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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Wirkparameters einer Baueinheit nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Baueinheit nach dem Oberbegriff von Anspruch 8 und einen Elektromotor nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.
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Aus
DE 10 2015 212 685 A1 ist ein Verfahren zur Optimierung von Regelparametern eines Elektromotors bekannt. Darin werden die Regelparameter des Elektromotors in einem stationären Betrieb des Elektromotors durch einen Optimierungsalgorithmus optimiert. Vor dem Start des eigentlichen Optimierungsvorganges wird eine Initial-Parametrierung vorgenommen und als initiale Werte werden die für den jeweiligen Betriebspunkt zuvor offline mittels experimentellen oder analytischem Verfahren oder einer Finite-Elemente-Berechnung berechneten Ansteuerparameter verwendet. Diese Initial-Parametrierung bildet für den ersten Optimierungsversuch den Ausgangspunkt.
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Bei komplexen Baueinheiten in Zusammenspiel mit komplexen physikalischen Beziehungen kann eine Ermittlung von Parametern, selbst vorab und abseits von Einsatzbedingungen, oftmals schwierig sein. Ein Beispiel für einen schwierig zu ermittelnden Wirkparameter einer Baueinheit ist der Wärmeübergangskoeffizient zwischen einem ersten Wirkmittel, beispielsweise einem Festkörperbauteil und einem über den Wärmeübergangskoeffizienten mit dem Bauteil wirkverbundenen zweiten Wirkmittel, beispielsweise einem Kühlfluid. Da der Wärmeübergangskoeffizient unter anderem von der Strömungsgeschwindigkeit, der Oberflächengeometrie- und beschaffenheit und den hydrodynamischen Randbedingungen abhängt, kommt es darauf an, welcher durch diese Parameter beschriebene Betriebszustand zur Ermittlung des Wirkparameters angenommen wird.
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Es ist bekannt, Simulationen zur Ermittlung des Wirkparameters anzuwenden, bei denen ausgehend von zuvor gemessenen Zustandsgrößen eine Optimierung zur Verringerung der Abweichung zwischen den simulierten und den gemessenen Zustandsgrößen durchgeführt werden. Dabei ist es umso schwieriger, das globale Optimum über mehrere Betriebszustände hinweg zu ermitteln, je mehr Betriebszustände berücksichtigt werden und je stärker die Abhängigkeit des Wirkparameters von den Betriebszuständen ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Ermittlung eines Wirkparameters einer Baueinheit zu verbessern. Die Ermittlung des Wirkparameters soll einfacher, schneller, genauer und zuverlässiger erfolgen. Eine Baueinheit soll dadurch genauer und zuverlässiger betrieben werden können und ein Elektromotor soll dadurch effizienter, zuverlässiger und kostengünstiger sein.
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Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch ein Verfahren zur Ermittlung eines Wirkparameters einer Baueinheit mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
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Dadurch kann die Abhängigkeit von stochastischen Einflüssen auf die Zielfunktionsminimierung verringert werden. Der Wirkparameter kann damit für mehrere Betriebszustände schnell und zuverlässig ermittelt werden. Weiterhin können über den derart ermittelten Wirkparameter Kennfelder für eine Kalibrierung der Baueinheit erstellt werden, die vom dem Betriebszustand (beispielsweise einem Drehmoment, einer Drehzahl, einem Strömungszustand) abhängig sind. Diese Kennfelder können dann beispielsweise hinterlegt werden, wodurch ein echtzeitfähiges thermisches Modell der Baueinheit aufgebaut werden kann.
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Die Baueinheit kann, bevorzugt in einem Antriebsstrang, in einem Fahrzeug eingebaut sein. Die Baueinheit kann ein Elektromotor und/oder eine Kupplung sein.
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Die Kupplung kann eine reibschlüssige Verbindung zwischen einem Kupplungseingang und einem Kupplungsausgang bewirken. Der Elektromotor kann einen Antrieb des Fahrzeugs bewirken. Der Elektromotor kann durch ein Kühlfluid, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, gekühlt sein.
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Das erste und/oder zweite Wirkmittel kann jeweils ein Festkörper und/oder ein Fluid, bevorzugt ein Kühlfluid, speziell eine Kühlflüssigkeit, insbesondere zur Kühlung des Elektromotors, sein. Das erste Wirkmittel kann wenigstens ein Bauteil, insbesondere eine Wicklung, des Elektromotors sein. Das zweite Wirkmittel kann das Kühlfluid sein.
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Der Wirkparameter kann ein Wärmeübergangskoeffizient, insbesondere zwischen der Wicklung und dem Kühlfluid, sein. Der Wirkparameter kann ein Wärmeleitkoeffizient, ein Emissionsgrad und/oder ein konvektiver Wärmeübergangskoeffizient sein. Der ermittelte Wirkparameter kann zur Kalibrierung der Baueinheit verwendet werden.
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Der Betriebszustand kann durch Zustandsvariablen des ersten und/oder zweiten Wirkmittels beschreibbar sein. Die Zustandsvariablen können eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere des zweiten Wirkmittels, ein Volumenstrom eines Fluids, insbesondere des zweiten Wirkmittels, eine Drehzahl des ersten und/oder zweiten Wirkmittels, insbesondere eine Drehzahl eines Rotors des Elektromotors, ein Drehmoment und/oder ein Lastzustand der Baueinheit, insbesondere des Elektromotors, sein.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird bei erfolgter Grenzwertannäherung eine Grenzwerterweiterung zur Erweiterung des Grenzwerts als erweiterter Grenzwert vorgenommen und anschließend analog zu dem ersten Optimierungsdurchlauf ein zweiter Optimierungsdurchlauf mit dem erweiterten Grenzwert durchgeführt. Denn es hat sich gezeigt, dass der in dem ersten Optimierungsdurchlauf ermittelte Wirkparameter, beispielsweise ein Wärmeübergangskoeffizient, nicht zwingend der tatsächliche ist, wenn der zumindest eine Grenzwert das Rechengebiet der Optimierung beschränkt haben könnte.
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Der erste und/oder zweite Optimierungsdurchlauf kann jeweils mehrere Einzeldurchläufe einbeziehen. Auch kann der erste und/oder zweite Optimierungsdurchlauf aus nur einem einzelnen Einzeldurchlauf bestehen.
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In einer speziellen Ausführung der Erfindung wird bei dem ersten Optimierungsdurchlauf wenigstens ein Simulationsparameter verwendet und wenigstens der bei dem Vorzugsdurchlauf verwendete Simulationsparameter als Startwert für den zweiten Optimierungsdurchlauf verwendet, wenn die Grenzwertüberprüfung eine Grenzwertannäherung ergibt. Dadurch kann eine bessere Ausgangsposition für den zweiten Optimierungsdurchlauf auf Grundlage der bereits bei dem ersten Optimierungsdurchlauf erreichten Ergebnisse ermöglicht werden und die Optimierung kann schneller und genauer zum Minimum der Zielfunktion führen.
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In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung wird der erste Optimierungsdurchlauf abgebrochen, wenn der Zielfunktionsgradient einen Gradientenschwellwert als Abbruchbedingung unterschreitet. Dadurch kann der erste Optimierungsdurchlauf vorzeitig abgeschlossen werden und der Wirkparameter schneller und zielgerichteter ermittelt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich der erste Optimierungsdurchlauf auf einen vorgegebenen ersten Betriebszustand der Baueinheit.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung bezieht sich der zweite Optimierungsdurchlauf auf denselben ersten Betriebszustand der Baueinheit.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung verwendet der erste und/oder zweite Optimierungsdurchlauf ein heuristisches Optimierungsverfahren und/oder ein gradientenbasiertes Optimierungsverfahren. Eine Kombination aus einem heuristischen Optimierungsverfahren bei einem ersten Optimierungsdurchlauf und einem gradientenbasierten Optimierungsverfahren bei einem möglichen nachfolgenden zweiten Optimierungsdurchlauf hat sich als besonders vorteilhaft zur schnellen und genauen Ermittlung des Wirkparameters herausgestellt.
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Wenigstens eine der zuvor angegebenen Aufgaben wird weiterhin durch eine Baueinheit mit einem ersten Wirkmittel und einem über einen Wirkparameter mit dem ersten Wirkmittel wirkverbundenen zweiten Wirkmittel gelöst, wobei die Baueinheit mehrere Betriebszustände einnehmen kann und der Wirkparameter abhängig von dem Betriebszustand ist, wobei das erste Wirkmittel eine erste Zustandsgröße und das zweite Wirkmittel eine von der ersten Zustandsgröße und dem Wirkparameter abhängige zweite Zustandsgröße aufweist und der Wirkparameter durch ein Verfahren mit wenigstens einem der zuvor beschriebenen Merkmale ermittelt wird.
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Weiterhin wird wenigstens eine der Aufgaben durch einen Elektromotor mit einem drehbaren Rotor und einem wenigstens eine Statorwicklung aufweisenden Stator gelöst, wobei die Statorwicklung das erste Wirkmittel und ein die Statorwicklung umströmendes Kühlfluid ein zweites Wirkmittel bildet, das erste Wirkmittel eine erste Zustandsgröße und das zweite Wirkmittel eine von der ersten Zustandsgröße und dem Wirkparameter abhängige zweite Zustandsgröße aufweist, wobei die erste und/oder zweite Zustandsgröße eine Temperatur ist und der Wirkparameter durch ein Verfahren mit wenigstens einem der zuvor beschriebenen Merkmale ermittelt wird.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Wirkparameter ein Wärmeübergangskoeffizient. Bekanntermaßen ist der Wärmeübergangskoeffizient von mehreren Bedingungen abhängig und kann bei komplexeren Bauteilen und mehreren Betriebszuständen nur schwierig ermittelt werden. Durch das vorgeschlagene Verfahren ist jedoch eine einfache, genaue und zuverlässige Ermittlung des Wirkparameters für mehrere Betriebszustände gegeben.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
- 1: Einen Halbschnitt durch einen Elektromotor in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 2: Ein Blockdiagramm eines Verfahrens in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 3: Ein Kurvendiagramm eines ersten Optimierungsdurchlaufs eines Verfahrens in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 4: Ein Kurvendiagramm eines zweiten Optimierungsdurchlaufs eines Verfahrens in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt einen Halbschnitt durch einen Elektromotor 10 in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Der Elektromotor 10 bildet eine Baueinheit 12 und kann als Antriebselement in einem Fahrzeug angeordnet sein. Der Elektromotor 10 umfasst einen drehbaren Rotor 14 mit Permanentmagneten 15 und einen wenigstens eine Statorwicklung 16 aufweisenden Stator 18. Die Statorwicklung 16 wird von einem Kühlfluid 20, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit, umströmt. Dabei bildet die Statorwicklung 16 ein erstes Wirkmittel 22 und das Kühlfluid 20 ein zweites Wirkmittel 24 der Baueinheit 12.
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Im Betrieb des Elektromotors 10 weist das erste Wirkmittel 22 eine erste Temperatur T1 als erste Zustandsgröße C1 und das Kühlfluid eine zweite Temperatur T2 als zweite Zustandsgröße C2 auf. Ist die erste Temperatur T1 höher als die zweite Temperatur T2, kann die in der Statorwicklung 16 entstehende Wärmeenergie an das Kühlfluid 20 abgegeben und von diesem abgeführt werden. Der Wärmeübergang 26 zwischen dem ersten Wirkmittel 22 und dem zweiten Wirkmittel 24 hängt dabei von einem Wirkparameter K, insbesondere einem konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten, ab. Die zweite Zustandsgröße C2 ist damit abhängig von der ersten Zustandsgröße C1 und dem Wirkparameter K.
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Bekanntermaßen sind Wärmeübergangskoeffizienten von mehreren Bedingungen abhängig. Die Bedingungen können sich abhängig von einem Betriebszustand des Elektromotors 10 ändern. Beispielsweise können sich unterschiedliche Betriebszustände durch abweichende Zustandsvariablen des ersten und zweiten Wirkmittels 22, 24 ausdrücken. Die Zustandsvariablen können eine Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlfluids 20, ein Volumenstrom des Kühlfluids 20, eine Drehzahl des Rotors 14, ein Drehmoment und/oder ein Lastzustand des Elektromotors 10 sein. Der Wirkparameter K kann dabei von diesen und weiteren Zustandsvariablen abhängen und kann bei komplexeren Bauteilen, beispielsweise den Stirnflächen des Stators 18 und mehreren Betriebszuständen nur schwierig ermittelt werden.
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In 2 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens 110 in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Durch das Verfahren 110 kann ein Wirkparameter K einer Baueinheit 12, die ein erstes Wirkmittel 22 und ein über den Wirkparameter K mit dem ersten Wirkmittel 22 wirkverbundenes zweites Wirkmittel 24 aufweist, ermittelt werden. Die Baueinheit 12 kann mehrere Betriebszustände einnehmen und der Wirkparameter K ist abhängig von dem jeweiligen Betriebszustand. Das erste Wirkmittel 22 weist eine erste Zustandsgröße C1, beispielsweise eine erste Temperatur und das zweite Wirkmittel 24 eine von der ersten Zustandsgröße C1 und dem Wirkparameter K abhängige zweite Zustandsgröße C2, beispielsweise eine zweite Temperatur auf.
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Der Wirkparameter K wird ermittelt, indem die erste Zustandsgröße C1 als erste gemessene Zustandsgröße Cm1, beispielsweise als erste gemessene Temperatur und die zweite Zustandsgröße C2 als zweite gemessene Zustandsgröße Cm2, beispielsweise als zweite gemessene Temperatur gemessen wird und weiterhin die erste Zustandsgröße C1 als erste simulierte Zustandsgröße Cs1, beispielsweise als erste simulierte Temperatur und die zweite Zustandsgröße C1 als zweite simulierte Zustandsgröße Cs2, beispielsweise als zweite simulierte Temperatur simuliert wird.
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Die Simulation der ersten und zweiten Zustandsgröße C1, C2 schließt einen ersten Optimierungsdurchlauf 112 ein, für den zumindest ein Grenzwert G für den Wirkparameter K, die erste und/oder zweite Zustandsgröße C1, C2 festgelegt wird und bei dem die Differenz zwischen der ersten gemessenen und der ersten simulierten Zustandsgröße Cm1, Cs1 und/oder zwischen der zweiten gemessenen und der zweiten simulierten Zustandsgröße Cm2, Cs2 als Zielfunktion y gebildet wird und ein Minimum 114 der Zielfunktion y ermittelt wird.
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Der erste Optimierungsdurchlauf 112 umfasst mehrere Einzeldurchläufe 116 mit jeweiliger Minimierung 114 der Zielfunktion y. Dadurch können die stochastischen Einflüsse auf den ersten Optimierungsdurchlauf 112 verringert werden. Anschließend wird derjenige Einzeldurchlauf 116 als Vorzugsdurchlauf 118 ausgewählt, bei dem das Minimum 114 der Zielfunktion y am geringsten ist.
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Anschließend erfolgt eine Grenzwertüberprüfung 120, bei der der Vorzugsdurchlauf 118 dahingehend geprüft wird, ob eine Grenzwertannäherung erfolgte, bei der während des Einzeldurchlaufs 116 ein Abstand zu dem Grenzwert G unterschritten wurde. Ist dies nicht der Fall, dann wird der erste Optimierungsdurchlauf 112 abgeschlossen und der bei dem Vorzugsdurchlauf 118 ermittelte Wirkparameter K verwendet.
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Erfolgte hingegen eine Grenzwertannäherung, wird eine Grenzwerterweiterung 122 zur Erweiterung des Grenzwerts G als erweiterter Grenzwert Ge vorgenommen. Anschließend wird analog zu dem ersten Optimierungsdurchlauf 112 ein zweiter Optimierungsdurchlauf 124 mit dem erweiterten Grenzwert Ge anstelle dem Grenzwert G und damit einem verschobenen Rechengebiet durchgeführt. Denn es hat sich gezeigt, dass der in dem ersten Optimierungsdurchlauf 112 ermittelte Wirkparameter K nicht zwingend der tatsächliche Wirkparameter ist, wenn der wenigstens eine vorgegebene Grenzwert das Rechengebiet der Optimierung beschränkt haben könnte.
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Der erste Optimierungsdurchlauf 112 und der mögliche zweite Optimierungsdurchlauf 124 beziehen sich vorzugsweise auf einen selben vorgegebenen ersten Betriebszustand der Baueinheit. Bei dem ersten und zweiten Optimierungsdurchlauf 112, 124 wird wenigstens ein Simulationsparameter verwendet. Der bei dem Vorzugsdurchlauf 118 verwendete Simulationsparameter kann als Startwert für den zweiten Optimierungsdurchlauf 124 verwendet werden, wenn die Grenzwertüberprüfung 120 eine Grenzwertannäherung ergibt. Dadurch kann eine bessere Ausgangsposition für den zweiten Optimierungsdurchlauf 124 ermöglicht werden und die Optimierung kann schneller und genauer zum Ziel führen.
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3 zeigt ein Kurvendiagramm eines ersten Optimierungsdurchlaufs eines Verfahrens in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist die Zielfunktion y im Verlauf über die Iterationen k der Optimierung im Vergleich zwischen einem ersten Einzeldurchlauf E1, einem zweiten Einzeldurchlauf E2 und einem dritten Einzeldurchlauf E3 eines ersten Optimierungsdurchlaufs abgebildet. Dabei wird bei den jeweiligen Einzeldurchläufen beispielsweise ein heuristisches Optimierungsverfahren, insbesondere ein Partikelschwarmoptimierungsverfahren, verwendet.
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Der dritte Einzeldurchlauf E3 und damit insbesondere auch der erste Optimierungsdurchlauf wurde an dem Punkt P abgebrochen, da eine Abbruchbedingung erfüllt wurde. Die Abbruchbedingung ist beispielsweise erfüllt, wenn der Zielfunktionsgradient einen Gradientenschwellwert unterschreitet. Dadurch kann eine schnellere und zielgerichtetere Optimierung erfolgen.
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In 4 ist ein Kurvendiagramm eines zweiten Optimierungsdurchlaufs eines Verfahrens in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei ist die Zielfunktion y im Verlauf über die Iterationen k der Optimierung abgebildet. Beispielsweise wird bei dem zweiten Optimierungsdurchlauf zumindest ein in einem vorgelagerten ersten Optimierungsdurchlauf verwendeter Simulationsparameter als Startwert angesetzt. Der zweite Optimierungsdurchlauf kann aus einem einzigen Einzeldurchlauf bestehen, bei dem beispielsweise ein gradientenbasiertes Optimierungsverfahren verwendet wird. Eine Kombination aus einem heuristischen Optimierungsverfahren bei einem ersten Optimierungsdurchlauf und einem gradientenbasierten Optimierungsverfahren bei einem nachfolgenden zweiten Optimierungsdurchlauf hat sich als besonders vorteilhaft zur schnellen und genauen Ermittlung des Wirkparameters herausgestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektromotor
- 12
- Baueinheit
- 14
- Rotor
- 15
- Permanentmagnet
- 16
- Statorwicklung
- 18
- Stator
- 20
- Kühlfluid
- 22
- erstes Wirkmittel
- 24
- zweites Wirkmittel
- 110
- Verfahren
- 112
- erster Optimierungsdurchlauf
- 114
- Minimum
- 116
- Einzeldurchlauf
- 118
- Vorzugsdurchlauf
- 120
- Grenzwertüberprüfung
- 122
- Grenzwerterweiterung
- 124
- zweiter Optimierungsdurchlauf
- C1
- erste Zustandsgröße
- C2
- zweite Zustandsgröße
- Cm 1
- erste gemessene Zustandsgröße
- Cm2
- zweite gemessene Zustandsgröße
- Cs1
- erste simulierte Zustandsgröße
- Cs2
- zweite simulierte Zustandsgröße
- E1
- erster Einzeldurchlauf
- E2
- zweiter Einzeldurchlauf
- E3
- dritter Einzeldurchlauf
- G
- Grenzwert
- Ge
- erweiterter Grenzwert
- k
- Iterationen
- K
- Wirkparameter
- T1
- erste Temperatur
- T2
- zweite Temperatur
- y
- Zielfunktion
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015212685 A1 [0002]
