-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems, mit einer elektrischen Maschine, die einen Rotor mit einer Rotorwelle aufweist, mit einer Sensoranordnung zum Erfassen eines Rotorwinkels des Rotors, mit einem Getriebe, das eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle aufweist, und mit einer Kupplung, insbesondere Klauenkupplung, zum wahlweisen Verbinden der Rotorwelle mit der Eingangswelle, wobei ein Offsetwinkelwert für den Rotorwinkel ermittelt wird.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, das das obenstehende Verfahren durchführt, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Computereinrichtung ausgeführt wird. Außerdem betrifft die Erfindung einen Datenträger mit einem derartigen Computerprogrammprodukt sowie ein elektrisches Antriebssystem mit der Computereinrichtung, die speziell dazu hergerichtet ist, das Computerprogramm beziehungsweise das oben genannte Verfahren auszuführen. Schließlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit dem elektrischen Antriebssystem.
-
Stand der Technik
-
Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zum exakten Ansteuern einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Stromregelung bei permanenterregten Synchronmaschinen, ist es nötig, die exakte Winkellage des Rotors, und damit insbesondere die Ausrichtung der Magnetfelder von Stator und Rotor zueinander zu kennen. Üblicherweise wird dazu eine Sensoranordnung zum Erfassen eines Rotorwinkels des Rotors verwendet. Beispielsweise aufgrund von Toleranzen oder Ungenauigkeiten bei der Fertigung kann es vorkommen, dass der durch die Sensoranordnung ermittelte Rotorwinkel nicht dem tatsächlichen Rotorwinkel entspricht, sondern um einen Offsetwinkel davon abweicht. Es sind daher aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt, um diesen Offsetwinkel individuell zu bestimmen.
-
So ist aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 001 408 A1 ein Verfahren zur Offsetwinkelbestimmung bei Synchronmaschinen bekannt, wobei der Offsetwinkel als Funktion der Differenz zwischen einem (Magnet-)Feldwinkel und einem Sensorwinkel bestimmt wird. Der Feldwinkel entspricht dabei der Ausrichtung eines von dem Rotor erzeugten Rotormagnetfelds bezogen auf die Ausrichtung eines von dem Stator erzeugten Statormagnetfelds, während der Sensorwinkel durch einen mit der Rotorwelle verbundenen Winkelgeber gemessen wird. Der so bestimmte Offsetwinkel wird dann in einem Speicher abgelegt und bei der Winkelmessung zukünftig berücksichtigt. Dieses Verfahren wird vorzugsweise im Rahmen der Endfertigung, also noch vor dem tatsächlichen Regelbetrieb der elektrischen Maschine als eine initiale Kalibrierung durchgeführt.
-
Über die Lebensdauer elektrischen Maschine kann sich der Wert des Offsetwinkels jedoch ändern, sodass während des Betriebs der elektrischen Maschine von Zeit zu Zeit üblicherweise eine Überprüfung oder Plausibilisierung eines zuvor durch Kalibrieren erhaltenen Offsetwinkelwerts durchgeführt wird. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 201 319 A1 bekannt. Dazu ist es nötig, dass sich die elektrische Maschinen in einem sogenannten Quasi-Nullstrom-Zustand befindet, wobei im Wesentlichen kein Strom in den Wicklungen der elektrischen Maschine fließt.
-
Ist die elektrischen Maschine Teil eines elektrischen Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs, wird dieser Quasi-Nullstrom-Zustand beispielsweise während eines normalen Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs eingestellt. Es ist dann so lange nur ein limitierter Fahrbetrieb, beispielsweise mit beschränkten Drehmomenten oder Drehzahlen, möglich, bis der Offsetwinkelwert neu ermittelt, und der für die Ansteuerung der elektrischen Maschine hinterlegte Offsetwinkelwert ersetzt ist.
-
Während des Fahrbetriebs bedeutet dies eine Zugkraftunterbrechung, die von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs wahrnehmbar ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass der Offsetwinkelwert dann, insbesondere nur dann, ermittelt wird, wenn die Rotorwelle von der Ausgangswelle entkoppelt ist. Dadurch wird vorteilhaft eine ohnehin geplante Zugkraftunterbrechung zum Ermitteln des Offsetwinkelwerts ausgenutzt. So ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit insbesondere zum flexiblen Durchführen eines der eingangs beschriebenen Verfahren geschaffen. Insbesondere wird ein Fahrer nicht mehr, wie eingangs beschrieben, eine möglicherweise unerwünschte Zugkraftunterbrechung wahrnehmen. Vorzugsweise wird die Rotorwelle durch Öffnen der Kupplung von der Ausgangswelle entkoppelt. Die Kupplung ist dabei insbesondere zwischen der Rotorwelle und der Eingangswelle des Getriebes angeordnet, und dazu ausgebildet, die Rotorwelle mit der Eingangswelle kraftschlüssig/oder formschlüssig zu koppeln. In dem Getriebe selbst ist wiederum besonders bevorzugt ein an der Eingangswelle angeordnetes Zahnrad mit einem an der Ausgangswelle angeordneten weiteren Zahnrad in Eingriff bringbar oder gebracht. Insbesondere ist die Kupplung als Reibkupplung ausgebildet, sodass im geschlossenen Zustand der Kupplung ein Kraftschluss vorliegt. Alternativ ist die Kupplung als Klauenkupplung ausgebildet, sodass im geschlossenen Zustand der Kupplung ein Formschluss vorliegt. Jedenfalls sind in beiden Fällen die Rotorwelle der elektrischen Maschine und die Eingangswelle des Getriebes kraftübertragend miteinander verbunden.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein erster Rotorwinkelwert durch die Sensoranordnung ermittelt wird, dass ein zweiter Rotorwinkelwert in Abhängigkeit von einem Magnetfeld der Rotorwelle ermittelt wird, und dass der Offsetwinkelwert als Differenz der Rotorwinkelwerte berechnet wird. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte und einfache Möglichkeit zum Ermitteln des Offsetwinkelwerts geschaffen. Beispielsweise erfolgt die Ermittlung der beiden Rotorwinkelwerte mit einem der eingangs genannten, bereits bekannten Verfahren. Der erste Rotorwinkelwert entspricht dann beispielsweise einem durch einen mit der Rotorwelle verbundenen Winkelgeber ermittelten Sensorwinkel, der zweite Rotorwinkelwert einem Feldwinkel zwischen den Ausrichtungen des Rotormagnetfelds und des Statormagnetfelds. Ist der erste Rotorwinkelwert dann beispielsweise größer als der zweite Rotorwinkelwert, wird die Differenz der beiden Rotorwinkelwerte als negativer Offsetwinkelwert hinterlegt und bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine als Korrekturwert verwendet.
-
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass die Rotorwelle auf eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung mit der Ausgangswelle überwacht wird. Durch das Überwachen der Rotorwelle auf eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung mit der Ausgangswelle ergibt sich der Vorteil, dass besonders zuverlässig erkannt wird, ob die Rotorwelle von der Ausgangswelle entkoppelt ist. Insbesondere wird überwacht, ob die Rotorwelle durch die Kupplung kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit der Ausgangswelle verbunden ist.
-
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Betätigungszustand der Kupplung auf Offen und Geschlossen überwacht wird, und dass der Offsetwinkelwert nur bei geöffneter Kupplung ermittelt wird. Durch das Überwachen des Betätigungszustands der Kupplung ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zum Erkennen der Entkopplung von Rotorwelle und Ausgangswelle geschaffen. Ist die Kupplung geöffnet, ist die elektrische Maschine sicher von dem Getriebe und dem restlichen elektrischen Antriebsstrang getrennt. So wird das Verfahren besonders vorteilhaft durchgeführt.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Getriebe ein mehrstufiges Getriebe ist und auf einen Getriebestufenwechsel überwacht wird, und dass der Offsetwinkelwert nur während des Getriebestufenwechsels ermittelt wird. Durch das Überwachen des Getriebes auf einen Getriebestufenwechsel ist ebenso eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zum Erkennen der Entkopplung von Rotorwelle und Ausgangswelle geschaffen. Bei dem Getriebestufenwechsel ist die Kupplung zu einem bestimmten Zeitpunkt ohnehin geöffnet, um den Wechsel der Getriebestufe in dem Getriebe selbst zu ermöglichen. Wird nun beispielsweise erfasst, dass der Getriebestufenwechsel durchgeführt wird, wird noch abgewartet, bis die Kupplung selbst auch geöffnet ist, und anschließend das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt. Dadurch, dass der Offsetwinkelwert nur zum Zeitpunkt des Getriebestufenwechsels ermittelt wird, ist dies beispielsweise für einen Insassen des Kraftfahrzeugs nicht spürbar, weil die Ermittlung besonders vorteilhaft bei einer ohnehin geplanten Zugkraftunterbrechung durchgeführt wird.
-
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Antriebssystem auf einen Stillstand überwacht wird, und dass der Offsetwinkelwert im Stillstand ermittelt wird. Durch das Überwachen des Antriebssystems auf einen Stillstand, und das Ermitteln des Offsetwinkelwerts nur im Stillstand ergibt sich der Vorteil, dass das Verfahren besonders flexibel durchgeführt wird. Insbesondere wird das Entkoppeln von Rotorwelle und Ausgangswelle aktiv angefordert, beispielsweise durch Öffnen der Kupplung. Anschließend wird vorzugsweise überwacht, ob die Entkopplung erreicht wurde, bevor der Offsetwinkelwert ermittelt wird.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass das Getriebe in eine Neutralstellung schaltbar ist, bei der die Eingangswelle und die Ausgangswelle nicht kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und dass das Getriebe bei erkanntem Stillstand in die Neutralstellung geschaltet wird, bevor der Offsetwinkelwert ermittelt wird. Durch das Schalten in die Neutralstellung ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit, alternativ oder zusätzlich zum Öffnen der Kupplung, geschaffen, um das erfindungsgemäße Verfahren im Stillstand sicher durchzuführen. Es ist dann insbesondere nicht notwendig, dass die Kupplung geöffnet ist, wenn der Offsetwinkelwert ermittelt wird. Ist das Getriebe in die Neutralstellung geschaltet, ist insbesondere kein Durchtrieb zu den Rädern des Kraftfahrzeugs mehr vorhanden. Die Neutralstellung in dem Getriebe selbst ist vorliegend insbesondere als Leerlauf zu verstehen, bei dem die Zahnradsätze von Eingangswelle und Ausgangswelle nicht verbunden oder ausgerückt sind.
-
Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Kupplung geöffnet wird, bevor der Offsetwinkelwert ermittelt wird. Durch das Öffnen der Kupplung ergibt sich der Vorteil, dass die Rotorwelle und das Getriebe aktiv voneinander getrennt werden, sodass keine Kraftübertragung mehr stattfindet. So wird das Ermitteln des Offsetwinkelwerts besonders sicher durchgeführt.
-
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt zur Ausführung auf einer Computereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich dadurch aus, dass es bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das erfindungsgemäße Verfahren ausführt. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
-
Der erfindungsgemäße Datenträger mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch das darauf gespeicherte erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt aus.
-
Das elektrische Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 weist eine elektrische Maschine, die einen Rotor mit einer Rotorwelle aufweist, eine Sensoranordnung, ein Getriebe, das eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle aufweist, und eine Kupplung, insbesondere Klauenkupplung, zum Verbinden der Rotorwelle mit der Eingangswelle auf. Das elektrische Antriebssystem zeichnet sich durch eine Computereinrichtung aus, die speziell dazu hergerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen oder das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt auszuführen. Auch hierdurch ergeben sich die oben bereits genannten Vorteile. Insbesondere ist das elektrische Antriebssystem in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Vorzugsweise ist die Computereinrichtung dann ein in dem Kraftfahrzeug angeordnetes Steuergerät.
-
Das Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 12 zeichnet sich durch das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem aus. Auch daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Beispielsweise ist das Kraftfahrzeug ein Hybridfahrzeug, weist also zusätzlich zu der elektrischen Maschine auch eine Brennkraftmaschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs auf. Die elektrische Maschine und die Brennkraftmaschine sind dann insbesondere durch ein gemeinsames Getriebe mit den Rädern des Kraftfahrzeugs koppelbar. Insbesondere ist das Getriebe dabei ein Doppelkupplungsgetriebe. Zum Ankoppeln werden insbesondere Reibkupplungen verwendet. Alternativ ist das Kraftfahrzeug als rein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere mit Batterie- oder Brennstoffzellenantrieb, ausgebildet. Die Kupplung ist dabei insbesondere als Klauenkupplung ausgebildet.
-
Weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
- 1 einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine,
- 2 ein Kraftfahrzeug mit der elektrischen Maschine als Teil eines elektrischen Antriebssystems, und
- 3 ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben des elektrischen Antriebssystems.
-
1 zeigt eine elektrische Maschine 1 in einem Querschnitt. Die elektrische Maschine 1 ist dabei stark vereinfacht dargestellt und weist einen Stator 2 und einen Rotor 3 auf. Der Stator 2 weist Statorwicklungen 4 auf. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist nur eine einzelne Statorwicklung 4 dargestellt. Üblicherweise sind jedoch entlang des gesamten Umfangs des Stators 2 gleichmäßig Statorwicklungen 4 angeordnet.
-
Ein durch die Statorwicklungen 4 fließender elektrischer Strom tritt in einem links dargestellten Wicklungsabschnitt aus der Zeichenebene heraus und tritt in einen rechts dargestellten Wicklungsabschnitt in die Zeichenebene hinein. Die Richtung des dadurch erzeugten magnetischen Feldes ist durch einen Pfeil A angedeutet. Der Rotor 3 ist beispielsweise mittels Permanentmagneten erregt und weist ein Magnetfeld auf, dessen Richtung durch einen Pfeil B angedeutet ist. Zwischen den Richtungen der magnetischen Felder der dargestellten Statorwicklung 4 und dem Rotor 3 liegt ein Winkel α vor.
-
Der Winkel lässt sich in einen Rotorwinkel für den Rotor 3 beziehungsweise eine Rotorwelle 5 der elektrischen Maschine 1 umrechnen. Vorliegend wird vereinfachend davon ausgegangen, dass die Ausrichtung des Pfeils A einem Rotorwinkel von 0° entspricht, sodass in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Winkel α einem Rotorwinkel α entspricht.
-
Zum Erfassen des Rotorwinkels α des Rotors 3 weist die elektrische Maschine 1 eine nicht näher dargestellte Sensoranordnung mit einem Winkelgeber auf. Ist der Winkelgeber winkelgetreu ausgerichtet, würde er, wenn die durch die Pfeile A und B angezeigten Richtungen übereinstimmen, einen Sensorwinkel γ von 0° anzeigen, beziehungsweise bei der in der 1 dargestellten Ausrichtung, einen Sensorwinkel γ anzeigen, der genau dem Rotorwinkel α entspricht.
-
Üblicherweise ist jedoch, beispielsweise aufgrund von Ungenauigkeiten in der Fertigung der elektrischen Maschine 1, der Winkelgeber nicht winkelgetreu ausgerichtet. Der (angenommene) Sensorwinkel γ und der (tatsächliche) Rotorwinkel α unterscheiden sich dann um einen Offsetwinkel β, wie in der 1 angedeutet. Zur exakten Ansteuerung der elektrischen Maschine muss der Wert dieses Offsetwinkels β genau bekannt sein. Der Offsetwinkel muss daher, wie nachfolgend noch mit Verweis auf 3 erläutert werden wird, regelmäßig bestimmt und plausibilisiert werden.
-
2 zeigt ein Kraftfahrzeug 6 in einem stark vereinfachten schematischen Querschnitt mit einem elektrischen Antriebssystem 7, das die vorstehend beschrieben elektrische Maschine 1 aufweist. Das elektrische Antriebssystem 7 weist außerdem eine Kupplung 8 und ein Getriebe 9 auf. Das Getriebe 9 weist eine Eingangswelle 10 und eine Ausgangswelle 11 auf, die durch einen nicht näher dargestellten Zahnradsatz miteinander in Eingriff stehen oder bringbar sind. Dabei ist das Getriebe 9 in eine Neutralstellung schaltbar, bei der die Eingangswelle 10 und die Ausgangswelle 11 nicht durch den Zahnradsatz kraftschlüssig oder formschlüssig miteinander verbunden sind.
-
Die Kupplung 8 verbindet die Rotorwelle 5 wahlweise mit der Eingangswelle 10. Die Ausgangswelle 11 ist, beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Differential, dazu ausgebildet, ein Drehmoment an Räder 12 der Vorderachse des Kraftfahrzeugs 6 zu übertragen.
-
Im Folgenden wird mit Bezug auf 3 ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben des elektrischen Antriebssystems 7 beschrieben. Hierzu zeigt die 3 das Verfahren anhand eines Flussdiagramms. Insbesondere wird durch das Verfahren gewährleistet, dass der vorstehend beschriebene Offsetwinkel β besonders vorteilhaft bestimmt und plausibilisiert wird.
-
In einem Schritt S1 beginnt das Verfahren. Insbesondere werden die nachfolgend beschriebenen Schritte mittels einer Steuereinrichtung durchgeführt, die ein entsprechendes Computerprogrammprodukt ausführt. Dabei werden zunächst das elektrische Antriebssystem 7 auf einen Stillstand und/oder das Getriebe 9 auf einen Getriebestufenwechsel überwacht. Wird nun erkannt, dass sich das elektrische Antriebssystem 7 im Stillstand befindet, oder das Getriebe 9 einen Getriebestufenwechsel durchführt, wird das Verfahren mit einem Schritt S2 fortgesetzt.
-
In dem Schritt S2 wird nun geprüft, ob die Rotorwelle 5 von der Ausgangswelle 11 entkoppelt ist. Es wird insbesondere überprüft, ob die Rotorwelle 5 kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit der Ausgangswelle 11 des Getriebes 9 verbunden ist. Dazu wird vorzugsweise ein Betätigungszustand der Kupplung 8 auf Offen und Geschlossen überwacht, und/oder ob sich das Getriebe 9 in einer Neutralstellung befindet, bei der die Eingangswelle 10 und die Ausgangswelle 11 nicht kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
-
Wird nun, insbesondere nach Verstreichen eines vorgegebenen Zeitraums, weder eine geöffnete Kupplung 8 noch eine Neutralstellung des Getriebes 9 erkannt, wird davon ausgegangen, dass der Getriebestufenwechsel abgebrochen wurde, oder sich das Kraftfahrzeug 6 nicht (mehr) im Stillstand befindet. Das Verfahren wird wieder mit dem Schritt S1 begonnen.
-
Alternativ wird das Kraftfahrzeug 6 noch einmal auf einen Stillstand überprüft. Wird erkannt, dass sich das Kraftfahrzeug 6 im Stillstand befindet, fährt das Verfahren optional mit einem Schritt S3 fort, anstatt in den Schritt S1 zurück zu springen. In dem Schritt S3 wird nun das Getriebe 9 in die Neutralstellung geschaltet und/oder die Kupplung 8 geöffnet. Das Verfahren wird dann mit einem Schritt S4 fortgesetzt.
-
Auch wenn in dem Schritt S2 erkannt wurde, dass die Kupplung 8 geöffnet und/oder das Getriebe 9 in eine Neutralstellung geschaltet ist, wird das Verfahren mit dem Schritt S4 fortgesetzt. In dem Schritt S4 wird nun der Offsetwinkelwert für den Rotorwinkel ermittelt. Insbesondere wird dazu ein erster Rotorwinkelwert durch die Sensoranordnung ermittelt, ein zweiter Rotorwinkelwert in Abhängigkeit von dem Magnetfeld der Rotorwelle 5 ermittelt, und der Offsetwinkelwert als Differenz der Rotorwinkelwerte berechnet.
-
In einem darauffolgenden Schritt S5 ersetzt nun der neu berechnete Offsetwinkelwert einen vorab hinterlegten Offsetwinkelwert. Das Verfahren endet. Vorzugsweise beginnt das Verfahren, beispielsweise nach einer vorgegebenen zeitlichen Verzögerung, insbesondere nach Verstreichen einer vorgegebenen Betriebsdauer des elektrischen Antriebssystems 7, wieder mit dem Schritt S1.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008001408 A1 [0004]
- DE 102012201319 A1 [0005]
