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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines elektrischen Antriebsmotors in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug gemäß Anspruch 1.
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Die
DE 10 2011 006 696 A1 offenbart eine Leistungselektronikbaugruppe, insbesondere für ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, mit einer Leistungselektronik sowie einer Vorrichtung zur Überwachung einer Betriebszeit derselben, wobei die Leistungselektronikbaugruppe ferner eine Vorrichtung zur Ermittlung eines belastungsabhängigen Alterungszustands der Leistungselektronik aufweist, wobei die Leistungselektronikbaugruppe dazu ausgebildet ist, basierend auf einer ermittelten Betriebszeit oder einem ermittelten Alterungszustand den Betrieb der Leistungselektronik zu beeinflussen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zum Prüfen eines elektrischen Antriebsmotors in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Prüfen eines elektrischen Antriebsmotors mit Spulen und Permanentmagneten in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug werden am elektrischen Antriebsmotor mittels eines zugeordneten Inverters Ströme und Spannungen bei bestimmten Drehzahlen bestimmt und diese Messgrößen oder davon abgeleitete Größen an eine elektronische Steuereinheit weitergeleitet, wobei in der elektronischen Steuereinheit die übermittelten Messgrößen oder abgeleiteten Größen zur Ermittlung von Abweichungen mit Werten in einer gespeicherten Look-Up-Table verglichen werden, wobei bei Abweichungen außerhalb eines Toleranzbereichs auf einen Verschleißzustand des Antriebsmotors geschlossen und ein Hinweis im Fahrzeug ausgegeben wird. Erfindungsgemäß weist das Fahrzeug zwei elektrische Antriebsmotoren auf, die über ein Getriebe miteinander verbunden werden, indem das Getriebe in eine Neutralposition geschaltet wird, wobei einer der elektrischen Antriebsmotoren motorisch und der andere generatorisch betrieben wird, wobei in diesem Zustand der jeweils generatorisch betriebene elektrische Antriebsmotor geprüft wird.
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Die vorliegende Erfindung schlägt vor, bei Fahrzeugen mit mindestens zwei über ein Getriebe zusammengeschalteten elektrischen Motoren eine Prüfmethode vorzusehen, bei der die beiden Motoren über das Getriebe im „Leerlauf‟ (N-Stellung) mechanisch miteinander verbunden sind und sich gegenseitig (je einer als Motor und einer als Generator) durch Messungen auf der Generatorseite auf Parameterabweichungen einstellen und prüfen lassen.
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Darüber hinaus ist der vordefinierte Selbstcheck nach bestimmten Events, insbesondere bei elektrifizierten Nutzfahrzeugen, im Stand der Technik ebenfalls nicht bekannt. Mittels intelligenter Auswertung über die Steuereinheit (eCPC) werden Zustände der elektrischen Antriebsmotoren beispielsweise an eine Werkstatt gesendet, sodass Reparaturen im Fahrzeug besser planbar sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit zwei elektrischen Antriebsmotoren, die über ein Getriebe miteinander verbunden sind,
- 2 schematisch ein Verfahren zum Prüfen des elektrischen Antriebsmotors,
- 3 schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie,
- 4 schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie,
- 5 schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie,
- 6 schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie,
- 7 schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie,
- 8 schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie,
- 9 schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie,
- 10 schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie,
- 11 schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie,
- 12 schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, mit zwei elektrischen Antriebsmotoren 2, 3, insbesondere permanenterregte Synchronmaschinen, die über ein Getriebe 4 miteinander verbunden sind. Die elektrischen Antriebsmotoren 2, 3 weisen jeweils nicht dargestellte Spulen und Permanentmagnete, insbesondere Selten-Erd-Magnete, auf.
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Durch starke Belastung im Fahrbetrieb kann die Isolation der Spulen des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 beschädigt werden. Ebenso können auch die Permanentmagnete durch ein starkes elektromagnetisches Gegenfeld beeinträchtigt werden. Die eingebetteten Permanentmagnete in den Rotoren der elektrischen Antriebsmotoren 2, 3 haben zu Beginn ihrer Lebensdauer, das heißt nach dem Aufmagnetisieren, eine Anfangs-Remanenz, beispielsweise BR= 1,4 T.
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Je nach Lastfall und der davon abhängigen Stärke des elektromagnetischen Gegenfeldes können die Dauermagnete langsam entmagnetisiert werden.
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Der Verlust der magnetischen Flussdichte ist abhängig von:
- - Vibrationen im Fahrzeug 1
- - Beschleunigungen
- - Wärme
- - Magnetischem Gegenfeld
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Im schlechtesten Fall können die Magnete somit zerstört werden.
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Die Kopplung der zwei elektrischen Antriebsmotoren 2, 3 kann über eine Neutralposition des Getriebes 4 erfolgen. Dabei kann einer der elektrischen Antriebsmotoren 2, 3 motorisch und der andere generatorisch betrieben werden. In diesem Zustand kann eine Charakterisierung des elektrischen Antriebsmotor 2, 3 erfolgen, der jeweils generatorisch betrieben wird. Dabei kann beispielsweise ein Offsetwinkel eines Resolvers, eines Messumformers für die Winkellage eines Rotors des elektrischen Antriebsmotor 2, 3, eingestellt werden. Weitere Parameter des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 können ermittelt werden.
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Auf diese Weise kann ein Alterungsverhalten des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 mittels Selbstcheck nach einer bestimmten Anzahl an Kilometern überwacht werden. Insbesondere können ein Phasenwiderstand, eine gegenelektromotorische Kraft (Back-EMF/Quellenspannung) und ein Entmagnetisierungsgrad der Permanentmagnete des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 ermittelt werden und eine Parameteridentifikation kann erfolgen.
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Somit kann der Fahrer des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1 vor einem Ausfall rechtzeitig informiert werden, eine Werkstatt aufzusuchen. Somit steigt die Betriebssicherheit des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1. Ferner können mittels des beschriebenen Verfahrens Fertigungsstreuungen in den elektrischen Antriebsmotoren 2, 3 erkannt werden.
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2 zeigt schematisch ein Verfahren zum Prüfen eines elektrischen Antriebsmotors 2, 3 in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 1.
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In einem Schritt S1 wird nach einer festgelegten Fahrtstrecke (z. B. nach 1000 km), oder nach Erfassung einer Systemgrenze, ein Zyklus initialisiert.
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In einem Schritt S2 wird überprüft, ob die Bedingungen für eine Selbstüberprüfung gegeben sind. Die Bedingung ist, dass das Fahrzeug 1 entweder eine bestimmte Fahrstrecke seit der letzten Selbstüberprüfung erreicht hat oder dass eine Systemgrenze erreicht wurde, beispielsweise nach einer längeren Fahrt mit einer Steigung von beispielsweise 28 %. Dazu wertet eine im Fahrzeug 1 vorgesehene elektronische Steuereinheit 5, beispielsweise eine elektronische Kupplungsdrucksteuerung (eCPC), die Summe der gefahrenen Kilometer aus und/oder evaluiert mittels einer CAN-Schnittstelle von einem Inverter 6, 7, der einem der Antriebsmotoren 2, 3 zugeordnet ist, übermittelte Stromspitzen.
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In einem Schritt S3 wird an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) angezeigt, dass das Fahrzeug 1 in einen Selbstüberprüfungs-Modus geht und der Fahrer wird somit informiert. Die elektronische Steuereinheit 5 sendet eine CAN-Nachricht, dass das Getriebe 4 auf die Neutralposition gestellt wird.
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In einem Schritt S4 wird die Selbstüberprüfung durchgeführt. Das Getriebe 4 wird dazu in die Neutralposition geschaltet, wenn das Fahrzeug 1 sich im Stillstand befindet. Beispielsweise wird der Antriebsmotor 2 im motorischen Betrieb und der Antriebsmotor 3 im generatorischen Betrieb betrieben, das heißt über das Getriebe 4 vom Antriebsmotor 2 angetrieben.
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Mittels im Inverter 6, 7 eingebauter Hall-Sensoren werden Strom I und Spannung im Leerlauf und bestimmte Punkte in einer Kennlinie ermittelt.
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Im Anschluss treibt der Antriebsmotor 2 den Antriebsmotor 3 über eine starre Welle an (DeDion Konzept / DeDion Achse).
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In der Steuereinheit 5 kann eine Look-Up-Table vorgesehen sein, in der für den Antriebsmotor 3 eine Spannungskonstante KE abgespeichert ist, beispielsweise KE= 178/ 1000 rpm.
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Der Antriebsmotor 2 treibt den Antriebsmotor 3 mit einer Drehzahl n von beispielsweise n = 1000 1/min im Leerlauf an. Somit sollte im Inverter 7 des Antriebsmotors 3 eine induzierte Spannung von Uin von 178 V zu messen sein. Liegt die induzierte Spannung innerhalb eines Toleranzbereiches von beispielsweise +/-15 % um einen Referenzspannungswert, so meldet das Steuergerät, dass der Antriebsmotor 3 in Ordnung ist.
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Die erfassten Daten werden vom Inverter 6, 7 an die elektronische Steuereinheit 5 weitergeleitet.
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In der elektronischen Steuereinheit 5 erfolgt dann in einem Schritt S5 die Auswertung der Selbstüberprüfung. Dabei wird geprüft, ob die übermittelten Größen wie Strom I und Spannung in der vordefinierten Look-Up-Table liegen. Ferner werden Messgrößen wie induzierte Spannung, Drehmomentkonstante, Längs und Querinduktivität der elektrischen Antriebsmotoren 2 und 3 evaluiert. Die Drehmomentkonstante wird in Nm/A angegeben. Im Generatorbetrieb bleibt die Drehmomentkonstante jedoch bei nahezu 0. Die Drehmomentkonstante wird im Motorbetrieb überprüft. Das heißt, wenn der elektrische Antriebsmotor 2 den elektrischen Antriebsmotor 3 antreibt, wird der elektrische Antriebsmotor 2 auf die Drehmomentkonstante überprüft wohingegen der elektrische Antriebsmotor 3 auf die Spannungskonstante hin überprüft wird. Die gleiche Messung erfolgt nochmals in umgekehrter Antriebskonfiguration, wobei der elektrische Antriebsmotor 3 den elektrischen Antriebsmotor 2 antreibt, der elektrische Antriebsmotor 3 auf die Drehmomentkonstante überprüft wird wohingegen der elektrische Antriebsmotor 2 auf die Spannungskonstante hin überprüft wird. Der Zustand beider elektrischen Antriebsmotoren 2 und 3 wird angezeigt: Wenn die elektrischen Antriebsmotoren 2 und 3 als in Ordnung angezeigt werden, so ist kein Eingriff des Fahrers erforderlich. Anderenfalls erfolgt eine Statusmeldung, dass eine Werkstatt aufgesucht werden soll.
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In einem Schritt S6 wird überprüft, ob die gemessenen und ausgewerteten Größen im Toleranzbereich liegen. Wenn dies der Fall ist, so ist das elektrische Antriebssystem in Ordnung. Anderenfalls wird eine Statusmeldung im Cockpit des Fahrzeugs 1 ausgegeben. Ferner erfolgt eine Evaluation der Selbstüberprüfung, d. h. alle Daten werden drahtlos an eine Cloud 8 gesendet. Der Schritt S6 ist ein Platzhalter für beide Selbstchecks beider elektrischen Antriebsmotoren 2 und 3 und aller Messgrößen. Hier wird ein Statusbit gesetzt wenn die Überprüfung in Ordnung ist, anderenfalls kann ein Neustart des Verfahrens erfolgen. Wenn ein Neustart des Verfahrens nicht möglich ist, erfolgt eine Aufforderung zum Aufsuchen einer Werkstatt.
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In einem Schritt S7 werden zu jedem Fahrzeug 1 die Daten zu den Fahrzeugantrieben erfasst, sodass ein Austausch des Rotors des Antriebsmotors 2, 3 geplant werden kann.
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Um den Leistungsanforderungen im schweren Nutzfahrzeugbereich gerecht zu werden, werden in Zukunft hauptsächlich permanenterregte Synchronmaschinen als Antriebsmotoren 2, 3 eingesetzt. Dieser Maschinen-Typ hat eingebettete Magnete.
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Tabelle 1 zeigt beispielhafte Parameter, die bei einer Selbstüberprüfung eines der Antriebsmotoren
2,
3 gewonnen werden können.
| Machine Constant |
| Line Current (peak) | I, A | 772.3 |
| Inductance | Ld, H | 4.12e-04 |
| Lq, H | 6.159e-04 |
| Self Inductance, H | 3.427e-04 |
| Mutual Inductance, H | -1.713e-04 |
| Torque Constant | Kt, Nm/A | 0.9818 |
| Voltage Constant | Ke, V s/rad | 1.134 |
| Magnetic Circuit | Average Teeth Flux Density, T | 1.617 |
| Average Back Yoke Flux Density, T | 0.7324 |
| Average Gap Flux Density, T | 0.5883 |
| Magnet Flux Linkage, Wb | 0.1316 |
| Electric Part | Phase Current(RMS), A | 546.1 |
| Wire Current Density, A/m2 | 3.283e+06 |
| Revolution Speed at Phase Current(RMS), rpm | 3820 |
| Power | Torque, Nm | 724.1 |
| Efficiency, % | 93.92 |
| Power, W | 2.897e+05 |
| Power Factor | 0.3703 |
| Loss | Copper Loss, W | 821.5 |
| Iron Loss, W | 1.792e+04 |
| Electric Circuit | Line Voltage(peak), V | 1245 |
| Phase Voltage(RMS), V | 508.4 |
| Line Voltage(RMS), V | 880.5 |
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Die Spannungskonstante KE und die Drehmomentkonstante KT werden mittels Messungen der Ströme und Spannungen durch den Inverter 6, 7 durchgeführt. Diese Informationen werden an die Steuereinheit 5 weitergeleitet.
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Durch die hohen Drehzahlen in den elektrischen Antriebsmotoren 2, 3 werden hohe Wirbelstromverluste im ferromagnetischem Blechpaket erzeugt. Dies kann dazu führen, dass sich ein sogenannter Eisenbrand im Blechpaket einprägt und die Magnetisierbarkeit des Blechpaketes abnimmt. Ferner werden die Magnete durch hohe Temperatureinflüsse, Schläge und Vibrationen und ein induziertes magnetisches Gegenfeld geschwächt bzw. dauerhaft beschädigt. Daher kann die Güte der Materialien durch die Auswertung der Parameter in der Steuereinheit 5 ermittelt werden.
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In der Selbstüberprüfung können auch ein elektrisches Ersatzschaltbild und ein Bemessungspunkt des Antriebes bestimmt werden und somit kann überprüft werden, ob die Wicklung in Ordnung ist.
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3 zeigt schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 für das Drehmoment T über dem Strom (Line Current(peak)) I.
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4 zeigt schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 für eine Effizienz E über dem Strom (Line Current(peak)) I.
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5 zeigt schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 für eine Leistung P über dem Strom (Line Current(peak)) I.
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6 zeigt schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 für einen Kupferverlust PCu über dem Strom (Line Current(peak)) I.
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Zum einen kann die Drehmomentkonstante mittels gezielten Anfahrens der Kennlinie in der Selbstüberprüfung bestimmt werden. Zum anderen kann die Kennlinie als doppelte Redundanz in der Look-Up-Table der Steuereinheit 5 verglichen werden.
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7 zeigt schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 für einen Eisenverlust PFe über dem Strom (Line Current(peak)) I.
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8 zeigt schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 für eine Spitzenspannung (Line Voltage(peak)) Vpeak über dem Strom (Line Current(peak)) I.
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9 zeigt schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 für einen Leistungsfaktor PF über dem Strom (Line Current(peak)) I.
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10 zeigt schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 für eine Phasenspannung (Phase Voltage(RMS)) VPh über dem Strom (Line Current(peak)) I.
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11 zeigt schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 für einen gemittelte Spannung (Line Voltage(RMS)) VRMS über dem Strom (Line Current(peak)) I.
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12 zeigt schematisch ein Diagramm mit einer beispielhaften charakteristischen Kennlinie des elektrischen Antriebsmotors 2, 3 für eine magnetische Spannung Vm über einer Slotzahl SN.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Antriebsmotor
- 3
- Antriebsmotor
- 4
- Getriebe
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Inverter
- 7
- Inverter
- 8
- Cloud
- E
- Effizienz
- I
- Strom
- P
- Leistung
- PCu
- Kupferverlust
- PFe
- Eisenverlust
- PF
- Leistungsfaktor
- S1 bis S7
- Schritt
- SN
- Slotzahl
- T
- Drehmoment
- Vpeak
- Spitzenspannung
- VPh
- Phasenspannung
- VRMS
- gemittelte Spannung
- Vm
- magnetische Spannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011006696 A1 [0002]
