WO2023213967A1 - Verfahren zum betrieb eines positionssensorlosen bldc-motors einer ölpumpe, computerprogramm, computerprogrammprodukt, wärmetransportmittelsystem und fahrzeug - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines positionssensorlosen bldc-motors einer ölpumpe, computerprogramm, computerprogrammprodukt, wärmetransportmittelsystem und fahrzeug Download PDF

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bldc motor
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oil pump
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Sebastian Brettner
Manuel Dillinger
Markus Feulner
Christian Böhm
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Vitesco Technologies GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a position sensorless BLDC motor of an oil pump of an oil cooling circuit of an electric drive, in particular for driving a vehicle.
  • the present invention further relates to a computer program and a computer program product, each of which depicts the proposed method.
  • the present invention also relates to a heat transport system for an electric drive, in particular for driving a vehicle, and a vehicle with such a heat transport system.
  • An electric motor or electric drive in particular for driving a vehicle, can be designed to be liquid-cooled.
  • a water-based coolant such as a water-glycol mixture, from a coolant circuit and/or an oil from an oil cooling circuit can be used as the coolant.
  • the object of the present invention is to improve an oil cooling circuit of an electric motor, in particular for driving a vehicle.
  • Claims 6 and 7 protect a computer program and a computer program product.
  • Claims 8 and 9 provide protection for a heat transport system for an electric drive and a vehicle.
  • the subclaims relate to advantageous further training.
  • a method for operating a position sensorless BLDC motor of an oil pump of an oil cooling circuit of an electric drive, in particular for driving a vehicle, is proposed.
  • the BLDC motor When the oil pump is started up and started up - i.e. after every switch-off or switch-off process and switch-on or switch-on process of the oil pump - the BLDC motor is operated in pre-controlled excitation to heat an oil conveyed by the oil pump until the oil has a kinematic viscosity , which allows controlled excited operation of the BLDC motor above a motor-specific limit speed of a rotor of the BLDC motor. Waste heat from the BLDC motor generated by the pilot control is radiated into the oil in the area around the oil pump, thereby gradually heating the oil.
  • a temperature of a heating control unit of the BLDC motor is monitored using sensors in order to avoid overheating of the control unit.
  • the precontrol of the BLDC motor is interrupted in the meantime in order to detect a voltage induced by the rotor in the unenergized coils of a stator of the BLDC motor, by means of which a rotor position and a rotor (rotational) speed are determined with sufficient precision above the limit speed of the rotor become.
  • a BLDC motor is a so-called brushless DC motor (Brushless DC motor, abbreviated BLDC or BL motor as well as electronically commutated motor, EC motor for short), in which an electric rotating field that can be generated in the windings of a three-phase stator is synchronous with a with permanent Rotor equipped with magnets turns or rotates, which is pulled by the rotating field.
  • Brushless DC motor abbreviated BLDC or BL motor as well as electronically commutated motor, EC motor for short
  • a pilot-controlled excited operation of the BLDC motor is understood to mean a pilot-controlled excitation of coils of a stator of the BLDC motor to generate an electrical rotating field in order to pull or operate a rotor in a pilot-controlled manner up to a definable or motor-specific limit speed, its position relative to the coils below the limit speed is unknown.
  • the voltage induced by the rotor is understood to be a so-called retroactive electromotive force (EMF).
  • EMF retroactive electromotive force
  • this refers to a secondary voltage, which in turn generates a secondary magnetic field that opposes the natural movement of the motor. From a motor-specific limit speed onwards, this secondary voltage can be clearly recorded in the individual phases of the BLDC motor - which are not excited during an electronic commutation sequence - and used to determine a rotor position and a rotor (rotational) speed.
  • a first phase or phase winding is excited positively and a second phase or phase winding is negatively excited, with a third phase or phase winding remaining unexcited.
  • the said secondary voltage is proportional to the rotor (rotational) speed or to the angular velocity of the rotor. It counteracts the supply voltage that generates the rotating field in the individual winding sections of the stator and reduces it accordingly.
  • the said limit speed of the rotor can be around 800 l/min, specific to the engine.
  • the control unit of the BLDC motor is designed for an operating temperature range of -40°C to 125°C (automotive temperature range).
  • the proposed method thus advantageously supports heating of the oil conveyed by the oil pump, which is known to have a very high kinematic viscosity at low temperatures, i.e. at temperatures of - 40 ° C ⁇ T ⁇ 0 ° C and therefore proves to be very viscous.
  • a number of such pre-control phases - in a sequence of such pre-control phases and intermediate interruption phases - be limited to a maximum number based on a definable period of time depending on an ambient temperature.
  • the rotor position and the rotor (rotational) speed can be estimated or determined by estimation using a sinusoidally induced voltage in the coils or in the individual phases of the BLDC motor.
  • the rotor position and the rotor (rotational) speed can be estimated or determined by estimation using a trapezoidally induced voltage in the coils or in the individual phases of the BLDC motor.
  • a computer program product comprising program code means stored on a computer-readable data carrier in order to carry out the method described above when the program code means are executed on a computer.
  • a heat transport medium system for an electric drive in particular for driving a vehicle, which has at least one coolant circuit and an oil cooling circuit, the oil cooling circuit having an electrically operated oil pump - with a BLDC motor - with a control unit with a computer program product of the type described above.
  • the vehicle can be a battery electric vehicle (Battery Electric Vehicle, short: BEV), a hybrid electric vehicle (Hybrid Electric Vehicle, short: HEV) or a fuel cell vehicle (Fuel Cell Electric Vehicle, short: FCEV). Further advantages and features result from the subclaims and the exemplary embodiments. Show this:
  • Fig. 1 Heat transport medium circuits of a thermal management system of a vehicle
  • Fig. 2 the lower part of the system illustrated in Fig. 1 in a further representation
  • Fig. 3 a qualitative representation of various parameter curves of a BLDC motor of an oil pump.
  • the coolant circuit 2 includes a coolant circuit or coolant circuit 2 for a battery 5, a coolant circuit or coolant circuit 3 for an electric motor or electric drive 9 for driving the vehicle and a coolant circuit or coolant circuit 4 an air conditioning system.
  • the coolant circuit 2 is thermally connected to the refrigerant circuit 4 via a heat exchanger 15 - also called a chiller.
  • a coolant is supplied by means of its own electric pump 6 or one assigned to the respective coolant circuit 2, 3 , 10 promoted or circulated.
  • So-called mixing states between the coolant circuits 2, 3 can advantageously also be set via the 5/3-way valve 12.
  • the coolant circuit 3 also includes a charger 7 and power electronics 8 upstream of the electric drive 9. Downstream of the electric motor 9 there is a node or branch point 18, on the one hand a bypass path 14 and on the other hand a radiator path 13 via a radiator or
  • the electric drive 9 and the power electronics 8 should be operated at a coolant or cooling water temperature of approximately 80 to a maximum of 85 ° C.
  • the coolant has a temperature of approximately 55°C at the inlet into the power electronics 8 and a temperature of approximately 65°C at the inlet into the electric motor 9. At the output of the electric motor 9, the coolant then has a temperature of approximately 80 to a maximum of 85 ° C.
  • the battery 5 or the individual battery cells should be operated at a coolant or cooling water temperature at the outlet of the battery 5 of approximately 20 ° C to approximately 40 ° C, because this ensures an optimal operating temperature range of the battery 5.
  • Both coolant circuits 2, 3 must be able to absorb and release heat.
  • a water-based coolant is a mixture of water with a cooling additive.
  • the coolant doesn't just have the job of absorbing and transporting waste heat.
  • the coolant additive should also protect the water from freezing, protect the two coolant circuits from corrosion, lubricate the moving parts in the two coolant circuits and protect plastic and / or rubber elements in the two coolant circuits from dissolving.
  • the coolant can be, for example, a so-called water-glycol mixture.
  • the electric drive 9 is both coolant-cooled and oil-cooled. 2 illustrates a coolant cooling of a stator 15 of the electric drive 9 as well as an oil cooling for additional cooling of the electric drive 9.
  • the stator 15 is surrounded by the coolant circuit 3, while the rotor 22 of the electric drive 9 is encompassed by an oil cooling circuit 28.
  • the oil cooling circuit 28 is thermally connected to the coolant circuit 3 via a heat exchanger 16 and the two line sections 17 1 , 17 "upstream and downstream of the stator 15.
  • the oil cooling circuit 28 also includes a gear or reduction gear 21, for example in the form of a one-, two- or three-stage gear, which forms an electric motor-gear drive unit with the electric drive 9, 15, 22.
  • the oil cooling circuit 28 further comprises an electrically operated oil pump 19 with a BLDC motor, an oil filter 20 fluidly connected upstream of the oil pump 19, two temperature sensors 26, 27 and two pressure sensors 23, 25.
  • the pressure sensors 23, 25 are downstream of the oil pump 19 and upstream of the heat exchanger 16 or between the oil pump 19 and the heat exchanger 16, whereas a temperature sensor 26 is arranged downstream of the heat exchanger 16 and upstream of the rotor 22 and another temperature sensor
  • Waste heat from the electric drive 9 absorbed by the oil cooling circuit 28 is fed to the coolant circuit 3 via the heat exchanger 16.
  • the heat exchanger 16 is arranged fluidly parallel to the stator 15.
  • a first supply line 17 1 leads from a node of the coolant circuit 3 upstream of the stator 15 to the heat exchanger 16 and a second supply line 17 "from the heat exchanger 16 to said node 18 downstream of the stator 15.
  • the pumped oil which is also used to lubricate and cool the transmission 21, is pumped through a shaft of the rotor 22 to at least one exit point of the rotor 22. From this exit point, the oil is thrown or sprayed against the windings of the stator 15 due to centrifugal force, with the oil also being distributed over the rotor 22 and reaching the two bearing points of the rotor shaft.
  • the oil ultimately flows into an oil pan - not shown here - which is attached to the stator 15.
  • the oil pump 19 sucks the oil from this oil pan and conveys it into the oil cooling circuit 28.
  • the oil cools the electric drive 9 in addition to the coolant of the coolant Circuit 3 by absorbing the waste heat from the stator 15 and the rotor 22 and releasing it to the coolant circuit 3 via the heat exchanger 16.
  • a method for operating a position sensorless BLDC motor of the oil pump 19 is proposed below.
  • the BLDC motor is operated as follows to heat the oil delivered by the oil pump 19 in the vicinity of the BLDC motor.
  • FIG subsequent controlled operation (control phase) of the BLDC motor A monitored temperature T of a control unit of the BLDC motor, a speed n of a rotor of the BLDC motor and a current consumption i of the BLDC motor are illustrated.
  • the coils of the stator of the BLDC motor are first energized in a pilot-controlled manner to generate a rotating electrical field in order to pull or drive the rotor of the BLDC motor.
  • a motor-specific limit speed of the rotor approximately 800 rpm - the position of the rotor relative to the coils is unknown.
  • the waste heat from the BLDC motor generated during the pre-control of the rotating field is radiated to the oil in the vicinity of the oil pump 19 or the BLDC motor of the oil pump 19.
  • the pilot-controlled rotating field is temporarily interrupted so that a voltage induced by the rotor in the unexcited coils can be detected.
  • This refers to the retroactive electromotive force (emf for short) described at the beginning.
  • the voltages induced in the individual phases of the stator winding are sufficiently high and can therefore be measured with sufficient precision. Using these induced voltages, a rotor position and a rotor (rotational) speed are then determined or determined with sufficient accuracy by estimation.
  • the temperature T of the heating control unit of the BLDC motor is monitored by sensors, for example by means of a temperature sensor on a circuit board of the control unit.
  • a limit temperature of the control unit e.g. 125°C is exceeded during the precontrol - below the said limit speed of the rotor - the precontrolled electric rotating field is interrupted to protect the control unit from overheating and then a decrease in the temperature of the control unit by a definable value (temperature delta). wait before the BLDC motor is energized again in pilot control.
  • the temperature value (temperature delta) that can be specified for the temperature decrease should not be chosen too small in order to be able to minimize as far as possible the number of pilot control and interruption phases required due to the ambient temperature.
  • temperature delta the temperature value that can be specified for the temperature decrease
  • a desired coil excitation frequency or a rotor (rotational) speed can then be specified and controlled in a so-called PLL control structure (Phase Locked Loop).

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines positionssensorlosen BLDC-Motors einer Ölpumpe (19) vorgeschlagen. Der BLDC-Motor wird dabei bei einer Inbetriebnahme und einem Hochlauf der Ölpumpe (19) zum Erwärmen eines durch die Ölpumpe (19) geförderten Öls solange vorgesteuert erregt betrieben, bis das Öl eine kinematische Viskosität aufweist, welche einen geregelten Betrieb des BLDC-Motors oberhalb einer motorspezifischen Grenzdrehzahl eines Rotors des BLDC-Motors zulässt. Dabei wird eine durch die Vorsteuerung erzeugte Abwärme des BLDC-Motors an das Öl in der Umgebung der Ölpumpe (19) abgestrahlt. Diese Vorsteuerung wird zwischenzeitlich unterbrochen, um eine durch den Rotor in den unerregten Spulen eines Stators des BLDC-Motors induzierte Spannung zu erfassen, mittels welcher oberhalb der Grenzdrehzahl des Rotors eine Rotorposition sowie eine Rotor(dreh)geschwindigkeit hinreichend genau bestimmt werden. Oberhalb dieser Grenzdrehzahl wird, nachdem deren Überschreitung erfasst worden ist, auf einen geregelt erregten Betrieb des BLDC-Motors umgeschaltet. Es werden ferner ein Computerprogramm, ein Computerprogrammprodukt, ein Wärmetransportmittelsystem sowie ein Fahrzeug vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines positionssensorlosen BLDC-Motors einer Ölpumpe, Computerprogramm, Computerprogrammprodukt, Wärmetransportmittelsystem und Fahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines positionssensorlosen BLDC-Motors einer Ölpumpe eines Ölkühlkreislaufs eines Elektroantriebs, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt, welche jeweils das vorgeschlagene Verfahren abbilden. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Wärmetransportmittelsystem für einen Elektroantrieb, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Wärmetransportmittelsystem.
Ein Elektromotor bzw. Elektroantrieb, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, kann flüssigkeitsgekühlt ausgeführt sein. Als Kühlflüssigkeit kann dabei eine wasserbasierte Kühlflüssigkeit, wie etwa ein Wasser-Glykol-Gemisch, eines Kühlflüssigkeitskreises und / oder ein Öl eines Ölkühlkreises zum Einsatz kommen.
Im Folgenden wird zwischen einer wasserbasierten Kühlflüssigkeitskühlung bzw. einem wasserbasierten Kühlflüssigkeitskreis(lauf) und einer Ölkühlung bzw. einem Ölkühlkreis(lauf) unterschieden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ölkühlkreislauf eines Elektromotors, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 6 und 7 stellen ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt unter Schutz. Ansprüche 8 und 9 stellen ein Wärmetransportmittelsystem für einen Elektroantrieb sowie ein Fahrzeug unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen. Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines positionssensorlosen BLDC-Motors einer Ölpumpe eines Ölkühlkreislaufs eines Elektroantriebs, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgeschlagen.
Dabei wird der BLDC-Motor bei einer Inbetriebnahme und einem Hochlauf der Ölpumpe - d.h. nach jedem Ausschalten bzw. Ausschaltvorgang und Einschalten bzw. Einschaltvorgang der Ölpumpe - zum Erwärmen eines durch die Ölpumpe geförderten Öls solange vorgesteuert erregt betrieben, bis das Öl eine kinematische Viskosität aufweist, welche einen geregelt erregten Betrieb des BLDC-Motors oberhalb einer motorspezifischen Grenzdrehzahl eines Rotors des BLDC-Motors zulässt. Dabei wird eine durch die Vorsteuerung erzeugte Abwärme des BLDC-Motors an das Öl in der Umgebung der Ölpumpe abgestrahlt und das Öl dadurch sukzessive erwärmt.
Dabei wird zudem eine Temperatur einer sich erwärmenden Steuerungseinheit des BLDC-Motors sensorisch überwacht, um eine Überhitzung der Steuerungseinheit vermeiden zu können.
Die Vorsteuerung des BLDC-Motors wird dabei zwischenzeitlich unterbrochen, um eine durch den Rotor in den unerregten Spulen eines Stators des BLDC-Motors induzierte Spannung zu erfassen, mittels welcher oberhalb der Grenzdrehzahl des Rotors eine Rotorposition sowie eine Rotor(dreh)geschwindigkeit hinreichend genau bestimmt werden.
Oberhalb der Grenzdrehzahl wird schließlich, nachdem deren Überschreitung erfasst worden ist, auf den geregelt erregten Betrieb des BLDC-Motors umgeschaltet, um den BLDC-Motor effizient zu betreiben.
Ein BLDC-Motor ist ein sog. bürstenloser Gleichstrommotor (englisch Brushless DC Motor, abgekürzt BLDC- oder BL-Motor sowie auch electronically commutated Motor, kurz EC-Motor), bei welchem ein in den Wicklungen eines dreiphasigen Stators erzeugbares elektrisches Drehfeld synchron mit einem mit Permanent- magneten bestückten Rotor dreht bzw. rotiert, welcher durch das Drehfeld gezogen wird.
Unter einem vorgesteuert erregten Betrieb des BLDC-Motors ist ein vorgesteuertes Erregen von Spulen eines Stators des BLDC-Motors zum Erzeugen eines elektrischen Drehfelds zu verstehen, um einen Rotor vorgesteuert bis über eine definierbare bzw. motorspezifische Grenzdrehzahl zu ziehen bzw. zu betreiben, dessen Position relativ zu den Spulen unterhalb der Grenzdrehzahl unbekannt ist.
Unterhalb dieser Grenzdrehzahl lässt sich eine Rotorposition sowie eine Rotor(dreh)geschwindigkeit mittels der besagten durch den Rotor induzierten Spannung nicht hinreichend genau bestimmen.
Unter der durch den Rotor induzierten Spannung ist dabei eine sog. rückwirkende elektromotorische Kraft (EMK; englisch Back EMF) zu verstehen. Darunter ist bekanntlich eine Sekundärspannung zu verstehen, welche ihrerseits ein sekundäres Magnetfeld erzeugt, welches sich der natürlichen Bewegung des Motors widersetzt. Diese Sekundärspannung kann dabei ab einer motorspezifischen Grenzdrehzahl eindeutig in den einzelnen - während einer elektronischen Kommutierungssequenz unerregten - Phasen des BLDC-Motors erfasst und zur Bestimmung bzw. Ermittlung einer Rotorposition sowie einer Rotor(dreh)geschwindigkeit verwendet werden.
In jeder der sechs Stufen der Kommutierungssequenz eines sog. Dreiphasen- BLDC-Motors wird bekanntlich eine erste Phase bzw. Phasenwicklung positiv und eine zweite Phase bzw. Phasenwicklung negativ erregt, wobei eine dritte Phase bzw. Phasenwicklung unerregt bleibt.
Die besagte Sekundärspannung ist dabei proportional zur Rotor(dreh)geschwin- digkeit bzw. zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors. Sie wirkt der Versorgungsspannung, welche das Drehfeld in den einzelnen Wicklungsabschnitten des Stators erzeugt, entgegen und reduziert sie entsprechend. Die besagte Grenzdrehzahl des Rotors kann dabei motorspezifisch bei ca. 800 ll/min liegen. Die Steuerungseinheit des BLDC-Motors ist dabei für einen Betriebstemperaturbereich von - 40°C bis 125°C (Automobil-Temperaturbereich) ausgelegt.
Das vorgeschlagene Verfahren unterstützt somit vorteilhafterweise eine Erwärmung des durch die Ölpumpe geförderten Öls, welches bei tiefen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen von - 40°C < T < 0°C bekanntlich eine sehr hohe kinematische Viskosität aufweist und sich aufgrund dessen als sehr zähflüssig erweist.
Es wird dabei vorgeschlagen, dass unterhalb der Grenzdrehzahl des Rotors bei einer Überschreitung einer definierbaren Grenztemperatur der Steuerungseinheit ein vorgesteuertes elektrisches Drehfeld zum Schutz der Steuerungseinheit vor einer Überhitzung unterbrochen und danach eine Temperaturabnahme der Steuerungseinheit um einen definierbaren Wert abgewartet wird, bevor erneut vorgesteuert erregt wird.
Dabei wird vorgeschlagen, ein Temperaturdelta für diese Temperaturabnahme vorteilhafterweise derart vorzusehen bzw. vorzugeben, dass bei einer umgebungstemperaturbedingt mehrfachen Vorsteuerung des BLDC-Motors eine Anzahl von solchen Vorsteuerungsphasen - in einer Sequenz von solchen Vorsteuerungsphasen und zwischenzeitlichen Unterbrechungsphasen - auf ein Minimum reduziert werden kann. Dadurch lässt sich einerseits ein erwünschter Wärmeeintrag in das Öl bewirken und andererseits eine thermische Belastung der Steuerungseinheit bis zu ihrer Grenztemperatur auf ein Minimum reduzieren.
Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Anzahl von solchen Vorsteuerungsphasen - in einer Sequenz von solchen Vorsteuerungsphasen und zwischenzeitlichen Unterbrechungsphasen - bezogen auf eine definierbare Zeitspanne abhängig von einer Umgebungstemperatur auf eine maximale Anzahl begrenzt wird.
Auch dies trägt dazu bei, eine thermische Belastung der Steuerungseinheit bis zu ihrer Grenztemperatur auf ein Minimum zu reduzieren. In einer Ausführung können oberhalb der Grenzdrehzahl des Rotors die Rotorposition sowie die Rotor(dreh)geschwindigkeit mittels einer in den Spulen bzw. in den einzelnen Phasen des BLDC-Motors sinusförmig induzierten Spannung geschätzt bzw. durch Schätzung bestimmt bzw. ermittelt werden.
In einer weiteren Ausführung können oberhalb der Grenzdrehzahl des Rotors die Rotorposition sowie die Rotor(dreh)geschwindigkeit mittels einer in den Spulen bzw. in den einzelnen Phasen des BLDC-Motors trapezförmig induzierten Spannung geschätzt bzw. durch Schätzung bestimmt bzw. ermittelt werden.
Es wird ferner ein Computerprogramm zur Durchführung des vorhergehend beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen.
Es wird ferner ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, umfassend Programmcode-Mittel, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das vorhergehend beschriebene Verfahren durchzuführen, wenn die Programmcode-Mittel auf einem Computer ausgeführt werden.
Des Weiteren wird ein Wärmetransportmittelsystem für einen Elektroantrieb, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgeschlagen, welches zumindest einen Kühlflüssigkeitskreislauf sowie einen Ölkühlkreislauf aufweist, wobei der Ölkühlkreislauf eine elektrisch betriebene Ölpumpe - mit einem BLDC Motor - mit einer Steuerungseinheit mit einem Computerprogrammprodukt der zuvor beschriebenen Art aufweist.
Zudem wird ein Fahrzeug mit einem Wärmetransportmittelsystem der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen.
Bei dem Fahrzeug kann es sich dabei um ein batterieelektrisches Fahrzeug (Battery Electric Vehicle, kurz: BEV), ein Hybridelektrokraftfahrzeug (Hybrid Electric Vehicle, kurz: HEV) oder ein Brennstoffzellenfahrzeug (Fuel Cell Electric Vehicle, kurz: FCEV) handeln. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigen:
Fig. 1 : Wärmetransportmittelkreisläufe eines Thermomanagementsystems eines Fahrzeugs;
Fig. 2: den unteren Teil des in Fig. 1 veranschaulichten Systems in einer weiteren Darstellung; und
Fig. 3: eine qualitative Darstellung von verschiedenen Parameterverläufen eines BLDC-Motors einer Ölpumpe.
Das in der Fig. 1 veranschaulichte Thermomanagementsystem bzw. Wärmetransportmittelsystem 1 umfasst einen Kühlflüssigkeitskreis bzw. Kühlflüssigkeitskreislauf 2 für eine Batterie 5, einen Kühlflüssigkeitskreis bzw. Kühlflüssigkeitskreislauf 3 für einen E-Motor bzw. Elektroantrieb 9 zum Antrieb des Fahrzeugs sowie einen Kältemittelkreis bzw. Kältemittelkreislauf 4 einer Klimaanlage. Der Kühlflüssigkeitskreislauf 2 ist dabei über einen Wärmetauscher 15 - auch Chiller genannt - an den Kältemittelkreislauf 4 thermisch angebunden.
In diesen beiden Kühlflüssigkeitskreisläufen 2, 3, die über eine sog. Mehrwegeventileinheit, etwa in Gestalt eines 5/3- Wegeventils 12 miteinander verbindbar oder voneinander trennbar sind, wird eine Kühlflüssigkeit mittels einer eigenen bzw. dem jeweiligen Kühlflüssigkeitskreislauf 2, 3 zugeordneten elektrischen Pumpe 6, 10 gefördert bzw. umgewälzt. Über das 5/3- Wegeventil 12 lassen sich dabei vorteilhafterweise auch sog. Mischzustände zwischen den Kühlflüssigkeitskreisläufen 2, 3 einstellen.
Der Kühlflüssigkeitskreislauf 3 umfasst zudem stromaufwärts des Elektroantriebs 9 ein Ladegerät 7 sowie eine Leistungselektronik 8. Stromabwärts des E-Motors 9 findet sich ein Knotenpunkt bzw. Verzweigungspunkt 18, über weichen einerseits ein Bypass-Pfad 14 und andererseits ein Radiatorpfad 13 über einen Radiator bzw.
Kühler 11 zum besagten Mehrwegeventil 12 zurück führen.
Der Elektroantrieb 9 und die Leistungselektronik 8 sollen bei einer Kühlflüssigkeits- bzw. Kühlwassertemperatur von ca. 80 bis maximal 85°C betrieben werden. Dabei hat die Kühlflüssigkeit am Eingang in die Leistungselektronik 8 eine Temperatur von etwa 55°C und am Eingang in den E-Motor 9 eine Temperatur von etwa 65°C. Am Ausgang des E-Motors 9 hat die Kühlflüssigkeit dann eine Temperatur von ca. 80 bis maximal 85°C.
Die Batterie 5 bzw. die einzelnen Batteriezellen hingegen sollen bei einer Kühlflüssigkeits- bzw. Kühlwassertemperatur am Ausgang der Batterie 5 von ca. 20°C bis ca. 40°C betrieben werden, denn dies stellt einen optimalen Betriebstemperaturbereich der Batterie 5 sicher. Beide Kühlflüssigkeitskreisläufe 2, 3 müssen Wärme sowohl aufnehmen als auch abgeben können.
Unter einer wasserbasierten Kühlflüssigkeit ist dabei eine Mischung von Wasser mit einem Kühlzusatzmittel zu verstehen. Die Kühlflüssigkeit hat dabei nicht nur die Aufgabe, Abwärme aufzunehmen und zu transportieren. Das Kühlzusatzmittel soll dabei auch das Wasser vor dem Durchfrieren schützen, die beiden Kühlflüssigkeitskreisläufe vor Korrosion schützen, die beweglichen Teile in den beiden Kühlflüssigkeitskreisläufen schmieren sowie Kunststoff- und / oder Gummielemente in den beiden Kühlflüssigkeitskreisläufen vor Auflösung schützen. Die Kühlflüssigkeit kann z.B. ein sog. Wasser-Glykol-Gemisch sein.
Der Elektroantrieb 9 ist sowohl kühlflüssigkeitsgekühlt als auch ölgekühlt. Fig. 2 veranschaulicht hierzu eine Kühlflüssigkeitskühlung eines Stators 15 des Elektroantriebs 9 sowie eine Ölkühlung zur zusätzlichen Kühlung des Elektroantriebs 9. Der Stator 15 ist dabei vom Kühlflüssigkeitskreislauf 3 umfasst, während der Rotor 22 des Elektroantriebs 9 von einem Ölkühlkreislauf 28 umfasst ist. Der Ölkühlkreislauf 28 ist dabei über einen Wärmetauscher 16 und die beiden Leitungsabschnitte 171, 17" stromaufwärts bzw. stromabwärts des Stators 15 an den Kühlflüssigkeitskreislauf 3 thermisch angebunden. Der Ölkühlkreislauf 28 umfasst zudem ein Getriebe bzw. Untersetzungsgetriebe 21 , z.B. in Gestalt eines ein-, zwei- oder dreistufigen Getriebes, welches mit dem Elektroantrieb 9, 15, 22 eine E-Motor-Getriebe-Antriebseinheit bildet. Der Ölkühlkreislauf 28 umfasst ferner eine elektrisch betriebene Ölpumpe 19 mit einem BLDC-Motor, einen der Ölpumpe 19 fluidisch vorgeschalteten Ölfilter 20, zwei Temperatursensoren 26, 27 sowie zwei Drucksensoren 23, 25. Die Drucksensoren 23, 25 sind dabei stromabwärts der Ölpumpe 19 und stromaufwärts des Wärmetauschers 16 bzw. zwischen der Ölpumpe 19 und dem Wärmetauscher 16 angeordnet, wohingegen ein Temperatursensor 26 stromabwärts des Wärmetauschers 16 und stromaufwärts des Rotors 22 und ein weiterer Temperatursensor
27 stromabwärts des Getriebes 21 und stromaufwärts des Ölfilters 20 angeordnet ist. Somit lassen sich sowohl der Ölfluss als auch die Temperatur im Ölkühlkreislauf
28 entsprechend überwachen und steuern und/oder regeln.
Über den Wärmetauscher 16 wird eine vom Ölkühlkreislauf 28 aufgenommene Abwärme des Elektroantriebs 9 dem Kühlflüssigkeitskreislauf 3 zugeführt. Dabei ist der Wärmetauscher 16 zum Stator 15 fluidisch parallel angeordnet. Eine erste Zuleitung 171 führt dabei von einem Knotenpunkt des Kühlflüssigkeitskreislaufs 3 stromaufwärts des Stators 15 zum Wärmetauscher 16 und eine zweite Zuleitung 17" vom Wärmetauscher 16 zum besagten Knotenpunkt 18 stromabwärts des Stators 15.
Durch eine Welle des Rotors 22 wird das geförderte Öl, welches auch zur Schmierung und Kühlung des Getriebes 21 verwendet wird, bis zu mindestens einer Austrittsstelle des Rotors 22 gefördert. Von dieser Austrittsstelle wird das Öl fliehkraftbedingt gegen die Wicklungen des Stators 15 geschleudert bzw. verspritzt, wobei sich das Öl auch über den Rotor 22 verteilt und dabei auch bis zu den beiden Lagerstellen der Rotorwelle gelangt. Das Öl fließt schließlich bis in eine - hier nicht dargestellte - Ölwanne, die am Stator 15 angebracht ist. Die Ölpumpe 19 saugt das Öl aus dieser Ölwanne an und fördert es in den Ölkühlkreislauf 28. Das Öl kühlt dabei den Elektroantrieb 9 zusätzlich zur Kühlflüssigkeit des Kühlflüssigkeits- Kreislaufs 3, indem es die Abwärme des Stators 15 und des Rotors 22 aufnimmt und über den Wärmetauscher 16 an den Kühlflüssigkeitskreislauf 3 abgibt.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betrieb eines positionssensorlosen BLDC-Motors der Ölpumpe 19 vorgeschlagen. Dabei wird bei einer Inbetriebnahme - d.h. nach einem Ausschaltvorgang und einem darauf folgenden Einschaltvorgang der Ölpumpe 19 - und zum Anlauf bzw. Hochlauf der Ölpumpe 19 bei tiefen Temperaturen von - 40°C < T < 0°, bei welchen sich das geförderte Öl temperaturbedingt - aufgrund einer hohen kinematischen Viskosität - als zähflüssig erweist, der BLDC-Motor zum Erwärmen des durch die Ölpumpe 19 geförderten Öls in der Umgebung des BLDC-Motors wie folgt betrieben.
Dabei wird zur Veranschaulichung dieses Anlaufs bzw. Hochlaufs der Ölpumpe 19 bzw. des vorgeschlagenen Betriebsverfahrens auf die Fig. 3 Bezug genommen, welche qualitativ zeitliche Verläufe verschiedener Parameter des BLDC-Motors während eines vorgesteuerten Betriebs (Vorsteuerphase) des BLDC-Motors und während eines sich daran anschließenden geregelten Betriebs (Regelungsphase) des BLDC-Motors zeigt. Dabei sind eine überwachte Temperatur T einer Steuerungseinheit des BLDC-Motors, eine Drehzahl n eines Rotors des BLDC-Motors sowie eine Stromaufnahme i des BLDC-Motors veranschaulicht.
Zum Anlauf bzw. Hochlauf der Ölpumpe 19 werden die Spulen des Stators des BLDC-Motors zum Erzeugen eines elektrischen Drehfelds zunächst vorgesteuert erregt, um den Rotor des BLDC-Motors zu ziehen bzw. anzutreiben. Unterhalb einer motorspezifischen Grenzdrehzahl des Rotors - von etwa 800 U/min - ist eine Position bzw. Lage des Rotors relativ zu den Spulen unbekannt. Die dabei während der Vorsteuerung des Drehfelds erzeugte Abwärme des BLDC-Motors wird an das Öl in der Umgebung der Ölpumpe 19 bzw. des BLDC-Motors der Ölpumpe 19 abgestrahlt.
Bei solch einer Vorsteuerung des Drehfelds bzw. solch einem vorgesteuert erregten Betrieb des BLDC-Motors - auch als Betrieb des BLDC-Motors mit offener Schleife bezeichnet - wird eine gegenüber einem geregelten Betrieb des BLDC-Motors - auch als Betrieb des BLDC-Motors mit geschlossener Schleife bezeichnet - ineffiziente Wirkungsweise des BLDC-Motors in Kauf genommen (vgl. dazu die während der Vorsteuerung erhöhte Stromaufnahme i des BLDC-Motors; Fig. 3). Dabei erwärmt sich insbesondere der Stator des BLDC-Motors aufgrund von erhöhten Verlusten, dessen Abwärme zum Zwecke eines sukzessiven Erwärmens des geförderten Öls verwendet wird.
Um eine Überschreitung der Grenzdrehzahl des Rotors feststellen zu können, wird das vorgesteuerte Drehfeld zwischenzeitlich unterbrochen, so dass eine durch den Rotor in den unerregten Spulen induzierte Spannung erfasst werden kann. Damit ist die eingangs beschriebene, rückwirkende elektromotorische Kraft (abgekürzt EMK) gemeint. Denn oberhalb der Grenzdrehzahl des Rotors sind die in den einzelnen Phasen der Stator-Wicklung induzierten Spannungen hinreichend hoch und somit hinreichend genau erfassbar. Mittels dieser induzierten Spannungen werden dann eine Rotorposition sowie eine Rotor(dreh)geschwindigkeit hinreichend genau durch Schätzung bestimmt bzw. ermittelt.
Während der Vorsteuerung wird die Temperatur T der sich erwärmenden Steuerungseinheit des BLDC-Motors sensorisch überwacht, etwa mittels eines Temperatursensors auf einer Platine der Steuerungseinheit.
Sofern während der Vorsteuerung - unterhalb der besagten Grenzdrehzahl des Rotors - eine Grenztemperatur der Steuerungseinheit von z.B. 125°C überschritten wird, wird das vorgesteuerte elektrische Drehfeld zum Schutz der Steuerungseinheit vor einer Überhitzung unterbrochen und anschließend eine Temperaturabnahme der Steuerungseinheit um einen definierbaren Wert (Temperaturdelta) abgewartet, bevor der BLDC-Motor erneut vorgesteuert erregt wird.
Der für die Temperaturabnahme vorgebbare Temperaturwert (Temperaturdelta) sollte dabei nicht zu klein gewählt sein, um eine Anzahl von umgebungstemperaturbedingt benötigten Vorsteuerungs- und Unterbrechungsphasen möglichst minimieren zu können. Je nach Umgebungstemperatur bzw. Temperatur des geförderten Öls kann es erforderlich sein, das Drehfeld mehrfach vorzusteuern und zwischenzeitlich entsprechend zu unterbrechen, bis sich das geförderte Öl hinreichend erwärmt und eine kinematische Viskosität aufweist, ab welcher der Rotor schließlich die besagte Grenzdrehzahl überschreitet, ab welcher ein geregelter Betrieb des BLDC-Motors ermöglicht wird.
Nachdem der Rotor die besagte Grenzdrehzahl - von etwa 800 U/min - überschreitet, wird auf ein geregeltes Erregen der Spulen des Stators für einen effizienten Betrieb des BLDC-Motors umgeschaltet (vgl. dazu die Betriebsmodi im unteren Teil der Fig. 3).
Unter Verwendung der besagten Schätzung der Rotorposition sowie der Rotor- (dreh)geschwindigkeit lässt sich dann eine gewünschte Spulenerregungsfrequenz bzw. eine Rotor(dreh)geschwindigkeit in einer sog. PLL-Regelstruktur (Phase Locked Loop) vorgeben und regeln.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betrieb eines positionssensorlosen BLDC-Motors einer Ölpumpe (19), welcher bei einer Inbetriebnahme und einem Hochlauf der Ölpumpe (19) zum Erwärmen eines durch die Ölpumpe (19) geförderten Öls solange vorgesteuert erregt betrieben wird, bis das Öl eine kinematische Viskosität aufweist, welche einen geregelt erregten Betrieb des BLDC-Motors oberhalb einer motorspezifischen Grenzdrehzahl eines Rotors des BLDC-Motors zulässt, wobei eine durch die Vorsteuerung erzeugte Abwärme des BLDC-Motors an das Öl in der Umgebung der Ölpumpe (19) abgestrahlt wird, wobei eine Temperatur einer sich dabei erwärmenden Steuerungseinheit des BLDC-Motors sensorisch überwacht wird, wobei die Vorsteuerung zwischenzeitlich unterbrochen wird, um eine durch den Rotor in den unerregten Spulen eines Stators des BLDC-Motors induzierte Spannung zu erfassen, mittels welcher oberhalb der Grenzdrehzahl des Rotors eine Rotorposition sowie eine Rotor(dreh)geschwindig- keit hinreichend genau bestimmt werden, wobei oberhalb der Grenzdrehzahl, nachdem deren Überschreitung erfasst worden ist, auf den geregelt erregten Betrieb des BLDC-Motors umgeschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei unterhalb der Grenzdrehzahl des Rotors bei einer Überschreitung einer definierbaren Grenztemperatur der Steuerungseinheit ein vorgesteuertes elektrisches Drehfeld zum Schutz der Steuerungseinheit vor einer Überhitzung unterbrochen und danach eine Temperaturabnahme der Steuerungseinheit um einen definierbaren Wert abgewartet wird, bevor erneut vorgesteuert erregt wird. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Anzahl von solchen Vorsteuerungsphasen - in einer Sequenz von solchen Vorsteuerungsphasen und zwischenzeitlichen Unterbrechungsphasen - bezogen auf eine definierbare Zeitspanne abhängig von einer Umgebungstemperatur auf eine maximale Anzahl begrenzt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei oberhalb der Grenzdrehzahl des Rotors die Rotorposition sowie die Rotor(dreh)geschwindigkeit mittels einer in den Spulen sinusförmig induzierten Spannung bestimmt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei oberhalb der Grenzdrehzahl des Rotors die Rotorposition sowie die Rotor(dreh)geschwindigkeit mittels einer in den Spulen trapezförmig induzierten Spannung bestimmt werden. Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5. Computerprogrammprodukt, umfassend Programmcode-Mittel, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn die Programmcode-Mittel auf einem Computer ausgeführt werden. Wärmetransportmittelsystem für einen Elektroantrieb (9, 15, 22), insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, welches zumindest einen Kühlflüssigkeitskreislauf (3) sowie einen Ölkühlkreislauf (28) aufweist, wobei der Ölkühlkreislauf (28) eine elektrisch betriebene Ölpumpe (19) mit einem BLDC-Motor und einer Steuerungseinheit mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 6 aufweist. Fahrzeug mit einem Wärmetransportmittelsystem nach Anspruch 8.
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