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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionstüchtigkeit von Hydraulikkomponenten in einem geschlossenen Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges.
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In modernen Kraftfahrzeugen, welche mit leistungsstarken Brennkraftmaschinen angetrieben werden, kommen zunehmend elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpen zum Einsatz. Diese haben gegenüber den konventionellen Kühlmittelpumpen, welche unmittelbar oder mittelbar über bewegliche Zugmittel von der Brennkraftmaschine angetrieben werden, den Vorteil, dass eine exakt der Leistung der Brennkraftmaschine angepasste und von der Drehzahl der Brennkraftmaschine unabhängige Kühlleistung realisiert werden kann.
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Eine besonders schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine und in Folge davon der Betriebsstoffe ergibt sich, wenn ausgehend von Kaltstartverhältnissen der Brennkraftmaschine zunächst keine Zirkulation des Kühlmittels erfolgt. Das führt dazu, dass sich das in dem Kühlmantel der Brennkraftmaschine befindliche relativ kleine Kühlmittelvolumen sehr schnell erwärmt. Bei Kühlsystemen mit einer elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe kann der Kühlkreislauf auf einfache Weise durch Abschalten des Elektromotors der Kühlmittelpumpe unterbrochen werden (
DE 102 26 928 A1 ).
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Hybridfahrzeuge oder Elektrofahrzeuge benötigen ebenfalls einen Kühlkreislauf, der in der Regel auch eine elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe umfasst. Sie sorgt hauptsächlich für die Kühlung von bestimmten Bauteilen, wie beispielsweise der Traktionsbatterie bei einem Elektrofahrzeug und/oder sie unterstützt die Heizung des Fahrgastraumes. Mit der Weiterentwicklung dieser Funktionen, insbesondere beim Einsatz der elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe für die Flüssigkeitskühlung eines sogenannten Bremswiderstandes, nimmt die Bedeutung einer Diagnosefähigkeit einer solchen Kühlmittelpumpe zu. Ein Bremswiderstand ist ein Leistungswiderstand womit ein Elektro- oder Hybridfahrzeug die elektrische Bremsung trotz beschränkter Energieaufnahmefähigkeit der Traktionsbatterie aufrechterhalten kann.
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Zur Diagnose einer unabhängig vom Betriebszustand einer Brennkraftmaschine zu- und abschaltbaren, elektrischen Kühlmittelpumpe zum Umwälzen eines Kühlmittels in einem geschlossenen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine wird in der
DE 10 2008 032 130 A1 vorgeschlagen, zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach einem erkannten Kaltstart der Brennkraftmaschine sowohl einen die Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine repräsentierenden Wert als auch einen die Zylinderkopftemperatur der Brennkraftmaschine repräsentierenden Wert zu ermitteln und diese Werte anschließend miteinander zu vergleichen. In Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleiches wird die Kühlmittelpumpe hinsichtlich ihrer Funktionstüchtigkeit bewertet. Dadurch kann sehr frühzeitig nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eine defekte Kühlmittelpumpe erkannt werden.
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Alternativ hierzu kann die Funktion einer solchen elektrischen Kühlmittelpumpe mittels Druck- und/oder Durchflusssensoren überprüft werden. Alle diese Systeme benötigen eine zusätzliche Sensorik, was den Aufwand und damit die Kosten erhöht.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf einfache und kostengünstige Weise die Funktionstüchtigkeit von Hydraulikkomponenten in einem, eine elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe enthaltenden Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges überprüft werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Korrelation besteht zwischen dem Antriebsdrehmoment des die Kühlmittelpumpe antreibenden Elektromotors, das wiederum entscheidend beeinflusst wird von den Strömungsverhältnissen im Kühlkreislauf, und den elektrischen Parametern Strom und Spannung des Elektromotors.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionstüchtigkeit von Hydraulikkomponenten in einem geschlossenen Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges, mit einer, mittels eines Elektromotors angetriebenen Kühlmittelpumpe zum Umwälzen des Kühlmittels innerhalb des Kühlkreislaufes. Es wird ein, das Antriebsdrehmoment des Elektromotors repräsentierendes Signal ermittelt und mit Referenzwerten verglichen und in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleiches die Hydraulikkomponenten bezüglich ihrer Funktionstüchtigkeit bewertet.
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Mit dem angegebenen Überprüfungsverfahren kann sowohl die Funktionstüchtigkeit der Kühlmittelpumpe selbst, als auch von anderen Hydraulikkomponenten wie Verbindungsleitungen, Hydraulikventile, Wärmetauscher, Kühler, flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand, flüssigkeitsgekühlte Traktionsbatterie bewertet werden.
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Durch Erfassen und Auswerten von drehmomentrelevanten Messgrößen des Elektromotors wie elektrischer Strom und/oder elektrische Spannung Beurteilung der Funktionstüchtigkeit von Hydraulikkomponenten kann auf jegliche Verwendung von Sensoren wie beispielsweise Druck- und Durchflusssensoren verzichtet werden. Durch die Einsparung von zusätzlichen Sensoren entfallen die Verbindungskabel, sowie deren Schnittstelle zu einem Steuergerät.
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Wird das beschriebene Überprüfungsverfahren noch mit Temperatursensoren kombiniert, so können erweiterte Diagnosefunktionen realisiert werden.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und anhand der Zeichnung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert.
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In der einzigen Figur ist in Form eines Blockschaltbildes sehr vereinfacht ein Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges gezeigt. Dabei sind nur diejenigen Komponenten des Kühlsystems dargestellt, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind. Das Kühlsystem beinhaltet einen geschlossenen Kühlkreislauf 10, im folgenden auch als Hydraulikkreis bezeichnet, innerhalb dessen eine Kühlflüssigkeit, im wesentlichen eine Mischung aus Wasser, Frostschutzmittel und fallspezifischen Inhibitoren, mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe 11 bei Bedarf umgewälzt wird. Die Fließrichtung der Kühlflüssigkeit ist mit Pfeilsymbolen gekennzeichnet. Als Kühlmittelpumpe 11 ist eine elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe vorgesehen. Hierzu ist eine Welle 13 eines Elektromotors 12 in herkömmlicher Weise mit der beweglichen Pumpenmechanik, welche die Kühlflüssigkeit von der Saugseite zu der Druckseite der Kühlmittelpumpe 11 fördert, verbunden. Das Wirkprinzip der Kühlmittelpumpe 11 ist für das erfindungsgemäße Verfahren nicht von Bedeutung.
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Der Kühlkreislauf 10 weist neben der Kühlmittelpumpe 11 einen Kühler 14 auf, mit dessen Hilfe die in der Kühlflüssigkeit enthaltene Wärme an die Umgebung abgeführt wird. Um auch bei niedrigen Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeuges hohe Kühlleistungen zu erbringen, kann zusätzlich ein vorzugsweise elektrisch angetriebener Lüfter 15 vorgesehen sein. Der Ausgang der Kühlmittelpumpe 11 ist hierzu über eine Hydraulikleitung 16 mit einem Kühlmitteleinlass 141 des Kühlers 14 verbunden.
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Von einem Kühlmittelauslass 142 des Kühlers 14 führt eine weitere Hydraulikleitung 17 zu einer Hydraulikkomponente 18 und von dort zurück zu der Saugseite der Kühlmittelpumpe 11. Die Hydraulikkomponente 18 kann insbesondere ein flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand bei einem Hybrid- oder Elektro-Kraftfahrzeug sein. Die Hydraulikkomponente 18 kann auch ein Wärmetauscher zur Beheizung der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeuges sein. In die Hydraulikleitung 17 ist ein elektrisch steuerbares Stellventil 19 eingeschaltet. Stromaufwärts des Stellventils 19 zweigt von der Hydraulikleitung 17 eine Bypass-Hydraulikleitung 20 zur Saugseite der Kühlmittelpumpe 11 ab. Durch Schließen des Stellventils 19 kann somit die Hydraulikkomponente 18 vom Kühlkreislauf 10 abgetrennt werden. Desweiteren kann auch eine Bypass-Hydraulikleitung mit einem Stellventil parallel zum Kühler 14 zur teilweisen oder vollständigen Umgehung des Kühlers 14 vorgesehen sein, um die Systemwärme zur Aufheizung der Luft im Fahrgastraum zu nutzen (nicht dargestellt).
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Darüber hinaus kann der Kühlkreislauf 10 abhängig vom Antriebskonzept (Elektroantrieb, Hybridantrieb, Range Extender, Brennkraftmaschinenantrieb) weitere Komponenten enthalten, die mit Kühlflüssigkeit durchströmt werden wie beispielsweise elektrischer Traktionsmotor, Leistungselektronik, Traktionsbatterie, elektrisch angetriebener Kompressor einer Klimaanlage, Latentwärmespeicher etc. und entsprechende Leitungen und Stellventile hierzu. Ferner können die genannten Komponenten auch auf mehrere einzelne Kühlkreisläufe verteilt sein, wobei abhängig von Betriebsparametern des Kraftfahrzeuges und/oder des Antriebsstranges die einzelnen Kühlkreisläufe mittels einer Umschalteinrichtung miteinander verbunden und getrennt werden können.
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Zur Steuerung und Regelung des Antriebsaggregates des Kraftfahrzeugs, sei es eine Brennkraftmaschine oder ein Elektromotor bei einem Elektrofahrzeug, ist eine elektronische Steuerungseinrichtung 30 (ECU, electronic control unit), meist vereinfacht als Motorsteuerung bezeichnet, vorgesehen. Dieser werden Eingangssignale ES zugeführt, die zur Steuerung und Regelung des Antriebsaggregates, sowie zur Steuerung und Regelung von Nebenaggregaten notwendig sind. Die Steuerungseinrichtung 30 ermittelt abhängig von den Eingangssignalen ES Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stellsignale AS zum Steuern von Stellgliedern mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden.
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Solche elektronischen Steuerungseinrichtungen 30, die in der Regel einen oder mehrere Mikroprozessoren beinhalten und die neben der Steuerung des Antriebsaggregates noch eine Vielzahl weitere Steuer- und Regelaufgaben durchführen, sind an sich bekannt, sodass im Folgenden nur auf den im Zusammenhang mit der Erfindung relevanten Aufbau und dessen Funktionsweise eingegangen wird.
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Die Steuerungseinrichtung 30 umfasst bevorzugt eine Recheneinheit (Prozessor) 31, die mit einem Programmspeicher 32 und einem Wertespeicher (Datenspeicher) 33 gekoppelt ist. In dem Programmspeicher 32 und dem Wertespeicher 33 sind Programme bzw. Werte gespeichert, die für den Betrieb des Antriebsaggregates, sowie der Nebenaggregate nötig sind. Unter anderem ist in dem Programmspeicher 32 softwaremäßig eine kennfeldbasierte Funktion zum Diagnostizieren der Funktionstüchtigkeit von Hydraulikkomponenten im Kühlkreislauf 10 des Kraftfahrzeuges implementiert, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.
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In dem Wertespeicher 33 sind Referenzwerte I_SW1 und Referenzkennlinien I_SW2 für ein das Antriebsdrehmoment des die Kühlmittelpumpe 11 antreibenden Elektromotors 12 repräsentativen Signale I für verschiedene Betriebsbedingungen des Kühlkreislaufes 10 abgelegt, welche charakteristisch sind für eine fehlerfreie Funktion der Hydraulikkomponenten bei diesen Betriebsbedingungen. Diese Referenzwerte werden experimentell ermittelt und anschließend nichtflüchtig in dem Wertespeicher 33 abgespeichert.
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Ferner ist in der Steuerungseinrichtung 30 ein Fehlerspeicher 34 zum Speichern und Auswerten von verschiedenen Diagnoseergebnissen, insbesondere von Ergebnissen der Überprüfungen der Funktionalität der Hydraulikkomponenten im Kühlkreislauf 10 vorgesehen. Negative Diagnoseergebnisse können dem Fahrzeugführer zusätzlich zu der Speicherung in dem Fehlerspeicher 34 auch akustisch und/oder optisch mit Hilfe einer Fehleranzeigevorrichtung 40 übermittelt werden. Um die Diagnosesicherheit zu erhöhen, erfolgt nicht sofort bei einem einmaligen Abweichen der Messwerte von den Referenzwerten ein Fehlereintrag in den Fehlerspeicher 34 und ein Ansteuern der Fehleranzeigevorrichtung 40, sondern das Überschreiten bzw. Unterschreiten der Referenzwerte wird einer statistischen Auswertung unterzogen. Hierzu dient ein Zähler 35, welcher die Anzahl der Überschreitungen bzw. Unterschreitungen aufsummiert und erst bei Erreichen eines vorgegebenen Zählerendstandes erfolgt ein Eintrag in den Fehlerspeicher 34 und das Aktivieren der Fehleranzeigevorrichtung 40.
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Die Steuerungseinrichtung 30 übernimmt auch die Ansteuerung des die Kühlmittelpumpe 11 antreibenden Elektromotors 12, der hierzu mittels Steuerleitungen 36 mit dieser in Verbindung steht. Zum Übertragen von Signalen (Messsignalen), welche das Antriebsdrehmoment des Elektromotors 12 repräsentieren, dienen Messleitungen 37, die zu der Steuerungseinrichtung 30 führen. Zur Stromversorgung des Elektromotors 12 ist eine Batterie 50 oder ein Akkumulator vorgesehen, vorzugsweise dient hierzu die Fahrzeugbatterie.
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Die Elektronikkomponente zur Ansteuerung des Elektromotors 12 beinhaltet typischerweise einen 3-phasigen Wechselrichter, welcher eine sogenannte elektronische Kommutierung durchführt. Unter Kommutierung ist in diesem Zusammenhang ein Verfahren zu verstehen, aus Gleichspannung ein 3-phasiges Drehmagnetfeld zu erzeugen, um einen Rotor des Elektromotors 12 zum Drehen zu bringen. Um diese Aufgabe durchführen zu können, braucht die Steuerung des Umrichters einige Sensorsignale (z.B. Phasenströme in mindestens zwei Phasenwicklungen) oder nachgebildete Signale. die aus anderen Messgrößen berechnet werden.
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Aus den Messgrößen können aber nicht nur Informationen für die Steuerung des Umrichters generiert werden, sondern auch Informationen, aus denen sich der Zustand von Komponenten des Hydraulikkreises ableiten lässt. Besonders geeignet sind interne Messgrößen, die eine enge Korrelation mit dem Antriebsdrehmoment des Elektromotors 12 zeigen. So ein Signal ist beispielsweise der elektrische Strom durch den Elektromotor 12 („Phasenstrom“) bzw. die in das Rotorkoordinatensystem umgerechneten Phasenströme.
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Zur Diagnose des Hydraulikkreises und damit der Hydraulikkomponenten wird die Kühlmittelpumpe 11 mittels des Elektromotors 12 derart betrieben, dass innerhalb des Hydraulikkreises keinerlei dynamischen Vorgänge auftreten, d.h. es werden insbesondere keine Stellventile 19 geöffnet oder geschlossen oder sonstige Eingriffe gemacht, welche in Folge davon eine Strömungswiderstandsänderung der Kühlflüssigkeit innerhalb des Kühlkreises verursachen würde. Dies wird als stationärer Betrieb des Hydraulikkreises 11 bezeichnet. Während dieses stationären Betriebes wird laufend der elektrische Strom I des Elektromotors 12 erfasst, der wie eingangs erwähnt, mit dem Antriebsdrehmoment des Elektromotors 12 korreliert. und dieser wird mit dem im Wertespeicher 33 für diesen Betriebspunkt abgelegtem Referenzwert I_SW1 verglichen. Liegt der gemessene Wert I über dem Referenzwert I_SW, d.h. liegt eine erhöhte Stromaufnahme des Elektromotors 12 vor, wird auf einen erhöhten Strömungswiderstand in dem Kühlkreis 10 geschlossen. Ursache hierfür kann eine gegenüber dem fehlerfreien Betrieb erhöhte mechanische Reibung in der Mechanik der Kühlmittelpumpe 11, eine schwergängige Welle 13 des Antriebes, teilweise oder vollständig verstopfte Hydraulikleitungen 16, 17, teilweise verstopfte Stellventile, welche bei diesem Betriebspunkt vollständig geöffnet sein sollten oder ein verstopfter Kühler 14 sein.
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Liegt der gemessene Wert I unterhalb des Referenzwertes I_SW, d.h. liegt eine verringerte Stromaufnahme des Elektromotors 12 vor, wird auf einen gegenüber dem fehlerfreien Normalzustand geringeren Strömungswiderstand innerhalb des Hydraulikkreises geschlossen, was typischerweise bei einer Leckage einer der vorhandenen Hydraulikkomponenten auftritt. Dies kann beispielsweise in gelösten oder gelockerten Anschlussverbindungen der Hydraulikleitungen an die Hydraulikkomponenten, Leckagen an den Hydraulikkomponenten selbst, wie Undichtigkeiten am Kühler oder an einem Stellventil 19 liegen.
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Eine weitere Möglichkeit der Überprüfung des Hydraulikkreises und damit der Hydraulikkomponenten besteht darin, während des Betriebes der Kühlmittelpumpe 11 Hydraulikkomponenten zu- oder abzuschalten, um eine Änderung der Strömungsverhältnisse im Hydraulikkreis hervorzurufen und dabei den zeitlichen Verlauf des elektrischen Stromes I des die Kühlmittelpumpe 11 antreibenden Elektromotors 12 zu erfassen und mit einem im fehlerfreien Zustand des Hydraulikkreises zu erwartenden Referenzverlauf I_SW2 zu vergleichen. Dies wird als transienter Betrieb des Hydraulikkreises bezeichnet. Weicht der tatsächliche Verlauf des Stromes I von dem zu erwartenden Referenzverlauf I_SW2 ab, beobachtet man also beim Umschalten im Hydraulikkreis oder zumindest beim Auslösen des Umschaltens durch ein Stellsignal für die Hydraulikkomponente keine Änderung im Stromverlauf I, so ist das ein Hinweis dafür, dass die Hydraulikkomponente das Stellsignal nicht oder nicht vollständig umgesetzt hat.
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Es ist auch möglich, im transienten Betrieb des Kühlkreislaufes 10 auf eine fehlerhafte Hydraulikkomponente 14, 18, 19 zu erkennen, wenn eine Drehzahländerung der Kühlmittelpumpe 11 durchgeführt wird und der zeitliche Verlauf des das Antriebsdrehmoment des Elektromotors 12 repräsentierenden Signals von einem, für diesen Betriebsbereich zu erwartenden, dynamischen Referenzwertverlauf I_SW3 abweicht.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in der Figur die Kühlmittelpumpe 11 und der Elektromotor 12 als separate Komponenten dargestellt, welche mittels einer Welle 13 verbunden sind. Es ist aber auch möglich, die beiden Komponenten in ein gemeinsames Gehäuse zu integrieren, so dass sich insgesamt ein sehr kompakter Aufbau ergibt. Außerdem kann der Teil der Steuerungseinrichtung, welcher die Erfassung und Auswertung des das Antriebsdrehmoment repräsentierenden Signals übernimmt, als dezentrale Steuerelektronik in oder an ein solches gemeinsames Gehäuse integriert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand eines Beispiels erläutert, bei dem als drehmomentrelevantes Signal der elektrische Strom in dem die Kühlmittelpumpe antreibenden Elektromotor ausgewertet wird. Als ein das Antriebsdrehmoment des Elektromotors repräsentierendes Signal kann aber auch die am Elektromotor anliegende elektrische Spannung, insbesondere Spannungseinbrüche ausgewertet werden. Zur Erhöhung der Diagnosesicherheit oder zur Plausibilisierung können auch die Werte für den elektrischen Strom und die Werte für die elektrische Spannung gemeinsam als Entscheidungskriterium für die Funktionstüchtigkeit der Hydraulikkomponenten ausgewertet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühlkreislauf
- 11
- Kühlmittelpumpe
- 12
- Elektromotor
- 13
- Welle des Elektromotors
- 14
- Kühler
- 141
- Kühlmitteleinlass
- 142
- Kühlmittelauslass
- 15
- Lüfter
- 16
- Hydraulikleitung
- 17
- Hydraulikleitung
- 18
- Hydraulikkomponente
- 19
- Stellventil
- 20
- Bypass-Hydraulikleitung
- 30
- elektronische Steuerungseinrichtung
- 31
- Recheneinheit, Prozessor
- 32
- Programmspeicher
- 33
- Datenspeicher, Wertespeicher
- 34
- Fehlerspeicher
- 35
- Häufigkeitszähler
- 36
- Steuerleitung
- 37
- Messleitung
- 40
- Fehleranzeigevorrichtung
- 50
- Fahrzeugbatterie
- AS
- Stellsignale
- ES
- Eingangssignale
- I_SW1
- Referenzwert für statischen Betrieb
- I_SW2, I_SW3
- Referenzwert, Referenzkennlinie für dynamischen Betrieb
- I
- elektrischer Strom
- U
- elektrische Spannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10226928 A1 [0003]
- DE 102008032130 A1 [0005]
