-
Technisches Gebiet
-
Die
folgende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen
eines Zustands eines Elektromotors, insbesondere eines Elektromotors
eines Hybridfahrzeugs.
-
Stand der Technik
-
Zur Überprüfung
eines Ist-Zustandes eines Elektromotors wie beispielsweise eines
Drehmomentes auf Plausibilität bei Vorliegen bestimmter
Systemparameter kann der Ist-Zustand beispielsweise mit einem zu
erwartenden Soll-Zustand verglichen werden. Unterscheidet sich ein
durch den Elektromotor eines Hybridfahrzeugs erzeugtes Ist-Drehmoment von
einem gewünschten Soll-Moment, das beispielsweise anhand
einer Gaspedalstellung ermittelbar ist, so ist von einer Fehlfunktion
des Systems auszugehen, die zu einer ungewollten Fahrzeugbeschleunigung
führen kann.
-
Die
DE 10 2006 004 280
A1 offenbart ein Verfahren zur kontinuierlichen Momentenüberwachung
eines Hybridantriebs, bei dem ein zulässiges Gesamtmoment
mit einer Summe aus einem Ist-Moment eines Elektroantriebs und einem
Ist-Moment einer Brennkraftmaschine verglichen wird.
-
Die
Plausibilisierung eines Drehmomentes eines Elektromotors wird üblicherweise
auf der Basis einer aus der Hochspannungsbatterie entnommenen Leistung
P und einer Drehzahl n anhand der Formel T =
P/n·η durchgeführt, wobei η einen
Wirkungsgrad der Umsetzung der elektrischen Energie in mechanische
Energie von der Hochspannungsbatterie zum Elektromotor bezeichnet.
Für die elektrische Leistung gilt der Zusammenhang P =
U·I, wobei U die Zwischenkreisspannung bzw. die Batteriespannung
ist und wobei I der der Batterie entnommenen Gleichstrom ist.
-
Aufgrund
der Quotientenbildung zur Berechnung des Drehmomentes T führen
beispielsweise absolute bzw. systematische Messfehler bei niedrigen
Drehzahlen zu einer starken Aufweitung eines Fehlerfensters, so
dass bei niedrigen Drehzahlen jedes auftretende Moment als zuverlässig
gewertet werden muss. Daraus ergibt sich das Problem, dass das Drehmoment
nicht mehr überwacht und somit nicht mehr auf seine Plausibilität
hin überprüft werden kann.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Zustand eines Elektromotors,
beispielsweise ein Drehmoment, anhand einer Kennlinie, die typisch
für den Elektromotor ist und beispielsweise empirisch durch
Messungen bestimmt werden kann, überprüfbar ist.
Die Kennlinie ermöglicht es, unterschiedliche physikalische
Kenngrößen zur Zustandsüberwachung einzusetzen,
wodurch eine Kenngrößen-Redundanz erzielt wird,
die eine sicherere Zustandsüberwachung insbesondere bei
niedrigen Drehzahlen, die beispielsweise 10%, 15%, 20% oder 25%
der maximal erreichbaren Drehzahl betragen, ermöglicht.
Ferner kann dadurch insbesondere im niedrigeren Drehzahlbereich
eine sichere Zustandsplausibilisierung durchgeführt werden,
weil beispielsweise zur Überprüfung eines Drehmomentes
des Elektromotors dessen aufgenommene elektrische Leistung oder
ein für das Drehmoment ursächlicher Querstrom,
der beispielsweise die in dem Elektromotor angeordneten Spulen durchfließt,
erfasst und mit der Kennlinie verknüpft werden kann.
-
Durch
die Verwendung der Kennlinie kann ferner insbesondere im niedrigen
Drehzahlbereich bis beispielsweise 1.000 U/min eine genauere Zustandplausibilisierung
durchgeführt werden, ohne dass die vorgenannten Ungenauigkeiten
in niedrigen Drehzahlbereichen sich negativ auswirken.
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen
eines Zustands eines Elektromotors, mit Erfassen einer gemessenen
ersten physikalischen Größe des Elektromotors
durch eine Messung, wobei die erste physikalische Größe
auf einen Ist-Zustand des Elektromotors hinweist, Bereitstellen
einer zweiten physikalischen Größe des Elektromotors,
die auf einen Soll-Zustand des Elektromotors hinweist, Ermitteln
einer zu erwartenden ersten physikalischen Größe
auf der Basis der zweiten physikalischen Größe
und einer Kennlinie des Elektromotors, die die zu erwartende erste
physikalische Größe mit der zweiten physikalischen
Größe verknüpft, und Überprüfen des
Zustandes anhand eines Vergleichs zwischen der gemessenen ersten
physikalischen Größe und der zu erwartenden ersten
physikalischen Größe.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel ist die gemessene erste physikalische
Größe eine elektrische Leistung, insbesondere
eine durch den Elektromotor aufgenommene oder durch eine elektrische Batterie
bereitgestellte elektrische Leistung, wobei die zweite physikalische
Größe ein Drehmoment des Elektromotors oder ein
Querstrom, der für ein Drehmoment des Elektromotors ursächlich
ist, oder eine von dem Drehmoment oder dem Querstrom abhängige
Größe ist, und wobei die zu erwartende erste physikalische
Größe die bei Vorliegen der zweiten physikalischen
Größe zu erwartende elektrische Leistung ist.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel sind die erste physikalische Größe
und die zweite physikalische Größe unterschiedliche
physikalische Größen und weisen beispielsweise
unterschiedliche Einheiten auf.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel umfasst die Kennlinie gemessene oder
empirisch bestimmte oder repräsentative Kennlinienwerte.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel ist die Kennlinie ein dreidimensionales
Kennlinienfeld, das die zu erwartende erste physikalische Größe,
insbesondere eine Leistung, mit der zweiten physikalischen Größe,
insbesondere einem Drehmoment des Elektromotors oder einem Querstrom,
der für ein Drehmoment des Elektromotors ursächlich
ist, oder einer von dem Drehmoment oder dem Querstrom abhängigen
Größe, und einer dritten physikalische Größe,
insbesondere einer Motordrehzahl, verknüpft.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel wird in dem Schritt des Überprüfens
die gemessene erste physikalische Größe mit der
zu erwartenden ersten physikalischen Größe verglichen.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel wird der Elektromotor abgeschaltet,
falls ein Unterschied zwischen der gemessenen ersten physikalischen
Größe und der zu erwartenden ersten physikalischen
Größe einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel wird der Zustand des Elektromotors
auf der Basis der Kennlinie bis zu einer vorgebbaren Drehzahl des
Elektromotors überprüft, wobei der Zustand des
Elektromotors oberhalb der vorgebbaren Drehzahl auf der Basis eines
Vergleichs der gemessenen ersten physikalischen Größe
und der zu erwartenden ersten physikalischen Größe,
insbesondere auf der Basis eines Vergleichs zwischen einem gemessenem
Ist-Drehmoment und einem Soll-Drehmoment, das in Abhängigkeit
von einer aufgenommenen oder abgegebenen elektrischen Leistung oder
einer Drehzahl des Elektromotors berechnet wird, durchgeführt
wird.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel werden ferner ein Drehmoment des Elektromotors
und/oder eine Drehzahl des Elektromotors in Abhängigkeit
des Vergleichs zwischen der gemessenen ersten physikalischen Größe
und der zu erwartenden ersten physikalischen Größe
insbesondere adaptiv eingestellt.
-
Die
Erfindung betrifft ferner eine programmtechnisch eingerichtete Vorrichtung,
die ausgebildet ist, ein Computer-Programm zum Ausführen
des Verfahrens zum Überprüfen eines Zustands eines
Elektromotors auszuführen.
-
Zeichnungen
-
Weitere
Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 Verfahrensschritte
zum Überprüfen eines Zustands eines Elektromotors;
-
2 einen
drehzahlabhängigen Fehler bei einer Bestimmung eines Drehmomentes;
-
3 ein
drehzahlabhängiges Zustandsüberwachungskonzept;
-
4 einen
Zusammenhang zwischen einem Querstrom und einem Drehmoment;
-
5 ein
Kennlinienfeld; und
-
6 ein
Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Überprüfen
eines Zustands eines Elektromotors.
-
Beschreibung der Ausführungsformen
-
1 zeigt
ein Diagramm eines Verfahrens zum Überprüfen eines
Zustands eines Elektromotors, bei dem im Schritt 101 eine
erste physikalische Größe des Elektromotors, beispielsweise
eine elektrische Leistung, die beispielsweise durch eine elektrische
Hochspannungsbatterie bereitgestellt oder durch den Elektromotor
aufgenommen wird, mittels einer Messung erfasst wird. Die erste
physikalische Größe weist auf einen Ist-Zustand
des Elektromotors hin. Im Schritt 103 wird eine zweite
physikalische Größe des Elektromotors, beispielsweise
ein Drehmoment oder ein Querstrom, der für das Drehmoment
ursächlich ist oder eine von dem Drehmoment oder dem Querstrom
abhängige Größe, bereitgestellt. Die
zweite physikalische Größe weist auf einen Soll-Zustand
des Elektromotors hin. Das Soll-Drehmoment ergibt sich beispielsweise
aus einer Gaspedalstellung, wobei gegebenenfalls Drehmomentverluste
berücksichtigt werden können. Der Soll-Zustand
des Elektromotors entspricht somit einem Zustand des Elektromotors,
der unter Berücksichtigung von beispielsweise unterschiedlichen
Systemparametern wie beispielsweise die vorgenannte Gaspedalstellung
zu erwarten ist. Dabei können die Schritte 101 und 103 gleichzeitig
oder zeitversetzt erfolgen.
-
Im
Schritt 105 wird eine zu erwartende erste physikalische
Größe auf der Basis der zweiten physikalischen
Größe und einer Kennlinie des Elektromotors, die
die zu erwartende erste physikalische Größe mit
der zweiten physikalischen Größe verknüpft,
ermittelt. Die zu erwartende erste physikalische Größe, beispielsweise
das unter Berücksichtigung der Systemparameter zu erwartende
Drehmoment oder die zu erwartende elektrische Leistung, betrifft
bevorzugt dieselbe physikalische Gegebenheit des Elektromotors wie
die gemessene erste physikalische Größe.
-
Im
Schritt 107 wird anhand eines Vergleichs zwischen der gemessenen
ersten physikalischen Größe und der zu erwartenden
ersten physikalischen Größe überprüft,
ob der Ist-Zustand des Elektromotors dem Soll-Zustand des Elektromotors
entspricht. Die Überprüfung im Schritt 107 führt
insbesondere zu einer Feststellung, ob der Ist-Zustand plausibel
oder nicht plausibel ist. Ist der Ist-Zustand plausibel, so wird
von einer fehlerfreien Funktion des Systems ausgegangen. Unterscheidet
sich der Ist-Zustand des Elektromotors signifikant von dem Soll-Zustand des
Elektromotors, so wird von einem Systemfehler ausgegangen, wobei
der Elektromotor beispielsweise abgeschaltet werden kann. Ein Unterschied
zwischen dem Ist-Zustand und dem Soll-Zustand ist dann signifikant,
wenn er einen vorgebbaren Schwellwert, beispielsweise 5% oder 10%
des Soll-Zustands, überschreitet oder unterschreitet.
-
Das
Verfahren zum Überprüfen des Zustandes des Elektromotors
wird beispielsweise eingesetzt, um den Ist-Zustand des Elektromotors
zu plausibilisieren. Hierbei kann beispielsweise anstelle des Drehmoments
die elektrische Leistung, die durch den Elektromotor aufgenommen
oder die durch die Hochspannungsbatterie bereitgestellt wird, auf
die Plausibilität hin überprüft werden.
Die Plausibilisierung kann beispielsweise durch eine Funktionssoftware auch
für niedrige und sehr niedrige Drehzahlen erfolgen, was
zu einer deutlichen Verbesserung der Fahrzeugsicherheit führt.
-
Wie
vorstehend beschrieben kann das Drehmoment für niedrige
Drehzahlen aus der Beziehung T = P/n·η nur mit
einem großen Messfehler bestimmt werden, der beispielsweise
auf die absolute Messabweichung zurückgeführt
werden kann. Die aus der Hochspannungsbatterie bezogene elektrische
Leistung P = U·I hingegen kann drehzahlunabhängig
und daher im niedrigen Drehzahlbereich bis beispielsweise etwa 1.000
U/min genau innerhalb eines Genauigkeitsbereichs bestimmt werden.
Insbesondere kann die elektrische Leistung auch dann bestimmt werden, wenn
das Fahrzeug sich im Stillstand befindet. Wird beispielsweise ungewollt
der Elektromotor mit einer Leistung oberhalb einer einstellbaren
Schwelle beaufschlagt, so kann eine Fehlreaktion eingeleitet werden,
durch die der Elektromotor beispielsweise abgeschaltet wird. Dies
ist auch dann möglich, wenn beispielsweise das anliegende
Drehmoment nicht präzise genug bestimmt werden kann, um
eine Drehmomentabweichung zu erfassen.
-
Wird
eine Leistung unterhalb einer Schwelle eingespeist, so kann die
Beschleunigung beispielsweise mit a = F/m = T/r/m
= P/(n·η·r·m)abgeschätzt
werden, wobei mit F eine Kraft, mit m ein Fahrzeuggewicht und mit
r ein Radius bezeichnet sind. Je höher die bereits erreichte
Geschwindigkeit, desto mehr Leistung ist erforderlich, um beispielsweise
eine signifikante Beschleunigung zu erreichen. Gleichzeitig steigt
mit der Drehzahl auch die Genauigkeit des Momentenvergleichs anhand
der vorgenannten Formel, weil der sich im niedrigeren Drehzahlbereich
stark auswirkende Messfehler sich im höheren Drehzahlbereich
weniger auswirkt. Wird die Leistung hingegen oberhalb der Schwelle
eingespeist, so erlaubt deren Plausibilisierung eine sofortige Fehlerreaktion,
die sogar dann möglich ist, wenn ein Triebstrang des Hybridfahrzeugs
oder das Hybridfahrzeug selbst sich nicht oder nicht nennenswert bewegt
haben. Somit erlaubt eine drehzahlabhängige Kombination
von Momenten- und Leistungsüberwachung zur Zustandsüberwachung
eine signifikante Erhöhung der Überwachungsgenauigkeit.
-
2 zeigt
einen Verlauf 201 eines Fehlers in der Momentenbestimmung,
der bezogen beispielsweise auf ein Maximalmoment beispielsweise
mit dem Kehrwert der der steigenden Drehzahl abfällt. Ferner
ist mit dem Verlauf 203 ein Fehler in der Leistungsbestimmung
dargestellt, der drehzahlunabhängig ist. Wie in 2 dargestellt
schneiden sich die Verläufe 201 und 203 bei
einer Drehzahl von etwa 1.000 U/min, sodass der Zustand des Elektromotors bis
zu dieser Drehzahl bevorzugt auf der Basis der elektrischen Leistung
und ab dieser Drehzahl bevorzugt auf der Basis des Drehmomentes
erfasst werden kann.
-
3 verdeutlicht
eine mögliche drehzahlabhängige Zustandsüberwachung,
die bis zu einer vorbestimmten ersten Umdrehungszahl, beispielsweise
bis zu 1.000 U/min, im Drehzahlbereich 301 auf der Basis
der Leistungsüberwachung durchgeführt werden kann.
Oberhalb von 1.000 U/min kann die Zustandsüberwachung beispielsweise
auf der Basis der Momentenüberwachung durchgeführt
werden, was durch den Drehzahlbereich 305 verdeutlicht ist.
Darüber hinaus kann eine drehzahlabhängige Bewertung
der maximal zulässigen Momentenabweichung durchgeführt
werden, wobei Momentenfehler entdeckt werden können, nachdem
sich das Fahrzeug bereits in Bewegung gesetzt hat und eine endliche
Drehzahl erreicht hat, die einen Momentenvergleich ermöglicht.
Die Momentenüberwachung im Drehzahlbereich 305 kann
beispielsweise auf der Basis der vorstehend genannten Formel durchgeführt werden,
da sich bei höheren Drehzahlen oberhalb von beispielsweise
1.000 U/min der vorstehend genannte Erfassungsfehler nicht so stark
auswirkt, wie es im niedrigeren Drehzahlbereich der Fall ist.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel kann zur Überwachung bzw.
zur Plausibilisierung eines Drehmomentes eines Elektromotors ein
linearer Zusammenhang zwischen einem Querstrom Isq und einem Moment τ,
wie in 4 dargestellt, herangezogen werden, wobei der
Querstrom beispielsweise über die elektrische Leistung
plausibilisiert werden kann. Ferner kann das Drehmoment aus einem
beispielsweise nicht abgesicherten oder nicht notwendigerweise redundant
erfassten Querstrom bestimmt werden. Der Querstrom ist derjenige
Strom, der zur Erzeugung des für das Drehmoment ursächlichen
magnetischen Feldes aufgewendet wird. Der Querstrom kann insbesondere
als eine gemessene erste physikalische Größe durch
eine Messung gewonnen werden, die einen Ist-Zustand des Elektromotors
charakterisiert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann
der Querstrom jedoch eine zweite physikalische Größe
des Elektromotors darstellen, die auf einen Soll-Zustand des Elektromotors,
insbesondere auf ein Soll-Drehmoment des Elektromotors, hinweist. Beispielsweise
kann das Drehmoment ferner aus einem beispielsweise nicht abgesicherten,
d. h. nicht notwendigerweise redundant erfassten, Querstrom bestimmt
werden. Die Absicherung erfolgt, indem der mit dem Querstrom und
mit der Drehzahl zusammenhängende Wert der elektrischen
Leistung aus einer Kennlinie oder aus einem Kennfeld ausgelesen
und mit aus einer Messung der Gleichstromgrößen
bestimmten elektrischen Leistung verglichen wird. Dabei führt
ein fehlerhaft gemessener Querstrom, was gleichbedeutend mit einem
fehlerhaft bestimmten Ist-Moment ist, zu einer Leistung, die nicht
plausibel ist, wodurch die fehlerhafte Messung erkannt werden kann.
-
5 zeigt
beispielhaft ein Kennlinienfeld, in dem eine erwartete Leistung
P, eine Amplitude eines Querstroms A sowie eine Drehzahl miteinander
verknüpft sind. Das Kennlinienfeld kann beispielsweise empirisch
durch Messungen bestimmt und beispielsweise in einem Speicher oder
in einer Tabelle gespeichert werden. Die zu erwartende Leistung entspricht der
vorstehend genannten zu erwartenden ersten physikalischen Größe,
die anhand des Kennlinienfeldes ermittelt werden kann. Die erwartete
Leistung kann zur Plausibilisierung des Fahrzeugzustandes beispielsweise
mit einer gemessenen Leistung verglichen werden, um festzustellen,
inwieweit sich die gemessene von der erwarteten Leistung unterscheidet.
Beispielsweise für einen elektrischen Antrieb eines Hybridfahrzeugs
mit einem hydrodynamischen Wandler kann die vorstehend beschriebene
Zustandsüberwachung auf der Basis der Kennlinie beispielsweise
in einem Drehzahlbereich von 100 U/min bis 1.000 U/min erfolgen,
wobei das Moment über den Querstrom plausibilisiert wird.
-
6 zeigt
ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Momentenerfassung auf der
Basis eines Querstroms. Dabei wird ausgenutzt, dass ein fehlerhaftes
Moment mit einem fehlerhaften Querstrom verbunden ist und dass ein
fehlerhafter Querstrom mit einer fehlerhaften elektrischen Leistung
verbunden ist. Die Plausibilisierung des Zustandes, beispielsweise
des Momentes des Elektromotors, erfolgt beispielsweise über
eine gemessene Gleichstrom-Leistung. Dabei werden einem Prozessor 601 beispielsweise
ein Querstrom über eine Leitung 603, eine elektrische
Leistung Pelektrisch = UDC·IDC, wobei UDC eine
Gleichspannung der Hochspannungsbatterie und IDC einen
Gleichstrom bezeichnen, über eine Leitung 605 und
eine Drehzahl über eine Leitung 607 zugeführt.
Der Prozessor 601 verknüpft diese Größen
mit einem Kennlinienfeld, das beispielsweise dem Kennlinienfeld
aus 5 entsprechen kann, und ermittelt, ob die gemessene
elektrische Leistung der zu erwartenden elektrischen Leistung entspricht. Unterscheidet
sich die aus dem Kennlinienfeld ermittelte erwartete Leistung von
der gemessenen Leistung um einen Differenzbetrag, der beispielsweise
einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, so kann der
Prozessor über einen Ausgang 609 ein Fehlersignal
ausgeben, das auf diesen Unterschied hinweist. Auf der Basis des
Fehlersignals kann beispielsweise bei einem signifikanten Unterschied
der Elektromotor abgeschaltet werden, um beispielsweise eine ungewollte
Beschleunigung zu verhindern.
-
Optional
kann der Querstrom einem weiteren Prozessor 611 zugeführt
werden, der beispielsweise auf der Basis der in 4 dargestellten
Kennlinie das Ist-Moment ermittelt und es über einen Ausgang 613 ausgibt.
-
Der
Prozessor 601 und der weitere Prozessor 611 können
separate Berechnungselemente sein, die jeweils einen Speicher umfassen,
in dem die Kennlinien- bzw. Kennfelddaten abgelegt sind. Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel sind der Prozessor 601 und
der weitere Prozessor 611 in eine programmtechnisch eingerichtete
Vorrichtung implementiert, die ausgebildet ist, ein Computerprogramm zum
Ausführen des Verfahrens zum Überprüfen
eines Zustandes des Elektromotors aufzuführen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006004280
A1 [0003]