CN106257251A - 估算车辆的转换器的结温的方法 - Google Patents

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Abstract

一种估算车辆的转换器的结温的方法，其包括：通过车辆控制器，使用电池和转换器之间的输入电流和输入电压、从转换器输出至逆变器的输出电压、以及转换器的占空比和IGBT特征值计算转换器的IGBT功率损耗值。

Description

估算车辆的转换器的结温的方法
技术领域
本发明涉及一种通过依转换器的负载区以不同的方式施加占空比从而估算车辆的转换器(converter)的结温(junction temperature)的方法。
背景技术
一般地，在环境友好型车辆中，转换器(converter)用来将从高电压电池供应的电压转换成低电压。因此，转换器被施以高电压，并且负载连接至各种装置，因而产生相当大量的热。
然而，电子设备，例如构成转换器的二极管和电容，容易受到高温的损害，因此转换器的温度对转换器的耐久性和效率具有重大影响。因此，为了提高转换器的操作效率并且提高转换器的耐久性，适当地维持转换器的温度是很重要的。
为此，需要一种确定转换器的温度、并基于所确定的温度降低转换器的温度的方法。
与此相关，已提出了多种测量转换器温度、并基于所测量的温度冷却转换器的控制技术。在这些技术中，一种现有技术提出通过测量进入电源模块中的空气的温度来计算转换器的温度、并基于所计算的温度使用冷却风扇控制转换器的温度的方法。
然而，基于现有技术的测量进入电源模块的空气的方法间接地估算转换器的温度，因此其难以准确地计算转换器的温度。此外，当已有的冷却方法使用水冷式而非空气冷却式时，现有的测量方法可能无法应用。在使用水冷式的情况下，现有的方法会产生转换器的温度可能无法估算的问题。
以上所提供的作为现有技术描述的事项仅用于帮助理解本发明的背景，其不应当被认为对应于本领域的技术人员已知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种估算转换器结温(junction temperature)的方法，其能够准确估算结温，用于改善转换器的过温保护以及故障诊断功能。
根据本发明的示例性实施例，提供一种估算车辆的转换器的结温的方法，其包括：通过车辆控制器，使用电池和转换器之间的输入电流和输入电压、从转换器输出至逆变器的输出电压、以及转换器的占空比和IGBT特征值计算转换器的IGBT功率损耗值。
当输入电流从电池正向流向转换器时，转换器的占空比可设置成第一占空比，并且当输入电流从转换器反向流向电池时，转换器的占空比设置成第二占空比。
当输入电流交替地从电池正向流向转换器以及从转换器反向流向电池时，转换器的占空比可设置成第三占空比。
第一占空比的值可大于第二占空比。
第一占空比的值可大于第二占空比，并且第二占空比的值大于第三占空比。
所述方法还可以包括，通过车辆控制器，通过将转换器的热阻系数和转换系数乘以由车辆控制器获得的IGBT功率损耗值、并且将所得乘积值与转换器的冷却水的温度值相加，来估算车辆的转换结温。
所述转换器的冷却水的温度值可通过安装在转换器冷却通道中的温度传感器获得。
转换系数值可通过使用安装在转换器内的RC滤波器的热时间常数值以及由安装在转换器的冷却通道中的流量传感器测量的转换器的冷却通道的流量计算得到。
根据本发明的另一示例性实施例，提供一种估算车辆的转换器的结温的***，其包括：输入值获取器，其被配置成获取电池和转换器之间的输入电流和输入电压；输出值获取器，其被配置成获取从转换器输出至逆变器的输出电压；输入电流传感器，其被配置成感测输入电流的方向；温度传感器，其被配置成感测转换器的冷却水温度；流量传感器，其被配置成感测转换器的冷却通道的流量；以及控制器，其被配置成：使用由输入值获取器获取的输入电流和输入电压、由输出值获取器获取的输出电压、以及转换器的占空比和IGBT特征值计算转换器的IGBT功率损耗值，将转换器的热阻系数和转换系数乘以所计算的IGBT功率损耗值，并且随后将转换器的冷却水的温度值与所得乘积值相加，来估算所述车辆的转换器的结温。
根据本发明的另一示例性实施例，包含由处理器执行的程序指令的非暂时性计算机可读介质包括：程序指令，其使用电池和转换器之间的输入电流和输入电压、从转换器输出至逆变器的输出电压、以及转换器的占空比和IGBT特征值计算车辆的转换器的IGBT功率损耗值，从而估算转换器的结温。
附图说明
结合附图，本发明的上述及其他目的、特征以及优势从下文的详细描述中将更加显而易见，其中：
图1是根据本发明示例性实施例的电池、转换器和逆变器之间的配置图；
图2是根据本发明示例性实施例的依赖于转换器的负载区的输入电流和转换器PWM曲线图；并且
图3是示出根据本发明示例性实施例的用于估算转换器结温的***的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图详细说明本发明的实施例。
如图1和3所示，车辆的控制器700使用从电池100输入至转换器130的输入电流110和输入电压120、从转换器130输出至逆变器150的输出电压140，以及所述转换器的占空比和IGBT特征值来计算转换器130的IGBT功率损耗值。IGBT功率损耗值的单位是瓦特[W]。
在下文中，通过将转换器的热阻系数和转换系数乘以从车辆控制器700获得的IGBT功率损耗值，并且随后将所述转换器冷却水的温度值和上述乘积值相加来估算车辆的转换器的结温。
转换器的热阻系数值可依转换器的结构而具有多种值，但是在类似本发明使用水冷式来控制转换器温度的情况下，热阻系数值可利用转换器的冷却通道与转换器IGBT器件的热点之间的距离获得，其单位是摄氏度除以瓦特[℃/W]。
一般地，转换器与转换器的冷却水之间的温度差值可通过将转换器的热阻系数值乘以IGBT的功率损耗得到。然而，通过直接将冷却水的温度和所述乘积值相加不能准确地得出结温。其原因在于，所述结温不是级变值，而是连续变化的值，并且所述热阻系数值根据转换器的冷却通道的流量而变化。
因此，为了准确地估算结温，除了将IGBT功率损耗值乘以热阻系数值之外，还需要乘以转换系数。这里，所述转换系数可使用用于反映结温的连续变化的RC滤波器的热时间常数(thermal time constant)值以及转换器的冷却通道的流量值进行计算。
转换器结和转换器的冷却水之间的温差值可通过以将IGBT功率损耗值乘以热阻系数和转换系数这样的方式准确地得到。因此，转换器的结温可以通过将所计算的转换器和冷却水之间的温差值与转换器的冷却水的温度值相加得到。
有多种用于获得转换器冷却水的温度值的方法。冷却水的温度可通过在转换器的冷却通道中安装温度传感器直接进行测量，也可通过可输出转换器冷却水的温度值的各种地图数据中得到。根据本发明的示例性实施例，通过在转换器的冷却通道中安装温度传感器从而直接获得温度的方法被用于最准确地估算结温。
因此，估算结温的方法可通过以下方式执行：使用从电池100输入至转换器130的输入电流110和输入电压120、从转换器130输出至逆变器150的输出电压140、以及所述转换器的占空比和IGBT特征值来计算转换器的IBGT功率损耗值，将计算所得的IGBT功率损耗值乘以转换器的热阻系数和转换系数，并且将转换器冷却水的温度值与上述乘积值相加。
如上所述，转换器的热阻系数和转换系数以及转换器冷却水的温度值对应于通过传感器直接获得的值或是通过使用器件的本征值获得的值，并且因此在估算结温中误差发生率将更低。
然而，尽管在计算转换器的IGBT功率损耗值中，输入电流110、输入电压120、以及转换器的输出电压140可通过传感器直接获得，但所述IGBT功率损耗值可根据转换器的占空比而改变。因此，IGBT功率损耗值可被认为是在估算转换器的结温的方法中误差发生率最高的因素。因此，为提高估算结温的方法的准确性，最重要的是准确地获得IGBT功率损耗值。
IGBT指的是开关器件。一般地，IGBT配置成双极结性晶体管(bipolar junction transistor，BJT)的结合或是具有二极管的MOSFET器件。转换器130也包括IGBT。IGBT通常是连接至逆变器150的开关器件，并且其设置在转换器130和逆变器150之间以在开关器件之间起辅助作用。
IGBT根据施加的脉冲宽度调制(PWM)信号与在转换器130和逆变器150之间连接的开关器件相交(intersect)以重复导通/关断操作。
如果IGBT是理想的，将不会发生连接在转换器130和逆变器150之间的多个开关器件在彼此交迭时导通的情况。然而，真正理想的器件是不存在的，因此，会发生多个开关器件同时导通的情况。在该情况下，转换器130和逆变器150将彼此电短路，并且因此转换器130和逆变器150都将由于短路电流而损坏。
因此，为了防止上述情况，IGBT具有死区时间(dead time)。死区时间用于防止配置IGBT的开关器件同时导通，并且死区时间的值可根据IGBT的类型而不同地呈现。
因此，为了通过获得IGBT功率损耗值的方法获得准确的值，如上所述，有必要反映IGBT的死区时间。死区时间的反映导致了转换器的占空比的值的问题。因此，准确地获得转换器的占空比在准确估算转换器结温的方法中是一个重要的因素。
在普通的PWM信号中，占空比指的是Toff/Td。Toff指的是一个周期中关断的时间，并且Td指的是一个周期的时间。在转换器的占空比中，1–输入电压/输出电压就是转换器的占空比。根据本发明的示例性实施例，输入电压120指的是从电池100施加至转换器130的电压，并且输出电压140指的是从转换器130施加至逆变器150的电压。
在获得转换器的占空比之前，需要根据车辆的状态区分模式。其原因在于，反映死区时间的转换器的占空比的值依转换器130的负载区(load region)而具有不同的值。
因此，本发明的示例性实施例使用这样的方法：在输入电流110从电池100正向流向转换器130时，将转换器的占空比设置成第一占空比；在输入电流110从转换器130反向流向电池100时，将转换器的占空比设置成第二占空比；并且在输入电流110交替地从电池100正向流向转换器130和从转换器130反向流向电池100时，将转换器的占空比设置成第三占空比。
以下将参考图2对此进行详细描述。参照图2，根据连接至车辆转换器的负载区主要被分为三种模式。如图2的输入电流曲线图中所示，一个模式是升压(boost)模式，其对应于输入电流110的值对应正值的情况。即，电流从电池100正向流向转换器130的情况以及车辆对应于升压模式行驶的情况。
另一模式是降压(buck)模式，在图2的输入电流曲线图中，对应于输入电流110的值是负值时的情况。即，该模式对应于输入电流110从转换器130反向流向电池100的情况。当车辆处于可再生制动状态下时，可形成该模式。
一个附加的模式是升压&降压模式。如图2所示，该附加模式对应于输入电流110交替地具有正值和负值的情况。该附加模式对应于正向电流和反向电流交替地从电池100流向转换器130，并且其可在如上所述的升压模式和降压模式混合时形成。
每种模式的占空比可使用转换器的输入电流110的斜率为正时的值得到，其能从图2的转换器的顶相(top phase)和底相(bottom phase)的变化得到。如上所述，转换器130反映了用于防止短路现象的死区时间，因此转换器的顶相和底相以类似图2的PWM曲线图的形式出现。因此，输入电流110的斜率具有正值的时间通过反映依赖于每种模式的死区时间而具有不同的值。
总体上，本发明提出的第一占空比可以是大于第二占空比的值，并且第二占空比可以是大于第三占空比的值。依赖于转换器的负载区的占空比可由下述等式表达。
在升压模式中，占空比等于1–输入电压/输出电压，在升压&降压模式中，占空比等于1–(输入电压/输出电压+死区时间×开关频率)，并且在降压模式中，占空比等于1–(输入电压/输出电压+2×死区时间×开关频率)。
因此，根据上述等式，作为升压模式中的占空比的第一占空比将是最大值，升压&降压模式中的第二占空比将是第二大值，并且降压模式中的第三占空比将是最小值。
根据上述等式，当输入电压120是360V时，输出电压140是700V，死区时间是3μs，并且开关频率是10kHz，各个模式的转换器的占空比，在升压模式的情况下具有0.486的值，在升压&降压模式中具有0.456的值，以及在降压模式中具有0.426的值。上述值是本发明的示例，并且可确认为如图2的PWM曲线图中所示。
对比上述示例，可以确认依赖于转换器的负载区状态的转换器的占空比大体上具有约6％的差别。因此，所述差别事实上可以反映至IGBT功率损耗值的推导中，并且因此，事实上其对结温的估算具有影响。6％的差别将导致在估算结温中约6℃的误差。
所述误差将在转换器的过温保护和故障诊断功能中导致严重的误差，其将导致转换器的效率和耐久性的劣化。
因此，本发明的示例性实施例提出一种估算转换器的结温的方法，其通过使用上述计算转换器占空比的等式，根据转换器的负载区为每一种模式计算转换器的占空比从而减少上述误差。此外，其能够提高转换器的过温保护以及其故障诊断功能，并且因此车辆转换器的误诊断和误测量的发生率将降低，因此提高了转换器的市场竞争力。
如图1和3所示，根据本发明示例性实施例的估算结温的***被配置成包括：输入值获取器200，其获得从电池100输入至转换器130的输入电流110和输入电压120；输出值获取器300，其获得从转换器130输出至逆变器150的输出电压140；输入电流传感器400，其感测输入电流110的方向；温度传感器500，其感测转换器130的冷却水的温度；流量传感器600，其感测转换器130的冷却通道的流量；以及控制器700，其使用从电池100输入至转换器130的输入电流110和输入电压120、从转换器130输出至逆变器150的输出电压140、以及转换器的占空比和IGBT特征值计算转换器的IGBT功率损耗值，将转换器的热阻系数和转换系数乘以所计算的IGBT功率损耗值，并且随后将转换器的冷却水的温度值与上述乘积值相加来估算车辆的转换器的结温。
输入值获取器200获得从电池100施加至转换器130的输入电流110和输入电压120的值，并且将所获得的值传输至控制器700，并且所述输出值获取器300获得从转换器130施加至逆变器150的输出电压140的值，并且将所获得的值传输至控制器700。
为了划分如图2所示的依赖于转换器的负载区的三种模式，输入电流传感器400感测从电池100施加至转换器130的输入电流110的方向，将信息传输至控制器700。如上所述，输入电流传感器400感测输入电流110是从电池100正向流向转换器130，还是从转换器130反向流向电池100，或是正向和反向交替地流动。
此处，输入电流110是否交替地正向和反向流动的确定标准以施加至转换器的IGBT的PWM信号的一个周期为基础。例如，当转换器的开关频率是10kHz时，100μs是一个周期，因此在100μs时间内感测输入电流110是否交替地正向和反向流动。
温度传感器500获得在转换器的冷却通道中流动的冷却水的温度，并且将其值传输至控制器700，并且流量传感器600测量冷却通道的流量并且将其值传输至控制器700。
控制器700基于从输入电流传感器400传输来的信息获得转换器的占空比，并且使用通过输入值获取器200、输出值获取器300、温度传感器500以及流量传感器600传输来的值来估计车辆的结温。
如上所述，通过估算车辆的转换器的结温可获得下述效果。
首先，结温能够得以准确地估算以防止由于结温估算不准确导致的过温保护和故障诊断功能不稳定。
其次，即使转换器的冷却方法使用水冷式而不使用空气冷却式，所述结温也可被准确计算。
第三，由于有区别地应用响应于与转换器相连的负载区的变化的转换器的占空比来估算结温，即使与转换器相连的负载区变化，反映该变化的负载区的结温也可被准确地计算。
尽管本发明已参照具体示例性实施例进行说明和描述，对于本发明领域内的技术人员显而易见的是，在不背离本发明权利要求所限定的本发明的技术思想和范围的情况下，本发明可作出各种修改和变化。

Claims (10)

1.一种估算车辆的转换器的结温的方法，其包括以下步骤：
通过车辆控制器，使用电池和转换器之间的输入电流和输入电压、从所述转换器输出至逆变器的输出电压、以及所述转换器的占空比和IGBT特征值，计算所述转换器的IGBT功率损耗值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中当输入电流从所述电池正向流向所述转换器时，所述转换器的占空比被设置成第一占空比，并且当输入电流从所述转换器反向流向所述电池时，所述转换器的占空比被设置成第二占空比。
3.根据权利要求2所述的方法，其中当输入电流交替地从所述电池正向地流向所述转换器以及从所述转换器反向地流向所述电池时，所述转换器的占空比被设置成第三占空比。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一占空比是大于所述第二占空比的值。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一占空比是大于所述第二占空比的值，并且所述第二占空比是大于所述第三占空比的值。
6.根据权利要求1所述的方法，其还包括以下步骤：
通过所述车辆控制器，通过将所述转换器的热阻系数和转换系数乘以由所述车辆控制器获得的IGBT功率损耗值、并且将所得乘积值与所述转换器的冷却水的温度值相加，来估算所述转换器的结温。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述转换器的冷却水的温度值通过安装在所述转换器的冷却通道中的温度传感器获取。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述转换系数值通过使用安装在所述转换器中的RC滤波器的热时间常数值以及由安装在所述转换器的冷却通道中的流量传感器测量的转换器的冷却通道的流量计算得到。
9.一种估算车辆的转换器的结温的***，其包括：
输入值获取器，其被配置成获取电池和转换器之间的输入电流和输入电压；
输出值获取器，其被配置成获取从转换器输出至逆变器的输出电压；
输入电流传感器，其被配置成感测输入电流的方向；
温度传感器，其被配置成感测转换器的冷却水的温度；
流量传感器，其被配置成感测转换器的冷却通道的流量；以及
控制器，其被配置成：使用由所述输入值获取器获取的输入电流和输入电压、由所述输出值获取器获取的输出电压、以及转换器的占空比和IGBT特征值来计算转换器的IGBT功率损耗值，将转换器的热阻系数和转换系数乘以所计算的IGBT功率损耗值，并且随后将转换器的冷却水的温度值与所得乘积值相加，来估算所述车辆的转换器的结温。
10.一种包含由处理器执行的程序指令的非暂时性计算机可读介质，所述计算机可读介质包括：
程序指令，其使用电池和转换器之间的输入电流和输入电压、从转换器输出至逆变器的输出电压、以及转换器的占空比和IGBT特征值计算车辆的转换器的IGBT功率损耗值，从而估算转换器的结温。
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