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Es sind Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb bekannt, bei denen im Normalbetriebszustand ein Drehfeld durch einen entsprechenden Drehstrom in der elektrischen Maschine erzeugt wird. Für diesen Betriebszustand ist eine Steuerung vorgesehen, die die elektrische Maschine ansteuert. Hierbei wird im Zuge einer Regelung ein Drehgeber verwendet, um die aktuelle Drehzahl oder die Position des Rotors zu ermitteln und bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine verwenden zu können.
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In einem Fehlerzustand ist es jedoch nicht ausreichend, die elektrische Maschine unbestromt zu lassen, da diese beim Ausrollen des Fahrzeugs eine Spannung erzeugt, die den ansteuernden Schaltern gefährlich werden kann, oder zu einem Stromfluss führt, der ein unerwünschtes Bremsmoment zur Folge hat. Auch im Fehlerfall sollte ein Steuermechanismus vorgesehen sein, um etwa den Rekuperationsbetrieb des Fahrzeugs einzustellen, wobei hierbei auf zu hohe Rekuperationsströme, zu hohe Rekuperationsspannungen und zu starke Bremsmomente geachtet werden muss. Da somit im Fehlerfall auch der Betrieb gesteuert sein muss, muss auch hierfür die Rotorlage oder die Drehzahl bekannt sein. Um zu verhindern, dass sich ein Fehler von der ersten Steuerung in die zweite Steuerung fortpflanzt, sind hierzu redundante Drehgeber notwendig. Diese sind mit Kosten verknüpft.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit vorzusehen, mit der sich eine elektrische Maschine sowohl im Normalbetriebszustand als auch im Fehlerfall kostengünstig steuern lässt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1. Weitere Merkmale, Ausführungsformen, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den Unteransprüchen sowie mit der 1.
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Es wird vorgeschlagen, für die beiden Steuerungen und somit für die beiden Zustände (Normalbetriebszustand und Fehlerzustand) das selbe Drehzahlsignal bzw. den selben Drehzahlwert zu verwenden, wobei im Normalbetriebszustand der aktuelle Drehzahlwert von der ersten Steuerung verwendet wird, während im Fehlerfall ein verzögerter Wert hiervon verwendet wird. Der im Fehlerfall verwendete Drehzahlwert entspricht somit einem verzögerten Wert der Drehzahl. Insbesondere wird dasselbe Drehzahlsignal verwendet, das beispielsweise von demselben Drehzahlsensor stammt. Hierbei ergibt sich der aktuelle Ist-Drehzahlwert (der von der Steuerung im Normalbetriebszustand verwendet wird) aus dem (unverzögerten) Drehzahlsignal, während der verzögerte Drehzahlwert sich aus demselben Drehzahlsignal ergibt, welches jedoch verzögert wird.
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Durch das Verzögern ergibt sich, dass gleich nach dem Eintreten des Fehlerzustands ein zwar leicht veralteter (verzögerter) Wert verwendet wird, dieser jedoch im Normalbetriebszustand und somit im fehlerfreien Zustand erfasst wurde. Daher liegt der zweiten Steuerung (für den Fehlerfall) ein Drehzahlwert zugrunde, der mit hoher Sicherheit gültig ist bzw. valide ist, zumal er aus dem fehlerfreien Betriebszustand (Normalbetriebszustand) stammt. Das Verzögern ermöglicht somit die Konservierung eines im Normalbetriebszustand (fehlerfreien Zustand) erhaltenen Drehzahlwerts, um im Fehlerzustand die zweite Steuerung betreiben zu können. Diese kann anhand des Drehzahlwerts eine geeignete Maßnahme zur Steuerung der elektrischen Maschine im Fehlerzustand auswählen. Somit steuert die zweite Steuerung die elektrische Maschine in einem Fehlerzustand an, das heißt in einem Sicherheitszustand, der abhängig von der Drehzahl ist. Hierbei ist die ausschlaggebende Drehzahl der erwähnte verzögerte Wert, der aufgrund der Verzögerung notwendigerweise aus einem fehlerfreien Zustand des elektrischen Antriebs stammt und somit als valide angenommen werden kann.
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Es wird somit ein Verfahren zur Betriebssteuerung einer elektrischen Fahrzeugantriebseinheit vorgeschlagen. Die Fahrzeugantriebseinheit hat hierbei zwei Steuerungen. Diese steuern die elektrische Maschine. Die zwei Steuerungen steuern die Maschine nicht gleichzeitig an, sondern es wird (abhängig vom Betriebszustand) eine der beiden Steuerungen ausgewählt, um die elektrische Maschine zu steuern. Die beiden Steuerungen steuern die elektrische Maschine nicht beide gleichzeitig. Die beiden Steuerungen sind in der gleichen Hierarchieebene der Steuerungshierarchie vorgesehen. Die zweite Steuerung kann auch als Sekundärsteuerung (für den Fehlerzustand) bezeichnet werden, während die erste Steuerung als Primärsteuerung (für den Normalzustand) bezeichnet werden kann. Die sekundäre Steuerung ist eine Steuerung im Fehlerzustand.
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Es wird ein aktueller Ist-Drehzahlwert der elektrischen Maschine erfasst, insbesondere mittels eines Drehgebers. Bei Vorliegen eines Normalbetriebszustands steuert die erste Steuerung die elektrische Maschine unter Verwendung des aktuellen Ist-Drehzahlwerts als Ist-Größe eine Regelung an. Somit sieht die erste Steuerung vor, dass die elektrische Maschine geregelt wird mit dem aktuellen (das heißt nicht verzögerten) Ist-Drehzahlwert. Hierbei kann der Ist-Drehzahlwert selbst als Ist-Größe bei der Regelung verwendet werden, oder es kann eine Größe wie die Leistung verwendet werden, die sich aus dem Ist-Drehzahlwert ergibt, sodass die Leistung als Ist-Größe den aktuellen Ist-Drehzahlwert verwendet. Als Steuerung werden hier insbesondere Steuereinrichtungen bezeichnet, die beispielsweise eine Regelung (das heißt ein Regelungsverfahren) realisieren.
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Bei Auftreten eines Fehlerzustands gibt die Steuerung der elektrischen Maschine von der ersten Steuerung auf die zweite Steuerung über. Der Fehlerzustand kann erfasst werden beispielsweise mittels einer Fehlererfassungseinheit, mittels der ersten und/oder zweiten Steuerung oder auch mittels einer den beiden Steuerungen übergeordneten Steuereinheit.
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Die zweite Steuerung steuert die elektrische Maschine bei Auftreten des Fehlerzustands (das heißt wenn dieser beginnt und/oder wenn dieser besteht) gemäß einem verzögerten Drehzahlwert an. Der verzögerte Drehzahlwert ergibt sich durch Verzögern des Ist-Drehzahlwerts um eine vorgegebene Mindestzeitdauer. Dadurch verwendet die zweite Steuerung, das heißt die im Fehlerfall verwendete Steuerung, einen Drehzahlwert, der vor dem Auftreten des Fehlerzustands erfasst wurde. Die Mindestzeitdauer ist mindestens so lange wie der Übergang der Steuerung der elektrischen Maschine ausgehend von der ersten Steuerung auf die zweite Steuerung andauert.
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Vorzugsweise ist die Mindestzeitdauer, um die der Ist-Drehzahlwert verzögert ist, mindestens so groß wie eine Fehlerreaktionszeit, die zur vollständigen Umstellung der Ansteuerung der elektrischen Maschine durch die erste Steuerung (anfänglich) auf die zweite Steuerung (nach erfolgter Umstellung) erforderlich ist. Dadurch wird gewährleistet, dass durch die Zeitdauer, die die Umstellung der Ansteuerung erfordert, nicht ein Drehzahlwert von der zweiten Steuerung verwendet wird, der nicht ausreichend verzögert ist und somit nach dem Eintritt des Fehlerzustands erzeugt wurde.
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Es kann vorgesehen sein, dass bei Auftreten des Fehlerzustands, das heißt bei Beginn des Fehlerzustands, Schalter eines Inverters, der mit der elektrischen Maschine verbunden ist, abhängig vom verzögerten Drehzahlwert einen aktiven Kurzschluss zwischen den Phasenklemmen der elektrischen Maschine erzeugen, oder die Schalter des Inverters geöffnet werden. Somit ist der verzögerte Drehzahlwert ausschlaggebend dafür, ob ein aktiver Kurzschluss im Inverter eingestellt wird, oder ob die Schalter des Inverters geöffnet werden. Die Schalter des Inverters sind hierbei insbesondere Halbleiterschalter, die im Normalbetriebszustand den Strom für die Wicklungen der elektrischen Maschine steuern. Damit wird abhängig von einem Drehzahlwert, der vor dem Auftreten des Fehlerzustands ermittelt wurde, die Maßnahme im Fehlerzustand ausgewählt, nämlich das Öffnen aller Schalter oder das aktive Kurzschließen der elektrischen Maschine (mittels des Inverters). Da die Verzögerung des Drehzahlsignals derart kurz ist, dass keine Änderungen der Drehzahl durch Verlangsamen des Fahrzeugs in relevanter Höhe auftreten, kann die zweite Steuerung mit einem (nahezu) korrekten Drehzahlwert arbeiten. Hierbei ist vorzugsweise die Mindestzeitdauer, um die der Ist-Drehzahlwert verzögert wird, geringer als eine Zeitdauer, die es erfordert, um das Fahrzeug, in dem der Fahrzeugantrieb vorgesehen ist, bei maximaler Bremsbeschleunigung um 1 km/h oder 5 km/h (oder auch um 0,1 km/h) zu verlangsamen.
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Als Maßnahmen, die im Fehlerzustand getroffen werden, kommen insbesondere der aktive Kurzschluss und Öffnen der Schalter des Inverters in Betracht. Der aktive Kurzschluss wird erzeugt, wenn der verzögerter Drehzahlwert über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Alternativ oder in Kombination hiermit werden die Schalter geöffnet, wenn der verzögerter Drehzahlwert nicht über dem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Bei zahlreichen elektrischen Maschinen ist der aktive Kurzschluss mit einem Bremsmoment verknüpft, das stark mit abfallender Drehzahl ansteigt. Durch die vorangehend genannte Herangehensweise wird vermieden, dass ein aktiver Kurzschluss bei zu geringen Drehzahlen erzeugt wird und somit zu hohe Bremsmomente entstehen. Für zu geringe Drehzahlwerte (die mit zu hohen Bremsmomentwerten verknüpft sind) werden die Schalter geöffnet.
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Bei einem aktiven Kurzschluss werden alle High-Side-Schalter oder alle Low-Side-Schalter des Inverters geschlossen, während die anderen Schalter geöffnet sind. Dadurch werden durch den Inverter die Wicklungen bzw. Klemmen der elektrischen Maschine miteinander verbunden. Bei geöffneten Schaltern wird die von der elektrischen Maschine erzeugte Spannung (erzeugt durch Rekuperation bzw. im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine) an die offenen Schalter des Inverters angelegt. Es kann vorgesehen sein, dass beispielsweise mittels einer Strom- oder Spannungsquelle zu hohe Spannungen an den offenen Schaltern oder zumindest einem der offenen Schalter unterdrückt werden, um so eine Überschreitung einer Maximalspannung an den Schaltern zu vermeiden bzw. um eine Spannungsaufteilung an Schaltern einer Halbbrücke zu vermeiden, die einseitig ist und falsche Schlüsse hinsichtlich des Schaltzustands zulässt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die zwei Schalter (High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter) einer Halbbrücke offen sind, an der Halbbrücke eine Zwischenkreisspannung anliegt, und ein Potential der induzierten Spannung an dem Verbindungspunkt der zwei Schalter bzw. der Halbbrücke anliegt. Die Verteilung der an der Halbbrücke anliegende Spannung ist undefiniert, weshalb Mechanismen zur Definition oder Begrenzung der Schalterspannung in Form einer Spannungsquelle (mit geringem Strom) vorgesehen sein können, welche die induzierte Spannung überlagern können. Die Schalterspannung entspricht dem Spannungssignal oder gibt dieses wieder. Schalter können beispielsweise Transistoren sein, bei denen die Kollektor-Emitter-Spannung bzw. die Gate-Source-Spannung eine Maximalgrenze hat. Im Folgenden ist die Überlagerung des induzierten Signals und die Ursache hierfür näher dargestellt.
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Bei geöffneten Schaltern wird die von der elektrischen Maschine erzeugte (induzierte) Spannung an den Phasenanschlüssen des Inverters angelegt. Diese Spannung wird erzeugt durch Rekuperation bzw. im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine. Die an den beiden Schaltern (jeder Halbbrücke) in Summe auftretende Spannung (die über dem High-Side- und dem Low-Side-Schalter abfällt) ergibt sich aus der Überlagerung der von der elektrischen Maschine erzeugten Spannung und der im DC-Zwischenkreis (d.h. an dem Gleichspannungseingang des Inverters) anliegenden Spannung. Solange es zu keinem Rekuperationstromfluss kommt, wäre die Aufteilung der restlichen Spannung auf den High-Side- und dem Low-Side-Schalter ohne weitere Mechanismen nicht bestimmt, sodass einer der beiden Schalter beispielsweise die komplette überbleibende Spannung aufnimmt, während an dem anderen keine Spannung abfällt. In diesem Fall würde daher eine Schalterspannungüberwachung (d.h. eine Überwachung der Kollektor-Emitter-Spannung) die geringe Spannung fälschlicherweise als stromführenden Zustand des betreffenden Schalters interpretieren. Es kann vorgesehen sein, dass ein Motorklemmen- bzw. Phasensignal über eine Diode einem Eingang (etwa eines Treibers) und/oder einer Konstantspannungsquelle (mit geringem Maximalstrom bzw. hohem Innenwiderstand) zugeführt wird, die das Signal überlagert, um so diese fehlerhafte Signalinterpretation zu vermeiden.
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Es kann daher vorgesehen sein, dass beispielsweise mittels einer Strom- oder Spannungsquelle derart ein stromschwaches Signal überlagert wird, sodass bei geöffneten Schaltern die Aufteilung der an den beiden Schaltern verbleibenden Spannung in einer bestimmten Weise erfolgt. Hierdurch liegt an beiden Schaltern eine ausreichende Spannung an, sodass die Uce Überwachung sicher geöffnete Schalter erkennt. Gleichzeitig wird jedoch die induzierte Spannung überlagert bzw. verfälscht.
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Bei Auftreten eines Fehlerzustands bzw. beim Erfassen eines derartigen Fehlerzustands beim Erzeugen eines derartigen Signals wird vorzugsweise in einem ersten Schritt abhängig von dem verzögerten Drehzahlwert der aktive Kurzschluss erzeugt oder die Schalter werden geöffnet. In einem nachfolgenden, zweiten Schritt kann als Drehzahlwert eine Frequenz eines Wechselanteils eines Spannungssignals ermittelt werden, dass an dem Inverter auftritt. Hierbei wird die Frequenz eines Wechselanteils in einem Spannungssignal ermittelt, das an den Schaltern im Kurzschluss (das heißt an den offenen Schaltern oder geschlossenen Schaltern) auftritt. Aus diesem Spannungssignal lässt sich die Frequenz des Wechselanteils ermittelt, wobei der Wechselanteil sich durch den Generatoreffekt der elektrischen Maschine ergibt.
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Die Frequenz ist unmittelbar verknüpft mit der Drehzahl der elektrischen Maschine, sodass durch die Ermittlung der Frequenz inhärent auch die Drehzahl ermittelt wird. Diese Frequenz kann als Grundlage zur Ansteuerung der elektrischen Maschine durch die zweite Steuerung verwendet werden, das heißt insbesondere im Fehlerfall. Im Fehlerfall kann somit zunächst das verzögerte Drehzahlsignal verwendet werden (des Drehzahlsensors). Danach kann die Frequenz in dem Wechselanteil verwendet werden. Hierbei wird die Frequenz insbesondere beim aktiven Kurzschluss ermittelt oder die Frequenz wird ermittelt, wenn die Schalter des Inverters offen sind, insbesondere sofern die Höhe des Wechselsignals bzw. die Höhe des Spannungssignals größer als eine vorgegebene Grenze ist. Dadurch wird insbesondere vermieden, dass zu geringe Wechselanteile zu einer falschen Frequenzerfassung führen. Insbesondere bei Verwendung von Treibern zur direkten Ansteuerung der Schaltung des Inverters, die eine Strom- oder Spannungsquelle zur Einstellung der Spannungshöhe an den offenen Schaltern aufweisen, kann die Drehzahl für die zweite Steuerung während des aktiven Kurzschlusses ermittelt werden, weil dann derartige Spannungs- oder Stromquellen das Signal nicht dominieren, während bei offenen Schaltern die Spannungs- oder Stromquellen wie oben erwähnt den Stromfluss des induzierten Stroms und somit das Wechselsignal kompensieren oder zumindest verfälschen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass in den zweiten Schritt (in den als ein Drehzahlwert die Frequenz ermittelt wird) von dem aktiven Kurzschluss zu den offenen Schaltern übergegangen wird, wenn die Frequenz eine Grenze unterschreitet. Liegt daher die Frequenz unter die Grenze, dann wird der aktive Kurzschluss von der zweiten Steuerung angesteuert, während die offenen Schalter angesteuert werden, wenn die Frequenz nicht unter der Grenze liegt. Dadurch wird vermieden, dass bei abnehmender Drehzahl und somit zunehmendem Drehmoment der Kurzschluss eingestellt wird, der zu einem zu starken Bremsmoment führen würde. Vielmehr dient das Öffnen der Schalter unterhalb einer bestimmten Frequenz bzw. Drehzahl dazu, dass das Bremsmoment im Wesentlichen nicht mehr auftritt (und somit auch nicht zu hoch sein kann).
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In dem zweiten Schritt kann von den offenen Schaltern zu dem aktiven Kurzschluss übergegangen werden, wenn die Frequenz eine Grenze überschreitet. Wird daher die Drehzahl im Fehlerfall erhöht (etwa bei abschüssigem Gelände), dann kann ein aktiver Kurzschluss eingestellt werden, wenn die Frequenz größer ist als die Grenze, während bei einer Frequenz unterhalb der Grenze bzw. nicht größer als die Grenze die Schalter geöffnet sind.
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Ferner können in dem zweiten Schritt die offenen Schalter beibehalten werden, wenn die Höhe des Spannungssignals oder des Wechselanteils unter einer Grenze liegt. Dies kann der oben genannten Grenze entsprechen. Die hier genannte Grenze entspricht einem Wert, der vorgegeben ist. In dem zweiten Schritt können insbesondere die offenen Schalter beibehalten werden, wenn die Höhe des Spannungssignals oder des Wechselanteils unter einem ersten Grenzwert liegt, während vom Umschalten vom aktiven Kurzschluss zu den offenen Schaltern (abhängig von der Frequenz) ein anderer Schwellenwert verwendet wird, als beim Umschalten von den offenen Schaltern zu dem aktiven Kurzschluss (ebenso abhängig von der Frequenz).
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Frequenz nur erfasst wird, wenn die Höhe des Spannungssignals oder des Wechselanteils nicht unter einer Grenze liegt. Dadurch wird wie erwähnt vermieden, dass ein zu geringes Spannungssignal zu einem falschen Ermittlungsergebnis der Frequenz bzw. der Drehzahl führt.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass von den offenen Schaltern zu dem aktiven Kurzschluss gewechselt wird, wenn die Höhe des Spannungssignals oder des Wechselanteils eine Grenze übersteigt. Zum einen bedeutet die Mindesthöhe des Spannungssignals oder des Wechselanteils, dass die Frequenz und somit die Drehzahl relativ hoch ist. Dies wiederum bedeutet, dass ein aktiver Kurzschluss ohne Überschreitung eines Maximalbremsdrehmoments ausgeführt werden kann. Zum anderen wird durch das Umschalten in den aktiven Kurzschluss vermieden, dass an die offenen Schalter eine Spannung angelegt wird, die zu einer Schädigung der Schalter führen könnte, oder es auf Grund der Höhe der anliegenden Spannung zum Stromfluss über die den Schaltern parallelen Dioden kommt, was wiederum ein großes Bremsmoment hervorrufen würde. Dies spielt sich jedoch bei derart hohen Drehzahlen ab, dass davon ausgegangen werden kann, dass das durch den aktiven Kurzschluss entstehende Bremsdrehmoment einen Maximalwert nicht übersteigt.
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Die 1 dient zur näheren Erläuterung des hier beschriebenen Verfahrens und zeigt eine Fahrzeugantriebseinheit zur Ausführung des Verfahrens.
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Die Fahrzeugantriebseinheit AE umfasst eine übergeordnete Steuerung US, die ein Signal abgibt, welches entweder einen Normalbetriebszustand N oder einen Fehlerzustand F kennzeichnet.
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Im Normalbetriebszustand N ist eine erste Steuerung S1 aktiv und steuert, wie mit dem durchgezogenen Pfeil zwischen S1 und EM dargestellt, die elektrische Maschine EM. Aus Gründen der vereinfachten Darstellung ist der Inverter nicht als einzelnes Bauteil dargestellt. Dieser kann als Teil der elektrischen Maschine betrachtet werden, wird von der ersten Steuerung S1 angesteuert und steuert wiederum die Wicklungen der elektrischen Maschine. Die 1 kann daher derart interpretiert werden, dass die elektrische Maschine bereits mit einem Inverter ausgerüstet ist, der daher nicht dargestellt ist. Alternativ kann der Inverter der elektrischen Maschine vorgeschaltet sein und nicht Teil der elektrischen Maschine sein.
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Die 1 zeigt einen Normalbetriebszustand N, in dem die Steuerung S1 (die als Steuereinheit ausgebildet ist) die elektrische Maschine ansteuert. Mit gestricheltem Pfeil ist die Variante dargestellt, in dem die zweite Steuerung S2 die elektrische Maschine EM ansteuert (ebenso über den Inverter). Der Doppelpfeil stellt den Übergang von der Ansteuerung der elektrischen Maschine EM durch die erste Steuerung S1 auf die Ansteuerung durch die zweite Steuerung S2 dar. Letzteres ist gestrichelt dargestellt.
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Im Fehlerzustand F steuert somit nicht die erste Steuerung S1 die elektrische Maschine EM an, sondern es wird ein Übergang W durchgeführt, der dazu führt, dass die zweite Steuerung S2 die elektrische Maschine ansteuert.
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Ein Drehzahlsensor DS ist mechanisch mit der elektrischen Maschine EM verbunden, wie in der 1 symbolhaft dargestellt ist. Dieser gibt das Drehzahlsignal, d. h. einen aktuellen Ist-Drehzahlwert IW an die erste Steuerung S1 ab. Diese verwendet diesen Wert bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine.
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Im Fehlerzustand erhält die zweite Steuerung einen verzögerten Drehzahlwert VW von der Verzögerungseinheit VZ, die um die Mindestzeitdauer T verzögert. Daher wird der Steuerung S2 wie der Steuerung S1 das Drehzahlsignal des Drehzahlsensors DS zugeführt, jedoch nicht direkt wie im Falle der Steuerung S1, sondern verzögert (VZ) um die Mindestzeitdauer T, so dass die zweite Steuerung S2 den verzögerten Drehzahlwert VW ergibt.
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Es ist ersichtlich, dass somit der Drehzahlsensor DS für die erste und für die zweite Steuerung, d. h. für verschiedene Betriebszustände N, F als Quelle für ein Drehzahlsignal gibt.
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Als Verzögerung bzw. als vorgegebene Mindestzeitdauer T kommen Verzögerungsdauern von mindestens 1 µs, 100 µs oder 1 ms und/oder von nicht mehr als 1 s, 100 ms oder 10 ms in Betracht. Die Mindestzeitdauer T kann im Wesentlichen 1 ms, 5 ms, 10 ms, 100 ms oder 500 ms betragen, oder kann in anderen Ausführungsformen 1 µs, 10 µs oder 100 µs betragen. Die konkrete Dauer der Verzögerung ist abhängig von der Zeit, die der vollständige Wechsel von der ersten zur zweiten Steuerung benötigt, und kann ferner von dem Drehzahlgeber bzw. dessen zeitlicher Auflösung abhängen.
