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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors in einem Fahrzeug, insbesondere eines elektrischen Servomotors.
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In der
DE 10 2004 003 302 A1 wird ein Hybridfahrzeug beschrieben, das einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeuges aufweist, welcher von einer Traktionsbatterie gespeist wird. Das Fahrzeug ist mit einem Lenksystem ausgestattet, das als X-by-wire-System ausgebildet ist. Derartige Lenksysteme umfassen einen Servomotor, der ein die Lenkbewegung ausführendes Servomoment erzeugt. Das Lenksystem der
DE 10 2004 003 302 A1 wird von dem Bordnetz mit der Fahrzeugbatterie gespeist.
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Der Fahrzeugbatterie ist eine Überwachungseinheit zugeordnet, die ein den Zustand der Fahrzeugbatterie beschreibendes Zustandssignal generiert und an eine Steuereinheit übermittelt, wobei im Fall eines schlechten Zustands der Fahrzeugbatterie über die Steuereinheit die Energieversorgung von der Fahrzeugbatterie abgekoppelt und auf die Traktionsbatterie des Antriebsmotors umgeschaltet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines Elektromotors in einem Fahrzeug mit hoher Funktionssicherheit zu gewährleisten.
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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 erfindungsgemäße Verfahren wird zum Betrieb eines Elektromotors in einem Fahrzeug eingesetzt, in welchem mindestens zwei separate Bordnetze mit jeweils einer Batterie vorhanden sind und der Elektromotor mit mindestens zwei Teilmaschinen betrieben wird, die jeweils mit einem Bordnetz verbunden sind. Der Betrieb des Elektromotors mit einer Unterteilung der verschiedenen Phasen des Elektromotors in Teilmaschinen, die unabhängig voneinander angesteuert werden können, stellt eine redundante Auslegung mit einer erhöhten Ausfallsicherheit dar. Bei einem vollständigen oder teilweisen Ausfall einer Teilmaschine kann die Funktion des Elektromotors zumindest teilweise von der verbleibenden, intakten Teilmaschine erledigt werden.
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Bei dem Elektromotor handelt es sich beispielsweise um einen Servomotor in einem Subsystem des Fahrzeugs, das beispielsweise als ein X-by-wire-System ausgebildet ist. Das Subsystem ist beispielsweise das Lenksystem im Fahrzeug, wobei in diesem Fall der Elektromotor den elektrischen Servomotor darstellt, über den ein unterstützendes Servomoment in das Lenksystem eingespeist werden kann. In einer anderen Ausführung handelt es sich bei dem Subsystem um das Bremssystem im Fahrzeug, insbesondere die Fahrzeug- bzw. Betriebsbremse, die zum Beispiel als ein elektrohydraulisches Bremssystem ausgebildet ist, wobei der Elektromotor zur Unterstützung oder Bereitstellung des hydraulischen Bremsdrucks eingesetzt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Leistungsentnahme aus den Bordnetzen im Fahrzeug zum Erreichen einer vorgegebenen Sollleistung veränderlich auf die Teilmaschinen des Elektromotors eingestellt, wobei mindestens zwei Teilmaschinen, vorzugsweise sämtliche Teilmaschinen aktiv betrieben werden. Der Elektromotor weist beispielsweise zwei verschiedene Teilmaschinen auf, vorteilhafterweise sind auch im Fahrzeug zwei Bordnetze vorhanden. Die Bordnetze können die gleiche Bordspannung zur Verfügung stellen, beispielsweise jeweils 12V, oder sich in der Bordspannung unterscheiden, wobei zum Beispiel ein erstes Bordnetz eine 12V-Bordspannung und das zweite Bordnetz eine 48V-Bordspannung zur Verfügung stellt.
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Im Prinzip ist auch eine Ausführung des Elektromotors mit mehr als zwei Teilmaschinen möglich, beispielsweise mit drei oder vier Teilmaschinen. Des Weiteren ist es möglich, dass mehr als zwei Bordnetze im Fahrzeug vorhanden sind, beispielsweise drei Bordnetze. Vorteilhafterweise ist jede Teilmaschine mit jeweils einem Bordnetz verbunden.
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Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass eine vorgegebene Sollleistung, die der Elektromotor abzugeben hat, auch für den Fall erreicht werden kann, dass sich der Zustand eines Bordnetzes verschlechtert und aus diesem Bordnetz nur eine geringere Leistungsentnahme möglich ist als im Ausgangszustand – bei maximal möglicher Leistungsentnahme aller Bordnetze – möglich wäre. Die verminderte Leistungsentnahme aus einem Bordnetz kann über eine entsprechend erhöhte Leistungsentnahme aus dem anderen Bordnetz und eine entsprechend erhöhte Leistungserzeugung in der zugeordneten Teilmaschine zumindest teilweise kompensiert werden. Hierdurch ist gewährleistet, dass auch bei reduzierter Leistungsentnahme aus einem Bordnetz die Funktionstüchtigkeit des Elektromotors vollständig oder zumindest teilweise aufrechterhalten werden kann.
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Die Leistungsentnahme aus den Bordnetzen ist vorteilhafterweise stufenlos veränderlich einstellbar. Dies ermöglicht ein stufenloses Erhöhen der Leistungsentnahme in einer Teilmaschine bei einer entsprechend stufenlos reduzierten Leistungsentnahme in der anderen Teilmaschine des Elektromotors. Die gewünschte Sollleistung des Elektromotors, die sich aus den Leistungsentnahmen der Teilmaschinen additiv zusammensetzt, kann auf diese Weise mit hoher Präzision eingehalten werden, soweit die Sollleistung die maximal mögliche Leistungsentnahme der Teilmaschinen nicht übersteigt.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung werden die Teilmaschinen des Elektromotors in einem festen Leistungsverhältnis zueinander betrieben, sofern es keine Leistungseinschränkungen bei den Bordnetzen gibt und diese eine maximal mögliche Leistungsabgabe gewährleisten. Das Leistungsverhältnis besteht bei zwei Teilmaschinen beispielsweise bei 50:50. Es sind aber auch sonstige feste Leistungsverhältnisse zwischen den Teilmaschinen möglich.
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Von dem festen Leistungsverhältnis kann abgewichen werden, wenn sich der Bordnetzzustand eines Bordnetzes verschlechtert und keine maximal mögliche Leistungsentnahme aus diesem Bordnetz mehr gewährleistet werden kann. Gegebenenfalls wird eine Teilmaschine des Elektromotors abgeschaltet, so dass die gesamte Maschinenleistung über die verbliebene Teilmaschine, die am anderen Bordnetz hängt, erfolgt.
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Es ist auch möglich, dass sich die Maschinenleistung auf einen unterhalb der vorgegebenen Sollleistung liegenden Wert reduziert, sofern die Maschinenleistung nicht mehr von den Teilmaschinen in dem gewünschten Leistungsverhältnis erbracht werden kann.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung werden den aktuellen Bordnetzzustand charakterisierende Eingangssignale erzeugt, die der Leistungsentnahme aus den Bordnetzen zugrunde gelegt werden. Die Eingangssignale liegen beispielsweise als Sensorsignale vor und stellen insbesondere eine Zustandsgröße des Bordnetzes dar, aus der auf den Bordnetzzustand geschlossen werden kann, zum Beispiel die Spannung des betreffenden Bordnetzes. Die Eingangssignale können mit entsprechenden Sensoren ermittelt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein System in einem Fahrzeug, das mindestens einen Elektromotor mit mindestens zwei Teilmaschinen umfasst. Bei dem System handelt es sich vorteilhafterweise um ein Subsystem, insbesondere ein X-by-wire-System wie zum Beispiel ein Lenksystem oder ein Bremssystem mit einem Elektromotor als Servomotor. Im Falle eines Lenksystems erzeugt der Servomotor eine die Lenkbewegung unterstützendes Servomoment.
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Der Elektromotor in dem System ist vorteilhafterweise als ein permanenterregter Synchronmotor ausgebildet, der beispielsweise rotorseitig Permanentmagnete und statorseitig Spulen bzw. Wicklungen aufweist, die mit Phasenströmen beaufschlagt werden. Die Ansteuerung erfolgt beispielsweise über eine feldorientierte Regelung und über eine feldorientierte Steuerung.
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Der Synchronmotor kann in Form von mindestens zwei Teilmaschinen betrieben werden, die unabhängig voneinander über jeweils eine Leistungsendstufe ansteuerbar sind. Die Aufteilung in mehrere Teilmaschinen erfolgt vorzugsweise durch Bilden von Teilmengen der Phasenströme, so dass beispielsweise im Fall von zwei Teilmaschinen eine erste Teilmenge der Phasenströme der ersten Teilmaschine und eine zweite Teilmenge der Phasenströme der zweiten Teilmaschine zugeordnet sind. Jede Teilmenge beinhaltet bevorzugt die gleiche Anzahl an Phasen. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, die Aufteilung in Teilmaschinen durch Zuordnen von Wicklungen bzw. Spulen zu jeweils einer Teilmaschine zu erreichen.
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Vorteilhafterweise ist dem System ein Steuergerät zugeordnet, das die Leistungsentnahme aus den Bordnetzen steuert. Dem Steuergerät sind die Eingangssignale zuführbar, welche den aktuellen Bordnetzzustand charakterisieren. In dem Steuergerät werden Steuersignale erzeugt, welche Leistungsendstufen ansteuern, die den verschiedenen Teilmaschinen des Elektromotors zugeordnet sind. Die Signalübertragung von dem Steuergerät zu den Leistungsendstufen erfolgt beispielsweise über einen Bus.
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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 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug, mit einem Lenksteuergerät,
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2 ein Blockschaltbild mit einem elektrischen Servomotor des Lenksystems, der mit zwei Teilmaschinen betrieben wird, welche mit jeweils einem Bordnetz verbunden sind und über ein Steuergerät angesteuert werden.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in 1 dargestellte Lenksystem 1 für ein Fahrzeug umfasst ein Lenkrad 2, eine Lenkspindel bzw. -welle 3, ein Lenk- bzw. Getriebegehäuse 4 und ein Lenkgestänge mit einer Lenkzahnstange 5, über die eine Lenkbewegung auf die lenkbaren Räder 6 des Fahrzeugs übertragen wird. Das Getriebegehäuse 4 nimmt ein Lenkgetriebe 8 mit einem Lenkritzel und der Lenkzahnstange 5 auf, wobei das Lenkritzel drehfest mit der Lenkwelle 3 verbunden ist und mit der Lenkzahnstange 5 kämmt.
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Der Fahrer gibt über das Lenkrad 2, mit dem die Lenkwelle 3 fest verbunden ist, einen Lenkwinkel δL vor, der im Lenkgetriebe 8 im Getriebegehäuse 4 auf die Lenkzahnstange 5 des Lenkgestänges übertragen wird, woraufhin sich an den lenkbaren Rädern 6 ein Radlenkwinkel δV einstellt.
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Zur Unterstützung des vom Fahrer aufgebrachten Handmoments dient ein elektrischer Servomotor 7, über den ein Servomoment in das Lenkgetriebe 8 eingespeist werden kann.
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Der elektrische Servomotor 7 wird über Stellsignale eines Lenksteuergerätes 9 angesteuert, in dem Sensorsignale eines Lenkwinkelsensors verarbeitet werden. Des Weiteren können auch die Signale eines Lenkmomentsensors in dem Lenksteuergerät 9 verarbeitet werden.
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In 2 ist ein Blockschaltbild mit dem elektrischen Servomotor 7 des Lenksystems dargestellt, der über das zentrale Lenksteuergerät 9 angesteuert wird. Der elektrische Servomotor 7 ist als permanenterregter Synchronmotor ausgebildet und weist beispielsweise rotorseitig Permanentmagnete und statorseitig Spulen auf, die mit Phasenströmen beaufschlagt werden.
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Der Synchronmotor 7 wird in Form von zwei Teilmaschinen betrieben, wobei jede Teilmaschine jeweils mit einer Teilmenge der Phasen des Synchronmotors angesteuert wird. Es sind beispielsweise insgesamt sechs Phasen vorgesehen, wobei jede Teilmaschine des Synchronmotors 7 mit drei Phasen betrieben wird.
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Jeder Teilmaschine ist eine Leistungsendstufe 10 bzw. 11 zugeordnet, wobei jede Leistungsendstufe 10 bzw. 11 an einem separat ausgebildeten Bordnetz 12 und 13 mit einer darin angeordneten Batterie 14 bzw. 15 hängt. Die Bordnetze 12 und 13 sind unabhängig voneinander ausgeführt, die Batterien 14 und 15 in den Bordnetzen 12 bzw. 13 können entweder die gleiche Bordspannung von zum Beispiel 12V oder auch eine unterschiedliche Bordspannung von beispielsweise 12V und 48V liefern.
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Der aktuelle Bordnetzzustand wird über jeweils einen Sensor 16 und 17 ermittelt, dessen Sensorsignale dem Steuergerät 9 als Eingangssignale zugeführt werden. Bei den Sensoren 16 und 17 handelt es sich um Sensoren, die eine den Batterie- und Bordnetzzustand charakterisierende Zustandsgröße der jeweiligen Batterie 14 bzw. 15 ermitteln, beispielsweise die Batteriespannung.
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Das zentrale Steuergerät 9 ist über jeweils einen Bus 18, 19 mit den Leistungsendstufen 10 und 11 verbunden, um diese zu steuern. Das Steuergerät 9 kann insbesondere das Leistungsverhältnis zwischen den beiden Teilmaschinen mit den Leistungsendstufen 10 und 11 veränderlich einstellen. Vorteilhafterweise besteht im Ausgangszustand, bei maximal möglicher Leistungsabgabe jedes Bordnetzes 12, 13 – ein festes Leistungsverhältnis zwischen den Teilmaschinen des Servomotors 7 mit den Leistungsendstufen 10 und 11, das beispielsweise bei einem Verhältnis von 50:50 liegt, so dass jede Teilmaschine die gleiche Leistung erbringt und sich die Gesamtleistung der Maschine durch Addition der Leistung in jeder Teilmaschine addiert.
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Falls im Steuergerät 9 bei einer Auswertung der Signale der Sensoren 16, 17 festgestellt wird, dass in einem Bordnetz ein Leistungsabfall vorhanden ist, kann durch Ansteuern der Leistungsendstufen 10 und 11 die Maschinenleistung der Teilmaschinen veränderlich eingestellt werden, so dass die Leistungsentnahme aus den Bordnetzen 12 und 13 entsprechend verändert wird. Hierdurch kann einem sich ändernden Bordnetzzustand in einem der Bordnetze 12 und 13 Rechnung getragen werden. So ist es beispielsweise möglich, einem Leistungsabfall in einem Bordnetz durch eine erhöhte Maschinenleistung in derjenigen Teilmaschine zu begegnen, die am anderen Bordnetz hängt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenkwelle
- 4
- Getriebegehäuse
- 5
- Lenkzahnstange
- 6
- Vorderrad
- 7
- elektrischer Servomotor
- 8
- Lenkgetriebe
- 9
- Steuergerät
- 10
- Leistungsendstufe
- 11
- Leistungsendstufe
- 12
- Bordnetz
- 13
- Bordnetz
- 14
- Batterie
- 15
- Batterie
- 16
- Sensor
- 17
- Sensor
- 18
- Bus
- 19
- Bus
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004003302 A1 [0002, 0002]
