DE102007057561A1

DE102007057561A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Momentenermittlung für einen Elektroantrieb

Info

Publication number: DE102007057561A1
Application number: DE102007057561A
Authority: DE
Inventors: Ralf Männel
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Momentenermittlung an einem Elektroantrieb. Beim Einsatz von Elektroantrieben in Elektro- oder Hybridfahrzeugen ist eine Überwachung des vom Elektromotor abgegebenen Drehmomentes erforderlich, um im Fehlerfall eine ungewünschte Drehmomentenabgabe sicher zu verhindern. Die Erfindung zeigt eine vereinfachte Überwachungsfunktion für Elektroantriebe, welche mit einer geringen Anzahl an einfach zu bestimmenden Messgrößen auskommt und eine zuverlässige Ermittlung des maximal abgebbaren Momentes gewährleistet. Es erfolgt erfindungsgemäß eine Energiebilanzbetrachtung des elektrischen Antriebssystems, bestehend aus Elektromotor und Umrichter, wobei die dem Gleichspannungszwischenkreis entnommene (motorischer Betrieb) bzw. zugeführte (generatorischer Betrieb) elektrische Leistung in direkter Beziehung zum abgegebenen bzw. aufgenommenen Moment (Drehmoment) der Elektromaschine steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Momentenermittlung an einem Elektroantrieb. Insbesondere beim Einsatz von Elektroantrieben in Elektro- oder Hybridfahrzeugen ist eine Überwachung des vom Elektromotor abgegebenen Drehmomentes erforderlich, um im Fehlerfall eine ungewünschte Drehmomentenabgabe sicher zu verhindern.
Vorbekannt sind dazu Überwachungsvorrichtungen, die aus den vorzugsweise redundant gemessenen Strangströmen über ein Maschinenmodell eine von der Elektromaschinenregelung unabhängige Ermittlung eines maximalen Istdrehmomentes durchführen und mit dem von einer übergeordneten Steuerung vorgegebenen Solldrehmoment vergleichen. Eine solche Vorrichtung zeigt beispielsweise die DE 10 2004 022 767 A1 .
Die Rückrechnung des maximalen Istdrehmomentes aus den Strangströmen der Elektromaschine ist aufgrund der Komplexität des Elektromaschinenmodells aufwändig und damit schwerer nachvollziehbar sowie potentiell fehlerträchtig. Es ist weiterhin eine schnelle Messung der Phasenströme sowie eine sichere Lageerfassung der Elektromaschine erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine vereinfachte Überwachungsfunktion für Elektroantriebe anzugeben, welche mit einer geringen Anzahl an einfach zu bestimmenden Messgrößen auskommt und eine zuverlässige Ermittlung des maximal abgebbaren Momentes gewährleistet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 6 gelöst.
Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt eine Vereinfachung der Überwachungsfunktion durch eine Energiebilanzbetrachtung des elektrischen Antriebssystems bestehend aus Elektromotor und einem Umrichter. Die dem Gleichspannungszwischenkreis entnommene (motorischer Betrieb) bzw. zugeführte (generatorischer Betrieb) elektrische Leistung steht in direkter Beziehung zum abgegebenen bzw. aufgenommenen Moment (Drehmoment) der Elektromaschine.
Der Elektroantrieb wird im motorischen Betrieb von einer Gleichspannung gespeist und über einen Umrichter (z. B. Pulswechselrichter) mit Energie versorgt. Bei generatorischem Betrieb wird die Energie im Umrichter gewandelt (gleichgerichtet) und in Form einer Gleichspannung über den Umrichter abgegeben. Erfindungsgemäß vorteilhaft werden die
Spannung U_ZW und der Strom I_ZW am Zwischenkreis gemessen und weiterhin die Drehzahl n des Elektroantriebs ermittelt, wobei eine Erkennung erfolgt, ob sich der Elektroantrieb im motorischen oder generatorischen Betrieb befindet. In Abhängigkeit von der Betriebsart wird das im motorischen Betrieb abgegebene Moment M mit Gleichung (2) zu
und im generatorischen Betrieb das aufgenommene Moment M mit Gleichung (4) zu
ermittelt.
Erfindungsgemäß vorteilhaft werden für η_G und η_M jeweils Konstanten des für die Elektromaschine und den Umrichter maschinentypischen, maximal möglichen Wirkungsgrades verwendet. Durch diese Betrachtung vereinfacht sich die Drehzahl- und Iststromabhängige Wirkungsgradermittlung, wobei durch Annahme des maximal möglichen Wirkungsgrades ein Maximalmoment ermittelt wird, welches in Teilbereichen von dem real vorhandenen abweicht. Für eine Überwachungsfunktion ist jedoch gerade die Annahme des Maximalwertes zweckmäßig, da beim Überschreiten des mit dem bereits maximal angenommenen Wirkungsgrades eine Fehlfunktion trotz der Vereinfachung der Berechnung zuverlässig erkannt wird.
Eine genauere Ermittlung des Gesamtwirkungsgrades von Umrichter und Elektromaschine im motorischen η_M und generatorischen η_G Betrieb erlaubt eine genauere Berechnung des abgebbaren bzw. aufnehmbaren Moments M. Es werden hierfür wenigstens von der Drehzahl n und/oder vom Strom im Zwischenkreis I_ZW abhängige Werte für den Gesamtwirkungsgrad im motorischen η_M und generatorischen η_G Betrieb für die Berechnung der Momente genutzt. In einer bevorzugten Ausführung werden η_G und η_M aus einem über Drehzahl n und Strom im Zwischenkreis I_ZW aufgespannten Kennfeld ausgelesen.
Für die Überwachung der Elektromaschine gibt eine übergeordnete Steuerung ein Sollmoment vor. Dies wird mit einem gemäß der Gleichungen (2) bzw. (4) ermittelten Istwert des Drehmoments M verglichen, wobei bei Überschreiten des Solldrehmomentes ein Fehler erkannt und eine Fehlerreaktion ausgelöst werden kann.
Die Vorrichtung zum Ermitteln des Drehmoments einer Elektromaschine weist einen Umrichter auf, der im motorischen Betrieb der Vorrichtung eine zum Betrieb der Elektromaschine geeignete Wechselspannung erzeugt und im generatorischen Betrieb die vom Generator erzeugte Energie in Form von Gleichstrom- bzw. spannung dem Zwischenkreis zuführt. Für die Überwachung der Elektromaschine liegen einer Überwachungseinrichtung die Spannung U_ZW, der Strom I_ZW am Zwischenkreis und die Drehzahl n des Elektroantriebs an. Eine Erkennungseinrichtung unterscheidet dabei generatorischen und motorischen Betrieb. In der Überwachungseinrichtung ermittelt eine erste Recheneinheit im erkannten motorischen Betrieb einen Istwert des Drehmoments M gemäß Gleichung (2) und im generatorischen Betrieb einen Istwert des Drehmoment gemäß Gleichung (4), wobei das jeweils berechnete Istmoment am Ausgang der Recheneinheit anliegt.
Zur Überwachung des Drehmomentes liegt das jeweilige Istmoment einer Überwachungseinrichtung an, der gleichzeitig ein Sollmoment einer übergeordneten Steuerung anliegt. Die Überwachungseinrichtung ist dabei in einer einfachen Ausführung eine Vergleichereinheit für die anliegenden Momentensignale, an deren Ausgang bei einer definierbaren Abweichung ein Fehlersignal generierbar ist.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand eines Beispiels beschrieben. Hierbei zeigt die 1 eine Elektromaschine M/G, die von einem Umrichter U gesteuert wird. Die Bezeichnung Elektromaschine M/G wird im Sinne der Erfindung dahingehend verstanden, dass diese sowohl als Motor mit Leistungsabgabe als auch als Generator mit Leistungsaufnahme aus dem nachfolgenden mechanischen System betrieben werden kann. Die Steuerung der Elektromaschine M/G erfolgt auf Basis eines Momentensollwertes, wobei für die Ansteuerung dem Umrichter U ein Signal der Drehzahl n und der Phasenlage phi der Elektromaschine M/G anliegt. Der Umrichter U entnimmt im motorischen Betrieb die Energie einem Zwischenkreis, der hier beispielhaft von einer Batterie B gespeist wird. Im generatorischen Betrieb der Elektromaschine M/G wird Energie in den Zwischenkreis gespeist. Insbesondere bei einer Anwendung der Elektromaschine M/G in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug erfolgt wechselnd gemäß der Anforderung des Fahrers ein Antrieb des Fahrzeuges über die Elektromaschine M/G oder bei Abbremsen des Fahrzeuges ein Rekuperieren der Energie im generatorischen Betrieb der Elektromaschine M/G. Hierbei ist das antreibende sowie das als Bremsmoment von der Elektromaschine M/G entgegengesetzte Drehmoment zu überwachen, um im Fehlerfall eine ungewünschte Reaktion des Fahrzeuges zu vermeiden. Einer Überwachungseinrichtung W liegt daher das Signal der Drehzahl n der Elektromaschine M/G sowie die Zwischenkreisspannung U_ZW und der Strom I_ZW im Zwischenkreis an.
Die Überwachungsfunktion erfolgt durch eine Energiebilanzbetrachtung des elektrischen Antriebssystems bestehend aus Elektromotor und Umrichter U. Die dem Gleichspannungszwischenkreis entnommene (motorischer Betrieb) bzw. zugeführte (generatorischer Betrieb) elektrische Leistung steht in direkter Beziehung zum abgegebenen bzw. aufgenommenen Drehmoment. Im motorischen Betrieb gilt
(P_ZW ... dem Zwischenkreis entnommene bzw. im generatorischen Betrieb zugeführte Leistung, U_ZW ... Zwischenkreisspannung, I_ZW ... dem Zwischenkreis entnommener bzw. im generatorischen Betrieb zugeführter Strom, η_M ... Gesamtwirkungsgrad der Elektromaschine mit Pulswechselrichter (Teil des Umrichters U) im motorischen Betrieb, n ... Drehzahl des Elektromotors, M ... abgegebenes Drehmoment des Elektromotors).
Im motorischen Betrieb gilt daher für das abzugebende Drehmoment M
Im generatorischen Betrieb gilt PZW = UZW·IZW = n/60·2·Π·M·ηG (3)wobei η_G der Gesamtwirkungsgrad der Elektromaschine M/G mit Gleichrichter (Teil des Umrichters U) und M das m generatorischen Betrieb aufgenommene Drehmoment ist. Daher ergibt sich für das von der Elektromaschine M/G aufgenommene Moment M nach Gleichung (4).
Die Momentenermittlung stellt sich als sehr einfach dar. Die Erfassung von U_ZW und I_ZW erfordert lediglich 2 einfache Messstellen. Als weitere Messgröße an der Elektromaschine M/G ist deren Drehzahl n erforderlich. Der Wirkungsgrad kann vorzugsweise in einem über der Drehzahl n und dem Strom im Zwischenkreis I_ZW aufgespannten Kennfeld abgelegt werden. Für eine Maximalmomentermittlung in der Überwachungsvorrichtung reicht dabei ein vereinfachter Ansatz für den Wirkungsgrad aus. Für diesen Fall wird ein konstanter Wert, der den maximalen Wirkungsgrad repräsentiert, zur Berechnung genutzt.
Die Überwachungsvorrichtung kann in einer separaten Überwachungseinheit konzentriert werden. Da außer der Drehzahl n nur Klemmengrößen des elektrischen Antriebes ausgewertet werden, kann die Überwachungseinheit Teil bereits vorhandener Funktionalitäten, z. B. zentrale Energieverteilung, Batteriemanager, Spannungswandler oder ein übergeordnetes Steuergerät des Fahrzeuges (z. B. Hybridmanager, Motorsteuergerät), sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004022767 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Momentenermittlung an einer Elektromaschine, die sowohl generatorisch als auch motorisch betrieben wird, wobei der Elektroantrieb im motorischen Betrieb von einer Gleichspannung gespeist und über einen Umrichter mit Energie versorgt wird und im generatorischen Betrieb die Energie in Form einer Gleichspannung bzw. eines Gleichstromes über den Umrichter abgegeben wird, wobei Spannung (U_ZW) und Strom (I_ZW) am Zwischenkreis gemessen werden und die Drehzahl (n) des Elektroantriebs ermittelt wird und eine Erkennung erfolgt, ob sich der Elektroantrieb in einem motorischen oder generatorischen Betrieb befindet dadurch gekennzeichnet, dass im motorischen Betrieb das Moment (M)
und im generatorischen Betrieb
ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für (η_G) und (η_M) jeweils eine Konstante für den für die Elektromaschine (M/G) und den Umrichter (U) maschinentypischen, maximal möglichen Wirkungsgrad verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für (η_G) und (η_M) jeweils wenigstens von der Drehzahl (n) und/oder vom Strom im Zwischenkreis (I_ZW) abhängige Werte des Gesamtwirkungsgrades für die Berechnung des Momentes (M) genutzt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung des generatorischen bzw. motorischen Betriebs anhand der Stromrichtung oder anhand eines drehzahlabhängigen Schwellwertes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Überwachung der Elektromaschine (M/G) ein von einer übergeordneten Steuerung vorgegebenes Solldrehmoment mit einem gemäß der Gleichungen (2) bzw. (4) ermittelten Drehmoment (M) verglichen wird und bei Überschreiten des Solldrehmomentes ein Fehler erkannt und eine Fehlerreaktion ausgelöst wird.
Vorrichtung zum Ermitteln des Drehmoments einer Elektromaschine (M/G), welche einen Umrichter (U) aufweist, der im motorischen Betrieb der Vorrichtung in eine zum Betrieb der Elektromaschine (M/G) geeignete Wechselspannung wandelt und im generatorischen Betrieb eine Gleichspannung erzeugt, wobei für die Überwachung der Elektromaschine (M/G) einer Überwachungseinrichtung (W) die Spannung (U_ZW), der Strom (I_ZW) am Zwischenkreis und die Drehzahl (n) der Elektromaschine (M/G) anliegen, wobei mittels einer Erkennungseinrichtung generatorischer und motorischer Betrieb erkennbar ist und eine Auswerteeinheit im erkannten motorischen Betrieb ein Moment (M) gemäß Gleichung (2) und im generatorischen Betrieb ein Moment gemäß Gleichung (4) ermittelt, wobei das jeweils berechnete Istmoment (M) am Ausgang der Recheneinheit anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilig ermittelte Moment (M) als Signal in der Überwachungseinrichtung (W) zur Verfügung steht, wobei gleichzeitig ein Sollmoment des Momentes aus einer übergeordneten Steuerung der Überwachungseinrichtung (W) anliegt und die Überwachungseinrichtung (W) eine Vergleichereinheit für die Momentensignale aufweist, in welcher bei Überschreiten einer definierbaren Abweichung ein Fehlersignal generierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (W) als Teil bereits für die Steuerung vorhandener Vorrichtungen, wie der zentralen Energieverteilung, dem Batteriemanager, dem Spannungswandler oder einem übergeordneten Steuergerät des Fahrzeuges, wie dem Hybridmanager oder dem Motorsteuergerät, ausgeführt ist.