DE102018208618A1 - Method for determining the temperature of an electrical / electronic component, circuit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur zumindest eines elektrischen/elektronischen wärmeerzeugenden Bauteils (2,6) einer elektrischen Schaltung (1), insbesondere Steuergerät oder Leistungselektronik, welche zumindest einen Temperatursensor (3) und ein oder mehrere zwischen dem Temperatursensor (3) und dem Bauteil (2,6) angeordnete, Wärme von dem Bauteil (2,6) zu dem Temperatursensor (3) leitende Elemente (5) aufweist, mit folgenden Schritten:a) Erfassen einer Temperatur (Tmittels des Temperatursensors (3),b) Ermitteln der Verlustleistung (P) des Bauteils (2,6),c) Ermitteln der Wärmekapazität (C) jedes zwischen dem Bauteil (2,6) und dem Temperatursensor (3) angeordneten Elements (5),d) Ermitteln von Wärmeübertragungswiderständen (R), die jeweils zwischen den benachbarten Elementen (5), dem Bauteil (2,6) und dem Temperatursensor (3) wirken,e) Bestimmen der Temperatur des Bauteils (2,6) in Abhängigkeit der ermittelten Verlustleistung, Wärmeübertragungswiderstände (R), Wärmekapazitäten (C) und der erfassten Temperatur (T).The invention relates to a method for determining the temperature of at least one electrical / electronic heat-generating component (2,6) of an electrical circuit (1), in particular control unit or power electronics, which has at least one temperature sensor (3) and one or more between the temperature sensor (3). and the component (2,6) arranged, heat from the component (2,6) to the temperature sensor (3) conductive elements (5), comprising the following steps: a) detecting a temperature (Tmittels of the temperature sensor (3), b ) Determining the power loss (P) of the component (2,6), c) determining the heat capacity (C) of each element (5) arranged between the component (2,6) and the temperature sensor (3), d) determining heat transfer resistances ( R), each acting between the adjacent elements (5), the component (2,6) and the temperature sensor (3), e) determining the temperature of the component (2,6) in dependence on the determined power loss, heat transfer resistances (R), heat capacities (C) and the detected temperature (T).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur zumindest eines elektrischen/elektronischen wärmeerzeugenden Bauteils einer elektrischen Schaltung, insbesondere Steuergerät oder Leistungselektronik, welche zumindest einen Temperatursensor und ein oder mehrere zwischen dem Temperatursensor und dem Bauteil angeordnete, Wärme von dem Bauteil bis zu dem Temperatursensor leitende Elemente aufweist.The invention relates to a method for determining the temperature of at least one electrical / electronic heat-generating component of an electrical circuit, in particular control unit or power electronics, which at least one temperature sensor and one or more arranged between the temperature sensor and the component, heat from the component to the temperature sensor conductive Has elements.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltung mit zumindest einem elektrischen/elektronischen Bauteil, dessen Temperatur zu überwachen ist, mit einem entfernt von dem Bauteil angeordneten Temperatursensor und mit einem oder mehreren Elementen, die zwischen dem Bauteil und dem Temperatursensor angeordnet sind und Wärme von dem Bauteil bis zu dem Temperatursensor leiten, und mit einer Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, die Schaltung zu betreiben und die Temperatur des Bauteils zu überwachen.Furthermore, the invention relates to a circuit having at least one electrical / electronic component, whose temperature is to be monitored, with a remote from the component temperature sensor and one or more elements which are arranged between the component and the temperature sensor and heat from the component to to the temperature sensor, and to a control unit configured to operate the circuit and to monitor the temperature of the component.
Stand der TechnikState of the art
Verfahren und Schaltungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Erwärmung eines elektrischen/elektronischen Bauteils unter Last kann für viele Anwendungen zu einem Problem führen. So kann die Erwärmung zum einen zur Beschädigung des Bauteils selbst oder auch zur Beschädigung benachbarter Bauteile führen oder beispielsweise Messergebnisse verfälschen. Daher ist es von Bedeutung, die durch Erwärmung resultierende thermische Belastung ausreichend genau vorhersehen zu können. Aufgrund der schweren Machbarkeit, eine Messstelle an jedem Bauteil zu gestalten oder vorzusehen, sowie aufgrund des Wunsches, zusätzliche Temperatursensoren einzusparen, ist es bekannt, an dem Bauteil selbst keinen Temperatursensor auszubilden/vorzusehen. Jedoch ist es bekannt, mithilfe eines separaten Temperatursensors, der insbesondere entfernt von dem Bauteil angeordnet ist, das thermische Verhalten des Bauteils mithilfe der verfügbaren Temperaturinformation abzuschätzen. Hierzu wird üblicherweise ein physikalisch plausibles Modell aufgebaut, das den Wärmeübergang von dem Bauteil, das eine Wärmequelle darstellt und den Temperatursensor nachbildet. Anhand der erfassten Temperaturinformation in der Nähe des Bauteils und der beispielsweise berechenbaren Verlustleistung den Bauteils ist ein hinreichend genaues Temperaturverhalten des Bauteils mit dem Modell abschätzbar.Methods and circuits of the type mentioned are known from the prior art. Heating an electrical / electronic component under load can be a problem for many applications. Thus, the heating on the one hand lead to damage of the component itself or to the damage of adjacent components or distort, for example, measurement results. It is therefore important to be able to predict the thermal load resulting from heating with sufficient accuracy. Due to the difficult feasibility to design or provide a measuring point on each component, as well as due to the desire to save additional temperature sensors, it is known to form on the component itself no temperature sensor / provide. However, it is known to estimate the thermal behavior of the component using the available temperature information by means of a separate temperature sensor, which is arranged in particular away from the component. For this purpose, a physically plausible model is usually constructed, which simulates the heat transfer from the component, which represents a heat source and the temperature sensor. On the basis of the detected temperature information in the vicinity of the component and, for example, the calculated power loss of the component, a sufficiently accurate temperature behavior of the component can be estimated using the model.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass in vorteilhafter Weise die Temperatur des Bauteils genau bestimmbar ist, und dass darüber hinaus ermöglicht wird, bei Vorhandensein mehrerer Wärmequellen in der Schaltung die Bauteiltemperatur präzise zu ermitteln. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht hierzu vor, dass in einem ersten Schritt a) eine Temperatur mittels des Temperatursensors erfasst wird. In einem zweiten Schritt b) wird die Verlustleistung eines wärmeerzeugenden Bauteils ermittelt beziehungsweise berechnet (z.B. durch zu erfassende Ströme und Widerstände (I2R)). Darüber hinaus wird in einem Schritt c) die Wärmekapazität jedes zwischen dem Bauteil und dem Temperatursensor angeordneten Elements ermittelt. Außerdem werden in einem Schritt d) die Wärmeübertragungswiderstände, die jeweils zwischen den benachbarten Elementen, dem Bauteil und dem Temperatursensor wirken, ermittelt. Dabei werden die Wärmeübertragungswiderstände jeweils zwischen zwei benachbarten Einheiten, also zwischen zwei benachbarten Elementen, einem Element und dem dazu benachbarten Bauteil, oder dem Element an dem zu benachbarten Temperatursensor, ermittelt. In einem Schritt e) wird die Temperatur des Bauteils in Abhängigkeit der ermittelten Wärmeübertragungswiderstände, der ermittelten Wärmekapazitäten, der ermittelten Verlustleistung und der erfassten Temperatur bestimmt. Hierdurch ergibt sich eine genaue Temperaturerfassung mit einem nur geringen Messfehler, der eine vorteilhafte Abschätzung und Überwachung der Temperatur des Bauteils erlaubt.The method according to the invention has the advantage that the temperature of the component can advantageously be determined precisely, and that, in addition, it is possible to precisely determine the component temperature in the presence of a plurality of heat sources in the circuit. The inventive method provides for this purpose that in a first step a) a temperature is detected by means of the temperature sensor. In a second step b), the power loss of a heat-generating component is determined or calculated (eg by currents and resistances to be detected (I 2 R)). In addition, the heat capacity of each element arranged between the component and the temperature sensor is determined in a step c). In addition, in a step d), the heat transfer resistances which each act between the adjacent elements, the component and the temperature sensor are determined. In this case, the heat transfer resistances are respectively determined between two adjacent units, that is to say between two adjacent elements, one element and the component adjacent thereto, or the element at the adjacent temperature sensor. In a step e), the temperature of the component is determined as a function of the determined heat transfer resistances, the determined heat capacities, the determined power loss and the detected temperature. This results in an accurate temperature detection with only a small measurement error, which allows an advantageous estimation and monitoring of the temperature of the component.
Insbesondere werden die Wärmekapazitäten der Elemente jeweils berechnet und/oder durch Versuche ermittelt. So können Wärmekapazitäten bereits bei der Konstruktion der Elemente mitberechnet werden und/oder durch Versuche, auch vor einem Verbau in der Schaltung, ermittelt und als Werte in einem Speicher, beispielsweise in Form eines Kennfelds und/oder der Kennlinie, hinterlegt werden.In particular, the heat capacities of the elements are each calculated and / or determined by experiments. Thus, heat capacities can already be taken into account in the design of the elements and / or by experiments, even before a shunt in the circuit, determined and stored as values in a memory, for example in the form of a map and / or the characteristic.
Entsprechend werden bevorzugt auch die Wärmeübertragungsstände jeweils berechnet und/oder durch Versuche ermittelt. Durch das Ablegen der ermittelten Werte in einer Kennlinie und/oder einem Kennfeld ist eine schnelle Abschätzung der Temperatur des Bauteils mithilfe der Wärmekapazitäten und der Wärmeübertragungswiderstände beispielsweise durch eine Steuereinheit oder ein Steuergerät gewährleistet.Accordingly, the heat transfer levels are preferably also calculated and / or determined by experiments. By storing the determined values in a characteristic curve and / or a characteristic map, a rapid estimation of the temperature of the component by means of the heat capacities and the heat transfer resistances is ensured, for example, by a control unit or a control unit.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Temperatur des Bauteils in dem Schritt e) mithilfe des expliziten Euler-Verfahrens ermittelt wird. Dadurch wird ein Temperaturmodell abgebildet, das durch die Steuereinheit in diskreter Weise durchgeführt wird. Dabei werden die Wärmeübertragungswiderstände zwischen den Elementen, dem Bauteil und dem Temperatursensor sowie die jeweiligen Wärmekapazitäten berücksichtigt und in einfacher Art und Weise die Temperatur des Bauteils bestimmt. Furthermore, it is preferably provided that the temperature of the component in step e) is determined by means of the explicit Euler method. This maps a temperature model that is performed by the control unit in a discrete manner. The heat transfer resistances between the elements, the component and the temperature sensor and the respective heat capacities are taken into account and the temperature of the component is determined in a simple manner.
Sind mehrere Bauteile in der Schaltung vorhanden, die Wärme im Betrieb erzeugen, so wird für jedes der Bauteile das zugehörige Verfahren durchgeführt, sodass für jedes der Bauteile ein Temperaturwert ermittelt beziehungsweise abgeschätzt wird. Wenn in der vorstehend beschriebenen Schaltung beispielsweise ein zwischen dem Bauteil und dem Temperatursensor liegendes Element ebenfalls Wärme erzeugt, so gilt dieses ebenfalls als Bauteil, für welches das Verfahren zur Bestimmung seiner Temperatur mithilfe des Temperatursensor erfassten Temperaturwertes durchgeführt wird.If there are several components in the circuit that generate heat during operation, the associated method is carried out for each of the components, so that a temperature value is determined or estimated for each of the components. For example, in the above-described circuit, when an element interposed between the component and the temperature sensor also generates heat, it also applies as a component for which the method for determining its temperature is performed using the temperature value detected by the temperature sensor.
Bevorzugt wird bei der Bestimmung der Temperatur mehrerer wärmeerzeugender Bauteile zumindest eine Differenztemperatur zwischen dem jeweiligen Bauteil und dem Temperatursensor sowie zwischen dem jeweiligen Bauteil und einem zwischen dem Temperatursensor und dem Bauteil jeweils liegenden Element berücksichtigt. Durch das Berücksichtigen der Differenztemperaturen wird das thermische Verhalten der Einzelelemente mit dem Temperaturmodell abgeglichen, sodass auch bei Vorhandensein mehrerer Wärmequellen in der Schaltung eine genaue Abschätzung der Temperatur des zu überwachenden Bauteils gewährleistet ist.In determining the temperature of a plurality of heat-generating components, at least one difference temperature between the respective component and the temperature sensor and between the respective component and an element lying between the temperature sensor and the component are preferably taken into account. By taking into account the differential temperatures, the thermal behavior of the individual elements is matched with the temperature model, so that an accurate estimate of the temperature of the component to be monitored is ensured even in the presence of multiple heat sources in the circuit.
Die jeweilige Differenztemperatur wird vorzugsweise anhand der Kapazität, des Widerstands und der Verlustleistung, insbesondere mit Hilfe der unten beschriebenen Gleichungen 7, 8, 9 und 10 berechnet.The respective differential temperature is preferably calculated on the basis of the capacitance, the resistance and the power loss, in particular with the aid of equations 7, 8, 9 and 10 described below.
Besonders bevorzugt werden die ermittelten Differenztemperaturen für die Bauteile für die Bestimmung der Temperatur des jeweiligen Bauteils korreliert. Insbesondere werden dazu die resultierenden Differenztemperaturen für die Bestimmung des thermischen Verhaltens aufsummiert.Particularly preferably, the determined differential temperatures for the components for the determination of the temperature of the respective component are correlated. In particular, the resulting differential temperatures are summed up for the determination of the thermal behavior.
Die erfindungsgemäße Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinheit speziell dazu hergerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.The circuit according to the invention with the features of claim 9 is characterized in that the control unit is specially adapted to carry out the method according to the invention. This results in the already mentioned advantages.
Insbesondere ist die Schaltung als Leistungselektronik für eine elektrische Maschine, insbesondere Antriebsmaschine, vorzugsweise Medienstrommaschine eines Verdichters einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug ausgebildet.In particular, the circuit is designed as power electronics for an electric machine, in particular drive machine, preferably media flow machine of a compressor of an internal combustion engine for a motor vehicle.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
-
1 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung eines vorteilhaften Verfahrens zum Bestimmen der Bauteiltemperatur in einer Schaltung, -
2 ein weiteres Schaltbild zur Erläuterung des Verfahrens und -
3 ein weiteres Schaltbild zur Erläuterung des Verfahrens.
-
1 an equivalent circuit diagram for explaining an advantageous method for determining the component temperature in a circuit, -
2 another diagram for explaining the method and -
3 another circuit diagram for explaining the method.
Das Temperaturmodell zu erstellen bedeutet vorliegend die Modellierung des thermischen Verhaltens durch die mathematische Beschreibung der Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität zwischen dem Bauteil
Das Bauteil
Im Folgenden wird die mathematische Beschreibung für das System mit zwei Gliedern (2-Massen-Modell) erstellt. Für ein System mit weiteren Gliedern kann die Beschreibung auf ähnliche Art und Weise abgeleitet werden. Für das 2-Glieder-Modell ist die vom Temperatursensor
Dabei sind:
- Pv - Verlustleistung am Bauteil
-
-
Wärmeleitung zum Element 5 -
Wärmekapazität am Element 5 -
Wärmeleitung zum Temperatursensor 3
- P v - Power loss on the component
-
-
-
-
Weil das Temperaturmodell in der Steuereinheit
Ist neben dem Bauteil
Die Differenztemperaturen
Für die zweite Wärmequelle beziehungsweise das Bauteil
Die resultierenden Temperaturen für die Einzelelemente müssen korreliert werden. Weil die Einwirkung jeder Wärmequelle unabhängig voneinander ist, ist eine einfache Summierung der durch unterschiedliche Wärmequellen resultierenden Differenztemperaturen wie folgt für die Bestimmung des thermischen Verhaltens des Einzelelements vorgesehen:
Dabei sind die Anfangsbedingungen wie folgt definiert:
Es ergibt sich hieraus eine vorteilhafte Ermittlung der Temperatur des jeweiligen Bauteils
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