DE102019124429A1 - Verfahren zur vorhersehbaren Steuerung einer Kühlmittelpumpe eines Antriebssystems eines Fahrzeuges - Google Patents

Verfahren zur vorhersehbaren Steuerung einer Kühlmittelpumpe eines Antriebssystems eines Fahrzeuges Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vorhersehbaren Steuerung einer Kühlmittelpumpe eines Antriebssystems eines Fahrzeuges, bei welchem die Kühlmittelpumpe (14) zur Umwälzung eines Kühlmittels über einen Elektroantrieb (15) betrieben wird, der mittels einer Leistungselektronik (16) angesteuert wird. Bei einem Verfahren wird ein von der Kühlmittelpumpe (14) geförderter Volumenstrom des Kühlmittels von einer lebensdauerabhängigen kritischen Temperatur der Leistungselektronik (16) gesteuert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vorhersehbaren Steuerung einer Kühlmittelpumpe eines Antriebssystems eines Fahrzeuges, bei welchem die Kühlmittelpumpe zur Umwälzung eines Kühlmittels über einen Elektroantrieb betrieben wird, der mittels einer Leistungselektronik angesteuert wird.
  • Antriebssysteme in Fahrzeugen werden bei mittlerer (>50kW) bis großer Leistung (300kW) mit einem flüssigen Kühlmittel gekühlt. Der notwendige Kühlmittelfluß und der Druck des Kühlmittels werden mit einer elektrisch angetriebenen Pumpe erzeugt. Die Pumpenleistung wird in Form einer Pumpenkennlinie vorgegebenen, in der Regel vom Fahrzeughersteller. Ferner ist die Pumpenleistung abhängig von einer Temperatur des Kühlmittels bzw. dessen temperaturabhängiger Viskosität. Durch die Steuerung der Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit der Temperatur bzw. des Drucks wird die Kühlmittelpumpe deutlich mehr belastet als benötigt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur vorhersehbaren Steuerung einer Kühlmittelpumpe anzugeben, bei welchem die thermische Belastung eines Inverters der Leistungselektronik geändert wird.
  • Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein von der Kühlmittelpumpe geförderter Volumenstrom des Kühlmittels von einer lebensdauerabhängigen kritischen Temperatur der Leistungselektronik gesteuert wird. Dies hat den Vorteil, dass die Steuerung der Kühlmittelpumpe unabhängig von deren Leistungsparametern, wie Volumenstrom und Druck, erfolgt. Mit dieser Steuerung kann zwar die Kühlmittelpumpe schneller als die Leistungselektronik, deren Lebensdauer prädiktiv bestimmt wird, altern. Da die Kühlmittelpumpe aber kostengünstiger ist als die Leistungselektronik, reduziert ein vorzeitiger Tausch der Kühlmittelpumpe den Wartungsaufwand als ein Austausch der Leistungselektronik.
  • Vorteilhafterweise wird eine verbleibende Lebensdauer der Leistungselektronik in Abhängigkeit eines aktuellen Fahrprofils des Fahrzeuges bestimmt wird, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen der aktuell detektierten Temperatur der Leistungselektronik und eine Temperatur der Leistungselektronik bei einem Norm-Fahrprofil bestimmt wird und aus der Temperaturdifferenz der neu durch die Kühlmittelpumpe einzustellende Volumenstrom des Kühlmittels abgeleitet wird. Durch die Untersuchung des aktuellen Fahrprofils des Fahrzeuges lässt sich dessen Einfluss auf die Lebensdauer der Leistungselektronik besonders genau vorhersagen.
  • In einer Ausgestaltung wird die aktuell detektierte Temperatur der Leistungselektronik aus einer Verlustleistungsberechnung der Leistungselektronik ermittelt. Da diese Verlustleistung einfach aus Kennlinien der Leistungselektroniken oder einer online-Berechnung zu entnehmen ist, lassen sich die Temperaturen kostengünstig bestimmen.
  • In einer Variante wird das aktuelle Fahrprofil des Fahrzeuges als Belastungsprofil des Fahrzeuges über einen vorgegebenen Fahrzeitraum bestimmt, wobei der vorgegebene Fahrzeitraum so gewählt wird, dass eine ausreichende Anzahl von Fahrinformationen zur Bestimmung der verbleibenden Lebensdauer der Leistungselektronik ermittelt wird. Als Belastungsprofil wird dabei ein Fahrverhalten des das Fahrzeug aktuell fahrenden Fahrers angesehen. Da sich das Fahrverhalten der unterschiedlichen Fahrer stark unterscheiden kann, wird durch Zugrundelegung des jeweils aktuellen Fahrstils eine hoch genaue Bestimmung der Ansteuerung der Kühlmittelpumpe ermöglicht.
  • In einer Ausführungsform entspricht das Norm-Fahrprofil einem Teillast-Fahrprofil des Fahrzeuges. Vorteilhafterweise kann als Norm-Fahrprofil, ein von einem Fahrzeughersteller vorgegebenes Fahrprofil genutzt werden.
  • Vorteilhafterweise erfolgt die Verlustleistungsberechnung der Leistungselektronik und/oder die Temperaturberechnung der Leistungselektronik und/oder die Bestimmung der Temperaturdifferenz während des aktuellen Fahrprofils des Fahrzeuges kontinuierlich. Damit liegen dem Verfahren immer die aktuellsten Parameter zur Bestimmung der vorhersehbaren Lebensdauer der Leistungselektronik zur Verfügung.
  • In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Bestimmung der Anzahl der Temperaturdifferenzen mittels eines Statistik-Algorithmus, vorzugsweise einem Rainflow-Algorithmus. Somit wird ein einfacher an sich bekannter Algorithmus verwendet.
  • In einer Weiterbildung wird in Abhängigkeit der ermittelten verbleibenden Lebensdauer der Leistungselektronik das neue Fahrprofil eingestellt und der Volumenstrom der Kühlmittelpumpe reduziert. Somit kann die prädiktive Steuerung der Kühlmittelpumpe unter Verzicht auf Parameter wie Temperatur und Druck der Kühlmittelpumpe erfolgen.
  • Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Prinzipdarstellung eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges mit einer elektrischen Maschine,
    • 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 3 eine Darstellung einer Lebensdauerkennlinie einer Leistungselektronik,
    • 4 mehrere beispielhafte Darstellungen verschiedener Fahrprofile des Fahrzeugs.
  • In 1 ist eine Prinzipdarstellung eines beispielhaften Antriebsstranges eines Hybridfahrzeuges dargestellt. Dieser Antriebsstrang 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2 und einen Elektromotor 3. Zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Elektromotor 3 ist direkt hinter dem Verbrennungsmotor 2 eine Hybridtrennkupplung 4 angeordnet. Verbrennungsmotor 2 und Hybridtrennkupplung 4 sind über eine Kurbelwelle 5 miteinander verbunden. Der Elektromotor 3 weist einen drehbaren Rotor 6 und einen feststehenden Stator 7 auf. Die Abtriebswelle 8 der Hybridtrennkupplung 4 ist mit einem Getriebe 9 verbunden, welches ein nicht weiter dargestelltes Koppelelement, beispielsweise eine zweite Kupplung oder einen Drehmomentwandler enthält, die zwischen dem Elektromotor 3 und dem Getriebe 9 angeordnet sind. Das Getriebe 9 überträgt das von dem Verbrennungsmotor 2 und/oder dem Elektromotor 3 erzeugte Drehmoment auf die Antriebsräder 10 des Hybridfahrzeuges. Der Elektromotor 3 und der Verbrennungsmotor 2 werden von einem Motorsteuergerät 11 angesteuert.
  • Die zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Elektromotor 3 angeordnete Hybridtrennkupplung 4 wird geschlossen, um während der Fahrt des Hybridfahrzeuges mit dem von dem Elektromotor 3 erzeugten Drehmoment den Verbrennungsmotor 2 zu starten oder während eines Boostbetriebes mit angetriebenen Verbrennungsmotor 2 und Elektromotor 3 zu fahren. Es ist aber auch eine rein elektrische Fahrt nur mit dem Elektromotor 3 möglich, indem die Hybridtrennkupplung 4 geöffnet wird. Bei einem solchen Antriebssystem 1 wird der Elektromotor 3 von einer Endstufe 12 angesteuert.
  • Der Elektromotor 3 wird von einem Kühlmittelkreislauf 13 gekühlt, in welchem ein Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe 14 umgewälzt wird, die von einem weiteren Elektromotor 15 angetrieben wird. Zur Ansteuerung des weiteren Elektromotors 15 ist eine Leistungselektronik 16 vorgesehen, die einen Mikroprozessor 17 umfasst.
  • Der Mikroprozessor 17 beinhaltet einen Algorithmus zur prädiktiven Steuerung der Kühlmittelpumpe 14, wie er in 2 dargestellt ist. In einem ersten Block 100 wird ein aktuelles Fahrprofil des Fahrzeuges über einem Fahrzyklus ermittelt, aus welchem im Block 200 ein Phasenstrom des weiteren Elektromotors 15 bei der Ansteuerung der Kühlmittelpumpe 14 gemessen wird. Daraus wird im Block 300 eine Verlustleistungsberechnung der Leistungselektronik 16 durchgeführt. Im Block 400 erfolgt aus dieser Verlustleistungsberechnung eine Temperaturermittlung der Leistungselektronik 16. Mittels eines Rainflow-Algorithmus wird in Block 500 eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen der aktuell an der Leistungselektronik 16 gemessenen Temperatur und einer Norm-Temperatur Tkrit, die einem Teillast-Zustand des Fahrzeuges entspricht, ermittelt. Die Berechnungen in den Blöcken 300 bis 500 laufen online kontinuierlich. Aus dieser Temperaturdifferenz ΔT, wird im Block 600 die restliche Lebensdauer der Leistungselektronik 16 berechnet. Diese Berechnung mittelt die Werte über eine vorgegebenen Fahrzeitraum oder eine vorgegebene Distanz, die das Fahrzeug zurücklegt. Im Block 700 wird abhängig von der im Block 600 ermittelten Lebensdauer, beispielsweise mit Hilfe eines einfachen Vergleichers, das zukünftige Fahrprofil eingestellt und eine Einstellung des Volumenstromes zur Steuerung der Kühlmittelpumpe 14 vorgenommen.
  • In 3 sind die Anzahl der zulässigen Temperaturhübe der Leistungselektronik 16 über der Temperaturdifferenz ΔT dargestellt. Der Bereich A zeigt eine niedrige Temperaturdifferenz ΔT, welche eine Reduzierung des Volumenstromes der Kühlmittelpumpe 14 nach sich zieht. In dem Bereich B ist eine mittlere Temperaturdifferenz ΔT dargestellt, bei deren Erreichung der Volumenstrom unverändert bleibt. Im Gegensatz dazu wird im Bereich C eine hohe Temperaturdifferenz ΔT gezeigt, welche eine Erhöhung des Volumenstroms der Kühlmittelpumpe 16 nach sich zieht.
  • In 4 sind mehrere Darstellungen verschiedener Fahrprofile des Fahrzeuges gezeigt, wobei die Junction-Temperatur T der Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik 16 über der Zeit t dargestellt ist. Die Kurve D zeigt einen Verlauf bei einem Niedriglastprofil, während die Kurve E eine Temperatur der Leistungselektronik 16 bei einem Teillastprofil und die Kurve F eine Temperatur bei einem Vollastprofil verdeutlicht. Der Pfeil G weist auf ein Niedriglastprofil, welches einer kleinen Temperaturdifferenz ΔT zum Teil- und Vollastprofil entspricht. D.h. hier wird ein etwas niedrigerer Durchfluss der Kühlwasserpumpe 14 eingestellt. Pfeil H deutet ebenfalls auf ein Niedriglastprofil, welches aber einer mittleren Temperaturdifferenz zum Teil- und Vollastprofil entspricht. An dieser Stelle kann ein niedriger Durchfluss an der Kühlwasserpumpe 14 eingestellt werden. Im Bereich des Pfeiles K entspricht das Niedriglastprofil einer hohen Temperaturdifferenz ΔT zum Teil- und Vollastprofil, bei welchem ein deutlich niedriger Durchfluss eingestellt wird.
  • Bei dem Vollast-Fahrprofil werden die Komponenten der Leistungselektronik 18 thermisch stark beansprucht. Dabei wird die Kühlmittelpumpe 16 schnell auf einen höheren Volumenstrom geregelt bzw. muss evtl. einen dauerhaft höheren Volumenstrom fördern. Dies hat zur Folge, dass die Leistungselektronik die Lebensdauer-Anforderungen des Fahrzeugherstellers trotz der hohen thermischen Belastung erreicht.
  • Bei einem Teillast- oder Niedriglast-Fahrprofil werden die Komponenten der Leistungselektronik 16 thermisch wenig beansprucht, wodurch die Kühlmittelpumpe 14 deutlich langsamer auf einen höheren Volumenstrom oder dauerhaft auf einen niedrigen Volumenstrom der Kühlmittelpumpe 14 geregelt wird. Da die thermische Belastung der Leistungselektronik 16 deutlich niedriger und somit deren Lebensdauer deutlich höher als erforderlich ausfällt, kann die Kühlmittelpumpe 14 zudem deutlich länger auf einem niedrigen Volumenstrom geregelt bleiben. Mit diesem Verfahren kann gezielt die Lebensdauer der Kühlmittelpumpe 14 und die der Leistungselektronik 16 verkürzt oder auf die Lebensdaueranforderungen der Fahrzeughersteller minimiert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antriebsstrang
    2
    Verbrennungsmotor
    3
    Elektromotor
    4
    Hybridtrennkupplung
    5
    Kurbelwelle
    6
    Rotor
    7
    Stator
    8
    Abtriebswelle
    9
    Getriebe
    10
    Antriebsräder
    11
    Motorsteuergerät
    12
    Endstufe
    13
    Kühlmittelkreislauf
    14
    Kühlmittelpumpe
    15
    Weiterer Elektromotor
    16
    Leistungselektronik
    17
    Mikroprozessor

Claims (8)

  1. Verfahren zur vorhersehbaren Steuerung einer Kühlmittelpumpe eines Antriebssystems eines Fahrzeuges, bei welchem die Kühlmittelpumpe (14) zur Umwälzung eines Kühlmittels über einen Elektroantrieb (15) betrieben wird, der mittels einer Leistungselektronik (16) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Kühlmittelpumpe (14) geförderter Volumenstrom des Kühlmittels von einer lebensdauerabhängigen kritischen Temperatur (Tkrit) der Leistungselektronik (16) gesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine verbleibende Lebensdauer der Leistungselektronik (16) in Abhängigkeit eines aktuellen Fahrprofils des Fahrzeuges bestimmt wird, wobei eine Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen der aktuell detektierten Temperatur der Leistungselektronik (16) und einer Temperatur (Tkrit) eines Norm-Fahrprofil bestimmt wird und aus der Temperaturdifferenz (ΔT) der neu durch die Kühlmittelpumpe (14) einzustellende Volumenstrom des Kühlmittels abgeleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuell detektierte Temperatur der Leistungselektronik (16) aus einer Verlustleistungsberechnung der Leistungselektronik (16) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aktuelle Fahrprofil des Fahrzeuges als Belastungsprofil des Fahrzeuges über einen vorgegebenen Fahrzeitraum bestimmt wird, wobei der vorgegebene Fahrzeitraum so gewählt wird, dass eine ausreichende Anzahl von Informationen über das aktuelle Fahrprofil des Fahrzeuges zur Bestimmung der verbleibenden Lebensdauer der Leistungselektronik (16) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach mindestens einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Norm-Fahrprofil einem Teillast-Fahrprofil des Fahrzeuges entspricht.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustleistungsberechnung der Leistungselektronik (16) und/oder die Temperaturberechnung der Leistungselektronik (16) und/oder die Bestimmung der Temperaturdifferenz (ΔT) kontinuierlich während des aktuellen Fahrprofils des Fahrzeuges erfolgt.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Temperaturdifferenz (ΔT) mittels eines Statistik-Algorithmus, vorzugsweise einem Rainflow-Algorithmus erfolgt.
  8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der ermittelten verbleibenden Lebensdauer der Leistungselektronik (16) das Fahrprofil eingestellt und der Volumenstrom des Kühlmittels der Kühlmittelpumpe (14) reduziert wird.
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