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    电动 马达 定子 绕组 温度 估计 系统 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110122349.9

    申请日:

    2011.05.12

    公开号:

    CN102255435A

    公开日:

    2011.11.23

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H02K 11/00申请日:20110512|||公开
    IPC分类号: H02K11/00; G01K13/00 主分类号: H02K11/00
    申请人: 通用汽车环球科技运作有限责任公司
    发明人: C-C. 叶; S. E. 舒尔茨
    地址: 美国密执安州
    优先权: 2010.05.12 US 12/778733
    专利代理机构: 中国专利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 薛峰;谭祐祥
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110122349.9

    授权公告号:

    102255435B||||||

    法律状态公告日:

    2014.03.12|||2012.01.04|||2011.11.23

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明涉及电动马达定子绕组温度估计系统和方法。具体地,电动马达系统包括:电动马达,其包括具有绕组的定子和配置成以马达速度操作的转子;冷却系统,其包括配置成冷却所述转子和所述定子的冷却剂,所述冷却剂具有冷却剂流速和冷却剂温度;逆变器???,其联接到所述电动马达并配置成基于逆变器控制信号提供电流到所述绕组;电流调节扭矩控制器,其联接到所述逆变器??椴⑴渲贸上煊τ诮档偷呐ぞ刂噶畈瞿姹淦骺刂菩藕?;以及温度估计控制器,其联接到所述电流调节扭矩控制器并配置成基于初始扭矩指令和估计的定子绕组温度产生所述降低的扭矩指令。温度估计控制器配置成基于所述马达速度和所述冷却剂流速估计所述估计的定子绕组温度。

    权利要求书

    1.一种电动马达系统,包括:电动马达,其包括具有绕组的定子和配置成以马达速度操作的转子;冷却系统,其包括配置成冷却所述转子和所述定子的冷却剂,所述冷却剂具有冷却剂流速和冷却剂温度;逆变器???,其联接到所述电动马达并配置成基于逆变器控制信号提供电流到所述绕组;电流调节扭矩控制器,其联接到所述逆变器??椴⑴渲贸上煊τ诮档偷呐ぞ刂噶畈瞿姹淦骺刂菩藕?;以及温度估计控制器,其联接到所述电流调节扭矩控制器并配置成基于初始扭矩指令和估计的定子绕组温度产生所述降低的扭矩指令,所述温度估计控制器配置成基于所述马达速度和所述冷却剂流速来估计所述估计的定子绕组温度。2.根据权利要求1所述的电动马达系统,其中,所述温度估计控制器配置成将所述马达速度与阈值马达速度相比较,所述温度估计控制器进一步配置成:当所述马达速度等于或大于所述阈值马达速度时,将所述定子绕组温度估计为高速定子绕组温度,并且当所述马达速度低于所述阈值马达速度时,将所述定子绕组温度估计为低速定子绕组温度。3.根据权利要求2所述的电动马达系统,其中,当所述马达速度等于或大于所述阈值马达速度时,所述温度估计控制器配置成:确定定子绕组电阻;基于所述定子绕组电阻和均方根(RMS)定子电流来确定定子绕组功率损失;基于所述定子绕组功率损失和铁芯功率损失来确定所述电动马达的总功率损失;基于所述总功率损失、所述马达速度和组合热阻抗来产生温度变化;以及基于所述温度变化、所述冷却剂温度和所述冷却剂流速来估计所述定子绕组温度。4.根据权利要求3所述的电动马达系统,其中,所述定子进一步包括定子铁芯,以及其中,所述温度估计控制器配置成基于所述定子绕组和所述定子铁芯之间的第一热阻抗以及所述定子铁芯和所述马达冷却剂之间的第二热阻抗确定所述组合热阻抗。5.根据权利要求3所述的电动马达系统,其中,所述温度估计控制器配置成确定所述铁芯功率损失,所述铁芯功率损失是所述马达速度、定子绕组电流和DC总线电压的函数。6.根据权利要求3所述的电动马达系统,其中,所述温度估计控制器包括多个查询表,所述查询表将所述马达速度和所述冷却剂流速与自然阻尼频率、阻尼因数和热阻抗相关联。7.根据权利要求6所述的电动马达系统,其中,所述温度估计控制器配置成基于所述多个查询表产生所述温度变化。8.一种用于估计马达中定子绕组温度的方法,所述马达具有带有多个绕组的定子和配置成以马达速度操作的转子,所述马达进一步配置成被处于冷却剂流速的冷却剂冷却,所述方法包括以下步骤:将所述马达速度与速度阈值相比较;产生所述电动马达的估计的总功率损失;基于所述马达速度和所述冷却剂流速计算所述多个绕组和所述冷却剂之间的组合热阻抗;以及当马达速度大于所述速度阈值时,基于所述组合热阻抗和所述总功率损失,估计所述多个定子绕组中的每个的第一估计的定子绕组温度。9.根据权利要求8所述的方法,其中,产生步骤包括将定子绕组功率损失和铁芯功率损失组合以产生所述总功率损失。10.一种方法,包括以下方法:基于所述定子绕组的温度和所述定子绕组的电阻的温度系数来确定马达的定子绕组的定子绕组电阻;基于所述定子绕组电阻来确定定子绕组功率损失;基于所述定子绕组功率损失和铁芯功率损失来确定总功率损失;基于所述总功率损失、马达速度、冷却剂流速和组合热阻抗模型来确定相温度变化;以及基于所述相温度变化和马达冷却剂温度来估计定子绕组温度。

    说明书

    电动马达定子绕组温度估计系统和方法

    技术领域

    本发明总体上涉及电动马达系统,且更具体地涉及用于估计电动马达中的定子绕组的温度的方法和系统。

    背景技术

    混合动力电动车辆(HEV)通常包括由直流(DC)功率源(例如电池)驱动的交流(AC)电动马达。电动马达的定子绕组可被联接到功率逆变器???,功率逆变器??橹葱锌焖偾谢还δ?,以便将DC功率转换为AC功率以驱动电动马达,继而驱动HEV传动系的轴。

    马达定子绕组的温度是重要的参数并且可用于各种目的。例如,定子绕组温度可为各种马达控制算法中的输入,特定算法使用定子电阻作为控制变量。另外,定子绕组温度也可以用于检测高马达温度以防止过热。通常,定子绕组温度由温度测量传感器测量,例如安置或安装在一个定子绕组中的热敏电阻或热电偶。然而,在一些系统中,在温度传感器和定子绕组的高温区域之间可能有非常大的温度梯度,这会导致不精确的问题。尽管每个额外传感器增加了放置、成本、可靠性、维修和维护带来的问题,可使用多于一个传感器。

    为了减少对温度传感器的需要或甚至消除对温度传感器的需要,也已经开发了无传感器定子绕组温度估计技术。这些温度估计技术可采用基于电机几何形状及热和电属性的复杂马达热模型。然而,在很多情况下,关于这种马达几何形状或者热或电属性的信息可不会容易地可用,并且产生的假设可导致不精确。已经开发出对于零或低速温度估计(例如,低于75rpm)工作良好的其它无传感器定子绕组温度估计技术;然而,这些技术在较高马达速度下可不会产生精确结果。

    因此,期望提供一种以提高的精度在整个马达速度操作范围(即,低操作速度和高操作速度)内估计定子绕组温度的方法和系统。此外本发明的其它期望特征和特性将从随后的详细说明和所附权利要求结合附图以及前述技术领域和背景技术而变得显而易见。

    发明内容

    根据示例性实施例,电动马达系统包括:电动马达,其包括具有绕组的定子和配置成以马达速度操作的转子;冷却系统,其包括配置成冷却所述转子和所述定子的冷却剂,所述冷却剂具有冷却剂流速和冷却剂温度;逆变器???,其联接到所述电动马达并配置成基于逆变器控制信号提供电流到所述绕组;电流调节扭矩控制器,其联接到所述逆变器??椴⑴渲贸上煊τ诮档偷呐ぞ刂噶畈瞿姹淦骺刂菩藕?;以及温度估计控制器,其联接到所述电流调节扭矩控制器并配置成基于初始扭矩指令和估计的定子绕组温度产生所述降低的扭矩指令。所述温度估计控制器配置成基于所述马达速度和所述冷却剂流速来估计所述估计的定子绕组温度。

    根据示例性实施例,提供了一种用于估计马达中定子绕组温度的方法,所述马达具有带有多个绕组的定子和配置成以马达速度操作的转子。所述马达进一步配置成被处于冷却剂流速的冷却剂冷却。所述方法包括:将所述马达速度与速度阈值相比较;产生所述电动马达的估计的总功率损失;基于所述马达速度和所述冷却剂流速计算所述多个绕组和所述冷却剂之间的组合热阻抗;以及当马达速度大于所述速度阈值时,基于所述组合热阻抗和所述总功率损失,估计所述多个定子绕组中的每个的第一估计的定子绕组温度。

    本发明还提供了以下方案:

    1.?一种电动马达系统,包括:

    电动马达,其包括具有绕组的定子和配置成以马达速度操作的转子;

    冷却系统,其包括配置成冷却所述转子和所述定子的冷却剂,所述冷却剂具有冷却剂流速和冷却剂温度;

    逆变器???,其联接到所述电动马达并配置成基于逆变器控制信号提供电流到所述绕组;

    电流调节扭矩控制器,其联接到所述逆变器??椴⑴渲贸上煊τ诮档偷呐ぞ刂噶畈瞿姹淦骺刂菩藕?;以及

    温度估计控制器,其联接到所述电流调节扭矩控制器并配置成基于初始扭矩指令和估计的定子绕组温度产生所述降低的扭矩指令,

    所述温度估计控制器配置成基于所述马达速度和所述冷却剂流速来估计所述估计的定子绕组温度。

    2.?根据方案1所述的电动马达系统,其中,所述温度估计控制器配置成将所述马达速度与阈值马达速度相比较,所述温度估计控制器进一步配置成:当所述马达速度等于或大于所述阈值马达速度时,将所述定子绕组温度估计为高速定子绕组温度,并且当所述马达速度低于所述阈值马达速度时,将所述定子绕组温度估计为低速定子绕组温度。

    3.?根据方案2所述的电动马达系统,其中,当所述马达速度等于或大于所述阈值马达速度时,所述温度估计控制器配置成:

    确定定子绕组电阻;

    基于所述定子绕组电阻和均方根(RMS)定子电流来确定定子绕组功率损失;

    基于所述定子绕组功率损失和铁芯功率损失来确定所述电动马达的总功率损失;

    基于所述总功率损失、所述马达速度和组合热阻抗来产生温度变化;以及

    基于所述温度变化、所述冷却剂温度和所述冷却剂流速来估计所述定子绕组温度。

    4.?根据方案3所述的电动马达系统,其中,所述定子进一步包括定子铁芯,以及

    其中,所述温度估计控制器配置成基于所述定子绕组和所述定子铁芯之间的第一热阻抗以及所述定子铁芯和所述马达冷却剂之间的第二热阻抗确定所述组合热阻抗。

    5.?根据方案3所述的电动马达系统,其中,所述温度估计控制器配置成确定所述铁芯功率损失,所述铁芯功率损失是所述马达速度、定子绕组电流和DC总线电压的函数。

    6.?根据方案3所述的电动马达系统,其中,所述温度估计控制器包括多个查询表,所述查询表将所述马达速度和所述冷却剂流速与自然阻尼频率、阻尼因数和热阻抗相关联。

    7.?根据方案6所述的电动马达系统,其中,所述温度估计控制器配置成基于所述多个查询表产生所述温度变化。

    8.?一种用于估计马达中定子绕组温度的方法,所述马达具有带有多个绕组的定子和配置成以马达速度操作的转子,所述马达进一步配置成被处于冷却剂流速的冷却剂冷却,所述方法包括以下步骤:

    将所述马达速度与速度阈值相比较;

    产生所述电动马达的估计的总功率损失;

    基于所述马达速度和所述冷却剂流速计算所述多个绕组和所述冷却剂之间的组合热阻抗;以及

    当马达速度大于所述速度阈值时,基于所述组合热阻抗和所述总功率损失,估计所述多个定子绕组中的每个的第一估计的定子绕组温度。

    9.?根据方案8所述的方法,其中,产生步骤包括将定子绕组功率损失和铁芯功率损失组合以产生所述总功率损失。

    10.?根据方案9所述的方法,其中,所述产生步骤进一步包括基于定子绕组电阻和均方根(RMS)定子电流确定所述定子绕组功率损失。

    11.?根据方案8所述的方法,其中,确定所述定子绕组功率损失的步骤包括:

    确定交流(AC)均方根(RMS)定子电流;以及

    基于所述交流(AC)均方根(RMS)定子电流确定所述定子绕组功率损失。

    12.?根据方案8所述的方法,其中,所述计算步骤包括基于所述总功率损失、所述马达速度和所述组合热阻抗产生相温度变化。

    13.?根据方案8所述的方法,其中,所述估计步骤进一步包括基于相温度变化和所述冷却剂温度来估计所述定子绕组温度。

    14.?根据方案8所述的方法,其中,所述组合热阻抗包括所述定子绕组和定子铁芯之间的第一热阻抗,以及定子铁芯和所述冷却剂之间的第二热阻抗。

    15.?根据方案8所述的方法,其中,所述计算步骤包括以查询表确定所述组合热阻抗。

    16.?根据方案8所述的方法,其中,所述计算步骤包括以查询表确定所述组合热阻抗,所述查询表将所述马达速度和所述冷却剂流速与自然阻尼频率、阻尼因数和热阻抗相关联。

    17.?根据方案8所述的方法,进一步包括以下步骤:

    响应于所述第一估计的定子绕组温度降低扭矩指令。

    18.?一种方法,包括以下方法:

    基于所述定子绕组的温度和所述定子绕组的电阻的温度系数来确定马达的定子绕组的定子绕组电阻;

    基于所述定子绕组电阻来确定定子绕组功率损失;

    基于所述定子绕组功率损失和铁芯功率损失来确定总功率损失;

    基于所述总功率损失、马达速度、冷却剂流速和组合热阻抗模型来确定相温度变化;以及

    基于所述相温度变化和马达冷却剂温度来估计定子绕组温度。

    19.?根据方案18所述的方法,其中,确定所述相变化的步骤包括基于所述总功率损失、所述马达速度和所述组合热阻抗产生所述相温度变化。

    20.?根据方案18所述的方法,其中,所述估计步骤进一步包括基于所述相温度变化和所述马达冷却剂温度来估计所述多个定子绕组中的每个的所述定子绕组温度。

    附图说明

    本发明将在下文结合以下附图描述,其中,相同的附图标记表示相同的元件,其中:

    图1是根据示例性实施例的电动马达系统的框图;

    图2是根据示例性实施例的与图1系统相关联的热阻抗模型的电路图示;

    图3是根据示例性实施例的图1的电动马达系统的高速温度估计??榈目蛲?;

    图4是根据示例性实施例的图3的高速温度估计??榈母咚俣ㄗ尤谱槲露裙兰破鞯目蛲?;

    图5是根据示例性实施例的图1的电动马达系统的低速温度估计??榈目蛲?;和

    图6是根据示例性实施例的图1的系统的操作的流程图。

    具体实施方式

    下述详细说明本质上仅为示例性的且不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。作为示例性的本文描述的任何实施例不必须被限制为比其他实施例优选或有利,并且仅用作例子、举例或说明。该详细说明中描述的所有实施例是提供用于使得本领域技术人员能够制造或使用本发明的示例性实施例,而不是限制本发明的范围,本发明的范围由权利要求限定。此外,并不旨在受约束于前述技术领域、背景技术、发明内容或下述详细说明中阐述的任何明示或暗示的理论。

    本文讨论的示例性实施例涉及用于估计电动马达中的定子绕组温度的方法和系统。所公开的方法和系统可在需要在低速和高速估计定子绕组温度的操作环境中实施,包括在混合动力电动车辆(HEV)的混合动力车辆和电动车辆功率系统中。例如,该系统和方法估计高速定子绕组温度,其对于相对于传统技术更精确的估计来说是马达速度和冷却剂流速的函数。

    图1示出了可以在混合动力电动车辆(HEV)中实施的三相电动马达系统100架构的简化框图。在一个示例性实施例中,系统100包括三相AC电动马达110、三相脉宽调制(PWM)逆变器???20、DC功率源140、流调节扭矩控制器150、冷却剂温度传感器156、冷却剂流速传感器158、转子位置传感器160和温度估计控制器170。如下面更详细地描述,在操作期间,系统100基于例如来自驾驶员的输入来接收扭矩指令(T*)。因为升高温度会导致马达110的不希望的问题,并且马达110的温度部分基于扭矩,温度估计控制器170基于马达110的估计的温度来降低或限制扭矩指令(T*)以产生降低的扭矩指令(T**)。该降低的扭矩指令(T**)对应于给定扭矩指令(T*)和马达110的电流温度的马达110的可接受扭矩输出。电流调节扭矩控制器150接收降低的扭矩指令(T**)并且响应地控制逆变器???20以驱动马达110。马达110在HEV的驱动轴(未示出)上产生扭矩。现在将更详细地描述系统100。

    马达110通常包括具有定子绕组115、116、117的定子,其当被供给交流电时产生旋转磁场,该旋转磁场使得转子(未示出)旋转并产生扭矩。在所示示例性实施例中,三个定子绕组115、116、117限定三相马达。通常,马达110可为永磁同步电动机,其包括内置式永磁电动机;感应电动机;同步磁阻电动机;或任何其他类型的适合电动马达。

    逆变器???20驱动马达110的操作。逆变器???20通常包括电容器180和三个逆变器子???22、123、124,其每个对应于分别联接到定子绕组115、116、117的开关装置。每个开关装置122、123、124包括两个开关(例如,晶体管,如绝缘栅双极晶体管(IGBT)),其以与反平行二极管(未示出)交替的方式操作,从而使当地开关输入电压并且提供马达110的定子绕组115、116、117的三相激励。

    逆变器???20被连接在供给DC输入电压(VDC)的DC功率源140(例如,一个或多个电池或燃料电池)的直流(DC)总线135之间。如上所述,开关装置122、123、124基于DC输入电压(VDC)供给交流电(Ia、Ib、Ic)以各种速度驱动对应于马达110的定子绕组115、116、117的三相,并且控制来自电流调节扭矩控制器150的信号。电流调节扭矩控制器150的另外细节可见2009年9月28日提交的且受让给本发明的受让人的美国专利申请12/568,002,其通过引用全文并入本文。

    具有冷却剂(例如马达油)的冷却系统155环绕马达110且在操作期间冷却马达110。冷却剂温度传感器156确定冷却剂的温度并提供冷却剂温度的数字信号表示(T冷却剂)。另外,冷却剂流速传感器158确定转子和/或定子中冷却剂的流速(Q冷却剂)。如下面更详细讨论的,冷却剂温度(T冷却剂)和冷却剂流速(Q冷却剂)被提供到温度估计控制器170来用于估计定子绕组115、116、117的温度。在一个示例性实施例中,冷却剂流速(Q冷却剂)可被直接测量。在另一个示例性实施例中,冷却剂流速(Q冷却剂)可作为流动压、冷却剂和马达温度、马达扭矩和马达速度的函数导出。在另一个示例性实施例中,冷却剂流速传感器158可为变速器控制??楹?或混合动力控制处理器的一部分或与之连通。

    转子位置传感器160定位成产生对应于转子的机械角(θr)和转子的角速度或速率(ωr)的绝对角位置信息和/或角速度信息。在一个示例性实施例中,转子位置传感器160可实施为分解器和分解器-数字转换器,但是通??梢允侨魏卫嘈偷奈锢砦恢么衅骰虮浠黄?,或者其虚拟软件应用,包括霍尔效应传感器或感测转子的角位置或角速度的任何其它类似感测装置或编码器(未示出)。转子位置传感器160提供角位置(θr)和速度(ωr)到电流调节扭矩控制器150和温度估计控制器170。

    温度估计控制器170包括依赖于温度的扭矩指令降低块172、高速温度估计???74、低速温度估计???76和变换???80。高速温度估计???74在高速下从电流调节扭矩控制器150接收同步坐标电流(Id、Iq)且估计定子绕组115、116、117的相温度(TaH、TbH、TcH)。如下面更详细讨论的,估计的温度(TaH、TbH、TcH)基于同步坐标电流(Id、Iq)、转子速度(ωr)、DC电压(VDC)、冷却剂温度(T冷却剂)和冷却剂流速(Q冷却剂)产生。低速温度估计???76接收所检测电流值(Ia、Ib、Ic)且基于电流值(Ia、Ib、Ic)和冷却剂温度(T冷却剂)来在低温下估计定子绕组115、116、117的相温度(TaL、TbL、TcL)。

    来自于高速温度估计???74的估计的相温度(TaH、TbH、TcH)和低速温度估计???76的估计的相温度(TaL、TbL、TcL)提供给变换???80。根据转子速度(ωr),变换???80将一组估计的相温度(Ta、Tb、Tc)提供给依赖于温度的扭矩指令降低块172。在一个示例性实施例中,虽然高速和低速之间的阈值选择可变化,高速对应于大于75?rpm的转子速度(ωr),而低速对应于小于75?rpm的转子速度(ωr)。

    如上所述,依赖于温度的扭矩指令降低块172响应于所选择组的相温度(Ta、Tb、Tc)而修正扭矩指令(T*),以产生温度降低的扭矩指令(T**)。电流调节扭矩控制器150控制逆变器???20的操作,并由此控制马达110的操作,从而基于降低的扭矩指令(T**)产生输出扭矩。

    因此,操作控制信号将由温度降低的扭矩控制信号(T**)表示的增益应用于施加到逆变器???20的指令信号。因而,每个定子绕组115、116、117处的电流由电流调节扭矩控制器150接收并响应于温度降低的扭矩控制信号(T**)修正,以提供合适的增益给操作控制信号,同时在所有速度下将依赖于温度的扭矩降低集成到控制结构中。每个定子绕组115、116、117的温度的精确估计且可防止马达110过热同时提供有效操作。

    图2是根据示例性实施例的热阻抗模型200的电路图示。热阻抗模型200可以用于根据示例性实施例的高速温度估计???74以在高速下确定估计的绕组温度(TaH、TbH、TcH)。

    图2所示的热阻抗模型200可以用方程(1)表示,如下:

    温度变化=热阻抗×总功率消耗???(1)

    例如,定子绕组的温度(Tx)和冷却剂温度(T冷却剂/Tcoolant)之间的温度差(ΔTx)等于特定相的热阻抗(Rthx)和功率消耗(Px)的乘积。热阻抗模型200在下文参考方程(4)-(6)更充分地描述。

    当转子速度(ωr)高于特定值(例如,75rpm)时,估计的绕组温度(TaH、TbH、TcH)可基于定子绕组115、116、117和冷却剂之间的热阻抗(Rth)计算。在所示附图中,热阻抗(Rtha)是第一绕组115的温度(Ta)和马达冷却剂的冷却剂温度(T冷却剂)之间的热阻抗,热阻抗(Rthb)是第二绕组116的温度(Tb)和冷却剂温度(T冷却剂)之间的热阻抗,热阻抗(Rthc)是第三绕组117的温度(Tc)和冷却剂温度(T冷却剂)之间的热阻抗。

    由于定子绕组(或铜)损失和定子铁芯(或铁)损失引起的功率消耗可以分别使用方程(2)和(3)表示,如下:

    ????(2)

    其中,RDC是DC电阻/相;ix是特定相x中的定子电流,Nc是串联线圈的数量;N是每个线圈的匝数;lturn是一匝的长度;Aturn是一匝的面积;σcu是铜的导电率,以及

    ?????(3)

    其中,Piron是铁芯(铁)功率损失;Ph是由磁滞损失引起的功率消耗;Pe是由于涡流损失引起的功率消耗;B和Bm是峰值磁通密度,α、εh和εe是具体铁芯材料的常数,f是马达的操作频率;fn是马达的基本标称频率。

    如方程(3)所示,在低马达操作速度时,由于操作频率(f)是转子速度(ωr)的函数,铁芯损失(Piron)是可忽略的。然而,在较高操作速度时,操作频率(f)增加且铁芯损失(Piron)变得更明显。因而,在高操作速度时应该考虑这些铁芯损失(Piron)以改善估计的精度。通常,在使用高速温度估计???74时,在马达中产生的热包括由于绕组损失(Pcu)和铁芯损失(Piron)而产生的热。由于绕组损失(Pcu)而产生的热可使用定子电流和定子电阻计算,如在上文参考方程(2)所述。

    每个相中的热阻抗包括定子绕组和定子铁芯之间的热阻抗,以及定子铁芯和马达冷却剂之间的热阻抗。例如,在特定相中,热阻抗可以表示为方程(4),如下:

    Rthx=Rwcx+Rccx?????(4)

    其中,Rthx是定子绕组和马达冷却剂之间的热阻抗,Rwcx是定子绕组和定子铁芯之间的热阻抗,Rccx是定子铁芯和马达冷却剂之间的热阻抗。

    这样,在高速时,定子绕组115、116、117的估计的温度可使用热阻抗(Rtha、Rthb、Rthc)和方程(5)、(6)和(7)估计,如下:

    ????(5)

    ????(6)

    ????(7)

    其中,Tzx是超前时间常数[秒],Twx是自然阻尼频率[秒],ξx是阻尼因数,Is是基于同步参考坐标电流信号(,)计算的RMS定子电流值(Amps),Rsx是定子电阻[Ω],P铁芯是定子铁芯/铁损失[瓦特],T冷却剂(Tcoolant)是马达冷却剂温度[℃];x表示a、b或c。应当注意的是,在零速度时,由于将存在仅两个相携载电流且第三相具有零电流流动的情形,定子电流(Ia、Ib、Ic)可能不相同,这样,在低速时,可使用实际定子电流来计算定子绕组损失。然而,对于高速估计,所有三个相中的定子电流(Ia、Ib、Ic)应当相同。这样,每个相中的定子绕组功率损失可以使用马达电流的RMS值(Is)计算。

    热阻抗模型200通过将Rthx和二阶传递函数模型相结合在方程(5)、(6)和(7)中表示,二阶传递函数模型用于估计绕组温度(Ta、Tb、Tc)。方程(5)、(6)和(7)的括号中的项表示由每个相的热阻抗引起的定子绕组和马达冷却剂之间的总功率损失(Px)。例如,功率损失(Px)考虑绕组功率损失(Is2Rsx)和铁芯功率损失(P铁芯)。热阻抗以及二阶传递函数的系数可以根据测量试验数据离线地根据经验产生。这典型地包括测量相电流、每个相绕组(例如,具有热敏电阻或热电偶)的温度、冷却剂温度(T冷却剂)和冷却剂流速(Q冷却剂)。该热模型特征可使用带仪器马达执行,并且产生的模型可用于在定子绕组上不直接具有任何温度传感器的相同类别马达的在线温度估计。

    尽管已经提供了模型的描述,图3是根据示例性实施例的图1的系统100的高速温度估计???74的框图。如上所述,同步参考坐标电流信号(Id、Iq)由定子电流平方量值计算器330从电流调节扭矩控制器150(图1)接收。定子电流平方量值计算器330使用同步参考坐标电流信号(Id、Iq)以计算定子电流的平方RMS值(Is2),其然后被提供到功率损失计算器332、334、336。功率损失计算器332、334、336根据方程(8)、(9)和(10)估计定子绕组电阻(Rsa、Rsb、Rsc),如下:

    ??????????(8)

    ??????????(9)

    ??????????(10)

    其中,Rsa、Rsb和Rsc是定子绕组电阻;Ta、Tb和Tc是估计的定子绕组温度;R25表示在环境温度(25℃)时的定子绕组电阻;α表示电阻的温度系数(对于铜绕组通常为0.0039/℃)。在第一次迭代(即,当系统从低速定子绕组温度估计切换至高速定子绕组温度估计时),功率损失计算器332、334、336使用下面讨论的来自低速定子相温度估计器325的估计的定子绕组温度(TaL、TbL、TcL)或冷却剂温度(T冷却剂)来确定定子绕组电阻(Rsa、Rsb、Rsc)。在随后的迭代中,功率损失计算器332、334、336使用经由反馈回路提供的之前估计的高速定子绕组温度(TaH、TbH、TcH)以确定定子绕组电阻(Rsa、Rsb、Rsc)。

    功率损失计算器332、334、336然后将定子电流的平方RMS值(Is2)乘以定子绕组电阻。(Rsa、Rsb、Rsc)以产生表示定子绕组功率损失(PSWLA、PSWLB、PSWLC)的输出,该输出然后被提供到高速定子绕组温度估计器348。

    除了定子绕组功率损失(PSWLA、PSWLB、PSWLC),DC电压源的输入电压(VDC),冷却剂温度(T冷却剂),冷却剂流速(Q冷却剂)和转子速度(ωr)作为输入被提供给高速定子绕组温度估计器348。然后,高速定子绕组温度估计器348使用这些输入来估计高温定子绕组温度(TaH、TbH、TcH),如下面参照图4更详细地描述的。

    图4示出了用于描述根据示例性实施例的高速定子绕组温度估计器348的功能框图。如上所述,每个相的定子绕组功率损失(PSWLA、PSWLB、PSWLC)基于平方RMS定子电流值(Is2)和定子电阻值(Rsa、Rsb、Rsc)来计算。每个相的定子绕组功率损失(PSWLA、PSWLB、PSWLC)然后加到马达铁芯损失(P铁芯),马达铁芯损失(P铁芯)是马达速度(ωr)、RMS定子绕组电流(Is)和DC电压(VDC)的函数。高速定子绕组温度估计器348中的多个查询表(LUT)510-1…510-n可在各种DC电压(VDC)、马达速度(ωr)和RMS电流(Is)提供马达铁芯损失(P铁芯)??梢允褂媚诓逯担ɡ?,线性内插值或其它已知内插值技术)来进一步完善LUT之间产生的铁芯损失(P铁芯)。

    定子绕组功率损失(PSWLA、PSWLB、PSWLC)和铁芯功率损失(P铁芯)的组合导致总功率损失(Pa、Pb、Pc)。为了参考,总功率损失(Pa、Pb、Pc)代表方程(5)、(6)和(7)的(Is2Rsx+P铁芯)项。总功率损失(Pa、Pb、Pc)随后作为输入提供给热阻抗模型514。

    热阻抗模型514确定方程(5)、(6)和(7)的项。尤其地,热阻抗模型514计算适当的超前时间常数(Tza、Tzb、Tzc)、自然阻尼频率(Twa、Twb、Twc)、阻尼因数(ξa、ξb、ξc)和热阻抗(Rtha、Rthb、Rthc)。

    在一个示例性实施例中,自然阻尼频率(Twa、Twb、Twc)、阻尼因数(ξa、ξb、ξc)和热阻抗(Rtha、Rthb、Rthc)均是马达速度(ωr)和/或冷却剂流速(Q冷却剂)的函数。例如,自然阻尼频率(Twa、Twb、Twc)是冷却剂流速(Q冷却剂)的函数。阻尼因数(ξa、ξb、ξc)是冷却剂流速(Q冷却剂)的函数。热阻抗(Rtha、Rthb、Rthc)是马达速度(ωr)和冷却剂流速(Q冷却剂)的函数。超前时间常数(Tza、Tzb、Tzc)可为流速(Q冷却剂)的函数。

    因此,提供了多个查询表(LUT)512-1…512-n以基于马达速度(ωr)和冷却剂流速(Q冷却剂)的输入来提供超前时间常数(Tza、Tzb、Tzc)、自然阻尼频率(Twa、Twb、Twc)、阻尼因数(ξa、ξb、ξc)和热阻抗(Rtha、Rthb、Rthc)。如上所述,可使用内插值来进一步完善产生的LUT值。这些值可以根据测量试验数据离线地根据经验产生。这通常包含在带仪器马达中在多个马达速度(ωr)和流速(Q冷却剂)上的多种测量值以提供热模型,该热模型可用于不用绕组温度传感器的温度估计。

    热阻抗模型514计算每个相的温度变化(ΔTan、ΔTbn和ΔTcn)。该温度变化(ΔTan、ΔTbn和ΔTcn)然后加到马达冷却剂温度(T冷却剂)以获得每个相的高速估计的定子绕组温度(TaH、TbH、TcH)。

    图5是根据示例性实施例的图1的系统100的低速温度估计???76的框图。如上所述,定子电流(Ia、Ib、Ic)作为输入被提供给低速温度估计???76,尤其是到组合器302、304、306,其产生等于每个定子绕组115、116、117的AC?RMS电流(Ia2、Ib2、Ic2)的波形。这些波形被分别提供到块308、310和312???08、310和312响应于反馈低速估计的温度(TaL、TbL、TcL)分别计算每个相的定子相电阻(Rsa、Rsb、Rsc)(类似于上面参照方程(8)、(9)和(10)的描述),并且将定子相电阻(Rsa、Rsb、Rsc)与来自于组合器302、304、306的输出的AC?RMS电流(Ia2、Ib2、Ic2)相乘。产生的乘积提供给块314、316、318,用于计算由热阻抗(Zθ_an、Zθ_bn、Zθ_cn)引起的温度升高(ΔTan、ΔTbn、ΔTcn)。

    块308、310和312的输出也提供给块320,用于计算由于热中性点和冷却剂之间的热阻抗(Zθ_nc)引起的温度升高(ΔTnc)???14、316、318、320的输出以及冷却剂温度(T冷却剂)作为输入被提供给低速定子相温度估计器325,用于估计低速温度估计(TaL、TbL、TcL)。如上所述,低速温度估计(TaL、TbL、TcL)被变换???80用于确定适当的温度估计(Ta、Tb、Tc)。在低速下用于估计定子温度的其他技术在2008年1月24日提交的且受让给本发明的受让人的美国专利申请公开2009/0189561?A1中描述,其通过引用全文并入本文。

    尽管图1-5示出了包括可识别??楹涂榈奈露裙兰瓶刂破?70,将认识到的是这些??榛蚩榭墒凳┪砑??,该软件??樵谖⒋砥魃现葱?,并且因此温度估计控制器170的操作可替代地以方法步骤表示,如现在将参照图6所描述的。这样,图6示出了根据示例性实施例的图1的系统100的温度估计控制器170操作的方法600的流程图。为了清楚,图1在下面的描述中被参考。

    在步骤602,当马达110打开时,过程开始。在步骤602确定马达110打开之后,在604计算交流(AC)均方根(RMS)电流值。然后在步骤606计算马达110的每个定子绕组115、116、117的铜损失,并且在步骤608响应于在步骤606计算的铜损失计算马达110的每个定子绕组115、116、117的第一热阻抗。

    在步骤610,确定由相应热阻抗引起的定子绕组115、116、117中的温度升高。在步骤612,例如通过冷却剂温度传感器156确定冷却剂的温度。在步骤614,确定由于热中性点关于冷却剂的温度的热阻抗引起的温度升高,并且在步骤616,基于在步骤610、612和614产生的结果估计每个相的低速定子绕组温度。

    在步骤618,过程确定马达110的速度是否大于阈值速度(例如,75rpm)。当速度小于阈值速度时,在步骤620,将定子绕组温度设定为等于估计的低速定子温度(来自于步骤616)。扭矩指令然后在步骤622降低,以防止一个或多个定子绕组115、116、117的过热。过程然后返回至步骤602。

    当在步骤618速度被确定为大于或等于阈值速度时,过程进行到步骤624。在步骤624至632,估计高速定子绕组温度。尤其地,在步骤624,确定定子绕组115、116、117的定子绕组电阻。如上所述,在第一次迭代中,可使用例如从低速定子相温度估计器估计的定子绕组温度来估计定子绕组电阻。在随后的迭代中,可使用例如之前估计的高速定子绕组温度来估计定子绕组电阻。在步骤626,过程然后基于定子绕组电阻和RMS定子电流来确定定子绕组功率损失。在步骤628,过程然后基于定子绕组功率损失和铁芯功率损失来确定每个相中的总功率损失。在步骤630,过程基于总功率损失、马达速度、冷却剂温度和冷却剂流速估计每个相的定子绕组温度。为了参考,上面参照图4描述了步骤628和630的一个示例性实施。在步骤632,定子绕组温度被设定为等于高速估计的定子绕组温度。最后,在步骤622,在步骤632计算的估计的定子绕组温度被提供给降低块172并且用于降低扭矩指令。方法600然后循环回到步骤602。

    因此,上文公开的示例性实施例提供了用于估计定子绕组温度而不需要直接在定子绕组上的温度传感器的系统和方法。尤其地,估计系统和方法在低速和高速下估计精确地估计定子绕组温度。例如,为了更精确的估计,该系统和方法估计高速定子绕组温度,所述高速定子绕组温度是马达速度和冷却剂流速的函数。

    所公开的实施例可应用于永磁同步AC马达(PMSM),例如内置永磁同步马达(IPMSM)和表面安装永磁同步马达(SMPMSM)。另外,虽然AC电机可以是AC马达(即,用于转换其输入处的AC电能功率以产生机械能或功率的设备),但是AC电机并不限于AC马达,而也可以包括用于将机械能或功率转换为AC电能或功率的发电机。而且,虽然所公开的实施例可以在诸如混合动力电动车辆(HEV)的操作环境中实施,但是本领域技术人员将理解的是,相同或类似的技术和方案可以在其它系统的环境中应用。在这方面,本文公开的任何构思可以总体上应用于车辆。这种车辆的示例包括机动车,例如公交车、汽车、货车、运动型多功能车辆、厢式货车、不在陆地上行驶的车辆(例如,机械水上车辆,包括船舶、气垫车、帆船、船只和轮船;机械水下车辆,包括潜水艇;机械空中车辆,包括航空器和宇宙飞船)、机械轨道车辆(例如火车、有轨电车和载重滑车等)。此外,术语车辆并不限于任何具体推进技术,例如汽油或柴油燃料。相反,车辆还包括混合动力车辆、蓄电池电动车辆、氢气车辆和使用各种其它替代燃料操作的车辆。

    应当看到,所公开的实施例主要在于方法步骤和设备部件的组合。本领域技术人员还应意识到,可以将结合在此公开的实施例描述的各种示例性逻辑块、???、电路和算法步骤实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合??梢岳猛ㄓ么砥?、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件、或设计为执行本文所述功能的其任意组合来实施或执行结合本文公开的实施例所描述的各种示例性逻辑块、??楹偷缏?。通用处理器可以是微处理器,但可选地,处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以被实施为计算装置的组合,例如,DSP和微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核的一个或多个微处理器、或任何其它这种配置。软件??榭勺ち粼赗AM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域已知的任何其它形式的存储介质中。示例性的存储介质联接到处理器,该处理器能从存储介质读取信息并能将信息写入存储介质中。替代地,存储介质可以与处理器为一体。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。

    虽然在前述详细说明中已经描述了至少一个示例性实施例,但是应当理解的是存在大量的变型?;褂Φ崩斫獾氖?,一个示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例且并不旨在以任何方式限制本发明的范围、应用或构造。相反,前述详细说明将为本领域技术人员提供了实施一个示例性实施例或多个示例性实施例的便利途径。应当理解的是,在不脱离如所附权利要求及其法律等价物所述的本发明范围的情况下可做出元件的功能和配置的各种变换。

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