WO2021078456A1 - Verfahren zum ermitteln eines volumenstroms eines kühlmittels - Google Patents

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WO2021078456A1
WO2021078456A1 PCT/EP2020/076510 EP2020076510W WO2021078456A1 WO 2021078456 A1 WO2021078456 A1 WO 2021078456A1 EP 2020076510 W EP2020076510 W EP 2020076510W WO 2021078456 A1 WO2021078456 A1 WO 2021078456A1
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coolant
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temperature
volume flow
power
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PCT/EP2020/076510
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Manuel Warwel
Benjamin Mueller
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
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    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
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Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a volume flow of a coolant which is passed through a coolant path for cooling power electronics, such as a converter, as well as a processing unit and a computer program for its implementation.
  • Electrical machines can, in particular when used in a vehicle, in particular a hybrid or electric vehicle, be operated by means of a converter.
  • motor and generator operation are possible here. Due to the heat generated by Ver loss power in the converter, there in particular the semiconductor switching elements or power semiconductors, it is useful to cool such converters by means of a means of cooling, such as water.
  • temperature models can be used for such a converter or general power electronics in order to detect any overheating at an early stage and thus avoid damage, for example by switching the power electronics off or switching to another operating mode.
  • An important input variable for such temperature models is a volumetric flow of the coolant, which in particular is passed through a corresponding coolant path of the power electronics. From DE 102014217299 A1, for example, a possibility is known, even with a varying volume flow of the coolant to determine a temperature of a converter as precisely as possible.
  • the invention relates to a method for determining a volume flow of a coolant that is passed through a coolant path for cooling power electronics, in particular a converter.
  • a power converter can in particular be an inverter or inverter.
  • such a converter typically has semiconductor switching elements, in particular power semiconductors such as MOSFETs or IG-BTs, in order to convert a voltage, for example from a direct voltage into an alternating voltage, and vice versa.
  • the semiconductor switching elements and thus the converter can heat up considerably due to the corresponding power loss, in particular with overall high outputs, i.e. high currents.
  • Such an electrical machine can be used in particular in a vehicle, in particular a hybrid or (pure) electric vehicle.
  • a cooling device or a possibility for cooling is therefore provided in such a converter or generally in power electronics.
  • a heat sink can be used for this, on which the semiconductor switching elements and possibly other relevant components are arranged, and on which a coolant is guided in a coolant path in order to dissipate the heat generated.
  • the coolant can in particular a liquid such as water or a water-glycol mixture.
  • the heat sink can have cooling fins or the like, which are located in the coolant path, in order to be able to dissipate the resulting heat as efficiently as possible.
  • temperature models can be used to detect any overheating at an early stage and thus avoid damage to the power electronics.
  • a temperature model represents a relationship between the temperatures of components along a heat path, e.g. from the coolant via the heat sink to the power electronics.
  • An important input variable for such temperature models is the mass flow or, if the density is essentially constant, the volume flow of the coolant.
  • a temperature of the coolant at an inlet of the coolant path is determined using a temperature sensor.
  • the temperature sensor can in particular be in the coolant flow.
  • a temperature of the coolant at an outlet of the coolant path is determined, which, as will be explained below, is basically possible in various ways, and a power loss of the power electronics is determined.
  • the volume flow is then determined or calculated or estimated. This can in particular take place repeatedly or regularly at certain time intervals.
  • the method is based on a physical approach, according to which the Ge set the thermodynamics according to a heat flow Q of the coolant in
  • Coolant at the end and at the beginning of the coolant path according to the following formula:
  • the mass flow can be represented as the product of the volume flow V and the density of the coolant.
  • the heat flow Q i.e. the heat absorbed by the coolant along the coolant path
  • the volume flow V can be represented by the following formula:
  • the volume flow can be determined for a point in time n as follows:
  • the power loss of the power electronics - and thus the heat flow - can be calculated, for example, on the basis of the current through the semiconductor switching elements (corresponds to a phase current through a phase winding (stator) of the electrical machine) and the voltage drop across the semiconductor switching element (e.g. drain
  • Heat capacity c p and density p are specific parameters of the coolant and as such are usually known or at least easily determinable.
  • coolant at the inlet of the coolant path is determined or measured by means of a corresponding temperature sensor.
  • the temperature of the coolant at the outlet of the coolant path is preferably also determined or measured by means of a (further) temperature sensor at the outlet of the coolant path.
  • the volume flow is determined as a function of at least one previously determined value of the volume flow.
  • a profile of the volume flow can be determined on the basis of values already determined for the volume flow and new values for power loss and temperature difference.
  • a suitable filter for example a delay and / or attenuation element, for example a PT2 element, is also advantageous in order to reduce the influence of certain dynamics that usually occur in practice, ie fluctuations over time, the power loss tion to reduce.
  • Certain restrictions are also useful, such as a limitation of a maximum change in the power dissipation of the power electronics, in particular by the fact that in the event of a change in the power loss compared to a previously determined value of the power loss that is greater than a specified, maximum permissible threshold value , the maximum allowable threshold is used as the change in power dissipation.
  • This procedure is based on the knowledge that in the case of a particularly high jump in the power loss, ie a strong change within a short time, the proposed calculation of the volume flow determines an excessive jump or a strong overshoot.
  • volume flow is determined using at least one previously determined value of the power loss.
  • a mean value of a certain number of the most recently determined values of the power loss (which in particular were not zero) is conceivable, but a suitable extrapolation based on the earlier values is also conceivable.
  • the temperature ture of the outlet of the coolant path is determined as an estimate, with an otherwise determined value of the volume flow then being checked for plausibility on the basis of the determined volume flow.
  • This otherwise determined value can be, for example, the information on the volume flow provided by the control of the coolant pump. In this way, with only one temperature sensor, such a volume flow value determined or present in another way can be checked for plausibility, which overall increases the availability of the power electronics and the security of a corresponding temperature model.
  • the temperature at the outlet can be determined, for example, from a temporal relationship (model) of power loss and several measured sensor temperatures in the half-bridges of the converter, a cooling water temperature and a volume flow. This volume flow can then be checked for plausibility with the value of the volume flow provided by the pump, for example, or vice versa.
  • a computing unit e.g. a control unit of a motor vehicle or a control unit or power electronics of an electrical machine, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
  • Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc.
  • a program can also be downloaded via computer networks (Internet, intranet, etc.).
  • FIG. 2 shows the converter from FIG. 1 in a different representation.
  • FIG. 3 schematically shows a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • a converter 110 embodied by way of example as a B6 bridge is shown schematically as power electronics, in which a process according to the invention can be carried out and which is used to control an electrical machine 100.
  • the converter 110 has two DC voltage connections 131, 132, which are connected in the usual way, in addition to an intermediate circuit capacitor 135 designed as a film capacitor, for example, with six semiconductor switching elements 120, for example MOSFETs or IGBTs.
  • a phase (stator winding) of the electrical machine 100 is connected between each two of the semiconductor switching elements 120.
  • the converter 110 is connected with its DC voltage connections 131, 132 to an on-board network 170, for example in a vehicle.
  • an on-board network 170 for example in a vehicle.
  • further components or loads are typically connected to on-board network 170, but these are not shown here for the sake of clarity.
  • the individual semiconductor switching elements 120 are now controlled in a suitable manner for opening or closing by means of a control circuit or a control unit 150. This follows, for example, with a certain clock frequency. In the case of a conventional control, for example, one switch is always closed and the other is open for each branch. A direct voltage U dc is converted into an alternating voltage, so that a phase current I flows in the phases.
  • a voltage U and a phase current I are determined in the converter, from which a power loss P of the converter or the semiconductor switching elements can be calculated.
  • This power loss P is then - in the context of the proposed method - equated with a heat flow Q of the coolant or used as such.
  • the volume flow V of the coolant is calculated. In particular, this can be done repeatedly at regular time intervals.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Volumenstroms (V̇) eines Kühlmittels, das zur Kühlung einer Leistungselektronik durch einen Kühlmittelpfad verwendet wird, wobei unter Verwendung eines Temperatursensors eine Temperatur (TE) des Kühlmittels an einem Einlass des Kühlmittelpfads ermittelt wird, wobei eine Temperatur (TA) des Kühlmittels an einem Auslass des Kühlmittelpfads ermittelt wird, und wobei eine Verlustleistung (P) der Leistungselektronik ermittelt wird, und wobei basierend auf der Verlustleistung (P), spezifischen Parametern (c p , ρ ) des Kühlmittels und einer Differenz (∆T) der Temperatur (TA) des Kühlmittels am Auslass des Kühlmittelpfads und der Temperatur (TE) des Kühlmittels am Einlass des Kühlmittelpfads der Volumenstrom (V̇) ermittelt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Ermitteln eines Volumenstroms eines Kühlmittels
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Volumen stroms eines Kühlmittels, das zur Kühlung einer Leistungselektronik, wie eines Stromrichters, durch einen Kühlmittelpfad geleitet wird, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm 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.
Außerdem können für einen solchen Stromrichter oder allgemein einer Leis tungselektronik Temperaturmodelle verwendet werden, um etwaige Überhitzun gen frühzeitig zu erkennen und so Schäden zu vermeiden, beispielsweise indem die Leistungselektronik abgeschaltet oder in einen anderen Betriebsmodus ver setzt wird.
Eine wichtige Eingangsgröße für solche Temperaturmodelle ist dabei ein Volu menstrom des Kühlmittels, das insbesondere durch einen entsprechenden Kühl mittelpfad der Leistungselektronik geleitet wird. Aus der DE 102014217299 A1 ist beispielsweise eine Möglichkeit bekannt, auch bei einem variierenden Volu- menstrom des Kühlmittels eine Temperatur eines Stromrichters möglichst genau zu ermitteln.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln eines Volumenstroms ei nes Kühlmittels sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu des sen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor geschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Volumenstroms eines Kühlmittels, das zur Kühlung einer Leistungselektronik, insbesondere eines Stromrichters, durch einen Kühlmittelpfad geleitet wird. Bei einem solchen Strom richter kann es sich insbesondere um einen Wechselrichter bzw. Inverter han deln. Wie schon erwähnt, weist ein solcher Stromrichter typischerweise Halb leiterschaltelemente, insbesondere Leistungshalbleiter wie MOSFETs oder IG- BTs 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 Stromrich ters selbst kann es insbesondere bei insgesamt hohen Leistungen, d.h. hohen Strömen, zu starker Erwärmung der Halbleiterschaltelemente 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.
Wie eingangs schon erwähnt, können Temperaturmodelle verwendet werden, um etwaige Überhitzungen frühzeitig zu erkennen und so Schäden an der Leis tungselektronik zu vermeiden. Ein Temperaturmodell stellt insbesondere einen Zusammenhang zwischen Temperaturen von Komponenten entlang eines Wär mepfades dar, also z.B. vom Kühlmittel über den Kühlkörper zur Leistungselekt ronik. Eine wichtige Eingangsgröße für solche Temperaturmodelle ist dabei der Massenstrom bzw. bei im Wesentlichen konstanter Dichte der Volumenstrom des Kühlmittels.
Eine Genauigkeit eines solchen Temperaturmodells bzw. der damit berechneten Werte hängt dabei mitunter sehr stark von der Genauigkeit des Volumenstroms bzw. eines hierfür verfügbaren Werts ab. Während die Genauigkeit für einen konstanten oder maximal möglichen Volumenstrom in der Regel ausreichend ist, kann es - wie sich herausgestellt hat - bei variablem Volumenstrom des Kühlmit tels, was durch entsprechende Ansteuerung einer geeigneten Kühlmittelpumpe ermöglicht wird, Probleme mit dieser Genauigkeit geben.
Zwar kann von einer entsprechenden Steuerung der Kühlmittelpumpe ein Signal bzw. eine Information zum aktuellen Volumenstrom des Kühlmittels erhalten und in einer entsprechenden Recheneinheit für die Leistungselektronik eingelesen werden. Allerdings ist auch hier mitunter die Genauigkeit nicht ausreichend, oder aber nur zeitlich verzögert vorhanden.
Damit müsste, um auch bei eigentlich nicht ausreichender Genauigkeit eines sol chen Signals bzw. einer solchen Information zum Volumenstrom des Kühlmittels entsprechende Maßnahmen vor bzw. bei Überhitzung treffen zu können, der Vo lumenstrom in der Regel höher als eigentlich nötig eingestellt werden, um etwai ge Toleranzen abfangen zu können. Dies führt zu unnötig hohem Energiever brauch. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun unter Verwendung eines Tempera tursensors eine Temperatur des Kühlmittels an einem Einlass des Kühlmittel pfads ermittelt wird. Der Temperatursensor kann hierbei insbesondere im Kühl mittelstrom liegen. Zudem wird eine Temperatur des Kühlmittels an einem Aus lass des Kühlmittelpfads ermittelt, was, wie nachfolgend noch erläutert, grund sätzlich auf verschiedene Arten möglich ist, und es wird eine Verlustleistung der Leistungselektronik ermittelt. Basierend auf der Verlustleistung, spezifischen Pa rametern des Kühlmittels und einer Differenz der Temperatur des Kühlmittels am Auslass des Kühlmittelpfads und der Temperatur des Kühlmittels am Einlass des Kühlmittelpfads wird dann der Volumenstrom ermittelt bzw. berechnet oder ge schätzt. Dies kann insbesondere wiederholt bzw. regelmäßig in bestimmten zeit lichen Abständen erfolgen.
Das Verfahren beruht dabei auf einem physikalischen Ansatz, wonach den Ge setzen der Thermodynamik zufolge ein Wärmestrom Q des Kühlmittels im
Kühlmittelpfad sich aus dem Massenstrom m des Kühlmittels, der spezifischen Wärmekapazität cp des Kühlmittels und der Differenz AT der Temperaturen des
Kühlmittels am Ende und am Anfang des Kühlmittelpfads gemäß folgender For mel ergibt:
Q ^ = m-c P AT .
Der Massenstrom lässt sich dabei als Produkt des Volumenstroms V und der Dichte des Kühlmittels darstellen. Unter der Annahme bzw. der Näherung, dass der Wärmestrom Q , also die vom Kühlmittel entlang des Kühlmittelpfads aufgenommene Wärme, der Verlustleistung der Leistungselektronik, insbesonde re deren Halbleiterschaltelementen, entspricht, kann der Volumenstrom V durch folgenden Formel dargestellt werden:
Figure imgf000006_0001
Für den Fall wiederholter Berechnung bzw. Ermittlung des Volumenstroms zu verschiedenen Zeitpunkten kann für einen Zeitpunkt n der Volumenstrom ent sprechend wie folgt ermittelt werden:
Figure imgf000007_0001
Die Verlustleistung der Leistungselektronik - und damit der Wärmestrom - kann beispielsweise anhand des Stroms durch die Halbleiterschaltelemente (entspricht einem Phasenstrom durch eine Phasenwicklung (Ständer) der elektrischen Ma schine) und der am Halbleiterschaltelement abfallenden Spannung (z.B. Drain-
Source-Spannung, VDS oder, bei IGBTs, der Collector-Emitter-Spannung, VCE) ermittelt bzw. berechnet werden. Wärmekapazität cp und Dichte p sind spezifi sche Parameter des Kühlmittels und als solche in der Regel bekannt oder zu mindest einfach bestimmbar.
Die Temperaturdifferenz AT entspricht der Differenz der Temperatur TA des Kühlmittels am Auslass des Kühlmittelpfads und der Temperatur^ des Kühlmit tels am Einlass des Kühlmittelpfads, d.h. AT = TA -TE. Die Temperatur des
Kühlmittels am Einlass des Kühlmittelpfads wird, wie erwähnt, mittels eines ent sprechenden Temperatursensors ermittelt bzw. gemessen. Die Temperatur des Kühlmittels am Auslass des Kühlmittelpfads wird bevorzugt ebenfalls mittels ei nes (weiteren) Temperatursensors am Auslass des Kühlmittelpfads ermittelt bzw. gemessen.
Bevorzugt ist es, wenn der Volumenstrom in Abhängigkeit von wenigstens einem früher ermittelten Wert des Volumenstroms ermittelt wird. Es kann also insbe sondere anhand bereits ermittelter Werte des Volumenstroms und neuer Werte für Verlustleistung und Temperaturdifferenz ein Verlauf des Volumenstroms er mittelt werden. Von Vorteil ist dabei auch die Verwendung bzw. Anwendung ei nes geeigneten Filters, z.B. eines Verzögerungs- und oder Dämpfungsglieds, beispielsweise ein PT2-Glied, um einen Einfluss einer gewissen, in der Praxis in der Regel auftretenden Dynamik, d.h. zeitlichen Schwankung, der Verlustleis tung, zu reduzieren. Zweckmäßig sind dabei auch gewisse Einschränkungen, wie z.B. eine Be schränkung einer maximal zu berücksichtigen Änderung der Verlustleistung der Leistungselektronik, insbesondere dadurch, dass im Falle einer Veränderung der Verlustleistung gegenüber einem früher ermittelten Wert der Verlustleistung, die größer als ein vorgegebener, maximal zulässiger Schwellwert ist, der maximal zulässige Schwellwert als die Veränderung der Verlustleistung verwendet wird. Diesem Vorgehen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem besonders ho hen Sprung der Verlustleistung, d.h. einer starken Änderung innerhalb kurzer Zeit, bei der vorgeschlagenen Berechnung des Volumenstroms ein zu hoher Sprung bzw. ein starkes Überschwingen ermittelt wird. Dies liegt darin begründet, dass in der Realität bei einem hohen Sprung der Verlustleistung (beispielsweise aufgrund kurzfristig nötiger, hoher Leistung der elektrischen Maschine) die ent stehende Wärme nicht unmittelbar auf das Kühlmittel übertragen wird, vielmehr ist eine gewisse Zeit nötig, bis sich der Wärmefluss entsprechend anpasst bzw. einstellt. Durch die vorgeschlagene Begrenzung auf einen geeigneten, maxima len Wert kann dieses reale Verhalten besonders gut nachgebildet werden.
Eine andere bevorzugt Einschränkung ist, dass bei der Ermittlung des Volumen stroms im Falle einer nichtvorhandenen Verlustleistung (wenn die Leistungselekt ronik beispielsweise kurzzeitig nicht verwendet oder betrieben wird) der Volu menstrom anhand wenigstens eines früher ermittelten Wertes der Verlustleistung ermittelt wird. Denkbar ist hierbei ein Mittelwert einer bestimmten Anzahl der zu letzt ermittelten Werte der Verlustleistung (die insbesondere nicht Null waren), denkbar ist aber auch eine geeignete Extrapolation ausgehend von den früheren Werten. Wie der obigen Formel zu entnehmen ist, ist auch im Falle einer nicht vorhandenen Verlustleistung eine Berechnung des Volumenstroms nicht möglich bzw. dieser wäre Null. Auch hier führt in der Realität eine plötzlich ausbleibende Verlustleistung nicht unmittelbar zu einem Ausbleiben eines Wärmestroms.
Durch das vorgeschlagene Vorgehen kann aber auch dies besonders gut nach gebildet werden.
Alternativ zur Verwendung des Temperatursensors zur Ermittlung der Tempera tur des Auslasses des Kühlmittelpfads ist es auch bevorzugt, wenn die Tempera- tur des Auslasses des Kühlmittelpfads als Schätzung ermittelt wird, wobei dann anhand des ermittelten Volumenstroms ein anderweitig ermittelter Wert des Vo lumenstroms plausibilisiert wird. Bei diesem anderweitig ermittelten Wert kann es sich beispielsweise um die von der Steuerung der Kühlmittelpumpe bereitgestell te Information zum Volumenstrom handeln. Auf diese Weise kann mit nur einem Temperatursensor immerhin ein solcher, anderweitig ermittelter bzw. vorhande ner Volumenstromwert plausibilisiert werden, was insgesamt die Verfügbarkeit der Leistungselektronik und die Sicherheit eines entsprechenden Temperatur modells erhöht.
Die Temperatur am Auslass können beispielsweise aus einem zeitlichen Zu sammenhang (Modell) aus Verlustleistung und mehreren gemessenen Sensor temperaturen in den Halbbrücken des Stromrichters eine Kühlwassertemperatur sowie ein Volumenstrom bestimmt werden. Dieser Volumenstrom kann dann bei spielsweise mit dem durch die Pumpe bereitgestellten Wert des Volumenstroms plausibilisiert werden oder umgekehrt.
Hierbei sein angemerkt, dass auch bei Verwendung des Temperatursensors zur Ermittlung der Temperatur des Auslasses des Kühlmittelpfads auch oder nur eine solche Plausibilisierung eines anderweitig ermittelten Werts des Volumenstroms vorgenommen werden kann. Weiterhin sei angemerkt, dass anstelle des Tempe ratursensors am Einlass auch nur der Temperatursensor am Auslass verwendet werden kann, die Temperatur des Kühlmittels am Einlass würde dann entspre chend geschätzt.
Neben den Temperatursensoren am Einlass und ggf. am Auslass des Kühlmit telpfads können aber auch noch andere Temperatursensoren im Kühlmittelpfad und/oder in der Nähe der Halbleiterschaltelemente verwendet werden, um die Ermittlung der Temperatur und damit die Schätzung des Volumenstroms zu ver bessern.
Andere Temperatursensoren beispielsweise in der Nähe des Zwischenkreiskon densators oder in anderen Komponenten desselben Kühlkreises beispielsweise des Stromrichters bzw. DC-DC-Wandlers können unter Berücksichtigung des zeitlichen Verhaltens zwischen Leistungshalbleitern und Kühlwassertemperatur an den genannten Komponenten als Referenztemperatur dienen. Der zeitliche Versatz zwischen der Einprägung einer Temperaturspitze durch die Leistungs elektronik und der Messung dieser Spitze in einer im Kühlkanal nachgelagerten Komponente lässt auf die Flussgeschwindigkeit schließen.
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.
Figur 4 zeigt Vergleiche zwischen erfindungsgemäßen Verfahren in bevorzugten Ausführungsformen und Vergleichsmessungen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist schematisch ein beispielhaft als B6-Brücke ausgebildeter Stromrich ter 110 als Leistungselektronik dargestellt, bei dem ein erfindungsgemäßes Ver fahren 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 Udc 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.
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.
Weiterhin sind sowohl am Einlass 162 als auch am Auslass 163 jeweils ein Tem peratursensor 181 bzw. 182 angebracht, womit eine Temperatur des Kühlmittels 180 am Einlass 162 bzw. am Auslass 163 gemessen werden kann. Weitere Temperatursensoren 183 können an den Halbleiterschaltelementen 120 vorge sehen sein. In Figur 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in ei ner bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Zunächst werden hierbei eine Temperatur TE des Kühlmittels am Einlass des Kühlmittelpfads und eine Tempe ratur TA des Kühlmittels am Auslass des Kühlmittelpfads ermittelt. Hierzu können die Temperatursensoren 181 bzw. 182 gemäß Figur 2 verwendet werden. Aus diesen beiden Temperaturen wird dann eine Differenz AT gebildet.
Zudem werden eine Spannung U und ein Phasenstrom I im Stromrichter ermittelt woraus eine Verlustleistung P des Stromrichters bzw. der Halbleiterschaltele mente berechnet werden kann. Diese Verlustleistung P wird dann - im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens - mit einem Wärmestrom Q des Kühlmittels gleichgesetzt bzw. als solche verwendet.
Weiter wird nun unter Berücksichtigung der spezifischen Wärmekapazität cp und der Dichte p des Kühlmittels gemäß vorstehend schon erwähnter Formel
Figure imgf000013_0001
der Volumenstrom V des Kühlmittels berechnet. Dies kann insbesondere wie derholt in regelmäßigen zeitlichen Abständen erfolgen. Dabei können insbeson dere auch die beiden erwähnten Einschränkungen, nämlich ein ggf. überschritte ner maximal zulässiger Schwellwert für eine Änderung APmax der Verlustleistung und eine Prüfung, ob die Verlustleistung vorhanden bzw. ggf. Null ist, d.h. ob P=0 gilt, verwendet werden.
Auf diese Weise kann durch die Verwendung von nur zwei Temperatursensoren eine besonders gute Schätzung des aktuellen Volumenstroms des Kühlmittels vorgenommen werden. Gewünschtenfalls können auch noch weitere Tempera tursensoren verwendet werden, wie oben erwähnt.
Für den Fall nur eines Temperatursensors am Einlass des Kühlmittelfpfads kann die Temperatur des Kühlmittels am Auslass auch geschätzt werden, wie oben erwähnt. Dann kann zumindest eine Plausibilisierung eines anderen Werts V' des Volumenstroms, der beispielsweise von einer Kühlmittelpumpe 300 oder de ren Steuerung als Signal ausgegeben wird, erfolgen. In Figur 4 sind Vergleiche zwischen erfindungsgemäßen Verfahren in bevorzug ten Ausführungsformen und Vergleichsmessungen dargestellt. Hierzu ist jeweils ein Volumenstrom V in l/min über der Zeit t in Sekunden aufgetragen.
Im oberen Diagramm ist, für einen mittleren, vergleichswiese hohen Volumen- ström von 8 l/min, eine Messung des Volumenstroms als V dargestellt, der zu gehörige, mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens ermittelte Volumen strom mit V2. Wie anhand eines Vergleichs beider Verläufe zu sehen ist, kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren der tatsächliche Volumenstrom - mit Aus nahme eines Anfangs, bei dem noch keine früheren Werte vorliegen - sehr gut ermittelt werden.
Im unteren Diagramm ist, für einen mittleren, vergleichswiese niedrigen Volu menstrom von 1,5 l/min, eine Messung des Volumenstroms als V3 dargestellt, der zugehörige, mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens ermittelte Vo- lumenstrom mit 4. Wie anhand eines Vergleichs beider Verläufe zu sehen ist, kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren der tatsächliche Volumenstrom - mit Ausnahme eines Anfangs, bei dem noch keine früheren Werte vorliegen - noch hinreichend gut ermittelt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln eines Volumenstroms (V) eines Kühlmittels (180), das zur Kühlung einer Leistungselektronik (110) durch einen Kühlmittelpfad (164) geleitet wird, wobei unter Verwendung eines Temperatursensors (181) eine Tempera tur (TE) des Kühlmittels an einem Einlass (162) des Kühlmittelpfads ermittelt wird, wobei eine Temperatur (TA) des Kühlmittels an einem Auslass (163) des Kühlmittelpfads ermittelt wird, und wobei eine Verlustleistung (P) der Leistungselektronik ermittelt wird, und wobei basierend auf der Verlustleistung (P), spezifischen Parametern ( cp , p ) des Kühlmittels und einer Differenz (DT) der Temperatur (TA) des
Kühlmittels am Auslass des Kühlmittelpfads und der Temperatur (TE) des Kühlmittels am Einlass des Kühlmittelpfads der Volumenstrom ( V ) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Temperatur (TA) des Kühlmittels am Auslass (163) des Kühlmittelpfads unter Verwendung eines Temperatur sensors (182) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Temperatur (TA) des Kühlmittels am Auslass (163) des Kühlmittelpfads als Schätzung ermittelt wird, und wobei anhand des ermittelten Volumenstroms ein anderweitig ermittelter Wert (V1) des Volumenstroms plausibilisiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verlustleis tung (P) der Leistungselektronik als Verlustleistung von Halbleiterschaltele menten (120) der Leistungselektronik (110), insbesondere anhand von Strom (I) und Spannung (U), ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Volumen strom (V) weiterhin in Abhängigkeit von wenigstens einem früher ermittelten Wert des Volumenstroms (V) ermittelt wird
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei der Ermittlung des Volumenstroms (V ) im Falle einer Veränderung der Verlustleistung gegenüber einem früher ermittelten Wert der Verlustleistung, die größer als ein vorgegebener, maxi mal zulässiger Schwellwert (APmax) ist, der maximal zulässige Schwelleert als die Veränderung der Verlustleistung verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei bei der Ermittlung des Volumen stroms ( V ) im Falle einer nichtvorhandenen Verlustleistung ein anhand we nigstens eines früher ermittelten Wertes der Verlustleistung ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein flüssiges Kühlmittel (180), insbesondere aufweisend Wasser, verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der ermittelte Vo lumenstrom (V) als Eingangsgröße für ein Temperaturmodell der Leis tungselektronik (110) verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Temperatur der Leistungselektronik (110) ermittelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Leistungselektronik (110) in Abhän gigkeit von der Temperatur betrieben wird.
12. Recheneinheit (140), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
13. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (140) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (140) ausgeführt wird.
14. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Com puterprogramm nach Anspruch 13.
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