CN105588665A - 用于确定电机绕组温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定电机绕组当前温度的方法，其中根据在电机“空转”状态期间所检测到的电压和在电机“主动短路”状态期间检测到的电流强度计算当前的定子绕组电阻，使用当前的定子绕组电阻来计算电机绕组的当前温度。本发明还涉及一种带有控制器的车辆，该控制器被构造用于实施所述方法。

Description

用于确定电机绕组温度的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定电机绕组温度的方法以及一种带有控制器的机动车，所述控制器被构造用于实施所述方法。

背景技术

电机例如三相交流电机通常具有绕组，绕组在运行中交替地被通电、即被供电，并由此使转子运动。通电使绕组变热，由此可能会造成电机损坏。

为防止电机由于过热而损坏，需要监控相应电机的当前温度、尤其是电机绕组的温度，并在必要时关闭电机。

为检测电机的当前温度，可以使用温度传感器，但温度传感器构成成本要素并具有测量差异，所以相应的测量一直有误差/不准确性。

现有技术描述了用于确定电机温度的方法和设备。

欧洲专利文献EP1249060B1公开了一种用于防止电动机的热负荷过大的方法，其中使用不同的电动机特征参数例如电流强度、电压和转速来确定为激励电动机所需的磁通量作为与温度有关的电动机参数。

德国公开文献DE3111818A1公开了一种用于确定电机绕组温度的方法，其中通过施加在电机上的电压和流向电机的电流计算出代表相应的电机电阻的值，借助该值确定相应的绕组温度值。

德国专利文献DE3736303C2公开了一种利用在未通电阶段在绕组中感生出的电磁力来确定无刷直流电机的温度的方法。

DE102008001807A1公开了一种用于确定混合动力车辆的电动机的转子温度的方法，其中通过在混合动力车辆运行过程中测量电动机的运行参数来确定转子温度。

此外，德国公开文献DE10254295A1公开了一种用于确定永磁体励磁激励的电机的转子温度或磁体温度的方法，其中基于当前的空转电压和参考空转电压来计算转子温度。

发明内容

在此背景下提出了一种用于确定电机绕组当前温度的方法，在该方法中根据在电机“空转”状态期间检测到的电压和在电机“主动短路”状态期间检测到的电流强度计算出定子绕组电阻，并使用当前的定子绕组电阻来计算电机的绕组、即定子绕组的当前温度。

实施方案从说明书和所属的权利要求书中得出。

所述方法的基础是：利用在相应电机的不同运行状态期间所确定的运行参数来计算温度。尤其是在所述方法中规定，将相应电机切换到“空转”状态和“主动短路”状态，在“空转”状态下电机不做功，而在“主动短路”状态下电机的相应连接导线暂时地被桥接、即相互连接。

运行参数在本发明上下文中应被理解为在电机运行中要测量的参量的大小，所述参量尤其是感生电压以及感生电流强度。

在所述方法的实施方案中规定，在“空转”状态期间通过所检测到的电压计算磁通量，而在“主动短路”状态期间利用在“空转”状态期间计算出的当前磁通量和在“主动短路”状态期间所检测到的电流强度计算出当前的定子绕组电阻。

“主动短路”状态和“空转”状态特别有利地适用于计算电机的当前特征、例如温度，这是因为在“主动短路”状态下，存在于相应电机上的当前电压值为零，而在“空转”状态下，存在于相应电机上的电流强度值为零。由于在相应的“主动短路”和“空转”状态下都如上所述地存在电压和电流强度的恒定值，所以可以通过这些值求解用于计算相应电机特征的方程式。

在将电机切换至“空转”状态时，电机的功率电子设备的半导体被阻断，从而不再有电流流动，而电压相应于由转动的永磁体感生出的电压或相应的磁通量电压还与永磁体的转速ω_el和当前温度有关。相应地，可以通过在“空转”状态期间确定的电压推断出当前的磁通量，因为磁通量与所存在的电压成比例，如公式(1)所示：

其中：

U_LLK＝空转电压[V],ω_el＝2*π*转速[1/s]。

在转速已知和通过例如电压测量装置确定了电压的情况下，可以根据公式(2)计算磁通密度Ψ_PM：

${\mathrm{\ψ}}_{PM}=\frac{U_{LLK}}{{\mathrm{\ω}}_{el}}---\left(2\right).$

通过将电机切换至“主动短路”状态可以在磁通量已知的情况下利用感生电流强度推断出当前的绕组电阻，因为绕组电阻随磁通量和感生电流强度而变化，如公式(3)所示：

$\begin{array}{c}{I}_{AKS}=\sqrt{\left(\right((p^2}4*{\mathrm{\π}}^2*n^2/3600*L_S*{\mathrm{\Ψ}}_{PM})/({R_S}^2+p^2*4{\mathrm{\π}}^2{n}^2/3600*{L_S}^2){)}^2\\ +{\left(\right(2p\mathrm{\π}*n/60*R_S*{\mathrm{\Ψ}}_{PM})/({R_S}^2+p^2*4{\mathrm{\π}}^2*n^2/3600*{L_S}^2\left)\right)}^{2}K/\sqrt{2}\end{array}---\left(3\right),$

其中：

I_AKS＝短路电流[A(安培)]

Ψ_PM＝磁通链，即磁通密度，(效率指标)[Vs(伏特*秒)]

p＝极对数

n＝转速[1/min(1/分钟)]

L_S＝串联电感[H(亨利)]

R_S＝串联电阻[Ohm(欧姆)]

K＝电机成三角形接线时，电机成星形接线时，Delta＝1。优选地，K＝Delta。

利用已知的磁体温度可以通过方程式(3)确定定子绕组电阻R_S，利用该定子绕组电阻结合铜的温度系数α_cu可以计算出定子的绕组温度T_stator。

由于相应绕组的温度并因此相应电机的温度都随当前的绕组电阻和当前的磁通量而改变，所以通过磁通量和电流强度这些运行参数能够推断出相应绕组或相应电机的温度。

通过一系列的对“空转”和“主动短路”状态下的电压和电流强度的测量，可以例如利用公式(4)计算出相应的电机的当前温度：

$T_{Stator}=\frac{(\frac{R_S}{R_{S\_20}}-1)}{{\mathrm{\α}}_{cu}+20}---\left(4\right)$

其中：

T_stator＝定子的绕组温度

R_{S_20}＝20℃时的串联电阻[Ohm]

α_cu＝铜的温度系数＝3.9e-3[1/K]

可以想到，通过使用电机的每个合适的运行参数或各运行参数的相应组合实施所述方法，所述运行参数或运行参数组合随温度而变化。

为在车辆中实施所述方法，把为通过公式(1)至(4)计算相应的值所需的表格或值通过例如特征曲线族存储在控制器中，在此，例如第一特征曲线族Ψ_PM是磁体温度和机器转速(在测试台上)的函数，其中，第一轴是转速轴，第二轴是磁体温度轴、即永磁体温度轴，而第三轴是磁通链Ψ_PM轴。

此外，可以例如在控制器中存储第二特征曲线族I_AKS，其在绕组温度轴、磁体温度轴和短路电流I_AKS轴上函数变化。

各个值例如R_{S_20}、p和L_S通常都已存储在为运行电机所需的控制器中。

在所述方法的一种可能的实施方案中规定，将车辆选择为混合动力车辆，该车辆在切换至“空转”状态和/或“主动短路”状态时由车辆所具有的内燃机驱动。

由于所述方法以电机的状态、即运行状态的变换为基础，所以对车辆的驱动电机实施该方法时驱动电机不能持续用于减速滑行。为避免由于实施所述方法而造成推力突降，在混合动力车辆或具有多个驱动单元的车辆中规定，在实施所述方法期间，次级驱动器、例如内燃机或除通过所述方法当前进行测量的驱动单元外的额外的驱动单元这样提高其功率输出，使得电机的暂时突降得到补偿。

在所述方法的另一种可能的实施方案中规定，将所确定的温度用作为用于计算电机当前温度的模型的起始值。

为了即使不使用温度传感器也能确定机器的运行温度，可以使用温度模型，这些温度模型对相应机器、例如电机的温度曲线进行数学建模并由此进行模拟，从而能够计算出机器在任何运行点上的温度。这类温度模型在所谓的“热起动”时具有缺点，在该“热起动”中相应的机器在运行中被加热、关闭，然后又在短时间后重新启动。由于在这类热起动时的起始温度与环境温度不同，所以起始温度也是未知的，从而使相应的温度模型不具有起始值，相应地所提供的结果也不准确。

通过所述方法提出了一种即使在热起动时也能够为温度模型提供起始值的可能方案。通过在起动阶段计算当前的绕组温度可以快速确定起始值，并将其用作在接下来的过程中在相应电机运行时进行模拟或建模的基础。

此外，本发明还涉及一种带有控制器的车辆，所述控制器被构造用于确定电机的当前温度，其中，所述控制器被构造用于根据在电机“空转”状态期间检测到的电压和在电机“主动短路”状态期间检测到的电流强度计算出当前的定子绕组电阻并使用当前的定子绕组电阻来计算电机的绕组的当前温度。

所述车辆尤其用于实施所述方法。

本发明规定，所述车辆具有控制器，该控制器被构造用于实施所述方法。这意味着，控制器首先将车辆的相应电机、例如三相交流电机切换至“空转”状态并在该“空转”状态中例如使用电压表检测感生电压。随后，控制器将电机切换至“主动短路”状态并例如使用电流表检测感生电流强度。利用所获得的电压和电流强度，控制器计算电机的绕组的当前温度。

本发明的其他优点和实施方案从说明书和附图中得到。

当然，上面所述和下面还要阐述的特征在不脱离本发明框架的情况下不仅可以以所给出的组合形式、而且也可以以其他组合形式或单独地使用。

附图说明

本发明借助于实施形式在附图中被示意性示出并且参照附图被示意性地详细说明。

图1示出根据本发明的所述方法在车辆中的可能的实施方案的示意性图示。

具体实施方式

车辆1具有电机3和控制器5。为确定电机3的温度，电机3被控制器5首先切换至“空转”状态，之后控制器检测在“空转”状态下的感生电压，然后将电机3切换至“主动短路”状态。在电机3被切换至“主动短路”状态期间，控制器检测感生出的短路电流，即感生电流强度，并通过检测到的电压和检测到的短路电流计算电机3的当前温度。

为此，通过在电机的特定转速下、例如在空转时测得的电压计算磁通量。利用磁通量可以通过公式(3)在电流强度已知时推断出当前的定子绕组电阻R_S。由于定子绕组电阻R_S随当前温度而变化，所以可以通过定子绕组电阻R_S利用公式(4)推断出电机或定子的当前温度。

Claims (10)

1.一种用于确定电机绕组当前温度的方法，在该方法中，根据在电机“空转”状态期间检测到的电压和在电机“主动短路”状态期间检测到的电流强度计算当前的定子绕组电阻，使用当前的定子绕组电阻来计算电机绕组的当前温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在“空转”状态期间通过检测到的电压计算磁通量，而在“主动短路”状态期间借助在“空转”状态期间所计算出的当前的磁通量和在“主动短路”状态期间所检测到的电流强度计算当前的定子绕组电阻。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将电机切换至“空转”状态以确定感生电压，然后将电机切换至“主动短路”状态以确定感生电流强度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用电机来驱动车辆，并在车辆减速滑行期间进行向“空转”状态和/或“主动短路”状态的切换。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，选择混合动力车辆作为车辆，在切换至“空转”状态和/或“主动短路”状态时由车辆所具有的内燃机驱动该车辆。

6.根据上述权利要求之一所述的方法,其特征在于，将所确定的温度用作模型的起始值，该模型用于计算电机当前温度。

7.一种带有控制器的车辆，所述控制器被构造用于确定电机的绕组的当前温度，其中，所述控制器被构造用于：根据在电机“空转”状态期间检测到的电压和在电机“主动短路”状态期间检测到的电流强度计算当前的定子绕组电阻，并使用当前的定子绕组电阻来计算电机的绕组的当前温度。

8.根据权利要求7所述的车辆，其特征在于，所述控制器被构造用于将电机切换至“空转”状态和/或“主动短路”状态。

9.根据权利要求7或8所述的车辆，其特征在于，所述车辆具有至少一个用于检测在电机相应状态下的感生电压和/或感生电流强度的传感器。

10.根据权利要求7至10之一所述的车辆，其特征在于，所述电机是三相交流电机。