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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Anwendung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei die elektrische Maschine drei Phasenstromleiter aufweist, über die die elektrische Maschine dreiphasig mit elektrischem Strom versorgt wird, wobei den drei Phasenstromleitern jeweils ein Sensor zum Erfassen jeweils einer physikalischen Größe als Regelsignal der elektrischen Maschine zugeordnet ist, und wobei die Steuerung der elektrischen Maschine im Normalbetrieb auf der Grundlage der drei Regelsignale erfolgt.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Steuern einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Anwendung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei die elektrische Maschine drei Phasenstromleiter aufweist, über die die elektrische Maschine dreiphasig mit elektrischem Strom versorgt wird, wobei den drei Phasenstromleitern jeweils ein Sensor zum Erfassen wenigstens einer physikalischen Größe als Regelsignal der elektrischen Maschine zugeordnet ist, wobei die Steuerung der elektrischen Maschine im Normalbetrieb auf der Grundlage der drei Regelsignale erfolgt und wobei der elektrischen Maschine ein Steuergerät zum Steuern der elektrischen Maschine zugeordnet ist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit wenigstens einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung und mit einer Vorrichtung zum Steuern der elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeug-Antriebstechnik ist es allgemein bekannt, eine elektrische Maschine als alleinigen Antrieb oder gemeinsam mit einem Antriebsmotor eines anderen Typs (Hybridantrieb) zu verwenden. In derartigen Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden häufig elektrische Maschinen, insbesondere Synchronmaschinen, eingesetzt, die über drei Phasen betrieben und geregelt bzw. gesteuert werden. Die Regelung bzw. Steuerung erfolgt dabei über die drei Phasenströme, die als Regelsignale über Sensoren erfasst werden.
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Die Regelung bzw. Steuerung einer Dreiphasensynchronmaschine kann auch über zwei der Phasenstromsignale erfolgen, da der dritte Strom mittels der Kirchhoffschen Knotenregel anhand der zwei anderen Ströme berechnet werden kann. Eine derartige Regelung bzw. Steuerung über zwei Phasenstromsignale weist jedoch eine eingeschränkte Messgenauigkeit und eine mangelnde sensorische Redundanz auf. Um die Sicherheit beim Betrieb derartiger Dreiphasensynchronmaschinen in vollem Umfang zu gewährleisten, wird in den aktuellen Sicherheitskonzepten ausschließlich auf der Grundlage von drei unabhängigen Phasenstromsignalen geregelt.
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Sofern eines der Regelsignale der drei Phasenströme ausfällt oder fehlerhaft ist, muss aufgrund der Anforderung an die Sicherheit bezüglich Längs- oder Querdynamik der elektrische Antrieb sofort abgeschaltet werden. Nachteilig dabei ist es, dass ein Fahrzeug mit einem derartigen Antrieb in diesem Fall nicht mehr fahrbereit ist, obwohl der Elektromotor prinzipiell noch funktionstüchtig ist. Ein Liegenbleiben des Fahrzeugs kann in dieser Situation auch ein Sicherheitsrisiko für die Insassen darstellen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, bereitzustellen, bei der die Wahrscheinlichkeit eines Abschaltens des elektrischen Antriebs reduziert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, bereit, wobei die elektrische Maschine drei Phasenstromleiter aufweist, über die die elektrische Maschine dreiphasig mit elektrischem Strom versorgt wird, wobei den drei Phasenstromleitern jeweils ein Sensor zum Erfassen jeweils einer physikalischen Größe als Regelsignal der elektrischen Maschine zugeordnet ist, und wobei die Steuerung der elektrischen Maschine im Normalbetrieb auf der Grundlage der drei Regelsignale erfolgt, mit den Schritten des Erfassens, dass einer der drei Sensoren ein fehlerhaftes Signal liefert, des Identifizierens des Sensors, der das fehlerhafte Signal liefert, und des Umschaltens der Steuerung der elektrischen Maschine in einen Zwei-Phasen-Steuerbetrieb, bei dem die Steuerung der elektrischen Maschine auf der Grundlage der zwei fehlerfreien Regelsignale erfolgt.
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Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Steuern einer elektrischen Maschine zur Anwendung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei die elektrische Maschine drei Phasenstromleiter aufweist, über die die elektrische Maschine dreiphasig mit elektrischem Strom versorgt wird, wobei den drei Phasenstromleitern jeweils ein Sensor zum Erfassen wenigstens einer physikalischen Größe als Regelsignal der elektrischen Maschine zugeordnet ist, wobei die Steuerung der elektrischen Maschine im Normalbetrieb auf der Grundlage der drei Regelsignale erfolgt, und wobei der elektrischen Maschine ein Steuergerät zugeordnet ist, das Verfahren der oben genannten Art durchzuführen.
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Schließlich stellt die vorliegende Erfindung einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit wenigstens einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung und mit einer Vorrichtung zum Steuern der elektrischen Maschine der oben beschriebenen Art bereit.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die vorliegende Erfindung kann die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls bzw. eines Abschaltens der elektrischen Maschine im Betrieb reduziert werden.
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Die Regelung bzw. Steuerung der elektrischen Maschine erfolgt mit anderen Worten bei einem Ausfall einer der Sensoren auf Grundlage der Signale der beiden anderen, nicht defekten Sensoren. Durch diese Umschaltung kann die elektrische Maschine weiter betrieben werden, jedoch auf Kosten der Messgenauigkeit und auf Kosten der zusätzlichen Sensorredundanz.
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Durch diese Maßnahme kann die elektrische Maschine, die im Falle eines Ausfalls bzw. eines Defekts eines der Sensoren prinzipiell funktionstüchtig ist, weiter betrieben werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls des Gesamtsystems reduziert ist und das Gesamtsystem in einem Notlaufbetrieb weiter betrieben werden kann.
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Vorzugsweise ist die elektrische Maschine eine Synchronmaschine.
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Vorzugsweise wird nach Erfassen des fehlerhaften Signals ein Warnsignal erzeugt. Durch die Rückmeldung bzw. Warnung an den Fahrer kann die Sicherheit der Insassen erhöht werden.
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Vorzugsweise wird die Regelung bzw. Steuerung in dem Zwei-Phasen-Regelbetrieb erst nach Bestätigung durch den Fahrer umgeschaltet. Dadurch kann der Fahrer entscheiden, ob er die elektrische Maschine mit reduzierter Sicherheit weiter betreiben möchte bzw. ob er sich in einer Situation befindet, in der ein weiterer Betrieb der elektrischen Maschine notwendig ist. Für diese Bestätigung wird dem Fahrer der Notbetrieb bzw. der Ausfall eines Sensors signalisiert z. B. über ein Display und dieser muss über eine gesonderte Eingabe den Notbetrieb bestätigen oder ggf. ablehnen. Dadurch kann der Fahrer beispielsweise selbst entscheiden, ob er an Ort und Stelle wartet oder ob er bis zur nächsten Werkstatt weiterfährt. Weiterhin wird durch die positive Kenntnis die Kontrollierbarkeit der Situation durch den Fahrer erhöht.
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Vorzugsweise wird ein Toleranzbereich zur Überwachung von gemessenen Ist-Größen beim Umschalten in den Zwei-Phasen-Steuerbetrieb erweitert. Dadurch kann ein frühzeitiges Abschalten eines elektrischen Antriebs im Zwei-Phasen-Steuerbetrieb durch die reduzierte Messgenauigkeit verhindert werden.
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Vorzugsweise ist die detektierte physikalische Größe der elektrische Strom in dem jeweiligen Phasenstromkreis. Dadurch ist eine Erfassung des Regelsignals mit einfachen Mitteln möglich.
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Vorzugsweise wird der Sensor, der das fehlerhafte Signal liefert, auf der Grundlage des zeitlichen Verlaufs der Regelsignale identifiziert. Dadurch ist eine zuverlässige und einfache Identifizierung des defekten Sensors und eine einfache Auswahl der intakten Sensoren möglich.
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Vorzugsweise ist das Warnsignal ein visuelles Signal. Dadurch kann das Warnsignal mit einfachen Mitteln über ein Display im Anzeigesystem realisiert werden.
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Weiterhin bevorzugt ist es, dass das Warnsignal ein akustisches Signal ist. Dadurch kann der Fahrer besonders zuverlässig auf den Ausfall hingewiesen werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Warnsignal ein haptisches Signal ist. Dadurch kann der Fahrer besonders eindringlich auf den Defekt hingewiesen werden. Das haptische Signal kann dabei beispielsweise durch Vibration eines Elements im Innenraum wie z. B. des Lenkrads oder des Sitzes realisiert werden. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn das haptische Signal durch eine besondere Regelung der elektrischen Maschine, insbesondere Synchronmaschine, erzeugt wird. Diese besondere Regelung kann beispielsweise ein ”unrunder” Betrieb der elektrischen Maschine oder aber ein ruckartiger oder vibrierender Betrieb der elektrischen Maschine sein. Dadurch kann eine zuverlässige Rückmeldung garantiert werden. Es versteht sich, dass die unterschiedlichen Arten des Warnsignals auch in Kombination miteinander realisiert sein können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Form ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang, der eine elektrische Maschine sowie eine Vorrichtung zum Steuern dieser Maschine aufweist;
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2 stellt ein Schaltbild einer beispielhaften Dreiphasensynchronmaschine mit zugehörigen Sensoren dar.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug schematisch dargestellt und generell mit 10 bezeichnet. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Antriebsstrang 12 auf, der im vorliegenden Fall eine elektrische Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine 14, zur Bereitstellung von Antriebsleistung beinhaltet. Der Antriebsstrang 12 dient zum Antreiben von angetriebenen Rädern 16L, 16R des Fahrzeugs 10.
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Die elektrische Maschine 14 stellt an einer Abtriebswelle ein Drehmoment t bereit und dreht mit einer einstellbaren Drehzahl.
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Der Antriebsstrang 12 kann dazu ausgelegt sein, das Fahrzeug 10 alleine mittels der elektrischen Maschine 14 anzutreiben (Elektrofahrzeug). Alternativ kann die elektrische Maschine 14 Teil eines Hybrid-Antriebsstranges 12 sein, wobei der Antriebsstrang 12 einen weiteren, in 1 nicht näher bezeichneten Antriebsmotor wie einen Verbrennungsmotor oder dergleichen beinhalten kann. Ferner kann der Antriebsstrang 12 ein Getriebe und dergleichen aufweisen.
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Die elektrische Maschine 14 ist dreiphasig ausgebildet und wird mittels einer Leistungselektronik 18 angesteuert. Die Leistungselektronik 18 ist mit einer Energieversorgung wie einer Gleichspannungsversorgung (z. B. Akkumulator) 20 des Fahrzeugs 10 verbunden und dient dazu, eine von dem Akkumulator 20 bereitgestellte Gleichspannung in drei Wechselströme für die drei Phasen der elektrischen Maschine umzurichten. Die Leistungselektronik 18 weist zu diesem Zweck eine Mehrzahl von Leistungsschaltern auf und wird mittels eines Steuergerätes 22 angesteuert. Das Steuergerät 22 kann ferner mit der elektrischen Maschine 14 verbunden sein, um beispielsweise Istwerte der Drehzahl und/oder Drehstellung eines Rotors der elektrischen Maschine 14 sowie Wechselströme der drei Phasen zu erhalten. Ferner kann das Steuergerät 22 mit dem Akkumulator 20 verbunden sein. Schließlich kann das Steuergerät 22 mit einer übergeordneten oder gleichberechtigten Steuereinrichtung 24 zur Ansteuerung von weiteren Komponenten des Antriebsstranges 12 verbunden sein.
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2 zeigt in schematischer Form den Aufbau der elektrischen Maschine 14.
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Die elektrische Maschine weist drei Phasenstromleiter 26, 28, 30 auf, in denen drei Phasenströme IS1, IS2 und IS3 fließen. Die Phasenstromleiter 26, 28, 30 sind mit jeweiligen Erregerwicklungen 32 der elektrischen Maschine 14 verbunden. Die Erregerwicklungen 32 sind sternförmig miteinander verbunden, wobei vorzugsweise kein Nullleiter vorgesehen ist.
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Die Erregerwicklungen 32 sind in 2 mit Phase V, Phase U und Phase W bezeichnet. Den Phasenstromleitern 26, 28, 30 sind Sensoren 34, 36, 38 zugeordnet, die die Phasenströme IS1, IS2 und IS3 messen und jeweils ein Regelsignal 40, 42, 44 liefern. Die Sensoren 34, 36, 38 sind als Amperemeter ausgebildet. Alternativ können mittels Voltmetern Strangspannungen in den Phasenstromleitern 26, 28, 30 zur Regelung/Steuerung gemessen werden.
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Die Sensoren 34, 36, 38 sind mit dem Steuergerät 22 (hier nicht gesondert dargestellt) verbunden, wobei die gemessenen Phasenströme IS1, IS2 und IS3 als die Regelsignale 40, 42, 44 dem Steuergerät 22 zugeführt werden. Das Steuergerät liefert auf der Grundlage der Regelsignale 40, 42, 44 ein Signal an die Leistungselektronik 18, um die elektrische Maschine 14 zu regeln bzw. zu steuern. Die Phasenströme IS1, IS2 und IS3 sind vorzugsweise sinusförmige, 120° zueinander phasenverschobene Stromsignale. Durch die Sternschaltung der elektrischen Maschine 14 lässt sich über die Kirchhoffsche Knotenregel einer der drei Phasenströme IS1, IS2, IS3 anhand der anderen beiden Phasenströme IS1, IS2, IS3 berechnen.
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Die Regelung bzw. Steuerung der elektrischen Maschine 14 kann auf der Grundlage der drei Regelsignale 40, 42, 44, die die Sensoren 34, 36, 38 liefern, erfolgen. Alternativ kann die Regelung bzw. Steuerung der elektrischen Maschine 14 auch auf der Grundlage von zwei Regelsignalen 40, 42, 44 erfolgen. Dies ist möglich, da sich einer der Phasenströme IS1, IS2, IS3 aus den anderen Phasenströmen IS1, IS2, IS3 ergibt.
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Sofern einer der drei Sensoren 34, 36, 38 ein fehlerhaftes Sensorsignal 40, 42, 44 liefert, kann anhand des zeitlichen Verlaufs der drei Sensorsignale 40, 42, 44 festgestellt werden, welcher der drei Sensoren 34, 36, 38 defekt ist bzw. ein fehlerhaftes Signal liefert. Sofern durch das Steuergerät 22 einer der Phasenstromsensoren 34, 36, 38 als defekt diagnostiziert wird und der defekte Phasenstromsensor 34, 36, 38 identifiziert wird, schaltet das Steuergerät 22 von der Drei-Phasen-Regelung im Normalbetrieb auf eine Zwei-Phasen-Regelung als Notbetrieb um.
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Im Normalbetrieb, also im Drei-Phasen-Steuerbetrieb, werden gemessene Ist-Größen des elektrischen Antriebs überwacht, indem sie mit vorgegebenen Soll-Größen verglichen werden. Vorzugsweise sind die Soll-Größen als Toleranzbereich mit einem oberen und. einem unteren Toleranzwert definiert, innerhalb derer sich die gemessenen Ist-Größen befinden müssen. Sofern sich eine gemessene Ist-Größe außerhalb des Toleranzbereichs befindet, wird der elektrische Antrieb in einen sicheren Zustand gebracht bzw. abgeschaltet.
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Im Zwei-Phasen-Steuerbetrieb ist Messgenauigkeit einiger Parameter, insbesondere der Phasenströme IS1, IS2, IS3 reduziert. Um ein frühzeitiges Abschalten des elektrischen Antriebs im Zwei-Phasen-Steuerbetrieb zu verhindern, wird der Toleranzbereich durch Änderung wenigstens eines der Toleranzwerte im Zwei-Phasen-Steuerbetrieb erweitert. Vorzugsweise wird der Toleranzbereich der Phasenströme IS1, IS2, IS3 erweitert.
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Sofern ein derartiger Defekt diagnostiziert wird, wird dem Fahrer dieses signalisiert und entweder direkt in den Notbetrieb umgeschaltet oder aber erst nach einer Bestätigung durch den Fahrer in diesen Notbetrieb umgeschaltet.
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Das Warnsignal kann visuell beispielsweise über ein Display, auditiv beispielsweise über ein Tonsignal oder haptisch beispielsweise durch Vibration oder bewusste ”unrunde” Regelung bzw. Steuerung der elektrischen Maschine 14 erfolgen. Eine Kombination dieser Signalisierungsarten ist dabei bevorzugt, um die Zuverlässigkeit des Warnsignals zu erhöhen.
