Vorrichtung und Verfahren zum Steuern einer Fluidpumpe für ein Kraftfahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Steuern einer Fluidpumpe für ein Kraftfahrzeug. Insbesonde- re betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer Kraftstoffpumpe für ein Kraftfahr- zeug .

Moderne Fluidpumpen für Kraftfahrzeuge nutzen Antriebsmotoren nach dem EC-Prinzip, „EC" ist dabei abgekürzt für den engli ^¬ schen Begriff „electronically commutated", auf Deutsch „elek ^¬ tronisch kommutiert".

Diese Antriebsmotoren nach dem EC-Prinzip weisen das Prinzip einer permanent erregten Synchronmaschine auf und können über einen bestimmten Drehzahlbereich betrieben werden. Aus Gründen der damit verbundenen Produktionskosten und Zuverlässigkeit werden diese Motoren im Kraft fahrzeugbereich in Fluidpumpen oh ^¬ ne Positionssensoren betrieben.

Dies ist möglich, weil die zum Betrieb notwendige Elektronik in der Lage ist, die Gegen-EMK, abgekürzt für elektromotorische Kraft, anders ausgedrückt die Induktionsspannung, der freilau ^¬ fenden Phase zu detektieren und als Positionssignal des Rotors zu verwenden. Diese Methode der Positionsbestimmung des Rotors ist aber auf eine gewisse Mindestdrehzahl beschränkt. Darunter kann kein verwertbares Nutzsignal erkannt werden. Damit ist der Drehzahlbereich der Fluidpumpe nach unten hin beschränkt.

Fluidpumpen für Kraftfahrzeuge werden in unterschiedlichen Va ^¬ rianten für Otto- und Dieselkraftstoff betriebene Motoren her ^¬ gestellt. Für Ottokraft betriebene Motoren werden Strömungs- Pumpwerke als Fluidpumpen eingesetzt. Für Dieselkraftstoff be ^¬ triebene Motoren werden Verdränger-Pumpwerke als Fluidpumpe ty ^¬ pischerweise nach dem Gerotor-, Schrauben- oder Rollenzellen ^¬ prinzip eingesetzt. Die Pumpwerke nach dem Verdränger-Prinzip weisen zumeist eine hohe hydraulisch-mechanische Steifheit ge ^¬ genüber den Strömungspumpwerken auf. Dies bewirkt einen starken Druckanstieg, falls eine Ungleichheit zwischen geförderter und abgenommener Menge in einem KraftStoffSystem vorhanden ist.

Aus dem Druckanstieg resultieren ein starker Anstieg des zum Betrieb des Pumpwerks nötigen Drehmoments und auch ein entspre ^¬ chender Strom der antreibenden Elektromaschine .

Herkömmliche KraftStoffSysteme in einem Kraftfahrzeug oder Per ^¬ sonenkraftwagen werden mit verschiedenen internen Verbrauchern ausgestattet, beispielsweise Saugstrahlpumpen. Diese führten zu einer Mindestabnahme an Kraftstoff.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesser ^¬ te Steuerungsvorrichtung und ein verbessertes Steuerungsverfah ^¬ ren für Fluidpumpen, welche in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Pa ^¬ tentansprüche gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figu ^¬ ren zu entnehmen.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vor ^¬ richtung zum Steuern einer Fluidpumpe für ein Kraftfahrzeug, wobei die Vorrichtung umfasst: eine erste Steuerungseinrich ^¬ tung, welche dazu ausgelegt ist, eine elektrische Kraftmaschine der Fluidpumpe durch ein Einprägen von mindestens einem Motor ^¬ strom mit einer angepassten Stromstärke und einer angepassten Kurvenform anzusteuern; und eine zweite Steuerungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine Drehzahl der elektrischen Kraftmaschine zu erfassen und basierend auf der erfassten Dreh ^¬ zahl eine angepasste Spannung an die elektrische Kraftmaschine anzulegen .

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidpumpe für ein Kraftfahrzeug, wobei die Fluidpumpe als Kraftstoff-, Wasser ^¬ oder Ölpumpe oder als eine sonstige Pumpe für eine Flüssigkeit oder ein Fluid ausgebildet sein kann.

Nach einem weiteren, zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Fluidpumpe für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei die Fluidpumpe eine Vorrichtung nach dem ersten Aspekt oder nach einer beliebigen Ausführungsform des ersten Aspektes umfasst.

Nach einem weiteren, dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern einer Fluidpumpe für ein Kraft ^¬ fahrzeug vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte um ^¬ fasst: Erfassen einer Drehzahl der elektrischen Kraftmaschine und Vergleichen der erfassten Drehzahl mit einem Drehzahl ^¬ schwellenwert für die elektrische Kraftmaschine; Einprägen von mindestens einem Motorstrom mit einer angepassten Stromstärke und einer angepassten Kurvenform in die elektrische Kraftma ^¬ schine, falls die erfasste Drehzahl der elektrischen Kraftma ^¬ schine unterhalb des Drehzahlschwellenwerts für die elektrische Kraftmaschine liegt; und Anlegen einer angepassten Spannung an die elektrische Kraftmaschine basierend auf der erfassten Dreh ^¬ zahl, falls die erfasste Drehzahl der elektrischen Kraftmaschi ^¬ ne oberhalb des Drehzahlschwellenwerts für die elektrische Kraftmaschine liegt .

Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft, dass mit der zum Betrieb einer nach dem EC-Prinzip betriebenen Fluidpumpe ohnehin notwendigen Leistungselektronik bzw. Steuerungseinrich ^¬ tungen der Pumpenstrom überwacht und gegebenenfalls begrenzt wird und ferner diese Leistungselektronik auch zum Ansteuern der Fluidpumpe verwendet wird.

Wenn eine solche Elektronik bzw. Steuerungseinrichtungen die Fluidpumpe unterhalb einer Mindest-Drehzahlgrenze betreiben soll, kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft diese Eigen ^¬ schaft - das Begrenzen und Überwachen - zum Ansteuern der Flu ^¬ idpumpe benutzen.

Die Elektronik bzw. Leistungselektronik in Form einer Steue ^¬ rungseinrichtung betreibt im heute üblichen Betriebsfall die Fluidpumpe durch eine Drehzahlregelung. Hierbei wird permanent die an dem Motor anliegende Spannung beeinflusst, um eine be ^¬ stimmte, vorgegebene Drehzahl unabhängig vom hydraulischen Zu ^¬ stand am Pumpwerk zu erreichen.

Falls die Notwendigkeit nach einer entsprechenden im Vergleich dazu verringerten Drehzahl besteht, wird in diesem Fall unter ^¬ halb des vorbestimmten Drehzahlgrenzwertes bzw. Drehzahlschwel ^¬ lenwertes ein verändertes Betriebsverhalten der Pumpe akti ^¬ viert .

Mit anderen Worten, es kann eine zweite Steuerungseinrichtung bzw. ein alternatives Steuerungsverfahren verwendet werden und beispielsweise je nach Drehzahl zwischen unterschiedlichen Steuerungseinrichtungen bzw. ein alternatives Steuerungsverfah- ren .

Die Elektronik betreibt die Pumpe dann nicht mehr durch Beauf ^¬ schlagung mit einer Spannung an den Strängen des Elektromotors, sondern durch Einprägen von Strömen geeigneter Höhe und Kurven ^¬ formen. Die Feldfrequenz der Ansteuerung wird auf einem Vorga ^¬ bewert gehalten. Durch das Einprägen eines Stromes in geeigne ^¬ ter Höhe kann ein Folgen des Pumpenrotors erzwungen werden. Ferner kann mit steigender Drehfrequenz des Feldes eine anstei ^¬ gende Beschleunigung für einen stillstehenden Rotor ermöglicht werden, das heißt der eingeprägte Strom kann der Felddrehzahl angepasst werden.

Dies kann für kleine, das heißt unterhalb der Drehzahlschwelle liegende Drehzahlen bedeuten, dass mit einem kleineren einge ^¬ prägten Strom als bei größeren Drehzahlen gearbeitet wird.

Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung vorteilhaft, die Aufheizung der Fluidpumpe und des Kraftstoffs bei sehr geringen Drehzahlen und entsprechenden Durchflüssen zu begrenzen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran ^¬ sprüchen gekennzeichnet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfin- dung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, die erfasste Drehzahl der elektrischen Kraftmaschine mit einem Drehzahlschwellenwert für die elektrische Kraftmaschine zu ver- gleichen .

In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfin ^¬ dung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, falls die erfasste Drehzahl der elektrischen Kraftmaschine un ^¬ terhalb des Drehzahlschwellenwerts für die elektrische Kraftma ^¬ schine liegt, die erste Steuerungseinrichtung zum Ansteuern der elektrischen Kraftmaschine zu verwenden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegen ^¬ den Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu ausge ^¬ legt ist, falls die erfasste Drehzahl der elektrischen Kraftma ^¬ schine oberhalb des Drehzahlschwellenwerts für die elektrische Kraftmaschine liegt, die zweite Steuerungseinrichtung zum An ^¬ steuern der elektrischen Kraftmaschine zu verwenden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegen ^¬ den Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Steuerungseinrich tung dazu ausgelegt ist, den mindestens einen Motorstrom mit der angepassten Kurvenform entsprechend einer vorgegeben Feld ^¬ frequenz anzusteuern.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegen ^¬ den Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Steuerungseinrich tung dazu ausgelegt ist, die Feldfrequenz aus einem Kennlinien feld auszulesen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegen ^¬ den Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Steuerungseinrich tung dazu ausgelegt ist, die Feldfrequenz mit Hilfe von einer Steigungsberechnung zu ermitteln.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen dass die erste Steuerungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die Steigungsberechnung unter Berücksichtigung eines Massenträg ^¬ heitsmoments eines Rotors der elektrischen Kraftmaschine zu er mittein .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen dass die Fluidpumpe eine Wasserpumpe oder eine Kraftstoffpumpe oder eine Ölpumpe oder eine Pumpe mit einer elektrischen Kraft maschine in Form einer Synchronmaschine mit Permanentmagnet ist .

Die Fluidpumpe kann dabei vorteilhaft in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, beispielsweise als Kraftstoffpumpe.

Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implemen ^¬ tierungen der vorliegenden Erfindung umfassen auch nicht expli ^¬ zit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüg ^¬ lich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfin ^¬ dung .

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vermitteln. Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Konzepten der Erfindung.

Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile erge ^¬ ben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabs ^¬ getreu zueinander gezeigt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum

Steuern einer Fluidpumpe für ein Kraftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms zum Steuern einer Fluidpumpe für ein Kraftfahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Fluidpumpe für ein Kraftfahrzeug gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Diagramms zur

Darstellung des Strangstroms einer Fluidpumpe über einen bestimmten Drehzahlbereich der Fluidpumpe zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung. In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist .

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Steuern einer Fluidpumpe für ein Kraftfahrzeug.

Die Vorrichtung 1 umfasst beispielsweise eine erste Steuerungs- einrichtung 10 und eine zweite Steuerungseinrichtung 20.

Die erste Steuerungseinrichtung ist beispielsweise dazu ausge ^¬ legt, eine elektrische Kraftmaschine 110 der Fluidpumpe 100 durch ein Einprägen von mindestens einem Motorstrom mit einer angepassten Stromstärke und einer angepassten Kurvenform anzu ^¬ steuern .

Die zweite Steuerungseinrichtung ist beispielsweise dazu ausge ^¬ legt, eine Drehzahl der elektrischen Kraftmaschine zu erfassen und basierend auf der erfassten Drehzahl eine angepasste Span ^¬ nung an die elektrische Kraftmaschine anzulegen.

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdia ^¬ gramms zum Steuern einer Fluidpumpe für ein Kraftfahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Das Verfahren zum Steuern der Fluidpumpe 100 für ein Kraftfahr ^¬ zeug 2 umfasst dabei folgende Schritte: Als ein erster Schritt des Verfahrens erfolgt beispielsweise ein Erfassen Sl einer Drehzahl der elektrischen Kraftmaschine 110 und ein Vergleichen der erfassten Drehzahl mit einem Dreh ^¬ zahlschwellenwert für die elektrische Kraftmaschine 110. Als ein zweiter Schritt des Verfahrens erfolgt beispielsweise ein Einprägen S2 von mindestens einem Motorstrom mit einer an- gepassten Stromstärke und einer angepassten Kurvenform in die elektrische Kraftmaschine 110, falls die erfasste Drehzahl der elektrischen Kraftmaschine 110 unterhalb des Drehzahlschwellen ^¬ wertes für die elektrische Kraftmaschine 110 liegt.

Als ein dritter Schritt des Verfahrens erfolgt beispielsweise ein Anlegen S3 einer angepassten Spannung an die elektrische Kraftmaschine 110 basierend auf der erfassten Drehzahl, falls die erfasste Drehzahl der elektrischen Kraftmaschine 110 ober ^¬ halb des Drehzahlschwellenwertes für die elektrische Kraftma ^¬ schine liegt . Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Fluidpumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfin ^¬ dung .

Eine Fluidpumpe 100 für ein Kraftfahrzeug 2 umfasst beispiels- weise eine Vorrichtung 1 als Pumpensteuerungselektronik und ei ^¬ ne elektrische Kraftmaschine 110.

Die Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Erläuterung der Erfindung.

Auf der X-Achse des Diagramms ist beispielsweise eine Drehzahl einer Fluidpumpe aufgezeichnet.

Auf der Y-Achse des Diagramms ist beispielsweise der Strang- ström der Fluidpumpe aufgetragen.

Die in der Fig. 4 dargestellten Kennlinien bzw. Stromkurven für unterschiedliche Drücke PO bis P4 ergeben ein Kennlinienfeld. Der eingezeichnete Pfeil in dem Diagramm stellt die Richtung des zunehmenden Systemdrucks dar.

Eine gestrichelte Linie parallel zur y-Achse stellt eine Grenze zum Normalbetrieb dar. In anderen Worten ausgerückt ist dies ein Drehzahlschwellenwert für die elektrische Kraftmaschine 110, beispielsweise liegt die Grenze zwischen Niederdrehzahlbe ^¬ reich und Normalbetrieb der Fluidpumpe bei einer Drehzahl der elektrischen Kraftmaschine 110 der Fluidpumpe von 100 Umdrehun ^¬ gen pro Minute, oder 500 Umdrehungen pro Minute, oder 1000 Um ^¬ drehungen pro Minute oder 2000 Umdrehungen pro Minute.

Die Grenze zum Normalbetrieb unterscheidet also einen Nieder ^¬ drehzahlbereich von einem normalen Betriebsbereich der Fluid ^¬ pumpe bezüglich ihrer Drehzahl.

Die Fig. 4 zeigt ein Strangstrom-Drehzahl Diagramm mit Strom ^¬ grenzen des Strangstroms für Niederdrehzahlbereiche und Normal ^¬ betriebsbereiche, im Niederdrehzahlbereich entsprechen die Kur ^¬ ven dem eingeprägten Strom bzw. Strangstrom bei vorbestimmten Drücken PO bis P4.

Die Fig. 4 stellt angepasste Stromstärke dar, wobei die Steue ^¬ rungseinrichtungen ferner eine angepasste Kurvenform für den Motorstrom verwenden können, etwa eine Sinus-Form oder eine Rampenform .

Im normalen Betriebsbereich bzw. Normaldrehzahlbereich ist der Strangstrom bei jeweils gleichen Drücken PO bis P4 wesentlich geringer. Der Pumpenantriebsstrom bzw. der Fluiddruck oder im Fall einer Kraftstoffpumpe der KraftStoffdruck kann aber auch im Normalbetrieb entsprechend begrenzt werden, wenn bestimmte drehzahlabhängige Werte erreicht werden. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh ^¬ rungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht dar ^¬ auf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifi ^¬ zierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfalti ^¬ ger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der vor ^¬ liegenden Erfindung abzuweichen.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend" und „aufwei ^¬ send" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ei ^¬ ne" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt.

Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrie ^¬ ben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele ver ^¬ wendet werden können. Be zugs zeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.