EP2340610A2 - Verfahren zur einstellung eines elektrischen antriebs sowie kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zur einstellung eines elektrischen antriebs sowie kraftfahrzeug

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Publication number
EP2340610A2
EP2340610A2 EP09748025A EP09748025A EP2340610A2 EP 2340610 A2 EP2340610 A2 EP 2340610A2 EP 09748025 A EP09748025 A EP 09748025A EP 09748025 A EP09748025 A EP 09748025A EP 2340610 A2 EP2340610 A2 EP 2340610A2
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EP
European Patent Office
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temperature
electric drive
vehicle
rotor
electric
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09748025A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Franke
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP2340610A2 publication Critical patent/EP2340610A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W50/00—Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
    • B60W50/0097—Predicting future conditions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/42—Drive Train control parameters related to electric machines
    • B60L2240/425—Temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2510/00—Input parameters relating to a particular sub-units
    • B60W2510/08—Electric propulsion units
    • B60W2510/087—Temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2556/00—Input parameters relating to data
    • B60W2556/10—Historical data
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2050/00—Applications
    • F01P2050/24—Hybrid vehicles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/18—Heater
    • F01P2060/185—Heater for alternators or generators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the invention relates to a method for adjusting an electric drive and a motor vehicle.
  • Electric drives are used as an auxiliary drive (for example in hybrid vehicles) or as the main drive (for example in electric vehicles with battery or fuel cell as energy storage).
  • the characteristics of the electric drive change with the temperature.
  • the remanence decreases in a temperature range of -30 0 C to 150 0 C (this may correspond to a temperature range for the design of an electric machine for hybrid vehicles) by about 10% to 20%.
  • an induced voltage as well as a torque and a power of the electric machine decrease at a given speed and given current. If the electric machine for a medium
  • the object of the invention is to avoid the disadvantages mentioned above and in particular to create a relation to temperature changes robust electric drive.
  • a method for adjusting an electric drive in a vehicle, - in which at least one temperature of the electric drive is determined;
  • the electric drive is adjusted by adjusting its temperature for at least part of the electric drive.
  • the temperature-related behavior of the electric drive can be efficiently influenced.
  • the magnetic flux of the electric drive can be influenced in a targeted manner.
  • the at least one part of the electric drive comprises:
  • a rotor a stator
  • a coolant or a coolant circuit or a coolant supply A coolant or a coolant circuit or a coolant supply.
  • At least one temperature of a rotor of the electric drive and / or at least one temperature of a stator of the electric drive is determined.
  • the temperature of the coolant can be determined and taken into account when setting the electric drive.
  • the temperature of the rotor is determined by means of a voltage induced in the windings of the stator.
  • the at least one parameter identifies or comprises an operating point and / or a working range of the electric drive.
  • the at least one parameter comprises a state of the vehicle.
  • the temperature can be adjusted accordingly.
  • the driver is evaluated over a certain period of time and that there is an optimization such that e.g. Depending on the acceleration behavior and / or the environment of the vehicle (for example in city traffic, ascertainable via the data of a navigation system), the electric drive is operated or adjusted in an efficient temperature range.
  • One example concerns braking in front of a traffic light, ie recuperation with subsequent vehicle standstill.
  • the temperature of the electric drive could be lowered to increase both the torque output of the electric drive and its efficiency in the engine operation (for example, when starting with connection of the internal combustion engine).
  • One embodiment is that the temperature of the at least one part of the electric drive is adjusted by controlling a coolant flow accordingly.
  • the temperature of the electric drive can be influenced.
  • An alternative embodiment is that the at least one part of the electric drive is heated.
  • the coolant can be heated during a cold start, so that the electric drive reaches a favorable operating temperature faster.
  • the rotor and / or stator of the electric drive can also be heated, e.g. electrically heated, be.
  • a next embodiment is that a maximum speed of the electric drive is limited until reaching a predetermined operating temperature.
  • an open circuit voltage of an energy storage device for supplying the electric drive is adjusted as a function of the temperature.
  • a development is that the electric drive is coupled with a thermal management of the vehicle.
  • the electric drive can be integrated into the heat management (or a part thereof) of the vehicle. So it is possible that a given temperature level (also) set or achieved by the heat management.
  • the temperature of at least a portion of the electric drive is adjustable.
  • the motor vehicle may have a control unit
  • control unit for determining and setting the temperature.
  • control unit is designed such that the steps of the method described herein are feasible.
  • sensors for detecting the temperature can be provided.
  • the temperature may e.g. be determined by means of stator, rotor and / or on the basis of the coolant.
  • the electric drive can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator. In particular, it can be any electrical machine, electric motor or generator.
  • the electric drive may comprise a permanent-magnet induction machine.
  • An additional embodiment is that the electric drive is part of a hybrid drive of the motor vehicle.
  • the motor vehicle is a hybrid vehicle with an internal combustion engine and an electric drive.
  • the electric drive is powered by an energy storage with electrical energy.
  • Fig.l is a block diagram for setting a temperature of the electric machine
  • No-load voltages of an electric drive as a function of temperature and speed.
  • electric drive electric machine, electric drive, electric machine, electric motor o.a. are used synonymously with each other.
  • the electric drive can have the function of a generator.
  • the electric drive is supplied in particular by means of an electrical energy storage with energy.
  • the energy storage device may include: a fuel cell, a battery, a capacitor source (e.g., a dual-layer capacitor source).
  • this can be used to condition the electric machine as a function of the vehicle condition. So it is e.g. possible to lower a temperature in city traffic at low speeds and frequent use of the electric machine or to increase the temperature during a cross-country drive or during a motorway section at high speeds and infrequent use of the electric machine.
  • the rotor temperature can be adjusted or conditioned together with the stator temperature. It is also possible to condition the rotor temperature or stator temperature of the electric machine separately.
  • the common conditioning is technically easier to implement, the separate conditioning allows a shorter time constant and thus allows a better regulatory performance.
  • an operating temperature of the rotor relative to a prevailing in an environment temperature level can be set.
  • Vehicle preferably has an operating temperature of 90 0 C to 105 0 C. Accordingly, the electric machine can be designed for this operating temperature such that it achieves optimized performance (eg with regard to torque, efficiency, controllability, etc.) at these temperatures.
  • a maximum speed of the electric machine (for a predetermined period of time, eg until reaching a predetermined temperature) are limited to a speed at which the maximum no-load voltage
  • Electrical machine corresponds to the open circuit voltage of an electrical storage or a maximum allowable voltage of the system.
  • the electric machine in a
  • Thermal management of the vehicle are involved. Such thermal management is e.g. available for an interior, a transmission and an internal combustion engine.
  • the respective thermal management includes and enables a conditioning of the affected components to a predetermined temperature level.
  • the maximum speed of the electric machine, a state of charge control of the electrical energy storage can be influenced so that when the rotor is cold, the minimum allowable no-load voltage of the electrical storage (minimum state of charge or SOC - "State of charge”) is raised and this is lowered when hot electric machine.
  • conditions of the vehicle may be evaluated to determine, in particular, that e.g. A speedy use of the electric machine is expected at low speeds. This could be the case with one
  • different data of the vehicle can be taken into account.
  • data of a navigation system or traffic information in particular in addition to vehicle conditions such as speed, acceleration, yaw moment, gear selection, etc., are used.
  • Fig.l shows a block diagram for setting a temperature of the electric machine.
  • the electric machine 103 comprises a rotor 101 and a stator 102 and is supplied with coolant via a coolant supply 107.
  • the coolant supply 107 is designed to be adjustable by way of example, i. a flow rate of the coolant and / or a temperature of the coolant can be changed accordingly.
  • a temperature detection unit 104 determines e.g. continuously or at predetermined times a temperature of the rotor 101 and / or a temperature of the stator 102. The detected temperature is supplied to a regulator 105, which is e.g. Depending on predetermined parameters and / or states of the vehicle 108 determines an output and this provides an actuator 106 for adjusting the coolant supply 107.
  • controller 107 may also include states derived from the environment (eg "city traffic” determined by means of the navigation system or "red traffic light” determined by means of an image recognition unit of the vehicle).
  • states derived from the environment eg "city traffic” determined by means of the navigation system or "red traffic light” determined by means of an image recognition unit of the vehicle.
  • the components 104, 105 and 106 may be implemented as one unit or integrated in the electric drive 103 and / or the coolant supply 107. Also, partial integrations of the component are possible with each other (e.g., temperature sensing 104 is integrated with the electric machine 103 or the actuator 106 is part of the coolant supply 107).
  • Windings of the stator induced voltage can be used. This voltage can be measured both as a chained voltage, as a strand voltage or as a voltage against a reference potential of the control device of the electric machine. Preferably, at least one device for detecting one of these voltages is already integrated in the control device of the electric machine.
  • the idling voltage of the electric machine is preferably used at medium to high speed and a passive (ie a non-driven) inverter (pulse lock), since in this operation, the interference on the signal are minimized.
  • An operating state of a hybrid vehicle may be determined at a frequency and duration sufficient for the measurement, without the measurement hindering or restricting the basic functionality of the hybrid vehicle.
  • tolerances are determined by means of a calibration measurement at at least one reference temperature and stored as a correction function in an evaluation device of the rotor temperature detection.
  • Calibration measurement can be carried out both during vehicle production (for example during the functional test) and during vehicle operation (workshop, customer operation), provided that the rotor temperature is known.
  • the temperature of the cooling medium which is usually present with high accuracy, can be used.
  • temperatures of the cooling medium can be measured at a location of the coolant inflow and at a further location of the coolant outflow. Accordingly, the quality of the calibration can be improved.
  • the controller for adjusting the rotor temperature may e.g. be constructed as a two-position controller. Furthermore, a control structure can be provided which takes into account a thermal time constant for the rotor cooling.
  • the controllers used for such tasks (PI, PID controllers, etc.) are known.
  • the control can be further improved by using an adaptive controller or an observing controller, in particular in conjunction with the aforementioned control measures.
  • a thermal model for the dependence of the rotor temperature of external influences (cooling temperature, stator temperature, speed, torque, phase current, etc.) can be stored in the scheme. Based on the model, the required temperatures can be extrapolated during a period in which the rotor temperature or the idle voltage itself can not be measured.
  • Influencing the coolant mass flow are valve, pump and bypass arrangements can be used.
  • FIG. 2 shows a diagram with different open-circuit voltages of an electric drive as a function of temperature and speed.
  • a graph 201 shows a maximum no-load voltage of an energy store for supplying the electric drive.
  • a graph 202 shows a minimum open circuit voltage of the energy store.
  • a graph 203 shows an idling voltage with a cold rotor and a graph 205 shows an idling voltage with a highly heated rotor as a function of the rotational speed of the electric drive.
  • a graph 204 shows, by way of example, an idling speed of the electric drive with a conditioned rotor as a function of the rotational speed of the electric drive, this graph 204 being arranged between the graphs 205 and 203.
  • stator 103 drive electric machine, electric machine, electric motor, generator

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Abstract

Es wird ein Verfahren angegeben zur Einstellung eines elektrischen Antriebs in einem Fahrzeug, bei dem mindestens eine Temperatur des elektrischen Antriebs ermittelt wird und bei dem abhängig von mindestens einem Parameter die Temperatur mindestens eines Teils des elektrischen Antriebs eingestellt wird. Ferner wird ein Kraftfahrzeug umfassend einen elektrischen Antrieb vorgeschlagen, der entsprechend einstellbar ist.

Description

Be s ehr eibung
Verfahren zur Einstellung eines elektrischen Antriebs sowie Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines elektrischen Antriebs sowie ein Kraftfahrzeug.
Für die Verbesserung der Effizienz und der Umweltverträglichkeit von Fahrzeugen werden zunehmend
Elektroantriebe als Hilfsantrieb (z.B. in Hybridfahrzeugen) bzw. als Hauptantrieb (z.B. in Elektrofahrzeugen mit Batterie oder Brennstoffzelle als Energiespeicher) eingesetzt .
Hierbei erweist sich der Einsatz von permanenterregten Drehfeldmaschinen als vorteilhaft, weil diese verhältnismäßig wenig Bauraum benötigen und im Vergleich zu anderen Elektroantrieben eine hohe Effizienz aufweisen.
Die Eigenschaften des Elektroantriebs verändern sich mit der Temperatur.
Bekannte Ansätze weisen den Nachteil auf, dass die Elektromaschine für einen großen Temperaturbereich ausgelegt sein muss.
Hierbei störend ist insbesondere die Veränderung einer Remanenz der Magnete des Rotors über die Temperatur. Die Remanenz nimmt in einem Temperaturbereich von -300C bis 1500C (dies kann einem Temperaturbereich zur Auslegung einer Elektromaschine für Hybridfahrzeuge entsprechen) um ca. 10% bis 20% ab. In gleichem Maße nehmen eine induzierte Spannung sowie ein Drehmoment und eine Leistung der Elektromaschine bei vorgegebener Drehzahl und vorgegebenem Strom ab. Wird die Elektromaschine für eine mittlere
19633 b,a,z 29.10.2008 Betriebstemperatur (z.B. 600C) optimiert ausgelegt, ergeben sich folgende Auswirkungen auf den Betrieb in dem Fahrzeug:
i) Bei kalter Elektromaschine (z.B. bei einer Temperatur kleiner als 600C ) übersteigt die tatsächlich induzierte Spannung die induzierte Spannung entsprechend der optimierten Auslegung, wodurch ein Feldschwächbedarf bei höheren Drehzahlen zu einer Verringerung einer Klemmenspannung und Sicherheitsaufwendungen zur Begrenzung einer maximalen Klemmenspannung bei Maximaldrehzahl der Elektromaschine steigen. Der vergrößerte Feldschwächbedarf vermindert den Wirkungsgrad.
ii) Bei heißer Elektromaschine (z.B. bei einer Temperatur größer als 600C) nehmen die Leistungsfähigkeit der Elektromaschine und der Wirkungsgrad ab.
Eine ähnliche Problematik ergibt sich durch Toleranzen bei der Fertigung (Eigenschaften der Permanentmagnete, Luftspalttoleranzen) , die ebenfalls in die wirksame Induktion eingehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere einen gegenüber Temperaturveränderungen robusten elektrischen Antrieb zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren angegeben zur Einstellung eines elektrischen Antriebs in einem Fahrzeug, - bei dem mindestens eine Temperatur des elektrischen Antriebs ermittelt wird;
19633 b,a,z 29.10.2008 - bei dem abhängig von mindestens einem Parameter die Temperatur mindestens eines Teils des elektrischen Antriebs eingestellt wird.
Insofern wird der elektrische Antrieb eingestellt, indem dessen Temperatur für mindestens einen Teil des elektrischen Antriebs eingestellt wird. Hierdurch kann das durch die Temperatur bedingte Verhalten des elektrischen Antriebs effizient beeinflusst werden.
Somit kann vorteilhaft gezielt der magnetische Fluss des elektrischen Antriebs beeinflusst werden. Insbesondere ist es möglich, fertigungsbedingte Toleranzen auszugleichen sowie einen thermischen Arbeitsbereich des elektrischen Antriebs zu begrenzen.
Eine Weiterbildung ist es, dass das mindestens eine Teil des elektrischen Antriebs umfasst:
- einen Rotor; - einen Stator;
- ein Kühlmittel bzw. einen Kühlmittelkreislauf oder eine Kühlmittelversorgung.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass mindestens eine Temperatur eines Rotors des elektrischen Antriebs und/oder mindestens eine Temperatur eines Stators des elektrischen Antriebs ermittelt wird.
Auch kann die Temperatur des Kühlmittels bestimmt und entsprechend bei der Einstellung des elektrischen Antriebs berücksichtigt werden.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Temperatur des Rotors anhand einer in die Wicklungen des Stators induzierten Spannung bestimmt wird.
19633 b,a,z 29.10.2008 Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der mindestens eine Parameter einen Arbeitspunkt und/oder einen Arbeitsbereich des elektrischen Antriebs identifiziert oder umfasst.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung umfasst der mindestens eine Parameter einen Zustand des Fahrzeugs.
Abhängig von einer Situation, einer Umgebung und/oder mindestens einem Zustand des Fahrzeugs kann die Temperatur entsprechend eingestellt werden.
Hierbei kann auch eine Vergangenheit abgespeicherter Parameter und/oder Zustände berücksichtigt werden, um geeignet die Temperatur des elektrischen Antriebs einzustellen. So ist es möglich, dass das Verhalten des
Fahrers über einen bestimmten Zeitraum ausgewertet wird und dahingehend eine Optimierung erfolgt, dass z.B. abhängig vom Beschleunigungsverhalten und/oder der Umgebung des Fahrzeugs (z.B. im Stadtverkehr, ermittelbar über die Daten eines Navigationssystems) der elektrische Antrieb in einem effizienten Temperaturbereich betrieben bzw. entsprechend eingestellt wird.
Basierend auf derartigen Zuständen oder Informationen ist es möglich, mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, künftige Fahrzeugzustände vorherzusagen und entsprechend rechtzeitig die Temperatur des elektrischen Antriebs zu beeinflussen .
Ein Beispiel betrifft das Abbremsen vor einer Ampel, also eine Rekuperation mit anschließendem Fahrzeugstillstand. In diesem Fall könnte die Temperatur des elektrischen Antriebs abgesenkt werden, um im motorischen Betrieb (z.B. beim Anfahren mit Zuschalten des Verbrennungsmotors) sowohl die Drehmomentausbeute des elektrischen Antriebs als auch dessen Wirkungsgrad zu erhöhen.
19633 b,a, z 29.10.2008 Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass in Abhängigkeit von einer Häufigkeit der Aktivierung und/oder des Betriebs des elektrischen Antriebs die Temperatur eingestellt wird.
Bei häufiger Benutzung des elektrischen Antriebs kann die Temperatur des elektrischen Antriebs reduziert werden, wohingegen bei eher seltener Benutzung des elektrischen Antriebs dessen Temperatur nicht reduziert werden muss bzw. sogar erhöht werden kann.
Eine Ausgestaltung ist es, dass die Temperatur des mindestens einen Teils des elektrischen Antriebs eingestellt wird, indem ein Kühlmittelfluss entsprechend gesteuert wird.
Beispielsweise kann anhand eines entsprechenden Massenstroms des Kühlmittels die Temperatur des elektrischen Antriebs beeinflusst werden.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass das mindestens eine Teil des elektrischen Antriebs erwärmt wird.
Beispielsweise kann das Kühlmittel bei einem Kaltstart erwärmt werden, so dass der elektrische Antrieb schneller eine günstige Betriebstemperatur erreicht. Entsprechend kann auch der Rotor und/oder Stator des elektrischen Antriebs erwärmt, z.B. elektrisch beheizt, werden.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass eine Maximaldrehzahl des elektrischen Antriebs bis zum Erreichen einer vorgegebenen Betriebstemperatur begrenzt wird.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass eine LeerlaufSpannung eines Energiespeichers zur Versorgung des elektrischen Antriebs in Abhängigkeit von der Temperatur angepasst wird.
19633 b,a,z 29.10.2008 Beispielsweise kann bei kaltem Rotor (und/oder Stator) des elektrischen Antriebs die minimal zulässige LeerlaufSpannung des Energiespeichers angehoben und bei heißem Rotor (und/oder Stator) abgesenkt werden.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass der elektrische Antrieb mit einem Wärmemanagement des Fahrzeugs gekoppelt wird.
Insbesondere kann der elektrische Antrieb in das Wärmemanagement (oder einen Teil desselben) des Fahrzeugs eingebunden werden. So ist es möglich, dass ein vorgegebenes Temperaturniveau (auch) durch das Wärmemanagement eingestellt bzw. erreicht wird.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Kraftfahrzeug umfassend einen elektrischen Antrieb
- bei dem mindestens eine Temperatur des elektrischen Antriebs ermittelbar ist;
- bei dem abhängig von mindestens einem Parameter die Temperatur mindestens eines Teils des elektrischen Antriebs einstellbar ist.
Insbesondere kann das Kraftfahrzeug eine Steuereinheit
(bzw. eine Regeleinheit) zur Ermittlung und Einstellung der Temperatur aufweisen. Insbesondere ist die Steuereinheit derart ausgestaltet, dass die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens durchführbar sind.
Entsprechend vorstehenden Ausführungen können Sensoren zur Detektion der Temperatur vorgesehen sein. Die Temperatur kann z.B. mittels Stator, Rotor und/oder anhand des Kühlmittels bestimmt werden.
Der elektrische Antrieb kann jedwede elektrische Maschine, Elektromotor oder Generator sein. Insbesondere kann es sich
19633 b,a, z 29.10.2008 _
um eine dreiphasige elektrische Maschine handeln. Insbesondere kann der elektrische Antrieb eine permanenterregte Drehfeldmaschine umfassen.
Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass der elektrische Antrieb Teil eines Hybridantriebs des Kraftfahrzeugs ist.
Insbesondere ist das Kraftfahrzeug ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Antrieb. Der elektrische Antrieb wird über einen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt.
Ausfύhrungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
Fig.l ein Blockschaltbild zum Einstellen einer Temperatur der Elektromaschine;
Fig.2 ein Diagramm mit unterschiedlichen
LeerlaufSpannungen eines elektrischen Antriebs in Abhängigkeit von Temperatur und Drehzahl.
Die Begriffe Elektroantrieb, Elektromaschine, elektrischer Antrieb, elektrische Maschine, Elektromotor o.a. werden zueinander synonym verwendet. Insbesondere kann der Elektroantrieb die Funktion eines Generators haben.
Der Elektroantrieb wird insbesondere mittels eines elektrischen Energiespeichers mit Energie versorgt. Dabei kann der Energiespeicher umfassen: Eine Brennstoffzelle, eine Batterie, eine Kondensatorquelle (z.B. eine Doppe1schicht kondensatorquelle) .
19633 b,a, z 29.10.2008 Der hier vorgeschlagene Ansatz ermöglich es, mittels einer Kühlung einer Elektromaschine deren Rotortemperatur und dadurch einen magnetischen Fluss gezielt zu beeinflussen.
Hierdurch werden fertigungsbedingte Toleranzen ausgeglichen sowie ein thermischer Arbeitsbereich der Elektromaschine wirksam begrenzt.
Insbesondere kann hierdurch die Elektromaschine in Abhängigkeit des Fahrzeugzustandes konditioniert werden. So ist es z.B. möglich, eine Temperatur im Stadtverkehr bei niedrigen Drehzahlen und häufiger Verwendung der Elektromaschine abzusenken oder die Temperatur bei einer Überlandfahrt oder während eines Autobahnabschnitts bei hohen Drehzahlen und seltener Benutzung der Elektromaschine zu erhöhen.
Vorzugsweise kann die Rotortemperatur gemeinsam mit der Statortemperatur eingestellt bzw. konditioniert werden. Auch ist es möglich, Rotortemperatur oder Statortemperatur der Elektromaschine separat zu konditionieren. Die gemeinsame Konditionierung ist technisch einfacher umzusetzen, die separate Konditionierung erlaubt eine kürzere Zeitkonstante und ermöglicht dadurch eine bessere Regelungsperformance.
Beispielsweise kann eine Betriebstemperatur des Rotors bezogen auf ein in einer Umgebung vorherrschendes Temperatur-Niveau festgelegt werden. Beispielsweise kann berücksichtigt werden, dass ein Kühlmittel in einem
Fahrzeug vorzugsweise eine Betriebstemperatur von 900C bis 1050C hat. Entsprechend kann die Elektromaschine auf diese Betriebstemperatur ausgelegt werden derart, dass sie bei diesen Temperaturen eine optimierte Performance (z.B. im Hinblick auf Drehmoment, Wirkungsgrad, Regelbarkeit etc.) erreicht .
19633 b,a, z 29.10.2008 Auch kann z.B. nach einem Kaltstart des Fahrzeugs (bzw. der Elektromaschine) eine Maximaldrehzahl der Elektromaschine (für eine vorgegebene Zeitdauer, z.B. bis zum. Erreichen einer vorgegebenen Temperatur) begrenzt werden auf eine Drehzahl, bei der die maximale LeerlaufSpannung der
Elektromaschine der LeerlaufSpannung eines elektrischen Speichers oder einer maximal zulässigen Spannung des Systems entspricht.
Vorzugsweise kann die Elektromaschine in ein
Wärmemanagement des Fahrzeugs eingebunden werden. Ein solches Wärmemanagement ist z.B. vorhanden für einen Innenraum, ein Getriebe sowie einen Verbrennungsmotor. Das jeweilige Wärmemanagement umfasst und ermöglicht eine Konditionierung der betroffenen Komponenten auf ein vorgegebenes Temperaturniveau.
Insofern ist es möglich, dass der Rotor der Elektromaschine beschleunigt und auf Betriebstemperatur gebracht wird, so dass eine Beschränkung der Maximaldrehzahl (im kalten Zustand) entfallen kann.
Ergänzend oder alternativ zu der Begrenzung. der Maximaldrehzahl der Elektromaschine kann eine Ladezustandsregelung des elektrischen Energiespeichers so beeinflusst werden, dass bei kaltem Rotor die minimal zulässige LeerlaufSpannung des elektrischen Speichers (minimaler Ladezustand oder SOC - "State of Charge") angehoben und diese bei heißer Elektromaschine abgesenkt wird.
Weiterhin können Zustände des Fahrzeugs ausgewertet werden, um insbesondere festzustellen, dass z.B. ein baldiger Einsatz der Elektromaschine bei niedrigen Drehzahlen zu erwarten ist. Dies könnte der Fall sein bei einer
Rekuperation, der ein Anhalten des Fahrzeugs folgt. In so * einem Beispiel könnte die Rotortemperatur abgesenkt werden,
19633 b,a,z 29.10.2008 um im motorischen Betrieb (z.B. beim Anfahren mit Zuschalten des Verbrennungsmotors) sowohl die Drehmomentausbeute der Elektromaschine als auch den Wirkungsgrad des elektrischen Antriebes zu erhöhen.
Entsprechend ist es möglich, während des Anfahrens (d.h. bei einem Drehzahlhochlauf) die Rotortemperatur anzuheben, um die induzierten Spannung zu reduzieren und somit die Ausnutzbarkeit des elektrischen Speichers zu verbessern.
Zur Auswertung von Fahrzeugzuständen und/oder zur Vorhersage künftiger Fahrzeugzustände können unterschiedliche Daten des Fahrzeugs berücksichtigt werden. Insbesondere ist es möglich, dass Daten eines Navigationssystems oder Verkehrsinformationen, insbesondere in Ergänzung zu Fahrzeugzuständen wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Giermoment, Gangwahl etc., verwendet werden.
Fig.l zeigt ein Blockschaltbild zum Einstellen einer Temperatur der Elektromaschine.
Die Elektromaschine 103 umfasst einen Rotor 101 und einen Stator 102 und wird über eine Kühlmittelversorgung 107 mit einem Kühlmittel versorgt. Die Kühlmittelversorgung 107 ist beispielhaft einstellbar ausgeführt, d.h. eine Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels und/oder eine Temperatur des Kühlmittels ist entsprechend veränderbar.
Eine Einheit zur Temperaturerfassung 104 bestimmt z.B. kontinuierlich oder zu vorgegeben Zeitpunkten eine Temperatur des Rotors 101 und/oder eine Temperatur des Stators 102. Die erfasste Temperatur wird einem Regler 105 zugeführt, der z.B. abhängig von vorgegebenen Parametern und/oder Zuständen des Fahrzeugs 108 eine Ausgangsgröße ermittelt und diese einem Stellglied 106 zur Einstellung der Kühlmittelversorgung 107 bereitstellt. Diese
19633 b,a, z 29.10.2008 Eingangsgröße 108 des Reglers 107 kann auch aus der Umgebung abgeleitete Zustände (z.B. "Stadtverkehr" bestimmt anhand des Navigationssystems oder "rote Ampel" ermittelt anhand einer Bilderkennungseinheit des Fahrzeugs) umfassen.
Entsprechend können die Komponenten 104, 105 und 106 als eine Einheit ausgeführt sein oder in dem elektrischen Antrieb 103 und/oder der Kühlmittelversorgung 107 integriert sein. Auch sind teilweise Integrationen der Komponente miteinander möglich (z.B. Temperaturerfassung 104 ist in die Elektromaschine 103 integriert oder das Stellglied 106 ist Bestandteil der Kühlmittelversorgung 107) .
Als ein Maß für die Rotortemperatur kann eine in die
Wicklungen des Stators induzierte Spannung herangezogen werden. Diese Spannung kann sowohl als eine verkettete Spannung, als eine Strangspannung oder als eine Spannung gegen ein Bezugspotential der Steuereinrichtung der Elektromaschine gemessen werden. Vorzugsweise ist mindestens eine Einrichtungen zur Erfassung einer dieser Spannungen bereits in der Steuereinrichtung der Elektromaschine integriert.
Zur Bestimmung der Rotortemperatur der belasteten
Elektromaschine wird bevorzugt die LeerlaufSpannung der Elektromaschine bei mittlerer bis hoher Drehzahl und bei einem passivem (also einem nicht angesteuerten) Wechselrichter (Pulssperre) verwendet, da bei diesem Betrieb die Störeinflüsse auf das Signal minimiert sind.
Ein Betriebszustand eines Hybridfahrzeugs kann in einer für die Messung ausreichenden Häufigkeit und Dauer ermittelt werden, ohne dass die Messung die Basisfunktionalität des Hybridfahrzeugs behindert oder einschränkt.
19633 b,a, z 29.10.2008 Auch ein reines Elektrofahrzeug kann kontinuierliche betrieben werden: Der für die Messung erforderliche Zustand kann für wenige Millisekunden eingestellt werden, ohne dass der Fahrkomfort beeinträchtigt wird.
Vorzugsweise werden Toleranzen (Aufmagnetisierung, Luftspalt, Meßverstärkung) mittels einer Kalibriermessung bei mindestens einer Referenztemperatur bestimmt und als Korrekturfunktion in einer Auswerteeinrichtung der Rotortemperaturerfassung gespeichert. Diese
Kalibriermessung kann sowohl bei der Fahrzeugfertigung (z.B. beim Funktionstest) als auch während des Fahrzeugbetriebes (Werkstatt, Kundenbetrieb) durchgeführt werden, sofern die Rotortemperatur bekannt ist. Als Referenztemperatur kann die zumeist mit hoher Genauigkeit vorliegende Temperatur des Kühlmediums verwendet werden. Vorzugsweise können Temperaturen des Kühlmediums an einem Ort des Kühlmittelzuflusses sowie an einem weiteren Ort des Kühlmittelabflusses gemessen werden. Entsprechend kann die Güte der Kalibrierung verbessert werden.
Der Regler zur Einstellung der Rotortemperatur kann z.B. als ein Zweipunktregler aufgebaut sein. Weiterhin kann eine Regelstruktur vorgesehen sein, die eine thermische Zeitkonstante für die Rotorkühlung berücksichtigt. Die für derartige Aufgaben eingesetzten Regler (PI-, PID-Regler etc.) sind bekannt. Die Regelung kann nochmals verbessert werden, indem ein adaptiver Regler bzw. ein beobachtender Regler insbesondere in Verbindung mit den vorgenannten Regelmaßnahmen eingesetzt wird. Somit kann ein thermisches Modell für die Abhängigkeit der Rotortemperatur von äußeren Einflüssen (Kühltemperatur, Statortemperatur, Drehzahl, Drehmoment, Phasenstrom, etc.) in der Regelung hinterlegt werden. Anhand des Modells können während eines Zeitraumes, in dem die Rotortemperatur bzw. die LeerlaufSpannung selbst nicht gemessen werden kann, die benötigten Temperaturen extrapoliert werden.
19633 b,a, z 29.10.2008 Auch ist es möglich, dass als Stellglied zur Beeinflussung der Kühlmitteltemperatur beispielsweise ein Thermostat, eine Mischstelle, ein Heizelement, steuerbare Rückkühlelemente o.a. eingesetzt werden. Für die
Beeinflussung des Kühlmittelmassenstromes sind Ventil-, Pumpen- und Bypass-Anordnungen einsetzbar.
Fig.2 zeigt ein Diagramm mit unterschiedlichen LeerlaufSpannungen eines elektrischen Antriebs in Abhängigkeit von Temperatur und Drehzahl.
Ein Graph 201 zeigt eine maximale LeerlaufSpannung eines Energiespeichers zur Versorgung des elektrischen Antriebs. Ein Graph 202 zeigt eine minimale LeerlaufSpannung des Energiespeichers .
Ein Graph 203 zeigt eine LeerlaufSpannung bei kaltem Rotor und ein Graph 205 zeigt eine LeerlaufSpannung bei stark erwärmtem Rotor in Abhängigkeit von der Drehzahl des elektrischen Antriebs.
Ein Graph 204 zeigt beispielhaft eine Leerlaufdrehzahl des elektrischen Antriebs bei konditioniertem Rotor in Abhängigkeit von der Drehzahl des elektrischen Antriebs, wobei dieser Graph 204 zwischen den Graphen 205 und 203 angeordnet ist.
Weitere Vorteile:
Die Konditionierung der Arbeitstemperatur und eine dahingehend optimierte Auslegung der Induktion führt zu einer um ca. 10% gesteigerten Drehmomentausbeute und zu einem um ca. 5% höheren Wirkungsgrad bei ansonsten baugleicher Hardware.
19633 b,a,z 29.10.2008 Die Anpassung der Konditionierung an den Betriebszustand des Fahrzeuges führt zu einem besseren Wirkungsgrad (geringerer Feldschwächbedarf) und zu einer verbesserten Ausnutzung des Energiespeichers (niedrigere Speicherspannung sowie SOC während Fahrt bei hohen Drehzahlen, dadurch bessere Rekuperation) sowie des elektrischen Antriebes (höhere Drehmomentausnutzung, höherer Wirkungsgrad) .
Der hier vorgeschlagene Ansatz führt lediglich zu kleineren Änderungen an vorhandener Hardware bzw. Software. Entsprechend kann eine Realisierung dieses Vorschlags kostengünstig und schnell umgesetzt werden.
19633 b,a,z 29.10.2008 Bezugszeichenliste :
101 Rotor
102 Stator 103 Antrieb (elektrische Maschine, Elektromaschine, Elektromotor, Generator)
104 Einheit zur Temperaturerfassung
105 Regler
106 Stellglied 107 Kühlmittelversorgung
108 vorgegebene Parameter und/oder Zustände des Fahrzeugs
201 Graph: maximale LeerlaufSpannung des Energiespeichers
202 Graph: minimale LeerlaufSpannung des Energiespeiehers
203 Graph: LeerlaufSpannung bei kaltem Rotor
204 Graph: LeerlaufSpannung bei konditioniertem Rotor 205 Graph: LeerlaufSpannung bei stark erwärmtem Rotor
19633 b,a, z 29.10.2008

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Einstellung eines elektrischen Antriebs
(103) in einem Fahrzeug, - bei dem mindestens eine Temperatur des elektrischen Antriebs ermittelt wird (104);
- bei dem abhängig von mindestens einem Parameter
(108) die Temperatur mindestens eines Teils des elektrischen Antriebs eingestellt wird (106) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das mindestens eine Teil des elektrischen Antriebs (103) umfasst:
- einen Rotor (101);
- einen Stator (102); - ein Kühlmittel.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Temperatur eines Rotors (101) des elektrischen Antriebs (103) und/oder mindestens eine Temperatur eines Stators (102) des elektrischen Antriebs (103) ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Temperatur des Rotors (101) anhand einer in die Wicklungen des Stators (102) induzierten Spannung bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Parameter einen Arbeitspunkt und/oder einen Arbeitsbereich des elektrischen Antriebs (103) identifiziert.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine Parameter einen Zustand des Fahrzeugs umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Abhängigkeit von einer Häufigkeit der
19633 b,a, z 29.10.2008 Aktivierung und/oder des Betriebs des elektrischen Antriebs (103) die Temperatur eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur des mindestens einen Teils des elektrischen Antriebs (103) eingestellt wird, indem ein Kühlmittelfluss entsprechend gesteuert wird (107) .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mindestens eine Teil des elektrischen Antriebs
(103) erwärmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Maximaldrehzahl des elektrischen Antriebs (103) bis zum Erreichen einer vorgegebenen Betriebstemperatur begrenzt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine LeerlaufSpannung eines Energiespeichers zur Versorgung des elektrischen Antriebs (103) in
Abhängigkeit von der Temperatur angepasst wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Antrieb (103) mit einem Wärmemanagement des Fahrzeugs gekoppelt wird.
13. Kraftfahrzeug umfassend einen elektrischen Antrieb
- bei dem mindestens eine Temperatur des elektrischen
Antriebs (103) ermittelbar ist (104); - bei dem abhängig von mindestens einem Parameter (108) die Temperatur mindestens eines Teils des elektrischen Antriebs (103) einstellbar ist.
14. Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, bei dem der elektrische Antrieb Teil eines Hybridantriebs des Kraftfahrzeugs ist.
19633 b,a, z 29.10.2008
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