GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung zum

Steuern einer Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.

STAND DER TECHNIK In elektrischen Antrieben für Hybrid- und Elektrofahrzeuge werden heutzutage häufig permanent erregte Synchronmaschinen eingesetzt. Eine solche Synchronmaschine weist einen Rotor, in dem üblicherweise Magnete, die einen magnetischen Fluss erzeugen, angeordnet sind, sowie einen Stator mit Statorwicklungen auf. Die Synchronmaschine kann ein Drehmoment erzeugen, das insbesondere von einem Phasenstrom und von einem magnetischen Fluss in der

Maschine abhängt. Das erzeugte Drehmoment kann das Beschleunigungs- bzw. Fahrverhalten des Fahrzeuges bestimmen und somit eine wichtige während des Fahrbetriebs zu bestimmende Größe darstellen.

Die Magnete in dem Rotor können relativ temperaturempfindlich sein und können bei Temperaturen, die unter Umständen bereits im normalen Fahrbetrieb des Fahrzeugs erreicht werden, dauerhaft geschädigt werden. Um dies zu verhindern, werden die Phasenströme üblicherweise ab Erreichen einer kritischen Magnettemperatur begrenzt.

Da der Rotor meist ein sich schnell drehendes Bauteil ist, kann die Temperatur der daran angeordneten Magneten allenfalls mit hohem Aufwand direkt gemessen werden. Üblicherweise ist an dem Rotor kein Temperatursensor vorgesehen. Stattdessen wird die Temperatur der Magnete herkömmlicherweise aus der gemessenen Temperatur des Stators abgeschätzt. Bei dieser Abschätzung der Magnettemperatur wird davon ausgegangen, dass der Rotor und die Perma- nentmagnete etwa die gleiche Temperatur besitzen wie der Stator. Diese Abschätzung ist jedoch besonders bei transienten Vorgängen häufig stark fehlerbehaftet.

Um einen ausreichend hohen Sicherheitsabstand zu einer maximal zulässigen Magnettemperatur einhalten zu können, muss die Temperaturschwelle für die oben genannte Begrenzung des Phasenstroms relativ niedrig gewählt werden, so dass die maximale Leistung der Synchronmaschine nicht vollständig ausgenutzt werden kann.

Die DE 10 2005 062 588 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Magnettemperatur einer permanent erregten elektrischen Maschine. Dabei kann die Magnettemperatur durch Messen einer Phasenspannung und einer Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt werden.

Für die Berechnung eines Drehmoments und für die Berechnung einer Rotortemperatur kann eine genaue Kenntnis des magnetischen Flusses notwendig sein. Bei vorbekannten Lösungen kann hierzu der magnetische Fluss anschließend an die Fertigung der Synchronmaschine oder nach einem Wartungsservice der Synchronmaschine bzw. des zum Steuern der Synchronmaschine notwendigen Pulswechselrichters einmalig kalibriert werden. Bei einer solchen Kalibrierung kann ein Kennfeld erzeugt werden, dass in einer Steuerung der Synchronmaschine hinterlegt werden kann und dass einen Zusammenhang zwischen der Rotortemperatur T und der zu messenden Phasenspannung U _ind sowie der zu messenden Drehzahl n angeben kann.

Nach einer solchen Kalibrierung und der damit verbundenen Erstellung des Kennfeldes kann später durch Messen der Phasenspannung U _ind und der Drehzahl n auf die Rotortemperatur T geschlossen werden und aus dieser Rotortemperatur wiederum der von der Rotortemperatur abhängige magnetische Fluss ermittelt werden.

Für eine Kalibrierung des magnetischen Flusses muss die Temperatur der an dem Rotor angeordneten Magnete bekannt sein, damit Fehler aufgrund von Temperatureinflüssen minimiert werden können. Da jedoch bei Synchronmaschinen typischerweise kein Temperatursensor direkt am Rotor vorgesehen ist, son- dern lediglich ein Temperatursensor am Stator vorhanden ist, wird herkömmlich von der Statortemperatur auf die Rotortemperatur und damit auf die Temperatur der Magneten geschlossen. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein Wärmeeintrag in den Rotor nur dann stattfindet, wenn auch der Stator signifikant beim Be- trieb der Synchronmaschine erwärmt wird. Es wird ferner davon ausgegangen, dass die Rotortemperatur gleich der Statortemperatur ist, wenn der Stator eine bestimmte Temperaturschwelle unterschreitet. Erst dann wird eine Kalibrierung des magnetischen Flusses durchgeführt. Nachteilig hierbei kann sein, dass erst eine relativ niedrige Temperaturschwelle bezüglich der am Stator gemessenen Temperatur unterschritten sein muss, bevor eine Kalibrierung durchgeführt werden kann. Insbesondere in Ländern mit heißem Klima kann dies problematisch sein. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es kann daher angestrebt werden, eine Kalibrierung des magnetischen Flusses für Synchronmaschinen in zuverlässiger Weise möglichst unabhängig von einer in der Umgebung herrschenden Temperatur, d.h. insbesondere auch bei höheren Umgebungstemperaturen, durchführen zu können, um die Synchronmaschine über ihren gesamten Leistungsbereich möglichst gut ansteuern zu können.

Dies kann mit dem in Anspruch 1 definierten Verfahren zum Steuern einer Synchronmaschine sowie mit der in Anspruch 6 definierten Vorrichtung zum Steuern einer Synchronmaschine erreicht werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei der zu steuernden Maschine kann es sich um eine permanent erregte Synchronmaschine handeln, die einen Stator, einen Rotor und mehrere an dem Ro- tor angeordnete Magnete vorzugsweise in Form von Permanentmagneten aufweist. Die Synchronmaschine wird dabei beispielsweise mit einem Pulswechselrichter derart angesteuert, dass basierend auf einem angenommenen oder vorab ermittelten Wert des von dem Magneten erzeugten magnetischen Flusses ein gewünschtes Drehmoment von der Synchronmaschine erzeugt wird. Um eine Ansteuerung der Synchronmaschine möglichst präzise durchführen zu können, wird ein von den Magneten erzeugter magnetischer Fluss basierend auf einer an dem Stator gemessenen Temperatur kalibriert, sobald dies zuverlässig möglich ist. Erfindungsgemäß wird dieses Kalibrieren erst dann durchgeführt, wenn die Synchronmaschine mindestens eine vorbestimmte Zeitdauer t _g nicht betrieben wurde.

Mit anderen Worten wird eine Kalibrierung des magnetischen Flusses erst dann durchgeführt, wenn beispielsweise eine Abstellzeit t _a , die seit dem letzten Betrieb der Synchronmaschine vergangen ist, größer als eine Mindestzeitdauer t _g ist (d.h. t _a > t _g) . Eine Information über eine solche Abstellzeit ist in Hybridfahrzeugen typischerweise immer verfügbar und wird häufig von einem zentralen Steuergerät mittels eines in einem Fahrzeug vorgesehenen Datenbusses, der auch als Controler Area Network (CAN) bezeichnet wird, über eine CAN-Botschaft anderen Steuergeräten im Fahrzeug-Steuergeräteverbund zur Verfügung gestellt. Erst wenn eine hinreichend lange Abstellzeit verstrichen ist, wird die Kalibrierung des magnetischen Flusses durchgeführt.

Die mindestens zu erreichende Abstellzeit, das heißt, die vorbestimmte Zeitdauer t _g während der die Synchronmaschine seit ihrem letzten Betrieb nicht mehr be- trieben wurde, kann dabei einer Zeitdauer entsprechen, die für einen Temperaturausgleich zwischen dem Stator und dem Rotor benötigt wird. Nach dieser Zeitdauer kann davon ausgegangen werden, dass sich die Temperatur aller Komponenten in der Synchronmaschine angeglichen hat und die Rotortemperatur somit gleich der Statortemperatur ist.

Es kann vorteilhaft sein, bei der Steuerung der Synchronmaschine zu vermerken, ob bereits eine Kalibrierung durchgeführt wurde oder nicht. Hierzu kann in einer Steuerung der Synchronmaschine vor dem Kalibrieren ein Merker gesetzt werden, der angibt, dass der beim Steuern der Synchronmaschine zugrunde gelegte magnetische Fluss einem Nennwert entspricht, das heißt, dass er noch nicht den tatsächlich in der Synchronmaschine herrschenden, messbaren magnetischen Verhältnissen entspricht. Nach dem Kalibrieren kann in der Steuerung der Synchronmaschine ein Merker gesetzt werden, der angibt, dass der beim Steuern der Synchronmaschine zugrunde gelegte magnetische Fluss dem kalibrierten Flusswert entspricht. Aufgrund der gespeicherter Merker kann die Steuerung der

Synchronmaschine erkennen, wie präzise und zuverlässig ein Wert für die Rotor- temperatur ermittelt werden kann. Bevor eine Kalibrierung durchgeführt werden konnte, kann bei einer solchen Ermittlung lediglich von einem Nennwert ausgegangen werden, so dass die Temperaturermittlung mit einem hohen möglichen Fehler behaftet sein kann und dementsprechend Vorsichtsmaßnahmen beim Be- treiben der Synchronmaschine getroffen werden müssen. Nach einer erfolgten

Kalibrierung kann dann die Rotortemperatur zuverlässiger ermittelt werden. Daher kann nach einer solchen Kalibrierung die Synchronmaschine über weitere Bereiche ihres Leistungsspektrums präzise angesteuert werden. Die Kalibrierung des magnetischen Flusses kann unabhängig davon durchgeführt werden, welche Temperatur aktuell in der Synchronmaschine herrscht. Während bei herkömmlichen Steuerungsverfahren eine Kalibrierung nur dann stattfand, wenn die am Stator der Synchronmaschine gemessene Temperatur unter einem vorgegebenen Maximalwert lag, kann nun unabhängig von der tat- sächlich herrschenden Temperatur in der Synchronmaschine eine Kalibrierung des magnetischen Flusses auf jeden Fall dann durchgeführt werden, wenn die Synchronmaschine eine ausreichend lange Zeit stillgestanden hat und somit von einem Temperaturausgleich zwischen dem Stator und dem Rotor ausgegangen werden kann. Bei der Kalibrierung kann dann auch bei hohen Statortemperaturen davon ausgegangen werden, dass der Rotor bzw. die Magnete auf der gleichen

Temperatur wie der Stator ist und diese Temperatur zuverlässig gemessen werden kann und der Kalibrierung zugrunde gelegt werden kann.

Die Kalibrierung braucht lediglich einmalig nach der Fertigung der Synchronma- schine oder nach einer Wartung der Synchronmaschine durchgeführt werden.

Nachdem mit Hilfe der Kalibrierung einmalig ein Kennfeld bzw. eine Kennlinie für die Abhängigkeit des magnetischen Flusses und der Rotortemperatur ermittelt wurde, können diese beim späteren Ansteuern der Synchronmaschine zum Erreichen eines zuverlässigen, effizienten Betriebs verwendet werden.

Es wird angemerkt, dass Gedanken zu der Erfindung hierin im Zusammenhang sowohl mit dem Verfahren als auch mit der Vorrichtung zum Steuern einer Synchronmaschine sowie mit Bezug auf ein mit einer solchen Vorrichtung versehenes Fahrzeug beschrieben sind. Einem Fachmann ist hierbei ersichtlich, dass die einzelnen beschriebenen Merkmale auf verschiedene Weise miteinander kombi- niert werden können, um so auch zu anderen Ausgestaltungen der Erfindung zu kommen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer permanent erregten Synchronmaschine, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gesteuert werden kann.

Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Steuerungsvorgangs einer Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Zeichnungen sind lediglich schematisch. AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer permanent erregten Synchronmaschine 1 mit einem Pulswechselrichter (PWR) 2. Der PWR 2 bestimmt Leistung und Betriebsart der Synchronmaschine 1 und wird von einem Steuergerät 12 entsprechend angesteuert. Dadurch kann die Synchronmaschine 1 wahlweise im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb betrieben werden. Im Motorbetrieb erzeugt die Synchronmaschine ein Antriebsmoment, das zum Beispiel während einer Beschleunigungsphase eines Fahrzeugs einen Verbrennungsmotor unterstützen kann. Im Generatorbetrieb wird hingegen mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt und beispielsweise in einem Energiespeicher 9 wie zum Beispiel einer Batterie oder einem Super-Cap gespeichert.

In der dargestellten Figur ist die Synchronmaschine 1 drei-phasig ausgeführt (Phasen U, V, W) und weist einen Stator 3 mit drei Strängen 3a-3c und einen Rotor 13 mit mehreren Permanentmagneten 1 1 auf. Die Ohmschen Widerstände der Stränge 3a-3c sind mit 10a-10c gekennzeichnet. Die drei Phasen U, V, W der elektrischen Synchronmaschine 1 sind jeweils mit dem Pulswechselrichter 2 ver- bunden. Der PWR 2 umfasst in bekannter Weise mehrere Schalter 6a-6f, mit denen die einzelnen Phasen U, V, Wwahlweise mit einem Zwischenkreis-Potential U _z oder einem Bezugspotential (Masse) verbunden werden können. Der PWR 2 umfasst ferner mehrere Freilaufdioden 7a-7f, die jeweils parallel zu einem der Schalter 6a-6f geschaltet sind.

Um die Temperatur der an dem Rotor 13 vorgesehenen Permanentmagnete 11 zu bestimmen, kann, wie weiter unten genauer beschrieben werden wird, eine Kennlinie oder ein Kennfeld, das in dem Steuergerät 12 hinterlegt werden kann, herangezogen werden. Diese Kennlinie bzw. dieses Kennfeld kann während eines Kalibrierungsvorgangs ermittelt werden. Mit Hilfe der Kennlinie bzw. des Kennfeldes kann die Temperatur T der Permanentmagnete 1 1 aus dem magnetischen Fluss ψ bestimmt werden, der wiederum von der induzierten Spannung Uind und der Drehzahl n der elektrischen Synchronmaschine 1 abhängt. Dabei gilt:

Die Drehzahl n der elektrischen Synchronmaschine kann mittels eines Drehzahlsensors 5 gemessen werden. Die in den Ständerwicklungen 3a-3c induzierte Spannung ist in der Figur durch Spannungsquellen 4a-4c schematisch dargestellt. Als induzierte Spannung U _in d kann beispielsweise die Spannung zwischen zwei der Phasen, zum Beispiel U und V, oder die Spannung zwischen einer der Phasen, U, V, W und einem Bezugspotential, gemessen werden. Diese Spannung ist im Idealfall sinusförmig und wird vorzugsweise im Leerlauf der Maschine gemessen. Im Leerlauf sind dabei alle sechs Leistungsschalter 6a-6f des Pulswechselrichters 2 geöffnet.

Die Spannungs- und Drehzahlsignale U _in d bzw. n werden dem Steuergerät 12 an einem Eingang zugeführt. Mit Hilfe eines in dem Steuergerät 12 hinterlegten Algorithmus und basierend auf der Kennlinie bzw. dem Kennfeld werden die Signale verarbeitet und daraus eine aktuelle Temperatur T der Permanentmagnete 11 bestimmt. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperaturschwelle erzeugt das Steuergerät 12 ein Ausgabesignal A für den Pulswechselrichter 2, mit dem die Leistung der Synchronmaschine 1 begrenzt wird. Nachfolgend wird ein zum Steuern der Synchronmaschine verwendetes Schema einschließlich einer dabei durchgeführten Kalibrierung mit Bezug auf das in Fig. 2 dargestellte Flussdiagramm beschrieben. Bei einer Erstinbetriebnahme beispielsweise direkt nach der Fertigung der Synchronmaschine bzw. nach einer Wartung oder einem Service der Synchronmaschine (Schritt S1) wird zunächst ein Nennwert ψ _ηβ ηη des von dem Permanentmagneten 11 erzeugten magnetischen Flusses eingestellt (Schritt S2). Mit diesem voreingestellten Nennwert ψ _ηβ ηη des magnetischen Flusses kann die Syn- chronmaschine grundsätzlich gesteuert bzw. geregelt werden. Allerdings kann dieser Nennwert nicht unbedingt den von den Permanentmagneten 11 tatsächlich in der Synchronmaschine erzeugten magnetischen Fluss wiedergeben, sondern gibt nur einen konservativ angenommenen Wert an, der aufgrund von vorangehender Erfahrung oder durch Simulation oder Berechnung ermittelt worden sein kann. Der tatsächliche herrschende magnetische Fluss ist zu diesem Zeitpunkt noch nicht genauer bekannt. Die auf einem solchen Nennwert basierende Berechnung des Drehmoments und der Temperatur der Rotor- Permanentmagnete 11 kann daher noch mit einem relativ hohen Fehler behaftet sein.

In einer Steuerung, die beispielsweise als in dem Steuergerät 12 hinterlegte Software realisiert sein kann, wird in geeigneter Weise vermerkt, dass eine Kalibrierung des magnetischen Flusses bisher noch nicht durchgeführt wurde. Hierzu kann ein entsprechender Merker gesetzt werden, der angibt, dass der beim Steuern der Synchronmaschine zugrunde gelegte magnetische Fluss lediglich dem Nennwert ψ _ηβ ηη entspricht (Schritt S3).

Während der nachfolgenden Verwendung der Synchronmaschine wird wiederholt überprüft, ob die Synchronmaschine aktuell betrieben wird oder nicht. Wenn zum Beispiel das mit der Synchronmaschine versehene Fahrzeug aktuell nicht benutzt wird, das heißt, abgestellt ist und ruht, wird dies von einer zentralen Steuereinheit des Fahrzeugs erkannt und über eine CAN-Botschaft unter anderem dem Steuergerät 12 der Synchronmaschine zur Verfügung gestellt. Die Steuerung überprüft nun, ob die Abstellzeit t _a , während der die Synchronmaschine nicht betrie- ben wurde, größer ist als eine vorbestimmte Zeitdauer t _a , d.h. ob t _a > t _g (Schritt

S4). Falls dies der Fall ist, wird eine Kalibrierung des magnetischen Flusses durchgeführt (Schritt S5). Dabei wird davon ausgegangen, dass sich die Temperaturen innerhalb der Synchronmaschine aufgrund der langen Zeitdauer seit dem Abstellen der Synchronmaschine ausgleichen konnten, so dass die Temperatur T der Permanentmagnete 11 der Temperatur des Stators entspricht. Diese Temperatur des Stators kann mit Hilfe eines am Stator angeordneten Temperatursensors gemessen werden und einer Kalibrierung, das heißt, einer Erstellung einer Kennlinie bzw. eines Kennfeldes, zugrunde gelegt werden. Die in der Synchronmaschine herrschende Temperatur kann dabei beliebig groß sein. Der gefundene magnetische Fluss ψι^ wird mit der ermittelten Rotortemperatur temperaturkorrigiert.

Anschließend wird in der Steuerung der Synchronmaschine ein entsprechender Merker gesetzt, der angibt, dass eine Kalibrierung des magnetischen Flusses durchgeführt wurde, so dass der beim Steuern der Synchronmaschine zugrunde zu legende magnetische Fluss dem kalibrierten Flusswert ψι^ entspricht (Schritt S6).

Falls die in Schritt S4 bestimmte Abstellzeit nicht größer als die vorbestimmte Zeitdauer ist, d.h. t _a s t _g , werden die Schritte S5 und S6 übersprungen.

Während eines nachfolgenden Normalbetriebes kann die Synchronmaschine derart gesteuert werden, dass basierend auf dem zugrunde gelegten magnetischen Fluss ein gewünschtes Drehmoment erzeugt wird (Schritt S7). Je nachdem, ob der magnetische Fluss bereits kalibriert wurde oder nicht, ist dabei der zugrunde gelegte magnetische Fluss entweder ein Nennwert ψ _ηβ ηη oder der während der Kalibrierung ermittelte kalibrierte magnetische Fluss ψ^ι^.

Während des Normalbetriebs wird wiederholt überprüft, ob bereits eine Kalibrierung des magnetischen Flusses durchgeführt wurde (Schritt S8). Falls dies der Fall ist, wird der Normalbetrieb unverändert fortgesetzt (Schritt S7). Falls dies nicht zutrifft, wird erneut geprüft, ob die Abstellzeit größer als die vorbestimmte Zeitdauer ist (Schritt S4) und gegebenenfalls eine Kalibrierung des magnetischen Flusses durchgeführt. Das beschriebene Verfahren bzw. die beschriebene Vorrichtung zum Steuern einer Synchronmaschine ermöglicht einen effizienten, zuverlässigen Betrieb der Synchronmaschine. Ein Leistungsspektrum der Synchronmaschine kann auch bei erhöhten Temperaturen über weite Bereiche genutzt werden. Eine Kalibrierung des magnetischen Flusses kann auch bei hohen Temperaturen durchgeführt werden.

Die Erfindung kann bei allen permanent erregten Synchronmaschinen eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in elektrischen Antrieben von Hybrid- und Elektro- fahrzeugen benutzt werden.