die zu erwartende Lebensdauer (t'_ist,2, t'_ist,3) des wenigstens einen Bauteils von einer Soll-Lebensdauer (t_max) abweicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Größe (I) nur verändert wird, wenn die ermittelte kumulierte Belastung (B₁, B₂) von einer kumulierten Soll-Belastung entsprechend der Soll-Lebensdauer (t_max) um mehr als einen Schwellwert (∆t_ist) abweicht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schwellwert (∆t_ist) mit zunehmendem Anteil an der Soll-Lebensdauer (t_max) zum Zeitpunkt (t₁, t₂, t₃) der Ermittlung der zu erwartenden Lebensdauer (t'_ist,2, t'_ist,3) geringer wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die kumulierte Belastung (B₁, B₂) durch Ermitteln einer Anzahl und Höhe durchlaufener Temperaturhübe des Bauteils ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Stärke der wenigstens einen Schädigungsart ermittelt wird und wobei die wenigstens eine Größe (I) in Abhängigkeit von der Stärke verändert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Größe (I) einen Strombetrag umfasst, insbesondere wenn die wenigstens eine Schädigungsart eine Degradation einer Lötstelle umfasst, und/oder einen Stromgradienten umfasst, insbesondere wenn die wenigstens eine Schädigungsart eine Delamination umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Größe einen Spannungsbetrag und/oder Spannungsgradienten umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Größe (I) in eine belastungsreduzierende Richtung verändert wird, wenn die zu erwartende Lebensdauer (t'_ist,2, t'_ist,3) geringer als die Soll-Lebensdauer (t_max) ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Größe (I) in eine belastungserhöhende Richtung verändert wird, wenn die zu erwartende Lebensdauer (t'_ist,2, t'_ist,3) größer als die Soll-Lebensdauer (t_max) ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die wenigstens eine Größe (I) höchstens bis zu einem Soll-Wert für einen regulären Betrieb verändert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Totzeit für weitere Veränderungen für das wenigstens eine Bauteil vorgesehen wird, wenn die wenigstens eine Größe (I) verändert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Bauteil um ein Bauteil einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Bauteil eines Umrichters der elektrischen Maschine, handelt.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.