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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung einer mittels eines Temperaturmodells ermittelten Modelltemperatur einer elektrischen Maschine, wobei durch eine Regelung der elektrischen Maschine in Abhängigkeit einer Sollgröße wenigstens eine die elektrische Maschine betreffende Stellgröße vorgegeben wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
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Bei elektrischen Maschinen kann eine Temperatur im Inneren der elektrischen Maschine, beispielsweise eine Temperatur einer bestromten Statorwicklung der elektrischen Maschine, mittels eines Temperatursensors bestimmt werden. Durch einen solchen Temperatursensor steigen jedoch der Aufwand und die Kosten bei der Herstellung der elektrischen Maschine. Weiterhin kann beispielsweise bei als Traktionsmaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzten elektrischen Maschinen eine hohe Zuverlässigkeit der Temperaturbestimmung gefordert sein, sodass auch die Ausfallrate eines verwendeten Temperatursensors zu berücksichtigen ist. Es besteht daher ein Interesse an Methoden, mit denen eine Temperatur der elektrischen Maschine ohne Verwendung eines Temperatursensors ermittelt werden kann. Dazu sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt.
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In
US 9614472 B2 wird ein System zur Bestimmung einer Temperatur im Inneren einer elektrischen Maschine beschrieben. Dabei wird die Temperatur einer Wicklung der elektrischen Maschine über eine Messung ihres temperaturabhängigen Widerstands bestimmt.
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In
EP 1180671 A1 wird ein bürstenloser Wechselstromgenerator beschrieben, welcher eine Temperaturmesseinheit zur Ermittlung der Temperatur einer Feldwicklung umfasst. Durch die Temperaturermittlungseinheit wird aus einer Wicklungsspannung sowie einem in die Wicklung gespeisten Strom eine Temperatur der Feldwicklung ermittelt.
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Aus
DE 10 2014 200 337 A1 ist ein Verfahren zur Bestromung von Statorwicklungen einer motorisch betreibbaren Drehfeldmaschine bekannt. Die in die Statorwicklungen gespeisten Phasenströme werden dabei teilweise mit Bias-Strömen beaufschlagt, welche mittels eines vektorbasierten Verfahrens derart gestellt werden, dass sie kein Drehmoment in der elektrischen Maschine erzeugen. Der dadurch erzeugte, die Phasenströme überlagernde Gleichstrom wird anschließend zu einer Ermittlung der Temperatur der Statorwicklung über deren Widerstand herangezogen.
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Auch
US 8084984 B2 betrifft ein System zum Messen und Steuern einer Statorwicklungstemperatur in einer Wechselstrommaschine, wobei die Temperaturerfassung über den Widerstand der Wicklung mittels eines Gleichstroms bestimmt wird.
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DE 20 2016 101 853 U1 beschreibt eine elektronische Schaltung zur Erfassung der aktuellen Wicklungstemperatur von Strangwicklungen. Dabei werden ein oder mehrere Zweipole mit einer von der Temperatur abhängigen Impedanz parallel zu zwei Wicklungsanschlüssen der Strangwicklung der elektrischen Maschine geschaltet. Durch das Erfassen von Stromantworten in den Motorzuleitungen, welche von der temperaturabhängigen Impedanz abhängen, wird eine Temperatur der Strangwicklungen ermittelt.
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In
DE 10 2010 038 560 A1 wird eine Temperaturschätzung für eine Statorwicklung eines Elektromotors beschrieben. Dabei werden eine Winkelgeschwindigkeit des Motors sowie ein Gesamtleistungsverlust für jede Phase des Motos bestimmt. Über eine kombinierte thermische Impedanz für diese Phase sowie einen Statorwicklungs-Leistungsverlustanteil am Gesamtleistungsverlust werden anschließend die Temperaturen der Statorwicklungen geschätzt. Die kombinierte thermische Impedanz weist dabei eine erste thermische Impedanz zwischen der Statorwicklung und dem Statorkern sowie eine zweite thermische Impedanz zwischen dem Statorkern und dem Motorkühlmittel auf.
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In
US 7340968 B2 wird die Temperatur eines rotierenden Magneten in einer elektrischen Maschine über die Messung der temperaturabhängigen elektromotorischen Kraft bestimmt.
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Auch in
DE 3 736 303 T2 erfolgt die Messung einer Temperatur eines bürstenlosen Gleichstrommotors mittels eines Integrals der elektromotorischen Kraft in einer unbestromten Wicklung.
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Aus
DE 10 2014 016 452 B4 ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Statorwicklungstemperatur einer elektrischen Maschine bekannt. Dabei wird in einem Leerlauf der elektrischen Maschine der magnetische Fluss im Inneren der elektrischen Maschine bestimmt. Bei einem aktiven Kurzschluss der elektrischen Maschine wird aus dem Fluss und dem fließenden Kurzschlussstrom die Temperatur der Statorwicklung ermittelt. Diese Temperatur wird anschließend als Starttemperatur für ein Temperaturmodell der elektrischen Maschine verwendet, über das die Temperatur der elektrischen Maschine in unterschiedlichen Betriebspunkten berechnet werden kann.
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Neben der Ermittlung der Temperatur der elektrischen Maschine über die Messung von temperaturabhängigen Größen in der elektrischen Maschine ist auch eine Temperaturbestimmung mittels eines Temperaturmodells der elektrischen Maschine möglich. Mit dem Temperaturmodell kann während eines Betriebes der elektrischen Maschine jeweils eine Modelltemperatur der elektrischen Maschine ermittelt werden. Um eine möglichst genau der tatsächlichen Temperatur der elektrischen Maschine entsprechende Modelltemperatur zu erhalten, ist es von hoher Bedeutung, dass die Modellannahmen für das Temperaturmodell korrekt sind. Dabei ist es wünschenswert, wenn eine Überprüfung der Modellannahmen bzw. der auf deren Grundlage ermittelten Modelltemperatur möglichst aufwandsarm und insbesondere ohne Verwendung von Temperatursensoren möglich ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Überprüfung einer mittels eines Temperaturmodells ermittelten Modelltemperatur einer elektrischen Maschine anzugeben, welches insbesondere aufwandsarm umsetzbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangsgenannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in Abhängigkeit der Sollgröße und der Modelltemperatur aus einem wenigstens einen temperaturabhängigen Parameter umfassenden Maschinenmodell ein Modellwert der Stellgröße ermittelt wird, wobei eine Differenz zwischen der tatsächlichen Stellgröße der Regelung und dem Modellwert der Stellgröße und/oder eine Differenz zwischen einer aus der tatsächlichen Stellgröße der Regelung abgeleiteten Größe und einer korrespondierend aus dem Modellwert der Stellgröße abgeleiteten weiteren Größe ermittelt wird, wobei die Differenz mit einem Grenzwert verglichen wird und bei Überschreiten des Grenzwerts eine Abweichung der Modelltemperatur von einer tatsächlichen Temperatur der elektrischen Maschine detektiert wird.
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Die Regelung der elektrischen Maschine erzeugt in Abhängigkeit einer vorgegebenen Sollgröße eine Stellgröße, welche auf die elektrische Maschine wirkt, um eine Regelgröße entsprechend der vorgegebenen Sollgröße einzustellen. Durch die Reglung können dabei vorteilhaft auf die elektrische Maschine einwirkende Störungen kompensiert werden, ohne dass eine konkrete Messung der jeweiligen Störgröße erforderlich ist. Dadurch werden bei der Regelung der elektrischen Maschine auch temperaturabhängige Effekte berücksichtigt, welche Eingang in die von der Regelung ermittelte Stellgröße finden. Die von der Regelung ermittelte Stellgröße hängt somit zumindest teilweise von der Temperatur der elektrischen Maschine bzw. von der Temperatur einer Komponente der elektrischen Maschine, auf die die Stellgröße wirkt, ab.
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Neben der tatsächlichen Stellgröße, welche von der Reglung erzeugt wird, wird erfindungsgemäß weiterhin ein Modellwert der Stellgröße unter Verwendung des wenigstens einen temperaturabhängigen Parameter umfassenden Maschinenmodels ermittelt. Als Temperatur für das Maschinenmodell wird dabei die zu überprüfende Modelltemperatur, welche über das Temperaturmodell bestimmt wurde, verwendet. Der Modellwert der mittels des Maschinenmodells bestimmten Stellgröße entspricht dabei dem Wert der tatsächlichen Stellgröße, wenn die durch den wenigstens einen temperaturabhängigen Parameter in dem Maschinenmodell eingehende Modelltemperatur der tatsächlichen Temperatur der elektrischen Maschine entspricht.
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Dies bedeutet, dass bei einer Abweichung der Modelltemperatur von der tatsächlichen Temperatur der elektrischen Maschine eine Abweichung des Modellwerts der Stellgröße von der tatsächlichen Stellgröße auftritt. Diese Abweichung wird dadurch ermittelt, dass eine Differenz aus der tatsächlichen Stellgröße der Regelung und dem Modellwert der Stellgröße gebildet wird, wobei die Differenz mit einem Grenzwert verglichen wird. Bei Überschreiten des Grenzwerts kann entsprechend eine Abweichung der Modelltemperatur von der tatsächlichen Temperatur der elektrischen Maschine detektiert werden.
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Zusätzlich oder alternativ dazu ist es möglich, aus der tatsächlichen Stellgröße und aus dem Modellwert der Stellgröße jeweils eine abgeleitete, weitere Größe zu ermitteln, wobei die Differenz der aus der tatsächlichen Stellgröße abgeleiteten, weiteren Größe und der aus dem Modellwert der Stellgröße abgeleiteten, weiteren Größe jeweils ebenfalls mit einem Grenzwert verglichen wird. Entsprechend kann ein Abweichen der Modelltemperatur von der tatsächlichen Temperatur auch bei einem Überschreiten dieses Grenzwerts detektiert werden.
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Ein zum Vergleich mit der Differenz zwischen der tatsächlichen Stellgröße und dem Modellwert der Stellgröße verwendeter Grenzwert kann dabei gleich oder unterschiedlich zu dem Grenzwert sein, mit dem die Differenz aus den jeweils abgeleiteten weiteren Größen verglichen wird. Die Grenzwerte können dabei jeweils null oder größer sein, wobei insbesondere jeweils ein Betrag der Differenz mit dem zugehörigen Grenzwert verglichen wird. Die Verwendung eines Grenzwerts größer null kann bei der Überprüfung der Modelltemperatur vorteilhaft weitere, auf die Regelstrecke wirkende Störgrößen und/oder nicht im Maschinenmodell modellierte Effekte kompensieren.
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Das Maschinenmodell beschreibt insbesondere eine Abhängigkeit der Stellgröße von der Sollgröße unter Berücksichtigung wenigstens eines temperaturabhängigen Parameters der elektrischen Maschine und kann dazu wenigstens eine Rechenvorschrift umfassen. In das Maschinenmodell können dabei weitere, auch nicht temperaturabhängige Parameter eingehen, wenn diese für eine Bestimmung bzw. Berechnung des Modellwerts der Stellgröße aus der Sollgröße erforderlich sind. Die Art der Parameter und/oder die wenigstens eine, die Abhängigkeit der Stellgröße von der Sollgröße beschreibende Rechenvorschrift können sich dabei nach dem Typ bzw. der Bauart der elektrischen Maschine sowie nach der verwendeten Stellgröße und der verwendeten Sollgröße richten.
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Die zu überprüfende Modelltemperatur wird mittels eines Temperaturmodells bestimmt, welches insbesondere auf Grundlage von Betriebsparametern der elektrischen Maschine eine Temperatur der elektrischen Maschine auf Grundlage wenigstens einer Rechenvorschrift berechnet. Dabei können insbesondere Betriebsparameter, welche einen signifikanten Einfluss auf die Temperatur der elektrischen Maschine haben, berücksichtigt werden. Dies können zum Beispiel ein Statorstrom, ein Strom in einer Erregerwicklung, ein Drehmoment der elektrischen Maschine und/oder eine Drehzahl der elektrischen Maschine sein. Weiterhin können auch die Betriebsdauer der elektrischen Maschine bzw. die jeweils während der Betriebsdauer in der elektrischen Maschine umgesetzten Leistungen berücksichtigt werden.
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Das Temperaturmodell kann insbesondere auch die Kühlungsleistung einer mit der elektrischen Maschine verbundenen Kühleinrichtung berücksichtigen bzw. berechnen und/oder Wärmeflüsse aus der elektrischen Maschine in die Kühleinrichtung bestimmen. Dazu können beispielsweise Betriebsparameter der Kühleinrichtung, wie eine Kühlwassertemperatur und/oder eine geförderte Kühlmittelmenge, berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann die Temperatur der elektrischen Maschine abhängig von ihren bisherigen Betriebspunkten sowie abhängig von den Betriebspunkten des Kühlsystems als Modelltemperatur ermittelt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass keine weiteren Sensoren zur Ermittlung der Temperatur eingesetzt werden müssen, um die Korrektheit der Modelltemperatur zu überprüfen. Für die Ermittlung der Stellgröße ist es ausreichend, die ohnehin bereits zur Regelung vorhandenen Sensoren zu verwenden. Dies können beispielsweise bei einer über einen Wechselrichter und einer Batterie betriebenen elektrischen Maschine die Spannung eines Gleichspannungszwischenkreises und/oder die in der elektrischen Maschine fließenden Phasenströme sein, welche zum Beispiel in einer Stromregelung verwendet werden können. Auch für das Maschinenmodell können vorteilhaft anderweitig ermittelte und/oder hinterlegte Parameter verwendet werden, sodass für die Ermittlung des Modellwerts der Stellgröße vorteilhaft keine Sensoren eingesetzt werden müssen.
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Durch das Verfahren wird vorteilhaft ermöglicht, dass zur Überprüfung des Temperaturmodells bzw. der mittels des Temperaturmodells ermittelten Modelltemperatur keine weiteren Sensoren, beispielsweise in einem mit der elektrischen Maschine gekoppelten Kühlsystem, verwendet werden müssen, um fehlerhafte Modelltemperaturen zu erkennen. Die Verwendung weiterer Temperatursensoren und/oder Drucksensoren in dem Kühlsystem zur Überprüfung der Funktion des Kühlsystems hat den Nachteil, dass diese Sensoren den ursprünglichen Kostenvorteil durch einen Entfall eines Temperatursensors in der elektrischen Maschine zumindest teilweise reduzieren und erneut fehleranfällige Sensoren in das Gesamtsystem einführen.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die durch das Temperaturmodell ermittelte Modelltemperatur zu überprüfen, das heißt die Übereinstimmung der ermittelten Modelltemperatur mit einer tatsächlichen Temperatur der elektrischen Maschine zu überprüfen. Bei Feststellung einer Abweichung der Modelltemperatur von der tatsächlichen Temperatur kann beispielsweise von einer zur Durchführung des Verfahrens ausgebildeten Steuereinrichtung eine Fehlerinformation erzeugt werden, welche auf die Abweichung, insbesondere auf eine zu hohe tatsächliche Temperatur der elektrischen Maschine, hinweist. Diese Fehlerinformation kann einem Benutzer der elektrischen Maschine kenntlich gemacht werden und/oder an weitere Steuergeräte, bzw. innerhalb eines die elektrische Maschine umfassenden Kraftfahrzeugs, übermittelt werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass als Sollgröße ein Sollstrom verwendet wird und/oder dass als Stellgröße eine Stellspannung verwendet wird. Durch die Regelung kann folglich in Abhängigkeit eines vorgegebenen Sollstroms wenigstens eine Stellspannung erzeugt werden, welche auf die elektrische Maschine wirkt. Durch die Stellspannung wird in der elektrischen Maschine ein Stromfluss entsprechend der vorgegebenen Sollgröße erzeugt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Stellgröße verwendet wird, welche auf eine Wicklung der elektrischen Maschine, insbesondere eine Statorwicklung oder eine Rotorwicklung der elektrischen Maschine, wirkt. Bei der Wicklung der elektrischen Maschine kann es sich um eine einphasige oder um eine mehrphasige Wicklung handeln. Die Stellgröße kann dabei insbesondere eine einphasige oder mehrphasige Stellspannung sein, welche über der Wicklung bzw. den einzelnen Phasen der Wicklung abfällt. Als Temperatur der elektrischen Maschine kann bevorzugt die Temperatur der Wicklung, insbesondere die Temperatur einer Statorwicklung und/oder einer Rotorwicklung, ermittelt werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass als aus der tatsächlichen Stellgröße der Regelung abgeleitete Größe und/oder als korrespondierend aus dem Modellwert der Stellgröße abgeleitete, weitere Größe eine Strangspannung der Wicklung verwendet wird. Abhängig von der Art bzw. der Ausführung der Regelung kann aus der von der Regelung erzeugten Stellgröße eine Strangspannung als weitere Größe abgeleitet werden. Dies ist insbesondere möglich, wenn als Stellgröße eine Stellspannung verwendet wird, welche auf eine mehrphasige Wicklung der elektrischen Maschine wirkt und dort jeweils als Strangspannung über den einzelnen Phasen der Wicklung abfällt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Regelung mittels einer feldorientierten Regelung erfolgt und/oder dass mittels des Maschinenmodells wenigstens eine zu der Stellgröße der feldorientierten Regelung korrespondierende Größe ermittelt wird. Beispielsweise ist es möglich, dass die Regelung in Abhängigkeit eines Sollstroms mittels einer feldorientierten Regelung als Stellgrößen die Spannungen UD und UQ ermittelt, welche auf eine mehrphasige Wicklung der elektrischen Maschine wirken. Aus den Stellgrößen UD und UQ kann die Strangspannung in der mehrphasigen Wicklung ermittelt werden, sodass die Strangspannung als aus der Stellgröße abgeleitete, weitere Größe verwendet werden kann.
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Entsprechend kann mittels des Maschinenmodells ebenfalls unter Verwendung der zu überprüfenden Modelltemperatur sowie des Sollstroms die für die gegebene Modelltemperatur zu erwartende Strangspannung ermittelt werden. Dies kann beispielsweise dadurch umgesetzt werden, dass durch das Maschinenmodell ebenfalls Modellwerte für UD und UQ bestimmt werden, aus denen entsprechend ein Modellwert der Strangspannung als korrespondierende Größe abgeleitet wird. Wie vorrangehend beschrieben wurde, kann anschließend eine Differenz zwischen der über das Modell ermittelten Strangspannung sowie der aus der tatsächlichen Stromgröße der Regelung ermittelten Strangspannung gebildet und mit einem Grenzwert verglichen werden.
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Als Temperaturmodell kann erfindungsgemäß ein Modell eines thermischen Netzwerks, welches die elektrische Maschine und wenigstens eine Kühleinrichtung umfasst, verwendet werden. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass durch die Überprüfung der Modeltemperatur des Temperaturmodells auch eine Überprüfung der Funktion der Kühleinrichtung möglich ist. Innerhalb des Temperaturmodells wird von einer korrekten Funktion der Kühleinrichtung ausgegangen, wobei die Kühlleistung er Kühleinrichtung maßgeblichen Einfluss auf die Temperatur der elektrischen Maschine hat. Bei einer zumindest im Wesentlichen mit der tatsächlichen Temperatur übereinstimmenden Modelltemperatur bleibt die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Differenz unterhalb des Grenzwerts, sodass von einer korrekten Funktion der Kühleinrichtung ausgegangen werden kann. In einem als thermisches Netzwerk ausgebildeten Temperaturmodell können insbesondere die Wärmeentstehung in der elektrischen Maschine sowie die Wärmeflüsse in und aus der elektrischen Maschine, insbesondere in das Kühlsystem, berechnet und zur Ermittlung der Modelltemperatur berücksichtigt werden. Dabei können, wie eingangs beschrieben wurde, auch die Betriebsparameter der elektrischen Maschine und/oder des Kühlsystems berücksichtigt werden und in die Ermittlung der Modelltemperatur eingehen.
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Da ein Abweichen der tatsächlichen Temperatur der elektrischen Maschine von der unter Annahme der korrekten Funktionsweise der Kühleinrichtung ermittelten Modelltemperatur der elektrischen Maschine bedeuten kann, dass durch die Kühleinrichtung keine oder nur eine verringerte Kühlleistung erzeugt wird, kann durch das Bestimmen der Korrektheit der ermittelten Modelltemperatur der elektrischen Maschine auch auf die korrekte Funktionsweise der Kühleinrichtung geschlossen werden. Diese ermöglicht es vorteilhaft, auch den Zustand der gesamten Kühleinrichtung zu überprüfen. Vorteilhaft kann auf diese Weise ein Fehlerfall in der Kühleinrichtung, zum Beispiel der Ausfall einer nicht diagnosefähigen Kühlmittelpumpe und/oder das Verstopfen eines Kühlmittelzulaufs in der Kühleinrichtung und/oder der elektrischen Maschine, detektiert werden, da in einem solchen Fall von einem Anstieg der tatsächlichen Temperatur gegenüber der Modelltemperatur ausgegangen werden kann.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass als temperaturabhängiger Parameter des Maschinenmodells ein Wicklungswiderstand und/oder ein temperaturabhängiger magnetischer Fluss verwendet wird. Welche oder wie viele temperaturabhängigen Parameter in dem Maschinenmodell verwendet werden, kann auch von der Art und dem Typ der elektrischen Maschine, von der Art der verwendeten Stellgröße bzw. von der Ermittlung des Modellwerts der Stellgröße abhängen und/oder von den jeweiligen, signifikant temperaturabhängigen Effekte der elektrischen Maschine abhängig gemacht werden.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Differenz nur ermittelt wird, wenn die Stellgröße und/oder der Modellwert der Stellgröße einen Grenzwert überschreiten. Dies ermöglicht es, dass in einem Betriebszustand der elektrischen Maschine, in dem eine Stellgröße mit nur einer sehr kleinen Amplitude vorliegt, keine Ermittlung der Differenz vorgenommen wird, wenn aufgrund der kleinen Stellgröße bzw. des kleinen Modellwerts der Stellgröße ein Unterschreiten des mit der Differenz zu vergleichenden Grenzwerts nicht möglich und/oder nicht aussagekräftig ist. Dabei kann insbesondere für die Stellgröße und den Modellwert der Stellgröße jeweils ein eigener Grenzwert verwendet werden. Weiterhin kann dieser der Stellgröße bzw. dem Modellwert der Stellgröße zugeordnete Grenzwert verschieden sein von dem Grenzwert, welcher mit der Differenz aus der Stellgröße und dem Modellwert der Stellgröße und/oder der Differenz aus den jeweils aus diesen Größen abgeleiteten, weiteren Größen verglichen wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass fortlaufend während des Betriebs der elektrischen Maschine zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Stellgröße der Regelung, der Modellwert der Stellgröße aus dem Maschinenmodell und die Differenz ermittelt werden, wobei eine Fehlerinformation, welche eine Abweichung der Modelltemperatur von einer tatsächlichen Temperatur der elektrischen Maschine beschreibt, erzeugt wird, wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls eine vorgegebene Anzahl an ermittelten Differenzen jeweils den Grenzwert überschreiten.
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Die Fehlerinformation kann dann von einer das erfindungsgemäße Verfahren durchführenden Steuereinrichtung an einen Benutzer der elektrischen Maschine ausgegeben und/oder an ein weiteres Steuergerät übermittelt werden.
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Die Fehlerinformation kann anschließend bei Betrieb der elektrischen Maschine bzw. bei Betrieb eines die elektrische Maschine umfassenden Kraftfahrzeugs verwendet und/oder berücksichtigt werden. Beispielsweise können aufgrund der Fehlerinformation eine Warnung ausgegeben werden und/oder es kann die Sollgröße reduziert werden, um eine weitere Erwärmung der elektrischen Maschine zu verhindern.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass als elektrische Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine, eine fremderregte Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine verwendet wird. Das Verfahren kann dabei bei verschiedenen Typen von elektrischen Maschinen durchgeführt werden, wobei das jeweils verwendete Maschinenmodell entsprechend an den Typ der verwendeten Elektromaschine angepasst werden kann.
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Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es wenigstens eine elektrische Maschine, eine Steuereinrichtung sowie eine Regelung, durch welche in Abhängigkeit einer Sollgröße eine die elektrische Maschine betreffende Stellgröße ermittelbar ist, umfasst, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine ein Traktionselektromotor des Kraftfahrzeugs ist und/oder dass die elektrische Maschine mit einer Kühleinrichtung, insbesondere einem Kühlmittelkreislauf, des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist.
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Sämtliche vorangehend in Bezug zu dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen treffen analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zu. Entsprechend treffen die in Bezug zu dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen auch auf das erfindungsgemäße Verfahren zu.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
- 2 ein erstes Blockdiagramm zur Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 3 ein zweites Blockdiagramm zur Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst eine elektrische Maschine 2 als Traktionselektromotor. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst weiterhin einen elektrischen Energiespeicher 3, welcher mit der elektrischen Maschine 2 über eine Leistungselektronik 4 verbunden ist. Durch die Leistungselektronik 4 kann ein dem Energiespeicher 3 entnommener Gleichstrom in einen Wechselstrom zum Bestromen der elektrischen Maschine 2 umgewandelt werden. Der Energiespeicher 3 kann zum Beispiel als eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildet sein.
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Durch die Leistungselektronik 4 kann ein Wechselstrom zum Bestromen beispielsweise einer Statorwicklung der elektrischen Maschine 2 erzeugt werden. Aufgrund des durch die Leistungselektronik 4 in der elektrischen Maschine 2 erzeugten Statorstroms kann sich die elektrische Maschine 2 bei Betrieb erwärmen. Die elektrische Maschine 2 ist daher mit einer Kühleinrichtung 5 des Kraftfahrzeugs 1 gekoppelt, wobei in der elektrischen Maschine 2 entstehende Wärme über die Kühleinrichtung 5 abgeführt werden kann. Die Kühleinrichtung 5 ist vorliegend nur schematisch dargestellt und kann insbesondere neben der elektrischen Maschine 2 auch weitere Komponenten des Kraftfahrzeugs 1, zum Beispiel den Energiespeicher 3 und/oder die Leistungselektronik 4, kühlen.
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Das Kraftfahrzeug 1 umfasst weiterhin eine Regelungseinrichtung 6, welche zu einer Regelung der elektrischen Maschine 2 eingerichtet ist. Die Regelungseinrichtung 6 erzeugt dabei eine die elektrische Maschine 2 betreffende Stellgröße in Abhängigkeit einer vorgegebenen Sollgröße. Zum Beispiel kann die Regelungseinrichtung 6 in Abhängigkeit eines Sollstroms eine Stellspannung als Stellgröße erzeugen. Bei der Stellspannung kann es sich zum Beispiel um eine dreiphasige Wechselspannung handeln, sodass eine dreiphasige Statorwicklung der elektrischen Maschine 2 bestromt werden kann. Der Sollstrom kann zum Beispiel von einem Motorsteuergerät (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs 2 ermittelt und an die Regelungseinrichtung 6 übermittelt werden.
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Das Kraftfahrzeug 1 umfasst weiterhin eine Steuereinrichtung 7, welche mittels eines in der Steuereinrichtung 7 hinterlegten Temperaturmodells der elektrischen Maschine 2 eine Modelltemperatur der elektrischen Maschine 2 ermittelt. Als Temperaturmodell kann dabei ein Modell eines thermischen Netzwerks, welches die elektrische Maschine 2 sowie die Kühleinrichtung 5 umfasst, verwendet werden.
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Durch das Temperaturmodell ist es möglich, abhängig von verschiedenen Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs 1, insbesondere von Betriebsparametern der elektrischen Maschine 2, des Energiespeichers 3 und/oder der Leistungselektronik 4, eine Temperatur der elektrischen Maschine 2 zu modellieren. Bei der Temperatur der elektrischen Maschine 2 kann es sich zum Beispiel um eine Wicklungstemperatur der Statorwicklung der elektrischen Maschine 2 handeln, welche von der Leistungselektronik 4 nach Vorgabe der Regelungseinrichtung 6 mit einer Stellspannung beaufschlagt wird.
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Zur Ermittlung der Modelltemperatur kann das Temperaturmodell neben Betriebsparametern der elektrischen Maschine 2, wie einem Statorstrom, einem Strom in einer Erregerwicklung, einem Drehmoment der elektrischen Maschine und/oder einer Drehzahl der elektrischen Maschine, auch Betriebsparameter des Kühlsystems 5 berücksichtigen. Weiterhin können auch die Betriebsdauer der elektrischen Maschine 2 bzw. die jeweils während der Betriebsdauer in der elektrischen Maschine 2 umgesetzten Leistungen berücksichtigt werden, da diese wesentlichen Einfluss auf die Wärmeerzeugung in der elektrischen Maschine 2 und somit auch auf deren Temperatur haben. Durch die Beschreibung des thermischen Netzwerks, welches wenigstens die elektrische Maschine 2 sowie die Kühleinrichtung 5 umfasst, können die Wärmerzeugung in der elektrischen Maschine sowie die Wärmeflüsse zu bzw. aus der elektrischen Maschine 2, insbesondere in das Kühlsystem 5, berechnet und zu einer Ermittlung der Modelltemperatur herangezogen werden.
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Dazu kann das Temperaturmodell eine oder mehrere Rechenvorschriften umfassen, welche zum Beispiel in der Steuerungseinrichtung 7 hinterlegt sein können. Die für die Berechnung der Modelltemperatur erforderlichen Betriebsparameter der elektrischen Maschine 2, des Kühlsystems 5 und/oder weiterer Komponenten wie des Energiespeichers 3 oder der Leistungselektronik 4 können dabei von den jeweiligen Komponenten und/oder von mit den Komponenten verbundenen Steuergeräten an die Steuereinrichtung 7 übermittelt werden. Um die mittels des Temperaturmodells ermittelte Modelltemperatur hinsichtlich ihrer Korrektheit zu überprüfen, ist die Steuereinrichtung 7 weiterhin dazu eingerichtet, ein Verfahren zur Überprüfung der mittels des Temperaturmodels ermittelten Modeltemperatur der elektrischen Maschine 2 vorzunehmen.
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Dazu ermittelt die Steuereinrichtung 7 in Abhängigkeit der Sollgröße der durch die Regelungseinrichtung 6 umgesetzten Regelung und der aus dem Temperaturmodell ermittelten Modelltemperatur unter Verwendung eines wenigstens einen temperaturabhängigen Parameter umfassenden Maschinenmodells einen Modellwert der Stellgröße. Die jeweils aktuelle Sollgröße, welche von der Regelungseinrichtung 6 verwendet wird, kann dazu von der Regelungseinrichtung 6 bzw. dem Motorsteuergerät des Kraftfahrzeugs 2 an die Steuereinrichtung 7 übermittelt werden. Weiterhin wird von der Regelungseinrichtung 6 die jeweils in Abhängigkeit der Sollgröße erzeugte Stellgröße an die Steuereinrichtung 7 übermittelt. Es ist möglich, dass die Regelungseinrichtung 6 und die Steuereinrichtung 7 in einem gemeinsamen Steuergerät realisiert sind.
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Weiterhin ist die Steuereinrichtung 7 dazu eingerichtet, eine Differenz zwischen der tatsächlichen Stellgröße der Regelung und dem Modellwert der Stellgröße zu ermitteln, wobei die Differenz mit einem Grenzwert verglichen wird. Bei Überschreiten des Grenzwerts wird von der Steuereinrichtung 7 eine Abweichung der Modelltemperatur von der tatsächlichen Temperatur der elektrischen Maschine 2 detektiert.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuereinrichtung 7 dazu eingerichtet sein, aus der tatsächlichen Stellgröße und den Modellwert der Stellgröße jeweils eine abgeleitete, weitere Größe zu ermitteln, wobei eine Differenz zwischen der aus der tatsächlichen Stellgröße der Regelung abgeleiteten, weiteren Größe und der korrespondierend aus dem Modellwert der Stellgröße abgeleiteten weiteren Größe mit einem Grenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreiten des Grenzwerts eine Abweichung der Modelltemperatur von einer tatsächlichen Temperatur der elektrischen Maschine detektiert wird.
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Die Steuereinrichtung 7 benutzt dabei den Effekt, dass durch die Regelung eine Temperatur der elektrischen Maschine 2, beispielsweise eine Wicklungstemperatur, in die Ermittlung der Stellgröße einfließt. Durch den Vergleich des Modellwerts der Stellgröße, welcher sich aus der zu überprüfenden Modelltemperatur ergibt, mit der tatsächlichen Stellgröße kann ermittelt werden, ob die Modelltemperatur mit der tatsächlichen Temperatur zumindest im Wesentlichen übereinstimmt oder ob eine den Grenzwert überschreitende Abweichung zwischen dem Modellwert der Stellgröße und der tatsächlichen Stellgröße vorliegt.
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Auf diese Weise ist eine Überprüfung der Modelltemperatur ohne Temperaturmessung in der elektrischen Maschine 2 möglich. Vorteilhaft kann durch die Überprüfung der Modelltemperatur auch die Funktionsweise der Kühleinrichtung 5 überprüft werden, da im Fall einer unzureichenden Kühlung der elektrischen Maschine 2 durch die Kühleinrichtung 5, beispielsweise im Folge eines Ausfalls einer Kühlmittelpumpe und/oder einer Verstopfung eines Kühlmittelkanals in der Kühleinrichtung 5 und/oder in der elektrischen Maschine 2, eine Erwärmung der elektrischen Maschine 2 auftritt, welche die aus dem von einer korrekten Funktionsweise des Kühlkreislaufs 5 ausgehenden Temperaturmodell ermittelte Temperatur übersteigt.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel des von der Steuereinrichtung 7 durchgeführten Verfahrens zur Überprüfung der Modeltemperatur der elektrischen Maschine 2 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 2 als eine permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt.
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Durch die Regelungseinrichtung 6 wird im Rahmen einer Stromregelung eine dreiphasige Statorwicklung der permanenterregten Synchronmaschine bestromt, wobei die Stromregelung als feldorientierte Regelung erfolgt. Durch die Regelungseinrichtung 6 wird in Abhängigkeit eines vorgegebenen Sollstroms eine dreiphasige Wicklungsspannung für die Statorwicklung der elektrischen Maschine 2 ermittelt. Diese wird im Rahmen der feldorientierten Regelung durch die Spannungen UD und UQ beschrieben.
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In dem in
2 dargestellten Blockdiagramm 8 des von der Steuereinrichtung 7 durchgeführten Verfahrens stellen die tatsächlichen Stellgrößen U
D,t und U
Q,t den Eingang des Abschnitts 9 dar, in dem eine tatsächliche Strangspannung U
S,t aus den Stellgrößen U
D,t und U
Q,t gemäß
ermittelt wird. Ferner wird in dem dargestellten Teil 10 des Abschnitts 9 ein Grenzwertvergleich mit einem ersten Grenzwert U
th,1 durchgeführt, um die Ermittlung der Strangspannung U
S,t bei sehr kleinen Spannungen zu vermeiden. Dieser Grenzwertvergleich kann auch an andere Stelle im Abschnitt 9, beispielsweise nach der Wurzelbildung und/oder vor der Quadrierung der Stellgrößen U
D,t und U
Q,t, vorgenommen werden, wobei der absolute Wert des Grenzwerts U
th,1 entsprechend angepasst werden kann.
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In einem weiteren Abschnitt 11 des Blockdiagramms 8 ist ein Maschinenmodell der als permanenterregten Synchronmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine 2 dargestellt. Eingangsgrößen des Maschinenmodells stellen der Widerstand der Statorwicklung Rs, die Längskomponente des Sollstromes Isoll,D, die Querkomponente des Sollstroms Isoll,Q, die Längsinduktivität LD der elektrischen Maschine 2, die Querinduktivität LQ der elektrischen Maschine 2, die elektrische Kreisfrequenz ω der Statorgrößen in der elektrischen Maschine 2 sowie der magnetische Fluss Ψ in der elektrischen Maschine dar. Dabei stellt der Statorwiderstand Rs einen temperaturabhängigen Parameter der elektrischen Maschine 2 bzw. der über die Regelungseinrichtung 6 bestromten Statorwicklung dar. Auch der magnetische Fluss Ψ, welcher von den Permanentmagneten eines Rotors der elektrischen Maschine erzeugt wird, kann als temperaturabhängiger Parameter verwendet werden.
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Aus den Eingangsgrößen des Maschinenmodells werden Modellwerte U
D,m und U
Q,m der Stellgrößen U
D,t und U
Q,t berechnet. Wie in dem Blockdiagramm 8 dargestellt ist, erfolgt dies über die Formeln
und
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Aus den modellierten Stellgrößen UD,m und UQ,m wird jeweils als abgeleitete Größe ein Modellwert der Strangspannung Us,m errechnet. Die Berechnung erfolgt dabei analog zu der Berechnung des der tatsächlichen Strangspannung US,t in Abschnitt 9. Analog zu dem Grenzwertvergleich in Abschnitt 10 wird in Abschnitt 12 ebenfalls ein Grenzwertvergleich der ermittelten, abgeleiteten Größe mit einem zweiten Grenzwert Uth,2 durchgeführt.
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Im Block 13 erfolgt die Bildung einer Differenz ΔUs aus der tatsächlichen Strangspannung US,t und dem Modellwert der Strangspannung Us,m. In Abschnitt 14 wird anschließend der Betrag der Differenz ΔUs mit einem dritten Grenzwert Uth,3 verglichen. Bei Überschreiten des Grenzwerts Uth,3 wird eine entsprechende Information an Block 15 weitergeleitet.
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In Block 15 wird für die Dauer eines vorgegeben Zeitabschnitts die Häufigkeit der Grenzwertüberschreitungen in Abschnitt 14 gezählt. Während dieses Zeitabschnitt werden fortlaufend die tatsächliche Strangspannung US,t und die modellierte Strangspannung US,m ermittelt, die Differenz ΔUs bestimmt und mit dem Grenzwert Uth,3 verglichen. Wenn innerhalb des vorgegebenen Zeitabschnitts eine vorgegebene Häufigkeit der Grenzwertüberschreitungen festgestellt wurde, wird durch die Steuereinrichtung 7 in Block 16 eine Fehlerinformation erzeugt.
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Die Fehlerinformation beschreibt dabei ein Abweichen der tatsächlichen Temperatur der elektrischen Maschine 2 vor der mittels des Temperaturmodells ermittelten Modelltemperatur. Beispielsweise kann bei Vorliegen der Fehlerinformation die Regelung der elektrischen Maschine 2 durch die Regelungseinrichtung 6 angepasst werden. Es ist auch möglich, dass die Fehlerinformation an weitere Steuereinrichtungen des Kraftfahrzeugs 1 übermittelt wird, welche beispielsweise eine Warnung an einen Fahrer ausgeben und/oder weitere Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs 1 ändern, um insbesondere eine fortschreitende Erwärmung der elektrischen Maschine 2 zu verhindern und/oder eine ein Absinken der Temperatur der elektrischen Maschine 2 zu bewirken.
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In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines von der Steuereinrichtung 7 durchgeführten Verfahrens in einem weiteren Blockdiagramm 17 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 2 als eine Asynchronmaschine ausgeführt. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel wird durch die Regelungseinrichtung 2 in einer feldorientierten Regelung in Abhängigkeit eines vorgegebenen Sollstroms eine Statorspannung erzeugt, welche an einer dreiphasigen Statorwicklung der Asynchronmaschine anliegt. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel wird dabei in den Blöcken 9 und 10 aus den durch die Regelungseinrichtung 6 ermittelten Stellgrößen UD,t und UQ,t die tatsächliche Strangspannung US,t ermittelt.
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In einem Abschnitt 18 des Blockdiagramms 17 ist ein zur Ausführung der elektrischen Maschine 2 als Asynchronmaschine korrespondierendes Maschinenmodell dargestellt. Die Eingangsgrößen des Modells stellen dabei der Widerstand der Statorwicklung Rs, die Längskomponente des Sollstroms Isoll,D, die Querkomponente des Sollstroms Isoll,Q, die elektrische Frequenz ω der Zirkulation der Ströme im Stator der elektrischen Maschine 2, der Hauptfluss ΨH sowie die Streuinduktivität Ls der Asynchronmaschine dar.
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Aus diesen Eingangsgrößen wird gemäß der Formeln
und
ein Modelwert U
D,m der Stellgröße U
D und ein Modellwert U
Q,m der Stellgröße U
Q ermittelt. Als temperaturabhängige Parameter in dem Maschinenmodell werden dabei die temperaturabhängige Statorwicklung Rs und/oder der temperaturabhängige magnetisch Fluss Ψ
H verwendet.
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Analog zu den Ausführungen im ersten Ausführungsbeispiel wird aus diesen Modellwerten der Stellgrößen als eine abgeleitete, weitere Größe ein Modellwert der Strangspannung US,m ermittelt. Aus dem Modellwert US,m der Strangspannung sowie aus der tatsächlichen Strangspannung US,t wird analog zum ersten Ausführungsbeispiel die Differenz ΔUs ermittelt. Entsprechend zu den Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel erfolgt anschließend in Abschnitt 14 ein Grenzwertvergleich mit einem zweiten Grenzwert Uth,2 sowie in den Blöcken 15 und 16 das Zählen der Grenzwertüberschreitungen sowie die Erzeugung der Fehlerinformation.
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Neben den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen sind auch weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, bei denen entsprechende Modellwerte UD,m und UQ,m gemäß anderer Vorschriften, welche dem Typ der elektrischen Maschine 2 entsprechen, ermittelt werden. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 2 auch als fremderregte Synchronmaschine ausgebildet sein. Neben dem Betrachten einer auf eine Statorwicklung der elektrischen Maschine 2 wirkenden Stellgröße kann das Verfahren beispielsweise auch bei der Bestromung einer Rotorwicklung einer elektrischen Maschine 2 eingesetzt werden, wobei als Stellspannung entsprechend die an der Rotorwicklung abfallende Spannung betrachtet wird, zu welcher mittels eines entsprechenden Modells ein Modellwert ermittelbar ist.
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Die Werte für die jeweils verwendeten Grenzwerte UTH1, UTH2 und UTH3 können ebenfalls abhängig von dem Typ und/oder der Bauart der elektrischen Maschine 2 gewählt werden entsprechend an die eingesetzte elektrische Maschine 2 angepasst werden. Die maschinentypabhängigen Eingangsgrößen der Maschinenmodelle können zum Beispiel jeweils durch Messung bestimmt und als Parameter oder temperaturabhängige Kennlinien bzw. Parameterfelder in der Steuereinrichtung 7 hinterlegt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9614472 B2 [0003]
- EP 1180671 A1 [0004]
- DE 102014200337 A1 [0005]
- US 8084984 B2 [0006]
- DE 202016101853 U1 [0007]
- DE 102010038560 A1 [0008]
- US 7340968 B2 [0009]
- DE 3736303 T2 [0010]
- DE 102014016452 B4 [0011]