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DE102013219789A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer Flussgeschwindigkeit eines Kühlmittels durch einen Kühlkanal - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer Flussgeschwindigkeit eines Kühlmittels durch einen Kühlkanal Download PDF

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DE102013219789A1
DE102013219789A1 DE201310219789 DE102013219789A DE102013219789A1 DE 102013219789 A1 DE102013219789 A1 DE 102013219789A1 DE 201310219789 DE201310219789 DE 201310219789 DE 102013219789 A DE102013219789 A DE 102013219789A DE 102013219789 A1 DE102013219789 A1 DE 102013219789A1
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cooling channel
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DE201310219789
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Sandro Beyer
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Valeo eAutomotive Germany GmbH
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Siemens AG
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Abstract

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Flussgeschwindigkeit (v) eines Kühlmittels (11) mittels mehreren Temperatursensoren (5, 5’, 5’’). Die Temperatursensoren (5, 5’, 5’’) sind beabstandet im Wirkungskreis des Kühlkanals (3), insbesondere bei zu kühlenden Bauteilen (1, 1’) angeordnet und dienen zur Ermittlung des Temperaturdifferenzen (ΔT) zwischen den durch die Temperatursensoren (5, 5’, 5’’) ermittelten Temperaturen (T1, T2, T3). Mittels einer Berechnungseinheit (9) wird die Flussgeschwindigkeit (v) aus dem Temperaturgradient (Temperaturdifferenzen (ΔT)) und der an das Kühlmittel (11) abgegebenen Wärmeleistung (ΔQ/Δt) bestimmt. Die an das Kühlmittel (11) abgegebene Wärmeleistung (ΔQ/Δt) wird entweder durch eine Messeinheit (7) bestimmt oder aus einer Steuerung abgefragt. Die Bestimmung der Flussgeschwindigkeit (v) des Kühlmittels (11) wird mit einer Modellrechnung ausgeführt. Die Modellrechnung liegt der Beobachtung zugrunde, dass umso geringer der Temperaturgradient bzw. die Temperaturdifferenz (ΔT) ist, desto höher ist die Flussgeschwindigkeit (v) des Kühlmittels (11), insbesondere bei konstanter, an das Kühlmittel (11) abgegebener Wärmeleistung (ΔQ/Δt).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Flussgeschwindigkeit eines Kühlmittels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Bestimmung der Flussgeschwindigkeit eines Kühlmittels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10. Weiter betrifft die Erfindung einen Umrichter mit einer solchen Vorrichtung und ein Fahrzeug, das einen solchen Umrichter oder eine solche Vorrichtung aufweist.
  • Umrichter, insbesondere Umrichter für den Einsatz in elektrisch betriebenen Fahrzeugen werden regelmäßig mittels eines Kühlmittels gekühlt. Dabei verlaufen Kühlkanäle durch den Umrichter oder entlang des Umrichters um die Wärme, die der Umrichter aufgrund der elektrischen Verluste abgibt, aufzunehmen. Die Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels wird dabei regelmäßig nicht bestimmt. Gelegentlich kommen Durchflusssensoren zum Einsatz, jedoch sind solche Durchflusssensoren teuer, störungsanfällig und weisen meist eine geringe Lebensdauer auf.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels in einem Kühlkanal zu bestimmen.
  • Diese Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Flussgeschwindigkeit mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Diese Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren mit den im Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Weiter wird diese Aufgabe mittels eines Umrichters gemäß Anspruch 8 sowie durch ein Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
  • Insbesondere in räumlich abgrenzten leistungselektronischen Systemen, die eine hohe Stromstärken umsetzen, wie Umrichter, Elektromotoren oder Leistungsverstärker wird viel Wärmeenergie abgegeben. Für solche leistungselektronische Systeme ist somit meist eine ausreichende Kühlung zum vorschriftsmäßigen Betrieb notwendig. Im Bereich zunehmender Miniaturisierung von solchen leistungselektronischen Systemen, insbesondere im Bereich von Fahrzeugen, ist eine Flüssigkeitskühlung inzwischen weit verbreitet. Oft weisen leistungselektronische Systeme Berechnungseinheiten auf, die zur Steuerung, Regelung und/oder Überwachung des leistungselektronischen Systems dienen. Die Berechnungseinheiten sind meist ein Mikrocontroller oder ein Mikrocomputer.
  • Eine Berechnungseinheit ist vorteilhaft Teil einer globalen Steuerung, wobei die globale Steuerung vorteilhaft einen Aufbau steuert, der das leistungselektronische System aufweist.
  • Leistungselektronische Systeme weisen oft eine Messeinheit auf. Eine Messeinheit ermittelt Spannungen, Stromstärken, Verlustleistungen, Eingangsleistungen, Ausgangsleistungen sowie ggf. weitere belastungsrelevante Parameter, insbesondere für einen Wartungsprozess. Insbesondere zur Überwachung des leistungselektronischen Systems ist eine Messeinheit vorteilhaft. Eine Messeinheit dient vorteilhaft zur Bestimmung von Spannungen und Strömen innerhalb der elektrischen oder elektronischen Einheiten. Ströme und Spannungswerte werden hierbei beispielsweise am Eingang und am Ausgang der elektrischen oder elektronischen Einheit ermittelt und zur Berechnungseinheit übermittelt.
  • Als Temperatursensoren dienen vorteilhaft wärmeabhängige Widerstände, beispielsweise NTC-Widerstände. Die Widerstände sind vorteilhaft innerhalb oder an den Wänden des Kühlkanals lokalisiert. Vorteilhaft ist auch der Einsatz von Temperatursensoren, die ein Halbleiterelement aufweisen.
  • Der Kühlkanal dient zur Kühlung von Bauteilen, insbesondere von leistungselektronischen Bauteilen wie Widerständen, Kondensatoren, Dioden, Transistoren, integrierten Schaltungen, IGBT-Module sowie MOSFETs. Teilweise weisen solche Bauteile bereits Temperatursensoren auf. Vorteilhaft werden weitere Temperatursensoren auf der Oberfläche des Bauteils, insbesondere zwischen der Bauteiloberfläche und dem Kühlkanal und/ oder einem Kühlkörper des Bauteils lokalisiert.
  • Vorteilhaft sind die Temperatursensoren dergestalt anzuordnen, dass eine Messung der Temperatur des vorbeiströmenden Kühlmittels und/oder dessen Umgebungstemperatur erfolgt. Die Temperatursensoren sind vorteilhaft mit der Berechnungseinheit verbunden und übertragen die Temperatur des Kühlmittels an der gemessenen Stelle im Kühlkanal oder am Kühlkanal an die Berechnungseinheit.
  • Durch eine hier beschriebene Vorrichtung oder ein hier beschriebenes Verfahren kann die Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels bei Kenntnis der Querschnittsfläche des Kühlkanals, der Wärmeleistung, die an das Kühlmittel von dem mindestens einem Bauteil abgegeben wurde und dem Anstieg der Temperatur mit der Zeit ermittelt werden. Als Wärmeleistung wird dabei die pro Zeiteinheit abgegebene Wärmemenge des Bauteils oder der Bauteile verstanden. Die Wärmeleistung wird aus der Verlustleistung des Bauteils bestimmt, beispielsweise durch Messung der Eingangs- und Ausgangsspannung und der Messung des Eingangs- und Ausgangsstroms des Bauteils bestimmt. Die Wärmeleistung kann auch durch eine bekannte Betriebsart des Bauteils bekannt sein. Vorteilhaft wird die abgegebene Wärmeleistung anhand des Betriebszustandes des Bauteils oder der Bauteile abgeschätzt. Die Wärmeleistung wird dabei von dem zumindest einen Bauteil an das Kühlmittel abgegeben, wobei sich das Kühlmittel erwärmt.
  • Vorteilhaft sind mehrere Temperatursensoren an verschiedenen Stellen des Bauteils selbst angeordnet. Insbesondere zwischen einem Wärme erzeugenden Teil des Bauteils und dem Kühlkanal oder im Kühlkanal in unmittelbarer Umgebung des Wärme erzeugenden Teils des Bauteils sind besonders vorteilhafte Stellen zur Bestimmung der Temperatur. In einer besonders vorteilhaften Ausführung sind die Temperatursensoren in einer Aussparung des Bauteils und/oder in einer Aussparung des Kühlkanals integriert.
  • Regelmäßig werden in einem Kühlkanal mindestens zwei Temperatursensoren angeordnet, wobei jeweils ein Temperatursensor einem gekühlten Bauteil zugeordnet ist. Die Berechnungseinheit bildet dann einen Temperaturgradienten und/oder eine Differenz von Temperaturen. Die Temperaturen werden vor, nach oder bei dem zu kühlenden Bereich des Bauteils ermittelt. Die Temperaturdifferenzen werden in der Berechnungseinheit mit den Wärmeleistungen verglichen. Durch einen Vergleich der abgegebenen Wärmeleistung und dem damit einhergehenden Anstieg der Temperatur des Kühlmittels ist die Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels mittels eines semiempirischen Modells möglich. Der Vergleich und die Berechnung erfolgt vorteilhaft in der Berechnungseinheit. Möglich ist auch der Einsatz eines einzelnen Temperatursensors, falls die Temperatur des Kühlmittels in zumindest einem Bereich des Kühlkanals konstant ist. Je höher der Temperaturgradient und/oder die Temperaturdifferenzen, desto niedriger ist meist die Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels.
  • Vorteilhaft erfolgt bei Unterschreiten einer festgelegten Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels ein Signal, insbesondere ein Warnsignal. Das Signal kann entweder ein wahrnehmbares Warnsignal sein oder es wird eine zuständige Stelle durch das Signal informiert. Gegebenenfalls kann die Ausgangsleistung des leistungselektronischen Systems gemäß der verbleibenden Kühlleistung reduziert werden.
  • Die Messeinheit dient zur Bestimmung der Eingangsspannungen und Eingangsströme sowie der Ausgangsspannungen und Ausgangsströme des zu kühlenden Bauteils oder der zu kühlenden Bauteile und kann auch außerhalb der elektrischen oder elektronischen Schaltung oder der Einheiten lokalisiert sein. Gegebenenfalls ist eine solche Messeinheit in einem Bauteil integriert.
  • Durch eine solche Vorrichtung kann die Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Kühlkanal ohne den Einsatz eines empfindlichen Durchflusssensors bestimmt werden.
  • Als Kühlmittel dient vorteilhaft Wasser, ggf. mit Zusätzen. Weiter ist auch ein Mineralölerzeugnis als Kühlmittel gut geeignet.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Vorrichtung mehrere Temperatursensoren auf, wobei die Temperatursensoren zur Bestimmung der Temperaturen einzelner Bereiche des Kühlkanals vorgesehen sind und wobei ein erster Temperatursensor und mindestens ein weiterer Temperatursensor in Flussrichtung des Kühlmittels angeordnet sind.
  • Einzelne Bereiche des Kühlkanals sind beispielsweise Bereiche, in denen der Kühlkanal zur Kühlung eines Bauteils dient, der Bereich des Kühlkanals innerhalb des leistungselektronischen Systems und/oder nahe der Einfluss- und/oder des Ausflusses des Kühlmittels in dem leistungselektronischen System.
  • Die Temperatursensoren sind vorteilhaft an den zu kühlenden Bauteilen direkt angeordnet oder vor und/oder nach einem zu kühlenden Bauteil am/im Kühlkanal lokalisiert. Die Temperatursensoren sind vorteilhaft entlang der Flussrichtung des Kühlmittels am und/oder im Kühlkanal angeordnet. Vorteilhaft sind die Temperatursensoren am und/oder im Kühlkanal nahe den Stellen angeordnet, an denen sich das zu kühlende Bauteil oder die zu kühlende Bauteile befinden. Zudem können vorteilhaft Temperatursensoren am Eingang und/oder am Ausgang des zu kühlenden leistungselektronischen Systems angebracht werden.
  • Durch die Verteilung mehrerer Temperatursensoren entlang des Kühlkanals erhöht sich vorteilhaft die Genauigkeit der berechneten Flussgeschwindigkeit.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Bestimmung der Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Kühlkanal anhand mindestens einer Differenz der ermittelten Temperaturen und der von mindestens einen Bauteil an das Kühlmittel abgegebene Wärmeleistung vorgesehen, wobei die Differenz der ermittelten Temperatur eine Differenz der Temperatur des Kühlmittels vor dem mindestens einen Bauteil und der Temperatur des Kühlmittels nach dem mindestens einem Bauteil ist.
  • Die Differenz der ermittelten Temperaturen des Kühlmittels an verschiedenen Stellen des Kühlkanals, insbesondere entlang der Flussrichtung des Kühlmittels im Kühlkanal, kann als ein Maß für die Kühlwirkung des Kühlmittels herangezogen werden. Eine hohe Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels führt zu einem schnellen Abtransport der Wärme, die von dem zu kühlenden Bauteil an das Kühlmittel abgegeben worden ist. Falls die abgegebene Wärmemenge bekannt ist, so kann mittels der Berechnungseinheit anhand der Differenz der ermittelten Temperaturen die Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels ermittelt werden. Die Temperaturen sind mittels der Temperatursensoren ermittelbar. Weiter ist auch Ermittlung von Temperaturen durch eine Simulation erreichbar.
  • Bei ausgedehnten oder flächigen Temperatursensoren kann ein Temperaturgradient entgegen und/oder entlang der Flussrichtung ermittelt werden und eine Berechnung der Flussgeschwindigkeit anhand des Temperaturgradienten erfolgen. Dabei ersetzt der Temperaturgradient die Temperaturdifferenz in der Berechnung, wobei gegebenenfalls einige Parameter bei der Berechnung der Flussgeschwindigkeit anzupassen sind.
  • Durch die Verwendung von Temperaturdifferenzen oder Temperaturgradienten für die Bestimmung der Flussgeschwindigkeit nicht abhängig von der Temperatur des Kühlmittels. So sind Schwankungen bei der Temperatur des Kühlmittels vor dem Durchfluss durch den Kühlkanal ausgeglichen unerheblich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist mindestens ein Temperatursensor unterschiedlichen Bauteilen zugeordnet oder ein jeweilig zu kühlendes Bauteil weist mindestens einen eigenen Temperatursensor auf.
  • Je nach Ausgestaltung der Vorrichtung sind unterschiedlich viele Temperatursensoren notwendig, um eine ausreichend genaue Bestimmung der Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels zu ermitteln. Vorteilhaft ist dabei ein Temperatursensor am Eingang des Kühlmittelkanals, d.h. vor den Bauteilen, lokalisiert und ein Temperatursensor am Ende des Kühlmittelkanals, also nach der Kühlung der Bauteile durch das Kühlmittel, lokalisiert. Dabei ist die Wärmeleistung, welche an das Kühlmittel abgegeben worden ist, die Summe der Wärmeleistungen, die ein jedes Bauteil an das Kühlmittel abgegeben hat. Durch diese Ausführungsform sind vorteilhaft nur zwei Temperatursensoren notwendig.
  • Für eine genauere Bestimmung der Flussgeschwindigkeit, insbesondere bei verzweigten Kühlkanälen, kann ein Bauteil auch mehrere Temperatursensoren aufweisen, wobei die Temperatursensoren vorteilhaft entlang der Flussrichtung des Kühlmittels angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist vorteilhaft eine besonders genaue und lokale Bestimmung der Flussgeschwindigkeit möglich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Bauteil mindestens zwei Temperatursensoren auf, wobei die Temperatursensoren an unterschiedlichen Stellen des Bauteils angeordnet sind und wobei die Temperatursensoren sowohl zur Bestimmung der Temperatur einzelner Bereiche des Bauteils als auch zur Bestimmung von Differenzen der mittels der Temperatursensoren ermittelten Temperatur des Kühlmittels innerhalb des Kühlkanals vorgesehen sind.
  • Falls ein Bauteil mehrere Bereiche aufweist, wobei einzelne Bereiche eine unterschiedliche Wärmeleistung an das Kühlmittel abgeben, beispielsweise eine integrierte Schaltung oder ein IGBT-Modul, so ist es vorteilhaft, die abgegebene Wärmeleistung bereichsweise zu ermitteln. Insbesondere ein Halbleiterbauteil oder ein Verbund von mehreren Halbleiterbauteilen in einem Gehäuse weist mehrere Bereiche auf, die, je nach Betriebszustand, gleichmäßig oder ungleichmäßig Wärme erzeugen. Oft sind die einzelnen Wärmeleistungen durch eine Messeinrichtung gesondert bestimmbar.
  • Durch die Verwendung mehrerer Temperatursensoren an einem Bauteil kann eine Abweichung der abgegebenen Wärmeleistung registriert werden. Somit ist eine Überwachung des Bauteils möglich.
  • Während des normalen Betriebes des Bauteils ist mit Hilfe einer hier beschriebenen Vorrichtung möglich, die Flussgeschwindigkeit dem Bauteil selbst zuzuordnen. So ist einerseits eine Bestimmung der globalen Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels möglich als auch eine lokale Flussgeschwindigkeit bestimmbar, die einem bestimmten Bauteil zugeordnet ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Bauteil ein Halbleiterelement auf.
  • Insbesondere Halbleiterelemente dienen zur Schaltung und Beeinflussung von hohen elektrischen Leistungen. Zu derartigen Bauteilen mit einem Halbleiterelement zählen Transistoren, Dioden und integrierte Schaltkreise. Anwendungsbereiche solcher Bauteile sind beispielsweise Umrichter, Gleichrichter, Schalteinrichtungen für hohe Spannungen und Ströme oder Leistungsverstärker.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauteil ein IGBT-Modul (Insulated Gate Bipolar Transistor), wobei das IGBT-Modul drei Temperatursensoren aufweist, wobei die Temperatursensoren des IGBT-Moduls zur Ermittlung der Differenzen der Temperatur im Kühlkanal vorgesehen sind.
  • Ein IGBT-Modul verfügt regelmäßig über drei Halbleitereinheiten, jeweils bestehend aus einem IGBT und einer Diode. Diese Halbleitereinheiten werden auch als Halbbrücken bezeichnet.
  • Vorteilhaft ist jeder der Halbbrücken ein eigener Temperatursensor zugeordnet. Die Temperatursensoren sind entweder schon in dem IGBT-Modul integriert oder zwischen dem IGBT-Modul und dem Kühlkanal lokalisiert oder im Kühlkanal selbst lokalisiert.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführung weist das IGBT-Modul drei Temperatursensoren auf, wobei die Temperatursensoren meist als NTC-Widerstände ausgeführt sind. Oft weist ein Umrichter mehrere IGBT-Module auf. In einem solchen Fall ist es möglich, die Temperaturdifferenzen zwischen den Temperatursensoren der unterschiedlichen IGBT-Module zu ermitteln. Insbesondere, falls die IGBT-Module an unterschiedlichen Stellen des Kühlkanals angeordnet sind, können Differenzen von Temperaturen an weit voneinander entfernt liegenden Temperatursensoren ermittelt werden. Dieses Vorgehen erhöht vorteilhaft die Genauigkeit der Bestimmung der Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels.
  • Bei einem ordnungsgemäß funktionierenden IGBT-Modul geben die drei Halbbrücken regelmäßig jeweils die gleiche Wärmeleistung an den Kühlkanal bzw. das Kühlmittel ab. Daher gilt, je höher die abgegebene Leistung bei gleicher Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels, desto höher ist der Temperaturgradient, bzw. die Differenzen der Temperaturen, die durch die einzelnen beabstandeten Temperatursensoren ermittelt worden sind. Dementsprechend ändert sich bei einer konstanten abgegebenen Wärmeleistung durch die Halbbrücken des IGBT-Moduls und einer veränderten Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels der Temperaturgradient, bzw. die Temperaturdifferenzen, die von jeweils zwei beabstandeten Temperatursensoren ermittelt worden sind.
  • Hierbei misst die Messeinheit die elektrische Eingangsleistung und die elektrische Ausgangsleistung des IGBT-Moduls bzw. der zwei IGBT-Module. Die Eingangsleistung berechnet sich aus dem Produkt der Eingangsspannung mit dem Eingangsstrom. Die Ausgangsleistung berechnet sich aus dem Produkt des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung. Aus der Differenz der Eingangsleistung und der Ausgangsleistung ist die an das Kühlmittel und/oder den Kühlkanal abgegebene Wärmeleistung ermittelbar. Die Berechnung der Wärmeleistung erfolgt vorteilhaft in der Berechnungseinheit. Weiter ist die Flussgeschwindigkeit durch die Berechnungseinheit und der ermittelten Temperaturen bestimmbar.
  • Ein vorteilhaftes Einsatzgebiet der Erfindung ist ein Umrichter, insbesondere als Teil einer Ansteuerung einer elektrischen Maschine. Weiter vorteilhaft ist eine solche Vorrichtung in einem, zumindest teilweise, elektrisch betriebenen Fahrzeug einsetzbar. Bei einem, zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeug ist die Erfindung besonders vorteilhaft in einem Umrichter des Fahrzeugs einsetzbar. Weitere Einsatzgebiete der Erfindung sind Elektromotoren, Leistungsendstufen, Netzteile oder Computer.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden mittels drei Temperatursensoren zwei Differenzen von Temperaturen ermittelt, wobei die Bestimmung der Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels anhand der beiden Differenzen von Temperaturen und der an das Kühlmittel abgegebenen Wärmeleistung erfolgt.
  • Die Berechnung der Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels findet in der Berechnungseinheit statt. Die Berechnung der Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels erfolgt mittels einer Berechnungsvorschrift, wobei die Berechnungsvorschrift als Eingangsparameter den Typ des zu kühlenden Bauteils oder die Typen der zu kühlenden Bauteile, die Geometrie des Kühlkanals, die Art des Kühlmittels sowie ggf. weiterer Daten der zu kühlenden Einheit, beispielsweise des Umrichters, verarbeitet. Werte, die sich mit der Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels nicht oder in geringem Maß ändern, sind vorteilhaft als Konstanten in der Berechnungsvorschrift integriert. Als sich ändernde Größen gehen in die Berechnungsvorschrift die Temperaturen ein, die mittels der Temperatursensoren ermittelt wurden. Die Eingangsleistung und die Ausgangsleistung können auch konstant sein. Falls die Eingangsleistung und die Ausgangsleistung konstant oder vorhersagbar sind, kann die Messeinheit für die Eingangsleistung und die Ausgangsleistung vorteilhaft entfallen. Aus den Temperaturen an einzelnen, voneinander beabstandeten Punkten/Bereichen des Kühlkanals und/oder des mit dem Kühlkanal in Wechselwirkung stehenden Bauteils wird ein Temperaturgradient berechnet. In einem einfachen Fall sind die Temperaturgradienten proportional zu den Differenzen der ermittelten Temperaturen. Aus mehreren Differenzen der Temperaturen kann vorteilhaft auch ein gemeinsamer Temperaturgradient berechnet werden. Der Berechnungsvorschrift liegt zugrunde, dass bei einem hohen Temperaturgradient regelmäßig eine geringe Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels vorliegt. Bei einem Anstieg der Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels nehmen der Temperaturgradient bzw. die Differenz der Temperaturen regelmäßig ab. Bei einer nur geringen Differenz der ermittelten Temperaturen ist meist von einer ausreichenden Flussgeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Kühlkanal auszugehen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen
  • 1 ein Bauteil an einem Kühlkanal,
  • 2 ein Bauteil an einem Kühlkanal mit drei Temperatursensoren,
  • 3 zwei Bauteile mit jeweils einem Temperatursensor und ein dritter Temperatursensor im Kühlkanal sowie
  • 4 ein IGBT-Modul mit drei integrierten Temperatursensoren.
  • 1 zeigt ein Bauteil 1 an einem Kühlkanal 3. Der Kühlkanal wird von einem Kühlmittel 11 durchflossen. Die Flussrichtung des Kühlmittels 11 ist durch einen waagerechten Pfeil unterhalb des Bauteils dargestellt. Das Bauteil 3 weist an seiner Unterseite zwei Temperatursensoren 5 auf. Die Temperatursensoren 5 sind in Flussrichtung des Kühlmittels 11 beabstandet. Der Kühlkanal 3 dient zur Kühlung des Bauteils 1. In der in 1 gezeigten Ausführung steht das Bauteil 1 in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel 11. Je nach Empfindlichkeit des Bauteils 1 kann das Bauteil 1 auch außerhalb des Kühlkanals 3 montiert sein und über die Außenwand des Kühlkanals 3 mit dem Kühlmittel 11 in thermischer Wechselwirkung stehen.
  • Mittels einer Messeinheit 7 wird die elektrische Verlustleistung PVerlust = Pin – Pout aus der Eingangsleistung Pin und der Ausgangsleistung Pout des Bauteils 1 ermittelt. Aus der ermittelten elektrischen Verlustleistung PVerlust wird die Wärmeleistung ΔQ/Δt berechnet, die das Bauteil 1 während des Betriebes an das Kühlmittel 11 abgibt. Die Wärmeleistung ΔQ/Δt ist regelmäßig ein konstanter Anteil der elektrischen Verlustleistung PVerlust. Die Verlustleitung PVerlust wird an die Berechnungseinheit 9 übertragen. Die mittels der Temperatursensoren 5, 5’ ermittelten Temperaturen T1, T2 werden an die Berechnungseinheit 9 übertragen. Die Berechnungseinheit 9 berechnet aus den Temperaturen T1 und T2 die Temperaturdifferenz ΔT = T1 – T2. Die Temperaturdifferenz ΔT entspricht bei zwei Temperatursensoren 5, 5’ dem Temperaturgradienten. Die Berechnungseinheit 9 berechnet mittels der Temperaturdifferenz ΔT und der Verlustleistung des Bauteils PVerlust mittels der Berechnungsvorschrift, vorteilhaft nach einem semiempirischen Ansatzes, die Flussgeschwindigkeit v des Kühlmittels 11. Die Verlustleistung PVerlust oder die Wärmeleistung ΔQ/Δt des Bauteils 1 kann auch in der Berechnungseinheit 9 selbst ermittelt werden oder bereits bekannt sein. Die berechnete Flussgeschwindigkeit v des Kühlmittels 11 ist vorteilhaft aus der Berechnungseinheit 9 auslesbar. Bei Unterschreiten einer kritischen Flussgeschwindigkeit v gibt die Berechnungseinheit 9 vorteilhaft ein Signal S, insbesondere ein Warnsignal an eine zuständige Stelle aus.
  • 2 zeigt ein Bauteil an einem Kühlkanal mit drei Temperatursensoren 5, 5’, 5’’. In der gezeigten Ausführung sind die drei Temperatursensoren 5, 5’, 5’’ jeweils voneinander in Flussrichtung des Kühlmittels beabstandet. Die Temperatursensoren 5, 5’, 5’’ sind im Zwischenraum des Bauteils 1 und dem Kühlkanal 11 befestigt. Die Temperatursensoren 5, 5’, 5’’ dienen zur Messung der Temperatur zwischen der, dem Kühlkanal 3 zugewandten Seite des Bauteils 1 und der Außenseite des Kühlkanals 3. Durch diese Anordnung sind die Temperatursensoren 5, 5’, 5’’ vom Kühlmittel 11 geschützt. Je nach Befestigungsort können die Temperatursensoren 5, 5’, 5’’ auch zur Ermittlung der Temperatur der Wand des Kühlkanals 3 dienen und damit indirekt der Bestimmung der lokalen Temperatur des Kühlmittels 11 in der Umgebung des Temperatursensors 5, 5’, 5’’. Der Temperatursensor 5 nahe des linken Randes des Bauteils 1 ermittelt die Temperatur T1, der mittig angeordnete Temperatursensor 5’ dient zur Ermittlung der Temperatur T2 und der nahe des rechten Randes des Bauteils 1 angeordnete Temperatursensor 5’’ ermittelt die Temperatur T3. Die Berechnungseinheit 9 (siehe 1) ermittelt aus den drei Temperaturen T1, T2, T3 die Temperaturdifferenzen ΔTa = T1 – T2, ΔTb = T1 – T3, ΔTc = T2 – T3 und/oder die Temperaturgradienten. Der Temperaturgradient berechnet sich aus den Temperaturdifferenzen ΔTa, ΔTb, ΔTc mittels der Bestimmung einer Ausgleichsgeraden der Temperatur in Abhängigkeit von der räumlichen Lage der Temperatursensoren 5, 5’, 5’’ im/am Kühlkanal 3.
  • Die vom Bauteil 1 abgegebene Wärmeleistung ΔQ/Δt an das Kühlmittel 11 ist die an das Kühlmittel abgegebene Wärmemenge ΔQ pro Zeiteinheit Δt. Bei einer gleichbleibenden Temperatur T des Kühlmittels 11 liegt regelmäßig eine Proportionalität zwischen PVerlust und der abgegebenen Wärmeleistung ΔQ/Δt vor. Die vertikalen Pfeile innerhalb des Bauteils 1 deuten die Abgabe der Wärmeleistung ΔQ/Δt an das Kühlmittel 11 an. Der unterschiedliche Abstand der vertikalen Pfeile, die zum Kühlkanal 3 gerichtet sind, symbolisiert eine ggf. auftretende ungleichmäßige örtliche Verteilung der abgegebenen Wärmeleistung ΔQ/Δt durch die Wand des Kühlkanals 3 an das Kühlmittel 11.
  • 3 zeigt zwei Bauteile 1, 1’ mit jeweils einem Temperatursensor 5, 5’ und ein dritter Temperatursensor 5’’ im Kühlkanal 3. Beide Bauteile 1, 1’ sind entlang der Flussrichtung des Kühlmittels 11 im Kühlkanal 3 beabstandet. Unterhalb des ersten Bauteils 1 ist ein Temperatursensor 5 innerhalb des Kühlkanals 3 befestigt. Der Temperatursensor 5 ermittelt die Temperatur T1, wobei die Temperatur T1 die Temperatur des Kühlmittels 11 in der Nähe des ersten Bauteils 1 ist.
  • Unterhalb des zweiten Bauteils 1’ ist ein Temperatursensor 5’ innerhalb des Kühlkanals 3 befestigt. Der Temperatursensor 5’ ermittelt die Temperatur T2, wobei die Temperatur T2 die Temperatur des Kühlmittels 11 in der Nähe des zweiten Bauteils 1’ ist.
  • Von beiden Bauteilen 1, 1’ beabstandet befindet sich ein dritter Temperatursensor 5’’, der die Temperatur des Kühlmittels von beiden Bauteilen 1, 1’ beabstandet im Kühlkanal 3 ermittelt. Der dritte Temperatursensor 5’’ ist keinem Bauteil 1, 1’ zugeordnet. Vorteilhaft befindet sich der dritte Temperatursensor 5’’ z.B. am Anfang oder am Ende des Kühlkanals zur Bestimmung der Temperatur T des einfließenden Kühlmittels 11 oder des ausfließenden Kühlmittels 11. Die Flussrichtung des Kühlmittels ist durch den langen Pfeil innerhalb des Kühlkanals 3 symbolisiert.
  • Beide Bauteile 1, 1’ sind mit der Messeinheit 7 verbunden, wobei die Messeinheit 7 die elektrische Verlustleistung PVerlust der Bauteile 1, 1’ bestimmt. Aus der elektrischen Verlustleistung PVerlust berechnet sich die von den Bauteilen 1, 1’ jeweils an den Kühlkanal 3 abgegebene Wärmeleistungen ΔQ/Δt. Die an das Kühlmittel 11 abgegebene Wärmeleistung ΔQ/Δt der Bauteile 1, 1’ wird durch die Pfeile angezeigt, die zum Kühlkanal 3 hin gerichtet sind. Die Messeinheit 7 ist mit der Berechnungseinheit 9 verbunden. Die Berechnungseinheit 9 bestimmt die Flussgeschwindigkeit v des Kühlmittels 11 mittels der Verlustleistung PVerlust sowie aus den ermittelten Temperaturen T1, T2 und/oder T3. Die Berechnungseinheit 9 überträgt die Flussgeschwindigkeit v mittels eines Signals S an eine zuständige Stelle oder zu einer geeigneten Ausgabeeinheit (nicht gezeigt).
  • Als zuständige Stelle kann eine globale Steuerung des Umrichters die Steuerung des Fahrzeugs und/oder eine Wartungsstelle sein. Vorteilhaft weist die Berechnungseinheit 9 eine Ausgangsschnittstelle auf, mittels der die Flussgeschwindigkeit v ausgelesen werden und/oder visualisiert werden kann.
  • 4 zeigt ein IGBT-Modul 1’’ mit drei integrierten Temperatursensoren. Das dargestellte IGBT-Modul 1’’ weist neben den drei Halbbrücken, jeweils bestehend aus einem IGBT und einer Diode drei Temperatursensoren 5, 5‘, 5‘‘ auf. Weiter ist jeder Halbbrücke ein Temperatursensor 5, 5’, 5’’ zugeordnet. Die Temperatursensoren 5, 5’, 5’’ dienen zur Ermittlung der Temperatur T1, T2, T3 der jewils zugeordneten Halbbrücke. Geht man von einer gleichmäßigen Kühlung des IGBT-Moduls 1’’ aus, so ist bei einer hohen Temperaturdifferenz ΔT ggf. auf eine Fehlfunktion eines IGBT-Moduls 1’’ und/oder eines weiteren Elements zu schließen. Bei einer hohen Flussgeschwindigkeit v des Kühlmittels 11 und damit einhergehend, einer guten und gleichmäßigen Kühlleistung, ist eine nur geringe Temperaturdifferenz ΔT zu erwarten. Eine gute und gleichmäßige Kühlung des IGBT-Moduls 1’’ bedarf einer ausreichenden Flussgeschwindigkeit v des Kühlmittels 11.
  • Die Temperaturdifferenz ΔT ist ggf. vom Abstand der Temperatursensoren 5, 5’, 5’’ untereinander abhängig. Die Abhängigkeit der Temperaturdifferenzen ΔT vom Ort der Befestigung der Temperatursensoren 5, 5’, 5’’ ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmetransportkoeffizienten des Kühlmittels 11 und/oder des Kühlkanals 3. Dies ist in einem solchen Fall bei der Berechnung der Flussgeschwindigkeit v des Kühlmittels 11 zu beachten.
  • Es ist besonders vorteilhaft, anstelle der Messeinheit 7 zur Ermittlung der Verlustleistung PVerlust die Verlustleistung PVerlust und/oder der Wärmeleistung ΔQ/Δt aus den Vorgaben zum Betrieb der Bauteile 1, 1’ und/oder des IGBT-Moduls 1’’ anhand der Betriebsvorgaben der Bauteile 1, 1’ und/oder des IGBT-Moduls 1’’ zu berechnen. Die Berechnung findet vorteilhaft in der Berechnungseinheit 9 statt.
  • Es ist bei einer bekannten und einer zeitlich ungefähr konstanten Temperatur T des Kühlmittels 11 weiter besonders vorteilhaft, nur die Abweichung der Temperatur an einem vorgegebenen Punkt im oder am Kühlkanal 3 mittels eines einzelnen Temperatursensors 5 zu bestimmen. Aus der Abweichung der durch den Temperatursensor 5 ermittelten Temperatur T1 von der Temperatur T des Kühlmittels 11 ist vorteilhaft die Flussgeschwindigkeit v des Kühlmittels 11 ermittelbar. So ist ein Temperatursensor 5 an einem Punkt im/am Kühlkanal 3 ausreichend.
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Flussgeschwindigkeit v eines Kühlmittels 11 mittels mehreren Temperatursensoren 5, 5’, 5’’. Die Temperatursensoren 5, 5’, 5’’ sind beabstandet im Wirkungskreis des Kühlkanals 3, insbesondere bei zu kühlenden Bauteilen 1, 1’ angeordnet und dienen zur Ermittlung der Temperaturdifferenzen ΔT zwischen den durch die Temperatursensoren 5, 5’, 5’’ ermittelten Temperaturen T1, T2, T3. Mittels einer Berechnungseinheit 9 wird die Flussgeschwindigkeit v aus dem Temperaturgradient (Temperaturdifferenzen ΔT) und der an das Kühlmittel 11 abgegebenen Wärmeleistung ΔQ/Δt bestimmt. Die an das Kühlmittel 11 abgegebene Wärmeleistung ΔQ/Δt wird entweder durch eine Messeinheit 7 bestimmt oder aus einer Steuerung abgefragt. Die Bestimmung der Flussgeschwindigkeit v des Kühlmittels 11 wird nach einer Berechnungsvorschrift ausgeführt. Der Berechnungsvorschrift liegt die Beobachtung zugrunde, dass, umso geringer der Temperaturgradient bzw. die Temperaturdifferenz ΔT ist, desto höher ist die Flussgeschwindigkeit v des Kühlmittels 11, insbesondere bei konstanter, an das Kühlmittel 11 abgegebener Wärmeleistung ΔQ/Δt.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung einer Flussgeschwindigkeit (v) eines Kühlmittels (11) durch einen Kühlkanal (3), insbesondere eines Kühlkanals (3) zur Kühlung eines Umrichters, wobei mindestens ein Temperatursensor (5, 5’, 5’’) an mindestens einer Stelle des Kühlkanals zur Ermittlung der Temperatur (T1, T2, T3) des Kühlmittels (11) vorgesehen ist, wobei eine Messeinheit (7) zur Ermittlung der an das Kühlmittel (11) abgegebenen Wärmeleistungen (ΔQ/Δt) vorgesehen ist, wobei die ermittelten Temperaturen (T1, T2, T3) und die ermittelten Wärmeleistungen (ΔQ/Δt) zur Übertragung an eine Berechnungseinheit (9) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (9) zur Bestimmung der Flussgeschwindigkeit (v) des Kühlmittels (11) durch den Kühlkanal (3) anhand der ermittelten Temperatur (T1, T2, T3) an der mindestens einen Stelle und/oder anhand der mittels der Messeinheit (7) ermittelten Wärmeleistung (ΔQ/Δt) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Temperatursensoren (5, 5’, 5’’) aufweist, dass die Temperatursensoren (5, 5’, 5’’) zur Bestimmung der Temperaturen (T1, T2, T3) einzelner Bereiche des Kühlkanals (3) vorgesehen sind und dass ein erster Temperatursensor (5) und mindestens ein weiterer Temperatursensor (5’, 5’’) in Flussrichtung des Kühlmittels (11) angeordnet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Flussgeschwindigkeit (v) des Kühlmittels (11) durch den Kühlkanal (3) anhand mindestens einer Differenz der ermittelten Temperaturen (ΔT) und der von mindestens einem Bauteil (1, 1’) an das Kühlmittel (11) abgegebene Wärmeleistung (ΔQ/Δt) vorgesehen ist und dass die Differenz der ermittelten Temperaturen (ΔT) eine Differenz der Temperatur (T1, T2, T3) des Kühlmittels (11) vor dem mindestens einen Bauteil (1, 1’) und der Temperatur (T1, T2, T3) des Kühlmittels (11) nach dem mindestens einem Bauteil (1, 1’) ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor (5, 5’, 5’’) unterschiedlichen Bauteilen (1, 1’) zugeordnet ist oder dass ein jeweilig zu kühlendes Bauteil (1, 1’) mindestens einen eigenen Temperatursensor (5, 5’, 5’’) aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1, 1’) mindestens zwei Temperatursensoren (5, 5’, 5’’) aufweist, dass die Temperatursensoren (5, 5’, 5’’) an unterschiedlichen Stellen des Bauteils (1, 1’) angeordnet sind und dass die Temperatursensoren (5, 5’, 5’’) sowohl zur Bestimmung der Temperatur (T1, T2, T3) einzelner Bereiche des Bauteils (1, 1’) als auch zur Bestimmung von Differenzen (ΔT) der mittels der Temperatursensoren (5, 5’, 5’’) ermittelten Temperatur (T1, T2, T3) des Kühlmittels (11) innerhalb des Kühlkanals (3) vorgesehen sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1, 1’) ein Halbleiterelement aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1, 1’) ein IGBT-Modul ist, wobei das IGBT-Modul (1’’) drei Temperatursensoren (5, 5’, 5’’) aufweist, wobei die Temperatursensoren (5, 5’, 5’’) des IGBT-Moduls (1’’) zur Ermittlung der Differenzen der Temperatur (T1, T2, T3) im Kühlkanal (3) vorgesehen sind.
  8. Umrichter, aufweisend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Fahrzeug, insbesondere ein zumindest Teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug, aufweisend einen Umrichter nach Anspruch 8 oder eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
  10. Verfahren zur Bestimmung der Flussgeschwindigkeit (v) eines Kühlmittels (11) durch einen Kühlkanal (3), dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Flussgeschwindigkeit (v) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dient, wobei die Flussgeschwindigkeit (v) mittels mindestens einer Differenz von ermittelten Temperaturen (T1, T2, T3) ermittelt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels drei Temperatursensoren (5, 5’, 5’’) zwei Differenzen von Temperaturen (T1, T2, T3) ermittelt werden und dass die Bestimmung der Flussgeschwindigkeit (v) des Kühlmittels (11) anhand der beiden Differenzen von Temperature (T1, T2, T3) und der an das Kühlmittel (11) abgegebenen Wärmeleistung (ΔQ/Δt) erfolgt.
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