DE102016209834B4 - Lenkungs-System, Steuergerät und Verfahren zum Schutz vor Überspannungen - Google Patents

Lenkungs-System, Steuergerät und Verfahren zum Schutz vor Überspannungen Download PDF

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Abstract

Lenkungs-System (1) mit einer Elektromaschine (4), einem Wechselrichter (3), einem elektrischen Bordnetz (2) und mindestens einem Steuergerät (5), wobei das Steuergerät (5) derart ausgebildet ist, den Wechselrichter (3) derart anzusteuern, dass die Elektromaschine (4) ein Lenkmoment erzeugt, um einen gewünschten Lenkwinkel an den Rädern einzustellen, wobei das elektrische Bordnetz (2) mindestens eine Batterie (6), einen Generator (7) und mindestens einen Verbraucher (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkungs-System (1) eine Einrichtung (9) zur Ermittlung eines Innenwiderstandes (Ri) der mindestens einen Batterie (6) und eine Einrichtung zur Ermittlung einer Lenkwinkelgeschwindigkeit (<p) aufweist, wobei die Einrichtung zur Ermittlung der Lenkwinkelgeschwindigkeit (<p) derart ausgebildet ist, dass eine generatorisch an der Elektromaschine (4) wirkende Lenkwinkelgeschwindigkeit (φ̇) ermittelt wird, wobei das Steuergerät (5) derart ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit des ermittelten Innenwiderstandes (Ri) der Wechselrichter (3) derart angesteuert wird, dass die Elektromaschine (4) motorisch eine Dämpfungskraft (FD) aufbringt, die der Lenkwinkelgeschwindigkeit (<p) entgegenwirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Lenkungs-System gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 1, ein Steuergerät und ein Verfahren zum Schutz vor Überspannungen.
  • Es sind Lenkungs-Systeme bekannt, die eine Elektromaschine, einen Wechselrichter, ein elektrisches Bordnetz und mindestens ein Steuergerät aufweisen. Die Elektromaschine arbeitet dabei als Servomotor und erzeugt ein Lenkmoment oder Hilfs-Lenkmoment, um einen gewünschten Lenkwinkel einzustellen. Beispielsweise ist hierzu der Servomotor über ein Getriebe mit einer Zahnstange verbunden. Über den Wechselrichter wird eine Gleichspannung einer Batterie und eines Generators in einem Bordnetz in Wechselspannungssignale für die Elektromaschine gewandelt.
  • Ein Motor arbeitet generell als ein Generator, welcher eine induzierte Spannung erzeugt, wenn dessen Drehschaft durch eine externe Kraft gedreht wird. Bei einem elektrischen Servolenksystem eines Fahrzeuges wird beispielsweise ein Motor durch eine externe Kraft gedreht, wenn ein Reifen des Fahrzeugs ein Hindernis trifft. In diesem Fall wird die induzierte Spannung über einen Inverterschaltkreis im Wechselrichter in das Bordnetz zurückgespeist und ein Strom fließt in die Batterie. Dabei kann das Problem auftreten, dass aufgrund eines Fehlers der Wechselrichter ausgeschaltet wird. In einem solchen Fall kann die induzierte Spannung sehr stark ansteigen, was zur Zerstörung der Elektronik im Wechselrichter führen kann.
  • Ein solches Lenkungs-System ist beispielsweise aus der DE 10 2013 103 016 A1 bekannt, wo eine Mehrzahl von Spulensätzen vorhanden ist, sodass ein regenerativer Pfad zur Batterie durch wenigstens einen Inverterschaltkreis aufrecht erhalten werden kann.
  • Aus der DE 10 2007 055 849 A1 ist eine Vorrichtung zur Dämpfung einer Hinterachslenkung bekannt, bei der ein Elektromotor auf eine Lenkmechanik für Hinterräder einwirkt. Die Vorrichtung weist eine Schaltung auf, mittels der zur Herstellung eines sicheren Zustandes der Hinterachslenkung, insbesondere zur bedämpften Freischaltung der Hinterachse, der Elektromotor in einen Generatorbetrieb versetzbar ist, sodass der Elektromotor ein die Lenkmechanik dämpfendes Bremsmoment erzeugt.
  • Die gattungsgemäße DE 10 2009 001 507 A1 offenbart ein Lenkungssystem mit einer Elektromaschine, einem Wechselrichter, einem Bordnetz und einem Steuergerät, welches den Wechselrichter derart ansteuern kann, dass die Elektromaschine ein Lenkmoment zum Einstellen eines Lenkwinkels an den Rädern erzeugt. Das Bordnetz umfasst eine Batterie, einen Generator und einen Verbraucher.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Lenkungs-System und ein hierfür geeignetes Steuergerät zu schaffen, bei der die Gefahr von Überspannungen weiter reduziert wird. Ein weiteres Problem ist, ein Verfahren zum Schutz vor Überspannungen in einem Lenkungs-System zur Verfügung zu stellen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Lenkungs-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 5 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Das Lenkungs-System weist eine Elektromaschine, einen Wechselrichter, ein elektrisches Bordnetz sowie ein Steuergerät auf, wobei das Steuergerät derart ausgebildet ist, den Wechselrichter derart anzusteuern, dass die Elektromaschine ein Lenkmoment erzeugt, um einen gewünschten Lenkwinkel einzustellen. Dabei weist das elektrische Bordnetz mindestens eine Batterie, einen Generator und mindestens einen Verbraucher auf, wobei das Steuergerät auch ein Verbraucher des elektrischen Bordnetzes sein kann.
  • Weiter weist das Lenkungs-System eine Einrichtung zur Ermittlung eines Innenwiderstandes der mindestens einen Batterie und eine Einrichtung zur Ermittlung einer Lenkwinkelgeschwindigkeit auf, wobei die Einrichtung zur Ermittlung der Lenkwinkelgeschwindigkeit derart ausgebildet ist, dass eine generatorisch an der Elektromaschine wirkende Lenkwinkelgeschwindigkeit ermittelt wird. Das Steuergerät ist derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit eines ermittelten Innenwiderstandes der Wechselrichter derart angesteuert wird, dass die Elektromaschine motorisch eine Dämpfungskraft aufbringt, die der Lenkwinkelgeschwindigkeit entgegenwirkt. Der Grundgedanke der Erfindung ist dabei, dass die generatorisch induzierte Spannung an der Elektromaschine grundsätzlich unkritisch ist, solange die Batterie den erzeugten Strom aufnehmen kann. Ist die Batterie hingegen defekt oder ist ein Batteriekabel abgerissen oder defekt, so kann die Batterie den Strom nicht aufnehmen. Dies führt zu einer Erhöhung der Bordnetzspannung, die zur Zerstörung der angeschlossenen Verbraucher führen kann. Wird nun ein erhöhter Innenwiderstand der Batterie erfasst, so wird die induzierte Spannung reduziert durch die entgegenwirkende Dämpfungskraft, sodass im Idealfall keine Spannung induziert wird. Die dazu notwendige elektrische Energie liefert dabei während der Fahrt der Generator. Vorzugsweise wird die Lenkwinkelgeschwindigkeit durch zeitliche Ableitung des Winkelsignals eines Rotorlagesensors an der Elektromaschine ermittelt.
  • In einer Ausführungsform ist ein Schwellwert für den Innenwiderstand abgelegt, wobei das Steuergerät derart ausgebildet ist, dass der Lenkwinkelgeschwindigkeit nur entgegengewirkt wird, wenn ein ermittelter Innenwiderstand den Schwellwert überschreitet. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei einer funktionierenden Batterie Strom regenerativ zurückgewonnen werden kann.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass bei der Überschreitung des Schwellwertes die Dämpfungskraft derart ausgelegt wird, dass diese die induzierte Spannung vollständig verhindert oder aber in Abhängigkeit der Größe des Innenwiderstandes angepasst reduziert. In diesem Fall existiert vorzugsweise ein weiterer Schwellwert, bei dessen Überschreitung die induzierte Spannung vollständig kompensiert wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die Dämpfungskraft in Abhängigkeit einer erfassten Bordnetzspannung ermittelt. Dabei gilt, dass die Dämpfungskraft bei einer höheren Bordnetzspannung ebenfalls erhöht wird, da bei höheren Bordnetzspannungen die Gefahr von Überspannungen aufgrund der induzierten Spannung an der Elektromaschine höher ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist in dem Steuergerät eine Kennlinie einer kompensierenden Kraft über der Lenkwinkelgeschwindigkeit abgelegt, wobei das Steuergerät derart ausgebildet ist, dass eine aus der Kennlinie ermittelte kompensierende Kraft mittels eines von der ermittelten Bordnetzspannung abhängiger Faktor gewichtet wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Lenkungs-Systems und
    • 2 eine schematische Darstellung eines Steuergerätes.
  • In der 1 ist ein Lenkungs-System 1 dargestellt, umfassend ein elektrisches Bordnetz 2, einen Wechselrichter 3, eine Elektromaschine 4 und ein Steuergerät 5. Das elektrische Bordnetz 2 umfasst eine Batterie 6, einen Generator 7, elektrische Verbraucher 8, eine Einrichtung 9 zur Ermittlung eines Innenwiderstandes Ri der Batterie 6 sowie eine Spannungsmesseinrichtung V zur Ermittlung einer Bordnetzspannung U. Der Wechselrichter 3 wandelt die Gleichspannung des Bordnetzes 2 in eine dreiphasige Wechselspannung für die Elektromaschine 4 um, die beispielsweise als Synchron-Motor ausgebildet ist. Eine Abtriebswelle der Elektromaschine 4 ist dann beispielsweise über ein Kugelkopfgetriebe mit einer Zahnstange verbunden. Der Wechselrichter 3 wird dabei von dem Steuergerät 5 angesteuert. Das Steuergerät 5 erhält als Eingangsgröße den Innenwiderstand Ri der Batterie 6, die Bordnetzspannung U, einen Rotorwinkel φ eines Rotorlagesensors 10 an der Elektromaschine 4, eine Kraftfahrzeuggeschwindigkeit v sowie ein Handmoment MH, das über ein nicht dargestelltes Lenkrad von einem Fahrer aufgebracht wird.
  • Im Normalbetrieb ermittelt das Steuergerät 5 an dem Handmoment MH und der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit v ein Unterstützungsmoment, das von der Elektromaschine 4 aufgebracht werden soll. Dies soll hier aber nicht näher erläutert werden.
  • Um nun Überspannungen zu verhindern, die auftreten können, wenn die Elektromaschine 4 aufgrund äußerer Kräfte generatorisch betrieben wird, wird der Innenwiderstand Ri ermittelt. Erfasst dann das Steuergerät 5 Rotorwinkel φ, deren zeitliche Ableitung eine generatorisch wirkende Lenkwinkelgeschwindigkeit φ̇ ausdrücken, so wird eine kompensierende Kraft F mittels einer Kennlinie ermittelt. Parallel dazu wird ein Faktor k in Abhängigkeit der Bordnetzspannung U ermittelt und mit der Kraft F multipliziert. Ist der Innenwiderstand Ri größer als ein Schwellwert, so wird diese Dämpfungskraft FD=F·K ausgegeben, d.h. das Steuergerät 5 steuert den Wechselrichter 3 derart an, dass die Elektromaschine 4 motorisch mit der Dämpfungskraft FD die äußere Bewegung des Rotors der Elektromaschine 4 kompensiert. Die dafür nötige elektrische Energie liefert der Generator 7, falls beispielsweise die Batterie 6 defekt ist. Dabei sei angemerkt, dass die zeitliche Ableitung der Rotorwinkel Φ des Rotorlagesensors 10 streng genommen nicht die Lenkwinkelgeschwindigkeit an den Rädern ist, diese aber ineinander umrechenbar sind. So kann anstelle des Rotorwinkels φ auch der Lenkwinkel selbst gemessen werden, was aber im Regelfall aufwendiger ist.

Claims (9)

  1. Lenkungs-System (1) mit einer Elektromaschine (4), einem Wechselrichter (3), einem elektrischen Bordnetz (2) und mindestens einem Steuergerät (5), wobei das Steuergerät (5) derart ausgebildet ist, den Wechselrichter (3) derart anzusteuern, dass die Elektromaschine (4) ein Lenkmoment erzeugt, um einen gewünschten Lenkwinkel an den Rädern einzustellen, wobei das elektrische Bordnetz (2) mindestens eine Batterie (6), einen Generator (7) und mindestens einen Verbraucher (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkungs-System (1) eine Einrichtung (9) zur Ermittlung eines Innenwiderstandes (Ri) der mindestens einen Batterie (6) und eine Einrichtung zur Ermittlung einer Lenkwinkelgeschwindigkeit (<p) aufweist, wobei die Einrichtung zur Ermittlung der Lenkwinkelgeschwindigkeit (<p) derart ausgebildet ist, dass eine generatorisch an der Elektromaschine (4) wirkende Lenkwinkelgeschwindigkeit (φ̇) ermittelt wird, wobei das Steuergerät (5) derart ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit des ermittelten Innenwiderstandes (Ri) der Wechselrichter (3) derart angesteuert wird, dass die Elektromaschine (4) motorisch eine Dämpfungskraft (FD) aufbringt, die der Lenkwinkelgeschwindigkeit (<p) entgegenwirkt.
  2. Lenkungs-System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwellwert für den Innenwiderstand (Ri) abgelegt ist, wobei das Steuergerät (5) derart ausgebildet wird, dass der Lenkwinkelgeschwindigkeit (φ̇) nur entgegengewirkt wird, wenn ein ermittelter Innenwiderstand (Ri) den Schwellwert überschreitet.
  3. Lenkungs-System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskraft (FD) in Abhängigkeit einer erfassten Bordnetzspannung (U) ermittelt wird.
  4. Lenkungs-System (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuergerät (5) eine Kennlinie einer kompensierenden Kraft (F) über der Lenkwinkelgeschwindigkeit (φ̇) abgelegt ist, wobei das Steuergerät (5) derart ausgebildet ist, dass die aus der Kennlinie ermittelte kompensierende Kraft (F) mittels eines von der ermittelten Bordnetzspannung (U) abhängigen Faktors (k) gewichtet wird.
  5. Steuergerät (5) für ein Lenkungs-System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (5) derart ausgebildet ist, dass das Steuergerät (5) in Abhängigkeit von einem ermittelten Innenwiderstand (Ri) einer Batterie (6) bei einer ermittelten generatorisch wirkenden Lenkwinkelgeschwindigkeit (φ̇) an einer Elektromaschine (4) eine der Lenkwinkelgeschwindigkeit (φ̇) entgegenwirkende Dämpfungskraft (FD) der Elektromaschine (4) über den Wechselrichter (3) einstellt.
  6. Steuergerät (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuergerät (5) ein Schwellwert für den Innenwiderstand (Ri) der Batterie (6) abgelegt ist, wobei das Steuergerät (5) derart ausgebildet ist, dass der Lenkwinkelgeschwindigkeit (φ̇) nur entgegengewirkt wird, wenn der ermittelte Innenwiderstand (Ri) den Schwellwert überschreitet.
  7. Steuergerät (5) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (5) derart ausgebildet ist, dass die Dämpfungskraft (FD) in Abhängigkeit einer erfassen Bordnetzspannung (U) ermittelt wird.
  8. Steuergerät (5) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuergerät (5) eine Kennlinie einer kompensierende Kraft (F) über der Lenkwinkelgeschwindigkeit (φ̇) abgelegt ist, wobei das Steuergerät (5) derart ausgebildet ist, dass eine aus der Kennlinie kompensierende Kraft (F) mittels eines von der ermittelten Bordnetzspannung (U) abhängigen Faktors (k) gewichtet wird.
  9. Verfahren zum Schutz vor Überspannungen aufgrund von generatorisch wirkenden Lenkwinkelgeschwindigkeiten (φ̇) an einer Elektromaschine (4) eines Lenkungs-Systems (1) mittels eines Steuergeräts (5), wobei ein Innenwiderstand (Ri) einer Batterie (6) des Bordnetzes (2) ermittelt wird, wobei ein Steuergerät (5) einen Wechselrichter (3) derart ansteuert, dass die Elektromaschine (4) in Abhängigkeit des ermittelten Innenwiderstandes (Ri) motorisch eine Dämpfungskraft (FD) aufbringt, die der Lenkwinkelgeschwindigkeit (φ̇) entgegenwirkt.
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