DE102011006516A1

DE102011006516A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Kurzschlussbetrieb

Info

Publication number: DE102011006516A1
Application number: DE102011006516A
Authority: DE
Inventors: Tino Merkel; Dragan Mikulec
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: WO2012130503A3; US20140015463A1; CN103444072B; WO2012130503A2; CN103444072A; US10148204B2; DE102011006516B4

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (24) in einem Kurzschlussbetrieb, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch die Schritte: – Erfassen von mindestens einem ersten und einem zweiten Phasenstrom der elektrischen Maschine (24), – Vergleichen der erfassten Phasenströme mit jeweils mindestens einem Referenzwert, und – Ausgeben einer Fehlermeldung (58), wenn mindestens einer der Phasenströme nicht mit dem jeweiligen Referenzwert (110, 118) übereinstimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Kurzschlussbetrieb, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Kurzschlussbetrieb, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit wenigstens einer elektrischen Maschine in einem Kurzschlussbetrieb und mit einer Vorrichtung zum Betreiben der elektrischen Maschine der oben beschriebenen Art.
Ein derartiges Verfahren sowie eine derartige Vorrichtung sind aus der Offenlegungsschrift DE 10 2006 003 254 A1 bekannt.
Stand der Technik
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. Typischerweise bestehen Hybridantriebe aus einer Kombination von einer Brennkraftmaschine und mindestens einer elektrischen Maschine sowie den zugehörigen Energiespeichern in Form eines Kraftstofftanks sowie einer Batterie. Es existieren unterschiedliche Arten von Hybridantrieben, wobei zwischen zwei Grundstrukturen unterschieden wird, und zwar zwischen seriellen und parallelen Hybridantrieben. Eine Kombination beider Strukturen wird zudem als leistungsverzweigter Hybridantrieb bezeichnet.
Der serielle Hybridantrieb zeichnet sich durch eine Reihenschaltung von Energiewandlern aus. Dies erfordert beispielsweise zwei elektrische Maschinen und eine Brennkraftmaschine. Eine der elektrischen Maschinen wird generatorisch betrieben, die andere elektrische Maschine wird motorisch betrieben. Die Brennkraftmaschine selbst ist nicht mit einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs verbunden. Sie lädt über die generatorisch betriebene elektrische Maschine die Batterie auf und/oder stellt der motorisch betriebenen elektrischen Maschine die benötigte elektrische Energie direkt zur Verfügung. Die Leistung, die zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs notwendig ist, wird somit ausschließlich von der motorisch betriebenen elektrischen Maschine auf den Antriebsstrang übertragen.
Der parallele Hybridantrieb zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl eine Brennkraftmaschine als auch eine elektrische Maschine ihre mechanischen Leistungen an einen Antriebsstrang weitergeben können. Durch eine mechanische Kopplung beider Maschinen mit dem Antriebsstrang können die Leistungen addiert werden. Die Möglichkeit dieser Leistungsaddition erlaubt eine relativ kleine Dimensionierung beider Maschinen, ohne dass sich Nachteile bei Fahrleistungen für das Kraftfahrzeug daraus ergeben.
Es gibt unterschiedliche Arten der Umsetzung paralleler Hybridantriebe. Eine Möglichkeit ist es, die elektrische Maschine direkt mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu verbinden (Kurbelwellen-Starter-Generator) oder durch einen Riemenantrieb mit der Brennkraftmaschine zu koppeln. Beide Antriebsquellen können somit sowohl gemeinsam als auch einzeln für die Fortbewegung des Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Die elektrische Maschine kann zudem wahlweise generatorisch oder motorisch betrieben werden.
Der leistungsverzweigte Hybridantrieb zeichnet sich durch eine Kombination der bereits dargestellten Prinzipien aus. Der Einsatz eines leistungsverzweigten Getriebes (Planetengetriebe) ermöglicht es, einen Teil der Leistung der Brennkraftmaschine direkt, d. h. mechanisch, an den Antriebsstrang weiterzuleiten, während der verbleibende Teil der Leistung über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie kann wiederum wahlweise in einer Batterie eingespeichert oder direkt an eine nach dem Getriebe angeordneten elektrische Maschine weitergeleitet werden. Beim leistungsverzweigten Hybridantrieb können sowohl die elektrische Maschine als auch die Brennkraftmaschine für die Fortbewegung des Kraftfahrzeugs genutzt werden.
Zur Ansteuerung von elektrischen Maschinen in einem Kraftfahrzeug und insbesondere in einem Hybridfahrzeug dient typischerweise eine Leistungselektronik. Diese beinhaltet einen Wechselrichter, der eine Gleichspannung/einen Gleichstrom der an Bord des Kraftfahrzeugs befindlichen (Hochspannungs-)Batterie in einen Wechselstrom umwandelt. Die Leistungselektronik führt eine Hochspannung von typischerweise 60 Volt.
Liegt ein Fehlerfall der elektrischen Maschine vor, wird diese in einen sicheren Zustand überführt. Der sichere Zustand für die elektrische Maschine ist typischerweise der aktive Kurzschlussbetrieb.
Die eingangs genannte DE 10 2006 003 254 A1 beschreibt eine elektrische Maschine mit einer Leistungselektronik in einem Kurzschlussbetrieb. Für eine Fehlerbehandlung wird die elektrische Maschine zunächst in einen Freilauf und anschließend in einen Kurzschlussbetrieb geschaltet.
Bei dem aktiven Kurzschlussbetrieb werden Motorwicklungen der elektrischen Maschine durch die Leistungselektronik miteinander kurzgeschlossen. Der durch den Kurzschlussbetrieb entstehende Kurzschlussstrom führt dazu, dass die elektrische Maschine ein relativ kleines Drehmoment aufnimmt und damit einen Antriebsstrang nur geringfügig beeinflusst Wird jedoch die elektrische Maschine statt in den aktiven Kurzschlussbetrieb fehlerhafterweise in einen Freilaufbetrieb gestellt, erhöht sich das von der elektrischen Maschine aufgenommene Drehmoment (Bremsmoment). Dieses erhöhte Drehmoment kann insbesondere bei hohen Drehzahlen dazu führen, dass der Antriebsstrang soweit abgebremst wird, dass eine Fahrzeugdestabilisierung die Folge sein kann. Zudem kann dadurch eine Batterie des Hochspannungsnetzes ungewollt geladen und dadurch beschädigt werden.
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, sicherzustellen, dass die elektrische Maschine in einem Fehlerfall im Kurzschlussbetrieb betrieben wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, mit den Schritten:

– Erfassen von mindestens einem ersten und einem zweiten Phasenstrom der elektrischen Maschine,
– Vergleichen der erfassten Phasenströme mit jeweils mindestens einem Referenzwert und Ausgeben einer Fehlermeldung, wenn mindestens einer der Phasenströme nicht mit dem jeweiligen Referenzwert übereinstimmt.

Ferner wird die obige Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art gelöst mit einer Steuer- und Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, mindestens einen ersten und einen zweiten Phasenstrom der elektrischen Maschine zu erfassen, die erfassten Phasenströme mit jeweils mindestens einem Referenzwert zu vergleichen und eine Fehlermeldung auszugeben, wenn mindestens einer der Phasenströme nicht mit dem jeweiligen Referenzwerten übereinstimmt.
Schließlich stellt die vorliegende Erfindung einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit mindestens einer elektrischen Maschine in einem Kurzschlussbetrieb und mit einer Vorrichtung zum Betreiben der elektrischen Maschine der oben beschriebenen Art bereit.
Unter einem Kurzschlussbetrieb wird hier der Betrieb der elektrischen Maschine verstanden, bei dem elektrische Spulen eines Rotors der elektrischen Maschine zueinander kurzgeschlossen sind.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung basiert auf der Idee, dass Phasenströme der elektrischen Maschine dann überwacht werden, wenn diese in dem Kurzschlussbetrieb betrieben wird. Auf Basis vorbekannter Referenzwerte kann dann festgestellt werden, ob die erfassten Phasenströme einem Kurzschlussbetrieb entsprechen oder ob eine Abweichung und damit ein anderer Betriebszustand der elektrischen Maschine vorliegt. Liegt ein anderer Betriebszustand vor, beispielsweise ein Freilauf, dann wird die Fehlermeldung ausgegeben. Der Freilauf liegt dann vor, wenn die Spulen des Rotors vollständig voneinander elektrisch getrennt sind.
Die Fehlermeldung kann hier beispielsweise ein elektrisches Signal sein, welches für eine weitere Verarbeitung in einer Bordelektronik des Kraftfahrzeugs geeignet ist. Die Bordelektronik kann dann wiederum auf Basis der Fehlermeldung geeignete Gegenmaßnahmen durchführen, um einen sicheren Betrieb des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten. Zudem ist es denkbar, dass die Fehlermeldung Informationen darüber enthält, welcher Art der ungewollte Betriebsmodus der elektrischen Maschine ist. Auf Basis dieser Information kann dann die Bordelektronik eine besonders geeignete Gegenmaßnahme auswählen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein dritter Phasenstrom in Abhängigkeit des ersten und zweiten Phasenstroms ermittelt.
In dieser Ausführungsform werden sämtliche Phasenströme der elektrischen Maschine erfasst. Besonders bevorzugt ist es, wenn der erste und zweite Phasenstrom direkt gemessen werden. Auf Basis dieser beiden Phasenströme lässt sich mit Hilfe von elektrotechnischen Grundgleichungen der elektrischen Maschine der dritte Phasenstrom berechnen. Es ist jedoch auch denkbar, alle drei Phasenströme direkt zu messen. Ein Vorteil der Ermittlung des dritten Phasenstroms auf Basis der ersten beiden Phasenströme ist es, dass ein Spannungsmesssensor und eine Spannungsmessleitung eingespart werden können. Somit lässt sich die Erfindung besonders wirtschaftlich umsetzen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden als Referenzwerte Referenzwertbereiche verwendet.
In dieser Ausführungsform bestehen die Referenzwerte aus Referenzwertbereichen. Diese bilden Intervalle, innerhalb der die erfassten Phasenströme liegen müssen. Ein Vorteil hierbei ist, dass geringfügige Änderungen von den Phasenströmen automatisch kompensiert werden, die ansonsten zu einem fehlerhaften Ausgeben von der Fehlermeldung führen könnten. Somit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass das Verfahren sehr robust ist, insbesondere gegenüber geringfügigen oder kurzfristigen Abweichungen wie beispielsweise Messrauschen oder Fehlmessungen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Referenzwerte in Abhängigkeit von Kennfeldern und erfassten Parameter bestimmt.
In dieser Ausführungsform werden die Referenzwerte dynamisch an den entsprechenden Zustand der elektrischen Maschine angepasst. Hierzu werden Kennfelder verwendet, welche im Vorfeld ermittelt werden. Diese können in einem Datenspeicher hinterlegt werden, der von der Steuer- und Auswerteeinheit ausgelesen werden kann. Die entsprechenden Kennfelder können dann entweder als mathematische Funktion mit zwei Variablen vorliegen, die den Parameter entsprechen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass ein mehrdimensionales Kennfeld erzeugt wird, welches vorbestimmte Daten enthält, die auf Basis der Parameterwerte ausgelesen und/oder interpoliert werden können.
Die Kennfelder werden vorzugsweise an die konkrete Konfiguration des entsprechenden Kraftfahrzeugs angepasst. Somit sind sie optimal für einen Vergleich mit den erfassten Phasenströmen ausgelegt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kennfelder die Referenzwertbereiche enthalten. Hierdurch wird erreicht, dass eine optimale Anpassung an das entsprechende Kraftfahrzeug durch die Verwendung der Kennfelder und die Robustheit durch die Verwendung der Referenzwertbereiche kombiniert werden. Als Parameter eignen sich insbesondere Zustandsparameter der elektrischen Maschine, die Rückschlüsse auf den Betriebszustand und jeweilige Betriebsdauer der elektrischen Maschine zulassen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden als Parameter eine Drehzahl eines Rotors der elektrischen Maschine und eine Temperatur der elektrischen Maschine verwendet.
In dieser Ausführungsform werden die Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine sowie die Temperatur der elektrischen Maschine erfasst und zur Auswertung der Kennfelder eingesetzt. Diese Parameter eignen sich besonders gut zur Erfassung des Betriebszustands der elektrischen Maschine. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass diese Parameter typischerweise in Kraftfahrzeugen mit der elektrischen Maschine bereits für anderweitige Zwecke erfasst werden, so dass beide Parameter in einfacher Weise zur Verfügung stehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Rotorlage des Rotors erfasst und die Drehzahl des Rotors in Abhängigkeit der Rotorlage bestimmt.
In dieser Ausführungsform wird die Drehzahl indirekt anhand der Rotorlage des Rotors bestimmt. Die Rotorlage wiederum kann auf Basis einer Winkeländerung eines Inkrementalgebers berechnet werden. Die Verwendung eines Inkrementalgebers hat den Vorteil, dass anhand seiner Messwerte sowohl die Drehzahl als auch die aktuelle Position des Rotors bestimmt werden kann. Somit bedarf es nur eines Sensors (den Inkrementalgeber), um mehrere Zustandswerte der elektrischen Maschine zu erfassen. Vorteilhaft hierbei ist, dass bereits bestehende Systeme häufig mit einem Inkrementalgeber ausgestattet sind, so dass diese in sehr wirtschaftlicher Art und Weise zusätzlich für die Realisierung der Erfindung einsetzbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Temperatur der elektrischen Maschine mittels eines Temperaturbeobachters bestimmt.
In dieser Ausführungsform wird die Temperatur von einem Temperaturbeobachter berechnet. Der Temperaturbeobachter wird vorzugsweise durch ein mathematisches Modell der elektrischen Maschine gebildet. Diesem Modell werden erfasste Messwerte oder anderweitig bestimmte Zustandswerte zugeführt. Das mathematische Modell, der Temperaturbeobachter, berechnet anhand dieser ihm zugeführten Werte die Temperatur der elektrischen Maschine. Alternativ ist es denkbar, dass die Temperatur direkt in der elektrischen Maschine gemessen wird. Vorteilhaft bei der Verwendung des Temperaturbeobachters ist es, dass bereits erfasste Werte, wie beispielsweise die Drehzahl des Rotors, dessen Leistungsaufnahme sowie dessen Betriebsdauer, für die Bestimmung der Temperatur verwendet werden können. Diese bereits bestimmten Werte stehen Steuer- und Auswerteeinheiten in Kraftfahrzeugen typischerweise zur Verfügung. Somit kann auch hier auf bereits vorhandene Informationen in einem Kraftfahrzeug zurückgegriffen werden. Durch die Verwendung des Temperaturbeobachters lässt sich somit ein Temperatursensor an der elektrischen Maschine, eine entsprechende Signalleitung sowie eine zugehörige Auswerteeinheit einsparen. Dies führt zu einer weiteren besonders wirtschaftlichen Ausgestaltung der Erfindung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Phasenströme mittels einer mathematischen Transformation, insbesondere mittels einer Park-Transformation, in Abhängigkeit der Rotorlage in ein läuferfestes Koordinatensystem transformiert und die Referenzwerte in demselben Koordinatensystem bestimmt.
In dieser Ausführungsform erfolgt der Vergleich der erfassten Phasenströme mit den Referenzwerten in einem läuferfesten Koordinatensystem. Hierzu werden die erfassten Phasenströme mittels der Transformation rechnerisch in das läuferfeste Koordinatensystem transformiert. Gleichzeitig ist es vorgesehen, dass die Referenzwerte in demselben läuferfesten Koordinatensystem bestimmt sind. Dies hat den Vorteil, dass die Referenzwerte direkt ohne weitere Transformation mit den Phasenströmen in dem läuferfesten Koordinatensystem verglichen werden können. Zudem besitzt die Transformation in das läuferfeste Koordinatensystem den Vorteil, dass sich in diesem Koordinatensystem ein Kurzschlussstrom einstellt, welcher von der Drehzahl des Rotors und der Temperatur der elektrischen Maschine abhängig ist, im Weiteren jedoch konstant ist. Hieraus ergibt sich eine besonders einfache Überwachung der Phasenströme anhand der gegebenen Referenzwerte. Es ist insbesondere vorgesehen, dass bei Verwendung von Referenzwertbereichen und/oder Kennfeldern diese ebenfalls in dem läuferfesten Koordinatensystem bestimmt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Drehzahl eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs, der mit der elektrischen Maschine zusammenwirkt, in Abhängigkeit der Fehlermeldung reduziert.
In dieser Ausführungsform wird eine Gegenmaßnahme dann eingeleitet, wenn eine Fehlermeldung vorliegt. Die Gegenmaßnahme soll eine Fahrzeugdestabilisierung verhindern. Hierzu wird in Abhängigkeit der Fehlermeldung die Drehzahl des Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs reduziert. Dies kann beispielsweise durch eine Bordelektronik oder eine Motorsteuerung erfolgen, welcher die Fehlermeldung zugeführt wird. Die Reduktion der Drehzahl erfolgt dann vorzugsweise soweit, bis von der elektrischen Maschine kein sicherheitsrelevantes Bremsmoment mehr erzeugt wird, das zu einer Fahrzeugdestabilisierung führen könnte.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Warnhinweis in Abhängigkeit der Fehlermeldung an einen Benutzer ausgegeben.
In dieser Ausführungsform wird dem Benutzer, beispielsweise einem Fahrer des Kraftfahrzeugs, ein Warnhinweis gegeben. Dieser wird auf Basis dieses Warnhinweises von einer möglichen Gefahr unterrichtet und kann somit entsprechende Gegenmaßnahmen manuell einleiten. Vorteilhaft hierbei ist, dass ein Unfallrisiko auf Basis einer Fahrzeugdestabilisierung dem Benutzer mitgeteilt wird. Infolge dessen kann sich dadurch ein Unfallrisiko verringern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in schematischer Form einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang in parallelhybrider Bauweise in einem Kurzschlussbetrieb; und
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßem Steuer- und Auswerteeinheit, sowie ein Hochspannungsnetz mit einer elektrischen Maschine in dem Kraftfahrzeug-Antriebsstrang.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Kraftfahrzeug-Antriebsstrang in parallelhybrider Bauweise in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Der Vollständigkeit halber wird hier darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang in parallelhybrider Bauweise beschränkt ist, sondern in jedem Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine werden kann. Der Kraftfahrzeug-Antriebsstrang 10 weist eine Brennkraftmaschine 12 auf, welche über eine Kraftstoffleitung 14 mit einem Kraftstofftank 16 verbunden ist. Die Brennkraftmaschine 12 weist eine Kurbelwelle 18 auf, welche mit einer Kupplung 20 verbunden ist. Die Kupplung 20 kann die Kurbelwelle 18 mit einer Welle 22 verbinden. Auf der Welle 22 ist eine elektrische Maschine 24 angeordnet. Die elektrische Maschine 24 kann motorisch betrieben werden und damit ein Drehmoment auf die Welle 22 abgeben. Sie kann auch generatorisch betrieben werden und somit ein Drehmoment von der Welle 22 aufnehmen (Bremsmoment). Abtriebsseitig ist die Welle 22 mit einer weiteren Kupplung 26 verbunden. Die Kupplung 26 kann die Welle 22 mit einer Getriebewelle 28 verbinden. Die Getriebewelle 28 ist zudem mit einem Schaltgetriebe 30 wirkverbunden, welche ein aufgenommenes Drehmoment wandelt. Weiter abtriebsseitig ist das Schaltgetriebe 30 über eine Abtriebswelle 32 mit einem Differentialgetriebe 34 wirkverbunden. Das Differentialgetriebe 34 stellt wiederum eine Wirkverbindung zwischen der Abtriebswelle 32 und Seitenwellen 36 und 38 her. Die Seitenwelle 36 ist weiter mit einem Antriebsrad 40 verbunden und die Seitenwelle 38 mit einem weiteren Antriebsrad 42 verbunden.
Die elektrische Maschine 24 ist mit einer Leistungselektronik 44 über eine dreiphasige Leitung 46 elektrisch verbunden. Zudem ist die Leistungselektronik 44 über eine elektrische Leitung 48 an eine Hochspannungsbatterie 50 angeschlossen. Die Leistungselektronik 44 steuert die elektrische Maschine 24. In Abhängigkeit eines Schaltzustandes der Leistungselektronik 44 wird die elektrische Maschine 24 generatorisch oder motorisch betrieben. Im generatorischen Betrieb wird ein Wechselstrom aus der elektrischen Maschine 24 über die dreiphasige Leitung 46 in die Leistungselektronik 44 geführt. In der Leistungselektronik 44 wird diese Wechselspannung in einer Gleichspannung gewandelt. Die Gleichspannung wird anschließend über die Leitung 48 in die Hochspannungsbatterie 50 geleitet, so dass diese geladen wird. Im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 24 wird die elektrische Gleichspannung aus der Hochspannungsbatterie 50 über die Leitung 48 bezogen, so dass die Leistungselektronik 44 diese Gleichspannung in eine Wechselspannung wandeln kann, um damit die elektrische Maschine 24 über die Leitungen 46 zu betreiben.
Ausgehend von der Leitung 46 verläuft ein Signalpfad 52 zu einer Steuer- und Auswerteeinheit 54. Über den Signalpfad 52 werden Messwerte von Phasenströmen übertragen, die in der Leitung 46 vorliegen. Ausgehend von der elektrischen Maschine 24 verläuft ein Signalpfad 56 zu der Steuer- und Auswerteeinheit 54. Entlang dieses Signalpfades 56 wird eine Drehwinkeländerung eines Rotors der elektrischen Maschine 24 an die Steuer- und Auswerteeinheit 54 übertragen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 54 wertet die ihr übertragene Information in erfindungsgemäßer Weise aus, so dass sie bei Bedarf eine Fehlermeldung 58 ausgibt. Die Steuer- und Auswerteeinheit 44 ist mit Bezug zu 2 im Detail beschrieben.
Es ist denkbar, dass die Steuer- und Auswerteeinheit 54 Informationen aus der Leistungselektronik 44 erhält, wenn diese einen Kurzschlussbetrieb herstellen soll. Anschließend kann die Diagnose durchgeführt werden, wodurch falsche Fehlermeldungen verhindert werden.
In 2 ist die Steuer- und Auswerteeinheit 54 als Blockschaltbild schematisch dargestellt. Zudem ist ein Hochspannungsnetz 60 schematisch dargestellt. Das Hochspannungsnetz 60 besteht aus der Hochspannungsbatterie 50, der Leistungselektronik 44, den Leitungen 46 und 48, sowie der elektrischen Maschine 24. Ausgehend von der Hochspannungsbatterie 50 verlaufen die beiden Leitungen 48 zu der Leistungselektronik 44. Hierbei führen die beiden Leitungen 48 die Gleichspannung, die als Zwischenkreisspannung 62 dargestellt ist. Die Leistungselektronik 44 wandelt zwischen der Gleichspannung in den Leitungen 48 und der Wechselspannung in den Leitungen 46. Hierzu ist die Leistungselektronik 44 über die drei Leitungen 46 dreiphasig mit der elektrischen Maschine 24 verbunden. Genauer gesagt sind die Leitungen 46 mit Spulen 64 eines Rotors 63 elektrisch verbunden.
Der aktive Kurzschlussbetrieb wird von der Leistungselektronik 44 dadurch hergestellt, dass die Leitungen 46 miteinander elektrisch verbunden werden, so dass die Spulen 64 zueinander kurzgeschlossen sind. Innerhalb der Leitungen 46 sind Phasenstromsensoren 65 angeordnet, welche einen ersten Phasenstrom I_u und einen zweiten Phasenstrom I_v in den Leitungen 46 messtechnisch erfassen. Erfasste Messwerte werden dann von den Phasenstromsensoren 65 über die Signalpfade 52 an einen Block 66 der Steuer- und Auswerteeinheit 54 weitergeleitet.
Der Phasenstromsensor 65' ist ein optionaler Phasenstromsensor. Daher ist der Signalpfad 52' unterbrochen dargestellt. Der optionale Phasenstromsensor 65' erfasst den dritten Phasenstrom I_w. Anschließend gibt er den entsprechenden Messwert über den Signalpfad 52' an den Block 66 weiter. In alternativen Ausführungsformen erfolgt eine Bestimmung dieses dritten Phasenstroms I_w innerhalb der Steuer- und Auswerteeinheit 54 auf Basis elektrotechnischer Grundgleichungen für die elektrische Maschine 24 in Abhängigkeit der Messwerte für den ersten Phasenstrom I_u und den zweiten Phasenstrom I_v aus den Signalpfaden 52.
Die elektrische Maschine 24 ist zudem über eine Welle 68 mit einem Inkrementalgeber 70 wirkverbunden. Der Inkrementalgeber 70 erzeugt einen Messwert in Abhängigkeit der Drehung der elektrischen Maschine 24. Dieser Messwert beschreibt eine Drehwinkeländerung η_m des Rotors 63 der elektrischen Maschine 24. Über den Signalpfad 54 wird diese Drehwinkeländerung η_m an den Block 72 der Steuer- und Auswerteeinheit 54 weitergeleitet. Der Block 72 berechnet die Rotorlage η_el des Rotors 63 in Abhängigkeit der Drehwinkeländerung η_m aus dem Inkrementalgeber 70. Die Rotorlage η_el wird von dem Block 72 über einen Signalpfad 74 an den Block 66 weitergegeben.
Über den Signalpfad 54 wird die Drehwinkeländerung η_m zudem an einen Block 76 weitergegeben. Der Block 76 berechnet eine Drehwinkelgeschwindigkeit T_m in Abhängigkeit der Drehwinkeländerung η_m. Dies erfolgt vorzugsweise durch differenzieren der Drehwinkeländerung η_m. Die Drehwinkelgeschwindigkeit T_m wird über einen Signalpfad 78 an einen Block 80 weitergeleitet. In Block 80 wird eine Drehzahl N des Rotors 63 in Abhängigkeit der Drehwinkelgeschwindigkeit T_m berechnet Dies erfolgt vorzugsweise durch eine Multiplikation der Drehwinkelgeschwindigkeit T_m mit dem Faktor 60 und einer Division des Produkts mit dem Teiler 2π. Die daraus entstehende Drehzahl N wird über einen Signalpfad 82 an einen ersten Komparator 84 und einen zweiten Komparator 86 weitergeleitet.
In Block 66 werden die drei Phasenströme I_u, I_v und I_w anhand der Rotorlage η_el mittels einer mathematischen Transformation, insbesondere einer Park-Transformation, in ein läuferfestes Koordinatensystem transformiert. Hieraus ergeben sich ein erster Ist-Phasenstrom I_{q_Ist} und ein zweiter Ist-Phasenstrom I_{d_Ist}.
Dies lässt sich mathematisch wie folgt ausdrücken:
Dabei stellt T die Transformationsmatrix dar. Der erste Ist-Phasenstrom I_{q_Ist} wird anschließend über einen Signalpfad 88 an den Komparator 84 weitergeleitet. Der zweite Ist-Phasenstrom I_{d_Ist} wird über einen weiteren Signalpfad 90 an den Komparator 86 weitergeleitet.
Ein weiterer Block 92 enthält eine Vorgabe Tolerance_I_q für eine Intervallgröße eines Referenzbereichs bezüglich des Ist-Phasenstroms I_{q_Ist}. Diese Vorgabe Tolerance_I_q wird über einen Signalpfad 94 aus dem Block 92 an den Komparator 84 weitergeleitet. In entsprechender Weise ist ein Block 96 vorgesehen, der eine Vorgabe Tolerance_I_d für eine Intervallgröße eines Referenzbereichs bezüglich des Ist-Phasenstroms I_{d_Ist} beinhaltet. Diese Vorgabe Tolerance_I_d wird über einen Signalpfad 98 aus dem Block 96 an den Komparator 86 weitergeleitet.
Zudem erfolgt eine Bestimmung der Temperatur η_RTemp der elektrischen Maschine 24. Wie in 2 dargestellt, kann dies direkt über einen Signalpfad 99 erfolgen, wobei die Temperatur η_RTemp dann in der elektrischen Maschine 24 direkt gemessen wird. Der Messwert für die Temperatur η_RTemp wird anschließend über den Signalpfad 99 an die Komparatoren 84 und 86 weitergeleitet.
In einer alternativen Ausführungsform ist es denkbar, dass ein Temperaturbeobachter 100 zur Bestimmung der Temperatur η_RTemp der elektrischen Maschine 24 eingesetzt wird. Der Temperaturbeobachter 100 ist hier als Alternative aufgezeigt und daher unterbrochen dargestellt. Für den Fall der Verwendung des Temperaturbeobachters 100 erfolgt die Bestimmung der Temperatur η_RTemp der elektrischen Maschine 24 innerhalb des Temperaturbeobachters 100 selbst auf Basis von ihm zugeführten Zustandswerten der elektrischen Maschine 24. Der Wert der Temperatur η_RTemp wird anschließend über einen Signalpfad 102 direkt an die Komparatoren 84 und 86 weitergeleitet. Für den Fall der Verwendung des Temperaturbeobachters 100 besteht dann kein direkter Signalpfad 99 zwischen der elektrischen Maschine 24 und den Komparatoren 84 und 86. In anderen Worten, der in 2 dargestellte Teil des Signalpfades 99 zwischen der Leitung 102 und der elektrischen Maschine 24 ist dann nicht vorhanden.
Der Komparator 84 weist ein erstes Kennfeld I_{q_ASC} = KF₁(N, η_RTemp) in Abhängigkeit der Drehzahl N und der Temperatur η_RTemp der elektrischen Maschine 24 auf. Das Kennfeld KF₁ enthält Referenzwerte I_{q_ASC} für den Ist-Phasenstrom I_{q_Ist}.
Der Komparator 86 weist ein zweites Kennfeld I_{d_ASC} = KF₂(N, η_RTemp) in Abhängigkeit der Drehzahl N und der Temperatur η_RTemp der elektrischen Maschine 24 auf. Das Kennfeld KF₂ enthält Referenzwerte I_{d_ASC} für den Ist-Phasenstrom I_{d_Ist}.
Innerhalb des Komparators 84 ist ein kartesisches Koordinatensystem mit einer Ordinate 104 und einer Abszisse 106 dargestellt. Die Ordinate 104 bezieht sich auf den Referenzwert I_{q_ASC}, also den Soll-Phasenstrom in Ampere. Die Abszisse 106 bezieht sich auf die Drehzahl N in der Einheit 1/min. Innerhalb des kartesischen Koordinatensystems ist eine Kurve 108 dargestellt, welche den Referenzwert I_{q_ASC} in Abhängigkeit von der Drehzahl N darstellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Referenzwert nur für eine bestimmte Temperatur η_RTemp dargestellt.
Zudem ist in dem Koordinatensystem ein Referenzwertbereich 110 dargestellt, innerhalb dessen der Ist-Phasenstrom I_{q_Ist} liegen muss, wenn die elektrische Maschine 24 in dem Kurschlussbetrieb betrieben wird und die entsprechende Drehzahl N aufweist. Ausgehend von den Pfeilspitzen des Referenzwertbereichs 110 verlaufen zwei weitere Kurven in etwa parallel zu der Kurve 108. Diese beiden Kurven stellen den Verlauf des Referenzwertbereichs 110 in Abhängigkeit der Drehzahl N dar.
Der Komparator 84 kann somit den korrekten Referenzwert I_{q_ASC} in Abhängigkeit der erfassten Drehzahl N, der Temperatur η_RTemp und des Kennfeldes KF₁ bestimmen, indem er die Parameter an das Kennfeld KF₁ übergibt.
Anschließend kann der Komparator 84 den Referenzwertbereich 110 in Abhängigkeit des Referenzwerts I_{q_ASC} und der Vorgabe Tolerance_I_q bestimmen. Hierzu wird der Betrag der Vorgabe Tolerance_I_q halbiert und für eine Untergrenze des Referenzwertbereichs 110 von dem Referenzwert I_{q_ASC} abgezogen. Für eine Obergrenze des Referenzwertbereichs 110 wird der halbierte Betrag mit dem Referenzwert I_{q_ASC} addiert.
Nunmehr kann der Komparator 84 überprüfen, ob der Ist-Phasenstrom I_{q_Ist} innerhalb des Referenzbereichs 110 liegt, wobei der Referenzwertbereich 110 dann als Referenzwert eingesetzt wird. In Abhängigkeit des Ergebnisses erzeugt der Komparator 84 einen Fehleranzeiger in Form eines Fehlerbits B_Error_ASC_Iq. Dieser wird im Fehlerfall auf den Wert ”true” gesetzt. In allen anderen Fallen ist das Fehlerbit auf den Wert ”false” gesetzt.
Dies lässt sich mathematisch wie folgt ausdrücken:
Innerhalb des Komparators 86 ist ebenfalls ein kartesisches Koordinatensystem mit einer Ordinate 112 und einer Abszisse 114 dargestellt. Die Ordinate 112 bezieht sich auf den Referenzwert I_{d_ASC}, also den Soll-Phasenstrom in Ampere. Die Abszisse 114 bezieht sich auf die Drehzahl N in der Einheit 1/min. Innerhalb des kartesischen Koordinatensystems ist eine Kurve 116 dargestellt, welche den Referenzwert I_{d_ASC} in Abhängigkeit von der Drehzahl N darstellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Referenzwert nur für eine bestimmte Temperatur η_RTemp dargestellt.
Zudem ist in dem Koordinatensystem ein Referenzwertbereich 118 dargestellt, innerhalb dessen der Ist-Phasenstrom I_{d_Ist} liegen muss, wenn die elektrische Maschine 24 in dem Kurschlussbetrieb betrieben wird und die entsprechende Drehzahl N aufweist Ausgehend von den Pfeilspitzen des Referenzwertbereichs 110 verlaufen zwei weitere Kurven in etwa parallel zu der Kurve 116. Diese beiden Kurven stellen den Verlauf des Referenzwertbereichs 118 in Abhängigkeit der Drehzahl N dar.
Der Komparator 86 kann somit den korrekten Referenzwert I_{d_ASC} in Abhängigkeit der erfassten Drehzahl N, der Temperatur η_RTemp und des Kennfeldes KF₂ bestimmen, indem er die Parameter an das Kennfeld KF₂ übergibt.
Anschließend kann der Komparator 86 den Referenzwertbereich 118 in Abhängigkeit des Referenzwerts I_{d_ASC} und der Vorgabe Tolerance_I_d bestimmen. Hierzu wird der Betrag der Vorgabe Tolerance_I_d halbiert und für eine Untergrenze des Referenzwertbereichs 118 von dem Referenzwert I_{d_ASC} abgezogen. Für eine Obergrenze des Referenzwertbereichs 118 wird der halbierte Betrag mit dem Referenzwert I_{d_ASC} addiert.
Nunmehr kann der Komparator 86 überprüfen, ob der Ist-Phasenstrom I_{d_Ist} innerhalb des Referenzwertbereichs 118 liegt, wobei der Referenzwertbereich 118 dann als Referenzwert eingesetzt wird. In Abhängigkeit des Ergebnisses erzeugt der Komparator 86 einen Fehleranzeiger in Form eines Fehlerbits B_Error_ASC_Id. Dieser wird im Fehlerfall auf den Wert ”true” gesetzt In allen anderen Fällen ist das Fehlerbit auf den Wert ”false” gesetzt.
Dies lässt sich mathematisch wie folgt ausdrücken:
Die Fehleranzeiger B_Error_ASC_Id und B_Error_ASC_Iq werden anschließend über Signalpfade 120 und 122 an einen Block 124 weitergeleitet. Der Block 124 ist eine logische ODER-Verknüpfung. Dieser Block 124 erzeugt dann das Fehlersignal 58, wenn einer der Fehleranzeiger B_Error_ASC_Id oder B_Error_ASC_Iq aus den Signalpfaden 120 oder 122 den Wert ”true” aufweisen.
Das Fehlersignal 58 kann dann für eine Weiterverarbeitung an eine Bordelektronik weitergeleitet werden. Die Bordelektronik ist hier nicht dargestellt. Die Bordelektronik sorgt aufgrund der Fehlermeldung dann für eine Reduktion der Drehzahl innerhalb des Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs 10. Dies kann beispielsweise durch eine Drehzahlreduktion in der Brennkraftmaschine 12 erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich wird auf Basis der Fehlermeldung 58 eine Warnmeldung an einen Benutzer ausgegeben. Dieser kann dann Vorsichtsmaßnahmen treffen, dass eine Fahrzeugdestabilisierung nicht erfolgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006003254 A1 [0004, 0012]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (24) in einem Kurzschlussbetrieb, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch die Schritte: – Erfassen von mindestens einem ersten und einem zweiten Phasenstrom (I_u, I_v) der elektrischen Maschine (24), – Vergleichen der erfassten Phasenströme mit jeweils mindestens einem Referenzwert (110, 118) und – Ausgeben einer Fehlermeldung (58), wenn mindestens einer der Phasenströme nicht mit dem jeweiligen Referenzwert (110, 118) übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Phasenstrom (I_w) in Abhängigkeit des ersten und zweiten Phasenstroms (I_u, I_v) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzwerte (110, 118) Referenzwertbereiche (110, 118) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzwerte (110, 118) in Abhängigkeit von Kennfeldern (KF₁, KF₂) und erfassten Parametern (N, η_RTemp) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter (N, η_RTemp) eine Drehzahl (N) eines Rotors (63) der elektrischen Maschine (24) und eine Temperatur (η_RTemp) der elektrischen Maschine (24) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotorlage (η_el) des Rotors (63) erfasst wird und die Drehzahl (N) des Rotors (63) in Abhängigkeit der Rotorlage (η_el) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (η_RTemp) der elektrischen Maschine (24) mittels eines Temperaturbeobachters (100) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenströme (I_u, I_v, I_w) mittels einer mathematischen Transformation (T), insbesondere mittels einer Park-Transformation (T), in Abhängigkeit der Rotorlage (η_el) in ein läuferfestes Koordinatensystem transformiert werden und die Referenzwerte (110, 118) in demselben Koordinatensystem bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl (N) eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs (10), der mit der elektrischen Maschine (24) zusammenwirkt, in Abhängigkeit der Fehlermeldung (58) reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Warnhinweis in Abhängigkeit der Fehlermeldung (58) an einen Benutzer ausgegeben wird.
Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine (24) in einem Kurzschlussbetrieb, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch eine Steuer- und Auswerteeinheit (54), die dazu ausgebildet ist, mindestens einen ersten und einen zweiten Phasenstrom (I_u, I_v) der elektrischen Maschine (24) zu erfassen, die erfassten Phasenströme mit jeweils mindestens einem Referenzwert (110, 118) zu vergleichen und eine Fehlermeldung (58) auszugeben, wenn mindestens einer der Phasenströme nicht mit dem jeweiligen Referenzwert (110, 118) übereinstimmt.
Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (10) mit wenigstens einer elektrischen Maschine (24) in einem Kurzschlussbetrieb und mit einer Vorrichtung zum Betreiben der elektrischen Maschine (24) nach Anspruch 11.