DE102007042774A1

DE102007042774A1 - Verfahren und System zum Begrenzen der Betriebstemperatur eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102007042774A1
Application number: DE102007042774A
Authority: DE
Inventors: Yo Chan Torrance Son; Silva Redondo Beach Hiti
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2008-03-27
Also published as: US20090066283A1; JP2008141941A; US7615951B2

Abstract

Ein Verfahren und ein System zum Begrenzen der Betriebstemperatur eines Elektromotors werden geschaffen. Eine maximale Betriebstemperatur des Motors wird bestimmt. Eine aktuelle Betriebstemperatur innerhalb des Motors wird abgekühlt. Eine maximale zulässige Leistungsdissipation des Motors wird basierend zumindest teilweise auf der maximalen Betriebstemperatur und der aktuellen Betriebstemperatur des Motors berechnet. Ein Drehmomentbefehl für den Motor wird basierend auf der maximalen zulässigen Leistungsdissipation erzeugt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Elektromotoren, und insbesondere bezieht sie sich auf ein Verfahren und System zum Begrenzen der Betriebstemperatur eines Elektromotors.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Technologie sowie eine stete Entwicklung von Stilvorlieben zu wesentlichen Änderungen im Design von Automobilen geführt. Eine der Änderungen ist verbunden mit der Komplexität sowie dem Leistungsverbrauch der verschiedenen elektrischen Systeme innerhalb von Automobilen, insbesondere Fahrzeugen mit alternativen Kraftstoffen wie z.B. Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen.
Die Leistung und/oder Drehmomentdichte, die für in solchen Fahrzeugen verwendete Motoren erforderlich sind/ist, sind/ist extrem hoch. Der Leistungs- oder Drehmomentbetrag, der von einem bestimmten Motor erzeugt werden kann, ist zum großen Teil durch die Wicklungs- oder Spulentemperatur innerhalb des Motors während des Betriebs begrenzt. Falls man den Motor so arbeiten lässt, dass die Wicklungstemperatur zu hoch wird, kann der Wirkungsgrad des Motors nachteilig beeinflusst werden, kann der Permanentmagnet innerhalb des Motors entmagnetisiert werden und können die internen Lötstellen innerhalb des Motors irreversibel beschädigt werden.
Ein Verfahren, dass gewöhnlich genutzt wird, um Motoren vor Überhitzung zu schützen, besteht darin, den Motor einfach abzuschalten, wenn die Innentemperatur des Motors eine voreingestellte Grenze erreicht. Ein anderes Verfahren besteht darin, dass Drehmoment proportinal zur Temperaturdifferenz zwischen der herrschenden Wicklungstemperatur und der Temperaturgrenze zu begrenzen. Keines dieser Verfahren ermöglicht jedoch, dass eine Drehmomentgrenze bei verschiedenen Betriebsstufen analytisch eingestellt wird, noch gewährleisten sie einen kontinuierlichen Betrieb des Motors.
Demgemäß ist es wünschenswert, ein System und Verfahren zum Begrenzen der Betriebstemperatur eines Elektromotors zu schaffen, das ermöglicht, dass die Betriebstemperatur bei verschiedenen Betriebsstufen kontinuierlich gesteuert wird. Außerdem ist es wünschenswert, ein System und Verfahren zu schaffen, dass einen kontinuierlichen Betrieb des Motors während einer Begrenzung der Betriebstemperatur erleichtert. Überdies werden andere wünschenswerte Merkmale und Charakteristiken der vorliegenden Erfindung aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich werden, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem vorausgehenden technischen Gebiet und Hintergrund dargelegt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Begrenzen einer Betriebstemperatur eines Motors geschaffen. Eine maximale Betriebstemperatur des Motors wird bestimmt. Eine aktuelle Betriebstemperatur innerhalb des Motors wird abgefühlt. Eine maximale zulässige Leistungsdissipation des Motors wird basierend zumindest teilweise auf der maximalen Betriebstemperatur und der aktuellen Betriebstemperatur des Motors berechnet. Ein Drehmomentbefehl für den Motor wird basierend auf der maximalen zulässigen Leistungsdissipation erzeugt.
In anderen Ausführungsformen wird ein Kraftfahrzeugantriebssystem geschaffen. Das System umfasst einen Motor, eine mit dem Motor gekoppelte Leistungsversorgung und einen Prozessor in funktionsfähiger Verbindung mit dem Motor und der Leistungsversorgung. Der Prozessor ist so ausgelegt, dass er eine maximale Betriebstemperatur des Motors empfängt, eine aktuelle Betriebstemperatur innerhalb des Motors bestimmt, eine maximale zulässige Leistungsdissipation des Motors basierend zumindest zum Teil auf der maximalen Betriebstemperatur und der aktuellen Betriebstemperatur des Motors berechnet und einen Drehmomentbefehl für den Motor erzeugt, der zumindest teilweise auf der maximalen zulässigen Leistungsdissipation basiert.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, worin gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen und
1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Automobils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens und/oder Systems zum Begrenzen einer Betriebstemperatur eines Motors ist;
3 eine graphische Darstellung ist, die Strom- und Magnetflusspegel in einem Motor mit dem für den Motor zur Verfügung stehenden maximalen Drehmoment vergleicht;
4 ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens und/oder Systems ist, um eine maximale Leistungsdissipation eines Motors in ein maximales Drehmoment für den Motor umzuwandeln;
5 eine graphische Darstellung ist, die die Temperaturablesungen mehrerer Temperatursensoren in einem Motor vergleicht;
6 eine graphische Darstellung ist, die eine gemessene Temperatur innerhalb eines Motors mit einer geschätzten Spulentemperatur des Motors vergleicht;
7 ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein Verfahren und/oder System zum Erzeugen eines Strombefehls für einen Motor veranschaulicht;
8 eine graphische Darstellung verschiedener Ergebnisse eines experimentellen Motorbetriebs ist, der gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde; und
9 eine Tabelle verschiedener Parameter des experimentellen Motorbetriebs von 8 ist.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende detaillierte Beschreibung ist in ihrer Art nur beispielhaft und soll die Erfindung oder die Anwendung und Nutzungen der Erfindung nicht beschranken. Überdies besteht keine Absicht, sich durch irgendeine formulierte oder implizierte Theorie einzuschränken, die in dem vorhergehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung präsentiert wird.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Merkmale, die miteinander „verbunden" oder „gekoppelt" sind. Wie hierin verwendet meint, außer es wird ansonsten ausdrücklich festgestellt, „verbunden", dass ein Element/Merkmal direkt, und nicht notwendigerweise mechanisch, an ein anderes Element/Merkmal angeschlossen ist (oder direkt damit in Verbindung steht). Desgleichen meint, außer es wird ansonsten ausdrücklich festgestellt, „gekoppelt", dass ein Element/Merkmal direkt oder indirekt, und nicht notwendigerweise mechanisch, an ein anderes Element/Merkmal angeschlossen ist (oder direkt oder indirekt damit in Verbindung steht). Es sollte sich jedoch verstehen, dass, obgleich zwei Elemente im Folgenden in einer Ausführungsform als „verbunden" beschrieben sein können, in alternativen Ausführungsformen ähnliche Elemente „gekoppelt" sein können, und umgekehrt. Obgleich die hierin dargestellten schematischen Diagramme beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen, können zusätzliche Zwischenelemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer tatsächlichen Ausführungsform vorhanden sein. Es sollte sich auch verstehen, dass 1-9 nur veranschaulichend sind und nicht maßstabsgerecht gezeichnet sein mögen.
1 bis 9 veranschaulichen ein Verfahren und/oder System zum Begrenzen der Betriebstemperatur des Elektromotors. Eine zulässige Leistungsdissipation des Motors wird auf die Basis der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Betriebstemperatur und der aktuellen Betriebstemperatur erzeugt. Die zulässige Leistungsdissipation wird dann in eine Drehmomentgrenze umgewandelt, die genutzt wird, um den Drehmomentbefehl des Motors zu begrenzen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine momentane Spulentemperatur von einem Temperatursensor innerhalb des Motors geschätzt. Ein Feed-Forward-Term, basierend auf einer vorbestimmten Temperaturgrenze für den Motor, einer abgefühlten Temperatur des Motors und dem thermischen Widerstand des Motors, definiert die zulässige maximale kontinuierliche Leistungsdissipation. Ein Proportional-Integrations-(PI)-Regler liefert eine momentane Leistungsdissipationsgrenze eines Kupferverlustes einschließlich des Effekts eines Kernverlustes. Die Leistungsdissipationsgrenze wird in die Drehmomentgrenze bei einer gegebenen Flussbedingung umgewandelt, die mit einem herkömmlichen Algorithmus zur Motorsteuerung integriert werden kann.
1 veranschaulicht ein Fahrzeug 10 oder „Automobil" gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Automobil 10 umfasst ein Fahrwerk 12, eine Karosserie 14, vier Räder 16 und ein elektronisches Steuerungssystem 18. Die Karosserie 14 ist auf dem Fahrwerk 12 angeordnet und umschließt im Wesentlichen die anderen Komponenten des Automobils 10. Die Karosserie 14 und das Fahrwerk 12 können gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 16 sind jeweils nahe einer jeweiligen Ecke der Karosserie 14 mit dem Fahrwerk 12 drehgekoppelt.
Das Automobil 10 kann irgendeines von mehreren verschiedenen Typen von Automobilen sein, wie z.B. eine Limousine, ein Wagen, ein Lastwagen oder ein Geländewagen (SUV), und kann einen Zweiradantrieb (2WD) (d.h. Hinterradantrieb oder Vorderradantrieb), einen Vierradantrieb (4DW) oder Allradantrieb (AWD) aufweisen. Das Fahrzeug 10 kann auch irgendeinen von mehreren verschiedenen Motortypen oder eine Kombination davon, wie z.B. einen benzin- oder dieselbetriebenen Verbrennungsmotor, einen Motor für ein „Flex Fuel Vehicle" (FFV) (d.h. der eine Mischung aus Benzin und Alkohol nutzt), einen mit einer gasförmigen Verbindung (z.B. Wasserstoff und/oder Erdgas) betriebenen Motor, einen Hybridmotor aus Verbrennungs/Elektromotor, und einen Elektromotor enthalten.
In der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform ist das Automobil 10 ein Hybridfahrzeug und enthält ferner eine Aktuatoranordnung 20, eine Batterie 22, eine Inverteranordnung 24 und einen Kühler 26. Die Aktuatoranordnung 20 umfasst einen Verbrennungsmotor 28 und einen Elektromotor/Generator (oder Motor) 30. Wie der Fachmann weiß, enthält der Elektromotor 30 darin ein Getriebe und enthält auch, obgleich nicht veranschaulicht, eine Statoranordnung (die mehrere leitende Spulen umfasst), eine Rotoranordnung (die einen ferromagnetischen Kern enthält), ein Kühlfluid (d.h. ein Kühlmittel) und zumindest einen Temperatursensor. Der Verbrennungsmotor 28 und der Elektromotor 30 sind so integriert, da beide mit zumindest einigen der Räder 16 durch eine oder mehrere Antriebswellen 32 mechanisch gekoppelt sind. Der Kühler 26 ist mit dem Rahmen an dessen Aussenabschnitt verbunden und enthält, obgleich nicht im Detail dargestellt, mehrere durchlaufende Kühlkanäle, die ein Kühlfluid (d.h. Kühlmittel) wie z.B. Wasser und/oder Ethylenglykol (d.h. Gefrierschutz") enthalten, und ist mit dem Verbrennungsmotor bzw. Motor 28 und der Inverteranordnung (oder dem Inverter) 24 gekoppelt. In einer Ausführungsform empfangt der Inverter 24 Kühlmittel und nutzt dieses gemeinsam mit dem Elektromotor 30. Der Kühler 26 kann ähnlich mit dem Inverter 24 und/oder dem Elektromotor 30 verbunden sein.
Das elektronische Steuerungssystem 18 steht in funktionsfähiger Verbindung mit der Aktuatoranordnung 20 (die darin Temperatursensoren enthält), der Batterie 22 und der Inverteranordnung 24. Obgleich nicht im Detail dargestellt enthält das elektronische Steuerungssystem 18 verschiedene Sensoren und kraftfahrzeugtechnische Steuerungsmodule oder elektronische Steuereinheiten (ECUs) wie z.B. ein Inverter-Steuermodul und einen Fahrzeug-Controller und zumindest einen Prozessor und/oder einen Speicher, der Anweisungen enthält, die darauf (oder in irgendeinem anderen computerlesbaren Medium) gespeichert sind, um die Prozesse und Verfahren wie im Folgenden beschrieben auszuführen.
Während des Betriebs wird, noch unter Verweis auf 1, das Fahrzeug 10 betrieben, indem Leistung über den Verbrennungsmotor 28 und den Elektromotor 30 abwechselnd und/oder über den Verbrennungsmotor 28 und den Elektromotor 30 gleichzeitig an die Räder 16 geliefert wird. Um den Elektromotor 30 anzutreiben, wird Gleichstromleistung (DC) von der Batterie 22 an die Inverteranordnung 24 (d.h. den Leistungsinverter 34) geliefert, der die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung (AC) umwandelt bevor die Leistung zum Elektromotor 30 geschickt wird.
2 veranschaulicht ein Verfahren (und/oder das System) 34 zum Begrenzen der Betriebstemperatur des Motors 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System 34 enthält einen Zuleitungskompensator (engl. lead compensator) 36, einen Proportional-Integral- oder -Integrations-(PI)-Regler 38, einen Leistungsdissipation begrenzenden Block 40 und einen Block 42 zur Umwandlung von Leistungsdissipation/Drehmoment. Das System 34 enthält auch Summierer (oder Summationsschaltungen) 44, 46, 48 und 50, wobei die Summierer 46 und 50 sich innerhalb des PI-Reglers 38 befinden. Der PI-Regler 38 enthält ferner eine Proportional-Verstärkung 52, eine Integrator-Verstärkung 54, einen Integrator 56 und eine inverse Verstärkung 58. Das Verfahren und/oder System 34 stellt den Kupferverlust proportional zum Quadrat des Motorstroms ein, um die Leistungsdissipation innerhalb des Motors 30 zu begrenzen, die die Summe des Kupferverlustes und des Eisenverlustes (oder Kernverlustes) ist.
Noch unter Verweis auf 2 wird die Differenz zwischen der maximalen Betriebstemperatur und der Spulentemperatur durch einen Summierer 44 berechnet. Falls die abgefühlte Temperatur sich langsamer als die tatsächliche Spulentemperatur ändert, kann der Zuleitungskompensator 36 verwendet werden, um die Verzögerung der abgefühlten Temperatur zu kompensieren. Der PI-Regler 38 erzeugt die zulässige Leistungsdissipation auf der Basis der Differenz zwischen der maximalen Betriebstemperatur und der Spulentemperatur. Die Proportional-Verstärkung 52 liefert die zulässige Leistungsdissipation proportional zur Differenz. Die Integrator-Verstärkung 54 und der Integrator 56 liefern die zulässige Leistungsdissipation basierend auf der Zeitintegration der Temperaturdifferenz. Die Ausgabe des Integrators 56 ist auf Null oder einen negativen Wert begrenzt.
Ein Summierer 46 berechnet die Summe des Proportional-Terms, des Integrator-Terms und eines Feed-Forward-Terms. Falls diese Summe nicht innerhalb der Grenzen des begrenzenden Blocks 40 liegt, wird die Differenz zwischen der Ausgabe des Summierers 46 und der zulässigen Leistungsdissipation durch einen Summierer 48 berechnet. Diese Differenz wird verwendet, um die Eingabe der Integrator-Verstärkung 54, nachdem sie durch die inverse Verstärkung 58 eingestellt ist, über einen Summierer 50 zu modifizieren, um ein Überschießen oder ein Aufwicklungsphänomen des PI-Reglers 38 zu verhindern. Der Block 42 zur Umwandlung von Leistungsdissipation/Drehmoment wandelt die maximale zulässige Leistungsdissipation in das maximale zulässige Drehmoment bei einer gegebenen Flussbedingung um.
Der Betrieb des Verfahrens und/oder Systems 34 wird nun detaillierter beschrieben. Während der Motor 30 betrieben wird, erhöht sich die Temperatur der Spulen innerhalb des Motors (d.h. die Spulentemperatur (T_coil)) gemäß der im Inneren des Motors dissipierten Leistung. Die Spulentemperatur ist nicht direkt proportional der Leistungsdissipation. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem Hot Spot innerhalb des Motors ist jedoch direkt proportional der Leistungsdissipation. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die momentane und stationäre Leistung, die vom Motor erzeugt wird, unter Verwendung dieses Prinzips begrenzt, und ein Weg, um das einfache thermodynamische Modell zu identifizieren, wird eingeführt. Die Ableitung des Steuerungsverfahrens der Spulentemperatur basiert auf diesem thermodynamischen Modell.
Die Spulentemperatur kann in Bezug auf die Leistungsdissipation definiert werden als Tcoil = Tcoolant + Θcoil-coolant(t)*Pd(Is, Nr) (1)wobei T_coolant die Temperatur des Kühlmittels ist, P_d die vom Motor erzeugte Leistungsdissipation ist, Θ_coil-coolant die thermische Impedanz des Motors (oder thermische dynamische Eigenschaft des Motors) ist, * ein Faltungsoperator ist, t die Zeit ist, I_s die Amplitude des Motorstroms ist und N_r die Motordrehzahl ist. Somit gibt es eine Temperaturdifferenz zwischen der Spule und dem Kühlmittel proportional der Leistungsdissipation des Motors.
Unter Verwendung einer Laplace-Transformation von Gleichung 1 kann Θ_coil-coolant definiert werden als
In vielen Fällen kann die thermische Impedanz des Motors als ein System erster Ordnung betrachtet und ausgedrückt werden als
wobei R₈ der thermische Widerstand des Motors ist und τ die Zeitkonstante des thermischen Systems ist.
Jeder dieser Parameter kann aus der Spulentemperatur berechnet werden, wenn T_coolant und P_d konstant sind. R_θ kann abgeschätzt werden aus der stationären Temperaturdifferenz zwischen der Spule und dem Kühlmittel, und τ kann aus der Rate einer Temperaturzunahme berechnet werden. Das heißt
wobei Δt die Zeitdauer ist, wenn P_d angelegt ist. Gleichung 5 gilt, falls Δt ausreichend klein ist, so dass die Temperaturzunahme als das Rampensignal approximiert werden kann.
R_θ kann verwendet werden, um die zulässige Leistungsdissipation im stationären Zustand zu berechnen, und τ kann verwendet werden, um das instationäre Drehmoment bzw. Übergangsmoment bei einer gegebenen Temperaturbedingung zu begrenzen. Da die Leistungsdissipation nicht Teil der Motorsteuerungsvariablen ist und keine direkte Beziehung mit ihnen aufweist, ist eine Umwandlung vom Kupferverlust zur Drehmomentgrenze als eine der Steuerungsvariablen der Motorsteuerung vorgesehen.
Wieder Bezug nehmend auf 2 ist T* die Temperatureinstellung oder – referenz (d.h. maximale Betriebstemperatur), T_NTC die Motortemperatur vom Sensor und T_coil die zuleitungskompensierte Temperatur. P_d(ff) ist die zulässige kontinuierliche Leistungsdissipation, P_d(max)* ist die Leistungsdissipation, die durch maximalen Nennstrom des Motors und Inverters begrenzt ist, und P_d(max) ist die momentane Grenze der Leistungsdissipation. T_e(max) ist die maximale Drehmomentgrenze, und ψ* ist der zur Verfügung stehende Motorfluss oder die physikalische Größe, die die Spannungsverfügbarkeit im Motorantriebssystem repräsentiert, und kann ausgedrückt werden als
wobei K_dc der Korrelationskoeffizient zwischen dem Fluss und der Gleichstrom-Busspannung (DC) des Inverters 24 ist. K_dc kann aus dem Span nungsnutzungsgrad des Inverters 24 bestimmt werden. Der Drehmomentbefehl ist direkt proportional dem Motorstrom (besonders während eines feldschwächenden Betriebs). Folglich wandelt der Block 42 zur Umwandlung von Leistungsdissipation/Drehmoment die zulässige Leistungsdissipationsgrenze in die zulässige Drehmomentgrenze bei einem gegebenen Motorfluss um.
3 beschreibt für einen Synchronmotor mit Permanentmagneten graphisch das Motordrehmoment, das erzeugt wird, basierend auf der Stromgrenze (I_s) und dem Betriebsfluss (ψ*). Solch ein Vergleich kann genutzt werden, um die Leistungsdissipation in die Drehmomentgrenze wie in 4 veranschaulicht umzuwandeln. Wie der Fachmann erkennt, gibt ein niedriger Fluss eine hohe Drehzahl oder eine niedrige Gleichstrom-Busspannung an, wo das zulässige Drehmoment mit dem gleichen Betrag des Motorstroms begrenzt werden kann. In dem in 3 gezeigten Beispiel trägt bei einer niedrigen Drehzahl oder einer hohen Gleichstrom-Busspannung der Hauptteil des Motorstroms zum erzeugten Drehmoment bei, während ein Teil des zum Drehmoment beitragenden Stroms aufgrund des feldschwächenden Stroms reduziert ist. Bei einem Strom von 75 A kann z.B. der in 3 beschriebene spezifische Motor etwa 200 Nm Drehmoment bei ψ* = 0,14 (V.s) liefern; aber das zur Verfügung stehende Drehmoment wird bei ψ* = 0,04 (V.s) Null. Solch eine graphische Darstellung oder ein Vergleich kann genutzt werden, um die Leistungsdissipation in die Drehmomentgrenze umzuwandeln, wie in 4 veranschaulicht ist.
Wieder bezugnehmend auf 2 empfängt der PI-Regler 38 einen Feed-Forward-Term (P_d(ff)), der aus Gleichungen 2, 3 und 4 abgeleitet wird, und als
ausgedrückt werden kann, und repräsentiert die zulässige kontinuierliche Leistungsdissipation, die bestimmt ist durch die Temperaturdifferenz zwischen der Temperaturgrenze und der Kühlmitteltemperatur. Dieser Feed-Forward-Term minimiert das Überschießen der Temperaturantwort und das Unterschießen des Drehmoments. In einer Ausführungsform kann die Kühlmitteltemperatur (T_coolant) aus der Invertertemperatur abgeschätzt werden, da das Kühlmittel des Inverters ebenfalls durch den Motor gelangt. Es sollte besonders erwähnt werden, dass die Temperatur der Wärmesenke des Inverters gemessen werden kann, um vor dem Überhitzen der Siliziumeinrichtungen im Inneren der Leistungsmodule innerhalb des Inverters zu schützen. Die Temperatur der Wärmesenke kann im Wesentlichen die gleiche wie die Kühlmitteltemperatur sein und genutzt werden, um die zulässige kontinuierliche Leistungsdissipation wie in Gleichung 7 ausgedrückt zu berechnen.
Die Obergrenze des Integrators 56 des PI-Reglers 38, der in 2 dargestellt ist, ist auf Null eingerastet bzw. fest eingestellt (engl. clamped), um eine übermäßige Leistungsdissipation zu verhindern, wenn die Wicklungstemperatur niedriger ist als die Temperaturgrenze. Als Folge sind im stationären Betrieb (d.h., wenn die Wicklungstemperatur ausreichend niedriger als die Temperaturgrenze ist) nur der Proportional-Term und der Feed-Forward-Term wirksam, um die zulässige Leistungsdissipation oder den Statorstrom zu liefern. Die Funktion des Integrators besteht darin, den Effekt des Kernverlustes zu kompensieren, wenn die Spulentemperatur über die Temperaturgrenze hinausgeht. Die Verstärkung des PI-Reglers 38 kann ausgedrückt werden als
wobei ω_bw die Bandbreite und τ_r die Zeitkonstante des PI-Reglers 38 ist. Um eine Antwort erster Ordnung von T_coil zu haben, sollte τ_r gleich der Zeitkonstante der Antwort von T_coil sein, was eine Antwort erster Ordnung mit einer Bandbreite zur Folge hat, die gleich ω_bw ist. Falls die Spulentemperatur ausreichend niedriger ist als die Referenztemperatur ist und die anfängliche Ausgabe des Integrators auf Null fest eingestellt ist, kann dann die momentane Leistungsgrenze (P_d(max)) ausgedrückt werden als
Wie durch Gleichung 10 angegeben ist, wird die momentane Leistungsgrenze im Wesentlichen durch die Differenz zwischen der Spulentemperatur und der Referenztemperatur begrenzt, unter der Annahme, dass τ_rω_bw ausreichend größer 1 ist. Die vergrößerte Bandbreite der Temperaturregelschleife hat eine höhere Leistungsgrenze zur Folge. Eine kürzere Dauer eines Spitzendrehmoments oder einer Spitzenleistung ergibt sich jedoch ebenfalls. Somit wird ω_bw durch die relative Einschaltdauer oder Zeitdauer eines Spitzendrehmoments oder einer Spitzenleistung bestimmt, die die kontinuierliche Grenze übersteigt. K_p unterdrückt auch das Wind-up-Phänomen (engl. wind-up phenomenon) des Integrators, das auftritt, wenn die Ausgabe des PI-Reglers 38 das Maximum oder Minimum erreicht. Falls die Ausgabe auf diese Grenze fest eingestellt ist, wird die Differenz zwischen der PI-Ausgabe und der reellen Ausgabe (P_d(max)) subtrahiert und eingespeist, um den Integrator-Wert des PI-Reglers 38 zu reduzieren, nachdem er mit der Verstärkung 1/K_p multipliziert ist.
Falls es irgendwelche Wärmekonzentrationen (d.h. „Hot Spots") im Inneren des Motors gibt wie z.B. die Endwicklung, kann das instationäre bzw. Übergangsverhalten der Temperatur an der heißesten Stelle gegenüber anderen Punkten verschieden sein, bis der Motor ein thermisches Gleichgewicht erreicht. Außerdem kann es eine Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur innerhalb des Motors und der durch den Sensor gemessenen Temperatur geben. Der Zuleitungskompensator 36 kompensiert die Verzögerung des Temperatursensors, um die momentane Spulentemperatur abzuschätzen und zu steuern.
5 veranschaulicht graphisch beispielhafte Temperaturen, die von den Sensoren im Inneren des Motors 30 gemessen werden, wenn der Spitzendrehmomentbefehl angewendet wird. Wie dargestellt ist, sind die anfänglichen (d.h. 0-40 s) stationären Antworten (oder Temperaturablesungen) identisch. Bei ungefähr 40 s treten jedoch Diskrepanzen zwischen den verschiedenen Ablesungen auf. In dem beispielhaften experimentellen System von 3 wurden sechs verschiedene Thermoelemente in den Motorwicklungen installiert, und ein „Thermistor" (d.h. ein Widerstand, der genutzt wird, um Temperaturänderungen zu messen) wurde angebracht, um die Spulentemperatur darzustellen.
Bezugnehmend auf 6 wird bei bekannter thermischer Dynamik der Temperatursensoren die Ausgabe des Zuleitungskompensators 36 genutzt, um die Temperatur der Hot Spots im Inneren des Motors abzuschätzen. Bei bekanntem thermischem Widerstand und bekannter Leistungsdissipation wurde, wenn die Temperatur mit der Rate von 2,61 °C/s in 6 angehoben wurde, die Zeitkonstante des Thermistors (τ) als 154 s gemessen. Die Temperatur des Hot Spots erhöhte sich jedoch schneller als diejenige des Thermistors, und dessen Zeitkonstante (τ_c) wurde auf der Basis einer Temperaturänderung von 4,29 °C/s an der heißesten Stelle als 94 s gemessen. Die Transferfunktion, die die Beziehung zwischen der Temperatur der Spule (T_coil) und der Temperatur, wie sie durch den Thermistor gemessen wurde, (T_NTC), demonstriert, des Zuleitungskompensators 36 kann dann ausgedrückt werden als
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird T_e(max) genutzt, um den Drehmomentbefehl des Motors zu begrenzen. In Abhängigkeit von der Betriebsdrehzahl des Motors 30 und der Gleichstrom-Busspannung des Inverters 24 wird die Drehmomentgrenze unter Verwendung eines Graphen oder einer Tabelle ähnlich dem in 3 gezeigten aus dem zulässigen Strom und Fluss, wie in 4 veranschaulicht wurde, berechnet. Die Drehmomentgrenze wird dann genutzt, um den Drehmomentbefehl zu begrenzen.
Wie in 7 veranschaulicht ist, wird danach ein feldschwächender Algorithmus, wie er allgemein bekannt ist, verwendet, um aus dem begrenzten Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl (N_r) und der Gleichstrom-Busspannung des Inverters 24 einen Strombefehl zu erzeugen. In einer Ausführungsform enthält der Strombefehl zwei Befehle, i_d* und i_q*, um einen Strom innerhalb der Gleichstrom-Busspannung zu steuern, die durch den Inverter 24 begrenzt ist. Wenn der anfängliche Drehmomentbefehl (T_e**) außerhalb des Bereichs von T_e(max) liegt, und der Absolutwert von T_e*, soll dann die Größe aus dem Ausgangsstrombefehl gleich, oder ungefähr gleich, dem zulässigen Strom (I_s(max)) sein und kann ausgedrückt werden als
Wenn jedoch der Strom für das Feldschwächen größer als der zulässige Strom ist, wird die vorliegende Stromgröße (I_s ^*) die minimale zulässige Leistungsdissipation (P_d(min)) bestimmt, die ausgedrückt wird als Pd(min) = 1.5Rs(I* s)2 (13)und in 2 dargestellt ist. Wenn die Betriebsstrom größer als der zulässige Strom ist, geht die Temperatursteuerung in einen „nicht steuerbaren" Modus über. Falls die Motordrehzahl reduziert wird oder die Gleichstrom-Busspannung erhöht wird, um den Motorfluss (ψ*) zu erhöhen, wird der feldschwächende Strom reduziert. Die Temperatursteuerung kehrt dann zum steuerbaren Modus zurück, an welchem Punkt der zulässige Strom größer als der feldschwächende Strom ist.
Ein Vorteil des Verfahrens und/oder Systems, das oben beschrieben wurde, besteht darin, dass eine Verfahrensweise geschaffen wird, um die momentane und kontinuierliche Nenn- oder Drehmomentleistung des Motors vernünftig festzulegen, indem die momentane Motortemperatur begrenzt wird. Als Folge kann eine weniger konservative Temperaturgrenze genutzt werden, das die Wahrscheinlichkeit, dass die Temperaturgrenze überschritten wird, reduziert ist. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass die Leistungs- und/oder Drehmomentdichte des Motors erhöht werden kann. Ferner ermöglicht das Verfahren und/oder System, dass der Motor in verschiedenen Betriebsstufen kontinuierlich gesteuert wird, und erleichtert einen kontinuierlichen Betrieb des Motors, während die Betriebstemperatur begrenzt wird.
8 und 9 veranschaulichen Ergebnisse eines beispielhaften experimentellen Betriebs eines Motors, der das oben beschriebene Verfahren und/oder System 34 nutzt. Das Verfahren und/oder System wurde in Verbindung mit einem Permanentmagnetmotor mit einer kontinuierlichen Nennleistung von 25 kW implementiert. Die Temperaturdifferenz (T) und die Kühlmitteltemperatur (T_coolant) wurden auf 100 °C bzw. 25 °C eingestellt.
Bei t₀ wurden 500 Nm eines Drehmomentbefehls (T_e**) angewendet und bis t₅ beibehalten. 9 gibt die Betriebsbedingungen der verschiedenen Stufen (P1-P6) des Experiments an. Da es eine ausreichende Differenz zwischen der Temperaturreferenz und der Spulentemperatur gibt, war während P1 das Ausgangsdrehmoment für den Drehmomentbefehl geeignet. Bei t₁ näherte sich jedoch die Spulentemperatur der Temperaturreferenz, und die Drehmomentgrenze (T_e(max)) wurde niedriger als der ursprüngliche Drehmomentbefehl (T_e**). Folglich wurde die Rate der Temperaturerhöhung reduziert.
Während P2 wurde die Spulentemperatur so gesteuert, dass sie gleich der Temperaturreferenz war, während die Drehmomentgrenze (T_e(max)) durch den PI-Regler 30 reduziert wurde, um die zulässige Leistungsdissipation oder den zulässigen Kupferverlust innerhalb des Motors zu begrenzen. Die langsame Reduzierung der Drehmomentgrenze während P2 zeigt an, dass der PI-Regler 38 den zulässigen Kupferverlust reduzierte, um den Beitrag des Kernverlustes zur Temperaturerhöhung zu kompensieren.
Während P3 nahm die Betriebsdrehzahl von 500 U/Min auf 1200 U/Min zu. Vor t₂ war der Ausgangsstrom auf 120 A fest eingestellt, wurde aber aufgrund des Effekts des feldschwächenden Stroms schnell auf etwa 150 A erhöht. Zur gleichen Zeit wurde jedoch der Drehmomentbefehl (T_e*) auf Null gesetzt, was angibt, dass während dieser Zeit der gesamte Motorstrom nur zur feldschwächenden Steuerung beitrug. Auch während P3 arbeitete das gesamte thermische System im nicht gesteuerten Modus, da der Ausgangsstrom die von der zulässigen Leistungsdissipation gelieferte Stromgrenze überschritt. Als Folge erhöhte sich die Spulentemperatur über die Temperaturreferenz.
Während P4 wurde die Betriebsdrehzahl auf 800 U/Min reduziert, wodurch der feldschwächende Strom abnahm. Aufgrund des Effekts des feldschwächenden Stroms wurde das stationäre Ausgangsdrehmoment auf etwa 180 Nm fest eingestellt, während die Drehmomentgrenze am Ende von P2 bei 500 U/Min oberhalb von 300 Nm lag. Aufgrund des Effekts des Kernverlustes (der mit der Betriebsdrehzahl zunimmt) wurde außerdem der Ausgangsstrom bei etwas weniger als 120 Apk (d.h. der Spitzenstrom) fest eingestellt. Dieser Betrag ist geringer als der Ausgangsstrom am Ende von P2, was somit den Einsatz des PI-Reglers 38, um den Kernverlust zu kompensieren, angibt.
Während P5 kehrte die Betriebsdrehzahl zu 500 U/Min zurück. Am Ende von P5 waren das Ausgangsdrehmoment und die Stromgrenze zu den Werten zurückgekehrt, die am Ende von P2 vorlagen. Nach t₅ wurde der Drehmomentbefehl (T_e*) auf 50 Nm geändert. 50 Nm eines Drehmomentbefehls bei 500 U/Min in diesem Motor erfordern 20 Abk des Ausgangsstroms, was erheblich geringer als die zulässige Stromgrenze ist, die durch die zulässige Leistungsdissipation in 2 und 4 bestimmt wurde. Die Spulentemperatur nahm somit von der Temperaturdifferenz ab.
Obgleich zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden ausführlichen Beschreibung präsentiert wurde, sollte man erkennen, dass es eine riesige Anzahl von Variationen gibt. Es sollte auch er kannt werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht den Umfang, die Anwendbarkeit oder Konfiguration der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken sollen. Die vorhergehende detaillierte Beschreibung bietet vielmehr dem Fachmann eine zweckmäßige Anleitung zum Implementieren der beispielhaften Ausführungsform oder beispielhaften Ausführungsformen. Es sollte sich verstehen, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist, und deren gesetzlichen Äquivalenten abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Begrenzen einer Betriebstemperatur eines Motors, mit den Schritten: Empfangen einer maximalen Betriebstemperatur des Motors; Bestimmen einer aktuellen Betriebstemperatur innerhalb des Motors; Berechnen einer maximalen zulässigen Leistungsdissipation des Motors basierend zumindest zum Teil auf der maximalen Betriebstemperatur und der aktuellen Betriebstemperatur des Motors; und Erzeugen eines Drehmomentbefehls für den Motor, basierend zumindest zum Teil auf der maximalen zulässigen Leistungsdissipation.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen der maximalen zulässigen Leistungsdissipation basierend zumindest zum Teil auf der maximalen Betriebstemperatur und der aktuellen Betriebstemperatur des Motors ein Bestimmen einer Differenz zwischen der maximalen Betriebstemperatur und der aktuellen Betriebstemperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die maximale zulässige Leistungsdissipation proportional ist zur Differenz zwischen der maximalen Betriebstemperatur und der aktuellen Betriebstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Erzeugen des Drehmomentbefehls für den Motor basierend auf der maximalen zulässigen Leistungsdissipation ein Berechnen eines maximalen zulässigen Stroms basierend auf der maximalen zulässigen Leistungsdissipation umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Erzeugen des Drehmomentbefehls für den Motor basierend auf der maximalen zulässigen Leistungsdissipation ferner ein Berechnen eines zur Verfügung stehenden Betrags des Magnetflusses umfasst, der innerhalb des Motors zur Verfügung steht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Berechnen der maximalen zulässigen Leistungsdissipation basierend zumindest zum Teil auf der maximalen Betriebstemperatur und der aktuellen Betriebstemperatur des Motors durch einen Proportional-Integral-Regler durchgeführt wird, wobei der Proportional-Integral-Regler eine Proportional-Verstärkung und eine Integrator-Verstärkung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Motor mindestens eine Spule aufweist und das Bestimmen der aktuellen Betriebstemperatur zumindest teilweise über einen Temperatursensor innerhalb des Motors durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Bestimmen der aktuellen Betriebstemperatur ein Abschätzen einer Spulentemperatur innerhalb der zumindest einen Spule des Motors aus der aktuellen Betriebstemperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt Erzeugen zumindest eines Strombefehls basierend zumindest teilweise auf dem Drehmomentbefehl.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Erzeugen des zumindest einen Strombefehls zumindest teilweise auf der Basis eines feldschwächenden Algorithmus durchgeführt wird.
Verfahren zum Begrenzen einer Betriebstemperatur eines Elektromotors in einem Automobil, mit den Schritten: Bestimmen einer maximalen Betriebstemperatur des Motors; Bestimmen einer aktuellen Betriebstemperatur innerhalb des Motors; Berechnen einer Differenz zwischen der maximalen Betriebstemperatur und der aktuellen Betriebstemperatur; Berechnen einer maximalen zulässigen Leistungsdissipation des Motors basierend zumindest teilweise auf der Differenz zwischen einer maximalen Betriebstemperatur und der aktuellen Betriebstemperatur des Motors, wobei die maximale zulässige Leistungsdissipation der Differenz proportional ist; Berechnen eines maximalen zulässigen Stroms für den Motor basierend auf der maximalen zulässigen Leistungsdissipation; Bestimmen eines verfügbaren Betrags eines Magnetflusses innerhalb des Motors; und Erzeugen eines Drehmomentbefehls für den Motor basierend zumindest teilweise auf dem maximalen zulässigen Strom und dem verfügbaren Betrag eines Magnetflusses innerhalb des Motors.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Motor zumindest eine Spule aufweist und das Bestimmen der aktuellen Betriebstemperatur ein Abfühlen einer Temperatur innerhalb des Motors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bestimmen der aktuellen Betriebstemperatur ein Abschätzen einer Spulentemperatur innerhalb der zumindest einen Spule des Motors aus der abgefühlten Temperatur innerhalb des Motors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner mit dem Schritt Erzeugen zumindest eines Strombefehls für den Motor basierend zumindest teilweise auf dem Drehmomentbefehl.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Erzeugen des zumindest einen Strombefehls für den Motor zumindest teilweise basierend auf einem feldschwächenden Algorithmus durchgeführt wird.
Fahrzeugantriebssystem, mit: einem Motor; einer Leistungsversorgung, die mit dem Motor gekoppelt ist; und einem Prozessor in funktionsfähiger Verbindung mit dem Motor und der Leistungsversorgung, wobei der Prozessor dafür ausgelegt ist: eine maximale Betriebstemperatur des Motors zu empfangen; eine aktuelle Betriebstemperatur innerhalb des Motors zu bestimmen; eine maximale zulässige Leistungsdissipation des Motors basierend zumindest teilweise auf der maximalen Betriebstem peratur und der aktuellen Betriebstemperatur des Motors zu berechnen; und einen Drehmomentbefehl für den Motor basierend zumindest teilweise auf der maximalen zulässigen Leistungsdissipation zu erzeugen.
Fahrzeugantriebssystem nach Anspruch 16, wobei der Motor zumindest eine Spule aufweist und das Bestimmen der aktuellen Betriebstemperatur ein Abfühlen einer Temperatur innerhalb des Motors umfasst.
Fahrzeugantriebssystem nach Anspruch 17, wobei das Bestimmen der aktuellen Betriebstemperatur ein Abschätzen einer Spulentemperatur innerhalb der zumindest einen Spule des Motors aus der abgefühlten Temperatur innerhalb des Motors umfasst.
Fahrzeugantriebssystem nach Anspruch 18, wobei der Prozessor ferner dafür ausgelegt ist, zumindest einen Strombefehl für den Motor basierend zumindest teilweise auf den Drehmomentbefehl zu erzeugen.
Fahrzeugantriebssystem nach Anspruch 19, wobei das Erzeugen des zumindest einen Strombefehls für den Motor zumindest zum Teil basierend auf einem feldschwächenden Algorithmus durchgeführt wird.