Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieabsorption in einem elektrischen Antriebssystem, insbesondere ein Antriebssystem für ein Einstiegs- oder Türsystem eines Fahrzeugs, sowie ein solches elektrisches Antriebssystem.

Bei derartigen Antriebssystemen, die beispielsweise - jedoch ohne zwingende Beschränkung - für Einstiegs- bzw. Türsysteme von Straßen- oder Schienenfahrzeugen verwendet werden, wird ein Triebkörper, z. B. Türflügel, Rampe, Tritt und dergleichen, mit Hilfe wenigstens eines Elektromotors elektrisch verfahren. Die Regelung des Türlaufs kann mit einer kaskadierten Reglerstruktur erfolgen, die beispielsweise einen Stromregler, einen Geschwindigkeitsregler und einen Positionsregler aufweisen kann.

Um die vom Positionsregler vorgegebene Geschwindigkeit zu erreichen oder zu halten, wird vom Geschwindigkeitsregler ein Stromvorgabewert berechnet, welcher vom Stromregler umgesetzt wird. Bei einem Öffnungs- und Schließvorgang durchläuft der Motor durch die in beiden Antriebsrichtungen auftretenden Be- schleunigungs- und Verzögerungsphasen bei einem so genannten Vier-Quadran- ten-Betrieb (vgl. Fig. 1) alle vier Betriebs-Quadranten I-IV, nämlich Vorwärtsfahren (I), Vorwärtsbremsen (II), Rückwärtsfahren (III) und Rückwärtsbremsen (IV). Im Antriebsmodus arbeitet die elektrische Maschine als Motor und wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um und unterstützt dessen Bewegung. Im Bremsmodus arbeitet die elektrische Maschine als Generator und wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um und widersetzt sich dadurch der Bewegung. Der Motor kann grundsätzlich sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung arbeiten (d. h. in Antriebs- und Bremsvorgänge).

Bei der oben erwähnten Reglerstruktur wirkt der Ausgangswert des Stromreglers (d. h. durch Pulsmuster bzw. Duty-Cycle) auf die Ansteuerung einer so genannten Motorbrücke. In einer üblichen Ausführung besteht die Motorbrücke, wie sie beispielhaft in Fig. 2 veranschaulicht ist, aus zwei Halbbrücken, deren Mittelpunkt jeweils mit einem Motorpol M1+, Ml- verbunden ist, sowie einem Zwischenkreiskondensator CZK. Beim Betrieb des Motors in den Quadranten I und III liefert die Motorbrücke Energie zum Motor, während in den Quadranten II und IV von der Motorbrücke Energie vom Motor aufgenommen werden muss. In vielen Fällen ist eine Rückspeisung der vom Motor aufgenommenen Energie in das vorgelagerte Versorgungsnetz nicht möglich. Grund hierfür kann z. B. ein Gleichrichter zwischen Versorgungsnetz und Motorbrücke sein, welcher einen Rückstrom in das Versorgungsnetz nicht zulässt.

In diesem Fall muss die Energieaufnahme vom Motor gestoppt werden, sobald die Spannung im Zwischenkreiskondensator den zulässigen maximalen Wert erreicht hat. Die Aufnahmefähigkeit des Zwischenkreiskondensators wird dabei durch seine Kapazität und die maximal zulässige Spannung begrenzt.

Bei der Auslegung eines Zwischenkreiskondensators für ein elektrisch angetriebenes Einstiegs- bzw. Türsystem muss mindestens die bei maximaler Verfahrgeschwindigkeit im Türsystem als kinetische Energie gespeicherte Energie vom Zwischenkreiskondensator aufgenommen werden können. Die bei einer Abbremsung in den Zwischenkreiskondensator gespeicherte Energie wird beim nächsten Beschleunigungsvorgang wieder dem Türsystem zugeführt, sodass der Zwischenkreiskondensator für die nächste Abbremsung des Türsystems aufnahmefähig ist. Mit dieser Auslegung erreicht die Spannung des Zwischenkreiskondensators im normalen Betrieb in der Ebene die maximal zulässige Spannung nicht.

Mit einer solchen Auslegung sind die folgenden Sonderfäll jedoch nicht abgedeckt:

• Einflügeliges Türsystem mit Neigung des Fahrzeugs (z. B. Haltestelle an einem Hang)

• Krafteinwirkung durch Vandalismus (z. B. Person/Fahrgast versucht Tür zu Beschleunigen)

Die beiden Sonderfälle sorgen dafür, dass von der Motorbrücke Energie vom Motor aufgenommen werden muss, damit die vorgegebene Geschwindigkeit vom Geschwindigkeitsregler beibehalten werden kann. Bei einflügeligen Türsystemen mit Neigung des Fahrzeugs kann das notwendige Energieaufnahmevermögen des Zwischenkreiskondensators mittels Simulation ermittelt bzw. berechnet und berücksichtigt werden. Im Fall einer Krafteinwirkung durch Vandalismus ist die in das Türsystem eingebrachte Energie abhängig von der Kraft (Vandalismus durch eine oder mehrere Personen) und die Dauer der Einwirkung. Eine Auslegung des Zwischenkreiskondensators auf den Vandalismusfall ist aus Platz- und Kostengründen in den meisten Fällen nicht möglich.

Zur Erhöhung des Energieaufnahmevermögens des Zwischenkreises ist es bei industriellen Frequenzumrichtern bekannt, Bremswiderstände zu verwenden, welche bei Abbremsvorgängen der elektrischen Maschine die zurückgespeiste Energie in Wärme umwandeln. Zusätzliche Bremswiderstände inkl. Ansteuerungs- und Über- wachungsschaltung sind mit Kosten und Bauraum verbunden, welche nicht mit den Anforderungen für Türsteuergeräte in Fahrzeugen (z. B. des Personenverkehrs) vereinbar sind.

Bei Türsteuergeräten wird die Spannung der Zwischenkreiskondensatoren passiv mittels spannungsbegrenzender Bauteile (z. B. Varistoren, TVS-Dioden etc.) begrenzt, bzw. die Energieaufnahme durch Abschaltung der Motorbrücke beendet. Spannungsbegrenzende Bauteile unterliegen einer Alterung und ihr Energieaufnahmevermögen darf zum Schutz der Bauteile nicht überschritten werden (schwierige Auslegung). Eine Abschaltung der Motorbrücke lässt ein leicht bewegliches Türsystem zurück, welches unter Umständen bei weiterer Krafteinwirkung zu schnell in die Endlage fährt und mechanisch beschädigt wird.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Energieabsorption in einem elektrischen Antriebssystem, zum Beispiel für den Betrieb eines Einstieg- oder Türsystems eines Fahrzeugs sowie ein elektrisches Antriebssystem bereitzustellen, die einen zuverlässigen, langlebigen, effizienten und sicheren Betrieb beispielsweise des Einstieg-/Türsystems gewährleisten. Das Verfahren und das Antriebssystem sollen baulich einfach und kostengünstig implementierbar sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.

Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder" stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.

Außerdem soll ein hierin verwendeter Begriff „etwa" einen Toleranzbereich angeben, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht. Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa" ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-10 % zu verstehen.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Energieabsorption in einem elektrischen Antriebssystem, insbesondere Antriebssystem zum Betrieb eines Einstiegoder Türsystems eines Fahrzeugs (z. B. Landfahrzeug wie Straßen- oder Schienenfahrzeug, Luft- oder Wasserfahrzeug), wobei das Antriebssystem einen elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb eines Triebkörpers (z. B. Türflügel, eine Rampe oder ein Tritt) und eine Motorsteuerschaltung zur Antriebssteuerung des Antriebsmotors aufweist, wird dem Antriebsmotor in einer Antriebsbetriebsart über die Motorsteuerschaltung elektrische Energie gesteuert zugeführt und in einer Bremsbetriebsart vom Antriebsmotor über die Motorsteuerschaltung elektrische Energie aufgenommen. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass wahlweise wenigstens ein Teil der aufgenommenen Energie durch einen ohmschen Widerstand des Antriebssystems mittels Einprägen eines alternierenden Stroms in das Antriebssystem gesteuert, d. h. aktiv durch zielgerichtetes Handeln, nicht jedoch durch einen inhärent stattfindenden, passiven Vorgang, in Wärme umgewandelt wird (hierin auch kurz als gezielte oder gesteuerte Energieumwandlung bezeichnet).

Als inhärenter Energieumwandlungsvorgang ist insbesondere die bei jedem Betrieb des Antriebssystems immer stattfindende und damit nicht zu vermeidende Wärmeentwicklung jedes stromdurchflossenen ohmschen Widerstands (z. B. Leiter) zu verstehen. Diese ist jedoch nicht als erfindungsgemäße Energieumwandlung zu verstehen. Stattdessen offenbart die Erfindung eine Energieumwandlung, die infolge des gezielt in das Antriebssystems (zusätzlich) eingeprägten alternierenden Stroms hervorgerufen wird, der an sich im Wesentlichen keine Antriebsleistung im Antriebsmotor erzeugt bzw. erzeugen soll. Die wahlweise Ausführung der gesteuerten Energieumwandlung, d. h. die gesteuerte Aktivierung und Deaktivierung, erfolgt vorzugsweise nach vorbestimmten Betriebskriterien und/oder Betriebszuständen des Antriebssystems. Hier und nachfolgend ist unter einem alternierenden Strom ein elektrischer Strom zu verstehen, dessen Richtung zyklisch oder periodisch wechselt. Entsprechend ist unter einer alternierenden Spannung eine elektrische Spannung zu verstehen, deren Polarität zyklisch oder periodisch wechselt.

Grundsätzlich kann es bei dem alternierenden Strom bzw. bei der alternierenden Spannung sein, dass die Dauer der beiden Richtungen des Stroms bzw. der beiden Polaritäten der Spannung und alternativ oder zusätzlich auch der Absolutbetrag des Pegels der beiden Richtungen des Stroms bzw. der beiden Polaritäten der Spannung unterschiedlich ist. Anders ausgedrückt muss der alternierende Strom bzw. die alternierende Spannung weder zeitlich noch hinsichtlich des Pegels symmetrisch sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, dass bei dem alternierenden Strom die zeitliche Dauer eines Intervalls eines Stromflusses in einer ersten Richtung der zeitlichen Dauer eines Intervalls eines Stromflusses in einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung entspricht. Der alternierende Strom wäre also gleichsam zeitlich symmetrisch.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass bei dem alternierenden Strom der Absolutbetrag eines Stromflusses während eines Intervalls des Stromflusses in einer ersten Richtung dem Absolutbetrag eines Stromflusses während eines Intervalls des Stromflusses in einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung entspricht. Entsprechend ist der alternierende Strom dann in seinem Absolutbetrag symmetrisch. Es ist zu beachten, dass die vorstehenden Ausführungen den alternierenden und damit den eingeprägten Strom betreffen und nicht den Strom insgesamt. Regelmäßig kann trotz einer Symmetrie des alternierenden Stroms der Strom insgesamt diese Symmetrie dann nicht aufweisen.

Die Erfindung nutzt durch gezieltes Einprägen des alternierenden Stroms in das wenigstens den Antriebsmotor und die Motorsteuerschaltung aufweisende Antriebssystem den ohnehin vorhandenen elektrischen Widerstand im Antriebssystem (z. B. Motowicklung des Antriebsmotors, elektrische Anschluss-/Verbindungs- leitungen, mögliche Halbleiterschaltelemente der Motorsteuerschaltung usw.) zur Umsetzung von elektrischer Energie bzw. elektrischer Leistung in Wärme. Auf diese Weise muss die Energie bzw. die Leistung nicht z. B. von einem Zwischenkreiskondensator der Motorsteuerschaltung aufgenommen bzw. vollständig aufgenommen werden. Hierzu sind keine weiteren (zusätzlichen) Bauteile notwendig, da bereits vorhandene Komponenten des Antriebssystems genutzt werden.

Im Fall einer Krafteinwirkung durch Vandalismus beispielsweise ist die in das Antriebssystem bzw. in ein von diesem angetriebenes Einstieg- oder Türsystem eingebrachte Energie abhängig von der Kraft (Vandalismus durch eine oder mehrere Personen) und die Dauer der Einwirkung. Die gezielte Energieumwandlung im bzw. in den ohmschen Widerständen des Antriebssystems ermöglicht es, derartige Fälle von unbestimmter Krafteinwirkung ohne eine spezielle, zusätzliche elektrische Auslegung des Antriebssystems, zum Beispiel eines Zwischenkreiskondensators der Motorsteuerung, zuverlässig und sicher zu überstehen. Das Antriebssystem bzw. ein Einstiegs- oder Türsystem eines Fahrzeugs kann/können damit zuverlässig, sicher, langlebig und effizient betrieben werden.

Es wurde herausgefunden, dass zum Beispiel in einem Fall von Vandalismus ein typischer Leistungseintrag von etwa 100 W bzw. in einem Bereich von etwa 50 W bis 150 W zu erwarten ist. Da der Leistungseintrag durch Vandalismus nur während einer vorgegebenen, begrenzten Antriebsstrecke des Triebkörpers stattfinden kann, z. B. ein Lauf einer angetriebenen Einstiegstür, Rampe oder Tritt, ist die Dauer des Leistungseintrags zeitlich durch die Dauer des Verfahrwegs des Triebkörpers von einer Endlage in eine andere Endlage begrenzt. Folglich ist auch die insgesamt eintragbare Energie begrenzt. Eine thermische Überlastung der Komponenten des Antriebssystems kann bei passender Auslegung der Bauteile somit ausgeschlossen werden. Eine Verlustleistung von etwa 100 W lässt sich mit einem beispielhaft angenommenen ohmschen Summenwiderstand im Antriebssystem von etwa 1 Ohm mit einem einzuprägenden Strom von etwa 10 A erzeugen. Die ohmsche Verlustleistung P bestimmt sich in bekannter Weise aus dem von einem Strom I durchflossenen ohmschen Widerstand R nach

P = R ■ I ² .

In besonders bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird der inhärente ohmsche Widerstand wenigstens einer elektrischen Komponente, die für einen funktionsgemäßen Betrieb des Antriebssystems vorgesehen ist, insbesondere z. B. elektrische Stromleitung(en), Motorwicklung(en) des Antriebsmotors und/oder Halbleiter- schaltelement(e) der Motorsteuerschaltung (z. B. Halbleiterschalter einer Motorbrücke), zur gesteuerten Umwandlung der Energie in Wärme verwendet. Als derartige elektrische Komponente ist grundsätzlich jede elektrische Komponente des Antriebssystems mit einem inhärenten ohmschen Widerstand zu verstehen, die zur Implementierung der eigentlichen Antriebssteuerung des Antriebsmotors vorgesehen ist, so dass auf einen dedizierten ohmschen Widerstand, der im Wesentlichen nur zur Energieumwandlung vorgesehen wäre, verzichtet werden kann, was eine kostengünstige und kompakt bauende Implementierung ermöglicht.

Für den alternierenden Strom kann/können eine Frequenz und/oder eine Stromstärke bestimmt werden. Die Frequenz und/oder die Stromstärke des einzuprägenden alternierenden Stroms kann/können einmalig, z. B. nach der Fertigung und/oder Montage des Antriebssystems, bestimmt und damit vor dem eigentlichen Betrieb festgelegt (d. h. vorbestimmt) werden. Die Frequenz und/oder Stromstärke kann bzw. können alternativ oder zusätzlich auch während des Betriebs, das heißt in Reaktion auf aktuelle Betriebsbedingungen, bestimmt werden und dementsprechend automatisch an diese Betriebsbedingungen (z. B. augenblicklicher mechanischer Widerstand im Antriebssystem, augenblickliche Krafteinwirkung beispielsweise durch eine geneigte Lagerung des Antriebssystems, durch einen menschlichen Eingriff o. ä.) angepasst werden. Hierdurch lässt sich die ohmsche Energieumwandlung besonders effizient und genau steuern.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Frequenz des eingeprägten alternierenden Stroms derart gewählt, dass diese höher ist als eine mechanische Zeitkonstante des Antriebssystems, beispielsweise um einen Faktor von mindestens 10 höher, vorzugsweise bis zu einem Faktor von 100. Es kann auch sein, dass die Frequenz des eingeprägten alternierenden Stroms um einen Faktor von mindestens 100 höher ist. Die mechanische Zeitkonstante stellt in wohl bekannter Weise ein Maß für die mechanische Reaktionszeit des Antriebssystems dar, also beispielsweise die Reaktionszeit einer Motordrehzahl bei Änderungen der Motorklemmenspannung. Damit kann in das Antriebssystem der gewünschte alternierende Strom zur gezielten Energieumwandlung eingeprägt werden, der sich aber im Wesentlichen nicht bzw. nicht merklich auf die Beschleunigung oder Verzögerung die Triebkörpers, z. B. eine Einstiegstür, Rampe oder Tritt o. ä., auswirkt. Die derart gewählte Frequenz des eingeprägten alternierenden Stroms ist im mechanischen Antriebssystem jedenfalls nicht spürbar.

Ebenfalls in diesem Sinne sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstands vor, dass die Frequenz und Stromstärke des eingeprägten alternierenden Stroms derart gewählt werden, dass der zeitliche Mittelwert des eingeprägten Stroms null ist. In anderen Worten weist der ins Antriebssystem zusätzlich eingeprägte alternierender Strom im Wesentlichen keinen Gleichanteil auf. Ebenfalls kann es sein, dass bei dem alternierenden Strom die abgegebene elektrische Energie während eines Intervalls eines Stromflusses in einer ersten Richtung der abgegebenen elektrischen Energie während eines Intervalls eines Stromflusses in einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung entspricht. Folglich wird dann gleich viel Energie für beide Antriebsrichtungen aufgewandt, sodass im Ergebnis für die Bewegung eine Nettoenergieaufnahme von Null erfolgt. Durch diese Varianten kann sichergestellt werden, dass der alternierende Strom im Wesentlichen keinen bzw. keinen merklichen negativen Einfluss auf Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge des Antriebssystems hat. Die im Antriebssystem durch den eingeprägten alternierenden Strom resultierende Beschleunigung und Verzögerung heben sich gegeneinander auf.

Nach einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Antriebsmotor durch Ausgabe eines Stellgrößensignals von mindestens einem Regler geregelt, wobei ein Ripple-Signal zum Einprägen des alternierenden Stroms das Stellgrößensignal überlagert. Insbesondere wird das Ripple-Signal mit einer dem einzuprägenden Strom entsprechenden Frequenz und/oder mit einer dem einzuprägenden Strom entsprechende Amplitude ausgebildet. Dies dient dazu, letztendlich den einzuprägenden Strom mit einer bestimmten Frequenz und/oder einer bestimmten Stromstärke zu erzeugen und ermöglicht einen einfach zu implementierenden Eingriff in eine beispielsweise herkömmliche Reglerstruktur zur Erzeugung des alternierenden, bevorzugt hochfrequenten, Stroms im Antriebssystem bzw. Antriebsmotor.

Der mindestens eine Regler kann eine Vielzahl von Reglern umfassen, insbesondere einen Stromregler, einen Geschwindigkeitsregler und/oder einen Positionsregler, welche vorzugsweise funktional kaskadiert bzw. verschachtelt angeordnet sein können. Das heißt beispielsweise, dass der Geschwindigkeitsregler dem Stromregler eine Stromführungsgröße als Stellgrößensignal abhängig von einer rückgekoppelten Ist-Geschwindigkeit des Antriebsmotors zuführt und dass der Positionsregler dem Geschwindigkeitsregler eine Geschwindigkeitsführungsgröße - wiederum als Stellgrößensignal - abhängig von einer rückgekoppelten Ist-Position des Antriebsmotors oder des von diesem angetriebenen Triebkörpers zuführt. Dem Stromregler wird vorzugsweise ebenfalls ein den Antriebsmotor speisender Ist- Strom rückgekoppelt zugeführt.

Es ist grundsätzlich denkbar, ebenso andere Regler-/Steuerstrukturen als die vorgenannten zu verwenden und dem Antriebssystem das Ripple-Signal dementsprechend auch auf andere Weise einzuprägen. Beispielsweise ist es denkbar, dass ein Ripple-Signal einem pulsweitenmodulierten (PWM) Signal zur Antriebssteuerung des Antriebsmotors direkt aufgeprägt wird. Hierzu kann beispielsweise direkt der Tastgrad (Duty Cycle) des PWM-Signals manipuliert bzw. verändert werden, um den erfindungsgemäßen Effekt des Ripple-Signals im Antriebssystem zu erzielen.

Für einen möglichst effizienten und zuverlässigen Betrieb des Antriebssystems kann nach einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstands wenigstens ein Teil der vom Antriebsmotor über die Motorsteuerschaltung aufgenommenen elektrischen Energie in einem wiederaufladbaren Energiespeicher, z. B. ein Kondensator, gespeichert werden. Bei einer Ansteuerung des Antriebsmotors mittels einer Motorbrücke, die zum Beispiel zwei Halbbrücken aufweisen kann, kann der Energiespeicher ein so genannter Zwischenkreiskondensator sein.

Wird die vom Antriebsmotor aufgenommene Energie in einem Energiespeicher zwischengespeichert, kann sie nach einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung dem Antriebsmotor in seiner Antriebsbetriebsart aus dem Energiespeicher wieder entnommen und über die Motorsteuerschaltung gesteuert zugeführt werden. Auf diese Weise kann der Energiespeicher vollständig entleert werden, um für die nächste Aufnahme eine maximale Speicherkapazität zur Verfügung zu stellen. Dies erhöht die Betriebseffizienz des Antriebssystems noch weiter.

Vorzugsweise kann die vom Antriebsmotor aufgenommene elektrische Energie zuerst so lange dem Energiespeicher zugeführt werden, bis ein erster vorbestimmter elektrischer und/oder thermischer Schwellenwert überschritten wird, und erst nach Überschreiten des ersten Schwellenwerts die vom Antriebsmotor darüber hinaus aufgenommene elektrische Energie mittels Einprägen des alternierenden Stroms in das Antriebssystem gesteuert in Wärme umgewandelt werden. Der Schwellenwert kann z. B. eine maximale/minimale Speicherkapazität des Energiespeichers, eine maximale/minimale elektrische Speisespannung am Energiespeicher, eine maximale/minimale Temperatur des Energiespeichers und dergleichen sein. Jedenfalls kann der vorbestimmte Schwellenwert mit dem Ziel gewählt werden, zu jeder Zeit einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Antriebssystems zu gewährleisten, insbesondere elektrische Komponenten des Antriebssystems vor einer Überlastung und Schäden zu schützen. Beispielsweise kann der Energiespeicher in diesem Sinne zuerst vollständig aufgeladen werden, bevor weitere vom Antriebssystem bzw. Antriebsmotor aufgenommene Energie gezielt in Wärme umgewandelt wird, um den Energiespeicher vor einer Überlastung/Schädigung zu schützen und gleichzeitig die Betriebseffizienz des Antriebssystems zu erhöhen.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Unterschreiten eines zweiten vorbestimmten elektrischen und/oder thermischen Schwellenwerts das gesteuerte Umwandeln der vom Antriebsmotor aufgenommenen elektrischen Energie in Wärme beendet, wobei sich der zweite Schwellenwert vom ersten Schwellenwert unterscheidet. In anderen Worten wird durch die erfindungsgemäße Festlegung des ersten und zweiten Schwellenwerts eine Hysterese für die Aktivierung und Deaktivierung der gezielten Energieumwandlung gebildet. Je nach physikalischer Größe, auf die sich der jeweilige Schwellenwert bezieht, z. B. Speicherkapazität, Höhe der Speisespannung, Temperatur und dergleichen, kann der zweite Schwellenwert betragsmäßig kleiner sein, z. B. sobald eine bestimmte Temperatur des Energiespeichers (wieder) unterschritten wird oder die Speisespannung am Energiespeicher (wieder) einen bestimmten Wert unterschreitet. Vorzugsweise wird nach dem Beenden der gesteuerten Energieumwandlung vom Antriebsmotor aufgenommene Energie erneut im Energiespeicher gespeichert, bis der erste Schwellenwert abermals überschritten wird.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgenstands wird das Antriebssystem derart ausgebildet, dass der für die gesteuerte Umwandlung in Wärme zur Verfügung stehende ohmsche Gesamtwiderstand im Antriebssystem einen Wert von 0,5 bis 5 Ohm aufweist, bevorzugt 1 Ohm bis 5 Ohm, beispielsweise auch etwa 1 Ohm, 2 Ohm, 3 Ohm oder 4 Ohm sowie weitere Zwischenwerte zwischen 0,5 und 5 Ohm. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass ein solcher ohmscher Gesamtwiderstand eine für abzusichernde Betriebsfälle, wie zum Beispiel Vandalismus, ausreichende Energieumwandlung mit einem bereits geringen einzuprägenden Strom von etwa 1 A gewährleisten. Das Verfahren sowie das Antriebssystem lassen sich somit kostengünstig und bauraumsparend implementieren.

Grundsätzlich ist das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren generisch anwendbar und entsprechend mit allen solchen Antriebssystemen verwendbar, die einen von wenigstens einem Antriebsmotor angetriebenen Triebkörper aufweisen, wobei vom Antriebsmotor in bestimmten Betriebsphasen (z. B. Bremsvorgänge) elektrische Energie von der Motorsteuerschaltung entgegengenommen bzw. absorbiert werden muss.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein elektrisches Antriebssystem, insbesondere zum Betrieb eines Einstieg- oder Türsystems eines Fahrzeugs (z. B. Landfahrzeug wie Straßen- oder Schienenfahrzeug, Luft- oder Wasserfahrzeug), einen elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb eines Triebkörpers (z. B. Türflügel, eine Rampe oder ein Tritt) und eine Motorsteuerschaltung zur Antriebssteuerung des Antriebsmotors auf, wobei dem Antriebsmotor in einer Antriebsbetriebsart über die Motorsteuerschaltung elektrische Energie steuerbar zuführbar ist und vom Antriebsmotor in einer Bremsbetriebsart über die Motorsteuerschaltung elektrische Energie aufnehmbar ist. Es ist erfindungsgemäße eine Steuereinheit vorgesehen, die ausgebildet ist, ein Verfahren nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen auszuführen, um den Antriebsmotor zu steuern. Es ist zu verstehen, dass bezüglich antriebssystembezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile antriebssystemgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zurückgegriffen werden und umgekehrt. Auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile kann somit zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet werden, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung für einen der offenbarten Erfindungsgegenstände auszulegen wären.

Die Motorsteuerschaltung des Antriebssystems kann als Motorbrücke ausgebildet sein, die beispielsweise zwei Halbbrücken mit mehreren Halbleiterschaltelementen aufweisen kann.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung weist das Antriebssystem mindestens einen Regler zur Regelung des Antriebsmotors durch Ausgabe eines Stellgrößensignals sowie einen Ripple-Generator auf, welcher dazu eingerichtet ist, zum Einprägen des alternierenden Stroms ein Ripple-Signal zu erzeugen, welches das Stellgrößensignal überlagert. Im Falle einer Vielzahl von Reglern können diese zum Beispiel funktional kaskadiert bzw. verschachtelt sein. So kann es sein, dass ein Geschwindigkeitsregler und ein Stromregler derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der Geschwindigkeitsregler dem Stromregler eine zu regelnde Stromführungsgröße als Stellgrößensignal zuführt.

Es wird erneut darauf hingewiesen, dass grundsätzlich ebenso andere Regler- /Steuerstrukturen als die vorgenannte vorgesehen sein können, so dass dem Antriebssystem das Ripple-Signal auch auf andere Weise eingeprägt werden kann. Hierzu kann das Ripple-Signal zum Beispiel einem pulsweitenmodulierten (PWM) Signal zur Antriebssteuerung des Antriebsmotors direkt aufgeprägt werden, beispielsweise durch entsprechendes Verändern des PWM-Tastgrads (Duty Cycle).

Besonders bevorzugt weist das Antriebssystem einen für die gesteuerte Umwandlung in Wärme zur Verfügung stehenden ohmschen Gesamtwiderstand mit einem Wert von etwa 0,5 bis etwa 5 Ohm, bevorzugt etwa 1 Ohm bis etwa 5 Ohm auf, wobei beliebige Zwischenwerte zwischen 0,5 und 5 Ohm bzw. 1 und 5 Ohm ebenfalls umfasst sein sollen. Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist der Triebkörper des Antriebssystems ein Türflügel, eine Rampe oder ein Tritt eines Einstiegsystems eines Fahrzeugs, z. B. Straßen- oder Schienenfahrzeug des öffentlichen Personenverkehrs. In diesem Fall kann die Steuereinheit beispielsweise ein Zentralteil der Steuerung des Türsystems, von Tritten und Rampen sein.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

Fig. 1 vier Betriebs-Quadranten eines elektrischen Motors im Vier-Quadran- ten-Betrieb,

Fig. 2 ein Schaltbild einer beispielhaften Ausführung einer Motorbrücke nach dem Stand der Technik und

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines elektrischen Antriebssystems gemäß der Erfindung dar, das von einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung gesteuert wird.

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.

Fig. 1 stellt zur Veranschaulichung eines Vier-Quadranten-Betriebs eines Antriebsmotors vier Betriebs-Quadranten I, II, III und IV dar, wobei der Quadrant I einen Vorwärtsfahrvorgang, Quadrant II einen Vorwärtsbremsvorgang, Quadrant III einen Rückwärtsfahrvorgang und Quadrant IV einen Rückwärtsbremsvorgang mit der jeweils gezeigten Drehrichtung n (positiver Wert entspricht dem Uhrzeigersinn) und des wirkenden Drehmoments M (positiver Wert entspricht ebenfalls dem Uhrzeigersinn) darstellt. Im Antriebsmodus arbeitet die elektrische Maschine als Motor und wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um und unterstützt dessen Bewegung. Im Bremsmodus arbeitet die elektrische Maschine als Generator und wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um und widersetzt sich dadurch der positiven Antriebsbewegung. Das Schema des Vier- Quadranten-Betriebs ist allgemein bekannt, so dass an dieser Stelle auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet wird.

Fig. 2 stellt ein Schaltbild einer beispielhaften Ausführung einer Motorbrücke nach dem Stand der Technik dar. In einer solchen üblichen Ausführung besteht die Motorbrücke, wie in Fig. 2 veranschaulicht, aus zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Halbleiterschaltern VI und V2 bzw. V3 und V4, wobei die Mittelpunkte der jeweiligen Halbbrücken jeweils mit einem Motorpol M1+ bzw. Ml- verbunden sind. Außerdem weist die in Fig. 2 dargestellte Motorbücke einem Zwischenkreiskondensator CZK auf, um vom Motor M aufzunehmende Energie (z. B. Bremsvorgang) speichern zu können.

Beim Betrieb des Motors in den Quadranten I und III liefert die Motorbrücke Energie zum Motor, während in den Quadranten II und IV von der Motorbrücke Energie vom Motor aufgenommen werden muss. In vielen Fällen ist eine Rück-speisung der vom Motor aufgenommenen Energie in das vorgelagerte Versorgungsnetz nicht möglich. Grund hierfür kann z. B. ein Gleichrichter zwischen Versorgungsnetz und Motorbrücke sein, welcher einen Rückstrom in das Versorgungsnetz nicht zulässt.

Fig. 3 stellt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines elektrischen Antriebssystems 1 gemäß der Erfindung dar, das von einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung gesteuert wird. Das vorliegende Antriebssystem 1 dient beispielhaft dem Betrieb eines Einstieg- oder Türsystems eines Fahrzeugs (beides nicht dargestellt), ist jedoch nicht zwingend hierauf beschränkt. Das Fahrzeug ist bevorzugt ein Straßen- oder Schienenfahrzeug, z. B. Bus oder Bahn. Andere Fahrzeuge, beispielsweise ebenfalls Luft- und Wasserfahrzeuge, sind ebenfalls denkbar.

In Fig 3 ist zu erkennen, dass das Antriebssystem 1 einen elektrischen Antriebsmotor M zum Antrieb eines Triebkörpers 2, beispielsweise eine Einstiegstür, Tritt, Rampe und dergleichen, aufweist. Der Motor M kann beispielsweise und ohne zwingende Beschränkung hierauf ein Gleichstrom-Servomotor sein. Weiter weist das Antriebssystem 1 eine Motorsteuerschaltung 3 zur Antriebssteuerung des Antriebsmotors M auf, die zum Beispiel im Wesentlichen nach Art einer wie in Fig. 2 dargestellten Motorbrücke ausgebildet sein kann, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Die Motorsteuerschaltung 3 kann durch ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal (PWM-Signal) 5 angesteuert werden, um den Antriebsmotor 2 in einer Antriebsbetriebsart entsprechend dem PWM-Signal einen Antriebsstrom und somit elektrische Antriebsenergie zuzuführen. Das PWM-Signal 5 kann basierend auf einer Motorsteuervorgabe 4 (z. B. ein Wert eines anzuwendenden PWM-Tastgrads bzw. Duty Cycle) in herkömmlicher Weise erzeugt werden, so dass hierin nicht weiter darauf eingegangen wird. In einer Bremsbetriebsart ist elektrische Energie vom Antriebsmotor M über die Motorsteuerschaltung 3 aufnehmbar, wie im allgemeinen Teil dieser Beschreibung ausführlich beschrieben ist.

Die Motorsteuervorgabe 4 resultiert zu einem wesentlichen Teil letztlich aus einer eingangsseitig abhängig von einer bestimmten Betriebsart des Antriebssystems (z. B. Öffnen/Schließen des Türsystems) erzeugten Soll-Position 6' , die von einer Positionsvorgabeeinheit 6 bereitgestellt wird.

Insgesamt kann der in Fig. 3 beispielhaft gestrichelt dargestellte Rahmen des Antriebssystems 1 als Steuereinheit 7 aufgefasst werden. Es ist jedoch zu verstehen, dass nicht alle in Fig. 3 dargestellten Komponenten zwingend Bestandteil ein und derselben Steuereinheit 7 sein müssen, sondern auch außerhalb des in Fig. 3 gezeigten Rahmens bereitgestellt werden können, z. B. die Positionsvorgabeeinheit 6. Ebenso kann die Steuereinheit 7 weitere Komponenten aufweisen, die in Fig. 3 nicht dargestellt sind. Die Steuereinheit 7 kann im Wesentlichen durch eine Rechen- und Speichereinrichtung, z. B. Mikroprozessor, Microcontroller etc. sowie Speicher in Form von z. B. RAM, ROM, Flash etc., gebildet sein. Jedenfalls ist die Steuereinheit 7 ausgebildet, ein wie hierin offenbartes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen, um den Antriebsmotor M zu steuern.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Antriebssystem 1 als Regler 18 einen Stromregler 8, einen Geschwindigkeitsregler 9 und einen Positionsregler 10 zur Antriebssteuerung des Antriebsmotors M auf, die vorliegend der Steuereinheit 7 zugeordnet sind. Stromregler 8, Geschwindigkeitsregler 9 und Positionsregler 10, welche Regler 18 darstellen, sind bei dem dargestellten Antriebssystem 1 funktional verschachtelt angeordnet, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. In anderen Worten führt der Geschwindigkeitsregler 9 vorliegend dem Stromregler 8 eine Stromführungsgröße als Stellgrößensignal 11 abhängig von einer rückgekoppelten Ist-Geschwindigkeit 12 des Antriebsmotors M zu, und der Positionsregler 10 führt dem Geschwindigkeitsregler 9 eine Geschwindigkeitsführungsgröße 13 - welche ebenfalls als Stellgrößensignal 11 verstanden werden kann - abhängig vorliegend von einer rückgekoppelten Ist- Position 14 des Antriebsmotors M, die mit einer Ist-Position des Triebkörpers 2 korreliert, zu. Dem Stromregler 8 wird ein zum Motor M übertragener Ist-Strom 15 rückgekoppelt zugeführt. Auch die Motorsteuervorgabe 4 kann als Stellgrößensignal 11 verstanden werden.

Wie Fig. 3 weiter zu entnehmen ist, weist das Antriebssystem 1 einen Ripple-Ge- nerator 16 zur gesteuerten Erzeugung eines in Fig. 3 schematisch dargestellten Ripple-Signals 17 (z. B. im Wesentlichen ein Rechtecksignal) mit einer Frequenz und Amplitude auf. Der Ripple-Generator 16 kann wahlweise über ein Aktivierungssignal EN aktiviert und deaktiviert werden, um die Erzeugung des Ripple- Signals 17 entsprechend ein- und auszuschalten. In Fig. 3 ist zu erkennen, dass das Ripple-Signal 17 dem Stellgrößensignal 11 der Stromführungsgröße überlagert wird, so dass der Stromregler 8 neben dem vom Geschwindigkeitsregler 9 als Stromführungsgröße ausgegebenen Stellgrößensignal 11, das den für den eigentlichen Antrieb des Motors M zuzuführenden Antriebsstrom beschreibt, ebenfalls das überlagerte Ripple-Signal 17 empfängt. Infolgedessen erzeugt der Stromregler 8 bei aktiviertem Ripple-Signal 17 einen Antriebsstrom, der von einem alternierenden Strom mit einer Frequenz und Stromstärke, die von der gewählten Frequenz und Amplitude des Ripple-Signals 17 abhängen, überlagert ist. In anderen Worten kann in das Antriebssystem 1 bzw. den Antriebsmotor M wahlweise ein zusätzlicher alternierender Strom gesteuert eingeprägt werden.

Es sei angemerkt, dass die Erfindung auch andere Regler-/Steuerstrukturen als die in Fig. 3 gezeigte einschließt, denn die Erfindung ist nicht zwingend auf die in Fig. 3 dargestellte konkrete Regler-/Steuerstruktur der Steuereinheit 7 beschränkt. So kann dem Antriebssystem 1 das Ripple-Signal 17 auch auf andere, hier nicht dargestellte Weise eingeprägt werden. Beispielsweise kann das Ripple- Signal 17 auch der Motorsteuervorgabe 4 eingeprägt werden, sodass im Ergebnis ein verändertes PWM-Signal 5 zur Antriebssteuerung des Antriebsmotors M entsteht.

Der zusätzlich eingeprägte alternierende Strom wird erfindungsgemäß genutzt, wenigstens einen Teil der vom Antriebsmotor M aufgenommenen Energie durch einen ohmschen Widerstand, der vom Antriebssystem 1 inhärent bereitgestellt ist, gesteuert in Wärme umzuwandeln, um den Teil der aufgenommenen Energie zu absorbieren.

Der inhärente ohmsche Widerstand des Antriebssystems 1 wird durch seine elektrischen Komponenten gebildet, die für einen funktionsgemäßen Betrieb des Antriebssystems 1 vorgesehen sind, insbesondere elektrische Strom-/Verbin- dungsleitung(en), Motorwicklung(en) des Antriebsmotors M und/oder Halbleiter- schaltelement(e) einer Motorbücke der Motorsteuerschaltung 3, wie sie beispielsweise in Fig. 2 mit den Bezugszeichen V1-V4 gekennzeichnet sind. Ein zusätzlicher, dedizierter ohmscher Widerstand, der im Wesentlichen allein zur gesteuerten Energieumwandlung verwendet wird, ist bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem 1 nicht erforderlich und auch nicht vorgesehen.

Das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 kann derart ausgebildet sein, dass sein für die gesteuerte Umwandlung in Wärme zur Verfügung stehende ohmsche Gesamtwiderstand einen Wert von 0,5 bis 5 Ohm aufweist, bevorzugt 1 Ohm bis 5 Ohm einschließlich aller in den jeweiligen Wertebereichen liegenden Zwischenwerte.

Die Frequenz des eingeprägten alternierenden Stroms wird bevorzugt derart gewählt, dass diese höher (z. B. um einen Faktor 10 bis 100 höher) ist als eine mechanische Zeitkonstante des Antriebssystems 1, so dass der zusätzlich eingeprägte alternierende Strom im mechanischen Antriebssystem 1 nicht spürbar ist. Die Frequenz des alternierenden eingeprägten Stroms kann mittels der vorgegebenen Frequenz des erzeugten Ripple-Signals 17 bestimmt werden.

Insbesondere werden die Frequenz und Stromstärke des eingeprägten alternierenden Stroms vorzugsweise derart gewählt, dass der zeitliche Mittelwert des alternierenden Stroms null ist und somit im Wesentlichen keinen Gleichanteil aufweist.

Die Motorsteuerschaltung 3 des in Fig. 3 dargestellten beispielhaften Antriebssystems 1 kann einen wiederaufladbaren Energiespeicher aufweisen, ähnlich dem in Fig. 2 gezeigten Zwischenkreiskondensator CZK, um wenigstens einen Teil der vom Antriebsmotor M über die Motorsteuerschaltung 3 aufgenommene elektrische Energie in dem Energiespeicher zu speichern. In einem solchen Fall kann dem Antriebsmotor M in seiner Antriebsbetriebsart auch Energie aus dem Energiespeicher über die Motorsteuerschaltung 3 gesteuert zugeführt werden.

Besonders bevorzugt wird die vom Antriebsmotor M aufgenommene elektrische Energie zuerst so lange dem Energiespeicher zugeführt, bis ein erster vorbestimmter elektrischer und/oder thermischer Schwellenwert überschritten wird, und erst nach Überschreiten des ersten Schwellenwerts die vom Antriebsmotor M weiterhin aufgenommene elektrische Energie mittels Einprägen des alternierenden Stroms in das Antriebssystem 1 bzw. den Antriebsmotor M gesteuert in Wärme umgewandelt.

Bei Unterschreiten eines optionalen zweiten vorbestimmten elektrischen und/oder thermischen Schwellenwerts kann das gesteuerte Umwandeln der vom Antriebsmotor M aufgenommenen elektrischen Energie in Wärme beendet werden. Zur Ausbildung einer Hysterese kann sich der zweite Schwellenwert vom ersten Schwellenwert unterscheiden.

Das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zur Energieabsorption in einem elektrischen Antriebssystem, insbesondere Antriebssystem zum Betrieb eines Einstieg- oder Türsystems eines Fahrzeugs, sowie das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem sind nicht auf die hierin jeweils beschriebenen konkreten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale aller Erfindungsgegenstände ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

In besonders bevorzugter Ausführung wird das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem zum Betrieb eines Einstiegs- oder Türsystems in einem Fahrzeug (z. B. Landfahrzeug wie Straßen- oder Schienenfahrzeug, Luft- oder Wasserfahrzeug) verwendet, wobei das Antriebssystem von einem hierin offenbarten Verfahren zur Steuerung eines derartigen Antriebssystems gesteuert wird. Das Fahrzeug- Einstiegssystem weist bevorzugt eine Rampe und/oder einen Tritt als Triebkörper auf, das Türsystem beispielsweise einen Türflügel als Triebkörper.

Bezugszeichenliste

1 Antriebssystem

2 Triebkörper

3 Motorsteuerschaltung

4 Motorsteuervorgabe

5 PWM-Signal

6 Positionsvorgabeeinheit

6' Soll-Position

7 Steuereinheit

8 Stromregler

9 Geschwindigkeitsregler

10 Positionsregler

11 Stellgrößensignal

12 Rückgekoppelte Ist-Geschwindigkeit

13 Geschwindigkeitsführungsgröße

14 Rückgekoppelte Ist-Position

15 Rückgekoppelter Ist-Strom

16 Ripple-Generator

17 Ripple-Signal

18 Regler

EN Aktivierungssignal

GND Elektrisches Bezugspotential / Masse n Drehzahl/Drehgeschwindigkeit

M Moment/Drehmoment

M Motor

M1+ Motor-Pluspol

Ml- Motor-Minuspol

Ub Elektrische Spannung

VI, V2 Halbleiterschalter erste Halbbrücke

V3, V4 Halbleiterschalter zweite Halbbrücke