Verfahren zur Erkennung von Fehlern in einer Antriebseinheit

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Elektrofahrzeug, welche einen Elektromotor, ein Getriebe, eine Leistungselektronik zum Ansteuern des

Elektromotors und einen Beschleunigungssensor umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern in einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit.

Stand der Technik

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt Kraftfahrzeuge, die als

Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, zum Einsatz kommen werden. Solche Elektrokraftfahrzeuge weisen eine oder mehrere elektrische Antriebseinheiten auf. Beispielsweise ist für jede Achse des Elektrokraftfahrzeugs eine

Antriebseinheit vorgesehen. Eine solche Antriebseinheit für ein Elektrofahrzeug umfasst beispielsweise einen Elektromotor, ein Getriebe und eine

Leistungselektronik zum Ansteuern des Elektromotors. Die Leistungselektronik fungiert dabei quasi als eine Art Motorsteuergerät und stellt unter anderem die notwendigen Ströme für den Elektromotor bereit. Zur Regelung der

Antriebseinheit sind in der Leistungselektronik leistungsfähige Signalprozessoren vorgesehen.

Im Betrieb der Antriebseinheit in dem Elektrofahrzeug kommt es zu Vibrationen, die an die Leistungselektronik übertragen werden. Insbesondere bei

auftretendem Verschleiß sowie bei mechanischen Beschädigungen des

Elektromotors und/oder des Getriebes kommt es zu verstärkten Vibrationen. Diese Vibrationen können beispielsweise mit Hilfe von Beschleunigungssensoren erfasst und von einer Signalverarbeitungseinheit mit geeigneten

Signalverarbeitungsmethoden ausgewertet werden.

Das Dokument DE 10 2014 114 124 Al offenbart ein Steuersystem für ein Fahrzeug, vorliegend eines elektrisch angetriebenen Rollers. Das Steuersystem umfasst dabei einen Elektromotor und eine Leistungselektronik. Die

Leistungselektronik umfasst einen Controller mit einem Beschleunigungssensor.

Von dem Beschleunigungssensor aufgenommene Werte werden von dem Controller ausgewertet.

Das Dokument DE 10 2017 205 861 B3 offenbart ein Kraftfahrzeug, welches eine Energieversorgungseinheit in Form eines Akkumulators und einen Antrieb in Form eines Elektromotors aufweist. Zur Steuerung des Elektromotors ist eine Leistungselektronik vorgesehen, welche mit einer Recheneinrichtung

kommuniziert. Die Recheneinheit ist mit mehreren Sensoren, unter anderem mit einem Beschleunigungssensor, verbunden. Die Recheneinrichtung ermittelt aus den Informationen von dem Beschleunigungssensor einen Betriebszustand des Fahrzeugs.

Das Dokument DE 10 2017 102 107 Al offenbart ein Verfahren zur Analyse eines Elektromotors eines Kraftfahrzeugs. Dabei ist eine Recheneinheit vorgesehen, welche mit einem Sensor verbunden ist. Der Sensor ist

beispielsweise als Körperschallsensor ausgestaltet, und somit in der Lage, um vibroakustische Signale, beispielsweise Schwingungen, zu erfassen. Durch Erfassung der von dem Sensor aufgenommenen Signale und deren Auswertung kann der Elektromotor beispielsweise auf mögliche mechanische Schäden untersucht werden.

Das Dokument DE 10 2016 007 256 B4offenbart ein Kraftfahrzeug, welches eine Leistungselektronik aufweist, die in einem Gehäuse angeordnet ist. Das

Fahrzeug umfasst ferner eine Hochspannungsbatterie sowie einen Elektromotor.

Die Leistungselektronik dient zum Antreiben des Kraftfahrzeugs. In das Gehäuse der Leistungselektronik ist ein mechanischer Aufprallschalter integriert.

Offenbarung der Erfindung

Es wird eine Antriebseinheit für ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen. Die

Antriebseinheit umfasst einen Elektromotor, ein Getriebe, eine

Leistungselektronik zum Ansteuern des Elektromotors und einen

Beschleunigungssensor. Die Leistungselektronik ist vorzugsweise mit einer Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs elektrisch verbunden und liefert einen Strom zum Antrieb des Elektromotors. Beispielsweise umfasst die Leistungselektronik einen Wechselrichter oder Inverter, welcher aus der Gleichspannung der Traktionsbatterie eine dreiphasige Wechselspannung für den Elektromotor generiert.

Erfindungsgemäß ist der Beschleunigungssensor in einem Gehäuse der Leistungselektronik angeordnet. Dabei ist das Gehäuse der Leistungselektronik derart mit dem Elektromotor und/oder mit dem Getriebe mechanisch gekoppelt, dass von dem Elektromotor und/oder von dem Getriebe erzeugte Schwingungen zu dem in dem Gehäuse der Leistungselektronik angeordneten

Beschleunigungssensor übertragen werden. Der Beschleunigungssensor ist dazu eingerichtet, die übertragenen Schwingungen aufzunehmen und in ein Messsignal zu wandeln. Dabei umfasst die Antriebseinheit auch eine

Signalverarbeitungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, aus dem Messsignal des Beschleunigungssensors und einer Drehzahl des Elektromotors ein

Ordnungsspektrogramm zu erstellen.

Das erstellte Ordnungsspektrogramm stellt eine Abhängigkeit des Messsignals von der Drehzahl des Elektromotors dar. Die sich ändernde Drehzahl des Elektromotors stellt dabei eine Anregung der Antriebseinheit dar. Die

Anregungsfrequenz ist somit ebenfalls veränderlich. Das Messsignal stellt eine Antwort der Antriebseinheit auf diese Anregung mit veränderlicher

Anregungsfrequenz dar. Das Messsignal weist einen Pegel und eine Frequenz auf, welche jeweils von der Anregungsfrequenz abhängig sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die

Signalverarbeitungseinheit eine Vergleichseinheit. Die Vergleichseinheit ist dazu eingerichtet, mindestens einen Pegel des Ordnungsspektrogramms bei mindestens einer Ordnung mit einem der Ordnung zugewiesenen Schwellenwert zu vergleichen. Eine Ordnung ist dabei ein entsprechendes, insbesondere ganzzahliges, Verhältnis der Frequenz des Messsignals zu der

Anregungsfrequenz, also der Drehzahl des Elektromotors.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die

Signalverarbeitungseinheit eine Abtasteinrichtung zur Abtastung des

Messsignals und zur Erzeugung von zeitdiskreten und wertdiskreten Messwerten auf. Die Abtasteinrichtung tastet das Messsignal dabei insbesondere in periodischen Zeitabständen ab. Die Abtastfrequenz bleibt dabei auch bei sich ändernder Drehzahl des Elektromotors konstant.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Signalverarbeitungseinheit eine Abtasteinrichtung zur Abtastung des

Messsignals und zur Erzeugung von winkeldiskreten und wertdiskreten

Messwerten auf. Die Abtasteinrichtung tastet das Messsignal dabei insbesondere bei bestimmten Drehwinkeln des Elektromotors ab. Während einer Umdrehung des Elektromotors werden dabei stets gleich viele Messwerte erzeugt. Die Abtastfrequenz ist dabei proportional zu der sich ändernden Drehzahl des Elektromotors.

Vorzugsweise umfasst die Signalverarbeitungseinheit auch einen digitalen Signalprozessor. Der digitale Signalprozessor ist dazu eingerichtet, eine Fourier- Transformation oder eine Fast- Fourier-Transformation der wertdiskreten

Messwerte durchzuführen. Bei den wertdiskreten Messwerten kann es sich um zeitdiskrete Messwerte ebenso wie um winkeldiskrete Messwerte handeln.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der

Beschleunigungssensor als MEMS-Sensor, also als Micro-Electro-Mechanical- System-Sensor ausgebildet. MEMS-Sensoren sind verhältnismäßig

kostengünstig und weisen eine kompakte Bauform auf.

Es wird auch ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern in einer

erfindungsgemäßen Antriebseinheit vorgeschlagen, welche einen Elektromotor, ein Getriebe, eine Leistungselektronik zum Ansteuern des Elektromotors und einen Beschleunigungssensor umfasst.

Dabei werden Schwingungen, welche von dem Elektromotor und/oder von dem Getriebe erzeugt werden, von dem Beschleunigungssensor aufgenommen und in ein Messsignal gewandelt. Aus dem Messsignal und einer Drehzahl des

Elektromotors wird von einer Signalverarbeitungseinheit ein

Ordnungsspektrogramm erstellt.

Das erstellte Ordnungsspektrogramm stellt eine Abhängigkeit des Messsignals von der Drehzahl des Elektromotors dar. Die sich ändernde Drehzahl des Elektromotors stellt dabei eine Anregung der Antriebseinheit dar. Die Anregungsfrequenz ist somit ebenfalls veränderlich. Das Messsignal stellt eine Antwort der Antriebseinheit auf diese Anregung mit veränderlicher

Anregungsfrequenz dar. Das Messsignal weist einen Pegel und eine Frequenz auf, welche jeweils von der Anregungsfrequenz abhängig sind.

Dabei wird mindestens ein Pegel des Ordnungsspektrogramms bei mindestens einer Ordnung von einer Vergleichseinheit mit einem der Ordnung zugewiesenen Schwellenwert verglichen. Eine Ordnung ist dabei ein entsprechendes, insbesondere ganzzahliges, Verhältnis der Frequenz des Messsignals zu der Anregungsfrequenz, also der Drehzahl des Elektromotors.

Ein Fehler in der Antriebseinheit wird erkannt, wenn der mindestens eine Pegel des Ordnungsspektrogramms den der Ordnung zugewiesenen Schwellenwert übersteigt. Der entsprechende Schwellenwert wird beispielsweise einem zuvor erstellten Soll-Ordnungsspektrum entnommen, welches mit einer vollständig funktionsfähigen, fehlerfreien Antriebseinheit erstellt worden ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Messsignal von einer Abtasteinrichtung abgetastet, wodurch zeitdiskrete und wertdiskrete Messwerte erzeugt werden. Das Messsignal dabei wird dabei insbesondere in periodischen Zeitabständen von der Abtasteinrichtung abgetastet. Die

Abtastfrequenz bleibt dabei auch bei sich ändernder Drehzahl des Elektromotors konstant.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Messsignal von einer Abtasteinrichtung abgetastet, wodurch winkeldiskrete und wertdiskrete Messwerte erzeugt werden. Das Messsignal wird dabei

insbesondere bei bestimmten Drehwinkeln des Elektromotors von der

Abtasteinrichtung abgetastet. Während einer Umdrehung des Elektromotors werden dabei stets gleich viele Messwerte erzeugt. Die Abtastfrequenz ist dabei proportional zu der sich ändernden Drehzahl des Elektromotors.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird eine Fourier- Transformation oder eine Fast- Fourier-Transformation der wertdiskreten

Messwerte von einem digitalen Signalprozessor durchgeführt. Bei den wertdiskreten Messwerten kann es sich dabei um zeitdiskrete Messwerte ebenso wie um winkeldiskrete Messwerte handeln. Eine erfindungsgemäße Antriebseinheit sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erkennung von Fehlern in einer Antriebseinheit finden vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug.

Vorteile der Erfindung

In einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit sind auf einfache Weise

mechanische Fehler, insbesondere in dem Elektromotor sowie in dem Getriebe, feststellbar. Die Anzahl von erforderlichen Bauteilen zur Erkennung derartiger Fehler ist dabei vorteilhaft minimiert. Es ist lediglich ein

Beschleunigungsaufnehmer in dem Gehäuse der Leistungselektronik derart anzuordnen, dass von dem Elektromotor und/oder von dem Getriebe erzeugte Schwingungen zu dem Beschleunigungssensor übertragen werden. Dabei kann besonders vorteilhaft ein kompakter und kostengünstiger MEMS-Sensor eingesetzte werden. Von dem Beschleunigungsaufnehmer ausgegebene Messsignale können durch eine Signalverarbeitungseinheit weiterverarbeitet und ausgewertet werden. Eine dazu geeignete Signalverarbeitungseinheit kann einfach in die Leistungselektronik integriert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Erkenntnis, dass mechanische Fehler, insbesondere in dem Elektromotor sowie in dem Getriebe, insbesondere Schwingungen verursachen, deren Frequenzen Vielfache der Drehzahl des Elektromotors entsprechen. Durch Erstellung und Auswertung eines Ordnungsspektrums lassen sich solche Schwingungen auch bei veränderlicher Drehzahl des

Elektromotors erkennen und bewerten. Mittels des erfindungsgemäßen

Verfahrens können somit mechanische Fehler verhältnismäßig einfach durch Auswertung der Messsignale des Beschleunigungsaufnehmers festgestellt werden.

Eine erfindungsgemäße Antriebseinheit kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens vor Auslieferung an den Kunden überprüft werden. Nach der Fertigung wird dazu ein Bandende-Test durchgeführt, wobei das erstellte Ordnungsspektrum mit einem Soll-Ordnungsspektrum verglichen wird. Auch ist eine Identifikation von Verschleiß sowie Beschädigung der einzelnen

Komponenten der Antriebseinheit möglich. Veränderungen von bestimmten Ordnungen sind Indikatoren für Veränderungen an einer bestimmten, diesen Ordnungen zugeordneten Komponente. Auch ist eine Feldlastdatenerfassung denkbar. Dabei werden typische Vibrationslasten in der Antriebseinheit identifiziert. Daraus kann eine komponentenspezifische Feldlast abgeleitet werden und insbesondere zur Verbesserung der Zuverlässigkeitsabsicherung genutzt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Antriebseinheit für ein

Elektrofahrzeug,

Figur 2 einen schematischen Schaltplan der Antriebseinheit aus Figur 1 und

Figur 3 eine graphische Darstellung eines erstellten

Ordnungsspektrogramms der Antriebseinheit.

Ausführungsformen der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Antriebseinheit 10 für ein Elektrofahrzeug. Die Antriebseinheit 10 umfasst einen Elektromotor 20 mit einem Gehäuse 22. Die Antriebseinheit 10 umfasst auch ein Getriebe 30 mit einem Gehäuse 32. Die Antriebseinheit 10 umfasst ferner eine Leistungselektronik 40 mit einem Gehäuse 42.

Das Gehäuse 22 des Elektromotors 20, das Gehäuse 32 des Getriebes 30 und das Gehäuse 42 der Leistungselektronik 40 sind mechanisch miteinander verbunden, insbesondere durch hier nicht dargestellte Schrauben. Schwingungen, die von oder in einem der Gehäuse 22, 32, 42 erzeugt werden, werden auf die anderen Gehäuse 22, 32, 42 übertragen. Im Betrieb der

Antriebseinheit 10 werden insbesondere von dem Elektromotor 20 und von dem Getriebe 30 Schwingungen erzeugt.

Die Antriebseinheit 10 umfasst auch einen Beschleunigungssensor 50. Der Beschleunigungssensor 50 ist dabei in dem Gehäuse 42 der Leistungselektronik 40 angeordnet. Das Gehäuse 42 der Leistungselektronik 40 ist, wie bereits erwähnt, derart mit dem Elektromotor 20 und mit dem Getriebe 30 mechanisch gekoppelt, dass von dem Elektromotor 20 und von dem Getriebe 30 erzeugte Schwingungen zu dem in dem Gehäuse 42 der Leistungselektronik 40 angeordneten Beschleunigungssensor 50 übertragen werden.

Der Beschleunigungssensor 50 der Antriebseinheit 10 ist dazu eingerichtet, die zu ihm übertragenen Schwingungen aufzunehmen und diese in ein Messsignal zu wandeln. Der Beschleunigungssensor 50 ist vorliegend als MEMS-Sensor, also als Micro-Electro-Mechanical-System-Sensor ausgebildet. Der

Beschleunigungssensor 50 ist somit verhältnismäßig kostengünstig und weist eine kompakte Bauform auf.

Figur 2 zeigt einen schematischen Schaltplan der in Figur 1 dargestellten Antriebseinheit 10 für ein Elektrofahrzeug. Die Leistungselektronik 40 dient zum Ansteuern des Elektromotors 20 und liefert einen Strom zum Antrieb des Elektromotors 20. Der Elektromotor 20 ist vorliegend dreiphasig ausgebildet. Die Leistungselektronik 40 ist mittels drei Phasenleitern mit dem Elektromotor 20 elektrisch verbunden.

Die Leistungselektronik 40 der Antriebseinheit 10 ist mit einer Traktionsbatterie 15 des Elektrofahrzeugs elektrisch verbunden. Die Traktionsbatterie 15 liefert insbesondere elektrische Energie zum Antrieb des Elektrofahrzeugs. Die Leistungselektronik 40 umfasst einen dreiphasigen Wechselrichter oder Inverter, welcher aus der von der Traktionsbatterie 15 gelieferten Gleichspannung eine dreiphasige Wechselspannung zum Ansteuern des dreiphasigen Elektromotors 20 generiert.

Die Leistungselektronik 40 der Antriebseinheit 10 umfasst auch eine

Signalverarbeitungseinheit 60, welche mit dem Beschleunigungssensor 50 verbunden ist. Die Signalverarbeitungseinheit 60 dient insbesondere dazu, aus dem Messsignal des Beschleunigungssensors 50 und einer Drehzahl des Elektromotors 20 ein Ordnungsspektrogramm zu erstellen.

Die Signalverarbeitungseinheit 60 der Leistungselektronik 40 umfasst eine Vergleichseinheit. Die Vergleichseinheit dient insbesondere dazu, Pegel des Ordnungsspektrogramms bei mehreren Ordnungen mit jeweils einem der Ordnung zugewiesenen Schwellenwert zu vergleichen.

Die Signalverarbeitungseinheit 60 der Leistungselektronik 40 umfasst auch eine Abtasteinrichtung. Die Abtasteinrichtung dient insbesondere zur Abtastung des Messsignals des Beschleunigungssensors 50 und zur Erzeugung von

wertdiskreten Messwerten. Bei den wertdiskreten Messwerten kann es sich, je nach Funktionsweise der Abtasteinrichtung, um zeitdiskrete Messwerte ebenso wie um winkeldiskrete Messwerte handeln.

Beispielsweise kann die Abtasteinrichtung das Messsignal in periodischen Zeitabständen abtasten. Dadurch werden zeitdiskrete Messwerte erzeugt. Die Abtastfrequenz bleibt dabei auch bei sich ändernder Drehzahl des Elektromotors 20 konstant. Die Abtasteinrichtung kann das Messsignal auch bei bestimmten Drehwinkeln des Elektromotors 20 abtasten. Dadurch werden winkeldiskrete Messwerte erzeugt. Während einer Umdrehung des Elektromotors 20 werden dabei stets gleich viele Messwerte erzeugt. Die Abtastfrequenz ist dabei proportional zu der sich ändernden Drehzahl des Elektromotors 20.

Die Signalverarbeitungseinheit 60 der Leistungselektronik 40 umfasst auch einen digitalen Signalprozessor. Der digitale Signalprozessor dient insbesondere dazu, eine Fourier-Transformation oder eine Fast- Fourier-Transformation der wertdiskreten Messwerte durchzuführen. Bei den zu transformierenden wertdiskreten Messwerten kann es sich dabei um zeitdiskrete Messwerte ebenso wie um winkeldiskrete Messwerte handeln.

Figur 3 zeigt eine graphische Darstellung eines von der in Figur 2 dargestellten Signalverarbeitungseinheit 60 erstellten Ordnungsspektrogramms der

Antriebseinheit 10. Auf der x-Achse ist dabei die Frequenz des von dem

Beschleunigungssensor 50 aufgenommenen Messsignals in der Einheit "Hz" aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Drehzahl des Elektromotors 20 in der Einheit "Umdrehungen pro Minute" aufgetragen. Eine Ordnung ist vorliegend ein Verhältnis der Frequenz des Messsignals zu der Drehzahl des Elektromotors 20.

Zu beachten ist, dass zur Berechnung des besagten Verhältnisses die Drehzahl des Elektromotors 20 zunächst in die Einheit "Hz" umzurechnen ist.

In dem Ordnungsspektrogramm ist dabei nur eine Ordnung dargestellt, deren Pegel einen zugewiesenen Schwellenwert überschreitet. Wie aus der graphischen Darstellung in Figur 3 ersichtlich ist, ist das Verhältnis der Frequenz des aufgenommenen Messsignals zu der Drehzahl des Elektromotors 20 bei der dargestellten Ordnung gleich 27. Der Pegel der 27. Ordnung des

Ordnungsspektrogramms überschreitet also den zugewiesenen Schwellenwert. Damit wird ein Fehler in der Antriebseinheit 10 erkannt.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.