DE102021201039A1

DE102021201039A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Volumenstroms eines Kühlmittels

Info

Publication number: DE102021201039A1
Application number: DE102021201039.3A
Authority: DE
Inventors: Manuel Warwel; Benjamin MUELLER
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-08-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Volumenstroms (V) eines Kühlmittels, das zur Kühlung einer Leistungselektronik (110) in einem Fahrzeug (200) durch einen Kühlmittelpfadgeleitet wird, mit den folgenden Schritten: Bestimmen einer Temperatur des Kühlmittels an einem Einlass (162) des Kühlmittelpfads, und einer Temperatur des Kühlmittels an einem Auslass des Kühlmittelpfads als Eingangsgrößen (E) für ein Berechnungsmodell zum Bestimmen des Volumenstroms (V), Übermitteln der Eingangsgrößen (E) mittels einer drahtlosen Kommunikationsverbindung (220) an ein fahrzeugfremdes Rechensystem (230), und Erhalten eines basierend auf den Eingangsgrößen (E) bestimmten Volumenstroms (V) mittels einer drahtlosen Kommunikationsverbindung (220) von dem fahrzeugfremden Rechensystem (230).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft mehrere Verfahren zum Bestimmen eines Volumenstroms sowie ein Rechensystem und ein Computerprogramm zu deren Durchführung.
Hintergrund der Erfindung
Elektrische Maschinen können, insbesondere bei einem Einsatz in einem Fahrzeug, insbesondere einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug, mittels eines Stromrichters (sog. Inverter) betrieben werden. Insbesondere sind hierbei ein motorischer und ein generatorischer Betrieb möglich. Aufgrund der dabei entstehenden Wärme durch Verlustleistung im Stromrichter, dort insbesondere der Halbleiterschaltelemente bzw. Leistungshalbleiter, ist es zweckmäßig, solche Stromrichter mittels eines Kühlmittels, beispielsweise Wasser, zu kühlen.
Außerdem können für einen solchen Stromrichter oder allgemein eine Leistungselektronik Temperaturmodelle verwendet werden, um etwaige Überhitzungen frühzeitig zu erkennen und so Schäden zu vermeiden, beispielsweise indem die Leistungselektronik abgeschaltet oder in einen anderen Betriebsmodus versetzt wird.
Eine wichtige Eingangsgröße für solche Temperaturmodelle ist dabei ein Volumenstrom des Kühlmittels, das insbesondere durch einen entsprechenden Kühlmittelpfad der Leistungselektronik geleitet wird. Aus der DE 10 2014 217 299 A1 ist beispielsweise eine Möglichkeit bekannt, auch bei einem variierenden Volumenstrom des Kühlmittels eine Temperatur eines Stromrichters möglichst genau zu ermitteln.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden Verfahren zum Bestimmen eines Volumenstroms sowie ein Rechensystem und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Bestimmen (oder Ermitteln) eines Volumenstroms eines Kühlmittels, das zur Kühlung einer Leistungselektronik in einem Fahrzeug, insbesondere eines Stromrichters, durch einen Kühlmittelpfad geleitet wird. Bei einem solchen Stromrichter kann es sich insbesondere um einen Wechselrichter bzw. Inverter zum Ansteuern einer elektrischen Maschine handeln.
Wie schon erwähnt, weist ein solcher Stromrichter typischerweise Halbleiterschaltelemente, insbesondere Leistungshalbleiter wie MOSFETs oder IGBTs auf, um eine Spannung beispielsweise von einer Gleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln und umgekehrt. Je nach Art der mittels des Stromrichters anzusteuernden elektrischen Maschine und auch des Stromrichters selbst kann es insbesondere bei insgesamt hohen Leistungen, d.h. hohen Strömen, zu starker Erwärmung der Halbleiterschaltelemente und damit des Stromrichters aufgrund entsprechender Verlustleistung kommen. Eine solche elektrische Maschine kann dabei insbesondere einem Hybrid- oder (reinen) Elektrofahrzeug als Fahr- bzw. Traktionsantrieb zum Einsatz kommen.
Typischerweise ist bei einem solchen Stromrichter bzw. allgemein bei Leistungselektronik eine Kühleinrichtung bzw. eine Möglichkeit zur Kühlung vorgesehen. Beispielsweise kann hierzu ein Kühlkörper verwendet werden, auf dem die Halbleiterschaltelemente und ggf. andere relevante Komponenten angeordnet sind, und an dem ein Kühlmittel in einem Kühlmittelpfad entlanggeführt wird, um die entstehende Wärme abzuführen. Bei dem Kühlmittel kann es sich insbesondere um eine Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch handeln. Dabei kann der Kühlkörper Kühlrippen oder dergleichen aufweisen, die im Kühlmittelpfad liegen, um die entstehende Wärme möglichst effizient abführen zu können.
Wie erwähnt, können Temperaturmodelle verwendet werden, um etwaige Überhitzungen frühzeitig zu erkennen und so Schäden an der Leistungselektronik zu vermeiden. Ein Temperaturmodell stellt insbesondere einen Zusammenhang zwischen Temperaturen von Komponenten entlang eines Wärmepfades dar, also z.B. vom Kühlmittel über den Kühlkörper zur Leistungselektronik. Eine wichtige Eingangsgröße für solche Temperaturmodelle ist dabei neben der Temperatur auch der Massenstrom bzw. bei im Wesentlichen konstanter Dichte der Volumenstrom des Kühlmittels.
Eine Genauigkeit eines solchen Temperaturmodells bzw. der damit berechneten Werte hängt dabei mitunter sehr stark von der Genauigkeit des Volumenstroms bzw. eines hierfür verfügbaren Werts ab. Während die Genauigkeit für einen konstanten oder maximal möglichen Volumenstrom ggf. ausreichend ist, kann es - wie sich herausgestellt hat - z.B. bei variablem Volumenstrom des Kühlmittels Probleme mit dieser Genauigkeit geben.
Zwar kann von einer entsprechenden Steuerung der Kühlmittelpumpe ein Signal bzw. eine Information zum aktuellen Volumenstrom des Kühlmittels erhalten und in einer entsprechenden Recheneinheit für die Leistungselektronik eingelesen werden. Allerdings ist auch hier mitunter die Genauigkeit nicht ausreichend, oder aber nur zeitlich verzögert vorhanden.
Damit müsste, um auch bei eigentlich nicht ausreichender Genauigkeit eines solchen Signals bzw. einer solchen Information zum Volumenstrom des Kühlmittels entsprechende Maßnahmen vor bzw. bei Überhitzung treffen zu können, der Volumenstrom in der Regel höher als eigentlich nötig eingestellt werden, um etwaige Toleranzen abfangen zu können. Dies führt zu unnötig hohem Energieverbrauch.
Im Rahmen der Erfindung wird nun vorgeschlagen, anhand einer Temperatur des Kühlmittels an einem Einlass des Kühlmittelpfads und einer Temperatur des Kühlmittels an einem Auslass des Kühlmittelpfads als Eingangsgrößen für ein Berechnungsmodell den Volumenstrom zu bestimmen. Das Berechnungsmodell beschreibt einen Zusammenhang zwischen Temperatur des Kühlmittels an dem Einlass des Kühlmittelpfads und Temperatur des Kühlmittels an dem Auslass des Kühlmittelpfads einerseits und Volumenstrom andererseits. Eine oder beide dieser Temperaturen werden dabei insbesondere unter Verwendung eines jeweiligen Temperatursensors ermittelt bzw. bestimmt oder gemessen. Für ein solches Berechnungsmodell wird weiterhin insbesondere eine Verlustleistung der Leistungselektronik als Eingangsgröße verwendet. Ebenso können z.B. auch noch spezifische Parameter des Kühlmittels wie Dichte und Wärmekapazität, oder Signale bzw. Informationen der Kühlwasserpumpe wie z.B. Drehzahl, Kühlwassertemperatur, Ventilstellungen und dergleichen, berücksichtigt werden.
Die Berechnungen werden dabei aber nicht im Fahrzeug bzw. einem fahrzeugeigenen Rechensystem wie z.B. einem Steuergerät vorgenommen, sondern in einem fahrzeugfremden Rechensystem wie z.B. einem zentralen Server (oder in der sog. Cloud oder Fog). Hierzu werden die Eingangsgrößen, also insbesondere die beiden Temperaturen und ggf. die Verlustleistung der Leistungselektronik, die im Fahrzeug bestimmt, insbesondere gemessen werden, mittels einer drahtlosen Kommunikationsverbindung (z.B. einer Mobilfunkverbindung) an das fahrzeugfremde Rechensystem übermittelt bzw. von diesem empfangen. Die Verlustleistung kann ggf. auch - sofern diese nicht stark variiert, in dem fahrzeugfremden Rechensystem hinterlegt sein oder nur initial übermittelt werden. Nach Durchführung der Berechnungen und damit Bestimmung des Volumenstroms wird dieser an das fahrzeugeigene Rechensystem übertragen bzw. dort empfangen. Dies kann insbesondere wiederholt bzw. regelmäßig in bestimmten zeitlichen Abständen erfolgen.
Für die Bestimmung bzw. Berechnung des Volumenstroms kommen zwei verschiedene, bevorzugte Varianten, insbesondere Optimierungsverfahren, in Betracht. Zum einen kann der Volumenstrom in dem Berechnungsmodell so vorgegeben werden, dass eine Differenz bzw. Abweichung zwischen einer Differenz der als Eingangsgrößen erhaltenen Temperaturen (d.h. aus dem Fahrzeug stammende Differenz zwischen Einlass des Kühlmittelpfads und Auslass des Kühlmittelpfads) und einer Differenz von entsprechenden Temperaturen, die sich aus dem Berechnungsmodell ergeben, minimiert wird.
Unter den sich aus dem Berechnungsmodell ergebenden Temperaturen sind dabei Ausgangswerte des Berechnungsmodells zu verstehen, die sich für einen bestimmten vorgegebenen Volumenstrom ergeben. Hintergrund hier ist nämlich, dass insbesondere ein Berechnungsmodell verwendet wird, bei dem anhand eines Volumenstroms sich daraus ergebende Temperaturen bestimmt werden können. Im Rahmen einer Optimierungsrechnung kann aber auch der Volumenstrom solange variiert werden, bis die erwähnte Differenz minimal wird, die aus dem Fahrzeug stammende und die modellierte Temperaturdifferenz also möglichst gleich ist. Damit kann letztlich der Volumenstrom möglichst bestimmt werden.
Zum anderen kann auch der Volumenstrom in dem Berechnungsmodell so vorgegeben werden, dass eine Summe der Differenzen zwischen Fahrzeugwerten (insbesondere Messwerten) und Modellwerten jeweils am Einlass bzw. am Auslass minimiert wird, d.h. dass die Summe der Differenz zwischen der aus dem Fahrzeug stammenden Temperatur des Kühlmittels an dem Einlass und der sich aus dem Berechnungsmodell ergebenden Temperatur des Kühlmittels an dem Einlass und einer Differenz zwischen der aus dem Fahrzeug stammenden Temperatur des Kühlmittels an dem Auslass und der sich aus dem Berechnungsmodell ergebenden Temperatur des Kühlmittels an dem Auslass minimiert wird.
Während im ersten Fall (nur) die Temperaturdifferenz zwischen Einlass und Auslass betrachtet wird, wird im anderen Fall die absolute Temperatur betrachtet.
Dabei sucht z.B. ein Algorithmus sequentiell für jeden Zeitschritt den passenden Wert des Volumenstroms. Dazu werden vom Optimierungsalgorithmus die gespeicherten Werte eines übermittelten Zeitverlaufs der bestimmten bzw. gemessenen und geschätzten Kühlmitteltemperaturen berücksichtigt.
Vorteil bei dieser Vorgehensweise ist, dass gegenüber der Berechnung auf dem fahrzeugeigenen Rechensystem (oder Steuergerät) zum einen deutlich mehr Leistungsfähigkeit der Rechenmittel für z.B. aufwändige Optimierungsberechnungen zur Verfügung steht und zudem keine Initialisierungsabweichungen auftreten. Die Schätzung und Plausibilisierung kann für den kompletten, übermittelten Zeitverlauf nachvollzogen werden.
Die auf diese Weise durchgeführte Optimierung betrachtet insbesondere die gesamten übermittelten Fahrzeugdaten und kann rückwirkend auf Basis der dynamischen Wirkzusammenhänge des Systems und der gegebenen Beobachtbarkeit des Systems auf den initialen Zustand der Aufzeichnung schließen. Verglichen mit einer im Fahrzeug bzw. dort einem Steuergerät implementierten Plausibilisierung, die lediglich den aktuellen Zustand, also nur einen Zeitschritt, erfassen kann, lassen sich durch dieses Verfahren Initialisierungsfehler vermeiden. Ohne Initialisierungsfehler sind die Daten des jeweiligen Fahrzeugs signifikant zuverlässiger und können für weitere Diagnosen und Statusanalysen (sog. Health-Monitoring) im Fahrzeug besser herangezogen werden, was schlussendlich zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Gesamtfahrzeugs führt. Außerdem können z.B. ein oder mehrere Parameter in einer fahrzeugeigenen Software in einem fahrzeugeigenen Rechensystem basierend auf den Eingangsgrößen und/oder geschätzten und beobachteten Abweichungen der Eingangsgrößen (wie sie in dem fahrzeugfremden Rechensystem bestimmt werden) angepasst werden. Dadurch können Rechenergebnisse im Fahrzeug an die Ergebnisses des fahrzeugfremden Rechensystems angepasst bzw. angeglichen werden, um z.B. Ungenauigkeiten, Fehler, Drifts usw. auszugleichen. Die fahrzeugseitige Software kann insbesondere zum Ansteuern von Funktionen im Fahrzeug dienen.
Werden darüber hinaus die erfassten, geschätzten und plausibilisierten Daten langfristig für das jeweilige Fahrzeug in dem fahrzeugfremden Rechensystem gespeichert (sogenannter „Digital Twin“ des Fahrzeugs), können langfristige Änderungen erfasst werden. Auf Basis dieser Änderungen können Parameter- oder Datenanpassungen der Fahrzeugsoftware durchgeführt werden oder eventuelle Defekte frühzeitig erkannt werden. Es ist also eine Art Langzeitüberwachung des Fahrzeugs durch Hinterlegen bzw. Speichern der übermittelten Daten (Eingangsgrößen) in dem fahrzeugfremden Rechensystem z.B. in Form des Digital-Twins möglich, und es kann eine Beobachtung insbesondere auch langfristiger Änderungen im Kühlkreislauf, vorgenommen werden, z.B. eine Änderung im Volumenstrom durch beispielsweise schleichenden Defekt an der Kühlmittelpumpe, Früherkennung von Ausfall und/oder Liegenbleiben.
Das verwendete Berechnungsmodell kann insbesondere auf einem Modell der Leistungselektronik in dem Fahrzeug und des Kühlmittelpfads basieren. Hier kann dann auch von einem sog. Digital-Twin gesprochen werden, wie vorstehend erwähnt. Außerdem ist es bevorzugt, wenn der bestimmte Volumenstrom zur Überwachung der Leistungselektronik verwendet wird, und damit für ein sog. Health-Monitoring, wie ebenfalls erwähnt. Denkbar ist z.B. eine Verwendung eines Rückfallmodus, falls Probleme erkannt werden.
Das Verfahren bzw. das verwendete Berechnungs- bzw. Temperaturmodell kann insbesondere auf einem physikalischen Ansatz beruhen, wonach den Gesetzen der Thermodynamik zufolge ein Wärmestrom Q des Kühlmittels im Kühlmittelpfad sich aus dem Massenstrom ṁ des Kühlmittels, der spezifischen Wärmekapazität c_p des Kühlmittels und der Differenz ΔT der Temperaturen des Kühlmittels am Ende und am Anfang des Kühlmittelpfads gemäß folgender Formel ergibt: $\dot{Q} = \dot{m} \cdot c_{p} \cdot Δ T .$
Der Massenstrom lässt sich dabei als Produkt des Volumenstroms V̇ und der Dichte ρ des Kühlmittels darstellen. Unter der Annahme bzw. der Näherung, dass der Wärmestrom Q̇, also die vom Kühlmittel entlang des Kühlmittelpfads aufgenommene Wärme, der Verlustleistung der Leistungselektronik, insbesondere deren Halbleiterschaltelementen, entspricht, kann der Volumenstrom V̇ durch folgenden Formel dargestellt werden: $\dot{V} = \frac{\dot{Q}}{c_{p} \cdot ρ \cdot Δ T} .$
Für den Fall wiederholter Berechnung bzw. Ermittlung des Volumenstroms zu verschiedenen Zeitpunkten kann für einen Zeitpunkt n der Volumenstrom entsprechend wie folgt ermittelt werden: $\dot{V} = \frac{{\dot{Q}}_{n}}{c_{p} \cdot ρ \cdot Δ T_{n}} .$
Die Verlustleistung der Leistungselektronik - und damit der Wärmestrom - kann beispielsweise anhand des Stroms durch die Halbleiterschaltelemente (entspricht einem Phasenstrom durch eine Phasenwicklung (Ständer) der elektrischen Maschine) und der am Halbleiterschaltelement abfallenden Spannung (z.B. Drain-Source-Spannung, VDS oder, bei IGBTs, der Kollector-Emitter-Spannung, VCE) ermittelt bzw. berechnet werden. Wärmekapazität c_p und Dichte ρ sind spezifische Parameter des Kühlmittels und als solche in der Regel bekannt oder zumindest einfach bestimmbar. Die Temperaturdifferenz ΔT entspricht der Differenz der Temperatur des Kühlmittels am Auslass des Kühlmittelpfads und der Temperatur des Kühlmittels am Einlass des Kühlmittelpfads. Diese Formel kann dann entsprechend auch umgestellt werden, um für variierende Werte des Volumenstroms Werte für die Temperaturen bzw. die Temperaturdifferenz zu erhalten.
Neben den Temperatursensoren am Einlass und ggf. am Auslass des Kühlmittelpfads können aber auch noch andere Temperatursensoren im Kühlmittelpfad und/oder in der Nähe der Halbleiterschaltelemente verwendet werden, um die Ermittlung der Temperatur und damit die Schätzung des Volumenstroms zu verbessern.
Andere Temperatursensoren beispielsweise in der Nähe des Zwischenkreiskondensators oder in anderen Komponenten desselben Kühlkreises beispielsweise des Stromrichters bzw. DC-DC-Wandlers können unter Berücksichtigung des zeitlichen Verhaltens zwischen Leistungshalbleitern und Kühlwassertemperatur an den genannten Komponenten als Referenztemperatur dienen. Der zeitliche Versatz zwischen der Einprägung einer Temperaturspitze durch die Leistungselektronik und der Messung dieser Spitze in einer im Kühlkanal nachgelagerten Komponente lässt auf die Flussgeschwindigkeit schließen.
Ein erfindungsgemäßes Rechensystem ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Bei dem Rechensystem kann es sich entweder um ein fahrzeugeigenes Rechensystem, z.B. ein Steuergerät, ein fahrzeugfremdes Rechensystem, z.B. einen Server (Cloud-Server) oder aber auch eine Kombination von beidem handeln.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch einen Stromrichter, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
2 zeigt den mechanischen Aufbau des Stromrichters aus 1 und den zugehörigen Kühlkörper in einer anderen Darstellung.
3 zeigt schematisch ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung.
4 zeigt schematisch einen Verlauf eines real gemessenen Volumenstroms verglichen mit dem mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens berechneten Volumenstrom.
5 zeigt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch ein beispielhaft als B6-Brücke ausgebildeter Stromrichter 110 als Leistungselektronik dargestellt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist und der zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine 100 dient.
Der Stromrichter 110 weist zwei Gleichspannungsanschlüsse 131, 132 auf, die auf übliche Weise, neben einem beispielsweise als Folienkondensator ausgebildeten Zwischenkreiskondensator 135, mit beispielhaft sechs Halbleiterschaltelementen 120, beispielsweise MOSFETs oder IGBTs, verbunden sind. Zwischen jeweils zwei der Halbleiterschaltelemente 120 ist eine Phase (Ständerwicklung) der elektrischen Maschine 100 angeschlossen.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Stromrichter nicht nur als Wechselrichter, sondern auch als Gleichrichter betrieben werden kann, sodass die elektrische Maschine insgesamt sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist.
Weiterhin ist der Stromrichter 110 mit seinen Gleichspannungsanschlüssen 131, 132 an ein Bordnetz 170, beispielsweise in einem Fahrzeug, angeschlossen. An das Bordnetz 170 wiederum sind typischerweise weitere Komponenten bzw. Verbraucher angebunden, die hier der Übersichtlichkeit halber jedoch nicht gezeigt sind.
Während eines Betriebs des Stromrichters 110 werden die einzelnen Halbleiterschaltelemente 120 nun mittels einer Ansteuerschaltung bzw. einer Ansteuereinheit 150 auf geeignete Weise zum Öffnen bzw. Schließen angesteuert. Dies erfolgt beispielsweise mit einer bestimmten Taktfrequenz. Bei einer üblichen Ansteuerung ist beispielsweise immer je Zweig ein Schalter geschlossen und der andere geöffnet. Dabei wird eine Gleichspannung U_dc in eine Wechselspannung gewandelt, sodass ein Phasenstrom I in den Phasen fließt.
Der Stromrichter 110 und optional die Ansteuereinheit 150 können dabei zusammen eine Leistungselektronik 140 für die elektrische Maschine 100 bilden oder Teil einer solchen Leistungselektronik sein. Insbesondere kann auch eine Messung eines Stroms bzw. Stromflusses sowie einer Spannung im Stromrichter erfolgen.
In 2 ist der Stromrichter 110 aus 1 in einer anderen Darstellung, in Schnittansicht, gezeigt. Insbesondere ist hier zusätzlich ein Kühlkörper 160 mit einer Vielzahl an Kühlrippen 161 gezeigt, an dessen Oberfläche die Halbleiterschaltelemente 120 angeordnet bzw. aufgebracht sind (in dieser Ansicht ist nur ein Halbleiterschaltelement pro Phase zu sehen). Durch eine geeignete Anbindung der Halbleiterschaltelemente 120 auf dem Kühlkörper 160 kann eine gute Wärmeübertragung von den Halbleiterschaltern 120 auf den Kühlkörper 160 erreicht werden.
Weiterhin ist ein Kühlmittelpfad 164 dargestellt, der beispielsweise durch ein geeignetes Gehäuse auf der den Halbleiterschaltelementen 120 gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers 160 begrenzt wird, sodass insbesondere auch die Kühlrippen 161 darin liegen. Der Kühlmittelpfad 164 weist einen Einlass 162 und einen Auslass 163 auf, sodass durch den Einlass 162 Kühlmittel, beispielsweise Wasser, das durch Pfeile 180 angedeutet ist, eintreten und durch den Auslass 163 wieder austreten kann. Auf diese Weise kann die Wärme vom Kühlkörper 160 an das Kühlmittel 180 abgegeben werden.
Weiterhin sind sowohl am Einlass 162 als auch am Auslass 163 jeweils ein Temperatursensor 181 bzw. 182 angebracht, womit eine Temperatur des Kühlmittels 180 am Einlass 162 bzw. am Auslass 163 gemessen werden kann. Weitere Temperatursensoren 183 können an den Halbleiterschaltelementen 120 vorgesehen sein.
In 3 ist schematisch ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung dargestellt. Temperaturmodelle als Berechnungsmodelle, wie beispielhaft mit M bezeichnet, für z.B. Eigenschutzfunktionen von Wechselrichtern für Elektro- und Hybridfahrzeuge verwenden als essenziellen Eingang die Information über den momentanen Kühlwasservolumenfluss bzw. den Volumenstrom V̇.
Die Genauigkeit der Temperaturmodelle korreliert dabei sehr stark mit der Genauigkeit der bereitgestellten Information des Volumenstroms. Sowohl der Wärmetransport innerhalb des Kühlmittels als auch der Wärmeübergang zwischen Kühlmittel und Kühler sind stark volumenstromabhängig. Zur Volumenstrommessung stehen serienmäßig jedoch keine Sensoren zur Verfügung, sondern die Daten werden durch Signale der Kühlwasserpumpe bestimmt. Das führt zu Ungenauigkeiten in der Bestimmung des Volumenstroms. Bei niedrigen Temperaturen und damit erhöhter Viskosität des Kühlmittels oder gar fehlerhaften Signalen kann sich das Volumenstromsignal stark vom tatsächlichen Volumenstrom unterscheiden.
Statt den Volumenstrom V̇ zu messen oder über Pumpenparameter und Messsignale zu bestimmen, wird der Volumenstrom im Rahmen der vorliegenden Erfindung fahrzeugextern, insbesondere cloudbasiert, über ein Optimierungsverfahren bestimmt. Den Ausgang (also den Startpunkt) des Optimierungsverfahren bilden dabei die gemessene Temperatur T_E,M am Kühlmitteleinlass und T_A,M am Kühlmittelauslass sowie die vom Temperaturmodell M geschätzten bzw. berechneten Temperaturen T_E,B am Kühlmitteleinlass und T_A,B am Kühlmittelauslass.
Zur Bestimmung des Volumenstroms wird das Temperaturmodell M dabei nicht mit dem Volumenstrom als bekannter Eingangsgröße verwendet. Stattdessen sollen durch Variation des Volumenstroms Kühlmitteleinlasstemperatur und Kühlmittelauslasstemperatur mit den verfügbaren Sensortemperaturen, also T_A,M und T_E,M, abgeglichen werden.
Durch Optimierung soll der Volumenstrom V̇ (der an sich eine Eingangsgröße des Temperaturmodells M bildet) so bestimmt werden, dass aus dem Fahrzeug stammende bzw. gemessene Temperaturen T_A,M und T_E,M einerseits und geschätzte Temperaturen T_A,M und T_E,M andererseits übereinstimmen, jedenfalls möglichst gut übereinstimmen. Hierzu kann z.B. mit einem geschätzten Wert für den Volumenstrom V̇ gestartet werden und im Rahmen einer Optimierung solange variiert werden, bis die erwähnten Temperaturen möglichst übereinstimmen.
Die Optimierung zur Bestimmung des Volumenstroms kann über zwei mögliche Algorithmen erfolgen, die beide ähnliche Ergebnisse liefern. Eine erste Variante ist über die Temperaturdifferenz zwischen Einlass und Auslass. Dabei vergleicht der Optimierungsalgorithmus die geschätzte Differenz ΔT_B= T_A,B - T_E,B zwischen Auslass und Einlass mit der aus dem Fahrzeug stammenden Differenz ΔT_M= T_A,M- T_E,M und versucht, die Differenz ΔT₁ = ΔT_M-ΔT_B der beiden Terme zu minimieren. Mit anderen Worten soll dabei der Volumenstrom so optimiert werden, dass z.B. der Term ${\sum (Δ T_{M} - Δ T_{B})}^{2} = {\sum ((T_{A, M} - T_{E, M}) - (T_{A, B} - T_{E, B}))}^{2}$
minimiert wird. Hierbei wird also die Differenz einer Differenz der als Eingangsgrößen erhaltenen Temperaturen, T_A,M und T_E,M, und einer Differenz von entsprechenden Temperaturen, die sich aus dem Berechnungsmodell ergeben, T_A,B und T_E,B minimiert wird. Der Algorithmus sucht dabei sequentiell für jeden Zeitschritt (die Summe geht damit also über Werte zu verschiedenen Zeitpunkten) den passenden Wert des Volumenstroms. Dazu werden vom Optimierungsalgorithmus die gespeicherten Werte eines übermittelten Zeitverlaufs der aus dem Fahrzeug stammenden und geschätzten Kühlmitteltemperaturen verwendet.
Eine zweite Variante ist über die absolute Temperatur an Auslass und Einlass. Dabei vergleicht der Optimierungsalgorithmus die geschätzte Temperatur T_E,B am Einlass mit der aus dem Fahrzeug stammenden Temperatur T_E,M am Einlass, und entsprechend am Auslass, und versucht, die Summe aus beiden zu minimieren. Mit anderen Worten soll dabei der Volumenstrom so optimiert werden, dass z.B. der Term ${\sum ({(T_{A, M} - T_{A, B})}^{2} + (T_{E, M} - T_{E, B}))}^{2}$
minimiert wird. Hierbei wird also die Summe der Differenzen der als Eingangsgrößen erhaltenen Temperaturen mit entsprechenden Temperaturen, die sich aus dem Berechnungsmodell ergeben, minimiert. Der Algorithmus sucht auch hier sequentiell für jeden Zeitschritt den passenden Wert des Volumenstroms. Dazu werden vom Optimierungsalgorithmus die gespeicherten Werte eines übermittelten Zeitverlaufs der aus dem Fahrzeug stammenden und geschätzten Kühlmitteltemperaturen verwendet.
In 4 ist schematisch ein Verlauf eines tatsächlichen Volumenstroms V̇ über der Zeit t (oben) im Vergleich zu einem Verlauf eines mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform bestimmten Volumenstroms V̇ über der Zeit t (unten) gezeigt. Hierbei ist zu sehen, dass der geschätzte bzw. bestimmte Verlauf sehr gut den realen Verlauf abbildet.
In 5 ist ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform schematisch dargestellt. Hierzu ist ein Fahrzeug 200 mit der schon in den 1 und 2 gezeigten Leistungselektronik 110 gezeigt sowie mit einem fahrzeugeigenen Rechensystem 210, z.B. einem Steuergerät. Dieses fahrzeugeigene Rechensystem 210 ist dabei in der Lage, Eingangsgrößen E wie die gemessenen Temperaturen und die Verlustleistung der Leistungselektronik 110 zu erfassen (vgl. hierzu auch die Ausführungen zu den 1 und 2) und über eine drahtlose Kommunikationsverbindung 220 an ein fahrzeugfremdes Rechensystem 230 zu übermitteln. Dies erfolgt insbesondere regelmäßig.
Bei dem fahrzeugfremden Rechensystem 230 kann es sich z.B. um einen Server für eine sog. Cloud 235 handeln. Es versteht sich, dass für die Kommunikationsverbindung 220, z.B. eine Mobilfunkverbindung, geeignete Sende- und Empfangseinheiten vorzusehen sind (dies ist bei modernen Fahrzeugen aber meist ohnehin der Fall).
Anhand der erhaltenen Eingangsgrößen E wird nun auf dem fahrzeugfremden Rechensystem 230 im Rahmen einer Optimierungsrechnung der Volumenstrom V̇ bestimmt (vgl. hierzu auch die Ausführungen zu 3) und danach über die drahtlose Kommunikationsverbindung 220 an das fahrzeugeigene Rechensystem 210 übermittelt. Dort kann der Volumenstrom dann z.B. zur Überwachung des Betriebs der Leistungselektronik verwendet werden.
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 102014217299 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Volumenstroms (V̇) eines Kühlmittels (180), das zur Kühlung einer Leistungselektronik (110) in einem Fahrzeug (200) durch einen Kühlmittelpfad (164) geleitet wird, mit den folgenden Schritten: Bestimmen einer Temperatur (T_E) des Kühlmittels an einem Einlass (162) des Kühlmittelpfads und einer Temperatur (T_A) des Kühlmittels an einem Auslass (163) des Kühlmittelpfads als Eingangsgrößen (E) für ein Berechnungsmodell (M) zum Bestimmen des Volumenstroms (V), Übermitteln der Eingangsgrößen (E) mittels einer drahtlosen Kommunikationsverbindung (220) an ein fahrzeugfremdes Rechensystem (230), und Erhalten eines basierend auf den Eingangsgrößen (E) bestimmten Volumenstroms (V̇) mittels einer drahtlosen Kommunikationsverbindung (220) von dem fahrzeugfremden Rechensystem (230).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur (T_E) des Kühlmittels am Einlass (162) des Kühlmittelpfads und/oder die Temperatur (T_A) des Kühlmittels am Auslass (163) des Kühlmittelpfads jeweils unter Verwendung eines Temperatursensors (181, 182) bestimmt, insbesondere gemessen, werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei weiterhin eine Verlustleistung (P) der Leistungselektronik (110) als Eingangsgröße (E) bestimmt und an das fahrzeugfremde Rechensystem (230) übermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein oder mehrere Parameter in einer fahrzeugeigenen Software basierend auf den Eingangsgrößen und/oder geschätzten und beobachteten Abweichungen der Eingangsgrößen angepasst werden.
Verfahren zum Bestimmen eines Volumenstroms (V̇) eines Kühlmittels (180), das zur Kühlung einer Leistungselektronik (110) in einem Fahrzeug (200) durch einen Kühlmittelpfad (164) geleitet wird, mit den folgenden Schritten: Erhalten, mittels einer drahtlosen Kommunikationsverbindung (220) von einem fahrzeugeigenen Rechensystem (210), einer Temperatur (T_E) des Kühlmittels an einem Einlass (162) des Kühlmittelpfads und einer Temperatur (T_A) des Kühlmittels an einem Auslass (163) des Kühlmittelpfads als Eingangsgrößen (E) für ein Berechnungsmodell (M) zum Bestimmen des Volumenstroms (V), Bestimmen des Volumenstroms (V) basierend auf den Eingangsgrößen (E), die weiterhin eine Verlustleistung (P) der Leistungselektronik (110) umfassen, und des Berechnungsmodells (M) und Übermitteln des Volumenstroms (V) mittels einer drahtlosen Kommunikationsverbindung (220) an das fahrzeugeigene Rechensystem (210).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei weiterhin die Verlustleistung (P) der Leistungselektronik (110) als Eingangsgröße (E) von dem fahrzeugeigenen Rechensystem (210) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Bestimmen des Volumenstroms (V) umfasst: Vorgeben des Volumenstroms in dem Berechnungsmodell so, dass eine Differenz zwischen einer Differenz der als Eingangsgrößen erhaltenen Temperaturen (T_E,M, T_A,M) und einer Differenz von entsprechenden Temperaturen (T_E,B, T_A,B), die sich aus Berechnungsmodell (M) ergeben, minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Bestimmen des Volumenstroms (V) umfasst: Vorgeben des Volumenstroms in dem Berechnungsmodell so, dass eine Summe einer Differenz zwischen der Temperatur (T_E,M) des Kühlmittels an dem Einlass (162) des Kühlmittelpfads und einer sich aus dem Berechnungsmodell ergebenden Temperatur (T_E,B) des Kühlmittels an dem Einlass des Kühlmittelpfads und einer Differenz zwischen der Temperatur (T_A,M) des Kühlmittels an dem Auslass (163) des Kühlmittelpfads und einer sich aus dem Berechnungsmodell ergebenden Temperatur (T_A,B) des Kühlmittels an dem Auslass des Kühlmittelpfads minimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Berechnungsmodell (M) auf einem Modell, insbesondere Temperaturmodell, der Leistungselektronik (110) in dem Fahrzeug (200) und des Kühlmittelpfads (164) basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die erhaltenen Eingangsgrößen (E) hinterlegt und für eine, insbesondere langfristige, Beobachtung von Änderungen im Kühlkreislauf verwendet werden
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der bestimmte Volumenstrom (V) zur Überwachung der Leistungselektronik (110) verwendet wird.
Verfahren zum Bestimmen eines Volumenstroms (V̇) eines Kühlmittels (180), das zur Kühlung einer Leistungselektronik (110) in einem Fahrzeug durch einen Kühlmittelpfad (164) geleitet wird, mit den folgenden Schritten: Bestimmen einer Temperatur (T_E) des Kühlmittels an einem Einlass (162) des Kühlmittelpfads und einer Temperatur (T_A) des Kühlmittels an einem Auslass (163) des Kühlmittelpfads als Eingangsgrößen (E) für ein Berechnungsmodell (M) zum Bestimmen des Volumenstroms (V), Übermitteln der Eingangsgrößen (E) mittels einer drahtlosen Kommunikationsverbindung (220) von einem fahrzeugeigenen Rechensystem (210) an ein fahrzeugfremdes Rechensystem (230), Bestimmen, in dem fahrzeugfremden Rechensystem (230), basierend auf den Eingangsgrößen (E), die weiterhin eine Verlustleistung (P) der Leistungselektronik (110) umfassen, und des Berechnungsmodells (M), des Volumenstroms (V), und Übermitteln des bestimmten Volumenstroms (V̇) mittels einer drahtlosen Kommunikationsverbindung (220) von dem fahrzeugfremden Rechensystem (230) an das fahrzeugeigene Rechensystem (210).
Verfahren nach Anspruch 12 in Kombination mit wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4 oder 6 bis 11.
Rechensystem (210, 230), das dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das ein Rechensystem (210, 230) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen, wenn es auf dem Rechensystem (210, 230) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 15.