WO2020052927A1 - Temperaturüberwachungseinrichtung für eine elektrische maschine, elektrische antriebseinrichtung und verfahren zum betreiben einer elektrischen antriebseinrichtung - Google Patents

Temperaturüberwachungseinrichtung für eine elektrische maschine, elektrische antriebseinrichtung und verfahren zum betreiben einer elektrischen antriebseinrichtung Download PDF

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    • B60Y2400/61—Arrangements of controllers for electric machines, e.g. inverters

Definitions

  • the present invention relates to a temperature monitoring device for an electrical machine, an electrical drive device and a
  • the temperature of the rotor is usually estimated in the operation of an electrical machine by determining the temperature in the oil pan of an oil circuit to which the rotor is connected. Since only waste heat can be directly measured in the oil pan, and other components, such as a gearbox, can be connected to the oil circuit, the actual rotor temperature can usually only be estimated, and for cooling via the oil circuit, a pump output of an amount of oil can only be achieved this estimate. In order not to expose the rotor to excessive overheating, it is usually dimensioned larger than would be necessary for the actual temperature rise, which however results in a higher weight. A direct temperature determination on the rotor would be desirable in order to be able to adjust the oil flow more precisely to the waste heat and dimension of the rotor.
  • the present invention provides a temperature monitoring device for an electric machine according to claim 1, an electric drive device according to claim 4 and a method for operating an electric machine
  • the idea on which the present invention is based is to specify a temperature monitoring device for an electrical machine, an electrical drive device and a method for operating an electrical drive device, wherein a temperature can be determined directly on the rotor and an oil flow for regulating the
  • Rotor temperature can be set based on a measured rotor temperature.
  • the temperature monitoring device for an electrical machine comprises a first temperature sensor which can be attached to a rotor of the electrical machine and which is set up to determine an operating temperature of the rotor; a control device which is connected to the first temperature sensor and to an oil pump in an oil circuit of the electrical machine, the control device being set up to control the oil pump and an oil volume flow generated by the latter in the oil circuit based on the determined operating temperature of the rotor, so that the operating temperature of the rotor can be kept below a critical temperature value.
  • the critical temperature value can be understood, for example, to be the temperature of the rotor below which the rotor or the electrical machine advantageously does not suffer damage as a result of overheating.
  • the designation of the operating temperature can advantageously be understood to mean the current temperature of the rotor itself if it is currently being operated to drive the electrical machine or a traction drive.
  • the control device can advantageously be integrated with the electrical machine in an electrical axis or separately from the electrical axis
  • control device can advantageously be supplied with power from an on-board network.
  • a pump power of the oil pump can advantageously be increased by means of the control device in order to increase the heat dissipation from the rotor via the oil with a larger oil volume flow and advantageously to lower the operating temperature of the rotor. In this way, the operating temperature can advantageously be kept below the critical temperature value.
  • Temperature monitoring device is therefore advantageously a control device for the temperature of a rotor of the electrical machine, which can advantageously measure the temperature at the rotor continuously or at specific times.
  • the temperature sensor which can advantageously be attached directly to the rotor, the temperature of the rotor can advantageously be determined directly instead of the temperature of the oil, for example in the oil pan as usual. Consequently, a quick response to one
  • the direct information about the rotor can advantageously be used for a more precise, advantageously smaller dimensioning of the rotor during manufacture. This proves advantageous compared to a temperature determination of the oil by sensors in the
  • Oil pan or elsewhere in the oil circuit, as advantageous because the
  • Temperature in the oil pan can only give an indirect and estimated information about the actual temperature at the rotor, if not a direct one
  • Temperature measurement on the rotor especially at other points in the oil circuit. If the temperature is usually measured away from the rotor in the oil circuit, the rotor is usually designed to be somewhat larger, since this then occurs in the event of a temperature rise on the rotor which is above the estimated extent may be less damaged because its dimensions (mass, size) can advantageously be large enough. A more precise dimensioning of the rotor proves to be more advantageous in terms of weight, necessary driving force and manufacturing costs.
  • the temperature monitoring device is therefore advantageously suitable for providing direct information about the conditions on the rotor and advantageously for precisely controlling the oil volume flow.
  • Temperature monitoring device includes a second
  • Machine can be attached and can be connected to the control device and which is set up to determine a temperature of the inverter device.
  • the temperature monitoring device advantageously comprises an additional component by means of which temperature monitoring, for example continuously, can also be carried out on other elements, in particular on the inverter device, in the electrical machine.
  • Temperature monitoring device comprises a third
  • Temperature sensor which can be attached to a stator of the electrical machine and can be connected to the control device and which is set up to determine a temperature of the stator.
  • Temperature monitoring device advantageously an additional component by means of which temperature monitoring, for example continuously, can also be carried out on other elements, in particular on the stator, in the electrical machine.
  • the electrical drive device comprises a
  • thermoelectric temperature monitoring device an electric machine with a rotor; an oil circuit with an oil pump, an oil pan and a first heat exchanger, the rotor with the oil circuit is connected and the first temperature sensor is attached to the rotor; and a cooling circuit with a second heat exchanger, which is thermally connected to the first heat exchanger for transferring heat, wherein heat can be removed from the oil circuit via the cooling circuit.
  • the oil circuit is advantageously connected to the cooling circuit within the electrical machine and the cooling circuit can be arranged at least partially outside the electrical machine. If a dissipation of heat from the rotor is changed via the oil volume flow, this heat of the oil can be passed on to the cooling circuit via the first and second heat exchangers. So that the cooling circuit even with increased heat dissipation from
  • Oil circuit can still ensure a sufficiently high heat dissipation from the components of the electrical machine that are connected to the cooling circuit, an external pump can increase the heat circulation in the cooling circuit and advantageously dissipate it to an outside area via an external heat exchanger.
  • the electrical machine comprises a stator and an inverter device which are connected to the cooling circuit and the second heat exchanger with the electrical machine and the oil circuit into an electrical one
  • the cooling circuit is located partially within an electrical axis and comprises an external heat exchanger and an external pump, the external heat exchanger and the external pump being arranged outside the electrical axis and each being connected to and from the control device can be controlled and operated.
  • a first temperature sensor is provided on a rotor of an electrical machine; determining an operating temperature of the rotor by a control device which is connected to the first temperature sensor; and controlling an operation of an oil pump by means of which an oil volume flow is generated in an oil circuit through which
  • Control device and a control of the oil volume flow by means of the
  • Control device based on the determined operating temperature of the rotor, the rotor being connected to the oil circuit, comprising the oil pump and an oil pan, in such a way that the operating temperature of the rotor is kept below a critical temperature value.
  • the method is also advantageously characterized by the features mentioned in connection with the temperature monitoring device and the electrical drive device and their advantages, and vice versa.
  • a temperature of an inverter device of the electrical machine is determined by a second temperature sensor on the inverter device, and based thereon a control of an operation of an external pump in a cooling circuit which is carried out with the inverter device and via a second heat exchanger with the first Heat exchanger in the oil circuit is connected by the control device, so that the temperature of the inverter device is below a
  • Inverter limit temperature is maintained.
  • the inverter limit temperature is advantageously the temperature below which the inverter is not damaged by overheating.
  • Inverter limit temperature and the critical temperature at the rotor can advantageously also be matched to the available power of the external pump and / or the oil pump, so that the pump (s) can achieve sufficient heat dissipation in the respective system.
  • a temperature of a stator of the electrical machine is determined by a third
  • Temperature sensor on the stator and based thereon a control of an operation of an external pump in a cooling circuit by the control device (SE), which is connected to the stator and via a second heat exchanger to the first heat exchanger in the oil circuit, so that the temperature of the stator is below one Stator limit temperature is maintained.
  • the stator limit temperature is advantageously the temperature below which the stator is not damaged by overheating.
  • Inverter limit temperature and the critical temperature at the rotor can advantageously also be matched to the available power of the external pump and / or the oil pump, so that the pump (s) can achieve sufficient heat dissipation in the respective system.
  • Control device for at least one component connected to the oil circuit and / or to the cooling circuit, a component generated by the latter
  • Temperature change in the oil circuit and / or in the cooling circuit and regulates, based on this temperature change, the oil volume flow and / or a volume flow of a coolant in the cooling circuit, which is generated by the external pump.
  • the component which can be connected to the oil circuit can be, for example, a gearbox, further heat exchangers or other engine components.
  • Figure 1 is a schematic representation of a heating and cooling circuit in an electrical drive device according to an embodiment of the present invention.
  • 2 shows a schematic illustration of an electric drive axle with an electric drive device;
  • Fig. 3 is a diagram for a pump power of the oil pump with increasing
  • FIG. 4 shows a block diagram of the method steps according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a heating and cooling circuit in an electrical drive device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the electric drive device 10 comprises an inventive one
  • Temperature monitoring device 1 an electrical machine EM with a rotor R; an oil circuit 2 with an oil pump P, an oil pan 3 and a first heat exchanger WT1, the rotor R being connected to the oil circuit 2 and the first temperature sensor T 1 being attached to the rotor R; and a cooling circuit 4 with a second heat exchanger WT2, which is thermally connected to the first heat exchanger WT1 for transferring heat, wherein heat can be removed from the oil circuit 2 via the cooling circuit 4.
  • heat can also be transferred from the cooling circuit to the oil circuit in the opposite direction, if intended. It is also possible to connect and operate several rotors with their own temperature sensors in the oil circuit.
  • the temperature monitoring device 1 comprises a first one
  • Temperature sensor T 1 which is advantageously attached to the rotor R of the electrical machine EM, and which is set up to determine an operating temperature of the rotor R; a control device SE, which is connected to the first temperature sensor T1 and to the oil pump P in the oil circuit 2 of the electrical machine EM, the control device SE for this purpose is set up to control the oil pump P and an oil volume flow FV generated thereby in the oil circuit 2 based on the determined operating temperature of the rotor R, so that the operating temperature of the rotor R can be kept below a critical temperature value Crit.
  • the cooling circuit 4 can be connected to the stator S and to an inverter device INV of the electrical machine EM.
  • Temperature monitoring device 1 comprise a second temperature sensor T2, which can be attached to the inverter device INV of the electrical machine EM and can be connected to the control device SE and which is set up to determine a temperature TB2 of the inverter device INV, and can comprise a third temperature sensor T3, which can be attached to the stator S of the electrical machine and can be connected to the control device SE and which is set up to determine a temperature TB3 of the stator S, in particular to measure it directly.
  • T2 second temperature sensor
  • T3 which can be attached to the stator S of the electrical machine and can be connected to the control device SE and which is set up to determine a temperature TB3 of the stator S, in particular to measure it directly.
  • the temperature of the oil that reaches the rotor with the oil volume flow can be increased by the heat content of the rotor, as can in a parallel branch of the oil circuit, in which the heat of the transmission G is supplied to the oil circuit in node B.
  • the oil circuit splits in node C (there with the same temperature) and reunites in node D, containing the heat contribution of the rotor and the gear.
  • the heat content of the inverter INV can be supplied to the coolant in the cooling circuit 4 in the node E and the heat content of the stator in the node F.
  • the cooling circuit 4 can be located partially within an electrical axis EA and can comprise an external heat exchanger ET and an external pump EP, the external heat exchanger ET and the external pump EP being able to be arranged outside the electrical axis EA and each being connected to the control device SE can and can be controlled and operated by this.
  • the direct temperature measurement on at least one rotor enables a more precise statement to be made about what is necessary for sufficient cooling
  • the advantageously direct determination of the temperatures at the inverter and / or stator and a cooling capacity determination from the cooling circuit, for example also the currently available pump capacity of the external cooling pump, can also be taken into account for the potentially available heat exchange and heat transport to / from the cooling circuit or estimated for the near future be and the
  • the control device SE which can be connected to the temperature sensors T1, T2 and / or T3, can represent temperatures in the cooling and / or oil circuit, for example at the temperature nodes A - F, as one
  • Heat transfers are represented and modeled (calculated) and statements are made about the necessary oil volume flow and local temperatures in the oil circuit and / or cooling circuit.
  • a display can be made on a display (look up table) or saved. The data obtained can be used to carry out setpoint calculations for the operation of the pumps. Furthermore, it is possible to create one or more state models for the heat in the drive device and system and control loops (feedback from
  • the external heat exchanger ET can comprise, for example, a radiator fan.
  • the drive device can be used in all types of electric vehicles.
  • the control device SE is advantageous with the inverter INV, the stator S and the rotor R as well as with the temperature sensors T1, T2 and T3 and with the Pumps connected and can also with other components, such as the
  • Heat exchangers or the transmission and the oil pan connected (not shown).
  • the control device SE can also continue
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an electric drive axle with an electric drive device.
  • the electrical drive device 10 with the electrical machine EM, with the oil circuit 2, the temperature monitoring device 1 and the cooling circuit 4 can advantageously be integrated in an electrical axis, and advantageously connected to at least two drive wheels Rd1 and Rd2 of a vehicle, and advantageously represent a traction drive .
  • FIG. 3 shows a diagram for a pump output of the oil pump with increasing rotor speed.
  • the pump power V (n) as a function of the rotor speed n can have the dependence on the rotor speed n shown in FIG. 3 in order to keep the temperature at the rotor below a critical temperature value for the rotor.
  • FIG. 4 shows a block diagram of the method steps according to the present invention.
  • a first temperature sensor S1 is provided on a rotor of an electrical machine; determining S2 an operating temperature of the rotor by a control device which is connected to the first temperature sensor; and controlling S3 an operation of an oil pump, by means of which an oil volume flow is generated in an oil circuit, by means of which Control device, and a control S4 of the oil volume flow by means of the control device based on the determined operating temperature of the rotor, wherein the rotor is connected to the oil circuit, including the oil pump and an oil pan, such that the operating temperature of the rotor is kept below a critical temperature value.
  • Embodiment has been fully described above, it is not limited to this, but can be modified in a variety of ways.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Temperaturüberwachungseinrichtung (1) für eine elektrische Maschine (EM), umfassend einen ersten Temperatursensor (T1), welcher an einem Rotor (R) der elektrischen Maschine (EM) anbringbar ist und welcher dazu eingerichtet ist, eine Betriebstemperatur des Rotors (R) zu ermitteln; eine Steuereinrichtung (SE), welche mit dem ersten Temperatursensor (T1) und mit einer Ölpumpe (P) in einem Ölkreislauf (2) der elektrischen Maschine (EM) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (SE) dazu eingerichtet ist, die Ölpumpe (P) und einen von dieser erzeugten Ölvolumensfluss (FV) im Ölkreislauf (2) basierend auf der ermittelten Betriebstemperatur des Rotors (R) zu steuern, so dass die Betriebstemperatur des Rotors (R) unterhalb eines kritischen Temperaturwertes (Crit) haltbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Temperaturüberwachunqseinrichtunq für eine elektrische Maschine, elektrische
Antriebseinrichtunq und Verfahren zum Betreiben einer elektrischen
Antriebseinrichtunq
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperaturüberwachungseinrichtung für eine elektrische Maschine, eine elektrische Antriebseinrichtung und ein
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung.
Stand der Technik
Derzeit erfolgt die Abschätzung einer Temperatur des Rotors im Betrieb einer elektrischen Maschine meist durch eine Temperaturbestimmung in der Ölwanne eines Ölkreislaufs, mit welchem dem Rotor verbunden ist. Da dabei nur eine Abwärme in der Ölwanne direkt messbar ist, und mit dem Ölkreis auch weitere Komponenten, wie etwa ein Getriebe, verbunden sein können, kann die tatsächliche Rotortemperatur jedoch meist nur geschätzt werden und zur Kühlung über den Ölkreislauf eine Pumpleistung einer Ölmenge nur gemäß dieser Schätzung eingestellt werden. Um den Rotor keiner zu hohen Überhitzung auszusetzen, wird dieser meist größer dimensioniert als es zum tatsächlichen Temperaturanstieg nötig wäre, was jedoch ein höheres Gewicht zur Folge hat. Eine direkte Temperaturermittlung am Rotor wäre wünschenswert, um den Ölfluss genauer auf die Abwärme und Dimension des Rotors abstimmen zu können.
In der DE 10 2015 216 374 A1 wird eine E-Maschine in einem Fahrzeug beschrieben, welche mittels Kühlwasser, einem Ölbad und entsprechender Kühl- bzw. Ölpumpe oder einem Phasenwechselmaterial gekühlt werden kann.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung schafft eine Temperaturüberwachungseinrichtung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1 , eine elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 4 und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen
Antriebseinrichtung nach Anspruch 7.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Temperaturüberwachungseinrichtung für eine elektrische Maschine, eine elektrische Antriebseinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung anzugeben, wobei eine Temperaturermittlung direkt am Rotor erfolgen kann und ein Ölfluss zur Regulierung der
Rotortemperatur basierend auf einer gemessenen Rotortemperatur eingestellt werden kann.
Erfindungsgemäß umfasst die Temperaturüberwachungseinrichtung für eine elektrische Maschine einen ersten Temperatursensor, welcher an einem Rotor der elektrischen Maschine anbringbar ist und welcher dazu eingerichtet ist, eine Betriebstemperatur des Rotors zu ermitteln; eine Steuereinrichtung, welche mit dem ersten Temperatursensor und mit einer Ölpumpe in einem Ölkreislauf der elektrischen Maschine verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Ölpumpe und einen von dieser erzeugten Ölvolumensfluss im Ölkreislauf basierend auf der ermittelten Betriebstemperatur des Rotors zu steuern, so dass die Betriebstemperatur des Rotors unterhalb eines kritischen Temperaturwertes haltbar ist.
Als kritischer Temperaturwert kann beispielsweise jene Temperatur des Rotors verstanden werden, unter welcher dem Rotor oder der elektrischen Maschine vorteilhaft kein Schaden durch Überhitzung entsteht. Unter der Bezeichnung der Betriebstemperatur kann vorteilhaft die aktuelle Temperatur des Rotors selbst verstanden werden, wenn dieser gerade zum Antreiben der elektrischen Maschine, oder eines Traktionsantriebs betrieben wird. Die Steuereinrichtung kann vorteilhaft mit der elektrischen Maschine in einer elektrischen Achse integriert sein oder separat zur elektrischen Achse
angeordnet sein. Die Steuereinrichtung kann vorteilhaft mit Strom von einem Bord netz versorgt werden.
Nähert sich die Betriebstemperatur dem kritischen Temperaturwert an, so kann vorteilhaft mittels der Steuereinrichtung eine Pumpleistung der Ölpumpe erhöht werden, um mit einem größeren Ölvolumensfluss die Wärmeabfuhr vom Rotor über das Öl zu vergrößern und die Betriebstemperatur des Rotors vorteilhaft zu senken. Auf diese Weise kann vorteilhaft die Betriebstemperatur unterhalb des kritischen Temperaturwertes gehalten werden. Bei der
Temperaturüberwachungseinrichtung handelt es sich daher vorteilhaft um eine Kontrolleinrichtung für die Temperatur eines Rotors der elektrischen Maschine, welche die Temperatur am Rotor vorteilhaft kontinuierlich oder an bestimmten Zeitpunkten messen kann. Durch den Temperatursensor, welcher vorteilhaft direkt am Rotor angebracht werden kann, kann vorteilhaft direkt die Temperatur des Rotors bestimmt werden, anstatt der Temperatur des Öls, etwa wie üblich in der Ölwanne. Folglich kann auch eine schnelle Reaktion auf einen
Temperaturanstieg am Rotor im vorteilhaft dafür notwendigem Ausmaß erfolgen. Da durch den direkten Erhalt der Information über die Temperatur am Rotor eine dazu notwendige Wärmeabfuhr über den Ölkreislauf direkt ermittelt (abgeschätzt, berechnet) werden kann, etwa durch die Steuereinrichtung, kann diese vorteilhaft auch unmittelbar den zur entsprechenden Wärmeabfuhr notwendigen
Ölvolumensfluss bestimmen und einstellen. Die direkte Information über den Rotor kann vorteilhaft zu einer genaueren, vorteilhaft kleineren Dimensionierung des Rotors bei der Herstellung genutzt werden. Dies erweist sich vorteilhaft gegenüber einer Temperaturbestimmung des Öls durch Sensoren in der
Ölwanne, oder an anderen Stellen im Ölkreislauf, als vorteilhaft, da die
Temperatur in der Ölwanne nur eine indirekte und geschätzte Auskunft über die tatsächliche Temperatur am Rotor geben kann, wenn keine direkte
Temperaturmessung am Rotor sonder an anderen Stellen im Ölkreislauf erfolgt. Wird die Temperatur üblicherweise abseits des Rotors im Ölkreislauf gemessen, so wird der Rotor meist etwas größer ausgelegt, da dieser dann bei einem etwaigen Temperaturanstieg am Rotor, welcher über dem geschätzten Ausmaß liegen kann, weniger Schaden nehmen kann, da seine Ausmaße (Masse, Größe) vorteilhaft groß genug sein können. Eine genauere Dimensionierung des Rotors erweist sich betreffend Gewicht, nötiger Antriebskraft und Herstellungskosten jedoch als vorteilhafter. Die Temperaturüberwachungseinrichtung eignet sich also vorteilhaft dazu, eine direkte Auskunft über die Bedingungen am Rotor zu geben und den Ölvolumensfluss vorteilhaft genau zu steuern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Temperaturüberwachungseinrichtung umfasst diese einen zweiten
Temperatursensor, welcher an einer Invertereinrichtung der elektrischen
Maschine anbringbar ist und mit der Steuereinrichtung verbindbar ist und welcher dazu eingerichtet ist, eine Temperatur der Invertereinrichtung zu ermitteln.
Mit dem zweiten Temperatursensor an der Invertereinrichtung, umfasst die Temperaturüberwachungseinrichtung vorteilhaft eine zusätzliche Komponente, mittels welcher eine Temperaturüberwachung, beispielsweise kontinuierlich, auch an anderen Elementen, insbesondere an der Invertereinrichtung, in der elektrischen Maschine erfolgen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Temperaturüberwachungseinrichtung umfasst diese einen dritten
Temperatursensor, welcher an einem Stator der elektrischen Maschine anbringbar ist und mit der Steuereinrichtung verbindbar ist und welcher dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des Stators zu ermitteln.
Mit dem dritten Temperatursensor am Stator, umfasst die
Temperaturüberwachungseinrichtung vorteilhaft eine zusätzliche Komponente, mittels welcher eine Temperaturüberwachung, beispielsweise kontinuierlich, auch an anderen Elementen, insbesondere am Stator, in der elektrischen Maschine erfolgen kann.
Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Antriebseinrichtung eine
erfindungsgemäße Temperaturüberwachungseinrichtung; eine elektrische Maschine mit einem Rotor; einen Ölkreislauf mit einer Ölpumpe, einer Ölwanne und einem ersten Wärmetauscher, wobei der Rotor mit dem Ölkreislauf verbunden ist und der erste Temperatursensor am Rotor angebracht ist; und einen Kühlkreislauf mit einem zweiten Wärmetauscher, welcher mit dem ersten Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme thermisch verbunden ist, wobei Wärme vom Ölkreislauf über den Kühlkreislauf abführbar ist.
Der Ölkreislauf ist mit dem Kühlkreislauf vorteilhaft innerhalb der elektrischen Maschine verbunden und der Kühlkreislauf kann zumindest teilweise außerhalb der elektrischen Maschine angeordnet sein. Wird eine Abfuhr von Wärme von Rotor über den Ölvolumensfluss verändert, so kann diese Wärme des Öls über den ersten und zweiten Wärmetauscher an den Kühlkreislauf weitergegeben werden. Damit der Kühlkreislauf auch bei gesteigerter Wärmeabfuhr vom
Ölkreislauf noch eine ausreichend hohe Wärmeabfuhr von den Komponenten der elektrischen Maschine gewährleisten kann, die mit dem Kühlkreislauf verbunden sind, kann eine externe Pumpe die Wärmezirkulation im Kühlkreislauf vergrößern und vorteilhaft über einen externen Wärmetauscher an einen Außenbereich abführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebseinrichtung umfasst die elektrische Maschine einen Stator und eine Invertereinrichtung, welche mit dem Kühlkreislauf verbunden sind und der zweite Wärmetauscher mit der elektrischen Maschine und dem Ölkreislauf in eine elektrische
Antriebsachse integriert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Antriebseinrichtung befindet sich der Kühlkreislauf teilweise innerhalb einer elektrischen Achse und umfasst einen externen Wärmetauscher und eine externe Pumpe, wobei der externe Wärmetauscher und die externe Pumpe außerhalb der elektrischen Achse angeordnet sind und jeweils mit der Steuereinrichtung verbunden sind und von dieser ansteuerbar und betreibbar sind.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung ein Bereitstellen eines ersten Temperatursensors an einem Rotor einer elektrischen Maschine; ein Ermitteln einer Betriebstemperatur des Rotors durch eine Steuereinrichtung, welche mit dem ersten Temperatursensor verbunden ist; und ein Steuern eines Betriebes einer Ölpumpe, mittels welcher ein Ölvolumensfluss in einem Ölkreislauf erzeugt wird, durch die
Steuereinrichtung, und ein Steuern des Ölvolumensflusses mittels der
Steuereinrichtung basierend auf der ermittelten Betriebstemperatur des Rotors, wobei der Rotor mit dem Ölkreislauf, umfassend die Ölpumpe und eine Ölwanne, verbunden ist, derart, dass die Betriebstemperatur des Rotors unterhalb eines kritischen Temperaturwertes gehalten wird.
Das Verfahren zeichnet sich vorteilhaft auch durch die in Verbindung mit der Temperaturüberwachungseinrichtung und der elektrischen Antriebseinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile aus und umgekehrt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt ein Ermitteln einer Temperatur einer Invertereinrichtung der elektrischen Maschine durch einen zweiten Temperatursensor an der Invertereinrichtung, und darauf basierend ein Steuern eines Betrieb einer externen Pumpe in einem Kühlkreislauf, welcher mit der Invertereinrichtung und über einen zweiten Wärmetauscher mit dem ersten Wärmetauscher im Ölkreislauf verbunden ist, durch die Steuereinrichtung, so dass die Temperatur der Invertereinrichtung unterhalb einer
Invertergrenztemperatur gehalten wird.
Die Invertergrenztemperatur ist vorteilhaft jene Temperatur, unterhalb welcher der Inverter noch keinen Schaden durch Überhitzung nimmt. Die
Invertergrenztemperatur so wie die kritische Temperatur am Rotor können vorteilhaft auch auf die verfügbare Leistung der externen Pumpe und/oder der Ölpumpe abgestimmt sein, damit die Pumpe(n) im jeweiligen System eine ausreichende Wärmeabfuhr erzielen können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ein Ermitteln einer Temperatur eines Stators der elektrischen Maschine durch einen dritten
Temperatursensor am Stator, und darauf basierend ein Steuern eines Betriebs einer externen Pumpe in einem Kühlkreislauf durch die Steuereinrichtung (SE), welcher mit dem Stator und über einen zweiten Wärmetauscher mit dem ersten Wärmetauscher im Ölkreislauf verbunden ist, so dass die Temperatur des Stators unterhalb einer Statorgrenztemperatur gehalten wird. Die Statorgrenztemperatur ist vorteilhaft jene Temperatur, unterhalb welcher der Stator noch keinen Schaden durch Überhitzung nimmt. Die
Invertergrenztemperatur so wie die kritische Temperatur am Rotor können vorteilhaft auch auf die verfügbare Leistung der externen Pumpe und/oder der Ölpumpe abgestimmt sein, damit die Pumpe(n) im jeweiligen System eine ausreichende Wärmeabfuhr erzielen können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ermittelt die
Steuereinrichtung für zumindest eine mit dem Ölkreislauf und/oder mit dem Kühlkreislauf verbundenen Komponente eine durch diese erzeugte
Temperaturänderung im Ölkreislauf und/oder im Kühlkreislauf und reguliert basierend auf dieser Temperaturänderung den Ölvolumensfluss und/oder einen Volumensfluss eines Kühlmittels im Kühlkreislauf, welcher durch die externe Pumpe erzeugt wird.
Bei der Komponente, welche mit dem Ölkreislauf verbunden sein kann, kann es sich beispielsweise um ein Getriebe, weitere Wärmetauscher oder andere Motorkomponenten handeln.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wärme- und Kühlkreislaufs in einer elektrischen Antriebseinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Antriebsachse mit einer elektrischen Antriebseinrichtung;
Fig. 3 ein Diagramm für eine Pumpleistung der Ölpumpe mit steigender
Rotordrehzahl; und
Fig. 4 eine Blockdarstellung der Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärme- und Kühlkreislaufs in einer elektrischen Antriebseinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Elektrische Antriebseinrichtung 10 umfasst eine erfindungsgemäße
Temperaturüberwachungseinrichtung 1 ; eine elektrische Maschine EM mit einem Rotor R; einen Ölkreislauf 2 mit einer Ölpumpe P, einer Ölwanne 3 und einem ersten Wärmetauscher WT1 wobei der Rotor R mit dem Ölkreislauf 2 verbunden ist und der erste Temperatursensor T 1 am Rotor R angebracht ist; und einen Kühlkreislauf 4 mit einem zweiten Wärmetauscher WT2, welcher mit dem ersten Wärmetauscher WT1 zum Übertragen von Wärme thermisch verbunden ist, wobei Wärme vom Ölkreislauf 2 über den Kühlkreislauf 4 abführbar ist. Hierbei kann jedoch auch in umgekehrter Richtung Wärme vom Kühlkreislauf auf dem Ölkreislauf übertragen werden, falls beabsichtigt. Es ist weiterhin möglich, an den Ölkreislauf mehrere Rotoren mit eigenen Temperatursensoren anzuschließen und zu betreiben.
Die Temperaturüberwachungseinrichtung 1 umfasst einen ersten
Temperatursensor T 1 , welcher am Rotor R der elektrischen Maschine EM anbringbar, vorteilhaft angebracht ist, und welcher dazu eingerichtet ist, eine Betriebstemperatur des Rotors R zu ermitteln; eine Steuereinrichtung SE, welche mit dem ersten Temperatursensor T1 und mit der Ölpumpe P im Ölkreislauf 2 der elektrischen Maschine EM verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung SE dazu eingerichtet ist, die Ölpumpe P und einen von dieser erzeugten Ölvolumensfluss FV im Ölkreislauf 2 basierend auf der ermittelten Betriebstemperatur des Rotors R zu steuern, so dass die Betriebstemperatur des Rotors R unterhalb eines kritischen Temperaturwertes Crit haltbar ist.
Der Kühlkreislauf 4 kann mit dem Stator S und mit einer Invertereinrichtung INV der elektrischen Maschine EM verbunden sein. Dabei kann die
Temperaturüberwachungseinrichtung 1 einen zweiten Temperatursensor T2 umfassen, welcher an der Invertereinrichtung INV der elektrischen Maschine EM angebracht sein kann und mit der Steuereinrichtung SE verbindbar ist und welcher dazu eingerichtet ist, eine Temperatur TB2 der Invertereinrichtung INV zu ermitteln, und kann einen dritten Temperatursensor T3 umfassen, welcher an dem Stator S der elektrischen Maschine angebracht werden kann und mit der Steuereinrichtung SE verbindbar ist und welcher dazu eingerichtet ist, eine Temperatur TB3 des Stators S zu ermitteln, insbesondere direkt zu messen.
In der Fig. 1 sind des Weiteren Temperaturknoten gezeigt (Kreise A, B, ...), welche den Temperaturfluss, bzw. die Beiträge von Wärme an den
Knotenpunkten des Ölkreislaufs und des Kühlkreislaufs zeigen. So kann etwa im Knotenpunkt A die Temperatur des Öls, welches mit dem Ölvolumensfluss zum Rotor gelangt, um den Wärmegehalt des Rotors erhöht werden, ebenso in einem parallelen Zweig des Ölkreises, bei welchem im Knotenpunkt B die Wärme des Getriebes G zum Ölkreislauf zugeführt wird. Der Ölkreislauf spaltet sich dazu im Knoten C auf (dort mit gleicher Temperatur) und vereinigt sich im Knoten D wieder, den Wärmebeitrag des Rotors und des Getriebes enthaltend. Ebenso kann im Kühlkreislauf 4 im Knoten E der Wärmegehalt des Inverters INV zum Kühlmittel zugeführt werden und im Knoten F der Wärmegehalt des Stators.
Der Kühlkreislauf 4 kann sich teilweise innerhalb einer elektrischen Achse EA befindet und einen externen Wärmetauscher ET und eine externe Pumpe EP umfassen, wobei der externe Wärmetauscher ET und die externe Pumpe EP außerhalb der elektrischen Achse EA angeordnet sein können und jeweils mit der Steuereinrichtung SE verbunden sein können und von dieser ansteuerbar und betreibbar sein können. Durch die direkte Temperaturmessung am zumindest einen Rotor kann eine genauere Aussage über die zur ausreichenden Kühlung notwendige
Pumpleistung bzw. den Ölvolumensfluss FV getroffen werden. Die vorteilhaft direkte Ermittlung der Temperaturen am Inverter und/oder Stator und eine Kühlleistungsermittlung vom Kühlkreis, etwa auch der momentan verfügbaren Pumpleistung der externen Kühlpumpe, können dabei auch für den potentiell verfügbaren Wärmetausch und Wärmetransport an/vom den Kühlkreis berücksichtigt oder für die nahe Zukunft abgeschätzt werden und der
Ölvolumensfluss dadurch beeinflusst werden um die Leistung der Ölpumpe zu optimieren.
Durch die Steuereinrichtung SE, welche mit den Temperatursensoren T1 , T2 und/oder T3 verbunden sein kann, kann eine Darstellung von Temperaturen im Kühl- und/oder Ölkreis, etwa an den Temperaturknoten A - F, als eine
Beobachterfunktion in einem Zustandsraum erfolgen. An den Temperaturknoten kann dadurch eine Darstellung von Verlustleistungen und/oder
Wärmeübertragungen dargestellt und modelliert (berechnet) werden und Aussagen über den notwendigen Ölvolumensfluss und lokale Temperaturen im Ölkreislauf und/oder Kühlkreislauf getroffen werden. Ein Darstellung kann an eine Display (Look up table) erfolgen oder gespeichert werden. Durch die erhaltenen Daten können Sollwertberechnungen für den Betrieb der Pumpen erfolgen. Des Weiteren ist es möglich, durch die Darstellung im Zustandsraum ein oder mehrere Zustandsmodelle für die Wärme in der Antriebseinrichtung zu erstellen und System- und Regelungskreise (Rückkopplung von
Temperatursensoren T1 , T2 T3 auf die Ölpumpe und/oder Kühlpumpe und für deren Leistung eine notwendige Stellgröße zu erstellen um die kritischen Temperaturen für die Maschine vorteilhaft nicht zu überschreiten) anzusteuern, etwa für die Pumpen.
Der externe Wärmetauscher ET kann beispielsweise einen Kühlerlüfter umfassen. Die Antriebseinrichtung kann in allen Arten elektrischer Fahrzeuge eingesetzt werden.
Die Steuereinrichtung SE ist vorteilhaft mit dem Inverter INV, dem Stator S und dem Rotor R sowie mit den Temperatursensoren T1 , T2 und T3 und mit den Pumpen verbunden und kann auch mit weiteren Bauteilen, etwa den
Wärmetauschern oder dem Getriebe und der Ölwanne verbunden sein (nicht gezeigt). Durch die Steuereinrichtung SE können weiterhin auch die
Temperaturen in den Teilabschnitten, etwa an den Knoten A bis F, die
Wärmeabgabe QKM, Ab am externen Wärmetauscher, die Temperatur TKM, 4 am zweiten Wärmetauscher WT2, der Wärmeaustausch QKM.ÖI zwischen Kühl- und Ölkreis oder die Leistungen am Inverter PV.INV, am Stator Pv, STATOR, am Rotor Pv, ROTOR, oder an den Pumpen Pv gemessen oder berechnet werden und in einem Rechen- und Betriebsmodell (Zustandsraum) integriert werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Antriebsachse mit einer elektrischen Antriebseinrichtung.
Die elektrische Antriebseinrichtung 10 mit der elektrische Maschine EM, mit dem Ölkreislauf 2, der Temperaturüberwachungseinrichtung 1 und dem Kühlkreislauf 4 kann vorteilhaft in einer elektrischen Achse integriert sein, und vorteilhaft mit zumindest zwei Antriebsrädern Rd1 und Rd2 eines Fahrzeugs verbunden sein, und vorteilhaft einen Traktionsantrieb darstellen.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm für eine Pumpleistung der Ölpumpe mit steigender Rotordrehzahl.
Die Pumpleistung V(n) kann als Funktion der Rotordrehzahl n die in Fig. 3 dargestellte Abhängigkeit von der Rotordrehzahl n aufweisen, um die Temperatur am Rotor unterhalb eines kritischen Temperaturwerts für den Rotor zu halten.
Fig. 4 zeigt eine Blockdarstellung der Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 eines ersten Temperatursensors an einem Rotor einer elektrischen Maschine; ein Ermitteln S2 einer Betriebstemperatur des Rotors durch eine Steuereinrichtung, welche mit dem ersten Temperatursensor verbunden ist; und ein Steuern S3 eines Betriebes einer Ölpumpe, mittels weicher ein Ölvolumensfluss in einem Ölkreislauf erzeugt wird, durch die Steuereinrichtung, und ein Steuern S4 des Ölvolumensflusses mittels der Steuereinrichtung basierend auf der ermittelten Betriebstemperatur des Rotors, wobei der Rotor mit dem Ölkreislauf, umfassend die Ölpumpe und eine Ölwanne, verbunden ist, derart, dass die Betriebstemperatur des Rotors unterhalb eines kritischen Temperaturwertes gehalten wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten
Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Claims

Ansprüche
1. Temperaturüberwachungseinrichtung (1 ) für eine elektrische Maschine (EM),
umfassend
- einen ersten Temperatursensor (T1 ), welcher an einem Rotor (R) der elektrischen Maschine (EM) anbringbar ist und welcher dazu eingerichtet ist, eine Betriebstemperatur des Rotors (R) zu ermitteln;
- eine Steuereinrichtung (SE), welche mit dem ersten Temperatursensor (T1 ) und mit einer Ölpumpe (P) in einem Ölkreislauf (2) der elektrischen Maschine (EM) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (SE) dazu eingerichtet ist, die
Ölpumpe (P) und einen von dieser erzeugten Ölvolumensfluss (FV) im Ölkreislauf (2) basierend auf der ermittelten Betriebstemperatur des Rotors (R) zu steuern, so dass die Betriebstemperatur des Rotors (R) unterhalb eines kritischen
Temperaturwertes (Crit) haltbar ist.
2. Temperaturüberwachungseinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , welche einen zweiten
Temperatursensor (T2) umfasst, welcher an einer Invertereinrichtung (INV) der elektrischen Maschine (EM) anbringbar ist und mit der Steuereinrichtung (SE) verbindbar ist und welcher dazu eingerichtet ist, eine Temperatur (TB2) der Invertereinrichtung (INV) zu ermitteln.
3. Temperaturüberwachungseinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, welche einen dritten Temperatursensor (T3) umfasst, welcher an einem Stator (S) der elektrischen Maschine (EM) anbringbar ist und mit der Steuereinrichtung (SE) verbindbar ist und welcher dazu eingerichtet ist, eine Temperatur (TB3) des Stators (S) zu ermitteln.
4. Elektrische Antriebseinrichtung (10) umfassend
- eine Temperaturüberwachungseinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3;
eine elektrische Maschine (EM) mit einem Rotor (R);
einen Ölkreislauf (2) mit einer Ölpumpe (P), einer Ölwanne (3) und einem ersten Wärmetauscher (WT 1 ), wobei der Rotor (R) mit dem Ölkreislauf (2) verbunden ist und der erste Temperatursensor (T1 ) am Rotor (R) angebracht ist; und
einen Kühlkreislauf (4) mit einem zweiten Wärmetauscher (WT2), welcher mit dem ersten Wärmetauscher (WT1 ) zum Übertragen von Wärme thermisch verbunden ist, wobei Wärme vom Ölkreislauf (2) über den Kühlkreislauf (4) abführbar ist.
5. Elektrische Antriebseinrichtung (10) nach Anspruch 4, bei welcher die elektrische
Maschine (EM) einen Stator (S) und eine Invertereinrichtung (INV) umfasst, welche mit dem Kühlkreislauf (4) verbunden sind und der zweite Wärmetauscher (WT2) mit der elektrischen Maschine (EM) und dem Ölkreislauf (2) in eine elektrische Antriebsachse (EA) integriert ist.
6. Elektrische Antriebseinrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher der
Kühlkreislauf (4) sich teilweise innerhalb einer elektrischen Achse (EA) befindet und einen externen Wärmetauscher (ET) und eine externe Pumpe (EP) umfasst, wobei der externe Wärmetauscher (ET) und die externe Pumpe (EP) außerhalb der elektrischen Achse (EA) angeordnet sind und jeweils mit der
Steuereinrichtung (SE) verbunden sind und von dieser ansteuerbar und betreibbar sind.
7. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung (10), umfassend die
Schritte:
Bereitstellen (S1 ) eines ersten Temperatursensors (T1 ) an einem Rotor (R) einer elektrischen Maschine (EM);
Ermitteln (S2) einer Betriebstemperatur des Rotors (R) durch eine Steuereinrichtung (SE), welche mit dem ersten Temperatursensor (T1 ) verbunden ist; und
Steuern (S3) eines Betriebes einer Ölpumpe (P), mittels welcher ein Ölvolumensfluss (FV) in einem Ölkreislauf (2) erzeugt wird, durch die
Steuereinrichtung (SE), und Steuern (S4) des Ölvolumensflusses (FV) mittels der Steuereinrichtung (SE) basierend auf der ermittelten Betriebstemperatur des Rotors (R), wobei der Rotor (R) mit dem Ölkreislauf (2), umfassend die Ölpumpe (P) und eine Ölwanne (3), verbunden ist, derart, dass die Betriebstemperatur des Rotors (R) unterhalb eines kritischen Temperaturwertes (Crit) gehalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem ein Ermitteln (S5) einer Temperatur (TB2) einer Invertereinrichtung (INV) der elektrischen Maschine (EM) durch einen zweiten Temperatursensor (T2) an der Invertereinrichtung (INV) erfolgt, und darauf basierend ein Betrieb einer externen Pumpe (EP) in einem Kühlkreislauf (4), welcher mit der Invertereinrichtung (INV) und über einen zweiten
Wärmetauscher (WT2) mit dem ersten Wärmetauscher (WT1 ) im Ölkreislauf (2) verbunden ist, durch die Steuereinrichtung (SE) gesteuert wird, so dass die Temperatur (TB2) der Invertereinrichtung (INV) unterhalb einer
Invertergrenztemperatur gehalten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem ein Ermitteln (S6) einer Temperatur
(TB3) eines Stators (S) der elektrischen Maschine (EM) durch einen dritten Temperatursensor (T3) am Stator (S) erfolgt, und darauf basierend ein Betrieb einer externen Pumpe (EP) in einem Kühlkreislauf (4), welcher mit dem Stator (S) und über einen zweiten Wärmetauscher (WT2) mit dem ersten Wärmetauscher (WT 1 ) im Ölkreislauf (2) verbunden ist, durch die Steuereinrichtung (SE) gesteuert wird, so dass die Temperatur (TB3) des Stators (S) unterhalb einer Statorgrenztemperatur gehalten wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welchem die Steuereinrichtung
(SE) für zumindest eine mit dem Ölkreislauf (2) und/oder mit dem Kühlkreislauf (4) verbundenen Komponente (R, S, INV, G, WT1 , WT2, ...) eine durch diese erzeugte Temperaturänderung (dT) im Ölkreislauf (2) und/oder im Kühlkreislauf (4) ermittelt und basierend auf dieser Temperaturänderung (dT) den
Ölvolumensfluss (FV) und/oder einen Volumensfluss (FVKM) eines Kühlmittels (KM) im Kühlkreislauf (4), welcher durch die externe Pumpe (EP) erzeugt wird, reguliert.
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