Prädiktives Thermalmanagement für einen Inverter

Abstract

Der elektrische Antriebsstrang setzt sich aus Hochvoltbatterie, Inverter und elektrischer Maschine zusammen. Der Inverter ist das leistungselektronische Kernelement und ist für bidirektionale Energiewandlung zwischen Batterie und Motor verantwortlich. Die Leistungsfähigkeit der Halbleiter im Inverter ist sehr eng mit dem Thermalmanagement verknüpft. Bei jedem Schaltvorgang entstehen Verluste, die eine Wärmeentwicklung zur Folge haben. Zusätzlich tritt auch Stromwärmeverlustleistung auf, die während der leitenden Phase des Halbleiters. Diese Verlustwärmen müssen sehr rasch abgeführt werden, da die Temperaturen der verbauten Halbleiterbauelemente eine definierte Grenztemperatur nicht überschreiten dürfen. In der Automobilindustrie herrscht ein sehr starker Kostendruck und der Verbau von überdimensionierten Invertermodulen stellt einen klaren Wettbewerbsnachteil dar. Daher ist es unerlässlich, aus den Modulen eine größtmögliche Leistungstrajektorie sicher abrufen zu können. Der Schlüssel dazu ist das Thermalmanagement. Eine zuverlässige Betriebsstrategie im thermischen Grenzbereich kann am Markt einen entscheidenden Vorteil bringen. Auf Basis eines modellprädiktiven Regelalgorithmus soll eine verbesserte Derating-Strategie für das Thermalmanagement gefunden werden.

Electromobility is set to trigger a mobility turnaround in the near future. The electric powertrain required for this consists of a high-voltage battery, inverter and electric motor. The inverter is the core power electronics element and is responsible for bidirectional energy conversion between battery and motor. The performance of the semiconductors in the inverter is very closely linked to thermal management. Losses occur during each switching operation, resulting in heat generation. In addition, current heat dissipation also occurs during the conductive phase of the semiconductor and is often referred to by the term conduction loss. These heat losses must be dissipated very quickly, since the temperatures of the installed semiconductor components (combined to form inverter modules) must not exceed a defined temperature limit.In the automotive industry, there is very strong cost pressure and the installation of oversized inverter modules represents a clear competitive disadvantage. It is therefore essential to be able to safely retrieve the greatest possible power trajectory from the modules. The key to this is a thermal management. A reliable operating strategy in the thermal limit range can provide a decisive advantage on the market. In this work, a model-predictive derating strategy will be developed that can directly limit the generated torque as a function of semiconductor temperatures. In an extension, the device cooling parameters will also be considered in the derating.In addition, the current maximum possible torque from the point of view of the inverter is to be fed back from the predictive control.