DE102022210060A1

DE102022210060A1 - Verfahren zur Berechnung und Beeinflussung der Restlebensdauer von Komponenten eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102022210060A1
Application number: DE102022210060.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kohlhauser; Wolfgang Schweiger; Tobias Koblmiller
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2022-09-23
Filing date: 2022-09-23
Publication date: 2024-03-28
Also published as: WO2024061940A1

Abstract

Verfahren (1) zur Berechnung und Beeinflussung der Restlebensdauer (10) von Komponenten eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs wobei gemessene Sensordaten (3) und gerechnete und/oder vorgegebenen Parameter (4) zu einem Schädigungsmodell (5, 5`, 5") zusammengeführt werden, wobei nach einem Vergleich (8) mit Daten, die einen Soll-Gesundheitsstand (9) beschreiben, eine Restlebensdauer (10) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Restlebensdauer (10) unter einem Schwellwert ein Lebensdauerverlängerungsmodus (11) aktiviert wird, der Maßnahmen im Fahrzeug zur Verlängerung der Lebensdauer umsetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung und Beeinflussung der Restlebensdauer von Komponenten eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zur Ermittlung der zu erwartenden Lebensdauer des Fahrzeugs.
Stand der Technik
Der zentrale Ansatz des Prognose- und Gesundheitszustands-Managementsystems ist die Verwendung von Daten über Nutzung und Zustand aus dem Betrieb eines einzelnen Systems, um Störungen und Ausfälle frühzeitig zu erkennen und geeignete Gegenmaßnahmen zu definieren. Entscheidungen lassen sich so unter Berücksichtigung der gesamtwirtschaftlichen Interessen treffen. Beispielsweise lassen sich so gleichzeitig Kosten senken, Risiken minimieren, die nutzbaren Betriebsstunden maximieren und die Verfügbarkeit verbessern.
Elektrische Fahrzeuge verwenden ein rein elektrisches Antriebssystem, als eDrive bezeichnet. Das Antriebssystem eines elektrischen Fahrzeugs umfasst einen Elektromotor, ein mechanisches Reduktionsgetriebe, einen Umrichter und einen Motorcontroller.
Der Umrichter invertiert Gleichstromleistung aus Batterien in Wechselstromleistung, die verwendet wird, um den Motor anzutreiben. Der Motor führt Drehmoment einem Antriebsstrang des Fahrzeugs zu. Der Controller steuert die Leistung, die durch den Umrichter dem Motor zugeführt wird.
US 2021 / 0 175 835 A1 zeigt ein Verfahren zur Ermittlung des Gesundheitszustands des Antriebs. Ein Controller schätzt ein Motordrehmoment unter Verwendung eines Modells des Motors. Das Modell schätzt das Motordrehmoment basierend auf der Gleichstromleistung und der Motordrehzahl. Der Controller ist ferner konfiguriert, um das Motordrehmoment basierend auf dem abgetasteten Strom und einem magnetischen Fluss des Motors zu berechnen. Der Controller ist ferner konfiguriert, um einen ersten Gesundheitszustand für das elektrische Antriebssystem basierend auf einer Differenz zwischen den geschätzten und berechneten Motordrehmomenten zu erzeugen. Der Controller ist ferner konfiguriert, um als Reaktion darauf, dass der erste Gesundheitszustand kleiner als oder gleich einem ersten Schwellenwert ist, einen zweiten Gesundheitszustand für mindestens eines von dem Positionssensor, den mehreren Sensoren und dem Motor zu erzeugen. Der Controller ist ferner konfiguriert zu bestimmen, ob eine Störung basierend auf einer Kombination des ersten Gesundheitszustands und des zweiten Gesundheitszustands vorliegt.
Beispielsweise umfassen die Gesundheitsindikatoren den Systemebenen-Gesundheitsindikator, der die Leistung des elektrischen Antriebssystems angibt; die Komponentenebene-Gesundheitsindikatoren, welche die Leistung der Stromsensoren angeben; und dem Gesundheitsindikator, der die Gesundheit der Motorwicklungen angibt.
Das Verfahren speichert die obige Gesundheitsinformation in der Cloud. Historische Gesundheitsinformation von Fahrzeugen kann verwendet werden, um Trends in der Komponentenleistung anzugeben, um Ausfälle vorherzusagen und eine Wartung zu planen und Konstruktionsänderungen für die Komponenten unter Verwendung von Maschinenlerntechniken zu empfehlen.
Der Controller sendet eine E-Mail oder eine Textnachricht, um den Fahrer darauf aufmerksam zu machen, wenn sich die Komponente verschlechtert, jedoch die Verschlechterung nicht schwer genug ist, um das Planen einer Wartung zu rechtfertigen. Alternativ plant das Verfahren eine Wartung für die Komponente, wenn sich die Komponente ausreichend verschlechtert hat, um eine Wartung zu rechtfertigen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine optimierte Lösung für die Lebensdauerverlängerung bereitzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Berechnung und Beeinflussung der Restlebensdauer von Komponenten eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs wobei gemessene Sensordaten und gerechnete und/oder vorgegebenen Parameter zu einem Schädigungsmodell zusammengeführt werden, wobei nach einem Vergleich mit Daten, die einen Soll-Gesundheitsstand beschreiben , eine Restlebensdauer bestimmt wird, wobei bei einer Restlebensdauer unter einem Schwellwert ein Lebensdauerverlängerungsmodus aktiviert wird, der Maßnahmen im Fahrzeug zur Verlängerung der Lebensdauer umsetzt.
Die Maßnahmen umfassen eine thermische und/oder mechanische Schädigungsverteilung bzw. Lastverteilung innerhalb der verbauten Antriebskomponenten - beispielsweise zwischen Vorder- und Hinterachsantriebssystem, und/oder einen Betrieb bei hoher elektrischer Leistung einschränkt, und/oder auf ein Fahrerassistenzsystem zugreift, um eine Streckenoptimierung zu erreichen.
Die Maßnahmen sind von Empfehlungen, Anweisungen zur Anpassung des Fahrstils bzw. auch Warnungen an den Fahrer begleitet.
Der Lebensdauerverlängerungsmodus stellt Informationen und/oder Anreize zur Anpassung des Fahrstils z.B. durch ein kontinuierliches Monitoring des Zustandes, durch ein Punktesystem oder durch die Freischaltung zusätzlicher Funktionen für den Fahrer zur Verfügung.
Die erfindungsgemäße Strategie kann die erfassten Daten in Echtzeit verarbeiten und zum Zweck des Schutzes auf Basis der jeweils gefährdeten Komponenten die Betriebsstrategie anpassen bzw. den Fahrer animieren seine Fahrcharakteristik anzupassen.
Durch eine Routenanpassung je nach Gesundheitszustand einzelner Komponenten, z.B. Vermeidung von Bergfahrten mit Volllastanteilen, ist eine Erhöhung der Restlebensdauer möglich.
Die Maßnahmen führen zu einer optimalen Ausnutzung des eDrive Systems mit einer ausgeglichenen Alterung einzelner Komponenten unabhängig von Einsatzbereich und Fahrertyp und/oder des Gesamtfahrzeuges durch eine ausgeglichene Alterung der Komponenten untereinander.
Durch die übermittelte Information an den Fahrer werden präventive Schritte für den Fahrer vorgegeben, was ihn zu einer optimierten Fahrweise anregt.
Für Flottenfahrzeuge ist eine geringere Anzahl an Flottenausfällen, reduzierte Serviceintervalle und damit verknüpfte Wartungskosten, vorteilhaft.
Durch die frühzeitige Information sind prädiktive Wartungsintervalle bzw. eine Verringerung der Wartungskosten für den Endkunden möglich.
Beschreibung der Figuren

1 zeigt einen schematischen Ablauf des Verfahrens 1 zur Berechnung und Beeinflussung der Restlebensdauer,
2 zeigt die Einflussmöglichkeiten des Lebensdauerverlängerungsmodus.

In hochintegrierten eDrive -Systemen findet sich eine Vielzahl an Sensoren zur Überwachung von betriebsnotwendigen Größen - wie beispielsweise Öltemperatur, Phasenstrom, Rotordrehzahl und Wickelkopftemperatur. Diese Messgrößen können, neben der Regelung des eDrive Systems, verwendet werden, um den Gesundheitszustand der Komponenten im Fahrzeug zu ermitteln. Dabei beschränkt sich die Auswertung der Sensoren nicht auf die elektrische Maschine, sondern umfasst den gesamten Antriebsstrang des Fahrzeugs.
Während einer normalen Fahrsituation im Fahrzustand 2 werden für eine Bewertung des IST-Gesundheitszustandes der Komponenten des Fahrzeugs die Daten der Sensoren 3 als Eingangsgrößen erhoben. Diese Daten der Sensoren 3 liegen für die weitere Auswertung aller Fahrzeugkomponenten vor. Sie werden zusammen mit zusätzliche Rechengrößen 4, 4`, 4".., z.B. Temperatur der Kontaktflächen oder Drehmoment, die jeweils einer Komponente des Fahrzeugs zugeordnet sind, verarbeitet.
Beide Datensätze, aus gemessenen und hinterlegten Daten, bilden die Datenbasis für jeweils ein Schädigungsmodell 5, 5`, 5", .. die pro Komponente des Fahrzeugs hinterlegt sind und gerechnet werden.
Dabei werden analytische Zusammenhänge zwischen Mess- und Rechengrößen hergestellt und daraus Teilschädigungen 6, 6`, 6".. ermittelt.
Im nächsten Schritt werden diese Teilschädigungen 6, 6`, 6".. je Komponente verknüpft und die Gesamtschädigung 7 jeder Komponente ermittelt. Anschließend werden in einem Schritt ein Vergleich 8 dieser Gesamtschädigung pro Komponente mit einem Soll-Gesundheitszustand 9 verglichen. Der Soll-Gesundheitszustand 9 umfasst Auslegungsdaten der Fahrzeugkomponenten und Lastbegrenzungen, sowie Fahrleistungsbeschränkungen und/oder eine Gesamtfahrstrecke. Der Soll-Gesundheitszustand 9 erlaubt im Vergleich, die Restlebensdauer 10 der Komponenten in Prozent und/oder in noch möglicher Fahrleistung oder Restlebenszeit anzugeben.
Zeigt der Vergleich 8, dass die Restlebensdauer 10 den Wert Null erreicht hat, ist die bei der Auslegung zugrunde gelegte Gesamtschädigung der Komponenten durch entsprechende Fahrmanöver oder Lastzustände erreicht.
Unter einem definierten Schwellwert für den Gesundheitszustand der Komponenten, also einem Schwellwert für die Restlaufzeit 10 wird ein Durability-Modus, ein Lebensdauerverlängerungsmodus 11 aktiviert. Der Schwellwert kann entsprechend der gewünschten Endnutzeranwendung parametriert werden.
Der Lebensdauerverlängerungsmodus 11 beeinflusst die gesamte Betriebsstrategie des Fahrzeugs oder auch nur einzelne Steuer- und Regelparameter, um die Gesamtschädigung geringzuhalten und die mögliche Gesamtfahrstrecke zu erhöhen.
Der Lebensdauerverlängerungsmodus 11 umfasst unterschiedliche Möglichkeiten, Maßnahmen, den Fahrzustand 2 aktiv und ohne Zustimmung des Fahrers zu beeinflussen.
Unter direkter Berücksichtigung des durch den Fahrer gefahrenen Lastprofils werden Fahrweisen unterstützt, welche die Restlebensdauer der Komponenten verlängern. So verweigert der Lebensdauerverlängerungsmodus 11 ein Fahren im „Boost“- Modus 12 des elektrischen Fahrzeugs, also unter Freigabe einer erhöhten Leistung, um die Lebensdauer des eDrives zu verlängern bzw. kritische Komponenten vor einem vorzeitigen Ausfall zu schützen.
Im Lebensdauerverlängerungsmodus 11 werden auch einzelnen Komponenten angesprochen und deren Regelparameter, zum Beispiel Boostmodus 12 beeinflusst.
Über das sogenannte „Health Vectoring“ wird durch aktive Beeinflussung der thermischen und/oder mechanischen Schädigungsverteilung bzw. Lastverteilung innerhalb der verbauten Antriebskomponenten eine Verlängerung der Restlebensdauer 10 erreicht.
Der Lebensdauerverlängerungsmodus 11 passt auch vorhandene Fahrerassistenzsysteme 13 an, um die Restlebensdauer zu erhöhen. Dazu wird ein Navigationsgerät dahingehend informiert, dass vermeidbare Bergstrecken, bei geplanten Routenführungen, umfahren werden, um den Schädigungseintrag in das Fahrzeug oder die Komponenten im Fahrzeug, so gering als möglich zu halten.
Über die automatisch eingestellten Schritte des Lebensdauerverlängerungsmodus 11 hinaus stellt der Lebensdauerverlängerungsmodus 11 auch Informationen 14 und/oder Anreize zur Anpassung des Fahrstils ähnlich einem Instruktionsmodul an den Fahrer zur Verfügung, um ihn entsprechend zu animieren, gemäß eines schonenden Fahrprofils die Fahrweise anzupassen. Dies kann beispielsweise durch ein spezielles „Belohnungssystem“ erreicht werden, ähnlich einem Arcade Spiel durch Punktesystem oder aber auch durch Freischaltung zusätzlicher Funktionen.
Der Lebensdauerverlängerungsmodus 11 stellt auch immer eine Warnung 15 bereit, die dem Fahrer 16 bei den automatisch erfolgten Regelungen des Lebensdauerverlängerungsmodus 11, zur Verfügung steht.
Bezugszeichen s

1: Verfahren
2: Fahrzustand
3: Daten Sensoren
4, 4`, 4": Berechnete Parameter
5, 5`, 5": berechnetes Schädigungsmodell
6, 6`, 6": berechnete Teilschädigungen
7: Gesamtschädigung
8: Vergleich
9: Soll-Gesundheitszustand
10: Restlebensdauer
11: Lebensdauerverlängerungsmodus
12: Boost Modus
13: Fahrerassistenzsysteme
14: Information
15: Warnung
16: Fahrer

Claims

Verfahren (1) zur Berechnung und Beeinflussung der Restlebensdauer (10) von Komponenten eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs wobei gemessene Sensordaten (3) und gerechnete und/oder vorgegebenen Parameter (4, 4`, 4") zu einem Schädigungsmodell (5, 5`, 5") zusammengeführt werden, wobei nach einem Vergleich (8) mit Daten, die einen Soll-Gesundheitsstand (9) beschreiben, eine Restlebensdauer (10) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Restlebensdauer (10) unter einem Schwellwert ein Lebensdauerverlängerungsmodus (11) aktiviert wird, der Maßnahmen im Fahrzeug zur Verlängerung der Lebensdauer umsetzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahmen eine thermische und/oder mechanische Schädigungsverteilung bzw. Lastverteilung innerhalb der verbauten Antriebskomponenten umfasst, und/oder einen Betrieb bei hoher elektrischer Leistung einschränkt, und/oder auf ein Fahrerassistenzsystem (13) zugreift, um eine Streckenoptimierung zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahmen von Warnungen an den Fahrer begleitet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lebensdauerverlängerungsmodus Informationen für den Fahrer zur Verfügung stellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lebensdauerverlängerungsmodus ein Belohnungssystem für den Fahrer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parametrierbare Schwellwerte entsprechend dem Anwendungsfall für Endkunde bzw. Flottenfahrzeuge verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten IST-Schädigungen je Komponente in einem Abgleich der Berechnungsgrundlage der Teilschädigungen im Zuge von Service/Wartungsarbeiten am Fahrzeug ermittelt wird.