DE102015111186B4

DE102015111186B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102015111186B4
Application number: DE102015111186.1A
Authority: DE
Inventors: Steven L. Hayslett; Paul F. Turnbull; Harry J. Bauer; Daniel J. Berry; George D. Dolan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2035-07-11
Also published as: CN105281635B; CN105281635A; US9242576B1; US20160023573A1; DE102015111186A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Hochspannungsmaschine eines Bodenfahrzeugs, wobei das Verfahren umfasst, dass:
ein Alterungsparameter auf der Grundlage einer Temperatur der elektrischen Maschine periodisch bestimmt wird;
ein kurzfristiger Alterungseffekt auf der Grundlage des periodisch bestimmten Alterungsparameters periodisch bestimmt wird;
ein langfristiger Alterungseffekt auf der Grundlage des kurzfristigen Alterungseffekts bestimmt wird;
eine kurzfristige Temperaturjustierung auf der Grundlage des kurzfristigen Alterungseffekts bestimmt wird;
eine langfristige Temperaturjustierung auf der Grundlage des langfristigen Alterungseffekts bestimmt wird;
ein temperaturbasiertes verringertes Motordrehmoment auf der Grundlage der langfristigen Temperaturjustierung und der kurzfristigen Temperaturjustierung bestimmt wird; und
ein Betrieb der elektrischen Maschine auf der Grundlage des temperaturbasierten verringerten Motordrehmoments von einem Controller gesteuert wird;
wobei das periodische Bestimmen eines Alterungsparameters auf der Grundlage der Temperatur der elektrischen Maschine umfasst, dass:
eine Temperatur-Alterungs-Beziehung auf der Grundlage von durch die Temperatur induzierten Veränderungen in einem Isoliermaterial von isolierten leitenden Drähten der elektrischen Maschine empirisch entwickelt wird; und
der Alterungsparameter auf der Grundlage der Temperatur der elektrischen Maschine und der empirisch entwickelten Temperatur-Alterungs-Beziehung periodisch bestimmt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft eine elektrische Maschine und eine Betriebssteuerung der elektrischen Maschine mit Bezug auf eine Betriebstemperatur.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und bilden möglicherweise nicht den Stand der Technik.
Antriebsstrangsysteme, die elektrische Maschinen für Antriebsdrehmoment verwenden, verringern ein Motordrehmoment auf der Grundlage eines einzigen Steuerungsparameters, beispielsweise der Motortemperatur, wobei der Antriebsdrehmomentaufwand als Funktion der Motortemperatur verringert wird, um eine verkürzte Lebensdauer der elektrischen Maschine zu vermeiden. In einer Ausführungsform findet das Verringern von Drehmoment in einem Temperaturbereich zwischen einer minimalen Temperatur für das Verringern, beispielsweise 170° C, und einer maximal zulässigen Betriebstemperatur, beispielsweise 190° C statt. Dies umfasst, dass ein maximales Motordrehmoment bei Motortemperaturen unter der minimalen Temperatur für das Verringern erlaubt wird, dass das Motordrehmoment linear verringert wird, wenn die Motortemperatur darüber hinaus ansteigt, beispielsweise von 170° C bis 190° C, und dass eine Motordrehmomentausgabe von 0 erlaubt wird, d.h. eine Motordrehmomentausgabe verhindert wird, wenn die Motortemperatur die maximal zulässige Betriebstemperatur erreicht.
Bei einer bekannten strengen Fahrtensplanung kann eine elektrische Maschine einen Großteil ihrer Betriebszeit bei Motortemperaturen arbeiten, die ein wenig geringer als die minimale Temperatur für das Verringern sind, beispielsweise bei etwa 160° C. Eine Herangehensweise zur Motorsteuerung, welche die Motortemperatur als einzigen Steuerungsparameter verwendet, ermöglicht einen unbegrenzten Betrieb einer elektrischen Maschine bei Motortemperaturen, die ein wenig unter der minimalen Temperatur für das Verringern liegen, wodurch deren Lebensdauer beeinträchtigt wird. Darüber hinaus verhindert eine Herangehensweise zur Motorsteuerung, die die Motortemperatur als den einzigen Steuerungsparameter verwendet, kurzzeitige Ausreißer mit hoher Temperatur, obwohl derartige Ausreißer die Lebensdauer möglicherweise nicht beeinträchtigen.
Die Druckschrift DE 10 2009 001 928 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Hochspannungsmaschine eines Bodenfahrzeugs, bei dem ein Alterungsparameter auf der Grundlage einer Temperatur der elektrischen Maschine periodisch bestimmt wird, ein kurzfristiger Alterungseffekt auf der Grundlage des periodisch bestimmten Alterungsparameters periodisch bestimmt wird, ein temperaturbasiertes verringertes Motordrehmoment auf der Grundlage einer langfristigen und einer kurzfristigen Temperaturjustierung bestimmt wird und ein Betrieb der elektrischen Maschine auf der Grundlage des temperaturbasierten verringerten Motordrehmoments von einem Controller gesteuert wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Bodenfahrzeugs wird beschrieben und es umfasst, dass ein Alterungsparameter auf der Grundlage einer Temperatur der elektrischen Maschine periodisch bestimmt wird und dass ein Kurzzeitalterungseffekt auf der Grundlage des periodisch bestimmten Alterungsparameters periodisch bestimmt wird. Auf der Grundlage des Kurzzeitalterungseffekts wird ein Langzeitalterungseffekt bestimmt. Eine kurzfristige Temperaturjustierung wird auf der Grundlage des Kurzzeitalterungseffekts bestimmt und eine langfristige Temperaturjustierung wird auf der Grundlage des Langzeitalterungseffekts bestimmt. Ein temperaturbasiertes verringertes Motordrehmoment wird auf der Grundlage der langfristigen Temperaturjustierung und der kurzfristigen Temperaturjustierung bestimmt. Ein Betrieb der elektrischen Maschine wird in Ansprechen auf einen Bedienerbefehl für Drehmoment auf der Grundlage des temperaturbasierten verringerten Motordrehmoments gesteuert. Das periodische Bestimmen eines Alterungsparameters auf der Grundlage der Temperatur der elektrischen Maschine umfasst, dass eine Temperatur-Alterungs-Beziehung auf der Grundlage von durch die Temperatur induzierten Veränderungen in einem Isoliermaterial von isolierten leitenden Drähten der elektrischen Maschine empirisch entwickelt wird und der Alterungsparameter auf der Grundlage der Temperatur der elektrischen Maschine und der empirisch entwickelten Temperatur-Alterungs-Beziehung periodisch bestimmt wird.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung einiger der besten Arten und anderer Ausführungsformen, um die vorliegenden Lehren auszuführen, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
Figurenliste
Ein oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 auf schematische Weise eine elektrisch angetriebene elektrische Maschine, die mit einem Wechselrichtermodul gekoppelt ist, das von einem Controller eines Steuerungssystems gesteuert wird, in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht;
2 ein Flussdiagramm einer Motordrehmoment-Verringerungsroutine auf schematische Weise zeigt, die während eines fortlaufenden Betriebs iterativ ausgeführt wird, um ein verringertes Motordrehmoment zum dynamischen Steuern einer elektrischen Maschine auf der Grundlage einer zeitlich integrierten Temperatur der elektrischen Maschine in Übereinstimmung mit der Offenbarung zu bestimmen;
3 auf grafische Weise eine Vielzahl von alterungsbasierten verringerten Motordrehmomenten, die mit einer Drehmomentverringerung in der Form eines zulässigen Prozentsatzes des maximalen Drehmoments in Bezug auf die Temperatur aufgetragen sind, in Übereinstimmung mit der Offenbarung zeigt; und
4 eine thermische Alterungskurve für eine elektrische Maschine auf grafische Weise zeigt, welche die Gesamtlebensdauer (Stunden) mit Bezug auf die Motortemperatur (Grad C) in Übereinstimmung mit der Offenbarung enthält.

Genaue Beschreibung
Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen die Darstellungen nur zum Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck einer Einschränkung derselben gedacht sind, veranschaulicht 1 auf schematische Weise eine elektrisch betriebene Drehmomentmaschine (eine elektrische Maschine) 35, die mit einem Wechselrichtermodul 32 gekoppelt ist, das von einem Controller 11 eines Steuerungssystems gesteuert wird. Bei einer Verwendung in einem Bodenfahrzeug kann ein Ausgabeelement der elektrischen Maschine 35 mit dem Endantrieb eines Fahrzeugs drehbar gekoppelt sein, um Antriebsdrehmoment entweder direkt oder durch ein Getriebezahnradsystem oder eine Riemenantriebsanordnung an ein Antriebsrad zu übertragen. Das Wechselrichtermodul 32 und/oder die elektrische Maschine 35 können mit einem Kühlsystem ausgestaltet sein, um Wärme davon weg zu befördern.
Das Wechselrichtermodul 32 enthält einen Motorsteuerungsprozessor (MCP) 16, eine Gatetreiberschaltung 15 und Leistungsschalter 13. Die Leistungsschalter 13 enthalten IGBTs oder andere geeignete Leistungsschaltervorrichtungen, die zwischen Leitungen mit hoher und niedriger Leistung eines Hochspannungs-DC-Busses 29 elektrisch verbunden sind. In einer Ausführungsform enthält jeder Leistungsschalter 13 Eingangskontakte zum Überwachen eines elektrischen Stromflusses durch den Leistungsschalter 13 hindurch. Die Gatetreiberschaltung 15 erzeugt und verwendet eine Impulsbreitenmodulation (PWM) zum Steuern der Leistungsschalter 13, um elektrische Leistung von dem Hochspannungs-DC-Bus 29 durch einen mehrphasigen Motorsteuerungs-Leistungsbus 31 an die elektrische Maschine 35 zur Erzeugung von Antriebsdrehmoment in entweder einem Beschleunigungsmodus oder einem Modus mit regenerativen Bremsen zu übertragen. Im Betrieb erzeugt der Controller 11 einen Motordrehmomentbefehl 102, der an den MCP 16 übermittelt wird, welcher PWM-Tastverhältnis-Steuerungsbefehle 106 erzeugt, die in Ansprechen auf den Motordrehmomentbefehl 102 an den Gatetreiber 15 übermittelt werden. Die Gatetreiberschaltung 15 erzeugt eine Vielzahl von PWM-Steuerungssignalen 110, um die Leistungsschalter 13 zum Steuern eines elektrischen Leistungsflusses zwischen dem Hochspannungs-DC-Bus 29 und dem mehrphasigen Motorsteuerungs-Leistungsbus 31 zu steuern, um einen Betrieb der elektrischen Maschine 35 zu steuern.
Interne Parameter, die aus der Gatetreiberschaltung 15 stammen, und überwachte Parameter 112 von den Leistungsschaltern 13, die an eine Überwachungsschaltung 17 übermittelt werden, werden als Rückmeldung 108 zur Steuerung und Analyse an den MCP 16 geliefert. Die internen Parameter umfassen einen elektrischen Stromfluss und anderes, was verwendet werden kann, um eine Temperatur der elektrischen Maschine 35 zu bestimmen. Die Temperatur der elektrischen Maschine 35 kann durch ein beliebiges geeignetes Schema bestimmt werden, welches als Beispiel eine direkte Messung mit einem temperaturabhängigen Widerstand oder mit einem anderen Temperaturüberwachungssensor oder eine Schätzung auf der Grundlage der vorstehend erwähnten internen Parameter und der überwachten Parameter 112 und einer Kühlmittelströmung in einer Kühlsystem-Wärmeaustauschkonfiguration, falls vorhanden, umfasst. In einer Ausführungsform erzeugt der MCP 16 ein Temperatursignal 104, das an den Controller 11 übermittelt wird.
Die elektrische Maschine 35 kann ein beliebiger geeigneter mehrphasiger Elektromotor sein, beispielsweise ein Induktionsmotor oder ein Synchronmotor, der elektrische Energie in mechanische Leistung in der Form von Drehmoment umwandelt und einen Stator und einen damit koaxialen Rotor enthält. Der Stator enthält eine Vielzahl von Wicklungen, die aus isolierten leitenden Drähten hergestellt sind, die als Spulen angeordnet sind, welche Magnetpole bilden, wenn sie elektrisch erregt werden.
Steuerungsmodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuerungseinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bedeuten eine beliebige oder verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) und zugehörigem Arbeitsspeicher und Massenspeicher (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme oder Routinen ausführen, kombinatorischen Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen, geeigneten Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bedeuten beliebige von einem Controller ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen enthalten. Das Steuerungsmodul weist einen Satz von Steuerungsroutinen auf, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Routinen werden etwa von einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und können betrieben werden, um Eingänge von Erfassungsvorrichtungen und anderen Netzwerksteuerungsmodulen zu überwachen und um Steuerungs- und Diagnoseroutinen auszuführen.

2 ist ein Flussdiagramm, das ausgestaltet ist, um die Ausführung einer Motordrehmoment-Verringerungsroutine 200 zu beschreiben, welche vorzugsweise während eines Betriebs einer elektrischen Maschine iterativ ausgeführt wird, um ein verringertes Motordrehmoment zum dynamischen Steuern der elektrischen Maschine auf der Grundlage einer über die Zeit integrierten Temperatur der elektrischen Maschine, beispielsweise der mit Bezug auf 1 beschriebenen elektrischen Maschine 35, zu bestimmen. Tabelle 1 wird als Schlüssel bereitgestellt, wobei die numerisch beschrifteten Blöcke und die zugehörigen Funktionen, welche der Motordrehmoment-Verringerungsroutine 200 entsprechen, wie folgt offen gelegt werden. Tabelle 1

BLOCK	BLOCKINHALTE
200	Motordrehmoment-Verringerungsroutine
202	Temperatur überwachen
204	Alterungsparameter periodisch bestimmen
210	Kurzfristigen Alterungseffekt auf der Grundlage der periodisch bestimmten Alterungsparameter bestimmen
212	Kurzfristige Temperaturjustierung auf der Grundlage des kurzfristigen Alterungseffekts bestimmen
220	Langfristigen Alterungseffekt auf der Grundlage des kurzfristigen Alterungseffekts bestimmen
222	Langfristige Temperaturjustierung auf der Grundlage des langfristigen Alterungseffekts bestimmen
230	Die langfristige Temperaturjustierung und die kurzfristige Temperaturjustierung ansammeln
240	Verringertes Motordrehmoment bestimmen
250	Die elektrische Maschine auf der Grundlage des verringerten Motordrehmoments steuern

Die Ausführung der Motordrehmoment-Verringerungsroutine 200 wird im Kontext eines Fahrzyklus für eine elektrische Maschine beschrieben, wobei ein Fahrzyklus als eine Zeitspanne definiert ist, die mit einem Schlüssel-Einschalt-Befehl von einem Bediener startet und mit einem nachfolgenden Schlüssel-Ausschalt-Befehl von dem Bediener endet, wenn die elektrische Maschine in einem Fahrzeug verwendet wird. Ein dynamischer Betrieb und dynamische Bedingungen zeigen die fortlaufende Steuerung, den Betrieb und das Überwachen der elektrischen Maschine während eines jeden Fahrzyklus von Sekunde zu Sekunde. Die Motordrehmoment-Verringerungsroutine 200 wird ausgeführt, indem eine Motortemperatur 201 für die elektrische Maschine während des Betriebs mit einer Abtastrate dynamisch überwacht oder anderweitig ermittelt wird (202), welche thermische Zeitkonstanten der verschiedenen Komponenten und Systeme der elektrischen Maschine erfasst. Die Motortemperatur 201 kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren und/oder eine beliebige geeignete Vorrichtung bestimmt werden, welche beispielsweise umfassen: durch eine direkte Messung der Temperatur der elektrischen Maschine, durch Herleiten aus einer Messung einer Temperatur an einer verwandten Stelle, durch eine Schätzung auf der Grundlage von überwachten Parametern, die mit dem Betrieb der elektrischen Maschine in Beziehung stehen, oder durch eine Kombination daraus. In einer Ausführungsform wird die Motortemperatur 201 mit einer Abtastrate von 1 Hz bestimmt, obwohl andere Abtastraten mit ähnlicher Auswirkung verwendet werden können.
Auf der Grundlage der Motortemperatur 201 wird unter Verwendung einer Temperatur-Alterungs-Beziehung 207, die für die betreffende elektrische Maschine entwickelt worden ist, ein Alterungsparameter 209 periodisch bestimmt (204). Die Temperatur-Alterungs-Beziehung 207 ist grafisch gezeigt, wobei die Größe des Alterungsparameters auf der vertikalen Achse 205 und die Motortemperatur auf der horizontalen Achse 203 liegt. Die Temperatur-Alterungs-Beziehung 207 wird empirisch entwickelt und umfasst Effekte von Veränderungen in den physikalischen und chemischen Eigenschaften des speziellen Isolierungsmaterials, das für die isolierten leitenden Drähte des Stators der elektrischen Maschine verwendet wird. Die Temperatur-Alterungs-Beziehung 207 berücksichtigt das Wesen und die Dauer von elektrischen, mechanischen, thermischen und Umgebungs-Belastungen, die auf das Isolierungsmaterial aufgebracht werden und die eine Ermüdung des Isolierungsmaterials verursachen. Die Ermüdung ist das Schwächen eines Materials, welches durch wiederholt aufgebrachte Belastungen verursacht wird, die zu einer fortschreitenden und lokalen strukturellen Beschädigung aufgrund der zyklischen Belastung führen. Die Temperatur-Alterungs-Beziehung 207 kann auf einer Lebensdauer-Temperatur-Beziehung für das Isolierungsmaterial beruhen, welche auf der Erwartung beruht, dass die Lebensdauer der isolierten leitenden Drähte des Stators und damit die Lebensdauer der elektrischen Maschine proportional zu der inversen Reaktionsrate des Prozesses aufgrund der Temperatur ist, beispielsweise einer Arrhenius Lebensdauer-Belastungs-Beziehung. Messungen mit Bezug auf eine Ermüdung mit geringen Zyklen stellen ein quantifizierbares Maß für das Altern von Material bereit, welche sich über die Zeit als Funktion von zyklisch aufgebrachten Lasten mit Bezug auf eine erhöhte Motortemperatur ansammeln, und diese kann unter Verwendung von Formen mit bekannten Beziehungen beschrieben werden, z.B. einer Coffin-Manson-Beziehung.
Ein kurzfristiger Alterungseffekt 211 wird bestimmt, indem fortlaufend die periodisch bestimmten Alterungsparameter 209 angesammelt werden (210). Das Ansammeln der periodisch bestimmten Alterungsparameter umfasst vorzugsweise, dass die periodisch bestimmten Alterungsparameter 209 dynamisch überwacht und integriert werden, wobei der kurzfristige Alterungseffekt während jedes Fahrzyklus des Fahrzeugs regelmäßig aktualisiert wird. Dies umfasst vorzugsweise, dass der kurzfristige Alterungseffekt 211 aktualisiert wird, nachdem jeder Alterungsparameter bestimmt wurde.
Das Ansammeln der periodisch bestimmten Alterungsparameter 209 umfasst, dass die periodisch bestimmten Alterungsparameter dynamisch überwacht und integriert werden, was unter Verwendung eines geeigneten Kumulierungsmodells mit Bezug auf Alterung und Ermüdung bewerkstelligt werden kann. Bei einer Ausführungsform kann dies umfassen, dass eine Berechnung der Minerschen Regel ausgeführt wird, die Verhältnisse von Zeiten bei einer Temperatur und Kapazitäten bei einer Temperatur gemäß dem folgenden summiert: $K u m A l t e r n = \sum_{T m i n}^{T m a x} \frac{Z e i t (T i)}{K a p a z i t \ddot{a} t (T i)}$
Wobei
KumAltern ein Index ist, der mit dem kumulierten Altern verbunden ist, Tmax eine maximale Temperatur ist,
Tmin eine minimale Temperatur ist,
Zeit (Ti) der Betrag einer Betriebszeit bei der Temperatur Ti ist, und Kapazität (Ti) die Lebensdauer bei der Temperatur Ti ist.
Die Lebensdauer bei der Temperatur Ti, d.h. Kapazität (Ti) wird unter Verwendung einer Lebensdauerberechnung bestimmt, die unter Verwendung eines repräsentativen Modells des Motors vorbestimmt worden ist, das für die betreffende elektrische Maschine entwickelt worden ist und der Temperatur-Alterungs-Beziehung 207 entspricht, die vorstehend beschrieben wurde. 4 zeigt auf grafische Weise ein Beispiel für die temperaturbasierte Lebensdauer für eine repräsentative elektrische Maschine mit der Gesamtlebensdauer (Stunden) 410 auf der vertikalen Achse in Beziehung zu der Motortemperatur (° C) 420 auf der horizontalen Achse. Die Skala der vertikalen Achse mit der Gesamtlebensdauer (Stunden) 410 ist logarithmisch. Es ist eine Beziehung 430 zwischen der Gesamtlebensdauer und der Motortemperatur gezeigt, und diese zeigt eine Verringerung der Motorlebensdauer bei einer Zunahme der angesammelten Zeit bei einer erhöhten Betriebstemperatur der elektrischen Maschine an.
Wieder mit Bezug auf 2 wird eine kurzfristige Temperaturjustierung 219 auf der Grundlage des kurzfristigen Alterungseffekts 211 unter Verwendung einer kurzfristigen Temperatur-Justierungs-Beziehung 217 periodisch bestimmt, welche für die betreffende elektrische Maschine entwickelt worden ist (212). Die kurzfristige Temperatur-Justierungs-Beziehung 217 ist mit der Temperaturjustierung (° C) auf der vertikalen Achse 215 und der kurzfristigen Alterung auf der horizontalen Achse 213 grafisch gezeigt. Die kurzfristige Temperatur-Justierungs-Beziehung 217 umfasst eine Beziehung zwischen erhöhten Temperaturen in der elektrischen Maschine und einer kurzfristigen induzierten Materialbelastung und Ermüdung, welche empirisch entwickelt werden kann. Folglich kann es einen Nutzen für eine temperaturbasierte Verringerung der Drehmomentausgabe der elektrischen Maschine geben, um die Ausgabedrehmomentkapazität der elektrischen Maschine dynamisch zu reduzieren, um das Altern zu verringern und damit die Lebensdauer der elektrischen Maschine zu verbessern. Als Beispiel wird die kurzfristige Temperatur-Justierungs-Beziehung 217 einer temperaturbasierten Motordrehmoment-Verringerungskurve auferlegt, wobei Beispiele dafür mit Bezug auf 3 gezeigt sind. Die kurzfristige Temperatur-Justierungs-Beziehung 217 stellt eine Temperaturjustierung in der Form einer Reduktion bei der Temperatur bereit, die von 0° C bei einer geringen Größe für den kurzfristigen Alterungseffekt 211 bis zu 10° C bei einer hohen Größe für den kurzfristigen Alterungseffekt 211 reicht, wobei die Verringerungen bei der Temperatur der temperaturbasierten Motordrehmoment-Verringerungskurve aufgelegt wurden. Die kurzfristige Temperatur-Justierungs-Beziehung 217 ist anwendungsspezifisch und sie kann als Nachschlagetabelle oder als ausführbare Gleichung in einem Controller implementiert sein. Die kurzfristige Temperaturjustierung 219 wird beim Beginn eines jeden Fahrzyklus auf Null zurückgesetzt.
Ein langfristiger Alterungseffekt 221 wird bestimmt, indem die periodisch bestimmten kurzfristigen Alterungseffekte 211 angesammelt werden und die angesammelten kurzfristigen Alterungseffekte am Ende eines jeden Fahrzyklus mit einem langfristigen Alterungseffekt, der während eines vorherigen Fahrzyklus bestimmt wurde, integriert werden (220). Eine langfristige Temperaturjustierung 229 wird auf der Grundlage des langfristigen Alterungseffekts 221 unter Verwendung einer langfristigen Temperatur-Justierungs-Beziehung 227 periodisch bestimmt, welche für die betreffende elektrische Maschine entwickelt worden ist (222). Die langfristige Temperatur-Justierungs-Beziehung 227 ist mit der Temperaturjustierung (° C) auf der vertikalen Achse 225 und der langfristigen Alterung auf der horizontalen Achse 223 grafisch gezeigt. Die langfristige Temperatur-Justierungs-Beziehung 227 umfasst, dass erhöhte Temperaturen in der elektrischen Maschine langfristig Materialbelastungen und Ermüdung induzieren können, und sie kann empirisch entwickelt werden. Folglich kann es einen Vorteil für eine temperaturbasierte Verringerung der Drehmomentausgabe der elektrischen Maschine geben, um die Ausgabedrehmomentkapazität der elektrischen Maschine zu verringern, um das Altern zu verringern und damit die Lebensdauer der elektrischen Maschine zu verbessern. Als Beispiel wird die langfristige Temperatur-Justierungs-Beziehung 227 der temperaturbasierten Motordrehmoment-Verringerungskurve auferlegt, wobei Beispiele dafür mit Bezug auf 3 gezeigt sind. Als Beispiel reicht die langfristige Temperatur-Justierungs-Beziehung 227 von 0° C bei einer geringen Größe für den langfristigen Alterungseffekt 221 bis zu 2° C bei einer hohen Größe für den langfristigen Alterungseffekt 221, wobei die Reduktionen bei der Temperatur der temperaturbasierten Motordrehmoment-Verringerungskurve auferlegt werden. Die langfristige Temperatur-Justierungs-Beziehung 227 ist anwendungsspezifisch und kann als Nachschlagetabelle oder als ausführbare Gleichung in einem Controller implementiert sein.
Die langfristige Temperaturjustierung 229 und die kurzfristige Temperaturjustierung 219 werden angesammelt, beispielsweise durch Summieren, um eine alterungsbasierte Temperaturjustierung zu bestimmen (230). Die alterungsbasierte Temperaturjustierung 235 wird verwendet, um ein alterungsbasiertes verringertes Motordrehmoment für die elektrische Maschine zu bestimmen (240), und der Betrieb der elektrischen Maschine wird auf der Grundlage des verringerten Motordrehmoments dynamisch gesteuert, was umfasst, dass die Drehmomentausgabe aus der elektrischen Maschine unter Verwendung des alterungsbasierten verringerten Motordrehmoments begrenzt wird (250).
3 zeigt auf grafische Weise eine Vielzahl von temperaturbasierten Motordrehmoments-Verringerungskurven, die so gezeichnet sind, dass die Drehmomentverringerung in der Form eines zulässigen Prozentsatzes des maximalen Motordrehmoments auf der vertikalen Achse 304 und die Motortemperatur auf der horizontalen Achse 302 aufgetragen ist. Eine Linie 310 stellt eine temperaturbasierte Motordrehmoment-Verringerungskurve für eine bekannte elektrische Maschine dar, welche ein einfaches temperaturbasiertes Verringerungssystem verwendet, und sie zeigt, dass bis hin zu einem Motortemperatur von 170° C 100 % des maximalen Drehmoments zulässig sind, mit einer linearen Abnahme auf 0 % des maximalen Drehmoments, das bei einer Motortemperatur von 190° C zulässig ist. Eine Linie 320 stellt eine temperaturbasierte Motordrehmoment-Verringerungskurve für die gleiche elektrische Maschine dar, welche eine Ausführungsform der Motordrehmoment-Verringerungsroutine 200 verwendet, die mit Bezug auf 2 beschrieben wurde. Die Linie 320 zeigt, dass 100 % des maximalen Drehmoments bis hin zu einer Motortemperatur von 180° C erlaubt sind, mit einer linearen Abnahme auf 0 % des maximalen Drehmoments, das bei einer Motortemperatur von 200° C erlaubt ist, wenn sich die elektrische Maschine in einem Neuzustand befindet. Linien 322 und 324 stellen temperaturbasierte Motordrehmoment-Verringerungskurven für die gleiche elektrische Maschine dar, wobei sie die Motordrehmoment-Verringerungsroutine 200 verwenden und Verringerungen bei der maximalen Temperatur, bei welcher 100 % des maximalen Drehmoments erlaubt sind, unter eine Motortemperatur von 180° C zeigen, mit einer entsprechenden linearen Abnahme auf 0 % des maximalen Drehmoments. Diese Verringerung kann kurzfristig und reversibel sein, wenn sie aufgrund kurzfristiger Temperaturabweichungen stattfindet, wobei sich die elektrische Maschine in einem Neuzustand befindet. Diese Verringerung kann langfristig und irreversibel sein, wenn sie aufgrund des wiederholten Auftretens von kurzfristigen Temperaturabweichungen stattfindet, da die elektrische Maschine ein Altern im Betrieb erfährt.
In einer Betriebsumgebung für eine elektrische Maschine, die wenige Abweichungen zu hohen Lasten und hohen Temperaturen hin erlebt, ist folglich die Wahrscheinlichkeit einer Motorbeschädigung gering und das Steuerungssystem kann mit einem Motordrehmoment-Verringerungsschema arbeiten, das Motortemperaturen erlaubt, die in einer Ausführungsform um 10° C höher sind als bei einem System, das ein einfaches temperaturbasiertes Verringerungssystem verwendet. Eine derartige Konfiguration ermöglicht kurze Abweichungen in höhere Temperaturen für kurze Zeitspannen, wobei die volle Motordrehmomentkapazität bereitgestellt wird. Wenn eine elektrische Maschine bei erhöhten Motortemperaturen betrieben wird, wird die Motordrehmoment-Verringerungsroutine, die hier beschrieben ist, das Drehmoment-Verringerungsschema auf die Nennwerte verschieben. Der kurzfristige Alterungseffekt beeinflusst die Verringerungsstrategie unmittelbar und dynamisch. Der langfristige Alterungseffekt wird absichtlich in einem viel geringeren Grad gewichtet, um die Verringerungsstrategie bei dynamischen Bedingungen nur moderat zu beeinflussen. Folglich verbessert das Steuerungssystem die periodische Leistung und verlängert die Motorlebensdauer.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Hochspannungsmaschine eines Bodenfahrzeugs, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Alterungsparameter auf der Grundlage einer Temperatur der elektrischen Maschine periodisch bestimmt wird; ein kurzfristiger Alterungseffekt auf der Grundlage des periodisch bestimmten Alterungsparameters periodisch bestimmt wird; ein langfristiger Alterungseffekt auf der Grundlage des kurzfristigen Alterungseffekts bestimmt wird; eine kurzfristige Temperaturjustierung auf der Grundlage des kurzfristigen Alterungseffekts bestimmt wird; eine langfristige Temperaturjustierung auf der Grundlage des langfristigen Alterungseffekts bestimmt wird; ein temperaturbasiertes verringertes Motordrehmoment auf der Grundlage der langfristigen Temperaturjustierung und der kurzfristigen Temperaturjustierung bestimmt wird; und ein Betrieb der elektrischen Maschine auf der Grundlage des temperaturbasierten verringerten Motordrehmoments von einem Controller gesteuert wird; wobei das periodische Bestimmen eines Alterungsparameters auf der Grundlage der Temperatur der elektrischen Maschine umfasst, dass: eine Temperatur-Alterungs-Beziehung auf der Grundlage von durch die Temperatur induzierten Veränderungen in einem Isoliermaterial von isolierten leitenden Drähten der elektrischen Maschine empirisch entwickelt wird; und der Alterungsparameter auf der Grundlage der Temperatur der elektrischen Maschine und der empirisch entwickelten Temperatur-Alterungs-Beziehung periodisch bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das empirische Entwickeln einer Temperatur-Alterungs-Beziehung auf der Grundlage von durch die Temperatur induzierten Veränderungen in einem Isoliermaterial von isolierten leitenden Drähten der elektrischen Maschine umfasst, dass die Temperatur-Alterungs-Beziehung auf der Grundlage einer Ermüdung des Isoliermaterials empirisch entwickelt wird, welche durch zyklisch angelegte Lasten mit Bezug auf die Temperatur der elektrischen Maschine induziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das periodische Bestimmen eines kurzfristigen Alterungseffekts auf der Grundlage der periodisch bestimmten Alterungsparameter umfasst, dass die periodisch bestimmten Alterungsparameter während jedes Fahrzyklus dynamisch integriert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen eines langfristigen Alterungseffekts auf der Grundlage des kurzfristigen Alterungseffekts umfasst, dass die periodisch bestimmten kurzfristigen Alterungseffekte angesammelt werden und dass am Ende eines gegenwärtigen Fahrzyklus die angesammelten kurzfristigen Alterungseffekte mit einem langfristigen Alterungseffekt integriert werden, der während eines vorherigen Fahrzyklus bestimmt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer kurzfristigen Temperaturjustierung auf der Grundlage des kurzfristigen Alterungseffekts umfasst, dass eine kurzfristige Justierung der Temperatur auf der Grundlage einer durch die Temperatur induzierten Materialbelastung in der elektrischen Maschine dynamisch bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner umfasst, dass die kurzfristige Temperaturjustierung am Beginn eines jeden Fahrzyklus auf Null zurückgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer langfristigen Temperaturjustierung auf der Grundlage des langfristigen Alterungseffekts umfasst, dass eine langfristige Justierung der Temperatur auf der Grundlage einer durch die Temperatur induzierten Materialbelastung in der elektrischen Maschine bestimmt wird, wobei die langfristige Temperaturjustierung einmal pro Fahrzyklus aktualisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuern des Betriebs der elektrischen Maschine durch einen Controller auf der Grundlage des temperaturbasierten verringerten Motordrehmoments umfasst, dass eine maximale Drehmomentausgabe der elektrischen Maschine dynamisch gesteuert wird, wobei die maximale Drehmomentausgabe durch das temperaturbasierte verringerte Motordrehmoment begrenzt wird.
Verfahren zum Betreiben einer elektrisch angetriebenen Drehmomentmaschine, die ausgestaltet ist, um Antriebsdrehmoment in einem Bodenfahrzeug zu erzeugen, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Alterungsparameter auf der Grundlage einer Temperatur der elektrischen Maschine periodisch bestimmt wird; ein kurzfristiger Alterungseffekt auf der Grundlage einer Ansammlung des periodisch bestimmten Alterungsparameters bestimmt wird; ein langfristiger Alterungseffekt auf der Grundlage einer Ansammlung des kurzfristigen Alterungseffekts bestimmt wird; eine kurzfristige Temperaturjustierung auf der Grundlage des kurzfristigen Alterungseffekts bestimmt wird; eine langfristige Temperaturjustierung auf der Grundlage des langfristigen Alterungseffekts bestimmt wird; ein temperaturbasiertes verringertes Motordrehmoment auf der Grundlage der langfristigen Temperaturjustierung und der kurzfristigen Temperaturjustierung bestimmt wird; und ein Betrieb der elektrischen Maschine in Ansprechen auf einen Bedienerbefehl für Drehmoment, der auf der Grundlage des temperaturbasierten verringerten Motordrehmoments begrenzt wird, von einem Controller gesteuert wird; wobei das periodische Bestimmen eines Alterungsparameters auf der Grundlage der Temperatur der elektrischen Maschine umfasst, dass: eine Temperatur-Alterungs-Beziehung auf der Grundlage von durch die Temperatur induzierten Veränderungen in einem Isoliermaterial von isolierten leitenden Drähten der elektrischen Maschine empirisch entwickelt wird; und der Alterungsparameter auf der Grundlage der Temperatur der elektrischen Maschine und der empirisch entwickelten Temperatur-Alterungs-Beziehung periodisch bestimmt wird.