用于估计寿命消耗的方法与流程

1.本发明涉及一种用于估计寿命消耗的方法，特别是一种用于估计用于车辆应用的半导体器件的寿命消耗的方法。


背景技术：

2.随着对环境友好型车辆的兴趣增加，对使用电动马达为电动车辆提供驱动扭矩的兴趣也相应增加。
3.电动马达基于如下原理工作，即当存在磁场时载流导线将受到力。当载流导线垂直于磁场放置时，载流导线上的力与磁场的通量密度成比例。通常，在电动马达中，载流导线上的力形成为旋转扭矩。
4.已知类型的电动马达的示例包括感应马达、无刷永磁马达、开关磁阻马达和同步滑环马达，其具有转子和定子，如本领域技术人员所公知的。
5.通常，例如可以包括逆变器的功率电子系统用于控制电动马达内的电流，从而控制电动马达产生驱动扭矩。然而，电动马达的操作能够将热机械效应施加在功率电子系统内的半导体器件上，其中由于功率电子系统内部的材料的热膨胀系数和机械刚度的差异，产生可引起疲劳和功能失效的热变形(即热负荷)。
6.然而，作为电动车辆的不可预测的工作环境和复杂且不规则的操作状况的结果，功率电子系统内的半导体器件的温度分布/负载状况通常是可变的且不可预测的。
7.为了有效地评估累积疲劳损伤，在经受随机和复杂负载状况的应用中已经使用了不同的周期计数算法，诸如水平交叉计数、简单范围计数、峰值计数和雨流计数等。这些计数方法在数据分析中特别有用，因为变化负载的谱可以被分组为一组简单的均匀数据直方图，这允许应用miner规则来进行疲劳寿命评估。
8.基于测量的热数据，可以数值地评估由功率电子系统内的半导体器件上的负载分布引起的对应疲劳损伤，以预测功率电子系统的剩余寿命。
9.在不同的周期计数算法中，由t.endo和m.matsuishi在1968年开发的雨流计数方法已经广泛用于可靠性分析，其中雨流计数使用了用于将局部最小值和最大值配对以产生等效负载周期的规则。
10.通常，贯穿一整个周期连续监测所有热相关数据，例如环境、冷却剂和半导体结温度等，并将其记录在存储设备中。然而，由于将局部最小值和最大值配对以产生等效负载周期的需要，通常仅在电动马达的驱动周期结束时才能执行局部最小值和最大值的识别。因此，只在整个负载周期之后才能更新相应的寿命消耗或剩余寿命。
11.然而，使用这种方法的缺点在于，第一，需要大容量数据存储设备来记录整个驱动周期的数据，第二，仅在每个周期完成之后才能刷新寿命预测。
12.为了解决这些问题，已经提出了另一种技术，其利用了一种堆栈实现，其中通过递归算法将连续的极值与先前值进行比较，以识别由在驱动周期期间发生的热机械应力引起的半导体器件上的负载分布的等效的全周期和半周期。该方法能够提供具有较小数据存储
需求的实时寿命消耗估计。然而，由于不完整数据导致的最大/最小值未被计数，该技术可能导致寿命消耗估计中的误差。
13.希望改善这种情况。


技术实现要素：

14.根据本发明的一个方面，提供了一种根据所附权利要求的用于估计与电动马达一起使用的电子部件的寿命消耗的方法和设备。
15.本发明提供了允许连续监测半导体器件的最大/最小温度值以允许以并行方式确定周期内热损伤和周期后损伤的优点，从而允许具有实时监测能力的更高的精度。另外，可以减少用于存储测量的热/负载数据的硬件存储设备。
附图说明
16.现在将通过示例的方式参考附图描述本发明，其中：
17.图1示出了根据本发明的实施例的驱动装置的来自第一视角的分解图；
18.图2示出了根据本发明的实施例的驱动装置的来自第二视角的分解图；
19.图3示出了根据本发明的实施例的控制装置；
20.图4示出了根据本发明的实施例的寿命消耗估计系统；
21.图5示出了由根据本发明的实施例的寿命消耗估计系统执行的典型寿命消耗估计。
具体实施方式
22.所描述的本发明的实施例是一种估计与电动马达一起使用的电子部件的寿命消耗的方法。为了本实施例的目的，电动马达用于车辆的车轮中，其中电动马达包括集成功率模块，该集成功率模块具有用于控制电动马达中的电流的逆变器。优选地，所述马达用于为车辆提供驱动。然而，电动马达可以用于任何目的，并且当位于车辆中时可以位于车辆内的任何地方。该马达是具有一组线圈的类型，该一组线圈是用于连接到车辆的定子的一部分，被承载用于连接到车轮的一组磁体的转子径向围绕。为了避免疑义，本发明的各个方面同样适用于具有相同布置的发电机。因此，电动马达的定义旨在包括发电机。
23.为了本实施例的目的，如图1所示，轮内电动马达包括定子252，该定子包括散热器253、多个线圈254和安装在定子的后部中用于驱动线圈的电子模块255。线圈254形成在定子齿叠片结构上以形成线圈绕组，如下所述。定子盖256安装在定子252的后部上，包围电子模块255以形成定子252，该定子然后可固定到车辆上并且在使用期间相对于车辆不旋转。
24.电子模块255包括两个控制装置400，其中每个控制装置400包括两个逆变器410和控制逻辑420，在本实施例中，控制逻辑包括处理器，用于控制两个逆变器410的操作，如图3所示。尽管在本实施例中，电子模块255包括两个控制装置，但是同样，电子模块255可以包括单个控制装置或多于两个控制装置。
25.转子240包括前部220和形成盖的圆柱形部分221，该圆柱形部分221基本上围绕定子252。转子包括围绕圆柱形部分221的内侧布置的多个永磁体242。为了本实施例的目的，32个磁体对安装在圆柱形部分221的内侧上。然而，可以使用任何数量的磁体对。
26.磁体非常接近定子252上的线圈绕组，使得由线圈产生的磁场与围绕转子240的圆柱形部分221的内侧布置的磁体242相互作用，以使转子240旋转。由于永磁体242用于产生驱动扭矩以驱动电动马达，因此永磁体通常被称为驱动磁体。
27.转子240通过轴承座223附接到定子252。轴承座223可以是标准轴承座，如在该电动马达组件将被装配到的车辆中所使用的那样。轴承座包括两个部分，第一部分固定到定子，第二部分固定到转子。轴承座固定到定子252的壁的中心部分253，并且还固定到转子240的壳体壁220的中心部分225。转子240因此在转子240的中心部分225处经由轴承座223旋转地固定到车辆上，转子将与车辆一起使用。这具有的优点在于，然后可以在中心部分225处使用正常的车轮螺栓将轮辋和轮胎固定到转子240，以将轮辋固定到转子的中心部分，并且因此牢固地固定到轴承座223的可旋转侧上。车轮螺栓可以穿过转子的中心部分225装配到轴承座本身中。由于转子240和车轮都安装在轴承座223上，所以转子和车轮的旋转角度之间存在一一对应关系。
28.图2示出了从相对侧观察的与图1相同的组件的分解图，示出了定子252和转子。转子240包括外部转子壁220和周向壁221，磁体242周向地布置在周向壁内。如前所述，定子252在转子壁和定子壁的中心部分处经由轴承座连接到转子240上。
29.在转子的周向壁221与定子的外边缘之间设置v形密封件。
30.转子还包括用于位置感测的一组磁体227，或者称为换向磁体，其与安装在定子上的传感器结合允许估计转子通量角。转子通量角限定了驱动磁体与线圈绕组的位置关系。替代地，代替一组单独的磁体，转子可以包括磁性材料环，该磁性材料环具有充当一组单独的磁体的多个磁极。
31.为了允许换向磁体用于计算转子通量角，优选地，每个驱动磁体具有相关联的换向磁体，其中，通过校准所测量的换向磁体通量角，从与该一组换向磁体相关联的通量角导出转子通量角。为了简化换向磁体通量角和转子通量角之间的相关性，优选地，该一组换向磁体具有与该一组驱动磁体对相同数量的磁体或磁极对，其中换向磁体和相关联的驱动磁体彼此大致径向对准。因此，为了本实施例的目的，该一组换向磁体具有32个磁体对，其中每个磁体对与相应的驱动磁体对大致径向对准。
32.在该实施例中其为霍尔传感器的传感器安装在定子上。传感器被安置成使得当转子旋转时，形成换向磁环的各个换向磁体中的每一个分别旋转经过传感器。
33.当转子相对于定子旋转时，换向磁体相应地旋转经过传感器，霍尔传感器输出ac电压信号，其中传感器为经过传感器的每个磁体对输出360电角度的整个电压周期。
34.为了改进的位置检测，优选地，相关联的第二传感器放置成与第一传感器移位90电角度。
35.该实施例中的电动马达40包括四个线圈组60，其中每个线圈组60具有三个线圈子组，其以y形构造耦合以形成三相子电动马达，从而导致马达具有四个三相子电动马达。第一控制装置耦合到两个线圈组，第二控制装置耦合到其它线圈组，其中相应控制装置中的每个逆变器被布置成控制相应线圈组中的电流。然而，尽管本实施例描述了具有四个线圈组60(即，四个子电动马达)的电动马达，但是电动马达可以同样具有两个或更多个线圈组以及相关联的控制装置(即，两个或更多个子电动马达)。例如，在优选实施例中，电动马达40包括八个线圈组60，其中每个线圈组60具有三个线圈子组，其以y形构造耦合以形成三相
子电动马达，从而导致具有八个三相子电动马达的电动马达。
36.图3示出了相应的线圈组60与容纳在电子模块255中的控制装置400之间的连接，其中相应的线圈组60连接到包括在控制装置400上的相应的三相逆变器410。如本领域技术人员所公知的，三相逆变器包含六个开关，其中三相交流电压可以通过六个开关的受控操作而产生。
37.如上所述，电子模块255包括两个控制装置400，每个控制装置400具有两个与线圈组60耦合的逆变器410。另外，每个控制装置400包括接口装置，其中在第一实施例中，每个控制装置400上的接口装置被布置成允许经由通信总线的容纳在电子模块255中的相应控制装置400之间的通信，其中一个控制装置400被布置成与安装在电动马达外部的车辆控制器通信。每个控制装置400上的处理器420被布置成处理通过接口装置的通信。
38.相应控制装置400上的处理器420被布置成控制安装在相应控制装置400中的两个逆变器410，以允许每个电动马达线圈组60被供应三相电压电源，从而允许相应线圈子组产生旋转磁场。尽管本实施例将每个线圈组60描述为具有三个线圈子组，但是本发明不限于此，并且应当理解，每个线圈组60可以具有一个或多个线圈子组。
39.在相应的处理器420的控制下，每个三相桥式逆变器410被布置成在相应的线圈子组上提供脉宽调制pwm电压控制，从而在相应的线圈子组中产生电流以用于由相应的子电动马达提供所需的扭矩。
40.如上所述，pwm切换用于向电动马达线圈绕组施加交流电压，其中在线圈绕组上施加的电压的幅度取决于转子速度。施加到转子的扭矩由线圈绕组内的相电流产生，其中电动马达扭矩是相电流的幅值和相位角的函数。
41.如上所述，pwm控制通过使用电机电感来平均所施加的脉冲电压以驱动所需电流进入马达线圈来工作。使用pwm控制，在马达绕组上切换所施加的电压。在马达线圈上切换电压的时间段期间，电流在马达线圈中以由其电感和所施加的电压所决定的速率上升。在电流已经增大到超过所需值之前，pwm电压控制被切断，从而允许实现电流的精确控制。
42.对于给定的线圈组60，三相桥式逆变器410开关被布置成在每个线圈子组上施加单个电压相。
43.逆变器开关可以包括半导体器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet或绝缘栅双极晶体管igbt。在本示例中，开关包括igbt。然而，可以采用任何合适的已知开关电路来控制电流。这种开关电路的一个公知示例是具有六个开关的三相桥式电路，这六个开关被配置成驱动三相电动马达。六个开关被配置为三个并联的两个开关的组，其中每对开关被串联放置并且形成三相桥式电路的支路。
44.优选地，车辆控制器被布置成通过控制器局域网can总线430将扭矩需求请求传输到控制装置400。通过can总线430传输的扭矩需求请求对应于电动马达需要基于驾驶员输入(例如基于车辆内产生的节气门需求)产生的扭矩。
45.为了允许获得控制装置内的相应半导体器件的温度分布，各个控制装置包含用于测量/估计半导体器件的温度的装置，例如半导体器件的结和/或核心温度。用于测量/估计半导体器件的温度的不同装置的示例包括热敏电阻、热电偶和电阻式温度检测器(rtd)，然而可以使用用于测量/估计温度的任何装置。
46.访问温度信息允许执行相应半导体器件的寿命消耗估计，如下所述，其中在电动
马达的每个操作驱动周期期间，系统连续地监视半导体器件和车辆周围环境的最大/最小温度值。使用基于堆栈的实现和递归算法的在线编码算法用于在操作驱动周期期间识别全负载周期和半负载周期。
47.电动马达的操作驱动周期通常将对应于电动马达的操作周期，例如电动马达用于将车辆从第一位置驱动到第二位置的持续时间。换句话说，对应于电动马达执行特定操作的持续时间。
48.现在将参考图4描述用于估计寿命消耗的系统的实施例，其中寿命消耗估计系统500包括周期内损伤评估块510、堆栈管理块520、周期后损伤评估块530和寿命消耗监测块540。优选地，使用结合在各个控制装置400之一内的处理器来执行周期内损伤评估块510、堆栈管理块520、周期后损伤评估块530和寿命消耗监测块540的功能。然而，用于执行寿命消耗估计的功能可以远离正在对其执行寿命消耗估计的半导体器件而执行。同样地，可以组合各个块的功能。
49.周期内损伤评估块510被布置成以实时方式识别局部最大/最小温度值，其中周期内损伤评估块510执行计数算法，例如由t.endo和m.matsuishi在1968年开发的雨流算法，以评估是否已经由记录的热数据形成任何整个或半个热周期。
50.为了允许周期内损伤评估块510执行该任务，当寿命消耗估计系统500检测到新的操作驱动周期时，检查并记录车辆的初始状况，其可包括系统剩余寿命、冷却剂状态、当地时间和天气状况等。如上所述，监测/估计各个半导体器件的温度，例如半导体器件的结温，或者来自igbt温度传感器的初始温度。
51.由于由周期内损伤评估块510执行的计数算法是实时执行的，因此不可能对记录的数据进行预先排序。为了克服这个问题，周期内损伤评估块510被布置成限定两个大小灵活的缓冲器，用于处理记录的最大温度值和最小温度值，其中记录的最大温度值存储在一个缓冲器中，记录的最小温度值存储在另一个缓冲器中。
52.每当例如使用3点计数规则识别出新的局部最大/最小温度值时，周期内损伤评估块510将温度值存储在相应缓冲器中，并且执行计数算法，例如雨流算法，以评估是否已经从记录的热数据识别出任何整个或半个热周期，也称为全负载周期或半负载周期。或者，可以在将新的局部最大/最小温度值存储在缓冲器中之前执行是否已经识别任何整个或半个热周期的评估，其中，如果合适，在已经完成评估之后可以将新的局部最大/最小温度值存储在相应的缓冲器中。
53.递归算法使用存储在相应堆栈中的最小和最大温度值来识别全负载/温度周期和半负载/温度周期。
54.为了说明的目的，将描述使用用于存储最大温度值的一个缓冲器和用于存储最小温度值的第二缓冲器来实时识别整个或半个热周期的示例。
55.对于检测到的最大温度，如果相应的缓冲器已经具有存储的现有最大温度值，则如上所述，将新的最大温度值与存储值进行比较，否则新值将变成缓冲器/堆栈中的第一个值。
56.如果新的最大温度值大于缓冲器/堆栈中的第一最大温度值，则针对保存的值检查用于最小温度值的缓冲器/堆栈。如果存在一个最小值，则识别半负荷周期，其中半个周期的温度变化将是该最小值和旧的最大值之间的差的绝对值。
57.然后通过用新的温度值替换旧的最大值来从最大缓冲器/堆栈中移除旧的最大值。
58.或者，如果在最小缓冲器/堆栈中存在多于一个温度值，则识别全负载周期，其中，全周期的温度变化将是新的最小值和旧的最大值之间的差的绝对值。在这种情况下，旧的最大温度值和新的温度最小值将从相应的缓冲器/堆栈中移除。
59.在新的最大温度值小于先前存储的最大温度值的情况下，新的温度值将与先前存储的最大温度值一起保存在最大缓冲器/堆栈中。如果最大缓冲器/堆栈包含多于一个温度值，则将递归地重复整个操作。
60.类似地，当识别出新的最小温度值时，将新的温度值与最小缓冲器/堆栈中的第一值进行比较。
61.如果新的最小温度值小于先前存储的最小温度值，则针对保存的值检查最大缓冲器/堆栈。
62.如果只存在一个最大值，则识别半个周期，其中所识别的半个周期的温度变化是最大值和先前存储的最小值之间的差的绝对值。
63.然后，通过用新的温度值替换旧的最小值来从最小值堆栈中去除旧的最小值。
64.如果指示在最大缓冲器/堆栈中存在多于一个值，则识别全周期，其中绝对差是新的最大温度值和先前存储的最小温度值之间的差。
65.在这种情况下，先前存储的最小温度值和新的最大温度值从它们各自的缓冲器/堆栈中移除。
66.在具有大于先前存储的温度值的新的最小温度值的情况下，新的温度值与先前存储的最小温度值并排地存储在最小缓冲器/堆栈中。
67.如果最小堆栈包含多于一个值，则将递归地重复整个操作。
68.因此，相应的缓冲器大小根据所记录的最大和最小温度值而动态地变化。例如，绝对值减小的极值序列将导致缓冲器/堆栈大小增大。相反，当遇到大于存储在堆栈中的最小值的幅值极值时，缓冲器/堆栈尺寸减小。
69.一旦操作驱动周期结束，在操作驱动周期期间没有被计数的任何剩余最大/最小值被传递到堆栈管理块520，其被存储在与堆栈管理块520相关联的缓冲器/堆栈中，如下所述。
70.可以任何合适的方式限定相应缓冲器/堆栈的初始状况，例如，可用前两个极值，一个最大值及一个最小值，来初始化缓冲器/堆栈。或者，缓冲器/堆栈可以用绝对值大于最高预期最大值或最低预期最小值的人工值来初始化。
71.将由周期内损伤评估块510识别的全/半周期提供给寿命消耗监测块540，以允许寿命消耗监测块540评估在记录的操作驱动周期期间引起的相应损伤，并因此评估各个半导体器件的寿命消耗，如下所述。
72.堆栈管理块520被布置成识别在操作驱动周期期间未被周期内损伤评估块510识别的整个或半个热周期。
73.为了允许堆栈管理块520执行该任务，当寿命消耗估计系统500检测到新的操作驱动周期时，堆栈管理块520被布置成记录车辆的初始环境温度，例如相应控制装置400内的半导体器件的初始结温度。
74.车辆的初始环境温度值被保存为与堆栈管理块520相关联的最大或最小温度值缓冲器的第一值。优选地，堆栈管理块520缓冲器对应于由周期内损伤评估块510使用的相同缓冲器，然而，堆栈管理块520可以具有单独的最大和最小温度值缓冲器。
75.另外，堆栈管理块520被布置成在操作驱动周期期间连续地监测车辆的环境温度，并且将该值存储为与堆栈管理块520相关联的各个缓冲器之一的最后值。
76.除了车辆的第一和最后环境温度值之外，还由堆栈管理块520接收尚未由周期内损伤评估块510计数的剩余最大/最小值，并将其存储在堆栈管理块520的缓冲器/堆栈中，如上所述。存储的温度值(即，第一和最后的环境温度以及剩余最大/最小值)从堆栈管理块520传递到周期后损伤评估块530。
77.周期后损伤评估块530被布置成分析从堆栈管理块520接收的温度值，以识别未被周期内损伤评估块510识别的任何缺失的整个或半个热周期。例如，由于最终环境温度值仅在操作工作周期已经完成之后才可用，因此周期内损伤评估块510通常将不能访问该信息，从而导致未被周期内损伤评估块510识别的缺失的整个或半个热周期。
78.寿命消耗监测块540从周期内损伤评估块510和周期后损伤评估块530接收热周期信息，并且使用从两个块接收的所识别的热周期来评估对应的寿命消耗。
79.图5示出了由上述寿命消耗估计系统500执行的典型寿命消耗估计。如上所述，寿命消耗估计系统连续地监测各个半导体器件和车辆周围的最大/最小温度值，并且以并行的方式处理在操作驱动周期620期间实时执行的周期内热损伤600和在操作驱动周期620已经完成之后执行的周期后损伤610，使得可以遵循标准计数规则，其保证了具有实时监测能力的高精度，同时减少了存储需求。