DE102024100979A1

DE102024100979A1 - Dynamische modelle für elektromotorwicklungstemperatur

Info

Publication number: DE102024100979A1
Application number: DE102024100979.9A
Authority: DE
Inventors: Monty Anderson; William Robert Brown; Papiya Bagchi; Justin Barsano
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2023-01-18
Filing date: 2024-01-12
Publication date: 2024-07-18

Abstract

Ein elektrisches Antriebssystem beinhaltet einen Permanentmagnet-Synchronmotor. Der Stator des Elektromotors weist Wicklungen auf, die Temperaturgrenzen unterliegen. Dynamische Modelle werden verwendet, um die Temperaturen der Wicklungen sowohl in einem mittleren Teilstück als auch an den Enden der Wicklungen zu schätzen. Eingaben in diese dynamischen Modelle können eine Rotordrehzahl, einen Wicklungsstrom, eine Öldurchflussrate, eine Ölwannentemperatur und eine Umgebungstemperatur beinhalten. Empirische Konstanten in den Modellen werden basierend auf Fahrzeugtests festgelegt.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung von Elektromotoren in Antriebssträngen elektrifizierter Fahrzeuge. Insbesondere betrifft die Offenbarung die Verwendung von dynamischen Modellen, um die Wicklungstemperatur zu schätzen und den Elektromotor entsprechend zu steuern.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein elektrisches Antriebssystem beinhaltet eine Batterie, ein Leistungselektronikmodul und einen Elektromotor. Während des Betriebs kann sich die Temperatur der Statorwicklungen des Elektromotors aufgrund von Kupferverlusten und Eisenverlusten erhöhen. Die Wicklungen werden durch verschiedene Mechanismen gekühlt. Um zu vermeiden, dass die Ausgestaltungstemperaturgrenzen überschritten werden, muss der Betriebsbereich des Elektromotors gelegentlich basierend auf Wicklungstemperaturen begrenzt werden. Sensoren zum direkten Messen der Wicklungstemperaturen sind jedoch teuer und unzuverlässig.
KURZDARSTELLUNG
Ein elektrisches Antriebssystem beinhaltet einen Elektromotor und eine Steuerung. Der Elektromotor weist einen Rotor und einen Stator auf. Der Stator weist eine Vielzahl von Wicklungen auf. Die Steuerung ist dazu programmiert, einen Wicklungsstrom derart zu steuern, dass der Elektromotor Drehmoment und Leistung erzeugt. Die Steuerung ist auch dazu programmiert, eine Elektromotorbetriebsgrenze, wie etwa eine maximale Rotordrehzahl, als Reaktion darauf zu reduzieren, dass eine Schätzung einer Temperatur der Wicklungen, wie etwa einer Temperatur eines mittleren Teilstückes der Wicklungen, einen Schwellenwert überschreitet. Die Schätzung wird durch ein dynamisches Modell ausgegeben, bei dem es sich um ein dynamisches Modell zweiter Ordnung handeln kann, das eine Rotordrehzahl als Eingabe aufweist. Die Eingaben des dynamischen Modells können auch eine Öldurchflussrate durch den Elektromotor, den Wicklungsstrom, eine Umgebungstemperatur und eine Ölwannentemperatur beinhalten.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors eines elektrischen Antriebssystems beinhaltet Einstellen eines Wicklungsstroms und Reduzieren einer Betriebsgrenze. Der Wicklungsstrom wird durch eine Steuerung derart eingestellt, dass der Elektromotor Drehmoment erzeugt. Die Betriebsgrenze des Elektromotors, wie etwa eine maximale Rotordrehzahl, wird als Reaktion darauf reduziert, dass eine geschätzte Wicklungstemperatur eines mittleren Teilstückes einen ersten Schwellenwert überschreitet. Die Wicklungstemperatur des mittleren Teilstückes wird durch die Steuerung unter Verwendung eines ersten dynamischen Modells, das ein dynamisches Modell zweiter Ordnung sein kann, basierend auf einer Rotordrehzahl geschätzt. Eingaben in das erste dynamische Modell können auch eine Öldurchflussrate durch den Elektromotor, den Wicklungsstrom, eine Umgebungstemperatur und eine Ölwannentemperatur beinhalten. Die Steuerung kann auch eine Wickelkopftemperatur unter Verwendung eines zweiten dynamischen Modells basierend auf der Öldurchflussrate, dem Wicklungsstrom, der Umgebungstemperatur und der Ölwannentemperatur schätzen. Die Betriebsgrenze des Elektromotors kann auch als Reaktion darauf reduziert werden, dass die geschätzte Wickelkopftemperatur einen zweiten Schwellenwert überschreitet. Mindestens ein instrumentiertes Testfahrzeug kann betrieben werden, um Daten aufzuzeichnen, einschließlich der gemessenen Wicklungstemperatur des mittleren Teilstückes des Elektromotors und der gemessenen Rotordrehzahl, und Modellkonstanten können basierend auf den aufgezeichneten Daten berechnet werden.
Ein elektrisches Antriebssystem beinhaltet einen Elektromotor, eine Pumpe und eine Steuerung. Der Elektromotor weist einen Rotor und einen Stator auf. Der Stator weist eine Vielzahl von Wicklungen auf. Die Pumpe ist dazu konfiguriert, Öl aus einer Ölwanne durch den Elektromotor zirkulieren zu lassen. Die Steuerung ist dazu programmiert, einen Wicklungsstrom derart zu steuern, dass der Elektromotor Drehmoment und Leistung erzeugt. Die Steuerung ist ferner dazu programmiert, eine Elektromotorbetriebsgrenze, wie etwa eine maximale Rotordrehzahl, als Reaktion darauf zu reduzieren, dass eine Schätzung einer Temperatur der Wicklungen, wie etwa einer Temperatur eines mittleren Teilstückes der Wicklungen, einen Schwellenwert überschreitet. Die Schätzung wird durch ein dynamisches Modell ausgegeben, wie etwa ein dynamisches Modell zweiter Ordnung, das eine Durchflussrate des Öls als Eingabe aufweist. Die Eingaben des dynamischen Modells können auch eine Rotordrehzahl, den Wicklungsstrom, eine Umgebungstemperatur und eine Ölwannentemperatur beinhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Elektrofahrzeugs.
2 ist ein Blockquerschnitt eines beispielhaften Permanentmagnet-Synchronmotors.
3 ist ein Diagramm, das den Betriebsbereich eines Elektromotors, wie etwa des Elektromotors aus 2, veranschaulicht.
4 ist ein Ablaufdiagramm zum Betreiben eines Elektromotors eines Fahrzeugantriebsstrangs.
5 ist ein Blockdiagramm eines Wicklungstemperaturmodells erster Ordnung.
6 ist ein Blockdiagramm eines Wicklungstemperaturmodells zweiter Ordnung.
7 ist ein Ablaufdiagramm zum Herstellen von Fahrzeugen, die dynamische Modelle zur Wicklungstemperaturvorhersage nutzen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hierin offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen umgesetzt werden kann. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können stark vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind in dieser Schrift offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann den vielfältigen Einsatz der vorliegenden Erfindung zu lehren.
Unter jetziger Bezugnahme auf 1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Elektrofahrzeugs (electric vehicle - „EV“) 12 gezeigt. In diesem Beispiel ist das EV 12 ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (plug-in hybrid electric vehicle - PHEV). Das EV 12 beinhaltet eine oder mehrere elektrische Maschinen 14 („e-Maschinen“), die mechanisch mit einem Getriebe 16 verbunden sind. Die elektrische Maschine 14 ist dazu in der Lage, als Elektromotor und als Generator betrieben zu werden. Das Getriebe 16 ist mechanisch mit einem Verbrennungsmotor 18 und mit einer Antriebswelle 20 verbunden, die mechanisch mit Rädern 22 verbunden ist. Die elektrische Maschine 14 kann eine Antriebs- und Verlangsamungsfähigkeit bereitstellen, während der Verbrennungsmotor 18 ein- oder ausgeschaltet ist. Die elektrische Maschine 14, die als Generator fungiert, kann Energie zurückgewinnen, die normalerweise in einem Reibungsbremssystem als Wärme verloren gehen kann. Die elektrische Maschine 14 kann Fahrzeugemissionen reduzieren, indem sie es ermöglicht, dass der Verbrennungsmotor 18 bei effizienteren Drehzahlen betrieben wird, und es ermöglicht, dass das EV 12 im Elektromodus betrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor 18 unter bestimmten Bedingungen ausgeschaltet ist.
Eine Traktionsbatterie 24 („Batterie“) speichert Energie, die von der elektrische Maschine 14 zum Antreiben des EV 12 verwendet werden kann. Die Batterie 24 stellt typischerweise eine Hochspannungs(high-voltage - HV)-Gleichstrom(DC)-Ausgabe bereit. Die Batterie 24 ist mit einem Leistungselektronikmodul 26 elektrisch verbunden. Das Leistungselektronikmodul 26 ist mit der elektrischen Maschine 14 elektrisch verbunden und stellt die Fähigkeit bereit, Energie bidirektional zwischen der Batterie 24 und der elektrischen Maschine zu übertragen. Zum Beispiel kann eine Batterie 24 eine DC-Spannung bereitstellen, während die elektrische Maschine 14 möglicherweise eine Dreiphasenwechselspannung (Dreiphasen-AC-Spannung) erfordert, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die DC-Spannung in eine Dreiphasen-AC-Spannung zum Betreiben der elektrischen Maschine 14 umwandeln. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 26 die Dreiphasen-AC-Spannung von der als Generator fungierenden elektrischen Maschine 14 in DC-Spannung umwandeln, die mit der Traktionsbatterie 24 kompatibel ist.
Die Batterie 24 ist durch eine externe Leistungsquelle 36 (z. B. das Netz) wiederaufladbar. Ein Elektrofahrzeugversorgungsgerät (electric vehicle supply equipment - EVSE) 38 ist mit der externen Leistungsquelle 36 verbunden. Das EVSE 38 stellt Schaltungen und Steuerungen zum Steuern und Verwalten der Übertragung von Energie zwischen der externen Leistungsquelle 36 und dem EV 12 bereit. Die externe Leistungsquelle 36 kann dem EVSE 38 elektrische DC- oder AC-Leistung bereitstellen. Das EVSE 38 kann einen Ladestecker 40 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 34 des EV 12 aufweisen. Der Ladeanschluss 34 kann eine beliebige Art von Anschluss sein, die dazu konfiguriert ist, Leistung von dem EVSE 38 an das EV 12 zu übertragen. Ein Leistungsumwandlungsmodul 32 des EV 12 kann von dem EVSE 38 zugeführte Leistung aufbereiten, um der Batterie 24 die richtigen Spannungs- und Stromniveaus bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann mit dem EVSE 38 eine Schnittstelle bilden, um die Abgabe von Leistung an die Batterie 24 zu koordinieren. Alternativ dazu können verschiedene Komponenten, die als elektrisch verbunden beschrieben sind, Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
Radbremsen 44 sind zum Verlangsamen und Verhindern von Bewegung des EV 12 bereitgestellt. Radbremsen 44 sind Teil eines Bremssystems 50. Das Bremssystem 50 kann eine Steuerung beinhalten, um die Radbremsen 44 zu überwachen und zu steuern, um den gewünschten Betrieb zu erreichen.
Die verschiedenen erörterten Komponenten können eine oder mehrere damit zusammenhängende Steuerungen aufweisen, die den Betrieb der Komponenten steuern und überwachen. Die Steuerungen können mikroprozessorbasierte Vorrichtungen sein. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. ein Controller Area Network (CAN)) oder über separate Leiter in Verbindung stehen. Zum Beispiel ist eine Systemsteuerung 48 (d. h. eine Fahrzeugsteuerung) vorhanden, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
Wie beschrieben, ist das EV 12 in diesem Beispiel ein PHEV, das einen Verbrennungsmotor 18 und ein Batterie 24 aufweist. In anderen Ausführungsformen ist das EV 12 ein Batterieelektrofahrzeug (battery electric vehicle - BEV). In einer BEV-Konfiguration beinhaltet das EV 12 keinen Verbrennungsmotor.
Unter jetziger Bezugnahme auf 2 ist ein Querschnitt eines Permanentmagnet-Synchronmotors, wie etwa der elektrischen Maschine 14, gezeigt. Der Elektromotor 14 beinhaltet einen fixierten Stator 50 und einen Rotor 52, der zur Drehung darin gestützt ist. Der Rotor 52 ist an einer Rotorwelle 54 fixiert, die Leistung von dem Elektromotor auf andere Teile des Antriebsstrangs oder direkt auf Fahrzeugräder überträgt. Eine Anzahl von Magneten 56 ist in einen Umfang des Rotors 52 eingebettet. Der Stator 50 beinhaltet eine Anzahl von Polen, die von einem zylindrischen Körper nach innen vorstehen. Ein Draht ist um jeden der Pole gewickelt und mit einer elektrischen AC-Quelle verbunden. Ein AC-Strom in dem Draht erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld in den Polen. Der Draht um jeden Pol wird als Wicklung bezeichnet. Jede Wicklung beinhaltet ein mittleres Teilstück 60 benachbart zu dem Rotor und Wickelköpfe 62 an den Enden.
Während ein Großteil der an die Wicklungen angelegten elektrischen Leistung an der Welle 54 in mechanische Leistung umgewandelt wird, wird ein Teil der Leistung in Wärme umgewandelt, was bewirkt, dass sich die Temperatur der Elektromotorkomponenten erhöht. Eine Form von Leistungsverlust, die als Kupferverlust bezeichnet wird, ist auf elektrischen Widerstand und Strom in den Wicklungen zurückzuführen. Der Kupferverlust ist proportional zum elektrischen Widerstand, R, und zum Quadrat des Stroms, I². Eine andere Form von Leistungsverlust, die als Eisenverlust bezeichnet wird, ist auf den magnetischen Widerstand und die Magnetfeldstärke zurückzuführen. Der Eisenverlust ist proportional zum magnetischen Widerstand und zum Quadrat der Drehzahl des Elektromotors, ω². Die Wickelköpfe werden hauptsächlich durch Kupferverlust erwärmt. Wärme von den Wickelköpfen wird hauptsächlich durch Öl abgeleitet, das gegen die Wickelköpfe spritzt. Das mittlere Teilstück wird sowohl durch Kupferverluste als auch durch Eisenverluste erwärmt. Wärme wird durch Konduktion durch die Pole und den Zylinder des Stators entweder zu der Außenfläche oder zu einem Abschnitt des Stators, der durch das Öl gekühlt wird, abgeleitet. Das Öl kann durch eine Pumpe aus einer Ölwanne durch den Elektromotor, durch einen Kühler, der eine Möglichkeit zur Wärmeübertragung von dem Öl auf Umgebungsluft bereitstellt, und zurück zu der Ölwanne zirkuliert werden.
Der Elektromotor weist einen Betriebsbereich in Bezug auf Drehzahl, Drehmoment und Leistung auf. Ein Quadrant dieses Bereiches, der einer positiven Drehzahl und einem positiven Drehmoment entspricht, ist in 3 veranschaulicht. Die Drehzahl, das Drehmoment und die Leistung sind beschränkt, um neben anderen Faktoren übermäßige Wicklungstemperaturen zu verhindern. Der normale Betriebsbereich kann durch eine maximale Drehzahl 70, ein maximales Drehmoment 72 und eine maximale Leistung 74 eingegrenzt sein. Ähnliche Grenzen bestehen für negative Drehzahlen und negative Drehmomente, welche die gleichen Werte aufweisen können oder nicht. Als Reaktion darauf, dass sich eine Wicklungstemperatur einer Obergrenze nähert, kann der Betriebsbereich vorübergehend begrenzt werden, um eine weitere Erhöhung der Wicklungstemperaturen zu verhindern. Diese Begrenzung kann die Form einer reduzierten maximalen Drehzahl 70', eines reduzierten maximalen Drehmoments 72', einer reduzierten maximalen Leistung 74' oder verschiedener Kombinationen davon annehmen.
Aufgrund der rauen Umgebung innerhalb des Elektromotors kann das direkte Messen der Wicklungstemperatur unzuverlässig sein. Der physische Raum, der zum Anbringen von Thermoelementen verfügbar ist, ist beschränkt, insbesondere an dem mittleren Teilstück der Wicklungen. Thermoelemente können sich während der Nutzung lösen und ungenaue Messungen oder überhaupt keine Messungen erzeugen. Aus diesen Gründen ist es wünschenswert, die Temperaturen sowohl in den Wickelköpfen als auch in den mittleren Teilstücken unter Verwendung mathematischer Modelle basierend auf Größen, die leichter gemessen werden können, zu schätzen. Kein Modell schätzt eine physikalische Größe unter allen Betriebsumständen perfekt. Daher müssen Schwellenwerte, bei denen Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden, konservativ festgelegt werden, um sicherzustellen, dass Maßnahmen ergriffen werden, selbst wenn die Schätzung geringer als die tatsächliche Temperatur ist. Schwellenwerte können höher festgelegt werden, wenn das Modell genauer ist, wodurch die Frequenz und der Grad der Reduzierungen des Betriebsbereiches reduziert werden.
4 veranschaulicht einen Steueralgorithmus zum Betreiben eines Elektromotors in einem Fahrzeugantriebsstrang. Dieser Algorithmus wird durch eine Steuerung, wie etwa 48 oder 26, in regelmäßigen Intervallen ausgeführt, wann immer die Zündung eingeschaltet ist. Zum Beispiel kann der Algorithmus alle 100 ms als Reaktion auf ein Unterbrechungssignal ausgeführt werden. Bei 80 prüft die Steuerung, ob dies die erste Berechnung seit dem Einschalten der Zündung ist. Wenn dies der Fall ist, prüft die Steuerung bei 82, ob Informationen von dem jüngsten Ereignis der ausgeschalteten Zündung gespeichert wurden. Falls nicht, initialisiert die Steuerung bei 84 T_mcs, die geschätzte Temperatur des mittleren Teilstückes des Elektromotors, und T_mew, die geschätzte Temperatur des Wickelkopfes des Elektromotors, auf Standardwerte. Wenn bei 82 Informationen zum Zustand mit ausgeschalteter Zündung verfügbar sind, dann berechnet die Steuerung bei 86 T_mcs und T_mew anhand dieser Werte und der gemessenen Ölwannen- und Kühlmitteltemperatur. Genau gesagt schätzt die Steuerung basierend darauf, wie viel Zeit seit dem Ereignis der ausgeschalteten Zündung verstrichen ist, um wie viel sich der Elektromotor unter den gemessenen Bedingungen abgekühlt hätte. Wenn dies nicht die erste Berechnung seit dem Einschalten der Zündung ist, verwendet die Steuerung bei 88 ein dynamisches Modell, um T_mcs und T_mew zu berechnen. Das dynamische Modell wird nachstehend ausführlicher erörtert. Bei 90 prüft die Steuerung, ob die berechnete T_mcs einen Schwellenwert für das mittlere Teilstück, T1, überschreitet. Wenn dies der Fall ist, reduziert die Steuerung bei 92 mindestens eines von einer maximalen Drehzahl, einem maximalen Drehmoment oder einer maximalen Leistung. Der Grad der Reduzierung von Nennwerten kann von dem aktuellen Wert von T_mcs und von einer Änderungsrate von T_mcs abhängen. Gleichermaßen reduziert die Steuerung, wenn T_mew bei 94 einen Schwellenwert für Wickelköpfe überschreitet, bei 96 mindestens eines von dem maximalen Drehmoment oder der maximalen Leistung.
5 ist ein Blockdiagramm 1. Ordnung der Auswirkungen, die durch die dynamischen thermischen Modelle berücksichtigt werden. Die Modelle für die Temperatur des mittleren Teilstückes und für die Wickelkopftemperatur sind separate Modelle, weisen jedoch die gleiche Struktur auf, sodass 5 für beide gilt. Block 100 stellt die in der Wicklung gespeicherte Wärme dar, wie durch die Größe T_mcs oder T_mew gekennzeichnet. Es werden drei Quellen der Erwärmung, konstante Erwärmung 102, Kupferverluste 104 und Eisenverluste 106, in Betracht gezogen. Es werden zwei Quellen der Kühlung, die Übertragung auf Öl 108 und die Übertragung auf Umgebungsluft 110, in Betracht gezogen. Die Übertragung auf Öl ist von der Temperatur des Öls T_sump, die an der Ölwanne gemessen wird, abhängig, während die Übertragung auf die Umgebungsluft von der Umgebungstemperaturmessung T_amb abhängig ist. Für den Rest dieser Beschreibung wird nur das Modell für die Temperatur des mittleren Teilstückes ausführlich beschrieben. Das Modell für die Wickelkopftemperatur weist eine identische Struktur auf, aber die Koeffizienten weisen unterschiedliche Werte auf.
Jede Wärmedurchflussrate wird als eine lineare Funktion der Öldurchflussrate F behandelt, die durch eine Ölpumpe abgegeben wird. Die Temperaturerhöhung aufgrund jeder Erwärmungsquelle ist Δt(B_ai + B_biF)U_i, wobei Δt die Zeit zwischen Ausführungen ist und B_ai und B_bi empirische Konstanten sind. Die Temperaturverringerung aufgrund jeder Kühlungsquelle ist Δt(B_ci + B_ciF)(T_mcs - T_refi), wobei B_ci und B_di empirische Konstanten sind. In einigen Antriebsstrangkonfigurationen kann die Öldurchflussrate proportional zu einer Drehzahl einer Brennkraftmaschine sein. Ein dynamisches Modell erster Ordnung weist die folgende Form auf: $\begin{array}{l} T_{m c s}^{+} = T_{m c s} + Δ t (B_{1} + B_{2} F + (B_{3} + B_{4} F) I_{r m s}^{2} + (B_{5} + B_{6} F) ω^{2} \\ + (B_{7} + B_{8} F) (T_{s u m p} - T_{m c s}) + (B_{9} + B_{10} F) (T_{a m b} - T_{m c s})) \end{array}$
wobei $T_{m c s}^{+}$
die nächste Temperaturschätzung des mittleren Teilstückes des Elektromotors ist.
6 ist ein Blockdiagramm 2. Ordnung für die thermischen Modelle. Der Übersichtlichkeit halber wurden die verschiedenen Erwärmungsquellen und Kühlungsquellen aus 5 zu einzelnen Blöcken kombiniert. Ein zusätzlicher Kühlkörper 112 mit einer Temperatur T_h wird in das Modell 1. Ordnung aus 5 eingeführt. Der Kühlkörper 112 unterliegt den gleichen Erwärmungs- und Kühlungslasten wie die Wicklung 100. Zusätzlich fließt Wärme proportional zu der Temperaturdifferenz (T_mcs - T_h) zwischen der Wicklung 100 und der Wärmequelle 112. Das dynamische Modell zweiter Ordnung weist die folgende Form auf: $\begin{array}{l} T_{m c s}^{+} = T_{m c s} + Δ t ((B_{e} + B_{f} F) (T_{h} - T_{m c s}) + \sum (B_{ai} + B_{bi} F) U_{i} \\ + \sum (B_{cj} + B_{dj} F) (T_{r e f j} - T_{m c s})) \end{array}$
$\begin{array}{l} T_{h}^{+} = T_{h} + Δ t ((B_{e}^{h} + B_{f}^{h} F) (T_{m c s} - T_{h}) + \sum (B_{a i}^{h} + B_{b i}^{h} F) U_{i} \\ + \sum (B_{c j}^{h} + B_{d j}^{h} F) (T_{r e f j} - T_{h})) \end{array}$
wobei die B- und B^h-Terme mit verschiedenen tiefgestellten Angaben alles empirische Konstanten sind. Eine alternative Form des Modells 2. Ordnung nutzt Werte aus einem vorherigen Zeitschritt, die mit einem hochgestellten „-“ gekennzeichnet sind, im Gegensatz zu einem expliziten zusätzlichen Kühlkörper. $\begin{array}{l} T_{m c s}^{+} = T_{m c s} + Δ t (B_{1} + B_{2} F + (B_{3} + B_{4} F) I_{r m s}^{2} + (B_{5} + B_{6} F) ω^{2} \\ + (B_{7} + B_{8} F) (T_{s u m p} - T_{m c s}) + (B_{9} + B_{10} F) (T_{a m b} - T_{m c s})) \\ + Δ t^{2} ((B_{11} + B_{12} F) I_{r m s}^{2 -} + (B_{13} + B_{14} F) ω^{2 -} \\ + (B_{15} + B_{16} F) (T_{s u m p}^{-} - T_{m c s}^{-}) + (B_{17} + B_{18} F) (T_{a m b}^{-} - T_{m c s}^{-})) \end{array}$
Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein Modell 2. Ordnung dieser Form eine genauere Vorhersage der Wicklungstemperaturen bereitstellt als das vorstehend erörterte Modell 1. Ordnung.
7 ist ein Blockdiagramm, welches das Verfahren zum Einsetzen von Vorhersagemodellen für Wicklungstemperaturen, wie etwa den vorstehend erörterten, veranschaulicht. Bei 120 wird ein Satz von Testfahrzeugen instrumentiert, um die Modellausgaben T_mew und T_mcs sowie die Modelleingaben F, I² _rms, ω², T_sump und T_amb in regelmäßigen Intervallen zu messen und aufzuzeichnen. Zum Beispiel können Thermoelemente an den Statorwicklungen installiert sein. Wenn nicht im Voraus bekannt ist, welche Position an den Wicklungen am kritischsten ist, können mehrere Thermoelemente an unterschiedlichen Stellen installiert werden. Obwohl die Kosten pro Fahrzeug für die Installation dieser Thermoelemente erheblich sein können, ist die Anzahl von Testfahrzeugen im Vergleich zu der Anzahl von Fahrzeugen, die letztendlich zum Verkauf an Kunden produziert werden, relativ gering. Bei 122 werden die Testfahrzeuge durch eine Anzahl von Kalibrierungsfahrzyklen gefahren. Diese Zyklen werden ausgewählt, um die Elektromotoren einer Vielzahl von Bedingungen auszusetzen, einschließlich Bedingungen, die dazu führen könnten, dass sich Wicklungstemperaturen den Ausgestaltungsgrenzen nähern oder diese überschreiten.
Bei 124 werden die von den Testfahrzeugen während der Fahrzyklen erfassten Daten unter Verwendung eines nichtlinearen Anpassungsalgorithmus verarbeitet, um Werte für die empirischen Konstanten in den dynamischen thermischen Modellen zu bestimmen. Bei 126 wird eine Anpassungsleistungsprüfung durchgeführt. Zum Beispiel können die Modelle unter Verwendung der gemessenen Eingaben während der Fahrzyklen ausgeführt werden, um zu bestimmen, welche Ausgaben die Modelle vorhergesagt hätten. Die Korrelation zwischen diesen vorhergesagten Temperaturen und den gemessenen Temperaturen wird analysiert, um einen maximalen Vorhersagefehler zu bewerten. Schließlich werden bei 128 Serienfahrzeuge instrumentiert, um die Modelleingaben, aber nicht die Modellausgaben zu messen. In den Serienfahrzeugen werden die Wicklungstemperaturen, sowohl T_mew als auch T_mcs, durch Ausführen des dynamischen Modells unter Verwendung der empirischen Konstanten geschätzt. Der maximale Vorhersagefehler, wie bei 126 bestimmt, kann verwendet werden, um die Temperaturgrenzen T1 und T2 aus 4 festzulegen, bei denen der Betriebsbereich begrenzt ist.
Auch wenn vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der vorliegenden Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke beschreibende und keine einschränkenden Ausdrücke und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener umsetzender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Antriebssystem bereitgestellt, das Folgendes aufweist: einen Elektromotor, der einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Stator eine Vielzahl von Wicklungen aufweist; und eine Steuerung, die dazu programmiert ist, einen Wicklungsstrom derart zu steuern, dass der Elektromotor Drehmoment und Leistung erzeugt, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, eine Elektromotorbetriebsgrenze als Reaktion darauf zu reduzieren, dass eine Schätzung einer Temperatur der Wicklungen einen Schwellenwert überschreitet, wobei die Schätzung durch ein dynamisches Modell, das die Rotordrehzahl als Eingabe aufweist, ausgegeben wird.
Gemäß einer Ausführungsform beinhalten die Eingaben des dynamischen Modells ferner eine Öldurchflussrate durch den Elektromotor.
Gemäß einer Ausführungsform beinhalten die Eingaben des dynamischen Modells ferner den Wicklungsstrom, eine Umgebungstemperatur und eine Ölwannentemperatur.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Temperatur der Wicklungen eine Temperatur eines mittleren Teilstückes der Wicklung.
Gemäß einer Ausführungsform ist das dynamische Modell ein dynamisches Modell zweiter Ordnung.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Elektromotorbetriebsgrenze eine maximale Rotordrehzahl.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors eines elektrischen Antriebssystems Folgendes: Einstellen eines Wicklungsstroms mit einer Steuerung derart, dass der Elektromotor Drehmoment erzeugt; und Reduzieren einer Betriebsgrenze des Elektromotors als Reaktion darauf, dass eine geschätzte Wicklungstemperatur des mittleren Teilstückes einen ersten Schwellenwert überschreitet, wobei die Wicklungstemperatur des mittleren Teilstückes durch die Steuerung unter Verwendung eines ersten dynamischen Modells basierend auf einer Rotordrehzahl geschätzt wird.
In einem Aspekt der Erfindung beinhalten die Eingaben des ersten dynamischen Modells ferner eine Öldurchflussrate durch den Elektromotor.
In einem Aspekt der Erfindung beinhalten die Eingaben des ersten dynamischen Modells ferner den Wicklungsstrom, eine Umgebungstemperatur und eine Ölwannentemperatur.
In einem Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren Folgendes: Schätzen einer Wickelkopftemperatur mit der Steuerung unter Verwendung eines zweiten dynamischen Modells basierend auf der Öldurchflussrate, dem Wicklungsstrom, der Umgebungstemperatur und der Ölwannentemperatur; und Reduzieren der Betriebsgrenze des Elektromotors als Reaktion darauf, dass die geschätzte Wickelkopftemperatur einen zweiten Schwellenwert überschreitet.
In einem Aspekt der Erfindung ist das erste dynamische Modell ein dynamisches Modell zweiter Ordnung.
In einem Aspekt der Erfindung ist die Elektromotorbetriebsgrenze eine maximale Rotordrehzahl.
In einem Aspekt der Erfindung beinhaltet das Verfahren Folgendes: Betreiben mindestens eines instrumentierten Testfahrzeugs, um Daten aufzuzeichnen, einschließlich der gemessenen Wicklungstemperatur des mittleren Teilstückes des Elektromotors und der gemessenen Rotordrehzahl; und Berechnen von Modellkonstanten basierend auf den aufgezeichneten Daten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Antriebssystem bereitgestellt, das Folgendes aufweist: einen Elektromotor, der einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Stator eine Vielzahl von Wicklungen aufweist; eine Pumpe, die dazu konfiguriert ist, Öl aus einer Ölwanne durch den Elektromotor zirkulieren zu lassen; und eine Steuerung, die dazu programmiert ist, einen Wicklungsstrom derart zu steuern, dass der Elektromotor Drehmoment und Leistung erzeugt, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, eine Elektromotorbetriebsgrenze als Reaktion darauf zu reduzieren, dass eine Schätzung einer Temperatur der Wicklungen einen Schwellenwert überschreitet, wobei die Schätzung durch ein dynamisches Modell, das eine Durchflussrate des Öls als Eingabe aufweist, ausgegeben wird.
Gemäß einer Ausführungsform beinhalten die Eingaben des dynamischen Modells ferner eine Rotordrehzahl.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Temperatur der Wicklungen eine Temperatur eines mittleren Teilstückes der Wicklung.
Gemäß einer Ausführungsform beinhalten die Eingaben des dynamischen Modells ferner den Wicklungsstrom, eine Umgebungstemperatur und eine Ölwannentemperatur.
Gemäß einer Ausführungsform ist das dynamische Modell ein dynamisches Modell zweiter Ordnung.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Elektromotorbetriebsgrenze eine maximale Rotordrehzahl.

Claims

Elektrisches Antriebssystem, umfassend: einen Elektromotor, der einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Stator eine Vielzahl von Wicklungen aufweist; und eine Steuerung, die dazu programmiert ist, einen Wicklungsstrom derart zu steuern, dass der Elektromotor Drehmoment und Leistung erzeugt, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, eine Elektromotorbetriebsgrenze als Reaktion darauf zu reduzieren, dass eine Schätzung einer Temperatur der Wicklungen einen Schwellenwert überschreitet, wobei die Schätzung durch ein dynamisches Modell, das die Rotordrehzahl als Eingabe aufweist, ausgegeben wird.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Eingaben des dynamischen Modells ferner eine Öldurchflussrate durch den Elektromotor, den Wicklungsstrom, eine Umgebungstemperatur und eine Ölwannentemperatur beinhalten.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der Wicklungen eine Temperatur eines mittleren Teilstückes der Wicklung ist.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei das dynamische Modell ein dynamisches Modell zweiter Ordnung ist.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Elektromotorbetriebsgrenze eine maximale Rotordrehzahl ist.
Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors eines elektrischen Antriebssystems, umfassend: Einstellen eines Wicklungsstroms mit einer Steuerung derart, dass der Elektromotor Drehmoment erzeugt; und Reduzieren einer Betriebsgrenze des Elektromotors als Reaktion darauf, dass eine geschätzte Wicklungstemperatur des mittleren Teilstückes einen ersten Schwellenwert überschreitet, wobei die Wicklungstemperatur des mittleren Teilstückes durch die Steuerung unter Verwendung eines ersten dynamischen Modells basierend auf einer Rotordrehzahl geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Eingaben des ersten dynamischen Modells ferner eine Öldurchflussrate durch den Elektromotor, den Wicklungsstrom, eine Umgebungstemperatur und eine Ölwannentemperatur beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend: Schätzen einer Wickelkopftemperatur mit der Steuerung unter Verwendung eines zweiten dynamischen Modells basierend auf der Öldurchflussrate, dem Wicklungsstrom, der Umgebungstemperatur und der Ölwannentemperatur; und Reduzieren der Betriebsgrenze des Elektromotors als Reaktion darauf, dass die geschätzte Wickelkopftemperatur einen zweiten Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das erste dynamische Modell ein dynamisches Modell zweiter Ordnung ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Elektromotorbetriebsgrenze eine maximale Rotordrehzahl ist.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Betreiben mindestens eines instrumentierten Testfahrzeugs, um Daten aufzuzeichnen, einschließlich der gemessenen Wicklungstemperatur des mittleren Teilstückes des Elektromotors und der gemessenen Rotordrehzahl; und Berechnen von Modellkonstanten basierend auf den aufgezeichneten Daten.
Elektrisches Antriebssystem, umfassend: einen Elektromotor, der einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Stator eine Vielzahl von Windungen aufweist; eine Pumpe, die dazu konfiguriert ist, Öl aus einer Ölwanne durch den Elektromotor zirkulieren zu lassen; und eine Steuerung, die dazu programmiert ist, einen Wicklungsstrom derart zu steuern, dass der Elektromotor Drehmoment und Leistung erzeugt, wobei die Steuerung ferner dazu programmiert ist, eine Elektromotorbetriebsgrenze als Reaktion darauf zu reduzieren, dass eine Schätzung einer Temperatur der Wicklungen einen Schwellenwert überschreitet, wobei die Schätzung durch ein dynamisches Modell, das eine Durchflussrate des Öls als Eingabe aufweist, ausgegeben wird.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 12, wobei die Eingaben des dynamischen Modells ferner eine Rotordrehzahl, den Wicklungsstrom, eine Umgebungstemperatur und eine Ölwannentemperatur beinhalten.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 13, wobei die Temperatur der Wicklungen eine Temperatur eines mittleren Teilstückes der Wicklung ist.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 12, wobei die Elektromotorbetriebsgrenze eine maximale Rotordrehzahl ist.