Titel

Verfahren zum Ermitteln eines Soll-Volumenstroms für ein Kühlmittel

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Soll- Volumenstroms für ein Kühlmittel, das zur Kühlung eines Stromrichters durch ei nen Kühlmittelpfad geleitet wird, sowie eine Recheneinheit und ein Computer programm zu dessen Durchführung.

Stand der Technik

Elektrische Maschinen können, insbesondere bei einem Einsatz in einem Fahr zeug, insbesondere einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug, mittels eines Stromrich ters betrieben werden. Insbesondere sind hierbei ein motorischer und ein gene ratorischer Betrieb möglich. Aufgrund der dabei entstehenden Wärme durch Ver lustleistung im Stromrichter, dort insbesondere der Halbleiterschaltelemente bzw. Leistungshalbleiter, ist es zweckmäßig, solche Stromrichter mittels eines Kühlmit tels, beispielsweise Wasser, zu kühlen.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln eines Soll-Volumenstroms sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteil hafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfol genden Beschreibung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Soll-Volumenstroms für ein Kühlmittel, das zur Kühlung eines Stromrichters durch einen Kühlmittelpfad geleitet wird. Bei einem solchen Stromrichter kann es sich insbesondere um ei nen Wechselrichter bzw. Inverter handeln. Wie schon erwähnt, weist ein solcher Stromrichter typischerweise Halbleiterschaltelemente, insbesondere Leistungs halbleiter 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 Halbleiterschaltele mente und damit des Stromrichters aufgrund entsprechender Verlustleistung kommen.

Eine solche elektrische Maschine kann dabei insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere einem Hybrid- oder (reinen) Elektrofahrzeug, zum Einsatz kom men.

Typischerweise ist bei einem solchen Stromrichter bzw. allgemein bei Leistungs elektronik daher eine Kühleinrichtung bzw. eine Möglichkeit zur Kühlung vorge sehen. Beispielsweise kann hierzu ein Kühlkörper verwendet werden, auf dem die Halbleiterschaltelemente und ggf. andere relevante Komponenten angeord net sind, und an dem ein Kühlmittel in einem Kühlmittelpfad entlang geführt wird, um die entstehende Wärme abzuführen. Bei dem Kühlmittel kann es sich insbe sondere um eine Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser oder ein Wasser-Glykol- Gemisch handeln. Dabei kann der Kühlkörper Kühlrippen oder dergleichen auf weisen, die im Kühlmittelpfad liegen, um die entstehende Wärme möglichst effi zient abführen zu können.

Für eine gezielte und möglichste effektive Ansteuerung einer entsprechenden Kühlmittelpumpe, mittels welcher das Kühlmittel entlang des Kühlmittelpfads ge pumpt bzw. geleitet wird, ist eine Kenntnis über einen nötigen Volumenstrom des Kühlmittels, also einen Soll-Volumenstrom, gefordert. Einerseits soll nämlich der Stromrichter eine gewisse Temperatur nicht überschreiten, d.h. er soll vor Über hitzung geschützt werden, wofür ein hinreichend hoher Volumenstrom nötig ist, andererseits ist es aber auch unerwünscht, einen unnötig hohen Volumenstrom des Kühlmittels bereitzustellen, wozu unnötig Energie für den Betrieb der Kühl mittelpumpe nötig wäre.

Zur Ermittlung eines geeigneten Soll-Volumenstroms ist es möglich, eine Tempe ratur der Halbleiterschaltelemente bzw. der damit erzeugten und abzuführenden Wärme zu ermitteln. Hieraus kann dann ein geeigneter Soll-Volumenstrom ermit telt werden. Es hat sich nun aber gezeigt, dass auch durch die Berücksichtigung eines Zwischenkreiskondensators des Stromrichters und dessen Temperatur ei ne besonders genaue Ermittlung eines Soll-Volumenstroms für das Kühlmittel möglich ist.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden daher eine Temperatur des Zwi schenkreiskondensators des Stromrichters und eine Temperatur des Kühlmittels ermittelt. Die Temperatur des Zwischenkreiskondensators kann beispielsweise mittels eines entsprechenden Temperatursensors direkt am Zwischenkreiskon densator gemessen werden (oder modelliert werden). Die Temperatur des Kühl mittels kann beispielsweise mittels eines Temperatursensors an einem Einlass des Kühlmittelpfads gemessen werden (oder modelliert werden). Denkbar ist aber auch eine Messung der Temperatur des Kühlmittels an einer anderen, ge eigneten Stelle im Kühlmittelkreislauf, bevorzugt aber stromaufwärts und insbe sondere in der Nähe des Kühlmittelpfads des Stromrichters.

Basierend auf der Temperatur des Zwischenkreiskondensators und der Tempe ratur des Kühlmittels wird dann ein Wert für den Soll-Volumenstrom ermittelt. Letzteres erfolgt bevorzugt dadurch, dass zunächst eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Zwischenkreiskondensators und der Temperatur des Kühlmittels ermittelt wird und dann basierend auf der Temperaturdifferenz und der Temperatur des Kühlmittels der Wert für den Soll-Volumenstrom ermittelt wird. Zweckmäßigerweise wird dann eine Kühlmittelpumpe für das Kühlmittel ba sierend auf dem ermittelten Soll-Volumenstrom angesteuert bzw. geregelt. Der Soll-Volumenstrom für z.B. die Halbleiter kann eine eigene Funktion und somit unabhängig vom Kondensator sein. Nichtsdestotrotz ist der Soll-Volumenstrom für den Stromrichter bzw. Inverter eine max-Funktion aus Kondensator, Halbleiter und sonstigen Temperaturmodellen. Anhand der Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen von Zwischen kreiskondensator - hierbei kann es sich insbesondere um einen Folienkondensa tor handeln - und Kühlmittel kann besonders einfach ermittelt werden, wie hoch ein Volumenstrom des Kühlmittels sein muss oder sein sollte, um eine abzufüh renden Wärme auch abführen zu können. Die Temperaturdifferenz gibt dabei an, wieviel Wärme abzuführen ist, die Temperatur des Kühlmittels gibt an, wieviel Wärme das Kühlmittel noch aufnehmen kann. So kann ein bereits sehr warmes Kühlmittel in der Regel weniger Wärme (pro Volumen bzw. Masse) aufnehmen - und abführen - als ein kälteres Kühlmittel. Entsprechend sollte der Volumen strom bei einem wärmeren Kühlmittel höher sein als bei einem kalten Kühlmittel.

Die Ermittlung des Soll-Volumenstroms kann dabei - ausgehend von der Tempe raturdifferenz zwischen der Temperatur des Zwischenkreiskondensators und der Temperatur des Kühlmittels einerseits und der Temperatur des Kühlmittels an derseits - insbesondere anhand eines Kennfelds erfolgen. Dort können bei spielsweise für verschiedene Werte der zwei genannten Größen jeweils geeigne te Werte für den Soll-Volumenstrom hinterlegt sein. Diese können zuvor im Rahmen von Testmessungen und/oder Simulationen ermittelt worden sein.

Besonders bevorzugt ist es nun, wenn wenigstens ein Wert eines Stroms in dem Stromrichter ermittelt wird. Aus der Temperatur des Zwischenkreiskondensators und der Temperatur des Kühlmittels (bzw. der Temperaturdifferenz und der Temperatur des Kühlmittels) kann dann zunächst, insbesondere anhand des er wähnten Kennfelds, ein Zwischenwert für den Soll-Volumenstrom ermittelt bzw. bestimmt werden, der dann basierend auf dem wenigstens einen Wert des Stroms angepasst, insbesondere skaliert, wird und dann als der Wert für den Soll-Volumenstrom verwendet wird.

Als der wenigstens eine Wert des Stroms in dem Stromrichter kommt dabei ins besondere ein Wert eines Stroms in einem Zwischenkreis des Stromrichters und/oder ein Wert eines Phasenstroms in Betracht. Sowohl der Strom im Zwi schenkreis als auch der Phasenstrom sind Größen, die einen aktuellen Betriebs status des Stromrichters charakterisieren, insbesondere hinsichtlich der aktuellen Verlustleistung und damit der entstehenden und abzuführenden Wärme. Dies gilt insbesondere aber auch für eine zukünftige Entwicklung der entstehenden und abzuführenden Wärme. Wenn nämlich die Ströme nur gering sind, kann davon ausgegangen werden, dass die entstehende und abzuführende Wärme abneh men wird. Daher kann der Soll-Volumenstrom auch geringer gewählt werden. Entsprechend kann bei hohen Strömen der Soll-Volumenstrom höher bzw. weni ger gering gewählt werden. Damit kann die Effizienz der Kühlung weiter gestei gertwerden, bis hin zu dem Ziel, die Kühlmittelpumpe zumindest zeitweise, bei spielsweise im Falle eines nicht aktiven Stromrichters, ganz abzustellen und so mit Energie einzusparen und Emissionen zu senken.

Die Ermittlung des Soll-Volumenstroms bzw. eines aktuellen Werts hierfür erfolgt zweckmäßigerweise wiederholt, insbesondere regelmäßig, in bestimmten zeitli chen Abständen. Hierbei ist es dann bevorzugt, wenn ein zeitlicher Abstand zweier aufeinanderfolgender Ermittlungen des Wertes für den Soll-Volumenstrom in Abhängigkeit von einer Änderung eines Stroms in dem Stromrichter vorgege ben wird. Als der Strom in dem Stromrichter kann insbesondere einer der beiden vorstehend schon erwähnten Ströme, nämlich der Strom im Zwischenkreis oder der Phasenstrom, verwendet werden. Denkbar ist auch eine Verwendung beider Ströme, wobei dann beide betrachtet werden können und einer davon je nach Si tuation ausgewählt wird.

Zweckmäßig ist hierbei, wenn bei einem Anstieg des Stroms (also einem positi ven Gradienten) in dem Stromrichter ein längerer zeitlicher Abstand vorgegeben wird als bei einem Absinken des Stroms (also einem negativen Gradienten) in dem Stromrichter. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass etwaige nachteili ge, thermische Effekte auftreten, beispielsweise kann ein Nachheizen vermieden werden. Das Aufheizen erfolgt in der Regel etwas schneller als das Abkühlen, weshalb hierzwischen unterschieden werden soll. Damit auch kein zu starker Nachheiz-Effekt entsteht, wird beim Abkühlen der Volumenstrom zweckmäßi gerweise langsam geändert, während beim Aufheizen relativ zügig hoher Volu menstrom angefordert werden soll. Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahr zeugs oder einer Steuereinheit oder eine Leistungselektronik einer elektrischen Maschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfin dungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

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 Da tenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magne tische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computer netze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schema tisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt schematisch einen Stromrichter, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.

Figur 2 zeigt den Stromrichter aus Figur 1 in einer anderen Darstellung.

Figur 3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung In Figur 1 ist schematisch ein beispielhaft als B6-Brücke ausgebildeter Stromrich ter 110 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 ausgebil deten Zwischenkreiskondensator 135, mit beispielhaft sechs Halbleiterschaltele menten 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 ge zeigt sind.

Während eines Betriebs des Stromrichters 110 werden die einzelnen Halbleiter schaltelemente 120 nun mittels einer Ansteuerschaltung bzw. einer Ansteuerein heit 150 auf geeignete Weise zum Öffnen bzw. Schließen angesteuert. Dies er folgt beispielsweise mit einer bestimmten Taktfrequenz. Bei einer üblichen An steuerung 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 zu sammen 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 Figur 2 ist der Stromrichter 110 aus Figur 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 Halbleiter schaltelemente 120 angeordnet bzw. aufgebracht sind (in dieser Ansicht ist nur ein Halbleiterschaltelement pro Phase zu sehen). Durch eine geeignete Anbin dung der Halbleiterschaltelemente 120 auf dem Kühlkörper 160 kann eine gute Wärmeübertragung von den Halbleiterschaltern 120 auf den Kühlkörper 160 er reicht werden. Zudem ist der Zwischenkreiskondensator 135 gezeigt, der eben falls am Kühlkörper 160 angeordnet sein kann, um eine effektive Kühlung zu er möglichen.

Weiterhin ist ein Kühlmittelpfad 164 dargestellt, der beispielsweise durch ein ge eignetes Gehäuse auf der den Halbleiterschaltelementen 120 gegenüberliegen den 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. Zum Pumpen des Kühlmittels 180 kann eine Kühlmittelpumpe verwendet werden, die beispielhaft mit dem Bezugs zeichen 190 angedeutet ist.

Weiterhin sind sowohl am Einlass 162 des Kühlmittelpfads als auch am Zwi schenkreiskondensator 135 jeweils ein Temperatursensor 181 bzw. 182 ange bracht, womit eine Temperatur des Kühlmittels 180 am Einlass 162 des Kühlmit telpfads sowie eine Temperatur des Zwischenkreiskondensators 135 gemessen werden können. Weitere Temperatursensoren 183 können an den Halbleiter schaltelementen 120 vorgesehen sein.

In Figur 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in ei ner bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Zunächst werden die Temperatur T _c des Zwischenkreiskondensators sowie die Temperatur T _K des Kühlmittels er- mittelt bzw. gemessen, beispielsweise mittels der in Bezug auf Figur 2 erwähnten T emperatursensoren.

Aus der Temperatur T _c und der Temperatur T _K kann dann eine Temperaturdiffe renz DT gemäß der Formel AT=TC-TK gebildet werden. Basierend auf der Tempe raturdifferenz DT und der Temperatur T« des Kühlmittels kann dann anhand ei nes Kennfelds Ki ein Zwischenwert V _z des Soll-Volumenstroms für das Kühlmit tel ermittelt bzw. bestimmt werden. Hierzu können die in dem Kennfeld Ki hinter legten Werte beispielsweise anhand von Testmessungen und/oder Simulationen ermittelt worden sein. Ebenso ist denkbar, dass die Temperaturdifferenz nicht explizit ermittelt bzw. berechnet wird, sondern die im Kennfeld hinterlegten Werte entsprechend direkt für die Temperaturen T _c und T _K gelten.

Weiterhin werden ein Strom l _z im Zwischenkreis und/oder ein Phasenstrom l _P ermittelt bzw. mittels entsprechenden Sensoren oder Messeinrichtungen gemes sen. Anhand einer jeweiligen Kennlinie Ki bzw. K ₂ kann dann jeweils ein Faktor ermittelt werden, mittels dessen der Zwischenwert V _z angepasst, insbesondere herunterskaliert werden kann. Zweckmäßig ist dabei, nur einen der beiden Fakto ren zu verwenden, nämlich insbesondere denjenigen, der zu einem höheren Soll- Volumenstrom führt, um etwaige Unsicherheiten abzufangen. Auf diese Weise wird dann der Soll-Volumenstrom V erhalten, anhand dessen die Kühlmittelpum pe angesteuert werden kann.

Wie schon erwähnt, kann dieser Soll-Volumenstrom regelmäßig ermittelt werden, um so immer den aktuell nötigen Wert für den Soll-Volumenstrom zu erhalten, um die Kühlmittelpumpe effizient zu betreiben, möglichst auch zeitweise abschal ten zu können. In diesem Zusammenhang kann auch für den Strom l _z im Zwi schenkreis und/oder den Phasenstrom l _P jeweils eine Änderung bzw. ein Gradi ent DI _Z bzw. DI _R ermittelt werden. Wenn bei nur einem ermittelten Gradienten die ser positiv ist, d.h. der Strom ansteigt, kann ein zeitlicher Abstand Dΐ zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ermittlungen des Wertes für den Soll-Volumenstrom V auf einen kleinen Wert gesetzt werden, andernfalls auf einen großen Wert. Ein zeitlicher Abstand ist dabei zweckmäßigerweise über ein zeitliches Raster des verwendeten Modells vorgegeben, z.B. kann alle 100ms ein Aufruf der Funk tion erfolgen. Werden zum Beispiel ein festes Drehmoment und eine feste Dreh zahl gefahren, jedoch mit zwei unterschiedlichen Zwischenkreisspannungen, so ändert sich der Gradient des Zwischenkreisstromes, sodass entweder weniger oder mehr Wärme abgeführt werden muss. Bei unterschiedlichen Vorzeichen greift die max-Funktion, d.h. es wird der größere Wert verwendet.