CN106029464A - 用于确定机动车的混合驱动器中的电动机的热状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定机动车的混合驱动器中的电动机的热状态的方法，其中，优选应用永久励磁的同步电机作为电动机，其中，在温度模型中计算出平均定子绕组温度以确定电动机的热状态。在改善了温度模型精度的方法中，由至少一个在电动机上测量出的电参数来确定估计的平均定子绕组温度，将估计的平均定子绕组温度与计算出的平均定子绕组温度进行比较以校准温度模型。

Description

用于确定机动车的混合驱动器中的电动机的热状态的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定机动车的混合驱动器中的电动机的热状态的方法，其中，优选应用永久励磁同步电机作为电动机，其中，在温度模型中计算平均定子绕组温度以确定电动机的热状态。

背景技术

如由DE 197 23 393 A1公知的那样，在机动车中使用的驱控致动器的电动机借助温度模型在临界状态方面被监控。根据DE 10 2004 006 730 A1和DE 10 2011 085 750A1，设置有用于机动车部件例如电动机的保护策略，以便禁止该机动车部件的热负载。在所设置的保护策略中，由温度模型计算特定的用作用于保护策略的激活准则的构件温度。

尤其是在通常具有内燃机和电动机作为驱动器的混合动力车辆中，电动机的最佳利用需要对电动机中的各部件的热状态的良好认识。这些部件的热状态受大量的热源影响。一些部件具有热极限值，在超过该热极限值时，导致使用寿命缩短或者损坏。因此，电动机的定子绕组上的过高温度会导致损伤。

为了确定电动机的热状态，使用了实时温度模型。用于借助实时温度模型估计部件温度的所需要的参量是定子绕组中的当前平均温度。定子绕组中的当前平均温度的确定在温度模型自身中进行并且随后再次作为输入参量被提供。不过，在行驶运行中无法使用实际平均定子绕组温度进行平衡。

发明内容

因此，本发明的任务在于提出一种用于确定机动车的混合驱动器中的电动机的热状态的方法，其中，在温度模型中确定的平均定子绕组温度以较高的精度给出。

根据本发明，该任务通过如下方式来解决，即，由至少一个在电动机上测量出的电参数来确定估计的平均定子绕组温度，将估计的平均定子绕组温度与在温度模型中计算的平均定子绕组温度进行比较以校准温度模型。这具有如下优点：为了进行比较，待使用的估计的平均定子绕组温度从实际测量出的参量中得出，由此实现了在确定定子绕组温度时的较高的估计精度，这使对整个温度模型的校准和可信度测试成为可能。

优选的是，测量电动机的定子绕组中的相电流作为电参数，从相电流推导出估计的平均定子绕组温度。相电流的确定是一种成本特别低的方法，其中，利用了本身存在于电动机中的硬件。

在一个改进方案中，为了测量相电流，将电动机的脉冲逆变器切换到测量运行模式，在测量运行模式中解除激活电动机的电流调节，并且电动机的转子处于静止状态中。在单独的测量运行模式中测量相电流防止了相电流受到电动机的其他电参数的影响。电动机的转子的静止状态阻止了电动机的永久磁体对相电流的附加影响。

在一个设计方案中，在测量运行模式中，电动机的定子绕组被加载电压源的直流电压，该直流电压通过使脉冲逆变器作为降压变换器工作而被降低。给定子绕组供给直流电压排除了在从定子绕组的阻抗确定电阻时的频率依赖的客体的影响。限制由电压源提供的直流电压导致产生的相电流不会超过电动机的电流限制数倍。

在一个变型方案中，降压变换器被实现为使得脉冲逆变器的第一功率晶体管被闭合并且第二功率晶体管通过限定的脉冲样式以时控的方式被驱控，而所有其他功率晶体管被断开。

在一个实施方式中，时控的第二功率晶体管的驱控信号的脉冲样式依赖于构造为电压源的高伏电池的充电状态和/或在电压源的输出端上测量出的中间电路电压来设定。由此保证的是，如下电压被设定在功率晶体管上，在该电压下，产生的相电流不超过允许的极限值。因此，期望的电压在每次执行估计方法时都具有相同的值，由此为不同的测量提供了类似的输出位置。

在一个改进方案中，驱控信号的周期持续时间被选择成使得时控的第二功率晶体管的接通时间比第二功率晶体管的最大切换频率大很多。由此保证的是，产生的相电压足够大地且不依赖于电压源的充电状态地具有相同的值，以便生成可测量的相电流。

有利的是，估计的平均定子绕组温度借助相电流和定子绕组温度的参考测量来确定，其中，定子绕组的热边界条件是准确已知的。因此，在参考测量期间在已知的当前测量出的相电流的情况下，简单地通过测量出的相电流和定子绕组温度的比例获知估计的平均定子绕组温度。

在一个设计方案中，参考测量一次性地在电动机的下线检测(Band-Ende-Prüfung)中或者在设置有电动机作为驱动器的混合动力车辆的起动时被执行。因此，参考测量的结果可供用于电动机在混合动力车辆的行驶运行期间的温度模型中的所有计算过程。因此，不需要附加的计算时间。

附图说明

本发明允许大数量的实施方式。根据在附图中所示的图对其中一个实施方式进行详细说明。其中：

图1示出混合驱动器的原理图；

图2示出具有驱控电路的电动机的原理图；

图3示出接在电动机之前的作为降压变换器的脉冲宽度逆变器(Pulsweitenrichter)的操作方式的实施例；

图4示出流过作为降压变换器运行的脉冲逆变器的电流；

图5示出电动机的定子绕组的相电流与定子绕组温度的依赖性。

相同的特征使用相同的附图标记来表示。

具体实施方式

在图1中示出混合动力车辆的驱动系1的原理图。该驱动系1包括内燃机2和电动机3。在内燃机2与电动机3之间直接在内燃机2之后布置有离合器4。内燃机2和离合器4通过曲轴5相互连接。电动机3具有可转动的转子6和固定不动的定子7，定子7具有未进一步示出的定子绕组。离合器4的从动轴8与变速器9连接。变速器9将由内燃机2和/或电动机3产生的转矩传递到混合动力车辆的驱动轮10上。

在图2中示出电动机3，电动机3由脉冲逆变器11来驱控，脉冲逆变器11由电压源12例如高伏电池供应电压U_DC。电压源12的输出端与中间电路电容器13互连。脉冲逆变器11由六个功率晶体管T1、T2、T3、T4、T5、T6组成，这六个功率晶体管以本身公知的B电桥形式布置。此时，三对功率晶体管T1和T4、T2和T5或者T3和T6分别串联，其中，在各个对之间的中间抽头上，针对电动机3的相位U、V、W的相电流i_ph被截取。

有关平均定子绕组温度θ_cu,est的信息可以由电动机3的定子绕组14的电阻R来推导。电阻R包含在阻抗Z中，

Z＝R+jωL，

其中，

Z是定子阻抗，

R是定子电阻，

L是定子电感，以及

ω是圆频率。

定子绕组14由电压源12供给直流电压U_DC。为了估计平均定子绕组温度θ_cu,est，设定脉冲逆变器11的测量运行模式，在测量运行模式中，解除激活电动机3的电流调节，并且电动机3的转子6处于静止状态中。

电压源12的直流电压U_DC必须被限制，这是因为否则平均相电流i_ph将超过电动机3的允许的电流限制数倍。出于该原因，对于估计方法来说，降低施加在定子绕组14上的直流电压U_DC，为此，使第一功率晶体管T5闭合并使第二功率晶体管T1被限定的脉冲样式时控地驱控。其他功率晶体管T2、T3、T4和T6被断开。因此，脉冲逆变器11作为降压变换器工作。晶体管T1和T5被选择作为示例。但是，该方法也可以借助其他晶体管组合。

在图3中，当时控的第二功率晶体管T1闭合时得到流过电动机3的电流的曲线I。曲线II示出在第二功率晶体管T1断开时的电流。此时，针对时控的第二功率晶体管T1的驱控信号被设定成使得在第二功率晶体管T1上产生相电压U，在该相电压U中，产生的待测量的相电流i_ph不超过允许的极限值。期望的相电压U应在每次执行估计方法时都具有相同的值，以便提供类似的输出位置。因此，驱控模型必须依赖于高伏电池12的充电状态以及在中间电路电容器13上测量出的中间电路电压地进行适配。

其中，

U是相电压，

t_通是第二晶体管T1的接通时间，

T是脉宽调制的时控信号的周期持续时间，

U_ZK是中间电路电容器13上的中间电路电压。

时控的第二功率晶体管T1的接通时间t_通对于所需要的小的相电压U来说下降到非常小。因此，驱控信号的时控信号的周期持续时间T在测量运行模式期间被选择成使得接通时间t_通不在第二功率晶体管T1的最大切换频率的极限范围内。

出现的相电流i_ph受总电阻Z限制。从图4可以看出，该总电阻Z由闭合的功率晶体管T5的微分电阻、两个绕组电阻的串联以及在时控信号的周期持续时间T期间的脉冲的第二功率晶体管T1与二极管D4之间的平均电阻构成。

定子绕组14中的电阻R与当前平均定子绕组温度θ_cu相关联。从图5可以看出，电动机3的定子绕组14中的温度变化引起电阻R的变化并且又引起定子绕组14中的所设定的相电流i_ph的变化。由于该原因，可以在以本方法为基础的测量运行模式中在脉冲逆变器11作为降压变换器运行时测量当前的相电流i_ph。测量出的当前的相电流i_ph与参考值i_ph(θ_cu,ref)成比例地设置，以便从中获知相对应的估计的定子绕组温度θ_cu,est。当热边界条件是准确已知时，执行一次参考测量。因此，当电动机3的部件的完全加热被确保时，参考测量可以在电动机3的最终离线检测(End-Off-Line-Prüfung)时或在车辆起动时进行。如果在电动机3的部件的完全加热时执行参考测量，那么装在定子绕组14中的温度传感器的温度信号也可以进行可信度测试。在行驶运行中的温度传感器的温度信号的可信度测试是不可行的，因为温度传感器位于发动机3的最热点，该最热点会强烈偏离平均定子绕组温度。

如果第二功率晶体管T1的微分电阻R_IGBT和二极管D4的微分电阻R_二极管与定子绕组14的电阻R相比较是可忽略的，那么平均定子绕组温度θ_cu,est的估计按如下实现：

${\mathrm{\θ}}_{cu,est}=(\frac{i_{ph}\left({\mathrm{\θ}}_{cu,ref}\right)}{i_{ph}\left({\mathrm{\θ}}_{cu}\right)}-1)*\frac{1}{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\θ}}_{cu,ref}$

如果第二功率晶体管T1和二极管D4的微分电阻处于不可忽略的范围内，那么为定子绕组温度θ_cu,est的估计设有修正因数f_修正。

其中，

i_ph是相电流，

θ_cu,ref是在参考温度中的定子绕组温度，

θ_cu是在当前温度中的定子绕组温度，

θ_cu,est是定子绕组温度的估计值，

α是材料温度系数，

f_修正是修正因数，

t_断是第二晶体管T1的断开时间，

R_IGBT是第二功率晶体管T1的微分电阻，

R_二极管是二极管D4的微分电阻，

R_ph是绕组电阻。

本方法的估计精度很大程度受电压和电流传感器的测量精度约束。中间电路电压U_ZK和相电流i_ph的高的测量精度会使定子绕组温度θ_cu,est的估计明显变差并且也许使该估计是不可用的。由于是估计，对于±10K的温度精度来说，以下传感器精度是必要的。±0.5％的电压传感器的测量精度导致±2K的估计误差。如果电流传感器的测量精度是±1％，那么其导致±8K的估计误差。为了获得估计方法的足够的精度，至少这些测量精度是必要的。

本估计方法可以在数百ms之内执行。在定子绕组中由于产生的高的相电流i_ph而导致的附加的平均温度升高在该时间之内非常小并且因此可以忽略。由于固有升温而出现的附加的估计误差在1K的范围内。

附图标记列表

1 驱动系

2 内燃机

3 电动机

4 离合器

5 曲轴

6 转子

7 定子

8 从动轴

9 变速器

10 驱动轮

11 脉冲逆变器

12 电压源

13 中间电路电容器

14 定子绕组

Claims (9)

1.用于确定机动车的混合驱动器中的电动机的热状态的方法，其中，优选应用永久励磁的同步电机作为电动机(3)，其中，在温度模型中计算出平均定子绕组温度以确定所述电动机(3)的热状态，其特征在于，由至少一个在所述电动机(3)上测量出的电参数(i_ph)来确定估计的平均定子绕组温度(θ_cu,est)，将所述估计的平均定子绕组温度(θ_cu,est)与计算出的平均定子绕组温度进行比较以校准所述温度模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述电动机(3)的定子绕组中的相电流(i_ph)作为电参数，从所述相电流(i_ph)中推导出所述估计的平均定子绕组温度(θ_cu,est)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了测量所述定子绕组的相电流(i_ph)，将驱控所述电动机(3)的脉冲逆变器(11)切换到测量运行模式中，在所述测量运行模式中解除激活所述电动机(3)的电流调节，并且所述电动机(3)的转子(6)处于静止状态中。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述测量运行模式中，所述电动机(3)的定子绕组(14)被加载直流电压(U_DC)，所述直流电压(U_DC)通过使所述脉冲逆变器(11)作为降压变换器工作而被降低。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述降压变换器被实现为使得所述脉冲逆变器(11)的第一功率晶体管(T5)被闭合并且第二功率晶体管(T1)通过限定的脉冲样式以时控的方式被驱控，而所有其他的功率晶体管(T2、T3、T4、T6)被断开。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，时控的第二功率晶体管(T1)的驱控信号的脉冲样式依赖于构造为电压源(12)的高伏电池的充电状态和/或在所述电压源(12)的输出端上测量出的中间电路电压(U_ZK)来设定。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述时控的第二功率晶体管(T1)的驱控信号的周期持续时间(T)被选择成使得所述时控的第二功率晶体管(T1)的接通时间(t_通)比所述第二功率晶体管(T1)的最大切换频率大很多。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述估计的平均定子绕组温度(θ_cu,est)借助相电流(i_ph)和定子绕组温度(θ_cu,ref)的参考测量来确定，在所述参考测量中，所述定子绕组(14)的热边界条件是准确已知的。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述参考测量一次性地在所述电动机(3)的下线检测中或者在设有所述电动机(3)作为驱动器的混合动力车辆起动时被执行。