DE102011075605A1

DE102011075605A1 - Elektromotor-Statorwicklungs-Temperaturschätzsysteme und -verfahren

Info

Publication number: DE102011075605A1
Application number: DE102011075605A
Authority: DE
Inventors: Chia-Chou Yeh; Steven E. Schulz
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2031-05-11
Also published as: DE102011075605B4; US20110279074A1; CN102255435B; US8421391B2; CN102255435A

Abstract

Ein Elektromotorsystem beinhaltet: einen elektrischen Motor, welcher einen Stator mit Wicklungen und einen Rotor aufweist, welche konfiguriert sind, um eine Motorgeschwindigkeit aufzubringen; ein Kühlsystem, welches ein Kühlmittel aufweist, welches so konfiguriert ist, um den Rotor und den Stator zu kühlen, wobei das Kühlmittel eine Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit und eine Kühlmitteltemperatur besitzt; ein Wechselrichtermodul, welches an den Elektromotor gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um Strom an die Wicklungen zu liefern, basierend auf Wechselrichter-Steuersignalen; ein stromgeregeltes Drehmomentsteuerglied, welches an das Wechselrichtermodul gekoppelt ist und konfiguriert ist, um die Wechselrichter-Steuersignale in Antwort auf einen verminderten Drehmomentbefehl zu erzeugen; und ein Temperaturschätz-Steuerglied, welches an das stromgeregelte Drehmomentsteuerglied gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um den verminderten Drehmomentbefehl zu erzeugen, basierend auf einem Anfangsdrehmomentbefehl und einer geschätzten Statorwicklungstemperatur. Das Temperaturschätz-Steuerglied ist konfiguriert, um die geschätzte Statorwicklungstemperatur basierend auf der Motorgeschwindigkeit und der Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit zu schätzen.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Elektromotorsysteme, und spezieller ausgedrückt bezieht sie sich auf Verfahren und Systeme, um die Temperatur von Statorwicklungen in einem Elektromotor zu schätzen.
Hintergrund
Hybridelektrofahrzeuge (HEVs) beinhalten typischerweise einen Wechselstrom-(AC-)Elektromotor, welcher durch eine Gleichstrom-(DC-)Leistungsquelle, wie z. B. eine Batterie, getrieben wird. Statorwicklungen des Elektromotors können an ein Leistungs-Wechselrichtermodul gekoppelt sein, welches eine rapide bzw. sehr schnelle Schaltfunktion durchführt, um die DC-Leistung in AC-Leistung zu wandeln, um den Elektromotor zu treiben, welcher umgekehrt eine Antriebswelle des HEV treibt.
Die Temperatur von Motorstatorwicklungen ist ein wichtiger Parameter und kann für eine Vielzahl von Zwecken benutzt werden. Beispielsweise können die Statorwicklungstemperaturen ein Eingangssignal für verschiedene Motorsteueralgorithmen sein, speziell von Algorithmen, welche den Statorwiderstand als eine Steuervariable benutzen. Zusätzlich können Statorwicklungstemperaturen auch benutzt werden, um hohe Motortemperaturen zu detektieren, um ein Überhitzen zu verhindern. Herkömmlicherweise werden die Temperaturen von Statorwicklungen über einen Temperaturmesssensor gemessen, wie z. B. ein Thermistor oder ein Thermoelement, welches an einer der Statorwicklungen installiert oder befestigt ist. Jedoch kann es in einigen Systemen große Temperaturgradienten zwischen dem Temperatursensor und den Hochtemperaturflächen der Statorwicklung geben, was zu ungenauen Ausgangssignalen führen kann. Es können mehr als ein Sensor benutzt werden, obwohl jeder zusätzliche Sensor auf Grund seiner Platzierung, Anschaffungskosten, Zuverlässigkeit, seines Service und seiner Unterhaltung die Ausgaben erhöht.
Um die Notwendigkeit für Temperatursensoren zu reduzieren oder sogar zu eliminieren, wurden auch sensorlose Statorwicklungs-Temperaturschätztechniken entwickelt. Diese Temperaturschätztechniken können komplexe Motor-Thermo-Modelle anwenden, basierend auf der Maschinengeometrie und den thermischen und elektrischen Eigenschaften. Jedoch kann in vielen Fällen Information bezüglich einer derartigen Motorgeometrie oder thermischen oder elektrischen Eigenschaften nicht frei verfügbar sein, und die daraus resultierenden Annahmen können zu Ungenauigkeiten führen. Andere sensorlose Statorwicklungs-Temperaturschätztechniken wurden entwickelt, welche für eine Null- oder Niedriggeschwindigkeits-Temperaturabschätzung gut funktionieren (z. B. unterhalb von 75 UpM); jedoch können diese Techniken bei höheren Motorgeschwindigkeiten nicht zu genauen Ergebnissen führen.
Entsprechend ist es wünschenswert, Verfahren und Systeme für das Schätzen von Statorwicklungstemperaturen über den gesamten Motorgeschwindigkeitsbetriebsbereich mit verbesserter Genauigkeit zu liefern (d. h. für niedrige Betriebsgeschwindigkeiten und hohe Betriebsgeschwindigkeiten). Außerdem werden andere wünschenswerte Merkmale und Charakteristika der vorliegenden Erfindung von der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den angehängten Ansprüchen offensichtlich, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und dem vorausgegangenen technischen Bereich und Hintergrund gegeben werden.
Zusammenfassung
Entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet ein elektrisches Motorsystem einen elektrischen Motor, welcher beinhaltet: einen elektrischen Motor, welcher einen Stator mit Wicklungen und einen Rotor aufweist, welches konfiguriert ist, um eine Motorgeschwindigkeit aufzubringen; ein Kühlsystem, welches aus einem Kühlmittel besteht, welches konfiguriert ist, um den Rotor und den Stator zu kühlen, wobei das Kühlmittel eine Kühlmittelflussgeschwindigkeit und eine Kühlmitteltemperatur besitzt; ein Wechselrichtermodul, welches an den elektrischen Motor gekoppelt ist und konfiguriert ist, um Strom an die Wicklungen zu liefern, basierend auf den Wechselrichter-Steuersignalen; ein stromgeregeltes Drehmoment-Steuerglied, welches an das Wechselrichtermodul gekoppelt ist und konfiguriert ist, um die Wechselrichter-Steuersignale in Antwort auf einen verminderten bzw. unterbelasteten Drehmomentbefehl zu erzeugen; und ein Temperaturschätz-Steuerglied, welches an das stromgeregelte Drehmoment-Steuerglied gekoppelt ist und konfiguriert ist, um den verminderten Drehmomentbefehl zu erzeugen, basierend auf einem Anfangsdrehmomentbefehl und einer geschätzten Statorwicklungstemperatur. Das Temperaturschätz-Steuerglied ist so konfiguriert, um die geschätzte Statorwicklungstemperatur zu schätzen, basierend auf der Motorgeschwindigkeit und der Kühlmittelflussgeschwindigkeit.
Entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zum Schätzen von Statorwicklungstemperaturen in einem Motor bereitgestellt, welcher einen Stator mit einer Vielzahl von Wicklungen und einem Rotor besitzt, welche so konfiguriert sind, um diesen bei einer Motorgeschwindigkeit zu betreiben. Der Motor ist ferner konfiguriert, um durch ein Kühlmittel bei einer Kühlmittelflussgeschwindigkeit gekühlt zu werden. Das Verfahren beinhaltet: Vergleichen der Motorgeschwindigkeit mit einer Geschwindigkeitsschwelle; Erzeugen der geschätzten Gesamtleistungsverluste des elektrischen Motors; Berechnen kombinierter thermischer Impedanzen zwischen der Vielzahl von Wicklungen und des Kühlmittels, basierend auf der Motorgeschwindigkeit und der Kühlmittelflussgeschwindigkeit; und Abschätzen, wenn die Motorgeschwindigkeit größer als der Geschwindigkeitsschwellwert ist, erster geschätzter Statorwicklungstemperaturen für jede aus der Vielzahl der Statorwicklungen, basierend auf den kombinierten thermischen Impedanzen und den gesamten Leistungsverlusten.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend hier in Verbindung mit den folgenden gezeichneten Figuren beschrieben, wobei gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:
1 ein Blockdiagramm eines elektrischen Motorsystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform ist;
2 eine Schaltdiagrammdarstellung eines thermischen Impedanzmodells ist, welches zu dem System der 1 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform gehört;
3 ein Blockdiagramm eines Hochgeschwindigkeits-Temperaturschätzmoduls des elektrischen Motorsystems der 1 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform ist;
4 ein Blockdiagramm eines Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzgliedes des Hochgeschwindigkeits-Temperaturschätzmoduls der 3 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform ist;
5 ein Blockdiagramm eines Niedriggeschwindigkeits-Temperaturschätzmoduls des elektrischen Motorsystems der 1 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform ist; und
6 ein Ablaufdiagramm des Betriebes des Systems der 1 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform ist.
Detaillierte Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform
Die folgende detaillierte Beschreibung ist in ihrer Art lediglich beispielhaft und es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung oder die Anwendung und das Benutzen der Erfindung einzugrenzen. Jegliche hier als beispielhaft beschriebene Ausführungsform ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen festgelegt und dient nur als ein Beispiel, ein Umstand oder eine Darstellung. Alle in dieser Detaillierten Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen sind beispielhafte Ausführungsformen, welche geliefert werden, um Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und zu gebrauchen, und nicht, um den Umfang der Erfindung, welcher durch die Ansprüche definiert ist, einzugrenzen. Außerdem besteht keine Absicht, durch irgendeine ausgedrückte oder beinhaltete Theorie, welche in dem vorausgegangenen technischen Bereich, Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung präsentiert wird, gebunden zu sein.
Hier diskutierte beispielhafte Ausführungsformen beziehen sich auf Verfahren und Systeme, um die Temperatur von Statorwicklungen in einem Elektromotor zu schätzen. Die veröffentlichten Verfahren und Systeme können in Betriebsumgebungen implementiert sein, wo es notwendig ist, die Temperatur der Statorwicklungen über niedrige und hohe Geschwindigkeiten hinweg zu schätzen, wobei dies ein hybrides und elektrisches Fahrzeugleistungssystem eines hybriden Elektrofahrzeuges (HEV) beinhaltet. Beispielsweise schätzen die Systeme und Verfahren die Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungstemperaturen als eine Funktion der Motorgeschwindigkeit und der Kühlmittelflussgeschwindigkeiten bezüglich einer genaueren Abschätzung im Vergleich zu herkömmlichen Techniken.
1 stellt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Architektur eines Dreiphasen-Elektromotorsystems 100 dar, welches in einem Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) implementiert sein kann. In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das System 100 einen Dreiphasen-AC-Elektromotor 110, ein Dreiphasen-Pulsbreitenmoduliertes (PWM-)Wechselrichtermodul 120, eine DC-Leistungsquelle 140, ein stromgeregeltes Steuerglied 150, einen Kühlmittel-Temperatursensor 156, einen Kühlmittel-Geschwindigkeitssensor 158, einen Rotor-Positionssensor 160 und ein Temperaturschätz-Steuerglied 170. Wie in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird, empfängt das System 100 während des Betriebs einen Drehmomentbefehl (T*), basierend auf beispielsweise Eingangssignalen von einem Treiber. Da erhöhte Temperaturen zu ungewünschten Ausgangssignalen für den Motor 110 führen können und die Temperatur des Motors 110 zum Teil auf dem Drehmoment basiert, vermindert oder begrenzt das Temperatur-Schätzsteuerglied 170 den Drehmomentbefehl (T*), basierend auf der geschätzten Temperatur des Motors 110, um einen verminderten Drehmomentbefehl (T**) herzustellen. Dieser verminderte Drehmomentbefehl (T**) entspricht dem akzeptablen Drehmomentausgangssignal des Motors 110, welchem der Drehmomentbefehl (T*) gegeben ist, und der aktuellen Temperatur des Motors 110. Das stromgeregelte Drehmoment-Steuerglied 150 empfängt den verminderten Drehmomentbefehl (T**) und steuert in Antwort darauf das Wechselrichtermodul 120, um den Motor 110 zu treiben. Der Motor 110 stellt ein Drehmoment an der Antriebswelle (nicht gezeigt) des HEV her. Eine detailliertere Beschreibung des Systems 100 wird nun geliefert.
Der Motor 110 beinhaltet im Allgemeinen einen Stator mit Statorwicklungen 115, 116, 117, welche, wenn sie mit Wechselstrom beliefert werden, ein rotierendes magnetisches Feld herstellen, welches einen Rotor (nicht gezeigt) veranlasst, sich zu drehen und ein Drehmoment zu erzeugen. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform definieren die drei Statorwicklungen 115, 116, 117 einen Dreiphasenmotor. Im Allgemeinen kann der Motor 110 sein: ein Permanentmagnet-Synchronmotor, wobei ein Innen-Permanentmagnetmotor beinhaltet ist; ein Induktionsmotor; ein Synchron-Reluktanzmotor; oder irgendeine andere Art eines geeigneten elektrischen Motors.
Das Wechselrichtermodul 120 treibt das Betreiben des Motors 110. Das Wechselrichtermodul 120 beinhaltet im Allgemeinen einen Kondensator 180 und drei Wechselrichter-Untermodule 122, 123, 124, wobei jeder einer Schalteinrichtung entspricht, welcher jeweils an die Statorwicklungen 115, 116, 117 gekoppelt ist. Jede Schalteinrichtung 122, 123, 124 beinhaltet zwei Schalter (z. B. Transistoren, wie z. B. Isolierte Gate-Bipolar-Transistoren (IGBTs)), welche in einer alternierenden Weise mit antiparallelen Dioden (nicht gezeigt) arbeiten, um eine Eingangsspannung richtig zu schalten und um eine Dreiphasen-Energieversorgung der Statorwicklungen 115, 116, 117 des Motors 110 zu liefern.
Das Wechselrichtermodul 120 ist zwischen den Gleichstrom-(DC-)Busleitungen 135 der DC-Spannungsquelle 140 (z. B. einer oder mehrere Batterien oder Brennstoffzellen) gekoppelt, welche eine DC-Eingangsspannung (V_DC) liefern. Wie oben dargelegt, liefern die Schalteinrichtungen 122, 123, 124 Wechselstrom (Ia, Ib, Ic), um die drei Phasen entsprechend den Statorwicklungen 115, 116, 117 des Motors 110 bei sich ändernden Geschwindigkeiten zu treiben, basierend auf der DC-Eingangsspannung (V_DC) und den Steuersignalen von dem stromgeregelten Drehmoment-Steuerglied 150. Zusätzliche Details des stromgeregelten Drehmoment-Steuergliedes 150 können in dem Patent der Vereinigten Staaten mit der Anmeldenummer 12/568,002, ausgegeben am 28. September 2009 und dem Bevollmächtigten bzw. Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung zugeteilt, gefunden werden, welches hier als Referenz in seiner Gesamtheit eingearbeitet ist.
Ein Kühlsystem 155 mit einem Kühlmittel, wie z. B. einem Motoröl, umgibt und kühlt den Motor 110 während des Betriebes. Der Kühlmittel-Temperatursensor 156 bestimmt die Temperatur des Kühlmittels und liefert ein Digitalsignal, welches die Kühlmitteltemperatur (T_COOLANT) wiedergibt. Zusätzlich bestimmt ein Kühlmittel-Flussgeschwindigkeitssensor 158 die Flussgeschwindigkeiten (Q_COOLANT) des Kühlmittels in dem Rotor und/oder Stator. Wie detaillierter nachfolgend diskutiert wird, werden die Kühlmitteltemperatur (T_COOLANT) und die Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit (Q_COOLANT) an das Temperaturschätz-Steuerglied 170 zum Gebrauch für das Schätzen der Temperatur der Statorwicklungen 115, 116, 117 geliefert. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit (Q_COOLANT) direkt gemessen werden. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann die Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit (Q_COOLANT) als eine Funktion des Fliessdruckes, der Kühlmittel- und Motortemperaturen, des Motordrehmoments und der Motorgeschwindigkeit abgeleitet werden. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann der Kühlmittel-Flussgeschwindigkeitssensor 158 teilweise oder in anderer Weise mit einem Getriebesteuermodul und/oder einem Hybrid-Steuerprozessor kommunizieren.
Der Rotorpositionssensor 160 ist positioniert, um absolute Winkelpositionsinformation und/oder Winkelgeschwindigkeitsinformation zu erzeugen, welche dem mechanischen Winkel (θ_r) des Rotors und der Winkelgeschwindigkeit oder der Geschwindigkeit (ω_r) des Rotors entspricht. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Rotorpositionssensor 160 als ein Drehmelder und ein Drehmelder-zu-Digital-Wandler implementiert sein, er kann jedoch allgemein irgendeine Art eines physikalischen Positionssensors oder Transducers oder eine virtuelle Software-Implementation davon sein, wobei ein Hall-Effekt-Sensor oder eine andere ähnliche Abtasteinrichtung oder ein Encoder beinhaltet sind, welche die Winkelposition oder die Winkelgeschwindigkeit des Rotors erfassen. Der Rotorpositionssensor 160 liefert die Winkelposition (θ_r) und die Geschwindigkeit (ω_r) an das stromregulierte Drehmomentsteuerglied 150 und das Temperatur-Schätzsteuerglied 170.
Das Temperaturschätz-Steuerglied 170 beinhaltet einen temperaturabhängigen Drehmomentbefehl-Verminderungsblock 172, ein Hochgeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 174, ein Niedriggeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 176 und ein Übergangsmodul 180. Das Hochgeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 174 empfängt synchrone Rahmenströme (I_d, I_q) von dem stromgeregelten Drehmomentsteuerglied 150 und schätzt die Phasentemperaturen (T_aH, T_bH, T_cH) der Statorwicklungen 116, 117, 118 bei hohen Geschwindigkeiten. Wie in größerem Detail nachfolgend diskutiert wird, werden die geschätzten Temperaturen (T_aH, T_bH, T_cH) basierend auf den synchronen Rahmenströmen (I_d, I_q), der Rotorgeschwindigkeit (ω_r), der DC-Spannung (V_DC), der Kühlmitteltemperatur (T_COOLANT) und der Kühlmittel-Flussgeschwindigkeiten (Q_COOLANT) erzeugt. Das Niedriggeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 176 empfängt die detektierten Stromwerte (I_a, I_b, I_c) und schätzt die Phasentemperaturen (T_aL, T_bL, T_cL) der Statorwicklungen 115, 116, 117 bei niedrigen Temperaturen, basierend auf den Stromwerten (I_a, I_b, I_c) und der Kühlmitteltemperatur (T_COOLANT).
Die geschätzten Phasentemperaturen (T_aH, T_bH, T_cH) aus dem Hochgeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 174 und den geschätzten Phasentemperaturen (T_aL, T_bL, T_cL) aus dem Niedriggeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 176 werden an das Übergangsmodul 180 geliefert. Abhängig von der Rotorgeschwindigkeit (ω_r) liefert das Übergangsmodul 180 einen Satz der geschätzten Phasentemperaturen (T_a, T_b, T_c) an den temperaturabhängigen Drehmomentbefehl-Verminderungsblock 172. In einer beispielhaften Ausführungsform entsprechen die hohen Geschwindigkeiten den Rotorgeschwindigkeiten (ω_r) größer als 75 UpM, während die niedrigen Geschwindigkeiten den Rotorgeschwindigkeiten (ω_r) kleiner als 75 UpM entsprechen, obwohl die Auswahl der Schwelle zwischen hoher und niedriger Geschwindigkeit variieren kann.
Wie oben dargelegt, modifiziert der temperaturabhängige Drehmomentbefehl-Verminderungsblock 172 den Drehmomentbefehl (T*) in Antwort auf den ausgewählten Satz von Phasentemperaturen (T_a, T_b, T_c), um einen temperaturverminderten Drehmomentbefehl (T**) zu erzeugen. Das stromgeregelte Drehmomentsteuerglied 150 steuert den Betrieb des Wechselrichtermoduls 120, und damit des Motors 110, um das Ausgangsdrehmoment, basierend auf dem verminderten Drehmomentbefehl (T**), zu herzustellen.
Entsprechend wenden die Betriebssteuersignale den Gain bzw. die Verstärkung, welche durch das temperaturverminderte Drehmomentsteuersignal (T**) repräsentiert wird, an den Befehlssignalen an, welche an das Wechselrichtermodul 120 angelegt sind. Demnach werden die Ströme an jeder der Statorwicklungen 115, 116, 117 empfangen und durch das stromgeregelte Drehmomentsteuerglied 150 in Antwort auf das temperaturverminderte Drehmomentsteuersignal (T**) modifiziert, um die richtige Verstärkung für die Betriebssteuersignale zu liefern, indem eine temperaturabhängige Drehmomentverminderung in die Steuerstruktur bei allen Geschwindigkeit integriert wird. Eine genaue Abschätzung der Temperatur jeder Statorwicklung 115, 116, 117 kann ein Überhitzen des Motors 110 verhindern, während ein effizienter Betrieb geliefert wird.
2 ist ein Schaltdiagramm, welches ein thermisches Impedanzmodell 200 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform darstellt. Das thermische Impedanzmodell 200 kann von dem Hochgeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 174 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform benutzt werden, um die geschätzten Wicklungstemperaturen (T_aH, T_bH, T_cH) bei hohen Geschwindigkeiten zu bestimmen.
Das thermische Impedanzmodell 200, welches in 2 dargestellt wird, kann als Gleichung (1) wie folgt ausgedrückt werden: Temperaturänderung = thermische Impedanz * Gesamtleistungsverlust (1)
Beispielsweise ist die Temperaturdifferenz (ΔT_x) zwischen der Temperatur (T_x) der Statorwicklung und der Kühlmitteltemperatur (T_COOLANT) gleich dem Produkt der thermischen Impedanz (R_thx) und dem Leistungsverlust (P_x) für eine spezielle Phase. Das thermische Impedanzmodell 200 wird ausführlicher nachfolgend mit Bezug auf Gleichungen (4) bis (6) beschrieben.
Wenn die Rotorgeschwindigkeit (ω_r) oberhalb eines speziellen Wertes (z. B. 75 UpM.) ist, können die geschätzten Wicklungstemperaturen (T_aH, T_bH, T_cH) basierend auf einer thermischen Impedanz (R_th) zwischen den Statorwicklungen 115, 116, 117 und dem Kühlmittel berechnet werden. In dem dargestellten Diagramm ist die thermische Impedanz (R_tha) die thermische Impedanz zwischen der Temperatur (T_a) der ersten Wicklung 115 und der Kühlmitteltemperatur des Motorkühlmittels (T_COOLANT), die thermische Impedanz (R_thb) ist die thermische Impedanz zwischen der Temperatur (T_b) der zweiten Wicklung 116 und der Kühlmitteltemperatur (T_COOLANT), und die thermische Impedanz (R_thc) ist die thermische Impedanz zwischen der Temperatur (T_c) einer dritten Wicklung 117 und der Kühlmitteltemperatur T_COOLANT).
Der Leistungsverlust aufgrund eines Statorwicklungs-(oder Kupfer-)Verlustes und der Statorkern-(oder Eisen-)Verlust kann unter Benutzung der Gleichungen (2) und (3) jeweils wie folgt ausgedruckt werden:
wobei R_DC der DC-Widerstand pro Phase ist; i_x der Statorstrom in einer speziellen Phase x ist, N die Zahl der Spulen in einer Reihe ist; N die Zahl der Umwicklungen pro Spule ist; l_turn die Länge einer Umwicklung ist; und A_turn die Fläche einer Umwicklung ist; und σ_cu die Leitfähigkeit von Kupfer ist; und
wobei P_iron der Kern-(oder Eisen-)Leistungsverlust ist; P_h der Leistungsverlust aufgrund von Hystereseverlusten ist; P_e der Leistungsverlust aufgrund von Wirbelstromverlusten ist; B und B_m, die Spitzenflussdichte ist; α, ε_h und ε_e Konstanten für spezielles Kernmaterial sind; f die Betriebsfrequenz des Motors ist; und f_n die Grundnominalfrequenz des Motors ist.
Wie in Gleichung (3) gezeigt wird, sind bei niedrigen Motorbetriebsgeschwindigkeiten die Kernverluste (P_iron) vernachlässigbar, da die Betriebsfrequenz (f) eine Funktion der Rotorgeschwindigkeit (ω_r) ist. Jedoch erhöht sich bei höheren Betriebsgeschwindigkeiten die Betriebsfrequenz (f) und die Kernverluste (P_iron) werden signifikanter. Entsprechend sollten diese Kernverluste (P_iron) bei hohen Betriebsgeschwindigkeiten berücksichtigt werden, um die Genauigkeit der Schätzung zu verbessern. Im Allgemeinen beinhaltet die Wärme, welche in dem Motor 110 erzeugt wird, Wärme, welche aufgrund von Windungsverlusten (P_cu) und Eisenverlusten (P_iron) erzeugt wird, wenn das Hochgeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 174 benutzt wird. Die Wärme, welche durch die Windungsverluste (P_cu) erzeugt wird, kann berechnet werden, indem die Statorströme und die Statorwiderstände, welche oben mit Bezug auf Gleichung (2) beschrieben sind, benutzt werden.
Die thermische Impedanz in jeder Phase beinhaltet die thermische Impedanz zwischen der Statorwicklung und dem Statorkern und die thermische Impedanz zwischen dem Statorkern und dem Motorkühlmittel. In einer speziellen Phase kann beispielsweise die thermische Impedanz als Gleichung (4) wie folgt dargestellt werden: R_thx = R_wcx + R_ccx (4) wobei R_thx die thermische Impedanz zwischen der Statorwicklung und dem Motorkühlmittel ist, R_wcx die thermische Impedanz zwischen der Statorwicklung und dem Statorkern ist und R_ccx die thermische Impedanz zwischen dem Statorkern und dem Motorkühlmittel ist.
So kann beispielsweise bei hohen Geschwindigkeiten die geschätzte Temperatur der Statorwicklungen 115, 116, 117 geschätzt werden, in dem die thermischen Impedanzen (R_tha, R_thb, R_thc) und die Gleichungen (5), (6) und (7) benutzt werden, wie folgt:
wobei T_zx die Anlaufzeitkonstante [Sekunden] ist, T_wx die natürliche gedämpfte Frequenz [Sekunden] ist, ξ_x der Dämpfungsfaktor ist, I_s der Effektivwert des Statorstromwertes [Amp bzw. A] ist, welcher basierend auf den synchronen Referenzrahmen-Stromsignalen (I e / qs , I e / ds ) berechnet ist, R_sx der Statorwiderstand [Ω] ist, P_core der Statorkern/Eisenverlust [Watt] ist, T_COOLANT die Motorkühlmitteltemperatur [°C] ist; und x a, b oder c darstellt. Es wird dargelegt, dass bei Nullgeschwindigkeit die Statorströme (I_a, I_b, I_c) nicht die gleichen sein können, da es Umstände geben wird, in welchen nur zwei Phasen Strom führen und die dritte Phase einen Nullstromfluss besitzt. So können beispielsweise bei niedrigen Geschwindigkeiten die aktuellen Statorströme benutzt werden, um die Statorwicklungsverluste zu berechnen. Für eine Hochgeschwindigkeitsschätzung sollten die Statorströme (I_a, I_b, I_c) jedoch in allen drei Phasen die gleichen sein. So kann beispielsweise der Statorwicklungs-Leistungsverlust in jeder Phase berechnet werden, wobei der Effektivwert (I_s) der Motorströme benutzt wird.
Das thermische Impedanzmodell 200 wird in den Gleichungen (5), (6) und (7) durch die Kombination des Statorwiderstandes (R_thx) und eines Transferfunktionsmodells der zweiten Ordnung dargestellt, welches benutzt wird, um die Wicklungstemperaturen (T_a, T_b, T_c) zu schätzen. Die in Klammern stehenden Ausdrücke in den Gleichungen (5), (6) und (7) geben den totalen Leistungsverlust (P_x) zwischen der Statorwicklung und dem Motorkühlmittel aufgrund der thermischen Impedanz für jede Phase wieder. Beispielsweise berücksichtigt der Leistungsverlust (P_x) den Wicklungsleistungsverlust (I_s ²R_sx) und den Kernleistungsverlust (P_core). Die thermischen Impedanzen ebenso wie die Koeffizienten der Transferfunktion der 2. Ordnung können empirisch offline aus den gemessenen Testdaten entwickelt werden. Diese beinhalten typischerweise die Messphasenströme, die Temperatur jeder Phasenwicklung (z. B. mit einem Thermistor oder einem Thermoelement), die Kühlmitteltemperatur (T_COOLANT) und die Kühlmittel-Flussgeschwindigkeiten (T_COOLANT). Diese thermische Modellcharakterisierung kann durchgeführt werden, indem ein instrumentierter Motor benutzt wird, und das resultierende Modell kann für die Online-Temperaturschätzung derselben Klasse von Motor benutzt werden, welcher keinerlei Temperatursensoren direkt auf den Statorwicklungen besitzt.
Nun nachdem eine Beschreibung des Modells geliefert wurde, ist 3 ein Blockdiagramm des Hochgeschwindigkeits-Schätzmoduls 174 des Systems 100 der 1 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform. Wie oben dargelegt, werden die synchronen Referenzrahmen-Stromsignale (I_d, I_q) von dem stromgeregelten Drehmomentsteuerglied 150 (1) durch ein Statorstromquadrat-Größenberechnungsglied 330 empfangen. Das Statorstromquadrat-Größenberechnungsglied 330 benutzt die synchronen Referenzrahmen-Stromsignale (I_d, I_q), um einen Effektivwert im Quadrat (I_s ²) des Statorstroms zu berechnen, welcher dann an die Leistungsverlust-Berechnungsglieder 332, 334, 336 geliefert wird. Die Leistungsverlust-Berechnungsglieder 332, 334, 336 schätzen die Statorwicklungswiderstände (R_sa, R_sb, R_sc) entsprechend den Gleichungen (8), (9) und (10) wie folgt: R_sa = R₂₅(1 + α(T_a – 25)) (8) R_sb = R₂₅(1 + α(T_b – 25)) (9) R_sc = R₂₅(1 + α(T_c – 25)) (10) wobei R_sa, R_sb, R_sc die Statarwicklungswiderstände sind; T_a, T_b, T_c die geschätzten Statorwicklungstemperaturen sind; R₂₅ den Statorwicklungswiderstand bei Umgebungstemperatur (25°C) bezeichnet; und α den Temperaturkoeffizienten des Widerstands (typischerweise 0,0039/°C für Kupferwicklung) repräsentiert. Bei einer ersten Iteration (d. h. wenn das System von der Niedriggeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzung zur Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzung schaltet), benutzen die Leistungsverlust-Berechnungsglieder 332, 334, 336 die geschätzten Statorwicklungstemperaturen (T_aL, T_bL, T_cL) von dem Niedriggeschwindigkeits-Statorphasen-Temperaturschätzglied 325, welches nachfolgend diskutiert wird, oder die Kühlmitteltemperatur (T_COOLANT), um die Statorwicklungswiderstände (R_sa, R_sb, R_sc) zu bestimmen. Bei den nachfolgenden Iterationen benutzen die Leistungsverlust-Berechnungsglieder 332, 334, 336 die zuvor geschätzte Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungstemperatur (T_aH, T_bH, T_cH), welche über eine Rückkopplungsschleife geliefert wird, um die Statorwicklungswiderstände (R_sa, R_sb, R_sc) zu bestimmen.
Die Leistungsverlust-Berechnungsglieder 332, 334, 336 multiplizieren dann den quadrierten Effektivwert (I²) der Statorströme durch die Statorwicklungswiderstände (R_sa, R_sb, R_sc), um Ausgangssignale herzustellen, welche die Statorwicklungs-Leistungsverluste (P_SWLA, P_SWLB, P_SWLC) wiedergeben, welche dann an das Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 348 geliefert werden.
Zusätzlich zu den Statorwicklungs-Leistungsverlusten (P_SWLA, P_SWLB, P_SWLC) werden die Eingangsspannung (V_DC) der DC-Spannungsquelle, die Temperatur (T_COOLANT) des Kühlmittels, die Flussgeschwindigkeit (T_COOLANT) des Kühlmittels und die Rotorgeschwindigkeit (ω_r) als Eingangssignale an das Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 348 geliefert. Dann benutzt das Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 348 diese Eingangssignale, um die Hochtemperatur-Statorwicklungstemperaturen (T_aH, T_bH, T_cH) zu schätzen, wie dies in größerem Detail nachfolgend mit Bezug auf 4 beschrieben wird.
4 stellt ein Funktionsblockdiagramm dar, um das Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 348 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform zu beschreiben. Wie oben beschrieben wurde, werden die Statorwicklungs-Leistungsverluste (P_SWLA, P_SWLB, P_SWLC) für jede Phase berechnet, basierend auf dem quadrierten Effektiv-Statorstromwert (152) und dem Statorwiderstandswert (R_sa, R_sb, R_sc). Die Statorwicklungs-Leistungsverluste (P_SWLA, P_SWLB, P_SWLC) für jede Phase werden dann zu dem Motorkernverlust (P_core) addiert, welcher eine Funktion der Motorgeschwindigkeit (ω_r), des Effektiv-Statorwicklungsstromes (I_s) und der DC-Spannung (V_DC) ist. Eine Anzahl von Lookup- bzw. Verweistabellen (LUTs) 510-1 ... 510-n in dem Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 348 kann die Motorkernverluste (P_core) bei verschiedenen DC-Spannungen (V_DC), Motorgeschwindigkeiten (ω_r) und die Effektivströme (I_s) liefern. Eine Interpolation (z. B. lineare Interpolation oder andere bekannte Interpolationstechniken) kann für das weitere Verfeinern der resultierenden Kernverluste (P_core) zwischen den LUT-Werten benutzt werden.
Die Kombination der Statorwicklungs-Leistungsverluste (P_SWLA, P_SWLB, P_SWLC) und der Kern-Leistungsverluste (P_core) resultieren in den gesamten Leistungsverlusten (P_a, P_b, P_c). Als Referenz geben die Gesamtleistungsverluste (P_a, P_b, P_c) den Term der Gleichungen (5), (6) und (7) wieder. Die Gesamtleistungsverluste (P_a, P_b, P_c) werden nachfolgend als Eingangssignale an die thermischen Impedanzmodelle 514 geliefert.
Das thermische Impedanzmodell 514 bestimmt den
Term der Gleichungen (5), (6) und (7). Speziell berechnet das thermische Impedanzmodell 514 die richtigen Vorlaufzeitkonstanten (T_za, T_zb, T_zc), die natürlichen gedämpften Frequenzen (T_wa, T_wb, T_wc), die Dämpfungsfaktoren (ξ_a, ξ_b, ξ_c) und die thermischen Impedanzen (R_tha, R_thb, R_thc).
In einer beispielhaften Ausführungsform sind die natürlichen gedämpften Frequenzen (T_wa, T_wb, T_wc), die Dämpfungsfaktoren (ξ_a, ξ_b, ξ_c) und die thermischen Impedanzen (R_tha, R_thb, R_thc) jeweils eine Funktion der Motorgeschwindigkeit (ω_r) und/oder der Flussgeschwindigkeiten (Q_COOLANT) des Kühlmittels. Beispielsweise sind die natürlichen gedämpften Frequenzen (T_wa, T_wb, T_wc) eine Funktion der Flussgeschwindigkeiten (Q_COOLANT) des Kühlmittels . Die Dämpfungsfaktoren (ξ_a, ξ_b, ξ_c) sind eine Funktion der Flussgeschwindigkeiten (Q_COOLANT) des Kühlmittels. Die thermischen Impedanzen (R_tha, R_thb, R_thc) sind eine Funktion der Motorgeschwindigkeit (ω_r) und der Flussgeschwindigkeiten (Q_COOLANT) des Kühlmittels. Die Varlaufzeitkonstanten (T_za, T_zb, T_zc) können eine Funktion der Flussgeschwindigkeiten (Q_COOLANT) sein.
Entsprechend wird eine Anzahl von Lookup-Tabellen (LUTs) 512-1 ... 512-n geliefert, um die Vorlaufzeitkonstanten (T_za, T_zb, T_zc), die natürlichen gedämpften Frequenzen (T_wa, T_wb, T_wc), die Dämpfungsfaktoren (ξ_a, ξ_b, ξ_c) und die thermischen Impedanzen (R_tha, R_thb, R_thc) zu liefern, basierend auf den Eingangssignalen der Motorgeschwindigkeit (ω_r) und der Kühlmittel-Flussgeschwindigkeiten (Q_COOLANT). Wie oben kann eine Interpolation benutzt werden, um die resultierenden LUT-Werte weiter zu verfeinern. Diese Werte können empirisch offline aus den gemessenen Testdaten entwickelt werden. Dies beinhaltet im Allgemeinen verschiedene Messungen über eine Anzahl von Motorgeschwindigkeiten (ω_r) und der Flussgeschwindigkeiten (Q_COOLANT) in einem instrumentierten Motor, um thermische Modelle zu liefern, welche für die Temperaturschätzung ohne Wicklungstemperatursensoren benutzt werden können.
Die thermischen Impedanzmodelle 514 berechnen eine Veränderung in der Temperatur (ΔT_an, ΔT_bn, ΔT_cn) für jede Phase. Die Veränderung in der Temperatur (ΔT_an, ΔT_bn, ΔT_cn) wird dann zu der Motorkühlmitteltemperatur (T_COOLANT) addiert, um die geschätzte Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungstemperatur (T_aH, T_bH, T_cH) für jede Phase zu erhalten.
5 ist ein Blockdiagramm des Niedriggeschwindigkeits-Temperaturschätzmoduls 176 des Systems 100 der 1, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform. Wie oben dargelegt, werden Statorströme (I_a, I_b, I_c) als Eingangssignale an das Niedriggeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 176 geliefert, speziell an Kombinierglieder 302, 304, 306, welche Wellenformen äquivalent zu den AC-Effektivströmen (I_a ², I_b ², I_c ²) für jede der Statorwicklungen 115, 116, 117 erzeugen. Diese Wellenformen werden an die Blöcke 308, 310 bzw. 312 geliefert. Die Blöcke 308, 310, 312 berechnen jeweils den Statorphasenwiderstand (R_sa, R_sb, R_sc) für jede Phase in Antwort auf eine geschätzte Rückkopplungs-Niedriggeschwindigkeits-Temperatur (T_aL, T_bL, T_cL), ähnlich zu der obigen Beschreibung mit Bezug auf die Gleichungen (8), (9) und (10), und multiplizieren den Statorphasenwiderstand (R_sa, R_sb, R_sc) mit den AC-Effektivströmen (I_a ², I_b ², I_c ²) von den Ausgangssignalen der Kombinierglieder 302, 304, 306. Die resultierenden Produkte werden an die Blöcke 314, 316, 318 für die Berechnung des Temperaturanstiegs (ΔT_an, ΔT_bn, ΔT_cn) aufgrund der thermischen Impedanz (Z_{θ_an} _, Z_{θ_bn}, Z_{θ_cn}) geliefert.
Die Ausgangssignale der Blöcke 308, 310, 312 werden auch an den Block 320 für die Berechnung des Temperaturanstiegs (ΔT_nc) aufgrund der thermischen Impedanz (Z_{θ_nc}) zwischen dem thermischen Neutralpunkt und dem Kühlmittel geliefert. Die Ausgangssignale der Blöcke 314, 316, 318 320 ebenso wie die Kühltemperatur (T_COOLANT) werden als Eingangssignale an ein Niedriggeschwindigkeits-Statorphasen-Temperaturschätzglied 325 für die Schätzung der Niedriggeschwindigkeits-Temperaturschätzwerte (T_aL, T_bL, T_cL) geliefert. Wie oben dargelegt, werden die Niedriggeschwindigkeits-Temperaturschätzwerte (T_aL, T_bL, T_cL) durch das Übergangsmodul 180 benutzt, um die richtigen Temperaturschätzwerte (T_a, T_b, T_c) zu bestimmen. Zusätzliche Techniken für das Schätzen der Statortemperatur bei niedrigen Geschwindigkeiten werden in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung mit der Nummer 2009/0189561 A1, eingereicht am 24. Januar 2008 und dem Bevollmächtigten der vorliegenden Erfindung zuerteilt, beschrieben, welches hier in seiner Gesamtheit als Referenz eingearbeitet ist.
Während 1–5 das Temperaturschätz-Steuerglied 170 darstellt, welches identifizierbare Module und Blöcke beinhaltet, wird gewürdigt werden, dass diese Blöcke oder Module als Software-Module implementiert werden können, welche auf einem Mikroprozessor ausgeführt werden, und deshalb kann der Betrieb des Temperaturschätz-Steuergliedes 170 wechselseitig als Schritte eines Verfahrens repräsentiert werden, wie dies nun mit Bezug auf 6 beschrieben wird. Beispielsweise stellt 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 für den Betrieb eines Temperaturschätz-Steuergliedes 170 des Systems 100 der 1 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform dar. Der Klarheit wegen wird in der nachfolgenden Beschreibung auf 1 Bezug genommen.
Der Prozessablauf beginnt, wenn der Motor 110 im Schritt 602 eingeschaltet wird. Nachdem der Prozessablauf bestimmt, dass der Motor 110 im Schritt 602 eingestellt ist, wird ein Wechselstrom-(AC-)Quadratwurzel-(RMS-)Stromwert bzw. Effektivstromwert berechnet 604. Der Kupferverlust jeder der Statorwicklungen 115, 116, 117 des Motors 110 wird dann im Schritt 606 berechnet, und die ersten thermischen Impedanzen für jede der Statorwicklungen 115, 116, 117 des Motors 110 werden im Schritt 608 in Antwort auf den Kupferverlust berechnet, welcher im Schritt 606 berechnet wurde.
Im Schritt 610 werden Temperaturerhöhungen in den Statorwicklungen 115, 116, 117 aufgrund entsprechender thermischer Impedanzen bestimmt. Im Schritt 612 wird die Temperatur des Kühlmittels bestimmt, beispielsweise durch den Kühlmittel-Temperatursensor 156. Im Schritt 614 werden die Temperaturanstiege aufgrund der thermischen Impedanz des thermischen Neutralleiters mit Bezug auf die Temperatur des Kühlmittels bestimmt, und im Schritt 616 werden die Niedriggeschwindigkeits-Statorwicklungstemperaturen für jede Phase geschätzt, basierend auf den Ergebnissen, welche in den Schritten 610, 612 und 614 erzeugt wurden.
Im Schritt 618 bestimmt die Verarbeitung, ob die Geschwindigkeit des Motors 110 größer als eine Schwellwertgeschwindigkeit ist (z. B. 75 UpM). Wenn die Geschwindigkeit geringer als die Schwellwertgeschwindigkeit ist, werden die Statorwicklungstemperaturen im Schritt 620 gleich den geschätzten Niedriggeschwindigkeits-Statortemperaturen aus dem Schritt 616 gestellt. Der Drehmomentbefehl wird dann im Schritt 622 vermindert, um ein Überhitzen einer oder mehrerer der Statorwicklungen 115, 116, 117 zu verhindern. Die Verarbeitung kehrt dann zum Schritt 602 zurück.
Wenn die Geschwindigkeit als größer als oder gleich zu der Schwellwertgeschwindigkeit im Schritt 618 bestimmt ist, fährt die Verarbeitung mit dem Schritt 624 fort. Im Schritt 624 bis 632 werden die Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungstemperaturen geschätzt. Im Einzelnen werden im Schritt 624 die Statorwicklungswiderstände der Statorwicklungen 115, 116, 117 bestimmt. Wie oben dargelegt, können in einer ersten Iteration die Statorwicklungswiderstände beispielsweise geschätzt werden, indem die geschätzten Statorwicklungstemperaturen von dem Niedriggeschwindigkeits-Statorphasen-Temperaturschätzglied benutzt werden. In nachfolgenden Iterationen können die Statorwicklungswiderstände beispielsweise geschätzt werden, indem die zuvor geschätzten Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungstemperaturen benutzt werden. Im Schritt 626 bestimmt dann die Verarbeitung die Statorwicklungs-Leistungsverluste, basierend auf den Statorwicklungswiderständen und den RMS-Statorströmen. Im Schritt 628 bestimmt dann die Verarbeitung den Gesamtleistungsverlust in jeder Phase, basierend auf den Statorwicklungs-Leistungsverlusten und den Kern-Leistungsverlusten. Im Schritt 630 schätzt die Verarbeitung eine Statorwicklungstemperatur für jede Phase, basierend auf den gesamten Leistungsverlusten, der Motorgeschwindigkeit, der Kühlmitteltemperatur und der Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit. Als Bezug werden eine beispielhafte Implementierung der Schritte 628 und 630 oben mit Bezug auf 4 beschrieben. Im Schritt 632 werden die Statorwicklungstemperaturen gleich zu den geschätzten Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungstemperaturen eingestellt. Schließlich werden im Schritt 622 die geschätzten Statorwicklungstemperaturen, welche im Schritt 632 berechnet wurden, an den Verminderungsgliedblock 172 geliefert und benutzt, um den Drehmomentbefehl zu vermindern. Das Verfahren 600 kehrt dann in der Schleife zum Schritt 602 zurück.
Entsprechend liefern beispielhafte Ausführungsformen, welche oben diskutiert wurden, Systeme und Verfahren, um die Statorwicklungstemperaturen abzuschätzen, ohne einen Temperatursensor direkt auf der Statorwicklung zu erfordern. Im Einzelnen schätzen die Schätzsysteme und -verfahren genau die Statorwicklungstemperaturen von der Niedriggeschwindigkeit bis zu hohen Geschwindigkeiten. Beispielsweise schätzen die Systeme und Verfahren die Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungstemperaturen als eine Funktion der Motorgeschwindigkeit und der Kühlmittel-Flussgeschwindigkeiten für eine genauere Schätzung.
Die veröffentlichten Ausführungsformen können für einen Permanentmagnet-Snychron-AC-Motor (PMSM), wie z. B. einen Innen-Permanentmagnet-Sychronmotor (IPMSM) und einen oberflächenbefestigten Permanentmagnet-Synchronmotor (SMPMSM), angewendet werden. Zusätzlich, obwohl eine AC-Maschine ein AC-Motor (d. h. ein Gerät, welches benutzt wird, um AC-elektrische Energieleistung an seinem Eingang zu wandeln, um mechanische Energie oder Leistung herzustellen) sein kann, ist eine AC-Maschine nicht darauf begrenzt, ein AC-Motor zu sein, sondern kann auch Generatoren umfassen, welche benutzt werden, um mechanische Energie oder Leistung in elektrische AC-Energie oder Leistung zu wandeln. Darüber hinaus wird, obwohl die veröffentlichten Ausführungsformen in Betriebsumgebungen implementiert werden können, wie z. B. in einem hybriden Elektrofahrzeug (HEV), von Fachleuten gewürdigt werden, dass die gleichen oder ähnliche Techniken und Technologien im Kontext anderer Systeme angewendet werden können. Diesbezüglich können beliebige Konzepte, welche hier veröffentlicht sind, allgemein für Fahrzeuge angewendet werden. Beispiele derartiger Fahrzeuge beinhalten Automobile, wie z. B. Omnibusse, Fahrzeuge, Lastwagen, Fahrzeuge für den Sportgebrauch, Vans, Fahrzeuge, welche nicht auf dem Land fahren, wie z. B. mechanische Wasserfahrzeuge, welche Wasserkraft, Hovercraft, Segelkraft nutzen, Boote und Schiffe, mechanische Unterwasserfahrzeuge, wobei U-Boote beinhaltet sind, mechanische Luftfahrzeuge, wobei Flugzeuge und Raumfahrzeuge beinhaltet sind, mechanische Schienenfahrzeuge, wie z. B. Züge, Straßenbahnen und Trolleys, etc. zusätzlich ist der Term Fahrzeug nicht durch eine beliebige spezielle Antriebstechnologie, wie z. B. Benzin oder Dieselkraftstoff, begrenzt. Vielmehr beinhalten Fahrzeug auch Hybridfahrzeuge, batterieelektrische Fahrzeuge, Wasserstofffahrzeuge und Fahrzeuge, welche unter Benutzung verschiedener anderer alternativer Brennstoffe arbeiten.
Es sollte angemerkt werden, dass die veröffentlichten Ausführungsformen primär auf Kombinationen von Verfahrensschritten und Gerätebauteilen beruhen. Jene Fachleute werden ferner würdigen, dass die verschiedenen dargestellten logischen Blöcke, Module, Schaltungen und Algorithmusschritte, welche in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben sind, welche hier veröffentlicht sind, als elektronische Hardware, Computer-Software oder Kombinationen von beiden implementiert werden können. Die verschiedenen erläuternden logischen Blöcke, Module und Schaltungen, welche in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben sind, welche hier veröffentlicht sind, können mit einem Allgemeinzweck-Prozessor, einem Digitalsignalprozessor (DSP), einer anwendungsspezifisch integrierten Schaltung (ASIC), einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder einer anderen programmierbaren logischen Einrichtung, diskreter Gate- oder Transistorlogik, diskreten Hardware-Komponenten oder irgendeiner Kombination davon gestaltet werden, um die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Ein Software-Modul kann auf einem RAM-Speicher, einem Flash-Speicher, einem ROM-Speicher, einem EPROM-Speicher, einem EEPROM-Speicher, Registern, einer Festplatte, einer entfernbaren Platte, einer CD-ROM oder irgendeiner anderen Form von Speichermedium, welches in der Fachwelt bekannt ist, beruhen. Ein beispielhaftes Speichermedium ist an den Prozessor gekoppelt, so dass der Prozessor Information von dem Speichermedium lesen kann und Information auf dieses schreiben kann. In der Alternative kann das Speichermedium integral zu dem Prozessor sein. Der Prozessor und das Speichermedium können in einem ASIC angesiedelt sein.
Während wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorausgegangenen detaillierten Beschreibung präsentiert wurde, sollte gewürdigt werden, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es sollte auch gewürdigt werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder beispielhafte Ausführungsformen nur Beispiele sind und es nicht beabsichtigt ist, dass sie den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung in irgendeiner Weise begrenzen. Vielmehr wird die vorausgegangene detaillierte Beschreibung Fachleute mit einer bequemen Anleitung für das Implementieren der beispielhaften Ausführungsform oder beispielhaften Ausführungsformen ausstatten. Es sollte davon ausgegangen werden, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und in der Anordnung der Elemente durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den angehängten Ansprüchen und den rechtlichen Äquivalenten davon dargelegt ist.
Ausführungsformen

1. Elektrisches Motorsystem, welches aufweist: einen elektrischen Motor, welcher einen Statur mit Wicklungen und einen Rotor aufweist, welche so konfiguriert sind, um eine Motorgeschwindigkeit aufzubringen; ein Kühlsystem, welches ein Kühlmittel aufweist, welches so konfiguriert ist, um den Rotor und den Stator zu kühlen, wobei das Kühlmittel eine Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit und eine Kühlmitteltemperatur besitzt; ein Wechselrichtermodul, welches an den elektrischen Motor gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um Strom an die Wicklungen zu liefern, basierend auf Wechselrichter-Steuersignalen; ein stromgeregeltes Drehmoment-Steuerglied, welches an das Wechselrichtermodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um die Wechselrichter-Steuersignale in Antwort auf einen verminderten Drehmomentbefehl zu erzeugen; und ein Temperaturschätz-Steuerglied, welches an das stromgeregelte Drehmoment-Steuerglied gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um den verminderten Drehmomentbefehl zu erzeugen, basierend auf einem Anfangsdrehmomentbefehl und einer geschätzten Statorwicklungstemperatur, wobei das Temperaturschätz-Steuerglied so konfiguriert ist, um die geschätzte Statorwicklungstemperatur zu schätzen, basierend auf der Motorgeschwindigkeit und der Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit.
2. Elektrisches Motorsystem nach Ausführungsform 1, wobei das Temperaturschätz-Steuerglied so konfiguriert ist, um die Motorgeschwindigkeit mit einem Motorgeschwindigkeitsschwellwert zu vergleichen, das Temperaturschätz-Steuerglied ferner so konfiguriert ist, um die Statorwicklungstemperatur als eine Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungstemperatur zu schätzen, wenn die Motorgeschwindigkeit gleich oder größer als der Motorgeschwindigkeitsschwellwert ist, und als eine Niedriggeschwindigkeits-Statorwicklungstemperatur, wenn die Motorgeschwindigkeit kleiner als der Motorgeschwindigkeitsschwellwert ist.
3. Elektrisches Motorsystem nach Ausführungsform 2, wobei das Temperaturschätz-Steuerglied, wenn die Motorgeschwindigkeit gleich oder größer als der Motorgeschwindigkeitsschwellwert ist, so konfiguriert ist, um einen Statorwicklungswiderstand zu bestimmen; einen Statorwicklungs-Leistungsverlust zu bestimmen, basierend auf dem Statorwicklungswiderstand und einem Effektivwert (RMS) des Statorstromes; einen Gesamtleistungsverlust des elektrischen Motors zu bestimmen, basierend auf dem Statorwicklungs-Leistungsverlust und einem Kern-Leistungsverlust; eine Temperaturänderung zu erzeugen, basierend auf dem Gesamtleistungsverlust, der Motorgeschwindigkeit und einer kombinierten thermischen Impedanz; und die Statorwicklungstemperatur zu schätzen, basierend auf der Temperaturänderung, der Kühlmitteltemperatur und der Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit.
4. Elektrisches Motorsystem nach Ausführungsform 3, wobei der Stator ferner einen Statorkern beinhaltet, und wobei das Temperaturschätz-Steuerglied so konfiguriert ist, um die kombinierte thermische Impedanz zu bestimmen, basierend auf einer ersten thermischen Impedanz zwischen der Statorwicklung und dem Statorkern und einer zweiten thermischen Impedanz zwischen dem Statorkern und dem Motorkühlmittel.
5. Elektrisches Motorsystem nach Ausführungsform 3, wobei das Temperaturschätz-Steuerglied so konfiguriert ist, um den Kern-Leistungsverlust als eine Funktion der Motorgeschwindigkeit, eines Statorwicklungsstromes und einer DC-Busspannung zu bestimmen.
6. Elektrisches Motorsystem nach Ausführungsform 3, wobei das Temperaturschätz-Steuerglied eine Vielzahl von Lookup- bzw. Verweistabellen aufweist, welche die Motorgeschwindigkeit und die Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit mit einer natürlichen gedämpften Frequenz, einem Dämpfungsfaktor und einer thermischen Impedanz korrelieren.
7. Elektrisches Motorsystem nach Ausführungsform 6, wobei das Temperaturschätz-Steuerglied so konfiguriert ist, um die Temperaturänderung basierend auf der Vielzahl von Lookup-Tabellen zu erzeugen.
8. Verfahren zum Schätzen der Statorwicklungstemperaturen in einem Motor, welcher einen Stator mit einer Vielzahl von Wicklungen und einen Rotor besitzt, welche so konfiguriert sind, um eine Motorgeschwindigkeit aufzubringen, wobei der Motor ferner so konfiguriert ist, dass er durch ein Kühlmittel bei einer Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit gekühlt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Vergleichen der Motorgeschwindigkeit mit einem Geschwindigkeitsschwellwert; Erzeugen geschätzter Gesamtleistungsverluste des elektrischen Motors; Berechnen kombinierter thermischer Impedanzen zwischen der Vielzahl von Wicklungen und dem Kühlmittel, basierend auf der Motorgeschwindigkeit und der Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit; und Schätzen, wenn die Motorgeschwindigkeit größer als der Geschwindigkeitsschwellwert ist, erster geschätzter Statorwicklungstemperaturen für jede aus der Vielzahl von Statorwicklungen, basierend auf den kombinierten thermischen Impedanzen und den Gesamtleistungsverlusten.
9. Verfahren nach Ausführungsform 8, wobei der Schritt des Erzeugens das Kombinieren der Statorwicklungs-Leistungsverluste und der Kern-Leistungsverluste beinhaltet, um die Gesamtleistungsverluste zu erzeugen.
10. Verfahren nach Ausführungsform 9, wobei der Schritt des Erzeugens ferner das Bestimmen der Statorwicklungsverluste beinhaltet, basierend auf Statorwicklungswiderständen und den Effektivwerten (RNS) der Statorströme.
11. Verfahren nach Ausführungsform 8, wobei der Schritt des Bestimmens der Statorwicklungs-Leistungsverluste aufweist: Bestimmen von Wechselstrom-(AC-)Effektivwerten (RMS) der Statorströme; und Bestimmen der Statorwicklungs-Leistungsverluste basierend auf den Wechselstrom-(AC-)Effektivwerten (RMS) der Statorströme.
12. Verfahren nach Ausführungsform 8, wobei der Schritt des Berechnens das Erzeugen von Temperaturänderungen einer Phase beinhaltet, basierend auf den Gesamtleistungsverlusten, der Motorgeschwindigkeit und der kombinierten thermischen Impedanzen.
13. verfahren nach Ausführungsform 8, wobei der Schritt des Schätzens ferner das Schätzen der Statorwicklungstemperaturen beinhaltet, basierend auf den Phasentemperaturänderungen und der Kühlmitteltemperatur.
14. Verfahren nach Ausführungsform 8, wobei die kombinierten thermischen Impedanzen erste thermische Impedanzen zwischen den Statorwicklungen und den Statorkernen und zweite thermische Impedanzen zwischen den Statorkernen und dem Kühlmittel aufweisen.
15. Verfahren nach Ausführungsform 8, wobei der Schritt des Berechnens das Bestimmen der kombinierten thermischen Impedanzen mit Lookup-Tabellen beinhaltet.
16. Verfahren nach Ausführungsform 8, wobei der Schritt des Berechnens das Bestimmen der kombinierten thermischen Impedanzen mit Lookup-Tabellen beinhaltet, welche die Motorgeschwindigkeit und die Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit mit einer natürlichen gedämpften Frequenz, einem Dämpfungsfaktor und einer thermischen Impedanz korrelieren.
17. Verfahren nach Ausführungsform 8, welches ferner den folgenden Schritt aufweist: Vermindern eines Drehmomentbefehls in Antwort auf die ersten geschätzten Statorwicklungstemperaturen.
18. Verfahren, welches die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen eines Statorwicklungswiderstandes für eine Statorwicklung eines Motors, basierend auf einer Temperatur der Statorwicklung und eines Temperaturkoeffizienten des Widerstandes der Statorwicklung; Bestimmen eines Statorwicklungs-Leistungsverlustes, basierend auf dem Statorwicklungswiderstand; Bestimmen eines gesamten Leistungsverlustes, basierend auf dem Statorwicklungs-Leistungsverlust und einem Kern-Leistungsverlust; Bestimmen einer Phasen-Temperaturänderung, basierend auf dem Gesamtleistungsverlust, einer Motorgeschwindigkeit, einer Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit und eines kombinierten thermischen Impedanzmodells; und Schätzen einer Statorwicklungstemperatur, basierend auf der Phasentemperaturänderung und einer Motorkühlmitteltemperatur.
19. Verfahren nach Ausführungsform 18, wobei der Schritt des Bestimmens der Phasenänderungen das Erzeugen der Phasentemperaturänderung beinhaltet, basierend auf dem Gesamtleistungsverlust, der Motorgeschwindigkeit und der kombinierten thermischen Impedanz.
20. Verfahren nach Ausführungsform 18, wobei der Schritt des Schätzens ferner das Schätzen der Statorwicklungstemperatur für jede aus der Vielzahl von Statorwicklungen beinhaltet, basierend auf den Phasentemperaturänderungen und der Motorkühlmitteltemperatur.

Claims

Elektrisches Motorsystem, welches aufweist: einen elektrischen Motor, welcher einen Stator mit Wicklungen und einen Rotor aufweist, welche so konfiguriert sind, um eine Motorgeschwindigkeit aufzubringen; ein Kühlsystem, welches ein Kühlmittel aufweist, welches so konfiguriert ist, um den Rotor und den Stator zu kühlen, wobei das Kühlmittel eine Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit und eine Kühlmitteltemperatur besitzt; ein Wechselrichtermodul, welches an den elektrischen Motor gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um Strom an die Wicklungen zu liefern, basierend auf Wechselrichter-Steuersignalen; ein stromgeregeltes Drehmoment-Steuerglied, welches an das Wechselrichtermodul gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um die Wechselrichter-Steuersignale in Antwort auf einen verminderten Drehmomentbefehl zu erzeugen; und ein Temperaturschätz-Steuerglied, welches an das stromgeregelte Drehmoment-Steuerglied gekoppelt ist und so konfiguriert ist, um den verminderten Drehmomentbefehl zu erzeugen, basierend auf einem Anfangsdrehmomentbefehl und einer geschätzten Statorwicklungstemperatur, wobei das Temperaturschätz-Steuerglied so konfiguriert ist, um die geschätzte Statorwicklungstemperatur zu schätzen, basierend auf der Motorgeschwindigkeit und der Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit.
Elektrisches Motorsystem nach Anspruch 1, wobei das Temperaturschätz-Steuerglied so konfiguriert ist, um die Motorgeschwindigkeit mit einem Motorgeschwindigkeitsschwellwert zu vergleichen, das Temperaturschätz-Steuerglied ferner so konfiguriert ist, um die Statorwicklungstemperatur als eine Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungstemperatur zu schätzen, wenn die Motorgeschwindigkeit gleich oder größer als der Motorgeschwindigkeitsschwellwert ist, und als eine Niedriggeschwindigkeits-Statorwicklungstemperatur, wenn die Motorgeschwindigkeit kleiner als der Motorgeschwindigkeitsschwellwert ist.
Elektrisches Motorsystem nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei das Temperaturschätz-Steuerglied, wenn die Motorgeschwindigkeit gleich oder größer als der Motorgeschwindigkeitsschwellwert ist, so konfiguriert ist, um einen Statorwicklungswiderstand zu bestimmen; einen Statorwicklungs-Leistungsverlust zu bestimmen, basierend auf dem Statorwicklungswiderstand und einem Effektivwert (RMS) des Statorstromes; einen Gesamtleistungsverlust des elektrischen Motors zu bestimmen, basierend auf dem Statorwicklungs-Leistungsverlust und einem Kern-Leistungsverlust; eine Temperaturänderung zu erzeugen, basierend auf dem Gesamtleistungsverlust, der Motorgeschwindigkeit und einer kombinierten thermischen Impedanz; und die Statorwicklungstemperatur zu schätzen, basierend auf der Temperaturänderung, der Kühlmitteltemperatur und der Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit.
Elektrisches Motorsystem nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei der Stator ferner einen Statorkern beinhaltet, und wobei das Temperaturschätz-Steuerglied so konfiguriert ist, um die kombinierte thermische Impedanz zu bestimmen, basierend auf einer ersten thermischen Impedanz zwischen der Statorwicklung und dem Statorkern und einer zweiten thermischen Impedanz zwischen dem Statorkern und dem Motorkühlmittel.
Elektrisches Motorsystem nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei das Temperaturschätz-Steuerglied so konfiguriert ist, um den Kern-Leistungsverlust als eine Funktion der Motorgeschwindigkeit, eines Statorwicklungsstromes und einer DC-Busspannung zu bestimmen.
Elektrisches Motorsystem nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei das Temperaturschätz-Steuerglied eine Vielzahl von Lookup- bzw. Verweistabellen aufweist, welche die Motorgeschwindigkeit und die Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit mit einer natürlichen gedämpften Frequenz, einem Dämpfungsfaktor und einer thermischen Impedanz korrelieren.
Elektrisches Motorsystem nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei das Temperaturschätz-Steuerglied so konfiguriert ist, um die Temperaturänderung basierend auf der Vielzahl von Lookup-Tabellen zu erzeugen.
Verfahren zum Schätzen der Statorwicklungstemmperaturen in einem Motor, welcher einen Stator mit einer Vielzahl von Wicklungen und einen Rotor besitzt, welche so konfiguriert sind, um eine Motorgeschwindigkeit aufzubringen, wobei der Motor ferner so konfiguriert ist, dass er durch ein Kühlmittel bei einer Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit gekühlt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Vergleichen der Motorgeschwindigkeit mit einem Geschwindigkeitsschwellwert; Erzeugen geschätzter Gesamtleistungsverluste des elektrischen Motors; Berechnen kombinierter thermischer Impedanzen zwischen der Vielzahl von Wicklungen und dem Kühlmittel, basierend auf der Motorgeschwindigkeit und der Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit; und Schätzen, wenn die Motorgeschwindigkeit größer als der Geschwindigkeitsschwellwert ist, erster geschätzter Statorwicklungstemperaturen für jede aus der Vielzahl von Statorwicklungen, basierend auf den kombinierten thermischen Impedanzen und den Gesamtleistungsverlusten.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Erzeugens das Kombinieren der Statorwicklungs-Leistungsverluste und der Kern-Leistungsverluste beinhaltet, um die Gesamtleistungsverluste zu erzeugen und/oder Bestimmen der Statorwicklungsleistungsverluste basierend auf Statorwicklungswiderständen und Effektivwerten (RMS) der Statorströme.
Verfahren, welches die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen eines Statorwicklungswiderstandes für eine Statorwicklung eines Motors, basierend auf einer Temperatur der Statorwicklung und eines Temperaturkoeffizienten des Widerstandes der Statorwicklung; Bestimmen eines Statorwicklungs-Leistungsverlustes, basierend auf dem Statorwicklungswiderstand; Bestimmen eines gesamten Leistungsverlustes, basierend auf dem Statorwicklungs-Leistungsverlust und einem Kern-Leistungsverlust; Bestimmen einer Phasen-Temperaturänderung, basierend auf dem Gesamtleistungsverlust, einer Motorgeschwindigkeit, einer Kühlmittel-Flussgeschwindigkeit und eines kombinierten thermischen Impedanzmodells; und Schätzen einer Statorwicklungstemperatur, basierend auf der Phasentemperaturänderung und einer Motorkühlmitteltemperatur.