DE102020213626A1

DE102020213626A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Temperaturerfassung eines Kühlmediums für einen Inverter, Inverter mit einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102020213626A1
Application number: DE102020213626.2A
Authority: DE
Inventors: Navid Daniali; Johannes Hager
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-05-05
Also published as: US20220140455A1; CN114427919A

Abstract

Verfahren zur Erfassung einer Temperatur eines Kühlmediums in einem Leistungsmodul, wobei ein erster Temperatursensor zur Erfassung einer ersten Temperatur und ein zweiter Temperatursensor zur Erfassung einer zweiten Temperatur im Leistungsmodul angeordnet sind, das Verfahren umfassend: Berechnen einer Differenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur; Identifizieren eines oder mehrerer thermischer Widerstände und eines oder mehrerer Wärmekapazitäten mittels eines dem Leistungsmodul entsprechenden thermischen Schaltkreises, und basierend auf der berechneten Differenz und zumindest einem Leistungsverlust im Leistungsmodul; Bestimmen der Temperatur des Kühlmediums aus den identifizierten thermischen Widerständen, den Wärmekapazitäten, dem zumindest einem Leistungsverlust und einer der ersten und zweiten Temperatur.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Leistungsmodule zum Betreiben eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Leistungsmodule, insbesondere integrierte Leistungsmodule, finden bei Kraftfahrzeugen zunehmend Anwendungen. Derartige Leistungsmodule werden bspw. in DC/AC-Wechselrichtern (Invertern) eingesetzt, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Die Leistungsmodule basieren auf Leistungshalbleitern, insbesondere Transistoren wie IGBTs, MOSFETs und HEMTs.
In Anwendungsfällen mit hohen Strömen, etwa 400V- oder 800V-Anwendungen, wird eine entsprechend große Menge an Wärme in den Leistungsmodulen erzeugt. Diese Wärme muss abgeführt werden, um eine Überhitzung der Leistungsschalter zu verhindern, die die Funktionalität der Leistungsmodule bzw. des Wechselrichters beeinträchtigen kann. Für diesen Zweck wird ein Kühlkörper im Leistungsmodul verwendet, mit dem sich die Leistungsschalter im thermischen Kontakt befinden. Im Kühlkörper wird ein Kühlmedium, etwa Kühlwasser, verwendet, mittels dessen die im Leistungsmodul erzeugten Wärme abgeführt wird.
Um die Kühlungsfunktion des Kühlkörpers und somit auch die Funktionalität des Leistungsmoduls zu gewährleisten, ist vorteilhaft, Einblicke in die Kühlleistung des Kühlmediums zu erlangen. Hierzu wird die Temperatur des Kühlmediums erfasst. Eine Temperaturerfassung ist jedoch nicht immer auf präzise Weise möglich. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmodulen bzw. Invertern wird ein Temperatursensor in die Nähe des Kühlmediums platziert. Da der Temperatursensor nicht direkt in das Kühlmedium eingebracht wird, misst der Temperatursensor die Temperatur des Kühlmediums nicht direkt. Eine rechnerische Anpassung des Temperaturmessergebnisses ist daher erforderlich. Hierzu werden häufig modellbasierte Rechenmethoden eingesetzt. Die Genauigkeit einer solchen Temperaturerfassung ist limitiert, da sich die Rahmenbedingungen derartiger modellbasierten Rechenmethoden im Laufe der Lebensdauer des Leistungsmoduls häufig ändern. Außerdem zeigen die modellbasierten Rechenmethoden hohe System-Sensibilität auf Toleranzen berechneter Verluste und auf gemessene Temperaturen sowie auf Toleranzen des Basis-Modells. Dies verringert die Genauigkeit dieser Methoden zusätzlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein System zur genaueren und zuverlässigeren Temperaturerfassung des Kühlmediums für einen Inverter bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und einen Inverter mit einer solchen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Das System im Rahmen dieser Erfindung umfasst einen Prozessor, der zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Das Verfahren dient zur Erfassung einer Temperatur eines Kühlmediums in einem Leistungsmodul. Das Leistungsmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs. Das Leistungsmodul wird vorzugsweise in einem DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter) eingesetzt. Insbesondere dient das Leistungsmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter wird dazu verwendet, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu generieren.
Zum Einspeisen eines Eingangsstroms (Gleichstroms) weist das Leistungsmodul einen Eingangskontakt mit einem Positivpol und einem Negativpol auf. Im Betrieb des Leistungsmoduls ist der Positivpol mit einem Positivanschluss der Batterie elektrisch leitend verbunden, wobei der Negativpol mit einem Negativanschluss der Batterie elektrisch leitend verbunden ist.
Das Leistungsmodul weist ferner eine Mehrzahl von Leistungsschaltern auf, die zum Dämpferkondensator parallelgeschaltet sind. Diese halbleiterbasierten Leistungsschalter diene dazu, um basierend auf dem eingespeisten Eingangsstrom einen Ausgangsstrom mittels Ansteuerung der einzelnen Leistungsschalter zu erzeugen. Die Ansteuerung der Leistungsschalter kann auf einer sogenannten Pulsbreitenmodulation beruhen.
Vorzugsweise wird aus den Leistungsschaltern eine Brückenschaltungsanordnung gebildet. Die Brückenschaltungsanordnung kann eine oder mehrere Brückenschaltungen umfassen, die etwa als Halbbrücken gebildet sind. Jede Halbbrücke umfasst einen Highside-Schalter (HS-Schalter) und einen zum Highside-Schalter reihengeschalteten Lowside-Schalter (LS-Schalter). Jede Halbbrücke ist einer Stromphase eines mehrphasigen Wechselstroms (Ausgangsstrom) zugeordnet. Der HS-Schalter und/oder der LS-Schalter umfasst einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile wie IGBT, MOSFET oder HEMT. Das dem HS-Schalter bzw. LS-Schalter zugrunde liegende Halbleitermaterial umfasst vorzugsweise ein sogenanntes Wide-Bandgap-Semiconductor (Halbleiter mit einer großen Bandlücke) wie Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN).
Das Leistungsmodul weist ferner einen Kühlkörper auf, der zur Abfuhr von Wärme, die im Leistungsmodul, insbesondere in den Leistungsschaltern bei hohen Eingangsströmen erzeugt wird. Der Kühlkörper kann beispielsweise aus Aluminium und/oder einer Aluminium-Legierung gebildet sein. Der Kühlkörper wird von einem Kühlmedium, etwa Kühlwasser, durchströmt. Das Kühlmedium steht mit den wärmeerzeugenden Komponenten des Leistungsmoduls, z. B. den Leistungsschaltern, in thermischem Kontakt, um diese Wärme zu entziehen.
Im Leistungsmodul sind ein erster Temperatursensor zur Erfassung einer ersten Temperatur und ein zweiter Temperatursensor zur Erfassung einer zweiten Temperatur angeordnet. Die erfasste erste bzw. zweite Temperatur ist ein Indiz für die tatsächlich im Kühlmedium herrschende Temperatur, jedoch Letzterer nicht gleich. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dazu ausgebildet, anhand der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur die tatsächlich im Kühlmedium herrschende Temperatur zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird zunächst eine Differenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur berechnet. Außerdem wird zumindest ein Leistungsverlust (etwa Leistungsverlust des Highside-Schalters, der sich durch Summieren des Schaltverlustes und des Durchlassverlustes ergibt) im Leistungsmodul, vorzugsweise als vordefinierte Größe, rechnerisch erhalten. Der zumindest eine Leistungsverlust bezieht sich auf die Abweichung des gemessenen Temperaturwertes aufgrund verschiedener Verlustquellen wie die im Leistungsmodul verbauten Leistungsschalter. Basierend auf der berechneten Differenz und dem zumindest einen Leistungsverlust werden ein oder mehrere thermische Widerstände und ein oder mehrere Wärmekapazitäten identifiziert. Dies erfolgt mittels eines dem Leistungsmodul entsprechenden thermischen Schaltkreises. Der thermische Schaltkreis kann ein thermisches Netzwerk umfassen, welches ein Foster-Netzwerk oder ein Cauer-Netzwerk sein kann. Vorzugsweise umfasst der thermische Schaltkreis mehrere thermische Netzwerke, wobei jedem der beiden Temperatursensoren ein entsprechendes thermisches Netzwerk zugeordnet ist. Zu jedem der beiden Temperatursensoren kann das thermische Netzwerk wiederum mehrere thermische Subnetzwerke umfassen, die jeweils einer von mehreren Verlustquellen zugeordnet sind.
Die tatsächliche Temperatur des Kühlmediums wird schließlich aus den identifizierten thermischen Widerständen, den identifizierten Wärmekapazitäten, dem zumindest einem Leistungsverlust und einer der ersten und zweiten Temperatur ermittelt. Diese verschiedenen Größen stehen in einer Korrelation zueinander, anhand derer die tatsächliche Temperatur des Kühlmediums kalkuliert werden kann. Zur Ermittlung der transienten und stationären thermischen Effekte der thermischen Netzwerke werden die dem thermischen Netzwerk relevanten Differentialgleichungen im Zeitbereich gelöst. Der zumindest eine Leistungsverlust dient als Echtzeit-Input für die Differentialgleichungen von thermischen Netzwerken. Die Kühlmedientemperatur ergibt sich aus der Differenz zwischen einer der ersten gemessenen Temperatur und der zweiten gemessenen Temperatur einerseits und der Summe von kalkulierten Verlustquellen entsprechenden Deltatemperaturen andererseits, die sich durch Lösen der Differentialgleichungen thermischer Netzwerke ergeben.
Auf diese Weise ist ein Verfahren bereitgestellt, mit dem die tatsächlich im Kühlmedium herrschende Temperatur mit erhöhter Genauigkeit bestimmbar ist. Insbesondere kann durch Bilden der Differenz zwischen den mittels der Temperatursensoren gemessenen Temperaturen diejenigen Störfaktoren, die auf Verlustquellen zurückzuführen sind und gleichermaßen in die Messwerte der Temperatursensoren einfließen, in erster Näherung eliminiert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform in einer Seitenansicht;
2 ein schematisches Blockschaltdiagramm einer Vorrichtung zur Temperaturerfassung gemäß einer Ausführungsform;
3A eine schematische Darstellung eines Foster-Netzwerks hinsichtlich eines ersten Temperatursensors im Leistungsmodul mit einer Verlustquelle;
3B eine schematische Darstellung eines Foster-Netzwerks hinsichtlich eines zweiten Temperatursensors im Leistungsmodul mit einer Verlustquelle;
4 eine schematische Darstellung eines Foster-Netzwerks hinsichtlich einer Differenzbildung der Messwerte beider Temperatursensoren;
5A eine schematische Darstellung eines weiteren Foster-Netzwerks hinsichtlich eines ersten Temperatursensors im Leistungsmodul mit zwei Verlustquellen; und
5B eine schematische Darstellung eines weiteren Foster-Netzwerks hinsichtlich eines zweiten Temperatursensors im Leistungsmodul mit zwei Verlustquellen.

In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den einzelnen Figuren sind die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls 10. Das Leistungsmodul 10 umfasst ein Gehäuse 12, in dem mehrere Leistungsschalter 14, 16 angeordnet sind. Die Leistungsschalter 14, 16 sind halbleiter-basierte elektronische Bauteile, die als MOSFET oder IGBT ausgebildet sind. Das den Leistungsschaltern 14, 16 zugrunde liegende Halbleitermaterialien können sogenannte Wide-Bandgap-Semiconductor wie SiC oder GaN sein. Das Leistungsmodul 10 umfasst ferner ein Substrat 18 zum Tragen der Leistungsschalter 14, 16. Zusätzlich ist ein Kühlkörper 20 zur Abfuhr der in den Leistungsschaltern 14, 16 erzeugten Wärme vorgesehen. Der Kühlkörper 20 umfasst einen Innenraum, der mit einem Kühlmedium 22 durchströmt ist, welches über einen Einlass in den Innenraum gelangt und über einen Auslass diesen wieder verlässt.
Zur Erfassung der Temperatur des Kühlmediums 22 sind ein erster Temperatursensor 24 und ein zweiter Temperatursensor 26 am Leistungsmodul 10 angebracht. In Zusammenwirkung mit der in 2 schematisch gezeigten Vorrichtung 100 liefert der erste Temperatursensor 26 eine erste Temperatur 104, wobei der zweite Temperatursensor 26 eine zweite Temperatur 106 liefert. Die erste Temperatur und zweite Temperatur sind gemessene Temperaturwerte die die im Kühlmedium 22 herrschende tatsächliche Temperatur wiederspiegeln, jedoch Letzterer nicht genau gleich sind. Um die tatsächliche Temperatur des Kühlmediums 22 zu bestimmen, wird eine Differenz 105 zwischen der ersten Temperatur 104 und der zweiten Temperatur 106 mittels eines Kalkuliereinheit 108 gebildet. Außerdem wird zumindest ein Leistungsverlust 102 (etwa Leistungsverlust am Highside-Schalter) im Leistungsmodul 10, vorzugsweise als vordefinierte Größe, erhalten. Der zumindest eine Leistungsverlust 102 bezieht sich auf die Abweichung des gemessenen Temperaturwertes von der gesuchten tatsächlichen Temperatur des Kühlmediums 22 aufgrund verschiedener Verlustquellen wie die im Leistungsmodul 10 verbauten Leistungsschalter 14, 16. Die Differenz 105 und der Leistungsverlust 102 werden in eine Identifikationseinheit 110 eingegeben. Diese dient zur Systemidentifikation, insbesondere zum Identifizieren eines oder mehrerer thermischer Widerstände und eines oder mehrerer Wärmekapazitäten (siehe 3-5) mittels eines dem Leistungsmodul 10 entsprechenden thermischen Schaltkreises (siehe 3-5), basierend auf der berechneten Differenz 105 und zumindest einem Leistungsverlust 102 im Leistungsmodul 10.
Der thermische Schaltkreis umfasst vorzugsweise mehrere thermische Netzwerke, die jeweils einem der mehreren Temperatursensoren 14, 16 und den bestimmten Verlustquellen zugeordnet sind. Das jeweilige thermische Netzwerk kann ein Foster-Netzwerk oder ein Cauer-Netzwerk sein. Wie in 3A, B beispielhaft gezeigt, umfasst das thermische Netzwerk für den ersten Temperatursensor 14 ein erstes Foster-Netzwerk 200 und das thermische Netzwerk für den zweiten Temperatursensor 16 ein zweites Foster-Netzwerk 202. Im ersten Foster-Netzwerk 200 sind ein erster thermischer Widerstand R₁ und eine erste Wärmekapazität C₁ enthalten. Zwischen der ersten Temperatur T_s1 und der gesuchten tatsächlichen Temperatur T_r sind als Störfaktoren neben dem ersten thermischen Widerstand R₁ und der ersten Wärmekapazität C₁ ein Leistungsverlust P_v vorhanden. Diese Störfaktoren beeinflussen die gemessene erste Temperatur T_s1 und bewirken eine Abweichung dieser von der gesuchten Temperatur T_r. Im zweiten Foster-Netzwerk 202 sind ein zweiter thermischer Widerstand R₂ und eine zweite Wärmekapazität C₂ enthalten. Zwischen der zweiten Temperatur T_s2 und der gesuchten tatsächlichen Temperatur T_r sind als Störfaktoren neben dem zweiten thermischen Widerstand R₂ und der zweiten Wärmekapazität C₂ ein Leistungsverlust P_v vorhanden. Diese Störfaktoren beeinflussen die gemessene zweite Temperatur T_s2 und bewirken eine Abweichung dieser von der gesuchten Temperatur T_r. Der Leistungsverlust kann gemessen oder abgeschätzt werden.
In 4 ist ein weiteres thermisches Netzwerk hinsichtlich Bildung der Differenz zwischen der ersten und zweiten Temperatur T_s1, T_s2 gezeigt. Dieses thermische Netzwerk dient als Basis dafür, die diskreten Differentialgleichungen zu definieren. Durch Lösen eines Gleichungssystems, welches die gesuchten unbekannten Parameter enthält, und welches aus diskreten Differentialgleichungen und Arbeitspunktinformationen (etwa Echtzeitwerte von gemessenen Temperaturen und berechneten Verlusten) gebildet wird, können mehrere Parameter 114 (siehe 2) des thermischen Schaltkreises, nämlich die thermischen Widerstände R₁, R₂ und die Wärmekapazitäten C₁, C₂, bestimmt werden. Die Anzahl der Gleichungen im Gleichungssystem ist zumindest gleich der Anzahl der Parameter 114 des thermischen Schaltkreises, vorzugsweise deutlich größer als Letztere. Methoden wie die der kleinsten Quadrate können beispielsweise zum Lösen des Gleichungssystems verwendet werden. Diese Maßnahme erhöht die Genauigkeit der hierdurch bestimmten Parameter 114.
In dem in 2-3 beschriebenen Beispiel ist nur ein Leistungsverlust P_v enthalten. Im Fall mehrerer Leistungsquellen sind mehrere Leistungsverluste zu berücksichtigen. Wie in 5A-B beispielhaft gezeigt, ist jedem Temperatursensor 14, 16 ein entsprechendes thermisches Netzwerk 400, 402, hier Foster-Netzwerk, zugeordnet. Jedes Foster-Netzwerk umfasst wiederum mehrere Subnetzwerke, die jeweils einem der Leistungsverluste P_v1, P_v2 zugeordnet sind. Entsprechend erhöht sich die Anzahl der thermischen Widerstände R₁₁, R₁₂, R₂₁, R₂₂ und der Wärmekapazitäten C₁₁, C₁₂, C₂₁, C₂₂.
In 3-5 ist nur ein RC-Glied in jedem Fosternetzwerk dargestellt, welches einer Verlustquelle entspricht. Die Anzahl der RC-Glieder, die jeweils einer Verlustquelle entsprechen, kann auch höher sein, um die Genauigkeit der Systemidentifikation und somit die Genauigleit der Kühlmedientemperaturschätzung zu erhöhen.
In 2 werden die mit Hilfe der Identifikationseinheit 110 bestimmten Parameter 114, die erste und zweite Temperatur 104, 106 sowie der Leistungsverlust 102 in eine Schätzungseinheit 112 eingegeben, die basierend auf diesen Größen die tatsächliche Temperatur 116 ermittelt. Das der Schätzungseinheit 112 zugrunde liegende Rechenmodell kann beispielsweise Gleichung (1) oder (2) sein: $T_{r} = T_{s1} - Δ T_{1}$
$T_{r} = T_{s2} - Δ T_{2}$
Hierbei sind ΔT₁ und ΔT₂ die entstehenden dynamischen Temperaturen, die die Echtzeit-Ergebnisse der Lösung der für die Foster-Netzwerke relevanten Differentialgleichungen im Zeitbereich sind. Der zumindest eine Leistungsverlust P_v dient als Echtzeit-Input für die Differentialgleichungen von thermischen Netzwerken und erzeugt dynamische Echtzeit-Temperatureffekte der Temperaturen ΔT₁ und ΔT₂.
Bezugszeichenliste

10: Leistungsmodul
12: Gehäuse
14, 16: Leistungsschalter
18: Substrat
20: Kühlkörper
22: Kühlmedium
24: erster Temperatursensor
26: zweiter Temperatursensor
100: Vorrichtung
102: Leistungsverlust
104: erste Temperatur
106: zweite Temperatur
108: Kalkulationseinheit
105: Differenz
110: Identifikationseinheit
112: Schätzungseinheit
114: Parameter
116: tatsächliche Kühlmedientemperatur
200, 202, 300, 400, 402: thermisches Netzwerk

Claims

Verfahren zur Erfassung einer Temperatur eines Kühlmediums in einem Leistungsmodul, wobei ein erster Temperatursensor zur Erfassung einer ersten Temperatur und ein zweiter Temperatursensor zur Erfassung einer zweiten Temperatur im Leistungsmodul angeordnet sind, das Verfahren umfassend: - Berechnen einer Differenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur; - Identifizieren eines oder mehrerer thermischer Widerstände und eines oder mehrerer Wärmekapazitäten mittels eines dem Leistungsmodul entsprechenden thermischen Schaltkreises, und basierend auf der berechneten Differenz und zumindest einem Leistungsverlust im Leistungsmodul; - Bestimmen der Temperatur des Kühlmediums aus den identifizierten thermischen Widerständen, den Wärmekapazitäten, dem zumindest einem Leistungsverlust und einer der ersten und zweiten Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der thermische Schaltkreis ein thermisches Netzwerk umfasst, welches ein Foster-Netzwerk und/oder ein Cauer-Netzwerk umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der thermische Schaltkreis ein dem ersten Temperatursensor zugeordnetes erstes thermisches Netzwerk und ein dem zweiten Temperatursensor zugeordnetes zweites thermisches Netzwerk umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Identifizieren der thermischen Widerstände und der Wärmekapazitäten auf dem Lösen eines Gleichungssystems, welches aus diskreten Differentialgleichungen von thermischen Netzwerken und aus Arbeitspunktinformationen gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Anzahl der Gleichungen im Gleichungssystem zumindest die Anzahl der thermischen Widerstände und der Wärmekapazitäten beträgt.
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur eines Kühlmediums in einem Leistungsmodul, wobei ein erster Temperatursensor zur Erfassung einer ersten Temperatur und ein zweiter Temperatursensor zur Erfassung einer zweiten Temperatur im Leistungsmodul angeordnet sind, das System umfassend einen Prozessor, der zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
Computerprogramm umfassend Programmcodemittel zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wenn das Computerprogramm durch einen Computer ausgeführt wird.
Computerprogrammprodukt umfassend Programmcodemittel, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sind, um das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt durch einen Computer ausgelesen wird.