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In komplexen Schaltungen, die zumindest ein, typischerweise mehrere Leistungsbauteile umfassen, müssen Temperaturbetriebsgrenzen der einzelnen Komponenten berücksichtigt werden. Durch oftmals hohe Verlustleistungen, beispielsweise beim Schalten hoher Ströme, können sich einzelne Komponenten der Schaltung stark aufheizen. Die Schaltung kann mit einer engpassorientierten Optimierung derart betrieben werden, dass möglichst alle Komponenten der Schaltung gleichmäßig belastet werden und nicht eine Komponente als schwächstes Glied dauerhaft stark belastet wird. Dies ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten Schaltungen, beispielsweise im elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs, bedeutsam.
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Die möglichst genaue Kenntnis der momentanen Belastung einzelner Komponenten ist somit vorteilhaft für einen optimierten Betrieb einer Schaltung. Auch Kenntnisse über den Alterungszustand einzelner Komponenten sind vorteilhaft, insbesondere für die Betriebssicherheit der Schaltung.
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Eine direkte Temperaturmessung kann jedoch nur in den seltensten Fällen genau dort erfolgen, wo Temperaturspitzen auftreten. Derartige Hotspots sind häufig unzugänglich. Üblich ist es daher, die Temperatur an einem zugänglichen Ort zu messen und mithilfe von Modellen auf Temperaturen im Bereich von Hotspots rückzuschließen.
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Dieses Vorgehen hat jedoch verschiedene Nachteile. Zum einen ist es träge und kann schnelle zeitliche Änderungen der Hotspottemperatur nicht gut abbilden. Zudem ist die indirekte Temperaturmessung mit Unsicherheiten behaftet, insbesondere ist fraglich, wie gut das verwendete Modell die Prozesse der Wärmeübertragung innerhalb der Schaltung abbildet. Eine hochdynamische Regelung ist mit einem solchen Vorgehen kaum möglich.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltung umfassend zumindest ein Leistungsbauteil anzugeben, mit dem die momentane Temperatur des Leistungsbauteils besonders verlässlich und zugleich dynamisch ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltung, die zumindest ein Leistungsbauteil aufweist, angegeben, wobei das Verfahren das Messen eines Spannungsabfalls an dem zumindest einen Leistungsbauteil sowie das Ermitteln eines aktuellen Innenwiderstandes des Leistungsbauteils aus dem gemessenen Spannungsabfall aufweist. Ferner umfasst das Verfahren das Ermitteln einer momentanen Verlustleistung des Leistungsbauteils aus dem ermittelten momentanen Innenwiderstand und das Ermitteln einer momentanen Temperatur des Leistungsbauteils aus der ermittelten momentanen Verlustleistung.
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Der „aktuelle Innenwiderstand“ ist dabei insbesondere der Innenwiderstand zum Zeitpunkt der Messung des Spannungsabfalls. Der Spannungsabfall ist insbesondere die Differenz zwischen dem eingangsseitigen und dem ausgangsseitigen elektrischen Potential. Im Fall eines schaltenden Leistungsbauteils wie z.B. einem Schütz mit einer Hauptstromleitung für die zu schaltende Leistung und einer Steuerleitung wird zweckmäßig insbesondere die Potentialdifferenz der Hauptstromleitung des Leistungsbauteils gemessen. Die Messung des Spannungsabfalls erfolgt bei einem schaltenden Leistungsbauteil insbesondere bei geschlossenem Hauptstromkontakt.
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Bei dem Verfahren wird demnach keine Temperatur direkt gemessen. Durch die Ermittlung der momentanen Verlustleistung des Leistungsbauteils kann jedoch auf die momentan erzeugte Wärme am Leistungsbauteil selbst und damit auch auf die Temperatur des Leistungsbauteils selbst rückgeschlossen werden. Da der Spannungsabfall hochdynamisch gemessen werden kann und somit auch die momentane Verlustleistung hochdynamisch ermittelt werden kann, ist es möglich, die Temperatur des Leistungsbauteils mit sehr hoher zeitlicher Auflösung zu ermitteln.
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Das Verfahren hat demnach den Vorteil, dass es eine Überwachung der Temperatur des zumindest ein Leistungsbauteils praktisch in Echtzeit ermöglicht. Eine Regelung der Schaltung, die eine optimale Auslastung aller Komponenten zum Ziel hat, ist somit möglich.
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Würde stattdessen ein Modell verwendet, um aus einer mit Abstand zum Leistungsbauteil gemessenen Temperatur die Temperatur des Leistungsbauteils zu extrapolieren, so müssen verschiedene, die Schaltung und das Leistungsbauteil betreffende Annahmen getroffen werden, die insbesondere die Wärmeübertragung betreffen. Dabei wird typischerweise aus Sicherheitsgründen konservativ vorgegangen und die Temperatur des Leistungsbauteils wird typischerweise eher überschätzt, was zu einer mangelhaften Auslastung des Leistungsbauteils und damit der Schaltung führen kann. Eine bauteilindividuelle Ermittlung der momentanen Temperatur bzw. des momentanen Innenwiderstands wie gemäß der vorliegenden Erfindung weist diesen Nachteil nicht auf. Dieser Nachteil würde sich im Speziellen auch dann ergeben, wenn die Hotspotermittlung eines leistungsführenden Bauteiles gänzlich auf eine Temperaturmessung verzichtet und lediglich auf z.B. einem datenbasierten oder physikalischen Modell beruht.
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Zum einen wird damit die absolute Genauigkeit der Temperaturermittlung am Leistungsbauteil verbessert, da der Rückschluss aus dem gemessenen Spannungsabfall auf die momentane Temperatur des Leistungsbauteils direkter erfolgt und auf möglicherweise unvollständige Modellierungen teilweise verzichtet werden kann. Zum anderen wird auch die dynamische Genauigkeit der Temperaturermittlung verbessert, da unmittelbar am Ort des Leistungsbauteils gemessen werden kann und der Spannungsabfall mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform wird festgestellt, ob die momentane Temperatur des Leistungsbauteils einen Schwellenwert TS überschreitet. Der Schwellenwert TS wird dabei insbesondere so gewählt, dass ein Betrieb des Leistungsbauteils bei einer Temperatur TS noch sicher ist. Falls die momentane Temperatur des Leistungsbauteils den Schwellenwert TS überschreitet, kann eine geeignete Maßnahme ergriffen werden, insbesondere kann die erhöhte Temperatur des Leistungsbauteils beim Betrieb der Schaltung berücksichtigt werden und der Betrieb der Schaltung kann derart angepasst werden, dass das Leistungsbauteil entlastet wird.
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Somit wird gemäß einer Ausführungsform die Belastung des Leistungsbauteils reduziert, wenn die momentane Temperatur den Schwellenwert TS überschreitet.
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Gemäß einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren festgestellt, ob der momentane Innenwiderstand des Leistungsbauteils einen Schwellenwert RS überschreitet. Da der Innenwiderstand des Leistungsbauteils ein Indikator für dessen Gesundheitszustand ist, lässt sich mit einer Überwachung des momentan Innenwiderstands erkennen, ob mit dem Leistungsbauteil Probleme vorliegen, d.h. ob es beispielsweise geschädigt, defekt oder stark gealtert ist. Falls festgestellt wird, dass der momentane Innenwiderstand des Leistungsbauteils den Schwellenwert RS überschreitet, können geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Diese können beispielsweise in einem geeigneten Betrieb der Schaltung bestehen oder in der Ausgabe eines Alarms bzw. einer Fehlermeldung.
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Das Leistungsbauteil kann beispielsweise als Schütz, Shunt, elektronische Sicherung oder pyrotechnische Sicherung ausgebildet sein. Dabei kann es sich um ein Leistungshalbleiterbauteil handeln oder beispielsweise um ein elektromechanisches Bauteil.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die ermittelte momentane Temperatur mit einer Temperatur des Leistungsbauteils verglichen, die mittels einer Temperaturmessung an einem von dem Leistungsbauteil beabstandeten Punkt der Schaltung unter Verwendung eines Wärmeübertragungsmodells ermittelt wurde.
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Bei dieser Ausführungsform wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt, eine direkte Temperaturmessung an der Schaltung vorgenommen, jedoch nicht unmittelbar am Leistungsbauteil selbst, beispielsweise weil dieses unzugänglich ist, sondern an einem von dem Leistungsbauteil beanstandeten Punkt der Schaltung. Die Temperatur des Leistungsbauteils selbst wird dann aus der gemessenen Temperatur unter Verwendung eines Wärmeübertragungsmodells ermittelt. Diese Temperatur kann mit der aus dem momentanen Innenwiderstand des Leistungsbauteils ermittelten momentanen Temperatur verglichen werden, um beide Messungen zu plausibilisieren.
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Insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen, die eine Redundanz erfordern, ist dies vorteilhaft, zumal beide Wege der Temperaturermittlung unabhängig voneinander sind.
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Gemäß einer Ausführungsform werden der ermittelte momentane Innenwiderstand und/oder die ermittelte momentane Temperatur des Leistungsbauteils verwendet, um einen Alterungszustand des Leistungsbauteils zu überwachen.
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Bei dieser Ausführungsform werden somit ermittelte Werte für den momentanen Innenwiderstand und/oder die momentane Temperatur des Leistungsbauteils gespeichert, um ihre zeitliche Entwicklung auswerten zu können. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass der Alterungszustand des Leistungsbauteils sehr detailliert, in Echtzeit und bauteilindividuell überwacht werden kann.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung umfassend eine Schaltung mit zumindest einem Leistungsbauteil und eine Steuerungseinrichtung angegeben, wobei die Steuerungseinrichtung einen Speicher umfasst, in dem Programmcode abgelegt ist, der die Steuerungseinrichtung veranlasst, dass beschriebene Verfahren durchzuführen, wenn der Programmcode ausgeführt wird.
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Die Anordnung mit der Schaltung kann vorteilhaft verwendet werden insbesondere in der Fahrzeugtechnik im elektrischen Antriebsstrang von Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen, beispielsweise in einer sogenannten Battery Junction Box. Als Battery Junction Box wird dabei insbesondere eine elektronische Schaltungsanordnung - bei manchen Ausführungsformen eine separat gehäuste elektronische Schaltungsanordnung - verstanden, welche dazu ausgebildet ist, die elektrische Verbindung - insbesondere die Hochspannungsverbindung - zwischen einer Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs oder batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs und den an die Traktionsbatterie angeschlossenen Verbrauchern - beispielsweise einem elektrischen Antrieb - herzustellen und zu unterbrechen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt angegeben umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Das Verfahren und die Schaltung ermöglichen eine maximale Betriebssicherheit und Betriebsverfügbarkeit der Schaltung bei gleichzeitiger Optimierung der Systemkosten. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Temperaturüberwachung in Echtzeit und bauteilindividuell erfolgt und weniger umfangreiche Modellierung erfordert als dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Insbesondere die bauteilindividuelle Ermittlung der Temperatur ermöglicht es, das Leistungsbauteil optimal zu belasten und auszunutzen.
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Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
- 1 zeigt ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Anordnung gemäß 1.
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1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 1, beispielsweise ein Hybridfahrzeug oder ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Das Fahrzeug 1 weist eine Anordnung 2 auf mit zumindest einer Schaltung 3 sowie einer Steuerungseinrichtung 4 zur Steuerung bzw. Regelung der Schaltung 3, was dadurch symbolisiert ist, dass die Schaltung 3 mit der Steuerungseinrichtung 4 durch eine Signalleitung 6 verbunden ist. Beispielsweise kann es sich bei der Anordnung 2 um einen elektrischen Antriebsstrang des Fahrzeugs 1 handeln oder lediglich um einen Teil davon. Beispielsweise handelt es sich um eine Battery Junction Box.
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Die Schaltung 3 weist zumindest ein Leistungsbauteil 5 auf, beispielsweise ein Leistungshalbleiterbauteil, das sich im Betrieb aufgrund von Verlustwärme erwärmt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Leistungsbauteil 5 um einen Schütz, der mittels der Signalleitung 6 als Steuerleitung ansteuerbar ist, um über seine Hauptstromleitung die Hochspannungsverbindung zwischen einer Traktionsbatterie 10 und einem elektrischen Antrieb 11 des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1 herzustellen und zu unterbrechen.
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Die Schaltung 3 weist ferner eine Messanordnung 7 auf, beispielsweise einen Messkreis, um den Spannungsabfall U über dem Leistungsbauteil 5 im Betrieb zu messen. Der Messkreis kann beispielsweise einen Shunt aufweisen. Insbesondere ist mittels des Messkreises die Potentialdifferenz zwischen dem eingangsseitigen und dem ausgangsseitigen elektrischen Potential des Leistungshalbleiterbauteils 5 als Spannungsabfall U messbar. Vorliegend ist insbesondere die Spannungsdifferenz zwischen der batterieseitigen und der verbraucherseitigen Spannung am Schütz messbar. Der Spannungsabfall U über dem Leistungsbauteil 5 wird abhängig vom Betriebsmodus der Schaltung 3 in kleinen Zeitabständen gemessen und durch die Steuerungseinrichtung 4 oder eine externe Einheit ausgewertet. Die Auswertung ist im Folgenden anhand von 2 näher beschrieben.
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1 zeigt ferner einen Temperatursensor 8, der ebenfalls innerhalb der Anordnung 2 angeordnet ist und der mit der Steuerungseinrichtung 4 über eine Signalleitung 9 verbunden ist. Der Temperatursensor 8 misst die Temperatur der Schaltung 3 an einem Punkt, der von dem Leistungsbauteil 5 beabstandet ist, sodass der Temperatursensor 8 nicht unmittelbar die Temperatur des Leistungsbauteils 5 liefert.
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2 zeigt anhand eines Ablaufdiagrammes ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Verfahren, das insbesondere computerimplementiert durch die Steuerungseinrichtung 4 gemäß 1 oder ein übergeordnetes Steuergerät ausgeführt werden kann, wird nach einem Start in einem Schritt 100 der Spannungsabfall über dem Leistungsbauteil 5 mithilfe der Messanordnung 7 gemessen, vorliegend insbesondere im geschlossenen Zustand des Schützes. Da der Strom I am Leistungsbauteil 5 typischerweise bekannt ist, kann daraus in einem Schritt 200 der Innenwiderstand R des Leistungsbauteils 5 ermittelt werden. Alternativ kann der Strom I durch die Hauptstromleitung des Leistungsbauteils 5 ebenfalls gemessen werden.
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Da die Messung der Spannung in Echtzeit erfolgt, erfolgt auch die Ermittlung des Innenwiderstands in Echtzeit. Aus dem Innenwiderstand kann wiederum nach der Formel PVerlust = RI2 die momentane Verlustleistung PVerlust des Leistungsbauteils 5 ermittelt werden und daraus, insbesondere mithilfe eines entsprechenden Modells, in einem Schritt 300 die momentane Temperatur T des Leistungsbauteils 5.
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In einem Schritt 201 wird gemäß der gezeigten Ausführungsform überprüft, ob der momentane Innenwiderstand R des Leistungsbauteils 5 über einem Schwellenwert RS liegt. Ist dies der Fall, wird eine geeignete Maßnahme ergriffen, insbesondere kann die Steuerungseinrichtung 4 die Regelung der Schaltung 3 derart anpassen, dass das Leistungsbauteil 5 weniger stark belastet wird.
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In einem Schritt 400 wird geprüft, ob die ermittelte Temperatur T des Leistungsbauteils 5 oberhalb eines Schwellenwertes TS liegt. Ist dies der Fall, wird eine geeignete Maßnahme getroffen, beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung 4 die Regelung der Schaltung 3 derart anpassen, dass das Leistungsbauteil 5 entlastet wird.
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Die auf die beschriebene Weise ermittelte Temperatur T kann verglichen werden mit dem Messergebnis des Temperatursensors 8 oder mit einer Modellrechnung, die das Messergebnis des Temperatursensors verwendet. Da die Messung durch den Temperatursensor 8 erheblich träger ist als die Ermittlung der Temperatur in Echtzeit aus dem gemessenen Spannungsabfall am Leistungsbauteil 5, ist nicht zu erwarten, dass beide Verfahren in jedem Zeitpunkt denselben Wert für die Temperatur liefern. Jedoch lassen sich die beiden Vorgehensweisen gegeneinander plausibilisieren, zudem lässt sich ein verwendetes Modell für die Temperaturausbreitung in der Schaltung durch den Vergleich überprüfen.
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Da die beide Verfahren unabhängig voneinander arbeiten, können sie in sicherheitsrelevanten Anwendungen, die eine Redundanz erfordern, auch parallel verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Anordnung
- 3
- Schaltung
- 4
- Steuerungseinrichtung
- 5
- Leistungsbauteil
- 6
- Signalleitung
- 7
- Messanordnung
- 8
- Temperatursensor
- 9
- Signalleitung
- 10
- Traktionsbatterie
- 11
- elektrischer Antrieb
- I
- Strom
- R
- Innenwiderstand
- RS
- Schwellenwert
- T
- Temperatur
- TS.
- Schwellenwert
- U
- Spannungsabfall
- 100
- Schritt
- 200
- Schritt
- 201
- Schritt
- 300
- Schritt
- 400
- Schritt
