实时在线估算电机转子温度的方法、系统、车辆及计算机可读存储介质与流程

本发明属于汽车电机技术领域，具体涉及一种实时在线估算电机转子温度的方法、系统、车辆及计算机可读存储介质。

背景技术：

永磁同步电机以其高能量密度、高效率等优点在电动车上获得了广泛应用，其转子磁场强度随温度升高而线性减弱，随温度降低后又线性增强。在永磁同步电机控制中，获取转子温度具有非常重要的意义，一方面随着转子温度升高，永磁同步电机转矩输出能力与精度下降，造成整车性能控制偏差；另一方面当永磁同步电机转子温度过高且超过某一临界温度时，转子磁钢会发生不可逆退磁现象，对永磁同步电机造成使用风险。

目前永磁同步电机转子磁钢温度主要使用基于硬件的温度传感器采集方案，由于永磁同步电机工作时转子处于旋转状态，需要对电机结构进行改制并加装滑环或无线温度采集系统来满足转子温度信号的可靠性传送，这样不仅增加了电机系统制造成本，而且复杂结构带来更高的系统故障率。现有转子温度估算方法是利用试验测试转子温度与定子温度的对应关系，再通过系数拟合查表获得转子温升。然而，现有转子温度估算技术通常忽略实际工作中电机变负载运行以及环境温度对定子温度变化带来的动态影响，造成转子温升的计算偏差，从而影响电机工作性能。

因此，有必要开发一种实时在线估算电机转子温度的方法、系统、车辆及计算机可读存储介质。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种实时在线估算电机转子温度的方法、系统、车辆及计算机可读存储介质，能提高电机在复杂运行工况下转子温度在线估算的准确性。

本发明所述的实时在线估算电机转子温度的方法，包括以下步骤：

步骤1、系统上电；

步骤2、判断电机的工况，若电机处于自然冷却状态，则查询当前环境温度下自然冷却条件下的转子温度数值曲线，获得系统上电时的转子初始温度tr_init；

若电机处于运行状态，则估算电机运动状态下的当前时刻电机转子温度tr2；

tr2＝tr1+δtr；

其中：tr1为前一时刻电机转子温度；δtr为采样周期内转子温度变化值；cs为电机定子比热容；ms为电机定子质量；ts1为前一时刻电机定子温度；ts2为当前时刻电机定子温度；pw为冷却液循环带走的功率损耗；ps_air为通过定子表面耗散到空气中的功率损耗；pr_air为通过转子表面耗散到空气中的功率损耗；δt为采样单位时间；cr为电机转子比热容；mr为电机转子质量；

步骤3、判断条件a至条件c是否同时满足，

条件a、ncal_1≤|nmot|≤ncal_2；

条件b、|tmot_trq|≤tcal；

条件c、δψmot≤δψcal；

其中：ncal_1为电机转速低限制标定值；nmot为电机实际转速；ncal_2为电机转速高限制标定值；tmot_trq为电机实际扭矩；tcal为电机转矩限制标定值；δψmot为采样周期内电机实际磁链变化率；δψcal为电机磁链变化率限制标定值；

若条件a至条件c不同时满足，则对tr2不进行修正，判断系统是否下电，若否，则进入步骤2，若是，则存储tr2；

若条件a至条件c同时满足，则计算出电机实际磁链ψmot，并查询电机转子修正温度与磁链的对应关系，得到电机转子修正温度tr_upd，并令电机运动状态下的当前时刻电机转子温度tr2等于tr_upd；判断系统是否下电，若否，则返回步骤2；若是，则存储修正后的tr2。

进一步，所述步骤2中，在计算δtr时，其中的pw、ps_air和pr_air之和通过查系统冷却损耗功率数值模型得到，所述系统冷却损耗功率数值模型为系统总冷却损耗功率pcool_loss(δts/δt)与电机定子温度变化率δts之间的对应关系(参加图3)。

进一步，所述系统冷却损耗功率数值模型的构建方法：

首先对系统总冷却损耗功率pcool_loss(δts/δt)进行能量等效转换，即令：

pcool_loss(δts/δt)＝pw+ps_air+pr_air；

然后以不同恒定负载工况下转子温度估算值与转子温度实测值的误差为依据，通过计算机仿真反复优化与标定得到系统总冷却损耗功率pcool_loss(δts/δt)与电机定子温度变化率δts的对应关系，直到不同环境温度变化负载工况下转子温度估算精度满足要求。

进一步，所述电机实际磁链ψmot的计算方法如下：

其中：eφ为相电势幅值；ωmot为电角频率；emot为线电势有效值；nmot为电机实际转速；pmot为电机极对数。

进一步，所述步骤2中，若电机处于自然冷却状态，则查询当前环境温度下自然冷却条件下的转子温度数值曲线，获得系统上电时的转子初始温度tr_init，具体为：

读取系统上次下电时存储到电机控制器的转子温度、电池控制系统发送的停机时长tstop以及整车控制器发送的环境温度tevir；

然后查询电机转子自然冷却数值模型中对应环境温度自然冷却条件下的转子温度数值曲线，根据系统上次下电时记录的转子温度，找到该温度对应时间点t0并加上停机时长tstop，查询时间点(t0+tstop)的温度值，即获得系统上电时的转子初始温度tr_init。

进一步，若电机转子自然冷却数值模型中未包含有环境温度tevir的环境温度自然冷却条件下的转子温度数值曲线，则以该环境温度tevir的相邻温度来查询，得到当前环境温度对应相邻环境温度点下的转子初始温度t1、t2，并通过tr_init＝λt1+(1-λ)t2计算出该环境温度tevir下的转子初始温度tr_init；其中：λ为拟合系数。

进一步，若系统停机时长tstop大于等于自然冷却到环境温度的热平衡时长，则该转子初始温度tr_init为环境温度tevir。

本发明所述的一种实时在线估算电机转子温度的系统，包括电机控制器和存储器，所述存储器用于存储数据；所述电机控制器被编程以便执行如本发明所述的实时在线估算电机转子温度的方法的步骤。

本发明所述的一种车辆，包括如本发明所述的实时在线估算电机转子温度的系统。

本发明所述的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如本发明所述的实时在线估算电机转子温度的方法的步骤。

本发明具有以下优点：

(1)本方法考虑了实际工作中电机变负载运行以及环境温度对定子温度变化带来的动态影响，故提高了电机在复杂工况下转子温度在线估算的准确性，从而提高了电机的工作性能。

(2)建立电机系统各关键热节点功率损耗与系统总冷却损耗功率的等效转换，并在不同恒定负载工况下利用计算机仿真对定子各温度变化率对应的系统总冷却损耗功率进行优化与标定，然后通过变负载工况下转子温度估算精度来判定是否需要对系统总冷却功率损耗数值模型继续调优。

(3)通过试验测试构建转子温度与磁链密度对应的修正模型，并在电机转矩、转速以及磁链变化率均满足一定条件时，通过查询修正模型获得转子温度修正值，并对转子温度估算模型产生的累计误差进行更新修正。

附图说明

图1为本发明中电机系统运行状态下各关键热节点能量流模型；

图2为本发明中电机转子自然冷却数值模型；

图3为本发明中系统总冷却损耗功率数值模型；

图4为本发明中系统总冷却损耗功率数值模型优化流程；

图5为本发明中电机转子温度修正数值模型；

图6为本发明中全工况下电机转子温度方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图6所示，一种实时在线估算电机转子温度的方法，包括以下步骤：

步骤1、系统上电。

步骤2、判断电机的工况，若电机处于自然冷却状态，则查询当前环境温度下自然冷却条件下的转子温度数值曲线，获得系统上电时的转子初始温度tr_init；

若电机处于运行状态，则估算电机运动状态下的当前时刻电机转子温度tr2；

tr2＝tr1+δtr；

其中：tr1为前一时刻电机转子温度；δtr为采样周期内转子温度变化值；cs为电机定子比热容；ms为电机定子质量；ts1为前一时刻电机定子温度；ts2为当前时刻电机定子温度；pw为冷却液循环带走的功率损耗；ps_air为通过定子表面耗散到空气中的功率损耗；pr_air为通过转子表面耗散到空气中的功率损耗；δt为采样单位时间；cr为电机转子比热容；mr为电机转子质量。

步骤3、判断条件a至条件c是否同时满足；

条件a、ncal_1≤|nmot|≤ncal_2；

条件b、|tmot_trq|≤tcal；

条件c、δψmot≤δψcal；

其中：ncal_1为电机转速低限制标定值；nmot为电机实际转速；ncal_2为电机转速高限制标定值；tmot_trq为电机实际扭矩；tcal为电机转矩限制标定值；δψmot为采样周期内电机实际磁链变化率；δψcal为电机磁链变化率限制标定值；

若条件a至条件c不同时满足，则对tr2不进行修正，判断系统是否下电，若否，则进入步骤2，若是，则存储tr2；

若条件a至条件c同时满足，则计算出电机实际磁链ψmot，并查询电机转子修正温度与磁链的对应关系，得到电机转子修正温度tr_upd，并令电机运动状态下的当前时刻电机转子温度tr2等于tr_upd；判断系统是否下电，若否，则返回步骤2；若是，则存储修正后的tr2。

本实施例中，电机运动状态下的当前时刻电机转子温度tr2的计算公式的构建步骤如下：

sa-1.分析永磁同步电机运行过程中各关键节点的生热机理，并构建热量损耗模型，具体包括：

首先分析三相电流通过定子绕组截面时产生的热量损耗，即铜损耗pcu。其采样时间内的功率损耗模型计算如下所示：

式中：n为电机相数，iphase为相电流，rphase为相电阻。

其次分析由定子绕组交变电流引起交变磁场变化而产生的磁滞损耗ph以及铁心中的磁场变化引起感应电流而产生的涡流损耗pe，即铁损耗pfe。其采样时间内的功率损耗模型计算如下所示：

式中：kh为磁滞损耗系数(通过测量不同频率、磁感应强度拟合得到)；ke为涡流损耗系数(通过集肤效应算式，测量不同交变频率拟合得到)；kext为附加损耗系数(通过集肤效应与邻近效应算式，测量不同交变频率拟合得到)；f为电驱磁场交变频率；bm为定子铁心磁通密度幅值。

然后分析由电机轴承转动摩擦以及通风引起的损耗，即机械损耗pfr。其采样时间内的功率损耗模型计算如下所示：

式中：kc为表面粗糙系数；cf为摩擦因数；ρair为空气密度；ωm为电机角速度；l为转子长度；r为转子半径。

最后分析由冷却回路带走的损耗功率pw以及转子与定子及其绕组对周围环境的功率耗散pr_air与ps_air，即系统总冷却损耗功率。

冷却液带走的定子功率损耗pw模型计算如下所示：

pw＝ρwcwawv(tin-tout)/δt(4)

式中：ρw为冷却液密度；cw为冷却液比热容；aw为冷却管路截面积；v为冷却液流动速度；tin为进水温度；tout为出水温度；δt为采样单位时间。

转子与定子及其绕组对周围环境的功率耗散pr_air、ps_air模型计算如下所示：

pr_air＝δar(tr-t0)/δt(5)

ps_air＝δas(ts-t0)/δt(6)

式中：δ为对流换热系数；as为转子及绕组表面对流换热面积；ar为定子及绕组表面对流换热面积；ts为转子及绕组表面温度；tr为定子及绕组表面温度；t0为环境温度。

对流换热系数δ计算如下所示：

δ＝9.73+14v^0.62(7)

式中：v为散热表面空气流通速度。

sa-2.根据步骤sa-1中电机运行状态下对各关键热节点生热机理与功率损耗分析基础上，建立电机系统能量流模型(如图1所示)。

由图1可知，输入到电机系统的总功率pin经过步骤sa-1所涉及的功率损失后输出功率为pout。电机定子温度的上升主要是铜损pcu、铁损pfe以及机械损耗pfr的热传递，因此将铜损pcu、铁损pfe以及机械损耗pfr三者等效为电机定子吸收热量，从而满足以下关系：

pcu+pfe+pfr＝csms(ts2-ts1)/δt(8)

式中：cs为电机定子比热容；ms为电机定子质量；ts1为前一时刻电机定子温度，ts2为当前时刻电机定子温度。

同时电机定子作为一个热源，其吸收的功率通过四部分消耗，第一部分通过冷却液循环带走pw，第二部分通过定子表面耗散到空气中ps_air，第三部分通过转子表面耗散到空气中pr_air，第四部分传递给转子加热升温，即电机转子热耗功率pr。根据能量守恒，电机定子吸收的能量同时满足以下关系：

csms(ts2-ts1)/δt＝pw+ps_air+pr_air+pr(9)

式中：pr为电机转子热耗功率。

sa-3.根据步骤sa-2内容所述，建立起电机转子热耗功率pr与定子温度变化率(ts2-ts1)/δt、系统冷却损耗(pw、pr_air以及ps_air)的对应关系(如公式9所示)，同时电机转子热耗功率又满足以下关系：

pr＝crmr(tr2-tr1)/δt(10)

式中：cr为电机转子比热容；mr为电机转子质量；tr1为前一时刻电机转子温度，tr2为当前时刻电机转子温度。

联合公式(9)与公式(10)，可以获得电机运行状态当前时刻电机转子温度tr2的计算公式(即公式11及公式12所述的电机转子温度估算公式)，如下所示：

tr2＝tr1+δtr(11)

由公式(11)可以看出，前一时刻电机转子温度加上采样周期内转子温度变化值，即可得到当前时刻电机转子温度。然后将当前时刻电机转子温度作为下一时刻转子起始温度进行采样周期内的反复叠加，从而可以获得电机运行状态下实时的转子估算温度。

本实施例中，通过获得系统上次下电存储在电机控制系统中的转子温度tr_pre(即上次断电时存储器中所存储的tr2)、系统上次下电到本次上电的停机时长tstop以及环境温度tevir，采用以下步骤sb-1至sb-3计算系统上电时转子初始温度tr_init，从而提高转子温度估算的准确性。

sb-1.读取电机控制系统上次下电时存储到电机控制器的转子温度tr_pre、电池控制系统发送的停机时长tstop以及整车控制器发送的环境温度tevir。

sb-2.通过试验方式记录各环境温度下电机转子从最高温度自然冷却到环境温度的变化趋势，并建立电机转子自然冷却数值模型(如图2所示)，然后查询对应环境温度(例如30℃)自然冷却条件下的转子温度数值曲线，根据系统上次下电时记录的转子温度tr_pre，找到该温度对应时间点t0并加上停机时长tstop，查询时间点(t0+tstop)的温度值，即获得系统上电时的转子初始温度tr_init。

sb-3：针对其他环境温度(即电机转子自然冷却数值模型中未包含有环境温度tevir的环境温度自然冷却条件下的转子温度数值曲线，如图2所示，电机转子自然冷却数值模型记录的温度有环温10℃、环温20℃、环温30℃、环温40℃、环温50℃、环温60℃，除了以上温度外，其余温度为其他环境温度)下的转子初始温度估算，首先采用步骤sb-1与sb-2所述方法获得相邻环境温度(比如：环境温度为25℃，相邻环境温度即为图2中的环温20℃和环温30℃)下对应的转子初始温度t1、t2，并通过公式(13)插值拟合计算该环境温度下的转子初始温度tr_init。若系统停机时长tstop大于等于自然冷却到环境温度的热平衡时长tb-t0(如图2所示)，则视该转子初始温度tr_init为环境温度tevir。

tr_init＝λt1+(1-λ)t2(13)

式中：t1、t2分别为当前环境温度对应相邻环境温度点下的转子初始温度；λ为拟合系数(取值范围在[0,1]之间，根据环境温度区间进行标定)。

本实施例中，为了提高电机转子温度算法在控制器中的运算效率与精度，在对系统各关键热节点功率损耗分析基础上，首先对系统总冷却损耗功率pcool_loss(δts/δt)进行能量等效转换(如公式14所示)，然后以不同恒定负载工况下转子温度估算值与实测值的误差为依据，通过计算机仿真反复优化与标定，得到系统总冷却损耗功率pcool_loss(δts/δt)与电机定子温度变化率δts之间的对应关系(即系统冷却损耗功率数值模型，参见3)，直到不同环境温度变化负载工况下转子温度估算精度满足要求，优化流程如图4所示。

pcool_loss(δts/δt)＝pw+ps_air+pr_air(14)

式中：pcool_loss(δts/δt)为定子温度变化率对应的系统总冷却损耗功率。

本实施例中，在计算δtr时，其中的pw、ps_air和pr_air之和，通过查系统冷却损耗功率数值模型得到。

本实施例中，所述电机实际磁链ψmot的计算方法如下：

其中：eφ为相电势幅值；ωmot为电角频率；emot为线电势有效值；nmot为电机实际转速；pmot为电机极对数。

本实施例中，为了提高转子温度控制算法的可靠性，消除迭代运算过程产生的累计误差，确保转子温度实时估算精度。采用试验方式建立转子温度修正值tr_upd与磁链ψmot的对应关系(即电机转子温度修正数值模型，参见5)，然后利用公式(15)计算出电机实际磁链ψmot并查询图5的对应关系获得电机转子修正温度tr_upd。

式中：eφ为相电势幅值；ωmot为电角频率；emot为线电势有效值；nmot为电机实际转速；pmot为电机极对数。

当公式(16)～公式(18)所述条件同时满足情况下，使能电机转子温度修正值tr_upd更新电机转子温度实时估算值。

ncal_1≤|nmot|≤ncal_2(16)

|tmot_trq|≤tcal(17)

δψmot≤δψcal(18)。

本实施例中，首先判断系统是否上电，然后根据电机实际转速、转矩判断电机实时工作状态。其次根据电机运行状态估算电机转子温度值，接下来判断电机转子温度修正条件决定对其值进行更新，从而消除积分累计误差。最后判断系统下电条件对修正后的转子温度进行非遗失性存储，以便系统再次上电后能够估算出电机转子初始温度。

本发明所述的一种实时在线估算电机转子温度的系统，包括电机控制器和存储器，所述存储器用于存储数据；所述电机控制器被编程以便执行如本发明所述的实时在线估算电机转子温度的方法的步骤。

本发明所述的一种车辆，包括如本发明所述的实时在线估算电机转子温度的系统。

本发明所述的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如本发明所述的实时在线估算电机转子温度的方法的步骤。