DE102010056324A1

DE102010056324A1 - Anordnung mit einer Drehfeldmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Ermitteln der Temperatur von Elementen einer Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102010056324A1
Application number: DE102010056324A
Authority: DE
Inventors: Dr. Winkler Josef; Prof. Dr. Pforr Johannes; Thomas Hackner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Bei einer Anordnung vorbestimmter Art, bei der eine Drehfeldmaschine (D) in einer Sternpunktschaltung mit Wechselrichterhalbbrücken verschaltet ist, wobei die Halbbrücken jeweils zwei Schalter (M11, M12; M21, M22; M31, M32) aufweisen, lässt sich die Temperatur von Wicklungen (W1, W2, W3) der Drehfeldmaschine (D) anhand einer Widerstandsmessung ermir (M11, M12; M21, M22; M31, M32) derart ansteuert, dass ein Gleichstrom (IDC) fließt, dessen Stromstärke gemessen wird, wobei gleichzeitig die durch den Gleichstrom über einen Widerstand (insbesondere eine der Wicklungen (W1, W2, W3)) abfallende Spannung ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Drehfeldmaschine bestimmte Art, wie sie aus der DE 10 2005 045 122 A1 bekannt ist. Sie betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit der Anordnung sowie ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur von Elementen der Drehfeldmaschine in dieser Anordnung.
Die Anordnung beinhaltet, dass die Drehfeldmaschine eine Mehrzahl von Wicklungen, bevorzugt drei Wicklungen hat, die mit einem jeweiligen ersten Ende in einem Sternpunkt miteinander gekoppelt sind, wobei der Sternpunkt seinerseits mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle gekoppelt ist. Das jeweilige zweite Ende der Wicklung (das man auch als „Phasenende” bezeichnen kann) ist einerseits über einen jeweiligen ersten Schalter mit einem ersten Pol eines kapazitiven Elements, das vorzugsweise ein Energiespeicher ist, gekoppelt (oder einem anderen Energiespeicher wie einer Batterie) und andererseits über einen jeweiligen zweiten Schalter mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle und gleichzeitig mit einem zweiten Pol des Energiespeichers gekoppelt. Als Schalter sind insbesondere Transistoren, nämlich MOSFETs vorgesehen. Diese sind als Diode geschaltet, zu dem einen Pol des Energiespeichers hin in Durchlassrichtung, zum anderen Pol hin in Sperrrichtung.
Die Anordnung kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug genutzt werden, wobei die Spannungsquelle eine solche des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs ist und die Drehfeldmaschine z. B. Teil einer Einrichtung zur elektrischen Hilfskraftlenkung ist. Eine elektrische Hilfskraftlenkung stellt zusätzlich zu einem an einer Lenkhandhabe des Kraftfahrzeugs aufgebrachten Drehmoment zum Auslenken eines Rades ein unterstützendes Moment bereit. Hierzu bedarf es eines Elektromotors, nämlich eben der Drehfeldmaschine. Die Erfindung ist jedoch auch dann anwendbar, wenn die Drehfeldmaschine als Drei-Phasen-Motor-Generator arbeitet, wenn also insbesondere auch zumindest teilweise elektrische Energie mithilfe der Drehfeldmaschine gewonnen werden soll.
Vorliegend wird davon ausgegangen, dass im Normalbetrieb alle ersten Schalter und alle zweiten Schalter im Wechsel derart geöffnet und geschlossen werden, dass ein Wechselstrom über die Wicklungen fließt. Zudem können die ersten und zweiten Schalter im Wechsel derart geöffnet und geschlossen werden, dass auch ein Gleichstrom fließt. Mithilfe des Gleichstrom kann der Energiespeicher geladen bzw. entladen werden.
In elektrischen Maschinen ist es wesentlich, dass sich die Wicklungen nicht überhitzen. Werden die Wicklungen einer Drehfeldmaschine zu heiß, so muss die Leistungsabgabe reduziert werden.
Bei herkömmlichen Anordnungen benötigt man somit für jede Wicklung einen Temperatursensor, der die Temperatur der zugehörigen Wicklung misst. Dies ist aufwendig.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie eine Anordnung der oben beschriebenen Art die Temperatur unaufwendig ermittelt werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst, durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 3 gelöst und durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 4 gelöst.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Messen der Stromstärke des ohnehin zumindest hin und wieder fließenden Gleichstroms und einer Einrichtung zum Ermitteln einer über einen Widerstand durch das Fließen von Gleichstrom über ihn abfallenden Spannung. Die Steuereinrichtung, die die Schalter ansteuert, ist dazu ausgelegt, eine Temperatur aus den von den beiden Einrichtungen zum Messen bzw. Ermitteln bereitgestellten Messwerten abzuleiten. Mithilfe von Spannung und Stromstärke lässt sich insbesondere der Wert des Widerstands desjenigen Leitungsstücks oder Widerstandselements ableiten, über den die Spannung gemessen wird. Widerstandswerte sind aber temperaturabhängig. Daher kann aus dem Widerstandswert auf die Temperatur geschlossen werden. Es kann ein besonderes Widerstandselement („Pt 100” o. ä.) verwendet werden, das eine besonders starke Temperaturabhängigkeit, insbesondere in dem interessierenden Bereich, aufweist. Grundsätzlich genügt es aber, an herkömmlichen Leitungsstücken die Temperatur zu messen, bevorzugt an einer der Wicklungen selbst.
Durch die Erfindung kann auf die den einzelnen Wicklungen zugeordneten Sensoren verzichtet werden. Die Einrichtung zum Messen der Stromstärke kann außerhalb der Drehfeldmaschine angeordnet sein und verhindert daher nicht, dass diese kompakt gebaut wird. Die Spannung kann als Differenz der Spannung über dem Energiespeicher einerseits und über der Batterie andererseits abgeleitet werden. Diese Größen sind ohnehin bekannt oder ermittelbar. Es ist somit im Zweifel lediglich eine Einrichtung zum Messen notwendig (Stromstärke) und nicht drei Einrichtungen (Sensoren zur Temperaturmessung der jeweiligen Wicklungen im Stand der Technik).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur, die von ihr abgeleitet wird, von einem Normalbetrieb zu einem Notfallbetrieb überzugehen. Hierbei ist davon ausgegangen, dass in einem Normalbetrieb die Schalter auf eine vorbestimmte Art und Weise angesteuert werden, und dass sie im Notfallbetrieb anders angesteuert werden als im Normalbetrieb, also anders als auf die vorbestimmte Weise. Insbesondere soll die Ansteuerung im Notfallbetrieb derart sein, dass weniger Leistung durch die Drehfeldmaschine verbraucht wird und eine weitere Überhitzung vermieden wird.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit dieser Anordnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der Temperatur von Elementen einer Drehfeldmaschine mit drei Wicklungen in einer Anordnung der beschriebenen Art ist gekennzeichnet durch das Ansteuern der Schalter derart, dass ein Gleichstrom von der Spannungsquelle zum Energiespeicher fließt oder umgekehrt, dass ferner die Stromstärke des Gleichstroms gemessen wird, dass gleichzeitig eine durch Fließen des Gleichstroms über ein Widerstandselement, nämlich bevorzugt eine der Wicklungen selbst, über dieses bzw. diese abfallende Spannung gemessen wird, und dass die Temperatur aus der gemessenen Spannung und der gemessenen Stromstärke abgeleitet wird.
Das Verfahren zeichnet sich durch seine Einfachheit aus, insbesondere weil ein ermittelbarer Wert für den Widerstand des Widerstandselements stark temperaturabhängig sein kann.
Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
1 schematisch die erfindungsgemäße Anordnung bei einem Fließen eines Gleichstroms über die Wicklungen zeigt und
2 einen Graphen zeigt, der den Stromfluss in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt,
3 schematisch die Anordnung aus 1 zeigt, um zu erläutern, wie ein Wechselstrom über die Wicklungen fließt und
4 hierzu einen Graphen zeigt, der in Abhängigkeit von der Zeit den Stromfluss über eine der Wicklungen wiedergibt,
5 die Anordnung aus 1 und 3 für den Fall zeigt, dass sowohl ein Gleichstrom als auch ein Wechselstrom über die Wicklungen fließt, und
6 hierzu anhand eines Graphen den Stromfluss über eine Wicklung zeigt, und
7 anhand dreier Graphen den Stromfluss über alle drei Wicklungen zeigt.
Eine im Ganzen mit D bezeichnete Drehfeldmaschine umfasst drei Wicklungen W₁, W₂, W₃, die mit einem Ende an einem Sternpunkt SP miteinander gekoppelt sind, der mit einem Spannungsanschluss einer Spannungsquelle B, die die Spannung U_Bat bereitstellt, gekoppelt ist. Die Wicklung W₁ stellt eine intrinsische Induktivität L₁ und einen intrinsischen Widerstand R₁ bereit, die Wicklung W₂ L₂ und R₂, die Wicklung W₃ L₃ und R₃. Die Wicklungen W₁, W₂ und W₃ sind über Wechselrichter bzw. einen aktiven oder passiven Gleichrichter, vorliegend über jeweilige Halbbrücken mit einem Energiespeicher C gekoppelt, über dem die Spannung U_dc abfällt. Die Halbbrücken umfassen im vorliegenden Beispiel MOSFETs, wobei ein Ende der Wicklung W₁ über einen ersten MOSFET M₁₁ mit dem einen Anschluss des Energiespeichers C verbunden ist, und über einen zweiten MOSFET M₁₂ mit einem zweiten Anschluss des Energiespeichers C gekoppelt ist. Gleichermaßen ist die zweite Wicklung W₂ über einen ersten MOSFET M₂₁ mit dem ersten Anschluss des Energiespeichers C gekoppelt, über einen zweiten MOSFET M₂₂ mit dem zweiten Anschluss. Und gleichermaßen ist auch das dem Sternpunkt SP abgewandte Ende der Wicklung W₃ über einen ersten MOSFET M₃₁ mit dem einen Anschluss des Energiespeichers C gekoppelt und über einen zweiten MOSFET M₃₂ mit dem zweiten Anschluss des Energiespeichers C gekoppelt. Die Pole der Batterie B des Energiespeichers C sind miteinander gekoppelt. Ein Kennzeichen der Halbbrücken mit den ersten und zweiten MOSFETs M₁₁, M₁₂ bzw. M₂₁, M₂₂ bzw. M₃₁, M₃₂ ist, dass der jeweilige erste MOSFET M₁₁, M₂₁, M₃₁ als Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist (gesehen von der Drehfeldmaschine D zum Energiespeicher C), wohingegen die zweiten MOSFETs M₁₂, M₂₂ und M₃₂ entsprechend als Diode in Sperrrichtung geschaltet sind.
Durch geeignete Ansteuerung mithilfe einer Steuereinrichtung S, symbolisiert in der Zeichnung lediglich für den einen MOSFET M₁₁, kann das Fließen von Strom bewirkt werden.
In 1 ist davon ausgegangen, dass die Taktung des Öffnens und Schließens der einzelnen MOSFETs derart erfolgt, dass über jede Wicklung W₁, W₂, W₃ ein Gleichstrom fließt. Fließt von der Batterie B aus ein Gleichstrom I_dc, dann fließt über jede Wicklung der Gleichstrom I_dc/3, vgl. 2.
Die Taktung der Schaltung kann auch dergestalt sein, dass reine sinusförmige Wechselströme fließen: Fließt ein Wechselstrom gemäß 4 über die eine Wicklung W₁, fließt dieser Wechselstrom über die andere Wicklung zurück, sodass eine Beaufschlagung der Wicklungen in Phase gegeben ist. Von der Batterie fließt dann kein Wechselstrom I_AC weg, I_AC ist also gleich Null.
Nun gilt vorliegend das Superpositionsprinzip: Die Taktung im Öffnen und Schließen der einzelnen Schalter kann derart erfolgen, dass sowohl ein Gleichstrom als auch ein davon unabhängiger Wechselstrom fließt. Dies ist in 5 für die Anordnung als Ganzes und als Graph für den Strom in 6 dargestellt. Man erhält somit eine Sinuswelle nach Art der in 4 gezeigten Sinuswelle, die aber um einen Gleichstromanteil von I_dc/3 von der reinen Sinuswelle versetzt ist.
Für die drei Wicklungen insgesamt ergeben sich Sinuskurven K₁, K₂ und K₃.
Vorliegend soll die Temperatur der Wicklungen W₁, W₂, W₃ der Drehfeldmaschine ermittelt werden. Dies ist möglich im Falle, dass Gleichstrom fließt, also im Falle der 1 und 2 oder 5, 6 und 7.
Es wird die Stromstärke des Gleichstroms I_dc durch ein Amperemeter Amp gemessen. Gleichzeitig wird die über eine Wicklung abfallende Spannung als Differenz U_dc – U_Bat ermittelt. Diese Größen sind bekannt, gegebenenfalls werden sie gemessen oder aus anderen Größen abgeleitet. Aus der Spannung ergibt sich durch Division durch die Stromstärke der Widerstand der Wicklung. Üblicherweise besteht eine ausreichend starke Temperaturabhängigkeit, um aus dem Wert für den Widerstand die Temperatur ermitteln zu können, es gilt also U (I_dc)/I_dc = R (T), und wenn diese Beziehung R (T) bekannt ist, lässt sich die Temperatur ermitteln.
Bei zu hoher Temperatur kann dann die Leistungsabgabe der Drehfeldmaschine (D) verringert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005045122 A1 [0001]

Claims

Anordnung mit einer Drehfeldmaschine (D) mit einer Mehrzahl von Wicklungen (W₁, W₂, W₃), die mit einem jeweiligen ersten Ende mit einem Sternpunkt (SP) miteinander gekoppelt sind, der mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle (B) gekoppelt ist, und deren jeweiliges zweites Ende einerseits über einen jeweiligen ersten Schalter (M₁₁, M₂₁, M₃₁) mit einem ersten Pol eines kapazitiven Elements (C) oder einer Batterie gekoppelt ist und andererseits über einen jeweiligen zweiten Schalter (M₁₂, M₂₂, M₃₂) mit einem zweiten Pol des kapazitiven Elements (C) bzw. der Batterie gekoppelt ist, wobei die Anordnung eine Steuereinrichtung (S) umfasst, die ausgelegt ist, die Schalter (M₁₁, M₁₂; M₂₁, M₂₂; M₃₁, M₃₂) so anzusteuern, dass ein Gleichstrom von der Spannungsquelle (B) zum kapazitiven Element (C) bzw. der Batterie fließt oder umgekehrt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (Amp) zum Messen der Stromstärke des Gleichstroms (I_dc) und eine Einrichtung (Vol) zum Ermitteln einer über einen vorzugsweise durch eine Wicklung bereitgestellten Widerstand durch den Gleichstrom (I_dc) abfallenden Spannung, und wobei die Steuereinrichtung zum Ableiten einer Temperatur aus von den beiden Einrichtungen (Amp, Vol) zum Messen bereitgestellten Messwerten ausgelegt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (S) dazu ausgelegt, bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur von einem Normalbetrieb zu einem Notfallbetrieb überzugehen, in dem die Schalter (M₁₁, M₁₂; M₂₁, M₂₂; M₃₁, M₃₂) anders angesteuert werden als im Normalbetrieb.
Kraftfahrzeug mit einer Anordnung nach Anspruch 1 oder 2.
Verfahren zum Ermitteln der Temperatur von Elementen einer Drehfeldmaschine mit einer Mehrzahl von Wicklungen in einer Anordnung, bei der die drei Wicklungen mit einem jeweiligen ersten Ende in einem Sternpunkt (SP) miteinander gekoppelt sind, der mit einem Pol einer Spannungsquelle (B) gekoppelt ist, und deren jeweiliges zweite Ende einerseits über einen jeweiligen ersten Schalter (M₁₁, M₂₁, M₃₁) mit einem ersten Pol eines kapazitiven Elements (C) oder einer Batterie gekoppelt ist und andererseits über einen jeweiligen Schalter (M₁₂, M₂₂, M₃₂) mit einem zweiten Pol des kapazitiven Elements (C) bzw. der Batterie gekoppelt ist, gekennzeichnet durch: – Ansteuern der Schalter (M₁₁, M₁₂; M₂₁, M₂₂; M₃₁, M₃₂) derart, dass ein Gleichstrom (I_dc) von der Spannungsquelle (B) zum kapazitiven Element (C) bzw. der Batterie fließt oder umgekehrt, – Messen der Stromstärke (I_dc) des Gleichstroms, – Ermitteln einer durch Fließen des Gleichstroms über einen Widerstand über diesen abfallenden Spannung, – Ableiten der Temperatur aus der gemessenen Spannung und der gemessenen Stromstärke.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung als Differenz der Spannring (U_dc), die über das kapazitive Element (C) bzw. die Batterie abfällt, einerseits zur Spannung (U_Bat) an der Spannungsquelle andererseits ermittelt wird.