DE102017106008B4

DE102017106008B4 - Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses einer Endstufe eines Elektromotors, vorzugsweise eines elektrisch kommutierten Elektromotors

Info

Publication number: DE102017106008B4
Application number: DE102017106008.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Zimmermann; Björn Stehle; Anne Luxembourg
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2037-03-22
Also published as: WO2018171832A1; DE102017106008A1; DE112018001498A5

Abstract

Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses einer Endstufe eines Elektromotors, vorzugsweise eines elektrisch kommutierten Elektromotors, bei welchem die Endstufe (6) des Elektromotors (2) angesteuert wird und ein Kurzschluss detektiert wird, wenn ein gemessener Kurzschlussstrom einen Schwellwert überschreitet, wobei der Schwellwert in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Elektromotors (2) variiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schwellwert für einen ersten Betriebszustand, in welchem der Elektromotor (2) im Betrieb ist, und ein zweiter Schwellwert für einen zweiten Betriebszustand, in welchem der Elektromotor (2) inaktiv ist, vorgesehen werden, wobei der erster Schwellwert größer ist als der zweite Schwellwert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses einer Endstufe eines Elektromotors mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die US 2009/0174349 A1 offenbart ein gattungsgemäßes Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses einer Endstufe eines Elektromotors.
Aus der EP 0711 466 B1 ist eine Anordnung zur Kurzschlussstrombegrenzung auf einer elektrischen Energieübertragungsleitung bekannt, bei welchem eine Fehlererfassungseinrichtung über geeignete Messfühler verfügt, um den Ort und/oder die Richtung des Kurzschlusses festzustellen und ein entsprechendes Fehlersignal an eine Steuereinrichtung auszugeben.
Die DE 197 39 551 A1 offenbart eine Kurzschlussstrombegrenzung für eine Stromrichterschaltung, bei welcher ein Kurzschlussstrom von Leistungshalbleitern abgeschaltet wird.
Gemäß der DE 10 2007 039 855 A1 sind ein Verfahren und eine Schaltung zum Bestimmen des maximalen, von einem Elektromotor aufgenommenen Stromes bekannt, bei welchem die an einem Messwiderstand in einer Versorgungsstromleitung des Elektromotors abfallende Spannung kontinuierlich detektiert wird.
Darüber hinaus ist es bekannt, dass zur Kurzschlusserkennung eines elektrisch kommutierten Elektromotors ein fester Schwellwert mit einem aktuellen Kurzschlussstrom verglichen wird, wobei der Schwellwert oberhalb des maximalen Spitzenstromwertes des Elektromotors liegt. Systembedingt ist der Schwellwert mit bauteil- und systemzustandsabhängigen Toleranzen behaftet, so dass der reale Schwellwert wesentlich höher liegen kann. Ist dies der Fall, ist eine Beschädigung des Elektromotorsystems einfach möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses einer Endstufe eines Elektromotors anzugeben, bei welchem ein Kurzschluss zuverlässig mit einfachen Mitteln erkannt wird.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Schwellwert in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Elektromotors variiert. Dies hat den Vorteil, dass auch niederohmige Kurzschlüsse erkannt werden können. Insbesondere zur Erkennung eines Phasenkurzschlusses kann der Schwellwert entsprechend verringert werden, was eine zuverlässige Kurzschlusserkennung der Endstufe des Elektromotors ermöglicht. Bei einer solchen Phasenkurzschlusserkennung werden auch die Zuleitung, ein Steuergerät, von welchem die Endstufe angesteuert wird, und die Wicklungen des Elektromotors umfasst.
Dabei werden ein erster Schwellwert für einen ersten Betriebszustand, in welchem der Elektromotor im Betrieb ist, und ein zweiter Schwellwert für einen zweiten Betriebszustand, in welchem der Elektromotor inaktiv ist, vorgesehen, wobei der erster Schwellwert größer ist als der zweite Schwellwert. Insbesondere Situationen, wo eine Erwärmung das Elektromotorsystem hochohmiger werden lässt und sich der Kurzschlussstrom verringern kann, werden zuverlässig erfasst.
In einer Ausgestaltung entspricht der zweite Schwellwert etwa einem Drittel des ersten Schwellwertes. Der Kurzschlussschwellwert kann somit deutlich abgesenkt werden, weshalb ein schleichender Kurzschluss schon sehr frühzeitig erkannt werden kann und die Endstufe des Elektromotors abgeschaltet wird, wodurch das Elektromotorsystem vor Beschädigungen bewahrt werden kann.
In einer Variante wird der zweite Betriebszustand so eingestellt, dass im Zustand einer Nicht-Bestromung des Elektromotors die Phasen des Elektromotors gegenphasig geschaltet werden, ohne dass ein Elektromotorstrom fließt. Da bei dieser Beschaltung kein Motorstrom des Elektromotors fließt, kann der Kurzschlussstrom zuverlässig detektiert werden.
In einer Ausführungsform werden im zweiten Betriebszustand bei Nicht-Bestromung des Elektromotors, bei welcher am Elektromotor eine Spannung von 0 V anliegt und eine Drehzahl des Elektromotors 0 beträgt, die Phasen wechselweise zwischen einem Batterieplus und Masse geschaltet. Somit wird zwar die Endstufe geschaltet, der Elektromotor bleibt aber inaktiv.
Ein einfacher und unkritischer Zustand für die Erkennung eines Kurzschlusses der Endstufe wird realisiert, wenn die Kurzschlusserkennung bei einem Elektromotor, der Bestandteil eines in einem Kraftfahrzeug verbauten Kupplungsaktors ist, nach Einschaltung einer Zündung des Kraftfahrzeuges erfolgt. In dem Zustand „Zündung ein“ des Kraftfahrzeuges fließt noch kein Motorstrom des Elektromotors, da Drehzahl und Motorspannung null betragen.
Vorteilhafterweise wird die Kurzschlusserkennung während einer Initialisierungsphase eines Steuergerätes ausgeführt. Damit wird sichergestellt, dass vor jeder Inbetriebnahme des Elektromotors abgesichert ist, dass kein Kurzschluss vorliegt.
In einer Alternative wird die Kurzschlusserkennung nach Erkennung eines Kurzschlusses im ersten Betriebszustand des Elektromotors zur Plausibilisierung durchgeführt. Dadurch wird die vorhergehende Kurzschlusserkennung abgesichert und somit die Sicherheit in dem Elektromotorsystem gewährleistet.
In einer Ausgestaltung wird nach der Erkennung des Kurzschlusses im ersten Betriebszustand die Endstufe des Elektromotors abgeschaltet und anschließend zur Plausibilisierung eine Bestätigungsmessung mit dem abgesenkten zweiten Schwellwert durchgeführt. Durch die sich anschließende Bestätigungsmessung, die wie nach „Zündung ein“ ausgeführt wird, lässt sich die im normalen Betriebszustand des Elektromotors gewonnene Kurzschlussdetektion einfach bestätigen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Motorsteuersystems,
2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Motorsteuersystems 1 eines EC-Motors 2 dargestellt, wie er beispielsweise zur Ansteuerung eines Kupplungsaktors eines Kupplungsbetätigungssystems in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Bei dem EC-Motor 2 handelt es sich um einen elektronisch gesteuerten Motor oder um einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor. Der EC-Motor 2 umfasst drei Phasen 3, 4, 5, welche mit einer Endstufe 6 verbunden sind, die in einem Steuergerät 7 angeordnet ist. Die Endstufe 6 ist auf einer Leiterplatte 8 im Steuergerät 7 platziert, wobei die drei Phasen 3, 4, 5 durch eine Öffnung 9 in der Leiterplatte 8 geführt sind und mit der Endstufe 6 verbunden sind. Die Endstufe 6, welche nicht weiter dargestellte Leistungshalbleiter enthält, wird von einem Mikroprozessor 10 angesteuert.
In dem Mikroprozessor 10 sind zwei Schwellwerte für einen Kurzschlussstrom, der an der Endstufe 6 gemessen werden kann, abgespeichert. Ein erster Schwellwert beträgt 70 A, während der zweite Schwellwert 23 A beträgt. Kurzschlüsse in dem Motorsteuersystem 1 können verschiedene Ursachen aufweisen. So können beim Einsatz im Kraftfahrzeug durch Kontakt der Phasen 3, 4, 5 des EC-Motors 2 mit Bremsflüssigkeit elektrochemische Prozesse auslöst werden, welche zu einem Kurzschluss führen. Darüber hinaus beinhaltet ein Kurzschlusspfad auch die Zuleitung und das Steuergerät 7.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung auch niederohmiger Kurzschlüsse ist in 2 dargestellt, wo ein Kurzschlussstrom über der Zeit gezeigt ist. In einer Initialisierungsphase des Steuergerätes 7 nach Einschalten der Zündung des Kraftfahrzeuges wird von dem Steuergerät 7 die Endstufe 6 des EC-Motors 2 so angesteuert, dass der EC-Motor 2 bei einer Spannung U_Motor von 0 Volt und einer Drehzahl n _Motor von Null inaktiv ist und kein Motorstrom I_Motor des EC-Motors 2 fließt. In dieser Situation werden die Phasen 3, 4, 5 des EC-Motors 2 gegenphasig durch die Endstufe 6 angesteuert, indem diese zwischen Batterieplus und Masse geschaltet werden. Nach Einstellung des zweiten Schwellwertes von 23 A wird durch den Mikroprozessor 10 die Kurzschlusserkennung KE aktiviert, in welcher der gemessene Kurzschlussstrom mit dem abgesenkten zweiten Schwellwert von 23A verglichen wird. Diese Messphase dauert etwa 15 ms. Übersteigt der gemessene Kurzschlussstrom den zweiten Schwellwert von 23 A, wird die Endstufe 6 abgeschaltet. Bleibt der gemessene Kurzschlussstrom unter dem zweiten Schwellwert von 23A wird durch den Mikroprozessor 10 der erste Schwellwert für den Kurzschlussstrom von 70 A für die Kurzschlusserkennung KE eingestellt und nach Erreichung des angehobenen Schwellwertes von 70 A der EC-Motor 2 in dem normalen Betriebszustand versetzt, bei welchem auch ein Motorstrom I_Motor fließt. In diesem normalen Betriebszustand des EC-Motors 2 wird ebenfalls in vorgegebenen Abständen eine Kurzschlusserkennung durchgeführt, bei welcher der aktuelle Kurzschlussstrom mit dem höheren Schwellwert von 70 A verglichen wird. Übersteigt der aktuell gemessene Kurzschlussstrom den ersten Schwellwert von 70 A wird die Endstufe 6 ebenfalls abgestellt. Zur Plausibilisierung der Kurzschlusserkennung im normalen Betriebszustand des EC-Motor 2 wird anschließend die Endstufe 6 noch einmal bestromt, wobei der EC-Motor 2 im inaktiven Betrieb gehalten und der niedrigere zweite Schwellwert von 23 A beim Kurzschlussstromvergleich durch den Mikroprozessor 10 eingestellt wird. Wird der niedrigere zweite Schwellwert durch den gemessenen Kurzschlusssstrom überschritten, wird der im normalen Betrieb des EC-Motor 2 detektierte Kurzschluss bestätigt und die Endstufe 6 bleibt abgeschaltet.
Das beschriebene Verfahren lässt sich bei Einfachkupplungen einsetzen. In Situationen, in welchen die Kupplung nicht bestromt wird, z.B. inaktiven Kupplungen von Doppelkupplungssystemen, lässt sich diese Verfahren ebenfalls anwenden.
Bezugszeichenliste

1: Motorsteuersystem
2: EC-Motor
3: Phase des Elektromotors
4: Phase des Elektromotors
5: Phase des Elektromotors
6: Endstufe
7: Steuergerät
8: Leiterplatte
9: Öffnung
10: Mikroprozessor
KE: Kurzschlusserkennung

Claims

Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses einer Endstufe eines Elektromotors, vorzugsweise eines elektrisch kommutierten Elektromotors, bei welchem die Endstufe (6) des Elektromotors (2) angesteuert wird und ein Kurzschluss detektiert wird, wenn ein gemessener Kurzschlussstrom einen Schwellwert überschreitet, wobei der Schwellwert in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Elektromotors (2) variiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schwellwert für einen ersten Betriebszustand, in welchem der Elektromotor (2) im Betrieb ist, und ein zweiter Schwellwert für einen zweiten Betriebszustand, in welchem der Elektromotor (2) inaktiv ist, vorgesehen werden, wobei der erster Schwellwert größer ist als der zweite Schwellwert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schwellwert etwa einem Drittel des ersten Schwellwertes entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebszustand so eingestellt wird, dass im Zustand einer Nicht-Bestromung des Elektromotors (2) bei welcher am Elektromotor (2) eine Spannung von 0 V anliegt und eine Drehzahl des Elektromotors (2) 0 beträgt und kein Elektromotorstrom fließt, die Phasen (3, 4, 5) wechselweise zwischen einem Batterieplus und Masse geschaltet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlusserkennung bei einem Elektromotor (2), der Bestandteil eines in einem Kraftfahrzeug verbauten Kupplungsaktors ist, nach Einschaltung einer Zündung des Kraftfahrzeuges erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlusserkennung während einer Initialisierungsphase eines Steuergerätes (7) durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erkennung des Kurzschlusses im ersten Betriebszustand des Elektromotors (2) eine Plausibilisierung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erkennung des Kurzschlusses im ersten Betriebszustand die Endstufe (6) des Elektromotors (2) abgeschaltet wird und anschließend zur Plausibilisierung eine Bestätigungsmessung mit dem abgesenkten zweiten Schwellwert durchgeführt wird.