WO2023247269A1 - Method for operating a circuit comprising at least one power component - Google Patents

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WO2023247269A1
WO2023247269A1 PCT/EP2023/065804 EP2023065804W WO2023247269A1 WO 2023247269 A1 WO2023247269 A1 WO 2023247269A1 EP 2023065804 W EP2023065804 W EP 2023065804W WO 2023247269 A1 WO2023247269 A1 WO 2023247269A1
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power
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
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    • H03K2017/0806—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage against excessive temperature

Definitions

  • Knowing the current load on individual components as accurately as possible is therefore advantageous for optimized operation of a circuit.
  • Knowledge about the aging status of individual components is also advantageous, especially for the operational reliability of the circuit.
  • a method for operating a circuit that has at least one power component comprises measuring a voltage drop across the at least one power component and determining a current internal resistance of the power component from the measured voltage drop. Furthermore, the method includes determining an instantaneous power loss of the power component from the determined instantaneous internal resistance and determining a current temperature of the power component from the determined instantaneous power loss.
  • the “current internal resistance” is in particular the internal resistance at the time the voltage drop is measured.
  • the voltage drop is in particular the difference between the electrical potential on the input side and the output side.
  • a switching power component such as a contactor with a main power line for the power to be switched and a control line
  • the voltage drop is measured in a switching power component, in particular when the main power contact is closed.
  • the process therefore does not measure temperature directly.
  • the heat currently generated on the power component itself and thus also on the Temperature of the power component itself can be inferred. Since the voltage drop can be measured highly dynamically and therefore the instantaneous power loss can also be determined highly dynamically, it is possible to determine the temperature of the power component with a very high temporal resolution.
  • the method therefore has the advantage that it enables the temperature of the at least one power component to be monitored practically in real time. It is therefore possible to regulate the circuit in order to achieve optimal utilization of all components.
  • this improves the absolute accuracy of the temperature determination on the power component, since the conclusion from the measured voltage drop about the current temperature of the power component is made more directly and possibly incomplete modeling can be partially dispensed with.
  • the dynamic accuracy of the temperature determination is also improved, since measurements can be carried out directly at the location of the power component and the voltage drop can be measured with high temporal resolution.
  • it is determined whether the current temperature of the power component exceeds a threshold value TS.
  • the threshold value TS is chosen in particular so that operation of the power component is still safe at a temperature TS.
  • a suitable measure can be taken, in particular the increased temperature of the power component can be taken into account when operating the circuit and the operation of the circuit can be adjusted in such a way that the power component is relieved.
  • the load on the power component is reduced when the current temperature exceeds the threshold value TS.
  • the method determines whether the instantaneous internal resistance of the power component exceeds a threshold value RS. Since the internal resistance of the power component is an indicator of its state of health, monitoring the current internal resistance can be used to determine whether there are problems with the power component, i.e. whether it is damaged, defective or severely aged, for example. If it is determined that the instantaneous internal resistance of the power component exceeds the threshold RS, appropriate measures can be taken. These can, for example, consist of suitable operation of the circuit or the output of an alarm or an error message.
  • the power component can be designed, for example, as a contactor, shunt, electronic fuse or pyrotechnic fuse. This can be a power semiconductor component or, for example, an electromechanical component.
  • the determined instantaneous temperature is compared with a temperature of the power component, which is determined by means of a temperature measurement was determined at a point of the circuit spaced from the power component using a heat transfer model.
  • a direct temperature measurement is carried out on the circuit, but not directly on the power component itself, for example because it is inaccessible, but at a point in the circuit that is affected by the power component.
  • the temperature of the power component itself is then determined from the measured temperature using a heat transfer model. This temperature can be compared with the current temperature determined from the current internal resistance of the power component in order to check the plausibility of both measurements.
  • the determined instantaneous internal resistance and/or the determined instantaneous temperature of the power component are used to monitor an aging state of the power component.
  • determined values for the current internal resistance and/or the current temperature of the power component are stored in order to be able to evaluate their development over time.
  • This approach has the advantage that the aging condition of the power component can be monitored in great detail, in real time and on a component-specific basis.
  • an arrangement comprising a circuit with at least one power component and a control device is specified, wherein the control device comprises a memory in which program code is stored, which causes the control device to carry out the described methods when the program code is executed.
  • the arrangement with the circuit can be used advantageously, particularly in vehicle technology in the electric drive train of electric or hybrid vehicles, for example in a so-called battery junction box.
  • a battery junction box is understood to mean, in particular, an electronic circuit arrangement - in some embodiments, a separately housed electronic circuit arrangement - which is designed to provide the electrical connection - in particular the high-voltage connection - between a traction battery of a hybrid vehicle or battery-electric vehicle and the one connected to the traction battery consumers - for example an electric drive - to establish and interrupt.
  • a computer program product comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause it to carry out the method described.
  • the method and the circuit enable maximum operational reliability and operational availability of the circuit while at the same time optimizing system costs. This is achieved in particular by the fact that the temperature monitoring takes place in real time and on a component-specific basis and requires less extensive modeling than is known from the prior art. In particular, the component-specific determination of the temperature makes it possible to optimally load and utilize the power component.
  • Figure 1 shows an electrically driven vehicle with an arrangement according to an embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a flowchart of a method for operating the arrangement according to Figure 1.
  • Figure 1 shows a highly schematic representation of an electrically powered vehicle 1, for example a hybrid vehicle or a purely electrically powered vehicle.
  • the vehicle 1 has an arrangement 2 with at least one circuit 3 and a control device 4 for controlling or regulating the circuit 3, which is symbolized by the fact that the circuit 3 is connected to the control device 4 through a signal line 6.
  • the arrangement 2 can be an electric drive train of the vehicle 1 or just a part of it.
  • it is a battery junction box.
  • the circuit 3 has at least one power component 5, for example a power semiconductor component, which heats up during operation due to heat loss.
  • the power component 5 is a contactor which can be controlled as a control line by means of the signal line 6 in order to establish and interrupt the high-voltage connection between a traction battery 10 and an electric drive 11 of the electrically driven vehicle 1 via its main power line.
  • the circuit 3 also has a measuring arrangement 7, for example a measuring circuit, in order to measure the voltage drop U across the power component 5 during operation.
  • the measuring circuit can have a shunt, for example.
  • the potential difference between the input-side and the output-side electrical potential of the power semiconductor component 5 can be measured as a voltage drop U by means of the measuring circuit.
  • the voltage difference between the battery-side and the consumer-side voltage at the contactor can be measured.
  • the voltage drop U across the power component 5 is measured at small time intervals depending on the operating mode of the circuit 3 and evaluated by the control device 4 or an external unit. The evaluation is described in more detail below using Figure 2.
  • FIG. 1 also shows a temperature sensor 8, which is also within the
  • Arrangement 2 is arranged and which is connected to the control device 4 via a Signal line 9 is connected.
  • the temperature sensor 8 measures the temperature of the circuit 3 at a point that is spaced from the power component 5, so that the temperature sensor 8 does not directly deliver the temperature of the power component 5.
  • Figure 2 shows a method according to an embodiment of the invention using a flow chart.
  • the method which can be carried out in particular in a computer-implemented manner by the control device 4 according to FIG. Since the current I at the power component 5 is typically known, the internal resistance R of the power component 5 can be determined from this in a step 200. Alternatively, the current I through the main power line of the power component 5 can also be measured.
  • a step 201 it is checked whether the current internal resistance R of the power component 5 is above a threshold value RS. If this is the case, a suitable measure is taken, in particular the control device 4 can adapt the regulation of the circuit 3 in such a way that the power component 5 is loaded less.
  • a step 400 it is checked whether the determined temperature T of the power component 5 is above a threshold value TS. If this is the case, an appropriate measure will be taken, for example: Control device 4 adapts the regulation of circuit 3 in such a way that the power component 5 is relieved.
  • the temperature T determined in the manner described can be compared with the measurement result of the temperature sensor 8 or with a model calculation that uses the measurement result of the temperature sensor. Since the measurement by the temperature sensor 8 is considerably slower than determining the temperature in real time from the measured voltage drop across the power component 5, it cannot be expected that both methods deliver the same value for the temperature at every point in time. However, the two approaches can be checked against each other for plausibility, and a model used for the temperature propagation in the circuit can also be checked by comparison.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a circuit (3) comprising at least one power component (5), the method comprising the following steps: - measuring a voltage drop at the at least one power component (5); - determining a current internal resistance of the power component (5) from the measured voltage drop, - determining a current power loss of the power component (5) from the determined current internal resistance, and - determining a current temperature of the power component (5) from the determined current power loss.

Description

Beschreibung Description
Verfahren zum Betreiben einer Schaltung umfassend zumindest ein Leistungsbauteil Method for operating a circuit comprising at least one power component
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. In complex circuits that include at least one, typically several, power components, temperature operating limits of the individual components must be taken into account. Due to often high power losses, for example when switching high currents, individual components of the circuit can heat up significantly. The circuit can be operated with bottleneck-oriented optimization in such a way that, if possible, all components of the circuit are loaded evenly and not one component, as the weakest link, is permanently heavily loaded. This is particularly important in safety-relevant circuits, for example in the electric drive train of a vehicle.
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. Knowing the current load on individual components as accurately as possible is therefore advantageous for optimized operation of a circuit. Knowledge about the aging status of individual components is also advantageous, especially for the operational reliability of the circuit.
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. However, direct temperature measurement can only be carried out exactly where temperature peaks occur in the rarest of cases. Such hotspots are often inaccessible. It is therefore common to measure the temperature in an accessible location and use models to infer temperatures in the area of hotspots.
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. 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. However, this approach has various disadvantages. On the one hand, it is sluggish and cannot reproduce rapid temporal changes in the hotspot temperature well. In addition, indirect temperature measurement is subject to uncertainties; in particular, it is questionable how well the model used depicts the heat transfer processes within the circuit. Highly dynamic control is hardly possible with such an approach. It is therefore an object of the present invention to provide a method for operating a circuit comprising at least one power component, with which the current temperature of the power component can be determined particularly reliably and at the same time dynamically.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. This task is solved by the subject matter of the independent claim. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the subclaims.
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. According to one aspect of the invention, a method for operating a circuit that has at least one power component is specified, wherein the method comprises measuring a voltage drop across the at least one power component and determining a current internal resistance of the power component from the measured voltage drop. Furthermore, the method includes determining an instantaneous power loss of the power component from the determined instantaneous internal resistance and determining a current temperature of the power component from the determined instantaneous power loss.
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. The “current internal resistance” is in particular the internal resistance at the time the voltage drop is measured. The voltage drop is in particular the difference between the electrical potential on the input side and the output side. In the case of a switching power component such as a contactor with a main power line for the power to be switched and a control line, it is expedient in particular to measure the potential difference of the main power line of the power component. The voltage drop is measured in a switching power component, in particular when the main power contact is closed.
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. The process therefore does not measure temperature directly. However, by determining the current power loss of the power component, the heat currently generated on the power component itself and thus also on the Temperature of the power component itself can be inferred. Since the voltage drop can be measured highly dynamically and therefore the instantaneous power loss can also be determined highly dynamically, it is possible to determine the temperature of the power component with a very high temporal resolution.
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. The method therefore has the advantage that it enables the temperature of the at least one power component to be monitored practically in real time. It is therefore possible to regulate the circuit in order to achieve optimal utilization of all components.
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. If a model were instead used to extrapolate the temperature of the power component from a temperature measured at a distance from the power component, various assumptions relating to the circuit and the power component must be made, which particularly concern heat transfer. For safety reasons, the approach is typically conservative and the temperature of the power component is typically overestimated, which can lead to inadequate utilization of the power component and thus the circuit. A component-specific determination of the instantaneous temperature or the instantaneous internal resistance, as in accordance with the present invention, does not have this disadvantage. This disadvantage would also arise in particular if the hotspot determination of a power-conducting component completely dispenses with a temperature measurement and is based solely on a data-based or physical model, for example.
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. 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. On the one hand, this improves the absolute accuracy of the temperature determination on the power component, since the conclusion from the measured voltage drop about the current temperature of the power component is made more directly and possibly incomplete modeling can be partially dispensed with. On the other hand, the dynamic accuracy of the temperature determination is also improved, since measurements can be carried out directly at the location of the power component and the voltage drop can be measured with high temporal resolution. According to one embodiment, it is determined whether the current temperature of the power component exceeds a threshold value TS. The threshold value TS is chosen in particular so that operation of the power component is still safe at a temperature TS. If the current temperature of the power component exceeds the threshold value TS, a suitable measure can be taken, in particular the increased temperature of the power component can be taken into account when operating the circuit and the operation of the circuit can be adjusted in such a way that the power component is relieved.
Somit wird gemäß einer Ausführungsform die Belastung des Leistungsbauteils reduziert, wenn die momentane Temperatur den Schwellenwert TS überschreitet. Thus, according to one embodiment, the load on the power component is reduced when the current temperature exceeds the threshold value TS.
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. According to one embodiment, the method determines whether the instantaneous internal resistance of the power component exceeds a threshold value RS. Since the internal resistance of the power component is an indicator of its state of health, monitoring the current internal resistance can be used to determine whether there are problems with the power component, i.e. whether it is damaged, defective or severely aged, for example. If it is determined that the instantaneous internal resistance of the power component exceeds the threshold RS, appropriate measures can be taken. These can, for example, consist of suitable operation of the circuit or the output of an alarm or an error message.
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. The power component can be designed, for example, as a contactor, shunt, electronic fuse or pyrotechnic fuse. This can be a power semiconductor component or, for example, an electromechanical component.
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. According to one embodiment, the determined instantaneous temperature is compared with a temperature of the power component, which is determined by means of a temperature measurement was determined at a point of the circuit spaced from the power component using a heat transfer model.
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. In this embodiment, as is known from the prior art, a direct temperature measurement is carried out on the circuit, but not directly on the power component itself, for example because it is inaccessible, but at a point in the circuit that is affected by the power component. The temperature of the power component itself is then determined from the measured temperature using a heat transfer model. This temperature can be compared with the current temperature determined from the current internal resistance of the power component in order to check the plausibility of both measurements.
Insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen, die eine Redundanz erfordern, ist dies vorteilhaft, zumal beide Wege der Temperaturermittlung unabhängig voneinander sind. This is particularly advantageous in safety-relevant applications that require redundancy, especially since both methods of temperature determination are independent of one another.
Gemäß einer Ausführungsform werden der ermittelte momentane Innenwiderstand und/oder die ermittelte momentane Temperatur des Leistungsbauteils verwendet, um einen Alterungszustand des Leistungsbauteils zu überwachen. According to one embodiment, the determined instantaneous internal resistance and/or the determined instantaneous temperature of the power component are used to monitor an aging state of the power component.
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. In this embodiment, determined values for the current internal resistance and/or the current temperature of the power component are stored in order to be able to evaluate their development over time. This approach has the advantage that the aging condition of the power component can be monitored in great detail, in real time and on a component-specific basis.
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. 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 gehauste 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. According to one aspect of the invention, an arrangement comprising a circuit with at least one power component and a control device is specified, wherein the control device comprises a memory in which program code is stored, which causes the control device to carry out the described methods when the program code is executed. The arrangement with the circuit can be used advantageously, particularly in vehicle technology in the electric drive train of electric or hybrid vehicles, for example in a so-called battery junction box. A battery junction box is understood to mean, in particular, an electronic circuit arrangement - in some embodiments, a separately housed electronic circuit arrangement - which is designed to provide the electrical connection - in particular the high-voltage connection - between a traction battery of a hybrid vehicle or battery-electric vehicle and the one connected to the traction battery consumers - for example an electric drive - to establish and interrupt.
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. According to a further aspect of the invention, a computer program product is provided comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause it to carry out the method described.
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. The method and the circuit enable maximum operational reliability and operational availability of the circuit while at the same time optimizing system costs. This is achieved in particular by the fact that the temperature monitoring takes place in real time and on a component-specific basis and requires less extensive modeling than is known from the prior art. In particular, the component-specific determination of the temperature makes it possible to optimally load and utilize the power component.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Embodiments of the invention are described below by way of example using schematic drawings.
Figur 1 zeigt ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und Figure 1 shows an electrically driven vehicle with an arrangement according to an embodiment of the invention and
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Anordnung gemäß Figur 1 . Figur 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. Figure 2 shows a flowchart of a method for operating the arrangement according to Figure 1. Figure 1 shows a highly schematic representation of an electrically powered vehicle 1, for example a hybrid vehicle or a purely electrically powered vehicle. The vehicle 1 has an arrangement 2 with at least one circuit 3 and a control device 4 for controlling or regulating the circuit 3, which is symbolized by the fact that the circuit 3 is connected to the control device 4 through a signal line 6. For example, the arrangement 2 can be an electric drive train of the vehicle 1 or just a part of it. For example, it is a battery junction box.
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. The circuit 3 has at least one power component 5, for example a power semiconductor component, which heats up during operation due to heat loss. In the present exemplary embodiment, the power component 5 is a contactor which can be controlled as a control line by means of the signal line 6 in order to establish and interrupt the high-voltage connection between a traction battery 10 and an electric drive 11 of the electrically driven vehicle 1 via its main power line.
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 Figur 2 näher beschrieben. The circuit 3 also has a measuring arrangement 7, for example a measuring circuit, in order to measure the voltage drop U across the power component 5 during operation. The measuring circuit can have a shunt, for example. In particular, the potential difference between the input-side and the output-side electrical potential of the power semiconductor component 5 can be measured as a voltage drop U by means of the measuring circuit. In particular, the voltage difference between the battery-side and the consumer-side voltage at the contactor can be measured. The voltage drop U across the power component 5 is measured at small time intervals depending on the operating mode of the circuit 3 and evaluated by the control device 4 or an external unit. The evaluation is described in more detail below using Figure 2.
Figur 1 zeigt ferner einen Temperatursensor 8, der ebenfalls innerhalb derFigure 1 also shows a temperature sensor 8, which is also within the
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. Arrangement 2 is arranged and which is connected to the control device 4 via a Signal line 9 is connected. The temperature sensor 8 measures the temperature of the circuit 3 at a point that is spaced from the power component 5, so that the temperature sensor 8 does not directly deliver the temperature of the power component 5.
Figur 2 zeigt anhand eines Ablaufdiagrammes ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Verfahren, das insbesondere computerimplementiert durch die Steuerungseinrichtung 4 gemäß Figur 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. Figure 2 shows a method according to an embodiment of the invention using a flow chart. In the method, which can be carried out in particular in a computer-implemented manner by the control device 4 according to FIG. Since the current I at the power component 5 is typically known, the internal resistance R of the power component 5 can be determined from this in a step 200. Alternatively, the current I through the main power line of the power component 5 can also be measured.
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. Since the voltage is measured in real time, the internal resistance is also determined in real time. From the internal resistance, the current power loss Ploss of the power component 5 can be determined using the formula Ploss = RI2 and from this, in particular with the help of an appropriate model, the current temperature T of the power component 5 in a step 300.
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. In a step 201, according to the embodiment shown, it is checked whether the current internal resistance R of the power component 5 is above a threshold value RS. If this is the case, a suitable measure is taken, in particular the control device 4 can adapt the regulation of the circuit 3 in such a way that the power component 5 is loaded less.
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. In a step 400 it is checked whether the determined temperature T of the power component 5 is above a threshold value TS. If this is the case, an appropriate measure will be taken, for example: Control device 4 adapts the regulation of circuit 3 in such a way that the power component 5 is relieved.
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. The temperature T determined in the manner described can be compared with the measurement result of the temperature sensor 8 or with a model calculation that uses the measurement result of the temperature sensor. Since the measurement by the temperature sensor 8 is considerably slower than determining the temperature in real time from the measured voltage drop across the power component 5, it cannot be expected that both methods deliver the same value for the temperature at every point in time. However, the two approaches can be checked against each other for plausibility, and a model used for the temperature propagation in the circuit can also be checked by comparison.
Da die beide Verfahren unabhängig voneinander arbeiten, können sie in sicherheitsrelevanten Anwendungen, die eine Redundanz erfordern, auch parallel verwendet werden. Since the two methods work independently of each other, they can also be used in parallel in safety-relevant applications that require redundancy.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
1 Fahrzeug 1 vehicle
2 Anordnung 2 arrangement
3 Schaltung 3 circuit
4 Steuerungseinrichtung4 control device
5 Leistungsbauteil 5 power component
6 Signalleitung 6 signal line
7 Messanordnung 7 measuring arrangement
8 Temperatursensor8 temperature sensor
9 Signalleitung 9 signal line
10 Traktionsbatterie 10 traction battery
11 elektrischer Antrieb 11 electric drive
I Strom I current
R Innenwiderstand R internal resistance
Rs Schwellenwert Rs threshold
T Temperatur T temperature
Ts Schwellenwert Ts threshold
U Spannungsabfall U voltage drop
100 Schritt 100 steps
200 Schritt 200 steps
201 Schritt 201 step
300 Schritt 300 steps
400 Schritt 400 steps

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Schaltung (3) umfassend zumindest ein Leistungsbauteil (5), wobei das Verfahren folgendes aufweist: 1. A method for operating a circuit (3) comprising at least one power component (5), the method having the following:
- messen eines Spannungsabfalls an dem zumindest einen Leistungsbauteil (5);- measuring a voltage drop across the at least one power component (5);
- ermitteln eines momentanen Innenwiderstands des Leistungsbauteils (5) aus dem gemessenen Spannungsabfall, - determining a current internal resistance of the power component (5) from the measured voltage drop,
- ermitteln einer momentanen Verlustleistung des Leistungsbauteils (5) aus dem ermittelten momentanen Innenwiderstand und - determining a momentary power loss of the power component (5) from the determined momentary internal resistance and
- ermitteln einer momentanen Temperatur des Leistungsbauteils (5) aus der ermittelten momentanen Verlustleistung. - Determine a current temperature of the power component (5) from the determined current power loss.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Leistungsbauteil (5) ein schaltendes Leistungsbauteil mit einer Hauptstromleitung für die zu schaltende Leistung und einer Steuerleitung ist und als Spannungsabfall ist die Differenz zwischen dem eingangsseitigen und dem ausgangsseitigen elektrischen Potential der Hauptstromleitung des Leistungsbauteils bei geschlossenem Hauptstromkontakt gemessen wird. 2. The method according to the preceding claim, wherein the power component (5) is a switching power component with a main power line for the power to be switched and a control line and the voltage drop is the difference between the input-side and the output-side electrical potential of the main power line of the power component when the main power contact is closed is measured.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei festgestellt wird, ob die momentane Temperatur des Leistungsbauteils (5) einen Schwellenwert TS überschreitet. 3. Method according to one of the preceding claims, wherein it is determined whether the current temperature of the power component (5) exceeds a threshold value TS.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Belastung des Leistungsbauteils (5) reduziert wird, wenn die momentane Temperatur den Schwellenwert TS überschreitet. 4. Method according to the preceding claim, wherein the load on the power component (5) is reduced when the current temperature exceeds the threshold value TS.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei festgestellt wird, ob der momentane Innenwiderstand des Leistungsbauteils (5) einen Schwellenwert RS überschreitet. 5. Method according to one of the preceding claims, wherein it is determined whether the instantaneous internal resistance of the power component (5) exceeds a threshold value RS.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungsbauteil (5) als Schütz, Shunt, elektronische Sicherung oder pyrotechnische Sicherung ausgebildet ist. 6. Method according to one of the preceding claims, wherein the power component (5) is designed as a contactor, shunt, electronic fuse or pyrotechnic fuse.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ermittelte momentane Temperatur mit einer Temperatur des Leistungsbauteils (5) verglichen wird, die mittels einer Temperaturmessung an einem von dem Leistungsbauteil (5) beabstandeten Punkt der Schaltung (3) unter Verwendung eines Wärmeübertragungsmodells ermittelt wurde. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the determined instantaneous temperature is compared with a temperature of the power component (5), which was determined by means of a temperature measurement at a point of the circuit (3) spaced from the power component (5) using a heat transfer model .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ermittelte momentane Innenwiderstand und/oder die ermittelte momentane Temperatur des Leistungsbauteils (5) verwendet werden, um einen Alterungszustand des Leistungsbauteils (5) zu überwachen. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the determined instantaneous internal resistance and/or the determined instantaneous temperature of the power component (5) are used to monitor an aging state of the power component (5).
9. Anordnung (2) aufweisend eine Schaltung (3) mit zumindest einem Leistungsbauteil (5) sowie eine Steuerungseinrichtung (4), wobei die Steuerungseinrichtung (4) einen Speicher umfasst, in dem Programmcode abgelegt ist, der die Steuerungseinrichtung (4) veranlasst, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen, wenn der Programmcode ausgeführt wird. 9. Arrangement (2) comprising a circuit (3) with at least one power component (5) and a control device (4), the control device (4) comprising a memory in which program code is stored, which causes the control device (4), to carry out a method according to one of the preceding claims when the program code is executed.
10. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen. 10. Computer program product, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause it to carry out the method according to one of claims 1 to 8.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Title
LAI WEI ET AL: "Condition Monitoring in a Power Module Using On-State Resistance and Case Temperature", IEEE ACCESS, vol. 6, 9 October 2018 (2018-10-09) - 3 December 2018 (2018-12-03), pages 67108 - 67117, XP011697055, DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2879314 *

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