-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebsaggregats,
insbesondere für Fahrzeuglenksysteme.
-
In
der Kraftfahrzeugtechnik werden vielfach Antriebsaggregate verwendet,
die einen Motor und eine Steuer/Regeleinheit umfassen, so dass sie
eine kompakte Einheit sind und weitgehend unabhängig von anderen Systemen im
Fahrzeug eingebaut werden können,
beispielsweise als Teil eines Motor/Pumpen-Aggregats für Fahrzeuglenksysteme.
-
In 1 ist
ein Antriebsaggregat 10' nach dem
Stand der Technik gezeigt, mit einer elektronischen Steuer/Regeleinheit 12' und einem Elektromotor 14'. Das Antriebsaggregat 10' ist mit einer
Batterie 16' verbunden.
Die elektronische Steuer/Regeleinheit 12' bestimmt nach einer vorgegebenen
Bedingung, beispielsweise einem Kennfeld, in Abhängigkeit von mehreren lenkungsrelevanten
Parametern, wie z. B. der Fahrzeuggeschwindigkeit v und des Lenkwinkels φ, ein Motoreingangssignal
E, über
das der Elektromotor 14' angesteuert
wird.
-
Ein
Verfahren zur Steuerung des Antriebsaggregats 10' soll mehrere
Anforderungen erfüllen. Eine
Ausgangsgröße A des
Antriebsaggregats, beispielsweise ein Drehmoment des Elektromotors,
soll größer oder
gleich einem unteren Grenzwert Amin sein.
Gleichzeitig soll ein elektrischer Strom, den das Antriebsaggregat 10' aus der Batterie 16' entnimmt, im
Folgenden Batteriestrom IB genannt, einen
oberen Grenzwert IBmax nicht übersteigen.
-
Aufgrund
von Toleranzen bei der Herstellung der Komponenten des Elektromotors 14' oder der elektronischen
Steuer/Regeleinheit 12' und
aufgrund von unterschiedlichen Randbedingungen wie z. B. Versorgungsspannung, Zuleitungswiderständen oder
Temperatur kann es bei verschiedenen Antriebsaggregaten 10' zu einer Streuung
der Ausgangsgröße A und
des Batteriestroms IB kommen. Aufgrund dieser
Streuung ist es bei einem üblichen
Steuerungsverfahren des Antriebsaggregats 10' möglich, dass nicht alle Antriebsaggregate 10' die Anforderungen
hinsichtlich Ausgangsgröße A und
Batteriestrom IB erfüllen. Solche Antriebsaggregate
stellen einen Produktionsausschuss dar und gelangen nicht in den Verkauf.
-
Es
sind auch Verfahren zur Steuerung eines Antriebsaggregats bekannt,
in denen eine Regelung vorgesehen ist. Beispielsweise wird ein Motorstrom gemessen,
der als Motoreingangssignal E von der Steuer/Regeleinheit dem Elektromotor
zugeleitet wird und der bei Übersteigen
eines Motorstrombegrenzungswerts abgeregelt wird. Der Motorstrom
ist hierbei eine interne Größe des Antriebsaggregats und
entspricht nicht notwendigerweise dem gesamten, von der Batterie
entnommenen Batteriestroms. Bei einem solchen Steuerungsverfahren
kann es daher weiter zu einer Streuung des Batteriestroms kommen,
insbesondere auch durch Veränderungen
der Randbedingungen.
-
Es
sind auch elektronische Vorschaltungen bekannt, die den Batteriestrom
zwischen Batterie und Antriebsaggregat auf einen oberen Grenzwert beschränken können. Eine
solche Vorschaltung weist wiederum eine eigene Produktstreuung auf
und kann ihrerseits von den Randbedingungen, insbesondere Temperaturschwankungen,
abhängig
sein. Eine vom Antriebsaggregat unabhängige Vorschaltung ist insbesondere
unvorteilhaft, wenn eine Regelung für das Antriebsaggregat vorgesehen
ist, da im Falle einer Strombegrenzung die Steuer/Regeleinheit das
Antriebsaggregat nicht entsprechend regeln kann.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebsaggregats
zu schaffen, mit dem ein Nichtüberschreiten
eines oberen Grenzwerts für
den Batteriestrom in allen Betriebssituationen und eine verbesserte
Performanceausbeute in Bezug auf eine Augangsgröße eines Elektromotors des
Antriebsaggregats gewährleistet
ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
dient zur Steuerung eines Antriebsaggregats, insbesondere für Fahrzeuglenksysteme,
mit einer elektronischen Steuer/Regeleinheit und einem Elektromotor,
und umfasst folgende Verfahrensschritte:
- a)
Der Motor wird über
ein Motoreingangssignal von der Steuer/Regeleinheit angesteuert;
- b) ein Batteriestrom wird ermittelt, der von dem Antriebsaggregat
aus einer Batterie entnommen wird;
- c) zumindest ein oberer Grenzwert für den Batteriestrom wird vorgegeben;
und
- d) der Elektromotor wird von der Steuer/Regeleinheit so geregelt,
dass der ermittelte Batteriestrom den vorgegebenen, oberen Grenzwert
nicht übersteigt.
-
Durch
ein solches Verfahren kann der obere Grenzwert für einen Batteriestrom eingehalten
werden, insbesondere ohne dass eine elektrische oder elektronische
Vorschaltung erforderlich ist. Des Weiteren ist durch das erfindungsgemäße Verfahren
sichergestellt, dass der maximale Batteriestrom in Bezug auf die
Arbeitsbereiche (wie z. B. Drehzahl und Temperatur) I des Elektromotors
nicht nur für
einen Arbeitspunkt bzw. kleinen Bereich, sondern über den kompletten
Arbeitsbereich zur Verfügung
steht, ohne dass dabei der obere Grenzwert für den Batteriestrom überschritten
wird.
-
Das
Motoreingangssignal kann eine elektrische Spannung oder ein elektrischer
Strom sein. Somit lässt
sich der Motor von der Steuer/Regeleinheit besonders einfach ansteuern.
-
Vorzugsweise
wird nach dem ersten Verfahrensschritt a) eine Regelungsgröße ermittelt,
wobei eine Regelung des Elektromotors in Abhängigkeit von der Regelungsgröße erfolgt.
Durch die Regelung wird die Funktion des Antriebsaggregats verbessert. Die
Regelungsgröße kann
aus einem Motoreingangssignal des Elekromotors gebildet sein. Auf
diese Weise kann der Motor beispielsweise vor einer Überlastung
geschützt
werden. Alternativ hierzu kann die Regelungsgröße aus einem Motorausgangssignal
des Elekromotors gebildet sein, wodurch eine genaue Steuerung des
Motorausgangssignals ermöglicht
und die Streuung des Motorausgangssignals verringert wird.
-
In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann ein unterer Grenzwert
für eine
Ausgangsgröße des Antriebsaggregats
vorgegeben werden, wobei diese Ausgangsgröße nicht für die Regelung des Elektromotors
verwendet bzw. berücksichtigt
wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch Ausgangs größen, die
nicht direkt von der Steuer/Regeleinheit geregelt werden, einer
Mindestanforderung genügen.
-
Vorzugsweise
bestimmt die Steuer/Regeleinheit des Antriebsaggregats im ersten
Verfahrensschritt a) das Motoreingangssignal nach einer vorgegebenen
Bedingung, beispielsweise nach einem Kennfeld, wobei die vorgegebene
Bedingung so gewählt
wird, dass der untere Grenzwert für die Ausgangsgröße von einem
vorgegebenen Quantil einer statistischen Verteilung der Ausgangsgröße mehrerer
Antriebsaggregate entspricht. Auf diese Weise kann die Steuerung
derart eingestellt werden, dass die Antriebsaggregate ihre maximale
Ausgangsgröße erreichen,
wodurch ein möglichst
kleines Quantil, beispielsweise ein 1% Quantil, der statistischen
Verteilung dem unteren Grenzwert für die Ausgangsgröße entspricht
und der Produktionsausschuss gering ist. Die vorgegebene Bedingung
wird beispielsweise durch einen statistisch ermittelten Zusammenhang zwischen
dem Motoreingangssignal und einer Ausgangsgröße des Antriebsaggregats bestimmt.
Die vorgegebene Bedingung kann dabei derart sein, dass der Batteriestrom
einiger Antriebsaggregate den vorgegebenen, oberen Grenzwert in
einigen Betriebssituationen übersteigen
könnte,
falls die in Verfahrensschritt d) vorgesehene Regelung nicht durchgeführt würde.
-
In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann in dem ersten Verfahrensschritt
die Ansteuerung des Elektromotors in Abhängigkeit von zumindest einem
lenkungsrelevanten Parameter erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass
ein optimales Lenkverhalten in den Grenzen der Leistungsfähigkeit
des Motors eingestellt werden kann und sich eine maximale Energieeinsparung
verwirklichen läßt.
-
In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der obere Grenzwert
des Batteriestroms aus einer Schar von Grenzwerten in Abhängigkeit
von mindestens einem Parameter ausgewählt werden. Dies hat den Vorteil,
dass z. B. eine Absenkung des maximal zulässigen Batteriestroms bei Überlastung
des Bordnetzes, schwach gelandener Batterie, im Hybrid-Elektrofahrbetrieb
usw. durch das interne Steuergerät
oder durch die Anforderung externer Steuergeräte möglich ist.
-
Das
Antriebsaggregat kann Teil eines elektrischen Fahrzeuglenksystems
sein, wobei das Antriebsaggregat beispielsweise in Form eines Elektromotors
direkt mit dem Lenkgetriebe gekoppelt ist. Somit kann z. B. das
Lenkmoment auf einfache Weise für
die Ausgangsgröße oder
Regelungsgröße verwendet
werden.
-
Alternativ
kann das Antriebsaggregat Teil eines Motor/Pumpen-Aggregats für ein elektrohydraulisches
Fahrzeuglenksystem sein. Ausgangs- oder Regelungsgröße des Motor/Pumpen-Aggregats
kann eine veränderliche
Drehzahl und/oder ein veränderliches
Fördervolumen
sein.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben:
-
1 zeigt
ein Antriebsaggregat nach dem Stand der Technik;
-
2 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines Antriebsaggregats, das nach einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
angesteuert wird;
-
3 zeigt
ein Diagramm für
eine Ausgangsgröße und den
Batteriestrom eines Antriebsaggregats bei einem Steuerungsverfahren
nach einer ersten vorgegebenen Bedingung;
-
4 zeigt
ein Diagramm für
eine Ausgangsgröße und den
Batteriestrom eines Antriebsaggregats bei einem Steuerungsverfahren
nach einer zweiten vorgegebenen Bedingung;
-
5 zeigt
ein Diagramm für
eine Ausgangsgröße und den
Batteriestrom eines Antriebsaggregats bei einem erfindungsgemäßen Steuerungsverfahren;
und
-
6 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines Antriebsaggregats, das nach einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
angesteuert wird.
-
2 zeigt
ein Antriebsaggregat 10 mit einer elektronischen Steuer/Regeleinheit 12 und
einem Elektromotor 14. Das Antriebsaggregat 10 ist
mit einer Batterie 16 verbunden, aus der es einen Batteriestrom
IB bezieht. Zwischen der Batterie 16 und
dem Antriebsaggregat 10 ist eine Strommessvorrichtung 38 für den Batteriestrom
IB vorgesehen. Die Strommessvorrichtung 38 kann
auch baulich in das Antriebsaggregat 10 integriert sein.
-
Das
Antriebsaggregat 10 wird nach einem erfindungsgemäßen Verfahren
gesteuert, dessen Verfahrensschritte im Folgenden beschrieben werden.
-
In
einem ersten Verfahrensschritt wird der Elektromotor 14 über ein
Motoreingangssignal E von der Steuer/Regeleinheit 12 angesteuert.
Dies kann vorzugsweise in Abhängigkeit
von zumindest einem lenkungsrelevanten Parameter erfolgen, z. B.
Fahrzeuggeschwindigkeit v, der Lenkwinkelgeschwindigkeit φ oder dem
Lenkmoment T. Hierbei wird das Motoreingangssignal E nach einer
vorgegebenen Bedingung, beispielsweise über ein Kennfeld oder einen Algorithmus,
bestimmt. Es können
auch andere lenkungsrelevante Parameter für die Bestimmung des Motoreingangssignals
E benutzt werden, beispielsweise eine Lenkwinkelgeschwindigkeit.
Ein lenkungsrelevanter Parameter kann mithilfe eines Sensors bestimmt
werden oder auch aus einer mathematischen Ableitung eines anderen
lenkungsrelevanten Parameters gebildet sein, z. B. die Lenkwinkelgeschwindigkeit
als zeitliches Differential des Lenkwinkels.
-
In
einem zweiten Schritt wird durch die Strommessvorrichtung 38 ein
Batteriestrom IB ermittelt, der vom Antriebsaggregat 10 aus
der Batterie 16 entnommen wird.
-
Im
nächsten
Schritt wird zumindest ein oberer Grenzwert IBmax für den Batteriestrom
IB vorgegeben. Dieser obere Grenzwert IBmax kann beispielsweise von der verwendeten
Batterie 16 abhängen
oder von der Anzahl weiterer an die Batterie 16 angeschlossener
Verbraucher.
-
In
einem abschließenden
Verfahrensschritt wird der Elektromotor 14 von der Steuer/Regeleinheit 12 so
geregelt, dass der ermittelte Batteriestrom IB den
vorgegebenen, oberen Grenzwert IBmax nicht übersteigt.
Indem die Strombegrenzung über
eine Regelung geschieht, kann sichergestellt werden, dass einerseits
Toleranzen bei der Herstellung der Komponenten des Antriebsaggregats 10 und
andererseits Änderungen
der Randbedingungen, wie z. B. Änderungen
der Temperatur oder der Versorgungsspannung und Zuleitungswiderständen der
Batterie 16, die Strombegrenzung nicht negativ beeinflussen.
-
Die 3 bis 5 zeigen
jeweils ein Diagramm der Ausgangsgröße A und des Batteriestroms
IB in Abhängigkeit der Motordrehzahl
n einer Gruppe von Antriebsaggregaten 10. Der vorgegebene
obere Grenzwert IBmax für den Batteriestrom IB ist durch eine strichpunktierte Linie 18 gezeigt.
Die strichpunktierte Linie 30 zeigt den vorgegebenen unteren
Grenzwert Amin für die Ausgangsgröße A. Die dargestellten
Streuwerte für
den Batteriestrom IB und die Ausgangsgröße A entsprechen
jeweils einem unteren und oberen Quantil, beispielsweise dem 1% und
99% Quantil, der jeweiligen Verteilung der Gruppe von Antriebsaggregaten 10.
-
3 zeigt
das Diagramm bei einem Steuerungsverfahren nach einer ersten vorgegebenen
Bedingung. Die beiden gestrichelten Kurven zeigen einen oberen Batteriestromstreuwert 20' und einen unteren
Batteriestromstreuwert 22',
die die Antriebsaggregate 10' mit
dem höchsten
bzw. niedrigsten Batteriestrom IB repräsentieren.
Zwischen dem oberen Batteriestromstreuwert 20' und dem unteren
Batteriestromstreuwert 22' liegt
ein Batteriestromstreubereich 24'. Die erste vorgegebene Bedingung
ist derart eingestellt, dass der gesamte Batteriestromstreubereich 24' unter dem oberen
Grenzwert IBmax für den Batteriestrom IB liegt. Eine Batteriestrombegrenzung ist
in diesem Fall nicht notwendig.
-
Bei
der so eingestellten, ersten vorgegebenen Bedingung ergibt sich
für die
Ausgangsgröße A ein
oberer Ausgangsgrößenstreuwert 26' und ein unterer
Ausgangsgrößenstreuwert 28'. Der untere
Ausgangsgrößenstreuwert 28' liegt teilweise
unter dem unteren Grenzwert Amin. Somit
wird der Ausgangsgrößenstreubereich
in einen oberen Ausgangsgrößenstreubereich 32' über dem
unteren Grenzwert Amin und einen unteren
Ausgangsgrößenstreubereich 34' unter dem unteren
Grenzwert Amin aufgeteilt. Die Antriebsaggregate 10 im
unteren Ausgangsgrößenstreubereich 34' stellen hierbei
den Produktionsausschuss dar.
-
Eine
zweite vorgegebene Bedingung im Steuerungsverfahren des Antriebsaggregats 10 kann derart
eingestellt werden, dass die Antriebsaggregate 10 annähernd ihre
maximale Ausgangsgröße A erreichen.
Auf diese Weise wird das Quantil der statistischen Verteilung der
Ausgangsgröße A, welches dem
unteren Grenzwert Amin für die Ausgangsgröße A entspricht,
möglichst
klein gewählt,
beispielsweise als 1% Quantil, wodurch nur ein geringer Anteil der Antriebsaggregate 10 eine
Ausgangsgröße A unter dem
unteren Grenzwert Amin aufweisen. Somit
wird der Produktionsausschuss aufgrund der Anforderung bezüglich der
Ausgangsgröße A gering
gehalten.
-
Die
Streubereiche der Ausgangsgröße A und des
Batteriestroms IB verändern sich bei der Steuerung
nach der zweiten vorgegebenen Bedingung. Im Diagramm von 4 sind
die Streubereiche gezeigt, wie sie sich bei einer einfachen Steuerung
nach der zweiten vorgegebenen Bedingung ohne eine Regelung des Batteriestroms
IB ergeben würden. Aufgrund der veränderten
vorgegebenen Bedingung liegen nun sowohl der obere Ausgangsgrößenstreuwert 26'' als auch der untere Ausgangsgrößenstreuwert 28'' über dem unteren Grenzwert Amin. Somit erfüllt der gesamte Ausgangsgrößenstreubereich 32'' die Anforderung bezüglich der
Ausgangsgröße A. Der
obere Batteriestromstreuwert 20'' und
der untere Batteriestromstreuwert 22'' sind
beide erhöht,
wodurch der obere Batteriestromstreuwert 20'' teilweise über dem oberen
Grenzwert IBmax liegt und somit der Batteriestromstreubereich
in einen unteren Batteriestromstreubereich 24'' und einen oberen Batteriestromstreubereich 36'' aufgeteilt wird.
-
Die
Antriebsaggregate 10 im oberen Batteriestromstreubereich 36'' in 4 übersteigen
den oberen Grenzwert IBmax und müssen daher
im letzten Verfahrensschritt heruntergeregelt werden.
-
Das
Diagramm der Ausgangsgröße A und des
Batteriestroms IB nach der Regelung des
Batteriestroms IB ist in 5 gezeigt.
Das Steuerungsverfahren ist in gleicher Wiese wie bei 4 derart
eingestellt, dass eine maximale Ausgangsgröße A erreicht wird. Erreicht
der Batteriestrom IB eines Antriebsaggregats 10 den
oberen Grenzwert IBmax, so wird der Motor 14 so
geregelt, dass der Batteriestrom IB den
oberen Grenzwert IBmax nicht übersteigt.
Auf diese Weise ergibt sich für
den oberen Batteriestromstreuwert 20 eine gegenüber dem
oberen Batteriestromstreuwert 20'' in 4 veränderte Kurve.
Ab einer bestimmten Drehzahl verläuft die Kurve des Batteriestroms
im Wesentlichen linear, dh. ohne weitere Zunahme bei weiterer Steigerung
der Motordrehzahl und stets unterhalb bzw. auf dem oberen Grenzwert Der
untere Batteriestromstreuwert 22 bleibt unverändert, wodurch
der Batteriestromstreubereich 24 reduziert wird. Aufgrund
der Regelung des Elektromotors 14 am oberen Grenzwert IBmax des Batteriestroms IB sinkt
auch der obere Ausgangsgrößenstreuwert 26, während der
untere Ausgangsgrößenstreuwert 28 weitgehend
unverändert
bleibt, da diese Antriebsaggregate 10 nicht von der Batteriestromregelung
betroffen sind. Auf diese Weise wird auch der Ausgangsgrößenstreubereich 32 reduziert.
-
6 zeigt
ein Antriebsaggregat 10 mit einer Regelung des Elektromotors 14 in
Abhängigkeit
von einer Regelungsgröße R. Eine
Regelungsgrößenmessvorrichtung 40 ermittelt
die Regelungsgröße R und
leitet sie an die Steuer/Regeleinheit 12 weiter. Die Regelungsgröße R kann
das Motoreingangssignal E sein, wodurch beispielsweise eine Überlastung im
Elektromotor 14 verhindert werden kann, oder ein Motorausgangssignal
AR, beispielsweise eine Drehzahl oder ein Drehmoment.
-
Bei
den vorstehend genannten ersten und zweiten Bedingungen, die für das Steuerungsverfahren
berücksichtigt
werden, kann es sich um Regelalgorithmen oder Datenkennfelder handeln,
die geeignet bei der Durchführung
des Steuerungsverfahrens abgefragt werden.
-
Das
Motorsteuerverfahren z. B. für
eine mehrphasige Ausführung
des Motors kann auf einer Regelung des Phasenstroms bzw. dessen
fluß-
und drehmomentbildenden Komponenten beruhen, wobei der Zusammenhang
zwischen diesen Komponenten über
ein drehzahlabhängiges
Kennfeld für den
Phasenwinkel oder durch einen zusätzlichen Regler für die induzierte
Spannung bestimmt werden kann. Kennfelder, die z. B. von einer maßgebenden Temperatur
des Antriebsaggregates (10) abhängen, limitieren den Phasenstrom
bzw. dessen Komponenten und schützen
so den Motor vor Überlast
oder begrenzen das maximal abgegebene Drehmoment.
-
Im
Teillastbereich würde
diese Regelung durch die zweite Bedingung nicht beeinflußt, da der maximale
Batteriestrom nicht erreicht wird. Wird hingegen ein Betriebspunkt
im Volllastbereich angefahren, so wird über eine Rückführung des ermittelten Batteriestroms
in das Motorsteuerverfahren die Motorregelgrößen derart begrenzt, dass ein
unzulässiger
Anstieg des Batteriestroms verhindert wird. Die Rückführung des
Batteriestroms kann dabei beispielsweise über ein zusätzliches Kennfeld, eine Erweiterung
der Motorsteuerkennfelder wie z. B. der Phasenstromlimitierung oder
einer berechneten Limitierung des Phasenstromreglers oder der Regelkreise
der Phasenstromkomponenten erfolgen. Für einfache Steuerverfahren
ist hier auch eine gezielte Rücknahme
der Motorphasenspannungen bzw. deren Komponenten denkbar.
-
Das
Antriebsaggregat 10 kann Teil eines elektrischen Fahrzeuglenksystems
oder Teil eines Motor/Pumpen-Aggregats für ein elektrohydraulisches
Fahrzeuglenksystem sein. Die Verfahrensvariante zur Steuerung des
Antriebsaggregats kann für das
jeweilige Fahrzeuglenksystem optimiert werden, beispielsweise durch
die Wahl der Ausgangsgröße A und/oder
der Regelungsgröße R. Es
ist insbesondere möglich,
den Elektromotor 14 über
eine für
das Fahrzeuglenksystem relevante Größe, wie z. B. ein Hilfslenkmoment
zu regeln.