DE102019128632A1

DE102019128632A1 - Verfahren zur Abschätzung der Temperatur eines Leistungshalbleiters eines Flurförderzeugs sowie Leistungselektronik eines Flurförderzeugs

Info

Publication number: DE102019128632A1
Application number: DE102019128632.8A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Doss
Original assignee: Jungheinrich AG
Current assignee: Jungheinrich AG
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2021-04-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung der Temperatur eines Leistungshalbleiters (4 a-f) eines Flurförderzeugs, umfassend die Schritte:- Ermitteln der Temperatur eines Temperatursensors (6) über einen Zeitraum bei Stromfluss durch den Leistungshalbleiter (4 a-f), wobei der Temperatursensor (6) in einem Abstand zum Leistungshalbleiter angeordnet ist,- Abschätzen der Temperatur des Leistungshalbleiters (14, 24) aus der ermittelten Temperatur des Temperatursensors (10, 20) sowie Kalibrierdaten.Um ein Verfahren bereitzustellen, welches auf einfache und kostengünstige Weise ein Abschätzen der Temperatur eines Leistungshalbleiters eines Flurförderzeugs erlaubt ist vorgesehen, dass die Kalibrierdaten zumindest einen ersten Wert (T) umfassen, der ein Maß ist für die Temperaturkopplung zwischen dem Leistungshalbleiter und dem Temperatursensor und dass die Kalibrierdaten zumindest einen zweiten Wert (17a, 17b) umfassen, wobei das Abschätzen der Temperatur des Leistungshalbleiters (14, 24) derart erfolgt, dass die Änderung der Temperatur des Leistungshalbleiters pro Zeiteinheit auf den zweiten Wert begrenzt wird.Die Erfindung umfasst zudem eine entsprechende Leistungselektronik eines Flurförderzeugs.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung der Temperatur eines Leistungshalbleiters eines Flurförderzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Leistungselektronik eines Flurförderzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Bei Flurförderzeugen werden elektrisch betriebene Motoren, die beispielsweise für den Antrieb des Fahrzeugs oder das Betreiben von Pumpen mittels Leistungshalbleitern angesteuert werden, bei Überhitzung abgeschaltet, um die Leistungselektronik oder sonstige Bauteile vor Beschädigung zu schützen. Hierfür wird üblicherweise ein Temperatursensor ausgelesen, der in der Nähe des Leistungshalbleiters angeordnet ist. Um sicherzustellen, dass der Leistungshalbleiter rechtzeitig abgeschaltet und dieser nicht beschädigt wird, wird typischerweise in einer Testmessung ein maximaler Temperaturdifferenzwert ermittelt, der beim Betreiben des Leistungshalbleiters mit der maximal erlaubten Leistung zwischen Leistungshalbleiter und Temperatursensor auftritt. Erreicht oder überschreitet nun die Summe aus der Temperatur des Temperatursensors und dem maximalen Temperaturdifferenzwert die maximal erlaubte Temperatur des Leistungshalbleiters während des Betriebs, wird dieser abgeschaltet.
Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass beim Betreiben des Leistungshalbleiters mit geringerer Leistung als der maximal erlaubten, die Temperaturdifferenz niedriger ist als die maximal erlaubte Temperaturdifferenz. Dies führt dazu, dass der Leistungshalbleiter oftmals viel zu früh abgeschaltet wird. Um die Temperatur des Leistungshalbleiters genauer bestimmen zu können wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen.
Beispielsweise ist es bekannt zur Überwachung der Temperatur einer Leistungselektronik mehrere Sensoren zu verwenden. So wird in der DE102012213354A1 vorgeschlagen zwei Temperatursensoren zu verwenden, und bei Überschreiten einer Temperaturschwelle an dem ersten Sensor eine Schutzschaltung zu aktivieren, wobei die Temperaturschwelle abhängig ist von der Differenztemperatur der beiden Sensoren.
Ebenso wird auch in der DE102014010807A1 in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen der an dem heißesten und an dem kältesten Punkt einer Halbleiterstruktur gemessenen Temperatur der Stromfluss bei Überschreiten eines Schwellenwertes abgeschaltet.
Die DE102012213349A1 dagegen schlägt vor auf der Basis des Messwertes eines einzigen Temperatursensors und unter Berücksichtigung von Kalibrierdaten des Systems die Temperatur des Leistungshalbleiters zu ermitteln. Hierbei wird der aktuelle Betriebszustand des Fahrzeuges ermittelt, um die hierfür passende Kalibrierkurve auszuwählen und eine Übertragungsfunktion zweiter Ordnung angesetzt für die Ermittlung der Temperatur des Leistungshalbleiters aus den Messwerten des Temperatursensors. Die Ermittlung des Betriebszustandes des Fahrzeugs und damit die Auswahl der Kalibrierkurve erfolgt hierbei auf Basis von weiteren Sensordaten von beispielsweise Motorgeschwindigkeit, Batteriespannung, Drehmoment oder Motortemperatur.
Nachteilig an dem bekannten Stand der Technik ist der große Aufwand zur Ermittlung der Temperatur des Leistungshalbleiters. Entweder sind für die Ermittlung der Temperatur des Leistungshalbleiters zumindest zwei Temperatursensoren vorgesehen. Alternativ muss zusätzlich zur Erfassung einer Sensortemperatur eine aufwendige Erfassung von mehreren Kalibrierkurven sowie die Ermittlung des momentanen Betriebszustandes mittels verschiedener zusätzlicher Sensordaten erfolgen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es entsprechend ein Verfahren bereitzustellen, welches auf einfachere und günstigere Weise ein Abschätzen der Temperatur eines Leistungshalbleiters eines Flurförderzeugs erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst mittels der Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Entsprechend ist vorgesehen, dass Kalibrierdaten vorhanden sind, die zumindest einen ersten Wert umfassen, der ein Maß ist für die Temperaturkopplung zwischen dem Leistungshalbleiter und dem Temperatursensor und dass die Kalibrierdaten zumindest einen zweiten Wert umfassen, wobei das Abschätzen der Temperatur des Leistungshalbleiters derart erfolgt, dass die Änderung der Temperatur des Leistungshalbleiters pro Zeiteinheit auf den zweiten Wert begrenzt wird. Auf diese Weise kann mittels einer sensorisch erfassten Temperatur in einem Abstand vom Leistungshalbleiter die Temperatur des Leistungshalbleiters mit ausreichender Genauigkeit abgeschätzt werden. Bei Überhitzung des Leistungshalbleiters wird bevorzugt ein Abschaltvorgang der Leistungshalbleiter eingeleitet oder dessen Leistung gedrosselt. Zu diesem Zweck kann in einer Steuerungselektronik der Leistungselektronik zumindest ein Grenzwert für die Temperatur des Leistungshalbleiters hinterlegt sein. Bei dem Leistungshalbleiter kann es sich beispielsweise um einen Leistungs-MOSFET handeln.
Bei der Ermittlung der Temperatur des Leistungshalbleiters treten große Abweichungen zwischen tatsächlicher und geschätzter Temperaturen des Leistungshalbleiters üblicherweise im Bereich großer Temperatursteigungen auf. Dem vorliegenden Verfahren liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass der Temperaturverlauf des Leistungshalbleiters auf besonders einfache Weise in ausreichender Genauigkeit approximiert werden kann, wenn die Steigung der modellierten Temperatur des Leistungshalbleiters, also die Änderung der Temperatur des Leistungshalbleiters von einem Temperaturwert zum nächsten, auf den zweiten Wert begrenzt wird. Die Temperatur wird hierbei also in wiederkehrenden und festen Zeitschritten ermittelt. Wird ein Temperaturwert ermittelt, der eine größere Abweichung von dem vorhergehenden aufweist, als durch den zweiten Wert vorgegeben, so wird der Temperaturwert aus der durch den zweiten Wert sich ergebenden maximalen Steigung ermittelt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Wert durch eine maximal mögliche Temperaturänderung, vorzugsweise einen maximal möglichen Temperaturabfall, pro Zeiteinheit des Leistungshalbleiters bestimmt ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der zumindest eine zweite Wert aus einer Kalibriermessung ermittelt wird. Die Ermittlung des maximalen Temperaturabfalls erfolgt vorzugsweise bei einer Messung der Temperatur eines Leistungshalbleiters und einer Ermittlung der Temperatur des Temperatursensors nachdem die Temperatur des Leistungshalbleiters während der Kalibriermessung die maximal erlaubte Temperatur fast erreicht hat und der Leistungshalbleiter daraufhin abgeschaltet wurde. Auf diese Weise erfolgt die Messung in einem fest definierten Betriebspunkt, nämlich bei ausgeschaltetem Strom. Hierbei gibt der Temperaturabfall nach Erreichen der maximal erlaubten Temperatur den maximal möglichen Energieabfluss bei dieser Temperatur und damit die maximal mögliche Temperaturänderung pro Zeiteinheit an.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der zweite Wert einen maximal möglichen Temperaturanstieg des Leistungshalbleiters pro Zeiteinheit angibt. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass bei der Kalibriermessung der Leistungshalbleiter mit dem maximal zulässigen Strom betrieben wird. Auf diese Weise kann der für den erlaubten Betrieb des Leistungshalbleiters extremste Betriebsbereich für die Ermittlung des zweiten Wertes verwendet werden. Beim Anlegen des maximal erlaubten Stromes tritt somit die größtmögliche Steigung der Temperatur auf.
Der zweite Wert ist durch eine maximal mögliche Temperaturänderung pro Zeiteinheit des Leistungshalbleiters bestimmt. Dies umfasst einerseits, dass der zweite Wert einer ermittelten maximal möglichen Temperaturänderung genau entspricht, beispielsweise der maximalen Steigung oder dem maximalen Temperaturabfall pro Zeiteinheit. Alternativ kann der zweite Wert auch einem Mittelwert aus maximaler Steigung und maximalem Temperaturabfall entsprechen. Auch ist es denkbar, dass der zweite Werte durch eine Multiplikation der ermittelten maximal möglichen Temperaturänderung pro Zeiteinheit mit einem beliebigen Faktor ermittelt wird, beispielsweise mit dem Faktor 0,9 oder 1,1, um eine kleinere oder eine größere maximale Steigung zuzulassen. Andere Wege zur Berechnung des zweiten Wertes aus der maximal möglichen Temperaturänderung pro Zeiteinheit sind denkbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der zumindest eine erste Werte eine Zeitkonstante umfasst, welche aus einer Kalibriermessung ermittelt wird, bei der der Leistungshalbleiter mit einem festgelegten Strom betrieben wird und bei der die Temperatur des Leistungshalbleiters als Eingangsgröße und die Temperatur des Temperatursensors als Ausgangsgröße erfasst wird. Auf diese Weise werden die üblichen Betriebsparameter Strom und Temperatur am Temperatursensor mit dem Temperaturwert des Leistungshalbleiters verknüpft, um hieraus das Systemverhalten bei verschiedensten Betriebsbedingungen zu ermitteln.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der zumindest eine erste Wert ermittelt wird, indem eine Übertragungsfunktion erster Ordnung, insbesondere ein PT1-Glied, zwischen Leistungshalbleiter und Temperatursensor angenommen wird. Diese Übertragungsfunktion ist vergleichsweise einfach aufgebaut, sodass der benötigte erste Wert einfach ermittelbar ist. Lediglich bei großen Temperaturänderungen ist eine Anpassung der Übertragungsfunktion notwendig, was in erfinderischer Weise sehr einfach mittels der Begrenzung der Steigung des ermittelten Temperaturverlaufes möglich ist. Andere ähnlich einfach aufgebaute und ermittelbare Übertragungsfunktionen sind für die Abschätzung der Temperatur des Leistungshalbleiters aus der Temperatur des Temperatursensors denkbar.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Wert während einer einzigen Kalibriermessung ermittelt werden. Dies kann insbesondere beim Betrieb des Leistungshalbleiters bei festgelegten Testbedingungen erfolgen. So ist beispielsweise vorgesehen, dass der Leistungshalbleiter mit einem festgelegten Strom mindestens 2 Minuten betreibbar ist, bevor die Temperaturschwelle erreicht ist und der Leistungshalbleiter abgeschaltet werden muss. Diese Bedingung wird üblicherweise in Testmessungen überprüft, indem die Temperatur des Leistungshalbleiters direkt gemessen wird, während der festgelegte Strom angelegt ist. Diese Messung kann vorteilhaft ebenfalls zur Ermittlung des ersten und des zweiten Wertes verwendet werden. Auf diese Weise kann also die bei einer Testmessung auftretende maximale Temperaturänderung am Leistungshalbleiter für die Ermittlung des zweiten Wertes herangezogen werden. Zudem kann der Temperaturverlauf am Leistungshalbleiter zur Ermittlung des ersten Wertes verwendet werden, indem der Temperaturverlauf insbesondere mittels eines PT1-Gliedes angenähert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden zur Abschätzung der Temperatur des Leistungshalbleiters die Messwerte genau eines Sensors verwendet. Der besondere Vorteil des vorliegenden Verfahrens ist, dass lediglich die Messwerte eines einzigen Temperatursensors zur Abschätzung der Temperatur des Leistungshalbleiters verwendet werden. Die Berücksichtigung von Messwerten weiterer Sensoren, die beispielsweise Temperaturen, Drehzahlen oder Drehmomente erfassen, ist nicht notwendig und entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch nicht vorgesehen. Hierdurch kann mit besonders geringem Aufwand die Temperatur des Leistungshalbleiters in ausreichender Genauigkeit ermittelt werden. Der eine Temperatursensor ist insbesondere auf einer Platine zusammen mit dem oder den Leistungshalbleitern angeordnet. Bei größeren Elektronikanordnungen mit mehreren dieser Leistungselektroniken oder Endstufen auf einer Platine ist ein Sensor je Leistungselektronik vorgesehen. Pro Leistungshalbleiter wird auch in diesem Fall für das Abschätzen der Temperatur des Leistungshalbleiters nur der Wert eines einzigen Temperatursensors verwendet.
Die Ermittlung des ersten und zweiten Wertes erfolgt mittels einer Test- bzw. Kalibriermessung bei der auch die Temperatur des Leistungshalbleiters gemessen wird. Da identisch ausgestattete Leistungselektroniken ein sehr ähnliches Verhalten zeigen, ist typischerweise nur eine einzige Testmessung zur Ermittlung des ersten und zweiten Wertes erforderlich. Diese sind dann für alle Leistungselektroniken dieses Typs verwendbar. Beispielsweise können dann für alle produzierten Fahrzeuge, die mit einer Leistungselektronik eines bestimmten Typs ausgestattet sind, direkt ab Werk die Werte in einer Steuerungselektronik hinterlegt werden.
Insbesondere ist das Verfahren dadurch weitergebildet, dass bei Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwertes für die geschätzte Temperatur des Leistungshalbleiters die Leistung des Leistungshalbleiters gedrosselt oder der Leistungshalbleiter abgeschaltet wird. Somit kann die Leistungselektronik, insbesondere der oder die Leistungshalbleiter, im Betrieb durch das erfindungsgemäße Verfahren wirksam vor Überhitzung geschützt werden. Beispielsweise kann die Leistung des Leistungshalbleiters auf einen Wert von 20% der Maximalleistung begrenzt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass zwei Grenzwerte vorgesehen sind und bei einem ersten Grenzwert die Leistung reduziert bzw. begrenzt wird und bei einem zweiten Grenzwert der Leistungshalbleiter abgeschaltet wird.
So kann insbesondere vorgesehen sein, dass die zulässige Leistung von 100% der Maximalleistung bei einem ersten Grenzwert mittels einer linearen Kennlinie sukzessive mit steigender Temperatur bis zu einem zweiten Grenzwert reduziert wird, beispielsweise auf 20% der Maximalleistung bei dem zweiten Grenzwert, und dass der Leistungshalbleiter bei Überschreitung des zweiten Grenzwertes abgeschaltet wird. Der zweite Grenzwert kann beispielsweise 20 K größer sein als der erste Grenzwert.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst mittels einer Leistungselektronik mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass zur Schätzung der Temperatur eines Leistungshalbleiters der Leistungselektronik und zur Ansteuerung des Leistungshalbleiters in einer Steuerungselektronik Kalibrierdaten gespeichert sind, die zumindest einen ersten Wert umfassen, der ein Maß ist für die Temperaturkopplung zwischen dem Leistungshalbleiter und dem Temperatursensor und dass die Kalibrierdaten zumindest einen zweiten Wert umfassen, dass die Steuerungselektronik zur Schätzung der Temperatur des Leistungshalbleiters den zumindest einen ersten und zweiten Wert verwendet und bei der Ansteuerung des Leistungshalbleiters berücksichtigt, wobei die Steuerungselektronik derart ausgebildet ist, dass die Änderung der Temperatur des Leistungshalbleiters pro Zeiteinheit auf den zweiten Wert begrenzbar ist.
Auf diese Weise kann lediglich mittels zweier Werte, welche beispielsweise mittels einer einzigen Kalibriermessung ermittelt wurden eine überraschend genaue Ermittlung der aktuellen Temperatur des Leistungshalbleiters erfolgen. Auf dieser Basis kann dann bei Erreichen einer kritischen Temperatur des Leistungshalbleiters dessen Betrieb gedrosselt oder eingestellt werden. Zu diesem Zweck kann in einer Steuerungselektronik der Leistungselektronik zumindest ein Grenzwert für die Temperatur des Leistungshalbleiters hinterlegt sein.
Bevorzugt ist der zweite Wert durch eine maximal mögliche Temperaturänderung, insbesondere einen maximal möglichen Temperaturabfall, pro Zeiteinheit des Leistungshalbleiters bestimmt. Dieser maximal mögliche Temperaturabfall kann während einer Kalibriermessung bestimmt werden, bei der der Leistungshalbleiter betrieben und dessen Temperatur gemessen wird. Hierbei wird der Leistungshalbleiter bevorzugt betrieben, bis er seine maximale Temperatur annähernd erreicht hat. Die Messung des Temperaturabfalls erfolgt dann nach dem anschließenden Abschalten des Leistungshalbleiters. Die Kalibriermessung kann insbesondere mit der maximal erlaubten Leistung bzw. der maximal erlaubten Stromstärke durchgeführt werden.
Vorzugsweise sind der Temperatursensor und der Leistungshalbleiter auf einer gemeinsamen Platine angeordnet, vorzugsweise in einem Abstand zwischen 20 mm und 50 mm. Dies ermöglicht eine vergleichsweise direkte Übertragung der Wärmeenergie des Leistungshalbleiters auf den Temperatursensor.
Bevorzugt ist genau ein Sensor vorhanden. Insbesondere ist ein einziger Sensor auf der Platine angeordnet. Bei größeren Elektronikanordnungen mit mehreren dieser Leistungselektroniken oder Endstufen auf einer Platine ist ein Sensor je Leistungselektronik vorgesehen. Hierbei handelt es sich um den Temperatursensor, dessen Messwerte durch die Steuerungselektronik zur Abschätzung der Temperatur des Leistungshalbleiters verwendet werden. Die Auswertung weiterer Temperatur- oder sonstiger Sensoren ist nicht vorgesehen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der Temperatursensor und mehrere Leistungshalbleiter auf der Platine angeordnet und sind in der Steuerungselektronik genau ein erster Wert und genau ein zweiter Wert hinterlegt. Sind mehrere Leistungshalbleiter auf einer Platine angeordnet, so kann die Temperaturübertragungsfunktion für jeden Leistungshalbleiter einzeln ermittelt werden, da insbesondere der Abstand zwischen dem Temperatursensor und den Leistungshalbleitern variieren kann. Da jedoch das Temperaturverhalten der Leistungshalbleiter in jeder Betriebssituation reproduzierbar gleich ist, können die mehreren Leistungshalbleiter als ein einziges thermisches System betrachtet werden. Somit ist es ausreichend nur einen einzigen ersten und zweiten Wert in der Steuerungselektronik zu hinterlegen und aus diesem eine einzige Temperatur abzuschätzen, um die Leistung der Leistungshalbleiter bei drohender Überhitzung zu drosseln oder diese abzuschalten. Bei der einzigen Temperatur kann es sich beispielsweise um einen Mittelwert der Temperaturen der Leistungshalbleiter handeln oder um die Temperatur des Leistungshalbleiters der aufgrund seiner Einbaubedingungen den stärksten Temperaturanstieg und/oder die höchste Temperatur aufweist. Eine Reduktion der Leistung bzw. ein Abschaltvorgang kann dann eingeleitet werden, wenn die einzige Temperatur einen Wert überschreitet, bei dem die Temperatur zumindest eines Leistungshalbleiters erfahrungsgemäß einen kritischen Wert erreicht. Dies kann durch Testmessungen der Temperatur aller Leistungshalbleiter während des Betriebs bzw. einer Kalibriermessung ermittelt werden.
Sind mehrere Leistungselektroniken bzw. Endstufen auf einer Platine angeordnet, so ist ein Temperatursensor je Leistungselektronik vorgesehen. In diesem Fall können auch pro Leistungselektronik genau ein erster Wert und ein zweiter Wert in einer Steuerungselektronik hinterlegt sein. Alternativ ist ein erster Wert und ein zweiter Wert für alle Leistungselektroniken vorgesehen, wenn das Temperaturverhalten aller Leistungselektroniken ähnlich ist. Hierbei kann eine Steuerungselektronik pro Leistungselektronik oder eine Steuerungselektronik für mehrere Leistungselektroniken, insbesondere alle Leistungselektroniken, vorgesehen sein.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Temperatursensor und mehrere Leistungshalbleiter auf der Platine angeordnet sind und in der Steuerungselektronik jeweils ein erster Wert und ein zweiter Wert pro Leistungshalbleiter hinterlegt ist.
Diese Werte können in Test- oder Kalibriermessungen für jeden der Leistungshalbleiter ermittelt werden. Dabei wird die Temperatur des Temperatursensors und des oder der Leistungshalbleiter gemessen. Hierfür können an dem oder den Leistungshalbleitern zu Testzwecken Temperatursensoren angebracht werden oder die Temperatur der Leistungshalbleiter auf andere Weise, bspw. mittels Pyrometer, ermittelt werden. Die Leistungselektronik wird bevorzugt mit einem für Testzwecke angelegten Strom betrieben, beispielsweise dem sogenannten 2-min-Strom. Werden die Leistungshalbleiter bei diesem Strom betrieben, darf die Temperaturschwelle frühestens nach 2 min erreicht sein. Gleichzeitig können bei dieser Messung die für die Ermittlung der ersten und zweiten Werte benötigten Daten erfasst werden. Aus der Messung lässt sich einerseits die Übertragungsfunktion der Temperatur zwischen jedem der Leistungshalbleiter und dem Temperatursensor ableiten und andererseits der maximal mögliche Temperaturanstieg oder der maximale Temperaturabfall zur Ermittlung des zweiten Wertes je Leistungshalbleiter. Die so erhaltenen ersten und zweiten Werte sind dann für identische Leistungselektroniken als Kalibrierdaten entsprechend verwendbar. Alternativ kann für die Testmessung auch der maximal mögliche oder erlaubte Strom an die Leistungshalbleiter angelegt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in der Steuerungselektronik ein Grenzwert für die geschätzte Temperatur des Leistungshalbleiters hinterlegt ist und bei Erreichen oder Überschreiten des Grenzwertes durch die Steuerungselektronik die Leistung des Leistungshalbleiters drosselbar oder der Leistungshalbleiter abschaltbar ist. Auf diese Weise kann die Leistungselektronik im Betrieb durch die Steuerungselektronik wirksam vor Überhitzung geschützt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beispielsbeschreibung und den Figuren, hierbei zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Leistungselektronik,
2 ein erstes Temperatur-Zeit-Diagramm,
3 ein zweites Temperatur-Zeit-Diagramm,
4 ein drittes Temperatur-Zeit-Diagramm,
5 ein viertes Temperatur-Zeit-Diagramm.

Eine erfindungsgemäße Leistungselektronik ist in 1 dargestellt. Die Leistungselektronik 1 ist auf einer Platine 2 angeordnet, welche mit einer Spannungsquelle 3 verbunden ist. Die Platine 2 umfasst den Bereich 9 einer Platine mit den Bauteilen für eine Leistungselektronik. Für eine Elektronikanordnung mit mehreren Leistungselektroniken bzw. Endstufen, die auf einer Platine angeordnet sind, kann jeder Leistungselektronik ein Bereich 9 einer Platine 2 zugeordnet werden. Der Bereich 9 umfasst einen Temperatursensor 6 und einen oder mehrere Leistungshalbleiter 4a-f
Die Spannungsquelle 3 kann insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Blei-Säure-Batterie sein. Die Platine enthält in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sechs Leistungshalbleiter 4a-f, die mit einem Motor 5 verbunden sind. Der durch die Leistungshalbleiter angesteuerte Motor kann beispielsweise für den Fahrantrieb eines Flurförderzeugs oder zum Antrieb einer Hydraulikpumpe vorgesehen sein. Je nach benötigter Leistung können pro Motorzweig mehrere Leistungshalbleiter in Serie und/oder parallelgeschaltet sein, in diesem Fall sind jeweils zwei Leistungshalbleiter in Serie geschaltet: 4a und 4b für Zweig u, 4c und 4b für Zweig v und 4e und 4f für Zweig w. Die Leistungshalbleiter können jeweils beispielsweise ein oder mehrere MOSFETs umfassen. Ein Temperatursensor 6 ist auf der Platine angeordnet. Die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur hängt von den Betriebsbedingungen der Leistungshalbleiter 4a-f, der jeweiligen Entfernung zwischen den Leistungshalbleitern 4a-f, der Beschaffenheit der Platine 2 und der sonstigen lokalen Umgebung des Temperatursensors ab. Die Ansteuerung der Leistungshalbleiter 4a-f und das Auslesen der Messdaten des Temperatursensors 6 erfolgt durch eine Steuerungselektronik 7, beispielsweise einen Mikrocontroller. Auf der Platine ist zudem ein Kondensator 8 zur Stabilisierung der Zwischenkreisspannung angeordnet.
Die durch den Temperatursensor 6 erfasste Temperatur hängt insbesondere von dem Betriebszustand der Leistungshalbleiter 4a-f ab. Je größer die durch die Leistungshalbleiter bereitgestellte Leistung ist, je größer ist auch die an den Leistungshalbleitern abfallende Verlustleistung, welche in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Diese Verlustleistung führt zu einer Erwärmung der lokalen Umgebung, was durch den Temperatursensor erfassbar ist. Die Temperaturkopplung zwischen Leistungshalbleiter 4a-f und Temperatursensor 6 hängt insbesondere von der Entfernung ab. So sind die Leistungshalbleiter 4a und 4b sehr viel näher am dem Temperatursensor 6 angeordnet, als die Leistungshalbleiter 4e und 4f.
Bei Inbetriebnahme der Leistungshalbleiter erwärmen sich die Leistungshalbleiter 4a-f zu Beginn schnell und mit zunehmender Dauer mit einer in etwa konstanten Steigung, wie aus der beispielhaften Temperaturkurve eines Leistungshalbleiters in 2 ersichtlich. Hierbei ist die Temperatur eines Leistungshalbleiters gegen die Betriebsdauer aufgetragen. Der Leistungshalbleiter wird dabei mit konstantem Strom betrieben. Die durch den Temperatursensor ermittelte Temperatur 10 (gestrichelte Kurve) folgt mit einem ähnlichen Verhalten der Temperatur des Leistungshalbleiters 11 (durchgezogene Kurve) mit einiger Verzögerung. Hierbei stellt sich zu Beginn des Betriebs zunächst eine in etwa konstante Temperaturdifferenz 12 zwischen Leistungshalbleiter und Temperatursensor ein. Nach dem Abschalten des Leistungshalbleiters zum Zeitpunkt 13 fallen die Temperaturen von Leistungshalbleiter und Temperatursensor dann wieder ab. Ein derartiges Diagramm ergibt sich aus dem Betrieb des Leistungshalbleiters mit einem hohen Strom, dem sogenannten 2-Min. Strom, der zu einem Erreichen der maximalen Temperatur des Leistungshalbleiters nach zwei Minuten führen darf. Je nach bereitgestellter Leistung bzw. Betriebsstrom erfolgt die Erwärmung des Leistungshalbleiters schneller oder langsamer. Je größer der Strom, mit dem der Leistungshalbleiter betrieben wird, je größer ist auch der Temperaturanstieg pro Zeiteinheit und je größer ist die auftretende Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Leistungshalbleiters und der Temperatur des Temperatursensors.
Ein entsprechendes Verhalten kann in bekannter Weise durch eine Übertragungsfunktion erster Ordnung, ein sogenanntes PT1-Glied, approximiert werden. Eine derartige Übertragungsfunktion wandelt einen Eingangswert in einen Ausgangswert um. Das Verhalten der Übertragungsfunktion wird bestimmt durch den Verstärkungsfaktor K und die Zeitkonstante T, welche ein Maß sind für die Abschwächung bzw. die Zeitverzögerung am Ausgang. Der Temperaturverlauf des Leistungshalbleiters 11 bildet dabei im vorliegenden Fall den Eingangswert und der Temperaturverlauf des Temperatursensors 10 den Ausgangswert der Übertragungsfunktion. Um aus einer hieraus abgeleiteten Übertragungsfunktion die Temperatur des Leistungshalbleiters aus der gemessenen Temperatur des Temperatursensors zu bestimmen, muss die Übertragungsfunktion zunächst nach dem Ausgangswert aufgelöst werden. Dies ergibt mit K:=1 $x_{e} (t) = (\frac{T}{Δ t}) * x_{α} (t) - ((\frac{T}{Δ t}) - 1) * x_{α} (t - Δ t)$
Hierbei ist Δt die Zeitdifferenz zwischen zwei Temperaturmessungen des Temperatursensors 6, x_a(t) die durch den Temperatursensor 6 ermittelte Temperatur zum Zeitpunkt t und x_e(t) die Temperatur des Leistungshalbleiters zum Zeitpunkt t. Die Zeitkonstante T ist aus den Kurvenverläufen 10 und 11 in an sich bekannter Weise ermittelbar. Eine entsprechende Abschätzung des Temperaturverlaufs 14 eines Leistungshalbleiters 4a-f aus der Temperatur des Temperatursensors 6 ist in 3 als gepunkteter Kurvenverlauf dargestellt. Eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen abgeschätzter Temperatur 14 und gemessener Temperatur 11 liegt für große Zeiten im Bereich 15 vor, während kurz nach der Inbetriebnahme des Leistungshalbleiters im Bereich 16 die Abweichung sehr groß ist. In diesem Bereich kann es zu sehr großen Diskrepanzen zwischen tatsächlicher Temperatur des Leistungshalbleiters 4a-f und der abgeschätzten Temperatur von bis zu 50 K kommen, was eine unnötige Abschaltung oder zumindest Begrenzung der Leistung des Motors bewirken kann.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, aus Testmessungen zusätzlich zu der Zeitkonstante T auch die maximale Änderung der Temperatur des Leistungshalbleiters 17a und 17b, insbesondere den maximalen Temperaturabfall 17b zu ermitteln. Für die Ermittlung des maximalen Temperaturabfalls 17b wird der Leistungshalbleiter betrieben und hierdurch erwärmt. Gleichzeitig erfolgt eine Messung der Temperatur des Leistungshalbleiters 11 und der Temperatur des Temperatursensors 10. Die für die Ermittlung des maximalen Temperaturabfalls relevanten Werte ergeben sich bei fallender Temperatur nachdem der Leistungshalbleiter bei Erreichen des Temperaturgrenzwertes abgeschaltet wurde. Auf diese Weise erfolgt die Messung in einem fest definierten Betriebspunkt, nämlich bei ausgeschaltetem Strom. Vorzugsweise wird aus derselben Messung auch die Zeitkonstante Vermittelt. Erfindungsgemäß ist nun weiter vorgesehen, dass die Steigung der Abschätzungskurve 14 auf den Wert des maximalen Temperaturabfalls 17b begrenzt wird. Diesem Vorgehen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Messung des maximalen Temperaturabfalls in der Nähe der maximalen Temperatur des Leistungshalbleiters die maximal mögliche Temperaturänderung des Systems pro Zeiteinheit sehr gut charakterisiert ist.
Alternativ kann auch der maximale Temperaturanstieg bei maximalem Betriebsstrom ermittelt und verwendet werden, da der maximal mögliche Temperaturanstieg pro Zeiteinheit bei dem maximalen Betriebsstrom des Leistungshalbleiters vorliegt. Die Ermittlung des maximalen Temperaturanstiegs 17a kann also alternativ erfolgen bei einer Messung der Temperatur eines Leistungshalbleiters 11 und einer Ermittlung der Temperatur des Temperatursensors 10, während der Leistungshalbleiter mit maximal möglichem Strom betrieben wird.
Für die Abschätzung der Temperatur des Leistungshalbleiters aus der Temperatur des Temperatursensors 10 wird nun die oben angegebene Übertragungsfunktion verwendet mit der aus der Testmessung ermittelten Zeitkonstanten T. Zusätzlich wird jeweils für aufeinanderfolgende Zeitschritte die Differenz der abgeschätzten Temperatur des Leistungshalbleiters bestimmt und auf die sich aus dem maximalen Temperaturabfall 17b ergebende maximale Temperaturänderung begrenzt. Wendet man dies auf die in 3 dargestellten Temperaturkurven 10 und 11 mit dem ermittelten maximalen Temperaturabfall 17b an, so ergibt sich statt des abgeschätzten Temperaturverlaufs 14 der abgeschätzte Temperaturverlauf 18, wie er in 4 als gepunkteter Kurvenverlauf dargestellt ist. Der Vergleich zwischen tatsächlichem Temperaturverlauf 11 und abgeschätztem Temperaturverlauf 18 des Leistungshalbleiters zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Aufgrund der sehr geringen Abweichung zwischen den beiden Kurven kann eine unbeabsichtigte Abschaltung des Motors oder Begrenzung dessen Leistung ausgeschlossen werden, insbesondere weil die Übereinstimmung bei hohen Temperaturen zunimmt.
In 5 ist ergänzend eine zweite Messung gezeigt, bei der ein niedrigerer Strom, der sogenannte 60-Min Strom, an die Leistungshalbleiter angelegt wurde. Dieser führt zu einem Erreichen der Temperaturgrenze des Leistungshalbleiters nach 60 min. Das Diagramm zeigt sowohl die gemessene Temperatur des Temperatursensors 20, die gemessene Temperatur des Leistungshalbleiters 21 und auch die abgeschätzte Temperatur des Leistungshalbleiters 24. Die Kurven liegen annähernd aufeinander und sind somit kaum unterscheidbar. Da bei diesem sehr viel geringeren Strom der Temperaturanstieg des Leistungshalbleiters viel geringer ausfällt, ist auch die Differenz zwischen den Kurven 20 und 21 sehr gering. Die Kurve 24 zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit der Kurve 21. Aufgrund des flachen Anstiegs der Kurve erfolgt keine Begrenzung der Steigung der Kurve 24.
Das dargestellte Verfahren zur Schätzung der Temperatur eines Leistungshalbleiters kann auf verschiedene Weise angewandt werden. So kann für ein System aus Leistungshalbleitern 4a-f eine Abschätzung für alle Leistungshalbleiter einzeln durchgeführt werden oder lediglich für den Leistungshalbleiter, der aufgrund seiner baulichen Gegebenheiten, Betriebsbedingungen oder wegen sonstiger Umstände erfahrungsgemäß die höchste Temperatur aufweist. Die Leistungshalbleiter der verschiedenen Zweige werden hierbei unter ungefähr gleichen Betriebsbedingungen betrieben. Auch können beispielsweise mehrere Leistungshalbleiter gleichzeitig überwacht werden, indem für die Kurve 11 die Temperatur verschiedener Leistungshalbleiter gemittelt und hieraus die Zeitkonstante rund der maximale Temperaturabfall 17b oder die maximale Steigung 17a ermittelt wird. Alternativ kann auch je ein Temperatursensor 6 pro Leistungshalbleiter 4a-f vorhanden sein und ausgewertet werden, wobei die ermittelte Temperatur eines Leistungshalbleiters jeweils auf der Auswertung eines Temperatursensors beruht.
Der oder die Temperatursensoren werden durch die Steuerungselektronik 7 ausgelesen und hieraus die Temperatur eines oder mehrerer Leistungshalbleiter 4a-f abgeschätzt. Dies geschieht mittels hinterlegter Werte für die Zeitkonstante T und den sich aus dem maximalen Temperaturabfall 17b ergebenden Wert für die maximale Temperaturänderung pro Zeiteinheit unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens. Überschreitet die abgeschätzte Temperatur eines der überwachten Leistungshalbleiter einen hinterlegten Grenzwert, so ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Betrieb des oder der Leistungshalbleiter zu drosseln oder diesen oder diese abzuschalten. Die Werte können in der Steuerungselektronik selbst, beispielsweise einer CPU oder in einem hiervon getrennten Speicher hinterlegt sein.
Ein Abschätzen der Temperatur eines Leistungshalbleiters im Kontext der vorliegenden Erfindung meint das Ermitteln der Temperatur des Leistungshalbleiters aus anderen Größen, insbesondere der Temperatur eines Temperatursensors mit für die Zwecke des vorliegenden Verfahrens ausreichender Genauigkeit, sodass die Leistungshalbleiter wirksam vor Überhitzung geschützt werden, ohne unnötig früh abzuschalten. Da bei Anwendung des vorliegenden Verfahrens die größten Abweichungen zwischen tatsächlicher und geschätzter Temperatur im Bereich niedriger Temperaturen auftreten, ist eine gewisse Abweichung zwischen tatsächlicher und geschätzter Temperatur hinnehmbar, da eine Überhitzung in diesem Temperaturbereich nicht droht. Vorzugsweise beträgt die Abweichung zwischen tatsächlicher und geschätzter Temperatur des Leistungshalbleiters weniger als 15 K, insbesondere weniger als 5 K.
Die mittels des oben beschriebenen Kalibrierverfahrens ermittelten Werte für die Zeitkonstante T und den maximalen Temperaturabfall 17 b sind auf Leistungshalbleiter in identischen oder vergleichbaren Einbausituationen und bei Verwendung vergleichbarer Betriebsbedingungen, insbesondere bzgl. des maximalen Betriebsstromes, anwendbar. Das bedeutet, dass lediglich eine Kalibriermessung für den zu charakterisierenden Leistungshalbleiter notwendig ist. Hierbei werden zeitabhängig die Temperaturen des Leistungshalbleiters und des Temperatursensors erfasst. Aus dieser Messung sind dann die benötigten Werte für die Zeitkonstante T und den maximalen Temperaturabfall 17b ermittelbar und für entsprechend verwendete Leistungshalbleiter anwendbar. Die ermittelten Werte müssen also lediglich bei der Fahrzeugproduktion in die Steuerungselektronik 7 oder einen durch die Steuerungselektronik zugänglichen Speicher eingespeichert und durch diese im Betrieb des Fahrzeuges angewendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Leistungselektronik
2: Platine
3: Spannungsquelle
4 a-f: Leistungshalbleiter
5: Motor
6: Temperatursensor
7: Steuerungselektronik
8: Kondensator
9: Bereich einer Leistungselektronik
10: Temperaturkurve Temperatursensor
11: Temperaturkurve Leistungshalbleiter
12: Temperaturdifferenz
13: Abschaltzeitpunkt
14: Abgeschätzte Temperaturkurve für den Leistungshalbleiter
15: Erster Bereich der abgeschätzten Temperatur
16: Zweiter Bereich der abgeschätzten Temperatur
17a: Maximaler Temperaturanstieg
17b: Maximaler Temperaturabfall
18: Zweite abgeschätzte Temperaturkurve
20: Zweite Temperaturkurve Temperatursensor
21: Zweite Temperaturkurve Leistungshalbleiter
24: Dritte abgeschätzte Temperaturkurve
T: Zeitkonstante

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012213354 A1 [0004]
DE 102014010807 A1 [0005]
DE 102012213349 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Abschätzung der Temperatur eines Leistungshalbleiters (4 a-f) eines Flurförderzeugs, umfassend die Schritte: - Ermitteln der Temperatur eines Temperatursensors (6) über einen Zeitraum bei Stromfluss durch den Leistungshalbleiter (4 a-f), wobei der Temperatursensor (6) in einem Abstand zum Leistungshalbleiter angeordnet ist, - Abschätzen der Temperatur des Leistungshalbleiters (14, 24) aus der ermittelten Temperatur des Temperatursensors (10, 20) sowie Kalibrierdaten, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdaten zumindest einen ersten Wert (T) umfassen, der ein Maß ist für die Temperaturkopplung zwischen dem Leistungshalbleiter und dem Temperatursensor und dass die Kalibrierdaten zumindest einen zweiten Wert, (17a, 17b) umfassen, wobei das Abschätzen der Temperatur des Leistungshalbleiters (14, 24) derart erfolgt, dass die Änderung der Temperatur des Leistungshalbleiters pro Zeiteinheit auf den zweiten Wert begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wert (17b) durch eine maximal mögliche Temperaturänderung, vorzugsweise einen maximal möglichen Temperaturabfall, pro Zeiteinheit des Leistungshalbleiters bestimmt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine erste Werte eine Zeitkonstante (T) umfasst, welche aus einer Kalibriermessung ermittelt wird, bei der der Leistungshalbleiter mit einem festgelegten Strom betrieben wird und bei der die Temperatur des Leistungshalbleiters als Eingangsgröße x_e(t) und die Temperatur des Temperatursensors als Ausgangsgröße x_a(t) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine erste Wert (T) ermittelt wird, indem eine Übertragungsfunktion erster Ordnung, insbesondere ein PT1-Glied, zwischen Leistungshalbleiter und Temperatursensor angenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Wert (T, 17a, 17b) während einer einzigen Kalibriermessung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschätzung der Temperatur des Leistungshalbleiters die Messwerte genau eines Sensors (6) verwendet werden.
Leistungselektronik eines Flurförderzeugs umfassend einen Leistungshalbleiter (4 a-f) und einen im Abstand von diesem angeordneten Temperatursensor (6) sowie eine Steuerungselektronik (7) zur Ansteuerung des Leistungshalbleiters (4 a-f), wobei die Steuerungselektronik (7) ausgebildet ist, die Temperatur Temperatursensors (10, 20) zu erfassen und aus dieser die Temperatur des Leistungshalbleiters zu schätzen (14, 24), dadurch gekennzeichnet, dass zur Schätzung der Temperatur des Leistungshalbleiters in der Steuerungselektronik (7) Kalibrierdaten gespeichert sind, die zumindest einen ersten Wert (T) umfassen, der ein Maß ist für die Temperaturkopplung zwischen dem Leistungshalbleiter (4 a-f) und dem Temperatursensor (6) und dass die Kalibrierdaten zumindest einen zweiten Wert (17a, 17b) umfassen, dass die Steuerungselektronik (7) zur Schätzung der Temperatur des Leistungshalbleiters den zumindest einen ersten und zweiten Wert verwendet (T, 17a, 17b) und bei der Ansteuerung des Leistungshalbleiters berücksichtigt, wobei die Steuerungselektronik (7) derart ausgebildet ist, dass die Änderung der geschätzten Temperatur des Leistungshalbleiters pro Zeiteinheit auf den zweiten Wert (17a, 17b) begrenzbar ist.
Leistungselektronik nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wert durch eine maximal mögliche Temperaturänderung (17a, 17b), vorzugsweise einen maximal möglichen Temperaturabfall (17b), pro Zeiteinheit des Leistungshalbleiters bestimmt ist.
Leistungselektronik nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (6) und der Leistungshalbleiter (4 a-f) auf einer gemeinsamen Platine (2) angeordnet sind, vorzugsweise in einem Abstand zwischen 20 mm und 50 mm.
Leistungselektronik nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Sensor (6) vorhanden ist.
Leistungselektronik nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (6) und mehrere Leistungshalbleiter (4 a-f) auf der Platine (2) angeordnet sind und in der Steuerungselektronik (7) genau ein erster Wert (T) und genau ein zweiter Wert (17a, 17b) hinterlegt ist.
Leistungselektronik nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuerungselektronik (7) ein Grenzwert für die geschätzte Temperatur (14, 24) des Leistungshalbleiters (4 a-f) hinterlegt ist und bei Erreichen oder Überschreiten des Grenzwertes durch die Steuerungselektronik (7) die Leistung des Leistungshalbleiters (4 a-f) drosselbar und/oder der Leistungshalbleiter abschaltbar ist.
Flurförderzeug mit einer Leistungselektronik nach einem der Ansprüche 7-12.