DE102012204785A1

DE102012204785A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102012204785A1
Application number: DE201210204785
Authority: DE
Inventors: Rolf Graf
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-09-26

Abstract

Bei einer Ansteuerung eines Elektromotors (2) einer Kraftstoffpumpe (3) eines Kraftfahrzeuges wird ein vorgesehener Betriebspunkt der Kraftstoffpumpe (3) durch das Stellen einer mittleren Spannung an dem Elektromotor (2) mit einer Puls-Weiten-Modulation konstant gehalten. Die Einschaltdauer des Spannungssignals der Puls-Weiten-Modulation wird überwacht und oberhalb eines Schwellenwertes ein Warnsignal an eine Motorsteuerung (6) übermittelt. Diese kann anschließend die Spannung des Bordnetzes (7) anheben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug, insbesondere eines Elektromotors zum Antrieb einer Kraftstoffpumpe, bei dem die Drehzahl des Elektromotors durch Stellen eines Spannungsmittelwertes an der Versorgung des Elektromotors geregelt wird und der Spannungsmittelwert mittels der Einschaltdauer eines Spannungssignals nach einer Puls-Weiten-Modulation erzeugt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, mit einem Elektromotor, insbesondere einem Elektromotor zum Antrieb einer Kraftstoffpumpe, mit einer Motorsteuerung zur Regelung der Spannung des Bordnetzes und mit einem elektrischen Steller zur Versorgung des Elektromotors mit Spannungssignalen einer Puls-Weiten-Modulation.
Der Spannungsmittelwert wird typisch durch die Manipulation der Einschaltdauer einer Puls-Weiten-Modulation der Betriebsspannung eingestellt. Hierbei ist es unerheblich, ob ein mechanisch kommutierter, bürstenbehafteter Gleichstrommotor oder ein elektronisch kommutierter Elektromotor eingesetzt wird.
Heutige Kraftfahrzeuge weisen häufig eine variable Spannung des Bordnetzes auf. Für den Betrieb von Subsystemen mit Elektromotoren, wie insbesondere Kraftstoffpumpen, ist zum Erreichen vorgesehener Betriebspunkte eine minimale Betriebsspannung notwendig. Bei Kraftstoffpumpen sind solche Betriebspunkte der vorgesehene Volumenstrom und der vorgesehene Pumpendruck. Steht diese Betriebsspannung nicht zur Verfügung, kann der Betriebspunkt nicht erreicht werden.
Bei Kraftstoffpumpen beträgt die benötigte Pumpenleistung meist nur einen Bruchteil der bei der vorhandenen Spannung des Bordnetzes möglichen Leistung. Die mögliche mechanische Leistung eines Elektromotors ist typisch quadratisch von der verfügbaren Betriebsspannung abhängig. Daher kann für einen gegebenen Betriebszustand im Teillastbetrieb einer Kraftstoffpumpe die mittlere Spannung an den Anschlüssen des Elektromotors verringert werden. Dies wird in der Praxis meist mittels einer Elektronik erreicht, die den Elektromotor nach dem Verfahren der Puls-Weiten-Modulation (PWM) speist. Die Elektronik sorgt bei modernen Systemen mit elektronisch kommutierten Motoren (EC-Motoren) dabei durch ständige Anpassung des Tastgrades der PWM für eine Drehzahlregelung der Pumpe, unabhängig von der Spannung des Bordnetzes oder des hydraulischen Betriebszustandes.
Wird die Kraftstoffpumpe jedoch mit 100 % Einschaltdauer betrieben und kommt es dabei zu einer höheren hydraulischen Anforderung (höherer Druck oder höhere Fördermenge) oder sinkt die Spannung des Bordnetzes weiter ab, so reicht die elektrische Leistung nicht mehr aus, um diese Anforderung zu erfüllen.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, mit welchem das Erreichen der vorgesehenen Betriebspunkte auch bei vorübergehend niedriger Spannung des Bordnetzes sichergestellt werden kann. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden, welches besonders einfach aufgebaut ist.
Das erstgenannte Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einschaltdauer des Spannungssignals überwacht und dass bei Erreichen eines Schwellenwertes der Einschaltdauer ein Warnsignal erzeugt wird.
Damit wird eine Grenze der Versorgung des Elektromotors mit Betriebsspannung erfasst, bevor eine Minderversorgung des Elektromotors für den momentanen Arbeitspunkt entsteht. Hierdurch ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein frühzeitiges Reagieren einer Spannungsregelung des Bordnetzes des Kraftfahrzeuges. So wird auch bei vorübergehend niedriger Spannung des Bordnetzes das Erreichen des Betriebspunktes des Elektromotors oder einer mit dem Elektromotor angetriebenen Kraftstoffpumpe sichergestellt.
Die Erzeugung des Warnsignals könnte beispielsweise unmittelbar erfolgen, sobald die Einschaltdauer des Spannungssignals erreicht wird. Kurzzeitige Schwankungen der Einschaltdauer des Spannungssignals lassen sich jedoch gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach filtern, wenn zur Erzeugung des Warnsignals das Erreichen des Schwellwertes der Einschaltdauer oberhalb einer vorgesehenen Zeitspanne erfasst wird.
Der Zeitpunkt für die Erzeugung des Warnsignals lässt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach festlegen, wenn die maximale Einschaltdauer des Spannungssignals der Puls-Weiten-Modulation ermittelt wird und wenn der Schwellenwert ein festgelegter Prozentwert der maximalen Einschaltdauer ist. Der Prozentwert kann beispielsweise zwischen 70 und 90 % liegen.
Der vorgesehene Schwellenwert kann im einfachsten Fall ein einzelner Wert sein, bei dem die Bordspannung auf ihren Nominalwert (typisch: 12,5 V) angehoben wird. Alternativ kann bei jedem Erreichen des Schwellenwertes die Spannung auch um einen bestimmten Betrag, also z. B. 0,5 V angehoben werden. Eine Anhebung erfolgt dann in mehreren Stufen, immer, wenn eine Schwellwerterreichung vorliegt.
Unterschiedliche Reaktionen der Motorsteuerung in Abhängigkeit von den Arbeitspunkten des Elektromotors lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auslösen, wenn mehrere Schwellenwerte abgespeichert sind. Solche Reaktionen können beispielsweise sein, dass bei einem ersten Schwellenwert ein geringes Anheben der Bordspannung um z. B. 0,5 V und bei Erreichen eines zweiten Wertes eine Anhebung um 1 V erfolgt. Die Warnschwelle kann auch einen linearen Charakter haben, bei dem eine kontinuierliche Übertragung der an dem Elektromotor gestellten Einschaltdauer vorgenommen wird. Die Bordspannung kann hiermit gleitend angepasst werden.
Kurzzeitige Ereignisse und Schwankungen des Bordnetzes lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach ausfiltern, wenn eine Mindestzeit mit fortwährender Überschreitung des Schwellenwertes erfasst wird. Damit wird beispielsweise eine Überschreitung des Schwellenwertes der Einschaltdauer erst nach einer Mindestzeit mit fortwährender Überschreitung in ein Warnsignal umgesetzt. Alternativ wird von der Motorsteuerung erst nach einer Mindestzeit eines gültigen Warnsignals reagiert.
Der Energieverbrauch des Kraftfahrzeuges lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders gering halten, wenn die Spannung des Bordnetzes soweit abgesenkt wird, bis das Warnsignal erzeugt wird. Diese Gestaltung führt insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit einer Rückführung von Bremsenergie zu einer deutlichen Energieeinsparung. Bei solchen Fahrzeugen wird die Spannung des Bordnetzes variabel gestaltet und beispielsweise zwischen 10 und 16V variiert. Um die Energieeinsparungen und auch die Speicherfähigkeit von Akkumulatoren für Bremsenergie zu maximieren, wird eine Minimierung der Spannung des Bordnetzes angestrebt.
Das zweitgenannte Problem, nämlich die Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welche besonders einfach aufgebaut ist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der elektrische Steller über einen Signalkanal mit der Motorsteuerung verbunden ist und dass die Motorsteuerung zum Empfang von Signalen des elektrischen Stellers ausgebildet ist. Durch diese Gestaltung hat der Steller einen Rückkanal zu der Motorsteuerung. Daher kann die Motorsteuerung durch eine Spannungserhöhung des Bordnetzes reagieren, wenn der Steller an seine Leistungsgrenze gelangt. Der Signalkanal kann nahezu beliebig, analog oder digital gestaltet sein.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in:
1 ein Kraftfahrzeug mit einer Kraftstoffpumpe und einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 einen Verlauf der Spannung eines Steller der Vorrichtung aus 1 in Abhängigkeit von der angeforderten Last,
3 ein von dem Steller erzeugtes digitales Warnsignal,
4 ein von dem Steller erzeugtes gestuftes Warnsignal,
5 ein von dem Steller erzeugtes kontinuierlich ansteigendes Warnsignal.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeuges mit einer von einem Elektromotor 2 angetriebenen Kraftstoffpumpe 3 und mit einer Vorrichtung 4 zur Ansteuerung des Elektromotors 2. Die Vorrichtung 4 hat einen Steller 5, welcher den Elektromotor 2 mit elektrischem Strom versorgt und eine Motorsteuerung 6. Die Motorsteuerung 6 ist mit einem schematisch dargestellten Bordnetz 7 des Kraftfahrzeuges verbunden und versorgt den Steller 5 über zumindest eine elektrische Leitung 8 mit elektrischem Strom. Der Steller 5 hat einen zu der Motorsteuerung 6 führenden Signalleitung ausgebildeten Signalkanal 9 und ist über eine elektrische Leitung 10 mit dem Elektromotor 2 verbunden.
2 zeigt einen Verlauf einer Spannung des Stellers 5 bei ansteigender Last L. Spannungssignale des Stellers 5 liegen an dem Elektromotor 2 an und werden zunächst über eine Puls-Weiten-Modulation der Last angepasst. Bei anfangs geringer Last hat die Spannung des Bordnetzes 7 den Wert U1. Überschreitet zum Zeitpunkt t₁ die Einschaltdauer des Spannungssignales einen vorgesehenen Wert, sendet der Steller 5 über den Signalkanal 9 ein Warnsignal an die Motorsteuerung 6. Die Motorsteuerung 6 kann anschließend die Spannung des Bordnetzes 7 auf den Wert U2 anheben.
3 zeigt ein besonders einfaches Warnsignal des Stellers 5, welches der Motorsteuerung 6 über den Signalkanal 9 zugeführt wird in Abhängigkeit von der Einschaltdauer D des dem Elektromotor 2 zugeführten Spannungssignals. Hierbei ist ein Schwellwert von 90 % festgelegt. Überschreitet das Spannungssignal 90 % des Maximalwertes, wird das Warnsignal an die Motorsteuerung 6 übermittelt.
4 zeigt ein gestuftes Warnsignal des Stellers 5. Bei steigender Last oder fallender Bordspannung erstreckt sich die Erzeugung des Warnsignals über eine Zeitspanne, so dass kurzfristige Schwankungen gefiltert werden können. Die Motorsteuerung kann auf gestufte Warnmeldungen mit gestuften Anhebungen der Bordspannung (um verschiedene Werte) reagieren. Alternativ kann in einem Zustand mit nach unten geregelter Bordspannung die Reaktion auf die erste Warnmeldung bei 70 % Einschaltdauer D sein, die Bordspannung nicht weiter abzusenken und bei folgenden Meldungen mit höheren Einschaltdauern D anzuheben.
5 zeigt ein sich von dem ersten Schwellenwert von 70 % kontinuierlich bis zu dem Schwellenwert von 90 % steigerndes Warnsignal. In dieser Ausführung mit kontinuierlicher Kommunikation kann die Motorsteuerung die Bordspannung kontinuierlich anheben, bis keine Warnmeldung mehr übertragen wird, oder alternativ bis die Warnung einen bestimmten dauerhaften Wert der Einschaltdauer signalisiert.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Elektromotor
3: Kraftstoffpumpe
4: Vorrichtung
5: Steller
6: Motorsteuerung
7: Bordnetz
8: Leitung
9: Signalkanal
10: Leitung

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug, insbesondere eines Elektromotors zum Antrieb einer Kraftstoffpumpe, bei dem die Drehzahl des Elektromotors durch Stellen eines Spannungsmittelwertes an der Versorgung des Elektromotors geregelt wird und der Spannungsmittelwert mittels der Einschaltdauer eines Spannungssignals nach einer Puls-Weiten-Modulation erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltdauer des Spannungssignals überwacht und dass bei Erreichen eines Schwellenwertes der Einschaltdauer ein Warnsignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Warnsignals das Erreichen des Schwellwertes der Einschaltdauer oberhalb einer vorgesehenen Zeitspanne erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Einschaltdauer des Spannungssignals der Puls-Weiten-Modulation ermittelt wird und dass der Schwellenwert ein festgelegter Prozentwert der maximalen Einschaltdauer ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines vorgesehenen Schwellenwertes die Spannung des Bordnetzes des Kraftfahrzeuges angehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schwellenwerte abgespeichert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mindestzeit mit fortwährender Überschreitung des Schwellenwertes erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung des Bordnetzes soweit abgesenkt wird, bis das Warnsignal erzeugt wird.
Vorrichtung (4) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüchen mit einem Bordnetz (7) eines Kraftfahrzeuges, mit einem Elektromotor (2), insbesondere einem Elektromotor (2) zum Antrieb einer Kraftstoffpumpe (3), mit einer Motorsteuerung (6) zur Regelung der Spannung des Bordnetzes (7) und mit einem elektrischen Steller (5) zur Versorgung des Elektromotors (2) mit Spannungssignalen einer Puls-Weiten-Modulation, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Steller (5) über einen Signalkanal (9) mit der Motorsteuerung (6) verbunden ist und dass die Motorsteuerung (6) zum Empfang von Signalen des elektrischen Stellers (5) ausgebildet ist.