DE102011090069A1

DE102011090069A1 - Lüftersystem und Verfahren zur Steuerung eines Lüftermotors

Info

Publication number: DE102011090069A1
Application number: DE102011090069A
Authority: DE
Inventors: Richard Vogt; Nikolas Haberl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-07-04
Also published as: CN103184924B; CN103184924A; US20130171009A1

Abstract

Bei einem Lüftersystem (1) für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem elektrischen Lüftermotor (2) mit Kommutator (4), und mit einer Steuereinheit (3), die eine Störung des Lüftermotors (2) erkennt und diesen spannungsfrei schaltet, wenn der Motorstrom einen vorbestimmten lastabhängigen Abschaltwert erreicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Steuereinheit (3) den Lüftermotor (2) für eine vorbestimmte Zeitdauer mit mindestens nahezu maximaler Leistung ansteuert, wenn der Motorstrom einen lastabhängigen Schaltwert erreicht, der um einen vorbestimmten Betrag niedriger als der dazugehörige Abschaltwert ist. Dadurch wird der Lüftermotor (2) nicht ungewollt abgeschaltet, wenn lediglich eine Verschmutzung, jedoch keine Blockierung vorliegt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Lüftersystem zum Durchführen einer geregelten Kühlung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem elektrischen Lüftermotor, der einen Kommutator aufweist, und mit einer Steuereinheit zum Ansteuern des Lüftermotors, wobei die Steuereinheit so gestaltet ist, dass sie eine Störung des Lüftermotors, insbesondere eine gegenüber der Vorgabe erhöhte Stromaufnahme, erkennt und diesen spannungsfrei schaltet, wenn der Motorstrom einen vorbestimmten lastabhängigen Abschaltwert erreicht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Steuern eines Lüftermotors.
Ein gattungsgemäßes Lüftersystem mit Blockiererkennung über die Strom-Spannungskennlinie ist beispielsweise aus der DE 103 26 785 A1 bekannt.
Kühlsysteme für moderne Kraftfahrzeugantriebe werden mit leistungsstarken Lüftermotoren ausgestattet, die ein Lüfterrad antreiben beziehungsweise in Drehung versetzen, um den Wärmetauschern des Kühlsystems auch im Stillstand, das heißt bei stehendem Kraftfahrzeug oder bei nur geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten, einen ausreichend hohen Luftmassenstrom bereitstellen zu können. Üblicherweise werden als Lüftermotoren Gleichstrommotoren eingesetzt, deren mit Spulen versehener Rotor über einen Kommutator mit einer Bürstenanordnung mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Steuerung derartiger Lüftermotoren erfolgt nach dem Stand der Technik mittels einer bis zu drei Vorwiderständen aufweisenden Relaisschaltung, die verschiedene Lasten beziehungsweise Drehzahlen des Lüfters realisiert, oder mittels einer Leistungselektronik, die zum nahezu stufenlosen Ansteuern periodische pulsweitenmodulierte Ansteuersignale, deren Tastverhältnis variierbar ist, generiert. Obwohl die Lüftermotoren in der Regel auf eine hohe maximal benötigte Kühlleistung ausgelegt werden müssen, werden die Motoren für einen Großteil der Gesamtbetriebszeit im Normalbetrieb nur mit einer deutlich geringeren Leistung und somit mit einem geringeren Strom belastet.
Während des Betriebs des Lüftermotors kann es zu Fehlern kommen, die insbesondere eine Blockierung oder Schwergängigkeit des Lüftermotors hervorrufen. Da eine weitere Bestromung des Gleichstrommotors in einer derartigen Situation zu einer Beschädigung der Ansteuerelektronik und des Lüftermotors durch Überhitzung führen kann, wird üblicherweise versucht, eine Blockierung des Gleichstrommotors frühzeitig zu erkennen, um bei einer erkannten Blockierung den Stromfluss durch den Gleichstrommotor zu unterbrechen. Bei modernen Lüftersystemen wird die erforderliche Drehzahlüberwachung nicht mit Hilfe eines relativ aufwändigen Drehzahlsensors durchgeführt, sondern es wird versucht, die Drehzahlerkennung lediglich basierend auf einer Auswertung eines Stromverbrauchs durch den Gleichstrommotor durchzuführen. Es wird davon ausgegangen, dass der blockierte Gleichstrommotor eine deutlich höhere Stromaufnahme aufweist, als dies bei einem ordnungsgemäß funktionierenden Motor unter Last der Fall wäre. Die Strom-Spannungskennlinie des Lüftermotors ist jedoch von weiteren Faktoren, wie beispielsweise der Temperatur des Lüftermotors, seiner Versorgungsspannung, Fertigungstoleranzen und der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig. Aufgrund derartiger Einflüsse und einer ungenauen Stromerfassung kann die Stromaufnahme des Gleichstrommotors bei gleichem Betriebszustand um einen Faktor größer als eins, bei leistungsstarken DC-Motoren in der Regel mindestens Faktor zwei, variieren.
Bei der bekannten Lüftersystem-Blockiererkennung treten jedoch Probleme auf, wenn der Motorstrom beispielsweise aufgrund von Verschleiß, insbesondere Verpastung des Kommutators, erhöht ist und somit zu einem ungewollten Abschalten des Lüftermotors durch das Steuergerät führt. Eine derartige „Verpastung“, bei der sich in die Schlitze zwischen den Kontaktlamellen des Kommutators Kohlenstaub, Schmutz, Öl und so weiter absetzt, wobei die Verpastung durch den Kohlenstaub und/oder den Kommutator-Abrieb häufig leitfähig ist und somit einen Kurzschluss zwischen den Lamellen bewirkt, tritt aufgrund der dauerhaften Ansteuerung des Lüftermotors mit einem zu geringen Strom beziehungsweise einer zu geringen Drehzahl regelmäßig auf.
Bei einem aus der DE 10 2005 016 452 A1 bekannten Lüftersystem ohne Blockiererkennung ist es bekannt, den Lüftermotor zur Vermeidung beziehungsweise Reduzierung von Verpastung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, also unabhängig von der tatsächlichen Stromaufnahme, mit stark erhöhter Leistung anzusteuern, damit die Verpastung aus dem Lüftermotor entweder herausgeschleudert oder weggebrannt wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung bei einem Lüftersystem, dessen Stromaufnahme zur Erkennung von Störungen überwacht wird, ein ungewolltes Abschalten des Lüftermotors, insbesondere aufgrund von Verpastung des Kommutators, zu vermeiden beziehungsweise zu reduzieren.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Lüftersystem gemäß Patentanspruch 1 sowie durch das Verfahren zum Steuern eines Lüftermotors nach Patentanspruch 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Bei dem erfindungsgemäßen Lüftersystem ist die Steuereinheit so gestaltet, dass sie den Lüftermotor für eine vorbestimmte Zeitdauer mit mindestens nahezu maximaler Leistung ansteuert, wenn der Motorstrom einen lastabhängigen Schaltwert erreicht, der um einen vorbestimmten Betrag niedriger als der dazugehörige Abschaltwert ist.
Das Lüftersystem der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass der Lüftermotor bei beginnender oder stärkerer Verpastung, durch die seine Stromaufnahme sich der Abschaltschwelle nähert, durchgeschaltet wird, wodurch der Lüftermotor gesäubert und ein unerwünschtes Abschalten verhindert wird, da sich die Stromaufnahme durch die Säuberung von der Abschaltschwelle entfernt, sofern lediglich eine Verpastung und keine Blockierung vorlag. Vorteilhaft ist insbesondere auch, dass ein Durchschalten des Lüftermotors nicht bedarfsunabhängig, zu willkürlichen Zeitpunkten erfolgt, sondern dann, falls gemäß Stromaufnahme eine mehr oder weniger große tatsächliche Verpastung vorliegt.
Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung sind die Schaltwerte jeweils etwa 10% niedriger als die zugehörigen Abschaltwerte, was insbesondere Vorteile hinsichtlich einer nicht zu aufwändigen Auflösung bei der Stromerfassung bietet. Insbesondere muss kein zusätzlicher Hardware-Aufwand getrieben werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt die vorbestimmte Zeitdauer weniger als 60 Sekunden, vorzugsweise etwa 10 Sekunden. Dies reicht einerseits in der Regel für die Säuberung der Kommutatorschlitze aus, andererseits wird die Belastung des Lüftermotors, dessen Stromaufnahme aufgrund der Verpastung gegenüber der normalen Volllast erhöht ist, gering gehalten.
Bei einer als besonders vorteilhaft angesehenen weiteren Weiterbildung der Erfindung sind die Abschaltwerte und/oder die Schaltwerte jeweils in Form einer Kennlinie in der Steuereinheit gespeichert. Auf diese Weise können die erforderlichen Informationen einfacher und präziser als beispielsweise im eingangs genannten gattungsgemäßen Stand der Technik vorgeschlagen, erfasst beziehungsweise verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Lüftermotors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Dabei wird eine Information über den Strom durch den Lüftermotor bestimmt, und es wird eine Störung des Lüftermotors erkannt und der Lüftermotor abgeschaltet, wenn der Motorstrom einen vorbestimmten lastabhängigen Abschaltwert erreicht. Weiterhin wird der Lüftermotor für eine vorbestimmte Zeitdauer mit mindestens nahezu maximaler Leistung angesteuert, wenn der Motorstrom einen lastabhängigen Schaltwert erreicht, der um einen vorbestimmten Betrag niedriger als der dazugehörige Abschaltwert ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Lüftersystems für einen Verbrennungsmotor,
2 eine schematische Darstellung eines Kommutators des Lüftermotors, und,
3 ein Stromkennliniendiagramm für einen beispielhaften Lüftermotor.
In 1 ist ein Lüftersystem 1 für einen Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) in einem Kraftfahrzeug schematisch als Blockdiagramm dargestellt. Das Lüftersystem 1 weist ein Gebläse mit einem Lüftermotor 2 auf. Der Lüftermotor 2 ist elektrisch mit einer Steuereinheit 3 verbunden, die den Lüftermotor 2 entsprechend der Gebläseanforderung des Motormanagements und weiterer erfasster Informationen, insbesondere der Temperatur und der Versorgungsspannung U_bat des Lüfters, in geeigneter Weise mit einer Stellgröße, üblicherweise einer Spannung, stufenlos ansteuert. Der Lüftermotor 2 weist einen hier nicht dargestellten Kommutator auf.
Ein solcher Kommutator 4 ist in 2 schematisch dargestellt. Man erkennt den Kommentator 4, auf dem beispielsweise acht Kontaktlamellen 5 angebracht sind, die elektrisch isoliert auf einer Welle 6 des Lüftermotors 2 angeordnet sind. Die Kontaktlamellen 5 sind elektrisch mit Rotorspulen des Lüftermotors 2 verbunden. Zwischen den Kontaktlamellen 5 befinden sich Schlitze, die die Kontaktlamellen 5 elektrisch gegeneinander isolieren. Die Lamellen 5 werden mit Hilfe von so genannten Bürsten 7 kontaktiert, die mit Federkraft auf die Lamellen 5 gedrückt werden, so dass eine ständige Kontaktierung besteht. Über die Bürsten 7 gelangt ein elektrischer Strom zu den Rotorspulen des Lüftermotors 2. Beim Betrieb des Motors gleiten die Bürsten 7 auf den Lamellen 5 und bewirken beispielsweise einen Abrieb, der sich als Staub vorzugsweise in die Schlitze zwischen den Lamellen 5 absetzt. Da sich auch andere in der unmittelbaren Umgebung befindliche Materialien in den Schlitzen absetzt, bildet sich eine „Paste“, die im Wesentlichen leitfähig ist. Der Lüftermotor 2 ist beispielhaft für einen zweipoligen Motor mit zwei Kohlebürsten gezeigt. Auch vierpolige Motoren mit zwei bzw. vier Bürsten oder sechspolige Motoren mit zwei bzw. vier bzw. sechs Bürsten sind möglich.
Im Stromkennliniendiagramm gemäß 3 ist im unteren Bereich eine Kennlinie des Motorstroms I_motor dargestellt, die die von der Gebläseanforderung abhängige Stromanforderung des Lüfters im “Normalbetrieb“ abbildet. Alle Kennlinien in 3 gelten beispielhaft für konstante Temperatur beziehungsweise weitere konstant gehaltenen Faktoren. In der Steuereinheit 3 ist eine im oberen Bereich von 3 erkennbare Stromabschaltkennlinie I_abschalt als Funktion von Motorspannung, Versorgungsspannung, Temperatur, Zeit usw. hinterlegt.
Wird der von der jeweiligen Gebläseanforderung (Motorspannung) abhängige Abschaltwert auf der Kennlinie I_abschalt erreicht, wird der Lüftermotor 2 spannungsfrei geschaltet. Da diese Abschaltwerte auch ohne Störung beziehungsweise Blockierung, bei Vorliegen einer lediglich mehr oder weniger großen Verpastung des Kommutators 4 erreicht würden, würde in diesen Fällen ein ungewolltes Abschalten des Lüftermotors 2 durch die Steuereinheit 3 erfolgen. Um dies zu vermeiden, ist in der Steuereinheit 3 eine zweite Schaltkennlinie I_schalt_2, wieder als Funktion von Motorspannung, Versorgungsspannung, Temperatur, Zeit usw. hinterlegt. Allerdings ist der jeweilige Schaltwert auf der Kennlinie I_schalt_2 niedriger als der zugehörige Wert in der Abschaltkennlinie I_abschalt. Sinnvoll, insbesondere hinsichtlich einer mit akzeptablem Aufwand erreichbaren Auflösung bei der Stromerfassung, ist beispielsweise ein um circa 10% geringerer Wert. Bei Erreichen dieser Schaltkennlinie I_schalt_2 wird der Gleichstrommotor 2, sofern eine Gebläseanforderung seitens des Motormanagements vorliegt, für eine festzulegende Zeit, beispielsweise 10 Sekunden, voll angesteuert. Durch diese Vollansteuerung werden Partikel in den Kommutatorschlitzen entfernt und eine weiter fehlerfreie Funktion des Lüftermotors sichergestellt.
Das Durchschalten des Lüftermotors 2 kann auch für eine längere Zeitdauer erfolgen, wenn der Motor und das Steuergerät für eine entsprechend andauernde erhöhte Stromaufnahme ausgelegt sind. Während des Durchschaltens des Lüftermotors 2 bleibt die Obergrenze I_abschalt weiter in Kraft und wird, sofern nur eine Verpastung und keine Blockierung vorliegt, nicht erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10326785 A1 [0002]
DE 102005016452 A1 [0006]

Claims

Lüftersystem (1) zum Durchführen einer geregelten Kühlung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem elektrischen Lüftermotor (2), der einen Kommutator (4) aufweist, und mit einer Steuereinheit (3) zum Ansteuern des Lüftermotors (2), wobei die Steuereinheit (3) so gestaltet ist, dass sie eine Störung des Lüftermotors (2) erkennt und diesen spannungsfrei schaltet, wenn der Motorstrom einen vorbestimmten lastabhängigen Abschaltwert erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) den Lüftermotor (2) für eine vorbestimmte Zeitdauer mit mindestens nahezu maximaler Leistung ansteuert, wenn der Motorstrom einen lastabhängigen Schaltwert erreicht, der um einen vorbestimmten Betrag niedriger als der dazugehörige Abschaltwert ist.
Lüftersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltwerte jeweils 5 bis 20% niedriger als die zugehörigen Abschaltwerte sind.
Lüftersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltwerte jeweils etwa 10% niedriger als die zugehörigen Abschaltwerte sind.
Lüftersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeitdauer weniger als 60 Sekunden, vorzugsweise etwa 10 Sekunden beträgt.
Lüftersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltwerte und/oder die Schaltwerte jeweils in Form einer Kennlinie in der Steuereinheit (3) gespeichert sind.
Verfahren zum Steuern eines Gleichstrom-Lüftermotors (2) für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Information über den Strom durch den Lüftermotor (2) bestimmt wird, und wobei eine Störung des Lüftermotors (2) erkannt und den Lüftermotor (2) abgeschaltet wird, wenn der Motorstrom einen vorbestimmten lastabhängigen Abschaltwert erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüftermotor (2) für eine vorbestimmte Zeitdauer mit mindestens nahezu maximaler Leistung angesteuert wird, wenn der Motorstrom einen lastabhängigen Schaltwert erreicht, der um einen vorbestimmten Betrag niedriger als der dazugehörige Abschaltwert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltwerte jeweils 5 bis 20%, insbesondere etwa 10%, niedriger als die zugehörigen Abschaltwerte gewählt werden.