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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Klimatisieren (Kühlen und/oder Heizen) einer Komponente einer leistungselektronischen Schaltung, wie beispielsweise eines Inverters (Wechselrichter). Zu der Erfindung gehören auch eine Steuervorrichtung für eine solche leistungselektronische Schaltung sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Schaltung.
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Heute werden Leistungselektroniken so entwickelt, dass unter nicht beeinflussbaren, d.h. hinzunehmenden oder gegebenen, Kühlmittel-Bedingungen (Temperatur und Flussrate) die vorgegebene Performanz (zum Beispiel ein Phasenstrom größer als eine vorgegebene Stromstärke für eine vorgegebene Mindestzeitdauer) möglichst gut in einem vorgegebenen Kühlmittel-Temperaturbereich erfüllt wird (zum Beispiel von -40°C bis +85°C).
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Durch diese Anforderung muss z.B. ein Inverter entweder für die meisten Kühlmittel-Arbeitspunkte überdimensioniert werden, was zu einer kostenintensiven Herstellung führt, oder alternativ dazu eine Performanzbegrenzung erzwungen werden, was sowohl bei sehr hoher Betriebstemperatur (aufgrund von Überhitzung) als auch bei sehr niedriger Kühlmitteltemperatur (Zähflüssigkeit des Kühlmittels) vorliegen kann.
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Man ist daher an einer aktiven Kühlung mittels eines Kühlmittels interessiert. Aus der
DE 10 2007 042 586 A1 ist hierzu eine Temperaturregelung bekannt, die bei einem Halbleiter-Bauelement einen Ist-Temperaturwert auf einen Soll-Temperaturwert regelt. Der Ist-Temperaturwert kann mittels eines Temperaturmodells indirekt ermittelt werden.
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Das Regeln auf einen Soll-Temperaturwert weist den Nachteil auf, dass unter Umständen drastische Kühlmaßnahmen oder Heizmaßnahmen ergriffen werden, um den Soll-Temperaturwert zu erreichen. Der sich hierbei ergebende zeitliche Temperaturgradient kann eine mechanische Belastung für das Bauteil bedeuten.
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Aus der
EP 2 200 079 A1 ist das aktive Kühlen eines Inverters mittels eines flüssigen Kühlmediums bekannt. Die Fördermenge wird derart eingestellt, dass die Temperatur eines Halbleiter-Bauelements konstant bleibt. Auch dies erfordert bei einer großen Abweichung der Ist-Temperatur von dem Zielwert einen entsprechend steilen oder großen Temperaturgradienten, was ebenfalls zu der beschriebenen mechanischen Belastung (mechanischer Stress) führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Komponente einer leistungselektronischen Schaltung schonend zu klimatisieren.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figur beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Klimatisieren einer Komponente einer leistungselektronischen Schaltung und kann durch eine Steuervorrichtung durchgeführt werden, die beispielsweise als ein Steuergerät ausgestaltet sein kann, wie es z.B. für ein Kraftfahrzeug möglich ist. Durch die Steuervorrichtung kann mittels eines thermischen Modells der leistungselektronischen Schaltung und/oder mittels eines Temperatursensors eine Komponententemperatur der zu klimatisierenden Komponente ermittelt werden. Eine solche Komponente kann beispielsweise ein Transistor sein. Durch die Steuervorrichtung wird dann die Klimatisierung durch zumindest eine Kühlmaßnahme und zumindest eine Heizmaßnahme durchgeführt. Dies ist an sich so aus dem Stand der Technik bekannt.
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Um nun zu verhindern, dass es hierbei zu mechanischem Stress aufgrund ungleichmäßiger Tempelregierung einzelner Elemente der Komponente oder allgemein der Schaltung kommt, sind folgende zusätzliche Maßnahmen durch die Erfindung vorgesehen. Die Klimatisierung umfasst zusätzlich zumindest eine Glättungsmaßnahme. Mit Glättungsmaßnahme ist hierbei gemeint, dass ein zeitlicher Temperaturgradient der Komponententemperatur betragsmäßig begrenzt wird. Das Kühlen und/oder Heizen der Komponente erfolgt also mit einem begrenzten Änderungsgrad oder einer begrenzten Änderungsrate der Komponententemperatur. Würde man diese Glättungsmaßnahme allein ergreifen, würde dies bei einer Sollwert-Temperaturregelung nur zu eine langsameren Regelung führen. Zusätzlich ist deshalb vorgesehen, dass die Klimatisierung vorsieht, dass die Komponententemperatur innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbands gehalten wird. Es wird also nicht auf einen einzelnen Sollwert geregelt, sondern die Temperatur darf innerhalb des Temperaturbands driften. Mit Temperaturband ist hierbei ein Temperaturbereich oder ein Temperaturfenster gemeint, das mehrere unterschiedliche Temperaturwerte oder ein Werteintervall umfasst. Beispielsweise kann ein Temperaturband von 0°C bis 50°C für die Komponente vorgesehen sein. Innerhalb des Temperaturbands kann nun die Komponententemperatur mittels der Glättungsmaßnahme zwischen den Bandgrenzen (obere Bandgrenze und untere Bandgrenze) beispielsweise vorausschauend geführt werden, sodass keine drastische Kühlmaßnahme oder Heizmaßnahme nötig wird. Indem kein Sollwert angestrebt wird, sondern die Temperatur mittels der Glättungsmaßnahme innerhalb des Bandes geführt werden oder driften kann, kann beispielsweise bei einem bevorstehenden, Verlustwärme erzeugenden Betrieb zuvor vorsorglich die Temperatur an das untere Temperaturband geführt werden.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Komponente schonend betrieben wird. Hierbei sind auch vorausschauende, vorbereitende Kühlmaßnahmen und/oder Heizmaßnahmen möglich, um die aktuelle Temperatur günstig in dem Temperaturband zu platzieren, um eine bevorstehende Betriebsphase vorzubereiten. Dies ist möglich, da kein einzelner Soll-Temperaturwert eingehalten werden muss, sondern die Komponententemperatur in einem Temperaturband verstellt werden darf. Die Glättungsmaßnahme stellt dabei si-cher, dass es trotz einer Temperaturänderung der Komponente innerhalb des Temperaturbands zu keiner unnötigen Materialermüdung beispielsweise der Verbindungstechnik der Komponente, also zum Beispiel von Lötstellen, kommt. Wird das Temperaturband verlassen, so stehen als Komponentenschutz die Kühlmaßnahme und die Heizmaßnahme zu Verfügung, um eine thermische Belastung der Komponente zu vermeiden.
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Zu der Erfindung gehören auch optionale technische Merkmale, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Die zumindest eine Kühlmaßnahme und/oder die zumindest eine Heizmaßnahme kann die Nutzung eines schaltungsexternen Klimasystems vorsehen. So kann vorgesehen sein, dass der Schaltung Klimatisierungsleistung aus einen Kühlkreislauf zumindest eines schaltungsexternen Geräts und/oder aus einem Heizkreislauf des zumindest einen schaltungsexternen Geräts zugeführt wird. Zu beachten ist hierbei, dass sowohl ein Kühlkreislauf als auch ein Heizkreislauf sowohl zum Kühlen als auch zum Wärmen genutzt werden kann, je nachdem, ob die Schaltung stromaufwärts oder stromabwärts einer jeweiligen Energiesenke des Kühlkreislaufs oder einer Energiequelle des Heizkreislaufs angeordnet ist. So kann in einem Heizkreislauf die Schaltung gekühlt werden, indem das zu beheizende Fluid zunächst an der Schaltung vorbeigeführt wird und hierdurch das Fluid durch die Abwärme der Schaltung vorgeheizt wird.
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Es kann auch ein Aufteilen der Klimatisierungsleistung vorgesehen sein, indem die Schaltung beispielsweise mittels eines Kühlkreislaufs gekühlt wird und hierdurch beispielsweise eine Innenraumklimatisierung eines Kraftfahrzeugs weniger Klimatisierungsleistung für den Innenraum selbst zur Verfügung steht. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass z.B. eine Wärmemaschine mit elektrischem Klimakompressor und/oder eine Wärmepumpe eines schaltungsexternen Klimatisierungskreislaufs (Kühlkreislauf und/oder Heizkreislauf) z.B. in einem Kraftfahrzeug auch für die Schaltung genutzt werden kann.
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Für eine Kopplung der Schaltung mit dem schaltungsexternen Klimatisierungskreislauf des zumindest einen Geräts ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schaltung einen schaltungseigenen Kühlkreislauf mit einer aktiven Fluidkühlung (zum Beispiel Wasserkühlung oder Luftkühlung oder Ölkühlung) aufweist. Zum Zuführen der Klimatisierungsleistung kann vorgesehen sein, dass ein Mischer-Ventil zum Koppeln des schaltungseigenen Kühlkreislaufs mit dem schaltungsexternen Kühlkreislauf oder Heizkreislauf eingestellt wird. Somit kann der Grad der für die Klimatisierung der Schaltung abgezweigten oder abgeleiteten Klimatisierungsleistung mittels des Mischer-Ventils eingestellt werden. Indem ein eigener schaltungseigener Kühlkreislauf bereitgestellt ist, ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass durch Schließen des Mischer-Ventils zunächst der schaltungseigene Kühlkreislauf durch Abwärme der Komponente selbst aufgeheizt wird, um eine vorbestimmte oder benötigte Betriebstemperatur zu erhalten, also beispielsweise eine Temperatur größer als die untere Bandgrenze des besagten Temperaturbands. Bevorzugt ist eine Wärmekapazität des schaltungseigenen oder schaltungsinternen Kühlkreislaufs kleiner als eine Wärmekapazität einer Fluidmenge des schaltungsexternen Kühlkreislaufs oder Heizkreislaufs.
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Die leistungselektronische Schaltung lässt sich über diese thermische Kopplung insbesondere mit zumindest einem Gerät koppeln, das ein elektrisches Ladegerät und/oder ein DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) und/oder eine Klimaanlage und/oder eine Bremswiderstand eines elektrischen Antriebs darstellt. Diese lassen sich besonders effektiv für die Klimatisierung mit einer leistungselektronischen Schaltung koppeln. Das zumindest eine Gerät ist insbesondere in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt.
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In Bezug auf die besagte Heizmaßnahme kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass eine Verlustleistung innerhalb der Schaltung durch Verändern eines Betriebspunkts der leistungselektronischen Schaltung vergrößert wird. Mit anderen Worten kann durch Einstellen eines neuen Betriebspunkts im Vergleich zum alten Betriebspunkt die Verlustleistung vergrößert werden, also die Entstehung von Abwärme. Mit anderen Worten wird die Schaltung ineffektiver betrieben als im aktuellen Anforderungsfall nötig ist. Somit entsteht die Heizleistung unmittelbar in der zu klimatisierenden Komponente. Dies ist besonders verzögerungsarm.
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In Bezug auf die Kühlmaßnahme kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass eine Verlustleistung innerhalb der Schaltung durch Verändern eines Betriebspunkts verringert wird und dafür bei einer durch die Schaltung gesteuerten elektrischen Maschine, deren Verlustleistung vergrößert wird. Dies kann bei zeitlich begrenzten Belastungsfällen günstig sein. Grund dafür ist, dass eine elektrische Maschine eine größere Wärmekapazität als die Komponente einer leistungselektronischen Schaltung aufweist.
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Als beschriebene Maßnahme zum Verändern der Verlustleistung innerhalb der Schaltung haben sich insbesondere die folgenden erwiesen, von denen eine oder mehrere in Kombination angewendet werden können. Es kann ein Ansteuerverfahren umgestellt werden. Beispielsweise kann von einer Space Vector Modulation, SVM, auf einen Blockbetrieb umgeschaltet werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine Schaltfrequenz bei einer Pulsweitenmodulation umgestellt werden.
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Die dritte beschriebene Maßnahme ist die Glättungsmaßnahme. Diese kann umfassen, dass auf der Grundlage von Betriebsstrategiedaten erkannt wird, dass ein Anstieg einer Verlustleistung in der Schaltung bevorsteht. Die Betriebsstrategiedaten beschreiben eine durch die leistungselektronische Schaltung umzusetzende oder bereitzustellende elektrische Leistung für einen zukünftigen Zeitpunkt oder Zeitraum. Bevorzugt wird dann mittels einer vorbereitenden Kühlung die Komponententemperatur zu einer unteren Bandgrenze des Temperaturbands hin gekühlt. Hierdurch wird Wärmekapazität oder Wärmeaufnahmefähigkeit geschaffen. Es kann mehr Wärmeenergie in der Komponente entstehen, ohne dass hierdurch die Komponententemperatur das Temperaturband über die obere Bandgrenze hinaus verlässt. Falls sich die leistungselektronische Schaltung in einem Kraftfahrzeug befindet, können auch Streckendaten genutzt werden, die beispielsweise einen Steigungsverlauf einer Straße beschreiben. Es können auch Kameradaten genutzt werden, in denen Kamerabilder enthalten sind, die beispielsweise eine vorausliegende Anhöhe oder einen vorausliegende Steigung abbilden. Eine Bilderkennungseinrichtung kann dann in an sich bekannter Weise einen vorausliegenden Hügel oder eine vorausliegende Straßensteigung erkennen.
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Als besonders geeignete Glättungsmaßnahme zum Verändern der Temperatur mit vorbestimmten betragsmäßig maximalen Gradienten (also Begrenzung von positiven und negativen Gradienten) hat sich erwiesen, dass die Komponententemperatur mittels einer Delta-T-Regelung (T - Temperatur, Delta - Unterschied) geregelt wird. Es wird also nicht auf einen Sollwert der Temperatur geregelt, sondern stattdessen wird eine Steigung des Temperaturverlaufs der Komponententemperatur auf eine Soll-Steigung geregelt. Hierdurch kann die Temperatur ungehindert innerhalb des Temperaturbands variiert oder verändert werden. Man ist also unabhängig von einem fest vorgegebenen Sollwert für die Komponententemperatur selbst. Lediglich die Steigung ist begrenzt oder auf einen Soll-Steigungswert festgelegt.
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Das Verfahren hat sich insbesondere als geeignet herausgestellt für eine leistungselektronische Schaltung, die einen Inverter für eine elektrische Maschine aufweist. Mit anderen Worten wird durch das Verfahren bevorzugt als Schaltung ein Inverter klimatisiert. Die Komponententemperatur betrifft hierbei insbesondere eine Chiptemperatur, wobei der Chip beispielsweise als ein Transistor fungieren kann.
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Um das Verfahren in einer leistungselektronischen Schaltung durchführen zu können, ist durch die Erfindung auch eine Steuervorrichtung bereitgestellt. Diese weist eine Logikschaltung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Logikschaltung kann hierzu schaltungslogische Bauelemente, wie logische Gatter, aufweisen oder auch einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor, der durch einen Programmcode gesteuert wird, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Schaltungslogik das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
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Bevorzugt ist der Einsatz der Erfindung in einem Kraftfahrzeug mit elektrischem Antriebsmotor vorgesehen. Der Antriebsmotor kann Bestandteil eines rein elektrischen Antriebssystems oder eines hybriden Antriebssystems sein. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist einen Inverter als leistungselektronische Schaltung auf. Des Weiteren ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zum Klimatisieren des Inverters vorgesehen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist insbesondere als Kraftwagen, bevorzugt als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, ausgestaltet.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und
- 2 ein Diagramm mit einem schematisierten zeitlichen Verlauf einer Komponententemperatur.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich zum Beispiel um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, handeln kann. Dargestellt sind eine leistungselektronische Schaltung 11, eine elektrische Maschine 12, ein in Bezug auf die Schaltung 11 schaltungsexternen Klimatisierungskreislauf 13 und eine Steuervorrichtung 14. Die Schaltung 11 kann zum Beispiel ein Inverter für die elektrische Maschine 12 sein. Die elektrische Maschine 12 kann beispielsweise eine Antriebsmaschine für einen Fahrantrieb des Kraftfahrzeugs 10 sein. Durch den Inverter 11 können in an sich bekannter Weise Phasenströme 15 in der elektrischen Maschine 12 geschaltet werden. Hierzu kann die Schaltung 15 eine Komponente 16 aufweisen, bei der es sich insbesondere um einen Chip oder einen integrierten Schaltkreis zum Bereitstellen eines Schalttransistors oder mehrerer Schalttransistoren handeln kann. Mittels der Komponente 16 können beispielsweise die Phasenströme 15 geschaltet werden. Hierbei kann eine Verlustleistung 17 in Form von Wärme an der Komponente 16 entstehen. In Abhängigkeit von der Verlustleistung 17 kann eine Komponententemperatur 18 sich verändern. Zum Kühlen der Komponente 16 kann ein schaltungseigener interner Kühlkreislauf 19 bereitgestellt sein. Der interne Kühlkreislauf 19 kann mit dem Klimatisierungskreislauf 13 gekoppelt sein. Beispielsweise kann mittels eines Mischer-Ventils 20 ein Maß oder eine Menge einer Klimatisierungsleistung 21, die zwischen dem internen Kreislauf 19 und dem Klimatisierungskreislauf 13 ausgetauscht wird, eingestellt oder gesteuert werden. Der Klimatisierungskreislauf 13 kann beispielsweise durch eine Klimaanlage des Kraftfahrzeugs 10 und/oder einen Kühlkreislauf oder Heizkreislauf beispielsweise eines DC/DC-Wandlers und/oder eines anderen Geräts 22, beispielsweise eines Ladegeräts für eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs 10, sein.
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Die Steuervorrichtung 14 kann einen aktuellen Wert der Komponententemperatur 18 ermitteln. Hierzu kann ein Temperatursensor vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuervorrichtung 14 mittels eines Modells die aktuelle Komponententemperatur 18 ermitteln. 2 zeigt zur Veranschaulichung weiterer Funktionen der Steuervorrichtung 14 über der Zeit t die Komponententemperatur 18 als Temperatur T. Die Steuervorrichtung 14 ist dazu eingerichtet, die Komponententemperatur 18 innerhalb eines Temperaturbands 23 zu halten. Liegt die Komponententemperatur 18 unterhalb einer unteren Bandgrenze 24, so kann eine Heizmaßnahme 25 durchgeführt werden. Liegt die Komponententemperatur 18 oberhalb einer oberen Bandgrenze 26, so kann eine Kühlmaßnahme 27 und zumindest eine Glättungsmaßnahme 28 durchgeführt werden. Durch die Glättungsmaßnahme 28 wird ein Gradient 29 des zeitlichen Verlaufs der Komponententemperatur 18 betragsmäßig kleiner als ein vorbestimmter Höchstwert gehalten. D.h. die Temperatur verändert sich über der Zeit langsamer als eine vorbestimmte maximale Höchstgeschwindigkeit. So kann beispielsweise auf der Grundlage von einer Vorausschau 30, beispielsweise auf der Grundlage von Navigationsdaten, eine bevorstehende Belastung oder ein bevorstehender Wert für die Verlustleistung 17 ermittelt werden und der Verlauf der Komponententemperatur 18 in einer vorbereitenden Kühlung 31 nahe der unteren Bandgrenze 24 gehalten werden, sodass in einer anschließenden, prädizierten Lastphase 32 der Verlauf der Komponententemperatur 18 zu einem größeren Teil innerhalb des Temperaturbandes 23 verläuft als ohne die vorbereitenden Kühlung 31.
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Durch die genannten Maßnahmen 25, 27, 28 kann in vorbestimmten Anwendungsfällen, beispielsweise der Spitzenlastphase 32, das Material der Leistungselektronik der Schaltung 11 (zum Beispiel die Halbleiter) mit geringerer Wärmekapazität ausgestaltet sein, d.h. es kann schon bei der Herstellung der Schaltung 11 Material eingespart werden. Dennoch kann zuverlässig die Spitzenlastphase 32 durchlaufen werden, ohne dass es zu einer Überhitzung kommt.
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Die Schätzung der Komponententemperatur 18 kann mittels eines thermischen Modells der Leistungselektronik erfolgen, sodass die Chiptemperatur der Komponente 16 bekannt ist. Durch dieses Wissen ist es möglich, die Kühlung/Heizung der Leistungselektronik zu gestalten. Hierbei wird das Temperaturband 23 für den Betrieb der Leistungselektronik ausgenutzt und eingehalten. Das Temperaturband 23 kann sich beispielsweise in einem Bereich von 0 bis 50°C erstrecken. Dies bedeutet wiederum, dass je nach System, beispielsweise der dargestellte Antrieb, verschiedene thermische Maßnahmen bereitgestellt werden, um die Konditionierung der Leistungselektronik und die Einhaltung des Temperaturbandes zu gewährleisten. Somit ergibt sich eine aktive Kühlung über Kältekreismittel, Wärmespeicher oder allgemein die besagten schaltungsexternen Klimatisierungskreisläufe 13.
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Durch die geringere Materialbelastung kann Material eingespart werden, ohne die Zuverlässigkeit der Schaltung 11 zu gefährden. Es ergibt sich eine Reduzierung der Stücklistenkosten des gesamten Systems „Leistungselektronik“ und ein aufgewertetes Kühlsystem, da keine signifikante Überdimensionierung der Leistungselektronik zum Bereitstellen einer Wärmekapazität für die Gewährleistung der vollen Funktion in einem breiten Temperaturband nötig ist. Durch den begrenzten Temperaturgradienten ergibt sich eine Erhöhung der Lebensdauer der Leistungselektronik, insbesondere von deren Verbindungstechnik. Die Reduktion der Leistungseinbußen im gesamten Betriebsbereich, wie es durch ein Derating bei sehr kalten Kühlmitteltemperaturen aufgrund der höheren Viskosität des Fluids bisher der Fall ist, kann durch die Heizmaßnahme 25 vermieden werden. Ein Derating bei sehr heißen Kühlmitteltemperaturen kann durch die Kühlmaßnahme 27 vermieden werden, da ein ausreichender Wärmestrom abtransportiert werden kann.
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Entscheidende Elemente sind hierbei das Temperaturfenster oder das Temperaturband 23, welches anstelle eines einzelnen Sollwerts für die Temperatur beim Durchführen der Maßnahmen 25, 37, 28 zur Verfügung steht. Des Weiteren wird der Materialstress durch die Glättungsmaßnahme reduziert.
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Insgesamt stellt die Steuervorrichtung 14 somit einen oder mehrere oder alle der folgenden Aspekte bereit:
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Temperatur-Fensterregelung (z.B. 0°C bis 50°C) zur Erhöhung der Verfügbarkeit der maximalen Leistungsfähigkeit.
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Durch eine Regelung der Kühlmitteltemperatur im Temperaturfenster erhält man Folgendes:
- - Optimale Viskosität des Kühlmediums oder Kühlfluids (bei <0°C verändert sich z.B. die Viskosität eines Wasser-Glykol-Gemisches). Dies ergibt eine optimale/volle Flowrate/Durchflussrate.
- - Einhaltung des maximalen Delta-T zwischen T_j (Sperrschichttemperatur eines Transistors) und des Kühlmediums T_Coolant (die oberhalb 50°C reicht Delta_T_max nicht mehr erreicht werden, da T_j_krit überschritten würde und eine HL-Zerstörung die Folge wäre)
- - 0°C gilt hier nur exemplarisch, bei anderen Systemen (z.B. anderer hydraulischer Druckabfall) kann sich eine andere Grenze ergeben
- - 50°C inklusive maximalem Delta_T (T_j - T_Coolant) gilt hier nur exemplarisch für den z.B. einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Bei einem anderen IGBT oder anderem Halbleiter-Schalter (z.B. SiC) kann sich eine andere Grenze ergeben -> In einem konkreten System (konkrete Schaltung und Fahrzeug) wären die untere- und obere Bandgrenze fix.
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Bei dem Kraftfahrzeug 10 kann durch interne Maßnahmen des Inverters selber, aber auch durch externe Maßnahmen von anderen Komponenten im Kühlsystem die Komponententemperatur im Zielfenster (Temperaturband 23) gehalten werden.
- 1. Heizen (Heizmaßnahmen 25)
- 1.1 Inverter-Heizung durch gezieltes generieren von P_V (Verlustleistung)
- 1.2 Mischen mit anderen Kühlkreisläufen (z.B. Zusammenschalten von Heiz- und Inverterkühlkreislaut), z.B. ein Bremswiderstand oder eine Wärmepumpe im Heizkreislauf würde hier als Wärmequelle fungieren
- 1.3 Aufheizen eines inneren Kühlkreislaufs 19, bis T im Zielfenster, dann langsames Mischen des Kühlmittels mit einem äußeren/anderen Kühlreislauf (Mischer-Ventil 20).
- 1.4 Design des Kühlkreislaufs derart, dass die Verlustleistung vom einem Ladevorgang (z.B. P_V aus Ladegerät oder diverse DC-DC-Wandler) indem z.B. die Komponenten im selben Kühlkreis hängen gewisse Komponenten (z.B. Inverter oder Akkumulator) vorkonditioniert.
- 2. Kühlen (Kühlmaßnahmen 29)
- 2.1 Gezielte (vorübergehende) Verschiebung der Verlustleistung aus dem Inverter in den Elektromotor:
- - durch Umstellung des Ansteuerverfahrens (Beispiel: Umstellung von Space Vector Modulation (Raumzeigermodulation) auf Blockbetrieb)
- - durch Umstellung der Schaltfrequenz
- 2.2 Mischen mit anderen Kühlkreisläufen (z.B. Zusammenschalten von Akku- und Inverterkühlkreislauf) ; der Akkumulator würde hier als Wärmesenke fungieren
- 2.3 Kopplung des Inverterkühlkreislaufs 19 mit einem Kreislauf 13, indem eine Klimaanlage vorhanden ist (z.B. der Akkukühlkreislauf), da dort ein EKK (elektrischer Klimakompressor) angeschlossen ist
- 3. Glättung des Temperaturverlaufs durch Temperatur-Prädiktion der Kühlmitteltemperatur (Glättungsmaßnahmen 28)
- 3.1 Wenn durch Streckendaten (Stichwort: eHorizon) vorhersehbar ist, dass die P_V die nächsten Sekunden/Minuten steigen wird, dann kann das Kühlsystem entsprechend vorbereitet werden (schon im Vorhinein mehr kühlen).
- 3.2 Delta-T-Regelung, sodass die Temperatur des Halbleiters (z.B. ausgehend von Volllast auf Teillast oder Leerlauf/Nulllast) mit begrenztem Gradientenbetrag sinkt oder steigt, sodass sich Halbleiter, Verbindungstechnik und DCB (Direct copper bonded) trotz unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten homogen ausdehnen bzw. wieder zusammenziehen können. Wenn Temperatur innerhalb des Temperaturfensters gehalten wird, hilft dies der Lebensdauer.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein Temperatur-Fenster und eine Temperatur-Gradientenregelung zur Leistungssteigerung und Lebensdauererhöhung eines leistungselektronischen Stellglieds, z.B. eines Inverters, bereitgestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Schaltung
- 12
- Elektrische Maschine
- 13
- Klimatisierungskreislauf
- 14
- Steuervorrichtung
- 15
- Phasenströme
- 16
- Komponente
- 17
- Verlustleistung
- 18
- Komponententemperatur
- 19
- Schaltungsinterner Kühlkreislauf
- 20
- Mischer-Ventil
- 21
- Klimatisierungsleistung
- 22
- Gerät
- 23
- Temperaturband
- 24
- Untere Bandgrenze
- 25
- Heizmaßnahme
- 26
- Obere Bandgrenze
- 27
- Kühlmaßnahme
- 28
- Glättungsmaßnahme
- 29
- Zeitlicher Temperaturgradient
- 30
- Streckendaten
- 31
- Vorbereitende Phase
- 32
- Spitzenlastphase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007042586 A1 [0004]
- EP 2200079 A1 [0006]
