Model-based thermal protection strategy for a permanent magnet synchronous motor

Abstract

For an economic design of electric vehicles, the rated continuous power of the motor is selected according to the typical power requirements.Temporarily allowing the power to exceed the continuous power rating enables to use smaller, cheaper motors with higher utilization under the condition that active thermal power management is used to prevent thermal damage.The present diploma thesis aims at developing a thermal protection algorithm for a permanent magnet synchronous motor used as main drive of an electric vehicle.To take better advantage of the thermal limits, a model-based approach is used.For this purpose, the electrical and thermal characteristics of the motor are modeled.Using model predictive control (MPC), a derating algorithm is developed that systematically considers temperature limits and aging of motor windings at elevated temperatures.It is shown that the developed approach can increase the available motor torque compared to static derating strategies currently used in electric vehicles.The functionality and performance of the developed derating strategy is evaluated using simulation studies.

Für eine wirtschaftliche Entwicklung von Elektrofahrzeugen wird die Motornennleistung entsprechend der typischen Anforderungen an das Fahrzeug gewählt. Zeitlich begrenzt wird eine Spitzenleistung über der Nennleistung zugelassen, wodurch kleinere, billigere Motoren verbaut werden können. Voraussetzung dafür ist jedoch ein aktives thermisches Management, um Schäden am Motor zu verhindern. In dieser Diplomarbeit soll ein thermischer Schutzalgorithmus für eine Permanentmagnetsynchronmaschine, welche als Hauptantrieb eines Elektrofahrzeugs dient, entwickelt werden. Um die thermischen Grenzen besser auszunutzen, wird dafür ein modellbasierter Ansatz verwendet. Dafür werden die elektrischen und thermischen Charakteristiken des Motors modelliert. Es wird ein Derating-Algorithmus entwickelt, der eine modellprädiktive Regelung (MPC) nutzt und damit systematisch die Temperaturgrenzen und die Alterung bei erhöhten Temperaturen berücksichtigt. In der Arbeit wird gezeigt, dass der entwickelte Algorithmus das zur Verfügung stehende Motordrehmoment, im Vergleich zu statischen Derating-Verfahren, wie sie in aktuellen Elektrofahrzeugen verwendet werden, erhöhen kann. Die Funktions- und Leistungsfähigkeit der entwickelten Derating-Strategie wird in Simulationsstudien untersucht.