WO2012076213A2 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer elektrischen maschine eines kraftfahrzeug-antriebsstranges - Google Patents

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Roland Schleser
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an electrical
  • the present invention relates to a control apparatus for driving an electric machine, which is adapted to perform such a method, and further relates to a motor vehicle drive train with at least one electric machine for providing drive power and an associated control unit.
  • hybrid drive In the field of motor vehicle drive technology, it is generally known to use an electric machine as the sole drive or together with a drive motor of another type (hybrid drive). In such electrical or
  • Hybrid vehicles typically use electric machines as the drive motor. It is known to regulate the electric machine of such a drive train with respect to the torque to be delivered.
  • a torque management receives a torque request from a driver and generates for a control loop of the electric machine a target torque (which may be equal to the driver's desired torque or less, if, for example, a part of the desired torque of a
  • the drive train also generally includes an energy store, for example in the form of a high-voltage battery.
  • the DC voltage provided by the energy store becomes typically in power electronics that includes an inverter, re-directed into a plurality of (typically three) phase currents or voltages.
  • the torque output by the electric machine is a function of these phase currents. To monitor the torque, it is known in one
  • Control unit of the electric machine to detect the phase currents or any other derived therefrom size (such as a cross-flow).
  • a corresponding error reaction is triggered when a permissible maximum value of this electrical variable is exceeded.
  • the error reaction may, for example, exist in a display for the driver of the motor vehicle, but is preferably in switching off the electric machine. This can lead to an unwanted triggering of a
  • the present invention provides a method for operating an electric machine, in particular for providing drive power for a drive train of a motor vehicle, wherein the electric machine is controlled by means of a plurality of phase currents, with the steps to detect an electrical variable, that of the electric machine represents output torque, and to monitor the torque, in particular on the basis of the detected electrical variable, wherein in the monitoring of the torque degradation of the electric machine is taken into account.
  • the electric machine can be designed in particular as an electric induction machine.
  • control device for controlling an electric machine, in particular for providing drive power for a drive train of a motor vehicle, wherein the control device is adapted to perform such a method.
  • the present invention relates to a motor vehicle drive train with at least one electric machine for providing drive power and with a control device of the type described above.
  • the electrical variable representing the torque output by the electric machine is preferably an electrical variable, by means of which of the electrical machine output torque is controlled or regulated, in particular an electric current.
  • the permanent magnets used in such electrical machines are subject to a
  • Aging process for example, by high temperatures, short-term overcurrents, etc.
  • the increased current consumption with progressive degradation of an electric machine can lead to erroneous error responses when monitoring the torque.
  • the measure in the monitoring of the torque to consider a degradation of the electrical machine, it is, for example, possible to avoid such unwanted error responses. This can increase the availability of the electrical
  • At least one monitoring parameter is changed as a function of the degradation of the electrical machine.
  • this monitoring parameter is a maximum value of the electrical variable or a value dependent thereon.
  • the maximum value can be increased as the degradation of the electrical machine progresses. This can be achieved at the beginning of the life Overcurrents can be safely avoided without unintentionally trigger fault reactions. With progressing degradation, which is usually associated with increasing operating time, such maximum values can then be increased because to achieve certain torques higher currents must be absorbed by the electric machine.
  • At least one further electrical variable is detected, by means of which a redundant monitoring of the
  • the degradation of the electrical machine it is possible to estimate the degradation of the electrical machine. This can be done, for example, by setting the degradation as a function of one or more of the following parameters: (calendar time; operating time of the electric machine; operating time of the electric machine with a current above a threshold; operating time of the electric machine having a temperature above one) Operating time of the electric machine with a torque above a threshold value).
  • estimation of the degradation is not necessarily necessary. Rather, it is possible via an evaluation of the further electrical variable to determine the degradation relatively accurately. This is preferably done via a tendency analysis.
  • At least one monitoring parameter is changed as a function of the determined degree of degradation of the electrical machine.
  • electrical size at least one
  • Phase current or a transverse current of the electric machine transformed therefrom is detected, and / or if a further DC voltage power is detected as a further electrical quantity, with which an inverter for generating the phase currents is fed.
  • DC power can therefore be used to check the plausibility of the torque monitoring based on the phase currents (or variables derived therefrom).
  • a monitoring of the torque can take place on the basis of a characteristic field, which results from the plurality of operating points.
  • the operating points may, for example, be a function of the rotational speed of the electrical machine or a function of the temperature of the electrical machine.
  • FIG. 1 shows in schematic form a motor vehicle powertrain according to an embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows in schematic form a torque monitoring of a
  • Fig. 3 shows in schematic form the power flow during operation of the electric machine; 4 shows in schematic form a characteristic diagram of a power loss over the
  • Fig. 5 shows in schematic form a diagram of power loss of an electric machine over time.
  • a drive train for a motor vehicle is generally designated 10.
  • the drive train 10 has an electrical machine 12 in the form of an electric machine.
  • the electric machine is preferably a permanent-magnet electric
  • An output shaft 14 of the electric machine 12 is connected to a differential 16 which distributes drive power of the electric machine 12 to driven wheels 18L, 18R of the motor vehicle.
  • the output shaft 14 rotates at a speed n and provides a torque T ready.
  • the drive train 10 may be formed as a purely electric drive train, in which only the electric machine 12 provides drive power.
  • the powertrain 10 may also include additional electrical machines and / or another drive motor such as an internal combustion engine to form a hybrid powertrain. It goes without saying that the drive train may possibly still have one or more separating clutches and a stepped or continuously variable transmission.
  • control unit 20 For controlling the electric machine 12, a control unit 20 is provided.
  • the control unit 20 may be provided specifically for the electric machine 12, but may also be part of a higher-level control unit of the drive train.
  • the powertrain 10 has a DC power supply 22, which preferably includes a high voltage battery.
  • the DC voltage supply 22 provides a DC voltage U DC at its output terminals and can supply a current I DC .
  • a power electronics with an inverter 24 is connected to the
  • the inverter may have a plurality of controllable circuit breakers in a conventional manner.
  • the power switches are controlled pulse-width modulated by means of the control unit 20, so that the electric machine 12 generates a specific torque T at a certain speed n of the output shaft 14 in engine operation.
  • the inverter 24 provides, at its output, three phase currents l ai , l bi , l c i in three phases Stator windings of the electric machine 12 flow.
  • the stator windings are preferably connected together in star connection.
  • the control unit 20 has a controller 26 which is connected to a conversion unit 28.
  • a target torque T S OLL is input, the example.
  • this setpoint torque TSOLL is converted into a setpoint crossflow l qs and a setpoint longitudinal flow
  • the controller 26 is designed to perform a field-oriented control of the electric machine 12 (also called vector control).
  • a space vector eg, a current vector
  • I d the current components I d (longitudinal current) and I q (cross current) transformed in this way are then regulated.
  • phase currents I a , I t , I c are measured as actual values and fed to a transformation 30, which converts the phase currents into an actual cross-current I qi and an actual longitudinal current I di . These actual values are input to the controller 26. It is further understood that it may be useful to control the electric machine 12, to measure the speed n of the output shaft 14 and the controller 26th
  • a control algorithm is then performed based on the desired and actual current components and the output of the controller 26 is connected to an inverse transformation 32, which in turn converts the control in the phases of the electric machine 12. These drive signals are then the
  • the control unit 20 further includes a monitoring unit 34 for monitoring the output from the electric machine 12 torque T.
  • a monitoring unit 34 for monitoring the output from the electric machine 12 torque T.
  • the actual cross-flow is qi q entered. Further, in the monitoring device 34, the DC voltage U DC and DC DC to calculate the DC power P DC taken from the inverter 24.
  • the monitoring device 34 serves to monitor whether the torque T output by the electric machine 12 exceeds permissible maximum values. In this case, an error reaction can be triggered by the monitoring device 34.
  • the error reaction can, for example, an ad, a message to others
  • Control devices and / or an immediate shutdown of the electric machine 12 be.
  • the monitoring device 34 is shown schematically.
  • the AC monitoring 40 it is determined whether the actual cross-flow 1 qi representing the torque T output from the electric machine 12 exceeds a permissible maximum value. Since the monitoring device 34 is a safety-relevant function, the plausibility of the AC monitoring 40 is preferably carried out.
  • a plausibility check of the actual cross-current I qi is carried out by means of the DC electrical power P DC .
  • n T ideally always the same
  • Inverter 24 receives the DC power P DC , and from the electric machine 12, a mechanical power P M is output to the output shaft 14. In the inverter 24 or in the electrical machine 12 (and possibly in lines) losses occur, which are shown in Fig. 3 by a power loss P v . The following applies:
  • the output torque T is calculated accordingly
  • Power loss P v can thus be determined via the calculation of the DC power P DC whether the actual torque determined by the AC monitor 40 is actually provided.
  • FIG. 4 shows a diagram of the power loss P v versus the torque T and the rotational speed n (diagram 46). This shows a predetermined power loss P V i for an operating point ⁇ , rii.
  • the above behavior may change as degradation progresses.
  • Aging of the permanent magnets can be caused by various mechanisms. For example. Overheating and / or short-term overcurrents can lead to partial demagnetization of the permanent magnets used. This reduces the efficiency of the electric machine. Since the controller 26 controls the electrical machine with respect to the electric current, certain phase currents l a , l b , l c can still be set even in a degraded electric machine. Due to the degradation of the permanent magnets, however, only a lower power can be transferred from the electrical to the mechanical system. In other words, the ohmic losses increase (reactive power). However, this is usually not recognized by the AC monitor 40 alone. By the
  • the plausibility routine 42 accesses the diagram or map 46, which is also shown in FIG.
  • the phase currents l a , l b , l c made for this purpose must increase as the degradation of the electric machine 12 progresses.
  • the maximum values of the torque in the AC monitoring 40 or the plausibility check device 42 either could be increased from the beginning of the life of the electric machine 12 to anticipate the to be taken into account with the life span tolerances from the beginning.
  • this can lead to a delayed triggering of an error reaction at relatively high currents at the beginning of the service life.
  • the maximum values of the monitoring device 34 are set from the beginning for a non-degraded electric machine 12, premature or unwanted tripping of fault reactions can occur as the degradation progresses. As shown in Fig.
  • the respectively determined power losses P v over time are recorded, for example in a memory 50 of the tendency-determining device 48.
  • a recording of such power losses P v over time is shown in FIG.
  • the representation of the power loss P v corresponds to a specific operating point (for example, the
  • Monitoring device 34 can be adjusted. By adapting the map of the power loss P v , however, the plausibility check device 42 can still work with the same algorithms, the degradation of the electric machine 12 being taken into account.
  • the determination of the power loss can take place, for example, with each driving cycle (a
  • Driving cycle begins with the switching on of the drive train 10 and ends with its shutdown). Only then, if over several such driving cycles, the tendency of a degradation is confirmed, the map 46 is adjusted and future for the
  • PVMAX also shows a maximum value which corresponds to a maximum permissible degradation. If the power loss P v rises above this value due to the degradation of the electric machine 12, an error message is issued or the electric machine 12 is shut down. Furthermore, a model for the degradation can also be stored in the plausibility checker 42. The new calculation of the map 46 can, for example, in
  • Machine 12 determined by the plausibility check 42 and used to update the map 46.
  • Parameter take place, for example, based on the usual aging, which may result from
  • the detection of the degradation can also be made dependent on the fact that the electric machine with currents above a threshold, with
  • Torques above a threshold has been operated with temperatures above a threshold value and / or with speeds above a threshold value.
  • the plausibility checker 42 may, as mentioned above, by means of
  • phase voltages Uab, Ube, Uac change for a defined operating point at controlled phase currents.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (12), insbesondere zur Bereitstellung von Antriebsleistung für einen Antriebsstrang (10) eines Kraftfahrzeuges, wobei die elektrische Maschine (12) mittels mehrerer Phasenströme (lai, lbi, lci) angesteuert wird, mit den Schritten: Erfassen einer elektrischen Größe (lqi), die das von der elektrischen Maschine (12) abgegebene Drehmoment (T) repräsentiert; und Überwachen des Drehmomentes (T). Dabei wird bei der Überwachung des Drehmomentes (T) eine Degradation der elektrischen Maschine (12) berücksichtigt.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines
Kraftfahrzeug-Antriebsstranges
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen
Maschine, insbesondere zur Bereitstellung von Antriebsleistung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei die elektrische Maschine mittels mehrerer Phasenströme angesteuert wird, mit den Schritten:
- Erfassen einer elektrischen Größe, mittels der das von der elektrischen Maschine abgegebene Drehmoment gesteuert wird, und
- Überwachen des Drehmomentes.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, das dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen, und betrifft ferner einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit wenigstens einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung und einem zugehörigen Steuergerät.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeug-Antriebstechnik ist es allgemein bekannt, eine elektrische Maschine als alleinigen Antrieb oder gemeinsam mit einem Antriebsmotor eines anderen Typs (Hybridantrieb) zu verwenden. In derartigen Elektro- oder
Hybridfahrzeugen werden typischerweise elektrische Maschinen als Antriebsmotor verwendet. Dabei ist es bekannt, die elektrische Maschine eines solchen Antriebsstranges in Bezug auf das abzugebende Drehmoment zu regeln. Ein Momentenmanagement erhält eine Drehmomentanforderung von Seiten eines Fahrers und erzeugt für einen Regelkreis der elektrischen Maschine ein Soll-Drehmoment (das gleich dem Fahrerwunschmoment oder kleiner sein kann, wenn bspw. ein Teil des Wunschmomentes von einem
Verbrennungsmotor in einem Hybrid-Antriebsstrang bereitgestellt werden soll).
Der Antriebsstrang beinhaltet ferner generell einen Energiespeicher, bspw. in Form einer Hochvoltbatterie. Die von dem Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung wird typischerweise in einer Leistungselektronik, die einen Wechselrichter beinhaltet, in eine Mehrzahl von (typischerweise drei) Phasenströmen bzw. -Spannungen umgerichtet.
Das von der elektrischen Maschine abgegebene Drehmoment ist eine Funktion dieser Phasenströme. Zur Überwachung des Drehmomentes ist es bekannt, in einem
Steuergerät der Elektrischen Maschine die Phasenströme oder eine andere hieraus abgeleitete Größe (wie bspw. einen Querstrom) zu erfassen. Bei der Überwachung wird bei einem Überschreiten eines zulässigen Maximalwertes dieser elektrischen Größe eine entsprechende Fehlerreaktion ausgelöst. Die Fehlerreaktion kann bspw. in einer Anzeige für den Fahrer des Kraftfahrzeuges bestehen, besteht jedoch vorzugsweise im Abschalten der elektrischen Maschine. Dabei kann es zu einem ungewollten Auslösen einer
Fehlerreaktion kommen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Bereitstellung von Antriebsleistung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges bereit, wobei die elektrische Maschine mittels mehrerer Phasenströme angesteuert wird, mit den Schritten, eine elektrische Größe zu erfassen, die das von der elektrische Maschine abgegebene Drehmoment repräsentiert, und das Drehmoment zu überwachen, insbesondere anhand der erfassten elektrischen Größe, wobei bei der Überwachung des Drehmomentes eine Degradation der elektrischen Maschine berücksichtigt wird. Die elektrische Maschine kann insbesondere als eine elektrische Drehfeldmaschine ausgebildet sein.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Steuergerät zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Bereitstellung von Antriebsleistung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit wenigstens einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung und mit einem Steuergerät der oben beschriebenen Art. Die elektrische Größe, die das von der elektrischen Maschine abgegebene Drehmoment repräsentiert, ist vorzugsweise eine elektrische Größe, mittels der das von der elektrischen Maschine abgegebene Drehmoment gesteuert bzw. geregelt wird, insbesondere ein elektrischer Strom.
Vorteile der Erfindung
Bei elektrischen Maschinen kann sich der Wirkungsgrad mit fortschreitender Alterung verschlechtern. Dies gilt insbesondere für elektrische Maschinen in Form von
permanenterregte elektrische Maschinen, z.B. Synchronmaschinen. Die in solchen elektrischen Maschinen verwendeten Permanentmagnete unterliegen einem
Alterungsprozess, der bspw. durch hohe Temperaturen, kurzfristige Überströme etc.
beschleunigt werden kann. Dies führt zu einer teilweisen Entmagnetisierung der verwendeten Permanentmagnete. Hierdurch kann es zur Erzielung der geforderten Leistung, insbesondere zur Erzielung eines gewünschten Drehmomentes, notwendig sein, die Stromaufnahme zu erhöhen.
Die erhöhte Stromaufnahme mit fortschreitender Degradation einer elektrischen Maschine kann dazu führen, dass bei der Überwachung des Drehmomentes fälschlicherweise Fehlerreaktionen ausgelöst werden. Durch die Maßnahme, bei der Überwachung des Drehmomentes eine Degradation der elektrischen Maschine zu berücksichtigen, ist es bspw. möglich, derartige ungewollte Fehlerreaktionen zu vermeiden. Hierdurch kann die Verfügbarkeit der elektrischen
Maschine bzw. des Antriebsstranges erhöht werden. Insbesondere ist es bei einer fabrikneuen elektrischen Maschine möglich, die
Maximalgrenzen zur Überwachung des Drehmomentes so auszulegen, dass ungewollte Überströme vermieden werden können. Hierdurch kann auch die Lebensdauer der elektrischen Maschine verlängert werden. Von besonderem Vorzug ist es dabei, wenn wenigstens ein Überwachungsparameter in Abhängigkeit von der Degradation der elektrischen Maschine verändert wird. Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn dieser Überwachungsparameter ein Maximalwert der elektrischen Größe oder ein hiervon abhängiger Wert ist. Bspw. kann der Maximalwert mit fortschreitender Degradation der elektrischen Maschine erhöht werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass zu Beginn der Lebensdauer Überströme sicher vermieden werden können, ohne ungewollt Fehlerreaktionen auszulösen. Mit fortschreitender Degradation, die in der Regel mit fortschreitender Betriebsdauer einhergeht, können solche Maximalwerte dann erhöht werden, da zur Erzielung bestimmter Drehmomente höhere Ströme von der elektrischen Maschine aufgenommen werden müssen.
Gemäß einer weiteren, insgesamt bevorzugten Ausführungsform wird wenigstens eine weitere elektrische Größe erfasst, mittels der eine redundante Überwachung des
Drehmomentes durchgeführt wird.
Hierdurch kann erreicht werden, dass Fehlerreaktionen mit einer größeren Sicherheit ausgelöst werden können.
Generell ist es möglich, die Degradation der elektrischen Maschine abzuschätzen. Dies kann bspw. erfolgen, indem die Degradation als Funktion von einem oder mehreren der folgenden Parameter eingestellt wird: (kalendarischer Zeitablauf; Betriebsdauer der elektrischen Maschine; Betriebsdauer der elektrischen Maschine mit einem Strom oberhalb eines Schwellenwertes; Betriebsdauer der elektrischen Maschine mit einer Temperatur oberhalb eines Schwellenwertes; Betriebsdauer der elektrischen Maschine mit einer Drehmoment oberhalb eines Schwellenwertes).
Hierdurch ist es möglich, die Degradation der elektrischen Maschine gut abzuschätzen und die Überwachung des Drehmomentes anhand dessen durchzuführen. Von besonderem Vorzug ist es ferner, wenn wenigstens eine weitere elektrische Größe erfasst wird, mittels der das Maß der Degradation ermittelt wird.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Abschätzung der Degradation nicht unbedingt notwendig. Vielmehr ist es über eine Auswertung der weiteren elektrischen Größe möglich, die Degradation relativ genau zu bestimmen. Dies erfolgt vorzugsweise über eine Tendenzanalyse.
Hierbei ist es von Vorzug, wenn wenigstens ein Überwachungsparameter in Abhängigkeit von dem ermittelten Maß der Degradation der elektrischen Maschine verändert wird. Insgesamt ist es ferner von Vorteil, wenn als elektrische Größe wenigstens ein
Phasenstrom oder ein hieraus transformierter Querstrom der elektrischen Maschine erfasst wird, und/oder wenn als weitere elektrische Größe eine Gleichspannungsleistung erfasst wird, mit der ein Wechselrichter zum Erzeugen der Phasenströme gespeist wird.
Bei einer Degradation einer elektrischen Maschine kann es, wie oben erwähnt, zu einer zumindest teilweisen Entmagnetisierung von Permanentmagneten kommen. Dies führt dazu, dass die Ohm'schen Verluste (Blindleistung) steigen und der Wirkungsgrad sinkt. Wenn die elektrische Maschine mit den Phasenströmen angesteuert bzw. geregelt wird, kann eine alleinige Erfassung dieser Ströme oder hieraus abgeleiteter Größen dazu führen, dass das abgegebene Drehmoment aufgrund der Degradation kleiner ist als von der Regelung erwartet.
Bei einer derartigen Stromregelung sinken die Phasenspannungen, und folglich verringert sich auch die in den Wechselrichter eingespeiste Gleichspannungsleistung. Die
Gleichspannungsleistung kann folglich zur Plausibilisierung der Momentenüberwachung anhand der Phasenströme (bzw. daraus abgeleiteter Größen) verwendet werden.
Ferner ist es insgesamt vorteilhaft, wenn die Erfassung der elektrischen Größe und/oder einer weiteren elektrischen Größe für eine Mehrzahl von Betriebspunkten der elektrischen Maschine erfolgt.
Hierdurch kann eine Überwachung des Drehmomentes anhand eines Kennfeldes erfolgen, das sich aus der Mehrzahl von Betriebspunkten ergibt. Die Betriebspunkte können bspw. eine Funktion der Drehzahl der elektrischen Maschine sein oder eine Funktion der Temperatur der elektrischen Maschine.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt in schematischer Form einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 zeigt in schematischer Form eine Momentenüberwachung eines
erfindungsgemäßen Steuergerätes;
Fig. 3 zeigt in schematischer Form den Leistungsfluss beim Betreiben der elektrischen Maschine; Fig. 4 zeigt in schematischer Form ein Kennfeld einer Verlustleistung über dem
Drehmoment und über der Drehfrequenz; und
Fig. 5 zeigt in schematischer Form ein Diagramm von Verlustleistung einer elektrischen Maschine über der Zeit.
Ausführungsformen der Erfindung
In Fig. 1 ist ein Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug generell mit 10 bezeichnet. Der Antriebsstrang 10 weist eine elektrische Maschine 12 in Form einer elektrischen Maschine auf. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise eine permanenterregte elektrische
Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine. Eine Abtriebswelle 14 der elektrischen Maschine 12 ist mit einem Differenzial 16 verbunden, das Antriebsleistung der elektrischen Maschine 12 auf angetriebene Räder 18L, 18R des Kraftfahrzeugs verteilt. Die Abtriebswelle 14 dreht mit einer Drehzahl n und stellt ein Drehmoment T bereit.
Der Antriebsstrang 10 kann als rein elektrischer Antriebsstrang ausgebildet sein, bei dem nur die elektrische Maschine 12 Antriebsleistung bereitstellt. Alternativ hierzu kann der Antriebsstrang 10 auch zusätzlich weitere elektrische Maschinen und/oder einen weiteren Antriebsmotor wie einen Verbrennungsmotor aufweisen, um einen Hybridantriebsstrang zu bilden. Es versteht sich hierbei, dass der Antriebsstrang ggf. noch eine oder mehrere Trennkupplungen sowie ein Stufen- oder stufenloses Getriebe aufweisen kann.
Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 12 ist ein Steuergerät 20 vorgesehen. Das Steuergerät 20 kann speziell für die elektrische Maschine 12 vorgesehen sein, kann jedoch auch Teil eines übergeordneten Steuergerätes des Antriebsstranges sein.
Ferner weist der Antriebsstrang 10 eine Gleichspannungsversorgung 22 auf, die vorzugsweise eine Hochspannungsbatterie beinhaltet. Die Gleichspannungsversorgung 22 stellt an ihren Ausgangspolen eine Gleichspannung UDC bereit und kann einen Strom lDC liefern. Eine Leistungselektronik mit einem Wechselrichter 24 ist an die
Gleichspannungsversorgung 22 angeschlossen. Der Wechselrichter kann in an sich bekannter weise eine Mehrzahl von ansteuerbaren Leistungsschaltern aufweisen. Die Leistungsschalter werden mittels des Steuergerätes 20 pulsweiten-moduliert angesteuert, damit die elektrische Maschine 12 im Motorbetrieb ein bestimmtes Drehmoment T bei einer bestimmten Drehzahl n der Abtriebswelle 14 erzeugt. Der Wechselrichter 24 stellt hierbei an seinem Ausgang an drei Phasen jeweilige Phasenströme lai, lbi, lCi bereit, die in Statorwicklungen der elektrischen Maschine 12 fließen. Die Statorwicklungen sind dabei vorzugsweise in Sternschaltung miteinander verbunden.
Das Steuergerät 20 weist einen Regler 26 auf, der mit einer Umrechnungseinheit 28 verbunden ist. In die Umrechnungseinheit 28 wird ein Soll-Drehmoment TSOLL eingegeben, das bspw. einem Fahrerwunschmoment oder einem Teil dieses Momentes (bei
Hybridfahrt) entsprechen kann. In der Umrechnungseinheit 28 wird dieses Soll- Drehmoment TSOLL umgerechnet in einen Soll-Querstrom lqs und einen Soll-Längsstrom
Der Regler 26 ist dazu ausgelegt, eine feldorientierte Regelung der elektrischen Maschine 12 (auch Vektorregelung genannt) durchzuführen. Hierbei wird ein Raumzeiger (bspw. ein Stromzeiger) bewegt, der mit der Abtriebswelle der elektrischen Maschine rotiert. Mit anderen Worten werden die zur Ansteuerung der elektrischen Maschine benötigten Phasenströme la, lt., Ic in ein rotorfestes, mit dem Magnetfeld der elektrischen Maschine 12 mitdrehendes Koordinatensystem (so genanntes dq-System) umgerechnet. Bei der feldorientierten Regelung werden statt der Phasenströme dann die auf diese Weise transformierten Stromkomponenten ld (Längsstrom) und lq (Querstrom) geregelt. Wenigstens zwei der Phasenströme la, lt., Ic werden als Ist-Werte gemessen und einer Transformation 30 zugeführt, die die Phasenströme in einen Ist-Querstrom lqi und einen Ist-Längsstrom ldi umwandelt. Diese Ist-Werte werden dem Regler 26 eingegeben. Es versteht sich ferner, dass es zur Regelung der elektrischen Maschine 12 sinnvoll sein kann, auch die Drehzahl n der Abtriebswelle 14 zu messen und dem Regler 26
einzugeben, obgleich dies in Fig. 1 nicht dargestellt ist.
In dem Regler 26 wird dann ein Regelalgorithmus anhand der Soll- und Ist- Stromkomponenten durchgeführt und der Ausgang des Reglers 26 ist mit einer inversen Transformation 32 verbunden, die die Ansteuerung wiederum in die Phasen der elektrischen Maschine 12 umrechnet. Diese Ansteuersignale werden dann dem
Wechselrichter 24 zugeführt.
Das Steuergerät 20 beinhaltet ferner eine Überwachungseinheit 34 zur Überwachung des von der elektrischen Maschine 12 abgegebenen Drehmomentes T. In die
Überwachungseinrichtung 34 wird der Ist-Querstrom lqi eingegeben. Ferner werden in die Überwachungseinrichtung 34 die Gleichspannung UDC und der Gleichstrom lDC eingegeben, um die von dem Wechselrichter 24 entnommene Gleichspannungsleistung PDC berechnen zu können.
Die Überwachungseinrichtung 34 dient zur Überwachung, ob das von der elektrischen Maschine 12 abgegebene Drehmoment T zulässige Maximalwerte überschreitet. In diesem Fall kann von der Überwachungseinrichtung 34 eine Fehlerreaktion ausgelöst werden. Die Fehlerreaktion kann bspw. eine Anzeige, eine Mitteilung an andere
Steuergeräte und/oder ein sofortiges Abschalten der elektrischen Maschine 12 sein. In Fig. 2 ist die Überwachungseinrichtung 34 schematisch dargestellt. In einer
Wechselstromüberwachung 40 wird festgestellt, ob der Ist-Querstrom lqi, der das von der elektrischen Maschine 12 abgegebene Drehmoment T repräsentiert, einen zulässigen Maximalwert überschreitet. Da es sich bei der Überwachungseinrichtung 34 um eine sicherheitsrelevante Funktion handelt, erfolgt vorzugsweise eine Plausibilisierung der Wechselstromüberwachung 40. Hierbei wird zunächst in einer Gleichstromüberwachung 44 die Gleichspannungsleistung PDC berechnet (PDC = IDC * UDC). Ein Ausgang der Wechselstromüberwachung 40 und die Gleichstromleistung PDC werden einer Plausibilisierungseinrichtung 42 eingegeben. In der Plausibilisierungseinrichtung 42 erfolgt eine Plausibilisierung des Ist-Querstromes lqi mittels der elektrischen Gleichspannungsleistung PDC. Hierdurch kann eine redundante Überwachung des Drehmomentes T erreicht werden. Dabei macht man sich zu Nutze, dass in einem bestimmten Betriebspunkt n, T im Idealfall immer die gleiche
Verlustleistung Pv vorhanden ist. Dies ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Der
Wechselrichter 24 nimmt die Gleichspannungsleistung PDC auf, und von der elektrischen Maschine 12 wird eine mechanische Leistung PM an der Abtriebswelle 14 abgegeben. In dem Wechselrichter 24 bzw. in der elektrischen Maschine 12 (und ggf. in Leitungen) entstehen Verluste, die in Fig. 3 durch eine Verlustleistung Pv dargestellt sind. Es gilt:
Figure imgf000010_0001
Die mechanische Leistung PM errechnet sich aus PM = 2 pi * n * T. Das abgegebene Drehmoment T errechnet sich folglich zu
T = (UDC * IDC - Pv)/ 2 * pi * n. Dabei ist das Drehmoment T eine Funktion des magnetischen Flusses PHI und des Ist- Querstromes lqi. Anders herum ausgedrückt kann die Verlustleistung Pv berechnet werden zu
Figure imgf000011_0001
Aufgrund der für verschiedene Betriebspunkte n, T im Idealfall gleichbleibenden
Verlustleistung Pv kann folglich über die Berechnung der Gleichspannungsleistung PDC ermittelt werden, ob das von der Wechselstromüberwachung 40 ermittelte Ist- Drehmoment tatsächlich bereitgestellt wird. In Fig. 4 ist ein Diagramm bzw. Kennfeld der Verlustleistung Pv über dem Drehmoment T und der Drehzahl n aufgezeigt (Diagramm 46). Dieses zeigt für einen Betriebspunkt ΤΊ , rii eine vorgegebene Verlustleistung PVi .
Bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei elektrischen Maschinen, kann sich mit fortschreitender Degradation das oben genannte Verhalten ändern. Insbesondere kann es zu einer Degradation von Permanentmagneten einer permanenterregten elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine kommen. Die Degradation bzw.
Alterung der Permanentmagnete kann durch verschiedene Mechanismen hervorgerufen werden. Bspw. kann es durch Überhitzung und/oder kurzfristige Überströme zu einer teilweisen Entmagnetisierung der verwendeten Permanentmagnete kommen. Hierdurch verringert sich der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine. Da der Regler 26 die elektrischen Maschine hinsichtlich des elektrischen Stromes regelt, können auch bei einer degradierten elektrischen Maschine nach wie vor bestimmte Phasenströme la, lb, lc eingestellt werden. Durch die Degradierung der Permanentmagnete kann jedoch nur eine geringere Leistung vom elektrischen ins mechanische System transferiert werden. Mit anderen Worten steigen die Ohm'schen Verluste (Blindleistung). Dies wird jedoch in der Regel von der Wechselstromüberwachung 40 alleine nicht erkannt. Durch die
Plausibilisierungseinrichtung 42 kann das geringere tatsächliche Ist-Moment T jedoch erkannt werden, da die Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine 12 sinkt (die Phasenspannungen verringern sich). Die Plausibilisierungsroutine 42 greift, wie gesagt, auf das Diagramm bzw. Kennfeld 46 zurück, das in Fig. 2 ebenfalls eingezeichnet ist.
Um nach wie vor ein bestimmtes Drehmoment T bereitstellen zu können, müssen die hierzu gestellten Phasenströme la, lb, lc mit fortschreitender Degradation der elektrischen Maschine 12 steigen. Dies hat zur Folge, dass die Maximalwerte des Drehmomentes in der Wechselstromüberwachung 40 bzw. der Plausibilisierungseinrichtung 42 entweder von Beginn der Lebensdauer der elektrischen Maschine 12 an erhöht werden könnten, um die mit fortschreitender Lebensdauer zu berücksichtigenden Toleranzen von Anfang an zu antizipieren. Hierdurch kann es jedoch bei relativ hohen Strömen zu Beginn der Lebensdauer zu einer verspäteten Auslösung einer Fehlerreaktion kommen. Wenn die Maximalwerte der Überwachungseinrichtung 34 jedoch von Anfang für eine nicht- degradierte elektrische Maschine 12 eingestellt werden, kann es mit fortschreitender Degradation zu vorzeitigen bzw. ungewollten Auslösungen von Fehlerreaktionen kommen. Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, kann mittels einer Tendenz-Ermittlungseinrichtung 48 festgestellt werden, ob eine Degradation der elektrischen Maschine 12 stattgefunden hat. Hierbei werden die jeweils ermittelten Verlustleistungen Pv über der Zeit aufgezeichnet, bspw. in einem Speicher 50 der Tendenz-Ermittlungseinrichtung 48. Eine Aufzeichnung derartiger Verlustleistungen Pv über der Zeit ist in Fig. 5 dargestellt. Die Darstellung der Verlustleistung Pv entspricht dabei einem bestimmten Betriebspunkt (bspw. dem
Betriebspunkt PVi der Fig. 4). Man erkennt, dass über der Zeit die Verlustleistung in diesem Betriebspunkt ansteigt, was durch eine Tendenzlinie 52 mit einer Steigerung größer Null dargestellt ist. Sobald festgestellt wird, dass nicht nur eine momentane erhöhte Verlustleistung aufgrund transienter Zustände vorliegt, sondern tatsächlich die Verlustleistung tendenziell ansteigt, kann das Kennfeld 46 in geeigneter Weise angepasst werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu können die Maximalwerte der
Überwachungseinrichtung 34 angepasst werden. Durch Anpassung des Kennfeldes der Verlustleistung Pv kann jedoch die Plausibilisierungseinrichtung 42 nach wie vor mit den gleichen Algorithmen arbeiten, wobei die Degradation der elektrischen Maschine 12 berücksichtigt wird.
Die Ermittlung der Verlustleistung kann bspw. bei jedem Fahrzyklus erfolgen (ein
Fahrzyklus beginnt mit dem Einschalten des Antriebsstranges 10 und endet mit dessen Abschalten). Erst dann, wenn über mehrere solche Fahrzyklen die Tendenz einer Degradation bestätigt ist, wird das Kennfeld 46 angepasst und künftig für die
Durchführung der Leistungsbilanzberechnung (PM = PDC - Pv) verwendet.
In Fig. 5 ist bei PVMAX ferner ein Maximalwert dargestellt, der einer maximal zulässigen Degradation entspricht. Wenn die Verlustleistung Pv aufgrund der Degradation der elektrischen Maschine 12 über diesen Wert ansteigt, wird eine Fehlermeldung abgegeben bzw. die elektrischen Maschine 12 stillgelegt. Ferner kann in der Plausibilisierungseinrichtung 42 auch ein Modell für die Degradation hinterlegt werden. Die neue Berechnung des Kennfeldes 46 kann bspw. auch in
Abhängigkeit von der Temperatur erfolgen. Bspw. können sehr hohe Temperaturen ein Indiz dafür sein, dass eine Degradation der elektrischen Maschine 12 tatsächlich stattgefunden hat. Anstelle anhand eines Maximalwertes PVMAX kann eine Stillegung auch dann erfolgen, wenn die Änderungsrate der Tendenzlinie 52 über einen bestimmten Schwellenwert ansteigt. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Degradation der elektrischen
Maschine 12 über die Plausibilisierungseinrichtung 42 ermittelt und zur Aktualisierung des Kennfeldes 46 verwendet.
Eine Degradation der elektrischen Maschine kann jedoch auch anhand anderer
Parameter erfolgen, bspw. anhand der üblichen Alterung, die sich ergeben kann durch
- Zeitablauf (je älter die elektrische Maschine 12 ist, um so degradierter ist sie), und/oder
- durch Betriebsdauer (je öfter die elektrische Maschine 12 benutzt worden ist, um so mehr ist sie degradiert),
- wobei die Erfassung der Degradation auch davon abhängig gemacht werden kann, dass die elektrische Maschine mit Strömen oberhalb eines Schwellenwertes, mit
Drehmomenten oberhalb eines Schwellenwertes, mit Temperaturen oberhalb eines Schwellenwertes und/oder mit Drehzahlen oberhalb eines Schwellenwertes betrieben worden ist. Die Plausibilisierungseinrichtung 42 kann, wie oben erwähnt, mittels der
Gleichspannungsleistung PDC arbeiten. Alternativ ist es möglich, die Phasenspannungen Uab, Übe, Uac zu überwachen. Bei einer Degradation der elektrischen Maschine 12 verändern sich diese Phasenspannungen für einen definierten Betriebspunkt bei geregelten Phasenströmen.
Es versteht sich, dass die obige Beschreibung generell für einen jeweiligen Betriebspunkt gilt. Es versteht sich jedoch auch, dass die obigen Funktionen und Routinen auch jeweils für eine Mehrzahl von Betriebspunkten durchgeführt werden können. Ferner können weitere Parameter mit einbezogen werden, bspw. die Temperatur bei einem bestimmten Betriebspunkt, etc.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (12), insbesondere zur
Bereitstellung von Antriebsleistung für einen Antriebsstrang (10) eines Kraftfahrzeuges, wobei die elektrischen Maschine (12) mittels mehrerer Phasenströme (lai, lbi, lci) angesteuert wird, mit den Schritten:
- Erfassen einer elektrischen Größe (lqi), die das von der elektrischen Maschine (12) abgegebene Drehmoment (T) repräsentiert, und
- Überwachen des Drehmomentes (T),
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Überwachung des Drehmomentes (T) eine Degradation der elektrischen Maschine (12) berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein
Überwachungsparameter (lqMAx; PVMAX) in Abhängigkeit von der Degradation der elektrischen Maschine (12) verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maximalwert (lqMAx) der elektrischen Größe (lqi) in Abhängigkeit von der Degradation der elektrischen
Maschine (12) verändert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere elektrische Größe (PDC) erfasst wird, mittels der eine redundante Überwachung des Drehmomentes (T) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere elektrische Größe (PDC) erfasst wird, mittels der das Maß der Degradation ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein
Überwachungsparameter (lqMAx; PVMAX) in Abhängigkeit von dem ermittelten Maß der Degradation der elektrischen Maschine (12) verändert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Größe wenigstens ein Phasenstrom (lai, lbi, lci) oder ein hieraus transformierter Querstrom (lqi) der elektrischen Maschine (12) erfasst wird, und/oder als weitere elektrische Größe eine Gleichspannungsleistung (Pv) erfasst wird, mit der ein Wechselrichter (24) zum Erzeugen der Phasenströme(lai, Iw, Ici) gespeist wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der elektrischen Größe (lqi) und/oder einer weiteren elektrischen Größe (PDC) für eine Mehrzahl von Betriebspunkten der elektrischen Maschine (12) erfolgt.
9. Steuergerät (34) zum Ansteuern einer elektrischen Maschine (12), insbesondere zur Bereitstellung von Antriebsleistung (10) für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei das Steuergerät (34) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 - 8 durchzuführen.
10. Kraftfahrzeug-Antriebsstrang (10) mit wenigstens einer elektrischen Maschine (12) zum Bereitstellen von Antriebsleistung und mit einem Steuergerät (34) nach Anspruch 9.
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