DE102020212196A1

DE102020212196A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Antriebs

Info

Publication number: DE102020212196A1
Application number: DE102020212196.6A
Authority: DE
Inventors: Bastian Weber
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2022-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Antriebs (30), wobei der elektrische Antrieb (30) in Sternschaltung betrieben wird, wobei den elektrischen Antrieb (30) speisende Phasenströme (i) mittels einer zeitlich hochauflösenden Sensorik (2) erfasst werden, wobei die zeitlich hochaufgelöst erfassten Phasenströme (i) zum Überwachen ausgewertet werden, und wobei zum Auswerten Abweichungen (10) von erwarteten Werten und/oder gemittelten Werten für die erfassten Phasenströme (i) und/oder für mindestens eine aus den erfassten Phasenströmen (i) abgeleitete Größe bestimmt werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Antriebs (30), wobei der elektrische Antrieb (30) in Sternschaltung betrieben wird, umfassend eine Sensorik (2), und eine Steuereinrichtung (3), wobei die Sensorik (2) dazu eingerichtet ist, den elektrischen Antrieb (30) speisende Phasenströme (i) zeitlich hochaufgelöst zu erfassen, und wobei die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, die zeitlich hochaufgelöst erfassten Phasenströme (i) zum Überwachen auszuwerten, und zum Auswerten Abweichungen (10) von erwarteten Werten und/oder gemittelten Werten für die erfassten Phasenströme (i) und/oder für mindestens eine aus den erfassten Phasenströmen (i) abgeleitete Größe zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Antriebs.
Ein Stator eines als elektrische Drehfeldmaschine ausgebildeten elektrischen Antriebs verfügt über eine Dreiphasenwicklung. Diese wird in der Regel von einem Antriebsstromrichter, insbesondere einem Pulswechselrichter in Pulsdauer-Modulation (engl. pulse-width-modulation, PWM), gespeist. Der Rotor des elektrischen Antriebs ist aufgrund eines Luftspaltes zwischen Rotor und Stator kapazitiv mit dem Stator gekoppelt. Der Rotor ist in der Regel durch eine lediglich mittels eines Schmiermittels isolierte mechanische Lagerung mit einem Gehäuse des elektrischen Antriebs verbunden, welches geerdet ist. Zudem ist der Pulswechselrichter mit einem Zwischenkreis über Cy-Kondensatoren mit dem Erdpotential verbunden. Insgesamt speist der Pulswechselrichter somit eine kapazitiv gekoppelte elektrische Masche. Eine kapazitive Kopplung zeigt zudem die Dreiphasenwicklung gegenüber einem Isoliersystem des elektrischen Antriebs mit dem Bezugspotential.
Aus der EP 2 405 570 A1 ist ein Verfahren zum Verfolgen einer inhärenten Schenkeligkeit von Wechselstrommaschinen bekannt, die einen Stator mit Wicklungen und einen Rotor umfassen; es werden Änderungen der transienten Stromzeitableitung oder transienten Stromänderungen aufgrund von an die Statorwicklungen angelegten Spannungsimpulsen erfasst und die erfassten Signale ausgewertet, um die Schenkeligkeit zu verfolgen, wobei die Änderungen des Übergangsstroms mit einer Überabtastrate abgetastet werden, die sich auf die Frequenz der Änderungen der Übergangsstromableitung oder der Änderungen des Übergangsstroms bezieht, und wobei Signalindikatoren ausgewertet werden, die dem stationären Wert der Stromzeitableitung entsprechen, wobei diese Signalindikatoren Modulationen aufgrund der Schenkeligkeit enthalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Antriebs zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Antriebs zur Verfügung gestellt, wobei der elektrische Antrieb in Sternschaltung betrieben wird, wobei den elektrischen Antrieb speisende Phasenströme mittels einer zeitlich hochauflösenden Sensorik erfasst werden, wobei die zeitlich hochaufgelöst erfassten Phasenströme zum Überwachen ausgewertet werden, und wobei zum Auswerten Abweichungen von erwarteten Werten und/oder gemittelten Werten für die erfassten Phasenströme und/oder für mindestens eine aus den erfassten Phasenströmen abgeleitete Größe bestimmt werden.
Ferner wird insbesondere eine Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Antriebs geschaffen, wobei der elektrische Antrieb in Sternschaltung betrieben wird, umfassend eine Sensorik, und eine Steuereinrichtung, wobei die Sensorik dazu eingerichtet ist, den elektrischen Antrieb speisende Phasenströme zeitlich hochaufgelöst zu erfassen, und wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die zeitlich hochaufgelöst erfassten Phasenströme zum Überwachen auszuwerten, und zum Auswerten Abweichungen von erwarteten Werten und/oder gemittelten Werten für die erfassten Phasenströme und/oder für mindestens eine aus den erfassten Phasenströmen abgeleitete Größe zu bestimmen.
Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen es, die Phasenströme, die den elektrischen Antrieb speisen, hochaufgelöst zu überwachen. Hierzu werden die Phasenströme mittels einer Sensorik, insbesondere mittels an jeder Phase angeordneten Stromsensoren, zeitlich hochaufgelöst erfasst. Die Stromsensoren ermöglichen insbesondere eine Stromerfassung in beide Richtungen. Zum Überwachen werden die zeitlich hochaufgelöst erfassten Phasenströme ausgewertet, wobei zum Auswerten Abweichungen von erwarteten Werten und/oder gemittelten Werten für die erfassten Phasenströme und/oder für mindestens eine aus den erfassten Phasenströmen abgeleitete Größe bestimmt werden. Abweichungen bezeichnen hierbei insbesondere erfasste Messwerte der Sensorik bzw. Werte, die aus den Messwerten abgeleitet wurden, die zu den erwarteten Werten und/oder gemittelten Werten eine Differenz aufweisen, die oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes bzw. außerhalb eines vorgegebenen Bereichs um die erwarteten Werte und/oder gemittelten Werte liegt. Das Bestimmen der Abweichungen ermöglicht insbesondere das Überwachen von Strömen, durch die parasitäre Kapazitäten umgeladen werden. Das Bestimmen der Abweichungen ermöglicht insbesondere Rückschlüsse auf einen Zustand des elektrischen Antriebs. Die gemittelten Werte können beispielsweise bestimmt werden, indem ein gleitender zeitlicher Durchschnitt über mehrere Messwerte (z.B. 3, 5 oder 10 Messwerte etc.) gebildet wird. Liegt ein Messwert nicht innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs (festgelegt z.B. durch einen vorgegebenen Schwellenwert, beispielsweise in Bezug auf eine Standardabweichung einer Normalverteilung um die erwarteten und/oder gemittelten Werte) um den zeitlich gleitenden Durchschnitt, so wird dieser als Abweichung behandelt. Anders ausgedrückt können mittels des Verfahrens und der Vorrichtung „Ausreißer“ von einem erwarteten oder gemittelten Verhalten des elektrischen Antriebs bestimmt und erkannt werden. Da dies zeitlich hochaufgelöst erfolgt, lassen sich insbesondere auch auf kurzen Zeitskalen stattfindende Prozesse erfassen und erkennen, wie beispielsweise Lagerströme, welche durch kurzzeitige Entladungen über die Lagerung hervorgerufen werden und zu sogenannten „Rattermarken“ führen können.
Zeitlich hochaufgelöst soll insbesondere bedeuten, dass eine Abtastfrequenz größer ist als eine Modulationsfrequenz, mit der ein den elektrischen Antrieb speisender Antriebsstromrichter, insbesondere Pulswechselrichter, betrieben wird. Die Abtastfrequenz ist insbesondere mindestens um den Faktor 5, bevorzugt mindestens um den Faktor 10, besonders bevorzugt mindestens um den Faktor 50 größer als die Modulationsfrequenz. Ist die Modulationsfrequenz des Antriebsstromrichters, insbesondere des Pulswechselrichters, beispielsweise 20 kHz, so ist die Abtastfrequenz beispielsweise 1 MHz.
Die Abweichungen sind insbesondere kurzzeitige Abweichungen, das heißt die Abweichungen bezeichnen insbesondere solche erfassten oder abgeleiteten Werte, bei denen der erfasste oder abgeleitete Wert kurzzeitig von den erwarteten Werten und/oder gemittelten Werten abweicht. Kurzzeitig bedeutet hierbei insbesondere, dass es sich in Bezug auf eine zeitlich hochauflösende Abtastfrequenz der Sensorik jeweils nur um einen oder sehr wenige (z.B. 3 oder 5) Messwerte oder abgeleitete Werte handelt, die von den erwarteten und/oder gemittelten Werten abweichen. Abweichungen können daher auch als „Ausreißer“ bezeichnet werden.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass ausgehend von den bestimmten zeitlichen Abweichungen mindestens ein Signal erzeugt wird, das zu Informationszwecken und/oder zu Steuerzwecken bereitgestellt, insbesondere ausgegeben, wird.
Der elektrische Antrieb weist insbesondere drei Phasen auf, sodass der elektrische Antrieb über drei Phasenspannungen bzw. drei Phasenströme gespeist wird. Das Erfassen der Phasenströme erfolgt insbesondere jeweils mittels eines Stromsensors an jeder der Phasen. Es kann ferner vorgesehen sein, dass zusätzlich auch die Phasenspannungen erfasst werden und von der Steuereinrichtung ausgewertet werden.
Teile der Vorrichtung, insbesondere die Steuereinrichtung, können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die bestimmten Abweichungen statistisch ausgewertet werden. Hierdurch lassen sich insbesondere Aussagen über ein Verhalten des elektrischen Antriebs im Zeitverlauf treffen, beispielsweise indem statistische Kennzahlen in Bezug auf die Abweichungen im Zeitverlauf verfolgt und ausgewertet werden.
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Häufigkeit der Abweichungen bestimmt wird, wobei ausgehend von der bestimmten Häufigkeit ein Zustand einer Lagerung (auch als Lager bezeichnet) und/oder einer Isolierung des elektrischen Antriebs geschätzt wird. Hierdurch lässt sich eine Alterung des elektrischen Antriebs schätzen. Dem liegt insbesondere der Gedanke zu Grunde, dass eine Abweichung hauptsächlich durch einen Lagerstrom und/oder eine mangelnde Isolierung hervorgerufen wird. Je häufiger eine Abweichung im Zeitverlauf auftritt, desto häufiger fließt ein Strom über die Lagerung und/oder die Isolierung des elektrischen Antriebs. Die Häufigkeit kann hierbei in Bezug auf verschiedene Referenzzeiträume bestimmt und bewertet werden, beispielsweise in Bezug auf einige Minuten, eine halbe Stunde, eine Stunde oder einen Tag etc.
Es kann vorgesehen sein, dass die bestimmte Häufigkeit und/oder statistische Kennzahlen zur Häufigkeit mit in empirischen Versuchen bestimmten empirischen Häufigkeiten und/oder Kennzahlen verglichen werden. Der Zustand der Lagerung und/oder der Isolierung wird dann ausgehend von den in den empirischen Versuchen bei bekannten Zuständen der Lagerung und/oder der Isolierung empirisch bestimmten Häufigkeiten durch Vergleichen bestimmt. Anders ausgedrückt werden die Häufigkeit und/oder statistische Kennzahlen zur Häufigkeit mit Häufigkeiten und/oder statistischen Kennzahlen zur Häufigkeit von empirisch gealterten elektrischen Antrieben verglichen und ausgehend von einem Vergleichsergebnis ein Zustand der Lagerung und/oder der Isolierung geschätzt. Dies ermöglicht es, eine Alterung des überwachten elektrischen Antriebs zu schätzen. Beispielsweise kann im fortlaufenden Betrieb des elektrischen Antriebs eine Häufigkeit von Abweichungen von einem als normal betrachteten Wert von 500/Stunde auf einen Wert von 10000/Stunde ansteigen, z. B. weil aufgrund einer zunehmenden Alterung der elektrischen Maschine vermehrt Lagerströme auftreten, welche Abweichungen hervorrufen. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass bei Feststellen von einer Häufigkeit oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes ein Signal erzeugt und ausgegeben wird. Dies kann beispielsweise ein Hinweissignal und/oder ein Wartungssignal und/oder ein Steuersignal sein.
Ein Überwachen der Häufigkeit im Zeitverlauf ermöglicht insbesondere die Realisierung einer vorausschauenden Wartungsstrategie für den elektrischen Antrieb. Beispielsweise kann die bestimmte Häufigkeit im Zeitverlauf überwacht werden, wobei ausgehend von einem bestimmten Zeitverhalten eine zukünftige Häufigkeit geschätzt wird (z.B. durch Extrapolation). Ausgehend von der geschätzten zukünftigen Häufigkeit wird eine Wartungsempfehlung und/oder Wartungsmeldung, beispielsweise in Form eines Wartungssignals, bereitgestellt, insbesondere ausgegeben, beispielsweise wenn diese einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass Gleichtaktströme und/oder Steigungen von Gleichtaktströmen in den erfassten Phasenströmen bestimmt werden, wobei das Auswerten an den bestimmten Gleichtaktströmen und/oder den Steigungen der bestimmten Gleichtaktströme erfolgt. Hierdurch kann ein Auswerteergebnis verbessert werden. Gleichtaktströme sind insbesondere diejenigen Ströme bzw. Stromanteile, die in allen Phasen des elektrischen Antriebs gleichsinnig und mit gleicher Stromhöhe fließen. Ein Gleichtaktstrom liegt vor, wenn sich eine Summe aller Phasenströme eines in Stern geschalteten elektrischen Antriebs nicht zu Null addiert. Somit berechnet sich der Gleichtaktstrom insbesondere als Summe aller Phasenströme geteilt durch eine Anzahl der Phasen. Umfasst der Pulswechselrichter beispielsweise drei Halbbrücken mit jeweils zwei Leistungshalbleitern, so sind während der Nullspannungszustände entweder alle oberen Leistungshalbleiter durchgeschaltet ([1,1,1]), während die unteren gesperrt sind, oder alle unteren Leistungshalbleiter sind durchgeschaltet ([-1,-1,-1]), während die oberen gesperrt sind. Bei einem fehlerfreien Betrieb des elektrischen Antriebs ist die Stromsumme fortlaufend gleich Null (innerhalb einer Toleranz von ca. 2 % bis 5 % der Stromamplitude der Phasenströme). Insbesondere werden bei Schaltung der Nullspannungszustände alle drei Phasen des elektrischen Antriebs identisch angesteuert, sodass die eingangs beschriebene, aus den parasitären Kapazitäten gebildete, kapazitive Masche umgeladen wird, ohne dass dem elektrischen Antrieb ein Drehmoment aufgeprägt wird. Von den parasitären Kapazitäten hervorgerufene Effekte sowie auftretende Lagerströme, die sich als Abweichungen äußern, lassen sich während der Nullspannungszustände daher besonders gut bestimmen.
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Bestimmen und Auswerten der Gleichtaktströme und/oder der Steigungen in den erfassten Gleichtaktströmen bei kleinen Drehzahlen des elektrischen Antriebs erfolgt. Hierdurch wird insbesondere ein Überwachen des elektrischen Antriebs auch bei kleinen Drehzahlen ermöglicht.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Überwachen eine Stromsumme der erfassten Phasenströme und/oder eine Stromsumme der bestimmten Gleichtaktströme und/oder eine Stromsteigungssumme der bestimmten Steigungen der Gleichtaktströme bestimmt wird, wobei die Abweichungen an der oder den bestimmten Stromsumme(n) und/oder der bestimmten Stromsteigungssumme bestimmt werden. Durch die Sternschaltung muss die Stromsumme aller Phasenströme gleich Null sein. Dies ermöglicht ein besonders sensitives Bestimmen von Abweichungen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Phasenströme und/oder die bestimmten Gleichtaktströme und/oder die bestimmten Steigungen der Gleichtaktströme zum Auswerten mittels mindestens eines Anpassungsverfahrens im Zeitverlauf angepasst werden. Hierdurch können die erwarteten und/oder gemittelten Werte bestimmt und bereitgestellt werden, auf Grundlage derer die Abweichungen bestimmt werden können. Hierbei können beispielsweise Regressionsfunktionen, beispielsweise auf Grundlage von Verfahren, die ein quadratisches Fehlerquadrat minimieren, bestimmt werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ausgehend von den bestimmten Gleichtaktströmen und/oder den bestimmten Steigungen der Gleichtaktströme und/oder der bestimmten Stromsumme und/oder der Stromsteigungssumme mindestens eine parasitäre Kapazität des elektrischen Antriebs geschätzt wird. Hierdurch kann direkt eine Aussage über parasitäre Kapazitäten getroffen werden und die geschätzte mindestens eine Kapazität kann zum Überwachen des elektrischen Antriebs verwendet werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, die geschätzte mindestens eine Kapazität mit empirisch für bekannte Zustände der Lagerung und/oder der Isolierung des elektrischen Antriebs bestimmte Kapazitäten zu vergleichen und aus einem Vergleichsergebnis einen aktuellen Zustand der Lagerung und/oder der Isolierung zu schätzen. Zum Schätzen der mindestens einen parasitären Kapazität kann insbesondere ein Modell des elektrischen Antriebs verwendet werden, welches ebenfalls empirisch bestimmt und parametriert werden kann. Beispielsweise kann die mindestens eine Kapazität wie folgt beschrieben geschätzt werden. Eine Nullkomponente einer Ausgangsspannung eines Pulswechselrichters wirkt als Spannungsquelle zwischen einer Zwischenkreis-Erdung des Pulswechselrichters und einer Zuleitung zum elektrischen Antrieb, was verdeutlicht, dass Umladeströme nur von parasitären Elementen begrenzt werden. Durch das zeitlich hochaufgelöste Erfassen (Überabtastung) können einzelne Strom-Ausreißer in den Phasenströmen sowie insbesondere einzelne Strom-Ausreißer in den Gleichtaktströmen messtechnisch erfasst werden. Wenn ein Lagerstrom fließt und somit ein Strom-Ausreißer vorhanden ist, dann ist insbesondere ein Rotor des elektrischen Antriebs über eine Lagerung des elektrischen Antriebs kurzzeitig mit der Erdung eines Gehäuses des elektrischen Antriebs verbunden und es findet eine kapazitive Entladung statt. Für die wirksame Kapazität bzgl. dieser Strom-Ausreißer kann die folgende Modellierung zur Anwendung kommen: $i_{CM} = C (d/dt) u_{0}$
Hierbei ist i_CM der Wert des Ausreißers eines Gleichtaktstromes und u₀ ist die Nullpunktspannung. Die Steigung der Nullpunktspannung ist durch die Leistungshalbleiter des Pulswechselrichters sowie deren Gate-Beschaltungen vorgegeben. Diese Steigungen ändern sich kaum mit der Alterung des Antriebssystems, sodass die wirksame Kapazität beim Auftreten von ersten Strom-Ausreißern initial identifiziert werden kann. Dieser Initialwert kann zum Überwachen mit später bestimmten bzw. geschätzten Kapazitäten während des fortlaufenden Betriebs des elektrischen Antriebs verglichen werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Auswerten der Phasenströme und/oder das Bestimmen und/oder Auswerten der Gleichtaktströme und/oder der Steigungen der Gleichtaktströme mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes erfolgen. Hierzu ist oder wird das feldprogrammierbare Gatterfeld entsprechend konfiguriert.
Ein Vorteil der Verwendung eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes ist, dass eine Signalauswertung, das heißt eine Auswertung der erfassten Phasenströme, ohne verarbeitungsbedingte Verzögerung, insbesondere in Echtzeit, mit einer hohen Abtastrate (MHz) durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht es, die Abweichungen ebenfalls ohne Verzögerung, insbesondere in Echtzeit, auszuwerten. Insbesondere kann in der Folge besonders schnell auf Abweichungen reagiert werden.
Durch die parallele Signalverarbeitung eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes kann dieses insbesondere auch hochfrequent (~MHz) abgetastete Größen verarbeiten. Durch die hochfrequente Abtastung lassen sich Abtast- bzw. Aliasing-Effekte als Störgrößen im Signal reduzieren. Eventuelle Rauschanteile der Sensorik können im feldprogrammierbaren Gatterfeld digital gefiltert werden, sodass ein sehr großes Signal-Rausch-Verhältnis für die digitale Weiterverarbeitung bereitgestellt werden kann. Im Vergleich dazu ist ein Mikrocontroller (z.B. DSP) deutlich weniger geeignet, um hochfrequente Signale zu verarbeiten, da die erfassten Werte des DSP jeweils vom erfassenden internen Analog-Digital-Wandler (ADC) zum Prozessorkern transportiert und verarbeitet werden müssen, was zu signallaufzeitbedingten und vorverarbeitungsbedingten Verzögerungen beim Auswerten führt. Bei einem feldprogrammierbaren Gatterfeld stehen die erfassten Werte des ADC den Logikeinheiten stattdessen unmittelbar, das heißt in Echtzeit, zur Verfügung. Auch können mit feldprogrammierbaren Gatterfeldern kostengünstige ADCs ohne weitere Maßnahmen ausgewertet werden, welche einen hochfrequenten digitalen Datenstrom (Bitstrom) erzeugen können, z.B. Delta-Sigma Wandler.
Das feldprogrammierbare Gatterfeld ist insbesondere ein zur Laufzeit partiell (d.h. teilweise) umkonfigurierbares feldprogrammierbares Gatterfeld. Das Umkonfigurieren erfolgt insbesondere im Wege der partiellen Umkonfiguration, bei der nur ein Teil des Gatterfeldes zur Laufzeit umkonfiguriert bzw. umprogrammiert wird, andere Teile des Gatterfeldes jedoch ihre jeweilige Konfiguration bzw. Programmierung beibehalten. Das Umkonfigurieren wird insbesondere mittels einer Konfigurationssteuerung durchgeführt, welche das Umkonfigurieren durchführt und überwacht. Die Konfigurationssteuerung kann auch mittels der Steuereinrichtung der Vorrichtung bereitgestellt werden. Zum Umkonfigurieren des mindestens einen feldprogrammierbaren Gatterfelds können insbesondere Verfahren zur automatischen Codegenerierung eingesetzt werden, wie beispielsweise der „Xilinx System Generator for DSP“, welcher sowohl eine Quellcode-Modellierung als auch eine Funktionsanalyse automatisiert durchführen kann. Der „System Generator for DSP“ ermöglicht beispielsweise die Modellierung von FPGA-Funktionen in einer Matlab Simulink-Umgebung, sodass die Eigenschaften gegenüber weiteren Simulink-Funktionsblöcken getestet werden können. Durch die automatische Codegenerierung kann sichergestellt werden, dass sich das feldprogrammierbare Gatterfeld identisch zur Simulink-Modellierung verhält.
Eine Konfiguration eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes umfasst insbesondere Anweisungen, mit denen das feldprogrammierbare Gatterfeld derart programmiert werden kann, dass mittels des programmierten (bzw. konfigurierten oder umkonfigurierten) Teils des feldprogrammierbaren Gatterfeldes eine bestimmte Funktionalität zur Datenverarbeitung bereitgestellt werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld umkonfiguriert wird, wenn eine Vorgehensweise beim Bestimmen der Abweichungen geändert und/oder aktualisiert werden soll. Es kann auch vorgesehen sein, verschiedene Vorgehensweisen abwechselnd nacheinander anzuwenden. Beispielsweise können hierbei unterschiedliche statistische Verfahren und/oder unterschiedliche erwartete Werte und/oder gemittelte Werte und/oder verschiedene Schwellenwerte verwendet werden. Auch können weitere und/oder aktualisierte empirische Vergleichswerte für die Häufigkeiten berücksichtigt werden. Werden Verfahren des Maschinenlernens zum Bestimmen der Abweichungen verwendet, so können auch diese aktualisiert werden, beispielsweise um neue Erkenntnisse und/oder Trainingsdaten zu berücksichtigen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der bestimmten Häufigkeit und/oder von dem bestimmten Zustand der Lagerung und/oder der Isolierung eine Ansteuerung des elektrischen Antriebs verändert wird. Hierdurch kann insbesondere eine Lebensdauer des elektrischen Antriebs verlängert werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Modulationsfrequenz eines Pulswechselrichters reduziert wird. Beispielsweise kann eine Modulationsfrequenz, die im normalen Betriebs 20 kHz beträgt, nach Überschreiten eines Schwellenwertes für die bestimmte Häufigkeit oder nach Erreichen eines vorgegebenen Zustands der Lagerung und/oder der Isolierung auf 16 kHz oder sogar 10 kHz abgesenkt werden, sodass ein Umladen der parasitären Kapazitäten nicht mehr so häufig erfolgt und hierdurch insbesondere eine Häufigkeit von auftretenden Lagerströmen, die zur Schädigung der Lagerung führen, reduziert werden kann. Ferner kann auch eine Flankensteilheit der Spannungspulse des Antriebsstromrichters, insbesondere des Pulswechselrichters, verändert, insbesondere verringert werden, um einen Spannungsunterschied langsamer anzugleichen.
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Verändern der Ansteuerung und/oder Auswerten der Phasenströme mindestens ein feldprogrammierbares Gatterfeld zumindest teilweise umkonfiguriert wird. Hierdurch kann das Ändern der Ansteuerung des elektrischen Antriebs direkt in Hardware umgesetzt werden.
Weitere Merkmale zur Ausgestaltung der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile der Vorrichtung sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.
Es wird ferner auch ein Fahrzeug geschaffen, umfassend mindestens eine Vorrichtung gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen. Das Fahrzeug umfasst insbesondere mindestens einen elektrischen Antrieb, der mittels der Vorrichtung überwacht wird. Es kann vorgesehen sein, dass das Fahrzeug mehrere elektrische Antriebe und mehrere jeweils diesen zugeordnete Vorrichtungen umfasst. Das Fahrzeug ist insbesondere eine Kraftfahrzeug. Grundsätzlich kann das Fahrzeug jedoch auch ein anderes Land-, Schienen-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Antriebs;
2 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung von Abweichungen, die mittels des Verfahrens bzw. mittels der Vorrichtung bestimmt werden.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Überwachen eines elektrischen Antriebs 30 gezeigt. Die Vorrichtung 1 führt insbesondere das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Antriebs 30 aus. Nachfolgend wird das Verfahren insbesondere anhand der Vorrichtung 1 näher erläutert.
Der elektrische Antrieb 30 wird dreiphasig in Sternschaltung durch einen Pulswechselrichter 20 in Pulsdauermodulation über ein Kabel 25 gespeist und ist beispielsweise mit einem Getriebe 40 verbunden. Der elektrische Antrieb 30 weist parasitäre Kapazitäten 31 auf, welche insbesondere während des Betriebs fortlaufend umgeladen werden. Die parasitären Kapazitäten 31 werden insbesondere gebildet durch Kapazitäten zwischen dem Rotor und dem Stator, sowie zwischen einer Motorwicklung und dem Stator und der Motorwicklung und dem Läufer. In einer Lagerung des elektrischen Antriebs 30 bildet sich zwischen metallischen Teilen ein Schmierfilm, der isolierende Eigenschaften hat (und als weitere Kapazität wirkt). Dieser Schmierfilm kann nur begrenzt Spannungen isolieren. Durch Partikel oder Unebenheiten können Unregelmäßigkeiten entstehen, wodurch der Schmierfilm seine isolierenden Eigenschaften schlagartig verlieren kann, sodass es zu einem Zusammenbruch der Spannung und einem kurzen, stark ausgeprägten und impulsartigen Lagerstrom kommt. Durch einen derartigen Lagerstrom werden die Laufflächen der Lagerung geschädigt und eine chemische Zusammensetzung des Schmierstoffs kann sich hierdurch verändern. Beide Effekte führen zur Schädigung der Lagerung, einer Veränderung einer wirksamen Kapazität und zu einer Alterung des elektrischen Antriebs 30.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Sensorik 2 und eine Steuereinrichtung 3. Die Sensorik 2 umfasst für jede der drei Phasen einen zeitlich hochauflösenden Stromsensor (nicht gezeigt). Die Steuereinrichtung 3 umfasst eine Recheneinrichtung 4, die als Mikrocontroller ausgebildet ist, auf dem Programmcode ausgeführt wird.
Die Sensorik 2 erfasst im Betrieb des elektrischen Antriebs 30 mittels der Stromsensoren Phasenströme, mit denen der elektrische Antrieb 30 gespeist wird. Eine Abtastrate orientiert sich hierbei insbesondere an einer Modulationsfrequenz des Pulswechselrichters 20. Hierbei ist vorgesehen, dass eine Abtastung mit einer Frequenz erfolgt, die einem Vielfachen einer Modulationsfrequenz entspricht; ein Faktor kann hierbei beispielsweise mindestens 5, bevorzugt mindestens 10, besonders bevorzugt mindestens 50 betragen. Arbeitet der Pulswechselrichter 20 beispielsweise mit einer Modulationsfrequenz von 20 kHz, so kann die Abtastfrequenz beispielsweise 1 MHz sein.
Die Steuereinrichtung 3 ist dazu eingerichtet, die zeitlich hochaufgelöst erfassten Phasenströme zum Überwachen auszuwerten, und zum Auswerten Abweichungen 10 von erwarteten Werten und/oder gemittelten Werten für die erfassten Phasenströme und/oder für eine aus den erfassten Phasenströmen i abgeleitete Größe zu bestimmen.
Beispiele für Abweichungen 10, die mittels der Steuereinrichtung 3 bestimmt werden, sind schematisch in der 2 verdeutlicht, in der beispielhaft ein Phasenstrom i, eine (effektive) Phasenspannung u' und ein Modulationsträgersignal 21, jeweils über der Zeit t dargestellt sind. In der (effektiven) Phasenspannung u' sind deutlich die Schaltzeitpunkte von Leistungshalbleitern zweier Phasen erkennbar, die aufgrund der Kopplung in der Sternschaltung zu einem doppelstufigen Verlauf führen. Ferner ist die Modulationsperiode T dargestellt, welche im gezeigten Beispiel der gesamten dargestellten Zeitachse entspricht. Gezeigt sind ferner Messwerte 11 (der Übersichtlichkeit halber sind nur ein paar mit einem Bezugszeichen versehen) der zeitlich hochaufgelösten Abtastung sowie eine Kurve für erwartete und/oder gemittelte Werte 12 für den Phasenstrom i. Zum Vergleich sind gestrichelte Linien an Zeitpunkten dargestellt, an denen Messwerte für den Phasenstrom i in der ansonsten üblichen mittensynchronen Abtastung erfasst werden, bei der stets nur zwei Messwerte 11 pro Modulationsperiode T erfasst werden. Beispielhaft dargestellt sind drei bestimmte Abweichungen 10, bei denen die Messwerte 11 weit entfernt von einer sonst üblichen Streuung der Messwerte 11 um die Kurve der erwarteten und/oder gemittelten Werte 12 liegen.
Es kann vorgesehen sein, dass die bestimmten Abweichungen 10 statistisch ausgewertet werden. Hierbei können verschiedene statistische Verfahren zum Einsatz kommen. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine Häufigkeit 13 (1) der Abweichungen 10 bestimmt wird, wobei ausgehend von der bestimmten Häufigkeit 13 ein Zustand 15 einer Lagerung und/oder einer Isolierung des elektrischen Antriebs 30 geschätzt wird. Hierzu kann die bestimmte Häufigkeit 13 sowie eine zeitliche Entwicklung der bestimmten Häufigkeit 13 beispielsweise mit einer Häufigkeit von Abweichungen 10 bei in empirischen Versuchen gealterten elektrischen Antrieben verglichen werden und auf Grundlage eines erhaltenen Vergleichsergebnisses ein Zustand 15 bzw. eine Alterung der elektrischen Maschine 30 geschätzt werden. Ausgehend hiervon kann beispielsweise eine Wartungsempfehlung in Form eines Wartungssignales 14 erzeugt und bereitgestellt werden, beispielsweise wenn ein Schwellenwert für die bestimmte Häufigkeit 13 überschritten wird (z.B. 1000/Stunde oder 10000/Stunde etc.) und/oder wenn der bestimmte Zustand 15 der Lagerung und/oder der Isolierung einen vorgegebenen Sollbereich verlässt. Der bestimmte Zustand 15 kann ebenfalls ausgegeben werden.
Sind der elektrische Antrieb 30 und die Vorrichtung 1 beispielsweise in einem Fahrzeug (nicht gezeigt) verbaut, so kann das Wartungssignal 14 einer Fahrzeugsteuerung (nicht gezeigt) zugeführt werden. Anschließend kann beispielsweise einem Fahrer des Fahrzeugs eine Wartungsempfehlung angezeigt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass Gleichtaktströme und/oder Steigungen von Gleichtaktströmen in den erfassten Phasenströmen bestimmt werden, wobei das Auswerten an den bestimmten Gleichtaktströmen und/oder den Steigungen der bestimmten Gleichtaktströme erfolgt.
Es kann vorgesehen sein, dass zum Überwachen eine Stromsumme der erfassten Phasenströme i (2) und/oder eine Stromsumme der bestimmten Gleichtaktströme und/oder eine Stromsteigungssumme der bestimmten Steigungen der Gleichtaktströme bestimmt wird, wobei die Abweichungen 10 an der oder den bestimmten Stromsumme(n) und/oder der bestimmten Stromsteigungssumme bestimmt werden. Insbesondere muss eine Stromsumme während der Gleichtaktzustände idealerweise den Wert Null haben. Abweichungen können daher insbesondere bei den Gleichtaktzuständen besonders gut mit Hilfe der Stromsumme und/oder der Stromsteigungssumme bestimmt werden, wobei eine Abweichung festgestellt und/oder bestimmt wird, wenn ein festgelegter Schwellenwert (ungleich Null) überschritten wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Phasenströme und/oder die bestimmten Gleichtaktströme und/oder die bestimmten Steigungen der Gleichtaktströme zum Auswerten mittels mindestens eines Anpassungsverfahrens im Zeitverlauf angepasst werden. Beispielsweise kann hierzu, zumindest abschnittsweise, das heißt zumindest während eines Gleichtaktzustandes, eine insbesondere lineare, Regressionsfunktion verwendet werden, die mit Hilfe einer Minimierung von quadratischen Fehlerquadraten angepasst wird. Grundsätzlich können jedoch auch andere Anpassungsverfahren verwendet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass ausgehend von den bestimmten Gleichtaktströmen und/oder den bestimmten Steigungen der Gleichtaktströme und/oder der bestimmten Stromsumme und/oder der Stromsteigungssumme mindestens eine parasitäre Kapazität 31 des elektrischen Antriebs 30 geschätzt wird. Ein Zustand 15 der Lagerung und/oder der Isolierung des elektrischen Antriebs 30 kann beispielsweise durch Vergleichen mit empirisch bestimmten Werten überwacht werden. Die bestimmte mindestens eine parasitäre Kapazität 31 kann ferner statistisch ausgewertet werden. Hierbei können Häufigkeiten für Abweichungen 10 der mindestens einen parasitären Kapazität 31 von erwarteten und/oder gemittelten Werten 12 bestimmt und ausgewertet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 3 mindestens ein feldprogrammierbares Gatterfeld 5 aufweist, wobei das Auswerten der Phasenströme und/oder das Bestimmen und/oder Auswerten der Gleichtaktströme und/oder der Steigungen der Gleichtaktströme mittels des mindestens einen feldprogrammierbaren Gatterfeldes 5 erfolgen. Das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld 5 ist insbesondere derart konfiguriert, dass dieses die Abweichungen 10 ausgehend von den erfassten Phasenströmen i bestimmt. Es kann ferner vorgesehen sein, dass das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld 5 auch eine Modulation des Pulswechselrichters 20 steuert oder regelt.
Es kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von der bestimmten Häufigkeit 13 und/oder von dem bestimmten Zustand 15 der Lagerung und/oder der Isolierung eine Ansteuerung des elektrischen Antriebs 30 verändert wird. Insbesondere kann hierzu vorgesehen sein, dass zum Verändern der Ansteuerung das mindestens eine feldprogrammierbare Gatterfeld 5 zumindest teilweise umkonfiguriert wird. Beispielsweise kann bei zunehmender Alterung des elektrischen Antriebs 30 vorgesehen sein, dass eine Ansteuerung des Pulswechselrichters 20 verändert wird. Hierbei kann beispielsweise eine Modulationsfrequenz verringert werden und/oder eine Flankensteilheit der Pulse kann verringert werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Sensorik
3: Steuereinrichtung
4: Recheneinrichtung
5: feldprogrammierbares Gatterfeld
10: Abweichung
11: Messwerte
12: erwartete und/oder gemittelte Werte
13: Häufigkeit
14: Wartungssignal
15: Zustand
20: Pulswechselrichter
21: Modulationssignal
25: Kabel
30: elektrischer Antrieb
31: parasitäre Kapazität
40: Getriebe
i: Phasenstrom
u': (effektive) Phasenspannung
t: Zeit
T: Modulationsperiode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2405570 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Antriebs (30), wobei der elektrische Antrieb (30) in Sternschaltung betrieben wird, wobei den elektrischen Antrieb (30) speisende Phasenströme (i) mittels einer zeitlich hochauflösenden Sensorik (2) erfasst werden, wobei die zeitlich hochaufgelöst erfassten Phasenströme (i) zum Überwachen ausgewertet werden, und wobei zum Auswerten Abweichungen (10) von erwarteten Werten (12) und/oder gemittelten Werten (12) für die erfassten Phasenströme (i) und/oder für mindestens eine aus den erfassten Phasenströmen (i) abgeleitete Größe bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmten Abweichungen (10) statistisch ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Häufigkeit (13) der Abweichungen (10) bestimmt wird, wobei ausgehend von der bestimmten Häufigkeit (13) ein Zustand (15) einer Lagerung und/oder einer Isolierung des elektrischen Antriebs (30) geschätzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gleichtaktströme und/oder Steigungen von Gleichtaktströmen in den erfassten Phasenströmen (i) bestimmt werden, wobei das Auswerten an den bestimmten Gleichtaktströmen und/oder den Steigungen der bestimmten Gleichtaktströme erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überwachen eine Stromsumme der erfassten Phasenströme (i) und/oder eine Stromsumme der bestimmten Gleichtaktströme und/oder eine Stromsteigungssumme der bestimmten Steigungen der Gleichtaktströme bestimmt wird, wobei die Abweichungen (10) an der oder den bestimmten Stromsumme(n) und/oder der bestimmten Stromsteigungssumme bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenströme (i) und/oder die bestimmten Gleichtaktströme und/oder die bestimmten Steigungen der Gleichtaktströme zum Auswerten mittels mindestens eines Anpassungsverfahrens im Zeitverlauf angepasst werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten der Phasenströme und/oder das Bestimmen und/oder Auswerten der Gleichtaktströme und/oder der Steigungen der Gleichtaktströme mittels mindestens eines feldprogrammierbaren Gatterfeldes (5) erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der bestimmten Häufigkeit (13) und/oder von dem bestimmten Zustand (15) der Lagerung und/oder der Isolierung eine Ansteuerung des elektrischen Antriebs (30) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verändern der Ansteuerung und/oder Auswerten der Phasenströme (i) mindestens ein feldprogrammierbares Gatterfeld (5) zumindest teilweise umkonfiguriert wird.
Vorrichtung (1) zum Überwachen eines elektrischen Antriebs (30), wobei der elektrische Antrieb (30) in Sternschaltung betrieben wird, umfassend: eine Sensorik (2), und eine Steuereinrichtung (3), wobei die Sensorik (2) dazu eingerichtet ist, den elektrischen Antrieb (30) speisende Phasenströme (i) zeitlich hochaufgelöst zu erfassen, und wobei die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, die zeitlich hochaufgelöst erfassten Phasenströme (i) zum Überwachen auszuwerten, und zum Auswerten Abweichungen (10) von erwarteten Werten (12) und/oder gemittelten Werten (12) für die erfassten Phasenströme (i) und/oder für mindestens eine aus den erfassten Phasenströmen (i) abgeleitete Größe zu bestimmen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mindestens ein feldprogrammierbares Gatterfeld (5) aufweist.