CN104978477A - 用于估计电动机的转子温度的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于估计电动机的转子温度的系统和方法，其配置成使用基于实际测量数据的热模型(热阻模型)和能量损耗模型计算转子的温度变化，并且使用计算出的转子的温度变化估计转子的温度。该方法包括由控制器使用电动机的驱动条件计算电动机的能量损耗。控制器还配置成使用计算出的能量损耗及电动机的转子和定子的热阻，在预定参考温度下计算转子的温度变化。进一步地，控制器配置成使用转子的温度变化，在预定参考温度下估计转子温度。

Description

用于估计电动机的转子温度的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于估计电动机的转子温度的系统和方法，且特别涉及一种使用基于测量数据的热模型(例如，热阻模型)和能量损耗模型计算转子的温度变化，然后用计算出的转子的温度变化估计转子温度的用于估计电动机的转子温度的系统和方法。

背景技术

通常，众所周知的是电动机由定子和转子组成。定子是指电动机中的固定部分，包括支持电流线圈的铁芯和铁芯安装到的框架。转子是电动机中的可旋转部分，包括永磁体和铁芯。图1是示出环保型车辆中使用的驱动电动机的示意性结构的示例性视图，其中在定子20与转子10之间形成气隙，壳体40安装于定子20的外部以形成冷却通道42，并且油或冷却剂在冷却通道42中流动以冷却电动机1。

类似于通常的电动机，转子10包括永磁体12和铁芯14，并且定子20包括铁芯22和线圈24。因为嵌入转子10内的永磁体12的特性变化，所以环保型车辆的电动机1可具有不同的输出和控制性能。通常，永磁体12的磁通量随着温度的增加而降低，从而导致降低的输出。因此，为维持同等的扭矩(例如，同等的输出)，当转子的温度变化时，需要补偿控制。

然而，永磁体12位于转子10的内部，导致难以安装配置用于检测永磁体12的温度传感器，因此需要开发用于估计转子温度的方法。同时，已知将温度传感器安装于定子线圈以检测定子的温度，并将检测到的定子温度用于估计电动机温度的方法。然而，这种公知的方法未教授估计转子的温度，因此可能不能根据转子的温度变化提供适当的温度补偿控制。

在本部分中公开的以上信息仅为了增强对本发明背景的理解，因此其可能包含不构成本国内本领域技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

因此，本发明提供了一种通过使用基于实际测量数据的热模型(例如，热阻模型)和能量损耗模型计算转子的温度变化，然后使用计算出的转子的温度变化估计转子温度的用于估计电动机的转子温度的方法，以根据准确的转子温度估计提高电动机控制系统的性能和效率，并且提供与电动机相关的故障安全能力。

为此目的，本发明的示例性实施例提供了一种用于估计电动机的转子温度的方法，其可包括：使用电动机的驱动条件计算电动机的能量损耗；使用计算出的能量损耗及电动机的转子和定子的热阻，在预定参考温度下计算转子的温度变化；和使用转子的温度变化，用预定参考温度估计转子温度。

电动机可以是嵌入式永磁型同步电动机。电动机的驱动条件可包括扭矩指令、电动机速度、参考电压和开关频率。预定的参考温度可以是电动机的冷却温度。电动机的能量损耗的计算可使用响应面建模和近似模型作为基于实际测量数据的能量损耗模型。另外，电动机转子的温度变化的计算可使用热阻模型作为基于实际测量数据的热模型。热阻模型可用以下函数表示：

$Z_{\mathrm{th}\_\mathrm{total}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i(1-e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i}})$

其中Z_{th_total}为总热阻，R为热阻，并且t为测量时间。

此外，本发明的另一示例性实施例提供了一种用于估计电动机的转子温度的系统，其可包括：作为环保型车辆的驱动电动机工作的电动机；和配置成估计电动机的转子温度的控制器。控制器可由执行用于估计电动机的转子温度的方法的预定程序操作。

如上所述，根据本发明的示例性实施例，通过基于实际测量数据的热模型(例如，热阻模型)和能量损耗模型计算转子的温度变化，然后使用计算出的转子的温度变化估计转子温度，可提供用于估计电动机的转子温度的方法，以根据更准确的转子温度估计来提高电动机控制系统的性能和效率，另外还提供与电动机相关的故障安全能力。

附图说明

图1是示出根据现有技术的在环保型车辆中使用的驱动电动机的示意性结构的示例性视图；

图2是根据本发明的示例性实施例的在环保型车辆中使用的驱动电动机的转子的热路径的示例性视图；

图3是示出根据本发明的示例性实施例的在环保型车辆中使用的驱动电动机的热模型的示例性视图；

图4是根据本发明的示例性实施例的用于估计电动机的转子温度的方法的示例性逻辑图；

图5是根据本发明的示例性实施例的用于估计电动机的转子温度的方法的示例性流程图；

图6是根据本发明的示例性实施例的测量电动机的转子温度的示例性说明；

图7是示出根据本发明的示例性实施例的电动机转子的示例性温度变化的示例性曲线图；并且

图8是根据本发明的示例性实施例的用于估计电动机的转子温度的方法可应用的能量损耗的响应面建模的示例性流程图。

附图标记说明：

1：电动机

10：转子

12：永磁体

20：定子

40：壳体

42：冷却通道

100：控制器

110：能量损耗计算模块

120：转子温度变化计算模块

130：转子温度估计模块

具体实施方式

应当理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他类似术语包括通常的机动车辆，诸如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、货车、各种商用车辆在内的载客车辆，包括各种艇和船在内的水运工具，以及航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他代用燃料车辆(例如从石油之外的资源取得的燃料)。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如具有汽油动力和电动力两者的车辆。

尽管示例性实施例被描述为使用多个单元执行示例性处理，然而应当理解的是，示例性处理也可由一个或多个模块执行。另外，应当理解的是，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置为存储模块，并且处理器被具体配置为执行所述模块以执行以下进一步说明的一个或多个处理。

此外，本发明的控制逻辑可实施为包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在网络连接的计算机系统中，使得计算机可读介质例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)，以分布方式存储并执行。

本文所使用的术语仅是为了说明特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一种”、“一个”和“该”旨在同样包括复数形式，除非上下文另外清楚地表明。还将理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”规定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何或全部组合。

在下文中，将参照示出本发明的示例性实施例的附图，更充分地说明本发明。如本领域技术人员将会认识到的，所述的实施例可以各种不同方式进行更改，而均不背离本发明的实质或范围。贯穿本说明书，相同的附图标记表示相同的元件。

图4是示出根据本发明的示例性实施例的配置成执行用于估计电动机的转子温度的方法的逻辑的控制器100的示例性视图。根据本发明的示例性实施例的配置成执行用于估计电动机的转子温度的方法的控制器100可包括：能量损耗计算模块110，其配置成检测电动机1的驱动条件并且用检测到的驱动条件计算电动机1的能量损耗；转子温度变化计算模块120，其配置成使用由能量损耗计算模块110计算出的能量损耗，使用转子10和定子20的热阻在预定参考温度下计算转子10的温度变化；以及转子温度估计模块130，其配置成使用由转子温度变化计算模块120计算出的转子10的温度变化，在预定参考温度下估计转子10的温度。

电动机1可以是用作环保型车辆中的驱动电动机的嵌入式永磁型同步电动机，但是应当理解本发明的保护范围不限于此。即使电动机不是嵌入式永磁型同步电动机，本发明的技术实质也可应用于永磁体基本嵌入转子中的电动机。电动机1的驱动条件可包括电动机1的扭矩指令、电动机速度、参考电压和开关频率，并且因为驱动条件可由本领域技术人员使用公开的技术确定，所以将省略其详细说明。

预定参考温度可以是在电动机1的冷却通道42中流动的冷却剂或油的温度，但是应当理解本发明的保护范围不限于此。如果预定的参考温度不是冷却剂或油的温度，而是基本上可配置为参考温度的温度，那么本发明的技术实质可应用于该温度。如图2和图3中所示，电动机1的能量损耗(P_loss(motor))可以是定子芯、定子线圈、气隙、转子的铁芯和永磁体中的能量损耗的总和。能量损耗可由冷却剂温度(T_coolant)和转子温度(T_rotor)来计算，并且转子温度可使用能量损耗和冷却剂温度进行估计。换言之，转子温度可由以下方程计算，并且当能量损耗和冷却剂温度公开时可估计转子温度。

在图2中，TP代表冷却剂温度(T_coolant)与转子温度(T_rotor)之间的温度差异，并且WT代表冷却剂温度。

$R_{\mathrm{th}\_\mathrm{total}}=\frac{T}{P}$

在以上方程中，P为已知的能量损耗，T为冷却剂温度与转子温度之间的差异，并且R_{th_total}为通过图3和以下热阻模型方程计算出的热阻。

Z_{th_total}＝Z_th1+Z_th2+Z_th3+Z_th4+Z_th5

$Z_{\mathrm{th}\_\mathrm{total}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i(1-e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i}})$

在以上方程中，Z_{th_total}代表总热阻，R代表热阻，并且t代表测量时间。

在图3中，C_i(i＝1,…,5)代表各个电动机部件的热容量。在本发明的示例性实施例中，如图6中所示，可通过用于测量电动机转子的实际温度的配置来确定热阻。例如，当温度传感器TS安装在转子10的内部，并且温度传感器TS通过轴SH中的孔联接到滑环SR时，可通过滑环SH和实验室中的信号处理器(未示出)连续地测量转子10的温度。

通过图6的配置测量的转子10的温度可由图7中所示的曲线图表示。在实验室中测量的转子温度可具有阶跃响应特性，并且转子温度可测量多次。电动机1的损耗通常可由铜损、铁损、绕组损耗、摩擦损耗等组成，并且因为铁损可受到驱动电流和旋转速度的影响，所以铁损的准确的损耗估计可能是困难的。因此，为了更准确地估计铁损，推荐基于实验数据的损耗建模，并且相应地，本发明的示例性实施例中的能量损耗计算可使用响应面建模和/或近似模型作为基于实际测量数据的能量损耗模型。

如本领域技术人员所熟知的，响应面建模是一种当多个描述性变量(例如，独立参数)复杂地影响一些响应变量(例如，依存参数)时，用于由响应的变化所形成的响应面的统计分析方法。换言之，独立参数与依存参数之间的函数关系可由数据(例如，实验数据)来假设，以根据独立参数的变化来估计每个依存参数的响应量。

在本发明的示例性实施例中，用于电动机能量损耗建模的独立参数可以是扭矩指令(例如，电流)、电动机速度、参考电压和开关频率，并且依存参数可以是能量损耗。响应面建模可应用于本发明的示例性实施例，因为为了使用上述热模型估计温度，根据电动机1的驱动条件(例如，独立参数)的损耗估计可能是关键的，并且基于分析的损耗估计由于各种考虑因素可能难以应用于能量损耗估计。

因此，在本发明的示例性实施例中，基于实验计划的响应面建模可用于能量损耗估计，并且通过响应面建模，可通过执行最小数目的实验创建更准确的近似响应模型，从而减少电动机的开发周期。图8示出可应用于本发明的示例性实施例的能量损耗估计建模的示例性处理。换言之，本发明可配置成通过图8中所示的处理，确定用于能量损耗估计的最优近似模型。在确定最优近似模型之后，实际模型可由近似模型代替，并且近似模型可用于执行近似优化处理。

近似优化处理是一种使实际模型与近似模型之间的差异可缩小以收敛于最优设计值(模型)的方法。当进行响应面建模时如何确定初始近似模型可确定建模精度(例如，误差水平)，这是本领域技术人员熟知的事实。用于近似模型的方程可以是如下线性近似模型方程1和[线性+平方]近似模型方程2。

$\hat{P}=f(T^{*},\mathrm{\ω},V_{\mathrm{dc}},f)={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_1{T}^{*}+{\mathrm{\α}}_2\mathrm{\ω}+{\mathrm{\α}}_3{V}_{\mathrm{dc}}+{\mathrm{\α}}_{4}f$    方程1

$\hat{P}={\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_1{T}^{*}+{\mathrm{\α}}_2\mathrm{\ω}+{\mathrm{\α}}_3{V}_{\mathrm{dc}}+{\mathrm{\α}}_{4}f+{\mathrm{\α}}_5{T}^{*2}+{\mathrm{\α}}_6{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{\α}}_7{V_{\mathrm{dc}}}^2+{\mathrm{\α}}_8{f}^2$    方程2

α₀,α₁,…,α₈：模型系数

在本发明的示例性实施例中，为了选择或确定近似模型当中具有最佳精度的模型，可选择在各种类型的负载条件下具有最小误差(例如，＝(实际测量损耗)-(通过模型估计的损耗))的模型。可应用用于选择最优模型的方差分析作为一种统计分析方法。

现在将参照附图详细说明用于估计电动机的转子温度的方法。图5是根据本发明的示例性实施例的用于估计电动机的转子温度的方法的示例性流程图。如图5中所示，控制器100的能量损耗计算模块110可使用电动机1的驱动条件(例如，扭矩指令、电动机速度、参考电压、开关频率等)，使用上述能量损耗模型来计算电动机1的能量损耗(S100和S200)。

然后，控制器100的转子温度变化计算模块120可使用计算出的能量损耗以及电动机1的转子10和定子20的上述热阻(R_{th_total})根据以下方程在预定参考温度(例如，冷却剂温度)下计算转子10的温度变化(ΔT)(S300)。

$\mathrm{\ΔT}=\hat{P}\×R_{\mathrm{th}\_\mathrm{total}}$

进一步地，控制器100的转子温度估计模块130可配置成在预定参考温度下基于转子的温度变化，使用以下方程估计并输出转子温度(S400)。

${\hat{T}}_{\mathrm{rotor}}=T_{\mathrm{coolant}}+\mathrm{\ΔT}$

因此，基于实际测量数据的热模型(例如，热阻模型)和能量损耗模型可用于计算转子的温度变化，然后计算出的转子的温度变化可用于估计转子温度，从而通过与估计的转子温度有关的信息提供与电动机相关的故障安全能力，同时通过更准确估计的转子温度提高电动机控制系统的性能和效率。

虽然已结合目前认为实际的示例性实施例说明了本发明，但是应当理解，本发明并不限于所公开的示例性实施例，而是相反，其旨在涵盖包括在所附权利要求的实质和保护范围内的各种改型和等效布置。

Claims (20)

1.一种用于估计电动机的转子温度的方法，包括：

由控制器使用所述电动机的驱动条件计算所述电动机的能量损耗；

由所述控制器使用计算出的能量损耗以及所述电动机的转子和定子的热阻，在预定参考温度下计算所述转子的温度变化；以及

由所述控制器使用所述转子的温度变化，在所述预定参考温度下估计转子温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电动机是嵌入式永磁型同步电动机。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电动机的驱动条件包括扭矩指令、电动机速度、参考电压和开关频率。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定参考温度是所述电动机的冷却温度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述电动机的能量损耗的步骤使用响应面建模和近似模型作为基于实际测量数据的能量损耗模型。

6.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述电动机的转子的温度变化的步骤使用热阻模型作为基于实际测量数据的热模型。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述热阻模型用以下函数表示：

$Z_{\mathrm{th}\_\mathrm{total}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i(1-e^{\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i}})$

其中Z_{th_total}为总热阻，R为热阻，并且t为测量时间。

8.一种用于估计电动机的转子温度的系统，包括：

配置成作为环保型车辆的驱动电动机操作的电动机；以及

具有存储器和处理器的控制器，所述控制器配置成：

使用所述电动机的驱动条件计算所述电动机的能量损耗；

使用计算出的能量损耗以及所述电动机的转子和定子的热阻，在预定参考温度下计算所述转子的温度变化；以及

使用所述转子的温度变化，在所述预定参考温度下估计转子温度。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述电动机是嵌入式永磁型同步电动机。

10.根据权利要求8所述的系统，其中所述电动机的驱动条件包括扭矩指令、电动机速度、参考电压和开关频率。

11.根据权利要求8所述的系统，其中所述预定参考温度是所述电动机的冷却温度。

12.根据权利要求8所述的系统，其中计算所述电动机的能量损耗的处理使用响应面建模和近似模型作为基于实际测量数据的能量损耗模型。

13.根据权利要求8所述的系统，其中计算所述电动机的转子的温度变化的处理使用热阻模型作为基于实际测量数据的热模型。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述热阻模型用以下函数表示：

$Z_{\mathrm{th}\_\mathrm{total}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i(1-e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i}})$

其中Z_{th_total}为总热阻，R为热阻，并且t为测量时间。

15.一种包含由控制器执行的程序指令的非暂时性计算机可读介质，所述计算机可读介质包括：

控制电动机作为环保型车辆的驱动电动机操作的程序指令；以及

使用所述电动机的驱动条件计算所述电动机的能量损耗的程序指令；

使用计算出的能量损耗以及所述电动机的转子和定子的热阻，在预定参考温度下计算所述转子的温度变化的程序指令；以及

使用所述转子的温度变化，在所述预定参考温度下估计转子温度的程序指令。

16.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述电动机是嵌入式永磁型同步电动机。

17.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述电动机的驱动条件包括扭矩指令、电动机速度、参考电压和开关频率。

18.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述预定参考温度是所述电动机的冷却温度。

19.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中计算所述电动机的能量损耗的程序指令使用响应面建模和近似模型作为基于实际测量数据的能量损耗模型。

20.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中计算所述电动机的转子的温度变化的程序指令使用热阻模型作为基于实际测量数据的热模型。