Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer elektrischen Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Hintergrund der Erfindung

Zum Bestimmen von Temperaturen in elektrischen Maschinen, etwa zum Bestimmen einer Statortemperatur, können Temperatursensoren in der Statorwicklung der elektrischen Maschine angeordnet werden. Eine derartige Temperaturbestimmung bietet eine gute Abbildung von Alterung, Initialisierung sowie Wärmeeintrag in einen Rotor der elektrischen Maschine.

Beispielsweise können bei einer verteilten Statorwicklung Spulen über mehrere Zahnpole hinweg in Statornuten eingebracht werden, wobei Strangwicklungen ineinander verschachtelt sein können. Bei einer derartigen verteilten Statorwicklung kann ein Temperatursensor beispielsweise in ein Kupferpaket gesteckt und mit Harz überklebt werden. Somit kann ein guter Wärmeübergang zwischen Wicklung und Sensor gewährleistet werden und eine nachträgliche Bearbeitung des Sensorsignals ist nicht notwendig.

Im Gegensatz dazu können Statorwicklung auch gemäß einer sog. Ll-Pin- oder I- Pin-Wicklungstechnik hergestellt werden, wobei U-förmige bzw. geradlinige Kupferflachdrähte als Steckspulen in Statornuten eines Blechpakets eingefügt werden (sog. Steckwicklung). Bei einer derartigen Steckwicklung kann ein entsprechender Temperatursensor oftmals nicht von der Wicklung umschlossen werden, sondern wird mit Hilfe eines Sensorhalters platziert. Ein derartiger Sensorhalter kann das Sensorsignal verzerren und zusätzlich Störungen auf den Sensor erzeugen. Diese Störungen können zum Beispiel durch Luftverwirbelung oder umherfliegendes Öl ausgelöst werden. Eine korrekturfreie Erfassung des Sensorsignals kann dann oftmals nicht mehr möglich sein.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Das Bestimmen der Temperatur der elektrischen Maschine, insbesondere einer Temperatur eines Stators der elektrischen Maschine, erfolgt mit Hilfe eines Temperatursensors, welcher zweckmäßigerweise an oder in dem Stator der elektrischen Maschine angeordnet ist. Beispielsweise kann der Temperatursensor als ein Thermistor ausgebildet sein, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur verändert, insbesondere als ein Heißleiter-Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC-Thermistor), welcher in einem heißen Zustand elektrisch besser leitet als in einem kalten Zustand.

Mit Hilfe des Temperatursensors wird ein Temperatursensorsignal erfasst, d.h. ein zeitlicher Verlauf von Temperaturmesswerten. Dieses Temperatursensorsignal wird als Eingangssignal einer drehzahlabhängigen Übertragungsfunktion mit einem Proportional-Differenzial-Anteil mit Verzögerung 1. Ordnung zugeführt, insbesondere einem PDTi-Glied, um ein Temperatursignal der elektrischen Maschine zu erhalten. Insbesondere ist ein den Proportionalanteil kennzeichnender Verstärkungsfaktor der Übertragungsfunktion drehzahlabhängig. Alternativ oder zusätzlich können auch eine den Differenzialanteil kennzeichnender Vorhaltzeit und/oder eine die Verzögerung 1. Ordnung kennzeichnende Verzögerungszeit drehzahlabhängig sein. Als Ausgangssignal der drehzahlabhängigen Übertragungsfunktion wird ein Temperatursignal erhalten, d.h. ein zeitlicher Verlauf von Temperaturwerten. Aus dem Temperatursignal wird die Temperatur der elektrischen Maschine bestimmt, insbesondere aus dem jeweils aktuellsten Temperaturwert.

Die drehzahlabhängige Übertragungsfunktion mit Proportional-Differenzial-Anteil mit Verzögerung 1. Ordnung kann mittels eines PDTi-Filters bzw. PDTi-Glieds implementiert werden, welcher bzw. welches in der Regelungstechnik ein allgemeines rationales Element erster Ordnung darstellt. Die Verwendung eines derartigen drehzahlabhängigen PDTi-Filters ermöglicht eine hochgenaue Korrektur des Sensorsignals, um etwaige Verzerrungen, Störungen oder Abweichungen ausgleichen zu können. Somit kann die Statortemperatur beispielsweise auch dann präzise und zuverlässig bestimmt werden, wenn der Temperatursensor nicht direkt in die Statorwicklung gesteckt und von dieser umschlossen werden kann, sondern etwa mit Hilfe eines Sensorhalters an bzw. in der Statorwicklung angeordnet wird. Verzerrungen und Störungen durch einen derartigen Sensorhalter sowie Störungen durch Luftverwirbelungen oder umherfliegendes Öl können mit Hilfe des PDTi-Filters korrigiert und ausgeglichen werden. Abweichung zwischen der mittels des Temperatursensors erfassten Temperatur und der in der Statorwicklung tatsächlich herrschenden Maximaltemperatur (Hotspot) können mit Hilfe des drehzahlabhängigen PDTi-Filters reduziert oder minimiert werden. Auch können bauliche Vorteile ausgenutzt werden, z.B. Platzierung des Sensors in der Nähe des Hotspots.

Durch die Drehzahlabhängigkeit der Übertragungsfunktion bzw. durch eine Drehzahlabhängigkeit einzelner Parameter der Übertragungsfunktion können beispielsweise eine Kühlluft bzw. eine Lüfterfunktion berücksichtigt werden. Beispielsweise können Lüftungsschlitze im Rotor dazu genutzt werden, Luft zwischen den beiden Wickelkopfbereichen der elektrischen Maschine auszutauschen. Dadurch kann eine drehzahlabhängige Kühlfunktion entstehen, welche durch die Übertragungsfunktion berücksichtig werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform ist ein den Proportionalanteil kennzeichnender Verstärkungsfaktor der drehzahlabhängigen Übertragungsfunktion abhängig von der Drehzahl der elektrischen Maschine, insbesondere abhängig von einem drehzahlabhängigen Polynom, ferner insbesondere abhängig von einem drehzahlabhängigen Polynom 2. Ordnung. Der Verstärkungsfaktor kann während des Betriebs der elektrischen Maschine abhängig von dem aktuellen Drehzahlwert beispielsweise direkt mittels mathematischer Formeln berechnet werden oder mit Hilfe einer Kennlinie bzw. eines Kennfeldes abgelesen werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Verstärkungsfaktor abhängig von einer Sensortemperatur und/oder von einer Kühlfluidtemperatur. Als Sensortemperatur ist insbesondere der aktuelle mit Hilfe des Temperatursensors erfasste Temperaturwert zu verstehen. Als Kühlfluidtemperatur ist insbesondere die aktuelle Temperatur bzw. der aktuelle Temperaturwert des zur Kühlung der elektrischen Maschine verwendeten Kühlfluids, z.B. einer Kühlflüssigkeit oder Kühlluft, insbesondere im Zulauf bzw. Vorlauf zu verstehen.

Gemäß einer Ausführungsform sind eine den Differenzialanteil kennzeichnende Vorhaltzeit bzw. Differenzialzeitkonstante und/oder eine die Verzögerung 1. Ordnung kennzeichnende Verzögerungszeit bzw. Verzögerungszeitkonstante der drehzahlabhängige Übertragungsfunktion drehzahlabhängig. Diese Drehzahlabhängigkeit erlaubt es beispielsweise, vorab eine Kennlinie bzw. ein Kennfeld vorzugeben, anhand welcher bzw. anhand welchem der aktuelle Wert für die Vorhaltzeit und die Verzögerungszeit während des Betriebs abgelesen werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform werden die Vorhaltzeit und/oder die Verzögerungszeit jeweils mit Hilfe einer drehzahlabhängigen Kennlinie bestimmt. Die aktuellen Werte für diese Zeitkonstanten können somit auf aufwandsarme Weise abhängig von der aktuellen Drehzahl abgelesen werden. Als Kennlinie kann beispielsweise eine Polynomfunktion bestimmter Ordnung, z.B. 1. oder 2. Ordnung, vorgegeben werden. Auch eine Ermittlung von geeigneten Kennlinien durch versuche ist möglich.

Gemäß einer Ausführungsform wird das Bestimmen des Temperatursignals als Ausgangssignal der drehzahlabhängigen Übertragungsfunktion abhängig von der folgenden Formel durchgeführt: ?! * y + y = K * (u + T _D * ü)

Dabei ist mit u=u(t) das zeitabhängige Temperatursensorsignal bezeichnet. Demgemäß ist ü = du jät die erste zeitliche Ableitung des Temperatursensorsignals. Ferner ist y=y(t) das zeitabhängige Temperatursignal und entsprechend ist y = y/ t die erste zeitliche Ableitung des Temperatursignals. Der Verstärkungsfaktor ist mit K bezeichnet, die Vorhaltzeit bzw. Differenzialzeitkonstante mit T _D und die Verzögerungszeit bzw. Verzögerungszeitkonstante mit h.

Gemäß einer Ausführungsform wird der Verstärkungsfaktor K gemäß der folgenden Formel bestimmt:

Dabei ist die Sensortemperatur mit Ts _ensor bezeichnet, die Kühlfluidtemperatur mit Tpiuid und das drehzahlabhängige Polynom mit?. Der Verstärkungsfaktor kann somit auf einfache und rechnerisch aufwandsarme Weise während des Betriebs der elektrischen Maschine berechnet werden.

Das drehzahlabhängige Polynom P wird insbesondere bestimmt gemäß der Formel:

P = a ₂ * n ² + cii * ⁿ + ⁿ o

Die Drehzahl der elektrischen Maschine ist dabei mit n bezeichnet. Mit a ₂ , ai und n ₀ sind vorgegebene Konstanten bezeichnet. Das Polynom P lässt sich somit auf rechnerisch aufwandsarme Weise während des Betriebs der elektrischen Maschine berechnen.

Gemäß einer Ausführungsform weist die elektrische Maschine eine Steckwicklung als Statorwicklung, insbesondere gemäß einer ll-Pin- oder I-Pin-Wicklungs- technik auf. Eine Temperatur der Steckwicklung wird aus dem Temperatursignal bestimmt. Auch wenn der Temperatursensor beispielsweise nicht in eine derartigen Steckwicklung gesteckt und von dieser umschlossen werden kann, was zu Störungen, Verzerrungen und Abweichungen in dem Sensorsignal führen kann, kann mit Hilfe der drehzahlabhängigen Übertragungsfunktion dennoch die Temperatur der Statorwicklung präzise und zuverlässig bestimmt werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Temperatursensor an bzw. in der Steckwicklung angeordnet, insbesondere mit Hilfe eines Sensorhalters. Der Temperatursensor kann mit Hilfe des Sensorhalters flexibel an einer zweckmäßigen, konstruktiv einfach zu realisierenden Stelle an dem Stator angeordnet werden, ohne dabei auf die spätere Temperaturmessung Rücksicht nehmen zu müssen. Durch Verwendung des PDTi-Filters kann die Temperatur des Stators präzise bestimmt werden, unabhängig von der Position, an welcher der Temperatursensor mittels des Sensorhalters relativ zu dem Stator angeordnet ist.

Das vorliegende Verfahren eignet sich insbesondere zur Anwendung im Fahrzeugbereich, z.B. in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Mit Hilfe des Verfahrens lässt sich die Temperatur der elektrischen Maschine präzise bestimmen und beispielsweise im Zuge einer Motorsteuerung verwenden.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash- Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN- Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine, die einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Grunde liegen kann.

Figur 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.

Figur 3 zeigt schematisch Temperatur-Zeit-Diagramm, das im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann.

Figur 4 zeigt schematisch ein Temperatur-Zeit-Diagramm, das im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1a ist eine elektrische Maschine in einer schematischen Schnittansicht dargestellt und mit 100 bezeichnet. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 100 in einem Fahrzeug verwendet werden, z.B. in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug.

Die elektrische Maschine 100 weist einen Rotor 110 auf mit einem auf einer Rotorwelle 111 angeordneten Rotorkörper 112 sowie einen den Rotor 110 umgebenden Stator 120. Der Stator weist einen Statorkörper 121 auf, z.B. ein Blechpaket, in welcher eine Statorwicklung 122 angeordnet ist. Die Statorwicklung 122 steht zu beiden axialen Seiten des Statorkörpers 121 über und bildet dort jeweils einen Wickelkopf 123, 124.

Ein Kühlsystem 140 ist vorgesehen, um ein Kühlfluid, z.B. eine Kühlflüssigkeit wie Öl, durch einen Innenraum der elektrischen Maschine 100 zur Kühlung des Stators 120 zu fördern. Ein Steuergerät 150, z.B. ein Motorsteuergerät des Fahrzeugs, ist zum Steuern der elektrischen Maschine 100 vorgesehen.

Die Statorwicklung 122 kann beispielsweise eine Steckwicklung basierend auf einer ll-Pin Wicklungstechnik sein, wobei U-förmige Kupferflachdrähte als Steckspulen in Statornuten des Statorkörpers 121 eingefügt sind. Der in Figur 1 links dargestellte Wickelkopf 123 wird beispielsweise durch die gebogenen, geschlossenen Enden der U-förmigen Drähte gebildet. Der rechts dargestellte Wickelkopf 124 wird beispielsweise durch die offenen Enden der U-förmigen Drähte gebildet, welche miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

An dem rechts dargestellten Wickelkopf 124 ist ein Temperatursensor 130 angeordnet zur Bestimmung einer Temperatur der elektrischen Maschine, insbesondere zur Bestimmung einer Temperatur des Stators 120. Der Temperatursensor 130 ist beispielsweise mit Hilfe eines Sensorhalters 131 an der Statorwicklung 122 angeordnet und kann als ein Heißleiter-Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC-Thermistor) ausgebildet sein.

Figur 1b zeigt einen Ausschnitt A des Wickelkopfs 124 in einer schematischen perspektivischen Ansicht.

Wie in Figur 1 b angedeutet, kann der Temperatursensor 130, bevorzugt mit Hilfe eines nicht dargestellten Sensorhalters 131 , konstruktiv bedingt nicht notwendigerweise an einer Stelle bzw. einem Hotspot 161 angeordnet werden, an welcher bzw. an welchem während des Betriebs der elektrischen Maschine 100 eine Maximaltemperatur in der Statorwicklung 122 herrscht. Mittels des Temperatursensors 130 kann die Temperatur gegebenenfalls nur an einer Stelle 162 gemessen werden, an welcher eine geringere Temperatur als an dem Hotspot 161 herrscht. Somit kann es zu Abweichungen zwischen der von dem Temperatursensor 130 erfassten Temperatur und der Maximaltemperatur der Statorwicklung 122 kommen. Ferner kann das Sensorsignal des Sensors 130 bspw. durch einen Sensorhalter verzerrt werden und es können Störungen des Sensorsignals durch Luftverwirbelung oder umherfliegendes Öl auftreten.

Um die Temperatur des Stators 120 dennoch präzise bestimmen zu können und um derartige Abweichungen, Verzerrungen und Störungen auszugleichen, ist das Steuergerät 150, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wie nachfolgend in Bezug auf Figur 2 erläutert wird.

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als ein schematisches Blockdiagramm.

In Schritt 210 erfasst das Steuergerät 150 ein Temperatursensorsignal mit Hilfe des Temperatursensors 130. In Schritt 220 wird das Temperatursensorsignal als Eingangssignal einer drehzahlabhängigen Übertragungsfunktion mit einem Pro- portional-Differenzial-Anteil mit Verzögerung 1. Ordnung, insbesondere einem entsprechenden PDTi-Filter zugeführt. In Schritt 230 wird das Temperatursensorsignal mit Hilfe des PDTi-Filters korrigiert und es wird ein Temperatursignal als Ausgangssignal der drehzahlabhängigen Übertragungsfunktion bzw. des PDTi- Filters bestimmt. In Schritt 240 wird aus dem Temperatursignal eine Temperatur der elektrischen Maschine 100 bzw. des Stators 120 bestimmt. Beispielsweise wird der jeweils aktuellsten Temperaturwert des Temperatursignals als aktuelle Temperatur der Steckwicklung 122 bestimmt.

Das Bestimmen des Temperatursignals mit Hilfe einer drehzahlabhängigen Übertragungsfunktion bzw. des PDTi-Filters kann, wie oben beschrieben, erfolgen gemäß:

?! * y + y = K * (u + T _D * ü) Dabei ist mit u=u(t) das zeitabhängige Temperatursensorsignal bezeichnet, mit y=y(t) das zeitabhängige Temperatursignal, mit K ein den Proportionalteil kennzeichnender Verstärkungsfaktor, mit TD eine den Differenzialteil kennzeichnende Vorhaltzeit bzw. Differenzialzeitkonstante und mit Ti eine die Verzögerung 1. Ordnung kennzeichnende Verzögerungszeit bzw. Verzögerungszeitkonstante.

Obige Gleichung kann mit Hilfe des Euler-Verfahrens bzw. des Rückwärts-Euler- Verfahrens wie folgt diskretisiert werden:

Dabei ist mit u _n =u(t _n ) ein aktueller Wert des Temperatursensorsignals bezeichnet, welcher zu einem Zeitpunkt t _n erfasst wird, und mit u _n .i=u(t _n .i) ein vorheriger Wert des Temperatursensorsignals, welcher zu einem vorherigen Zeitpunkt t _n .i erfasst wurde. Diese beiden Zeitpunkte t _n und t _n .i definieren das Zeitintervall Ar. Entsprechend bezeichnet y _n =y(t _n ) einen aktuellen Wert des Temperatursignals zum Zeitpunkt t _n und y _n .!=y(t _n -i) ein vorheriger Wert des Temperatursignals zum Zeitpunkt tn-l-

Der Verstärkungsfaktor K ist, wie oben erläutert, insbesondere abhängig von einer Sensortemperatur Ts _ensor , insbesondere einem aktuell mit Hilfe des Temperatursensors 130 erfassten Temperaturwert, von einer Kühlfluidtemperatur Tpud, insbesondere einer aktuellen Temperatur des Kühlfluids des Kühlsystems 140, und von einem drehzahlabhängigen Polynom P, ebenfalls wie oben bereits dargestellt.

Die Verwendung der drehzahlabhängigen Übertragungsfunktion bzw. des drehzahlabhängigen PDTi-Filters ermöglicht es, Verzerrungen, Störungen und Abweichungen des Temperatursensorsignals auszugleichen und die Maximaltemperatur der Statorwicklung 122 an dem Hotspot 161 präzise und zuverlässig zu bestimmen, wie nachfolgend anhand der Figuren 3 und 4 erläutert wird. Figur 3 zeigt schematisch ein Temperatur-Zeit-Diagramm 300. Kurve 310 repräsentiert einen zeitlichen Verlauf der Maximaltemperatur der Statorwicklung 122 an dem Hotspot 161. Kurve 320 repräsentiert die mit Hilfe des Sensors 130 erfassten Temperaturverlauf Tsensor an der Position 162. Wie in Figur 3 zu erkennen ist, kann sich die durch den Sensor 130 erfasste Temperatur 320 von der Maximaltemperatur 310 um eine dynamischen Abweichung 331 oder um eine statische Abweichung 332 unterscheiden.

Figur 4 zeigt schematisch ein Temperatur-Zeit-Diagramm 300, wobei Kurve 410 den zeitlichen Verlauf der Maximaltemperatur der Statorwicklung 122 an dem Hotspot 161 repräsentiert. Kurve 420 repräsentiert das Temperatursensorsignal u, das von dem Sensor 130 erfasst und mit Hilfe des drehzahlabhängigen PDTi- Filters korrigiert wird. Kurve 430 repräsentiert das mit Hilfe des drehzahlabhängigen PDTi-Filters korrigierte Temperatursignal y. Wie zu erkennen ist, weicht das Temperatursensorsignal 420 von der tatsächlichen Maximaltemperatur 410 in der Statorwicklung ab. Das korrigierte Temperatursignal 430 bildet die Maximaltemperatur 410 hingegen präzise ab.