DE102011006696A1 - Power electronics assembly, particularly for drive system of motor vehicle, has power electronics and monitoring device for operating time of power electronics - Google Patents

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Abstract

The power electronics assembly (1) has a power electronics (2) and a monitoring device (6) for an operating time of the power electronics. A load-dependent aging state determing device (7) is provided for the power electronics. The load-dependent aging state is determined on the basis of a determined operation time or a determined aging state of the operation of the power electronics.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronikbaugruppe, insbesondere für ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The present invention relates to a power electronics module, in particular for a drive system of a motor vehicle, according to the preamble of claim 1.

Eine gattungsgemäße Leistungselektronikbaugruppe weist eine Leistungselektronik auf, wobei die Leistungselektronikbaugruppe zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine für den Antrieb in Kraftfahrzeugen vorgesehen ist. Die Leistungselektronik ist beispielsweise ein Wechselrichter zur elektrischen Verbindung mit einer Drehfeldmaschine. Antriebssysteme, welche eine solche Leistungselektronikbaugruppe aufweisen, sind z. B. hybridisierte oder elektrische Antriebssysteme von Kraftfahrzeugen.A generic power electronics module has a power electronics, wherein the power electronics module is provided for controlling an electric machine for driving in motor vehicles. The power electronics, for example, an inverter for electrical connection to a rotating field machine. Drive systems which have such a power electronics module, z. B. hybridized or electric drive systems of motor vehicles.

Bei Leistungselektroniken ist es wichtig, die Betriebsstunden zu überwachen bzw. deren Betriebszeit zu erfassen, da auf deren Basis eine maximale Nutzungsdauer für die Leistungselektronikbaugruppe unabhängig vom Fahrverhalten angegeben werden kann. Hierfür sind Betriebsstundenzähler vorgesehen. Im Rahmen der Betriebszeiterfassung werden solche Faktoren jedoch nicht berücksichtigt, welche – zumeist im tatsächlichen Fahrverhalten begründet – geeignet sind, eine Lebensdauer der Leistungselektronikbaugruppe gegenüber einer theoretisch maximal möglichen Lebensdauer zu verkürzen.For power electronics, it is important to monitor the operating hours or to record their operating time, as this can be used to specify a maximum service life for the power electronics module regardless of the driving behavior. Operating hours counters are provided for this purpose. In the context of the operation time recording, however, those factors are not taken into account which, usually based on the actual driving behavior, are suitable for shortening a service life of the power electronics module compared with a theoretically maximum possible service life.

Die Druckschrift DE 43 05 172 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Überwachung eines sicherheitsrelevanten Elements eines Kraftfahrzeugs, welche geeignet ist, neben der Betriebszeit insbesondere auch die temperaturabhängige Alterung zu berücksichtigen.The publication DE 43 05 172 A1 shows a device for monitoring a safety-related element of a motor vehicle, which is suitable, in addition to the operating time in particular to consider the temperature-dependent aging.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leistungselektronikbaugruppe bereitzustellen, welche hinsichtlich ihrer Funktionssicherheit verbessert überwachbar ist.Proceeding from this, it is an object of the present invention to provide a power electronics module, which can be monitored in terms of their reliability improved.

Diese Aufgabe wird durch eine Leistungselektronikbaugruppe mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a power electronics module having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.

Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Leistungselektronikbaugruppe, welche vorzugsweise zur Verwendung mit einem hybridisierten oder elektrischen Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist und insbesondere dazu, eine mit einer Leistungselektronik der Leistungselektronikbaugruppe wirkverbundene elektrische Maschine bzw. Antriebsmaschine des Antriebssystems, vorzugsweise eine Drehfeldmaschine, anzusteuern. Eine solche elektrische Maschine kann z. B. eine Asynchronmaschine oder eine Synchronmaschine sein.According to the invention, a power electronics module, which is preferably provided for use with a hybridized or electric drive system of a motor vehicle, is proposed, in particular for controlling an electric machine or drive machine of the drive system, preferably an induction machine, operatively connected to power electronics of the power electronics module. Such an electric machine can, for. B. be an asynchronous machine or a synchronous machine.

Die Leistungselektronik der Leistungselektronikbaugruppe weist insbesondere einen Stromrichter auf bzw. bildet einen solchen aus. Ein solcher wird zu Antriebszwecken beispielsweise aus einer bordeigenen Versorgungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs gespeist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Stromrichter insbesondere als Wechselrichter ausgebildet. Allgemein ist die Leistungselektronikbaugruppe mittels einer Leistungselektronik gebildet, welche Leistungsbauelemente, z. B. Leistungshalbleiterschalter, Kondensatoren, etc., aufweist.The power electronics of the power electronics module has in particular a power converter or forms such a. Such is fed for drive purposes, for example, from an on-board supply device of a motor vehicle. In the context of the present invention, a power converter is designed in particular as an inverter. In general, the power electronics module is formed by means of power electronics, which power components, eg. B. power semiconductor switches, capacitors, etc., has.

Die Leistungselektronikbaugruppe weist weiterhin eine Vorrichtung zur Überwachung einer Betriebszeit der Leistungselektronik auf. Die Vorrichtung kann zur Erfassung der Betriebszeit insbesondere einen Zähler, z. B. einen Betriebsstundenzähler, umfassen, welcher während des Betriebs der Leistungselektronik kontinuierlich Impulse zählt. Zählimpulse können von einem Impulsgeber der Vorrichtung bereitgestellt werden. Die Anzahl der gezählten Impulse repräsentiert hierbei eine korrespondierend mit dem Betrieb der Leistungselektronik verstrichene Zeitspanne. Während jeweiliger Betriebsintervalle der Leistungselektronik gezählte Impulse können, z. B. mittels eines Integrators, aufaddiert und in der Vorrichtung zur Überwachung gespeichert werden, so dass die Betriebszeit, insbesondere die Gesamtbetriebszeit, auf einfache Wese ermittel- und überwachbar ist. Zur Überwachung vergleicht die Vorrichtung, welche vorzugsweise mittels einer Elektronik der Leistungselektronikbaugruppe gebildet ist, z. B. mittels eines μProzessors oder μControllers derselben, den Zählerstand mit einem gespeicherten bzw. hinterlegten Schwellwert, um darauf basierend ein Signal bzw. eine Information auszugeben, aufgrund derer von der Leistungselektronikbaugruppe eine Maßnahme zur Beeinflussung des Betriebs der Leistungselektronik veranlasst wird.The power electronics module furthermore has a device for monitoring an operating time of the power electronics. The device may for detecting the operating time, in particular a counter, for. As an hour meter include, which counts pulses continuously during operation of the power electronics. Counts may be provided by a pulse generator of the device. The number of counted pulses represents a time span corresponding to the operation of the power electronics. During each operating intervals of the power electronics counted pulses can, for. B. by means of an integrator, are added and stored in the device for monitoring, so that the operating time, in particular the total operating time, on simple Wese ermittel- and can be monitored. For monitoring compares the device, which is preferably formed by means of electronics of the power electronics module, z. Example by means of a μProzessors or μControllers the same, the count with a stored or stored threshold value to output based on a signal or information, due to which the power electronics module a measure to influence the operation of the power electronics is caused.

Die Leistungselektronikbaugruppe weist ferner eine Vorrichtung zur Ermittlung eines belastungsabhängigen Alterungszustands der Leistungselektronik auf. Die Vorrichtung zur Ermittlung des belastungsabhängigen Alterungszustands ist – ebenso wie die Vorrichtung zur Überwachung der Betriebszeit – dazu vorgesehen, unbeabsichtigten Ausfällen der Leistungselektronikbaugruppe vorzubeugen und somit deren Funktionssicherheit zu erhöhen. Der belastungsabhängige Alterungszustand ist hierbei abhängig von tatsächlichen Betriebsbedingungen bzw. Belastungen, welcher die Leistungselektronikbaugruppe ausgesetzt ist. Die tatsächlichen Betriebsbedingungen variieren z. B. in Abhängigkeit vom Fahrverhalten des Fahrzeugführers, z. B. in Abhängigkeit der Leistungsansprüche an das Antriebssystem, in Abhängigkeit der Faktoren Temperatur, z. B. im Rahmen aktiver und passiver Temperaturzyklen, wobei aktive Temperaturzyklen hierbei z. B. jene sind, welche in einem Hybridbetrieb entstehen und passive Temperaturzyklen solche, die während des Betriebs eines Verbrennungsmotors entstehen, z. B. durch Erwärmen der Kühlflüssigkeit. Weitere Beispiele für Faktoren, welche für die belastungsabhängige Alterung der Leistungselektronikbaugruppe maßgeblich sein können, sind z. B. die allgemeine Betriebstemperatur, Leistungszyklen oder die Luftfeuchtigkeit.The power electronics module also has a device for determining a load-dependent aging state of the power electronics. The device for determining the load-dependent aging state is - as well as the device for monitoring the operating time - provided to prevent unintentional failures of the power electronics module and thus to increase their reliability. The load-dependent aging state here depends on actual operating conditions or loads to which the power electronics module is exposed. The actual operating conditions vary, for. B. depending on the driving behavior of the driver, z. B. depending on the power requirements of the drive system, depending on the factors temperature, z. B. in the context of active and passive temperature cycles, with active temperature cycles here z. B. are those which arise in a hybrid operation and passive Temperature cycles such that occur during operation of an internal combustion engine, for. B. by heating the coolant. Other examples of factors that may be relevant for the load-dependent aging of the power electronics module, z. As the general operating temperature, power cycles or humidity.

Die Vorrichtung zur Ermittlung des belastungsabhängigen Alterungszustands der Leistungselektronik ist vorzugsweise ebenfalls mittels eines μProzessors oder μControllers oder allgemein einer Elektronik der Leistungselektronikbaugruppe gebildet und kann vorteilhaft eine Sensorik aufweisen, mittels derer Absolutwerte wie z. B. Luftfeuchtigkeit oder Temperatur an der Leistungselektronik erfasst werden, z. B. kontinuierlich. Die Elektronik ist insbesondere eine solche, mittels derer die Vorrichtung zur Überwachung der Betriebszeit gebildet ist.The device for determining the load-dependent aging state of the power electronics is preferably also formed by means of a μProzessors or μControllers or generally electronics of the power electronics module and may advantageously comprise a sensor by means of which absolute values such. B. humidity or temperature at the power electronics are detected, z. B. continuously. The electronics are in particular one by means of which the device for monitoring the operating time is formed.

Die Vorrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, neben allgemein betrachteten, sensierten Absolutwerten für die Berechnung des Lebensdauerverbrauchs bzw. des belastungsabhängigen Alterungszustands, Differenzwerte von bauelementspezifischen Parametern bzw. Leistungsparametern über einen zeitlichen Verlauf zu ermitteln, z. B. Differenzwerte von Flussspannungen oder von Übergangswiderständen an Leistungsschaltern wie z. B. MOSFETs, von Schaltverlusten, etc.The device is in particular designed to determine apart from generally considered, sensed absolute values for the calculation of the lifetime consumption or the load-dependent aging state, difference values of component-specific parameters or performance parameters over a time course, eg B. Difference values of forward voltages or contact resistance on circuit breakers such. As MOSFETs, switching losses, etc.

Zur Ermittlung der Differenzwerte, welche eine Aussage über die Degradation am jeweiligen alterungsrelevanten Bauelement ermöglichen, werden bauelementspezifische Ist-Größen der Parameter, z. B. Spannungen, Ströme oder Widerstände am Bauelement, ermittelt und mit gespeicherten Startwerten, i. e. Werten, die einen verschleißärmeren bzw. jüngeren Zustand eines Bauelements repräsentieren, in Beziehung gesetzt, i. e. durch Differenzbildung. Alterungsrelevante Ist-Größen am jeweiligen Bauelement werden z. B. von einer Sensorik der Vorrichtung ermittelt, wobei die ermittelten Werte bzw. Ist-Größen am Bauelement insbesondere solche jener Parameter sind, welche Aufschluss über eine Leistungsfähigkeit des Bauelements geben.To determine the difference values, which allow a statement about the degradation of the respective age-relevant component, component-specific actual variables of the parameters, eg. As voltages, currents or resistances on the device, determined and stored with start values, i. e. Values representing a lower-wear state of a device, i. e. by subtraction. Aging relevant actual variables on the respective component are z. B. determined by a sensor of the device, wherein the determined values or actual variables on the component are in particular those of those parameters that provide information about a performance of the device.

Anhand der Differenzwerte, welche maßgeblich von der tatsächlichen Degradation der Leistungselektronik bzw. von der betriebsbedingten Belastung der Leistungselektronik abhängen, werden vorzugsweise Faktoren bzw. Alterungsparameter gebildet. Hierzu wird ein ermittelter Differenzwert vorzugsweise auf den Startwert normiert, gewichtet, z. B. mit Alterungsäquivalenten, und anschließend mit weiteren gleichartig ermittelten Alterungsparametern desselben oder weiterer Bauelemente in Beziehung gesetzt, z. B. durch Addition. Hierbei werden z. B. auch die ermittelten Absolutwerte, z. B. als Korrekturfaktor, berücksichtigt. Der hieraus ermittelte Faktor bzw. Alterungsfaktor ermöglicht eine Aussage über den Alterungszustand und insoweit die Ermittlung des Alterungszustands der Leistungselektronik. Der derart ermittelte Alterungszustand der Leistungselektronik korrespondiert hierbei mit einem Lebensdauerverbrauch derselben.On the basis of the difference values, which depend decisively on the actual degradation of the power electronics or on the operational load on the power electronics, factors or aging parameters are preferably formed. For this purpose, a determined difference value is preferably normalized to the starting value, weighted, z. B. with aging equivalents, and then with other identically determined aging parameters of the same or other components in relation, z. B. by addition. This z. B. also the determined absolute values, z. B. as a correction factor taken into account. The factor or aging factor determined from this makes it possible to make a statement about the state of aging and to that extent the determination of the aging state of the power electronics. The thus determined aging state of the power electronics corresponds in this case with a lifetime consumption of the same.

Die Leistungselektronikbaugruppe ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung dazu ausgebildet, basierend auf einer ermittelten Betriebszeit oder einem ermittelten belastungsabhängigen Alterungszustand den Betrieb der Leistungselektronik zu beeinflussen. Eine Beeinflussung findet hierbei insbesondere jeweils statt, sobald das Erreichen bzw. Überschreiten eines Grenzwerts bzw. vorbestimmten Maximalwerts für die Betriebszeit oder den Alterungszustand durch die jeweilige Vorrichtung erkannt wird. Ein solcher Schwellwert wird jeweils in einem Speicher insbesondere der jeweiligen Vorrichtung hinterlegt und insbesondere regelmäßig oder kontinuierlich mit dem ermittelten Wert für den Alterungsfortschritt oder die Betriebszeit verglichen.The power electronics module is designed in the context of the present invention to influence the operation of the power electronics based on a determined operating time or a determined load-dependent aging state. In each case, an influence takes place in each case as soon as the reaching or exceeding of a limit value or predetermined maximum value for the operating time or the aging state is detected by the respective device. Such a threshold value is stored in each case in a memory, in particular of the respective device, and in particular is compared regularly or continuously with the determined value for the aging progress or the operating time.

Wird der Schwellwert erreicht und/oder überschritten, gibt die jeweilige Vorrichtung vorzugsweise ein Signal aus. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch die Leistungselektronikbaugruppe daraufhin das Einleiten einer vorbestimmten Maßnahme veranlasst, z. B. eine Abschaltung der Leistungselektronik, das Verfallen in einen Notlauf, die Visualisierung einer damit korrespondierenden Information, z. B. das Aktivieren einer Serviceanzeige. Eine solche Maßnahme wird insbesondere von einer Elektronik initiiert, welche zur Steuerung der Leistungselektronik vorgesehen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist hierbei vorgesehen, die Vorrichtungen zur Überwachung der Betriebszeit und/oder der Ermittlung des belastungsabhängigen Alterungszustands in eine solche Steuerelektronik zu integrieren.If the threshold value is reached and / or exceeded, the respective device preferably emits a signal. In a preferred embodiment of the invention, the introduction of a predetermined measure is then caused by the power electronics module, z. As a shutdown of the power electronics, the decay in a limp home, the visualization of a corresponding information, such. B. activating a service indicator. Such a measure is initiated, in particular, by electronics which are provided for controlling the power electronics. In a particularly preferred embodiment of the invention, it is provided to integrate the devices for monitoring the operating time and / or the determination of the load-dependent aging state in such control electronics.

Durch Überwachen sowohl des belastungsabhängigen Alterungszustands bzw. des Lebensdauerverbrauchs als auch der kumulierten Betriebszeit kann erkannt werden, ob eine vorgegebene maximale Betriebszeit der Leistungselektronikbaugruppe erreicht ist oder eine theoretische Lebensdauer überschritten ist, und eine weitergehende Maßnahme durch die Leistungselektronikbaugruppe ergriffen werden. Da sowohl das Erreichen einer maximalen Betriebszeit als auch das Überschreiten einer theoretischen Lebensdauer sicherheitskritisch sein kann und das eine unabhängig von dem anderen möglich ist, ist die Betriebssicherheit der Leistungselektronikbaugruppe gegenüber einer Leistungselektronikbaugruppe aus dem Stand der Technik, welche lediglich einen Betriebsstundenzähler aufweist, vorteilhaft gesteigert.By monitoring both the load-dependent aging state or the lifetime consumption and the cumulative operating time can be detected whether a predetermined maximum operating time of the power electronics module is reached or a theoretical life is exceeded, and a more extensive action to be taken by the power electronics module. Since both the achievement of a maximum operating time and the exceeding of a theoretical lifetime can be safety-critical and one is possible independently of the other, the reliability of the power electronics module compared to a power electronics module from the prior art, which has only an hour meter, advantageously increased.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Leistungselektronikbaugruppe ist die Leistungselektronikbaugruppe dazu ausgebildet, den belastungsabhängigen Alterungszustand als alterungsbedingt verbleibende Systemleistung zu ermitteln. Der Alterungsstand kann über eine Alterungsanzeige dargestellt werden, z. B. durch Anzeige der noch abrufbaren Systemleistung, in z. B. % der ursprünglichen Leistung. In an advantageous embodiment of the power electronics module, the power electronics module is designed to determine the load-dependent aging state as aging-related remaining system power. The aging status can be displayed via an aging indicator, eg. B. by displaying the still available system performance, in z. % Of original performance.

Die verbleibende Systemleistung kann durch Korrelation des Alterungszustands bzw. des aufgrund der ermittelten Alterungsparameter gewonnenen Alterungsfaktors mit hinterlegten Leistungswerten ermittelt werden. Solche sind z. B. in einem Speicher hinterlegt.The remaining system performance can be determined by correlation of the aging state or the aging factor obtained based on the determined aging parameters with stored power values. Such are z. B. stored in a memory.

Besonders bevorzugt ist die Leistungselektronikbaugruppe dazu ausgebildet, in Abhängigkeit des ermittelten Alterungszustands bzw. des aufgrund der ermittelten Alterungsparameter gewonnenen Alterungsfaktors die Leistung für den Betrieb der Leistungselektronik bzw. die Systemleistung zu reduzieren, i. e. alterungsabhängig. Derart kann die Lebensdauer des Systems quasi unendlich hinausgezögert werden, d. h. solange, bis keine Leistung mehr abgefordert werden kann. Im Rahmen eines derartigen Deratings, korrespondierend mit einem Betrieb unterhalb der Nenn-Leistung, wird die Leistungsanforderung an die Leistungselektronik deren Alterungszustand angepasst. Eine solche Anpassung erfolgt bei Betrieb der Leistungselektronik insbesondere kontinuierlich, alternativ z. B. schrittweise. Bei einer Ausführungsform steuert eine Elektronik zur Steuerung die Leistungselektronik in Abhängigkeit eines durch die Vorrichtung zur Ermittlung des Alterungszustands ermittelten Alterungszustands.The power electronics module is particularly preferably designed to reduce the power for the operation of the power electronics or the system power depending on the determined aging state or the aging factor obtained on the basis of the determined aging parameters, i. e. age dependent. Thus, the life of the system can be delayed almost infinitely, d. H. until no more power can be demanded. In the context of such a derating, corresponding to an operation below the rated power, the power demand on the power electronics is adapted to its aging state. Such an adjustment is carried out during operation of the power electronics in particular continuously, alternatively z. B. gradually. In one embodiment, an electronic controller for controlling the power electronics in response to a determined by the device for determining the state of aging aging state.

Zur Anpassung der Leistung an den Alterungsfortschritt, i. e. für ein Derating, wird der Alterungszustand, welcher durch den ermittelten Alterungsfaktor ausgedrückt werden kann, z. B. mit einer systemspezifischen Deratingkonstanten multipliziert. Gesetzt den Fall, der Alterungszustand könne Werte von Null bis 10 und die Deratingkonstante den Wert 0,1 annehmen, würde sich beispielsweise die größte Leistungsreduzierung mit dem fortgeschrittensten Alterungsstadium einstellen.To adjust the performance to the aging progress, i. e. for a derating, the aging condition, which can be expressed by the determined aging factor, z. B. multiplied by a system-specific derating constant. Assuming that the aging state can take values from zero to 10 and the derating constant the value 0.1, for example, the largest power reduction would take place at the most advanced stage of aging.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der Leistungselektronik, welches mit vorstehend beschriebener Leistungselektronikbaugruppe durchführbar ist, ist vorgesehen, in einem ersten Schritt eine Betriebszeit und einen belastungsabhängigen Alterungszustand zu ermitteln, d. h. durch die jeweiligen Vorrichtungen zur Überwachung der Betriebszeit bzw. des Alterungszustands der Leistungselektronik. In einem zweiten Schritt werden die ermittelten Größen mit einem Wert bzw. einem Schwellwert verglichen, i. e. mit hinterlegten Werten, woraufhin basierend auf dem Vergleichsergebnis wenigstens ein Signal ausgegeben wird. In einem dritten Schritt wird in Abhängigkeit des wenigstens einen Signals eine Maßnahme zur Beeinflussung des Betriebs der Leistungselektronik durch die Leistungselektronikbaugruppe veranlasst. Vorzugsweise wird hierbei in dem dritten Schritt die Leistung für den Betrieb der Leistungselektronik in Abhängigkeit des ermittelten Alterungszustands angepasst.In a method according to the invention for operating the power electronics, which can be carried out with the power electronics module described above, it is provided to ascertain an operating time and a load-dependent aging state in a first step, ie. H. by the respective devices for monitoring the operating time or the aging state of the power electronics. In a second step, the determined variables are compared with a value or a threshold, i. e. with stored values, whereupon at least one signal is output based on the comparison result. In a third step, a measure for influencing the operation of the power electronics by the power electronics module is initiated as a function of the at least one signal. Preferably, in this case in the third step, the power for the operation of the power electronics is adjusted as a function of the determined aging state.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawings, which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 exemplarisch eine Leistungselektronikbaugruppe gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; 1 an example of a power electronics module according to a possible embodiment of the invention;

2 exemplarisch ein Flussdiagramm zur Durchführung eines Betriebsverfahrens der Leistungselektronikbaugruppe. 2 an example of a flowchart for performing an operating method of the power electronics module.

1 zeigt exemplarisch und beispielhaft eine Leistungselektronikbaugruppe 1. Die Leistungselektronikbaugruppe 1 zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug weist einen Pulswechselrichter 2 als Leistungselektronik auf. Eine Drehfeldmaschine 3 ist mit dem Wechselrichter 2 zu Antriebszwecken elektrisch verbunden. Zur elektrischen Speisung der Drehfeldmaschine 3 bezieht der Wechselrichter 2 Energie aus einem Energiespeicher des Kraftfahrzeugs, welcher z. B. als Hochvoltbatterie ausgebildet sein kann (nicht dargestellt). 1 shows by way of example and by way of example a power electronics module 1 , The power electronics module 1 for use in a motor vehicle has a pulse inverter 2 as power electronics. An induction machine 3 is with the inverter 2 electrically connected for drive purposes. For electrical supply of the induction machine 3 the inverter receives 2 Energy from an energy storage of the motor vehicle, which z. B. may be formed as a high-voltage battery (not shown).

Die Leistungselektronikbaugruppe 1 weist eine Elektronik 4 mit einem μController 5 auf, welche zur Steuerung der Leistungselektronik 2 ausgebildet ist. Die Elektronik 4 ist vorteilhaft integraler Bestandteil des Wechselrichters 2 oder allgemein der Leistungselektronik. Mittels der Elektronik 4, insbesondere deren μControllers 5, ist vorteilhaft eine Vorrichtung zur Überwachung der Betriebszeit 6 der Leistungselektronik 2 gebildet. Die Betriebszeitüberwachungsvorrichtung 6 umfasst einen schwingquarzbasierten Signalgeber 6a, dessen Signale, jeweils Betriebszeitintervalle der Leistungselektronik 2 repräsentierend, aufsummiert bzw. integriert werden. Der derart ermittelte kummulierte Betriebszeitwert wird in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert, welcher vorteilhaft Bestandteil des μControllers 5 ist. Zur Überwachung der Betriebszeit ist in der Vorrichtung 6 ein Betriebszeit-Schwellwert hinterlegt, dessen Erreichen durch die Vorrichtung 6 überwacht wird, i. e. durch Vergleich des Schwellwerts mit dem kummulierten Betriebszeitwert, insbesondere durch kontinuierlichen oder intervallweisen Vergleich.The power electronics module 1 has an electronics 4 with a μController 5 on, which for controlling the power electronics 2 is trained. The Electronic 4 is advantageous integral part of the inverter 2 or in general the power electronics. By means of electronics 4 , in particular their μControllers 5 , Advantageously, a device for monitoring the operating time 6 the power electronics 2 educated. The operation time monitoring device 6 includes a vibrating quartz-based signal generator 6a , whose signals, each operating time intervals of the power electronics 2 representing, summed up or integrated. The cumulative operating time value determined in this way is stored in a non-volatile memory, which advantageously forms part of the μcontroller 5 is. To monitor the operating time is in the device 6 stored an operating time threshold, the achievement of which by the device 6 is monitored, ie by comparing the threshold with the accumulated operating time value, in particular by continuous or intervalwise comparison.

Mittels der Elektronik 4, insbesondere deren μController 5, ist vorteilhaft ferner eine Vorrichtung 7 zur Ermittlung eines belastungsabhängigen Alterungszustands der Leistungselektronik 2 gebildet. Zur Ermittlung des Alterungszustands und damit einhergehend zu einer Alterungsüberwachung weist die Vorrichtung 7 eine Sensorik auf (nicht dargestellt). Die Sensorik ist zur Erfassung von Messwerten, insbesondere Absolutwerten wie der Temperatur an der Leistungselektronik 2 ausgebildet und andererseits zur Übermittlung derselben an Vorrichtung 7. Durch insbesondere entsprechende Programmierung der Vorrichtung 7 werden die durch die Sensorik erfassten Absolutwerte mit gespeicherten bzw. hinterlegten Kennlinien korreliert, so dass insbesondere Umgebungsbedingungen bei der Alterungsbestimmung berücksichtigt werden können.By means of electronics 4 , in particular their μController 5 , Advantageously, a device is also advantageous 7 for determining a load-dependent aging state of the power electronics 2 educated. To determine the state of aging and concomitantly to an aging monitoring, the device 7 a sensor on (not shown). The sensor system is used to acquire measured values, in particular absolute values such as the temperature at the power electronics 2 trained and on the other hand for the transmission of the same device 7 , By particular appropriate programming of the device 7 the absolute values detected by the sensors are correlated with stored or stored characteristic curves so that, in particular, environmental conditions can be taken into account in the aging determination.

Zur Bestimmung des belastungsabhängigen Alterungszustands bzw. des Alterungsfortschritts der Leistungselektronik 2 liefert die Sensorik weiterhin bauelementspezifische Grölten bzw. Messwerte korrespondierend mit Leistungsparametern von Bauelementen 8 der Leistungselektronik 2. Ist-Werte für die bauelementspezifischen Leistungsparameter werden der Vorrichtung 7 für die Berechnung, i. e. Ermittlung, von Differenzwerten Δp1...Δpn der bauteilspezifischen Leistungsparameter über den zeitlichen Verlauf zur Verfügung gestellt. Durch Bildung solcher Differenzwerte Δp1...Δpn kann eine Degradation von Bauteilen der Leistungselektronik normiert ermittelt werden,

Figure 00090001
, i. e. eine Änderung der Eigenschaften derselben gegenüber einem Startwert, welcher einen verschleißärmeren bzw. jüngeren Zustand repräsentiert. Zur Bildung der Differenzwerte sind die Startwerte p1...pn wiederum in einem Speicher für die Vorrichtung 7 hinterlegt.To determine the load-dependent aging state or the aging progress of the power electronics 2 Furthermore, the sensor system supplies component-specific sizes or measured values corresponding to performance parameters of components 8th the power electronics 2 , Actual values for the device-specific performance parameters become the device 7 for the calculation, ie determination, of difference values Δp 1 ... Δp n of the component-specific performance parameters over the course of time. By forming such difference values Δp 1 ... Δp n , a degradation of components of the power electronics can be determined in a standardized manner,
Figure 00090001
, ie a change in the characteristics of the same compared to a starting value, which represents a low-wear or younger state. To form the difference values, the starting values p 1 ... P n are again in a memory for the device 7 deposited.

Als Beispiele für gebildete Differenzwerte Δp1...Δpn sei vorliegend z. B. ein Differenzwert Δp1...Δpn für den bauteilspezifischen Parameter Uce, i. e. die Spannung an der Kollektor-Emitter-Strecke eines elektronischen Leistungsschalters 8, oder der Widerstand Drain-Source RDSon, die Temperatur Tj oder der Verstärkungsstrom IPH genannt.As examples of the formed difference values Dp 1 ... Ap n is herein z. B. a difference value .DELTA.p 1 ... .DELTA.p n for the component-specific parameter U ce , ie the voltage at the collector-emitter path of an electronic circuit breaker 8th , or the resistance drain-source R DSon , called the temperature T j or the boost current I PH .

Die Vorrichtung 7 verknüpft die normierten Änderungen bzw. Differenzwerte

Figure 00090002
mit z. B. empirisch ermittelten, lebensdauer- bzw. alterungsrelevanten Gewichtungsfaktoren k1...kn, und die derart ermittelten Alterungsparamter
Figure 00090003
untereinander, insbesondere durch Kumulation. Der daraus erhaltene Alterungsfaktor repräsentiert einen Alterungsfortschritt bzw. den Alterungszustand der Leistungselektronik 2.The device 7 links the normalized changes or difference values
Figure 00090002
with z. B. empirically determined, lifetime or aging relevant weighting factors k 1 ... k n , and the thus determined aging parameters
Figure 00090003
among themselves, especially through accumulation. The resulting aging factor represents an aging progress or the aging state of the power electronics 2 ,

Die Vorrichtung 7 zur Ermittlung des Alterungszustands ist vorteilhaft insbesondere dazu ausgebildet, den Alterungszustand als alterungsbedingt verbliebene Systemleistung in Bezug auf die Leistungselektronik 2 zu ermitteln. Hierzu wird der ermittelte Alterungsfaktor bzw. -zustand mit einer hinterlegten Kennlinie verglichen, welche geeignet ist, die Restleistungsfähigkeit bzw. die verbliebene Systemleistung mit dem Alterungszustand zu korrelieren. Der Alterungszustand wird über eine Anzeige 9 visualisiert, an welche ein korrespondierendes Signal von der Vorrichtung 7 zur Ermittlung des Alterungszustands ausgegeben wird. Angezeigt ist insbesondere die noch abrufbare Systemleistung, z. B. in % der Ursprungsleistung.The device 7 For determining the state of aging, it is advantageous, in particular, to design the aging state as system-related remaining system power with respect to the power electronics 2 to investigate. For this purpose, the determined aging factor or condition is compared with a stored characteristic curve which is suitable for correlating the remaining performance or the remaining system performance with the aging condition. The state of aging is via an ad 9 visualized, to which a corresponding signal from the device 7 is issued to determine the state of aging. Shown in particular is the still retrievable system performance, eg. In% of original output.

Die Leistungselektronikbaugruppe 1 ist weiterhin dazu ausgebildet, in Abhängigkeit des ermittelten Alterungszustands die Leistung für den Betrieb der Leistungselektronik 2 bzw. die Systemleistung zu reduzieren, insbesondere auf einen Wert unterhalb der Nennleistung. Mit anderen Worten werden erlaubte Sollwerte für den Betrieb der Leistungselektronik 2 alterungsabhängig angepasst. Durch ein solches Derating kann die Lebensdauer des Systems solange hinausgezögert werden, bis keine Leistung mehr abgefordert werden kann bzw. die Alterungsanzeige 9 0% anzeigt. Alternativ könnte bei Erreichen eines bestimmten Alterungszustands bzw. einer Restfunktionsfähigkeit die Abschaltung der Leistungselektronik 2 angekündigt oder umgesetzt werden.The power electronics module 1 is further adapted, depending on the determined aging state, the power for the operation of the power electronics 2 or to reduce the system performance, in particular to a value below the rated power. In other words, allowed setpoints for the operation of the power electronics 2 adapted to age. Such a derating can delay the life of the system until no more power can be demanded or the aging indicator 9 0%. Alternatively, when a certain state of aging or residual functionality is reached, the shutdown of the power electronics could 2 be announced or implemented.

Zur Anpassung der Systemleistung, i. e. für ein Leistungsderating, in Abhängigkeit der Alterung ist eine systemspezifische Deratingkonstante c mit den Alterungsparametern

Figure 00100001
funktionell verknüpft, d. h. das Leistungsderating ergibt sich aus:
Figure 00100002
For adapting the system performance, ie for a performance derating, as a function of aging, there is a system-specific derating constant c with the aging parameters
Figure 00100001
functionally linked, ie the performance derating results from:
Figure 00100002

2 zeigt ein Flussdiagramm zur Durchführung eines Betriebsverfahrens mittels der vorstehend erläuterten Leistungselektronikbaugruppe 1. In einem ersten Schritt wird hierbei unter Berücksichtigung erfasster Größen 10, i. e. eines Zählerstandes der Vorrichtung 6 zur Überwachung der Betriebsstunden sowie ermittelter Parameter für die Vorrichtung 7 eine Gesamtbetriebszeit sowie ein Alterungszustand ermittelt, Bz. 11. Darauf basierend wird eine entsprechende Information 12 mittels eines Signals ausgegeben, insbesondere durch die jeweilige Vorrichtung 6, 7. Die Information wird mit einem Wert verglichen, Bz. 13, wobei die Leistungselektronikbaugruppe 1 in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses eine Maßnahme veranlasst, Bz. 14, d. h. eine Maßnahme zur Beeinflussung des Betriebs der Leistungselektronik 2. 2 shows a flowchart for performing an operating method by means of the above-described power electronics module 1 , In a first step, this takes into account detected quantities 10 , ie a meter reading of the device 6 for monitoring the operating hours and determined parameters for the device 7 determines a total operating time and an aging condition, Bz. 11 , Based on this information is provided 12 output by means of a signal, in particular by the respective device 6 . 7 , The information is compared with a value, Bz. 13 , wherein the power electronics module 1 depending on the result of the comparison, initiates a measure, Bz. 14 ie a measure to influence the operation of the power electronics 2 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
LeistungselektronikbaugruppePower electronics module
22
Leistungselektronikpower electronics
33
DrehfeldmaschineInduction machine
44
Elektronikelectronics
55
μControllermicroontroller
66
Vorrichtung zur Überwachung der BetriebszeitDevice for monitoring the operating time
6a6a
Signalgebersignaler
77
Vorrichtung zur Ermittlung des AlterungszustandsDevice for determining the state of aging
88th
Bauelement der Leistungselektronik 2 Component of power electronics 2
99
Anzeigevorrichtungdisplay device
1010
Größensizes
1111
Ermittlung Betriebszeit/AlterungszustandDetermination of operating time / aging condition
1212
Informationsausgabeinformation output
1313
Vergleichcomparison
1414
Veranlassen MaßnahmeInduce action

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 4305172 A1 [0004] DE 4305172 A1 [0004]

Claims (10)

Leistungselektronikbaugruppe (1), insbesondere für ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, mit einer Leistungselektronik (2) sowie einer Vorrichtung (6) zur Überwachung einer Betriebszeit derselben, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaugruppe (1) ferner eine Vorrichtung (7) zur Ermittlung eines belastungsabhängigen Alterungszustands der Leistungselektronik (2) aufweist, wobei die Leistungselektronikbaugruppe (1) dazu ausgebildet ist, basierend auf einer ermittelten Betriebszeit oder einem ermittelten Alterungszustand den Betrieb der Leistungselektronik (2) zu beeinflussen.Power electronics module ( 1 ), in particular for a drive system of a motor vehicle, with power electronics ( 2 ) as well as a device ( 6 ) for monitoring an operating time thereof, characterized in that the power electronics module ( 1 ) a device ( 7 ) for determining a load-dependent aging state of the power electronics ( 2 ), wherein the power electronics module ( 1 ) is designed, based on a determined operating time or a determined aging state, the operation of the power electronics ( 2 ) to influence. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaugruppe (1) dazu ausgebildet ist, zur Ermittlung eines belastungsabhängigen Alterungszustands Alterungsparameter basierend auf Differenzwerten für bauteilspezifische Parameter von Bauelementen (8) der Leistungselektronik (2) zu ermitteln, insbesondere über einen zeitlichen Verlauf.Power electronics module ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the power electronics module ( 1 ) is designed for determining a load-dependent aging state aging parameters based on difference values for component-specific parameters of components ( 8th ) of the power electronics ( 2 ), in particular over a time course. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaugruppe (1) dazu ausgebildet ist, den belastungsabhängigen Alterungszustand als alterungsbedingt verbliebene Systemleistung für die Leistungselektronik (2) zu ermitteln.Power electronics module ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power electronics module ( 1 ) is designed to reduce the load-dependent aging state as aging-related system power for the power electronics ( 2 ) to investigate. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaugruppe (1) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des ermittelten Alterungszustands, insbesondere wenigstens eines ermittelten Alterungsparameters, die Leistung für den Betrieb der Leistungselektronik (2) bzw. die Systemleistung zu reduzieren, insbesondere auf einen Wert unterhalb der Nennleistung.Power electronics module ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power electronics module ( 1 ) is designed, depending on the determined aging state, in particular at least one determined aging parameter, the power for the operation of the power electronics ( 2 ) or to reduce the system performance, in particular to a value below the rated power. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaugruppe (1) eine alterungsabhängige Leistungsreduzierung für den Betrieb der Leistungselektronik (2) mittels des funktionalen Zusammenhangs
Figure 00130001
durchführt, wobei c die systemspezifische Deratingkonstante und k1 bis kn Alterungsparameter darstellen.Power electronics module ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the power electronics module ( 1 ) an aging-dependent power reduction for the operation of the power electronics ( 2 ) by means of the functional relationship
Figure 00130001
where c represents the system specific derating constant and k 1 to k n aging parameters. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaugruppe (1) dazu ausgebildet ist, basierend auf dem ermittelten Alterungszustand einen Lebensdauerverbrauch für die Leistungselektronik (2) zu ermitteln.Power electronics module ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power electronics module ( 1 ) is designed, based on the determined aging state, a lifetime consumption for the power electronics ( 2 ) to investigate. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaugruppe (1) dazu ausgebildet ist, einen ermittelten Alterungszustand, einen Lebensdauerverbrauch oder eine erfasste Betriebszeit mit einem hinterlegten Wert zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses den Betrieb der Leistungselektronik (2) zu beeinflussen.Power electronics module ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power electronics module ( 1 ) is designed to compare a determined aging state, a lifetime consumption or a recorded operating time with a stored value and, depending on the comparison result, the operation of the power electronics ( 2 ) to influence. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaugruppe (1) dazu ausgebildet ist, infolge eines Erreichens oder Überschreitens eines hinterlegten Werts den Betrieb der Leistungselektronik (2) einzustellen oder einen Notlauf zu aktivieren oder eine damit korrespondierende Information zu visualisieren.Power electronics module ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the power electronics module ( 1 ) is designed, as a result of reaching or exceeding a stored value, the operation of the power electronics ( 2 ) or to activate an emergency run or to visualize a corresponding information. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaugruppe (1) eine Anzeigevorrichtung (9) zur Anzeige eines ermittelten Alterungszustands oder einer damit korrespondierenden Restlebensdauer aufweist.Power electronics module ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power electronics module ( 1 ) a display device ( 9 ) for displaying a determined aging state or a corresponding residual life has. Leistungselektronikbaugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaugruppe (1) eine Elektronik (4) zur Steuerung der Leistungselektronik (2) aufweist, wobei mittels der Elektronik (4) die Vorrichtung (6) zur Überwachung der Betriebszeit und/oder (7) zur Ermittlung des Alterungszustands gebildet ist.Power electronics module ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power electronics module ( 1 ) an electronics ( 4 ) for controlling the power electronics ( 2 ), whereby by means of the electronics ( 4 ) the device ( 6 ) for monitoring the operating time and / or ( 7 ) is formed to determine the state of aging.
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