Model-based Temperature Monitoring and Thermal Management of Electrically Excited Synchronous Motors

Der Aufstieg der Elektrofahrzeuge bringt sowohl Herausforderungen als auch Chancen für den Wandel der Automobilindustrie mit sich. In diesem Zusammenhang spielen elektrische Antriebe, elektronische Steuerungssysteme und Batterien eine zentrale Rolle. Diese Arbeit konzentriert sich auf die EESM als elektrisches Antriebssystem, mit besonderem Fokus auf die Online-Temperaturüberwachung und Strategien zum Thermomanagement. Die Forschung gliedert sich in drei Hauptteile.

Zunächst wird ein thermisches Netzwerkmodell niedriger Ordnung für die EESM entwickelt, in dem die Verlustmechanismen der Maschine sowie die thermischen Widerstände und Kapazitäten analytisch beschrieben werden. ... mehrZur Verbesserung der Modellgenauigkeit wird eine neuartige kombinierte statisch-dynamische Parameteridentifikation vorgestellt. In diesem Verfahren werden thermische Widerstände und Kapazitäten getrennt identifiziert, um gegenseitige Beeinflussungen während der Identifikation zu minimieren. Das resultierende thermische Modell wird anschließend experimentell durch Kreuzvalidierung verifiziert, was seine Effektivität bei der Abbildung des physikalischen Verhaltens der Maschine bestätigt.

Aufbauend auf dem Modell erfolgt eine systematische Analyse auf Systemebene, um die Stabilität und das dynamische Fehlerverhalten des thermischen Modells zu bewerten und einen Zustandsbeobachter zu integrieren. Das thermische Netzwerkmodell wird diskretisiert und in einen Kalman-Filter eingebunden. Dieser Beobachter verwendet die Temperatur der Stator-Wickelkopf sowie den Strom und die Spannung der Rotorwicklung zur Datenfusion. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das System beobachtbar ist und dass der Filter Messrauschen wirksam unterdrückt, wodurch eine zuverlässige Schätzung der inneren thermischen Zustände der Maschine ermöglicht wird.

Abschließend wird ein neues, modellbasiertes Thermomanagementkonzept auf Anwendungsebene vorgeschlagen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen wie der Drehmomentbegrenzung zielt das vorgeschlagene Konzept darauf ab, die Temperaturen von Rotor und Stator aktiv auszugleichen. Als Kompromiss kann dies zu erhöhten Temperaturen in thermisch weniger kritischen Bereichen führen. Das Konzept wird durch Systemsimulationen validiert und zeigt ein verbessertes thermisches Verhalten sowie potenzielle Vorteile für die langfristige Zuverlässigkeit.

The rise of electric vehicles has introduced both challenges and opportunities for the transformation of the automotive industry. In this context, electric drives, electronic control systems and batteries are essential. This work focuses on the EESM as the electric drive system, with particular attention to online temperature monitoring and thermal management strategies. The research is divided into three main parts.

Firstly, a low-order thermal network model is developed for the EESM, in which the machine's loss mechanisms, thermal resistances, and capacitances are analytically calculated. ... mehrTo improve model accuracy, a novel combined static-dynamic parameter identification approach is introduced. In this method, thermal resistances and capacities are identified separately to reduce mutual interference during the estimation process. The resulting thermal model is then validated through experimental cross-validation, confirming its effectiveness in representing the physical behavior of the machine.

Following model development, a system-level analysis is conducted to evaluate the thermal model's stability and dynamic error characteristics and to introduce state observer. The thermal network model is discretized and integrated into a Kalman filter. This observer utilizes the stator end-winding temperature and the rotor winding current and voltage as input for data fusion. Experimental results demonstrate that the system is observable and that the Kalman filter effectively reduces measurement noise, enabling reliable estimation of the machine's internal thermal states.

Finally, a new model- based thermal management concept is proposed on the application level. Differed from the conventional torque derating approaches as state of the art, the proposed concept seeks to actively balance the rotor and stator temperatures. As a trade-off, temperatures in thermally less critical regions may increase. The proposed control concept is validated through system-level simulations, demonstrating improved thermal behavior and potential benefits for long-term reliability.