DE10106944A1

DE10106944A1 - Verfahren zur Temperaturregelung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE10106944A1
Application number: DE2001106944
Authority: DE
Inventors: Beqir Pushkolli; Klaus Scherrbacher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: DE10106944B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Leistungsabgabe einer elektrischen Maschine (1), die eine Erregerwicklung (2) und Ständerwicklungen (4) enthält. Der elektrischen Maschine (1) ist dabei ein Pulswechselrichter (6) und ein Gleichspannungsbordnetz nachgeordnet und sie kann sowohl als Generator als auch als Motor betrieben werden. Erfindungsgemäß wird regelungstechnisch das Überschreiten einer kritischen Temperatur an temperaturempfindlichen Bauteilen der elektrischen Maschine (1) verhindert. Temperatursensoren (12) messen die Temperatur (13) kritischer Bauteile. Ferner erfolgt die Berechnung nicht erfaßbarer Temperaturen über Temperaturmodelle. Bei Erkennen einer kritischen Temperatur wird zugeordnet (16), welche Stellgröße der Regelung die Temperatur des betroffenen Bauteils beeinflußt. Es folgt die Änderung des Sollwertes (19) der relevanten Stellgröße, so daß die Temperatur des betroffenen Bauteils sinkt.

Description

Technisches Gebiet

In modernen Kraftfahrzeugen dienen Generatoren als leistungsfähige Energiequellen. Sie versorgen Starter, Zünd- und Einspritzanlage, Steuergeräte für elektronische Bauteile, Si cherheits- und Komfortelektronik, Beleuchtung usw. mit elektrischer Energie. In Kraft fahrzeugen kommen häufig Klauenpolgeneratoren zum Einsatz. Diese können mit einem Pulswechselrichter betrieben werden, der den Generator mit dem Gleichspannungsbordnetz verbindet. Daraus ergibt sich beispielsweise der Vorteil einer Leistungssteigerung gegen über dem Betrieb mit passiven Diodengleichrichterbrücken. Ferner kann der Klauenpolge nerator mit einer aktiv gesteuerten Umrichterbrücke motorisch betrieben werden, bei spielsweise zum Starten des Kfz-Verbrennungsmotors. Der Generator erfordert eine geeig nete Regelung über den gesamten Dreh- und Leistungsbereich.

Stand der Technik

Wesentliche Baukomponenten einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine sind eine Erregerwicklung und Ständerwicklungen. Die Ständerwicklungen bedeuten im Zu sammenhang mit dieser Erfindung die statischen Spulenwicklungen der elektrischen Ma schine, in denen ein Strom induziert wird (Drehstrom). Die Erregerwicklung entspricht den stromdurchflossenen Spulenwicklungen, die sich in dem mehrpoligen Rotor der elektri schen Maschine befinden, und die zur Erzeugung des magnetischen Feldes dienen, das in den Ständerwicklungen (im Stator) elektrische Ströme induziert. In der Erregerwicklung fließt der Erregerstrom i_F. Die Ständerwicklungen der dreiphasig betreibbaren elektrischen Maschine enthalten drei Phasenstränge R, S und T, in denen die drei im RST-System auf tretenden Phasenströme (Leiterströme) i_R, i_S und i_T fließen.

Zur Regelung von elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Drehstromgeneratoren, exi stieren bereits Regelstrukturen. Diese sind z. B. zur Mehrgrößenregelung einer Klauenpol maschine geeignet. Bei der Auslegung dieser Regelstrukturen wurde der Einfluß der durch die Strangströme und den Erregerstrom erzeugten Wärmeenergie nicht berücksichtigt, die zu einer Temperaturerhöhung führt.

Bei Generatoren ist für alle Betriebspunkte die Forderung nach einem optimalen Wir kungsgrad zu erfüllen. Daraus ergeben sich für die Regelung mehrere wirkungsgradopti mierte Regelbereiche. So gibt es Regelbereiche, in denen eine Regelung des Generators über Erreger- und Ständerströme erfolgt (Pulswechselrichterbetrieb) und Regelbereiche, in denen die Regelung der Abgabeleistung ausschließlich über den Erregerstrom erfolgt (Diodenbetrieb). Letzterer Betriebszustand entspricht einer als Generator betriebenen elek trischen Maschine mit einer nachgeordneten passiven Diodenbrücke.

Eine Klauenpolmaschine mit nachgeordnetem Pulswechselrichter, auch Hochleistungsge nerator mit Startfunktion (HGS) genannt, läßt sich zusätzlich als Motor betreiben. Der Um richter bleibt von diesem Wechsel des Betriebsmodus unberührt. Der Betrieb als Motor eröffnet neue interessante Anwendungsmöglichkeiten für die Klauenpolmaschine mit Pulswechselrichter, wie beispielsweise bei dem Start eines Kraftfahrzeugverbrennungs motors, bei der Getriebesynchronisation und bei der Parkhilfe.

Durch den der elektrischen Maschine nachgeordneten Pulswechselrichter ändern sich die thermischen und elektrischen Betriebspunkte der Maschine gegenüber dem Betrieb mit Diodengleichrichterbrücke. Die elektrische Maschine muß vor einer thermischen Überla stung geschützt werden.

Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Regelung der Leistungsabgabe ei ner elektrischen Maschine, die eine Erregerwicklung und Ständerwicklungen enthält und der ein Pulswechselrichter und ein Gleichspannungsbordnetz nachgeordnet sind. Die elek trische Maschine kann als Motor und als Generator betrieben werden und erfindungsgemäß wird regelungstechnisch das Überschreiten einer kritischen Temperatur an temperaturemp findlichen Bauteilen der elektrischen Maschine verhindert. Es erfolgt beispielsweise ein regelungstechnischer Eingriff in die Ströme der elektrischen Maschine zur Verhinderung der Überhitzung der temperaturempfindlichen Bauteile. Vorteile dieses regelungstechni schen Eingriffs sind, daß zusätzlich zur Kühlung durch thermomechanische Maßnahmen noch eine Kühlung durch regelungstechnische Maßnahmen möglich wird. Ferner können auch Bauteile vor der Überhitzung geschützt werden, die durch thermomechanische Maß nahmen nur schwierig oder gar nicht gekühlt werden können. Durch die Begrenzung der jeweiligen Bauteiltemperatur auf den erlaubten Temperaturbereich kann eine sichere Funktionalität des Bauteils und damit auch der elektrischen Maschine selbst gewährleistet werden.

Kritische Bauteile der elektrischen Maschine mit nachgeordnetem Pulswechselrichter sind beispielsweise der Zwischenkreiskondensator, der Pulswechselrichter selbst, das Schleif ringsystem, Leistungshalbleiter (FET), der Mikrocontroller (µC) oder das ASIC.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert zunächst eine Temperaturbestimmung, damit die Erwärmung eines Bauteils auf eine kritische Temperatur, die zu einer thermischen Überlastung des Bauteils führen kann, erkannt wird. Zur Temperaturbestimmung gehört einerseits die Temperaturmessung kritischer Bauteile mit Temperatursensoren und anderer seits (falls erforderlich) die Berechnung nicht direkt meßbarer Temperaturen über Tempe raturmodelle.

Das Meßprinzip der Sensoren zur Temperaturmessung kann auf Wärmeausdehnung, der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes, Thermospannungsänderungen oder Wärmestrahlungsmessung beruhen. Die Temperaturmessung im Kraftfahrzeug nutzt bevorzugt die Temperaturabhängigkeit von elektrischen Widerstandsmaterialien mit posi tivem (PTC) oder negativem (NTC) Temperaturkoeffizienten als Berührungsthermometer. Eine berührungslose (pyrometrische) Temperatursensierung ist ebenfalls möglich. Bei der Berechnung nicht direkt meßbarer Temperaturen können bekannte, gemessene Temperatu ren sowie bauteilspezifische Größen wie die Dichte, die spezifische Wärmekapazität, die Wärme- und die Temperaturleitfähigkeit in die Rechnung einfließen, die von den für das Bauteil verwendeten Werkstoffen abhängen.

Nach der Bestimmung der Temperaturen wärmeempfindlicher Bauteile werden diese aus gewertet. Es werden sowohl die gemessenen Temperaturen als auch die berechneten Tem peraturen ausgewertet. Sie werden mit der kritischen Temperatur des jeweiligen Bauteils verglichen, bei deren Überschreiten eine thermische Überlastung zu erwarten ist. Bei einer erkannten, zu hohen Temperatur, die größer oder gleich der kritischen Temperatur ist, er folgt erfindungsgemäß eine Zuordnung der Stellgrößen, durch die die Temperatur des zu warmen Bauteils beeinflußt werden kann. Der Sollwert der relevanten Stellgröße wird ge ändert, so daß sich eine geringere Temperatur an dem zu warmen Bauteil einstellt, wobei gleichzeitig angestrebt wird, die Ausgangsspannung auf ihrem Sollwert zu halten.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 Den schematischen Aufbau einer elektrischen Maschine mit nachgeord netem Pulswechselrichter;

Fig. 2 die Regelstruktur für eine als Generator betriebene elektrische Maschine mit nachgeordnetem Pulswechselrichter im Pulswechselrichterbetrieb;

Fig. 3 die Regelstruktur für einen Generator im Diodenbetrieb und

Fig. 4 die Regelstruktur für eine als Motor betriebene elektrische Maschine im Starterbetrieb.

Ausführungsvarianten

Fig. 1 zeigt den im Stande der Technik bekannten schematischen Aufbau einer elektri schen Maschine mit nachgeordnetem Pulswechselrichter. Die elektrische Maschine 1 ist hier nur schematisch durch die Erregerwicklung 2 und die Ständerwicklung 4 dargestellt. Durch die Erregerwicklung 2 fließt der Erregerstrom i_F (Bezugszeichen 3). Die elektrische Maschine 1 ist über die drei Phasenstränge im RST-System 5 mit einem Pulswechselrichter 6 verbunden. Der Pulswechselrichter 6 enthält eine Anzahl Schalter 8 und Dioden 7, sowie einen Kondensator 9, der parallel zur Netzspannung 10 geschaltet ist. Ein verstellbarer Ohmscher Widerstand steht für eine veränderliche Last 11. Die Last 11 kann beispielswei se ein Gleichspannungsbordnetz und eine Batterie enthalten, z. B. ein 14 V- oder ein 42 V- Bordnetz eines Kraftfahrzeuges bzw. einer 12 V- oder eine 36 V-Batterie.

Fig. 2 zeigt eine Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Regelstruktur für einen Ge nerator mit nachgeordnetem Pulswechselrichter im Pulswechselrichterbetrieb. Temperatur sensoren 12 messen die Temperaturen 13 der kritischen Bauteile des Generators. Es folgt eine Auswertung 14 der gemessenen Temperaturen 13, wobei auch nicht direkt messbare Temperaturen über Temperaturmodelle berechnet werden können. Bei Erreichen einer kri tischen Temperatur erfolgt eine Meldung 15 der kritischen Temperatur. Anschließend fin det eine Zuordnung 16 statt, welche Stellgröße einen Einfluß auf die Temperatur hat, die einen kritischen Wert erreicht hat. In diesem Beispiel kann über zwei Stellgrößen in die Regelung der Netzspannung 10 bzw. der Leistung 17 eingegriffen werden, über den Erre gerstrom i_F 3 und über die Phasenströme 18. Die relevante Stellgröße erfährt eine Sollwer tänderung 19, die an einen übergeordneten Spannungsregler 20 und an einen Mehrgrößen regler 21 übertragen wird. Der durch den übergeordneten Spannungsregler 20 vorgegebene Sollwert 22 für den Erregerstrom 3 erfährt, falls der Erregerstrom 3 die relevante Stellgrö ße bei einer Bauteilüberhitzung ist, eine Sollwertänderung 19. Dadurch fließt in den im Mehrgrößenregler 21 enthaltenen Erregerstromregler 23 außer dem Erregerstrom-Istwert 24 ein neuer Erregerstrom-Sollwert 25 ein. Am Ausgang des Mehrgrößenreglers 21 stellt sich als Resultat eine Änderung des Erregerstroms 3 ein, der durch die Erregerwicklung 2 der elektrischen Maschine 1 fließt. Falls die Phasenströme 5 die relevanten Stellgrößen bei einer Bauteilüberhitzung sind, so wird der Phasenstrom-Sollwert 26 beeinflußt. Der über geordnete Spannungsregler 20 enthält eine Regelstrecke 27 für die Spannung, für die so wohl die Ist-Spannung 28 als auch die Soll-Spannung 29 Eingangsgrößen sind. Am Aus gang der Regelstrecke für die Spannung 27 ergibt sich ein Vorgabewert für die Phasen ströme 18. Dieser kann im Falle einer Bauteilüberhitzung eine Sollwertänderung 19 erfah ren, so daß am Eingang des im Mehrgrößenregler 21 enthaltenen Phasenstromreglers 30 ein geänderter Phasenstromsollwert 26 anliegt, gemeinsam mit dem Phasenstrom Ist-Wert 31. In beiden oben genannten Fällen einer Sollwertänderung 19 wegen des Erreichens einer kritischen Temperatur in einem Bauteil der elektrischen Maschine 1 ist das Ziel des über geordneten Spannungsreglers 20, weiterhin die erforderliche Bordnetzspannung 10 und auch die erforderliche Bordnetzleistung 17 einzustellen und diese solange wie möglich aufrechtzuerhalten.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Regelstruktur für einen Generator mit nachgeordnetem Pulswechselrichter im Diodenbetrieb. Der Diodenbe trieb ist einer der möglichen wirkungsgradoptimierten Regelbereiche. Der Pulswechsel richter 6 muß bei Regelung der elektrischen Maschine 1 im Diodenbetrieb nicht gesteuert werden. Die Leistungsabgabe 17 wird in diesem Regelbereich ausschließlich durch den Erregerstrom 3 geregelt. Dieser Betrieb entspricht dem Betrieb der elektrischen Maschine mit einer Diodengleichrichterbrücke. Wie auch im Pulswechselrichterbetrieb werden bei der vorliegenden Erfindung die Temperaturen 13 kritischer Generatorbauteile mit Tempe ratursensoren 12 gemessen, ausgewertet 14 (und auch nicht direkt messbare Temperaturen berechnet), kritische Temperaturen gemeldet 15 und einer Stellgröße zugeordnet 16. Eine notwendige Sollwertänderung 19 wirkt sich auf die Regelstrecke für die Spannung 27 aus, die die Vorgabe eines Spannungssollwertes 32 erhält, die sich aus der eigentlichen Soll spannung 29, der Istspannung 28 und der Sollwertänderung 19 ergibt. Der daraus folgende Erregerstrom-Sollwert 25 geht gemeinsam mit dem Erregerstrom Ist-Wert 24 in den Erregerstromregler 23 ein, wodurch sich der Erregerstrom 3 ändert, der durch die Erreger wicklung 2 der elektrischen Maschine 1 fließt. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Ge danken stellt sich dabei eine Temperaturverringerung an dem Bauteil ein, das seine kriti sche Temperatur erreicht oder überschritten hat.

In Fig. 4 ist die Regelstrecke für eine im Starterbetrieb als Motor betriebene elektrische Maschine mit Pulswechselrichter dargestellt. Mit Starterbetrieb wird in diesem Zusam menhang der Betrieb der elektrischen Maschine sowohl während des Kaltstarts, als auch während des Warmstarts eines Kraftfahrzeug-Motors und auch während des Start-Stopp- Betriebs bezeichnet. Start-Stopp-Betrieb bedeutet dabei, daß sich der laufende Kraftfahr zeug-Motor bei Stillstand des Kraftfahrzeugs automatisch abschaltet (z. B. an einer roten Ampel) und (z. B. bei Loslassen des Bremspedals durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs) zum Losfahren automatisch wieder startet. Selbst beim Kaltstart eines Kraftfahrzeugver brennungsmotors treten sehr hohe Ströme in dem HGS auf (etwa 200 A im Ständerkreis der elektrischen Maschine und etwa 15 A im Erregerkreis), sodaß kritische Temperaturen er reicht werden können, insbesondere bei wiederholten Startversuchen des Kraftfahrzeug- Verbrennungsmotors.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung messen Temperatursensoren 12 die Temperaturen 13 der kritischen Bauteile der elektrischen Ma schine 1. Es folgt eine Auswertung 14 der gemessenen Temperaturen 13, wobei auch nicht direkt messbare Temperaturen über Temperaturmodelle berechnet werden können. Bei Erreichen einer kritischen Temperatur erfolgt eine Meldung 15 der kritischen Temperatur. Anschließend findet eine Zuordnung 16 statt, welche Stellgröße einen Einfluß auf die Temperatur hat, die einen kritischen Wert erreicht hat. In diesem Beispiel kann über zwei Stellgrößen in die Regelung der Netzspannung 10 bzw. der Leistung 17 eingegriffen wer den, über den Erregerstrom i_F 3 und über die Phasenströme 18. Das Ergebnis der Zuord nung 16 wird an die Startablaufsteuerung 33 weitergegeben. Hauptaufgaben der Startab laufsteuerung 33 sind die Erkennung eines Start-Stopp-Wunsches, die Erzeugung der not wendigen Sollwertgrößen, das Ausschalten des Gesamtsystems im Fehlerfall und die Be triebsumschaltung vom Starterbetrieb in den Generatorbetrieb und umgekehrt. Desweiteren gibt die Startablaufsteuerung das maximal erforderliche Start-Drehmoment vor und steuert sowohl die Drehmomentvorgaben während des Startvorgangs als auch die maximale Start zeit. Im Falle des Überschreitens der kritischen Temperatur eines Bauteils der elektrischen Maschine 1 und der Meldung der relevanten Stellgröße an die Startablaufsteuerung 33 er folgt eine Sollwertänderung 19 für die relevante Stellgröße (Erregerstrom 3 oder Phasen ströme 18), die sich ebenso auswirkt wie oben für Fig. 2 beschrieben. Zusätzlich zu einer Änderung des Erregerstroms 3 oder der Phasenströme 18 können bei Erreichen einer kritischen Temperatur im Starterbetrieb zusätzlich folgende Funktionen und Größen durch die Startablaufsteuerung beeinflusst werden: Die Start-Stopp-Freigabe, die maximale Startzeit und das maximale Startmoment 34. Die Start-Stopp-Freigabe kann dahingehend beein flusst werden, daß bei erkannter, zu hoher Temperatur eines Bauteils der Start-Stopp- Steuerung mitgeteilt wird, daß diese Betriebsart aktuell nicht zulässig ist. Das Startmoment kann trotz Herabsetzung wegen zu hoher Temperatur eines Bauteils noch für den Warm start eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors genügen, da sich bei einem warmen bzw. heissen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor das notwendige Startdrehmoment reduziert.

Bezugszeichenliste

1

elektrische Maschine

2

Erregerwicklung

3

Erregerstrom i_F

4

Ständerwicklung

5

Phasenstränge im RST-System

6

Pulswechselrichter

7

Dioden

8

Schalter

9

Kapazität

10

Netzspannung

11

Last

12

Temperatursensoren

13

Gemessene Temperatur

14

Auswertung der ermittelten Temperaturen

15

Meldung einer kritischen Temperatur

16

Zuordnung Stellgröße zu kritischer Temperatur

17

Leistung

18

Phasenströme

19

Sollwertänderung

20

Übergeordneter Spannungsregler

21

Mehrgrößenregler

22

Sollwert

23

Erregerstromregler

24

Erregerstrom-Istwert

25

Erregerstrom-Sollwert

26

Phasenstrom-Sollwert.

27

Regelstrecke für die Spannung

28

Ist-Spannung

29

Soll-Spannung

30

Phasenstromregler

31

Phasenstrom-Istwert

32

Spannungs-Sollwertvorgabe

33

Startablaufsteuerung

34

Startmoment und Startzeit

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Leistungsabgabe einer elektrischen Maschine (1), enthal tend eine Erregerwicklung (2) sowie Ständerwicklungen (4), der ein Pulswechselrich ter (6) und ein Gleichspannungsbordnetz nachgeordnet sind, wobei die elektrische Ma schine (1) als Generator und als Motor betrieben werden kann, dadurch gekennzeich net, daß regelungstechnisch das Überschreiten einer kritischen Temperatur an tempe raturempfindlichen Bauteilen der elektrischen Maschine (1) verhindert wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 mit folgenden Verfahrensschritten:

- Temperaturmessung der kritischen Bauteile mit Temperatursensoren (12) und even tuell Temperaturberechnung nicht direkt meßbarer Temperaturen über Temperatur modelle;
- Auswertung der gemessenen Temperaturen (13) und der berechneten Temperaturen und Vergleich mit kritischen Temperaturen;
- bei Erreichen der kritischen Temperatur an einem kritischen Bauteil erfolgt eine Zu ordnung (16), welche Stellgröße die Temperatur des zu warmen Bauteils beeinflußt und
- Regelung durch eine Änderung des Sollwertes (19) einer oder mehrerer Stellgrößen, so daß die Temperatur des zu warmen Bauteils sinkt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessung über Temperatursensoren (12) erfolgt, deren Meßprinzip auf Wärmeausdehnung, Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes, Thermospannungsänderungen oder Wärmestrahlungsmessung beruht.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgrößen der Erre gerstrom i_F (3) und/oder die Phasenströme (18) sind.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichent, daß die Stellgrößen im Puls wechselrichterbetrieb des Generators die Erreger- (3) und die Phasenströme (18) sind.

6. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße im Dioden betrieb des Generators der Erregerstrom (3) ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgrößen im Star terbetrieb der elektrischen Maschine (1) der Erregerstrom (3) und die Phasenströme (18) sind.

8. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße mit geän dertem Sollwert die Eingangsgröße eines Mehrgrößenstromreglers (21) ist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Mehrgrößen stromregler (21) übergeordneter Spannungsregler (20) die Spannung (10) des Gleich spannungsbordnetzes regelt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Änderung des Sollwertes (19) einer oder mehrerer Stellgrößen die elektrische Ausgangsleistung der elektrischen Maschine (1) reduziert wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Motorbetrieb der elektrischen Maschine (1) bei Erreichen einer kritischen Temperatur der Start strom, das Startmoment oder die zulässige Startzeit (34) reduziert werden und/oder der Start-Stopp-Betrieb der elektrischen Maschine unterbunden wird.