DE102015121214A1

DE102015121214A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer effektiven Temperatur von Kühlmittelfluid für eine Wärme erzeugende Vorrichtung

Info

Publication number: DE102015121214A1
Application number: DE102015121214.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel J. Berry
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2016-06-23
Also published as: CN105720740B; US9846002B2; CN105720740A; US20160178548A1

Abstract

Ein Verfahren zum dynamischen Überwachen der Temperatur eines Fluids an einer Wärme erzeugenden Vorrichtung umfasst, dass unter Verwendung eines Temperatursensors eine Temperatur des in einem Fluidsumpf gehaltenen Fluids überwacht wird. Es werden ein erster Fluiddurchfluss und ein zweiter Fluiddurchfluss bestimmt. Ein dritter Fluiddurchfluss und ein Temperaturabfall des Fluides über den Wärmetauscher in dem aktiven Kühlmittelkreislauf werden basierend auf der Temperatur des Fluids und des dritten Fluiddurchflusses durch den aktiven Kühlmittelkreislauf bestimmt. Eine Fluidtemperatur, die an die elektrische Maschine durch den aktiven Kühlmittelkreislauf geliefert wird, wird auf der Basis des dritten Fluiddurchflusses und des Temperaturabfalls des Fluids über den Wärmetauscher bestimmt. Eine effektive Temperatur des Fluides wird auf Grundlage der Temperatur des Fluides in dem Sumpf und der Temperatur des Fluides, das an die elektrische Maschine durch den aktiven Kühlmittelkreislauf geliefert wird, bestimmt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Kühlsysteme für Wärme erzeugende Vorrichtungen, einschließlich elektrischer Maschinen sowie damit zugeordnete Temperaturen.
HINTERGRUND
Die hier gegebene Hintergrundbeschreibung dient zu dem Zweck, den Kontext der Offenbarung allgemein darzulegen. Arbeit der vorliegend genannten Erfinder in dem Umfang, in dem sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die sich nicht auf andere Weise als Stand der Technik zum Zeitpunkt der Einreichung qualifizieren, sind weder explizit noch implizit als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung zulässig.
Vorrichtungen, die während des Betriebs Wärme erzeugen, können mit Kühlsystemen ausgestattet sein, um Wärme zu entfernen und damit einen temperaturbedingten Schaden zu verhindern. Eine Form von Wärme erzeugenden Vorrichtungen umfasst Elektromotoren/Generatoren (Maschinen), einschließlich derjenigen, die in Hybrid- und Elektrofahrzeuganwendungen eingesetzt sind. Wärme erzeugende Vorrichtungen können eine Temperaturrückkopplung für ein Steuersystem bereitstellen, um einen Betrieb zu steuern und einen temperaturbedingten Schaden an Motorwicklungen zu verhindern, der durch den Betrieb außerhalb eines bevorzugten Temperaturbereichs in Bezug auf Lebensdauer bewirkt wird. Solche Steuersysteme können Steuerroutinen enthalten, um den Motordrehmomentausgang herabzusetzen, wenn die Temperatur eine Schwellentemperatur überschreitet. Jedoch ist das Herabsetzen des Motordrehmomentausgangs aus einer Perspektive der erwarteten Leistung der Wärme erzeugenden Vorrichtung unerwünscht.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist ein Kühlsystem für eine Wärme erzeugende Vorrichtung beschrieben, das eine Fluidpumpe umfasst, die in Fluidverbindung mit einem passiven Kühlmittelkreislauf und einem aktiven Kühlmittelkreislauf steht, die jeweils in Fluidverbindung mit der Wärme erzeugenden Vorrichtung stehen. Der aktive Kühlmittelkreislauf weist einen Wärmetauscher, ein passives Umgehungs- bzw. Bypasssteuerventil und einen Umgehungs- bzw. Bypasskreislauf auf. Ein Verfahren zum dynamischen Überwachen der Temperatur des Fluids an der Wärme erzeugenden Vorrichtung umfasst, dass unter Verwendung eines Temperatursensors eine Temperatur des Fluids überwacht wird, das in einem Fluidsumpf gehalten ist, der das Fluid zu der Fluidpumpe liefert. Es werden ein erster Fluiddurchfluss durch den passiven Kühlmittelkreislauf und ein zweiter Fluiddurchfluss durch den aktiven Kühlmittelkreislauf bestimmt. Ein dritter Fluiddurchfluss und ein Temperaturabfall des Fluides über den Wärmetauscher in dem aktiven Kühlmittelkreislauf werden basierend auf der Temperatur des Fluids und des dritten Fluiddurchflusses durch den aktiven Kühlmittelkreislauf bestimmt. Eine Fluidtemperatur, die an die elektrische Maschine durch den aktiven Kühlmittelkreislauf geliefert wird, wird auf der Basis des dritten Fluiddurchflusses und des Temperaturabfalls des Fluids über den Wärmetauscher bestimmt. Eine effektive Temperatur des Fluides wird auf Grundlage der Temperatur des Fluides in dem Sumpf und der Temperatur des Fluides, das an die elektrische Maschine durch den aktiven Kühlmittelkreislauf geliefert wird, bestimmt.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger der besten Moden und anderen Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehren, wie in den angefügten Ansprüchen definiert ist, in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun werden eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 schematisch einen elektrisch betriebenen Motor/Generator (elektrische Maschine), ein zugeordnetes Kühl-/Schmiersystem, das einen ersten und zweiten Kühlmittelkreislauf aufweist, und einen Controller gemäß der Offenbarung zeigt; und
2 schematisch eine Steuerroutine zur Bestimmung einer effektiven Temperatur des Fluids für eine Ausführungsform des Kühl-/Schmiersystems und zugeordneter elektrischer Maschine, wie mit Bezug auf 1 beschrieben ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zum Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck der Beschränkung derselben dient, zeigt 1 schematisch Elemente eines elektrisch betriebenen Motor/Generators (elektrische Maschine) 20, eines zugeordneten Kühl-/Schmiersystems 40 und Controllers 10, der eine Steuerroutine 200 ausführt. Wie hier beschrieben ist, wird die Elektromaschine 20 eingesetzt, um eine Traktionsleistung an einem Fahrzeug zu erzeugen, obwohl die Offenbarung nicht darauf beschränkt ist. Die Elektromaschine 20 ist ein Beispiel einer Wärme erzeugenden Vorrichtung. Andere Wärme erzeugende Vorrichtungen, die eine Ausführungsform des zugeordneten Kühl-/Schmiersystems 40 und des Controllers 10, der eine Steuerroutine 200 ausführt, verwenden, können innerhalb des Rahmens dieser Offenbarung ebenfalls in Betracht gezogen werden.
Die elektrische Maschine 20 weist einen Stator 22 und einen koaxialen Rotor 24 auf und kann jede geeignete elektrische Maschine, wie beispielsweise ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor sein. In einer Ausführungsform 20 ist die elektrische Maschine 20 ein Traktionsmotor und der Rotor 24 koppelt an einen Fahrzeugantriebsstrang, um Traktionsdrehmoment für den Fahrzeugantrieb zu erzeugen. Andere Motorsteuerungselemente, wie Wechselrichter, Batterien und zugehörige Schaltungen sind nicht dargestellt.
Das Kühl-/Schmiersystem 40 umfasst ein Fluidpumpenelement 44, einen ersten passiven Kühlmittelkreislauf 46 und einen zweiten, aktiven Kühlmittelkreislauf 50, der Fluid 41 zum Kühlen und Schmieren der elektrischen Maschine 20 liefert, wobei das Fluid 41 von einem Sumpf 42 angesaugt wird. Das Fluid 41 ist bei einer Ausführungsform Getriebeöl, das ein bekanntes Schmiervermögen und spezifische Wärmeeigenschaften aufweist. Das Fluidpumpenelement (Pumpe) 44 ist eine elektrisch betriebene Vorrichtung, die bekannte Drehzahl- und Durchflusseigenschaften aufweist. Die Pumpe 44 zieht Fluid 41 aus dem Sumpf 42 und liefert unter Druck stehendes Fluid 41 an den ersten und zweiten Kühlmittelkreislauf 46, 48. Die Pumpe 44 wird vorzugsweise unter Verwendung eines pulsweitenmodulierten Steuersignals, das von dem Controller 10 gesendet wird, oder unter Verwendung eines anderen geeigneten Steuersignals gesteuert. Alternativ kann die Pumpe 44 eine mechanisch angetriebene Pumpe sein, die rotatorisch mit einer Maschinenkurbelwelle koppelt. Ein Temperatursensor 12 überwacht die Temperatur des Fluids 41 in dem Sumpf 42 oder an einer anderen geeigneten Stelle in dem Kühl-/Schmiersystem 40. Der Temperatursensor 12 ist signaltechnisch mit dem Controller 10 verbunden.
Der erste passive Kühlmittelkreislauf 46 umfasst Fluidleitungen und andere Elemente, die zum Liefern von unter Druck stehendem Fluid 41 an einen Statorverteiler geeignet sind. Der Statorverteiler 48 ist benachbart an den Stator 22 der elektrischen Maschine 20 positioniert und liefert eine Strömung des Fluids 41 an Endwicklungen des Stators 22, um eine Kühlung derselben zu bewirken. Der erste Kühlmittelkreislauf 46 ist passiv, da keine Vorrichtung für das Hinzufügen oder Entfernen von Wärme aus dem hindurchströmenden Fluid 41 vorhanden ist. Es ist zu erkennen, dass eine gewisse Wärmeübertragung durch die Fluidleitungen auftreten kann.
Der zweite aktive Kühlmittelkreislauf 50 umfasst Fluidleitungen und andere Elemente, die zum Liefern von unter Druck stehendem Fluid 41 an einen Rotorverteiler 60 geeignet sind. Der zweite Kühlmittelkreislauf 50 enthält einen Wärmetauscher 52 und einen Bypasskreislauf 56, die beide zu einem Getriebekasten 58 führen, wobei eine Strömung des Fluids 41 durch den Wärmetauscher 52 und den Bypasskreislauf 56 durch ein Bypasssteuerventil 54 gesteuert wird. In einer Ausführungsform ist der Wärmetauscher 52 ein luftgekühlter Wärmetauscher, der auf konvektive und/oder Strahlungswärmeübertragung setzt, um Wärme aus dem Fluid 41 zu entfernen. Alternativ kann der Wärmetauscher 52 eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, die Luft oder ein anderes zweites Fluid verwendet, um Wärme aus dem Fluid 41 zu entfernen. Wenn die elektrische Maschine 20 in einem Fahrzeug implementiert ist, kann der Wärmetauscher 52 an einer geeigneten Stelle eingesetzt sein, um eine Strömung von Umgebungsluft darüber zu ermöglichen, und kann auch einen steuerbaren Ventilator und/oder steuerbare Entlüftungen umfassen, die die Größe der Umgebungsluftströmung steuern. Der zweite Kühlmittelkreislauf 50 ist aktiv, da er eine Vorrichtung, d. h. den Wärmetauscher 52 für das Hinzufügen oder Entfernen von Wärme aus dem hindurch strömenden Fluid 41 aufweist. Das Bypasssteuerventil 54 steuert Größen der Fluiddurchflüsse durch den Wärmetauscher 52 und den Bypasskreislauf 56 in Reaktion auf die Temperatur des auf das Bypasssteuerventil 54 auftreffenden Fluids 41. Bei einer Ausführungsform wird das Bypasssteuerventil 54 passiv unter Verwendung eines Wachspellets oder eines anderen geeigneten Temperatur steuernden Elements gesteuert, wenn das Fluid 41 eine vorher festgelegte Temperatur erreicht, wodurch eine Fluidströmung durch einen oder beide des Wärmetauschers 52 und des Bypasskreislaufs 56 zugelassen wird. Alternativ kann das Bypasssteuerventil 54 eine aktive Vorrichtung sein, die funktional mit dem Controller 10 verbunden ist und Größen der Fluiddurchflüsse durch den Wärmetauscher 52 und den Bypasskreislauf 56 in Reaktion auf die Temperatur des Fluids 41, wie durch den Temperatursensor 12 gemessen ist, steuert. Somit stammt das Fluid 41 zum Kühlen der elektrischen Maschine 20 aus dem Sumpf 42 und wird von den ersten und zweiten Kühlmittelkreisläufen 46, 50 zugeführt.
Der Controller 10 weist eine ausführbare Steuerroutine 200 auf und ist signaltechnisch mit dem Sumpftemperatursensor 12, einem Umgebungslufttemperatursensor 14 und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 16 verbunden, wenn die Steuerroutine 200 an einem Fahrzeug verwendet ist. Der Controller 10 kann eine einheitliche Vorrichtung oder eine Vielzahl von diskreten Vorrichtungen sein, die zur Kommunikation konfiguriert sind. Der Controller 10 und verwandte Begriffe, einschließlich Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder verschiedene Kombinationen von anwendungsspezifischer integrierter Schaltung(en) (ASIC), elektronischer Schaltung(en), zentraler Verarbeitungseinheit(en), z. B. Mikroprozessor(en) und damit verbundene nicht-transitorische Speicherkomponente in Form von Speicher und Speichervorrichtungen (Nurlese, programmierbarer Nurlese-, Festplatte usw. lesen). Die nicht-transitorische Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Anweisungen in der Form eines oder mehrere Software- oder Firmware-Programme oder -Routinen, kombinatorischer Logikschaltung(en), Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und -Vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die durch einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und Vorrichtungen enthalten Analog/Digital-Wandler und zugehörige Vorrichtungen, die Eingaben von Sensoren überwachen, wobei diese Eingänge mit einer voreingestellten Abtastfrequenz oder in Reaktion auf ein auslösendes Ereignis überwacht werden. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bedeuten beliebige von einem Steuergerät ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen einschließen. Jeder Controller führt eine oder mehrere Steuerroutinen aus, um gewünschte Funktionen bereitzustellen, einschließlich Überwachung von Eingängen von Erfassungsvorrichtungen und anderen vernetzten Controllern und Ausführung von Steuer- und Diagnoseroutinen, um einen Betrieb von Aktoren zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Intervallen, zum Beispiel alle 100 Mikrosekunden oder 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während des fortwährenden Betriebes ausgeführt werden. Alternativ können Routinen in Ansprechen auf das Auftreten eines Auslöseereignisses ausgeführt werden. Kommunikationen zwischen Controllern und zwischen Controllern, Aktoren und/oder Sensoren können unter Verwendung einer direktverdrahteten Verbindung, vernetzter Kommunikationsbusverbindung, einer drahtlosen Verbindung oder irgendeiner anderen geeigneten Kommunikationsverbindung erreicht werden. Kommunikationen umfassen einen Austausch von Datensignalen in jeder geeigneten Form, einschließlich beispielsweise elektrischer Signale über ein leitendes Medium, elektromagnetischer Signale über Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Der Begriff ”Modell” betrifft einen prozessorbasierten oder prozessorausführbaren Code und zugeordnete Kalibrierung, die eine physikalische Anwesenheit einer Vorrichtung oder eines physikalischen Prozesses simuliert.
2 zeigt schematisch eine Steuerroutine 200 zur Bestimmung einer effektiven Temperatur des Fluids 41 für eine Ausführungsform des Kühl-/Schmiersystems 40 für die zugeordnete elektrische Maschine 20, wobei das Kühl-/Schmiersystem 40 einen ersten und zweiten Kühlmittelkreislauf 46, 50 aufweist, wie mit Bezug auf 1 beschrieben ist. Wie hier beschrieben ist, werden bei einer Ausführungsform die elektrische Maschine 20 und das zugeordnete Kühl-/Schmiersystem 40 an einem Fahrzeug verwendet. Alternativ kann die Steuerroutine 200 mit einer beliebigen Ausführungsform eines Kühlsystems verwendet werden, das mehrere Kühlmittelkreisläufe enthält, wobei einer der Kühlmittelkreisläufe ein passiver Kühlmittelkreislauf ist und ein anderer der Kühlmittelkreisläufe ein aktiver Kühlmittelkreislauf ist, der Fluid 41 zum Kühlen einer Wärme erzeugenden Vorrichtung liefert. Wie zuvor beschrieben ist, wird Fluid 41 so lange nicht durch den Wärmetauscher 52 geleitet, bis die Temperatur des Fluids 41 ausreichend hoch ist, um Drehverluste in dem Getriebekasten 58 des Getriebes zu minimieren. Die Temperatur, bei der Fluid 41 beginnt, durch den Wärmetauscher geleitet zu werden, wird bei einer Ausführungsform passiv unter Verwendung eines Wachspellets gesteuert, das schmilzt, sobald das Fluid 41 eine bestimmte Temperatur erreicht. Somit weist das System keine direkte Rückkopplung auf, die der Größe der Fluidströmung durch den Wärmetauscher 52 zugeordnet ist. Die Steuerroutine 200 ist eine geplante Routine, die in regelmäßigen Abständen während des laufenden Betriebs ausgeführt wird.
Die Steuerroutine 200 wird ausgeführt, indem Informationen gesammelt wird, die den Fluiddurchflüssen in Abschnitten des zweiten Kühlmittelkreislaufs 50 zugeordnet sind, die einen ersten Durchfluss 203 durch den ersten Kühlmittelkreislauf 46 und einen zweiten Durchfluss 204 durch den zweiten Kühlmittelkreislauf 50 aufweisen, der den Wärmetauscher 52, den Bypasskreislauf 56 und das Bypasssteuerventil 54 aufweist. Die Fluiddurchflüsse können anderweitig bestimmt werden, beispielsweise durch andere Controller und Abtastsysteme. Der erste und zweite Durchfluss 203, 204 werden in Beziehung zu der Pumpendrehzahl, Fluidtemperatur, Leitungsdrücken, Kreislaufgestaltungen und anderen Faktoren bestimmt und sind systemspezifisch. Somit können sie vorkalibrierte Terme sein, die in einer Speichervorrichtung gespeichert und bei Bedarf abgerufen werden.
Parameter, die dem Betrieb der Steuerroutine 200 zugeordnet sind, umfassen die Fahrzeuggeschwindigkeit 202, den zweiten Durchfluss 204 des Fluids 41 durch den Wärmetauscher 52 und seine spezifische Wärme, die Temperatur des Fluids 41 in dem Sumpf (Sumpftemperatur) 206 und die Umgebungstemperatur 208. Die Fahrzeuggeschwindigkeit 202 kann gegen einen anderen geeigneten Parameter ersetzt werden, der verwendet werden kann, einen Luftdurchfluss über den Wärmetauscher zu bestimmen. Die Fahrzeuggeschwindigkeit 202 dient als eine Näherung für die Luftgeschwindigkeit über den Wärmetauscher 52, was die Wärmeübertragung beeinflusst. Andere Faktoren, die die Luftgeschwindigkeit über den Wärmetauscher beeinflussen, umfassen eine Kühlerlüftergeschwindigkeit und Zustand der Verschlusseinrichtung (offen, teilweise offen, geschlossen) und können für die Verwendung von Kalibrierungen, Korrekturfaktoren und/oder anderen bekannten Steuertechniken berücksichtigt werden.
Zustände der Parameter der Fahrzeuggeschwindigkeit 202, des zweiten durch Flusses 204 des Fluids 41 durch den Wärmetauscher 52 und seine spezifische Wärme, Sumpftemperatur 206 und Umgebungstemperatur 208 werden verwendet, um einen Temperaturabfall des Fluids 41 über den Wärmetauscher 52 zu schätzen, wenn das Bypasssteuerventil 54 vollständig geöffnet ist und 100% des zweiten Durchflusses 204 durch den Wärmetauscher 52 (220) strömen. Die Grundgleichungen, die verwendet weden, um den Temperaturabfall zu schätzen, sind wie folgt: Q ._Cooler = ṁc_pΔT Q ._Cooler = hA(T_Oil – T_Ambient) [1] wobei

Q ._Cooler: = Betrag an Wärmeübertragung von Fluid auf Umgebungsluft [Watt];
ṁ: = Massendurchfluss 204 von Fluid durch den Wärmetauscher [kg/s];
c_p: = Spezifische Wärme von Fluid [J/kg·K];
ΔT: = Temperaturabfall von Fluid über den Wärmetauscher [C] 225;
hA: = Kehrwert des thermischen Widerstands des Wärmetauschers [Watt/K] 212;
T_Oil: = Fluidtemperatur an dem Einlass des Wärmetauschers [C], d. h., die Sumpftemperatur 206; und
T_Ambient: = Umgebungslufttemperatur [C] 208.

Der Temperaturabfall ΔT 225 des Fluids 41 über den Wärmetauscher 52 kann wie folgt unter der Annahme gezeigt werden, dass die gesamte Wärme, die aus dem Fluid 41 entfernt ist, an die Umgebungsluft dissipiert ist, um dadurch Q ._Cooler aus den Gleichungen zu beseitigen:
Der hA-Term 212 stellt eine Umkehrung des Wärmewiderstands des Wärmetauschers 52 dar und ist eine Eigenschaft der Auslegungseigenschaft 210 des Wärmetauschers in Bezug auf die Fahrzeuggeschwindigkeit 202 und andere Elemente. Details in Bezug auf eine Bestimmung eines Werts für den thermischen Widerstand hA 212 des Wärmetauschers 52 sind dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt und werden hier nicht im Detail diskutiert.
Der Temperaturabfall ΔT 225 kann mit einem maximalen zulässigen Temperaturabfall 215 (230) verglichen werden. Der Wert von ΔT kann auf einen maximal zulässigen Temperaturabfall ΔTmax 235 zugeschnitten werden, um unrealistische Temperaturvorhersagen in dem Falle von niedrigen Fluiddurchflüssen unter Betriebsbedingungen zu vermeiden, wenn transiente Effekte signifikanter sein können. Dieser Vergleich des Temperaturabfalls ΔT 225 und des maximal zulässigen Temperaturabfalls 215 kann in einigen Ausführungsformen weggelassen werden.
Die Sumpftemperatur 206 wird durch den Temperaturabfall ΔT 225 (231) reduziert, der bei einer Ausführungsform durch den maximal zulässigen Temperaturabfall ΔTmax 235 beschränkt ist, um eine Austrittstemperatur 236 des Wärmetauschers zu bestimmen. Die Sumpftemperatur 206 wird auch dazu verwendet, den Zustand des Bypasssteuerventils 54 zu bestimmen. Wenn das Bypasssteuerventil 54 eine passive Vorrichtung ist, wie beispielsweise mit Bezug auf 1 beschrieben ist, kann eine charakteristische Kalibrierungskurve des Durchflusses entwickelt und als eine eindimensionale (1-D) Nachschlagetabelle 237 implementiert werden, die eine Größe der Ventilöffnung liefert (beispielsweise 0% bis 100% von vollständig offen) 238 in Bezug auf die Temperatur des Fluids 41, d. h. der Sumpftemperatur 206 bereitstellt. Die Sumpftemperatur 206 kann verwendet werden, um die Größe der Ventilöffnung 238 zu bestimmen, und die Größe der Ventilöffnung 238 kann leicht in einen dritten Durchfluss umgesetzt werden, wenn der Druck und der zweite Durchfluss 204 bekannt sind. Bei einer Ausführungsform, wenn die Fluidtemperatur niedriger als eine minimale Schwellentemperatur ist, ist das Bypasssteuerventil 54 geschlossen und das gesamte Fluid 41, dass dem zweiten Durchfluss 204 zugeordnet ist, wird zu dem Getriebekasten 58 geleitet und umgeht den Wärmetauscher 52. Wenn die Fluidtemperatur, die durch die Sumpftemperatur 206 angegeben ist, ansteigt, öffnet sich das Bypasssteuerventil 54 teilweise und leitet einen Teil des zweiten Durchflusses 204 durch den Wärmetauscher 52. Dies wird hierin als der dritte Durchfluss bezeichnet. Ein verbleibender Teil des zweiten Durchflusses 204 umgeht den Wärmetauscher 52 zu dem Getriebekasten 58.
Wenn die Sumpftemperatur 206 eine obere Schwellentemperatur erreicht, wird das Bypasssteuerventil 54 vollständig geöffnet (100%), das gesamte Fluid 41 wird durch den Wärmetauscher 52 zu dem Getriebekasten 58 geleitet und somit ist der dritte Durchfluss gleich dem zweiten Durchfluss 204. Die minimale Schwellentemperatur und die obere Schwellentemperatur, die dem Bypasssteuerventil 54 zugeordnet sind, sind bei einer Ausführungsform kalibrierbare Temperaturen.
Die Größe der Ventilöffnung 238 und die Austrittstemperatur 236 des Wärmetauschers werden unter Verwendung einer gewichteten Mittelung oder anderer geeigneter Techniken kombiniert, um eine Fluidtemperatur 245 für das unter Druck stehende Fluid 41 zu schätzen, dass an den Rotorverteiler 60 durch den zweiten Kühlmittelkreislauf 50 geliefert wird (240). Auf diese Weise wird der Fluidtemperaturabfall über den Wärmetauscher 52 von der Sumpftemperatur 206 subtrahiert und für den Öffnungszustand des Bypasssteuerventils 54 über eine 1-D-Nachschlagetabelle gewichtet, so dass, wenn das Bypasssteuerventil 54 geschlossen ist, die Fluidtemperatur 245 als gleich der Sumpftemperatur 206 geschätzt wird, und wenn das Bypasssteuerventil 54 vollständig geöffnet ist, die Fluidtemperatur 245 als gleich der Austrittstemperatur 236 des Wärmetauschers geschätzt wird. Während eines Übergangszustandes, wenn das Bypasssteuerventil 54 teilweise geöffnet ist, bestimmt die Steuerroutine 200 eine durchflussgewichtete Mittelung zwischen der Austrittstemperatur 236 des Wärmetauschers und der Sumpftemperatur 206 basierend auf dem dritten Durchfluss.
Die Sumpftemperatur 206, die Fluidtemperatur 245, der erste Durchfluss 203 durch den ersten Kühlmittelkreislauf 46 und der zweite Durchfluss 204 durch den zweiten Kühlmittelkreislauf 50 werden aggregiert, um eine einzige effektive Fluidtemperatur 255 zum Kühlen der elektrischen Maschine (250), wie folgt, gemäß der nachfolgenden Gleichung zu bestimmen:
wobei:

∀ ._Stator: = Statordurchfluss
∀ ._Rotor: = Rotordurchfluss
∀ ._Total: = ∀ ._Rotor ⁺ ∀ ._Stator
T_Sump: = Sumpftemperatur
T_Cooler: = Ölkühlertemperatur

Zusätzlich kann eine 1-D Kalibriertabelle mit der Sumpftemperatur 206 als Eingang entwickelt werden, um Skalierungsfaktoren in Verbindung mit der Wirksamkeit der Stator- und Rotorkühlung in Bezug auf die Kühlmitteltemperatur bereitzustellen. Entwicklung und Implementierung von Skalierungsfaktoren, die der Wirksamkeit der Stator- und Rotorkühlung in Bezug auf die Kühlmitteltemperatur zugeordnet sind, sind systemspezifisch und können durch einen Fachmann entwickelt werden.
Die einzelne effektive Fluidtemperatur 255 kann in einem Echtzeit-Temperaturschätzalgorithmus verwendet werden, um eine Temperatur der elektrischen Maschine zu bestimmen, wodurch eine Motorsteuerung ermöglicht wird, die eine Drehmomentabgabe von der elektrischen Maschine maximiert, während temperaturbedingte Schäden an Motorwicklungen verhindert werden, die durch Betrieb außerhalb von Temperaturgrenzen bewirkt werden, was die Lebensdauer beeinträchtigt.
Die Steuerroutine 200 ist in Zusammenhang mit einer Ausführungsform eines Kühlsystems beschrieben, das einen einzelnen ersten passiven Kühlmittelkreislauf 46 und einen einzelnen aktiven zweiten Kühlmittelkreislauf 50 umfasst. Ein Fachmann kann leicht die Konzepte, die hier beschrieben sind, auf Kühlsysteme anwenden, die entweder mehrere erste passive Kühlmittelkreisläufe 46 und/oder mehrere aktive zweite Kühlmittelkreisläufe 50 aufweisen, die eine Modifikation der Gleichung 3 verwenden, um eine einzelne effektive Fluidtemperatur zu berechnen.
Die Steuerroutine 200 umfasst vorzugsweise Vereinfachungen, die eine Integration in ein Fahrzeug-Steuersystem erleichtern, einschließlich der Minimierung von transienten Wirkungen, die durch Systemdynamik in dem System bewirkt sind. Tests haben gezeigt, dass die Temperaturwirkung von Transienten in dem System relativ klein ist, in der Größenordnung von wenigen Graden, und innerhalb einer erwarteten Genauigkeit des Algorithmus liegt. Darüber hinaus dienen die Wärmekapazitäten der elektrischen Maschine und des Fluids in dem Sumpf, die als thermische Zeitkonstanten ausgedrückt werden, dazu, transiente Effekte zu mildern. Des Weiteren braucht die Temperatur der Luft über den Wärmetauscher die Umgebungstemperatur nicht widerzuspiegeln. Bei einer Ausführungsform kann der Wärmetauscher 52 ein Teil einer Gruppe von Wärmetauschern sein und wird der Luft ausgesetzt, die sich bei einer Temperatur befinde, die höher als die Umgebungstemperatur ist. Es ist Sorgfalt geboten, wenn beispielsweise der Wärmetauscher 52 hinter einem Motorkühler angeordnet ist, da die Lufttemperatur in diesem Fall erheblich heißer sein kann als die Umgebungsluft, und dies muss bei jeder Implementierung berücksichtigt werden. Da sich die Steuerroutine 200 auf viele Eingänge stützt, weist sie geeignete Standardaktionen auf, falls eines der Eingangssignale ein Auftreten eines Fehlers angibt oder aufgrund einer Kommunikationsstörung nicht verfügbar ist. Wenn beispielsweise eines der Eingangssignale, die zur Schätzung der einzigen effektiven Motorkühlfluidtemperatur 255 beitragen, nicht verfügbar ist, kann die Sumpftemperatur direkt als die Motorkühlfluidtemperatur verwendet werden.
Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die vorliegenden Lehren, jedoch ist der Schutzumfang der vorliegenden Lehren ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Moden und anderen Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehren detailliert beschrieben worden sind, sind verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehren, wie in den angefügten Ansprüchen definiert ist, vorhanden.

Claims

Verfahren zum dynamischen Überwachen der Temperatur eines Fluides, das in einem Kühlsystem für eine Wärme erzeugende Vorrichtung verwendet ist, wobei das Kühlsystem eine Fluidpumpe aufweist, die fluidtechnisch mit einem passiven Kühlmittelkreislauf und einem aktiven Kühlmittelkreislauf verbunden ist, die jeweils in Fluidverbindung mit der Wärme erzeugenden Vorrichtung stehen, wobei der aktive Kühlmittelkreislauf einen Wärmetauscher, ein passives Bypasssteuerventil und einen Bypasskreislauf aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: unter Verwendung eines Temperatursensors eine Temperatur des Fluides, das in einem Fluidsumpf gehalten ist, der das Fluid an die Fluidpumpe liefert, überwacht wird; ein erster Fluiddurchfluss durch den passiven Kühlmittelkreislauf und ein zweiter Fluiddurchfluss durch den aktiven Kühlmittelkreislauf bestimmt werden; ein dritter Fluiddurchfluss und ein Temperaturabfall des Fluides über den Wärmetauscher in dem aktiven Kühlmittelkreislauf basierend auf der Temperatur des Fluids und des dritten Fluiddurchflusses durch den aktiven Kühlmittelkreislauf bestimmt werden; eine Fluidtemperatur, die an die Wärme erzeugende Vorrichtung durch den aktiven Kühlmittelkreislauf geliefert wird, auf der Basis des dritten Fluiddurchflusses und des Temperaturabfalls des Fluids über den Wärmetauscher bestimmt wird; und eine effektive Temperatur des Fluides auf Grundlage der Temperatur des Fluides in dem Sumpf und der Temperatur des Fluides, das an die Wärme erzeugende Vorrichtung durch den aktiven Kühlmittelkreislauf geliefert wird, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen eines dritten Fluiddurchflusses über den Wärmetauscher in dem aktiven Kühlmittelkreislauf basierend auf der Temperatur des Fluids und des zweiten Fluiddurchflusses durch den aktiven Kühlmittelkreislauf umfasst, dass eine Größe der Öffnung des passiven Bypasssteuerventils auf der Basis der Temperatur des Fluides bestimmt wird und ein dritter Fluiddurchfluss über den Wärmetauscher auf der Basis der Größe der Öffnung des passiven Bypasssteuerventils bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der dritte Fluiddurchfluss Null ist, wenn die Temperatur des Fluids geringer als eine minimale Schwellentemperatur zum Aktivieren des passiven Bypasssteuerventils ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der dritte Fluiddurchfluss gleich dem zweiten Fluiddurchfluss ist, wenn die Temperatur des Fluids größer als eine obere Schwellentemperatur für die Aktivierung des passiven Bypasssteuerventils ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher einen luftgekühlten Wärmetauscher umfasst, und wobei das Bestimmen eines Temperaturabfalls des Fluids über den Wärmetauscher in dem aktiven Kühlmittelkreislauf auf der Grundlage der Temperatur des Fluides und des dritten Fluiddurchflusses durch den aktiven Kühlmittelkreislauf ferner umfasst, dass der Temperaturabfall des Fluides über den Wärmetauscher basierend auf der Temperatur des Fluides, des dritten Fluiddurchflusses und einer Umgebungslufttemperatur bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der effektiven Temperatur des Fluides basierend auf der Temperatur des Fluides in dem Sumpf und der Temperatur des Fluides, das an die wärmeerzeugende Vorrichtung durch den aktiven Kühlmittelkreislauf geliefert ist, umfasst, dass der erste Durchfluss und die Temperatur des Fluides in dem Sumpf aggregiert werden und der zweite Durchfluss und die Temperatur des Fluides, das an die wärmeerzeugende Vorrichtung durch den aktiven Kühlmittelkreislauf geliefert ist, aggregiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der effektiven Temperatur des Fluids umfasst, dass die effektive Temperatur des Fluids an der Wärme erzeugenden Vorrichtung bestimmt wird.
Verfahren zum dynamischen Überwachen der Temperatur eines Fluides, das in einem Kühlsystem für eine elektrische Maschine verwendet ist, wobei das Kühlsystem eine Fluid Pumpe aufweist, die fluidtechnisch mit einem passiven Kühlmittelkreislauf und einem aktiven Kühlmittelkreislauf verbunden ist, die jeweils in Fluidverbindung mit der elektrischen Maschine stehen, wobei der aktive Kühlmittelkreislauf einen luftgekühlten Wärmetauscher und ein passives Bypasssteuerventil und einen Bypasskreislauf aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: unter Verwendung eines Temperatursensors eine Temperatur des Fluides, das in einem Fluidsumpf gehalten ist, der Fluid an die Fluidpumpe liefert, überwacht wird; ein erster Fluiddurchfluss durch den passiven Kühlmittelkreislauf und ein zweiter Fluiddurchfluss durch den aktiven Kühlmittelkreislauf bestimmt werden; ein dritter Fluiddurchfluss und ein Temperaturabfall des Fluides über den Wärmetauscher in dem aktiven Kühlmittelkreislauf basierend auf der Temperatur des Fluids und des dritten Fluiddurchflusses durch den aktiven Kühlmittelkreislauf bestimmt werden; eine Fluidtemperatur, die an die elektrische Maschine durch den aktiven Kühlmittelkreislauf geliefert wird, auf der Basis des dritten Fluiddurchflusses und des Temperaturabfalls des Fluids über den Wärmetauscher bestimmt wird; und eine effektive Fluidtemperatur an der elektrischen Maschine auf Grundlage der Temperatur des Fluides in dem Sumpf und der Temperatur des Fluides, das an die elektrische Maschine durch den aktiven Kühlmittelkreislauf geliefert wird, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bestimmen eines dritten Fluiddurchflusses über den Wärmetauscher in dem aktiven Kühlmittelkreislauf basierend auf der Temperatur des Fluids und des zweiten Fluiddurchfluss durch den aktiven Kühlmittelkreislauf umfasst, dass eine Größe der Öffnung des passiven Bypasssteuerventils auf der Basis der Temperatur des Fluides bestimmt wird und ein dritter Fluiddurchfluss über den Wärmetauscher auf der Basis der Größe der Öffnung des passiven Bypasssteuerventils bestimmt wird.
Kühlsystem für eine elektrische Maschine, umfassend: eine Fluidpumpe, die fluidtechnisch mit einem passiven Kühlmittelkreislauf in Fluidverbindung mit der elektrischen Maschine verbunden ist, fluidtechnisch mit einem aktiven Kühlmittelkreislauf in Fluidverbindung mit der elektrischen Maschine verbunden ist und fluidtechnisch mit einem Fluidsumpf verbunden ist; wobei der aktive Kühlmittelkreislauf einen Wärmetauscher, ein passives Bypasssteuerventil und einen Bypasskreislauf des Wärmetauschers aufweist; und einen Controller, der periodisch eine Steuerroutine ausführt, wobei die Steuerroutine umfasst, dass: unter Verwendung eines Temperatursensors eine Temperatur des Fluides, das in dem Fluidsumpf gehalten ist und an die Fluidpumpe geliefert wird, überwacht wird; ein erster Fluiddurchfluss durch den passiven Kühlmittelkreislauf und ein zweiter Fluiddurchfluss durch den aktiven Kühlmittelkreislauf bestimmt werden; ein dritter Fluiddurchfluss und ein Temperaturabfall des Fluides über den Wärmetauscher in dem aktiven Kühlmittelkreislauf basierend auf der Temperatur des Fluids und des dritten Fluiddurchflusses durch den aktiven Kühlmittelkreislauf bestimmt werden; eine Fluidtemperatur, die an die elektrische Maschine durch den aktiven Kühlmittelkreislauf geliefert wird, auf der Basis des dritten Fluiddurchflusses und des Temperaturabfalls des Fluids über den Wärmetauscher bestimmt wird; und eine effektive Fluidtemperatur auf Grundlage der Temperatur des Fluides in dem Sumpf und der Temperatur des Fluides, das an die elektrische Maschine durch den aktiven Kühlmittelkreislauf geliefert wird, dynamisch bestimmt wird.