DE102019201008A1

DE102019201008A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Soll-Volumenstroms eines Kühlmittels sowie damit betriebene elektrische Schaltung

Info

Publication number: DE102019201008A1
Application number: DE102019201008.3A
Authority: DE
Inventors: Jakob Mauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2020-07-30
Also published as: WO2020156818A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Soll-Volumenstromes (V) eines mindestens ein elektrisches Bauteil einer elektrischen Schaltung (6) kühlenden Kühlmittels. Es ist vorgesehen, dass der Soll-Volumenstrom (V) unter Berücksichtigung einer Differenz (dT) zwischen der Temperatur des Bauteils und der Temperatur des Kühlmittels bestimmt wird, insbesondere automatisch bestimmt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende elektrische Schaltung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Soll-Volumenstromes eines mindestens ein elektrisches Bauteil einer elektrischen Schaltung kühlenden Kühlmittels. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Schaltung mit mindestens einem elektrischen Bauteil, das von einem strömenden Kühlmittel gekühlt wird.
Stand der Technik
Elektrische Schaltungen, die mindestens ein elektrisches Bauteil aufweisen, werden in Fahrzeugen eingesetzt. Das Bauteil muss im Betrieb gekühlt werden. Hauptsächlich wird hierzu eine Wasserkühlung eingesetzt. Ein hinreichender Volumenstrom des Kühlmittels ist dabei einzuhalten, um eine Überhitzung des Bauteils zu vermeiden. Hierzu wird der Volumenstrom über eine Kennlinie in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur appliziert. Dieses Vorgehen ist insbesondere für einen Bauteileschutz sowie eine lange Lebensdauer des Bauteils nicht hinreichend.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine elektrische Schaltung anzugeben, um einen optimalen Schutz und eine lange Lebensdauer für das Bauteil zu erhalten.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren der Soll-Volumenstrom unter Berücksichtigung einer Differenz zwischen der Temperatur des Bauteils und die Temperatur des Kühlmittels bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt insbesondere automatisch, vorzugsweise rechnerisch, insbesondere mittels mindestens einer Kennlinie. Der Begriff des „Sollvolumenstroms“ ist nicht auf eine Regelung beschränkt, sondern er umfasst z. B. auch eine Steuerung des Kühlmittel-Volumenstroms.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Soll-Volumenstrom unter Berücksichtigung der Temperatur des Kühlmittels bestimmt wird. Dementsprechend wird sowohl die erwähnte Differenz der Temperaturen als auch die Temperatur des Kühlmittels selbst für die Durchführung des Verfahrens herangezogen.
Vorzugsweise ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass der Soll-Volumenstrom mittels mindestens eines Kennfeldes ermittelt wird, wobei das Kennfeld den Soll-Volumenstrom, die genannte Differenz der Temperaturen, also der Temperatur des Bauteils und der Temperatur des Kühlmittels, und/oder die Temperatur des Kühlmittels berücksichtigt. Dieses Kennfeld wurde bereits vorstehend erwähnt. Selbstverständlich ist es möglich, mehrere Kennfelder für verschiedene Situationen zu berücksichtigen.
Vorzugsweise sind mehrere Kennfelder, wie erwähnt, vorgesehen, wobei in Abhängigkeit der elektrischen Leistung der elektrischen Schaltung und/oder des elektrischen Bauteils ein entsprechendes der Kennfelder verwendet wird. In Abhängigkeit der erwähnten Leistung wird dementsprechend das Kennfeld verwendet, das für diese elektrische Leistung besonders gut geeignet ist.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Kennfeld für eine elektrische Normalleistung der elektrischen Schaltung und/oder des elektrischen Bauteils und mindestens ein Kennfeld für eine elektrische Spitzenleistung der elektrischen Schaltung und/oder des elektrischen Bauteils verwendet wird/werden. Unter der erwähnten Normalleistung kann eine Nennleistung verstanden werden. Die elektrische Spitzenleistung ist eine nur eine kurze Zeitspanne aufrechtzuhaltende, über der Normalleistung liegende Leistung.
Ferner ist es vorteilhaft, dass eine Umschaltung zwischen den Kennfeldern mittels einer Tiefpassfilterung erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass keine schlagartige Parameteränderung erfolgt, sondern dass durch das Tiefpassverhalten ein kontinuierlicher Übergang beim Wechsel des Kennfelds geschaffen ist.
Ferner ist es vorteilhaft, dass eine Umschaltung zwischen den Kennfeldern unter Berücksichtigung einer Hysterese erfolgt, dass also der Umschaltpunkt beispielsweise von einem ersten Kennfeld zu einem zweiten Kennfeld ein anderer ist als der Umschaltpunkt vom zweiten Kennfeld zum ersten Kennfeld.
Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Schaltung mit mindestens einem elektrischen Bauteil, das von einem strömenden Kühlmittel gekühlt wird, wobei die Schaltung und/oder das Bauteil mit dem Verfahren betrieben wird, so wie es vorstehend in den verschiedenen Varianten beschrieben ist.
Bei der elektrischen Schaltung handelt es sich vorzugsweise um eine Leistungselektronikschaltung.
Die elektrische Schaltung kann vorzugsweise eine Wandlerschaltung, insbesondere eine DC-DC-Wandlerschaltung sein, die Gleichstrom von einem höheren Niveau auf ein niedrigeres Niveau oder umgekehrt wandelt. Vorzugsweise wird sie in einem Fahrzeug eingesetzt. Man spricht dann auch von einer Niedrigvolt-/Hochvoltschaltung.
Das Bauteil der elektrischen Schaltung kann vorzugsweise mindestens einen Leistungshalbleiter, mindestens eine Drossel, mindestens einen Transformator und/oder mindestens ein Kondensator sein.
Die Erfindung wird anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Und zwar zeigen:

1 ein Kennfeld-Diagramm,
2 ein Signalflussplan und
3 eine Abbildung zur Erläuterung von Umschaltbedingungen, abhängig von einer Leistung und mithilfe einer Hysterese.

Bei einer Anwendung der Erfindung an einer elektrischen Schaltung, die als DC-DC-Wandler in einem Bordnetz eines Fahrzeugs ausgelegt ist, wird eine bidirektionale Wandlung von HV nach LV sowie von LV nach HV vorgenommen. Dabei bedeutet HV Hochvolt-Bordnetz, beispielsweise eine Hochvoltbatterie, sowie LV Lowvolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs und DC Gleichstrom. Dieser Wandler, also die elektrische Schaltung, wird wassergekühlt, wobei es erforderlich ist, mindestens ein bestimmtes Bauteil der Schaltung zu kühlen, insbesondere mindestens eine/n verwendete/n Leitungshalbleiter, Drossel, Transformator und/oder Kondensator. Das Kühlmittel, beispielsweise das erwähnte Wasser, wird mittels einer Pumpe oder dergleichen vorzugsweise im Kreislauf, insbesondere über einen Kühler, gefördert, sodass ein entsprechender Volumenstrom des Kühlmittels vorliegt, der einstellbar, vorzugsweise regelbar ist. Wichtig ist es nun, diesen Volumenstrom derart einzustellen, dass eine Überhitzung von mindestens einem der Bauteile, insbesondere dem mindestens einen Leistungshalbleiter, vermieden wird, insbesondere derart, dass dieses Bauteil eine lange Lebensdauer hat.
Im Kennfelddiagramm der 1 ist der Volumenstrom des Kühlmittels mit V, die Temperatur des Kühlmittels mit T und die Differenz der Temperaturen zwischen dem Bauteil (beispielsweise ein Leistungshalbleiter) und dem Kühlmittel mit dT bezeichnet. Die erwähnten physikalischen Größen werden z. B. mit entsprechenden Sensoren erfasst.
Wie der 1 zu entnehmen ist, wird in einem Normalmode N der Schaltung das eine der beiden dort dargestellten Kennfelder und in einem Peakmode P das andere der dargestellten Kennfelder verwendet, um den Volumenstrom zu ermitteln. Es handelt sich dabei vorzugsweise um einen Soll-Volumenstrom. Die in der 1 dargestellten Größen sind alle normiert dargestellt. Der Normalmode N ist der Betrieb der Schaltung mit Normalleistung/Nennleistung. Für kurzzeitige höhere Beanspruchung, also der Bereitstellung einer höheren Leistung, stellt die Schaltung eine elektrische Spitzenleistung zur Verfügung. Dies ist mit dem Peakmode P gekennzeichnet.
Da bei der Betriebsführung der Schaltung, also bei dem Verfahren, die Differenz dT zwischen der Temperatur des mindestens einen entsprechenden Bauteils und der Temperatur des Kühlmittels berücksichtigt wird, gelingt es, eine lange Lebensdauer beziehungsweise einen wirksamen Bauteileschutz zu schaffen. Auch mechanische Belastungen, die im Betrieb auftreten, werden hierdurch minimiert. Neben der Berücksichtigung der erwähnten Temperaturdifferenz dT ist es vorzugsweise möglich, gleichfalls auch die tatsächliche Temperatur T des Kühlmittels zu berücksichtigen, so wie dies aus der 1 hervorgeht.
Aus der 1 ist deutlich zu erkennen, dass bei zunehmender Temperaturdifferenz dT der Soll-Volumenstrom V bei konstanter Kühlmitteltemperatur T steigt. Ferner ist deutlich zu erkennen, dass bei zunehmender Kühlmitteltemperatur T der Soll-Volumenstrom V des Kühlmittels bei konstanter Temperaturdifferenz dT steigt.
Die 2 verdeutlicht anhand eines Signalflussplans den erwähnten Normalmode sowie den erwähnten Peakmode. Je nachdem, welcher der beiden Betriebsarten aktiv ist, wird zwischen den entsprechenden Kennfeldern umgeschaltet. Beiden Kennfeldern 1 und 2 werden die Temperatur T des Kühlmittels sowie die Temperaturdifferenz dT zwischen dem mindestens einen Bauteil und dem Kühlmittel zugeführt. Am Eingang 3 wird entschieden, ob es sich um den Normalmode N oder den Peakmode P handelt. Die Umschaltung erfolgt mit dem Schalter 4. Das Ausgangssignal des Schalters 4 wird einer Tiefpassfilterung 5 zugeführt, die durch eine kalibrierbare Zeitkonstante eine harte Umschaltung des Volumenstroms V des Kühlmittels verhindert. Die Wahl der Zeitkonstante wird aus Messungen gewonnen, indem die Dynamik der Pumpe des vorliegenden Kühlsystems analysiert wird (maximal mögliche Volumenstromänderung der Pumpe).
Die 3 gibt ein Beispiel für die Umschaltbedingungen betreffend die Leistung der Schaltung 6, wobei eine Hysterese Berücksichtigung findet. Die Umschaltung zwischen zwei Kennfeldern über den Mode, also dem Normalmode N beziehungsweise dem Peakmode P, erfolgt über eine gemittelte Leistung der Schaltung 6. Gemäß 3 wird die Leistung P der Schaltung 6 mittels einer Einrichtung 7 gemittelt, sodass die gemittelte Leistung Pavg zur Verfügung steht. Diese wird einer Einrichtung 8 zugeführt, die eine Hysterese 9 aufweist, derart, dass zur Bestimmung des Modes, also des Normalmodes N oder des Peakmodes P, zwei Thresholds, also Schaltpunkte, bereitstehen, um von der Normalleistung N auf die Peakleistung P beziehungsweise von der Peakleistung P auf die Normalleistung N zu schalten. Dabei ist noch zu erwähnen, dass diese Thresholds vorzugsweise kalibrierbar sind. Die 3 verdeutlicht einen Wert für die gemittelte Leistung im Normalbetrieb (Pavg norm) beziehungsweise einen Wert für die gemittelte Leistung im Spitzenbetrieb (Pavg peak).
Die Erfindung kann selbstverständlich auch bei anderen Produkten eingesetzt werden, also überall dort, wo eine aktive Kühlmittelsteuerung oder Kühlmittelregelung Verwendung findet.

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Soll-Volumenstromes (V) eines mindestens ein elektrisches Bauteil einer elektrischen Schaltung (6) kühlenden Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Volumenstrom (V) unter Berücksichtigung einer Differenz (dT) zwischen der Temperatur des Bauteils und der Temperatur des Kühlmittels bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Volumenstrom unter Berücksichtigung der Temperatur (T) des Kühlmittels bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Volumenstrom (V) mittels mindestens eines Kennfeldes (1, 2) ermittelt wird, wobei das Kennfeld (1, 2) den Soll-Volumenstrom (V), die genannte Differenz (dT) der Temperaturen und/oder die Temperatur (T) des Kühlmittels berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Kennfelder (1, 2), wobei in Abhängigkeit der elektrischen Leistung (P) der elektrischen Schaltung und/oder des elektrischen Bauteils ein entsprechendes der Kennfelder (1, 2) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kennfeld (1, 2) für eine elektrische Normalleistung der elektrischen Schaltung (6) und/oder des elektrischen Bauteils und mindestens ein Kennfeld (2, 1) für eine elektrische Spitzenleistung der elektrischen Schaltung (6) und/oder des elektrischen Bauteils verwendet wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung zwischen den Kennfeldern (1, 2) mittels einer Tiefpassfilterung (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung zwischen den Kennfeldern (1, 2) unter Berücksichtigung einer Hysterese erfolgt.
Elektrische Schaltung (6) mit mindestens einem elektrischen Bauteil, das von einem strömenden Kühlmittel gekühlt wird, wobei die Schaltung und/oder das Bauteil mit dem Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche betrieben wird.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Leistungselektronikschaltung ist.
Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Wandlerschaltung, insbesondere eine DC-DC-Wandlerschaltung, ist.
Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Niedrigvolt-/Hochvoltschaltung, insbesondere in einem Fahrzeug, ist.
Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mindestens ein Leistungshalbleiter, mindestens eine Drossel, mindestens ein Transformator und/oder mindestens ein Kondensator ist.