CN109845091A - 用于电机的温度降额的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于限制电机中的温度的方法，其中，在超过预先确定的持续温度之后，允许短期达到更高的驱动功率，为了提供这种方法提出，确定电机中的温度在超过预先确定的持续温度之后，在由控制器计算的时间间隔内允许进一步的温度提高，并且在该时间间隔结束之后减小电机的功率和/或扭矩和/或至少一个相电流。为了短期达到电机的更高的驱动功率，在隐含或清楚地确定的受限的时间段内允许超过持续温度并且在该时间结束之后，均匀地(即非跳变地)减小电机的扭矩、功率和/或至少一个相电流。
Description
本发明涉及一种用于限制电机中的温度的方法和用于执行该方法的控制装置。
背景技术
为了避免电机、例如机动车中的电动机热过载，需要在超过预先确定的极限温度时降低电动机的功率。这通常通过减小可用的扭矩或相电流来实现。由于定子绕组的欧姆电阻而产生的损耗在很大程度上对于电动机中的温度发展有贡献。在此，损耗功率与流动的电流的平方成比例。如果电动机需要大的扭矩，则对应地流过更大的电流，其结果是在电动机中可能产生高的温度发展。例如电动机中的高温可能在绕组绝缘处导致破损，这可能导致电动机损坏。因此，需要根据温度降低电动机的功率的方法。这些方法经常称为温度降额(Derating)。
在电机运行时，在主动降额时，限制电机的扭矩或相电流。
这种限制电机的温度的方法例如从EP 2 787 588 A2中已知。在那里描述了一种用于电驱动装置的过载保护系统，其中，对于驱动装置的每个部件计算或测量参数。对于参数，存在不允许超过预先确定的极限值的参量。在此，作为参数，例如测量扭矩或电流，其中，具有极限值的相关参量可以是温度。
此外，在DE 10 2011 089 755 A1中描述了一种用于运行电动机的调节策略。在此，在考虑行驶要求的情况下，使用定子电流或转子电流的减小来防止或延迟超过电动机的各个部件的极限温度。在超过极限温度之后，通过激活所谓的降额来降低电机温度。
从WO 2006/065 337 A1中已知一种用于电气设备的过载保护系统，过载保护系统通过设备部件附近的温度敏感元件来确定其温度。本发明涉及在使用预测的温度的情况下的方法，并且设置为，一旦超过特定温度，则调整电动机的特定运行参数。对影响温度降额的温度发展进行预测。
行驶驱动装置中的电动机的温度降额通常基于测量的绕组温度进行，并且通过减小可用的扭矩或者相电流，来防止电动机热过载。随着时间对温度超过的评估不是已知的。
这种应用可能需要，为了实现最大规格，即例如电机的最大短期功率或最大短期扭矩，必须能够在允许的持续温度以上短期运行。电动机的设计使得能够在某些情况下短期允许比预先给定的最大持续温度高的温度。这使得尽管超过允许的持续温度，但是仍然能够短期调用全功率或甚至更高的驱动功率。为了使用这种特性，需要使得能够短期超过允许的持续温度的降额策略。
本发明的描述：技术问题、解决方案、优点
本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于限制电驱动装置中的温度的方法，其中，尽管超过确定的持续温度，但是仍然短期允许调用更高的驱动功率。
本发明提供一种用于限制电机中的温度θ的方法，其中，确定电机中的温度θ，并且在超过预先确定的持续温度θDauer之后，在预先确定的时间tDerating内允许进一步的温度提高。在预先确定的时间tDerating结束之后，减小电机的功率P’和/或扭矩M’和/或至少一个相电流I’。这种方法可以应用于不同类型的电驱动装置。在此，这种方法尤其是可以在同步电机、永磁同步电机和异步电机中使用。
通过根据本发明的方法，可以在有限的时间段内需要更高的功率的应用中使用电驱动装置的已有的设计。如果使用根据现有技术的降额，则必须设计电驱动装置、例如电动机的持续功率，使得持续功率也满足对短期功率峰值的要求，-不确保随着时间限制这些功率峰值。在使用根据本发明的降额时，可以更紧凑地设计电驱动装置、例如电动机。由此，电驱动装置的成本、结构空间和重量减小。
为了确定电驱动装置中的温度θ，例如可以设置温度敏感元件。可以在电驱动装置的不同的部件上安装一个或多个温度敏感元件，然而，在电动机中优选安装在定子绕组上。温度敏感元件可以是任意合适的并且根据现有技术已知的温度测量设备，因此例如可以使用冷导体温度传感器、热导体温度传感器或光纤温度传感器。然而，此外，也可以使用其它方法来确定温度，例如基于温度模型来确定温度。温度θ的确定在时间上连续进行。
对于电驱动装置，确定持续温度θDauer，持续温度是如下温度，即直到该温度，电驱动装置都能够无问题地运行。因此，持续温度是如下极限温度，直到该极限温度，电驱动装置都能够持续运行。在不受限的时间段内超过持续温度θDauer可能导致电驱动装置损坏。
此外，针对电驱动装置确定在电驱动装置运行时不允许超过的最高温度θMax。超过该最高温度θMax可能导致电驱动装置损坏、例如在电动机中的定子绕组的绝缘处破损。最高温度θMax处于持续温度θDauer以上，并且短期内也不应当超过。
持续温度θDauer的值和最高温度θMax的值与电驱动装置的设计相关。电驱动装置的相应的设计例如影响电驱动装置的比热容，因此确定温度如何影响电驱动装置的运行。
借助控制器计算允许超过持续温度θDauer的时间间隔。将该时间间隔的结束的时间点称为tDerating。在达到另外的极限温度θDerating之前，超过持续温度θDauer是允许的，因为电驱动装置的构造使得能够短期吸收附加的热量。
在例如具有电动机的机动车中的电驱动装置运行时，驾驶员通过操作加速踏板来请求电驱动装置的扭矩M或功率P的额定值。电驱动装置的控制器将扭矩的该额定值转换为实际值。然而，电驱动装置的构造不允许扭矩的任意的值。在电驱动装置运行期间，持续测量电驱动装置中、例如电动机的定子绕组上的温度θ。如果测量的温度θ现在超过电驱动装置的事先确定的持续温度θDauer，则在由控制器计算的时间间隔tDerating内允许温度提高，以使得能够短期向电驱动装置进一步请求功率。这意味着，驾驶员通过操作加速踏板请求的功率P(或扭矩M)或扭矩的额定值进一步继续转换为扭矩M’的实际值。在该时间间隔结束之后发生温度降额，并且电驱动装置的功率P’和/或扭矩M’和/或至少一个相电流I’减小。
在从属权利要求中示出了本发明的有利的设计方案。
根据一个适宜的实施方式，为了减小电驱动装置的功率P’和/或扭矩M’和/或至少一个相电流I’，设置如下步骤：
按照特定的时间顺序测量电机的温度θ。随后，在该时间顺序的每个点确定测量的温度θ与事先确定的持续温度θDauer之间的温度差Δθ。
将温度差Δθ的值分别与确定的因子K相乘。因子K可以理解为增益，增益反映关于热吸收和热输出的特定于电机的特性，因此例如与电机的比热容相关。因此，在此也是表征相应的电机类型的值。
关于时间对温度差Δθ和因子K的乘积的值进行积分，这些值是在温度确定的时间顺序的每个点确定的。
与在电保险装置中关于时间对电流的平方进行积分类似，这里使用基于积分的措施，该措施使得在计算的时间之后进行降额。
根据与时间相关的积分值和实际温度计算因子F。将该值称为所谓的降额因子。将因子F与在不考虑电机温度的情况下的电机的期望的扭矩M’和/或相电流I’相乘，扭矩和/或相电流例如由加速踏板的行驶要求产生。随后，将乘积作为控制参量馈送到电机。
在电机运行时，在进行主动降额时，电机的扭矩M’或相电流I’被限制为最大值。可能的实现形式是，将产生的降额因子F例如与基本设定范围中的最大允许扭矩或当前转速下的最大允许扭矩或者与最大允许相电流相乘。
设计因子F的计算，使得通过由此产生的功率减小，通过减少热输入，带来需要的温度降低，从而防止超过最高温度θMax。此外，通过下边界Fmin和上边界Fmax形成因子F的值范围的边界。在该值范围的边界内，因子F可以取任意的值，然而，因子F的值不允许具有时间上的跳变。因子F的跳变将导致电机的突然的功率减小，这可能导致不期望的行驶行为。
根据一个适宜的设计方案设置为，在达到确定的最高温度θMax时，因子F具有值0，因此使馈送的损耗功率最小化。由此确保不能超过电机中的最高允许温度，其可能导致电机损坏。
另一个有利的设计方案设置为，针对低于或等于持续温度的测量的温度的因子F具有值1。其结果是，对于低于或等于持续温度的温度，不减小电机的功率P’和/或扭矩M’和/或至少一个相电流I’，因为对于这些情况，分别将扭矩M’或相电流I’的当前的值与值1相乘。在这种情况下，电机处于扭矩M’或相电流I’的降额区域之外。
可以如下设计在时间顺序的各个点处与温度差Δθ相乘的因子K。在时间t1内，当实际温度恒定地为θDerating时，将积分器加载(aufladen)到值1。在这种条件下，适用如下关系：
由此可以计算因子K的值：
因为在因子K中仅引入特定于电机的设计参量，因此因子K相应地也具有特定于电机的值。因子K可以理解为考虑电机关于热吸收或热输出的行为的增益。
通过乘以确定的温度θ和持续温度θDauer的温度差Δθ，其可以不同地被加权。如果温度差Δθ的值是正的，则确定的温度θ高于持续温度θDauer，于是可以选择值K1，值K1在电机的控制电路的积分器上确定针对正的输入值的增益。如果温度差Δθ的值是负的，则确定的温度θ低于持续温度θDauer。为了在超过持续温度θDauer之后的电机的冷却过程期间又快速地减小积分值，对于负的温度差Δθ，可以选择增益的第二值K2。然而，K1和K2也可以具有相同的值。
根据另一个适宜的设计方案设置为，积分的值至少是0，并且最大是2。
此外设置为，通过相应的控制技术实现，将因子F的值范围限制到0到1。这通过控制器中的设备来实现，其首先将值限制到1到2的范围，随后从值2中减去产生的值。这意味着，积分的大的值(这对应于持续温度θDauer的大的温度超过)关于因子的值范围产生因子F的小的值。通过随后将因子F与扭矩M’和/或相电流I’中的至少一个的额定值相乘，相应地得到当前的扭矩M”和/或相电流I”中的至少一个的小的值。由此实现，在大的温度超过的情况下，对应地强烈地减小电机的功率P’，以防止生成另外的热量，并且使得能够对电机进行冷却。与此类似，对于积分的小的值，对应地得到因子F的大的值，这在与扭矩M’和/或相电流I’中的至少一个的额定值相乘之后，产生扭矩M”和/或至少一个相电流I”的仅稍微减小的新的值。在这种情况下，仅存在对持续温度θDauer的小的超过，从而相应地仅必须稍微减小电机的功率P’。
一个替换实施方式提供一种用于限制电机中的温度的方法，其中，从(第一次)超过持续温度θDauer的时间点开始，借助计时器确定时间tDerating的结束，并且在时间tDerating结束之后，减小功率P’和/或扭矩M’和/或至少一个相电流I’。在该变形方案中，tDerating是固定的时间值，并且是特定于电机的设计参数(代替前面描述的变形方案的K或t1)。
根据该方法的另一个有利的设计方案，可以通过显示向具有利用所给出的方法控制的电机的机动车中的驾驶员通知是否已经使用基于时间的温度降额，并且功率P”或扭矩M”和相电流I”在当前的时间点已经减小了多少。由此，驾驶员具有在必要时调整其驾驶行为的可能性，并且不对在超过持续温度的情况下发生的功率下降感到惊讶。也可能有利的是，在介入的准备阶段已经向驾驶员提供信息：一旦积分器具有不等于0的值，则知道超过了持续温度，并且立即使用基于时间的降额。因此，可以预先警告驾驶员其在接下来的几秒/分钟内不得不预期功率下降。
此外，本发明涉及一种控制装置，所述控制装置用于利用前面描述的流程实现用于限制电机中的温度的方法。
该控制装置具有用于按照特定的时间顺序确定温度的单元以及用于确定温度差的控制单元。此外，设置有用于将温度差与因子K相乘的控制单元以及用于对这些值进行积分的控制单元。控制装置的另一个控制单元将因子K的值限制到0至2的值范围，并且另一个控制单元用于随后将因子F的值限制到0至1的值范围。
借助相应的控制单元，将因子F与在不考虑电机温度的情况下的电机的期望的扭矩M’和/或相电流I’相乘，扭矩和/或相电流例如由加速踏板的行驶要求产生。随后，将乘积作为调节参量通过合适的控制单元馈送到电机。
此外，根据另一个有利的实施方案，该方法的特征在于，为了计算F，根据温度θ设置F的上特征曲线和下特征曲线，其根据下面的情况区分限制F的值：
通过该情况区分，对于F，存在两个特征曲线，该情况区分确定这两个特征曲线之间的区域，在该区域中可能存在F的可能的值。
此外，本发明涉及一种机动车，其包括具有前面描述的特征的控制装置。
本发明的优选实施方式
下面，借助附图详细说明本发明的实施例。
图1示出了具有用于限制电驱动装置中的温度的功能块的框图，
图2示出了曲线图，在该曲线图中，考虑Fmin和Fmax的情况区分，与温度θ相关地示出了因子F，以及
图3示出了曲线图，在曲线图中，与时间相关地示出了因子Ft。
在行驶运行中，根据驾驶员通过踏板位置预先给定的行驶要求，借助控制单元(19)计算电机(18)的扭矩(M)和/或功率(P)和/或至少一个相电流(I)的额定值。在控制单元(20)中，行驶要求的期望值被限制为考虑控制参量的最大允许的值的、扭矩(M’)和/或功率(P’)和/或相电流(I’)的值。
借助用于确定控制装置(100)内的温度的控制单元(10)，确定电驱动装置中的温度θ。例如可以借助传感器测量温度，或者借助针对相应的电机类型预先创建并且存储在电机的控制装置(100)中的温度模型来确定温度。温度θ的确定按照特定的时间顺序进行。
针对每个测量的温度值θ，确定相对于存储在控制装置(100)中的事先确定的持续温度θDauer的温度差Δθ。温度差Δθ的计算在控制装置(100)中的用于确定温度差Δθ的控制单元(11)中进行。
将温度差Δθ的相应的值传输至控制装置(100)的用于与因子K(12)相乘的控制单元(12)，在那里确定温度差Δθ和因子K的乘积。将计算的乘积引入用于对温度差Δθ和因子K的乘积进行积分的控制单元(13)中。将积分的值限制到0至2的范围。
用于进一步限制积分的值的控制单元(14)确定1至2之间的范围，并且与值2相减。结果是Ft的值，该值在0和1之间，并且传输至另一个控制单元(15)，其将与时间相关的值Ft限制为Fmin与Fmax之间的值。
控制装置(100)包括控制单元(15)，用于基于用于限制积分的值的控制单元(14)的输出值计算因子F。在用于将与时间相关的值Ft限制为Fmin至Fmax之间的值的控制单元(15)内。控制单元(15)的输出值是因子F，将因子F传输至控制单元(16)，其将因子F与电机的扭矩(M’)和/或功率(P’)和/或至少一个相电流(I’)的实际值相乘。将相乘的结果传输至调节单元(17)，调节单元将这些值转换为电机的扭矩(M”)和/或功率(P”)和/或相电流(I”)的新的值。
参量M”、P”和I”是已经通过控制单元(20)的控制参量限制而受到限制并且现在附加地在考虑电机温度θ的情况下受到限制的扭矩、功率和相电流的值。除了电机(18)之外，图1的整个装置是功率电子设备的一部分，功率电子设备将电机调节到值M”、P”和I”。
图2示出了与温度θ相关的F的曲线。如果θ位于持续温度θDauer以下，则电机处于额定区域中，并且不进行降额。在该区域中，F具有值1。在超过持续温度θDauer之后，如果对温度超过的时间评估还没有介入，则F继续具有值1，直到达到降额温度θDerating。这是如下区域，在该区域中，可以继续从电机请求高的驱动功率。从持续温度θDauer出发，F可以采取在Fmin和Fmax之后的曲线之间的每个变化。为了防止超过最高温度θMax，在达到该温度时，F必须具有值0。
在图3中示出了因子Ft和时间t的关系。在第一次超过θDauer时，降额时间开始流逝，其中，该时间的长度隐含地通过设计参数K得到。直到处于标记的区段“降额时间”内的时间点tDerating，因子Ft的值等于1。在时间tDerating和tDerating2之间，因子Ft减小，由此因子F离开图2所示的Fmax的变化曲线(发生如下情况，即Ft大于Fmin并且小于Fmax，由此得到F＝Ft)，并且非跳变地转变至特性曲线Fmin的点。F的时间变化曲线因此不具有跳变点。
附图标记列表
100 控制装置
10 用于确定温度的控制单元
11 用于确定温度差的控制单元
12 用于与因子K相乘的控制单元
13 用于对因子K和温度差的乘积进行积分的控制单元
14 用于限制积分的值、包括执行与常数的相减的控制单元
15 将与时间相关的值Ft限制到Fmin和Fmax之间的值的控制单元
16 用于将因子F与电机的扭矩和/或功率和/或至少一个相电流的实际值相乘的控制单元
17 调节单元，用于通过将因子F与电机的扭矩和/或功率和/或至少一个相电流的当前值相乘而得到的值，转换为电机的转矩和/或至少一个相电流的新的值
18 电机
19 根据行驶要求计算电机的扭矩和/或功率和/或至少一个相电流的控制单元
20 用于将行驶要求的期望值限制为在考虑调节参量限制的情况下得到的值的控制单元。
Claims (10)
1.一种用于限制电机(18)中的温度θ的方法，
-其中，确定电机(18)中的温度θ，
-其中，在超过确定的持续温度θDauer之后，在由控制器计算的时间间隔(tDerating)内允许进一步的温度提高，并且
-其中，在所述时间间隔(tDerating)结束之后，减小电机(18)的功率和/或扭矩和/或至少一个相电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，减小电机(18)的功率和/或扭矩和/或至少一个相电流包括如下步骤：
-按照特定的时间顺序测量电机(18)中的温度θ，
-按照特定的时间顺序确定测量的温度θ与持续温度θDauer之间的温度差Δθ，
-将温度差Δθ的每个值与因子K相乘，
-对温度差Δθ和因子K的乘积的值进行积分，
-计算因子F，将因子F与积分的值相关联或者利用积分的值计算因子F，
-将因子F与电机(18)的功率和/或扭矩和/或至少一个相电流的当前的量值相乘，以及
-将通过相乘得到的值，转换为电机(18)的扭矩和/或至少一个相电流的新的值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在达到预先确定的最高温度θMax时，因子F具有值0。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，只要测量的温度θ低于持续温度θDauer或等于持续温度θDauer，则因子F等于1。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，在积分之前，将温度差Δθ的值与因子K相乘，如下计算因子K：
其中，θDerating是温度，并且t1是时间，其中，这两个参量是特定于电机的设计参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，因子K对于正的温度差Δθ具有值K1，并且对于负的温度差具有值K2。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，积分的值至少是0，并且最大是2。
8.一种控制装置(100)，用于实现根据权利要求1至7中任一项所述的方法。
9.根据权利要求8所述的控制装置(100)，其具有
-用于按照特定的时间顺序确定温度θ(11)的控制单元(10)，
-用于按照特定的时间顺序确定温度差Δθ的控制单元(11)，
-用于将温度差和因子K相乘的控制单元(12)，
-用于对因子K和温度差Δθ的乘积进行积分的控制单元(13)，
-用于将积分的值限制到0至2的值范围的控制单元(14)，
-将与时间相关的值F1限制到Fmin至Fmax之间的值的控制单元(15)，
-用于将因子F与电机的扭矩和/或功率和/或至少一个相电流的实际值相乘的控制单元(16)，
-调节单元(17)，用于通过将因子F与电机的扭矩和/或至少一个相电流的当前的值相乘而得到的值，转换为电机(18)的扭矩和/或至少一个相电流的新的值，
-根据行驶要求计算电机(18)的扭矩和/或功率和/或至少一个相电流的控制单元(19)，
-用于将行驶要求的期望值限制为在考虑调节参量限制的情况下得到的值的控制单元(20)。
10.一种机动车，其具有根据权利要求8或9所述的控制装置(100)。
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