EP1481461A1 - Verfahren zur nachbildung des temperaturverlaufes elektrischer antriebe - Google Patents

Verfahren zur nachbildung des temperaturverlaufes elektrischer antriebe

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Publication number
EP1481461A1
EP1481461A1 EP03704306A EP03704306A EP1481461A1 EP 1481461 A1 EP1481461 A1 EP 1481461A1 EP 03704306 A EP03704306 A EP 03704306A EP 03704306 A EP03704306 A EP 03704306A EP 1481461 A1 EP1481461 A1 EP 1481461A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
motor
umg
mot
engine
Prior art date
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Ceased
Application number
EP03704306A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ruediger Hauser
Christoph Kern
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1481461A1 publication Critical patent/EP1481461A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H6/00—Emergency protective circuit arrangements responsive to undesired changes from normal non-electric working conditions using simulators of the apparatus being protected, e.g. using thermal images
    • H02H6/005—Emergency protective circuit arrangements responsive to undesired changes from normal non-electric working conditions using simulators of the apparatus being protected, e.g. using thermal images using digital thermal images
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/085—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors against excessive load

Definitions

  • Electronically mutated DC motors which are controlled by a microcontroller ( ⁇ C) are also used in motor vehicles today.
  • These electrical machines usually include a position sensor, and the voltage supply from a DC voltage network takes place via control and power electronics.
  • the areas of application of these electrical machines are in the area of ventilation, air conditioning and in pump and / or actuator drives within the motor vehicle. Thanks to the electronic control, these electric drives can also take on additional functions such as stepless speed control, reversing the direction of rotation, smooth starting and blocking protection, without further modifications to these electric drives being necessary.
  • the relative duty cycle is defined as the ratio of the duration of the run of the electric drive under load, including start-up and braking, and the play time.
  • the duty cycle counter is usually incremented in a defined time grid when the electrical machine is running. However, if the electric drive is switched off, the duty cycle counter is decremented.
  • the duty cycle counter is generally decremented in a specific, preselectable ratio compared to the increment of the duty cycle counter. Examples include incrementing the duty cycle counter by 1 every second when the motor is activated and decrementing the duty cycle counter by 1 every 8 seconds when the electric drive is not triggered.
  • the actual temperature development in the electric drive only matches in a very limited temperature range.
  • the actual temperature development in the electric drive only matches in a very limited temperature range. Warming up and cooling down are naturally e-functions according to equations (I) and (II).
  • the ratio of the duty cycle counter is the heared ratio of this warm-up and cool-down function around a certain working point. The operating point covers the worst specified case, e.g. B. 80 ° C.
  • the ratio of the duty cycle counter changes accordingly.
  • the duty cycle counter and its incrementation or decrementation are generally designed for a constant duty cycle of the electric drive to be monitored, as seen over time. If, however, the duty cycle varies more strongly over time, the actual temperature within the electric drive and the temperature value, which is represented by the respective counter reading of the duty cycle counter, diverge very strongly.
  • a duty cycle counter When using a duty cycle counter, it is not taken into account that the internal temperature of the housing of an electric drive can increase during long-term operation, especially with thermally encapsulated electric drives. However, this significantly increases the cooling time of the electric drive. However, since the meter is designed to work linearly, the meter reading and the actual temperature of the electric drive no longer match, which in the worst case can lead to the destruction of the electric drive.
  • a duty cycle counter is usually designed in such a way that, in the case of a certain assumed, worst-case scenario, for example at an ambient temperature of 80 ° C, the protection of the electric drive is guaranteed. However, this high limit value considerably limits the availability of the electric drive when operating under normal ambient temperatures that are below 80 ° C.
  • the natural temperature profile of an electrical drive can be simulated in software without the need for a sensory determination of the temperature directly on the electrical drive.
  • a limit temperature of the electric drive is exceeded, its availability is restricted. If the temperature continues to increase and a further, higher limit temperature is exceeded, the operation of the electric machine is suspended. The operation of the electric drive is suspended until the temperature falls below a limit temperature below the first-mentioned limit temperature.
  • thermal overload protection Due to the temperature curve reproduced in the software inside the electrical drive and the temperature of the motor and / or its attachments - taking heating and cooling into account - a much more precise thermal overload protection can be provided, which provides the actual Reflects temperature conditions within the electric drive compared to an overload protection, which is formed by means of a duty cycle counter. Assuming comparable load conditions for electrical drives with overload protection by means of a duty cycle counter and overload protection represented in software, the solution using an overload protection implemented in software increases the availability of the electrical drive, even under the most unfavorable temperature conditions with regard to the ambient temperature. A temperature calculation is initialized using a temperature value.
  • This value can either be measured directly on the control electronics and processed in the evaluation software, or a temperature value, for example the internal temperature of the case, is made available via a communication interface, for example CAN bus. This significantly improves the availability of the electric drive.
  • the single figure shows the calculation sequence for determining the heating of the running electrical drive, the calculation of the heating of the surroundings when the electrical drive is running, and the calculation of the cooling of the electrical drive.
  • a numerical calculation of the temperature development takes place both for the internal housing temperature (environment in relation to the motor and / or the attachments of the electric drive) and the temperature of the motor and / or the attachments of the electric drive.
  • An initial temperature is used as the basis for the numerical calculations for the internal housing temperature (environment) and the calculations for the temperature of the motor and / or the attachments of the electric drive.
  • This can be both a fixed constant, which covers the worst case, and a variable temperature value, which is either measured and processed directly in the device on the control electronics or provided via a communication interface.
  • the initial temperature can, for example, be assigned the value for the vehicle's internal temperature at the start and made available via a CAN data bus.
  • T (t) temperature at time t
  • T (sat) saturation temperature
  • k coefficient for warming up
  • T (t) (T 0 - T (U)). e (-k 2 Y'o)) + T (U) (II)
  • T (t) temperature at time t
  • T (U) housing internal and ambient temperature
  • k 2 coefficient for cooling
  • the coefficients k 1 and k 2 used can preferably be found in empirically determined tables of values. These values for k and k 2 essentially depend on the materials used for the housing or the motor of the electric drive.
  • the mechanism of heat transport - be it heat conduction or convection - is included in these coefficients, so that the actual operating conditions are depicted as accurately as possible. The more precisely these are depicted in the calculation algorithm, the more precise the calculation of the actually prevailing temperature profile with regard to cooling or heating can be guaranteed.
  • the saturation temperature of the motor and / or the attachments of the electric drive is for T (sat) and the warm-up coefficient of the motor and / or the attachments of the electric drive TM for k ⁇ to use.
  • the course of the heating up of the interior of the housing is to be determined using equation (I)
  • the values of the saturation temperatures and the coefficients for calculating the temperature of the interior of the housing and of the electric drive generally differ. If the cooling behavior of the motor of the electric drive is calculated with equation (II), the internal housing temperature for T (U) and the cooling coefficient of the motor and / or its attachments of the electric drive k ⁇ ab must be used for k 2 . On the other hand, if the course of the cooling of the interior of the housing is to be determined using equation (II), the ambient temperature must be used for T (U) and the cooling coefficient of the interior of the housing k " mg _ ab for k 2 .
  • the values of the coefficients of the temperature of the interior of the housing and of the electric drive generally differ.
  • an electric drive motor which is installed in a housing, which is isolated from the outside, for example by a protective cap or a PU foam, cooling of the housing interior temperature can be neglected, so that only a warming up of the housing interior can be calculated.
  • the calculation of the internal housing temperature is advantageously limited to a maximum value, so that the calculation of a value increasing in the direction ⁇ is avoided.
  • Equation (II) in: ' 00 and equation (III) in: T umg (n) T ⁇ + k ⁇ ,, (VI)
  • T mot (n) currently calculated temperature of the electric drive
  • T mot (n -i ) temperature of the electric drive from the previous cycle
  • T sat saturation temperature of the electric drive k mot - auf : coefficient warming up electric drive
  • T umg (n) current housing temperature
  • T umg (n . N housing temperature from the previous cycle
  • k jnot ab coefficient cooling electric drive k umg : coefficient warming up environment above
  • a critical threshold is exceeded in the discrete calculation of the temperature of the motor and / or its add-on parts of the electric drive according to (IV)
  • a reduced operation of the electric drive is forced so that, if possible, no further temperature rise in the motor and / or the add-on parts of the electric drive.
  • the electric drive is e.g. a pump is deactivated.
  • the electric drive After falling below a temperature threshold which is below the two mentioned temperature thresholds during heating, the electric drive, such as a vane pump, is again fully available for supplying compressed air to auxiliary units on motor vehicles.
  • the temperature threshold from which the motor of the electric drive can be operated again for thermal reasons is calculated in accordance with (V).
  • Reference number 1 denotes a start routine which passes to an initialization query 2.
  • the initialization query 2 it is queried whether the motor of the electric drive, which drives a vane pump or another conveyor unit for supplying additional units within a motor vehicle, for example, is switched on or not. If the initialization query 2 is answered in the negative, there is a first branch 3 for a calculation of the abbreviation 8 of the motor and or the add-on parts of the electric drive. If, on the other hand, the initialization query 2 is answered in the affirmative, there is a branch 4 for a heating calculation of the motor and / or the add-on parts of the electric drive. The heating of the motor of the electric drive is calculated by a discrete calculation of an e-function according to equation (IV).
  • a branch is made to a query 5 of the maximum ambient temperature.
  • Query 5 asks whether the ambient temperature is below a maximum permissible ambient temperature. If this query is answered in the negative, the calculation of the heating of the surroundings according to position symbol 7 is avoided by a second branch for cooling calculation 8 of the motor of the electric drive. If query 5 is answered in the affirmative, a branch is made to calculate the warming of the surroundings.
  • the solution proposed according to the invention offers in particular the advantage that the cooling routine of the motor, designated in the flowchart with reference number 8, and / or its add-on parts of the electric drive is calculated in relation to the likewise calculated internal housing temperature. While in the case of overload protections which are formed by the duty cycle counter, in the case of greatly varying duty cycles and when the internal temperature of the housing increases, the actual course of the engine temperature of the motor of the electric drive only insufficiently reproduces, the solution proposed according to the invention provides a way, bypassing a decrement ratio - how common for duty cycle counters - to get actual information about the current drive temperature.
  • the measures to be taken using the current operating temperature of the motor and / or its attachments to protect against overloading the electric drive are therefore carried out Basis of a much more meaningful and more precisely determined drive temperature.
  • the shift in the current temperature and the distortion resulting from a decrementing of a duty cycle counter as overload protection of an electric drive motor and the distortion resulting in the duty cycle counter, i.e. the deviation of the actual temperature from the temperature shown in the duty cycle counter can be avoided by using the method proposed according to the invention.
  • the measures which reduce the load on the electric drive motor when the heating has taken place are now carried out by comparing the values in a time grid of e.g. 100 ms, determined engine temperature with a first or a second temperature threshold.
  • the first or the second temperature threshold can be preselected depending on the dimensioning and the design and the installation conditions of the motor of the electric drive and the motor temperature represents a much more precise determined temperature of the electric drive due to the lack of a decrement ratio, on the one hand the overloading of the electric drive can be effectively limited when heating, on the other hand, a higher availability of the electric drive can be achieved due to a much more accurate detection of the cooling of the electric drive after operation.
  • the electric drives that can be used in motor vehicles to drive additional units such as vane pumps to provide air for seats or for central locking can also be used in other applications in Use motor vehicles, for example as adjusting drives or as pump drives for power steering units

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  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutz vor Überlastung von Motoren elektrischer Antriebe, die zumindest eine Steuerungselektronik umfassen. Es werden die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen. Es erfolgt die Bestimmung der Temperatur Tmot des Motors im Betrieb. Danach folgt ein Vergleich 5 der Umgebungstemperatur Tumg des Motors mit einer Grenztemperatur Tumg, max, bevor die Bestimmung der Temperaturerhöhung 7 der Umgebung des Motors im Betrieb durchgeführt wird. An diese schließt sich die Bestimmung des Temperaturver­laufs 8 des Motors während der Abkühlung an. Die aufgezählten Verfahrensschritte wer­den zyklisch innerhalb eines diskreten Zeitrasters durchlaufen.

Description

Verfahren zur Nachbildung des Temperaturverlaufes elektrischer Antriebe
Technisches Gebiet
In Kraftfahrzeugen werden heute auch elektronisch kornmutierte Gleichstrommotoren ein- gesetzt (EC-Motoren), die durch einen MikrocontroUer (μC) angesteuert werden. Diese elektrischen Maschinen umfassen meist einen Positionssensor, die Spannungsversorgung aus einem Gleichspannungsnetz erfolgt über eine Steuer- und Leistungselektronik. Die Einsatzgebiete dieser elektrischen Maschinen liegen im Bereich Lüftung Klima und bei Pumpen- bzw. Nerstellantrieben innerhalb des Kraftfahrzeuges. Durch die elektronische Steuerung können diese elektrischen Antriebe auch Zusatzfunktionen wie stufenlose Drehzahlregelung, Drehrichtungsumkehr, Sanftanlauf und Blockierschutz übernehmen, ohne daß weitergehende Modifikationen an diesen elektrischen Antrieben erforderlich sind.
Stand der Technik
Bei heute üblicherweise eingesetzten elektronischen Antrieben, wie zum Beispiel Pumpenoder VerStellantrieben, wird ein thermischer Überlastschutz durch den Einsatz eines Einschaltdauerzählers realisiert. Die relative Einschaltdauer ist als das Verhältnis aus der Dau- er des Laufes des elektrischen Antriebes unter Last, einschließlich Anlauf und Bremsen und der Spieldauer definiert. Der Einschaltdauerzähler wird in der Regel bei laufender elektrischer Maschine in einem definierten Zeitraster inl rementiert. Ist der elektrische Antrieb hingegen ausgeschaltet, so erfolgt ein Dekrementieren des Einschaltdauerzählers. Das Dekrementieren des Einschaltdauerzählers erfolgt in der Regel in einem bestimmten, vor- wählbaren Verhältnis gegenüber dem Inlcrementieren des Einschaltdauerzählers. Als Beispiel sei das Inkrementieren des Einschaltdauerzählers um 1 jede Sekunde bei angesteuertem Motor genannt sowie ein Dekrementieren des Einschaltdauerzählers um 1 alle 8 Sekunden bei einem nicht angesteuerten elektrischen Antrieb. Bei Erreichen eines bestimm- ten Zählerwertes des Einschaltdauerzählers wird das Einschalten des elektrischen Antriebes so lange verhindert, bis ein tieferliegender Zählerwert unterschritten wird. Da das Dekrementieren des Einschaltdauerzälilers gemäß des oben genannten Beispiels wesentlich langsamer erfolgt als dessen Inkrementieren, um dem Abkühlverhalten des elektrischen Antrie- bes Rechnung zu tragen, kann der elektrische Antrieb während des Dekrementierens des Einschaltdauerzählers auf einen zulässigen Wert nicht in Betrieb genommen werden. Dies schützt zwar einerseits den elektrischen Antrieb, schränkt andererseits jedoch dessen tatsächliche Verfügbarkeit erheblich ein.
Beim Einsatz eines Einschaltdauerzählers stimmt die tatsächliche Temperaturentwicklung im elektrischen Antrieb nur in einem sehr begrenzten Temperaturbereich überein. Beim Einsatz eines Einschaltdauerzählers stimmt die tatsächliche Temperaturentwicklung im elektrischen Antrieb nur in einem sehr begrenzten Temperaturbereich überein. Das Aufwärmen und die Abkühlung sind natürlicherweise jeweils e-Funktionen gemäß Gleichung (I) und (II). Das Verhältnis des Einschaltdauerzähler ist das Hnearisierte Verhältnis von dieser Aufwärm- und Abkühlfunktion um einen bestimmten Arbeitspunkt. Der Arbeitspunkt deckt dabei den schlimmsten spezifizierten Fall ab, z. B. 80 °C.
Wird der Arbeitspunkt bei einer anderen Temperatur festgesetzt, ändert sich das Verhältnis des Einschaltdauerzählers dementsprechend.
Der Einschaltdauerzähler sowie dessen Inkrementierung bzw. Dekrementierung sind in der Regel auf eine, über die Zeit gesehen, konstante Einschaltdauer des jeweils zu überwachenden elektrischen Antriebes ausgelegt. Variiert die Einschaltdauer über die Zeit gesehen hingegen stärker, so laufen die tatsächliche Temperatur innerhalb des elektrischen Antriebs sowie der Temperaturwert, der durch den jeweiligen Zählerstand des Einschaltdauerzählers repräsentiert wird, sehr stark auseinander.
Schließlich ist bei Einsatz eines Einschaltdauerzählers ein weiterer Auslegungsparameter des Zählers von Nachteil: Bei Einsatz eines Einschaltdauerzählers wird nicht berücksichtigt, daß sich die Gehäuseinnentemperatur eines elektrischen Antriebes bei dessen längerem Betrieb, insbesondere bei thermisch gekapselten elektrischen Antrieben, durchaus auch erhöhen kann. Dadurch verlängert sich die Abkühldauer des elektrischen Antriebes jedoch erheblich. Da der Zähler jedoch linear arbeitend ausgelegt ist, stimmen Zählerstand und tatsächlich herrschende Temperatur des elektrischen Antriebes nicht mehr überein, was im ungünstigsten Falle zur Zerstörung des elektrischen Antriebes führen kann. Die Auslegung eines Einschaltdauerzählers erfolgt in der Regel derart, daß bei einem bestimmten angenommenen thermisch ungünstigsten Falle, zum Beispiel bei einer Umgebungstemperatur von 80°C, der Schutz des elektrischen Antriebes gewährleistet ist. Durch diesen hohen Grenzwert ist jedoch die Verfügbarkeit des elektrischen Antriebes bei einem Betrieb unter normalen Umgebungstemperaturen, die unter 80°C liegen, erheblich eingeschränkt.
Darstellung der Erfindung
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann an einem elektrischen Antrieb, , gegebenenfalls unter Berücksichtigung von Anbauten wie zum Beispiel einer Flügelzellen- pumpe, in Software dessen natürlicher Temperaturverlauf nachgebildet werden, ohne daß eine sensorische Bestimmung der Temperatur unmittelbar am elektrischen Antrieb erforderlich wäre. Nachdem eine Grenztemperatur des elektrischen Antriebes überschritten wird, wird dessen Verfügbarkeit eingeschränkt. Nimmt die Temperatur weiter zu und wird eine weitere, höher gelegene Grenztemperatur überschritten, wird der Betrieb der elektri- sehen Maschine ausgesetzt. Die Aussetzung des Betriebes des elektrischen Antriebes erfolgt so lange, bis eine Grenztemperatur, die unterhalb der erstgenannten Grenztemperatur liegt, unterschritten ist.
Durch den in Software nachgebildeten Temperaturverlauf im Gehäuseinneren des elektri- sehen Antriebes und der Temperatur des Motors und/oder dessen Anbauteile - unter Berücksichtigung von Erwärmung und unter Berücksichtigung der sich jeweils einstellenden Abkühlung - läßt sich ein wesentlich genauer arbeitender thermischer Überlastschutz bereitstellen, der die tatsächlichen Temperaturverhältnisse innerhalb des elektrischen Antriebes wiederspiegelt, verglichen mit einem Überlastschutz, der mittels eines Einschaltdauer- Zählers gebildet wird. Unter Annahme vergleichbarer Lastverhältnisse bei elektrischen Antrieben mit Überlastschutz durch Einschaltdauerzähler sowie in Software dargestelltem Überlastschutz, wird bei der Lösung unter Verwendung eines in Software realisierten Überlastschutzes eine Erhöhung der Verfügbarkeit des elektrischen Antriebes, selbst unter ungünstigsten Temperaturbedingungen hinsichtlich der Umgebungstemperatur erreicht. Die Initialisierung einer Temperaturberechnung erfolgt unter Rückgriff auf einen Temperaturwert.
Dieser Wert kann entweder direkt auf der Steuerelektronik gemessen und in der Auswertesoftware verarbeitet werden oder es wird ein Temperaturwert, z.B. die Innentemperatur des Falirzeuges über eine Kommunikationsclinittstelle, z.B. CAN-Bus, zur Verfügung gestellt. Dadurch verbessert sich die Verfügbarkeit des elektrischen Antriebes nochmals wesentlich. Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender erläutert.
Die einzige Figur zeigt den Berechnungsablauf der Ermittlung der Erwärmung des laufenden elektrischen Antriebes, die Berechnung der Erwärmung der Umgebung bei laufendem elektrischen Antrieb sowie die Berechnung der Abkühlung des elektrischen Antriebes.
Ausfuhrungsvarianten
Der elektrische Antrieb einer Pumpe oder eines Verstellmechanismus' in einem Kraftfahrzeug, dessen Erwärmung bzw. Abkühlung durch das vorgeschlagene Verfahren nachgebildet wird, ist innerhalb eines Gehäuses aufgenommen und gegen die Umgebungsluft gekap- seit. Unter dieser Voraussetzung können mehrere Temperaturverläufe bestimmt werden:
1) Die Aufwärmung und die Abkühlung des Motors,
2) Die Aufwärmung und die Abkühlung des Gehäuseinneren des elektrischen Antriebes.
Es wird die Annahme getroffen, daß die Wärmemenge, die vom Motorgehäuse des elektrischen Antriebes an die Umgebung abgegeben wird, keine Erhöhung der Umgebungstemperatur zur Folge hat.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgt eins numerische Berechnung der Temperaturentwicklung sowohl für die Gehäuseinnentemperatur (Umgebung in Bezug auf den Motor und/oder der Anbauteile des elektrischen Antriebes) und die Temperatur des Motors und/oder der Anbauteile des elektrischen Antriebs. Den numerischen Berechnungen für die Gehäuseinnentemperatur (Umgebung) und den Berechnungen für die Tempe- ratur des Motors und/oder der Anbauteile des elektrischen Antriebs wird eine initiale Temperatur zugrundegelegt. Diese kann sowohl eine feste Konstante sein, die den ungünstigsten Fall abdeckt als auch ein variabel vorliegender Temperaturwert, der entweder direkt im Gerät auf der Steuerelektronik gemessen und verarbeitet oder über eine Kommunikati- onsscl nittstelle bereitgestellt wird. Die initiale Temperatur kann zum Beispiel mit dem Wert für die Fahrzeugirmentemperatur beim Start belegt werden und über einen CAN- Datenbus bereitgestellt werden. Bei laufendem Motor des elektrischen Antriebs erfolgt die Berechnung der Erwärmung des Motors sowie der Gehäuseinnentemperatur gemäß einer exponentiellen Sättigungsfunktion gemäß folgender Gleichung:
mit: T(t): Temperatur zum Zeitpunkt t T(sat): Sättigungstemperatur und k : Koeffizient für Aufwärmung
Das Abkühlverhalten des elektrischen Antriebes sowie der Gehäuseinnentemperatur wird über die gesamte Spieldauer mittels einer exponentiellen Abklingfunktion gemäß folgender Gleichung berechnet:
T(t) = (T0 - T(U)) . e (-k2Y'o)) + T(U) (II)
mit: T(t) = Temperatur zum Zeitpunkt t T0 = Temperatur zum Zeitpunkt t = t0 T(U) = Gehäuseinnen- bzw. Umgebungstemperatur k2 = Koeffizient für Abkühlung
Die verwendeten Koeffizienten k, und k2 können vorzugsweise empirisch ermittelten Wertetabellen entnommen werden. Diese Werte für k und k2 sind im wesentlichen von den eingesetzten Materialien für das Gehäuse bzw. den Motor des elektrischen Antriebes abhängig. Auch der Mechanismus des Wärmetransportes - sei es Wärmeleitung oder Kon- vektion - geht in diese Koeffizienten ein, so daß eine möglichst genaue Abbildung der tatsächlichen Betriebsverhältnisse erfolgt. Je genauer dieser im Berechnungsalgorϊthmus abgebildet sind, eine desto genauere Berechnung des tatsächlich herrschenden Temperatur- Verlaufes Mnsichtlich der Abkühlung bzw. hinsichtlich der Erwärmung kann gewährleistet werden.
Wird mit Gleichung (I) das Aufwärmverhalten des Motors des elektrischen Antriebes berechnet, ist für T(sat) die Sättigungstemperatur des Motors und/oder der Anbauteile des elektrischen Antriebes und für k, der Aufwärmkoeffizient des Motor und/oder der Anbauteile des elektrischen Antriebes ™^ zu verwenden. Soll hingegen mit Gleichung (I) der Verlauf der Aufwärmung des Gehäuseinneren bestimmt werden, ist für T(sat) die Sättiung- stemperatur des Gehäuseinneren und für k, der Aufwärmkoeffizient des Gehäuseinneren kUmg einzusetzen.
Die Werte der Sättigungstemperaturen und der Koeffizienten zur Berechnung der Temperatur des Gehäuseinneren und des elektrischen Antriebs unterscheiden sich im allgemeinen. Wird mit Gleichung (II) das Abkühlverhalten des Motors des elektrischen Antriebes berechnet, ist für T(U) die Gehäuseinnentemperatur und für k2 der Abkühlkoeffizient des Motors und/oder dessen Anbauteile des elektrischen Antriebes k^ ab -zu verwenden. Soll hingegen mit Gleichung (II) der Verlauf der Abkühlung des Gehäuseinneren bestimmt werden, ist für T(U) die Umgebungstemperatur und für k2 der Abkühlkoeffizient des Gehäuseinneren k„mg_ab einzusetzen.
Die Werte der Koeffizienten der Temperatur des Gehäuseinneren und des elektrischen Antriebs unterscheiden sich im allgemeinen.
Wird ein elektrischer Antriebsmotor verwendet, der in einem Gehäuse eingebaut wird, was nach außen hin zum Beispiel durch eine Schutzkappe oder eine PU-Einschäumung isoliert ist, kann eine Abkühlung der Gehäuseinnentemperatur vernachlässigt werden, so daß nur eine Aufwärmung des Gehäuseinneren zu berechnen ist.
In solchen Fällen wird die Berechnung der Gehäuseinnentemperatur, da keine Abkühlung berücksichtigt wird, vorteilhafterweise auf einen Maximalwert begrenzt, damit die Berechnung eines in Richtung ∞ ansteigenden Wertes vermieden wird.
Bei langsam erfolgender Aufwärmung, z.B. des Gehäuseinneren läßt sich das Aufwärmverhalten (exponentielle Sättigungsfunktion, siehe Gleichung (I)), z.B. des Gehäuseinneren, linearisiert in Form einer Geradengleichung gemäß der nachfolgend wiedergegebenen Beziehung darstellen:
T(t) = kumg3 « t + T(init)(III)
mit: kumg3: Steigung der Temperatur
T(init): Initiale Starttemperatur (ROM, CAN)
Die Berechnung der Temperatur des Motors und/oder derer Anbauteile des elektrischen Antriebs erfolgt in einem diskreten Zeitraster, von z. B. 100ms. Dabei geht Gleichung (I) in: Tmot(n) = ΥalΛ(Brl) + (TM - Tmot(n.1)) * kwa_aa (IV)
Gleichung (II) in: ' 00 und Gleichung (III) in: Tumg(n) = T^^ + k^,, (VI)
wobei Tmot(n) : aktuell berechnete Temperatur des elektrischen Antriebs
Tmot(n-i) : Temperatur des elektrischen Antriebs vom vorherigen Zyklus"
Tsat : Sättigungstemperatur des elektrischen Antriebs kmot-auf : Koeffizient Aufwärmung elektrischer Antrieb Tumg(n): aktuelle Gehäuseinnentemperatur Tumg(n.n : Gehäuseinnentemperatur vom vorherigen Zyklus kjnot ab : Koeffizient Abkühlung elektrischer Antrieb kumg : Koeffizient Aufwärmung Umgebung über.
Bei diesem Übergang ist darauf zu achten, daß die bestimmten Koeffizienten kmot_Wift k^ abι kumg auf das Zeitraster angepasst werden.
Wird bei der diskreten Berechnung der Temperatur des Motors und/oder dessen Anbauteile des elektrischen Antriebes gemäß (IV) eine kritische Schwelle überschritten, wird ein re- duzierter Betrieb des elektrischen Antriebes erzwungen, so daß möglichst kein weiterer Temperaturanstieg beim Motor und/oder der Anbauteile des elektrischen Antriebes erfolgt. Steigt die Temperatur gemäß Gleichung (IV) trotzdem weiter an und überschreitet eine weitere, höher gelegene zweite Schwelle, wird der elektrische Antrieb z.B. einer Pumpe deaktiviert. Nach Unterschreiten einer Temperaturschwelle, die unterhalb der beiden er- wähnten Temperaturschwellen bei der Erwärmung liegt, ist der elektrische Antrieb, wie zum Beispiel eine Flügelzellenpumpe, zur Druckluftversorgung von Zusatzaggregaten an Kraftfahrzeugen wieder voll verfügbar. Die Berechnung der Temperaturschwelle, ab welcher ein Betrieb des Motors des elektrischen Antriebs aus thermischen Gründen wieder erfolgen kann, erfolgt gemäß (V).
Anhand des in Figur 1 dargestellten Ablaufdiagrammes wird der Durchlauf des Algorithmus beschrieben. Mit Bezugszeichen 1 ist eine Start-Routine bezeichnet, die an eine Initialisierungsabfrage 2 übergeht. In der Initialisierungsabfrage 2 wird abgefragt, ob der Motor des elektrischen Antriebs, der beispielsweise eine Flügelzellenpumpe oder ein anderes För- deraggregat zur Versorgung von Zusatzaggregaten innerhalb eines Kraftfahrzeuges antreibt, eingeschaltet ist oder nicht. Wird die Initialisierungsabfrage 2 verneint, erfolgt eine erste Verzweigung 3 zu einer AbküMungsberechnung 8 des Motors und oder der Anbauteile des elektrischen Antriebes. Wird die Initialisierungsabfrage 2 hingegen bejaht, so erfolgt eine Verzweigung 4 zu einer Erwärmungsberechnung des Motors und/oder der Anbauteile des elektrischen Antriebes. Die Berechnung der Erwärmung des Motors des elektrischen Antriebes erfolgt durch eine diskrete Berechnung einer e-Funktion gemäß Gleichung (IV).
Von der Erwärmungsberechnung 4 des Motors des elektrischen Antriebs wird im weiteren Ablauf zu einer Abfrage 5 der maximalen Umgebungstemperatur verzweigt. In der Abfrage 5 wird abgefragt, ob die Umgebungstemperatur unterhalb einer maximal zulässigen Umge- bungstemperatur liegt. Wird diese Abfrage verneint, so wird die Berechnung der Erwärmung der Umgebung gemäß Positionszeichen 7 durch eine zweite Verzweigung zur Abkühlungsberechnung 8 des Motors des elektrischen Antriebs umgangen. Wird die Abfrage 5 hingegen bejaht, so erfolgt eine Verzweigung zur Erwärmungsberechnung der Umgebung.
Da in den meisten Fällen der Motor des elektrischen Antriebes ein relativ gekapseltes System darstellt, ist aus Zweckmäßigkeitsgründen nur die Aufwärmung der Umgebung zu berechnen, da aufgrund der Kapselung praktisch keine Abkühlung gegenüber der Außenluft wahrend des Betriebs des Motors des elektrischen Antriebes stattfinden kann.
Von der Berechnung der Umgebungstemperatur, d.h. der Gehäuseinnentemperatur des Motors des elektrischen Antriebes erfolgt ein Sprung im weiteren Ablauf zu einer Berechnungsroutine 8, in welcher die Berechnung der Abkühlung des Motors des elektrischen Antriebs erfolgt. Die Berechnung der Abkühlung des Motors und/oder der Anbauteile des elektrischen Antriebs erfolgt immer und kann bei Ablauf der der erfmdungsgemäß vorgeschlagenen softwaremäßigen Nachbildung eines Überlastungsschutzes nicht umgangen werden. Von der Abkühlungsroutine zur Berechnung des Abkühlverhaltens des Motors und/oder dessen Anbauteile des elektrischen Antriebs erfolgt schließlich der Sprung zum Ablaufende 9. Im beigefügten Flowchart des Ablaufs der Berechnung von Erwärmung bzw. Abkühlung des Motors des elektrischen Antriebs bzw. der Berechnung der Erwärmung der Umgebung bei laufendem Motor des elektrischen Antriebs sind aus Zweckmäßigkeitsgründen die Exponentialfunktionen durch diskrete Formen ersetzt, die eine schnellere und einfachere Berechnung der einen Überlastschutz auslösenden Parameter erlauben. Bei elektrischen Antrieben, die mittels eines Mikrocontrollers (μC) gesteuert werden, läßt sich der Ablauf der Bereclrnungsroutine gemäß des Ablaufdiagrammes in Figur 1 auf einfache Weise in deren Steuerelektronik implementieren, wodurch eine sensorische Bestimmung der Temperatur am Motor und/oder dessen Anbauteile des elektrischen Antriebes entbehrlich ist. 0378
-y-
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung bietet insbesondere den Vorteil, daß die im Flowchart mit Bezugszeichen 8 bezeichnete Abkühlroutine des Motors und/oder dessen Anbauteile des elektrischen Antriebs bezogen auf die ebenfalls berechnete Gehäuseinnen- temperatur berechnet wird. Während bei Überlastschutzen, die durch Einschaltdauerzähler gebildet werden, bei stark variierenden Einschaltdauern und bei Erhöhung der Gehäuseinnentemperatur den tatsächlichen Verlauf der Motortemperatur des Motors des elektrischen Antriebs nur noch unzureichend wiedergibt, wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ein Weg bereitgestellt, unter Umgehung eines Dekrementierungsverhältnisses - wie bei Einschaltdauerzählern im allgemeinen üblich - eine tatsächliche Information über die aktuelle Antriebstemperatur zu erhalten. Die unter Verwendung der aktuellen Betriebstemperatur des Motors und/oder dessen Anbauteile zu ergreifenden Maßnahmen zum Schutz vor Überlastung des elektrischen Antriebes, zum Beispiel ein reduzierter Betrieb bei Erreichen einer ersten kritischen Motortemperaturschwelle oder dem Abschalten des Motors bei Überschreiten einer maximal zulässigen Temperatur, erfolgen mithin auf Basis einer wesentlich aussagekräftigeren und genauer bestimmten Antriebstemperatur. Die aus einem Dekrementieren eines Einschaltdauerzählers als Überlastschutz eines elektrischen Antriebsmotors erfolgende Verschiebung der aktuellen Temperatur und der im Einschaltdauerzähler abgebildeten Temperatur resultierende Verfälschung, d.h. der Abweichung der tatsächlichen Temperatur von der im Einschaltdauerzähler abgebildeten Temperatur, kann durch Anwendung des erfmdungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens vermieden werden. Die die Belastung des elektrischen Antriebsmotors bei erfolgter Erwärmung reduzierenden Maßnahmen, wie zum Beispiel der angesprochene reduzierte Betrieb bzw. das vollständige Abschalten des Antriebes bei unzulässig hoher Erwärmung, erfolgen nunmehr durch einen Vergleich der in einem Zeitraster von z.B. 100 ms, ermittelten Motortemperatur mit einer ersten bzw. einer zweiten Temperaturschwelle. Da die erste bzw. die zweite Temperaturschwelle abhängig von der Dimensionierung und der Auslegung und den Einbauverhältnissen des Motors des elektrischen Antriebs vorwählbar sind und die Motortemperatur aufgrund des Fehlens eines Dekrementierungsverhältnisses eine wesentlich genauere be- stimmte Temperatur des elektrischen Antriebes darstellt, kann einerseits die Überlastung des elektrischen Antriebes bei erfolgter Erwärmung wirksam begrenzt werden, andererseits aufgrund einer wesentlich genaueren Erfassung der Abkühlung des elektrischen Antriebes nach erfolgtem Betrieb eine höhere Verfügbarkeit des elektrischen Antriebes erreicht werden.
Die elektrischen Antriebe, die in Kraftfahrzeugen zum Antrieb von Zusatzaggregaten wie zum Beispiel Flügelzellenpumpen zur Bereitstellung von Luft für Sitze bzw. für die Zentralverriegelung eingesetzt werden können, lassen sich auch bei anderen Anwendungen im Kraftfahrzeug einsetzen, wie zum Beispiel als VerStellantriebe oder auch als Pumpenantriebe für Lenkhilfeaggregate
B ezugszeichenliste
1 Startroutine
2 Initialisierungsabfrage 3 erste Verzweigung zur Abkühlungsberechnung Motor
4 Verzweigung Erwärmungsberechnung Motor
5 Abfrage maximale Umgebungstemperatur unter-/überschritten
6 zweite Verzweigung zur Abkühlungsberechnung Motor
7 Verzweigung Erwärmungsberechnung Umgebung 8 Abkühlungsberechnung Motor
9 Ablaufende

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Schutz gegen Überlastung elektrischer Antriebe, die zumindest eine •Steuerungselektronik umfassen und die von einem Gehäuse umschlossen sind, mit nachfolgenden Verfahrensschritten:
a) dem Bestimmen der Temperatur (Troot) des Motors im Betrieb, b) dem Vergleich (5) der Umgebungstemperatur (Tumg) des Motors mit einer Grenztemperatur (Tumgι max), c) dem Bestimmen (8) der Temperatur der Umgebung des Motors bei Betrieb des
Motors, d) dem Bestimmen des Temperaturverlaufs (8) während der Abkühlung des Motors und e) wobei die Verfahrensschritte a) bis d) zyklisch innerhalb eines diskreten Zeitra- sters durchlaufen werden. f) dem Bestimmen der Temperatur der Umgebung des Motors bei Stillstand des Motors.
Verfahren gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte a) bis d) alle 100 ms wiederholt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Temperatur Tmot des Motors in Verfahrensschritt a) gemäß der Beziehung: *- πwt(n) ~ mot,(n-l) + (-"- sat " •i mot(n-l)) -^not auf
erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Temperatur des Motors anhand der Gleichung
Traot = T(sat) « (l - e(-cι(Mo)))
erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung (7) der Temperatur Tumg der Umgebung des Motors in Verfahrensschritt c) gemäß der Beziehung: f umg(n) = I urag(n-1) "■" i g O er
gemäß der Beziehung:
5
Turag =kurag3 » t + T(init)
erfolgt.
0 6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung (7) der Temperatur Tumg der Umgebung des Motors in Verfahrensschritt c) gemäß der Beziehung:
πr- = T * ι p-kumg(t-tO)N
1 umg A satumg V. x ^
L 5
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung (8) der Temperatur des Motors Tmot während der Abkühlung gemäß der Beziehung:
Tmot = (T0 - T(umg)) . e("*2 ('-'o)) + T(umg)
erfolgt.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung (8) der Temperatur des Motors Tmot während der Abkühlung linearisiert nach der Beziehung:
.5
-•- mo^n) - ^ mot(n-l) " ^ motOi-l) " umg/ -^mot ab
durchgeführt wird.
30 9. Verfaliren gemäß der Ansprüche 3 und 5,dadurch gekemizeichnet, daß zu Beginn der Berechnung innerhalb der Startroutine (1) die Anfangstemperatur für T0, Tmot und Tumg mit Konstanten, die in einem Steuergerät gespeichert sind, belegt werden.
10. Verfahren gemäß der Ansprüche 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der
35 Berechnung innerhalb einer Startroutine (1) die Anfangswerte für T0, Tmot, Tumg mit einer Temperatur, die über eine Kommunikationsschnittstelle zur Verfügung gestellt wird, wie z.B. Fahrzeuginnentemperatur über CAN-Bus des Fahrzeugs, beim Start belegt werden.
11. Verfahren gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Temperatur Tmot des Motors, die eine erste Temperaturschwelle überschreitet, ein reduzierter Betrieb des Motors erzwungen wird.
12. Verfahren gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Temperatur Tmot des Motors, die eine zweite Temperaturschwelle überschreitet, eine Deaktivierung des Motors des elektrischen Antriebs erfolgt.
13. Verfahren gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt d) zur Bestimmung der Temperatur Tmot des Motors während der Abkühlung stets durchlaufen wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Temperatur des Motors auch die Temperatur angeschlossener Geräte (Verdichter, Getriebe, Flügelzellenpumpen) ermittelt werden kann.
15. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung (8) der Gehäuseinnentemperatur Tumg während der Abkühlung gemäß der Beziehung:
T = (T _ T ^ @ P (~λ'»».»™ ('-'»)) + T
1 umg V -1 0 ~ -1 (aussen)/ c l (aussen) erfolgt.
16. Verfahren gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung (8) der Gehäuseinnentemperatur Tumg während der Abkühlung gemäß der Beziehung:
-"- umg(n) — ■*■ umg(tι-l) " \ ■*• umg(n-l) " ■*■ Ausssen,' *-Aussen_ erfolgt.
17. Verfahren gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Gehäuseinnentemperatur Tumg in Verfahrensschritt c) gemäß der Beziehung: umg(n) — - img(n-1) V -'- sat " *- umg(n-iy *-umg_auf
erfolgt.
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