根据DC侧电容器的预测温度控制电驱动系统的方法和系统与流程

根据dc侧电容器的预测温度控制电驱动系统的方法和系统
技术领域
1.本发明涉及根据电驱动系统的电力电子模块的dc侧电容器的预测温度来控制电力电子模块的逆变器以由此防止电力电子模块过热。


背景技术：

2.电驱动系统包括电池、电力电子模块和马达。所述电力电子模块包括dc侧电容器和逆变器。逆变器将经由dc侧电容器来自电池的电力输入转换为期望电力以输出到马达。


技术实现要素：

3.一种电驱动系统包括电力电子模块和控制器。所述电力电子模块包括dc侧电容器和逆变器。所述控制器被配置为在所述逆变器的功率开关的感测温度、所述电力电子模块的感测电流以及所述dc侧电容器的参数值指示所述dc侧电容器的预测温度高于阈值时减少所述逆变器的功率输出以维持dc侧电容器温度低于所述阈值。
4.所述dc侧电容器的参数值可从所述dc侧电容器的热模型获得。
5.在实施例中，所述dc侧电容器的热模型是从在不同驾驶循环下测试所述电力电子模块的测试版本导出的，其中对于每个驾驶循环，记录一组信息，该组信息包括所述电力电子模块的测试版本的逆变器的功率开关的感测温度、所述电力电子模块的测试版本的感测电流以及所述电力电子模块的测试版本的dc侧电容器的感测温度。
6.在该实施例中，电力电子模块的测试版本的感测电流可以是电力电子模块的测试版本的dc侧电容器的感测(即，测量和/或计算)纹波电流。在这种情况下，通过找到具有功率开关温度、dc侧电容器纹波电流和所述参数的变量的dc侧电容器温度热方程的哪些值拟合针对驾驶循环中的至少一者记录的该组信息，从dc侧电容器的热模型获得dc侧电容器的参数值。
7.在实施例中，所述电力电子模块的感测电流是所述dc侧电容器的感测纹波电流。可以使用电流传感器来测量所述dc侧电容器的感测纹波电流，其中所述控制器与所述电流传感器进行通信。替代地，可以基于各种操作参数来计算dc侧电容器的感测纹波电流。
8.在实施例中，所述电力电子模块的感测电流包括由所述逆变器汲取的感测dc电流，由所述逆变器汲取的感测dc电流和所述dc侧电容器的感测纹波电流，或由所述逆变器汲取的感测dc电流和由所述逆变器输出的感测ac电流。可以使用电流传感器来感测由所述逆变器汲取的dc电流、所述dc侧电容器的纹波电流以及由所述逆变器输出的ac电流中的任一者，其中所述控制器与所述电流传感器进行通信。
9.所述控制器可以被配置为通过使所述dc侧电容器的操作降低额定以减小所述逆变器的功率输出。
10.所述电驱动系统可以用于电动车辆，并且还包括牵引电池和马达，其中所述dc侧电容器设置在所述电池与所述逆变器之间。在该情况下，所述逆变器还可以被配置为将经由所述dc侧电容器来自所述牵引电池的输入电力转换为输出电力，并且向所述马达提供所
述输出电力以推进所述电动车辆。
11.逆变器的功率开关(诸如绝缘栅双极晶体管(igbt))的温度可以由与功率开关结合的温度传感器来感测。所述控制器与所述温度传感器进行通信。
12.一种电动车辆包括电驱动系统和控制器。所述电驱动系统包括牵引电池、电力电子模块和马达。所述电力电子模块包括dc侧电容器和逆变器。所述逆变器被配置为将经由所述dc侧电容器来自所述牵引电池的输入电力转换为输出电力，并且向所述马达提供所述输出电力以推进所述电动车辆。所述控制器被配置为使用所述逆变器的功率开关的感测温度、所述电力电子模块的感测电流以及从所述dc侧电容器的热模型获得的参数值来预测所述dc侧电容器的温度。所述控制器还被配置为在所述dc侧电容器的预测温度高于温度阈值时使所述电驱动系统降低额定以防止过热。
13.一种用于包括具有dc侧电容器和逆变器的电力电子模块的电驱动系统的方法包括感测所述逆变器的功率开关的温度并感测所述电力电子模块的电流。所述方法还包括：在所述功率开关的感测温度、所述电力电子模块的感测电流以及所述dc侧电容器的参数值指示所述dc侧电容器的预测温度高于阈值时减少所述逆变器的功率输出以维持dc侧电容器温度低于所述阈值。所述dc侧电容器的参数值可从所述dc侧电容器的热模型获得。
14.如本文所述，生产电驱动系统的电力电子模块中的dc侧电容器的温度不应超过临界温度阈值。此外，经济上通常不希望具有专用于测量dc侧电容器的温度的硬件。
15.根据本发明的实施例，可以使用以下各项来很好地估计生产电驱动系统的电力电子模块中的dc侧电容器的温度：(i)包含相对较少的恒定参数的dc侧电容器的热模型(“dc侧电容器热模型”)；(ii)逆变器的功率开关的温度(在实施例中，功率开关是绝缘栅双极晶体管(igbt)并且具有嵌入功率开关硬件中的至少一个温度传感器)；以及(iii)电力电子模块的电流。
16.在本文中描述和示出的示例性实施例中，所述电力电子模块的电流是所述dc侧电容器的纹波电流，所述纹波电流由电流传感器感测。
17.通过使用具有dc侧电容器和逆变器的一个或多个“测试”电力电子模块来确定dc侧电容器热模型的参数。出于校准工作的目的，测试电力电子模块已经被配备有附加的热传感器(例如，热电偶)，其包括对dc侧电容器温度的直接测量。配备后的电力电子模块被驱动通过多个循环，所述多个循环使dc侧电容器和逆变器在其能力极限附近操作(通常是高电流循环(例如，重复的硬加速、挂车拖挂、大坡度爬升等))。然后经由dc侧电容器温度、功率开关温度和dc侧电容器纹波电流之间的最佳拟合关系找到dc侧电容器热模型的参数。dc侧电容器热模型的参数也可以根据dc侧电容器的复杂cae热模型来估计。
18.在生产电力电子模块中，dc侧电容器温度由逆变器系统的控制器估计(即，预测)并重复地更新。该估计值被提供给负责dc侧电容器和逆变器硬件保护的其他控制软件，并与dc侧电容器温度极限阈值进行比较。在必要时，然后可以采取措施以防止dc侧电容器和逆变器的部件过热(例如，暂时使逆变器的电流容量降低额定)。
19.dc侧电容器热模型优于用于dc侧电容器和逆变器硬件保护的替代策略，所述替代策略包括：(a)直接测量生产电力电子模块中的dc侧电容器的温度-这将增加硬件复杂度和成本；以及(b)通过防止逆变器超过对于时间阈值的平均电流来保护dc侧电容器和逆变器的部件免受过高温度的影响—这种方法基于最坏情况的热状况，并且可能过于保守，从而
导致逆变器即使在dc侧电容器远低于其温度阈值时也降低额定(例如，车辆性能不必要的降低)。
20.在本文中描述和示出的示例性实施例中，dc侧电容器和逆变器是电动车辆的电力电子模块的一部分。然而，根据本发明的实施例，dc侧电容器和逆变器更广泛地适用于其中电力电子模块的dc侧电容器需要热保护但不需要专用硬件并且基于时间的电流限制太保守的任何电力电子模块(包括除车辆应用之外的应用)。
附图说明
21.图1示出了电动车辆的框图；
22.图2示出了电动车辆的电驱动系统的部件的示意图，所述电驱动系统的部件包括牵引电池、具有dc侧电容器和逆变器的电力电子模块、以及马达；
23.图3示出了电驱动系统的电驱动单元的测试版本的透视图，所述电驱动单元包括电驱动系统的电力电子模块和马达；
24.图4示出了通过用第一高电流驾驶循环测试电驱动单元测试版本而生成的绘制信息的第一示例性图形、通过用不同的第二高电流驾驶循环测试电驱动单元测试版本而生成的绘制信息的第二示例性图形以及为所述绘制信息提供标签的图例；
25.图5示出了指示在电驱动系统的操作期间涉及电驱动系统的电力电子模块的dc侧电容器的热力学的框图；以及
26.图6是描绘用于根据电力电子模块的dc侧电容器的预测温度来控制电驱动系统以防止dc侧电容器和电力电子模块的逆变器的部件过热的方法和系统的操作的流程图。
具体实施方式
27.本文公开了本发明的详细实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以各种和替代形式来实施。附图不一定按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构细节和功能细节并不解释为限制性，而仅解释为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。
28.将保护dc侧电容器和逆变器免受由电驱动系统的操作引起的过高温度的影响。通过限制电力电子模块以相对较高的输出功率水平操作的时间，可以保护dc侧电容器和逆变器免受过高温度的影响。这种保护策略有时会使电驱动系统降低额定。
29.现在参考图1，示出了示例性电动车辆(“ev”)12的框图。在该示例中，ev 12是插电式混合动力电动车辆(phev)。ev 12包括一个或多个电机14，所述一个或多个电机机械地连接到变速器16。电机14能够充当马达和发电机。变速器16机械地连接到发动机18和驱动轴20，所述驱动轴机械地连接到车轮22。当发动机18开启或关闭时，电机14可以提供推进和减速能力。充当发电机的电机14可以回收通常可以在摩擦制动系统中作为热量损失的能量。电机14可以通过允许发动机18在更有效的速度下操作并且允许ev 12在某些条件下发动机18关闭的情况下以电动模式操作来减少车辆排放。
30.牵引电池24(“电池”)存储可以由电机14使用以推进ev 12的能量。电池24通常提供高电压(hv)直流(dc)输出。电池24电连接到电力电子模块26。电力电子模块26电连接到电机14，并提供在电池24与电机之间双向传递能量的能力。例如，电池24可以提供dc电压，
而电机14可能需要三相交流(ac)电流来起作用。电力电子模块26可以将dc电压转换为三相ac电流以操作电机14。在再生模式中，电力电子模块26可将来自充当发电机的电机14的三相ac电流转换为与电池24兼容的dc电压。
31.电池24可由外部电源36(例如，电网)再充电。电动车辆供电装备(evse)38连接到外部电源36。evse 38提供用于控制和管理外部电源36与ev 12之间的能量传递的电路和控件。外部电源36可以向evse 38提供dc或ac电力。evse 38可以具有用于插入ev 12的充电端口34中的充电连接器40。充电端口34可以是被配置为将电力从evse 38传送到ev 12的任何类型的端口。ev 12的电力转换模块32可以调节从evse 38供应的电力以向电池24提供适当的电压和电流电平。电力转换模块32可以与evse 38对接，以协调向电池24的电力输送。替代地，被描述为电连接的各种部件可以使用无线电感耦合来传递电力。
32.可以提供车轮制动器44以用于使ev 12减速并阻止ev 12的运动。车轮制动器44是制动系统50的一部分。制动系统50可以包括控制器以监测并控制车轮制动器44以实现期望的操作。
33.所讨论的各种部件可以具有一个或多个相关控制器以控制和监测部件的操作。控制器可以是基于微处理器的装置。控制器可以经由串行总线(例如，控制器局域网(can))或经由分立的导体进行通信。例如，存在系统控制器以48(即车辆控制器)以协调各种部件的操作。
34.如所描述的，ev 12在该示例中是具有发动机18和电池24的phev。在其他实施例中，ev 12是电池电动车辆(bev)。在bev配置中，ev 12不包括发动机。
35.现在参考图2，同时继续参考图1，示出了ev 12的电驱动系统的部件的示意图。如图2所示，ev 12的电驱动系统包括牵引电池24、电力电子模块26和电机(即，“马达”)14。电力电子模块26和马达14可以组装在一起，从而形成电驱动系统的“电驱动”单元，诸如图3所示。
36.如上所述，电力电子模块26联接在电池24与马达14之间。电力电子模块26将从电池24提供的dc电力转换成ac电力以提供给马达14。通过这种方式，电力电子模块26利用来自电池24的电力来驱动马达14以推进ev 12。
37.电力电子模块26包括dc侧电容器62和逆变器60(或“逆变器控制系统”(“ics”))。图2所示的逆变器60是示例性逆变器。dc侧电容器62设置在电池24与逆变器60之间并且与电池24并联连接。dc侧电容器62可操作以吸收由逆变器60的功率开关的操作产生的纹波电流并稳定dc侧电压vo以用于逆变器60控制。
38.如普通技术人员已知的，逆变器将dc电力转换成多相ac电力(三相是最常见的)。逆变器可以在驱动电机(即，马达驱动)或电制动电机(即，发电)的任一方向上(双向)移动电力。逆变器系统由电力电子硬件(开关)和控制软件的组合组成(图2是代表性附图)。可以通过断开和闭合逆变器中的功率开关来快速调整电流。
39.许多逆变器系统(包括与本发明的实施例相关的逆变器，诸如逆变器60)执行闭环电流控制以精确地控制电机。为了实现这一点，用电流传感器感测逆变器的每个相中的电流，并且将对应的信号提供给逆变器系统的控制器。最常见的方法是感测所有相，但是可以从其他相电流的知识推断出任何一个相电流。电流传感器可以使用不同的技术和/或以不同的技术实施，并且下面讨论的图2中所示的电流传感器70仅是一个示例。此类电流传感器
通常集成到逆变器中。
40.逆变器60包括诸如多个功率开关单元64的反相电路和发热部件。如普通技术人员已知的，在示例性示例中，逆变器60包括三组成对的功率开关单元64(即，三个
×
两个＝总共六个功率开关单元64，如图2所示)。每组成对的功率开关单元64包括串联连接的两个功率开关单元64。每个功率开关单元64包括与二极管68反向并联布置的晶体管形式的功率开关66。在该示例中，晶体管是绝缘栅双极晶体管(igbt)。每组成对的功率开关单元64与电池24和dc侧电容器62并联连接，并且由此每组成对的功率开关单元形成逆变器60的“相”。通过这种方式，具有三组成对的功率开关单元64的逆变器60是三相逆变器，其可操作以将来自电池24的dc电力转换成三相ac电力以提供给马达14。
41.此外，逆变器60的每个相包括电流传感器70。例如，每个电流传感器70是与对应相的输出串联连接的电阻分流器。电流传感器70可操作以感测从逆变器60的对应相输出到马达14的电流(i
ac
)。
42.此外，电流传感器71与dc侧电容器62相关联。例如，电流传感器71是与dc侧电容器62串联连接的电阻分流器。电流传感器71可操作用于感测dc侧电容器62的纹波电流(i
纹波
)。替代地，基于各种操作参数来计算dc侧电容器62的纹波电流(i
纹波
)。
43.此外，电流传感器73与逆变器60的输入端相关联。例如，电流传感器73是与逆变器60的输入端串联连接的电阻分流器(即，从牵引电池24、dc侧电容器62和逆变器60连接的节点朝向逆变器60延伸)。电流传感器73可操作用于感测由逆变器60汲取的电输入dc电流(i
dc
)。
44.电力电子模块26具有相关联的控制器63。控制器63可以是基于微处理器的装置。控制器63被配置为监测dc侧电容器62的操作并监测和控制逆变器60的操作。具体地，控制器63可操作以控制功率开关66的操作以使逆变器60将经由dc侧电容器62从电池24提供的给定dc电力转换成期望的ac电力以提供给马达14。控制器63与电流传感器70通信以监测从逆变器60提供给马达14的ac电力。控制器63使用电流传感器70的信息作为控制逆变器60的反馈以向马达14输出期望的ac电力。
45.功率开关66与直接测量功率开关的温度的温度传感器(例如，热敏电阻器)(未示出)相关联。例如，每个功率开关66在其中具有嵌入式二极管，所述嵌入式二极管被配置为用作可操作以提供功率开关的温度的温度传感器。控制器63与这些温度传感器通信以监测功率开关66的温度。控制器63可以根据功率开关66的监测温度来控制逆变器60的操作以防止过热。
46.值得注意的是，dc侧电容器62的温度不可直接测量。dc侧电容器62和逆变器60的部件将被保护免受由逆变器在将输入功率转换为输出功率时的操作引起的过高温度的影响。根据实施例，生成dc侧电容器热模型(即，温度计划)以用于保护策略，使得电驱动系统的能力不会如可能具有限制逆变器以相对高的功率(例如，ac i
rms
)输出水平操作的时间的保护策略的情况那样受到不必要的限制。因此，使用dc侧电容器热模型意图使得仅当dc侧电容器62和逆变器60的部件可能过热时才使电驱动系统降低额定。
47.现在参考图3，同时继续参考图1和图2，示出了ev 12的电驱动系统的电驱动单元的测试版本80的透视图。电驱动单元测试版本80包括组装在一起的电力电子模块26和马达14。如图所述，电力电子模块26包括dc侧电容器62和逆变器60。为了测试电驱动单元测试版
本80，提供了用于接纳热电偶的通孔82a、82b。热电偶放置在电力电子模块26的dc侧电容器62上。热电偶可以放置在电力电子模块26的逆变器60的电流传感器70和/或其他部件上。热电偶可以放置在与电力电子模块26相关联的冷却剂(例如，乙二醇)入口和出口上。热电偶可操作以直接测量其上放置有热电偶的部件的温度。在各种热电偶就位的情况下，电驱动单元测试版本80在多个不同的高电流驾驶循环下运行，其中记录dc侧电容器62的温度和逆变器60的任何受监测部件的温度。
48.图4示出了通过用高电流驾驶循环中的第一者来测试电驱动单元测试版本80而生成的绘制信息的第一示例性图形90、通过用高电流驾驶循环中的不同的第二者来测试电驱动单元测试版本而生成的绘制信息的第二示例性图形92以及为所述绘制信息提供标签的图例94。当然，电驱动单元测试版本80可以用许多其他高电流驾驶循环进行测试和/或可以用高电流驾驶循环中的任一者再测试。因而，可以从测试电驱动测试单元版本80中生成任何数量的图形。在图4中简单地提供了与来自用相应的第一和第二不同的高电流驾驶循环测试电驱动单元测试版本80的测试结果有关的第一示例性图形90和第二示例性图形92，作为用高电流驾驶循环测试电驱动单元测试版本80的代表，以用于理解用于生成dc侧电容器热模型的过程的示例。
49.图形90和92的绘制信息(并且如图例94中所标记)包括：在运行电驱动单元测试版本80时记录的逆变器60的dc侧电容器62的温度的曲线图95；以及在运行电驱动单元测试版本80时记录的逆变器60的开关单元64中的一者的开关66中的一者的温度(即，igbt温度)的曲线图96，其中功率开关66中的一者优选地是六个功率开关中的具有最高温度的开关。所绘制信息还包括在运行电驱动单元测试版本80时记录的dc侧电容器62的纹波电流(“i
纹波”)的曲线图97。
50.在运行电驱动单元测试版本80时记录的并且也可以是图形90和92的绘制信息的一部分的其他信息包括逆变器60的部件的温度、电驱动单元测试版本的环境的环境温度、马达14的定子线圈的温度、与电力电子模块26相关联的冷却剂入口和/或冷却剂出口的温度等。
51.图形90和/或92的绘制信息表示电驱动单元测试版本80的电力电子模块26的dc侧电容器62的热模型。由于电驱动单元测试版本80是与ev 12的电驱动系统的电驱动单元相同类型的电驱动单元，因此dc侧电容器热模型表示ev的电力电子模块26的dc侧电容器62。
52.因此，控制器63通过使用以下各项来预测ev 12的电力电子模块26的dc侧电容器62的温度：(i)ev 12的电力电子模块26的逆变器60的功率开关66的测量温度(即，igbt温度)；(ii)ev 12的电力电子模块26的dc侧电容器62的纹波电流(即，i
2纹波
)；以及(iii)根据dc侧电容器热模型确定的未知参数的值。通过这种方式，控制器63使用dc侧电容器热模型和已知的感测(即，测量和/或计算)量、igbt温度(t
igbt
)和dc侧电容器纹波电流(i
2纹波
)来预测ev 12的电力电子模块26的dc侧电容器62的温度。(如本文所述，ev 12的电力电子模块26的dc侧电容器62的温度不可直接测量，并且由此“预测”dc侧电容器62的温度)。
53.现在将描述用于基于dc侧电容器热模型获得参数信息的过程。作为参考，图5示出了指示涉及在ev的电驱动系统的操作期间ev 12的电力电子模块26的dc侧电容器62和逆变器60的功率开关66的热力学的框图。
54.用于根据igbt温度(t
igbt
)和dc侧电容器纹波电流(i
2纹波
)预测dc侧电容器62的温度
的控制热方程是：
55.(1)
[0056][0057]irms
是从逆变器60输出到马达14(或由逆变器从发电机14接收)的电流的rms值；m是调制指数；并且pf是功率因数。
[0058]
将变量重新布置和分组提供以下热方程：
[0059]
(2)
[0060]
微分方程的解：
[0061]
(3)
[0062]rt
是热阻，单位为[k/w]，r是电阻，单位为[v/a]，c是热容，单位为[w-s/k]，并且α是热时间常数，单位为[1/s]。常数α和常数rr
t
是未知的。(常数rr
t
是体积常数)。温度t(0)是接通时dc侧电容器62的温度。
[0063]
在这种背景下不能独立地求解推导中使用的各个参数(并且没有必要这样做)，但是可以将它们归为两个参数(α和rr
t
)，所述两个参数可以拟合到从测试电驱动单元测试版本80获得的记录数据(例如，诸如在示例性图形90和92中绘制的记录数据的记录数据)。在这方面，将未知常数α和rr
t
拟合到从测试电驱动单元测试版本80获得的记录数据。诸如通过使用最小二乘算法将未知常数拟合到实验数据。对于用于示出本发明的该示例的特定硬件，未知常数被确定为：
[0064]
(4)a＝0.0014[s-1
]
[0065]
rr
t
＝0.00080[ka-2
]
[0066]
当已知dc侧电容器62的初始温度(t(0))时，具有拟合参数α＝0.0014[s-1
]和rr
t
＝0.00080[ka-2
]的dc侧电容器热模型相对好地拟合实验数据(r2～0.97-0.99)。
[0067]
现在参考图6，同时继续参考先前附图，示出了描绘用于根据电力电子模块26的dc侧电容器62的预测温度来控制ev 12的电驱动系统以防止dc侧电容器和逆变器60的部件过热的方法和系统的操作的流程图100。所述操作包括控制器63存储根据dc侧电容器热模型确定的拟合参数α和rr
t
的值，如框102中所指示。如上文所讨论的，这些拟合参数α和rr
t
是用于确定dc侧电容器62的温度的热方程的参数。dc侧电容器热方程的其他参数包括ibgt温度和dc侧电容器纹波电流，它们是已知的感测(即，测量和/或计算)量。
[0068]
当ev 12的电驱动系统在使用中时，所述操作还包括控制器63接收指示逆变器60的开关单元64的功率开关66的温度(即，igbt温度(t
igbt
))的信号和指示dc侧电容器62的纹波电流(i
纹波
)的信号，如框104中所指示。控制器63从直接测量开关的温度的温度传感器接收指示igbt温度(t
igbt
)的信号。控制器63可以从直接测量dc侧电容器62的纹波电流的电流传感器71接收指示dc侧电容器纹波电流的信号。
[0069]
所述操作还包括控制器63通过使用以下各项来预测在电驱动系统随时间推移操作时dc侧电容器62的温度(t(t))：(i)igbt温度(t
igbt
)，(ii)dc侧电容器纹波电流(i
2纹波
)，以及(iii)根据dc侧电容器热模型确定的拟合参数α和rr
t
的值，如框106中所指示。具体地，控制器63使用igbt温度(t
igbt
)值、dc侧电容器纹波电流(i
2纹波
)值和拟合参数的值来求解微分
方程(上面的方程(3))以预测dc侧电容器62的温度。在这方面，控制器63根据以下方程实施微分方程的解的离散版本：
[0070]
(5)
[0071]
δt＝t
j-t
j-1
[0072]
λ＝
∝
δt
[0073][0074]
t
cap
(tj)＝t
cap
(t
j-1
)c
td
+gj(1-c
td
)
[0075]
tj是计算dc侧电容器62的温度(tcap)的当前时间，并且t
j-1
是计算dc侧电容器62的温度(tcap)的前一时间。如果不存在前一温度历史记录(例如，第一次接通事件)，则使用
[0076]
tj＝now()；以及
[0077]
t
cap
(tj)＝min(t
cap_max，
t
igbt
(tj)+t
偏移
)
[0078]
在实施例中，离散解(方程(5))利用梯形积分来求解一般微分热方程(方程(3))。该实施例并不意味着限制，因为其他离散解也是可能的。
[0079]
所述操作还包括控制器63将dc侧电容器的预测温度与预确定温度阈值进行比较，如框108所指示。控制器63在dc侧电容器62的预测温度高于预确定温度阈值时使逆变器60降低额定，以由此防止dc侧电容器和逆变器60的部件过热，如框110中所指示。例如，控制器63通过减小由逆变器从电池24接收的输入功率、修改逆变器的功率开关的开关时间表或在一段时间内暂停逆变器的操作等来使逆变器60“降低额定”。
[0080]
当然，系统控制器48可能能够操作以在从控制器63接收到指示dc侧电容器62的预测温度的信号时执行这些步骤中的任一者。因此，系统控制器48可以在dc侧电容器62的预测温度高于预确定温度阈值时使逆变器60、dc侧电容器62和/或电驱动系统的其他部件降低额定。
[0081]
如所述，可以基于ev 12已知的信息(即，功率开关温度和dc侧电容器纹波电流)来对dc侧电容器62的温度进行建模。dc侧电容器热模型可以潜在地替换已经用于保护dc侧电容器和逆变器部件的对rms电流的基于时间的限制，由此维持对dc侧电容器和逆变器的保护而不会不必要地使电驱动能力折衷。
[0082]
如所述，逆变器系统中的dc侧电容器已经通过直接测量dc侧电容器温度或经由每单位时间允许的电流平方量来进行保护。直接测量dc侧电容器温度的成本令人望而却步，并且在许多用例中限制每单位时间允许的电流量是过于保守的。
[0083]
如所述，本发明的实施例因此提供预测dc侧电容器温度，由此将硬件使用最大化，同时仍然保护硬件免受滥用。在这方面，参考温度(即，逆变器60的功率开关66的感测温度)和加热机制(即，dc侧电容器62的感测纹波电流)用于预测dc侧电容器62的温度。dc侧电容器62的预测温度通过dc侧电容器热方程与参考温度和加热机制相关。dc侧电容器热方程具有表示参考温度和加热机制对dc侧电容器62的预测温度的贡献的参数值。经由在测试逆变器系统的测试版本时直接测量dc侧电容器从dc侧电容器热模型获得参数值。对逆变器系统的测试版本的测试包括用dc侧电容器上的热电偶收集温度数据，以及收集可能有助于加热
的数据，所述数据包括参考温度。然后用分析工具(诸如matlab)拟合所收集的温度数据，直到确定参数值导致拟合误差可接受。然后将温度估计与控制策略相结合，以有效地保持加热机制恒定或更低，由此阻止预测温度升高。控制策略在运行时期间是连续的，以平衡硬件保护与性能。当用户以各种时间间隔接通或利用接通事件时，可以验证和确证温度估计准确度。
[0084]
根据本发明的其他实施例，通过使用相同类型的参考温度(即，逆变器60的功率开关66的感测温度)和另一种类型的加热机制来预测dc侧电容器62的温度。在某些实施例中，另一种类型的加热机制是由逆变器60汲取的感测输入dc电流(i
dc
)，如由电流传感器73测量的。在这种情况下，dc侧电容器热方程是：
[0085][0086]
通过上述方式，将该dc侧电容器热方程重新排列为具有未知常数的方程，其拟合到通过测试电驱动单元测试版本80获得的实验数据。作为由逆变器60汲取的感测输入dc电流的加热机制的dc侧电容器热模型/方程具有与原始类型的加热机制(即，dc侧电容器62的感测纹波电流)相同的格式，但是参数值将随着两个电流的不同而不同。
[0087]
此外，根据本发明的其他实施例，通过使用相同类型的参考温度(即，逆变器60的功率开关66的感测温度)和两种类型的加热机制(即，dc侧电容器62的感测纹波电流和由逆变器60汲取的感测输入dc电流)来预测dc侧电容器62的温度。在这些实施例中，dc侧电容器热模型/方程的格式对应地改变。特定地，这种情况下的dc侧电容器热方程是：
[0088][0089]
dc侧电容器62的感测纹波电流(i
纹波
)和由逆变器60汲取的感测输入dc电流(i
dc
)是已知量。通过上述方式，将该dc侧电容器热方程重新排列为具有未知常数的方程，其拟合到通过测试电驱动单元测试版本80获得的实验数据。
[0090]
此外，根据本发明的其他实施例，通过使用相同类型的参考温度(即，逆变器60的功率开关66的感测温度)和两种其他类型的加热机制(即，由逆变器60汲取的感测输入dc电流和逆变器60的感测输出ac电流)来预测dc侧电容器62的温度。在这些实施例中，dc侧电容器热模型/方程的格式对应地改变。特定地，这种情况下的dc侧电容器热方程是：
[0091][0092]
由逆变器60汲取的感测输入dc电流(i
dc
)和逆变器60的感测输出ac dc电流(i
ac
)是已知量。通过上述方式，将该dc侧电容器热方程重新排列为具有未知常数的方程，其拟合到通过测试电驱动单元测试版本80获得的实验数据。
[0093]
尽管上面描述了示例性实施例，但是并不旨在这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语是描述性的词语而不是限制性的词语，并且应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。另外，可以组合各种实施实施例的特征以形成本发明的另外的实施例。
[0094]
根据本发明，提供了一种电驱动系统，其具有：电力电子模块，所述电力电子模块具有dc侧电容器和逆变器；以及控制器，所述控制器被配置为在所述逆变器的功率开关的
感测温度、所述电力电子模块的感测电流以及所述dc侧电容器的参数值指示所述dc侧电容器的预测温度高于阈值时减少所述逆变器的功率输出以维持dc侧电容器温度低于所述阈值。
[0095]
根据实施例：所述dc侧电容器的参数值从所述dc侧电容器的热模型获得。
[0096]
根据实施例：所述dc侧电容器的热模型是从在多个驾驶循环下测试所述电力电子模块的测试版本导出的，其中对于每个驾驶循环，记录一组信息，该组信息包括所述电力电子模块的测试版本的逆变器的功率开关的感测温度、所述电力电子模块的测试版本的感测电流以及所述电力电子模块的测试版本的dc侧电容器的感测温度。
[0097]
根据实施例：所述电力电子模块的测试版本的感测电流是所述电力电子模块的测试版本的dc侧电容器的感测纹波电流；并且通过找到具有功率开关温度、dc侧电容器纹波电流和所述参数的变量的dc侧电容器温度热方程的哪些值拟合针对所述驾驶循环中的至少一者记录的该组信息，从所述dc侧电容器的热模型获得所述dc侧电容器的参数值。
[0098]
根据实施例：所述电力电子模块的感测电流是所述dc侧电容器的感测纹波电流。
[0099]
根据实施例：所述电力电子模块的感测电流包括由所述逆变器汲取的感测dc电流，由所述逆变器汲取的感测dc电流和所述dc侧电容器的感测纹波电流，或由所述逆变器汲取的感测dc电流和由所述逆变器输出的感测ac电流。
[0100]
根据实施例：所述控制器还被配置为使所述dc侧电容器的操作降低额定以减小所述逆变器的功率输出。
[0101]
根据实施例，所述电驱动系统用于电动车辆，并且还包括牵引电池和马达，所述dc侧电容器设置在所述牵引电池与所述逆变器之间；并且所述逆变器被配置为将经由所述dc侧电容器来自所述牵引电池的输入电力转换成输出电力，并且向所述马达提供所述输出电力以推进所述电动车辆。
[0102]
根据实施例：所述逆变器的功率开关是绝缘栅双极晶体管(igbt)。
[0103]
根据本发明，提供了一种电动车辆，其具有：电驱动系统，所述电驱动系统包括牵引电池、具有dc侧电容器和逆变器的电力电子模块、以及马达，所述逆变器被配置为将经由所述dc侧电容器来自所述牵引电池的输入电力转换成输出电力并且向所述马达提供所述输出电力以推进所述电动车辆；控制器，所述控制器被配置为使用所述逆变器的功率开关的感测温度、所述电力电子模块的感测电流以及从所述dc侧电容器的热模型获得的参数值来预测所述dc侧电容器的温度；并且所述控制器还被配置为在所述dc侧电容器的预测温度高于温度阈值时使所述电驱动系统降低额定以防止过热。
[0104]
根据实施例：所述dc侧电容器的热模型是从在多个驾驶循环下测试所述电力电子模块的测试版本导出的，其中对于每个驾驶循环，记录一组信息，该组信息包括所述电力电子模块的测试版本的逆变器的功率开关的感测温度、所述电力电子模块的测试版本的感测电流以及所述电力电子模块的测试版本的dc侧电容器的感测温度。
[0105]
根据实施例：所述电力电子模块的测试版本的感测电流是所述电力电子模块的测试版本的dc侧电容器的感测纹波电流；并且通过找到具有功率开关温度、dc侧电容器纹波电流和所述参数的变量的dc侧电容器温度热方程的哪些值拟合针对所述驾驶循环中的至少一者记录的该组信息，从所述dc侧电容器的热模型获得所述参数值。
[0106]
根据实施例：所述电力电子模块的感测电流是所述dc侧电容器的感测纹波电流。
[0107]
根据实施例：所述电力电子模块的感测电流包括由所述逆变器汲取的感测dc电流，由所述逆变器汲取的感测dc电流和所述dc侧电容器的感测纹波电流，或由所述逆变器汲取的感测dc电流和由所述逆变器输出的感测ac电流。
[0108]
根据本发明，一种用于包括具有逆变器和dc侧电容器的电力电子模块的电驱动系统的方法包括：感测所述逆变器的功率开关的温度；感测所述电力电子模块的电流；以及在所述功率开关的感测温度、所述电力电子模块的感测电流以及所述dc侧电容器的参数值指示所述dc侧电容器的预测温度高于阈值时减少所述逆变器的功率输出以维持dc侧电容器温度低于所述阈值。
[0109]
在本发明的一个方面中，所述方法包括：从所述dc侧电容器的热模型获得所述dc侧电容器的参数值。
[0110]
在本发明的一个方面中，所述方法包括：从在多个驾驶循环下测试所述电力电子模块的测试版本导出所述dc侧电容器的热模型，其中对于每个驾驶循环，记录一组信息，该组信息包括所述电力电子模块的测试版本的逆变器的功率开关的感测温度、所述电力电子模块的测试版本的感测电流以及所述电力电子模块的测试版本的dc侧电容器的感测温度。
[0111]
在本发明的一个方面中：所述电力电子模块的测试版本的感测电流是所述电力电子模块的测试版本的dc侧电容器的感测纹波电流；并且从所述dc侧电容器的热模型获得所述dc侧电容器的参数值包括找到具有功率开关温度、dc侧电容器纹波电流和所述参数的变量的dc侧电容器温度热方程的哪些值拟合针对所述驾驶循环中的至少一者记录的该组信息。
[0112]
在本发明的一个方面中：所述电力电子模块的感测电流是所述dc侧电容器的感测纹波电流。
[0113]
在本发明的一个方面中：所述电力电子模块的感测电流包括由所述逆变器汲取的感测dc电流，由所述逆变器汲取的感测dc电流和所述dc侧电容器的感测纹波电流，或由所述逆变器汲取的感测dc电流和由所述逆变器输出的感测ac电流。

技术特征：
1.一种电驱动系统，其包括：电力电子模块，所述电力电子模块具有dc侧电容器和逆变器；以及控制器，所述控制器被配置为在所述逆变器的功率开关的感测温度、所述电力电子模块的感测电流以及所述dc侧电容器的参数值指示所述dc侧电容器的预测温度高于阈值时减少所述逆变器的功率输出以维持dc侧电容器温度低于所述阈值。2.根据权利要求1所述的电驱动系统，其中：所述dc侧电容器的所述参数值从所述dc侧电容器的热模型获得。3.根据权利要求2所述的电驱动系统，其中：所述dc侧电容器的所述热模型是从在多个驾驶循环下测试所述电力电子模块的测试版本导出的，其中对于每个驾驶循环，记录一组信息，所述组信息包括所述电力电子模块的所述测试版本的所述逆变器的所述功率开关的感测温度、所述电力电子模块的所述测试版本的感测电流以及所述电力电子模块的所述测试版本的所述dc侧电容器的感测温度。4.根据权利要求3所述的电驱动系统，其中：所述电力电子模块的所述测试版本的所述感测电流是所述电力电子模块的所述测试版本的所述dc侧电容器的感测纹波电流；并且通过找到具有功率开关温度、dc侧电容器纹波电流和所述参数的变量的dc侧电容器温度热方程的哪些值拟合针对所述驾驶循环中的至少一者记录的所述组信息，从所述dc侧电容器的所述热模型获得所述dc侧电容器的所述参数值。5.根据权利要求1所述的电驱动系统，其中：所述电力电子模块的所述感测电流是所述dc侧电容器的感测纹波电流。6.根据权利要求1所述的电驱动系统，其中：所述电力电子模块的所述感测电流包括由所述逆变器汲取的感测dc电流，由所述逆变器汲取的所述感测dc电流和所述dc侧电容器的感测纹波电流，或由所述逆变器汲取的所述感测dc电流和由所述逆变器输出的感测ac电流。7.根据权利要求5所述的电驱动系统，其中：所述控制器还被配置为通过使所述dc侧电容器的操作降低额定以减小所述逆变器的功率输出。8.一种电动车辆，其包括：电驱动系统，所述电驱动系统包括牵引电池、具有dc侧电容器和逆变器的电力电子模块、以及马达，所述逆变器被配置为将经由所述dc侧电容器来自所述牵引电池的输入电力转换成输出电力并且向所述马达提供所述输出电力以推进所述电动车辆；控制器，所述控制器被配置为使用所述逆变器的功率开关的感测温度、所述电力电子模块的感测电流以及从所述dc侧电容器的热模型获得的参数值来预测所述dc侧电容器的温度；并且所述控制器还被配置为在所述dc侧电容器的预测温度高于温度阈值时使所述电驱动系统降低额定以防止过热。9.根据权利要求8所述的电动车辆，其中：所述dc侧电容器的所述热模型是从在多个驾驶循环下测试所述电力电子模块的测试版本导出的，其中对于每个驾驶循环，记录一组信息，所述组信息包括所述电力电子模块的
所述测试版本的所述逆变器的所述功率开关的感测温度、所述电力电子模块的所述测试版本的感测电流以及所述电力电子模块的所述测试版本的所述dc侧电容器的感测温度。10.根据权利要求9所述的电动车辆，其中：所述电力电子模块的所述测试版本的所述感测电流是所述电力电子模块的所述测试版本的所述dc侧电容器的感测纹波电流；并且通过找到具有功率开关温度、dc侧电容器纹波电流和所述参数的变量的dc侧电容器温度热方程的哪些值拟合针对所述驾驶循环中的至少一者记录的所述组信息，从所述dc侧电容器的所述热模型获得所述参数值。11.根据权利要求8所述的电动车辆，其中：所述电力电子模块的所述感测电流是所述dc侧电容器的感测纹波电流。12.一种用于包括具有逆变器和dc侧电容器的电力电子模块的电驱动系统的方法，所述方法包括：感测所述逆变器的功率开关的温度；感测所述电力电子模块的电流；以及在所述功率开关的感测温度、所述电力电子模块的感测电流以及所述dc侧电容器的参数值指示所述dc侧电容器的预测温度高于阈值时减少所述逆变器的功率输出以维持dc侧电容器温度低于所述阈值。13.根据权利要求12所述的方法，其还包括：从所述dc侧电容器的热模型获得所述dc侧电容器的所述参数值。14.根据权利要求13所述的方法，其还包括：从在多个驾驶循环下测试所述电力电子模块的测试版本导出所述dc侧电容器的所述热模型，其中对于每个驾驶循环，记录一组信息，所述组信息包括所述电力电子模块的所述测试版本的所述逆变器的所述功率开关的感测温度、所述电力电子模块的所述测试版本的感测电流以及所述电力电子模块的所述测试版本的所述dc侧电容器的感测温度。15.根据权利要求14所述的方法，其中：所述电力电子模块的所述测试版本的所述感测电流是所述电力电子模块的所述测试版本的所述dc侧电容器的感测纹波电流；并且从所述dc侧电容器的所述热模型获得所述dc侧电容器的所述参数值包括找到具有功率开关温度、dc侧电容器纹波电流和所述参数的变量的dc侧电容器温度热方程的哪些值拟合针对所述驾驶循环中的至少一者记录的所述组信息。

技术总结
本公开提供“根据DC侧电容器的预测温度控制电驱动系统的方法和系统”。一种电驱动系统包括具有DC侧电容器和逆变器的电力电子模块(PEM)。控制器在逆变器功率开关的感测温度、PEM的感测电流(诸如DC侧电容器的感测纹波电流)以及DC侧电容器的参数值指示所述电容器的预测温度高于阈值时减小逆变器的功率输出以维持电容器温度低于所述阈值。所述参数值可从所述DC侧电容器的热模型获得。所述热模型可以从在不同的驾驶循环下测试PEM的测试版本导出的，其中对于每个驾驶循环，记录一组信息，该组信息包括逆变器功率开关测试版本的感测温度、PEM测试版本的电流以及DC侧电容器测试版本的感测温度。感测温度。感测温度。


技术研发人员：M
受保护的技术使用者：福特全球技术公司
技术研发日：2023.01.20
技术公布日：2023/8/14