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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, dass elektronisch kommutierte elektrische Motoren bzw. von diesen angetriebene Pumpen aufgrund von Bauteil- und/oder Fertigungstoleranzen in ihrer Leistung erheblich streuen können. Dies hat unter Umständen zur Folge, dass einerseits die typisierte Leistung nicht erbracht wird, was eine Vertragsverletzung bedeuten kann. Andererseits kann dadurch unter Umständen auch zu viel Leistung abgegeben und aufgenommen werden, was Temperaturprobleme aufgrund zu hoher Ströme ergeben kann. In Extremfällen kann eine Schwankungsbreite der Leistung zwischen der halben und der doppelten Leistung liegen. Im Falle, dass die genannten Pumpen in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, können die genannten Temperaturprobleme ein Thermo- bzw. Strommanagementsystem des Kraftfahrzeugs gefährden.
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Herkömmlich wird versucht, die Leistungsstreuung der genannten Elektromotoren über enge Toleranzen der verwendeten elektronischen Bauteile zu minimieren. Dies ist jedoch teuer und hat oftmals trotzdem nur teilweise den gewünschten Effekt. Zudem sind durch diese Maßnahmen die Pumpen oftmals überdimensioniert, was zu weiteren Kosten- bzw. Temperaturproblemen führen kann. Eine mittels hochpräziser Bauelemente gefertigte Pumpe kann aufgrund der engen Bauteiltoleranzen, die mittels aufwendiger Einzelmessungen ermittelt werden müssen, außerordentlich teuer und damit unwirtschaftlich sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben von elektronisch kommutierten Elektromotoren bereitzustellen.
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Die Erfindung wird gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors, aufweisend:
- – Ermitteln eines Leistungs-Istwerts in Relation zu einem Leistungs-Sollwert des Elektromotors;
- – Ermitteln eines Korrekturfaktors aus einer Differenz zwischen dem Leistungs-Istwert und dem Leistungs-Sollwert; und
- – Verwenden des Korrekturfaktors derart, dass der Elektromotor im Wesentlichen beim Leistungs-Sollwert betrieben werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass Bauteil- und/oder Fertigungstoleranzen des Elektromotors im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Leistung des Elektromotors haben können, wodurch insgesamt eine verbesserte Leistungsstabilität des Elektromotors erreicht wird. Dies wird erreicht durch eine individuelle Ermittlung und Verwendung eines Korrekturfaktors, der dazu verwendet wird, den Elektromotor im Wesentlichen genau bei Sollleistung zu betreiben. Dadurch ist ein Betriebsverhalten vorteilhaft festlegbar. Für die Dimensionierung und Fertigung können vorteilhaft kostengünstige Bauteile mit hohen Toleranzen verwendet werden, wobei der Elektromotor in einer Endphase eines Fertigungsprozesses an konkrete Leistungserfordernisse angepasst bzw. endjustiert wird. Vorteilhaft können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens elektronisch kommutierte Elektromotoren in ihrer Leistung beschränkt bzw. in ihrer Leistung erhöht werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Elektromotor eine hydraulische Einrichtung zum Transportieren einer Flüssigkeit antreibt. Dadurch kann auf einfache Weise ein Leistungsvermögen der gesamten hydraulischen Einrichtung angepasst werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die hydraulische Einrichtung als eine hydraulische Pumpe ausgebildet ist, wobei der Elektromotor integral mit der hydraulischen Einrichtung ausgebildet ist. Somit können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens komplette hydraulische Pumpensysteme, die mittels eines elektronisch kommutierten Elektromotors angetrieben werden, in ihrer Leistung angepasst werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Korrekturfaktor zum Ändern eines Steuersignals, welches eine Drehzahl des Elektromotors bestimmt, verwendet wird. Damit ist es vorteilhaft möglich, die Leistung des Elektromotors ohne jegliche mechanische und/oder konstruktive Änderung des Elektromotors rasch und auf einfache Weise anzupassen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Korrekturfaktor verwendet wird, um ein Tastverhältnis eines pulsweitenmodulierten Signals zu verändern. Derartige Eingriffe in pulsweitenmodulierte Steuersignale lassen sich einfach durchführen, so dass damit eine effiziente Möglichkeit der Leistungsanpassung des elektronisch kommutierten Elektromotors bereitgestellt wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Korrekturfaktor zum Ändern eines Ausgangssignals eines Hall-Sensors verwendet wird, welches zum Erfassen einer Drehzahl des Elektromotors vorgesehen ist. Dadurch wird eine weitere, einfach durchzuführende Möglichkeit einer Drehzahlbeeinflussung des elektronisch kommutierten Elektromotors, und damit einer Leistungsanpassung des Elektromotors bereitgestellt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Ausgangssignal des Hall-Sensors mit dem Korrekturfaktor multipliziert oder durch den Korrekturfaktor dividiert wird. Somit lässt sich sowohl eine Reduktion der Leistung durch Reduzierung der Drehzahl mittels einer Division des Ausgangssignals des Hall-Sensors durch den Korrekturfaktor als auch eine Leistungssteigerung durch Erhöhung der Drehzahl des Elektromotors mittels einer Multiplikation des Korrekturfaktors mit dem Ausgangssignal des Hall-Sensors erreichen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Korrekturfaktor zum Verändern eines Zeitpunkts einer Übermittlung des Ausgangssignals des Hall-Sensors an eine elektronische Steuerungseinrichtung des Elektromotors verwendet wird. Dadurch wird auf einfache Weise eine Voroder Nachkommutierung des elektronisch kommutierten Elektromotors bewirkt, die eine Anpassung der Drehzahl, und damit der Leistung des Elektromotors zur Folge hat.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Korrekturfaktor mittels Software in einer Steuerungseinrichtung des Elektromotors implementiert ist. Vorteilhaft wird auf diese Weise eine einfach umzusetzende und einfach zu adaptierende Möglichkeit der erfindungsgemäßen Leistungsanpassung bereitgestellt.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Eigenschaften und Vorteilen anhand von zwei Figuren beschrieben. In den Figuren zeigt:
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1 eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in stark vereinfachter Form; und
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2 eine prinzipielle Steuerungskennlinie eines mittels eines pulsweitenmodulierten Signals angesteuerten elektronisch kommutierten Elektromotors.
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1 zeigt in stark vereinfachter Form ein prinzipielles Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Schritt S1 wird ein Leistungs-Istwert des elektronisch kommutierten Elektromotors in Relation zu einem Leistungs-Sollwert ermittelt. Vorzugsweise ist der elektronisch kommutierte Elektromotor ein integraler Bestandteil einer hydraulischen Pumpe zum Transport bzw. zur Förderung von Flüssigkeiten. Ein Kreislauf für die Flüssigkeiten kann beispielsweise als ein Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Derartige hydraulische Pumpen umfassen einen hydraulischen Teil, der ein Flügelrad mit magnetischen Eigenschaften aufweist, welches sich unter dem Einfluss eines magnetischen Drehfeldes des elektronisch kommutierten Elektromotors dreht und auf diese Weise ein Kühlungsfluid innerhalb des Kühlkreislaufs transportiert. Der Leistungs-Sollwert ergibt sich im Wesentlichen aus der Ausgestaltung des Kühlkreislaufs und aus der Menge an umzuwälzendem Kühlungsfluid innerhalb des Kühlkreislaufs. Er hängt also weitestgehend von einem konkreten System ab, in welchem die Pumpe eingesetzt wird.
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Das Kühlungsfluid kann beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol umfassen, welches zu einem Kühlen von Akkus oder elektronischen Baugruppen eines Kraftfahrzeugs (z.B. ein Elektrofahrzeug oder ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb) verwendet wird. Ferner kann eine oder mehrere derartiger hydraulischen Pumpen als Zusatzwasserpumpen oder als Pumpen zur Förderung von Fluiden einer Klimaanlage ausgebildet sein. Die genannten hydraulischen Pumpen können, wenn sie in einem gewissen Ausmaß über dem Leistungs-Sollwert betrieben werden, aufgrund einer großen Stromstärke außerordentlich heiß werden. Dies kann zu Undichtheiten infolge von thermischen Verformungen und im Extremfall zu Brandschäden von wesentlichen Teilen des gesamten Kraftfahrzeugs führen. Erschwerend kann dabei der Umstand sein, dass die genannten hydraulischen Pumpen bei Verwendung in einem Elektrofahrzeug über Nacht in Abwesenheit des Betreibers laufen, so dass ein Brandfall sehr unangenehme Auswirkungen haben kann.
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Erfindungsgemäß wird eine Leistungsermittlung der hydraulischen Pumpe vorzugsweise in einer Endphase eines Fertigungsprozesses durchgeführt. Dies geschieht beispielsweise mittels eines Tests an einem Bandende, der herkömmlicherweise dazu verwendet wird, eine Entscheidung „Ausschuss“/“OK“ bezüglich der getesteten Pumpe zu treffen. Bei diesem Test werden die Pumpen kurzzeitig ohne Fluid „trocken“ betrieben, wobei Drehzahlen gemessen und aus ermittelten Beschleunigungswerten aufgrund der Massenträgheit individuelle Ist-Leistungen der Pumpen ermittelt werden. Ferner können die Pumpen bei diesem Test auch „nass“ getestet werden, indem das geförderte Fluidvolumen gemessen wird. Anstatt diese Information nun wie konventionell, nur zur Entscheidung „Ausschuss“/“OK“ zu verwenden, wird aus einer Differenz zwischen dem Leistungs-Sollwert und dem Leistungs-Istwert ein Korrekturfaktor ermittelt (Schritt S2).
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Erfindungsgemäß wird der Korrekturfaktor benutzt, um die Pumpe im Wesentlichen genau im Soll-Leistungsbereich betreibbar zu machen bzw. zu betreiben (Schritt S3).
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Für eine Verwendungsart des ermittelten Korrekturfaktors gibt es mehrere Möglichkeiten. Der Korrekturfaktor dazu beispielsweise dazu benutzt werden, um in die Steuerungskennlinie gemäß 2 derart einzugreifen, dass das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals verändert wird, um die Pumpe im Wesentlichen bei Sollleistung zu betreiben.
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Eine weitere Möglichkeit der Verwendung des Korrekturfaktors besteht darin, dass ein Ausgangssignal eines innerhalb des Elektromotors angeordneten Hall-Sensors, der eine Drehzahl des Elektromotors über eine Zählung von Magnetfeldimpulsen des Flügelrads ermittelt, abgeändert wird. Zum Beispiel ist es denkbar, dass das genannte Ausgangssignal des Hall-Sensors mit dem Korrekturfaktor multipliziert oder durch den Korrekturfaktor dividiert wird. Auf diese Weise kann die Drehzahl des elektronisch kommutierten Elektromotors derart verändert werden, dass der Elektromotor im Wesentlichen bei Sollleistung betrieben wird.
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Eine weitere Möglichkeit der Verwendung des erfindungsgemäßen Korrekturfaktors besteht darin, dass er zu einer Vor- bzw. Nachkommutierung des elektronisch kommutierten Elektromotors benutzt wird. Zu diesem Zweck wird ein Steuersignal für den elektronischen Kommutator mittels des Korrekturfaktors derart geändert, dass eine Änderung von Bestromungszeitpunkten für den elektronisch kommutierten Elektromotor durchgeführt wird. Dabei kann beispielsweise ein Zeitpunkt des Anlegens eines Steuersignals an eine elektronische Steuerungseinrichtung mit einem programmierbaren RC-Glied verschoben werden. Auf diese Weise kann eine Drehzahl des elektronisch kommutierten Elektromotors je nach Kommutierungsart erhöht oder erniedrigt, und damit eine Leistung des Elektromotors verändert werden.
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Ferner ist es auch möglich, dass das Steuersignal für den elektronischen Kommutator mittels des Korrekturfaktors derart verändert wird (z.B. mittels eines Vorfaktors zum Ansteuern von Transistoren), dass eine Veränderung der Magnetfeldstärke des Elektromotors und damit einer Drehzahl der Pumpe bewirkt wird.
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Auf die geschilderten Arten kann somit auf einfache Weise die Drehzahl des Elektromotors verändert werden, so dass der Elektromotor über den Betriebsparameter „Drehzahl“ im Wesentlichen bei Sollleistung betrieben wird.
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2 zeigt qualitativ ein Beispiel einer Steuerungskennlinie zur Ansteuerung einer mittels eines elektronisch kommutierten Elektromotors angetriebenen hydraulischen Pumpe mit Hilfe eines PWM(pulsweitenmodulierten)-Signals, in welches erfindungsgemäß eingegriffen werden kann. Die Kennlinie skaliert an ihrer x-Achse ein Tastverhältnis T des PWM-Signals und an ihrer y-Achse eine Drehzahl n des Elektromotors, jeweils in Prozent. Aus der 2 ist erkennbar (angedeutet durch eine strichlierte Linie), dass bei einem bestimmten Prozentsatz der maximalen Drehzahl des Elektromotors eine Abregelung aufgrund einer Temperaturüberschreitung innerhalb des Elektromotors stattfinden kann. Es ist 2 also entnehmbar, dass die Drehzahl des Elektromotors von einem Ausmaß des Tastverhältnisses des PWM-Steuersignals abhängt. Diese Tatsache macht sich die Erfindung zunutze, um durch einen Eingriff in das Tastverhältnis die Drehzahl zu steuern.
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Die in 2 dargestellten Zahlenwerte sind lediglich beispielhaft und illustrativ, so dass die Steuerungskennlinie für jede hydraulische Pumpe je unterschiedlich ausgestaltet sein kann. Wie bereits oben erläutert, kann mittels des erfindungsgemäßen Korrekturfaktors in das pulsweitenmodulierte Signal derart eingegriffen werden, dass die Pumpe im Wesentlichen bei einem Soll-Leistungswert betreibbar gemacht bzw. betrieben werden kann. Zu diesem Zweck kann beispielsweise das Tastverhältnis und/oder die Steigung der Kennlinie entsprechend dem ermittelten Korrekturfaktor verändert werden.
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Es versteht sich von selbst, dass die oben erläuterten Maßnahmen zur Berücksichtigung des Korrekturfaktors in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können, so dass unter Umständen mehrere der genannten Möglichkeiten verwendet werden, um den Korrekturfaktor zu einem Betreiben der hydraulischen Pumpe im Wesentlichen bei Sollleistung zu verwenden.
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Vorteilhaft ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, den elektronisch kommutierten Elektromotor bzw. die Pumpe mit kostengünstigen elektrischen, elektronischen, mechanischen und hydraulischen Bauteilen (d.h. Bauteile mit großen Bauteiltoleranzen) zu fertigen, was vorteilhaft eine erhebliche Kostensenkung in der Fertigung bedeuten kann, da wenig Rücksicht auf Bauteil-Chargen genommen werden muss. Es ist mithin also vorteilhaft möglich, die Pumpe „ungenau“ zu fertigen, weil es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist, die hydraulische Pumpe im Wesentlichen genau auf den Soll-Leistungswert abzustimmen. Im Ergebnis liefert die erfindungsgemäß betriebene elektronisch kommutierte Pumpe im Wesentlichen stabil und sicher die erwartete Leistung. Es entfallen für eine Leistungsanpassung vorteilhaft jegliche mechanische oder konstruktive Änderungen an der Pumpe, vielmehr wird mittels eines einfachen Adaptierens einer Steuerungssoftware die Pumpe auf einfache Weise erfindungsgemäß betrieben.
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Somit kann vorteilhaft im Wesentlichen keine thermische Überlastung der Pumpe auftreten, was vorteilhaft in einer erhöhten Standzeit bzw. Lebensdauer der Pumpe resultiert. Weiterhin können vorteilhaft Anforderungen an Temperaturund Stromfestigkeiten der Pumpe reduziert werden, was weitere Kostenvorteile ergibt. Üblicherweise sind konventionelle hydraulische Pumpen bereits ausreichend softwaregesteuert, so dass das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft für jegliche konventionelle Pumpen verwendet werden kann. Vorteilhaft muss durch das erfindungsgemäße Verfahren keine Leistungsreserve für Leistungsschwankungen der Pumpe vorgehalten werden, wodurch auch eine Leistungsstreuung erheblich verringert ist.
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Zusammenfassend wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, mittels dessen es möglich ist, einen elektronisch kommutierten Elektromotor im Wesentlichen im Sollleistungsbereich zu betreiben. Zu diesem Zweck wird bei einer einmaligen serienmäßigen Leistungsprüfung ein Ist-Leistungswert ermittelt, der mit einem Soll-Leistungswert verglichen wird, woraus ein Korrekturfaktor ermittelt wird, der zum Betreiben des elektronisch kommutierten Elektromotors bei Sollleistung verwendet wird. Vorteilhaft kann der ermittelte Korrekturfaktor beispielsweise bereits in der Prüfstation für die Leistungsermittlung als Software-Korrekturfaktor in eine Steuerungs-Software der hydraulischen Pumpe eingespielt werden, sodass die Leistungsanpassung rasch und effizient durchgeführt werden kann.
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Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die beschriebenen Verfahrensschritte und Merkmale der Erfindung in geeigneter Weise adaptiert und miteinander kombiniert werden können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
