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1. WO2020001946 - VERFAHREN ZUR BETRIEBSFÜHRUNG EINES ELEKTRISCHEN BAUTEILS SOWIE ELEKTRISCHE SCHALTUNG MIT DEM ELEKTRISCHEN BAUTEIL

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Beschreibung

Verfahren zur Betriebsführung eines elektrischen Bauteils sowie elektrische Schaltung mit dem elektrischen Bauteil

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur eine Überhitzung vermeidenden

Betriebsführung eines elektrischen Bauteils, wobei eine Bauteiltemperatur aus Betriebsparametern des Bauteils ermittelt und zu dieser ein Vorhalt bei der Betriebsführung berücksichtigt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Schaltung mit einem elektrischen Bauteil.

Stand der Technik

Bei bekannten elektrischen Antrieben für Fahrzeuge stellt eine

Leistungselektronik eine wesentliche Komponente dar, die eine Gleichspannung einer Batterie in Wechselspannung für einen Elektromotor wandelt. Diese Leistungselektronik, die als Inverter beziehungsweise Pulswechselrichter ausgebildet sein kann, besitzt am Eingang, der mit der Batterie elektrisch verbunden ist, einen Folienkondensator, der unter anderem den Spannungsripple in Richtung der Batterie dämpft. Geht die Kapazität des Kondensators deutlich zurück, so kann es unter anderem zu einer schnelleren Batteriealterung oder sogar zur Zerstörung von Fahrzeugkomponenten kommen. Sehr kritisch ist eine thermische Überlastung des Folienkondensators. Bei Temperaturen von zum Beispiel über 105 - 115°C kommt es zu einer schnelleren Alterung oder unter Umständen zu einer thermischen Zerstörung des Folienkondensators. Zur thermischen Überwachung des Kondensators ist es bekannt, einen

Temperatursensor einzusetzen, der an einem Punkt die Temperatur erfasst.

Beim Überschreiten eines Temperatur-Schwellwertes kann zum Beispiel zum Schutz des Folienkondensators seine Stromstärke reduziert werden. Man nennt diese Maßnahme Derating. Bei einer bekannten Betriebsführung des

Folienkondensators wird ein Folienkondensator-Temperaturmodell verwendet und aus den Betriebsparametern des Folienkondensators eine einzige

Folienkondensatortemperatur ermittelt. Bei diesem Temperaturwert muss ein großzügiger Vorhalt berücksichtigt werden, um über den gesamten

Folienkondensator betrachtet eine lokale Überhitzung zu vermeiden und so stellt das bekannte Vorgehen eine Worst Case Abschätzung dar. Dieser Vorhalt ist aus Sicherheitsgründen also sehr groß zu wählen, so dass generell ein zu frühes Derating stattfindet, da unter allen Umständen eine Schädigung des

Folienkondensators verhindert werden muss.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand ein Verfahren zur Betriebsführung eines elektrischen Bauteils, insbesondere eines

Kondensators, vorzugsweise Folienkondensators, anzugeben, bei dem eine thermische Schädigung des Bauteils verhindert und vorzugsweise ein exaktes Derating erfolgt.

Die Erfindung sieht bei dem eingangs genannten Verfahren vor, dass dieses als Online-Verfahren durchgeführt und dabei unter Heranziehung eines

Temperaturmodells des Bauteils die räumliche Temperaturverteilung des Bauteils bei der Bestimmung der Größe des Vorhalts berücksichtigt wird. Durch diese Online-Berechnung der räumlichen betriebspunktabhängigen

Bauteiltemperatur ist während der Betriebsführung an verschiedenen, vorzugsweise kritischen Stellen des Bauteils stets die jeweilige Bauteiltemperatur bekannt, so dass beim Überschreiten eines Temperatur-Schwellwertes an einer entsprechenden Stelle ein exaktes Derating (bei einem geringen oder sehr geringen Vorhalt) erfolgen kann. Es werden lokale Überhitzungen (hot spots) betriebspunktabhängig rechtzeitig erkannt und vermieden. Von Vorteil ist somit die Echtzeit-Information über die örtliche Temperaturverteilung im/am Bauteil, insbesondere Kondensator, vorzugsweise Folienkondensator, so dass nur ein sehr geringer Vorhalt für stets vorhandene Toleranzen des Derating- Verfahrens erforderlich ist. Das erzielte exakte Derating ermöglicht eine Minimalisierung der Performance- Einschränkungen der elektrischen Schaltung, dem das Bauteil angehört. Durch den nur noch sehr geringen Vorhalt werden Kosten reduziert.

Unter dem genannten„Vorhalt“ ist im Zuge dieser Anmeldung ein bei der Berechnung der Bauteiltemperatur hinzuzufügender Temperaturzuschlag zu verstehen. Der Vorhalt ist somit ein Sicherheitszuschlag, der aufgrund der Erfindung sehr klein gehalten werden kann.

Bevorzugt ist sogar vorgesehen, einen Bauteil-Temperatursensor nicht einzusetzen.

Vorzugsweise wird als Temperaturmodell ein physikalisches Temperaturmodell des Bauteils verwendet.

Als Betriebsparameter wird die Art eines Ansteuerverfahrens, eine Taktfrequenz des Bauteils, ein Cosinus Phi des Bauteils, ein Modulationsgrad des Bauteils und/oder eine Starttemperatur berücksichtigt, insbesondere gemessen, errechnet oder simuliert.

Die Starttemperatur kann eine Bauteiltemperatur und/oder eine

Kühlmitteltemperatur eines das Bauteil kühlenden Kühlsystems sein.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn bei dem Temperaturmodell ein

Alterungsprozess des Bauteils berücksichtigt wird.

Besonders bevorzugt wird als Bauteil ein Folienkondensator verwendet.

Insbesondere ist vorgesehen, dass als Folienkondensator ein

Zwischenkreiskondensator einer Leistungselektronik eines elektrischen Antriebs, insbesondere elektrischen Fahrzeugantriebs, verwendet wird.

Als Leistungselektronik wird insbesondere ein Inverter oder ein Pulsweitenregler verwendet.

Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Schaltung, die mit einem

elektrischen Bauteil versehen ist, wobei die elektrische Schaltung zur

Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens ausgestattet ist.

Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand eines

Ausführungsbeispiels und zwar zeigt:

Figur 1 ein Prinzipschaltbild eines elektrischen Antriebs, insbesondere

Fahrzeugantriebs,

Figur 2 einen Inverter, der eine Gleichspannung in eine Wechselspannung

wandelt und

Figur 3 ein als Folienkondensator ausgebildetes elektrisches Bauteil, das

vorzugsweise bei dem vorstehend genannten Inverter eingesetzt ist.

Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs. Der elektrische Antrieb weist eine Batterie 1 auf, die an eine Leistungselektronik 2 angeschlossen ist, welche als Inverter 3 ausgebildet ist. Die

Leistungselektronik 2 ist elektrisch mit einer elektrischen Maschine 4 verbunden. Die elektrische Maschine 4 wird mit Wechselspannung betrieben. Dieses bedeutet, dass die Leistungselektronik 2 die Gleichspannung der Batterie 1 in Wechselspannung für das Betreiben der elektrischen Maschine 4 wandelt.

Die Figur 2 zeigt schematisch den Inverter 3, der eingangsseitig einen

Folienkondensator C aufweist. Der Eingang des Inverters 3 ist an die Batterie 1 elektrisch angeschlossen. Der Inverter 3 weist Leistungs-Halbleiterschalter 5, 6 auf, die mit dem Eingang des Inverters 3 verbunden sind und einen Ausgang 7 bilden, der mit einer Maschinenwicklung L der elektrischen Maschine 4 elektrisch verbunden ist. Die Leistungs-Halbleiterschalter 5 und 6 werden entsprechend einer gewünschten Betriebsführung der elektrischen Maschine 4 angesteuert.

Während des Betriebs der Anordnungen der Figuren 1 und 2 kommt es zu einer Erwärmung des Folienkondensators C. Diese Erwärmung ist örtlich sehr unterschiedlich ausgebildet und auch abhängig von den jeweiligen

Betriebsparametern. Die Figur 3 zeigt den Folienkondensator C in schematischer Darstellung, wobei es bei bestimmten Betriebsparametern, beispielsweise an der Stelle A zu einer starken Erwärmung und bei anderen Betriebsparametern an der Stelle B zu hohen Temperaturen kommen kann. Um nun eine erfindungsgemäße

Betriebsführung des Folienkondensators C ohne örtliche Überhitzung

durchführen zu können, wird im Online-Verfahren und unter Heranziehung eines Temperaturmodells des Folienkondensators C die räumliche

Temperaturverteilung dieses Bauteils zeitaktuell online ermittelt und eine

Bestimmung einer Größe eines Vorhalts an der jeweiligen, betrachteten Stelle berücksichtigt. Durch diese Online-Berechnung der räumlichen,

betriebspunktabhängigen Folienkondensatortemperaturen kann ein exaktes Derating mit nur entsprechend geringem Vorhalt erfolgen. Ferner ist es möglich, den Alterungszustand des Folienkondensators zu berücksichtigen. Dies erfolgt dadurch, dass bei der Temperaturverteilung, nämlich bei dem Temperaturmodell, der Alterungseinfluss mit einfließt.

Grundsätzlich ist anzumerken, dass das vorgeschlagene Verfahren nicht auf die dargestellte Anwendung beschränkt ist, sondern sich bei beliebigen elektrischen Bauteilen und auch im nicht-automotiven Bereich entsprechend anwenden lässt.

So besteht auch keine Beschränkung auf einen Folienkondensator, sondern es können auch andere Kondensator-Technologien, beispielsweise

Keramikkondensatoren oder Elektrolytkondensatoren erfindungsgemäß betrieben werden. Als entsprechend betriebene elektrische Bauteile können beispielsweise auch Widerstände, Spulen und so weiter verwendet werden.