WO2018177771A1 - Regelvorrichtung, stromrichter und verfahren zur regelung eines stromrichters - Google Patents

Regelvorrichtung, stromrichter und verfahren zur regelung eines stromrichters Download PDF

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WO2018177771A1
WO2018177771A1 PCT/EP2018/056626 EP2018056626W WO2018177771A1 WO 2018177771 A1 WO2018177771 A1 WO 2018177771A1 EP 2018056626 W EP2018056626 W EP 2018056626W WO 2018177771 A1 WO2018177771 A1 WO 2018177771A1
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temperature
power converter
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future
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PCT/EP2018/056626
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Gholamabas Esteghlal
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/327—Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures

Definitions

  • Control device power converter and method for controlling a power converter
  • the present invention relates to a control device for a power converter, a power converter and a method for controlling a power converter.
  • Voltage converters such as DC-DC converters, convert an electrical voltage provided on the input side into a further electrical voltage and provide it at an output. To avoid damage in the components of the voltage transformer, the
  • Voltage transformers are protected against excessively high temperatures.
  • One way to do this is to reduce the power dissipation in the voltage converter.
  • the losses in the voltage converter depend quadratically on the electrical current through the voltage converter. Therefore, by reducing or limiting the electrical current, the power loss and thus the temperature in the voltage converter can be limited.
  • the document US 6 078 511 A discloses a temperature protection circuit for a voltage converter and a method for protecting a
  • the circuit in one embodiment, includes a temperature sensor that provides a signal that is dependent on the temperature in the voltage converter. Furthermore, the circuit comprises a current regulator, which is coupled to the temperature sensor and a
  • the present invention discloses a control device for a power converter with the features of claim 1, a power converter with the
  • Temperature detection device a temperature estimating device and a control device.
  • the temperature determination device is designed to determine a current temperature in the power converter.
  • Temperature estimator is configured to calculate a future temperature or future temperature history in the power converter.
  • the control device is designed to limit a maximum electric current in the power converter.
  • regulating device is designed to determine a maximum of current temperature and future temperature or future temperature profile and to limit the maximum electric current in the power converter using this maximum.
  • a method for controlling a power converter includes the steps of determining a current temperature in the power converter and calculating a future temperature or a future one
  • the method includes a step of limiting the maximum electric current in the power converter. This will be a maximum of current temperature as well as future
  • Temperature or future temperature history determined and the maximum limited electrical power in the power converter using this maximum.
  • the present invention is based on the finding that the limitation of the electrical current in a power converter represents an effective measure for limiting the power loss in the power converter and thus for regulating the temperature in the power converter.
  • the electrical current in the power converter is already reduced before reaching a maximum permissible temperature, the maximum output power that can be provided by the power converter also drops.
  • the maximum output power of the power converter is therefore already limited before reaching a maximum allowable temperature in the converter, and it is usually a
  • the present invention is therefore based on the idea to take this knowledge into account and provide a control for a power converter, which makes it possible to operate the voltage converter with maximum possible power, without this a maximum allowable temperature is exceeded.
  • the invention provides, in the regulation of
  • Converter for the maximum allowable electric current in the power converter not only to take into account the current temperature of the converter, but also to take into account a future temperature development in the converter with.
  • the future temperature development in the converter is estimated and included in the control process.
  • current as well as earlier measured values of the power converter can be used.
  • parameters about the state of the power converter can also be calculated.
  • other parameters and states of the power converter can be derived from measured values, such as current or voltage. Based on measured and / or calculated values of the power converter, a development of the temperature or the temperature profile in the power converter can be calculated. Furthermore, it is also possible, the current temperature or a current spatial Temperature distribution in the converter based on measured values
  • the maximum allowable temperature in the power converter may be specified as a static size.
  • the maximum allowable temperature in the power converter may be specified as a static size.
  • control device is designed to limit the maximum electric current in the power converter if the maximum of current temperature and future temperature or future temperature profile exceeds a predetermined first limit value. In this way it should be achieved that the power converter is always operated according to its temperature specifications.
  • the controller is configured to adjust the maximum electrical current in the power converter to a predetermined target value using a maximum of current temperature and future temperature or future temperature history.
  • the power converter can be operated very close to its specifications. This allows a very good utilization of the power converter.
  • control device is adapted to lower the maximum electric current in the power converter by a predetermined value when the current temperature in the power converter
  • the temperature estimator is configured to estimate the future temperature or the future temperature profile using current and / or past values
  • the temperature determination device is designed to calculate the current temperature in the power converter from an electrical voltage and / or an electric current in the power converter. Other parameters for calculating a temperature in the converter are possible. The calculation of the current temperature can thereby be done in particular without a direct temperature measurement in the power converter. For this purpose, in particular also other measured values, the
  • the electric power converter comprises at least one DC voltage converter.
  • the power converter comprises several
  • control device may be designed for each
  • Voltage converters to determine a separate current temperature and / or a separate future temperature or a separate future
  • Voltage converters individually based on the temperature and the predicted temperature development to control the voltage converter for optimal operation.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electric power converter with a control device according to an embodiment
  • Figure 2 is a schematic representation of a control device for a
  • Figure 3 a schematic representation of a control device for a
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an electric power converter with a control device according to an embodiment
  • FIG. 5 is a schematic representation of a flowchart, such as FIG
  • Method for controlling a power converter is based.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electric power converter 100 with a control device 10 according to an embodiment.
  • the power converter 100 includes one or more voltage converters 20, which has a
  • the voltage converter 20 may in principle be any voltage converter, such as a
  • the output voltage and / or the output current can be adjusted based on a controlled variable R.
  • This controlled variable R may, for example, be output by the voltage converter 20 electrical current or to be provided by the voltage converter 20 electrical voltage act. In principle, however, other arbitrary controlled variables are possible.
  • the control variable R is thereby from the control device 10 based on a setpoint input S and optionally based on measured variables, such as an output voltage U and / or a
  • the maximum electrical current in the voltage converter 20, in particular the maximum electrical current output by the voltage converter 20, can be limited. In this way it can be ensured, for example, that a maximum predetermined temperature in the power converter 100 is not exceeded.
  • temperatures may be at one or more
  • Thermal protection device 11 is provided.
  • the temperature protection device 11 evaluates one or more measured variables of the power converter 100 and generates from this a controlled variable for a maximum permissible electrical current Imax of the voltage converter 20.
  • Temperature protection device 11 of the control device 10 will be explained in more detail below.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a temperature protection device 11 of the control device 10 for the power converter 100th Die
  • Temperature protection device 11 includes a temperature detection device 1, a temperature estimation device 2, a maximum value images 3 and a control device 4.
  • the temperature detection device 1 is adapted to a current temperature in the power converter 100, in particular in the
  • Converter 100 may be determined, for example, based on a direct measurement by means of one or more temperature sensors.
  • the current temperature Ta in the power converter 100 based on further measured values, such as an electrical voltage U or an electric current I in the Converter 100 to calculate.
  • a mathematical model or the like as a basis for the calculation of the current
  • the current temperature Ta as well as possibly also other measured values of the power converter 100, are supplied to the temperature estimating device 2.
  • This temperature estimation device 2 is designed to calculate a future temperature Tp and / or a future temperature profile in the power converter 100.
  • the future temperature profile to be calculated may be both a temporal as well as a local course of a temperature in the power converter 100.
  • the temperature estimating device 2 can also include further values of the converter 100, possibly in the past, for calculating the future temperature Tp or the future temperature profile.
  • any desired method for example any mathematical modeling of the power converter 100, is possible for the calculation of the future temperature profile or the future temperature Tp.
  • several parameters of the electric power converter 100 may be weighted and summed at different times in the past and in the present with various predetermined factors to predict a temperature or a temperature profile therefrom.
  • the current temperature Ta and the future calculated temperature Tp or the future temperature profile are fed to a maximum value finder 3, which outputs the maximum of actual temperature Ta and calculated future temperature Tp or future temperature profile as value T *.
  • This maximum value T * is fed to a control device 4, which determines a value for a maximum permissible electric current Imax in the power converter 100 from the maximum T * of current temperature Ta and calculated future temperature Tp or future temperature profile, and a further predetermined temperature Tl ,
  • This maximum allowable value Imax for the electric current in the power converter 100 becomes the controller 12 is supplied to the power converter 100, which then optionally limits the controlled variable R for the power converter 100, so that the electric current in the power converter 100 does not exceed the predetermined maximum value Imax.
  • the further predetermined temperature Tl which is supplied to the control device 4, it may be, for example, a predetermined limit value or a predetermined target value for a temperature to which the temperature in the power converter 100 is to be adjusted.
  • This predetermined size Tl may be a fixed static value for a temperature.
  • the value Tl can also represent a one- or multi-dimensional characteristic which describes a temperature specification based on further parameters, such as, for example, an operating mode of the power converter 100 or an entire system in which the power converter 100 is integrated. For example, in the case of an emergency mode of operation, a higher temperature may also be accepted while in a normal mode of operation a lower temperature is required.
  • several different "normal" modes of operation are possible, for which different maximum temperatures can be set, and in addition, the maximum allowable temperature can also be set in
  • Torque of an electric machine connected to the power converter 100 a state of charge of an electrical energy storage, which powers the power converter 100, or the like adapted.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a temperature protection device 11 of the control device 10 according to one embodiment.
  • the embodiment shown here essentially corresponds to that described above
  • This current limiter 5 the determined by the temperature detecting device 1 current temperature Ta is supplied. If the current temperature Ta exceeds a predetermined further temperature value T2, then the current limiter intervenes 5 in addition to the control behavior and additionally reduces the maximum permissible current Imax.
  • the further limit value T2 may be a maximum permissible temperature which may in no case be exceeded in the power converter 100. This additional temperature may also be a fixed static value or a dynamically adjustable value. If the current temperature Ta exceeds the predetermined further limit value T2, a control variable is output by the current limiter 5, which additionally lowers the maximum permissible current Imax.
  • the output of the control device 4 maximum allowable electric current of the power converter 100 is reduced by an additional value.
  • This additional value by which the maximum permissible current is additionally reduced, may be, for example, a fixed static value which is subtracted as long as the current temperature Ta exceeds the predetermined further limit value T2.
  • the current limiter 5 may also be a regulator with an additional D component. Further possibilities for lowering the maximum electric current Imax when exceeding one
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an electric power converter according to a further embodiment. This embodiment can also be combined with the previously described embodiments in any desired manner.
  • the voltage converter 20 in this embodiment comprises a plurality of DC-DC converters 21
  • DC-DC converters can be connected in parallel, for example.
  • the number of two DC-DC converters 21 shown here serves only for better understanding and is not intended to represent a limitation of the present invention.
  • a separate current temperature Ta can be determined for each DC voltage converter 21.
  • a separate future temperature profile or a separate future temperature can also be calculated for each DC voltage converter 21.
  • an individual maximum permissible electrical current Imax can also be defined for each DC voltage converter 21.
  • an individual regulation with an individually determined maximum permissible electrical current Imax can be provided for each DC voltage converter 21.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a flowchart, such as a method for controlling a power converter 100 in accordance with FIG. 5
  • Embodiment is based.
  • a current temperature Ta is first determined in the power converter 100.
  • step S3 the maximum electric current in the power converter 100 can be limited, wherein the
  • the present invention relates to an electrical
  • the converter can be operated closer to its limit temperature, so that a current limit (derating) must be made later.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Stromrichter mit einer erweiterten Regelung zur temperaturabhängigen Begrenzung des maximalen Stroms. Hierbei wird für die Begrenzung des maximalen elektrischen Stroms in dem Stromrichter nicht nur die aktuelle Temperatur des Stromrichters ausgewertet, sondern es erfolgt zusätzlich noch eine Abschätzung des zukünftig zu erwartenden Temperaturverlaufs. Durch das Miteinbeziehen des zukünftigen Temperaturverlaufs in die Regelung der Strombegrenzung des Stromrichters kann der Stromrichter näher an seiner Grenztemperatur betrieben werden, so dass eine Strombegrenzung (Derating) erst zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen muss.

Description

Beschreibung
Titel
Regelvorrichtung, Stromrichter und Verfahren zur Regelung eines Stromrichters
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Stromrichter, einen Stromrichter sowie ein Verfahren zur Regelung eines Stromrichters.
Stand der Technik
Spannungswandler, wie zum Beispiel Gleichspannungswandler, wandeln eine eingangsseitig bereitgestellte elektrische Spannung in eine weitere elektrische Spannung um und stellen diese an einem Ausgang bereit. Um Beschädigungen in den Bauelementen des Spannungswandlers zu vermeiden, muss der
Spannungswandler gegen übermäßig hohe Temperaturen geschützt werden. Eine Möglichkeit hierzu ist es, die Verlustleistung in dem Spannungswandler herabzusetzen. Die Verluste in dem Spannungswandler hängen dabei quadratisch vom elektrischen Strom durch den Spannungswandler ab. Daher kann durch eine Reduzierung bzw. Begrenzung des elektrischen Stroms auch die Verlustleistung und somit die Temperatur in dem Spannungswandler begrenzt werden.
Die Druckschrift US 6 078 511 A offenbart einen Temperaturschutzschaltkreis für einen Spannungswandler und ein Verfahren zum Schutz eines
Spannungswandlers. Der Schaltkreis umfasst in einer Ausführungsform einen Temperatursensor, der ein Signal bereitstellt, welches von der Temperatur in dem Spannungswandler abhängig ist. Weiterhin umfasst der Schaltkreis einen Stromregler, der mit dem Temperatursensor gekoppelt ist und einen
Ausgangsstrom des Spannungswandlers in Abhängigkeit von dem Signal des Temperatursensors regelt. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Regelvorrichtung für einen Stromrichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Stromrichter mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 7 und ein Verfahren zur Regelung eines Stromrichters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Regelvorrichtung für einen Stromrichter mit einer
Temperaturermittlungseinrichtung, einer Temperaturschätzeinrichtung und einer Regeleinrichtung. Die Temperaturermittlungseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine aktuelle Temperatur in dem Stromrichter zu ermitteln. Die
Temperaturschätzeinrichtung ist dazu ausgelegt, eine zukünftige Temperatur oder einen zukünftigen Temperaturverlauf in dem Stromrichter zu berechnen. Die Regeleinrichtung ist dazu ausgelegt, einen maximalen elektrischen Strom in dem Stromrichter zu begrenzen. Dabei ist Regeleinrichtung dazu ausgelegt, ein Maximum aus aktueller Temperatur sowie zukünftiger Temperatur oder zukünftigem Temperaturverlauf zu bestimmen und den maximalen elektrischen Strom in dem Stromrichter unter Verwendung dieses Maximums zu begrenzen.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein elektrischer Stromrichter mit einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung. Ferner ist vorgesehen:
Ein Verfahren zur Regelung eines Stromrichters. Das Verfahren umfasst die Schritte des Ermitteins einer aktuellen Temperatur in dem Stromrichter und des Berechnens einer zukünftigen Temperatur oder eines zukünftigen
Temperaturverlaufs in dem Stromrichter. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Begrenzen des maximalen elektrischen Stroms in dem Stromrichter. Hierzu wird ein Maximum aus aktueller Temperatur sowie zukünftiger
Temperatur oder zukünftigem Temperaturverlauf bestimmt und der maximale elektrische Strom in dem Stromrichter unter Verwendung dieses Maximums begrenzt.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Begrenzung des elektrischen Stroms in einem Stromrichter eine effektive Maßnahme zur Begrenzung der Verlustleistung in dem Stromrichter und somit zur Regelung der Temperatur in dem Stromrichter darstellt. Wird der elektrische Strom in dem Stromrichter jedoch bereits vor Erreichen einer maximal zulässigen Temperatur herabgesetzt, so sinkt damit auch die durch den Stromrichter bereitstellbare maximale Ausgangsleistung. Hierdurch wird die maximale Ausgangsleistung des Stromrichters folglich bereits vor Erreichen einer maximal zulässigen Temperatur in dem Stromrichter begrenzt, und es wird sich in der Regel auch eine
Temperatur einstellen, die kleiner ist als maximal zulässige Temperatur.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Regelung für einen Stromrichter vorzusehen, die es ermöglicht, den Spannungswandler mit maximal möglicher Leistung zu betreiben, ohne dass hierbei eine maximal zulässige Temperatur überschritten wird. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, bei der Regelung des
Stromrichters für den maximal zulässigen elektrischen Strom in dem Stromrichter nicht nur die aktuelle Temperatur des Stromrichters zu berücksichtigen, sondern darüber hinaus auch eine zukünftige Temperaturentwicklung in dem Stromrichter mit in Betracht zu ziehen. Hierzu wird die zukünftige Temperaturentwicklung in dem Stromrichter abgeschätzt und mit in den Regelungsprozess einbezogen. Für das Abschätzen der Temperaturentwicklung in dem Stromrichter können dabei aktuelle, sowie frühere Messwerte des Stromrichters verwendet werden.
Zusätzlich oder alternativ können Parameter über den Zustand des Stromrichters auch berechnet werden. Beispielsweise können aus gemessenen Werten, wie zum Beispiel Strom oder Spannung auch weitere Parameter und Zustände des Stromrichters abgeleitet werden. Basierend auf gemessenen und/oder berechneten Werten des Stromrichters kann eine Entwicklung der Temperatur bzw. des Temperaturverlaufs in dem Stromrichter berechnet werden. Ferner ist es auch möglich, die aktuelle Temperatur oder eine aktuelle räumliche Temperaturverteilung in dem Stromrichter basierend auf Messwerten
beispielsweise anhand eines Modells, zu berechnen.
Zur Begrenzung eines maximalen elektrischen Stroms in dem Stromrichter stehen somit nicht nur die aktuelle Temperatur in dem Stromrichter zur
Verfügung, sondern es kann auch noch die zukünftige Temperaturentwicklung in dem Stromrichter mit in Betracht gezogen werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Betrieb des Stromrichters deutlich näher an die maximal zulässige Temperatur des Stromrichters zu regeln. Ein frühzeitiges Absenken des maximalen elektrischen Stroms in dem Stromrichter mit einem entsprechenden Sicherheitszuschlag, um die zulässige Temperatur nicht zu überschreiten, ist daher nicht erforderlich. Somit steigt die maximale elektrische Leistung, die von dem Stromrichter zur Verfügung gestellt werden kann.
Für die Regelung des maximalen elektrischen Stroms und die Begrenzung des elektrischen Stroms in dem Stromrichter kann insbesondere jeweils das
Maximum aus aktueller Temperatur und zukünftig zu erwartender Temperatur berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann besonders bei einem zeitlichen Anstieg der Temperatur in dem Stromrichter bereits frühzeitig einer derartigen Temperaturentwicklung entgegengewirkt werden. Somit kann sichergestellt werden, dass die Temperatur in dem Stromrichter nicht einen vorgegebenen kritischen Temperaturwert überschreitet.
Die Begrenzung der maximal zulässigen Temperatur, auf die der Stromrichter bei der erfindungsgemäßen Regelung begrenzt werden soll, kann dabei
beispielsweise als statische Größe vorgegeben werden. Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, die maximale zulässige Temperatur in dem Stromrichter anzupassen. Insbesondere kann die maximal zulässige Temperatur in
Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern des Stromrichters, oder von weiteren Betriebsparametern eines an den Stromrichter angeschlossenen Verbrauchers, sowie gegebenenfalls auch weiteren Umgebungsparametern angepasst werden. Insbesondere ist es auch möglich, die maximale Temperatur, auf die der Stromrichter geregelt werden soll, als Kennlinie in Abhängigkeit von weiteren Parametern zu definieren. Gemäß einer Ausführungsform ist die Regeleinrichtung dazu ausgelegt ist, den maximalen elektrischen Strom in dem Stromrichter zu begrenzen, wenn das Maximum aus aktueller Temperatur und zukünftiger Temperatur oder zukünftige Temperaturverlauf einen vorgegebenen ersten Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise soll erreicht werden, dass der Stromrichter stets gemäß seinen Temperaturspezifikationen betrieben wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Regeleinrichtung ausgelegt ist, den maximalen elektrischen Strom in dem Stromrichterunter Verwendung eines Maximums aus aktueller Temperatur und zukünftiger Temperatur oder zukünftigen Temperaturverlauf auf einen vorgegebenen Zielwert einzuregeln. Hierdurch kann der Stromrichter sehr nahe an seinen Spezifikationen betrieben werden. Dies ermöglicht eine sehr gute Auslastung des Stromrichters.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Regeleinrichtung dazu ausgelegt ist, den maximalen elektrischen Strom in dem Stromrichter um einen vorgegebenen Wert abzusenken, wenn die aktuelle Temperatur in dem Stromrichter einen
vorgegebenen zweiten Grenzwert überschreitet. Hierdurch kann beim einem Überschreiten einer kritischen Temperatur in dem Stromrichter sehr rasch eingegriffen werden und die Verlustleistung in dem Stromrichter weiter abgesenkt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Temperaturschätzeinrichtung dazu ausgelegt, die zukünftige Temperatur oder den zukünftigen Temperaturverlauf unter Verwendung von aktuellen und/oder vergangenen Werten einer
elektrischen Spannung, eines elektrischen Stroms und/oder einer Temperatur in dem Stromrichter zu berechnen. Die Berechnung von zukünftiger Temperatur bzw. zukünftigem Temperaturverlauf in dem Stromrichter kann beispielsweise auf einem mathematischen Modell oder ähnlichem basieren. Insbesondere können neben gemessenen Temperaturen auch weitere Parameter des Stromrichters für eine Temperaturschätzung verwendet werden. Somit kann auch ohne direkte Temperaturmessung auf die Temperaturentwicklung in dem Stromrichter geschlossen werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Temperaturermittlungseinrichtung dazu ausgelegt, die aktuelle Temperatur in dem Stromrichter aus einer elektrischen Spannung und/oder einem elektrischen Strom in dem Stromrichter zu berechnen. Auch weitere Parameter zur Berechnung einer Temperatur in dem Stromrichter sind möglich. Die Berechnung der aktuellen Temperatur kann hierdurch insbesondere auch ohne eine direkte Temperaturmessung in dem Stromrichter erfolgen. Hierzu können insbesondere auch weitere Messwerte, die
gegebenenfalls auch für andere Anwendungszwecke bereits zur Verfügung stehen, verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der elektrische Stromrichter mindestens einen Gleichspannungskonverter. Darüber hinaus ist auch eine
Temperaturregelung von weiteren Stromrichtern, wie beispielsweise
Wechselrichtern oder ähnlichem möglich.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Stromrichter mehrere
Spannungskonverter, beispielsweise mehrere Gleichspannungskonverter. In diesem Fall kann die Regeleinrichtung dazu ausgelegt sein, für jeden
Spannungskonverter eine separate aktuelle Temperatur zu ermitteln und/oder eine separate zukünftige Temperatur bzw. einen separaten zukünftigen
Temperaturverlauf zu berechnen. Hierdurch ist es möglich, für jeden
Spannungskonverter individuell basierend auf der Temperatur und der prognostizierten Temperaturentwicklung den Spannungskonverter für einen optimalen Betrieb anzusteuern.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den
Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines elektrischen Stromrichters mit einer Regelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Regelvorrichtung für einen
Stromrichter gemäß einer Ausführungsform;
Figur 3: eine schematische Darstellung einer Regelvorrichtung für einen
Stromrichter gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Figur 4: eine schematische Darstellung eines elektrischen Stromrichters mit einer Regelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
Figur 5: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem
Verfahren zur Regelung eines Stromrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Ausführungsformen der Erfindung
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - soweit nicht anders angegeben - mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Stromrichters 100 mit einer Regelvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform. Der Stromrichter 100 umfasst einen oder mehrere Spannungskonverter 20, die eine
eingangsseitig bereitgestellte Spannung Uin in eine Ausgangsspannung Uout konvertieren. Bei dem Spannungskonverter 20 kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen Spannungskonverter, wie beispielsweise einen
Gleichspannungswandler, einen Wechselrichter oder ähnliches handeln. Die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom kann basierend auf einer Regelgröße R eingestellt werden. Bei dieser Regelgröße R kann es sich beispielsweise um einen von dem Spannungskonverter 20 auszugebenden elektrischen Strom oder eine von dem Spannungskonverter 20 bereitzustellende elektrische Spannung handeln. Grundsätzlich sind jedoch auch weitere beliebige Regelgrößen möglich. Die Regelgröße R wird dabei von der Regelvorrichtung 10 basierend auf einer Sollwertvorgabe S sowie gegebenenfalls basierend auf Messgrößen, wie beispielsweise einer Ausgangsspannung U und/oder einem
Ausgangsstrom I mittels eines geeigneten Reglers 12 generiert.
Zum Schutz des Stromrichters 100, insbesondere zum Schutz der Komponenten des Spannungskonverters 20 kann der maximale elektrische Strom in dem Spannungskonverter 20, insbesondere der maximale elektrische Strom, der von dem Spannungskonverter 20 ausgegeben wird, begrenzt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise sichergestellt werden, dass eine maximale vorgegebene Temperatur in dem Stromrichter 100 nicht überschritten wird. Beispielsweise können die Temperaturen an einem oder mehreren
Schaltelementen in dem Spannungskonverter 20 auf eine maximal zulässige
Temperatur begrenzt werden. Hierzu ist in der Regelvorrichtung 10 eine
Temperaturschutzeinrichtung 11 vorgesehen. Die Temperaturschutzeinrichtung 11 wertet eine oder mehrere Messgrößen des Stromrichters 100 aus und generiert hieraus eine Regelgröße für einen maximal zulässigen elektrischen Strom Imax des Spannungskonverters 20. Das Funktionsprinzip dieser
Temperaturschutzeinrichtung 11 der Regelvorrichtung 10 wird im Nachfolgenden näher erläutert.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Temperaturschutzeinrichtung 11 der Regelvorrichtung 10 für den Stromrichter 100. Die
Temperaturschutzeinrichtung 11 umfasst eine Temperaturermittlungseinrichtung 1, eine Temperaturschätzeinrichtung 2, einen Maximalwertbilder 3 sowie eine Regeleinrichtung 4. Die Temperaturermittlungseinrichtung 1 ist dazu ausgelegt, eine aktuelle Temperatur in dem Stromrichter 100, insbesondere in dem
Spannungskonverter 20 zu ermitteln. Die aktuelle Temperatur Ta in dem
Stromrichter 100 kann beispielsweise basierend auf einem direkten Messwert mittels eines oder mehrerer Temperatursensoren bestimmt werden. Darüber hinaus ist es zusätzlich oder alternativ auch möglich, die aktuelle Temperatur Ta in dem Stromrichter 100 basierend auf weiteren Messwerten, wie zum Beispiel einer elektrischen Spannung U oder einem elektrischen Strom I in dem Stromrichter 100 zu berechnen. Hierzu kann beispielsweise ein mathematisches Modell oder ähnliches als Grundlage für die Berechnung der aktuellen
Temperatur Ta verwendet werden.
Die aktuelle Temperatur Ta, sowie gegebenenfalls auch weitere Messwerte des Stromrichters 100 werden der Temperaturschätzeinrichtung 2 zugeführt. Diese Temperaturschätzeinrichtung 2 ist dazu ausgelegt, eine zukünftige Temperatur Tp und/oder einen zukünftigen Temperaturverlauf in dem Stromrichter 100 zu berechnen. Bei dem zu berechnenden zukünftigen Temperaturverlauf kann es sich hierbei sowohl um einen zeitlichen als auch einen lokalen Verlauf einer Temperatur in dem Stromrichter 100 handeln. Die Temperaturschätzeinrichtung 2 kann neben den aktuellen Messwerten U, I, T auch weitere, gegebenenfalls in der Vergangenheit liegende Werte des Stromrichters 100 mit für die Berechnung der zukünftigen Temperatur Tp bzw. des zukünftigen Temperaturverlaufs einbeziehen. Für die Berechnung des zukünftigen Temperaturverlaufs bzw. der zukünftigen Temperatur Tp ist hierbei ein beliebiges Verfahren, beispielsweise eine beliebige mathematische Modellierung des Stromrichters 100 möglich. Beispielsweise können mehrere Parameter des elektrischen Stromrichters 100 zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der Vergangenheit sowie in der Gegenwart mit verschiedenen vorgegebenen Faktoren gewichtet und aufsummiert werden, um hieraus eine Temperatur oder einen Temperaturverlauf vorherzusagen.
Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige weitere Verfahren zur Vorhersage eines zukünftigen Temperaturverlaufs bzw. einer zukünftigen Temperatur Tp möglich.
Die aktuelle Temperatur Ta sowie die zukünftige berechnete Temperatur Tp bzw. der zukünftige Temperaturverlauf werden einem Maximalwertfinder 3 zugeführt, welcher jeweils das Maximum aus aktueller Temperatur Ta und berechneter zukünftiger Temperatur Tp bzw. zukünftigem Temperaturverlauf als Wert T* ausgibt. Dieser Maximalwert T* wird einer Regeleinrichtung 4 zugeführt, welche aus dem Maximum T* von aktueller Temperatur Ta und berechneter zukünftiger Temperatur Tp bzw. zukünftigem Temperaturverlauf, sowie einer weiteren vorgegebenen Temperatur Tl einen Wert für einen maximal zulässigen elektrischen Strom Imax in dem Stromrichter 100 bestimmt. Dieser maximal zulässige Wert Imax für den elektrischen Strom in dem Stromrichter 100 wird dem Regler 12 für den Stromrichter 100 zugeführt, der daraufhin gegebenenfalls die Regelgröße R für den Stromrichter 100 begrenzt, so dass der elektrische Strom in dem Stromrichter 100 nicht den vorgegebenen Maximalwert Imax überschreitet.
Bei der weiteren vorgegebenen Temperatur Tl, die der Regeleinrichtung 4 zugeführt wird, kann es sich beispielsweise um einen vorgegebenen Grenzwert oder einen vorgegebenen Zielwert für eine Temperatur handeln, auf den die Temperatur in dem Stromrichter 100 eingeregelt werden soll. Bei dieser vorgegebenen Größe Tl kann es sich hierbei um einen festen statischen Wert für eine Temperatur handeln. Darüber hinaus ist es auch möglich, den Wert Tl dynamisch basierend auf weiteren Parametern anzupassen. Beispielsweise kann der Wert Tl auch eine ein- oder mehrdimensionale Kennlinie darstellen, die eine Temperaturvorgabe basierend auf weiteren Parametern, wie beispielsweise einem Betriebsmodus des Stromrichters 100 oder eines gesamten Systems, in dem der Stromrichter 100 integriert ist, beschreibt. So kann beispielsweise im Fall eines Notfallbetriebsmodus auch eine höhere Temperatur akzeptiert werden, während in einem normalen Betriebsmodus eine niedrigere Temperatur gefordert wird. Auch sind mehrere unterschiedliche„normale" Betriebsmodi möglich, für die unterschiedliche maximale Temperaturen vorgegeben werden können. Darüber hinaus kann die maximal zulässige Temperatur beispielsweise auch in
Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern wie einem geforderten
Drehmoment einer an den Stromrichter 100 angeschlossenen elektrischen Maschine, einem Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers, der den Stromrichter 100 speist, oder ähnlichem angepasst werden.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Temperaturschutzeinrichtung 11 der Regelvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform. Die hier dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der zuvor beschriebenen
Ausführungsform und stellt lediglich eine Erweiterung der Ausführungsform gemäß Figur 2 dar. Wie in Figur 3 zu erkennen ist, umfasst die
Temperaturschutzeinrichtung 11 einen zusätzlichen Strombegrenzer 5. Diesem Strombegrenzer 5 wird die von der Temperaturermittlungseinrichtung 1 ermittelte aktuelle Temperatur Ta zugeführt. Überschreitet die aktuelle Temperatur Ta einen vorgegebenen weiteren Temperaturwert T2, so greift der Strombegrenzer 5 zusätzlich in das Regelverhalten ein und senkt den maximal zulässigen Strom Imax zusätzlich ab. Beispielsweise kann es sich bei dem weiteren Grenzwert T2 um eine maximal zulässige Temperatur handeln, die in dem Stromrichter 100 keinesfalls überschritten werden darf. Auch bei dieser weiteren Temperatur kann es sich dabei um einen fest vorgegebenen statischen Wert oder um einen dynamisch anpassbaren Wert handeln. Überschreitet die aktuelle Temperatur Ta den vorgegebenen weiteren Grenzwert T2, so wird von dem Strombegrenzer 5 eine Regelgröße ausgegeben, welche den maximal zulässigen Strom Imax zusätzlich absenkt. Hierzu wird beispielsweise von dem von der Regeleinrichtung 4 ausgegebenen maximal zulässigen elektrischen Strom des Stromrichters 100 noch um einen zusätzlichen Wert verringert. Bei diesem zusätzlichen Wert, um den der maximal zulässige Strom noch zusätzlich verringert wird, kann es sich beispielsweise um einen fest eingestellten statischen Wert handeln, der solange subtrahiert wird, solange die aktuelle Temperatur Ta den vorgegebenen weiteren Grenzwert T2 überschreitet. Darüber hinaus sind auch beliebige weitere Verläufe für die Verringerung des maximal zulässigen elektrischen Stroms Imax möglich. Beispielsweise kann es sich bei dem Strombegrenzer 5 auch um einen Regler mit einem zusätzlichen D-Anteil handeln. Weitere Möglichkeiten zur Absenkung des maximalen elektrischen Stroms Imax beim Überschreiten einer
Sicherheitsschwelle in Form der weiteren Temperaturgrenze T2 sind darüber hinaus ebenso möglich.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Stromrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform. Auch diese Ausführungsform ist mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen in beliebiger Weise kombinierbar. Wie in Figur 4 zu erkennen ist, umfasst der Spannungskonverter 20 in dieser Ausführungsform mehreren Gleichspannungswandler 21. Diese
Gleichspannungswandler können beispielsweise parallelgeschaltet werden. Die hier dargestellte Anzahl von zwei Gleichspannungswandlern 21 dient dabei lediglich dem besseren Verständnis und soll keine Begrenzung der vorliegenden Erfindung darstellen. In diesem Fall, wenn mehrere Gleichspannungskonverter 21 parallelgeschaltet werden, kann für jeden Gleichspannungskonverter 21 eine separate aktuelle Temperatur Ta ermittelt werden. Entsprechend kann auch für jeden Gleichspannungskonverter 21 ein separater zukünftiger Temperaturverlauf oder eine separate zukünftige Temperatur berechnet werden. Daraufhin kann auch für jeden Gleichspannungskonverter 21 bei Bedarf ein individueller maximal zulässiger elektrischer Strom Imax festgelegt werden. Somit kann für jeden Gleichspannungskonverter 21 eine individuelle Regelung mit einem individuell ermittelten maximal zulässigen elektrischen Strom Imax vorgesehen werden.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Regelung eines Stromrichters 100 gemäß einer
Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt Sl wird zunächst eine aktuelle Temperatur Ta in dem Stromrichter 100 ermittelt. In Schritt S2 wird eine zukünftige Temperatur Tp oder ein zukünftiger Temperaturverlauf in dem
Stromrichter 100 berechnet. Daraufhin kann in Schritt S3 der maximale elektrische Strom in dem Stromrichter 100 begrenzt werden, wobei die
Begrenzung des elektrischen Stroms in dem Stromrichter 100 unter Verwendung eines Maximums aus aktueller Temperatur Ta und zukünftiger Temperatur Tp oder zukünftigem Temperaturverlauf erfolgt.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen elektrischen
Stromrichter mit einer erweiterten Regelung zur temperaturabhängigen
Begrenzung des maximalen Stroms. Hierbei wird für die Begrenzung des maximalen elektrischen Stroms in dem Stromrichter nicht nur die aktuelle
Temperatur des Stromrichters ausgewertet, sondern es erfolgt zusätzlich noch eine Abschätzung des zukünftig zu erwartenden Temperaturverlaufs. Durch das Miteinbeziehen des zukünftigen Temperaturverlaufs in die Regelung der
Strombegrenzung des Stromrichters kann der Stromrichter näher an seiner Grenztemperatur betrieben werden, so dass eine Strombegrenzung (Derating) erst zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen muss.

Claims

Ansprüche
Regelvorrichtung (10) für einen Stromrichter (100), mit: einer Temperaturermittlungseinrichtung (1), die dazu ausgelegt ist, eine aktuelle Temperatur (Ta) in dem Stromrichter (100) zu ermitteln; einer Temperaturschätzeinrichtung (2), die dazu ausgelegt ist, eine zukünftige Temperatur (Tp) oder einen zukünftigen Temperaturverlauf in dem Stromrichter (100) zu berechnen; und einer Regeleinrichtung (4), die dazu ausgelegt ist, einen maximalen elektrischen Strom (Imax) in dem Stromrichter (100) unter Verwendung eines Maximums aus aktueller Temperatur (Ta) und zukünftiger
Temperatur (Tp) oder zukünftigen Temperaturverlauf zu begrenzen.
Regelvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Regeleinrichtung (4) dazu ausgelegt ist, den maximalen elektrischen Strom in dem Stromrichter (100) zu begrenzen, wenn das Maximum aus aktueller Temperatur (Ta) und zukünftiger Temperatur (Tp) oder zukünftige Temperaturverlauf einen vorgegebenen ersten Grenzwert (Tl) überschreitet.
Regelvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regeleinrichtung (4) ausgelegt ist, den maximalen elektrischen Strom in dem Stromrichter (100) unter Verwendung eines Maximums aus aktueller Temperatur (Ta) und zukünftiger Temperatur (Tp) oder zukünftigen Temperaturverlauf auf einen vorgegebenen Zielwert einzuregeln.
4. Regelvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Regeleinrichtung (4) dazu ausgelegt ist, den maximalen elektrischen Strom in dem Stromrichter (100) um einen vorgegebenen Wert abzusenken, wenn die aktuelle Temperatur (Ta) in dem Stromrichter (100) einen
vorgegebenen zweiten Grenzwert (T2) überschreitet.
Regelvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Temperaturschätzeinrichtung (2) dazu ausgelegt ist, die zukünftige Temperatur (Tp) oder den zukünftigen Temperaturverlauf unter
Verwendung von aktuellen oder vergangenen Werten einer elektrischen Spannung (U), eines elektrischen Stroms (I) und/oder einer Temperatur (T) in dem Stromrichter (100) zu berechnen.
Regelvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Temperaturermittlungseinrichtung (1) dazu ausgelegt ist, die aktuelle Temperatur (Ta) in dem Stromrichter (100) aus einer elektrischen
Spannung (U) und/oder einem elektrischen Strom (I) in dem Stromrichter (100) zu berechnen.
Elektrischer Stromrichter (100) mit einer Regelvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Elektrischer Stromrichter (100) nach Anspruch 7, wobei der Stromrichter (100) mindestens einen Gleichspannungskonverter (21) umfasst.
Elektrischer Stromrichter (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Stromrichter (100) mehrere Gleichspannungskonverter (21) umfasst, und wobei die Regelvorrichtung (10) dazu ausgelegt ist, für jeden
Gleichspannungskonverter (21) eine separate aktuelle Temperatur (Ta) und eine separate zukünftige Temperatur (Tp) oder einen separaten zukünftigen Temperaturverlauf zu berechnen.
Verfahren zur Regelung eines Stromrichters (100), mit den Schritten:
Ermitteln (Sl) einer aktuellen Temperatur (Ta) in dem Stromrichter (100);
Berechnen (S2) einer zukünftigen Temperatur (Tp) oder eines zukünftigen Temperaturverlaufs in dem Stromrichter (100); und Begrenzen (S3) des maximalen elektrischen Stroms in dem Stromrichter (100) unter Verwendung eines Maximums aus aktueller Temperatur (Ta) und zukünftiger Temperatur (Tp) oder zukünftigem Temperaturverlauf.
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