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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung der Temperatur einer elektrischen und/oder elektronischen Komponente, insbesondere eines Elektromotors, sowie ein Computerprogramm und ein Lenksystem. Derartige elektrische und/oder elektronische Komponenten können in an sich bekannter Weise Strom führen. Bei dem Elektromotor kann es sich insbesondere um den Elektromotor eines an sich bekannten elektromechanischen Lenksystems handeln.
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Elektrische Hilfskraftlenkungen werden regelmäßig bei Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, eingesetzt. In bekannten elektrischen Hilfskraftlenkungen eingesetzte Elektromotoren sind aufgrund der häufig wechselnden und mit sehr unterschiedlichen Lenkgeschwindigkeiten stattfindenden Lenkbewegungen und der damit zusammenhängenden Leistungsspitzen teilweise hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt. Insbesondere dann, wenn bei niedriger Fahrgeschwindigkeit Lenkvorgänge häufig wiederholt werden, kann es aufgrund der relativ hohen erforderlichen Lenkunterstützung zur Überhitzung von Teilen des Elektromotors kommen. Kritisch ist dies insbesondere dann, wenn sich die Lenkung im Bereich eines ihrer Endanschläge befindet. Zur Erkennung und Verhinderung einer Überhitzung der Elektromotoren ist es bekannt, Temperatursensoren zur Bereitstellung eines Überhitzungsschutzes einzusetzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass ein Übertemperaturschutz bereitgestellt werden kann, ohne dass Temperatursensoren in der elektrischen und/oder elektronischen Komponente, insbesondere in einem Elektromotor, vorgesehen sein müssen. Es handelt sich demnach um ein vergleichsweise einfaches Verfahren, das wenig Konstruktionsaufwand zur Durchführung bedarf und einen vergleichsweise geringen Kostenaufwand erzeugt. Temperatursensoren können vollständig entfallen oder lediglich zur Plausibilisierung und/oder als Redundanz eingesetzt werden. Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass es insbesondere die in das System eingeprägte Verlustleistung ist, welche einen Temperaturhub in der elektrischen und/oder elektronischen Komponente, insbesondere im Elektromotor, erzeugen kann. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Aufintegration der Verlustleistung wird die besagte eingeprägte Verlustleistung bzw. eine diese charakterisierende Größe ermittelt (es versteht sich, dass unter dem Begriff der „Verlustleistung“ hier und nachfolgend nicht zwingend ein Parameter mit der Einheit [Watt] verstanden werden muss, sondern auch jede andere Größe verstanden werden kann, welche die Verlustleistung charakterisiert). Für den Vergleich der aufintegrierten Verlustleistung mit dem Grenzwert können beispielsweise empirisch ermittelte Zusammenhänge verwendet werden, welche die aufintegrierte Verlustleistung und die Temperatur der elektrischen und/oder elektronischen Komponente, insbesondere des Elektromotors, miteinander verknüpfen.
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In einer Ausgestaltung wird in Schritt a. eine zu der Verlustleistung proportionale Führungsgröße zur Aufintegration verwendet. In vergleichsweise einfacher Art und Weise ist folglich die Führungsgröße messbar und darauf auf die Verlustleistung schließbar.
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In diesem Zusammenhang ist denkbar, dass die Führungsgröße als der durch die elektrische und/oder elektronische Komponente, insbesondere den Elektromotor, fließende elektrische Strom, insbesondere Motorstrom, oder eine damit korrelierende Größe, insbesondere das Motordrehmoment, ausgebildet ist. Die oben erwähnte Verlustleistung ist proportional zum Strom, insbesondere zum Motorstrom, im Quadrat. Selbstverständlich kann statt des Stroms, insbesondere des Motorstroms, auch eine hierzu korrelierende Größe, wie beispielsweise das Motordrehmoment, verwendet werden. Diese Größen liegen üblicherweise ohnehin vor, so dass hierdurch das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach und kostengünstig realisiert werden kann.
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Dabei ist insbesondere denkbar, dass die elektrische und/oder elektronische Komponente, insbesondere der Elektromotor, mehrphasig ist und dass der fließende Strom von wenigstens einer Phase als Führungsgröße verwendet. Dabei ist insbesondere denkbar, dass es sich um eine dreiphasige elektrische und/oder elektronische Komponente, insbesondere einen dreiphasigen Elektromotor, mit den drei Phasen U, V und W handelt. Hierbei ist zum einen denkbar, dass lediglich der Phasenstrom einer Phase zur Ermittlung der Verlustleistung verwendet wird und der so erhaltene Wert mit einem Grenzwert verglichen wird. Dies ist programmtechnisch sehr einfach realisierbar und daher kostengünstig.
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Denkbar ist allerdings insbesondere, dass der fließende Strom von sämtlichen Phasen einzeln aufintegriert wird und die so erhaltenen einzelnen Phasen-Integralwerte in Schritt b. mit jeweils einem - ggf. parametrierbaren - Phasen-Grenzwert verglichen werden, insbesondere ein Maximalwert ermittelt wird. Somit wird der Phasenstrom der einzelnen Phasen einzeln aufintegriert und daraus auf die Verlustleistung geschlossen. Die so erhaltenen Phasen-Integralwerte werden sodann mit jeweils einem Phasen-Grenzwert verglichen. Die einzelnen Phasen-Grenzwerte können einerseits den gleichen Betrag aufweisen. Andererseits können diese insbesondere auch unterschiedliche Werte aufweisen. Diese Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders präzise und somit zuverlässig.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt a. die Aufintegration erst dann durchgeführt wird, wenn die Führungsgröße einen Schwellwert erreicht und/oder überschritten hat. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass unterhalb eines gewissen Phasenstroms keine Erwärmung der elektrischen und/oder elektronischen Komponente, insbesondere des Elektromotors, und/oder einer Phasenkontaktplatte erfolgt bzw. erfolgen, die elektrische und/oder elektronische Komponente, insbesondere der Elektromotor, also gewisse Verlustleistungen tragen kann ohne einen nennenswerten Temperaturhub zu erzeugen (dies hängt vom Entwärmungskonzept der elektrischen und/oder elektronischen Komponente, insbesondere des Elektromotors, ab). Folglich kann der Schwellwert der Wert sein, ab dem sich die elektrische und/oder elektronische Komponente, insbesondere der Elektromotor, und/oder die Phasenkontaktplatte erwärmen. Dieser Wert kann beispielsweise bei 25 A liegen und kann für jede Phase, insbesondere jede Motorphase, gleich oder unterschiedlich sein. Bei dieser Ausgestaltung werden Fehlalarme besonders zuverlässig vermieden.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass der Grenzwert temperaturabhängig je nach Ausgangstemperatur beim Start der elektrischen und/oder elektronischen Komponente, insbesondere des Elektromotors, einen unterschiedlichen Wert aufweist. Dabei ist die Anpassung des Grenzwerts auch in Stufen möglich. Somit ist denkbar, dass bei niedrigerer Ausgangstemperatur der Grenzwert des Integrals höher ist, so dass der Grenzwert des Integrals später erreicht wird. Auch dies führt zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Vorgeschlagen wir zudem, dass die Aktion in Schritt c. die Reduzierung der der elektrischen und/oder elektronischen Komponente, insbesondere dem Elektromotor, zugeführten Leistung umfasst. Die Reduzierung der Leistung, insbesondere der Motorleistung, kann hierbei linear oder insbesondere auch exponentiell erfolgen. Wird folglich der Grenzwert erreicht oder überschritten, so kann die Leistung, insbesondere die Motorleistung, durch Reduzierung des Stroms, insbesondere des Motorstroms, insbesondere der einzelnen Phasenströme, reduziert werden. Folglich kann eine Überhitzung eines Elektromotors dadurch verhindert werden, dass das Abgabemoment des Elektromotors auf Grund der resultierenden Drehmomentreduktion reduziert wird. Dabei ist denkbar, dass der Grenzwert die Dynamik der Abregelung beeinflusst.
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Insbesondere ist denkbar, dass bei einem kleinen Grenzwert eine sehr schnelle und starke Abregelung stattfindet.
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In einer andere Ausgestaltung ist denkbar, dass in Schritt c. die zugeführte Leistung so weit reduziert wird, bis der Schwellwert wieder erreicht und/oder unterschritten ist. Daraufhin ist denkbar, dass der Integralwert auf 0 gesetzt wird. Somit kann nach Reduzierung der zugeführten Leistung bis zum und/oder unter den Schwellwert wieder eine Leistungserhöhung (und damit insbesondere eine Drehmomenterhöhung) durchgeführt werden. Die Reduktion des Integralwertes kann insbesondere linear oder exponentiell erfolgen. Diese Reduktion kann für eine einzelne Phase geschehen, die den Grenzwert erreicht oder überschritten hat, oder insbesondere auch für die Integralwerte sämtlicher Phasen erfolgen. Somit wird nach einer Überschreitung des Grenzwerts, also einer Überschreitung der zulässigen Temperatur, eine Maßnahme ergriffen, welche die Temperatur reduziert, jedoch dann, wenn die Temperatur wieder in einem zulässigen Bereich liegt, sofort wieder ein normaler Betrieb der elektrischen und/oder elektronischen Komponente, insbesondere des Elektromotors, ermöglicht mit einer dazugehörigen normalen erfindungsgemäßen Überwachung der Temperatur.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm, umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Ein solches Computerprogramm kann auf vergleichsweise einfache Art und Weise implementiert werden.
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Die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung umfasst das erfindungsgemäße Computerprogramm. Das erfindungsgemäße Computerprogramm kann hierbei insbesondere bei einer Steuerungseinrichtung, wie beispielsweise der Lenkungssteuerungseinrichtung, angewandt werden.
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Das erfindungsgemäße Lenksystem umfasst wenigstens eine elektrische und/oder elektronische Komponente, insbesondere einen Elektromotor, und eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung, die insbesondere als Lenkungssteuerungseinrichtung ausgebildet sein kann. Das Lenksystem kann einen Zentralsteller umfassen. Der Zentralsteller kann eine Spurstange und einen Lenkungsaktuator umfassen. Mittels des Zentralstellers können insbesondere zwei Räder einer Achse eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gelenkt werden. Um die von einem Fahrzeugführer aufgebrachte Lenkkraft zu unterstützen, kann ein, insbesondere dreiphasiger, elektrischer Hilfskraftmotor vorhanden sein, der von der Lenkungssteuerungseinrichtung ansteuerbar sein kann. Der Hilfskraftmotor bildet in diesem Fall eine elektrische bzw. elektronische Komponente. Die Lenkungssteuerungseinrichtung kann das erfindungsgemäße Computerprogramm umfassen, mittels welchem das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar sein kann.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Hilfskraftlenkung; und
- 2 ein Flussdiagramm zur schematischen Darstellung des Verfahrensablaufs gemäß einer Ausführungsform.
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1 zeigt schematisch zwei Räder 10, 12 eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, welches selbst nicht weiter dargestellt ist. Bei den Rädern 10, 12 kann es sich insbesondere um die Räder 10, 12 der Vorderachse handeln. Alternativ wäre denkbar, dass es sich um die Räder 10, 12 der Hinterachse handelt. Die beiden Räder 10, 12 werden bei der vorliegenden Ausführungsform von einem Lenksystem mit einem Zentralsteller 14 zum Lenken angesteuert. Der Zentralsteller 14 umfasst hierbei eine Spurstange 16 und einen Lenkungsaktuator 18. Mittels des Zentralstellers 14 können die Räder 10, 12 von der in 1 gezeigten Geradeausstellung in eine Schrägstellung überführt werden, indem der Radlenkwinkel, angedeutet durch die Doppelpfeile 20, 22, geändert wird. Um die von einem Fahrzeugführer aufgebrachte Lenkkraft zu unterstützen, ist ein dreiphasiger, elektrischer Hilfskraftmotor 24 vorhanden, der von einer Lenkungssteuerungseinrichtung 26 ansteuerbar ist. Der Hilfskraftmotor 24 bildet eine elektrische bzw. elektronische Komponente. Die Lenkungssteuerungseinrichtung 26 kann ein Computerprogramm umfassen, mittels welchem das im Folgenden beschriebene Verfahren ausführbar ist. Die oben erwähnten Komponenten gehören also insgesamt zu einem Lenksystem (ohne Bezugszeichen).
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2 zeigt schematisch einen möglichen Verfahrensablauf des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren kann insbesondere bei einem Elektromotor für elektrische Hilfskraftlenkungen, wie beispielsweise dem elektrischer Hilfskraftmotor 24 aus 1, eingesetzt werden, und es kann insbesondere von einer Steuereinrichtung, wie beispielsweise der Lenkungssteuerungseinrichtung 26 aus 1, für einen derartigen Elektromotor ausgeführt werden. Dabei handelt es sich um einen dreiphasigen Elektromotor mit den Phasen U, V und W. IU (t), IV (t) und IW (t) stellen hierbei die einzelnen Phasenströme zu einem gewissen Zeitpunkt t dar. Ferner gilt, dass die Verlustleistung des Motors proportional zu den Phasenströmen im Quadrat ist. Diese Verlustleistung erzeugt einen Temperaturhub im Elektromotor. Um eine Überhitzung des Elektromotors aufgrund der Verlustleistung zu verhindern, wird das im Folgenden beschriebene Verfahren zur Bereitstellung eines Übertemperaturschutzes verwendet:
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Zunächst werden in Schritt
10 die Phasenströme I
U (t), I
V (t) und I
W (t) zu einzelnen Zeitpunkten t ermittelt, quadriert und dann integriert. Allerdings gilt es zu beachten, dass bei manchen Elektromotoren eine Erwärmung des Elektromotors und/oder einer dazugehörigen Phasenkontaktplatte sich erst dann einstellt, wenn ein gewisser Phasenstrom erreicht oder überschritten ist. Deswegen werden in Schritt
10 von den Phasenströmen I
U (t), I
V (t) und I
W (t) vor der Quadrierung die Schwellwerte Su, Sv, Sw abgezogen. Die Schwellwerte S
U, Sv, Sw stellen Phasengrenzströme dar, ab denen eine Erwärmung eintritt. Diese Schwellwerte können dabei den gleichen Wert für jede Phase haben oder auch unterschiedlich sein. Beispielsweise kann der Wert bei 25 A liegen. Somit wird das Integral erst dann befüllt, wenn der jeweilige Schwellwert Su, Sv, Sw überschritten ist. Die Schwellwerte hängt hierbei insbesondere vom Entwärmungskonzept des Elektromotors bzw. des diesen umgebenden Systems ab. Selbstverständlich kann der Schwellwert allerdings auch bei 0 A liegen. Anstatt die Phasenströme im Quadrat aufzuintegrieren, können auch damit korrelierende Größen, wie zum Beispiel das Motordrehmoment, verwendet werden. Insgesamt gelten in Schritt
10 die folgenden Formeln:
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Zur Integration wird in einem nächsten Schritt 12 geprüft, ob jedenfalls einer der Integralwerte |IU (t)|, |IV(t)| und/oder |IW (t)| einen Grenzwert GU, GV bzw. GW erreicht oder überschritten hat. Die Grenzwerte Gu, Gv bzw. Gw können hierbei für jeden Phasenstrom U, V, W gleich oder unterschiedlich sein. Ferner können diese temperaturabhängig veränderlich sein, so dass bei niedriger Ausgangstemperatur beim Verfahrensstart der Grenzwert höher ist. Liegt keiner der Fälle, |IU (t)| ≥ GU, |IV(t)| ≥ GV und/oder |IW (t)| ≥ GW vor, so wird weiterhin aufintegriert, sodass die Integralwerte |IU (t)|, |IV(t)|, |IW (t)| größer werden (vorausgesetzt die Schwellwerte Su, Sv, Sw sind überschritten).
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Erreicht oder überschreitet jedenfalls einer der Integralwerte |IU (t)|, |IV(t)| und/oder |IW (t)| den Grenzwert GU, GV bzw. GW, so wird in Schritt 14 eine Aktion A ausgelöst. Diese Aktion A umfasst insbesondere eine Reduzierung der dem Elektromotor zugeführten Leistung durch Reduzierung der Phasenströme. Dadurch kann eine Überhitzung des Elektromotors verhindert werden, ohne dass Temperatursensoren und ein dazugehöriges Sensoriksystem verwendet werden müssen. Durch diese Phasenstromreduzierung reduziert sich das Motordrehmoment. Diese Leistungsreduzierung kann insbesondere so lange durchgeführt werden, bis jedenfalls einer der gemessenen Phasenströme lu (t), IV (t) und IW (t) den Schwellwert SU, SV, SW wieder unterschreitet. Danach kann die Leistungsreduzierung des Elektromotors wieder aufgehoben werden und die Integralwerte |IU (t)|, |IV(t)| und/oder |IW (t)| können sich entleeren. Diese Entleerung kann linear, exponentiell oder auf sonstige Weise geschehen und insbesondere so lange durchgeführt werden, bis der Integralwert wieder bei Null ist. Sodann wird erneut Schritt 10 durchgeführt, sodass erneut aufintegriert wird.
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Ein konkretes Beispiel der Implementierung des Verfahrens wird im Folgenden dargelegt:
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Ein beispielhafter Elektromotor kann sich bei maximaler Leistung innerhalb von 30 Sekunden auf 200°C, insbesondere im Bereich der Phasenkontaktplatte erwärmen. Ab 200°C soll eine Abregelung erfolgen. Um eine Sicherheit zu gewährleisten, wird beispielsweise ein Sicherheitsfaktor 2 gewählt, so dass der Elektromotor maximal 15 Sekunden mit maximalem Drehmoment betrieben werden darf. Der Schwellwert Su, Sv, Sw liegt für jeden Phasenstrom bei 25 A. Der maximale Phasenstrom IU,max, IV,max, IW,max, der in jeder Phase erzeugbar ist, liegt bei 112 A. Die Abtastrate für den Phasenstrom liegt bei 0,01 s.
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Insgesamt gilt:
- t = 15 s
- Abtastrate = 0,01 s
- Su = Sv = Sw = 25 A
- IU,max = IV,max = IW,max = 112 A
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Die Grenzwerte Gu, Gv bzw. Gw berechnen sich sodann wie folgt:
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Daraus ergeben sich die Grenzwerte Gu = Gv = Gw = 1,12*107 A2.
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Das obige Verfahren wurde beispielhaft bei Verwendung einer elektrischen bzw. elektronischen Komponente erläutert, welche durch den Hilfsmotor 24 gebildet ist. Es kann grundsätzlich aber auch bei ganz anderen elektronischen bzw. elektrischen Komponenten angewendet werden, bei denen eine Verlustleistung auftritt.