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估算車輛的轉換器的結溫的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510738760.7

申請日:

2015.11.04

公開號:

CN106257251A

公開日:

2016.12.28

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G01K 13/00申請日:20151104|||公開
IPC分類號: G01K13/00; G06F19/00(2011.01)I 主分類號: G01K13/00
申請人: 現代自動車株式會社
發明人: 孫基鳳; 郭憲領
地址: 韓國首爾
優先權: 2015.06.16 KR 10-2015-0085417
專利代理機構: 北京尚誠知識產權代理有限公司 11322 代理人: 龍淳
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510738760.7

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2018.05.01|||2016.12.28

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

一種估算車輛的轉換器的結溫的方法,其包括:通過車輛控制器,使用電池和轉換器之間的輸入電流和輸入電壓、從轉換器輸出至逆變器的輸出電壓、以及轉換器的占空比和IGBT特征值計算轉換器的IGBT功率損耗值。

權利要求書

1.一種估算車輛的轉換器的結溫的方法,其包括以下步驟:
通過車輛控制器,使用電池和轉換器之間的輸入電流和輸入電壓、
從所述轉換器輸出至逆變器的輸出電壓、以及所述轉換器的占空比和
IGBT特征值,計算所述轉換器的IGBT功率損耗值。
2.根據權利要求1所述的方法,其中當輸入電流從所述電池正向
流向所述轉換器時,所述轉換器的占空比被設置成第一占空比,并且
當輸入電流從所述轉換器反向流向所述電池時,所述轉換器的占空比
被設置成第二占空比。
3.根據權利要求2所述的方法,其中當輸入電流交替地從所述電
池正向地流向所述轉換器以及從所述轉換器反向地流向所述電池時,
所述轉換器的占空比被設置成第三占空比。
4.根據權利要求2所述的方法,其中所述第一占空比是大于所述
第二占空比的值。
5.根據權利要求3所述的方法,其中所述第一占空比是大于所述
第二占空比的值,并且所述第二占空比是大于所述第三占空比的值。
6.根據權利要求1所述的方法,其還包括以下步驟:
通過所述車輛控制器,通過將所述轉換器的熱阻系數和轉換系數
乘以由所述車輛控制器獲得的IGBT功率損耗值、并且將所得乘積值與
所述轉換器的冷卻水的溫度值相加,來估算所述轉換器的結溫。
7.根據權利要求6所述的方法,其中所述轉換器的冷卻水的溫度
值通過安裝在所述轉換器的冷卻通道中的溫度傳感器獲取。
8.根據權利要求6所述的方法,其中所述轉換系數值通過使用安
裝在所述轉換器中的RC濾波器的熱時間常數值以及由安裝在所述轉
換器的冷卻通道中的流量傳感器測量的轉換器的冷卻通道的流量計算
得到。
9.一種估算車輛的轉換器的結溫的系統,其包括:
輸入值獲取器,其被配置成獲取電池和轉換器之間的輸入電流和
輸入電壓;
輸出值獲取器,其被配置成獲取從轉換器輸出至逆變器的輸出電
壓;
輸入電流傳感器,其被配置成感測輸入電流的方向;
溫度傳感器,其被配置成感測轉換器的冷卻水的溫度;
流量傳感器,其被配置成感測轉換器的冷卻通道的流量;以及
控制器,其被配置成:使用由所述輸入值獲取器獲取的輸入電流
和輸入電壓、由所述輸出值獲取器獲取的輸出電壓、以及轉換器的占
空比和IGBT特征值來計算轉換器的IGBT功率損耗值,將轉換器的熱
阻系數和轉換系數乘以所計算的IGBT功率損耗值,并且隨后將轉換器
的冷卻水的溫度值與所得乘積值相加,來估算所述車輛的轉換器的結
溫。
10.一種包含由處理器執行的程序指令的非暫時性計算機可讀介
質,所述計算機可讀介質包括:
程序指令,其使用電池和轉換器之間的輸入電流和輸入電壓、從
轉換器輸出至逆變器的輸出電壓、以及轉換器的占空比和IGBT特征值
計算車輛的轉換器的IGBT功率損耗值,從而估算轉換器的結溫。

說明書

估算車輛的轉換器的結溫的方法

技術領域

本發明涉及一種通過依轉換器的負載區以不同的方式施加占空比
從而估算車輛的轉換器(converter)的結溫(junction temperature)的
方法。

背景技術

一般地,在環境友好型車輛中,轉換器(converter)用來將從高電
壓電池供應的電壓轉換成低電壓。因此,轉換器被施以高電壓,并且
負載連接至各種裝置,因而產生相當大量的熱。

然而,電子設備,例如構成轉換器的二極管和電容,容易受到高
溫的損害,因此轉換器的溫度對轉換器的耐久性和效率具有重大影響。
因此,為了提高轉換器的操作效率并且提高轉換器的耐久性,適當地
維持轉換器的溫度是很重要的。

為此,需要一種確定轉換器的溫度、并基于所確定的溫度降低轉
換器的溫度的方法。

與此相關,已提出了多種測量轉換器溫度、并基于所測量的溫度
冷卻轉換器的控制技術。在這些技術中,一種現有技術提出通過測量
進入電源模塊中的空氣的溫度來計算轉換器的溫度、并基于所計算的
溫度使用冷卻風扇控制轉換器的溫度的方法。

然而,基于現有技術的測量進入電源模塊的空氣的方法間接地估
算轉換器的溫度,因此其難以準確地計算轉換器的溫度。此外,當已
有的冷卻方法使用水冷式而非空氣冷卻式時,現有的測量方法可能無
法應用。在使用水冷式的情況下,現有的方法會產生轉換器的溫度可
能無法估算的問題。

以上所提供的作為現有技術描述的事項僅用于幫助理解本發明的
背景,其不應當被認為對應于本領域的技術人員已知的現有技術。

發明內容

本發明的目的是提供一種估算轉換器結溫(junction temperature)
的方法,其能夠準確估算結溫,用于改善轉換器的過溫保護以及故障
診斷功能。

根據本發明的示例性實施例,提供一種估算車輛的轉換器的結溫
的方法,其包括:通過車輛控制器,使用電池和轉換器之間的輸入電
流和輸入電壓、從轉換器輸出至逆變器的輸出電壓、以及轉換器的占
空比和IGBT特征值計算轉換器的IGBT功率損耗值。

當輸入電流從電池正向流向轉換器時,轉換器的占空比可設置成
第一占空比,并且當輸入電流從轉換器反向流向電池時,轉換器的占
空比設置成第二占空比。

當輸入電流交替地從電池正向流向轉換器以及從轉換器反向流向
電池時,轉換器的占空比可設置成第三占空比。

第一占空比的值可大于第二占空比。

第一占空比的值可大于第二占空比,并且第二占空比的值大于第
三占空比。

所述方法還可以包括,通過車輛控制器,通過將轉換器的熱阻系
數和轉換系數乘以由車輛控制器獲得的IGBT功率損耗值、并且將所得
乘積值與轉換器的冷卻水的溫度值相加,來估算車輛的轉換結溫。

所述轉換器的冷卻水的溫度值可通過安裝在轉換器冷卻通道中的
溫度傳感器獲得。

轉換系數值可通過使用安裝在轉換器內的RC濾波器的熱時間常
數值以及由安裝在轉換器的冷卻通道中的流量傳感器測量的轉換器的
冷卻通道的流量計算得到。

根據本發明的另一示例性實施例,提供一種估算車輛的轉換器的
結溫的系統,其包括:輸入值獲取器,其被配置成獲取電池和轉換器
之間的輸入電流和輸入電壓;輸出值獲取器,其被配置成獲取從轉換
器輸出至逆變器的輸出電壓;輸入電流傳感器,其被配置成感測輸入
電流的方向;溫度傳感器,其被配置成感測轉換器的冷卻水溫度;流
量傳感器,其被配置成感測轉換器的冷卻通道的流量;以及控制器,
其被配置成:使用由輸入值獲取器獲取的輸入電流和輸入電壓、由輸
出值獲取器獲取的輸出電壓、以及轉換器的占空比和IGBT特征值計算
轉換器的IGBT功率損耗值,將轉換器的熱阻系數和轉換系數乘以所計
算的IGBT功率損耗值,并且隨后將轉換器的冷卻水的溫度值與所得乘
積值相加,來估算所述車輛的轉換器的結溫。

根據本發明的另一示例性實施例,包含由處理器執行的程序指令
的非暫時性計算機可讀介質包括:程序指令,其使用電池和轉換器之
間的輸入電流和輸入電壓、從轉換器輸出至逆變器的輸出電壓、以及
轉換器的占空比和IGBT特征值計算車輛的轉換器的IGBT功率損耗
值,從而估算轉換器的結溫。

附圖說明

結合附圖,本發明的上述及其他目的、特征以及優勢從下文的詳
細描述中將更加顯而易見,其中:

圖1是根據本發明示例性實施例的電池、轉換器和逆變器之間的
配置圖;

圖2是根據本發明示例性實施例的依賴于轉換器的負載區的輸入
電流和轉換器PWM曲線圖;并且

圖3是示出根據本發明示例性實施例的用于估算轉換器結溫的系
統的示意圖。

具體實施方式

以下將參照附圖詳細說明本發明的實施例。

如圖1和3所示,車輛的控制器700使用從電池100輸入至轉換
器130的輸入電流110和輸入電壓120、從轉換器130輸出至逆變器
150的輸出電壓140,以及所述轉換器的占空比和IGBT特征值來計算
轉換器130的IGBT功率損耗值。IGBT功率損耗值的單位是瓦特[W]。

在下文中,通過將轉換器的熱阻系數和轉換系數乘以從車輛控制
器700獲得的IGBT功率損耗值,并且隨后將所述轉換器冷卻水的溫度
值和上述乘積值相加來估算車輛的轉換器的結溫。

轉換器的熱阻系數值可依轉換器的結構而具有多種值,但是在類
似本發明使用水冷式來控制轉換器溫度的情況下,熱阻系數值可利用
轉換器的冷卻通道與轉換器IGBT器件的熱點之間的距離獲得,其單位
是攝氏度除以瓦特[℃/W]。

一般地,轉換器與轉換器的冷卻水之間的溫度差值可通過將轉換
器的熱阻系數值乘以IGBT的功率損耗得到。然而,通過直接將冷卻水
的溫度和所述乘積值相加不能準確地得出結溫。其原因在于,所述結
溫不是級變值,而是連續變化的值,并且所述熱阻系數值根據轉換器
的冷卻通道的流量而變化。

因此,為了準確地估算結溫,除了將IGBT功率損耗值乘以熱阻系
數值之外,還需要乘以轉換系數。這里,所述轉換系數可使用用于反
映結溫的連續變化的RC濾波器的熱時間常數(thermal time constant)
值以及轉換器的冷卻通道的流量值進行計算。

轉換器結和轉換器的冷卻水之間的溫差值可通過以將IGBT功率
損耗值乘以熱阻系數和轉換系數這樣的方式準確地得到。因此,轉換
器的結溫可以通過將所計算的轉換器和冷卻水之間的溫差值與轉換器
的冷卻水的溫度值相加得到。

有多種用于獲得轉換器冷卻水的溫度值的方法。冷卻水的溫度可
通過在轉換器的冷卻通道中安裝溫度傳感器直接進行測量,也可通過
可輸出轉換器冷卻水的溫度值的各種地圖數據中得到。根據本發明的
示例性實施例,通過在轉換器的冷卻通道中安裝溫度傳感器從而直接
獲得溫度的方法被用于最準確地估算結溫。

因此,估算結溫的方法可通過以下方式執行:使用從電池100輸
入至轉換器130的輸入電流110和輸入電壓120、從轉換器130輸出至
逆變器150的輸出電壓140、以及所述轉換器的占空比和IGBT特征值
來計算轉換器的IBGT功率損耗值,將計算所得的IGBT功率損耗值乘
以轉換器的熱阻系數和轉換系數,并且將轉換器冷卻水的溫度值與上
述乘積值相加。

如上所述,轉換器的熱阻系數和轉換系數以及轉換器冷卻水的溫
度值對應于通過傳感器直接獲得的值或是通過使用器件的本征值獲得
的值,并且因此在估算結溫中誤差發生率將更低。

然而,盡管在計算轉換器的IGBT功率損耗值中,輸入電流110、
輸入電壓120、以及轉換器的輸出電壓140可通過傳感器直接獲得,但
所述IGBT功率損耗值可根據轉換器的占空比而改變。因此,IGBT功
率損耗值可被認為是在估算轉換器的結溫的方法中誤差發生率最高的
因素。因此,為提高估算結溫的方法的準確性,最重要的是準確地獲
得IGBT功率損耗值。

IGBT指的是開關器件。一般地,IGBT配置成雙極結性晶體管
(bipolar junction transistor,BJT)的結合或是具有二極管的MOSFET
器件。轉換器130也包括IGBT。IGBT通常是連接至逆變器150的開
關器件,并且其設置在轉換器130和逆變器150之間以在開關器件之
間起輔助作用。

IGBT根據施加的脈沖寬度調制(PWM)信號與在轉換器130和
逆變器150之間連接的開關器件相交(intersect)以重復導通/關斷操作。

如果IGBT是理想的,將不會發生連接在轉換器130和逆變器150
之間的多個開關器件在彼此交迭時導通的情況。然而,真正理想的器
件是不存在的,因此,會發生多個開關器件同時導通的情況。在該情
況下,轉換器130和逆變器150將彼此電短路,并且因此轉換器130
和逆變器150都將由于短路電流而損壞。

因此,為了防止上述情況,IGBT具有死區時間(dead time)。死
區時間用于防止配置IGBT的開關器件同時導通,并且死區時間的值可
根據IGBT的類型而不同地呈現。

因此,為了通過獲得IGBT功率損耗值的方法獲得準確的值,如上
所述,有必要反映IGBT的死區時間。死區時間的反映導致了轉換器的
占空比的值的問題。因此,準確地獲得轉換器的占空比在準確估算轉
換器結溫的方法中是一個重要的因素。

在普通的PWM信號中,占空比指的是Toff/Td。Toff指的是一個周
期中關斷的時間,并且Td指的是一個周期的時間。在轉換器的占空比
中,1–輸入電壓/輸出電壓就是轉換器的占空比。根據本發明的示例
性實施例,輸入電壓120指的是從電池100施加至轉換器130的電壓,
并且輸出電壓140指的是從轉換器130施加至逆變器150的電壓。

在獲得轉換器的占空比之前,需要根據車輛的狀態區分模式。其
原因在于,反映死區時間的轉換器的占空比的值依轉換器130的負載
區(load region)而具有不同的值。

因此,本發明的示例性實施例使用這樣的方法:在輸入電流110
從電池100正向流向轉換器130時,將轉換器的占空比設置成第一占
空比;在輸入電流110從轉換器130反向流向電池100時,將轉換器
的占空比設置成第二占空比;并且在輸入電流110交替地從電池100
正向流向轉換器130和從轉換器130反向流向電池100時,將轉換器
的占空比設置成第三占空比。

以下將參考圖2對此進行詳細描述。參照圖2,根據連接至車輛轉
換器的負載區主要被分為三種模式。如圖2的輸入電流曲線圖中所示,
一個模式是升壓(boost)模式,其對應于輸入電流110的值對應正值
的情況。即,電流從電池100正向流向轉換器130的情況以及車輛對
應于升壓模式行駛的情況。

另一模式是降壓(buck)模式,在圖2的輸入電流曲線圖中,對
應于輸入電流110的值是負值時的情況。即,該模式對應于輸入電流
110從轉換器130反向流向電池100的情況。當車輛處于可再生制動狀
態下時,可形成該模式。

一個附加的模式是升壓&降壓模式。如圖2所示,該附加模式對應
于輸入電流110交替地具有正值和負值的情況。該附加模式對應于正
向電流和反向電流交替地從電池100流向轉換器130,并且其可在如上
所述的升壓模式和降壓模式混合時形成。

每種模式的占空比可使用轉換器的輸入電流110的斜率為正時的
值得到,其能從圖2的轉換器的頂相(top phase)和底相(bottom phase)
的變化得到。如上所述,轉換器130反映了用于防止短路現象的死區
時間,因此轉換器的頂相和底相以類似圖2的PWM曲線圖的形式出
現。因此,輸入電流110的斜率具有正值的時間通過反映依賴于每種
模式的死區時間而具有不同的值。

總體上,本發明提出的第一占空比可以是大于第二占空比的值,
并且第二占空比可以是大于第三占空比的值。依賴于轉換器的負載區
的占空比可由下述等式表達。

在升壓模式中,占空比等于1–輸入電壓/輸出電壓,在升壓&降
壓模式中,占空比等于1–(輸入電壓/輸出電壓+死區時間×開關頻
率),并且在降壓模式中,占空比等于1–(輸入電壓/輸出電壓+2×
死區時間×開關頻率)。

因此,根據上述等式,作為升壓模式中的占空比的第一占空比將
是最大值,升壓&降壓模式中的第二占空比將是第二大值,并且降壓模
式中的第三占空比將是最小值。

根據上述等式,當輸入電壓120是360V時,輸出電壓140是700V,
死區時間是3μs,并且開關頻率是10kHz,各個模式的轉換器的占空
比,在升壓模式的情況下具有0.486的值,在升壓&降壓模式中具有
0.456的值,以及在降壓模式中具有0.426的值。上述值是本發明的示
例,并且可確認為如圖2的PWM曲線圖中所示。

對比上述示例,可以確認依賴于轉換器的負載區狀態的轉換器的
占空比大體上具有約6%的差別。因此,所述差別事實上可以反映至
IGBT功率損耗值的推導中,并且因此,事實上其對結溫的估算具有影
響。6%的差別將導致在估算結溫中約6℃的誤差。

所述誤差將在轉換器的過溫保護和故障診斷功能中導致嚴重的誤
差,其將導致轉換器的效率和耐久性的劣化。

因此,本發明的示例性實施例提出一種估算轉換器的結溫的方法,
其通過使用上述計算轉換器占空比的等式,根據轉換器的負載區為每
一種模式計算轉換器的占空比從而減少上述誤差。此外,其能夠提高
轉換器的過溫保護以及其故障診斷功能,并且因此車輛轉換器的誤診
斷和誤測量的發生率將降低,因此提高了轉換器的市場競爭力。

如圖1和3所示,根據本發明示例性實施例的估算結溫的系統被
配置成包括:輸入值獲取器200,其獲得從電池100輸入至轉換器130
的輸入電流110和輸入電壓120;輸出值獲取器300,其獲得從轉換器
130輸出至逆變器150的輸出電壓140;輸入電流傳感器400,其感測
輸入電流110的方向;溫度傳感器500,其感測轉換器130的冷卻水的
溫度;流量傳感器600,其感測轉換器130的冷卻通道的流量;以及控
制器700,其使用從電池100輸入至轉換器130的輸入電流110和輸入
電壓120、從轉換器130輸出至逆變器150的輸出電壓140、以及轉換
器的占空比和IGBT特征值計算轉換器的IGBT功率損耗值,將轉換器
的熱阻系數和轉換系數乘以所計算的IGBT功率損耗值,并且隨后將轉
換器的冷卻水的溫度值與上述乘積值相加來估算車輛的轉換器的結
溫。

輸入值獲取器200獲得從電池100施加至轉換器130的輸入電流
110和輸入電壓120的值,并且將所獲得的值傳輸至控制器700,并且
所述輸出值獲取器300獲得從轉換器130施加至逆變器150的輸出電
壓140的值,并且將所獲得的值傳輸至控制器700。

為了劃分如圖2所示的依賴于轉換器的負載區的三種模式,輸入
電流傳感器400感測從電池100施加至轉換器130的輸入電流110的
方向,將信息傳輸至控制器700。如上所述,輸入電流傳感器400感測
輸入電流110是從電池100正向流向轉換器130,還是從轉換器130反
向流向電池100,或是正向和反向交替地流動。

此處,輸入電流110是否交替地正向和反向流動的確定標準以施
加至轉換器的IGBT的PWM信號的一個周期為基礎。例如,當轉換器
的開關頻率是10kHz時,100μs是一個周期,因此在100μs時間內感測
輸入電流110是否交替地正向和反向流動。

溫度傳感器500獲得在轉換器的冷卻通道中流動的冷卻水的溫度,
并且將其值傳輸至控制器700,并且流量傳感器600測量冷卻通道的流
量并且將其值傳輸至控制器700。

控制器700基于從輸入電流傳感器400傳輸來的信息獲得轉換器
的占空比,并且使用通過輸入值獲取器200、輸出值獲取器300、溫度
傳感器500以及流量傳感器600傳輸來的值來估計車輛的結溫。

如上所述,通過估算車輛的轉換器的結溫可獲得下述效果。

首先,結溫能夠得以準確地估算以防止由于結溫估算不準確導致
的過溫保護和故障診斷功能不穩定。

其次,即使轉換器的冷卻方法使用水冷式而不使用空氣冷卻式,
所述結溫也可被準確計算。

第三,由于有區別地應用響應于與轉換器相連的負載區的變化的
轉換器的占空比來估算結溫,即使與轉換器相連的負載區變化,反映
該變化的負載區的結溫也可被準確地計算。

盡管本發明已參照具體示例性實施例進行說明和描述,對于本發
明領域內的技術人員顯而易見的是,在不背離本發明權利要求所限定
的本發明的技術思想和范圍的情況下,本發明可作出各種修改和變化。

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估算 車輛 轉換器 方法
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