DE102021200811A1

DE102021200811A1 - Verfahren zur Überwachung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102021200811A1
Application number: DE102021200811.9A
Authority: DE
Inventors: Oussama Jabloun; Vitali Borokh; Mesut ER
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-08-04
Also published as: CN114812893A

Abstract

Verfahren zur Überwachung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug, wobei zur Überwachung der elektrischen Maschine ein Drehmoment bestimmt wird, wobei das Drehmoment in Abhängigkeit wenigstens eines bestimmten Frequenzparameters der elektrischen Maschine und/oder eines bestimmten Drehzahlparameters der elektrischen Maschine entweder basierend auf einem Strommodell oder basierend auf einem Spannungsmodell bestimmt, insbesondere berechnet, wird, wobei basierend auf dem bestimmten Drehmoment wenigstens eine Maßnahme zur Überwachung der elektrischen Maschine durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug, wobei zur Überwachung der elektrischen Maschine ein Drehmoment bestimmt wird.
Elektrische Maschinen für Kraftfahrzeuge und Verfahren zur Überwachung von Parametern solcher elektrischer Maschinen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise wird in elektrischen Maschinen, insbesondere Antriebseinrichtungen, für Kraftfahrzeuge ein Drehmoment bestimmt, das über eine Steuerungseinrichtung der elektrischen Maschine durch entsprechende Steuersignale, insbesondere Festlegung von Spannungen, eingestellt wird. Um sicherzustellen, dass ein gewünschtes bzw. gefordertes Drehmoment korrekt eingestellt wird, wird ein Verfahren zur Überwachung der elektrischen Maschine beispielsweise als Bestandteil eines Sicherheitskonzepts, insbesondere in Form einer sogenannten „Ebene-2-Funktion“, verwendet, sodass stets sichergestellt werden kann, dass die elektrische Maschine korrekt funktioniert. Dazu wird das Drehmoment bzw. der wenigstens eine Parameter der elektrischen Maschine auf einem alternativen Weg bestimmt, um die Berechnung des Drehmoments bzw. die für die Festlegung des Drehmoments in der elektrischen Maschine eingestellten Parameter zu überprüfen.
Beispielsweise kann dadurch verifiziert werden, dass ein von einem Fahrer oder einer Steuerungseinrichtung angefordertes Drehmoment von der elektrischen Maschine korrekt erzeugt wird und sich somit keine signifikanten Abweichungen zwischen einem Solldrehmoment und einem Istdrehmoment einstellen. Dazu ist es bekannt, verschiedene Parameter der elektrischen Maschine zu überwachen, insbesondere im Rahmen verschiedener Überwachungsfunktionen, die auf verschiedenen Parametern der elektrischen Maschine basieren können. Die verschiedenen Überwachungsfunktionen, die auf verschiedenen Parametern der elektrischen Maschine basieren, besitzen jeweils bestimmte Vorteile in verschiedenen Anwendungsszenarien bzw. Betriebssituationen der elektrischen Maschine. Mit anderen Worten ist keine der bekannten Überwachungsfunktionen in der Lage den Betrieb der elektrischen Maschine über den gesamten Betriebsbereich hinweg mit der gleichen Qualität zu überwachen, sondern die einzelnen Überwachungsfunktionen sind in bestimmten Bereichen bzw. Betriebszuständen der elektrischen Maschine unterschiedlich gut geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Überwachung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine anzugeben, das insbesondere über den gesamten Betrieb der elektrischen Maschine anwendbar ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Wie zuvor beschrieben, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug, wobei zur Überwachung der elektrischen Maschine ein Drehmoment bestimmt wird. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das Drehmoment in Abhängigkeit wenigstens eines bestimmten Frequenzparameters der elektrischen Maschine und/oder eines bestimmten Drehzahlparameters der elektrischen Maschine entweder basierend auf einem Strommodell oder basierend auf einem Spannungsmodell bestimmt, insbesondere berechnet, wird, wobei basierend auf dem bestimmten Drehmoment wenigstens eine Maßnahme zur Überwachung der elektrischen Maschine durchgeführt wird.
Demnach wird vorgeschlagen, dass das Drehmoment entweder basierend auf einem Strommodell oder basierend auf einem Spannungsmodell bestimmt werden kann, wobei die Durchführung der Bestimmung in Abhängigkeit des Strommodells oder des Spannungsmodells auf einem bestimmten Frequenzparameter der elektrischen Maschine und/oder einem bestimmten Drehzahlparameter der elektrischen Maschine basiert. Mit anderen Worten wird das von der elektrischen Maschine bereitzustellende bzw. bereitgestellte Drehmoment zur Überwachung der elektrischen Maschine auf einem Weg bestimmt, der sich von dem Weg unterscheidet, nach welchem das Drehmoment tatsächlich eingestellt wird.
Im Rahmen der vorgeschlagenen Überwachungsfunktionen bzw. dem vorgeschlagenen Verfahren zur Überwachung der elektrischen Maschine wird das Drehmoment sonach entweder basierend auf dem Strohmodell oder basierend auf dem Spannungsmodell bestimmt. Hierbei wird das entsprechende Modell in Abhängigkeit des Frequenzparameters bzw. des Drehzahlparameters der elektrischen Maschine ausgewählt, sodass letztlich basierend auf dem Frequenzparameter bzw. dem Drehzahlparameter der Betriebszustand der elektrischen Maschine charakterisiert wird und somit als Entscheidungsgrundlage dafür dient, ob das Strommodell oder das Spannungsmodell für die Bestimmung, insbesondere die Berechnung, des Drehmoments herangezogen werden soll.
Anschließend kann eine Maßnahme zur Überwachung der elektrischen Maschine basierend auf dem bestimmten Drehmoment durchgeführt werden. Dies kann in Abhängigkeit des bestimmten Drehmoments, insbesondere des Verhältnisses zwischen dem bestimmten Drehmoment und dem von der elektrischen Maschine bereitzustellenden bzw. bereitgestellten Drehmoment, unterschiedlich ausfallen. Insbesondere kann, falls das basierend auf dem Strommodell oder dem Spannungsmodell bestimmte Drehmomente dem Drehmoment entspricht, das von der elektrischen Maschine bereitgestellt werden soll bzw. bereitgestellt wird, die Funktion der elektrischen Maschine als in Ordnung befunden werden. Bei einer entsprechenden Abweichung zwischen dem bestimmten Drehmoment und dem Drehmoment, das von der elektrischen Maschine bereitgestellt werden soll, kann ein Fehler ausgegeben werden bzw. weitere Maßnahmen getroffen werden, die auf den Betrieb der elektrischen Maschine einwirken können. Insbesondere kann direkt in den Betrieb der elektrischen Maschine eingegriffen werden, diese kann im schlimmsten Fall stillgelegt werden, falls eine Abweichung auftritt, die auf eine Störung im Betrieb der elektrischen Maschine hindeutet, zum Beispiel um zu verhindern, dass ein falsches Drehmoment von der elektrischen Maschine erzeugt wird.
Durch die Auswahl des Strommodells oder des Spannungsmodells in Abhängigkeit der Drehzahl bzw. der Frequenz der elektrischen Maschine kann eine Überwachung der elektrischen Maschine, insbesondere eine Bestimmung des Drehmoments über den gesamten Drehzahlbereich und Drehmomentbereich gewährleistet bleiben. Insbesondere kann dabei dasjenige Modell ausgewählt werden, dass in dem aktuell vorliegenden Betriebszustand seine Stärken entfaltet, wobei die Schwächen des jeweiligen Modells durch den Einsatz des jeweils anderen Modells ausgeglichen werden können. Der konkrete Einsatz des Strommodells und des Spannungsmodells ist dabei letztlich beliebig wählbar. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das Spannungsmodell als bevorzugter Pfad zur Überwachung des Drehmoments bzw. des wenigstens einen Parameters der elektrischen Maschine eingesetzt wird. Wie nachfolgend noch beschrieben wird, kann das Strommodell dabei auf einem bestimmten Drehzahlbereich oder Frequenzbereich begrenzt bzw. beschränkt werden und im Übrigen Bereich oder in den übrigen Betriebszuständen kann das Spannungsmodell eingesetzt werden.
Durch den weitgehenden Einsatz des Spannungsmodells ergibt sich ein vergleichsweise wenig aufwändiges Verfahren mit einer reduzierten Anzahl an Fehlerquellen, da auch eine reduzierte Anzahl an Schnittstellen und Abhängigkeiten erforderlich ist. In Abhängigkeit von der konkreten elektrischen Maschine ergibt sich eine hohe Flexibilität in der Anwendung und Verwendung, da das vorgeschlagene Verfahren grundsätzlich für alle Drehfeldmaschinen allgemeingültig anwendbar ist. Das Strommodell kann zur Anpassung auf die konkret verwendete elektrische Maschine auf den Maschinentyp angepasst werden.
Mit anderen Worten wird somit vorgeschlagen, das Einstellen der Parameter der elektrischen Maschine, das insbesondere seitens einer Steuerungseinrichtung erfolgt, durch eine Überwachungsfunktionen zu überprüfen, wobei die Überwachungsfunktionen das Drehmoment auf einem alternativen Pfad bestimmt, wobei die Überwachungsfunktion basierend auf dem Strommodell oder auf dem Spannungsmodell ausgeführt wird. Das Strommodell oder das Spannungsmodell wird in Abhängigkeit des Frequenzparameters bzw. des Drehzahlparameters der elektrischen Maschine ausgewählt bzw. eingesetzt.
Mit anderen Worten wird in Abhängigkeit einer Drehmomentanforderung, beispielsweise einer entsprechenden Pedalbetätigung seitens eines Benutzers eines Kraftfahrzeugs, ein gewisses Drehmoment angefordert, das über eine zugehörige Funktion seitens einer Steuerungseinrichtung durch die elektrische Maschine bereitgestellt werden kann. Zur Überprüfung, ob das bereitgestellte bzw. bereitzustellende Drehmoment korrekt ist, wird eine Überwachungsfunktion eingesetzt, die das Drehmoment auf einem alternativen Pfad bestimmt. Letztlich wird somit in dem Verfahren zur Überwachung der elektrischen Maschine überprüft, ob zur Bereitstellung des angeforderten Drehmoments berechnete Ströme korrekt sind, die zum Beispiel durch einen Stromregler in die elektrische Maschine eingeprägt werden sollen, beispielsweise durch Einstellung der entsprechenden Spannungssignale, und ob somit das angeforderte Drehmoment korrekt berechnet und eingestellt werden kann.
Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Grenzwert, insbesondere eine Frequenzschwelle und/oder eine Drehzahlschwelle, definiert wird, wobei oberhalb des Grenzwerts das Drehmoment basierend auf dem Spannungsmodell und unterhalb des Grenzwerts basierend auf dem Strommodell bestimmt wird. Wie zuvor beschrieben, wird in der Überwachungsfunktion entschieden, ob das Spannungsmodell oder das Strommodell zur Bestimmung des Drehmoments verwendet werden soll. Nach dieser Ausgestaltung kann eine Frequenzschwelle bzw. eine Drehzahlschwelle definiert werden, sodass in Abhängigkeit der Frequenzschwelle bzw. der Drehzahlschwelle bzw. der aktuellen Frequenz oder Drehzahl entschieden werden kann, welches der beiden Modelle eingesetzt wird. Nach der Ausgestaltung wird unterhalb der definierten Drehzahlschwelle bzw. Frequenzschwelle das Strommodell eingesetzt und oberhalb der Frequenzschwelle bzw. Drehzahlschwelle kann das Spannungsmodell für die Bestimmung des Drehmoments eingesetzt werden. Der Fall, bei dem die aktuelle Drehzahl genau der Drehzahlschwelle bzw. die aktuelle Frequenz genau der Frequenzschwelle entspricht, kann beliebig zugeordnet werden bzw. kann die Zuordnung von der Auswahl oder Festlegung der Frequenzschwelle oder der Drehzahlschwelle abhängen. Insbesondere kann dieser Fall dem Spannungsmodell zugeordnet werden.
Dadurch wird erreicht, dass das Spannungsmodell bei vergleichsweise hohen Drehzahlen bzw. hohen Frequenzen der elektrischen Maschine eingesetzt werden kann, da das Spannungsmodell in derartigen Betriebszuständen gegenüber dem Strommodell Vorteile besitzt. Das Strommodell kann wiederum bei vergleichsweise niedrigen Drehzahlen, insbesondere im Bereich eines Stillstands der elektrischen Maschine, eingesetzt werden, da das Strommodell in derartigen Betriebszuständen gegenüber dem Spannungsmodell Vorteile besitzt. Letztlich wird dadurch erreicht, dass die Überwachungsfunktionen über den gesamten Drehzahlbereich bzw. Frequenzbereichen hinweg, also über alle Betriebszustände der elektrischen Maschine, verlässliche Ergebnisse liefern kann, ohne auf die spezifischen Vorteile bzw. Nachteile der einzelnen Modelle gebunden zu sein. Die einzelnen Modelle ergänzen sich in der vorgeschlagenen Überwachungsfunktionen, wobei die spezifischen Schwächen der Modelle in den entsprechenden Betriebszuständen ausgeglichen werden können. Insbesondere kann bei einem Betrieb der elektrischen Maschine oberhalb einer definierten Drehzahlschwelle eine Bestimmung des Drehmoments basierend auf dem Spannungsmodell erfolgen. Bei einem Wechsel des Betriebszustands, beispielsweise einem Abbremsen der elektrischen Maschine unterhalb der definierten Drehzahlschwelle, kann das Modell gewechselt werden und entsprechend das Drehmoment basierend auf dem Strommodell bestimmt werden. Ein umgekehrter Wechsel ist entsprechend ebenso möglich.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann der Grenzwert berechnet oder empirisch festgelegt werden. Letztlich ist es möglich, den Grenzwert basierend auf der individuellen elektrischen Maschine festzulegen bzw. den Grenzwert in Kenntnis der einzelnen Parameter der elektrischen Maschine zu berechnen. Ebenso ist es möglich, den Grenzwert empirisch festzulegen, beispielsweise durch Bestimmung des Grenzwerts an einer zuvor für technisch in Ordnung bzw. funktionsfähig befundenen elektrischen Maschine, die zu der zu überwachenden elektrischen Maschine baugleich oder ähnlich ist. Dadurch können die Parameter der überprüften elektrischen Maschine entsprechend übertragen werden, sodass der Grenzwert, also letztlich die Frequenzschwelle und/oder die Drehzahlschwelle auf die zu überprüfende bzw. überwachende elektrische Maschine übertragen werden können.
Dabei ist es insbesondere möglich, dass ein Grenzwert in einem Bereich von 10 % bis 20 % der Maximaldrehzahl oder der Maximalfrequenz der elektrischen Maschine festgelegt wird. Wie zuvor beschrieben, ist es möglich, den Grenzwert für jede konkrete elektrische Maschine individuell festzulegen. Nach dieser Ausgestaltung kann als Richtwert ein Grenzwert in einem Bereich von 10 % bis 20 % der Maximaldrehzahl festgelegt werden. Dadurch wird erreicht, dass unterhalb des Grenzwerts von 10 % bis 20 % das Strommodell für die Bestimmung des Drehmoments herangezogen wird und oberhalb des entsprechenden Grenzwerts das Spannungsmodell verwendet wird.
Für das Spannungsmodell können nach einer Ausgestaltung des Verfahrens die Spannungen gemessen werden oder basierend auf Steuersignalen, insbesondere PWM-Signalen, oder basierend auf einer Temperatur wenigstens eines Schaltelements bestimmt werden. Als Schaltelemente können beispielsweise Dioden oder IG-BTs verstanden werden. Da Spannungsmessungen in der Regel vergleichsweise aufwendig sind, insbesondere in elektrischen Maschinen für Traktionsanwendungen, in welchen die Phasenspannungen zwischen 0 und mehreren 100 V schwanken können, kann das Bestimmen der Spannungen basierend auf Steuersignalen eine Vereinfachung des Verfahrens bedeuten. Somit können die Steuersignale oder „dutycycles“ verwendet werden, die auch als PWM-Signale bezeichnet werden.
Ferner ist es bei dem Spannungsmodell möglich, eine Statortemperatur der elektrischen Maschine als Konstante festzulegen oder diese zu berechnen. Dies erlaubt, die Temperaturabhängigkeit des Statorwiderstands zu berechnen oder anzunähern bzw. diese durch Definition der Statortemperatur als Konstante anzunehmen. In Abhängigkeit von einer Anforderung an die Genauigkeit der elektrischen Maschine ist es daher möglich, eine Berechnung durchzuführen oder die Temperaturabhängigkeit als Konstante zu setzen. Dies ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass die Statortemperatur nicht als einzelnes Signal bestimmt werden muss und somit nicht den entsprechenden an ein Sicherheitskonzept gestellten Anforderungen unterliegen muss. Der Statorwiderstand (Rs) kann temperaturabhängig (R_ϑ) insbesondere basierend auf R_ϑ = R₂₀(1 + α₂₀Δϑ₂₀) bestimmt werden.
Wird das Drehmoment in dem beschriebenen Verfahren basierend auf dem Spannungsmodell bestimmt, ist es insbesondere möglich, für das Spannungsmodell einen Statorfluss (Ψ_S)der elektrischen Maschine zu berechnen. Dabei kann der Statorfluss der elektrischen Maschine basierend auf einem Gleichungssystem bestimmt werden, insbesondere gemäß: $U_{s α} = R_{s} I_{s α} + \frac{d Ψ_{s α}}{d t}$
$U_{s β} = R_{s} I_{s β} + \frac{d Ψ_{s β}}{d t}$
Schließlich kann nach dem Spannungsmodell die Berechnung des Drehmoments basierend auf den zuvor bezeichneten Größen bestimmt werden. Insbesondere kann für das Spannungsmodell das Drehmoment basierend auf $T r q_E 2 = \frac{3}{2} p_{z} (Ψ_{s α} I_{s β} - Ψ_{s β} I_{s α})$
berechnet werden. Die beschriebenen Gleichungen sind wiederum für sämtliche Drehfeldmaschinen allgemeingültig. Insgesamt sind vorteilhafterweise lediglich zwei Maschinenparameter für die Drehmomentbestimmung erforderlich. Dabei bezeichnet p_z die Polpaarzahl und Rs den Statorwiderstand.
Wird das Drehmoment basierend auf dem Strommodell bestimmt, können die Phasenströme allgemein basierend auf einer aß-Transformation bestimmt bzw. transformiert werden. Nachfolgend bezeichnet x eine allgemeine Größe, die beispielsweise für den Phasenstrom I_S stehen kann. Die Rechenvorschrift für die aß-Transformation der Phasenströme I_SUVW lautet dann: $[\begin{matrix} x_{α} \\ x_{β} \end{matrix}] = C [\begin{matrix} 0 & - \frac{1}{2} & - \frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & - \frac{\sqrt{3}}{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} x_{u} \\ x_{v} \\ x_{w} \end{matrix}]$
anschließend können die (sinusförmigen) Phasenströme (aß-Ströme) in dq-Koordinaten transformiert werden, d.h., zu dq-Gleichströmen transformiert werden. Hierbei steht wiederum x für den Phasenstrom Is bzw. I: $[\begin{matrix} x_{d} \\ x_{q} \end{matrix}] = \frac{2}{3} [\begin{matrix} cos ϑ_{s} (t) & sin ϑ_{s} (t) \\ - sin ϑ_{s} (t) & cos ϑ_{s} (t) \end{matrix}] [\begin{matrix} x_{α} \\ x_{β} \end{matrix}]$
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist es möglich, für das Strommodell die Induktivitäten der elektrischen Maschine und den Rotorfluss der elektrischen Maschine nachzuführen. Dabei können die Induktivitäten der elektrischen Maschine als Funktion der zuvor beschriebenen dq-Ströme nachgeführt werden. Dies kann basierend auf L_d = fkt (I_d, I_q) und L_q = fkt (I_d, I_q) für die Induktivitäten und Ψ_rd = fkt (I_d, I_q, TempR) für den Rotorfluss durchgeführt werden.
Da die Rotortemperatur TempR üblicherweise aufwendig zu messen ist, beispielsweise über einen Infrarotsensor bzw. eine Telemetrie-Messung, kann die Rotortemperatur genährt werden. Beispielsweise kann in erster Näherung die Rotortemperatur als Statortemperatur mit einem Offset berechnet werden. Dies kann beispielsweise basierend auf der Formel TempR = TempS + Offset durchgeführt werden. Anschließend kann für das Strommodell das Drehmoment basierend auf folgender Gleichung berechnet werden: $T r q_{C M} = \frac{3}{2} p z * (ψ_{r d} + (L_{d} - L_{q}) I_{d}) * I_{q}$
Daneben betrifft die Erfindung eine Steuerungseinrichtung für eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, wobei die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen bzw. auszuführen. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend eine solche Steuerungseinrichtung. Das Kraftfahrzeug kann sonach insbesondere eine elektrische Maschine aufweisen, die mit der Steuerungseinrichtung basierend auf dem zuvor beschriebenen Verfahren gesteuert bzw. überwacht werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 ein Blockdiagramm des Verfahrens zur Überwachung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine;
2 ein Blockdiagramm eines Strommodells des Verfahrens von 1;
3 ein Blockdiagramm eines Spannungsmodell des Verfahrens von 1; und
4 ein Blockdiagramm einer Frequenzdetektion des Verfahrens von 1.

1 zeigt ein Blockschaltbild des Verfahrens zur Überwachung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein, im Speziellen als Antriebseinrichtung für den zumindest teilweisen Antrieb des Kraftfahrzeugs. Durch das beschriebene Verfahren kann der wenigstens eine Parameter der elektrischen Maschine überwacht werden, beispielsweise kann ein Drehmoment bestimmt bzw. verifiziert wird werden.
Das Blockschaltbild in 1 zeigt somit, dass das Drehmoment basierend auf einem Strommodell oder einem Spannungsmodell bestimmt werden kann. In einem ersten Block 1 ist das Strommodell dargestellt und in einem zweiten Block 2 ist das Spannungsmodell dargestellt. In Abhängigkeit eines in einem dritten Block 3 für eine Frequenzbestimmung ermittelten Ergebnisses, kann das Drehmoment anschließend entweder basierend auf dem Strommodell nach Block 1 oder dem Spannungsmodell nach Block 2 bestimmt werden, wie nachfolgend beschrieben wird. Anschließend wird in einem Block 4 das Drehmoment bestimmt. In Abhängigkeit des Ergebnisses des Drehmoments, insbesondere in Bezug auf das mittels der elektrischen Maschine eingestellten Drehmoments, kann ein Überprüfungsergebnis ausgegeben bzw. eine Maßnahme zur Überwachung durchgeführt werden. Insbesondere kann ein Fehler ausgegeben werden bzw. in die Steuerung der elektrischen Maschine eingegriffen werden, falls eine Abweichung zwischen dem bestimmten Drehmoment und dem eingestellten Drehmoment auftritt.
2 zeigt Block 1 von 1 in einer detaillierten Darstellung. Ersichtlich werden dem Block 1, also für die Bestimmung des Drehmoments nach dem Strommodell der Rotorwinkel Theta_r, die Ströme I_{S_UVW} und die Statortemperatur TempStator zugeführt. In einem Block 5 können die Ströme I_{S_UVW} transformiert werden, insbesondere gemäß: $[\begin{matrix} x_{α} \\ x_{β} \end{matrix}] = \frac{2}{3} [\begin{matrix} 0 & - \frac{1}{2} & - \frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & - \frac{\sqrt{3}}{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} x_{u} \\ x_{v} \\ x_{w} \end{matrix}]$
Hierbei steht x jeweils für die entsprechende Komponente des Phasenstroms. Anschließend können in einem Block 6 die Phasenströme weiter in dq- Koordinaten transformiert werden, insbesondere gemäß Gleichung $[\begin{matrix} x_{d} \\ x_{q} \end{matrix}] = \frac{2}{3} [\begin{matrix} cos ϑ_{s} (t) & sin ϑ_{s} (t) \\ - sin ϑ_{s} (t) & cos ϑ_{s} (t) \end{matrix}] [\begin{matrix} x_{α} \\ x_{β} \end{matrix}]$
Hierbei bezeichnet x wiederum die jeweiligen Komponenten des Phasenstroms. Der Rotorflusswinkel wird mit ϑr(t) bezeichnet.
Ersichtlich können die Werte des Stroms in dq-Koordinaten weiter an einen Block 7 geleitet werden, in dem die Bestimmung des Drehmoments durchgeführt werden kann. Ferner kann in einem Block 8 eine Adaption der Parameter, beispielsweise der Induktivitäten L_d, L_q der elektrischen Maschine und des Rotorflusses Ψ_rd vorgenommen werden. Die Parameteradaption in Block 8 wird insbesondere basierend auf den Gleichungen L_d = fkt (I_d, I_q), L_q = fkt (I_d, I_q) und Ψ_rd = fkt (I_d,I_q,TempR) ausgeführt.
Die Rotortemperatur ist dabei üblicherweise aufwendig zu messen. Dies kann entweder über einen Infrarotsensor oder eine Telemetrie-Messung vorgenommen werden. Andernfalls kann die Rotortemperatur auch angenähert werden. Beispielsweise ist es möglich, die Rotortemperatur in Abhängigkeit von der Statortemperatur zu bestimmen. Diese kann insbesondere basierend auf der Gleichung TempR = TempS + Offset angenähert werden, d.h. aus der Statortemperatur unter Berücksichtigung eines Offsets. Die in Block 8 angepassten Parameter können anschließend ebenfalls dem Block 7 zugeführt werden, sodass die Drehmomentberechnung erfolgen kann. Die Drehmomentberechnung in Block 7 basiert insbesondere auf der Gleichung $T r q_{C M} = \frac{3}{2} p z * (ψ_{r d} + (L_{d} - L_{q}) I_{d}) * I_{q},$
in die die zuvor beschriebenen Werte einfließen, wobei pz die Polpaarzahl beschreibt.
3 zeigt die Bestimmung des Drehmoments gemäß des Spannungsmodells. Da Spannungsmessungen in der Regel aufwendig sind, insbesondere in Bezug auf Traktionsanwendungen, beispielsweise wenn die elektrische Maschine eine Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs darstellt, da dann Phasenspannungen zwischen 0 und mehreren 100 V betragen können. Alternativ zu einer direkten Messung der Spannung kann ein an Steuersignal für die elektrische Maschine verwendet werden, beispielsweise in Form von sogenannten PWM-Signalen bzw. „duty cycles“. Ist nur eine vergleichsweise reduzierte Genauigkeit in der Bestimmung der Spannung gefordert, ist es ebenso möglich, die Temperatur von Schaltelementen, beispielsweise IG-BTs oder Dioden heranzuziehen. Die Spannungsbestimmung kann dabei in einem Block 9 durchgeführt werden. Dazu kann dem Block 9 der entsprechende Wert zugeführt werden, beispielsweise die PWM-Signale PWMuvw bzw. die Phasenströme I_SUVW. Die ermittelten bzw. bestimmten Spannungen U_sα und U_sβ können anschließend von dem Block 9 an einen Block 10 geleitet werden, in dem anschließend die Statorflussberechnung durchgeführt wird. Dies wird nachfolgend beschrieben.
Die Phasenströme I_SUVW können ferner einem Block 11 zugeführt werden, in dem eine Transformation in αβ-Korrdinaten also in die Phasenströme I_α, I_β durchgeführt wird. Zusätzlich kann dem Block 2 aus 3 entnommen werden, dass in einem Block 12 eine Berechnung des Statorwiderstands Rs durchgeführt werden kann. Hier kann wiederum in Abhängigkeit von einer Genauigkeitsanforderung bzw. Maschinenauslegung unterschieden werden, ob der Statorwiderstand berechnet werden soll oder, insbesondere bei geringerer Genauigkeitsanforderung, als Konstante definiert werden soll. Soll der Statorwiderstand berechnet werden, kann dies über die Gleichung R_ϑ = R₂₀(1 + α₂₀Δϑ₂₀) durchgeführt werden.
Die zuvor beschriebenen Phasenströme I_α, I_β, der Statorwiderstand Rs und die Spannungen U_sα und U_sβ können entsprechend dem Block 10 zugeführt werden, in dem der Statorfluss berechnet werden kann. Der Statorfluss kann dabei insbesondere basierend auf dem Gleichungssystem $U_{s α} = R_{s} I_{s α} + \frac{d Ψ_{s α}}{d t}$
$U_{s β} = R_{s} I_{s β} + \frac{d Ψ_{s β}}{d t}$
berechnet werden. Anschließend können die jeweiligen Komponenten des Statorflusses zur Drehmomentberechnung von Block 10 an einen Block 13 übergeben werden, in dem die Drehmomentberechnung gemäß $T r q_E 2 = \frac{3}{2} p_{z} (Ψ_{s α} I_{s β} - Ψ_{s β} I_{s α})$
erfolgt. Der Parameter p_z bezeichnet hierbei wiederum die Polpaarzahl. Somit kann die Berechnung des Drehmoments auf sämtliche Drehfeldmaschinen angewendet werden. Hierbei werden lediglich zwei Maschinenparameter für die Drehmomentbestimmung benötigt, nämlich die Polpaarzahl und der Statorwiderstand.
In 4 ist Block 3 von 1 detailliert dargestellt. Dieser betrifft die Frequenzdetektion bzw. die Festlegung oder Entscheidung, ob die Bestimmung des Drehmoments in dem Verfahren gemäß 1 basierend auf dem Strommodell oder dem Spannungsmodell durchgeführt werden soll, also ob das Verfahren gemäß Block 1 oder Block 2 verwendet werden soll, um das Drehmoment zu berechnen. Entsprechend liefert Block 3 einen Frequenzparameter bzw. einen Drehzahlparameter an Block 4, der als Entscheidungsgrundlage dafür herangezogen werden kann, wie das Drehmoment im aktuellen Zustand der elektrischen Maschine bestimmt werden soll. Selbstverständlich kann dies für verschiedene Betriebszustände geändert werden, sodass beispielsweise in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl bzw. Frequenz der elektrischen Maschine eine entsprechende Bewertung und Entscheidung erfolgen kann.
Dem Block 3 können dazu die Phasenströme I_SUVW zugeführt werden, die in Block 14 in aß-Koordinaten transformiert werden können. Anschließend können die transformierten Phasenströme Block 15 zugeführt werden, in dem eine Polartransformation ausgeführt werden kann. In Block 15 ergibt sich daher aus den sinusförmigen Strömen in αβ-Koordinaten eine Amplitude I_S und ein Winkel ϑi nach $I_{s} = \sqrt{I_{s α}^{2} + I_{s β}^{2}}$
und $ϑ i = atan (\frac{I_{s β}}{I_{s α}})$
Daraus ergibt sich der Frequenzparameter, der an Block 4 übergeben werden kann, beispielsweise in Block 16 berechnet gemäß $ω_{s} = \frac{d ϑ_{i}}{dt} .$
In Bezug auf die Frequenzdetektion wurde ein mögliches Ausführungsbeispiel beschrieben. Es sind weitere Ansätze möglich, den Frequenzparameter zu bestimmen, beispielsweise nach einem sogenannten PLL-Ansatz (Phase-Locked-Loop). Ferner können die PWM-Signale bzw. gemessenen Spannungen für die Berechnungen herangezogen werden. Des Weiteren ist es möglich, die ermittelte Kreisfrequenz in eine zugehörige Drehzahl der elektrischen Maschine umzurechnen, sodass das Verfahren in Abhängigkeit von der Drehzahl gesteuert werden kann.
Ersichtlich ist es somit möglich, einen Grenzwert für den Frequenzparameter festzulegen, beispielsweise eine Drehzahlschwelle oder eine Frequenzschwelle. In Abhängigkeit des Frequenzparameters kann folglich das Drehmoment zur Überwachung der elektrischen Maschine entweder basierend auf dem Strommodell oder basierend auf dem Spannungsmodell bestimmt werden. Alternativ ist es ebenso möglich, einen Grenzwert für den Frequenzparameter zu definieren, beispielsweise in einem Bereich von 10 % bis 20 % der maximalen Drehzahl der elektrischen Maschine.
Bezugszeichenliste

1-16: Block

Claims

Verfahren zur Überwachung wenigstens eines Parameters einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine für ein Kraftfahrzeug, wobei zur Überwachung der elektrischen Maschine ein Drehmoment bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment in Abhängigkeit wenigstens eines bestimmten Frequenzparameters der elektrischen Maschine und/oder eines bestimmten Drehzahlparameters der elektrischen Maschine entweder basierend auf einem Strommodell oder basierend auf einem Spannungsmodell bestimmt, insbesondere berechnet, wird, wobei basierend auf dem bestimmten Drehmoment wenigstens eine Maßnahme zur Überwachung der elektrischen Maschine durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grenzwert, insbesondere eine Frequenzschwelle und/oder eine Drehzahlschwelle, definiert wird, wobei oberhalb des Grenzwerts das Drehmoment basierend auf dem Spannungsmodell und unterhalb des Grenzwerts basierend auf dem Strommodell bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert berechnet oder empirisch festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grenzwert in einem Bereich von 10% - 20% der Maximaldrehzahl oder der Maximalfrequenz der elektrischen Maschine festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Spannungsmodell die Spannungen gemessen werden oder basierend auf Ansteuersignalen, insbesondere PWM-Signalen, oder basierend auf einer Temperatur wenigstens eines Schaltelements bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Spannungsmodell eine Statortemperatur der elektrischen Maschine als Konstante festgelegt wird oder eine Statortemperatur berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Spannungsmodell ein Statorfluss der elektrischen Maschine basierend auf: $U_{s α} = R_{s} I_{s α} + \frac{d Ψ_{s α}}{d t}$
$U_{s β} = R_{s} I_{s β} + \frac{d Ψ_{s β}}{d t}$
berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Spannungsmodell das Drehmoment basierend auf $T r q_E 2 = \frac{3}{2} p_{z} (Ψ_{s α} I_{s β} - Ψ_{s β} I_{s α})$
berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Strommodell die Induktivitäten der elektrischen Maschine und der Rotorfluss der elektrischen Maschine basierend auf $L_{d} = fkt (l_{d}, l_{q}),$
$L_{q} = fkt (l_{d}, l_{q}),$
$Ψ_{r d} = fkt (ld, lq, TempR)$
nachgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich-3 net, dass für das Strommodell das Drehmoment basierend auf $T r q_{C M} = \frac{3}{2} p z * (Ψ_{r d} + (L_{d} - L_{q}) I_{d}) * I_{q}$
berechnet wird.
Steuerungseinrichtung für eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
Kraftfahrzeug, umfassend eine Steuerungseinrichtung nach dem vorangehenden Anspruch.