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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors, insbesondere eines DC-Elektromotors, vorzugsweise als Antriebsmotor eines Aggregats in einem Fahrzeug.
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Stand der Technik
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DC- bzw. Gleichstrommotoren können entweder dauerhaft oder getaktet über ein Motorrelais angesteuert werden. Die Taktung erfolgt beispielsweise durch Vorgabe einer Einschaltzeit und einer Ausschaltzeit bzw. von Zyklen mit definierten Einschalt- und Ausschaltzeitpunkten. Derartige DC-Motoren werden beispielsweise als Pumpenmotoren in ESP(elektronisches Stabilitätsprogramm)-Aggregaten eingesetzt.
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Im Betrieb des Elektromotors muss eine Überhitzung, welche zur Funktionseinschränkung oder zur Motorzerstörung führen kann, vermieden werden. Temperaturanfällig sind hierbei insbesondere die Dauermagnete im Elektromotor, die Kohlebürsten sowie der Motorstromschalter bzw. das Motorrelais.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Maßnahmen eine Überhitzung in einem Elektromotor zu vermeiden. Zweckmäßigerweise soll dies mit einem möglichst geringen Einsatz an Sensorik ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das Verfahren bezieht sich auf die Ansteuerung eines Elektromotors, insbesondere eines Gleichstrom- bzw. DC-Elektromotors. Derartige Elektromotoren werden beispielsweise in Aggregaten in Fahrzeugen eingesetzt, z.B. als elektrischer Pumpenmotor in einem ESP-Aggregat (elektronisches Stabilitätsprogramm) als Bestandteil eines Fahrerassistenzsystems. Grundsätzlich kommt aber auch eine Anwendung in sonstigen Fahrerassistenzsystemen oder unabhängig von Fahrerassistenzsystemen in Fahrzeugen sowie außerhalb von Fahrzeugen in Betracht. Das Verfahren läuft in einem Regel- bzw. Steuergerät ab, in welchem Signale zur Ansteuerung des Elektromotors generiert werden. Das Regel- bzw. Steuergerät kann wie vorbeschrieben Bestandteil eines Fahrerassistenzsystems oder einer sonstigen Einrichtung in einem Fahrzeug bzw. auch außerhalb eines Fahrzeuges sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors wird zur Vermeidung einer Überhitzung aus einem mathematischen Temperaturmodell auf der Grundlage von bekannten Kenn- bzw. Zustandsgrößen des Elektromotors die Temperatur in mindestens einer Position des Elektromotors ermittelt. Für den Fall, dass die ermittelte Temperatur einen zugeordneten Schwellenwert überschreitet, wird in die Steuerung des Elektromotors eingegriffen, wobei grundsätzlich zwei verschiedene Eingriffsmöglichkeiten in Betracht kommen, nämlich zum einen eine Änderung der Strategie zur Ansteuerung des Elektromotors und zum andern das Abschalten des Elektromotors.
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Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass für die Beurteilung, ob in die Steuerung des Elektromotors eingegriffen werden muss, die Kenntnis der Temperatur an einem sicherheitsrelevanten Bauteil des Elektromotors ermittelt werden kann, ohne die Temperatur über eine Sensorik messen zu müssen. Grundsätzlich können mittels des Verfahrens Temperaturen an verschiedenen Positionen im Elektromotor ermittelt werden, denen jeweils Temperatur-Schwellenwerte zugeordnet werden. Somit kann mit einem gemeinsamen Temperaturmodell, ggf. mit Modifikationen für die verschiedenen Positionen im Elektromotor, die Temperatur an einer Mehrzahl von Positionen ermittelt werden. Damit kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass verschiedene Bauteile des Elektromotors sich während des Betriebs unterschiedlich stark erwärmen. So ist z.B. die Bürstentemperatur von Kohlebürsten, welche Teil eines Kommutators zur Stromübertragung auf den Anker sind, höher als die Temperatur beispielsweise in einem Magneten des Elektromotors oder einem Motorstromschalter bzw. Motorrelais. Den verschiedenen Bauteilen im Elektromotor sind unterschiedliche Schwellenwerte zugeordnet, wodurch eine unterschiedlich hohe Temperaturverträglichkeit der Bauteile berücksichtigt werden kann.
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Eine Temperaturmessung an den betreffenden Bauteilen im Elektromotor ist nicht erforderlich. Es genügt vielmehr, auf der Grundlage verhältnismäßig weniger Eingangsgrößen die Temperatur aus einem mathematischen Modell zu ermitteln. Für diejenigen Messgrößen, die in das Modell als Eingangsgrößen eingehen, kann, so weit vorhanden, auf eine Standard-Sensorik zurückgegriffen werden. So ist es beispielsweise möglich, im Falle eines ESP-Aggregats auf die ESP-Sensorik zurückzugreifen, die Bestandteil des ESP-Aggregates ist.
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In das Temperaturmodell können als Einflussgrößen die elektrischen Widerstände von Spulen, Lamellen und Bürsten sowie die Bürstenübergangsspannung berücksichtigt werden. Weitere Einflussgrößen sind die Wärmekapazität der Spule, des Magnets, des Poltopfs, der Lamelle, der Bürste und des Bürstenträgers, des Ankers sowie des Aggregats bzw. der Befestigung des Motors. Darüber hinaus können die Wärmeübertragungskoeffizienten der Magnet-Umgebung, der Aggregat-Umgebung, von Bürste auf Magnet, von Bürste auf Lamelle, von Lamelle auf Spule, von Spule auf Magnet, von Spule auf Anker, von Anker auf Magnet, von Anker auf Aggregat und von Aggregat auf Magnet berücksichtigt werden. Schließlich kann auch die Reibwärme zwischen Bürste und Lamelle sowie im Motor-Lager berücksichtigt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung werden die Eingangsgrößen, welche dem mathematischen Temperaturmodell zugeführt werden, in einem vorgeschalteten mathematischen Strommodell ermittelt. Als Eingangsgrößen des Temperaturmodells kommen Stromgrößen des Elektromotors in Betracht, beispielsweise der Effektivstrom sowie der Abschaltstrom, welcher im Zeitpunkt des Abschaltens des Elektromotors fließt. Die Stromgrößen werden als Funktion weiterer Eingangsgrößen in dem mathematischen Strommodell berechnet, wobei grundsätzlich die Stromgrößen auch als Messgrößen einer Sensorik vorliegen können. In dem Strommodell können die Induktivität, der Widerstand, das Trägheitsmoment sowie das Reibmoment des Motors berücksichtigt werden.
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Falls das mathematische Strommodell vorgeschaltet ist, können als Eingangsgrößen des Strommodells beispielsweise die am Elektromotor anliegende Motorlast, die Motordrehzahl, die zu Grunde liegende Batteriespannung und/oder eine Temperatur im Motor bzw. einem dem Motor zugeordneten Steuergerät, so weit diese Temperatur bekannt ist, berücksichtigt werden. Der Elektromotor kann in Zyklen betrieben werden, bei denen in zyklischen Abständen der Elektromotor ein- und ausgeschaltet wird. Die Motordrehzahl in einem Zyklus ist hierbei zumindest annähernd konstant, der sich einstellende Effektivstrom sowie der Abschaltstrom im Zeitpunkt des Abschaltens innerhalb eines Zyklus fließen in das Strommodell als Eingangsgrößen ein. Des Weiteren können die Zeitpunkte zum Ein- und Ausschalten des Elektromotors bzw. die Einschaltdauer und die Abschaltdauer innerhalb eines Zyklus, während der der Elektromotor ein- bzw. abgeschaltet ist, berücksichtigt werden. Die Motordrehzahl kann beispielsweise aus der gemessenen generatorischen Spannung ermittelt werden.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild mit einem Strommodell und einem Temperaturmodell zur Ermittlung der Temperatur an bestimmten Positionen in einem DC-Elektromotor,
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2 ein Ablaufdiagramm mit einzelnen Verfahrensschritten zur Untersuchung, ob die Temperatur in einem DC-Elektromotor einen kritischen Wert erreicht.
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In 1 ist ein Blockschaltbild mit zwei Blöcken 10 und 11 dargestellt, von denen der Block 10 ein mathematisches Strommodell und der Block 11 ein mathematisches Temperaturmodell für einen DC-Elektromotor darstellen. Mithilfe der mathematischen Modelle in den Blöcken 10 und 11 soll auf der Grundlage von nur verhältnismäßig wenigen Eingangsgrößen die Temperatur an verschiedenen, temperaturkritischen Positionen im Elektromotor ermittelt werden.
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Bei Kenntnis dieser Temperaturen kann entschieden werden, ob der Betrieb des Elektromotors unverändert weitergehen kann, eine Strategieänderung erforderlich ist oder der Elektromotor aus Sicherheitsgründen abgeschaltet werden muss.
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Dem Block 10, welcher das mathematische Strommodell repräsentiert, werden verschiedene Eingangsgrößen zugeführt, die im Elektromotor bzw. einem Regel- bzw. Steuergerät, welches dem Elektromotor zugeordnet ist, zur Verfügung stehen. Bei diesen Größen handelt es sich im Ausführungsbeispiel um die Einschaltdauer ton, während der der Elektromotor innerhalb eines Zeitzyklus eingeschaltet ist, um die Zykluszeit tcycle, welche sich additiv aus der Einschaltdauer ton sowie einer Abschaltdauer Toff zusammensetzt, während der der Elektromotor innerhalb eines Zeitzyklus ausgeschaltet ist, um die Motordrehzahl n, um die anliegende Motorlast M, um eine Temperatur T, welche im Motor bzw. im Regel- bzw. Steuergerät zu Beginn der Ansteuerung herrscht, und um die Motoreingangsspannung U. Diese Größen werden entweder sensorisch erfasst oder aus Sensordaten ermittelt oder liegen im Regel- bzw. Steuergerät vor, zum Beispiel die verschiedenen Zeiten t.
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In dem mathematischen Strommodell gemäß Block 10 wird auf der Grundlage der zugeführten Eingangsgrößen ein Effektivstrom Ieff und ein Abschaltstrom Ioff, welcher im Zeitpunkt des Abschaltens des Elektromotors innerhalb eines Zyklus herrscht, berechnet. Der Effektivstrom Ieff und der Abschaltstrom Ioff gehen als Eingangsgrößen in den darauf folgenden Block 11 ein, welcher das mathematische Temperaturmodell repräsentiert, in welchem auf der Grundlage der Eingangsgrößen die Temperatur Tmag in einem Permanentmagneten im Elektromotor, die Temperatur Tbr in einer Kohlebürste des Elektromotors und die Temperatur Trel in einem Motorstromschalter bzw. einem Motorrelais berechnet wird. Die Magnete, die Kohlebürsten und der Motorstromschalter erwärmen sich im Betrieb des Elektromotors verhältnismäßig stark und stellen daher temperaturkritische Bauteile dar.
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In 2 ist ein Ablaufdiagramm mit einzelnen Verfahrensschritten zum Ermitteln der Temperatur an verschiedenen Positionen im Elektromotor und dem Ergreifen von Maßnahmen dargestellt. Zunächst werden in einem ersten Verfahrensschritt 20 die Eingangsgrößen ermittelt, die dem mathematischen Strommodell als Eingang zugeführt werden. Es handelt sich bei diesen Eingangsgrößen um die bereits in 1 erläuterten, dem Block 10 zuzuführenden Eingangsgrößen.
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Verfahrensschritt 21 repräsentiert das Stormmodell, dessen Ausgangsgrößen im darauf folgenden Verfahrensschritt 22 als Eingang dem Temperaturmodell zugeführt werden, welches ausgangsseitig die gewünschten Temperaturen Tmag, Tbr und Trel liefert. Diese Temperaturen werden im nächsten Verfahrensschritt 23 einer ersten Abfrage unterzogen, in welcher überprüft wird, ob die jeweiligen Temperaturen einen zugeordneten oberen Schwellenwert Tlim,h überschreiten, welche die zulässige Maximaltemperatur für das jeweils betreffende Bauteil im Elektromotor darstellt. Ist der obere Schwellenwert Tlim,h für das betreffende Bauteil erreicht bzw. überschritten, wird der Ja-Verzweigung („Y“) folgend zum Verfahrensschritt 24 fortgefahren und der Elektromotor abgeschaltet; in diesem Fall ist das Verfahren beendet.
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Anderenfalls hat das betreffende Bauteil noch nicht den oberen Schwellenwert Tlim,h erreicht und es wird der Nein-Verzweigung („N“) folgend zum Verfahrensschritt 25 fortgefahren, in welchem eine weitere Abfrage erfolgt, ob die betreffende Temperatur einen unteren Schwellenwert Tlim,l erreicht bzw. überschritten hat. Der untere Schwellenwert Tlim,l liegt niedriger als der obere Schwellenwert Tlim,h, wobei der untere Schwellenwert Tlim,l zwar zu einer Strategieänderung in der Ansteuerung des Elektromotors zwingt, der Elektromotor jedoch noch weiter betrieben werden kann. Dementsprechend wird mit dem Erreichen des unteren Schwellenwertes der Ja-Verzweigung folgend zum Verfahrensschritt 26 fortgefahren, in welchem eine Strategieänderung bei der Ansteuerung durchgeführt wird, beispielsweise längere Zeitzyklen durchgeführt oder der Anteil verlängert wird, in welchem der Elektromotor innerhalb eines Zyklus ausgeschaltet bleibt. Im Anschluss an Verfahrensschritt 26 wird wieder zum Beginn des Verfahrens zurückgekehrt.
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Ergibt die Abfrage im Verfahrensschritt 25, dass der untere Temperaturschwellenwert Tlim,l noch nicht erreicht worden ist, wird der Nein-Verzweigung folgend wieder zum Beginn des Verfahrens zurückgekehrt und das Verfahren in zyklischen Abständen erneut durchlaufen. In diesem Fall ist keine Strategieänderung erforderlich.
