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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Kühlmitteltemperatur eines Kühlkreislaufes. Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisches System, einen Antriebsstrang mit einer Vorrichtung, ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Leistungselektronische Geräte, bevorzugt in Fahrzeugen, wie beispielsweise Ladegeräte, Gleichspannungswandler, Inverter und/ oder elektrische Maschinen, erzeugen im Betrieb Abwärme, die, mittels eines Kühlmittels eines Kühlkreislaufes, von der Wärmequelle, abgeführt wird. Bevorzugt sind die Wärmequellen leistungselektronische Bauelemente, bevorzugt Leistungsschalter. Eine entsprechende Umsetzung ist aus der Druckschrift
WO 2017/182226 A1 bekannt. Für einen sicheren Betrieb derartiger leistungselektronischer Geräte an deren Leistungsgrenze muss die Temperatur des Kühlmittels bekannt sein. Falls die Kühlmitteltemperatur einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet, kann mittels des erwärmten Kühlmittels nicht mehr ausreichend Abwärme abgeführt werden. Daher wird in Folge das Gerät abgeschaltet oder dessen momentan umgesetzte Leistung so weit reduziert, dass die Kühlmitteltemperatur wieder absinkt und eine Kühlung der leistungselektronischen Bauelemente wieder ermöglicht wird. Zur Bestimmung der Kühlmitteltemperatur werden Temperatursensoren am Kühlkreislauf oder im Kühlmittel angeordnet, die die Temperatur ermitteln. Zur Reduktion des für die Temperatursensoren notwendigen Bauraums besteht Bedarf an Lösungen zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur, die ohne entsprechend angeordnete Temperatursensoren am Kühlkreislauf eine Ermittlung der Kühlmitteltemperatur ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Kühlmitteltemperatur eines Kühlkreislaufes bereitgestellt. Der Kühlkreislauf ist zur sequentiellen Kühlung der Leistungselektronik mindestens einer ersten und einer zweiten leistungselektrischen Komponente ausgestaltet. Die erste Komponente umfasst eine erste Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Leistungselektronik der ersten Komponente. Die zweite Komponente umfasst eine zweite Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Leistungselektronik der zweiten Komponente. Die erste Komponente ist zumindest zeitweise eingeschaltet und deren Leistungselektronik erzeugt Abwärme. Gleichzeitig ist die zweite Komponente ausgeschaltet. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, während des Betriebes der ersten Komponente zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur des Kühlkreislaufes ein Signal, dass die Temperatur der Leistungselektronik der ausgeschalteten zweiten Komponente charakterisiert, zu empfangen und auszuwerten und während des Betriebes der zweiten Komponente zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur des Kühlkreislaufes ein Signal, dass die Temperatur der Leistungselektronik der ausgeschalteten ersten Komponente charakterisiert, zu empfangen und auszuwerten.
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Bevorzugt ist die Kühlmitteltemperatur die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf, bevorzugt die durchschnittliche Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf. Bevorzugt umfasst der Kühlkreislauf ein geschlossenes Leitungssystem, durch das ein Kühlmedium, Kühlfluid oder Kühlmittel strömt, wobei das Kühlmittel durch einen Wärmetauscher strömt und darin abgekühlt wird. Anschließend strömt das Kühlmittel an Wärmequellen nacheinander vorbei und erwärmt sich dabei wieder, um erneut über den Wärmetauscher abgekühlt zu werden. Bevorzugt sind die Wärmequellen oder leistungselektrische Komponenten einzelne leitungselektronische Baugruppen oder Geräte, die, wenn sie eingeschaltet sind, bevorzugt während ihres Betriebes, Abwärme erzeugen, die mittels des vorbeiströmenden Kühlmittels abgeführt wird. Wenn die leistungselektrischen Komponenten ausgeschaltet sind, bevorzugt nicht in Betrieb sind, erzeugen diese keine Abwärme. Die erste und zweite leistungselektrische Komponente kann jede für sich in einem eigenen Gehäuse angeordnet sein, oder bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse, bevorzugt mit räumlichen Abstand auf einer gemeinsamen oder mehreren Leiterplatten. Entsprechende leistungselektrische Komponenten umfassen für deren Ansteuerung Sensoreinrichtungen zur Ermittlung der Temperatur deren leistungselektronischer Bauelemente, bevorzugt Leistungsschalter, Kondensatoren, Drosseln oder Wicklungen einer elektrischen Maschine. Bevorzugt sind die Sensoreinrichtungen zur Ermittlung der Temperatur der Leistungselektronik der Komponenten in unmittelbarer Nähe derer Leistungselektronik angeordnet und ermöglichen eine genaue Ermittlung der Temperatur der Leistungselektronik der Komponente. Bevorzugt ist die Leistungselektronik sehr gut wärmeleitend an den Kühlkreislauf angebunden. Folglich nimmt die Leistungselektronik rasch die Temperatur des Kühlmittels an, wenn sie nicht betrieben wird oder, bevorzugt dauerhaft, ausgeschaltet ist. Zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur wird von der Vorrichtung, oder einer Steuereinrichtung innerhalb der Vorrichtung, ein Signal empfangen und ausgewertet, das die Temperatur der ausgeschalteten leistungselektrischen Komponente charakterisiert. Bevorzugt wird das Signal von der abgeschalteten Komponente oder von der Sensoreinrichtung der abgeschalteten Komponente empfangen und ausgewertet. Je größer der Abstand der zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur berücksichtigten Sensoreinrichtung von der eigentlichen Wärmequelle, desto genauer ist die Bestimmung der tatsächlichen Kühlmitteltemperatur des Kühlkreislaufes möglich. Der Einfluss der Wärmequelle auf die Kühlmitteltemperatur im Bereich der zu berücksichtigenden Sensoreinrichtung nimmt mit zunehmenden Abstand zwischen Wärmequelle und zu berücksichtigender Sensoreinrichtung ab. Bevorzugt wird bei der Auswertung des Signals die Kühlmitteltemperatur ermittelt. Bevorzugt wird mittels eines Rechenmodells aus dem empfangenen Signal die Kühlmitteltemperatur ermittelt. Bevorzugt bildet das berücksichtigte Rechenmodell die Wärmeübertragung von der Sensoreinrichtung zum Kühlmittel ab. Bevorzugt wird, falls die Kühlmitteltemperatur einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet und mittels des erwärmten Kühlmittels nicht mehr ausreichend Abwärme abgeführt wird, mindestens eine Komponente abgeschaltet oder dessen momentan umgesetzte Leistung so weit reduziert, dass die Kühlmitteltemperatur wieder absinkt und eine Kühlung der leistungselektronischen Bauelemente wieder ermöglicht wird. Alternativ wird bevorzugt der Volumenfluss des Kühlmittels erhöht oder die Kühlmitteltemperatur mittels Erhöhung der Kühlleistung des im Kühlkreislauf befindlichen Wärmetauschers abgesenkt.
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Vorteilhaft wird eine einfache Vorrichtung bereitgestellt, die die Kühlmitteltemperatur eines Kühlkreislaufs ermittelt. Für diese Lösung werden keine zusätzlichen Bauelemente oder Bauraum benötigt.
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In einer anderen Ausgestaltung ist die erste Komponente ein Ladegerät und die Leistungselektronik der ersten Komponente umfasst Leistungsschalter. Bevorzugt ist die erste Komponente ein Ladegerät für ein Fahrzeug zum Laden einer ausgangsseitig anschließbaren Hochvoltbatterie. Bevorzugt ist die erste Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Leistungselektronik der ersten Komponente in unmittelbarer Nähe der Leistungsschalter des Ladegerätes angeordnet und ermöglicht eine genaue Ermittlung der Temperatur der Leistungsschalter des Ladegerätes. Bevorzugt sind die Leistungsschalter, IGBT oder MOSFET, sehr gut wärmeleitend an den Kühlkreislauf angebunden. Folglich nehmen die Leistungsschalter rasch die Temperatur des Kühlmittels an, wenn sie nicht betrieben werden oder, bevorzugt dauerhaft, ausgeschaltet sind.
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Vorteilhaft wird eine Ausgestaltung einer ersten leistungselektrischen Komponente bereitgestellt.
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In einer anderen Ausgestaltung ist die die zweite Komponente ein Gleichspannungswandler oder ein Wechselrichter. Die Leistungselektronik der zweiten Komponente umfasst Leistungsschalter. Bevorzugt ist die zweite Komponente ein Gleichspannungswandler zum Wandeln der Hochspannung der Hochvoltbatterie in eine Niedervoltspannung zur Versorgung eines Bordnetzes des Fahrzeugs. Bevorzugt ist die zweite Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Leistungselektronik der zweiten Komponente in unmittelbarer Nähe der Leistungsschalter des Gleichspannungswandlers angeordnet und ermöglicht eine genaue Ermittlung der Temperatur der Leistungsschalter des Gleichspannungswandlers. Bevorzugt sind die Leistungsschalter, IGBT oder MOSFET, sehr gut wärmeleitend an den Kühlkreislauf angebunden. Folglich nehmen die Leistungsschalter rasch die Temperatur des Kühlmittels an, wenn sie nicht betrieben werden oder, bevorzugt dauerhaft, ausgeschaltet sind.
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Vorteilhaft wird eine Ausgestaltung einer zweiten leistungselektrischen Komponente bereitgestellt.
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Ferner wird ein elektrisches System bereitgestellt, welches mindestens eine erste und eine zweite leistungselektronische Komponente, einen gemeinsamen Kühlkreislauf zur sequentiellen Kühlung der Leistungselektronik der ersten und der zweiten Komponente, und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Kühlmitteltemperatur des Kühlkreislaufes umfasst. Die erste Komponente umfasst eine erste Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Leistungselektronik der ersten Komponente und die zweite Komponente umfasst eine zweite Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Leistungselektronik der zweiten Komponente. Zumindest zeitweise ist die erste Komponente eingeschaltet und deren Leistungselektronik erzeugt Abwärme und gleichzeitig ist die zweite Komponente ausgeschaltet ist und umgekehrt. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet ist, während des Betriebes der ersten Komponente zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur des Kühlkreislaufes ein Signal, dass die Temperatur der Leistungselektronik der ausgeschalteten zweiten Komponente charakterisiert, zu empfangen und auszuwerten und während des Betriebes der zweiten Komponente zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur des Kühlkreislaufes ein Signal, dass die Temperatur der Leistungselektronik der ausgeschalteten ersten Komponente charakterisiert, zu empfangen und auszuwerten.
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Vorteilhaft wird ein elektrisches System bereitgestellt, welches die Kühlmitteltemperatur eines Kühlkreislaufs ermittelt. Für diese Lösung werden keine zusätzlichen Bauelemente oder Bauraum benötigt.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einer Vorrichtung, wie oben beschrieben, wobei der Antriebstrang insbesondere eine Hochvoltbatterie, einen Wechselrichter und/ oder eine elektrische Maschine umfasst. Vorteilhaft wird ein Antriebsstrang eines elektrischen Fahrzeugs mit einer Vorrichtung bereitgestellt, die die Kühlmitteltemperatur eines Kühlkreislaufs ermittelt. Für diese Lösung werden keine zusätzlichen Bauelemente oder Bauraum benötigt.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang, wie oben beschrieben.
Vorteilhaft wird ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung bereitgestellt, die die Kühlmitteltemperatur eines Kühlkreislaufs ermittelt. Für diese Lösung werden keine zusätzlichen Bauelemente oder Bauraum benötigt.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer wie oben vorgestellten Vorrichtung mit dem Schritten:
- Während des Betriebes der ersten Komponente, Empfangen eines Signals, welches die Temperatur der Leistungselektronik der ausgeschalteten zweiten Leistungselektronik charakterisiert; Auswerten des empfangenen Signals und während des Betriebes der zweiten Komponente, Empfangen eines Signals, welches die Temperatur der Leistungselektronik der ausgeschalteten ersten Leistungselektronik charakterisiert;
- Auswerten (820) des empfangenen Signals.
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Vorteilhaft wird mittels des Empfangens und des Auswertens des Signals ein Verfahren bereitgestellt, welches die Kühlmitteltemperatur eines Kühlkreislaufs ermittelt. Für diese Lösung werden keine zusätzlichen Bauelemente oder Bauraum benötigt.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch die Vorrichtung, diese veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch die Vorrichtung, diese veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Vorrichtung entsprechend auf das elektrische System und das Verfahren bzw. den Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
- 1 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einer Vorrichtung,
- 2 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 700 mit einem Antriebsstrang 600 mit einer Vorrichtung 100 und einem besipielhaften elektrischen System 500. Das Fahrzeug 700 ist hier nur beispielhaft mit vier Rädern dargestellt, wobei die Erfindung gleichermaßen in beliebigen Fahrzeugen mit einer beliebigen Anzahl an Rädern zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist. Der beispielhaft dargestellte Antriebsstrang 600 umfasst mindestens die Vorrichtung 100. Weiter umfasst der Antriebsstrang bevorzugt eine erste und zweite leistungselektrische Komponente 510, 520 mit einem Kühlkreislauf 300 oder ein elektrisches System 500, eine Batterie 470, einen Wechselrichter 472 und oder eine elektrische Maschine 474. Die Vorrichtung 100 ist zur Ermittlung einer Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf 300 eingerichtet. Der Kühlkreislauf 300 ist zur sequentiellen Kühlung der Leistungselektronik mindestens der ersten und der zweiten leistungselektrischen Komponente 510, 520 ausgestaltet. Zur übersichtlicheren Darstellung ist lediglich ein Teil des Kühlkreislauf 300 in der 1 dargestellt. Bevorzugt ist der Kühlkreislauf ein geschlossenes System, in dem das Kühlmittel in eine Richtung strömt und zirkuliert. Die erste Komponente 510 umfasst eine erste Sensoreinrichtung 512 zur Ermittlung der Temperatur der Leistungselektronik der ersten Komponente 510. Beispielhaft ist die erste Komponente 510 als ein Ladegerät dargestellt, bevorzugt mit einem Eingangsanschluss 514 zum Anschließen einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannungsquelle zum Laden der ausgangsseitig anschließbaren Batterie oder Hochvoltbatterie 470. Das Laden der Batterie mittels der Wechselspannungsquelle erfolgt bevorzugt bei Stillstand des Fahrzeugs. Die zweite Komponente 520 umfasst eine zweite Sensoreinrichtung 522 zur Ermittlung der Temperatur der Leistungselektronik der zweiten Komponente 520. Beispielhaft ist die zweite Komponente 520 als ein Gleichspannungswandler dargestellt, bevorzugt mit einem Niederspannungsanschluss 524, an dem bevorzugt das Bordnetz und eine Niederspannungsbatterie eines Fahrzeugs angeschlossen ist. Mittels des Gleichspannungswandlers wird bevorzugt das Bordnetz mit der Energie aus dem Hochvoltnetz oder der Hochvoltbatterie versorgt, wobei die Hochvolt-Eingangsspannung in die Niederspannung des Bordnetzes gewandelt wird. Die Versorgung des Niederspannungsnetzes mittels des Gleichspannungswandlers erfolgt bevorzugt während der Fahrt des Fahrzeugs. Folglich ist bevorzugt während des Stillstands die erste Komponente 510 eingeschaltet und die zweite Komponente 520 ausgeschaltet und während der Fahrt des Fahrzeugs die erste Komponente 510 ausgeschaltet und die zweite Komponente 520 eingeschaltet. Zumindest zeitweise ist somit die erste Komponente 510 eingeschaltet ist und deren Leistungselektronik erzeugt Abwärme und gleichzeitig die zweite Komponente 520 ausgeschaltet und umgekehrt. Die Vorrichtung 100 ist dazu eingerichtet, während des Betriebes der ersten Komponente 510, zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur des Kühlkreislaufes 300 ein Signal, dass die Temperatur der Leistungselektronik der ausgeschalteten zweiten Komponente 520 charakterisiert, zu empfangen und auszuwerten. Weiter ist die Vorrichtung 100 dazu eingerichtet, während des Betriebes der zweiten Komponente 520, zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur des Kühlkreislaufes 300 ein Signal, dass die Temperatur der Leistungselektronik der ausgeschalteten ersten Komponente 510 charakterisiert, zu empfangen und auszuwerten. Bevorzugt empfängt die Vorrichtung 100 das Signal leitungsgebunden direkt aus einer der Komponenten oder über ein BUS-System, auch eine drahtlose Übertragung des Signals ist möglich. Das Signal ist bevorzugt das Signal der Sensoreinrichtung, auch ein weiterverarbeitetes Signal, welches die Temperatur der Leistungselektronik der ausgeschalteten Leistungselektronik charakterisiert, ist möglich. Bevorzugt wird bei der Auswertung des Signals die Kühlmitteltemperatur ermittelt. Die Auswertung des Signals umfasst bevorzugt die direkte Weiterverwendung des Signals oder umfasst eine Auswertung, die eine Filterung, eine Offset-Verschiebung, eine Anwendung eines Rechenmodells, oder weitere signalverarbeitende Schritte umfassen kann. Das elektrische System 500 umfasst mindestens die erste und die zweite leistungselektronische Komponente 510, 520, den gemeinsamen Kühlkreislauf 300, bevorzugt einen gemeinsamen Kühlkreislaufabschnitt, zur sequentiellen Kühlung der Leistungselektronik der ersten und der zweiten Komponente 510, 520 und die Vorrichtung 100 zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur des Kühlkreislaufes 300. Beispielhaft ist das elektrische System 500 als eine Kombination eines Ladegerätes und eines Gleichspannungswandlers, bevorzugt innerhalb eines Gehäuses, dargestellt.
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Die 2 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 800 zum Betrieb der Vorrichtung 100. Das Verfahren 800 startet mit dem Schritt 805. In Schritt 810 wird ein Signal empfangen, welches die Temperatur der Leistungselektronik der ausgeschalteten Leistungselektronik charakterisiert. In Schritt 820 wird das empfangene Signal ausgewertet. Bevorzugt wird bei der Auswertung des Signals die Kühlmitteltemperatur ermittelt. Mit Schritt 825 endet das Verfahren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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