CN102853944A - 用于电动车辆的转子温度估计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电动车辆的转子温度估计。根据示例性实施例，提供了一种用于估计电动车辆中的电动机的转子温度的转子温度估计。该方法包括使用快速模式转子温度估算器估计时间间隔中的用于车辆的电动机的控制器中的转子温度，并且然后在时间间隔后停用快速模式转子温度估算器并且起动用于车辆的电动机的控制器中的正常模式转子温度估算器。该系统包括电动机，包括限制用于温度估计的温度估计增加的极限值的电阻转子温度估算器，以及用于电动机的控制器，其使用温度估计并且构成为提供快速模式转子温度估计的同时临时地增加电阻转子温度估算器的极限值。

Description

用于电动车辆的转子温度估计

技术领域

技术领域通常涉及用于电动和混合动力电动车辆的驱动系统的系统和方法，并且更特别地，涉及用于估计电动车辆中的电动机的转子温度的系统和方法。

背景技术

电动和混合动力车辆典型地包括由诸如高压电池组的直流（DC）电源驱动的交流电（AC）电动机。电池组提供直流电至转换器模块，其执行快速的转换功能以将DC电源转换为驱动AC电动机的AC电源。

AC电动机典型地包括转子和定子组件。AC电动机的固有的控制取决于许多参数，包括工作期间转子和定子的温度。当AC电动机“起动”时（即，打开，通常被认为是“钥匙点火”），通常初始地估计转子温度近似等于定子温度。通常地，该初始的转子温度估计正常工作并且转子温度追踪或估计电路然后可以精确地追踪工作期间转子中温度的变化。然而，在AC电动机关闭（通常被认为是“钥匙熄火”）并且然后迅速地返回打开（通常被认为是“热起动”）的情况下，转子温度可以在定子温度之上80℃。由于典型的转子温度估计电路以缓慢的变化率响应，因此，如果完全的转矩被作用到电动机上，估计约为定子温度之上的转子温度可能导致过热。

因此，需要为电动或混合动力电动车辆中“热起动”之后的转子温度估计提供一种简单，可靠并且经济合算的解决办法。此外，结合附图和上述技术领域和背景技术，从随后的详细说明和所附的权利要求中本发明的其它所需的特征和特性将会变得显而易见。

发明内容

根据示例性实施例，提供了一种用于估计电动车辆中的电动机的转子温度的转子温度估计的方法。一种方法包括使用快速模式转子温度估算器估计时间间隔中的用于车辆的电动机的控制器中的转子温度并且然后在时间间隔后停用快速模式转子温度估算器并且起动用于车辆的电动机的控制器中的正常模式转子温度估算器。

根据示例性实施例，提供了一种用于估计电动车辆中的电动机的转子温度的转子温度估计的方法。该方法包括经由具有转子温度估算器的车辆控制器控制电动机，该转子温度估算器具有限制用于电动机的转子的温度估计增加的极限值。转子温度估算器的极限值临时地增加以提供快速模式温度估计。然后，转子温度估算器的极限值减少以恢复正常模式温度估计。

根据另一示例性实施例，提供了一种用于估计电动车辆中的电动机的转子温度的系统。该系统包括电动机，提供用于电动机的转子的第一温度估计的热模型转子温度估算器，提供用于电动机的转子的第二温度估计的电阻转子温度估算器，该电阻转子温度估算器包括限制用于第二温度估计的温度估计增加的极限值以及使用第一温度估计或第二温度估计用于电动机的控制器。控制器构成为提供快速模式转子温度估计的同时临时地增加转子温度估算器的极限值。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种方法，包括：

在时间间隔中使用快速模式转子温度估算器估计用于车辆电动机的控制器中的转子温度；以及

在时间间隔后停用快速模式转子温度估算器并且起动用于车辆电动机的控制器中的正常模式转子温度估算器。

2. 如方案1所述的方法，其中估计转子温度还包括在高转矩情况下使用快速模式转子温度估算器估计转子温度。

3. 如方案2所述的方法，其中在低转矩情况下停用快速模式转子温度估算器还包括起动用于电动机的控制器中的热模型转子温度估算器。

4. 如方案1所述的方法，还包括当起动电动机时起动控制器中的快速模式转子温度估算器。

5. 如方案1所述的方法，其中起动正常模式转子温度估算器还包括将电阻转子温度估算器中的极限值减少至标准值。

6. 如方案1所述的方法，其中使用快速模式转子温度估算器估计转子温度还包括将电阻转子温度估算器中的极限值增加至在标准值之上增加的值。

7. 如方案6所述的方法，其中停用快速模式转子温度估算器还包括将电阻转子温度估算器中的极限值减少至标准值。

8. 如方案1所述的方法，其中时间间隔通过达到最大计数值的计数器来测量。

9. 一种方法，包括：

经由具有转子温度估算器的车辆控制器控制电动机，该转子温度估算器具有限制用于电动机的转子的温度估计增加的极限值；

临时地增加转子温度估算器的极限值以提供快速模式温度估计；以及

减少转子温度估算器的极限值以恢复正常模式温度估计。

10. 如方案9所述的方法，其中临时地增加极限值还包括在高转矩情况下临时地增加转子温度估算器的极限值。

11. 如方案9所述的方法，其中减少极限值还包括在低转矩情况下减少转子温度估算器的极限值并且起动用于电动机的控制器中的热模型转子温度估算器。

12. 如方案9所述的方法，其中临时地增加极限值还包括在时间间隔中临时地增加转子温度估算器的极限值。

13. 如方案9所述的方法，其中临时地增加极限值还包括临时地增加转子温度估算器的极限值，直到计数器达到最大计数值为止。

14. 如方案9所述的方法，其中减小极限值还包括在增加极限值之前恢复极限值。

15. 一种车辆，包括：

电动机；

提供用于电动机的转子的第一温度估计的热模型转子温度估算器；

提供用于电动机的转子的第二温度估计的电阻转子温度估算器，该电阻转子温度估算器包括限制用于第二温度估计的温度估计增加的极限值；以及

使用第一温度估计或第二温度估计的用于电动机的控制器，该控制器构成临时地增加提供快速模式转子温度估计的电阻转子温度估算器的极限值。

16. 如方案15所述的车辆，控制器还构成为在低转矩情况下使用第一温度估计控制电动机。

17. 如方案15所述的车辆，控制器还构成为在高转矩情况下使用第二温度估计控制电动机。

18. 如方案15所述的车辆，控制器还构成为在当起动电动机时临时地增加电阻转子温度估算器的极限值。

19. 如方案15所述的车辆，控制器还构成为在时间间隔后减少电阻转子温度估算器的极限值。

20. 如方案15所述的车辆，控制器还构成为临时地增加转子温度估算器的极限值，直到计数器达到最大计数值为止。

附图说明

结合以下附图，在下文中将会描述本发明的主题，其中相同的数字表示相同的元件，并且：

图1是适于使用本发明的示例性实施例的车辆的图解；

图2是图1的车辆的部件的更细节的图解；

图3是示出了根据示例性实施例用于估计图2的控制器中的转子温度的热模型估算器的工作的方框图；

图4是示出了根据示例性实施例用于估计图2的控制器中的转子温度的电阻转子温度估算器的工作的方框图；

图5是示出了热起动期间转子/定子温度变化的图表；

图6是示出了根据示例性实施例的转子温度估计方法的流程图；以及

图7是示出了根据示例性实施例的快速模式转子温度估计的图表。

具体实施方式

以下详细说明实质上仅仅是示例性的并且并不旨在限制公开的主题或其使用。此外，并不旨在通过以上技术领域，背景技术，发明内容或以下具体实施方式中存在的任何明示或暗示的理论进行限制。

以下描述是指元件或特征“连接”或“连结”在一起。如在此使用的，“连接”可以指一个元件/特征直接地连接到（或直接连通到）另一元件/特征上，并且并不是必须机械地。同样地，“连结”可以指一个元件/特征直接或间接地连接到（或直接或间接地连通到）另一元件/特征上，并且并不是必须机械地。然而，应当理解，尽管在一个实施例中两个元件可以如下所述地进行“连接”，但在可替换的实施例中类似的元件可以进行“连结”，并且反之亦然。因此，尽管在此示出的示意图描述了元件的示例性布置，在实际的实施例中可能存在额外的干涉元件，装置，特征，或部件。还应当理解，图1-7仅仅是示例性的并且可以不按比例绘制。

图1是根据本发明的车辆100的实施例简图。尽管车辆100被示出为纯电动车辆，但在此描述的技术和概念还可以适用于混合动力电动车辆。车辆100的图解的实施例包括，并不限制为：连接到车载发电机104上的车辆控制模块102；车载能量存储系统106；以及驱动车轮110的电推进系统108。

车辆控制模块102可以包括任意类型的处理元件或车辆控制器，并且配备有非易失性存储器，随机存取存储器（RAM），离散和模拟输入/输出（I/O），中央处理单元，和/或用于在车辆通信网络中连成网络的通信接口。在电动车辆实施例中，车载发电机104可以包括如果需要足够为能量存储系统106充电的小型气体（或其它的液体燃料）发电机。在混合动力电动车辆实施例中，发电机104可以由用于推进车辆的车辆气体（或其它燃料）发动机或其一部分提供动力。车载能量存储系统106可以实现为具有单个电池模块或任意数目的单独电池模块的可充电电池组。车载能量存储系统106提供电能，该电能启动电推进系统108以为车轮110提供牵引力。

尽管图1是以便于描述的非常简单的方式描述了各种电力的和机械的连接和连结的示意图，但车辆100的实际实施例当然将使用在汽车工业中非常公知的额外的物理部件以及装置。例如，许多传统的附件将要包含在市场上可买到的车辆中，例如窗户或镜子扫雾器，防抱死制动器系统，牵引或稳定性系统，照明系统，警报系统（例如，喇叭），转弯指示器（信号），空调，加热座椅，视频/音频系统，以及用于使用者装置的电源插座口（总起来说，附件）。同样，车辆100可以是许多不同类型的汽车中的任一种，例如，轿车，货车，卡车，或运动型多用途车辆（SUV），并且可以是两轮驱动（2WD）（即，后轮驱动或前轮驱动），四轮驱动（4WD）或全轮驱动（AWD）的。车辆100还可以合并任何一个或组合多种不同类型的发动机，例如汽油或柴油燃料燃烧发动机或“弹性燃料车辆”（FFV）发动机（即，或使用汽油和乙醇的混合物的发动机）或气体化合物（例如氢和/或天然气）燃料发动机。

图2是根据示例性实施例的车辆100的选择的部件的更细节的方框图。在一个示例性实施例中，电推进系统108包括AC感应电动机112，其具有定子116和转子114，转换器组件120，冷却系统140和一个或多个传感器150。控制器102更详细地示出为包括控制模块132，热模型转子温度估算器118和电阻转子温度估算器130。工作期间，控制器102处理扭矩命令并且产生控制转换器组件120以驱动感应电动机112的基准电压。感应电动机112在车辆100的传动轴（未示出）上产生转矩以驱动车轮110（110）。控制器102部分地基于转子温度估计产生控制转换器组件120的基准电压。在低扭矩情况下（例如，低于5nm），控制器使用热模型转子温度估算器118用于经由输入119的确定转子温度。在高扭矩情况下（例如，高于5nm），控制器使用电阻转子温度估算器130用于经由输入131确定转子温度。

感应电动机112可以是多相交流电（AC）马达，其通常包括成一组以对应于操作相位的具有绕组或线圈的转子114和定子116。转换器组件120驱动感应电动机112的工作并且通常包括一个或多个转换器，其每个包括具有反并联的二极管的开关。在各种实施例中，开关实施为绝缘栅双极晶体管（IGBT），金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），和/或等等。定子116的绕组在转换器组件120的开关之间电力地连接以接收电流并且在感应电动机112中产生扭矩。在一个示例性实施例中，基于电源106的输入电压（VDC）和来自控制器102的控制信号134，转换器组件120以变化的速度提供交替的相电流以驱动感应电动机112的三个相位。

具有诸如电机用油的冷却剂的冷却系统140在工作期间围绕并且冷却感应电动机112。传感器150可以包括任何适当类型的传感器，其用于收集推进系统108内的信息由控制器102使用。例如，传感器150可以确定或否则导出作为控制器102的输入136的冷却剂温度（T_COOLANT），转子位置（θ_r）、转子转速（ω_r），以及其它参数。

图3是示出了根据示例性实施例使用图2的控制器102的热模型转子温度估算器118的转子温度估算器的工作的方框图。如上所述，热模型转子温度估算器118在具有低转矩值的工作条件下使用，例如，在小于5nm的转矩值时。

热模型转子温度估算器118包括接收或导出用于转子温度估计的多个输入值的热模型块302。输入值包括互感系数（L_m）304，转子感应系数（L_r）306，用于定子电流部件的给定值（i^* _ds，i^* _qs）308，低通滤波器的截止频率（ω_c）310，拉普拉斯域算子312，以及冷却剂温度（T_COOLANT）314。热模型是基于如下的公式（1）的关系的：

         (1)

其中T_r 316是转子的估计温度；T_COOLANT 314是冷却剂的温度；R_th是转子与冷却剂之间的热电阻；P_r是转子中的功率耗散；ω_c 310是低通滤波器的截止频率，以及s是拉普拉斯域算子312。

公式（1）的关系可以按如下简化为公式（2）：

          （2）

其中I_r是估计的转子电流，以及K是速度相关修正系数。

此外，转子电流（I_r）可以由如下的公式（3）估计：

          (3)

其中I_qs是q-参考坐标系中的定子电流；L_m是互感系数，以及L_r是转子感应系数。

因此，热模型302是基于公式（1）-（3）中的关系以及可以从存储在热模型转子温度估算器118中并且基于转子转速（ω_r）322存取的查找表320得出的修正系数（K）318估计转子温度（T_r）316。在一些实施例中，内插法（例如，线性插值或其它公知的内插法技术）可以用来进一步改进产生的速度值之间的修正系数（K）。热模型302温度估计316作为输入119提供到控制模块132中（见图2）。

图4是根据示例性实施例示出了图2的控制器102的电阻转子温度估算器130的工作的方框图。如上所述，电阻转子温度估算器130在具有高转矩值的工作条件下使用，例如，在大于5nm的转矩值时。

电阻转子温度估计块400使用诸如相电流（i_a，i_b，i_c）402，电压（V_a，V_b，V_c）404，转子偏离角（ω_slip）406，以及转子速度（ω_r）408的内部变量估计转子磁通大小（

）。在一个示例性实施例中，这些变量由传感器150（图2）或感应电动机112（图2）的其它部件提供或得出。在另一实施例中，电压（V_a，V_b，V_c）404以及相电流（i_a，i_b，i_c）402可以是命令电压和电流（即，来自车辆的使用者），而不是测量的或导出的电流以去除噪音成分。在仍然另一实施例中，电压（V_a，V_b，V_c）404以及相电流（i_a，i_b，i_c）402可以接收或转换为本领域公知的dq参考坐标系值（即，作为V_qs，V_ds，以及I_qs，I_ds）。在一个示例性实施例中，由以下的公式（5）获得估计的马达通量平方

：

       (5)

其中

和

是同步参考坐标系中的定子命令电压，以及

和

是同步系中的定子电流（例如，其中优选使用命令电流），

是等同形式的泄漏电感，

是转子感应，以及

是定子电频率。

在该示例性实施例中，估计的转子通量平方追踪实际的通量平方，其可以由以下的公式（6）计算：

           (6)

对于转子电阻（R_r）是实际的转子电阻并且来自公式（5）的估计通量从公式（6）精确地反射出马达通量的情况，然后公式（5）中估计的转子通量平方（

）值应当等于公式（6）中的实际的转子通量平方（

）值。

如图4所示，转子通量平方偏移值（|ψ_r ^|2）410通过使用转子转速（ωr）408和扭矩命令（T*）414访问查阅表412确定。根据实际的转子电阻（R_r），通量平方偏移量可以解决估计的转子通量平方（

）与实际的转子通量平方（

）之间的期望差值。

此外，在倍增器416中，实际的转子通量（ψ_dr）的值418是从公式（6）乘以其本身获得的。得到的平方值（ψ² _dr）420然后加算（422）到来自查阅表412的通量平方偏心值|ψ_r|² 410中以产生修正的转子通量424的平方值。然后，计算修正值424与来自块400的估计流通平方值（

）之间的差值（426）。

差值（428）然后经由过滤器430（例如，低通滤波器）和用确定为定子温度（436）的涵数的第一初始转子电阻值（434）初始化的积分器432处理。最后，为了提供转子电阻的最终估计值，极限函数438合并了用于感应电动机112（图2）的温度变化率极限，这用来由公式7计算估计的转子温度（440）：

T_est = (R_{r_est}/R_r0-1)/0.0039+T₀                (7)

其中R_{r_est}是估计的转子电阻，T₀是固定转子温度。R_r0是在转子温度T₀时测量的转子电阻。在其它实施例中，可以使用不同的公式。估计的转子电阻和温度从电阻转子温度估算器130提供至图2的控制模块132（作为输入131）。

传统上，估计极限值（例如，极限对应于4℃每秒的转子温度变化的估计的转子电阻变化）已经用于极限函数438。然而，本发明的实施例旨在增加或变化极限值以使用标称（或正常）值允许快速模式温度估计以及正常模式温度估计。在下文中将会显而易见的是，快速模式温度估计补偿“热起动”情况，提供了相比传统温度估计方法的优点。

现在参照图5，示出了图表500，其示出了用于传统转子温度估计的估计的转子温度502，测量的转子温度504以及定子温度506。从图表500中，估计的转子温度502可以看出来在延伸的时间段内（注意沿X轴的时间基准（秒））精确地追踪了测量的转子温度504。然而，在“热起动”期间（迅速钥匙熄火和钥匙点火）508，估计的转子温度502在时间基准1678时再次被初始化约为定子温度。一分钟后（在时间基准1756），估计的转子温度502大约比已经是200℃的测量的转子温度低50℃。通常地，如果转子温度高于200℃，过转子温度的诊断应当将转矩降低至0。然而，估计的转子温度仅为150℃。在这种情况下，如果高的（或全部）扭矩在该时间间隔由使用者连续地作用到电动机上（例如，迅速加速到高速公路上），则电动机112（图2）会过热，这潜在地导致了电动机的使用寿命的减少。

现在参照图6，示出了根据本发明的示例性实施例的转子温度估计方法的流程图。电动机起动（或钥匙点火）例程开始600，这重新设置了车辆控制器102（图2）中的多个寄存器和参数并且通过设置标志或寄存器中的状态位启动快速模式温度估计。标志和肯定决定的检查的决定602使得决定604确定是否启动了电阻转子温度估算器130（图2）。如上所述，电阻转子温度估算器将在高转矩情况期间启动，并且根据这样的肯定决定，步骤606增加了计数器（在钥匙点火时计数器重新设置为零），其用来设定用于快速模式温度估计的时间周期。在步骤608中，限制步长438（图4）被增加至较高值（例如，步骤设定为0.01807 Ohms每秒，如果在25℃时转子电阻为0.012 Ohms，其对应于每秒100℃的转子温度变化），这允许估计的温度比当快速模式温度估计被停止并且正常模式温度追踪被启用（即，清除了快速模式标志）时使用的正常（或标称）值上升得更迅速。步骤610使用了具有增加的限制步长的电阻转子温度估算器130（图2）以更迅速地使得转子温度估计上升至接近实际转子温度（如将结合图7示出的）并且将该温度估计作为输入131提供给控制模块132（见图2）。

决定612确定是否计数器已经达到最大计数值，该最大计数值是基于控制器102的处理速度而设定的从而限定了时间间隔以临时允许转子温度的快速模式温度估计。在一些实施例中，代替了计数例程，可以使用标准计时器。否认决定将例程返回到步骤606，这使得步骤608和610重复直到决定612的决定是已经达到最大计数值为止。当作出肯定的决定时，然后在步骤614中，清除了快速模式标志，停止快速模式温度估计，并且步骤616减少了限制步长，恢复了正常（或标称）值，由此启动了用于连续工作的正常模式温度估计（步骤618），直到再次设置快速模式标志为止。再次，来自正常模式温度估计的温度估计变为至图2的控制模块132的输入131。

回到决定602，如果决定是否定的（清除了快速模式标志），则例程再次决定620是否电阻转子温度估算器是启动的（高转矩）。如果是，则使用正常模式电阻转子温度估算器并且其温度估计作为输入131提供给控制模块132。如果电阻转子温度估算器没有启动，在热模型温度估算器118（图2）用于低转矩情况（步骤622）。同样，如果设置了快速模式标志（来自602的肯定的决定），但由于低转矩情况（决定604）电阻转子温度估算器未启动并且使用热模型温度估计（步骤622）并且其温度估计作为输入119提供给控制模块132。

现在参照图7，示出了图表700，其示出了用于本发明的转子温度估计的估计的转子温度702，测量的转子温度704以及定子温度706。从图表700中，估计的转子温度702可以看出来在开始的时间间隔内（注意沿X轴的时间基准（秒））精确地追踪了测量的转子温度704。然而，在“热起动”（速度钥匙熄火和钥匙点火）708（以及708’）期间，启动快速模式温度估计，并且在高转矩情况中，增加了限制步长438（图4）（图6的步骤608），这提供了转子温度估计的较快的追踪。例如在热起动708期间，在时间间隔710期间（8秒）估计的转子温度702可以看出来迅速地上升至实际转子温度704的约5℃的范围内。然后，启动了正常模式温度估算器（即，限制步长恢复正常（图6的步骤616）），这精确地追踪了转子温度直到再次使用快速模式温度估计（假设高转矩）的下次热起动708’为止，并且在时间间隔712期间（也是8秒）迅速恢复。如上所述，在一些实施例中时间间隔可以使用定时器测量，并且在其它实施例中使用结合图6讨论的增加的计数器。对于任意具体的实施方式，时间周期可以凭经验确定以允许快速模式温度估算器时间恢复至接近实际转子温度704。

在任意的个别实施例中，在高转矩情况下临时启动快速模式温度估算器，随后是正常模式温度估计或高转矩情况中的继续操作，为本发明的实施例提供了防止车辆100（图1）的电动机112（图2）过热的优点。

尽管在上述具体实施方式中已经存在至少一个示例性实施例，但应当理解还存在许许多多的变化。还应当理解，示例性的一个或多个实施例仅仅是示例性的，并且并不旨在以任何方式限制本揭发的范围，可应用性，或结构。然而，上述发明内容和具体实施方式将为本领域技术人员提供用于实施示例性的一个或多个实施例的便利的路线图。应当理解，在不背离由所附的权利要求和其法定等同形式下的本发明的范围的情况下，在功能和元件的步骤上可以做出各种变化。

Claims (10)

1.一种方法，包括：

在时间间隔中使用快速模式转子温度估算器估计用于车辆电动机的控制器中的转子温度；以及

在时间间隔后停用快速模式转子温度估算器并且起动用于车辆电动机的控制器中的正常模式转子温度估算器。

2.如权利要求1所述的方法，其中估计转子温度还包括在高转矩情况下使用快速模式转子温度估算器估计转子温度。

3.如权利要求2所述的方法，其中在低转矩情况下停用快速模式转子温度估算器还包括起动用于电动机的控制器中的热模型转子温度估算器。

4.如权利要求1所述的方法，还包括当起动电动机时起动控制器中的快速模式转子温度估算器。

5.如权利要求1所述的方法，其中起动正常模式转子温度估算器还包括将电阻转子温度估算器中的极限值减少至标准值。

6.如权利要求1所述的方法，其中使用快速模式转子温度估算器估计转子温度还包括将电阻转子温度估算器中的极限值增加至在标准值之上增加的值。

7.如权利要求6所述的方法，其中停用快速模式转子温度估算器还包括将电阻转子温度估算器中的极限值减少至标准值。

8.如权利要求1所述的方法，其中时间间隔通过达到最大计数值的计数器来测量。

9.一种方法，包括：

经由具有转子温度估算器的车辆控制器控制电动机，该转子温度估算器具有限制用于电动机的转子的温度估计增加的极限值；

临时地增加转子温度估算器的极限值以提供快速模式温度估计；以及

减少转子温度估算器的极限值以恢复正常模式温度估计。

10.一种车辆，包括：

电动机；

提供用于电动机的转子的第一温度估计的热模型转子温度估算器；

提供用于电动机的转子的第二温度估计的电阻转子温度估算器，该电阻转子温度估算器包括限制用于第二温度估计的温度估计增加的极限值；以及

使用第一温度估计或第二温度估计的用于电动机的控制器，该控制器构成临时地增加提供快速模式转子温度估计的电阻转子温度估算器的极限值。

Images