KR20220041163A - 전기 구동 유닛, 전기 구동 유닛의 작동 방법 및 온도 계산 방법 - Google Patents

전기 구동 유닛, 전기 구동 유닛의 작동 방법 및 온도 계산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 구동 유닛(12)에서 온도를 계산하기 위한 방법(10), 고정자와 회전자를 갖는 전기 모터를 포함하는 차량용 전기 구동 유닛(12), 및 상기 유형의 전기 구동 유닛(12)을 작동시키는 방법에 관한 것이다.

Description

전기 구동 유닛, 전기 구동 유닛의 작동 방법 및 온도 계산 방법
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 온도 계산 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 청구항 9의 전제부에 따른 전기 구동 유닛 및 청구항 10에 따른 전기 구동 유닛의 작동 방법에 관한 것이다.
전기 구동 유닛을 구비한 차량, 예를 들어, 트랙션 드라이브로서 전기 모터를 구비한 차량에서 가장 안정적인 가능한 전기 모터 모드를 보장하려면 전기 모터에 존재하는 온도에 대한 지식이 필요하다. 전기 모터의 정확한 온도를 알면 그 성능 한계를 더욱 정확하게 활용할 수 있다. 전기 구동 유닛이 임계 온도에 도달하면, 전기 모터의 영구 자석이 자기력을 잃을 수 있고 고정자의 절연이 융해될 수 있다.
실제 온도를 결정하는 가장 신뢰할 수 있는 방법은 전기 구동 유닛의 감지 영역에서 온도를 직접 측정하고 모니터링하는 것이다. 그러나, 직접적인 온도 측정이 항상 구현되는 것은 아니다. 예를 들어, 정확한 온도 측정을 위한 온도 센서를 사용 가능한 공간이나 기능으로 인해 원하는 검출 영역에 부착할 수 없는 경우가 있다.
선택된 검출 영역의 온도를 직접 측정할 수 없는 경우, 예를 들어 단일 온도 센서만 사용하는 경우, 온도 모델을 사용하여 다른 위치의 온도를 계산하고 추정할 수 있다. 전기 구동 유닛의 온도를 계산하는 방식은 다양하게 많이 있다.
US 2011/0084638 A1은 온도 추정 모듈이 측정된 오일 온도와 고정자에서 측정된 전류에 따라 전기 모터의 모터 온도를 계산하는 것을 개시하고 있다.
JP H 0654572 A에서, 전기 모터의 코일 내의 온도는 전기 모터의 열 모델을 사용하여 계산된다. 코일의 온도는 코일의 온도-의존성 전기 저항에 따라 계산되며, 전기 저항은 전압과 전류를 측정하여 결정된다.
WO 2015 101 107 A1에서, 전기 모터의 온도는 모터 온도 모델을 기반으로, 전기 모터를 제어하는 출력 전자 장치의 온도에 따라 추정되고 있다.
본 발명의 목적은 더욱 정확하고 신뢰할 수 있는 방식으로 전기 구동 유닛의 온도를 계산하는 것이다.
이들 목적 중 적어도 하나는 청구항 제1항의 특징을 갖는 전기 구동 유닛의 온도 계산 방법에 의해 달성된다. 결과적으로, 전기 구동 유닛에 대한 상당한 열 입력을 고려하여 검출 요소에 오류가 있는 경우에도 상태 변수를 계산할 수 있다. 예를 들어, 고장이 발생한 경우와 같이 온도 검출 소자가 작동되지 않는 동안 온도 계산이 완전히 중단되지 않을 수 있다. 결과적으로, 상태 변수의 온도 계산은 온도 검출 소자가 오류를 갖는 경우에도, 심지어 측정 변수가 누락된 경우에도 발생할 수 있다. 온도 계산의 정확도가 높아진다.
상태 공간 모델은 입력 변수와 출력 변수 사이의 선형 시간 불변(LTI) 모델일 수 있다. LTI 모델은 다음 두 방정식으로 설명할 수 있다.
Figure pct00001
(1)
여기서 x는 상태 변수, u는 입력 변수, y는 출력 변수, A는 시스템 매트릭스, B는 입력 매트릭스, C는 출력 매트릭스이다.
상태 변수는 바람직하게는 측정할 수 없는 값, 예를 들어 접근할 수 없는 위치의 온도 및/또는 열류(heat flow)이다.
시스템 옵저버는 Luenberger 옵저버가 될 수 있으며 다음 두 방정식을 사용하여 설명할 수 있다.
Figure pct00002
(2)
여기서 xm은 모델 상태 변수, u는 입력 변수, y는 출력 변수에 대응하는 측정 변수, ym은 모델 출력 변수, A는 시스템 매트릭스, B는 입력 매트릭스, C는 출력 매트릭스, L은 피드백 매트릭스이다.본 발명의 바람직한 실시예에서, 온도 검출 소자의 오류에 대응하는 검출 상태 신호가 있을 때, 처리량 모드로 전환된다.
본 발명의 특정 실시예에서, 온도 검출 소자의 정상 모드에 대응하는 검출 상태 신호가 있을 때, 정상 모드로 전환된다.
본 발명의 추가적인 특정 실시예에서, 입력 변수는 전기 구동 유닛으로 입력되는 열을 나타낸다. 모델 상태 변수는 모델 출력 변수와 다른 온도일 수 있고, 모델 출력 변수는 측정 변수를 나타내는 온도일 수 있다. 입력 변수는 전력, 전압 및/또는 열류일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 처리량 모드는 모델 출력 변수가 측정 변수로 설정되어 출력 변수 차이가 0으로 설정된다는 차이점을 제외하고는 정상 모드에 대응한다.
본 발명의 특정 실시예에서, 검출 상태 신호에 의존하는 계산 상태 값에 따라 에러 신호가 출력된다. 계산 상태 값이 오류를 나타내는 값에 해당하면 에러 신호가 출력될 수 있다.
본 발명의 다른 특정 실시예에서, 계산 상태 값은 제1 지정 기간보다 긴 제1 기간 동안 온도 검출 소자의 오류에 대응하는 검출 상태 신호가 발생하는 즉시 오류를 나타내는 값을 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 온도 모델의 상태는 출력 변수 차이에 따른 온도 모델의 정확도를 나타내는 모델 상태 신호를 통해 설명될 수 있다. 계산된 상태 값은 제2 지정 기간보다 긴 제2 기간 동안 온도 모델의 오류에 대응하는 모델 상태 신호가 발생하는 즉시 오류를 나타내는 값을 가질 수 있다.
계산 상태 값은 바람직하게는 제1 기간, 제1 지정 기간, 제2 기간 및 제2 지정 기간에 의존한다. 계산 상태 값에 따라 전기 구동 유닛를 비상 모드로 전환할 수 있다.
또한, 전술한 목적들 중 적어도 하나는 고정자와 회전자를 갖는 전기 모터를 포함한 차량용 전기 구동 유닛에 의해 달성되며, 여기서 상기 전기 구동 유닛의 적어도 하나의 모델 상태 변수는 전술한 특징들 중 적어도 하나를 갖는 방법을 사용하여 계산된다.
또한, 전술한 목적들 중 적어도 하나는 상기 전기 구동 유닛을 작동시키는 방법에 의해 달성되며, 여기서 상기 전기 구동 유닛에 도입된 전기 에너지는 모델 상태 변수에 따라 조정된다.
본 발명의 추가적인 장점과 유리한 실시예는 도면과 도면에 대한 설명으로 알 수 있다.
본 발명을 도면을 참조하여 아래에 자세히 설명하도록 한다. 상세하게는:
도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따른 온도 계산 방법의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 특정 실시예에 따른 온도 계산 방법에서 검출 상태 신호 및 모델 상태 신호의 시간 경과를 도시한다.
도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따른 온도 계산 방법(10)의 블록도를 도시한다. 온도 계산 방법(10)은 특히 전기 에너지에 의해 공급되는 전기 구동 유닛(12)에서 수행된다. 전기 구동 유닛(12)은 차량에 배치될 수 있고 고정자 및 회전 가능한 회전자를 갖는 전기 모터를 포함할 수 있다.
전기 구동 유닛(12)의 온도는 출력 변수로서 전기 구동 유닛(12)의 시스템 컨텍스트(14)를 통해 입력 변수(u)에 의존한다. 시스템 컨텍스트(14)는 입력 변수(u)와 출력 변수 사이의 관계를 특정할 수 있는 상태 공간 모델을 통해 온도 모델(16)에 의해 설명될 수 있다. 입력 변수(u)는 전기 구동 유닛(12)으로 입력되는 열을 나타낸다. 예를 들어, 입력 변수(u)는 전력, 전압 및/또는 열류(heat flow)일 수 있다.
전기 구동 유닛(12)의 적어도 하나의 위치에서의 실제 온도는 온도 검출 소자를 통해 측정 변수(y)로서 측정된다. 온도 검출 소자는, 예를 들어, 전기 구동 유닛(12)의 미리 결정된 위치에 배열되는 온도 센서이다.
온도 모델(16)은 또한 직접 측정할 수 없는 전기 구동 유닛(12)의 상태 변수(x)를 계산하는데 사용될 수 있다. 상태 변수(x)는, 예를 들어 접근할 수 없는 위치에 있는 측정할 수 없는 온도 및/또는 열류이다.
상태 공간 모델에 구축된 온도 모델(16)은 온도 모델(16)을 사용하여 입력 변수(u)에 따라 실제 상태 변수(x)를 나타내는 상태 변수(xm) 및 측정된 변수(y)를 나타내는 모델 출력 변수(ym)를 계산하는 시스템 옵저버(18)에 할당된다. 상태 공간 모델은 바람직하게는 입력 변수(u)와 측정 변수(y) 사이의 선형 시간 불변(LTI) 모델이다. LTI 모델은 다음 두 방정식으로 설명할 수 있다.
Figure pct00003
(3)
여기서, A는 시스템 매트릭스, B는 입력 매트릭스, C는 출력 매트릭스이다.시스템 옵저버(18)는 측정 변수(y)와 모델 출력 변수(ym) 사이의 출력 변수 차이(Δy)에 따라 상태 변수(xm)를 조절하고 상태 변수(xm)를 출력되게 한다. 시스템 옵저버(18)는 Luenberger 옵저버일 수 있으며, 다음 두 방정식을 사용하여 설명할 수 있다.
Figure pct00004
(4)
여기서, A는 시스템 매트릭스, B는 입력 매트릭스, C는 출력 매트릭스, L은 피드백 매트릭스이다.시스템 옵저버(18)는 출력 변수 차이(Δy)에 따라 상태 변수(xm)의 자체-조절 조정을 제공한다. 그 결과, 온도 모델(16)은 측정 변수(y)에 의해 지지되고, 계산된 상태 변수(xm)와 실제 상태 변수(x) 사이의 편차가 감소된다.
한편, 온도 검출 소자에 오류가 발생되어 측정 변수(y)를 사용할 수 없는 경우, 시스템 옵저버(18)는 측정 변수(y)를 입력 값으로 사용할 수 없다. 가능한 결과로서, 온도 검출 소자의 오류가 표시되고 온도 계산이 중지될 수 있다. 그러나, 온도 계산이 없을 때 작동되는 전기 구동 유닛(12)은 정지된 온도 모델(16)에서 더 이상 고려되지 않는 열 입력을 계속 경험한다. 온도 검출 소자의 오류가 제거된 후 온도 계산을 다시 시작하면, 오류 중에 고려되지 않은 정보로 인해 계산된 상태 변수(xm)와 실제 상태 변수(x) 사이에 큰 불일치가 있을 수 있다.
따라서, 온도 계산 방법(10)에서, 온도 검출 소자의 오류 및 정상 모드는 검출 상태 신호(c)를 통해 인식 가능하게 된다. 검출 상태 신호(c)에 따라, 시스템 옵저버(18)는 상태 변수(xm)가 출력 변수 차이(Δy)에 따라 제어되는 정상 모드와 상태 변수(xm)가 측정 변수(y)에 대해 독립적으로 계산되는 처리량 모드 사이에서 전환 가능하다. 온도 검출 소자의 오류에 대응하는 검출 상태 신호가 있을 때, 처리량 모드로 전환되고, 온도 검출 소자의 정상 모드에 해당하는 검출 상태 신호가 있을 때 정상 모드로 전환된다.
결과적으로, 온도 검출 소자가 고장난 경우에도 상태 변수(xm)를 계산할 수 있다. 한편, 전기 구동 유닛(12)으로의 상당한 에너지 입력이 고려된다. 온도 검출 소자가 고장난 동안에도 온도 계산이 완전히 중단되지는 않는다. 그 결과, 상태 변수(xm)의 온도 계산은 측정 변수(y)가 누락되었음에도 불구하고 온도 검출 소자의 오류가 있는 동안에도 발생할 수 있다.
출력 변수 차이(Δy)의 계산(20)은, 검출 상태 신호(s1)에 따라 측정 변수(y) 또는 모델 출력 변수(ym)를 출력 변수 차이(Δy)의 계산(20)에 전달하는 케이스 선택(22)에 선행한다. 검출 상태 신호(s1)에 따라 처리량 모드로 전환되면, 특히 온도 검출 소자의 오류을 나타내는 검출 상태 신호(s1)의 경우, 케이스 선택(22)은 모델 출력 변수(ym)를 출력 변수 차이(Δy)의 계산(20)으로 출력한다. 이 계산(20)은 모델 출력 변수(ym)를 두 번째 차이 요소로 가정하기 때문에, 출력 변수 차이(Δy)는 연속 모드에서 0이고, 따라서 온도 계산의 개방-루프 모드에 해당한다. 이는 온도 검출 소자에 오류가 있고 온도 계산을 위한 지지점으로서 측정 변수(y)가 없음에도 불구하고, 처리량 모드를 통해 온도를 계산할 수 있음을 의미한다.
검출 조건 신호(s1)에 따라 정상 모드로 전환되면, 특히 온도 검출 소자의 정상 모드를 나타내는 검출 조건 신호(s1)의 경우, 케이스 선택(22)은 측정 변수(y)를 출력 변수 차이(Δy)의 계산으로 출력한다. 이는 측정 변수(y)를 온도 계산을 위한 기준점으로 사용할 수 있고, 온도 계산을 보다 정확하게 수행할 수 있음을 의미한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 특정 실시예에 따른 온도 계산을 위한 방법에서 검출 상태 신호(s1) 및 모델 상태 신호(s2)의 시간 경과를 도시한다. 검출 상태 신호(s1)는 온도 검출 소자에 오류가 있는 경우 1이고, 온도 검출 소자의 정상 모드인 경우 0이다.
모델 상태 신호(s2)는 온도 모델의 정확도 상태를 나타내며, 출력 변수 차이와 미리 결정된 최대 출력 변수 차이에 의존한다. 모델 상태 신호(s2)는 미리 결정된 최대 출력 변수 차이가 초과될 때 1의 값을 갖고, 그렇지 않으면 0의 값을 갖는다.
검출 상태 신호(s1)와 모델 상태 신호(s2)가 모두 0일 때 계산 상태 값(c)은 0이다. 그러나, 두 신호 중 하나가 1이면, 계산 상태 값(c)가 즉시 값 1을 갖지는 않는다. 검출 상태 신호(s1)가 제1 지정 기간(T1)보다 긴 제1 기간(t1) 동안 1의 값을 갖는 경우에만, 계산 상태 값(c)이 값 1로 설정된다. 또한, 제2 지정 기간(T2)보다 긴 제2 시간(t2) 동안 모델 상태 신호(s2)가 1의 값을 가지면 계산 상태 값(c)은 값 1로 변경된다.
계산 상태 값(c)가 1이면 오류가 발생하므로 에러 신호가 출력된다. 계산 상태 값(c)이 1의 값을 갖는 경우, 즉 에러 신호가 출력되면, 전기 구동 유닛은 예를 들어 비상 모드로 전환될 수 있다.
10 방법
12 전기 구동 유닛
14 시스템 컨텍스트
16 온도 계산
18 시스템 옵저버
20 계산
22 케이스 선택
A 시스템 매트릭스
B 입력 매트릭스
C 출력 매트릭스
c 계산 상태 값
s1 검출 상태 신호
s2 모델 상태 신호
T1 제1 지정 기간
t1 제1 기간
T2 제2 지정 기간
t2 제2 기간
u 입력 변수
x 상태 변수
xm 모델 상태 변수
Δy 출력 변수 차이
y 측정 변수
ym 모델 출력 변수

Claims (10)

  1. 전기 구동 유닛(12)의 온도를 계산하는 방법(10)으로서, 상기 온도는 출력 변수로서 전기 구동 유닛(12)의 시스템 컨텍스트(14)를 통해 입력 변수(u)에 의존하고,
    출력 변수를 나타내는 모델 출력 변수(ym)를 입력 변수(u)에 따라 계산하는 상태 공간 모델을 통해 시스템 컨텍스트(14)를 설명하는 온도 모델(16)은 상기 전기 구동 유닛(12)의 적어도 하나의 측정 위치에서 적어도 하나의 온도 검출 소자에 의해 측정된 실제 온도의 출력 변수 차이(Δy)에 따라 시스템 컨텍스트(14)의 모델 상태 변수(xm)를 출력 변수 및 모델 출력 변수(ym)에 대응하는 측정 변수(y)로서 조절하고 출력하는 시스템 옵저버(18)에 할당되고,
    상기 온도 검출 소자의 오류 및 정상 모드는 검출 상태 신호(s1)를 통해 표시되고
    상기 시스템 옵저버(18)는 검출 상태 신호(s1)에 따라 모델 상태 변수(xm)가 출력 변수 차이(Δy)에 따라 제어되는 정상 모드와 모델 상태 변수(xm)이 측정 변수(y)와 독립적으로 계산되는 처리량 모드 사이에서 전환 가능한 것을 특징으로 하는 방법(10).
  2. 제1항에 있어서,
    온도 검출 소자의 오류에 대응하는 검출 상태 신호(s1)가 있을 때, 처리량 모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 방법(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 온도 검출 소자의 정상 모드에 대응하는 검출 상태 신호(s1)가 있을 때, 상기 정상 모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 방법(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 변수(u)는 전기 구동 유닛(12)으로 입력되는 열을 나타내고, 상기 모델 상태 변수(xm)는 모델 출력 변수(ym)와 다른 온도이며, 상기 모델 출력 변수(ym)는 측정 변수(y)를 나타내는 온도인 것을 특징으로 하는 방법(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모델 출력 변수(ym)가 측정 변수(y)로 설정됨에 따라 상기 출력 변수 차이(Δy)가 0으로 설정된다는 차이점을 제외하고, 상기 처리량 모드는 상기 정상 모드에 대응하는 것을 특징으로 하는 방법(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출 상태 신호(s1)에 의존하는 계산 상태 값(c)에 따라 에러 신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 방법(10).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 계산 상태 값(c)은, 제1 지정 기간(T1)보다 긴 제1 기간(t1) 동안 상기 온도 검출 소자의 오류에 대응하는 검출 상태 신호(s1)가 발생하면 즉시 오류를 나타내는 값을 가지는 것을 특징으로 하는 방법(10).
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 온도 모델(16)의 상태는 출력 변수 차이(Δy)에 따라 상기 온도 모델(16)의 정확도를 나타내는 모델 상태 신호(s2)를 통해 표시될 수 있고, 상기 계산 상태 값(c)은, 제2 지정 기간(T2)보다 긴 제2 기간(t2) 동안 상기 온도 모델(16)의 부정확성에 대응하는 모델 상태 신호(s2)가 발생하면 즉시 오류를 나타내는 값을 가지는 것을 특징으로 하는 방법(10).
  9. 고정자 및 회전자를 갖는 전기 모터를 포함하는 차량용 전기 구동 유닛(12)으로서,
    전기 구동 유닛의 적어도 하나의 모델 상태 변수(xm)는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법(10)에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 전기 구동 유닛(12).
  10. 제9항에 따른 전기 구동 유닛(12)을 작동하기 위한 방법으로서,
    상기 전기 구동 유닛(12)에 도입된 전기 에너지는 모델 상태 변수(xm)에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
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