DE102022122978A1

DE102022122978A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebsmotors

Info

Publication number: DE102022122978A1
Application number: DE102022122978.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Oechslen; Alice Fischerauer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-09-09
Filing date: 2022-09-09
Publication date: 2024-03-14

Abstract

Ein Verfahren (100) zur Ansteuerung eines Elektromotors (M) umfasst das Auslesen (102) eines Kennfelds für den Elektromotor (M), welches einen zu einem bestimmten an einer Motorwelle des Elektromotors (M) anliegenden Drehmoments oder einer Drehzahl bei einer bestimmten Rotortemperatur gehörenden Ansteuerstroms abbildet, und das Messen (104) des an der Motorwelle anliegenden Drehmoments bzw. der Drehzahl und des Ansteuerstroms. Anhand des Kennfelds und der Messwerte kann eine Rotortemperatur bestimmt werden (106). Alternativ kann, bei bekannter Rotortemperatur, ein einzustellendes Soll-Drehmoment oder eine einzustellende Soll-Drehzahl empfangen werden (110) und anhand dieser Information ein bei der bekannten Rotortemperatur für das Soll-Drehmoment bzw. die Soll-Drehzahl erforderlicher Ansteuerstrom anhand des Kennfelds bestimmt werden (112), welcher an den Elektromotor (M) angelegt wird (114).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Antriebe eines Kraftfahrzeugs, insbesondere die Ansteuerung von Elektromaschinen zur Einstellung eines Soll-Drehmoments.
Zur Einstellung einer Solldrehzahl und/oder eines Soll-Drehmoments elektrischer Antriebsmotoren von Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden von Ansteuerschaltungen entsprechende Ströme bereitgestellt.
Die Drehzahl und auch das Drehmoment eines Antriebsmotors kann mittels entsprechender Sensoren an der Motorwelle erfasst und zu der Ansteuerschaltung als Regelgröße zurückgeführt werden, wo eine Abweichung von der Führungsgröße, die den Sollwert vorgibt, als Regelabweichung an einen Regler angelegt wird. Der Regler gibt als Stellgröße einen entsprechenden Antriebsstrom aus.
Je nach der Art und Auslegung des Reglers kann es bei dieser klassischen Ansteuerung zu Schwingungen kommen, oder der Sollwert wird, etwa bei einem überdämpften System, nur langsamer als tatsächlich möglich erreicht. Gerade bei Antrieben von Sportfahrzeugen kann dies zu einer unbefriedigenden Performance führen, so dass ein großer Bedarf an Verfahren und Vorrichtungen zur genauen und schnellen Einstellung eines Soll-Drehmoments oder einer Soll-Drehzahl eines elektrischen Antriebsmotors besteht.
Wie nahezu alle technischen Systeme ist auch bei elektrischen Antriebsmotoren eine Temperaturabhängigkeit zwischen dem Antriebsstrom und der Drehzahl sowie dem Drehmoment zu beobachten, u.a., bei Permanentmagnet-erregten Elektromotoren, bei denen die Feldstärke der Permanentmagneten ab einer bestimmten Temperatur abnimmt, bis sie nach Erreichen der Curie-Temperatur nur noch paramagnetisch sind. Bereits bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur kann in Gegenwart eines magnetischen Gegenfelds, wie es bspw. im Fehlerfall auftreten kann, eine lokale Entmagnetisierung der Permanentmagneten stattfinden, welche ohne weitere Maßnahmen nicht vollständig reversibel ist, und wodurch der Elektromotor dauerhaft beschädigt wird und auch nach einer Verringerung der Temperatur nicht mehr seine Nenneigenschaften erreichen wird.
Die Temperatur des elektrischen Antriebsmotors, insbesondere des Rotors, ist in der Regel nicht genau bekannt, und der Einsatz von preisgünstigen Temperatursensoren am Rotor ist wegen der hohen mechanischen Belastungen bislang nicht befriedigend gelöst.
Um die Temperaturabhängigkeit zumindest ansatzweise kompensieren zu können, werden Rechenmodelle eingesetzt, welche die Temperaturabhängigkeit der Motorparameter, insbesondere des Drehmoments, von der Motortemperatur - hier insbesondere von der Temperatur des Rotors - bei der Erzeugung von Signalen zur Ansteuerung berücksichtigen. Es besteht demnach außerdem ein großer Bedarf an Verfahren und Vorrichtungen, welche eine verbesserte Bestimmung der Rotortemperatur ermöglichen, und so letztlich auch zu einer genauen und schnellen Einstellung eines Soll-Drehmoments oder einer Soll-Drehzahl eines elektrischen Antriebsmotors beitragen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebsmotors vorzuschlagen, welche die Ansteuerung von elektrischen Antriebsmotoren unter Berücksichtigung der Rotortemperatur verbessern.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren und die in Anspruch 7 angegebene Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird zunächst ein Kennfeld eines jeweiligen Motors oder, für ein Motormodell, über eine Vielzahl von Motoren derselben Baureihe, ermittelt, welches den Verlauf der für ein bestimmtes Drehmoment erforderlichen Ansteuerströme bei unterschiedlichen Temperaturen abbildet. Dieses Kennfeld wird in einem Speicher eines Motorsteuergeräts auslesbar gespeichert.
Im Betrieb des Motors sind das Drehmoment, die Drehzahl und der Ansteuerstrom vergleichsweise einfach und genau messbar. So kann während des Betriebs des Motors auf einfache Weise zu jedem Zeitpunkt eine Temperatur des Rotors bestimmt werden, ohne dass im Elektromotor selbst ein Temperatursensor angeordnet sein muss. Da die Temperatur des Rotors sich nur vergleichsweise langsam ändert, muss diese Temperaturbestimmung nur periodisch erfolgen, wobei die Periodizität in Abhängigkeit von nach einer jeweiligen Messung abgerufenen Motorleistungen dynamisch angepasst werden kann. Auch eine Anpassung der Periodizität in Abhängigkeit von der zuletzt ermittelten Rotortemperatur ist möglich, etwa um in Temperaturbereichen nahe eines zulässigen Höchstwerts häufiger Messungen auszuführen.
Auf diese Weise kann einerseits zu jedem Zeitpunkt ein an die Rotortemperatur angepasster Ansteuerstrom eingestellt werden, bei welchem ein gewünschtes Soll-Drehmoment oder eine gewünschte Soll-Drehzahl unmittelbar mit nur noch geringen Abweichungen erreicht wird. Andererseits kann bereits vor Erreichen eines kritischen Temperaturbereichs, in welchem der Motor beschädigt werden könnte, die Motorsteuerung auf Ansteuerströme begrenzt werden, welche eine weitere Annäherung an den kritischen Temperaturbereich verhindern.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es außerdem, eine eventuell verbleibende Abweichung eines gemessenen Ist-Drehmoments vom Soll-Drehmoment oder einer gemessenen Ist-Drehzahl von der Soll-Drehzahl schneller auszuregeln, da der Regelbereich kleiner gewählt werden kann und ein Regler mit einer geringeren Reserve und entsprechender Dynamik ausgelegt werden kann.
Bei einer oder mehreren Ausgestaltungen umfasst das Verfahren außerdem das Aktualisieren der Rotortemperatur in Abhängigkeit von der Größe der Abweichung des gemessenen Ist-Drehmoments vom gemessenen Soll-Drehmoment bzw. der Ist-Drehzahl von der Soll-Drehzahl. Diese Ausgestaltung kann auch bei längeren Intervallen der Temperaturbestimmung anhand des Kennfelds zumindest näherungsweise eine aktuelle Rotortemperatur bereitstellen.
Bei Fahrzeugen mit Einzelradantrieb bietet das durch das Verfahren genauer einstellbare Drehmoment den Vorteil, dass z.B. eine Drehmoment-Vektorsteuerung zur Erhöhung der Fahrdynamik ohne Verringerung der Sicherheit näher an physikalische Systemgrenzen grenzend ausgelegt werden kann. Auch eine Differentialfunktion kann einfacher und genauer implementiert werden.
Eine erfindungsgemäße Motorsteuerung eines Elektromotors umfasst einen Mikroprozessor, flüchtigen und nichtflüchtigen Speicher, einen oder mehrere Sensoreingänge und einen oder mehrere Steuerausgänge. Die vorstehenden genannten Elemente sind mit einer oder mehreren Daten- bzw. Steuerleitungen oder -busse miteinander verbunden. Der nichtflüchtige Speicher enthält ein an den anzusteuernden Elektromotor angepasstes Kennfeld und Computer-Programminstruktionen welche, wenn sie von dem Mikroprozessor in dem flüchtigen Speicher ausgeführt werden, die Motorsteuerung dazu einrichten, Ausgestaltungen des vorstehend beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Der Steuerausgang kann den Ansteuerstrom für den Elektromotor direkt bereitstellen, oder ein Steuersignal für eine Leistungsstufe. Der Steuerausgang kann dabei vorzugsweise eine Pulsweitenmodulation (PWM) implementieren.
Die Computerprogramminstruktionen stellen ein eigenständiges Computerprogrammprodukt dar. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Medium bzw. Datenträger gespeichert sein. Das Medium bzw. der Datenträger kann physisch verkörpert sein, bspw. als Festplatte, CD, DVD, Flash-Speicher oder dergleichen, das Medium bzw. der Datenträger kann aber auch ein moduliertes elektrisches, elektromagnetisches oder optisches Signal umfassen, das von einem Computer mittels eines entsprechenden Empfängers empfangen und in dem Speicher des Computers gespeichert werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung exemplarisch beschrieben. In der Zeichnung zeigt

1 ein Flussdiagramm eines exemplarischen erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Blockschaltbild eines Systems mit einem Elektromotor und einer Motorsteuerung, und
3 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Motorsteuerung.

In den Figuren können gleiche oder ähnliche Elemente mit denselben Bezugszeichen referenziert sein.
1 zeigt ein Flussdiagramm eines exemplarischen erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Ansteuerung eines Elektromotors M. In Schritt 102 wird zunächst ein Kennfeld für den Elektromotor M aus einem Speicher ausgelesen, welches einen zu einem bestimmten an einer Motorwelle des Elektromotors M anliegenden Drehmoments oder einer Drehzahl bei einer bestimmten Rotortemperatur gehörenden Ansteuerstroms abbildet. In Schritt 104 wird zunächst entschieden, ob eine Bestimmung der Rotortemperatur ausgeführt werden soll, bspw. nach Ablauf einer bestimmten Zeit seit der letzten Temperaturbestimmung. Im positiven Fall, „ja“-Zweig von Schritt 104, wird in Schritt 106 das an der Motorwelle anliegende Drehmoment oder eine Drehzahl sowie der gegenwärtig anliegende Ansteuerstrom gemessen, und in Schritt 108 die Rotortemperatur anhand des Kennfelds bestimmt. In Schritt 110 wird die aktualisierte Rotortemperatur zur weiteren Verwendung gespeichert. Falls die Entscheidung in Schritt 104 negativ ausfällt, „nein“-Zweig von Schritt 104, wird in Schritt 112 ein einzustellendes Soll-Drehmoment oder eine einzustellende Soll-Drehzahl empfangen, und in Schritt 114 ein bei der bekannten Rotortemperatur für das Soll-Drehmoment bzw. die Soll-Drehzahl erforderlicher Ansteuerstrom anhand des Kennfelds bestimmt, welcher in Schritt 116 an den Elektromotor M angelegt wird. Im Anschluss an die Schritte 110 bzw. 116 wird das Verfahren wiederholt.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems 10 mit einem Elektromotor M und einer Motorsteuerung 200. Die von einer elektrischen Energiequelle 400, bspw. einer Batterie, mit elektrischer Energie versorgte Motorsteuerung 200 steuert den Elektromotor M entweder direkt oder über eine zwischengeschaltete Leistungsstufe 300 an, welche ebenfalls von der elektrischen Energiequelle 400 mit elektrischer Energie versorgt ist. In der Figur sind optionale Elemente mit gestrichelten Linien dargestellt.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 eingerichteten Motorsteuerung 200. Ein Mikroprozessor 202, flüchtiger 204 und nichtflüchtiger 206 Speicher, Sensoreingänge 208 und Steuerausgänge 210 sind über einen oder mehrere Datenleitungen oder - busse 212 kommunikativ miteinander verbunden. Der nichtflüchtige Speicher 206 enthält ein an den Elektromotor angepasstes Kennfeld sowie Computerprogramminstruktionen welche, wenn sie von dem Mikroprozessor 202 in dem flüchtigen Speicher 204 ausgeführt werden, die Motorsteuerung 200 dazu einrichten, Sensordaten von einem in der Figur nicht gezeigten Leistungssteller, Drehmomentsensor und/oder Drehzahlsensor über die Sensoreingänge 208 zu empfangen und das Motorsteuergerät 200 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einrichten, insbesondere den Elektromotor oder eine in der Figur nicht gezeigte Leistungsstufe über die Steuerausgänge 210 anzusteuern.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN (TEIL DER BESCHREIBUNG)

10: System
100: Verfahren
102: Auslesen des Kennfelds
104: Messen/Einstellen?
106: Messen Drehmoment/Drehzahl, Strom
108: Bestimmen der Rotortemperatur
110: Aktualisieren der Rotortemperatur
112: Empfangen Soll-Drehmoment/-Drehzahl
114: Ansteuerstrom bestimmen
116: Ansteuerstrom anlegen
200: Motorsteuerung
202: Mikroprozessor
204: flüchtiger Speicher
206: nichtflüchtiger Speicher
208: Sensoreingänge
210: Steuerausgänge
212: Datenleitungen/-busse
300: Leistungsstufe
400: elektrische Energiequelle

Claims

Verfahren (100) zur Ansteuerung eines Elektromotors (M), umfassend: - Auslesen (102) eines Kennfelds für den Elektromotor (M) aus einem Speicher, welches einen zu einem bestimmten an einer Motorwelle des Elektromotors (M) anliegenden Drehmoments oder einer Drehzahl bei einer bestimmten Rotortemperatur gehörenden Ansteuerstrom abbildet, wobei das Verfahren (100) außerdem umfasst: - Messen (106) des an der Motorwelle anliegenden Drehmoments bzw. der Drehzahl und des Ansteuerstroms, sowie - Bestimmen (108) einer Rotortemperatur anhand des Kennfelds, oder, bei bekannter Rotortemperatur - Empfangen (112) eines einzustellenden Soll-Drehmoments oder einer einzustellenden Soll-Drehzahl, - Bestimmen (114) eines bei der bekannten Rotortemperatur für das Soll-Drehmoment bzw. die Soll-Drehzahl erforderlichen Ansteuerstroms anhand des Kennfelds, und - Anlegen (116) des Ansteuerstroms an den Elektromotor (M).
Verfahren (100) nach Anspruch 1, außerdem umfassend: - Messen eines nach dem Anlegen des zuvor bestimmten Ansteuerstroms an der Motorwelle anliegenden Ist-Drehmoments bzw. der Ist-Drehzahl, und - Ausregeln von Abweichungen vom Soll-Drehmoment bzw. der Ist-Drehzahl durch entsprechende Anpassung des Ansteuerstroms.
Verfahren (100) nach Anspruch 2, außerdem umfassend: - Aktualisieren der Rotortemperatur in Abhängigkeit von der Größe der Abweichung des Ist-Drehmoments vom Soll-Drehmoment bzw. der Ist-Drehzahl von der Soll-Drehzahl anhand des Kennfelds.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem umfassend: - Begrenzen eines maximalen Ansteuerstroms, eines maximal an der Motorwelle anliegenden Drehmoments bzw. einer maximalen Drehzahl in Abhängigkeit von einer aktuellen Rotortemperatur.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestimmung der Rotortemperatur periodisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Periodizität in Abhängigkeit von der Höhe des seit der letzten Bestimmung der Temperatur an den Elektromotor (M) angelegten Ansteuerstroms und/oder der zuletzt bestimmten Rotortemperatur dynamisch anpassbar ist.
Motorsteuerung (200) eines Elektromotors (M) mit einem Mikroprozessor (202), flüchtigem (204) und nichtflüchtigem (206) Speicher, einem oder mehreren Sensoreingängen (208) und einem oder mehreren Steuerausgängen (210), welche über einen oder mehrere Daten- bzw. Steuerleitungen oder -busse (212) miteinander verbunden sind, wobei der nichtflüchtige Speicher (206) ein an den Elektromotor (M) angepasstes Kennfeld sowie Computer-Programminstruktionen enthält welche, wenn sie von dem Mikroprozessor (202) in dem flüchtigen Speicher (204) ausgeführt werden, die Motorsteuerung (200) dazu einrichten, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Motorsteuerung (200) nach Anspruch 7, wobei der eine oder die mehreren Steuerausgänge (210) den Ansteuerstrom für den Elektromotor (M) direkt bereitstellt oder eine Leistungsstufe ansteuert.
Computerprogrammprodukt umfassend durch einen Mikroprozessor ausführbare Computerprogramminstruktionen, die bei der Ausführung der Computerprogramminstruktionen durch eine Motorsteuerung (200) eines Elektromotors (M) nach einem der Ansprüche 7 oder 8 diese dazu einrichten bzw. veranlassen, das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Computerlesbares Medium umfassend Computerprogramminstruktionen, die bei der Ausführung des Computerprogramminstruktionen durch eine Motorsteuerung (200) eines Elektromotors (M) nach einem der Ansprüche 7 oder 8 diese dazu einrichten bzw. veranlassen, das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.