CN112147181B - 虚拟温度传感器及测温方法、电机过温防护系统和汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种虚拟温度传感器及测温方法、电机过温防护系统和汽车。所述虚拟温度传感器用于获取电机多相绕组的温度，包括分别设置于各相绕组的多个绕组温度节点、设置在某一相绕组或电机的铁芯上的温度测试节点、设置在电机的冷却位置的电机冷却节点以及设置于各个节点之间的多个等效热阻，所述虚拟温度传感器利用热网络法计算得到每个绕组温度节点的温度，并输出各相绕组的温度中的最大值作为电机绕组的温度。本发明提供的虚拟温度传感器可以在电机处于某些特殊工况(例如低速爬坡工况、堵转工况)时，准确输出电机绕组的最高温度，以便及时地对电机采取过温防护，避免各相绕组过温对电机寿命的影响。
Description
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，尤其是一种涉及虚拟温度传感器及测温方法、可读存储介质、电机过温防护系统及防护方法和汽车。
背景技术
永磁同步电机在负载运行过程中，绕组中的电流和电阻作用会产生铜损，导致电机产生温升。尤其是在某些短时峰值电流作用下，由于槽绝缘纸包裹以及空气间隙的存在导致铜损无法传导出去，引起绕组温度急剧上升。为了及时获得绕组的实时温度，避免电机过温损坏，需要对绕组温度进行实时测量。
目前车用电机通常是多相电机，其中通过在某一相绕组上布置温度传感器来监控电机绕组温度。然而，在某些特殊车用工况(如低速爬坡工况，转矩和负载电流需求较大)，电机转速和负载电流频率较低，各相绕组的瞬时温度差别较大。尤其是在堵转工况下，电机转速是零，此时定子绕组内的多相电流幅值主要取决于电流相位角度，电流分布的不对称会直接导致各相绕组的温升也不相同。
因此，只在某一相绕组布置温度传感器会导致采集到的温度信号数据与绕组真实的最高温度之间可能存在较大误差，这会严重影响电机绝缘寿命甚至是乘客的人身安全。而在电机内部布置多路温度传感器会增加原材料以及研发、制造和维护成本。
发明内容
为了及时准确地获得电机绕组在不同工况下的实际温度状况，同时避免设置多路温度传感器的负面影响，本发明提供了一种虚拟温度传感器。本发明还另外提供了一种测温方法、一种电机过温防护系统、一种电机过温防护方法、一种汽车及一种可读存储介质。
作为本发明的第一方面，提供一种虚拟温度传感器，用于获得电机绕组的温度，所述电机绕组为多相绕组，所述虚拟温度传感器包括：
多个绕组温度节点，每个所述绕组温度节点设置于一相绕组，每相绕组在对应的绕组温度节点具有绕组热容和可变损耗；
温度测试节点，设置在某一相绕组或电机的铁芯上；以及
电机冷却节点，设置在电机的冷却位置；
多个等效热阻，分别位于所述多个绕组温度节点中的两两节点之间、每个所述绕组温度节点和所述温度测试节点之间以及每个所述绕组温度节点和所述电机冷却节点之间；
采样单元，用于采样所述温度测试节点的温度以及所述电机冷却节点的温度；
计算单元，用于根据所述绕组热容、所述可变损耗、所述多个等效热阻以及所述温度测试节点和所述电机冷却节点的温度，利用热网络法计算得到每个所述绕组温度节点的温度；以及
输出单元，用于输出所述电机绕组的温度，所述电机绕组的温度为多个所述绕组温度节点的温度中的最大值。
可选的，在每个所述绕组温度节点，满足以下热平衡方程：
其中，是第n个绕组温度节点在第i次采样时的温度，/>是第n个绕组温度节点在第i+1次采样时的温度，/>是除第n个绕组温度节点以外的其它温度节点中的第j个在第i次采样时的温度，所述其它温度节点包括温度测试节点、电机冷却节点以及除第n个绕组温度节点以外的其它绕组温度节点，Cn是第n个绕组温度节点的绕组热容，qn是对应第n个绕组温度节点的可变损耗，Δt为采样时间内第i次采样到第(i+1)次采样之间的时间间隔，Rj,n为所述其它温度节点中的第j个和第n个绕组温度节点之间的等效热阻；
所述电机绕组为m相绕组，m为大于1的正整数，n、j、i为整数，且满足1≤n≤m，1≤j≤m+1，i≥1。
可选的，i＝1时，
可选的，当所述温度测试节点设置在电机的某一相绕组时，以所述采样单元采样的所述温度测试节点的温度作为与设置所述温度测试节点的绕组对应的绕组温度节点的温度。
可选的，所述温度测试节点位置设置有温度传感元件，所述采样单元通过所述温度传感元件获得所述温度测试节点的温度。
可选的，所述电机冷却节点的温度为所述电机中冷却液的温度。
可选的，所述多相绕组为铜绕组，所述多相绕组的相数大于或等于2。
可选的，所述多相绕组为永磁体励磁电机或绕组励磁电机的定子绕组。
根据本发明的第二方面，提供了一种测温方法，用于获得电机绕组的温度，所述电机绕组为多相绕组，所述测温方法包括：
设置绕组温度节点、温度测试节点和电机冷却节点，每个所述绕组温度节点对应于一相绕组，每相绕组在对应的绕组温度节点处具有绕组热容和可变损耗，所述温度测试节点设置在电机的某一相绕组或铁芯上，所述电机冷却节点对应于电机冷却液的位置，并且，所述多个绕组温度节点中的两两节点之间、所述绕组温度节点和所述温度测试节点之间以及所述绕组温度节点和所述电机冷却节点之间均具有一个等效热阻；
以设定时间步长采样所述温度测试节点的温度以及所述电机冷却节点的温度；
根据所述绕组热容、所述可变损耗、所述多个等效热阻以及所述温度测试节点和所述电机冷却节点的温度，利用热网络法计算得到每个所述绕组温度节点的温度；以及
输出所述电机绕组的温度，所述电机绕组的温度为多个所述绕组温度节点的温度中的最大值。
可选的，利用热网络法计算得到每个所述绕组温度节点的温度的步骤中，在每个所述绕组温度节点，满足以下热平衡方程：
其中，是第n个绕组温度节点在第i次采样时的温度，/>是第n个绕组温度节点在第i+1次采样时的温度，/>是除第n个绕组温度节点以外的其它温度节点中的第j个在第i次采样时的温度，所述其它温度节点包括温度测试节点、电机冷却节点以及除第n个绕组温度节点以外的其它绕组温度节点，Cn是第n个绕组温度节点的绕组热容，qn是对应第n个绕组温度节点的可变损耗，Δt为采样时间内第i次采样到第(i+1)次采样之间的时间间隔，Rj,n为所述其它温度节点中的第j个和第n个绕组温度节点之间的等效热阻；
所述电机绕组为m相绕组，m为大于1的正整数，n、j、i为整数，且满足1≤n≤m，1≤j≤m+1，i≥1。
根据本发明的第三方面，提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被一处理器执行时能实现上述测温方法。
根据本发明的第四方面，提供了一种电机过温防护系统，所述电机过温防护系统包括上述虚拟温度传感器；
工况判断模块，用于判断电机是否处于正常运行模式，在所述正常运行模式下，所述电机的转速和转矩均处于各自的设定范围内；
温度读取模块，用于根据所述工况判断模块的判断结果读取所述电机绕组的温度，其中，若所述电机处于正常运行模式，所述温度读取模块读取所述温度测试节点的温度作为所述电机绕组的温度，若所述电机处于非正常运行模式，所述温度读取模块读取所述虚拟温度传感器的输出温度作为所述电机绕组的温度；
温度判断模块，用于判断所述温度读取模块所读取的所述电机绕组的温度是否大于电机安全温度，当判断为是时，输出过温信号；以及
防护控制模块，用于根据所述过温信号发出过温防护指令。
根据本发明的第五方面，提供了一种电机过温防护方法，采用上述虚拟温度传感器，所述电机过温防护方法包括以下步骤：
判断电机是否处于正常运行模式，在所述正常运行模式下，所述电机的转速和转矩均处于各自的设定范围内；
根据电机是否处于正常运行模式的判断结果获取所述电机绕组的温度，其中，若所述电机处于正常运行模式，选择所述温度测试节点的温度作为所述电机绕组的温度，若所述电机处于非正常运行模式，选择所述虚拟温度传感器的输出温度作为所述电机绕组的温度；
判断所述电机绕组的温度是否大于电机安全温度，当判断为是时，输出过温信号；以及
根据所述过温信号发出过温防护指令。
根据本发明的第六方面，提供了一种汽车，所述汽车包括上述电机过温防护系统，和/或上述可读存储介质。
本发明提供的虚拟温度传感器，用于提供电机多相绕组的温度，所述虚拟温度传感器包括多个绕组温度节点、温度测试节点、电机冷却节点、多个等效热阻、采样单元、计算单元及输出单元；计算单元根据所述绕组温度节点的绕组热容、可变损耗以及所述多个等效热阻以及所述温度测试节点和所述电机冷却节点的温度，利用热网络法计算得到每个绕组温度节点的温度；输出单元输出各相绕组的温度中的最大值作为电机绕组的温度。当电机处于某些特殊工况下(例如低速爬坡工况、堵转工况)时，和现有技术中只依靠温度测试节点测得的温度值作为电机绕组的温度相比，利用本发明提供的虚拟温度传感器得到的电机绕组温度更准确，更能反映电机绕组的真实温升情况，以便及时地对电机采取过温防护。此外，相较于设置多路温度传感器，响应时间快，成本低。
本发明提供的测温方法用于获得电机绕组的温度，其与上述虚拟温度传感器具有相同或类似的特征，本发明提供的可读储存介质，其上存储的计算机程序被处理器执行时能实现所述测温方法，因而均具有与上述虚拟温度传感器相同或类似的技术效果。
本发明提供的电机过温防护系统包括虚拟传感器，并且还包括工况判断模块、温度读取模块、温度判断模块以及防护控制模块，其中，温度读取模块用于根据工况判断模块的判断结果读取所述温度测试节点的温度或所述虚拟温度传感器的输出温度作为所述电机绕组的温度，温度判断模块用于判断所述温度读取模块所读取的所述电机绕组的温度是否大于电机安全温度，当所述温度读取模块所读取的所述电机绕组的温度大于电机安全温度时，输出过温信号，并由防护控制模块发出过温防护指令。通过所述电机过温防护系统，电机控制器或者操作人员可以获得更准确的电机绕组温度，以在所述电机绕组温度高出安全值时可以及时对电机进行过温防护，避免各种工况下由于电机绕组过温对电机寿命的影响，从而提高所述电机的使用寿命。
本发明提供的电机过温防护方法采用上述虚拟温度传感器，并具有与上述电机防护系统相同或类似的特征，其中根据电机所处的运行模式选择温度测试节点的测试温度或虚拟温度传感器的输出温度作为电机绕组的温度，并在电机绕组的温度大于电机安全温度时，输出过温防护指令，因而具有与上述电机防护系统相同或类似的技术效果。
本发明提供的汽车包括上述电机过温防护系统和/或上述可读存储介质，因而具有与上述电机过温防护系统和/或上述可读存储介质相同或类似的效果。所述汽车利用上述电机过温防护系统和/或上述可读存储介质可以及时准确的获得电机绕组在不同工况下的实际温升情况，从而可以对电机绕组温度进行更精准的监控，以在所述电机绕组温度高出安全值时及时对电机进行过温防护，有助于提高汽车的性能和电机使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中三相电机绕组以正常转速运行时的三相绕组温度分布图。
图2为本发明实施例中三相电机绕组以低转速运行时的三相绕组温度分布图。
图3为本发明实施例中三相电机绕组以零转速运行时的三相绕组温度分布图。
图4为本发明实施例中虚拟温度传感器的热网络模型原理图。
图5为本发明实施例中电机过温防护系统的示意图。
图6为本发明实施例中电机过温防护方法的流程示意图。
附图标记说明：
110-U相绕组温度节点；111-第一U相绕组等效节点；112-第二U相绕组等效节点；120-V相绕组温度节点；121-第一V相绕组等效节点；122-第二V相绕组等效节点；130-W相绕组温度节点；131-第一W相绕组等效节点；132-第二W相绕组等效节点；200-温度测试节点；300-电机冷却节点；400-电机过温防护系统；410-工况判断模块；420-温度读取模块；430-虚拟温度传感器；440-温度判断模块；450-防护控制模块；500-控制器。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需发明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助发明本发明实施例的目的。
目前车用电机通常是多相电机，通过在某一相绕组上布置温度传感器来监控电机绕组温度。然而，在例如低速爬坡工况和堵转工况下，转矩和负载电流需求较大，对多相电机各绕组之间的温升产生影响，使得仅依靠布置在其中一相绕组上的温度传感器来代表电机绕组的温度并不准确。
以三相电机绕组为例，其三相包括U相、V相和W相，在不同转速下每一相绕组的电流如表1中所示。其中，I表示正弦交流电中电流的有效值，IU、IV、IW分别代表U相绕组的电流、V相绕组的电流以及W相绕组的电流，ω表示三相电机绕组的角速度，t表示时间，θ表示U相绕组的初始角。
表1三相电机在不同转速下的绕组电流
| 三相绕组电流(转速≠0) | 三相绕组电流(转速＝0) |
| IU＝I*sin(ωt+θ) | IU＝I*sin(θ) |
| IV＝I*sin(ωt+θ-120°) | IV＝I*sin(θ-120°) |
| IW＝I*sin(ωt+θ-240°) | IW＝I*sin(θ-240°) |
图1为三相电机绕组以正常转速运行时的三相绕组温度分布图。由于某相绕组电流越高，该相绕组的温度也越高，故结合表1和图1可以看出，在相同的初始温度条件和30s短时峰值负载线电流作用下，U相、V相和W相随时间变化的温度曲线基本重合，在时间30s处，三相绕组温度均是177℃。也就是说，在理想的三相绕组温度相同的情况下，通过测试某一相绕组的温度来监控整个电机绕组的温度具有一定可靠性。
然而，某些特殊车用工况(如低速爬坡工况，转矩和负载电流需求较大)，电机转速和负载电流频率较正常转速运行时低。图2为本发明实施例中三相电机绕组以低转速运行时的三相绕组温度分布图。如图2所示，在低转速运行时，三相绕组温度分布出现周期性偏差，例如在时间28.5s处，V相绕组温度166℃，而此时U相绕组温度为171℃，而W相绕组温度已达到176℃。
尤其是在堵转工况下，电机转速是零，根据表1，此时定子绕组内的三相电流幅值主要取决于电流相位角度，电流分布的不对称会直接导致各相绕组的温升不相同。图3为本发明实施例中三相电机绕组以零转速运行时的三相绕组温度分布图。如图3中所示，堵转工况下，三相绕组温度分布差异较电机正常转速运行以及低转速运行时更大，在时间30s处，U相绕组最高温度达到322℃，V相绕组最高温度达到157℃，而此时W相绕组最高温度只有99℃，如果温度传感器刚好布置在W相绕组上，控制器采集不到最高温度，无法及时切入保护状态，容易导致电机过热甚至烧毁。
因此，只在某一相绕组布置温度传感器会导致采集到的温度信号数据与绕组真实的最高温度之间可能存在较大误差，这会严重影响电机绝缘寿命甚至是乘客的人身安全。而在电机内部布置多路温度传感器一方面会增加研发和制造成本。另一方面，多路温度传感器和绕组之间存在的多个接触热阻会影响温度信号采集精度和响应时间。为了及时准确地获得电机绕组在不同工况下的实际温度状况，同时避免设置多路温度传感器的负面影响，本发明实施例提供了一种虚拟温度传感器。
本发明实施例中，要获取温度的电机绕组为多相绕组，所述多相绕组例如为铜绕组，相数可以大于或等于2。所述电机绕组可以是永磁体励磁电机或绕组励磁电机的定子绕组。为了获得所述电机绕组在不同工况(尤其是某些特殊工况例如低速爬坡工况、堵转工况等)下的温度，本发明实施例提供了一种虚拟温度传感器，其中通过建立热网络模型，利用热网络法来计算电机每一相绕组的温度，并获得电机绕组的最高温度，尤其有利于在某些特殊工况下(例如低速爬坡工况、堵转工况等)获取电机绕组的最高温度。热网络法是一种热电比拟的分析方法，其借用电学上的基尔霍夫电流定律(KCL)以及基尔霍夫电压定律(KVL)得出各种复杂传热问题的热平衡方程，根据求解结果得到复杂的热网络模型中各节点的温度及其变化率，现已广泛应用于航空航天、电子器件、建筑、医学等领域。
以下首先对本实施例的虚拟温度传感器进行描述。
图4为本发明实施例中虚拟温度传感器的热网络模型原理图。如图4所示，本实施例的虚拟温度传感器包括多个绕组温度节点，每个绕组温度节点设置于一相绕组。以三相绕组为例，分别包括U相绕组温度节点110、V相绕组温度节点120以及W相绕组温度节点130，每一相绕组温度节点的温度TU、TV及TW为待求值。此外，图4中还示出了各个绕组温度节点的等效节点，其中，第一U相绕组等效节点111、第二U相绕组等效节点112和U相绕组温度节点110代表的是同一温度节点；第一V相绕组等效节点121、第二V相绕组等效节点122和V相绕组温度节点120代表的是同一温度节点；第一W相绕组等效节点131、第二W相绕组等效节点132和W相绕组温度节点130代表的是同一温度节点。此外，U相绕组在U相绕组温度节点110处具有相应的绕组热容CU和可变损耗qU；V相绕组在V相绕组温度节点120处具有相应的绕组热容CV和可变损耗qV；W相绕组在W相绕组温度节点130处具有相应的绕组热容CW和可变损耗qW。
所述虚拟温度传感器还包括温度测试节点200，所述温度测试节点200设置在某一相绕组或电机的铁芯上，所述温度测试节点200的温度Tm为参考温度，可通过温度传感元件对所述温度测试节点200分布的位置进行测试得到。此外，当温度测试节点200设置在电机的某一相绕组时，所述温度测试节点200的测试温度Tm可以作为与设置所述温度测试节点200的绕组对应的绕组温度节点的温度。
所述虚拟温度传感器还包括电机冷却节点300，设置在电机冷却位置，本实施例中，所述电机冷却节点300的温度Tco即对应于冷却液的温度，可以通过电机控制器得到。
此外，在所述多个绕组温度节点之间、每个所述绕组温度节点和所述温度测试节点200之间以及每个所述绕组温度节点和所述电机冷却节点300之间均具有一个等效热阻。从图4中可以看出，U相绕组温度节点110和V相绕组温度节点120之间连接有等效热阻RUV，U相绕组温度节点110和W相绕组温度节点130之间连接有等效热阻RUW，V相绕组温度节点120和W相绕组温度节点130之间连接有等效热阻RVW，第一U相绕组等效节点111和温度测试节点200之间连接有等效热阻RUm，第一V相绕组等效节点121和温度测试节点200之间连接有等效热阻RVm，第一W相绕组等效节点131和温度测试节点200之间连接有等效热阻RWm，第二U相绕组等效节点112和电机冷却节点300之间连接有等效热阻RUco，第二V相绕组等效节点122和温度测试节点200之间连接有等效热阻RVco，第二W相绕组等效节点132和温度测试节点200之间连接有等效热阻RWco，也即，本实施例中的虚拟温度传感器的热网络模型中一共设置有九个等效热阻。
所述虚拟温度传感器还包括采样单元，所述采样单元用于采样温度测试节点200的温度Tm以及所述电机冷却节点300的温度Tco。其中，采样单元例如从温度传感元件采样温度测试节点200的温度Tm，从电机控制器采样电机冷却节点300的温度Tco。由于温度测试节点200及电机冷却节点300的温度随着时间变化可能发生变化，故采样单元可以在工作时间内按一定的时间间隔持续采样。
本实施例的虚拟温度传感器还包括计算单元，所述计算单元用于根据每一相绕组的绕组热容、可变损耗、上述九个等效热阻以及采样单元采样得到的所述温度测试节点200和所述电机冷却节点300的温度，利用热网络法来分别计算U相绕组温度节点110、V相绕组温度节点120以及W相绕组温度节点130对应的温度。
下面以采用基尔霍夫电流定律进行热平衡方程的设立为例，对计算单元的计算过程进行详细介绍。基尔霍夫电流定律指的是电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。应用于本实施例中，指的是对于每一个待测绕组温度节点(例如为U相绕组温度节点110)，其周围的四个其他温度节点(分别为V相绕组温度节点120、W相绕组温度节点130、温度测试节点200和电机冷却节点300)向待测温度节点传递的热量应该与其温度升高所吸收的热量相等。
具体的，上述计算单元采用的热网络法中，每个绕组温度节点满足以下热平衡方程，如式(1-1)所示：
其中，是第n个绕组温度节点在第i次采样时的温度，/>是第n个绕组温度节点在第i+1次采样时的温度，/>是除第n个绕组温度节点以外的其它温度节点中的第j个在第i次采样时的温度，所述其它温度节点包括温度测试节点、电机冷却节点以及除第n个绕组温度节点以外的其它绕组温度节点，Cn是第n个绕组温度节点的绕组热容，qn是对应第n个绕组温度节点的可变损耗，Δt为采样时间内第i次采样到第(i+1)次采样之间的时间间隔，Rj,n为所述其它温度节点中的第j个和第n个绕组温度节点之间的等效热阻；
所述电机绕组为m相绕组，m为大于1的正整数，n、j、i为整数，且满足1≤n≤m，1≤j≤m+1，i≥1。
其中，各相绕组热容Cn、可变损耗qn和9个等效热阻Rj,n为电机的性能参数，故由计算单元直接读取即可。本实施例中，qn、Cn、Rj,n分别满足式(1-2)、式(1-3)和式(1-4)。
qn＝I2R
(1-2)
Cn＝ρncnΔVn (1-3)
其中，Ι是相电流有效值，R是相电阻，ΔVn为第n个绕组温度节点的体积，Q为第n个绕组温度节点的内热源，ρn为第n个绕组温度节点的密度，cn为第n个绕组温度节点的比热容，l是热路长度，K为导热系数，S为热传递面积。
本实施例以三相绕组(即m＝3)作为示例，计算单元通过式(1-1)计算每个绕组温度节点的温度包括以下过程。
首先，设置针对每相绕组温度节点的热平衡方程。以U相绕组温度节点110为例，根据基尔霍夫电流定律，与U相绕组温度节点110相连接的节点包括V相绕组温度节点120、W相绕组温度节点130、温度测试节点200及电机冷却节点300，列出的热平衡方程如式(1-5)所示。
同理，对V相绕组温度节点120以及W相绕组温度节点130列热平衡方程，分别如式(1-6)和式(1-7)所示。
然后，结合每相绕组温度节点的热平衡方程，代入已知量的值，计算得到每相绕组温度节点的温度。具体的，将式(1-5)、式(1-6)和式(1-7)结合对各相绕组温度节点的温度进行求解时，可以利用边界条件，定义各相绕组温度节点的温度值为20℃，也即，在i＝1次采样时， 带入式(1-5)、式(1-6)和式(1-7)，得到第二次采样的时刻的温升，也即U相绕组温度节点110、V相绕组温度节点120以及W相绕组温度节点130所应对应的温度值，也即/>及/>的值。
得到及/>后，继续代入式(1-5)、式(1-6)和式(1-7)，得到/>及/>然后将/>及/>继续代入式(1-5)、式(1-6)和式(1-7)，得到/>及/>依此类推，由此，根据采样单元在每个采样时刻的采样，通过计算单元得到在下一采样时刻的温升，从而得到各相绕组温度节点在下一采样时刻的温度，以在所述虚拟温度传感器的工作时间内，持续得到各相绕组的温度。
本实施例的虚拟温度传感器还包括输出单元，所述输出单元用于输出所述电机绕组的温度，所述电机绕组的温度为多个所述绕组温度节点的温度中的最大值。在第a个采样时刻，由计算单元得到各相绕组温度节点在第a+1个采样时刻的温度后，输出单元输出第a+1个采样时刻各相绕组温度节点的温度值中的最大值作为所述电机绕组的温度；在第a+1个采样时刻，由计算单元得到各相绕组温度节点在第a+2个采样时刻的温度后，输出单元输出第a+2个采样时刻各相绕组温度节点的温度值中的最大值作为所述电机绕组的温度.......从而，输出单元在所述虚拟温度传感器的工作时间内，持续得到各相电机绕组的最高温度作为绕组温度。
本发明实施例提供的虚拟温度传感器，用于提供电机多相绕组的温度，所述虚拟温度传感器包括多个绕组温度节点、温度测试节点、电机冷却节点、多个等效热阻、采样单元、计算单元及输出单元；计算单元根据所述绕组温度节点的绕组热容、可变损耗以及所述多个等效热阻以及所述温度测试节点和所述电机冷却节点的温度，利用热网络法计算得到每个绕组温度节点的温度；输出单元输出各相绕组的温度中的最大值作为电机绕组的温度。当电机处于某些特殊工况下(例如低速爬坡工况、堵转工况)时，和现有技术中只依靠温度测试节点测得的温度值作为电机绕组的温度相比，利用本发明实施例提供的虚拟温度传感器得到的电机绕组温度更准确，更能反映电机绕组的真实温升情况，以便及时地对电机采取过温防护。此外，相较于在电机绕组上设置多路温度传感器，本实施例的虚拟温度传感器响应时间快，成本低。
本发明实施例还提供了一种测温方法，用于获取电机绕组的温度，所述电机绕组为多相绕组。接下来以汽车的电机绕组为例，对本实施例的测温方法进行介绍。
本实施例的测温方法首先包括第一步骤，设置绕组温度节点、温度测试节点和电机冷却节点，每个所述绕组温度节点对应于一相绕组，每相绕组在对应的绕组温度节点处具有绕组热容和可变损耗，所述温度测试节点设置在电机的某一相绕组或铁芯上，所述电机冷却节点对应于电机冷却液的位置，并且，所述多个绕组温度节点中的两两节点之间、所述绕组温度节点和所述温度测试节点之间以及所述绕组温度节点和所述电机冷却节点之间均具有一个等效热阻。
如图4所示，本发明实施例以三相电机为例，设置U相绕组温度节点110、V相绕组温度节点120、W相绕组温度节点130、温度测试节点200及电机冷却节点300，所述U相绕组温度节点110、V相绕组温度节点120、W相绕组温度节点130、温度测试节点200及电机冷却节点300可以作为热网络模型的温度节点。其中，每相绕组在对应的绕组温度节点处具有绕组热容和可变损耗，在所述多个绕组温度节点之间、每个所述绕组温度节点和所述温度测试节点200之间以及每个所述绕组温度节点和所述电机冷却节点300之间均具有一个等效热阻；本实施例中，各相绕组热容、可变损耗和等效热阻为电机的性能参数，例如可以直接利用上述虚拟传感器读取。
本实施例的测温方法还包括第二步骤，以设定时间步长采样所述温度测试节点的温度以及所述电机冷却节点的温度。
具体可以通过设置于温度测试节点200的温度传感器以获得温度测试节点200的温度值，而电机冷却节点300的温度值可由车辆的电机控制器得到。本实施例中，在利用所述测温方法进行测试的测试时间内按一定的时间间隔持续对温度测试节点200和电机冷却节点300的温度值进行采样。
本实施例的测温方法还包括第三步骤，根据所述绕组热容、所述可变损耗、所述多个等效热阻以及所述温度测试节点和所述电机冷却节点的温度，利用热网络法计算得到每个所述绕组温度节点的温度。
具体的，在第三步骤中，可以利用基尔霍夫电流定律对热网络模型中每个待求的绕组温度节点建立如式(1-1)所示的热平衡方程，并利用边界条件进行求解。其中，当温度测试节点200设置在电机的某一相绕组时，所述温度测试节点200的测试温度Tm可以作为与设置所述温度测试节点200的绕组对应的绕组温度节点的温度，从而为计算结果提供参考或直接简化计算。例如可以通过温度测试节点200的测试温度Tm的值来监控计算单元计算的准确性以及偏差率，或不对设置所述温度测试节点200的绕组对应的绕组温度节点的温度进行计算，直接采用所述温度测试节点200的测试温度Tm的值作为所述温度测试节点200的绕组对应的绕组温度节点的温度值。通过第三步骤S3，可以计算得出测试时间内，U相绕组温度节点110、V相绕组温度节点120以及W相绕组温度节点130的实际温度变化情况。
本实施例的测温方法还包括第四步骤，输出所述电机绕组的温度，所述电机绕组的温度为多个所述绕组温度节点的温度中的最大值。
本发明实施例提供的测温方法用于提供电机绕组的温度，通过设置绕组温度节点、温度测试节点和电机冷却节点，以设定时间步长采样所述温度测试节点的温度以及所述电机冷却节点的温度；并利用热网络法对电机各相绕组的温度进行计算，输出各相绕组的温度中的最大值作为电机绕组的温度。当电机处于某些特殊工况下(例如低速爬坡工况、堵转工况)时，和现有技术中只依靠温度测试节点测得的温度值作为电机绕组温度的方法相比，利用本发明实施例提供的测温方法得到的电机绕组温度更准确，更能反映电机绕组的真实情况，以便及时地对电机采取过温防护。此外，相较于设置多路温度传感器进行温度检测的方法，响应时间快，成本低。
本发明实施例还提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被一处理器执行时能实现本实施例的测温方法。可以将所述可读存储介质内置于电机控制器，从而在电机处于某些特殊工况下(例如低速爬坡工况、堵转工况)时，通过计算机指令利用方法获得电机绕组温度，从而准确地提供电机绕组在特殊工况下的最高温度，及时提醒电机控制器进行过温防护，延长电机寿命。
此外，本发明实施例还提供了一种电机过温防护系统以及一种电机过温防护方法，接下来对本实施例的电机过温防护系统和电机过温防护方法进行描述。
图5为本发明实施例中的电机过温防护系统的示意图。如图5所示，本实施例的电机过温防护系统400包括上述虚拟温度传感器430，另外还包括工况判断模块410、温度读取模块420、温度判断模块440以及防护控制模块450。
具体的，工况判断模块410用于判断电机是否处于正常运行模式，例如，可以根据电机控制器500所存储的电机转速和电机转矩的数据来判断。根据电机类型的不同，电机的转速和转矩均各自具有一设定的安全范围，在正常运行模式例如平路运行的情况下，电机的转速和转矩均处于各自的设定范围内；而在某些特殊工况下(例如低速爬坡工况、堵转工况等)，电机的转速和转矩会逐渐降低并偏离所述设定范围，一旦其中一者偏离设定范围，则认为电机处于非正常运行模式。例如，某峰值功率是100kW车用驱动电机，当转速≤50rpm时，在该转速设定范围内，工况判断模块即认为电机处于非正常运行模式。
温度读取模块420用于根据所述工况判断模块的判断结果读取所述电机绕组的温度。以三相电机为例，如图1所示，若所述电机处于正常运行模式，U相、V相和W相随时间变化的温度曲线基本重合，通过测试某一相绕组的温度来监控整个电机绕组的温度具有一定可靠性，故采集虚拟温度传感器430中的温度测试节点200的温度作为所述电机绕组的温度；如图2和图3所示，若所述电机不在正常运行模式，U相、V相和W相随时间变化的温度曲线会产生差异，若只通过测试某一相绕组的温度来监控整个电机绕组的温度则不够准确，甚至可能由于采集不到最高温度而使得电机无法及时切入过温保护状态，导致电机损坏，故采集虚拟温度传感器430的输出单元输出的温度作为所述电机绕组的温度。
温度判断模块440用于判断所述温度读取模块420选择的温度是否大于电机安全温度，根据电机的类型和环境，通常有一设定的电机安全温度(这里的安全温度指的是特定的值，不同于通常理解的安全的温度是一范围)，电机实时温度超过该安全温度有绝缘损坏的风险，当判断为是时，输出过温信号，即当读取的电机温度小于电机安全温度，可以认为此时电机是安全的，不需要输出过温信号，而当读取的电机温度大于电机安全温度时，此时需要输出过温信号，以避免电机绕组温度进一步升高而引起不良后果。实际在应用中，电机根据绝缘等级不同，其安全温度也不同，例如B级电机的安全温度为在环境温度以上80℃的温度值(即安全温度＝环境温度+80℃)，本实施例中电机安全温度可以根据所针对的电机特点具体设置。
防护控制模块450用于根据温度判断模块输出的过温信号发出过温防护指令。所述防护控制模块450可以是车辆的电机控制单元，防护控制模块在接收到温度判断模块450发出的过温信号后，可以对电机控制器500或者操作人员发出过温防护指令，电机控制器在接收到过温防护指令后，采用降温措施避免持续过温造成不良后果，具体可通过例如报警或切断相关电路、自动调节负载工况等方式来进行过温防护。
此外，上述电机过温防护系统400也可集成于电机控制器500中，以对电机进行全面、自动化的过温防护。
本发明实施例还提供了一种电机过温防护方法，所述电机过温防护方法采用上述虚拟温度传感器以根据电机的运行状况获得电机绕组的温度，如图6所示，为本发明实施例提供的电机过温防护方法的流程图，所述电机过温防护方法包括以下步骤：
首先，电机运行后，即开始判断电机是否处于正常运行模式，电机的转速和转矩均各自具有一设定的安全范围，在正常运行模式下，电机的转速和转矩均处于各自的设定范围内；而电机处于非正常运行模式时，电机的转速和转矩中的至少一个不在设定范围。
然后，根据电机是否处于正常运行模式的判断结果选择所述电机绕组的温度来源，其中，若所述电机处于正常运行模式，选择温度测试节点的温度作为所述电机绕组的温度，若所述电机处于非正常运行模式，选择所述虚拟温度传感器的输出温度作为所述电机绕组的温度。
接着，判断所述电机绕组的温度是否大于电机安全温度，当判断为是时，输出过温信号，当判断为否时，循环执行上述步骤，对电机是否处于正常运行模式进行判断。
最后，若控制器接收到过温信号，则发出过温防护指令，及时对电机进行过温防护，以防止电机损坏。
本发明实施例提供的汽车包括上述电机过温防护系统和/或上述可读存储介质，因而具有与上述电机过温防护系统和/或上述可读存储介质相同或类似的效果。所述汽车利用上述电机过温防护系统和/或上述可读存储介质可以及时准确的获得电机绕组在不同工况下的实际温升情况，从而可以对电机绕组温度进行更精准的监控，以在所述电机绕组温度高出安全值时及时对电机进行过温防护，有助于提高汽车的性能和电机使用寿命。
本实施例中的方法和结构采用递进的方式描述，在后的方法和结构重点描述说明的是与在前的方法和结构的不同之处，相关之处可以参照理解。
上述仅为本发明的优选实施例，并非对本发明权利范围的限定。任何本领域技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种虚拟温度传感器，用于获得电机绕组的温度，所述电机绕组为多相绕组，其特征在于，所述虚拟温度传感器包括：
多个绕组温度节点，每个所述绕组温度节点设置于一相绕组，每相绕组在对应的绕组温度节点具有绕组热容和可变损耗；
温度测试节点，设置在某一相绕组或电机的铁芯上；
电机冷却节点，设置在电机的冷却位置；
多个等效热阻，分别位于所述多个绕组温度节点中的两两节点之间、每个所述绕组温度节点和所述温度测试节点之间以及每个所述绕组温度节点和所述电机冷却节点之间；
采样单元，用于采样所述温度测试节点的温度以及所述电机冷却节点的温度；
计算单元，用于根据所述绕组热容、所述可变损耗、所述多个等效热阻以及所述温度测试节点和所述电机冷却节点的温度，利用热网络法计算得到每个所述绕组温度节点的温度，其中，各个所述绕组温度节点满足 是第n个绕组温度节点在第i次采样时的温度，/>是第n个绕组温度节点在第i+1次采样时的温度，/>是除第n个绕组温度节点以外的其它温度节点中的第j个在第i次采样时的温度，所述其它温度节点包括温度测试节点、电机冷却节点以及除第n个绕组温度节点以外的其它绕组温度节点，Cn是第n个绕组温度节点的绕组热容，qn是对应第n个绕组温度节点的可变损耗，Δt为采样时间内第i次采样到第(i+1)次采样之间的时间间隔，Rj,n为所述其它温度节点中的第j个和第n个绕组温度节点之间的等效热阻，n、i、j为整数；以及
输出单元，用于输出所述电机绕组的温度，所述电机绕组的温度为多个所述绕组温度节点的温度中的最大值。
2.如权利要求1所述的虚拟温度传感器，其特征在于，所述电机绕组为m相绕组，m为大于1的正整数，且满足1≤n≤m，1≤j≤m+1，i≥1。
3.如权利要求2所述的虚拟温度传感器，其特征在于，i＝1时，Tn i＝20℃。
4.如权利要求1所述的虚拟温度传感器，其特征在于，当所述温度测试节点设置在电机的某一相绕组时，以所述采样单元采样的所述温度测试节点的温度作为与设置所述温度测试节点的绕组对应的绕组温度节点的温度。
5.如权利要求1所述的虚拟温度传感器，其特征在于，所述温度测试节点位置设置有温度传感元件，所述采样单元通过所述温度传感元件获得所述温度测试节点的温度。
6.如权利要求1所述的虚拟温度传感器，其特征在于，所述电机冷却节点的温度为所述电机中冷却液的温度。
7.如权利要求1所述的虚拟温度传感器，其特征在于，所述多相绕组为铜绕组，所述多相绕组的相数大于或等于2。
8.如权利要求1所述的虚拟温度传感器，其特征在于，所述多相绕组为永磁体励磁电机或绕组励磁电机的定子绕组。
9.一种测温方法，用于获得电机绕组的温度，所述电机绕组为多相绕组，其特征在于，所述测温方法包括：
设置绕组温度节点、温度测试节点和电机冷却节点，每个所述绕组温度节点对应于一相绕组，每相绕组在对应的绕组温度节点处具有绕组热容和可变损耗，所述温度测试节点设置在电机的某一相绕组或铁芯上，所述电机冷却节点对应于电机冷却液的位置，并且，所述多个绕组温度节点中的两两节点之间、所述绕组温度节点和所述温度测试节点之间以及所述绕组温度节点和所述电机冷却节点之间均具有一个等效热阻；
以设定时间步长采样所述温度测试节点的温度以及所述电机冷却节点的温度；
根据所述绕组热容、所述可变损耗、所述多个等效热阻以及所述温度测试节点和所述电机冷却节点的温度，利用热网络法计算得到每个所述绕组温度节点的温度，其中，各个所述绕组温度节点满足 是第n个绕组温度节点在第i次采样时的温度，/>是第n个绕组温度节点在第i+1次采样时的温度，/>是除第n个绕组温度节点以外的其它温度节点中的第j个在第i次采样时的温度，所述其它温度节点包括温度测试节点、电机冷却节点以及除第n个绕组温度节点以外的其它绕组温度节点，Cn是第n个绕组温度节点的绕组热容，qn是对应第n个绕组温度节点的可变损耗，Δt为采样时间内第i次采样到第(i+1)次采样之间的时间间隔，Rj,n为所述其它温度节点中的第j个和第n个绕组温度节点之间的等效热阻，n、i、j为整数；以及
输出所述电机绕组的温度，所述电机绕组的温度为多个所述绕组温度节点的温度中的最大值。
10.如权利要求9所述的测温方法，其特征在于，所述电机绕组为m相绕组，m为大于1的正整数，且满足1≤n≤m，1≤j≤m+1，i≥1。
11.一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被一处理器执行时能实现权利要求9或10所述的测温方法。
12.一种电机过温防护系统，其特征在于，包括：
如权利要求1～8任一项所述的虚拟温度传感器；
工况判断模块，用于判断电机是否处于正常运行模式，在所述正常运行模式下，所述电机的转速和转矩均处于各自的设定范围内；
温度读取模块，用于根据所述工况判断模块的判断结果读取所述电机绕组的温度，其中，若所述电机处于正常运行模式，所述温度读取模块读取所述温度测试节点的温度作为所述电机绕组的温度，若所述电机处于非正常运行模式，所述温度读取模块读取所述虚拟温度传感器的输出温度作为所述电机绕组的温度；
温度判断模块，用于判断所述温度读取模块所读取的所述电机绕组的温度是否大于电机安全温度，当判断为是时，输出过温信号；以及
防护控制模块，用于根据所述过温信号发出过温防护指令。
13.一种电机过温防护方法，采用如权利要求1～8任一项所述的虚拟温度传感器，其特征在于，包括：
判断电机是否处于正常运行模式，在所述正常运行模式下，所述电机的转速和转矩均处于各自的设定范围内；
根据电机是否处于正常运行模式的判断结果获取所述电机绕组的温度，其中，若所述电机处于正常运行模式，选择所述温度测试节点的温度作为所述电机绕组的温度，若所述电机处于非正常运行模式，选择所述虚拟温度传感器的输出温度作为所述电机绕组的温度；
判断所述电机绕组的温度是否大于电机安全温度，当判断为是时，输出过温信号；以及
根据所述过温信号发出过温防护指令。
14.一种汽车，其特征在于，所述汽车包括如权利要求12所述的电机过温防护系统，和/或如权利要求11所述的可读存储介质。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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