WO2024061940A1 - Verfahren zur berechnung und beeinflussung der restlebensdauer von komponenten eines elektrisch angetriebenen fahrzeugs - Google Patents

Verfahren zur berechnung und beeinflussung der restlebensdauer von komponenten eines elektrisch angetriebenen fahrzeugs Download PDF

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Matthias Kohlhauser
Wolfgang Schweiger
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    • G05B23/02—Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0259—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterized by the response to fault detection
    • G05B23/0283—Predictive maintenance, e.g. involving the monitoring of a system and, based on the monitoring results, taking decisions on the maintenance schedule of the monitored system; Estimating remaining useful life [RUL]

Definitions

  • the invention relates to a method for calculating and influencing the remaining service life of components of an electrically driven vehicle in order to determine the expected service life of the vehicle.
  • the central approach of the prognosis and health status management system is to use usage and health data from the operation of a single system to detect disruptions and failures at an early stage and to define appropriate countermeasures. Decisions can thus be made taking into account the overall economic interests. For example, costs can be reduced, risks minimized, usable operating hours maximized and availability improved.
  • Electric vehicles use a purely electric drive system, called eDrive.
  • the drive system of an electric vehicle includes an electric motor, a mechanical reduction gear, an inverter and a motor controller.
  • the inverter inverts DC power from batteries into AC power, which is used to drive the motor.
  • the engine supplies torque to a powertrain of the vehicle.
  • the controller controls the power supplied to the motor by the inverter.
  • US 2021 / 0 175 835 A1 shows a method for determining the health status of the drive.
  • a controller underestimates motor torque Using a model of the engine.
  • the model estimates motor torque based on DC power and motor speed.
  • the controller is further configured to calculate the motor torque based on the sensed current and a magnetic flux of the motor.
  • the controller is further configured to generate a first health state for the electric drive system based on a difference between the estimated and calculated engine torques.
  • the controller is further configured to generate a second health state for at least one of the position sensor, the plurality of sensors, and the motor in response to the first health state being less than or equal to a first threshold.
  • the controller is further configured to determine whether a fault exists based on a combination of the first health condition and the second health condition.
  • the health indicators include the system-level health indicator indicating the performance of the electric propulsion system; the component level health indicators indicating the performance of the current sensors; and the health indicator, which indicates the health of the motor windings.
  • the method stores the above health information in the cloud.
  • Historical vehicle health information can be used to indicate trends in component performance, to predict failures and plan maintenance, and to recommend design changes for the components using engineering techniques.
  • the controller sends an email or text message to alert the driver if the component is deteriorating, but the deterioration is not severe enough to warrant scheduling maintenance.
  • the method schedules maintenance for the component if the component has deteriorated sufficiently to warrant maintenance.
  • the task is solved with a method for calculating and influencing the remaining service life of components of an electrically driven vehicle, where measured sensor data and calculated and / or predetermined parameters are combined to form a damage model, after a comparison with data that describes a target state of health Remaining lifespan is determined, with a lifespan extension mode being activated when the remaining lifespan is below a threshold value, which implements measures in the vehicle to extend the lifespan.
  • the measures include thermal and/or mechanical damage distribution or load distribution within the installed drive components - for example between the front and rear axle drive systems, and/or restricting operation at high electrical power, and/or accessing a driver assistance system in order to achieve route optimization.
  • the measures are accompanied by recommendations, instructions for adapting the driving style and warnings to the driver.
  • the life extension mode provides information and/or incentives to adapt the driving style, e.g. through continuous monitoring of the condition, through a points system or through the activation of additional functions for the driver.
  • the strategy according to the invention can process the collected data in real time and, for the purpose of protection, based on the components at risk Adjust operating strategy or encourage the driver to adapt his driving characteristics.
  • the remaining service life can be increased.
  • the information transmitted to the driver prescribes preventative steps for the driver, which encourages him to adopt an optimized driving style.
  • a lower number of fleet failures, reduced service intervals and associated maintenance costs are advantageous for fleet vehicles.
  • Figure 1 shows a schematic sequence of method 1 for calculating and influencing the remaining service life
  • Figure 2 shows the possible influences of the life extension mode.
  • eDrive systems there are a variety of sensors for monitoring operationally necessary variables - such as oil temperature, phase current, rotor speed and winding head temperature. In addition to controlling the eDrive system, these measurements can be used to determine the health of the components in the vehicle. Included The evaluation of the sensors is not limited to the electric machine, but rather covers the entire drive train of the vehicle.
  • the data from the sensors 3 are collected as input variables for an assessment of the actual health status of the components of the vehicle. This data from the sensors 3 is available for further evaluation of all vehicle components. They are processed together with additional calculation variables 4, 4', 4".., e.g. temperature of the contact surfaces or torque, which are each assigned to a component of the vehicle.
  • Both data sets consisting of measured and stored data, form the database for a damage model 5, 5 ', 5", ... which are stored and calculated for each component of the vehicle.
  • a comparison 8 of this total damage per component is compared with a target state of health 9.
  • the target health status 9 includes design data of the vehicle components and load limitations, as well as mileage limitations and/or a total distance traveled. In comparison, the target health status 9 allows the remaining lifespan 10 of the components to be specified in percent and/or in terms of possible mileage or remaining lifespan.
  • a durability mode is activated below a defined threshold value for the health status of the components, i.e. a threshold value for the remaining service life 10.
  • the threshold can be parameterized according to the desired end-user application.
  • the service life extension mode 11 influences the entire operating strategy of the vehicle or even just individual control and regulation parameters in order to keep the overall damage low and increase the possible total distance traveled.
  • the life extension mode 11 includes different options, measures to influence the driving state 2 actively and without the consent of the driver.
  • the service life extension mode 11 prevents the electric vehicle from being driven in “boost” mode 12, i.e. by releasing increased power in order to extend the service life of the eDrive or to protect critical components from premature failure.
  • life extension mode 11 individual components are also addressed and their control parameters, for example boost mode 12, are influenced.
  • an extension of the remaining service life 10 is achieved by actively influencing the thermal and/or mechanical damage distribution or load distribution within the installed drive components.
  • the life extension mode 11 also adapts existing driver assistance systems 13 to increase the remaining service life. For this purpose, a navigation device is informed that avoidable mountain stretches will be avoided during planned routes in order to keep the damage to the vehicle or the components in the vehicle as low as possible.
  • the life extension mode 11 In addition to the automatically set steps of the life extension mode 11, the life extension mode 11 also provides information 14 and/or incentives for adapting the driving style to the driver, similar to an instruction module, in order to encourage him to adapt the driving style according to a gentle driving profile. This can be achieved, for example, through a special “reward system”, similar to an arcade game through a points system or by unlocking additional functions.
  • the life extension mode 11 also always provides a warning 15, which is available to the driver 16 during the automatic controls of the life extension mode 11.

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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

Verfahren zur Berechnung und Beeinflussung der Restlebensdauer von
Komponenten eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs
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 Gleichstrom leistung 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-Ge- sundheitsindikator, 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 Maschineniemtechniken 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
Figur 1 zeigt einen schematischen Ablauf des Verfahrens 1 zur Berechnung und Beeinflussung der Restlebensdauer,
Figur 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

Ansprüche
1 . 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.
2. 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.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahmen von Warnungen an den Fahrer begleitet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lebensdauerverlängerungsmodus Informationen für den Fahrer zur Verfügung stellt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lebensdauerverlängerungsmodus ein Belohnungssystem für den Fahrer umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass parametrier- bare Schwellwerte entsprechend dem Anwendungsfall für Endkunde bzw. Flottenfahrzeuge verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten IST-Schädigungen je Komponente in einem Abgleich der Berechnungs- grundlage der Teilschädigungen im Zuge von Service/Wartungsarbeiten am
Fahrzeug ermittelt wird.
PCT/EP2023/075868 2022-09-23 2023-09-20 Verfahren zur berechnung und beeinflussung der restlebensdauer von komponenten eines elektrisch angetriebenen fahrzeugs WO2024061940A1 (de)

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