Verfahren zur Bestimmung eines thermischen Zustandes eines Elektromotors in einem
Hvbridantrieb eines Kraftfahrzeuges.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines thermischen Zustandes eines Elektromotors in einem Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges, wobei als Elektromotor vorzugsweise eine permanent erregte Synchronmaschine verwendet wird, bei welchem eine mittlere Statorwicklungstemperatur in einem Temperaturmodell zur Bestimmung eines thermischen Zustandes des Elektromotors berechnet wird.
Wie aus der DE 197 23 393 A1 bekannt ist, werden in Kraftfahrzeugen eingesetzte Elektromotoren, die Aktoren ansteuern, mittels eines Temperaturmodells auf kritische Zustände hin überwacht werden. Gemäß der DE 10 2004 006 730 A1 und der DE 10 201 1 085 750 A1 sind Schutzstrategien für Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise einem Elektromotor, vorgesehen, um thermische Belastungen dieser Fahrzeugkomponenten zu unterbinden. Bei diesen vorgesehenen Schutzstrategien werden aus Temperaturmodellen bestimmte Bauteiltemperaturen errechnet, die als Aktivierungskriterien für die Schutzstrategien genutzt werden.
Insbesondere in Hybridfahrzeugen, welche als Antrieb einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor gleichsam aufweisen, erfordert eine optimale Ausnutzung des Elektromotors eine gute Kenntnis über den thermischen Zustand der einzelnen Komponenten in dem Elektromotor. Der thermische Zustand dieser Komponenten unterliegt einer Vielzahl von Wärmequellen. Einige Komponenten besitzen thermische Grenzwerte, bei deren Überschreitung eine Lebensdauerverkürzung oder eine Zerstörung die Folge ist. So bewirken zu hohe Temperaturen an den Statorwicklungen des Elektromotors eine Beschädigung.
Um den thermischen Zustand des Elektromotors zu bestimmen, wird ein Echtzeit- Temperaturmodell eingesetzt. Eine benötigte Größe zur Schätzung der Komponententemperatur mit Hilfe des Echtzeittemperaturmodells ist die aktuelle, mittlere Temperatur in den Statorwicklungen. Die Bestimmung der aktuellen mittleren Temperatur in den
Statorwicklungen erfolgt in dem Temperaturmodell selbst und wird anschließend wieder als Eingangsgröße bereitgestellt. Allerdings ist im Fahrbetrieb ein Abgleich mit einer tatsächlichen mittleren Statorwicklungstemperatur nicht möglich.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung eines thermischen Zustandes eines Elektromotors in einem Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges anzugeben, bei welchem die in dem Temperaturmodell bestimmte mittlere Statorwicklungstemperatur mit höherer Genauigkeit angegeben wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass aus mindestens einem, an dem Elektromotor gemessenen elektrischen Parameter eine geschätzte mittlere
Statorwicklungstemperatur bestimmt wird, welche mit der, in dem Temperaturmodell berechneten mittleren Statorwicklungstemperatur zur Kalibrierung des Temperaturmodells verglichen wird. Dies hat den Vorteil, dass sich die zum Vergleich heranzuziehende geschätzte mittlere Statorwicklungstemperatur aus tatsächlich gemessenen Größen ergibt, wodurch eine höhere Schätzgenauigkeit bei der Bestimmung der Statorwicklungstemperatur erreicht wird, was eine Kalibrierung und Plausibilisierung des gesamten Temperaturmodells ermöglicht.
Vorteilhafterweise wird als elektrischer Parameter ein Phasenstrom in der Statorwicklung des Elektromotors gemessen, aus welchem die geschätzte mittlere Statorwicklungstemperatur abgeleitet wird. Die Bestimmung des Phasenstromes stellt eine besonders kostengünstige Methode dar, bei welcher die an sich im Elektromotor vorhandene Hardware benutzt wird.
In einer Weiterbildung wird zur Messung des Phasenstromes ein Pulswechselrichter des Elektromotors in einen Messbetriebsmodus geschaltet, in welchem eine Stromregelung des Elektromotors deaktiviert ist und ein Rotor des Elektromotors sich im Stillstand befindet. Die Messung des Phasenstromes in einem separaten Messbetriebsmodus verhindert die Beeinflussung des Phasenstromes durch andere elektrische Parameter des Elektromotors. Der Stillstand des Rotors des Elektromotors unterbindet zusätzliche Einflüsse durch die Permanentmagneten des Elektromotors auf den Phasenstrom.
In einer Ausgestaltung werden in dem Messbetriebsmodus Statorwicklungen des Elektromotors mit einer Gleichspannung von einer Spannungsquelle beaufschlagt, welche reduziert wird, indem der Pulswechselrichter als Tiefsetzsteller arbeitet. Die Speisung der
Statorwicklungen mit einer Gleichspannung schließt den Einfluss eines frequenzabhängigen Terms bei der Bestimmung eines Widerstandes aus der Impedanz der Statorwicklungen aus. Die Begrenzung der, von der Spannungsquelle bereitgestellten Gleichspannung führt dazu,
dass der resultierende Phasenstrom die Strombegrenzung des Elektromotors nicht um ein Vielfaches überschreiten kann.
In einer Variante wird der Tiefsetzsteller dadurch realisiert, dass ein erster Leistungstransistor des Pulswechselrichters geschlossen und ein zweiter Leistungstransistor durch ein definiertes Pulsmuster getaktet angesteuert wird, während alle anderen Leistungstransistoren geöffnet sind.
In einer Ausführungsform wird das Pulsmuster des Ansteuersignais des getakteten zweiten Leistungstransistors in Abhängigkeit von einem Ladezustand einer, als Spannungsquelle ausgebildeten Hochvoltbatterie und/oder einer gemessenen Zwischenkreisspannung am Ausgang der Spannungsquelle eingestellt. Dadurch wird gewährleistet, dass eine solche Spannung an den Leistungstransistoren eingestellt wird, bei welcher der resultierende Phasenstrom einen zulässigen Grenzwert nicht überschreitet. Die gewünschte Spannung weist somit bei jeder Durchführung des Schätzverfahrens den gleichen Wert auf, wodurch eine vergleichbare Ausgangsposition für unterschiedliche Messungen geschaffen wird.
In einer Weiterbildung wird eine Periodendauer des Ansteuersignais so gewählt, dass die Einschaltzeit des getakteten zweiten Leistungstransistors viel größer ist als die maximale Schaltfrequenz des zweiten Leistungstransistors. Somit wird gewährleistet, dass die resultierende Phasenspannung ausreichend groß und unabhängig vom Ladezustand der Spannungsquelle den gleichen Wert aufweist, um einen messbaren Phasenstrom zu generieren.
Vorteilhafterweise wird die geschätzte mittlere Statorwicklungstemperatur mittels einer Referenzmessung von Phasenstrom und Statorwicklungstemperatur bestimmt, bei welcher die thermischen Randbedingungen der Statorwicklungen exakt bekannt sind. Somit lässt sich die geschätzte mittlere Statorwicklungstemperatur einfach über ein Verhältnis von gemessenem Phasenstrom und Statorwicklungstemperatur während der Referenzmessung bei bekannten, aktuell gemessenen Phasenstrom ermitteln.
In einer Ausgestaltung wird die Referenzmessung einmalig in einer Band-Ende-Prüfung des Elektromotors oder bei einem Start des, mit dem Elektromotor als Antrieb versehenen Hybridfahrzeuges durchgeführt. Die Ergebnisse der Referenzmessung stehen somit für alle Rechen-
Vorgänge in dem Temperaturmodell des Elektromotors während des Fahrbetriebes des Hybridfahrzeuges zur Verfügung. Zusätzliche Rechenzeit wird somit nicht benötigt.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 : Prinzipdarstellung eines Hybridantriebes,
Fig. 2: Prinzipdarstellung eines Elektromotors mit einer Ansteuerschaltung,
Fig. 3: ein Ausführungsbeispiel, das die Betriebsweise des, dem Elektromotor vorgeschalteten Pulsweitenrichters als Tiefsetzsteller zeigt
Fig. 4: Stromfluss durch den als Tiefsetzsteller betriebenen Pulswechselrichter,
Fig. 5: Abhängigkeit des Phasenstroms der Statorwicklungen eines Elektromotors von einer Statorwicklungstemperatur.
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist eine Prinzipdarstellung eines Antriebsstranges 1 eines Hybridfahrzeuges dargestellt. Dieser Antriebsstrang 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2 und einen Elektromotor 3. Zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Elektromotor 3 ist direkt hinter dem Verbrennungsmotor 2 eine Kupplung 4 angeordnet. Verbrennungsmotor 2 und Kupplung 4 sind über eine Kurbelwelle 5 miteinander verbunden. Der Elektromotor 3 weist einen drehbaren Rotor 6 und einen feststehenden Stator 7 mit nicht weiter dargestellten Statorwicklungen auf. Die Abtriebswelle 8 der Kupplung 4 ist mit einem Getriebe 9 verbunden. Das Getriebe 9 überträgt das von dem Verbrennungsmotor 2 und/oder dem Elektromotor 3 erzeugte Drehmoment auf die Antriebsräder 10 des Hybridfahrzeuges.
In Figur 2 ist ein Elektromotor 3 dargestellt, welcher von einem Pulswechselrichter 1 1 angesteuert wird, der von einer Spannungsquelle 12, beispielsweise einer Hochvoltbatterie, mit Spannung UDc versorgt wird. Der Ausgang der Spannungsquelle 12 ist mit einem Zwischen-
kreiskondensator 13 beschaltet. Der Pulswechselrichter 1 1 besteht aus sechs Leistungstransistoren T1 , T2, T3, T4, T5, T6, die in einer an sich bekannten B-Brücke angeordnet sind. Dabei sind jeweils drei Paare von Leistungstransistoren T1 und T4, T2 und T5 bzw. T3 und T6 in Reihe geschaltet, wobei am Mittelabgriff zwischen den jeweiligen Paaren der Phasenstrom iPh für die Phasen U, V, W des Elektromotors 3 abgenommen wird.
Eine Information über eine mittlere Statorwicklungstemperatur 9cu,est lässt sich aus einem elektrischen Widerstand R der Statorwicklungen 14 des Elektromotors 3 herleiten. Der elektrische Widerstand R ist in der Impedanz Z enthalten
Z = R + jü)L,
wobei
Z Statorimpedanz
R Statorwiderstand
L Statorinduktivität und
ω Kreisfrequenz
darstellen. Die Statorwicklungen 14 werden mit der Gleichspannung UDc von der Spannungsquelle 12 gespeist. Zur Schätzung der mittleren Statorwicklungstemperatur 9cu,est wird ein Messbetriebsmodus des Pulswechselrichters 1 1 eingestellt, bei welchem eine Stromregelung des Elektromotors 3 deaktiviert ist und der Rotor 6 des Elektromotors 3 sich im Stillstand befindet.
Die Gleichspannung U
Dc der Spannungsquelle 12 muss begrenzt werden, da sonst der mittlere Phasenstrom i
ph die zulässige Strombegrenzung des Elektromotors 3 um ein Vielfaches überschreiten würde. Aus diesem Grund wird für das Schätzverfahren die Gleichspannung UDC, die an die Statorwicklungen 14 angelegt wird, reduziert, indem man den ersten Leistungstranstor T5 schließt und einen zweiten Leistungstransistor T1 mit einem definierten Pulsmuster getaktet ansteuert. Die anderen Leistungstransistoren T2, T3, T4 und T6 werden geöffnet. Der Pulswechselrichter 1 1 arbeitet somit als Tiefsetzsteller. Die Transistoren T1 und T5 sind beispielhaft gewählt. Das Verfahren ist aber auch mit anderen Transistorkombinationen möglich.
ln Figur 3 ist der Kurve I der Stromfluss durch den Elektromotor 3 zu entnehmen, wenn der zweite getaktete Leistungstransistor T1 geschlossen ist. Die Kurve II zeigt den Stromfluss bei geöffnetem zweitem Leistungstransistor T1. Das Ansteuersignal für den getakteten zweiten Leistungstransistor T1 wird dabei so eingestellt, dass an diesem eine Phasenspannung U resultiert, bei welcher der zu messende resultierende Phasenstrom i
ph einen zulässigen Grenzwert nicht überschreitet. Die gewünschte Phasenspannung U soll bei jeder Durchführung des Schätzverfahrens den gleichen Wert aufweisen, um eine vergleichbare Ausgangsposition zu schaffen. Das Ansteuermuster muss deshalb abhängig vom Ladezustand der Hochvoltbatterie 12 und der gemessenen Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator 13 ange- passt werden.
wobei
U Phasenspannung
ton Einschaltzeit des zweiten Transistors T1
T Periodendauer des pulsweitenmodulierten Taktsignals
UZK Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator 13 .
Die Einschaltzeit ton des zweiten getakteten Leistungstransistors T1 fällt für kleine benötigte Phasenspannungen U sehr gering aus. Deshalb wird die Periodendauer T des Taktsignales der Ansteuersignale während des Messbetriebsmodus so gewählt, dass die Einschaltzeiten Ton nicht im Grenzbereich der maximalen Schaltfrequenz des zweiten Leistungstransistors T1 liegt.
Der sich einstellende Phasenstrom iph wird durch den gesamten elektrischen Widerstand Z begrenzt. Dieser setzt sich, wie aus Fig. 4 ersichtlich, aus dem differenziellen Widerstand des geschlossenen Leistungstransistors T5, der Reihenschaltung zweier Wicklungswiderstände und einem mittleren Widerstand zwischen dem pulsierenden zweiten Leistungstransistor T1 und der Diode D4 während einer Periodendauer T des Taktsignales zusammen.
Der elektrische Widerstand R in den Statorwicklungen 14 korreliert mit der aktuellen, mittleren Statorwicklungstemperatur 9Cu- Wie aus Figur 5 ersichtlich, bewirkt eine Temperaturänderung
in den Statorwicklungen 14 des Elektromotors 3 eine Änderung des elektrischen Widerstandes R und wiederum eine Änderung des sich einstellenden Phasenstromes iph in den
Statorwicklungen 14. Aus diesem Grund kann in dem, dem Verfahren zugrunde liegenden Messbetriebsmodus bei einem Betrieb des Pulswechselrichters 1 1 als Tiefsetzsteller der aktuelle Phasenstrom iph gemessen werden. Dieser aktuell gemessene Phasenstrom iph wird mit Referenzwerten iPh(-9cu,ref) in ein Verhältnis gesetzt, um daraus die entsprechende geschätzte Statorwicklungstemperatur öcu,est zu ermitteln. Die Referenzmessung wird einmalig durchgeführt, wenn die thermischen Randbedingungen exakt bekannt sind. So kann die Referenzmessung bei einer End-Off-Line-Prüfung des Elektromotors 3 oder bei einem Fahrzeugstart erfolgen, wenn eine vollständige Erwärmung der Komponenten des Elektromotors 3 sichergestellt ist. Führt man die Referenzmessung bei vollständiger Erwärmung der Komponenten des Elektromotors 3 durch, lässt sich somit auch das Temperatursignal eines in den
Statorwicklungen 14 verbauten Temperatursensors plausibilisieren. Eine Plausibilisierung des Temperatursignals des Temperatursensors im Fahrbetrieb ist nicht möglich, da der Temperatursensor am heißesten Punkt des Elektromotors 3 sitzt, der stark von der mittleren
Statorwicklungstemperatur abweichen kann.
Sind der differenzielle Widerstand RIGBT des zweiten Leistungstransistors T1 und der differen- tielle Widerstand RDiode der Diode D4 im Vergleich zum Widerstand R der Statorwicklungen 14 vernachlässigbar, wird die Schätzung der mittleren Statorwicklungstemperatur 9
cu,est wis folgt realisiert:
\ L 'p phh a
Liegen die differenziellen Widerstände des zweiten Leistungstransistors T1 und der Diode D4 in einem nicht vernachlässigbaren Bereich, wird die Schätzung der Statorwicklungstemperatur
$cu,est mit einem Korrekturfaktor fcorrect versehen.
1
fn, RIGBT * f 1 + -y j + RDiode * ~ T 2R ph
Iph Phasenstrom
cu.ref Statorwicklungstemperatur bei Referenztemperatur
cu Statorwicklungstemperatur bei aktueller Temperatur
cu.est Schätzwert der Statorwicklungstemperatur
Materialtemperaturkoeffizient
fcorrekt Korrekturfaktor
t0ff Ausschaltzeit des zweiten Transistors T1
RIGBT differenzieller Widerstand des zweiten Leistungstransistors t1
RDi0de Differenzieller Widerstand Diode D4
RPh Wicklungswiderstand.
Die Schätzgenauigkeit des Verfahrens ist stark an die Messgenauigkeit der Spannungs- und Stromsensorik gebunden. Hohe Messungenauigkeiten der Zwischenkreisspannung UZK und des Phasenstromes iph würden die Schätzung der Statorwicklungstemperatur 9cu,est deutlich verschlechtern und womöglich unbrauchbar machen. Infolge von Abschätzungen ist für eine Temperaturgenauigkeit von + 10 K folgende Sensorgenauigkeit erforderlich. Eine Messgenauigkeit der Spannungssensorik von + 0,5 % führt zu Schätzfehlern von + 2 K. Beträgt die Messgenauigkeit der Stromsensorik + 1 %, führt das zu einem Schätzfehler von + 8 K. Um eine ausreichende Genauigkeit des Schätzverfahrens zu erzielen, sind mindestens diese Messgenauigkeiten erforderlich.
Das Schätzverfahren ist innerhalb weniger 100 ms durchführbar. Der zusätzliche mittlere Temperaturanstieg in der Statorwicklung aufgrund der hohen resultierenden Phasenströme iph ist innerhalb dieser Zeit sehr gering und deshalb zu vernachlässigen. Der zusätzliche Schätzfehler, der durch die Eigenerwärmung auftreten kann, liegt im Bereich von 1 K.
Bezuqszeichenliste Antriebsstrang
Verbrennungsmotor
Elektromotor
Kupplung
Kurbelwelle
Rotor
Stator
Abtriebswelle
Getriebe
Antriebsräder
Pulswechselrichter
Spannungsquelle
Zwischenkreiskondensator
Statorwicklung