DE102015013016A1

DE102015013016A1 - Verfahren zum Klassifizieren eines Zustands einer Elektromaschine

Info

Publication number: DE102015013016A1
Application number: DE102015013016.1A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Karl; Thomas Heckel; Felix Winkelmeyr; Arthus Stroh
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-10-08
Also published as: DE102015013016B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Zustands einer Elektromaschine (3), wobei ein elektrischer Strom durch die Elektromaschine (3) und/oder eine an der Elektromaschine (3) anliegende Spannung mittels mindestens eines Sensors (9) erfasst wird, während ein Rotor der Elektromaschine (3) mit einem vorgegebenen mechanischen Widerstand fixiert und in der Elektromaschine (3) ein vorgegebenes Drehfeld eingeprägt wird und wobei durch den mindestens Sensor (9) erfasste Werte des elektrischen Stroms und/oder der anliegenden Spannung mit vorgegebenen Werten verglichen werden, um den Zustand der Elektromaschine (3) zu klassifizieren. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug (1) mit einem Steuergerät (7), das zur Ausführung des vorgestellten Verfahrens konfiguriert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen bzw. Klassifizieren eines Zustands einer Elektromaschine sowie ein Fahrzeug mit einem Steuergerät, das zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens konfiguriert ist.
Elektromaschinen, wie bspw. Elektromotoren von Fahrzeugen unterliegen während ihrer Lebenszeit einem Verschleiß, der sich auf eine Leistungsfähigkeit und, dadurch bedingt, auf eine Qualität einer jeweiligen Elektromaschine auswirkt. Es wird daher ein Verfahren benötigt, das einen Verschleiß einer jeweiligen Elektromaschine erkennen und für einen jeweiligen Nutzer kenntlich machen kann.
In der deutschen Druckschrift DE 10 2013 200872 A1 wird ein Verfahren zum Erkennen von Fehlern im laufenden Betrieb einer elektrischen Maschine vorgestellt.
Die deutsche Druckschrift DE 102012 006964 A1 offenbart ein Diagnoseverfahren für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs.
Ein Verfahren zur drehgeberlosen Identifikation elektrischer Ersatzschaltbild-Parameter eines Drehstrom-Asynchronmotors ist in der europäischen Druckschrift EP 242 11 45 A1 offenbart.
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zum Klassifizieren eines Zustands einer Elektromaschine vorgestellt, wobei ein Fluss eines elektrischen Stroms bzw. ein Strom durch die Elektromaschine und/oder eine an der Elektromaschine anliegende Spannung mittels mindestens eines Sensors erfasst wird, während ein Rotor der Elektromaschine mit einem vorgegebenen mechanischen Widerstand fixiert und in der Elektromaschine ein vorgegebenes Drehfeld eingeprägt wird und wobei durch den mindestens einen Sensor erfasste Werte des elektrischen Stroms und/oder der anliegenden Spannung mit vorgegebenen Werten verglichen werden, um den Zustand der Elektromaschine zu klassifizieren.
Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen.
Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zum Klassifizieren eines Zustands einer Elektromaschine, d. h. einer elektrischen Maschine, wie bspw. einem Asynchronmotor eines Fahrzeugs. Dazu ist vorgesehen, dass ein Rotor der Elektromaschine mittels eines vorgegebenen mechanischen Widerstands fixiert und die Elektromaschine in einem Kurzschlussbetrieb betrieben wird. Durch den vorgegebenen mechanischen Widerstand, der vorzugsweise höher ist als ein von der Elektromaschine zu erzeugendes Drehmoment, so dass der Rotor sich nicht bewegen kann, wird die Elektromaschine mit einer großen Last beaufschlagt, die eine entsprechend hohe Leistungsaufnahme durch die Elektromaschine mit sich bringt, sobald in der Elektromaschine ein Drehfeld eingeprägt wird. Bedingt durch die hohe Leistungsaufnahme werden sämtliche Komponenten der Elektromaschine, wie bspw. Leitungen, Isolatoren und elektrische Kontakte durch einen entsprechend hohen Stromfluss durch die Elektromaschine stark belastet.
Um einen Verschleiß jeweiliger Komponenten der Elektromaschine zu erkennen und zu klassifizieren bzw. zu quantifizieren, wird anhand des während der starken Belastung von der Elektromaschine verbrauchten elektrischen Stroms und/oder einer während der starken Belastung an der Elektromaschine anliegenden Spannung auf einen Zustand der Komponenten rückgeschlossen.
Bedingt durch Verschleiß an jeweiligen Komponenten der Elektromaschine, wie bspw. durch einen Phasenschluss, durch Veränderungen eines Leitmaterials oder eines Isolators der Elektromaschine, durch schlechte Kontaktierungen oder durch jede weitere technische Verschlechterung der Komponenten der Elektromaschine, verändern sich elektrische Größen, wie bspw. ein Strangwiderstand des Stators und/oder ein Rotorwiderstand. Da sich diese Veränderungen auf den während der starken Belastung durch die Elektromaschine fließenden elektrischen Strom und/oder die an der Elektromaschine anliegende Spannung auswirken, kann über den elektrischen Strom und/oder die Spannung auf einen Zustand der Komponenten der Elektromaschine rückgeschlossen werden.
Zum Erfassen des elektrischen Stroms, der während der starken Belastung bedingt durch den mechanischen Widerstand durch die Elektromaschine fließt und/oder zum Erfassen der während der starken Belastung an der Elektromaschine anliegenden Spannung ist vorgesehen, dass bspw. ein Steuergerät mittels geeigneter Sensorik den durch die Elektromaschine fließenden Strom und/oder die an der Elektromaschine anliegende Spannung vermisst und in einem Speicher hinterlegt. Dazu kann vorgesehen sein, dass eine Anzahl, in der Regel eine Mehrzahl an Messzyklen durchgeführt wird, und ein Mittelwert über alle Messzyklen ausgegeben wird. Ein Messzyklus kann bspw. wenige Millisekunden dauern und wird vorzugsweise mit einem vorgegebenen konstant an der Elektromaschine eingeprägten Drehfeld durchgeführt.
Es ist vorgesehen, dass jeweilige ermittelte Werte des während eines Messzyklus unter der starken Belastung durch die Elektromaschine geflossenen elektrischen Stroms und/oder der entsprechenden Spannung mit vorgegeben Werten verglichen werden, die bspw. vorab auf einem Prüfstand in definierten Zuständen einer jeweiligen Elektromaschine ermittelt wurden. So können bspw. aktuell ermittelte Werte einer jeweiligen Elektromaschine mit Werten einer neuen Elektromaschine verglichen werden, so dass die jeweilige Elektromaschine mit der neuen Elektromaschine verglichen werden kann.
Anhand eines Vergleichs von unter der starken Belastung durch den erfindungsgemäß vorgesehenen mechanischen Widerstand gemessenen Werten zu jeweiligen vorgegebenen Werten von bekannten Zuständen einer Elektromaschine kann eine jeweilige Elektromaschine hinsichtlich ihres Verschleiß- bzw. Wartungszustand beurteilt und ein Ausfall der Elektromaschine aufgrund von Wartungsstau vermieden werden.
In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass als Elektromaschine eine Asynchronmaschine in einem Fahrzeug gewählt wird, wobei der mechanische Widerstand zum Fixieren des beweglichen Teils der Elektromaschine, d. h. des Rotors der Elektromaschine unter Verwendung einer Parkbremse des Fahrzeugs bereitgestellt wird.
Das vorgestellte Verfahren eignet sich insbesondere zum Klassifizieren eines Verschleißzustands einer Elektromaschine eines Fahrzeugs. Fahrzeuge bieten in der Regel eine Möglichkeit zum Bereitstellen eines mechanischen Widerstands mittels einer Bremse, wie bspw. einer Parkbremse, die einen definierten mechanischen Widerstand erzeugen kann. Entsprechend ist vorgesehen, dass ein Steuergerät zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens in einem Fahrzeug derart konfiguriert ist, dass das Steuergerät eine jeweilige zu einer jeweiligen Elektromaschine zugeordnete Bremse ansteuern kann.
Sollte ein Abgleich von bei einem Messzyklus erfasster Werte einer jeweiligen Elektromaschine eine Abweichung zu vorgegebenen Werten zu einem Normalzustand der Elektromaschine ergeben oder sollten die erfassten Werte Werten entsprechen, die für einen Verschleißzustand charakteristisch sind, d. h. Werten entsprechen, die vorab bei einem Versuch bei verschlissenen Elektromaschinen gemessen wurden, ist vorgesehen, dass einem Nutzer der Elektromaschine ein Warnhinweis ausgegeben wird. Dieser Warnhinweis kann bspw. als Skalenwert, insbesondere Prozentskalenwert in Bezug zu einem Neuzustand dargestellt werden, wobei der Skalenwert bspw. gemäß einem Ampelschema gefärbt sein kann.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass ein jeweiliger Messzyklus, bei dem der Sensor den Fluss des elektrischen Stroms bzw. den Strom durch die Elektromaschine und/oder die an der Elektromaschine anliegende Spannung erfasst, unmittelbar vor einem Start des Fahrzeugs durchgeführt wird.
Da sich der Fluss des elektrischen Stroms bzw. der Strom durch eine jeweilige Elektromaschine und/oder die an der Elektromaschine anliegende Spannung in Abhängigkeit einer Temperatur der Elektromaschine ändern, und sich die Temperatur der Elektromaschine beim Betrieb ändert, ist vorgesehen, dass jeweilige Messungen, d. h. jeweilige Messzyklen zum Erfassen des elektrischen Stroms und/oder der Spannung, kurz vor einem Start der Elektromaschine bzw. eines die Elektromaschine umfassenden Fahrzeugs durchgeführt werden. Dazu können entsprechende Messungen bspw. bei einem Öffnen einer Fahrertür eines Fahrzeugs durchgeführt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass die Elektromaschine für einen Messzyklus in einem Kurzschlusszustand betrieben wird.
Um einen validen Vergleich von Messungen einer jeweiligen Elektromaschine mit unter Versuchsbedingungen ermittelten und für den Vergleich vorgegebenen Werten zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Elektromaschine während eine Messzyklus in einem Kurzschlusszustand betrieben wird, der die Elektromaschine so stark wie möglich belastet.
Selbstverständlich eignet sich das vorgestellte Verfahren zum Erkennen jedes beliebigen Verschleißzustands einer Elektromaschine, insbesondere eines Defekts jeweiliger Komponenten der Elektromaschine.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass die durch den mindestens Sensor erfassten Werte des elektrischen Stroms und/oder der anliegenden Spannung in Abhängigkeit der vorgegebenen Werte in Klassen eingeteilt werden, die eine Güte der Elektromaschine quantifizieren.
Um jeweilige in einem Messzyklus mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasste Werte zu interpretieren und Rückschlüsse auf einen aktuellen Zustand einer jeweiligen Elektromaschine zu ziehen, ist denkbar, dass die erfassten Werte mittels eines mathematischen Klassifikationsverfahrens, wie bspw. eines neuronalen Netzes oder jedes weiteren geeigneten Klassifikationsverfahrens auf ihre Übereinstimmung mit mindestens einer vorgegebenen Klasse untersucht werden. Dabei kann die mindestens eine vorgegebene Klasse Werte umfassen, die zum Vergleich mit den mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Werten verwendet werden und die Zuständen entsprechen, die vorab bspw. in Laborversuchen ermittelt bzw. simuliert wurden. Entsprechend ist denkbar, dass eine vorgegebene Klasse Werte umfasst, die typisch sind für einen stark verschlissenen Zustand, in dem Leitungen einer Elektromaschine stark korrodiert sind.
Weiterhin ist denkbar, dass zur Zuordnung von mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Werten zu einer vorgegebenen Klasse vorgegebene Kennwerte, wie bspw. ein Verhältnis von in eine jeweilige Elektromaschine geleitetem elektrischem Strom zu einer entsprechenden durch die Elektromaschine erzeugten Leistungsabgabe verwendet wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Anzahl vorgegebener Klassen einen graduellen Verlauf eines zunehmenden Verschleißzustands einer Elektromaschine beschreiben, so dass jeweilige mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte Werte einem bestimmten Punkt auf dem graduellen Verlauf und damit einer bestimmten Klasse zugeordnet werden können und ein Nutzer eine Lebenserwartung bzw. ein Wartungsintervall der Elektromaschine schnell und einfach beurteilen kann.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass die vorgegebenen Werte aus Messwerten der Elektromaschine ermittelt werden, die vor einem jeweiligen Messzyklus ermittelt wurden, so dass eine Veränderung der Elektromaschine in einem vorgegebenen Zeitintervall überwacht wird.
Um eine Veränderung einer jeweiligen. Elektromaschine zu beurteilen, ist denkbar, dass Werte, die gemäß dem vorgestellten Verfahren aktuell ermittelt werden bzw. wurden, mit Werten von der Elektromaschine, die bereits in der Vergangenheit, bspw. bei einer Auslieferung ermittelt wurden, verglichen werden. Durch einen Vergleich von Werten die von einer jeweiligen Elektromaschine zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt wurden, kann eine Veränderung der Elektromaschine überwacht werden. Derartige Vergleiche sind besonders genau, da bauartbedingte Varianzen zwischen verschiedenen Elektromaschinen unberücksichtigt bleiben können.
Selbstverständlich ist auch denkbar, dass eine jeweilige Elektromaschine in regelmäßigen oder fest vorgegebenen Intervallen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vermessen und entsprechend ermittelte Werte für einen aktuellen Vergleich bzw. eine aktuelle Bewertung in einem Speicher hinterlegt werden. So ist bspw. denkbar, bei jedem Wartungsintervall einen Messzyklus durchzuführen, um einen Wartungsverlauf der Elektromaschine zu protokollieren.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit einer Elektromaschine und einem Steuergerät, wobei das Steuergerät dazu konfiguriert ist, einen Fluss eines elektrischen Stroms bzw. einen Strom durch die Elektromaschine und/oder eine an der Elektromaschine anliegende Spannung mittels mindestens eines Sensors zu erfassen, während das Steuergerät einen Rotor der Elektromaschine mit einem vorgegebenen mechanischen Widerstand fixiert und in der Elektromaschine ein vorgegebenes Drehfeld einprägt und die Elektromaschine in einem Kurzschlussbetrieb betreibt, und wobei das Steuergerät weiterhin dazu konfiguriert ist, durch den mindestens einen Sensor zu erfassende Werte des elektrischen Stroms und/oder der anliegenden Spannung mit vorgegebenen Werten zu vergleichen, um den Zustand der Elektromaschine zu klassifizieren.
Das vorgestellte Fahrzeug dient insbesondere zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens.
In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Fahrzeugs ist vorgesehen, dass das Steuergerät dazu konfiguriert ist, eine Parkbremse des Fahrzeugs anzusteuern, um den mechanischen Widerstand zum Fixieren des beweglichen Teils der Elektromaschine bereitzustellen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine schematische Übersicht einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
In 1 ist ein Fahrzeug 1 dargestellt, das eine Elektromaschine in Form eines Asynchronmotors 3 zum Antrieb eines Rades 5 umfasst. Der Asynchronmotor 3 wird von einem Steuergerät 7 angesteuert bzw. geregelt. Das Steuergerät 7 steht weiterhin in kommunikativer Verbindung mit einem Sensor 9, der einen Stromfluss bzw. einen Strom durch den Asynchronmotor 3 sowie eine an dem Asynchronmotor 3 anliegende Spannung erfasst und an das Steuergerät 7 übermittelt. Außerdem steuert das Steuergerät 7 eine Parkbremse 11 des Fahrzeugs 1.
Um einen aktuellen Zustand des Asynchronmotors 3 zu beurteilen, wird durch einen Nutzer ein entsprechender Steuerbefehl an das Steuergerät 7, bspw. durch eine Benutzerschnittstelle des Fahrzeugs übermittelt. Das Steuergerät 7 schließt zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens die Parkbremse 11 des Fahrzeugs 1 mittels eines Steuerbefehls, so dass die Parkbremse 11 einen Rotor des Asynchronmotors 3 durch einen erheblichen mechanischen Widerstand fixiert. Anschließend sendet das Steuergerät 7 einen Steuerbefehl an den Asynchronmotor 3, so dass der Asynchronmotor 3 in einem Kurzschlussbetrieb und einem vorgegebenen Drehfeld betrieben wird.
Sobald der Asynchronmotor 3 im Kurzschlussbetrieb betrieben wird, ermittelt der Sensor 9 einen aktuellen Fluss des elektrischen Stroms bzw. den elektrischen Strom durch den Asynchronmotor und eine an dem Asynchronmotor 3 anliegende Spannung und übermittelt entsprechende Werte an das Steuergerät 7. Um eine breite Datengrundlage mit entsprechend niedriger Varianz zu erzeugen, werden verschiedene Messzyklen, wie voranstehend beschrieben, wiederholt und ein Mittelwert gebildet, wobei der Asynchronmotor 3 für einen Messzyklus nur wenige Millisekunden im Kurzschlussbetrieb betrieben wird, um Überlastungsschäden zu vermeiden.
Sobald eine geeigneter Mittelwert aus einer Anzahl Messungen, d. h. bspw. ein Messwert mit einer Varianz, die unterhalb einer vorgegebenen Grenze liegt, bereitsteht, wird der Mittelwert und/oder jeweilige Einzelwerte der Messzyklen mit in einem Speicher des Steuergeräts 7 hinterlegten Werten von Labormessungen mit Elektromaschinen in vorgegebenen bzw. bekannten Betriebszuständen verglichen. Bei einer Übereinstimmung mit einem hinterlegten Wert oder mehreren hinterlegten Werten wird dem Nutzer ein den hinterlegten Werten entsprechender Zustand als aktueller Zustand des Asynchronmotors 3 angezeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013200872 A1 [0003]
DE 102012006964 A1 [0004]
EP 2421145 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Klassifizieren eines Zustands einer Elektromaschine, wobei während ein Rotor der Elektromaschine (3) mit einem vorgegebenen mechanischen Widerstand fixiert und in der Elektromaschine (3) ein vorgegebenes Drehfeld eingeprägt wird, ein elektrischer Strom durch die Elektromaschine (3) und/oder eine an der Elektromaschine (3) anliegende Spannung mittels mindestens eines Sensors (9) erfasst wird, und wobei durch den mindestens einen Sensor (9) erfasste Werte des elektrischen Stroms und/oder der anliegenden Spannung mit vorgegebenen Werten verglichen werden, um den Zustand der Elektromaschine (3) zu klassifizieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Elektromaschine (3) eine Asynchronmaschine in einem Fahrzeug (1) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der mechanische Widerstand zum Fixieren des Rotors der Elektromaschine (3) unter Verwendung einer Parkbremse (11) des Fahrzeugs (1) bereitgestellt wird.
Verfahren Anspruch 2 oder 3, wobei ein jeweiliger Messzyklus, bei dem der Sensor (9) den elektrischen Strom durch die Elektromaschine (3) und/oder die an der Elektromaschine (3) anliegende Spannung erfasst, unmittelbar vor einem Start der Elektromaschine (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Elektromaschine (3) für einen Messzyklus in einem Kurzschlusszustand betrieben wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei als vorgegebene Werte auf einem Prüfstand ermittelte Kenngrößen verwendet werden, die in einem Steuergerät (7) hinterlegt sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die durch den mindestens einen Sensor (9) erfassten Werte des elektrischen Stroms und/oder der anliegenden Spannung in Abhängigkeit der vorgegebenen Werte in Klassen eingeteilt werden, die eine Güte der Elektromaschine (3) quantifizieren.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die vorgegebenen Werte aus Messwerten der Elektromaschine (3) ermittelt werden, die vor einem jeweiligen Messzyklus ermittelt wurden, so dass eine Veränderung der Elektromaschine (3) in einem vorgegebenen Zeitintervall überwacht wird.
Fahrzeug (1) mit einer Elektromaschine (3) und einem Steuergerät (7), wobei das Steuergerät (7) dazu konfiguriert ist, einen elektrischen Strom durch die Elektromaschine (3) und/oder eine an der Elektromaschine (3) anliegende Spannung mittels mindestens eines Sensors (9) zu erfassen, während das Steuergerät (7) einen Rotor der Elektromaschine (3) mit einem vorgegebenen mechanischen Widerstand fixiert und in der Elektromaschine (3) ein vorgegebenes Drehfeld einprägt und die Elektromaschine (3) in einem Kurzschlussbetrieb betreibt, und wobei das Steuergerät (7) weiterhin dazu konfiguriert ist, durch den mindestens einen Sensor (9) zu erfassende Werte des elektrischen Stroms und/oder der anliegenden Spannung mit vorgegebenen Werten zu vergleichen, um den Zustand der Elektromaschine (3) zu klassifizieren.
Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei das Steuergerät (7) dazu konfiguriert ist, eine Parkbremse (11) des Fahrzeugs (1) anzusteuern, um den mechanischen Widerstand zum Fixieren des Rotors der Elektromaschine (3) bereitzustellen.