DE102020125642A1

DE102020125642A1 - System, Verfahren und Computerprogrammprodukt zur Überwachung der Kühlleistung für einen Halbleiter-Pulswechselrichter

Info

Publication number: DE102020125642A1
Application number: DE102020125642.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Brozicek
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-10-01
Filing date: 2020-10-01
Publication date: 2022-04-07
Anticipated expiration: 2040-10-02
Also published as: DE102020125642B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der Kühlleistung für einen Halbleiter-Pulswechselrichter, wobei der Halbleiter-Pulswechselrichter mehrere Leistungsmodule mit einem Halbleiterbauelement und einem Temperatursensor umfasst und mit einer Kühleinrichtung, einer Steuereinheit und/oder einem Prozessor, einem Energiespeicher und einer elektrischen Maschine verbunden ist, umfassend:- Empfangen eines Wertes einer Verlustleistung und eines von einem Temperatursensors ermittelten Temperatursignals von der Steuereinheit und/oder dem Prozessor, wobei der Wert der Verlustleistung und das Temperatursignal mit einer Abtastrate mit einer festgelegten oder veränderbaren Zeitperiode eines Zeitintervalls ermittelt werden;- Berechnen einer gefilterten Temperatur aus dem Temperatursignal;- Vergleichen der berechneten gefilterten Temperatur mit einer Vorlauftemperatur und Berechnen der Temperaturdifferenz;- Auswählen eines vordefinierten Kennfelds zur Bewertung der Kühlleistung in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturdifferenz und der über dem Zeitintervall integrierten Verlustleistung;- Berechnen eines Temperaturgradienten für das Zeitintervall;- Vergleichen des berechneten Temperaturgradienten mit Kennwerten des ausgewählten Kennfelds, um zu ermitteln, ob die erforderliche Kühlleistung gegeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System, ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zur Überwachung der Kühlleistung für einen Halbleiter-Pulswechselrichter, der mehrere Leistungsmodule mit jeweils zumindest einem Halbleiterbauelement und zumindest einem Temperatursensor umfasst und mit einer Kühleinrichtung, einer Steuereinheit und/oder einem Prozessor, einem Energiespeicher und einer elektrischen Maschine verbunden ist.
Pulswechselrichter haben die Aufgabe, einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln, beispielsweise um mittels einer Gleichstrom-Energiequelle eine elektrische Maschine anzutreiben. Auch die umgekehrte Richtung kann vorgesehen sein, also die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug kann es sich bei der elektrischen Maschine um einen Elektromotor handeln, der durch eine Energiespeichereinrichtung wie eine Hochspannungsbatterie oder eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs mit Spannung versorgt wird. Die Gleichspannung der Batterie wird von dem Pulswechselrichter in einen vorzugsweise mehrphasigen Versorgungsstrom umgewandelt und in die elektrische Maschine eingespeist.
Ein Pulswechselrichter verfügt in der Regel über mehrere Phasensysteme, die jeweils zumindest ein Leistungsmodul mit einem Halbleiterbauelement aufweisen. Mittels des Halbleiterbauelementes, insbesondere Halbleiterschalter, kann beispielsweise für das Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom ein Außenleiter des jeweiligen Phasensystems periodisch geschaltet werden, so dass in dem Außenleiter Wechselstrom anliegt. Das Ansteuern des Pulswechselrichters und damit der Halbleiterbauelemente erfolgt mit einer entsprechenden Steuereinheit. Bei den Halbleiterbauelemente kann es sich beispielsweise um Feldeffekttransistoren (FETs) handeln. In einer möglichen Ausführungsform sind die Halbleiterbauelemente als IGBTs (insulated-gate bipolar transistors) ausgebildet. Es können aber auch JFETs (junction-gate field-effect transistors) oder MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistors) vorgesehen sein.
Die Halbleiterbauelemente haben einen ohmschen Innenwiderstand, der bei einem Stromdurchfluss zu einem Temperaturanstieg führt. Um die Halbleiterbauelemente vor einer Überhitzung zu schützen, ist eine Kühleinrichtung vorgesehen. Üblicherweise sind die Leistungsmodule mit den Halbleiterbauelementen auf einem Kühlkörper angeordnet, der vorzugsweise von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird, um die Wärme der Halbleiterbauelemente abzuführen. Damit die Halbleiterbauelemente eine zulässige Maximaltemperatur nicht überschreiten, sind die einzelnen Halbleiterbauelemente jeweils mit einem Temperatursensor versehen, um die Temperatur des jeweiligen Halbleiterbauelements zu überwachen.
Um die Halbleiterbauelemente des Pulswechselrichter vor einer thermischen Überhitzung zu schützen, ist es erforderlich, mögliche Fehler der Kühleinrichtung, die beispielsweise durch den Ausfall einer Kühlmittelpumpe hervorgerufen werden können, rechtzeitig und verlässlich zu erkennen.
Die DE 10 2013 208 326 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Pulswechselrichters, wobei der Pulswechselrichter drei Phasensysteme U, V, W mit jeweils einem Leistungsmodul und einem eine Temperatur des jeweiligen Leistungsmoduls erfassenden Temperatursensor aufweist. Die Leistungsmodule sind auf einem flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörper einer Kühleinrichtung des Pulswechselrichters - in Durchströmungsrichtung des Kühlkörpers gesehen - hintereinander liegend angeordnet. Eine Temperatur wenigstens eines der Leistungsmodule wird geschätzt und mit der erfassten Temperatur dieses Leistungsmoduls verglichen.
Die DE 10 2015 008 006 B3 beschreibt ein Verfahren zum Begrenzen einer Performanz eines Steuergeräts in einem Kraftfahrzeug, das eine Kühleinrichtung aufweist, die das Steuergerät und zumindest ein weiteres Fahrzeuggerät kühlt und deren Kühlleistung im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs variiert. Durch eine Derating-Einrichtung wird ein vorgegebenes Sollwertsignal der Performanz auf einen einstellbar ausgestalteten Derating-Grenzwert begrenzt. Ein mit der Kühlleistung korrelierter Betriebsparameterwert des Kraftfahrzeugs wird erfasst und mittels einer Kennlinie ein Zustandswert einer zwischen der Kühleinrichtung und dem Steuergerät bereitgestellten Kühlschnittstelle ermittelt.
Die DE 10 2015 205 892 A1 beschreibt ein elektrisches Antriebssystem mit einer Steuerregelung, einem Wechselrichter und einem Zwischenkreiskondensator, welcher mit Eingangsanschlüssen des Wechselrichters gekoppelt ist. Die Steuerregelung ist ausgelegt, eine Vielzahl von Einflussparametern des elektrischen Antriebssystems zu erfassen und auf der Basis der erfassten Einflussparameter einen aktuellen Temperaturwert des Zwischenkreiskondensators in einem vordefinierten und von den Einflussparametern abhängigen Temperaturmodells zu berechnen.
Die DE 10 2007 056 559 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen von Temperatursensoren von Leistungsschaltern eines Pulswechselrichters. Es werden die von den Temperatursensoren gemessenen Temperaturwerte erfasst und Temperaturdifferenzen von je zwei erfassten Temperaturwerten ermittelt. Bei einem Überschreiten eines Grenzwerts für die ermittelten Temperaturdifferenzen wird die Leistung einer von dem Pulswechselrichter betriebenen elektrischen Maschine reduziert.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein Verfahren, ein System und ein Computerprogrammprodukt zur Überwachung der Kühlleistung für einen Halbleiter-Pulswechselrichter zu schaffen, das sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit auszeichnet und sich einfach implementieren lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich eines Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich eines Systems durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 und hinsichtlich eines Computerprogrammproduktes durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung der Kühlleistung für einen Halbleiter-Pulswechselrichter. Der Halbleiter-Pulswechselrichter umfasst mehrere Leistungsmodule mit jeweils zumindest einem Halbleiterbauelement und zumindest einem Temperatursensor, und ist mit einer Kühleinrichtung, einer Steuereinheit und/oder einem Prozessor, einem Energiespeicher und einer elektrischen Maschine verbunden. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

- Empfangen eines von dem Halbleiter-Pulswechselrichter ermittelten Wertes einer Verlustleistung und/oder eines von dem Temperatursensor oder einer anderen Messeinrichtung ermittelten Temperatursignals von der Steuereinheit und/oder dem Prozessor, wobei der Wert der Verlustleistung und das Temperatursignal des Halbleiterbauelements mit einer Abtastrate mit einer festgelegten oder veränderbaren Zeitperiode eines Zeitintervalls ermittelt werden;
- Berechnen einer gefilterten Temperatur aus dem Temperatursignal;
- Vergleichen der berechneten gefilterten Temperatur mit einer Vorlauftemperatur, und Berechnen der Temperaturdifferenz ΔT = T_F - T_V;
- Auswählen eines vordefinierten Kennfelds zur Bewertung der Kühlleistung in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturdifferenz ΔT und/oder der innerhalb des Zeitintervalls integrierten Verlustleistung;
- Berechnen eines Temperaturgradienten für das Zeitintervall;
- Vergleichen des berechneten Temperaturgradienten mit Schwellenwerten des ausgewählten Kennfelds, um zu ermitteln, ob die erforderliche Kühlleistung gegeben ist;
- Verändern der Zeitperiode des Zeitintervalls und/oder der Schwellenwerte des Kennfeldes beim Überschreiten und/oder Unterschreiten eines Grenzwerts für die ermittelte Temperaturdifferenz und/oder der integrierten Verlustleistung.

Insbesondere ist vorgesehen, dass das Zeitintervall Δt der Abtastrate 50 - 150 ms, insbesondere 100 ms beträgt.
In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Werte der Verlustleitung und/oder die Temperatursignale und/oder das vordefinierte Kennfeld in einer Speichereinrichtung der Steuereinheit und/oder des Prozessors und/oder einer separaten Speichereinrichtung, die mit der Steuereinheit und/oder dem Prozessor verbunden ist, gespeichert werden.
Vorteilhafterweise umfasst das Kennfeld eine erste Schwelle und eine zweite Schwelle mit jeweils einem festgelegten Schwellenwert, wobei das Überschreiten der zweiten Schwelle durch den Temperaturgradienten auf eine verminderte Kühlleistung der Kühleinrichtung hinweist, und wobei das Unterschreiten der ersten Schwelle durch den Temperaturgradienten auf eine ausreichende Kühlleistung hinweist.
Insbesondere ist vorgesehen, die Schwellenwerte der ersten Schwelle und der zweiten Schwelle herabzusetzen, wenn die ermittelte Temperaturdifferenz ΔT einen festgelegten Grenzwert überschreitet.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, die Zeitperiode des Zeitintervalls Δt zu verändern, wenn die ermittelte Temperaturdifferenz ΔT einen festgelegten Grenzwert innerhalb einer bestimmten Anzahl von Zeitintervallen überschreitet und/oder unterschreitet.
Insbesondere sind die Halbleiterbauelemente als IGBTs (insulated-gate bipolar transistors) und/oder JFETs (junction-gate field-effect transistors) und/oder MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistors) ausgebildet.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung einen Kühlkörper umfasst, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur Überwachung der Kühlleistung für einen Halbleiter-Pulswechselrichter. Der Halbleiter-Pulswechselrichter umfasst mehrere Leistungsmodule mit jeweils zumindest einem Halbleiterbauelement und zumindest einem Temperatursensor, und ist mit einer Kühleinrichtung, einer Steuereinheit und/oder einem Prozessor, einem Energiespeicher und einer elektrischen Maschine verbunden. Die Steuereinheit und/oder der Prozessor sind dazu ausgebildet, die folgenden Verfahrensschritte durchzuführen: einen von dem Halbleiter-Pulswechselrichter ermittelten Wert einer Verlustleistung und/oder ein von dem Temperatursensor oder einer anderen Messeinrichtung ermitteltes Temperatursignal zu empfangen, wobei der Wert der Verlustleistung und das Temperatursignal mit einer Abtastrate mit einer festgelegten oder veränderbaren Zeitperiode eines Zeitintervalls ermittelt werden; eine gefilterte Temperatur aus dem Temperatursignal zu berechnen, die berechnete gefilterte Temperatur mit einer Vorlauftemperatur zu vergleichen und die Temperaturdifferenz ΔT = T_F - T_V zu berechnen; ein vordefiniertes Kennfeld in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturdifferenz ΔT und/oder der innerhalb des Zeitintervalls integrierten Verlustleistung zur Bewertung der Kühlleistung auszuwählen; einen Temperaturgradienten für das Zeitintervall zu berechnen; den berechneten Temperaturgradienten mit Schwellenwerten des Kennfelds zu vergleichen, um zu ermitteln, ob die erforderliche Kühlleistung gegeben ist; die Zeitperiode des Zeitintervalls und/oder die Schwellenwerte des Kennfeldes beim Überschreiten und/oder Unterschreiten eines Grenzwerts für die ermittelte Temperaturdifferenz ΔT und/oder der integrierten Verlustleistung zu verändern.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Zeitintervall Δt der Abtastrate 50 - 150 ms, insbesondere 100 ms beträgt.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, die Werte der Verlustleistung und/oder die Temperatursignale und/oder das vordefinierte Kennfeld in einer Speichereinrichtung der Steuereinheit und/oder des Prozessors und/oder einer separaten Speichereinrichtung, die mit der Steuereinheit und/oder dem Prozessor verbunden ist, zu speichern.
Vorteilhafterweise umfasst das Kennfeld eine erste Schwelle und eine zweite Schwelle mit jeweils einem festgelegten Schwellenwert, wobei das Überschreiten der zweiten Schwelle durch den Temperaturgradienten auf eine verminderte Kühlleistung der Kühleinrichtung hinweist, und wobei das Unterschreiten der ersten Schwelle durch den Temperaturgradienten auf eine ausreichende Kühlleistung hinweist.
Insbesondere werden die Schwellenwerte der ersten Schwelle und der zweiten Schwelle herabgesetzt, wenn die ermittelte Temperaturdifferenz ΔT einen festgelegten Grenzwert überschreitet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Zeitperiode des Zeitintervalls verändert werden, wenn die ermittelte Temperaturdifferenz ΔT einen festgelegten Grenzwert innerhalb einer bestimmten Anzahl von Zeitintervallen überschreitet und/oder unterschreitet.
Insbesondere sind die Halbleiterbauelemente als IGBTs (insulated-gate bipolar transistors) und/oder JFETs (junction-gate field-effect transistors) und/oder MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistors) ausgebildet.
Gemäß einem dritten Aspekt stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt bereit, das einen ausführbaren Programmcode umfasst, der so konfiguriert ist, dass er bei seiner Ausführung das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt ausführt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems;
2a eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs der realen Temperatur eines Halbleiterbauelements, der gefilterten Temperatur des Halbleiterbauelements und der Vorlauftemperatur bei einer funktionierenden Kühleinrichtung;
2b eine schematische Darstellung des Signalverlaufs des Energieumsatzes des Halbleiterbauelements bei einer funktionierenden Kühleinrichtung;
2c eine schematische Darstellung des Temperaturgradienten des Halbleiterbauelements bei einer funktionierenden Kühleinrichtung;
3a eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs der realen Temperatur eines Halbleiterbauelements, der gefilterten Temperatur des Halbleiterbauelemente und der Vorlauftemperatur bei einer defekten Kühleinrichtung;
3b eine schematische Darstellung des Signalverlaufs des Energieumsatzes des Halbleiterbauelements bei einer defekten Kühleinrichtung;
3c eine schematische Darstellung des Temperaturgradienten des Halbleiterbauelements bei einer defekten Kühleinrichtung;
4a eine schematische Darstellung eines zweiten Signalverlaufs der realen Temperatur eines Halbleiterbauelements, der gefilterten Temperatur des Halbleiterbauelements und der Vorlauftemperatur bei einer defekten Kühleinrichtung;
4b eine schematische Darstellung des Signalverlaufs des Energieumsatzes des Halbleiterbauelements bei einer defekten Kühleinrichtung;
4c eine schematische Darstellung des Temperaturgradienten des Halbleiterbauelements bei einer defekten Kühleinrichtung;
5a eine schematische Darstellung des Signalverlaufs wie in 4a;
5b eine schematische Darstellung des Signalverlaufs des Energieumsatzes wie in 4b mit geänderten Schwellenwerten;
5c eine schematische Darstellung des Temperaturgradienten wie in 4c mit geänderten Schwellenwerten;
6a eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs wie in 4a;
6b eine schematische Darstellung des Signalverlaufs des Energieumsatzes die in 4b mit geänderten Schwellenwerten und einer geänderten Abtastrate;
6c eine schematische Darstellung des Temperaturgradienten wie in 4c mit geänderten Schwellenwerten und einer geänderten Abtastrate;
7 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
8 zeigt schematisch ein Computerprogrammprodukt gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts der Erfindung.

Zusätzliche Kennzeichen, Aspekte und Vorteile der Erfindung oder ihrer Ausführungsbeispiele werden durch die ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen ersichtlich.
1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eines Systems 100 zur Überwachung der Kühlleistung für einen Halbleiter-Pulswechselrichter 10, der insbesondere für eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug verwendet wird. Das System 100 umfasst eine elektrische Maschine 30 mit drei Phasen L1, L2 und L3, insbesondere zum Antreiben des Fahrzeugs, wobei es sich bei der elektrischen Maschine 30 bevorzugt um den Elektromotor eines Kraftfahrzeugs handelt. Die elektrische Maschine 30 ist durch den Pulswechselrichter 10 mit einem Energiespeicher 40 verbunden, der insbesondere als Hochvolt-Energiespeicher ausgebildet ist und eine Gleichspannung zu Verfügung stellt. Der Pulswechselrichter 10 ist mit einer Steuereinheit 50 oder einem Prozessor verbunden.
Unter einem „Prozessor“ und/oder der „Steuereinheit“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine Maschine oder eine elektronische Schaltung verstanden werden. Bei einem Prozessor kann es sich insbesondere um einen Hauptprozessor (engl. Central Processing Unit, CPU), einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller, beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder einen digitalen Signalprozessor, möglicherweise in Kombination mit einer Speichereinheit zum Speichern von Programmbefehlen, etc. handeln. Auch kann unter einem Prozessor ein virtualisierter Prozessor, eine virtuelle Maschine oder eine Soft-CPU verstanden werden. Es kann sich beispielsweise auch um einen programmierbaren Prozessor handeln, der mit Konfigurationsschritten zur Ausführung des genannten erfindungsgemäßen Verfahrens ausgerüstet wird oder mit Konfigurationsschritten derart konfiguriert ist, dass der programmierbare Prozessor die erfindungsgemäßen Merkmale des Verfahrens, der Komponente, der Module, oder anderer Aspekte und/oder Teilaspekte der Erfindung realisiert. Insbesondere kann die Steuereinheit 50 als ECU (engl. electronic control unit) ausgebildet sein kann.
Unter einer „Speichereinheit“ oder „Speichermodul“ und dergleichen kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein flüchtiger Speicher in Form von Arbeitsspeicher (engl. Random-Access Memory, RAM) oder ein dauerhafter Speicher wie eine Festplatte oder ein Datenträger oder z. B. ein wechselbares Speichermodul verstanden werden. Es kann sich bei dem Speichermodul aber auch um eine cloudbasierte Speicherlösung handeln.
Unter einem „Modul“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein Prozessor und/oder eine Speichereinheit zum Speichern von Programmbefehlen verstanden werden. Beispielsweise ist der Prozessor und/oder die Steuereinheit 50 speziell dazu eingerichtet, die Programmbefehle derart auszuführen, damit der Prozessor und/oder die Steuereinheit 50 Funktionen ausführt, um das erfindungsgemäße Verfahren oder einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zu implementieren oder realisieren.
Die Steuereinheit 50 steuert den Pulswechselrichter 10 in der Weise an, dass die Gleichspannung des Energiespeichers 40 in eine Wechselspannung zum Antreiben der elektrischen Maschine 30 umgewandelt wird.
Der Pulswechselrichter 10 weist für die drei Phasen L1, L2 und L3 vorzugsweise drei Leistungsmodule LM1, LM2, LM2 auf, die jeweils ein Halbleiterbauelement 17, 18 und 19 aufweisen, wobei die Halbleiterbauelemente 17, 18 und 19 insbesondere als IGBTs (insulated-gate bipolar transistors), JFETs (junction-gate field-effect transistors) oder MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistors) ausgebildet sind und durch pulsweitenmodulierte Signale, die von der Steuereinheit 50 ausgegeben werden, zyklisch ein- und ausgeschaltet werden. Hierdurch wird die Gleichspannung des Energiespeichers 40 in die Wechselspannung für jeweils eine der Phasen L1, L2 und L3 der elektrischen Maschine 30 umgewandelt. Jedes der Leistungsmodule LM1, LM2, LM3 ist einer Phase L1, L2 und L3 der elektrischen Maschine 30 zugeordnet.
Während des Betriebs des Pulswechselrichters 10 fließen durch die Halbleiterbauteile der drei Leistungsmodule LM1, LM2, LM3 sehr hohe elektrische Ströme. Der Stromfluss sowie die Schaltvorgänge des pulsweitenmodellierten Stroms führen zu merklichen Verlustleistungen, die insbesondere in den Halbleiterbauelemente 17, 18 und 19 und weiteren zugeordneten elektronischen Bauteilen wie Dioden entstehen und sich als Wärme bemerkbar machen.
Die entstehende Wärme führt zu einem Temperaturanstieg der Halbleiterbauelemente 17, 18 und 19, so dass eine Kühleinrichtung 70 erforderlich ist, um eine Überhitzung zu vermeiden. Üblicherweise ist die Kühleinrichtung 70 als Kühlkörper ausgebildet, durch den ein Kühlmittel strömt. Das Kühlmittel ist insbesondere als Kühlflüssigkeit ausgebildet, die durch eine Kühlmittelpumpe 72 durch den Kühlkörper gefördert wird. Die Durchströmungsrichtung ist durch die Pfeile angedeutet. Die Leistungsmodule LM1, LM2, LM3 sind üblicherweise auf dem Kühlkörper angeordnet.
Jedes der Leistungsmodule LM1, LM2, LM3 weist außerdem zumindest einen Temperatursensor 27, 28, 29 auf zum Erfassen der Temperatur des jeweiligen Halbleiterbauelements 17, 18, 19. Unter „Signalwerten“ sind im Zusammenhang mit der Erfindung sowohl die Rohdaten als auch bereits aufbereitete Daten aus den Messergebnissen der Sensoren zu verstehen. Neben den Temperatursensoren 27, 28 und 29 können weitere Messeinrichtungen wie Sensoren zur Erfassung der Kühltemperatur des Kühlmittels oder der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels vorgesehen sein.
Ein Temperaturanstieg der Leistungsmodule LM1, LM2, LM3 durch einen Fehler der Kühleinrichtung 70, wie beispielsweise ein Defekt der Kühlmittelpumpe 72 oder der Zuführungsleitungen des Kühlmittels, können durch die Temperatursensoren 27, 28 und 29 detektiert werden. Da jedoch die Wärmebelastung der Leistungsmodule LM1, LM2, LM3 von der Fahrzeuggeschwindigkeit und damit der Leistung der elektrischen Maschine 30 abhängt, ist es anhand der Messdaten der Temperatursensoren 27, 28 und 29 allein schwierig, die tatsächliche Kühlleistung der Kühleinrichtung 70 abzuschätzen.
2a zeigt eine schematische Darstellung des Signalverlaufs der realen Temperatur T_R eines der Halbleiterbauelemente 17, 18 oder 19 des Pulswechselrichters 10 in Abhängigkeit von der Zeit t im Normalbetrieb des Pulswechselrichters 10. Die reale Temperatur T_R wird von den Temperatursensoren 27, 28 und 29 vorzugsweise mit einer Abtastrate mit einer Zeitperiode von 100 ms in der Maßeinheit Kelvin gemessen. Außerdem wird von dem Pulswechselrichter die Verlustleistung VL in Watt mit einer Abtastrate von 100 ms empfangen bzw. ermittelt.
Eine weitere Kurve zeigt die gefilterte Temperatur T_F des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19. Die Filterung erfolgt über einen PT1-Filter. Zudem ist die Vorlauftemperatur Tv des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19 dargestellt. Die Vorlauftemperatur Tv ist diejenige Temperatur des Kühlmittels, welches die Halbleiter-Elemente 17, 18 und 19 überströmt und konvektiv die Wärme abgeführt. Eine Temperaturdifferenz ΔT wird zwischen der Vorlauftemperatur Tv und der aktuellen gefilterten Halbleiter-Temperatur T_F gebildet. Oberhalb der genannten Kurven ist die Grenztemperatur T_G eingezeichnet, die der Derating-Kurve DK entspricht. Die Derating-Kurve DK beschreibt die maximal zulässige Grenztemperatur T_G eines elektrischen oder elektronischen Bauteils in Abhängigkeit von seiner Umgebungstemperatur. Der Pulswechselrichter 10 reduziert selbsttätig seine Leistung und damit auch seine Verlustleistung, wenn diese Grenztemperatur T_G erreicht wird. Hierdurch schützt sich der Pulswechselrichter 10 selbst vor einer Überhitzung.
Die Zeitachse t ist in einzelne Zeitintervalle Δt1, Δt2, Δt3, Δt4 eingeteilt, die dem Diagnosezyklus der Temperatursensoren 27, 28 und 29 entspricht, d.h. das Temperatursignal T_R wird mit einer Abtastrate mit einer festgelegten oder veränderbaren Zeitperiode für ein Zeitintervall Δt von dem jeweiligen Temperatursensor 27, 28 oder 29 abgetastet. Die Dauer der Zeitperiode des jeweiligen Zeitintervalls Δt wird dynamisch über ein Kennfeld bestimmt, das von Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Vorlauftemperatur Tv und der aktuellen gefiltert Halbleiter-Temperatur T_F abhängt. Je größer die Temperaturdifferenz ΔT ist, desto kleiner wird der Diagnose bzw. der Überwachungszyklus und damit die Zeitperiode für das Zeitintervall Δt. Der exemplarische Signalverlauf der realen Temperatur T_R des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19 zeigt einen zyklischen Verlauf, der am Ende eines Zeitintervalls Δt einen Peak erreicht, dann wieder abfällt und erneut ansteigt. Dieses Pendeln zwischen ansteigender und abfallender Temperatur entspricht dem Schaltungszyklus der Leistungsmodule LM1, LM2, LM3 des Pulswechselrichters 10, da der Signalverlauf der realen Temperatur T_R vom Lastprofil, wie beispielsweise der Beschleunigung des Fahrzeugs oder einer Rekuperation, abhängt und mit der integrierten Verlustleistung VL korreliert.
2b zeigt eine schematische Darstellung des Signalverlaufs des Energieumsatzes E des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19. Der Energieumsatz E entspricht der innerhalb des Zeitintervall Δt integrierten Verlustleistung VL und die Maßeinheit ist Wattsekunde. Außerdem ist eine Schwelle SE für den Energieumsatz E eingezeichnet. In den Zeitintervallen Δt1 und Δt2 überschreitet der Energieumsatz E die Schwelle SE, während er in den Zeitintervallen Δt3 und Δt4 unterhalb der Schwelle SE bleibt. Die Schwelle SE beschreibt den notwendigen minimalen Energieumsatz E, ab dem eine Beurteilung der Kühlleistung möglich ist. Die Schwelle SE ergibt sich durch ein Kennfeld, das von der Temperaturdifferenz ΔT abhängig ist.
2c zeigt eine schematische Darstellung des Temperaturgradienten dT_F/dt am Ende eines jeweiligen Zeitintervalls Δt. Bei dem Temperaturgradienten dT_F/dt handelt es sich um den Mittelwert der nach der Zeit t differenzierten gefilterten Temperatur T_F. Außerdem sind eine erste Schwelle S1 und eine zweite Schwelle S2 eingetragen. Die Schwellen S1 und S2 werden über ein Kennfeld gebildet, welches in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ΔT und der innerhalb des Zeitintervalls Δt integrierten Verlustleistung VL bestimmt wird. Der Temperaturgradient dT_F/dt und damit die Bewertung der Kühlleistung wird immer zum Endzeitpunkt des jeweiligen Zeitintervalls Δt bestimmt. Die Dauer der Zeitperiode des Zeitintervalls Δt wird über das Kennfeld bestimmt, das von der Temperaturdifferenz ΔT und/oder der integrierten Verlustleistung abhängig ist.
Eine ausreichende Kühlleistung ist vorhanden, wenn der berechnete Temperaturgradient dT_F/dt unterhalb der ersten Schwelle S1 liegt. Im Normalbetrieb des Pulswechselrichters 10 kann die erste Schwelle S1 bei ausreichender Kühlleistung überschritten werden, während das Überschreiten der zweiten Schwelle S2 auf einen Fehler bei der Kühlleistung hinweist.
In der Darstellung von 2c überschreitet der Temperaturgradient dT_F/dt am Ende des ersten Zeitintervalls Δt1 und des zweiten Zeitintervalls Δt2 die erste Schwelle S1, bleibt jedoch jeweils unterhalb der zweiten Schwelle S2, so dass das Kühleinrichtung 70 als im Normalbetrieb arbeitend diagnostiziert wird. Für die Abschnitte Δt3 und Δt4 ist kein Gradient eingetragen, da der notwendige minimale Energieumsatz E nicht erreicht wurde und somit kein Ergebnis für das jeweilige Zeitintervall gebildet wird.
Ein Temperaturgradient dT_F/dt unterhalb der ersten Schwelle S1 bedeutet somit, dass die Kühlleistung in Ordnung ist. Ein Temperaturgradient dT_F/dt oberhalb der zweiten Schwelle S2 bedeutet, dass die Kühlleistung nicht in Ordnung ist. Kein Diagnoseergebnis liegt vor, wenn der berechnete Temperaturgradient dT_F/dt zwischen der ersten Schwelle S1 und der zweiten Schwelle S2 liegt.
Die Temperaturdifferenz ΔT wird jeweils zum Startzeitpunkt des Zeitintervalls Δt gebildet. Zudem bestimmt die Temperaturdifferenz ΔT über das Kennfeld die Dauer der Zeitperiode des Zeitintervalls Δt. Die Integration der Verlustleistung VL wird innerhalb des Zeitintervalls Δt gebildet. Die Auswertung der Kühlleistung findet jeweils am Endzeitpunkt eines Zeitintervalls Δt statt.
3a zeigt eine schematische Darstellung des Signalverlaufs der realen Temperatur T_R eines der Halbleiterbauelemente 17, 18 oder 19 des Pulswechselrichters 10 in Abhängigkeit von der Zeit t bei einem Defekt der Kühleinrichtung 70 des Pulswechselrichters 10. Bei dem Defekt kann es sich beispielsweise um einen Ventilschaden im Kühlmittelleitungen der Kühleinrichtung 70 handeln. Außerdem zeigt eine weitere Kurve die gefilterte Temperatur T_F d des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19. Zudem ist die Vorlauftemperatur T_V des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19 dargestellt. Oberhalb der Kurven ist die Grenztemperatur T_G eingezeichnet, die der Derating-Kurve DK entspricht. Die Zeitachse t ist wiederum in einzelne Zeitintervalle Δt1, Δt2, At3, Δt4 eingeteilt, die dem Diagnosezyklus der Temperatursensoren 27, 28 und 29 entsprechen. Am Ende eines Zeitintervalls Δt wird unter der Voraussetzung eines minimalen Energieumsatzes die Kühlleistung bewertet. Die Dauer des Zeitintervalls Δt wird dynamisch über das Kennfeld bestimmt. Der Signalverlauf der realen Temperatur T_R des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19 zeigt jedoch keinen zyklischen Verlauf wie in 2a, sondern steigt stetig an, bis er die Derating-Kurve DK erreicht. Beim Erreichen der Derating-Kurve DK findet eine selbsttätige Reduzierung der Leistung des Pulswechselrichters 10 statt, so dass die die Dearating-Kurve DK nicht überschritten wird.
3b zeigt wiederum eine schematische Darstellung des Signalverlaufs des Energieumsatzes E des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19, der dem Signalverlauf in 2b entspricht.
3c zeigt eine schematische Darstellung des Temperaturgradienten dT_F/dt am Ende eines jeweiligen Zeitintervalls Δt. Außerdem sind wiederum eine erste Schwelle S1 und eine zweite Schwelle S2 eingetragen. Die erste Schwelle S1 kann im Normalbetrieb überschritten werden, während das Erreichen der zweiten Schwelle S2 auf einen Fehler in der Kühleinrichtung 70 hinweist. Der Temperaturgradient dT_F/dt überschreitet am Ende des ersten Zeitintervalls Δt1 die erste Schwelle S1, bleibt jedoch unterhalb der zweiten Schwelle S2. Hingegen überschreitet der Temperaturgradient dT_F/dt am Ende des zweiten Zeitintervalls Δt2 die zweiten Schwelle S2, so dass ein Fehler der Kühleinrichtung 70 diagnostiziert wird.
4a zeigt wiederum eine schematische Darstellung des Signalverlaufs der realen Temperatur T_R eines der Halbleiterbauelemente 17, 18 oder 19 des Pulswechselrichters 10 in Abhängigkeit von der Zeit t bei einem Defekt der Kühleinrichtung 70 des Pulswechselrichters 10. Bei dem Defekt kann es sich beispielsweise um einen Massenstromverlust der Kühleinrichtung 70 handeln, der zu einer Verminderung der Kühlleistung führt. Außerdem zeigt eine weitere Kurve die gefilterte Temperatur T_F d des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19. Zudem ist die Vorlauftemperatur Tv des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19 dargestellt. Oberhalb der Kurven ist die Grenztemperatur T_G eingezeichnet, die der Derating-Kurve DK entspricht. Die Zeitachse t ist wiederum in einzelne Zeitintervalle Δt1, Δt2, At3, Δt4 unterteilt, die dem Diagnosezyklus der Temperatursensoren 27, 28 und 29 entsprechen. Der Signalverlauf der realen Temperatur T_R des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19 zeigt nun einen Verlauf mit ansteigenden und abfallenden Flanken, der jedoch insgesamt stetig ansteigt, bis er die Derating-Kurve DK erreicht. Beim Erreichen der Derating-Kurve DK findet wiederum eine selbsttätige Reduzierung der Leistung des Pulswechselrichters 10 statt, so dass die Derating-Kurve DK nicht überschritten wird.
4b zeigt wiederum eine schematische Darstellung des Signalverlaufs des Energieumsatzes E des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19, der dem Signalverlauf in 2b entspricht.
4c zeigt eine schematische Darstellung des Temperaturgradienten dT_F/dt am Ende eines jeweiligen Zeitintervalls Δt. Außerdem sind wiederum eine erste Schwelle S1 und eine zweite Schwelle S2 eingetragen. Die Temperaturgradienten dT_F/dt am Ende des ersten Zeitintervalls Δt1 und am Ende des zweiten Zeitintervalls Δt2 bleiben jeweils unterhalb der zweiten Schwelle S2, so dass ein Fehler der Kühleinrichtung 70 nicht diagnostiziert wird.
5a zeigt wiederum eine schematische Darstellung des Signalverlaufs der realen Temperatur T_R, der gefilterten Temperatur T_F und der Vorlauftemperatur Tv eines der Halbleiterbauelemente 17, 18 oder 19 des Pulswechselrichters 3 in Abhängigkeit von der Zeit t bei einem Defekt der Kühleinrichtung 70 des Pulswechselrichters 10. Der Signalverlauf der einzelnen Kurven entspricht der Darstellung aus 4a. Darüber hinaus ist die Differenz ΔT zwischen der gefilterten Temperatur T_F und der Vorlauftemperatur Tv des Halbleiterbauelemente des 17, 18 oder 19 am Ende eines jeden Zeitintervalls Δt eingetragen. Wie deutlich erkennbar ist, nimmt die Temperaturdifferenz ΔT von Zeitintervall Δt zu Zeitintervall Δt stetig zu.
5b zeigt wiederum eine schematische Darstellung des Signalverlaufs des Energieumsatzes E des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19, der dem Signalverlauf in 2b entspricht. Allerdings ist der Schwellenwert für die Schwelle für den Energieumsatz SE in den einzelnen Zeitintervallen Δt1, Δt2, At3, Δt4 unterschiedlich gesetzt, wobei der Schwellenwert von dem ersten Zeitintervall Δt₁ bis zu dem vierten Zeitintervall Δt₂ abnimmt. Da die Schwellen SE, S1 undS2 in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ΔT herabgesetzt werden, kann der Fehler einer schleichenden Erwärmung erkannt werden. Da die Temperaturdifferenz ΔT zu Beginn eines jeden Zeitintervalls Δt und damit eines Diagnosezyklus gebildet wird, werden die Werte für die Schwellen SE, S1 und S2 bei einer kontinuierlichen Erwärmung immer weiter nach unten gesetzt.
5c zeigt eine schematische Darstellung des Temperaturgradienten dT_F/dt am Ende eines jeweiligen Zeitintervalls Δt. Außerdem sind wiederum eine erste Schwelle S1 und eine zweite Schwelle S2 eingetragen. Allerdings sind die erste Schwelle S1 und die zweite Schwelle S2 in den einzelnen Zeitintervallen Δt1, Δt2, Δt3, Δt4 unterschiedlich gesetzt, wobei der jeweilige Schwellenwert von dem ersten Zeitintervall Δt1 bis zu dem vierten Zeitintervall Δt2 abnimmt. Der Gradient am Ende des ersten Zeitintervalls Δt bleibt unterhalb der zweiten Schwelle S2, während die nachfolgenden Gradienten am Ende der Zeitintervalle Δt2, Δt3, und Δt4 jeweils die zweite Schwelle S2 überschreiten, so dass ein Fehler der Kühleinrichtung 70 diagnostiziert werden kann.
6a zeigt wiederum eine schematische Darstellung des Signalverlaufs der realen Temperatur T_R, der gefilterten Temperatur T_F und der Vorlauftemperatur Tv eines der Halbleiterbauelemente 17, 18 oder 19 des Pulswechselrichters 10 in Abhängigkeit von der Zeit t bei einem Defekt der Kühleinrichtung 70 des Pulswechselrichters 10. Der Signalverlauf der einzelnen Kurven entspricht der Darstellung aus der 4a. Darüber hinaus ist die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der gefilterten Temperatur T_F und der Vorlauftemperatur T_V des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19 am Ende eines jeden Zeitintervalls Δt eingetragen. Wie deutlich erkennbar ist, nimmt die Differenz ΔT von Zeitintervall Δt zu Zeitintervall Δt stetig zu. Daher ist die Zeitperiode für die Zeitintervalle Δt3 und Δt4 halbiert worden, so dass nun zwei weitere Zeitintervalle Δt5 und Δt6 auf der Zeitachse t vorgesehen sind. Die Zeitperiode für die Zeitintervalle Δt verkleinert sich somit aufgrund der größeren Temperaturdifferenz ΔT. Es findet somit erfindungsgemäß eine dynamische Anpassung der Zeitperiode des Zeitintervalls Δt in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ΔT statt. Daher kann bei einer kontinuierlichen Erwärmung die Diagnose hinsichtlich der vorhandenen Kühlleistung präziser gestellt werden, da die Zeitperiode eines Diagnoseintervalls Δt verkleinert wurde.
6b zeigt wiederum eine schematische Darstellung des Signalverlaufs des Energieumsatzes E des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19. Da die Zeitachse t nun die weiteren Zeitintervalle Δt5 und Δt6 umfasst, hat sich die Darstellung des Energieumsatzes in den Zeitintervallen At3, Δt4, Δt5 und Δt6 geändert. Die Schwelle SE für den Energieumsatz E in den einzelnen Zeitintervallen Δt1, Δt2, At3, Δt4, Δt5 und Δt6 entspricht jedoch der Darstellung in 5b. Die Schwelle SE wird über das Kennfeld gebildet, das von der Temperaturdifferenz ΔT abhängig ist.
6c zeigt eine schematische Darstellung des Temperaturgradienten dT_F/dt am Ende eines jeweiligen Zeitintervalls Δt. Durch die Einfügung der weiteren Zeitintervalle Δt5 und Δt6 auf der Zeitachse t wurden weitere Temperaturgradienten dT_F/dt berechnet. Außerdem sind wiederum eine erste Schwelle S1 und eine zweite Schwelle S2 eingetragen, die wiederum von dem ersten Zeitintervall Δt1 bis zu dem sechsten Zeitintervall Δt6 abnehmen. Der Temperaturgradient dT_F/dt am Ende des ersten Zeitintervalls Δt bleibt unterhalb der zweiten Schwelle S2, während die nachfolgenden Gradienten am Ende der Zeitintervalle Δt2 bis Δt6 jeweils die zweite Schwelle S2 überschreiten, so dass ein Fehler der Kühleinrichtung 20 diagnostiziert werden kann. Durch die Reduzierung der Zeitperiode der Zeitintervalle Δt kann das Diagnoseverfahren verfeinert werden, so dass Fehler in der Kühleinrichtung 70 zuverlässiger diagnostiziert werden können. Da die Zeitperiode der Zeitintervalle Δt bei hohen Temperaturen der Halbleiterbauelemente 17, 18 und 19 geändert wird, kann in kürzeren Zeitabständen ein Temperaturgradient dT_F/dt für das jeweilige Zeitintervall Δt gebildet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit ein Verfahren zur Überwachung der Kühlleistung für einem Pulswechselrichter 10 vorgeschlagen, dass auf der Integration der Verlustleistung VL des Pulswechselrichters 10 innerhalb einer bestimmten Zeitperiode eines Zeitintervalls Δt beruht. Außerdem wird der Temperaturgradient dT_F/dt der gefilterten Temperatur T_F innerhalb des Zeitintervalls Δt berechnet. Hierdurch kann eine Aussage über den Kühlzustand der Kühleinrichtung 70 getroffen werden. Ob eine ausreichende Kühlleistung und damit der Kühlzustand gegeben ist oder nicht, wird über ein Kennfeld mit ein oder mehreren Schwellenwerten bzw. Kennwerten für den Temperaturgradienten dT_F/dt bestimmt. Insbesondere weist das Kennfeld Schwellenwerte einer ersten Schwelle S1 und einer zweiten Schwelle S2 auf. Es sind im Rahmen der Erfindung jedoch auch andere Kennfelder mit weiteren Schwellenwerten oder anderen Kurvenformen für die Schwellenwerte möglich. Durch das Überschreiten oder Unterschreiten von Schwellenwerten des Kennfeldes durch den Temperaturgradienten dT_F/dt kann die Kühlleistung der Kühleinrichtung 70 diagnostiziert werden. Die Schwellenwerte des Kennfeldes und/oder die Zeitperiode des Zeitintervalls Δt können erfindungsgemäß dynamisch in Abhängigkeit von der integrierten Verlustleistung VL des Pulswechselrichters und/oder der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Vorlauftemperatur T_F und der Vorlauftemperatur Tv der Halbleiterbauelemente 17, 18 oder 19 angepasst werden. Hierdurch kann die Diagnose zuverlässiger durchgeführt werden, da bei einer erhöhten Temperatur T_F gegenüber der Vorlauftemperatur T_V sowohl der Diagnoseaufwand durch eine Verkleinerung des Zeitfensters, in dem eine Diagnose durchgeführt wird, als auch die Diagnosegenauigkeit durch eine Änderung der Schwellenwerte des Kennfeldes erhöht wird.
In 7 sind die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung der Kühlleistung für einen Halbleiter-Pulswechselrichter 10 dargestellt. I
In einem Schritt S10 wird ein von dem Halbleiter-Pulswechselrichter 10 ermittelter Wert der Verlustleistung VL und/oder ein von einem Temperatursensor 27, 28 oder 29 oder einer anderen Messeinrichtung ermitteltes Temperatursignal T_R von einem Prozessor und/oder einer Steuereinheit 50 empfangen, wobei der Wert der Verlustleistung VL und das Temperatursignal mit einer Abtastrate mit einem festgelegten oder veränderbaren Zeitintervall Δt von dem Pulswechselrichter 10 bzw. dem Temperatursensor 27, 28 oder 29 ermittelt werden.
In einem Schritt S20 wird in der Steuereinheit 50 und/oder dem Prozessor eine gefilterten Temperatur T_F berechnet.
In einem Schritt S30 vergleicht die Steuereinheit 50 und/oder der Prozessor die berechnete gefilterte Temperatur T_F mit einer Vorlauftemperatur T_V und berechnet die Temperaturdifferenz ΔT = T_F - T_V.
In einem Schritt S40 wählt die Steuereinheit 50 und/oder der Prozessor ein Kennfeld zur Bewertung der Kühlleistung in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturdifferenz ΔT und/oder der innerhalb des Zeitintervalls Δt integrierten Verlustleistung VL.
In einem Schritt S50 berechnet die Steuereinheit 50 und/oder der Prozesse einen Temperaturgradienten dT_F/dt für das Zeitintervall Δt.
In einem Schritt S60 vergleicht die Steuereinheit 50 und/oder der Prozessor den berechneten Temperaturgradienten dT_F/dt mit Schwellenwerten des Kennfeldes.
In einem Schritt S70 werden beim Überschreiten und/oder Unterschreiten eines Schwellenwertes des Kennfeldes für die ermittelte Temperaturdifferenz ΔT und/oder die integrierte Verlustleistung die Zeitperiode des Zeitintervalls Δt und/oder die Schwellenwerte des Kennfeldes verändert.
8 stellt schematisch ein Computerprogrammprodukt 700 dar, das einen ausführbaren Programmcode 750 umfasst, der konfiguriert ist, um das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung auszuführen, wenn es ausgeführt wird.
Mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann zuverlässig die Kühlleistung eines Halbleiter-Pulswechselrichters 10 diagnostiziert werden. Die Schwellenwerte des Kennfeldes zur Bewertung des Temperaturgradienten dT_F/dt innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls Δt werden in Abhängigkeit von der tatsächlichen Verlustleistung VL und/oder der berechneten Temperaturdifferenz ΔT angepasst. Dies gilt ebenso für die Zeitperiode des Zeitintervalls Δt. Die Signalerfassung und die Bewertung der Signalerfassung durch ein Kennfeld werden somit entsprechend der ermittelten Temperaturwerte und/oder der integrierten Verlustleistung dynamisch verändert. Durch diese dynamische Anpassung des Kennfeldes und der Zeitperiode der Abtastrate an den tatsächlichen Signalverlauf der gefilterten Temperatur T_F des Halbleiterbauelements 17, 18 oder 19 und/oder der tatsächlichen Verlustleistung VL des Pulswechselrichters 10 ist eine präzise und zuverlässige Überwachung der Kühlleistung einer Kühleinrichtung 70 für einen Halbleiter-Pulswechselrichter 10 ermöglicht.
Bezugszeichenliste

10: Halbleiter-Pulswechselrichter
17: Halbleiterbauelement
18: Halbleiterbauelement
19: Halbleiterbauelement
27: Temperatursensor
28: Temperatursensor
29: Temperatursensor
30: elektrische Maschine
40: Energiespeicher
50: Steuereinheit
70: Kühleinrichtung
72: Kühlmittelpumpe
100: System
700: Computerprogrammprodukt
750: Programmcode
LM1: Leistungsmodul
LM2: Leistungsmodul
LM3: Leistungsmodul
L1: Phase 1
L2: Phase 2
L3: Phase 3
TR: reale Temperatur
TF: gefilterte Temperatur
TV: Vorlauftemperatur
TG: Grenztemperatur
ΔT: Temperaturdifferenz
Δt: Zeitintervall
dTF/dt: Temperaturgradient
S1: erste Schwelle
S2: zweite Schwelle
DK: Derating-Kurve
E: Energieumsatz
SE: Schwelle für den Energieumsatz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013208326 A1 [0006]
DE 102015008006 B3 [0007]
DE 102015205892 A1 [0008]
DE 102007056559 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Überwachung der Kühlleistung für einen Halbleiter-Pulswechselrichter (10), wobei der Halbleiter-Pulswechselrichter (10) mehrere Leistungsmodule (LM1, LM2, LM3) mit jeweils zumindest einem Halbleiterbauelement (17, 18, 19) und zumindest einem Temperatursensor (27, 28, 29) umfasst und mit einer Kühleinrichtung (70), einer Steuereinheit (50) und/oder einem Prozessor, einem Energiespeicher (40) und einer elektrischen Maschine (30) verbunden ist, umfassend: - Empfangen (S10) eines von dem Halbleiter-Pulswechselrichter (10) ermittelten Wertes einer Verlustleistung (VL) und/oder eines von einem Temperatursensor (27, 28, 29) oder einer anderen Messeinrichtung ermittelten Temperatursignals (T_R) von der Steuereinheit (50) und/oder dem Prozessor, wobei der Wert der Verlustleistung (VL) und das Temperatursignal (T_R) mit einer Abtastrate mit einer festgelegten oder veränderbaren Zeitperiode eines Zeitintervalls (Δt) ermittelt werden; - Berechnen (S20) einer gefilterten Temperatur (T_F) aus dem Temperatursignal (T_R); - Vergleichen (S30) der berechneten gefilterten Temperatur (T_F) mit einer Vorlauftemperatur (Tv) und Berechnen der Temperaturdifferenz ΔT = T_F - T_V; - Auswählen (S40) eines vordefinierten Kennfelds zur Bewertung der Kühlleistung in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturdifferenz ΔT und/oder der innerhalb des Zeitintervalls (Δt) integrierten Verlustleistung (VL); - Berechnen (S50) eines Temperaturgradienten (dT_F/dt) für das Zeitintervall (Δt); - Vergleichen (S60) des berechneten Temperaturgradienten (dT_F/dt) mit Schwellenwerten des ausgewählten Kennfelds, um zu ermitteln, ob die erforderliche Kühlleistung gegeben ist; - Verändern (S70) der Zeitperiode des Zeitintervalls (Δt) und/oder der Schwellenwerte des Kennfeldes beim Überschreiten und/oder Unterschreiten eines Grenzwerts für die ermittelte Temperaturdifferenz (ΔT) und/oder der integrierten Verlustleistung (VL).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zeitintervall (Δt) der Abtastrate 50 - 150 ms, insbesondere 100 ms beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Werte der Verlustleistung (VL) und/oder die Temperatursignale (T_R) und/oder das vordefinierte Kennfeld in einer Speichereinrichtung der Steuereinheit (50) und/oder des Prozessors und/oder einer separaten Speichereinrichtung, die mit der Steuereinheit (50) und/oder dem Prozessor verbunden ist, gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kennfeld eine erste Schwelle (S1) und eine zweite Schwelle (S2) mit jeweils einem festgelegten Schwellenwert umfasst, und das Überschreiten der zweiten Schwelle (S2) durch den Temperaturgradienten (dT_F/dt) auf eine verminderte Kühlleistung der Kühleinrichtung (70) hinweist und das Unterschreiten der ersten Schwelle (S1) durch den Temperaturgradienten (dT_F/dt) auf eine ausreichende Kühlleistung hinweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Schwellenwerte der ersten Schwelle (S1) und der zweiten Schwelle (S2) herabgesetzt werden, wenn die ermittelte Temperaturdifferenz (ΔT) einen festgelegten Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zeitperiode des Zeitintervalls (Δt) verändert werden, wenn die ermittelte Temperaturdifferenz (ΔT) und/oder die integrierte Verlustleistung (VL) einen festgelegten Grenzwert innerhalb einer bestimmten Anzahl von Zeitintervallen Δt überschreitet und/oder unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterbauelemente (17, 18, 19) als IGBTs (insulated-gate bipolar transistors) und/oder JFETs (junction-gate field-effect transistors) und/oder MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistors) ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kühleinrichtung (70) einen Kühlkörper umfasst, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird.
System (100) zur Überwachung der Kühlleistung für einen Halbleiter-Pulswechselrichter (10), wobei der Halbleiter-Pulswechselrichter (10) mehrere Leistungsmodule (LM1, LM2, LM3) mit jeweils zu mindestens einem Halbleiterbauelement (17, 18, 19) und zumindest einem Temperatursensor (27, 28, 29) umfasst und mit einer Kühleinrichtung (70), einer Steuereinheit (50) und/oder einem Prozessor, einem Energiespeicher (40) und einer elektrischen Maschine (30) verbunden ist, und wobei die Steuereinheit (50) und/oder der Prozessor dazu ausgebildet sind, die folgenden Verfahrensschritte durchzuführen: einen von dem Halbleiter-Pulswechselrichter (10 ermittelten Wert einer Verlustleistung (VL) und/oder ein von dem Temperatursensor (27, 28, 29) oder einer anderen Messeinrichtung ermitteltes Temperatursignal (T_R) zu empfangen, wobei der Wert der Verlustleistung (VL) und das Temperatursignal (T_R) mit einer Abtastrate mit einer festgelegten oder veränderbaren Zeitperiode eines Zeitintervalls (Δt) ermittelt werden; eine gefilterte Temperatur (T_F) aus dem Temperatursignal (T_R) zu berechnen, die berechnete gefilterte Temperatur (T_F) mit einer Vorlauftemperatur (T_V) zu vergleichen und die Temperaturdifferenz ΔT = T_F - T_V zu berechnen; ein vordefiniertes Kennfeld in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturdifferenz ΔT und/oder der innerhalb des Zeitintervalls (Δt) integrierten Verlustleistung (VL) zur Bewertung der Kühlleistung auszuwählen; einen Temperaturgradienten (dT_F/dt) für das Zeitintervall (Δt) zu berechnen; den berechneten Temperaturgradienten (dT_F/dt) mit Schwellenwerten des Kennfelds zu vergleichen, um zu ermitteln, ob die erforderliche Kühlleistung gegeben ist; die Zeitperiode des Zeitintervalls (Δt) und/oder die Schwellenwerte des Kennfeldes beim Überschreiten und/oder Unterschreiten eines Grenzwerts für die ermittelte Temperaturdifferenz (ΔT) und/oder die integrierte Verlustleistung (VL) zu verändern.
System (100) nach Anspruch 9, wobei das Zeitintervall (Δt) der Abtastrate 50 - 150 ms, insbesondere 100 ms beträgt.
System (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Werte der Verlustleistung (VL) und/oder die Temperatursignale (T_R) und/oder das vordefinierte Kennfeld in einer Speichereinrichtung der Steuereinheit (50) und/oder des Prozessors und/oder einer separaten Speichereinrichtung, die mit der Steuereinheit (50) und/oder dem Prozessor verbunden ist, gespeichert sind.
System (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Kennfeld eine erste Schwelle (S1) und eine zweite Schwelle (S2) mit jeweils einem festgelegten Schwellenwert umfasst und das Überschreiten der zweiten Schwelle (S2) durch den Temperaturgradienten (dT_F/dt) auf eine verminderte Kühlleistung der Kühleinrichtung (70) hinweist und das Unterschreiten der ersten Schwelle (S1) durch den Temperaturgradienten (dT_F/dt) auf eine ausreichende Kühlleistung hinweist; und wobei die Schwellenwerte der ersten Schwelle (S1) und der zweiten Schwelle (S2) herabgesetzt werden, wenn die ermittelte Temperaturdifferenz (ΔT) einen festgelegten Grenzwert überschreitet.
System (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 12, wobei die Zeitperiode des Zeitintervalls (Δt) verändert werden, wenn die ermittelte Temperaturdifferenz (ΔT) und/oder die integrierte Verlustleistung (VL) einen festgelegten Grenzwert innerhalb einer bestimmten Anzahl von Zeitintervallen (Δt) überschreitet und/oder unterschreitet.
System (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 13, wobei die Halbleiterbauelemente (17, 18, 19) als IGBTs (insulated-gate bipolar transistors) und/oder JFETs (junction-gate field-effect transistors) und/oder MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistors) ausgebildet sind.
Computerprogrammprodukt (700), umfassend einen ausführbaren Programmcode (750), der so konfiguriert ist, dass er bei seiner Ausführung das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt.