Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines elektromotorischen Gebläseantriebs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines elektromotorischen Gebläseantriebs (Gebläses) eines Kraftfahrzeugs. Unter Verfahren wird hierbei insbesondere ein Regelverfahren zur Drehzahlregelung eines bürstenlosen, an eine Bordnetzspannung angeschlossenen Elektromotors eines elektromotorisch angetriebenen Gebläses eines Kraftfahrzeugs mittels einer Regeloder Steuereinrichtung verstanden. Unter Gebläse wird insbesondere ein sogenanntes HVAC-Gebläse (Heating Ventilation Air Condition) oder ein Kühlerlüftergebläse des Kraftfahrzeugs verstanden, insbesondere eines Heizungs- und/oder Klimagebläseantriebs (U _B ) angeschlossenen und/oder in einen Laststromkreis geschalteten

Drehzahlregelungen von in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Gebläse- und/oder Lüftermotoren unter dem Einfluss sich ändernder Betriebsspannungen sowie entsprechende Regel- oder Steuerschaltungen sind beispielsweise bekannt aus der DE 44 08 442 A1 , aus der DE 44 44 810 A1 , aus der DE 198 55 424 A1 und aus der DE 10 2010 048 747 A1. Die bekannten Steuer- oder Regelverfahren basieren im Wesentlichen auf einer Änderung des Tastverhältnisses von mittels Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuerten Halbleiterschaltern im Lastkreis des Elektromotors eines elektromotorischen Gebläseantriebs in Abhängigkeit von einer sich ändernden Betriebs- oder Bordnetzspannung.

Aufgrund der Regelung der Drehzahl eines solchen Elektromotors bzw. elektromotorischen Gebläseantriebs können insbesondere bei maximaler oder hundertprozentiger Aussteuerung der Drehzahlregelung erkanntermaßen Drehzahlschwingungen auftreten, wenn das Bordnetz, insbesondere eine Bordnetzspannung und/oder ein Bordnetzstrom, des Kraftfahrzeugs schwankt. Derartige Schwingungen des Bordnetzes können auch betriebsbedingt oder bestimmungsgemäß ge-

BESTÄTIGUNGSKOPIE wünscht oder gefordert sein, beispielsweise zur Rekurperation der Fahrzeugbatterie. Dabei können beispielsweise Spannungsänderungsgradienten von 3V/s bei Generatorsollspannungen von maximal 15,5V und minimal 12V auftreten.

Derartige Schwingungen sind im Gebläseluftstrom akustisch wahrnehmbar, also hörbar. Daher ist es häufig notwendig, den Elektromotor entsprechend hoch, d. h. übermäßig auszulegen, um Stellreserven vorzuhalten oder zur Verfügung zu stellen. Hinzu kommt, dass die maximal erreichbare Drehzahl eines HVAC-Systems von der oder mehreren Klappenstellungen eines Klimagerätes abhängt, also lastabhängig ist, und nicht auf einen festen Wert begrenzt werden kann. Ursächlich für Lastschwankungen oder Laständerungen können auch andere Betriebsbedingungen im Fahrzeug sein. Demzufolge kann der eingesetzte Antriebsmotor entsprechend kostenintensiv sein und/oder ein maximaler Luftstrom (100 %- Luftstrom) im Fahrzeug kann nicht genutzt werden.

Diese Nachteile sind insbesondere bei einem Bürstenmotor und/oder einem bürstenlosen Gleichstrommotor zu erwarten, der einen Bürstenmotor nachbildet, zumal dieser systembedingt eine entsprechende Stellreserve aufweisen muss. Diese sogenannte Gleichstrom- oder DC-Emulation (Nachbildung der DC-Kennlinie) bedeutet, dass die sich einstellende Motordrehzahl bezogen auf einen vom Bedienteil vorgegebenen Set-Point mit steigendem Motorstrom sinkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines elektromotorischen Gebläseantriebs (Gebläses) eines Kraftfahrzeugs und eine hiernach arbeitende Vorrichtung anzugeben. Insbesondere soll das Gebläse möglichst geräuscharm arbeiten. Hierzu sollen geeigneterweise akustische Einflüsse in Folge von Schwankungen eines den Gebläseantrieb versorgenden Bordnetzes begrenzt werden.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, Ausgestaltungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Hierzu wird zum Betreiben eines drehzahlgeregelten oder drehzahlgesteuerten, an eine Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs angeschlossenen elektrischen Gebläseantriebsmotors dessen Motordrehzahl auf einen vorgegebenen ersten Drehzahlsollwert geregelt wird. Wenn die Bordnetzspannung schwankt, wird die Motordrehzahl auf einen im Vergleich zum ersten Drehzahlsollwert niedrigen Drehzahlsollwert geregelt wird. Geeigneterweise wird die Motordrehzahl des Elektromotors in Abhängigkeit einer aktuellen Klappenstellung eines als HVAC-System arbeitenden Gebläses und/oder in Abhängigkeit von einer aktuellen Motorlast des Elektromotors geregelt.

In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird die Motordrehzahl für eine vorgegebene oder vorgebbare Zeit auf einen in Abhängigkeit von Spannungsund/oder Lastschwankungen eingestellten Drehzahlsollwert geregelt. Dieser ist kleiner ist als eine vorgegebene Maximaldrehzahl. Zweckmäßigerweise erfolgt diese zeitlich begrenzte Drehzahlregelung während eines eingestellten Zeitglieds. Auch kann diese zeitlich begrenzte Drehzahlregelung auf einen gegenüber einer Maximaldrehzahl oder gegenüber einem ersten Drehzahlsollwert verringerten Drehzahlsollwert und nach Ablauf des Zeitglieds erneut auf die Maximaldrehzahl bzw. auf den ersten Drehzahlsollwert erfolgen.

Gemäß einer geeigneten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein, vorzugsweise maximaler, Drehzahlsollwert ausgehend von einem Anfangsniveau in Abhängigkeit des Verlaufs einer, insbesondere erstmaligen, Spannungsabsenkung der Bordnetzspannung zunächst auf ein Übergangs- oder Zwischenniveau abgesenkt und nach Ablauf eines ersten Zeitglieds bzw. einer ersten Zeitspanne auf dem abgesenkten Niveau konstant gehalten sowie nach Ablauf des ersten und/oder eins zweiten Zeitglieds bzw. einer zweiten Zeitspanne erneut auf das Anfangsniveau eingestellt wird. Zusätzlich oder alternativ kann der (maximale) Drehzahlsollwert ausgehend vom Anfangsniveau in Abhängigkeit des Lastverlaufs oder eines Lastanstiegs zunächst auf das Übergangs- oder Zwischenniveau abgesenkt und nach Ablauf des ersten Zeitglieds bzw. der ersten Zeitspanne auf dem abgesenkten Niveau konstant gehalten sowie nach Ablauf des ersten bzw. zweiten Zeitglieds (zweite Zeitspanne) erneut auf das Anfangsniveau eingestellt werden.

Die Vorrichtung zur Drehzahlregelung eines elektromotorischen Gebläseantriebs, vorzugsweise eines HVAC-Systems eines Kraftfahrzeugs, umfasst einen den Elektromotor ansteuernden Leistungsschalter in Form vorzugsweise mehrerer in Brückenschaltung verschalteter Halbleiterschalter, der (die) in einen mit einer Bordnetzspannung beaufschlagten Lastromkreis geschaltet ist (sind). Zudem umfasst die Vorrichtung einen Regeler (Regeleinrichtung oder Regelschaltung), der (die) programm- und/oder schaltungstechnisch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen und eingerichtet ist.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der das Gebläse antreibende Elektromotor die maximal mögliche Drehzahl, insbesondere für die augenblickliche Klappenstellung eines HVAC-Systems, erlernt und/oder speichert, sobald der Regler über eine zu definierende Schwelle gelangt bzw. innerhalb einer Regeleinrichtung (Regelvorrichtung) diese Schwelle überschritten wird. Während des Betriebs des Gebläseantriebs wird daher in Abhängigkeit der aktuellen Klappenstellung und/oder in Abhängigkeit von einer aktuellen Motorlast, die Motordrehzahl zunächst auf den vorgegebenen ersten Drehzahlsollwert und dann auf einen im Vergleich zum ersten Drehzahlsollwert niedrigen Drehzahlsollwert geregelt, wenn die Bordnetzspannung und/oder die Last des Laststromkreises schwankt.

Geeigneterweise wird mittels der Regel- oder Steuereinrichtung die Motordrehzahl des Gebläseantriebs bzw. dessen Elektromotors für die vorgegebene Zeit, also während des eingestellten Zeitintervalls oder -glieds, auf den in Abhängigkeit von Spannungs- und/oder Lastschwankungen eingestellten Drehzahlsollwert geregelt, der kleiner ist als die vorgegebene Maximaldrehzahl. Hierbei wird die Motordrehzahl zweckmäßigerweise während des Zeitglieds auf einen gegenüber einer Maximaldrehzahl oder einem ersten Drehzahlsollwert verringerten Drehzahlsollwert und erste nach Ablauf des Zeitglieds erneut auf die Maximaldrehzahl bzw. auf den ersten Drehzahlsollwert geregelt. Besonders bevorzugt wird ein erster, vorzugsweise maximaler, Drehzahlsollwert ausgehend von einem Anfangsniveau, insbesondere in Abhängigkeit des Verlaufs einer (erstmaligen) Spannungsabsenkung der Bordnetzspannung und/oder in Abhängigkeit des Lastverlaufs und/oder eines Lastanstiegs, zunächst, insbesondere auf ein Übergangs- oder Zwischenniveau, abgesenkt und nach Ablauf eines ersten Zeitglieds bzw. einer ersten Zeitspanne auf dem abgesenkten Niveau konstant gehalten sowie nach Ablauf des ersten und/oder eins zweiten Zeitglieds bzw. einer zweiten Zeitspanne erneut auf das Anfangsniveau eingestellt wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das Gebläse unter praktisch allen Betriebsbedingungen stets mit zumindest annähernd hundert Prozent Leistung bei gleichzeitig akzeptablen akustischen Beeinträchtigungen (z. B. Schwebungen) genutzt werden kann, indem das Gebläse die maximale Drehzahl und damit die maximale Luftmenge stets neu erlernt. Dies führt vorteilhafterweise dazu, dass der Antriebsmotor (Elektromotor) nicht übermäßig ausgelegt (über-ausgelegt) werden muss und gleichzeitig kostengünstig hergestellt werden kann.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in einem Drehzahl-Zeit-Diagramm den Verlauf einer sich über die

Zeit ändernden Bordnetzspannung (U _D c) und einer sich hierzu synchron verhaltenden Ist-Drehzahl (Drehzahl- oder Drehzahlistwertverlauf) (n _is t) sowie einen zeitlich konstanten Verlauf einer Solldrehzahl (n _SO ii),

Fig. 2 in einem Diagramm gemäß Fig. 1 ein Beispiel für eine Drehzahlvariation in Folge von Bordnetzschwankungen im Falle eines Einbruchs und anschließenden Wiederanstiegs der Bordnetzspannung inklusive eines zeitlichen Aussteuerungsverlaufs (ma), Fig. 3 in einer Darstellung gemäß Fig. 2 die Variation der Drehzahl in

Folge von Bordnetzschwankungen bei sich über die Zeit mehrfach (variabel) ändernder Bordnetzspannung, beispielsweise in Folge einer Rekuperation,

Fig. 4a und 4b den Drehzahlverlauf in Abhängigkeit der Bornetzspannung mit und ohne sinusförmige Spannungsschwankungen mit bzw. ohne Drehzahlvariation,

Fig. 5 in einem Blockschaltbild eine Regelungsschaltung zur Drehzahlregelung und/oder Drehzahlvariation in Folge von Bordnetzschwankungen in einer ersten Ausführungsform, und

Fig. 6 in einem Blockschaltbild eine Regelungsschaltung zur Drehzahlregelung und/oder Drehzahlvariation in Folge von Bordnetzschwankungen in einer zweiten Ausführungsform.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichne versehen.

Fig. 1 zeigt den sich an einer Aussteuergrenze, beispielsweise bei maximaler Motorspannung, mit der Bordnetzspannung U _D C ändernden Verlauf der Ist-Drehzahl n _ist bei einem vorgegebenen Drehzahlsollwert n _so n eines ein Kraftfahrzeuggebläse antreibenden Elektromotors. Im linken Teil des Diagramms erkennbar erreicht die Ist-Drehzahl n _ist bei entsprechend niedriger Bordnetzspannung U _D C nicht den Drehzahlsollwert n _so n. Über die Zeit t sind relativ große Drehzahlschwankungen des sich synchron mit dem Verlauf der Bordnetzspannung UD _C ändernden Verlaufs der Ist-Drehzahl n _is t um den Drehzahlsollwert n _so n erkennbar. Ein derartiges Drehzahlverhalten eines elektromotorischen Gebläse- oder Lüfterantriebs führt beispielsweise im Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs erkanntermaßen zu unerwünschten Geräuschentwicklungen.

Die Figuren 2 und 3 zeigen in ähnlichen Diagrammen während einer anfänglich annähernd konstanten Bordnetzspannung UD _C eine nahezu vollständige Überde- ckung der Ist-Drehzahl n _ist mit dem Drehzahlsollwert n _so n. Zu einem bestimmten Zeitpunkt ti sinkt die Bordnetzspannung UDC rampenartig auf einen Minimalwert zum Zeitpunkt h ab, um anschließend erneut auf ein erhöhtes Niveau rampenartig anzusteigen.

Während Fig. 2 die Drehzahlvariation, d. h. insbesondere die Anpassung des Drehzahlsollwertes n _so n an einem lokalen Spannungseinbruch der Bordnetzspannung UDC zeigt, veranschaulicht Fig. 3 eine Drehzahlvariation im Falle beispielsweise einer Rekuperation mit mehrfachen Spannungseinbrüchen und Spannungsanstiegen der Bordnetzspannung UDC-

Oberhalb des Verlaufs der Bordnetzspannung UD _C ist der Verlauf eines Aussteuergrades ma (modulation amplitude) einer Drehzahlregelung gezeigt. Dieser Aussteuergrad ma erreicht im Zeitintervall zwischen einer Zeit t.2 und der Zeit t ₃ einen Maximalwert ma _max und unterschreitet zu einer Zeit U einen Minimalwert ma _min . Während des Zeitintervalls t ₃ - 12 wird der Drehzahlsollwert n _so n abgesenkt und verbleibt auf diesem Niveau bis zu einem Zeitpunkt t ₅ , zu dem ein Zeitglied At = tma_min seit dem Zeitpunkt U des Unterschreitens der Minimalwerte ma _min des Aussteuergrades ma abgelaufen ist. Ab diesem Zeitpunkt t ₅ wird der Drehzahlsollwert n _SO ii kontinuierlich auf das ursprüngliche Niveau angehoben.

Prinzipiell wird demnach die maximale Drehzahl n* _max des Gebläseantriebs bzw. des Elektromotors auf Basis des Aussteuergrades ma einer Regelung oder eines geregelten Leistungsteils bestimmt und im Bedarfsfall, d. h. bei Überschreiten eines Maximalwertes ma _max reduziert. Wird über einen längeren Zeitraum t eine Abnahme des Aussteuergrades ma erkannt, so erfolgt eine schrittweise Erhöhung der erlaubten maximalen Drehzahl. Der Aussteuergrad ma wird hierbei als aktuelle Ausgangsspannung in Bezug auf die maximal mögliche Ausgangsspannung definiert.

Analog wird bei dem Verlauf der Bordnetzspannung U _D c gemäß Fig. 3 der Drehzahlsollwert n _so n mit der abfallenden Flanke der Bordnetzspannung U _D c abgesenkt. Anschließend verläuft der Drehzahlsollwert n _so n auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau konstant, wobei dieser niedrige Drehzahlsollwert vorzugsweise bei Erreichen des tiefsten Spannungswertes der Betriebsspannung UDC eingestellt wird.

Solange der Aussteuergrad ma kleiner als ein Minimalwert ma _min für eine Zeit t < tma_min ist, wird der maximale Drehzahlsollwert n* _max nicht erhöht, d. h. die interne maximale Drehzahl bleibt konstant (ma < ma _m j _n für t < t _ma _min—► n _ma x). Ist der Aussteuergrad ma größer oder gleich dem maximalen Aussteuergrad ma _max , so wird der maximale Drehzahlsollwert n ^* _max dem Drehzahlistwert n _is t gleichgesetzt, d. h. die interne maximale Drehzahl wird mitgeführt (ma > ma _max —► n ^* _max = n _ist ). Ist der Aussteuergrad ma kleiner als der Minimalwert ma _m i _n für eine Zeit t > t _ma _ _mi n, so wird der maximale Drehzahlsollwert n* _max langsam erhöht (ma < ma _m j _n für t > tma_min * Π max)-

Die Figuren 4a und 4b zeigen das Ergebnis eines Test der Funktionalität der Drehzahlregelung bzw. -Steuerung bei einer Bordnetzspannung UDC = 12 V ohne und mit überlagertem Sinus mit 1 V _pp /2 Hz. Fig. 4a zeigt der obere Verlauf den Drehzahlsollwert (Soll-Drehzahl) n _so n und die aktuelle Drehzahl (Ist-Drehzahl) n _is t in Folge der mit einem Sinus (Sinusverlauf) überlagerten Bordnetzgleichspannung UDC- Erkennbar schwankt die Ist-Drehzahl synchron zu den Schwankungen der Bordnetzspannung. Fig. 4b zeigt das Ergebnis der Drehzahlregelung in Folge einer gezielten Absenkung des Drehzahlsollwertes (Drehzahlvariation) n _so n bei Auftreten der sinusförmigen Schwankungen der Bordnetzspannung UDC- Erkennbar ist die Regelung in der Lage, die Ist-Drehzahl n _ist nicht nur vor dem Auftreten der sinusförmigen Spannungsschwankungen, sondern vielmehr auch nach erfolgter Absenkung des Drehzahlsollwertes n _so n auf diesen ohne nennenswerte Drehzahlschwankungen einzuregeln.

Im Ergebnis sind in Folge der reduzierten Drehzahlschwankungen bei auftretenden Spannungs- und/oder Lastschwankungen akustische Auswirkungen und somit Geräuschentwicklungen minimiert, die in Folge vergleichsweise stark schwankender Motordrehzahlen auftreten. Fig. 5 zeigt in einem prinzipiellen, vereinfachten Blockschaltbild eine Regelungsschaltung oder Vorrichtung zur Drehzahlregelung oder Drehzahlvariation in Folge von Bordnetz- oder Leistungsschwankungen eines ein (nicht näher dargestelltes) Gebläse antreibenden Elektromotors EM. Diesem ist eine nachfolgend als Leistungsschalter bezeichnete Leistungsschalteranordnung LS zugeordnet, die aus einer Anzahl von in einer H-Brückenschaltung verschalteten Leistungsschaltern, beispielsweise MOSFET's, aufgebaut sein kann. Der den Elektromotor EM ansteuernde Leistungsschalter LS ist in einen Laststromkreis geschaltet, der mit der Bordnetzspannung U _D c beaufschlagt ist.

Dem Leistungsschalter LS ist ein PWM-Steller PWM (Pulsweitenmodulation) vorgeordnet, der den Leistungsschalter LS ansteuert. Dem PWM-Steller PWM ist ein Regler R vorgeordnet, dem eingangsseitig der von einem Vergleicher V ermittelte Stellwert als Stell-, Regel- oder Führungsgröße aus der Ist-Drehzahl n _ist und einem Drehzahlsollwert n _S0 n bzw. einem modifizierten Drehzahlsollwert zugeführt ist.

Die Modifikation des Drehzahlsollwert n _so n erfolgt anhand eines mit n _max bezeichneten Drehzahlkorrekturwertes, der mittels eines vorzugsweise als Software realisierten Funktionsbausteins FA mit einem Algorithmus zur Minimierung von Drehzahlschwankungen ermittelt wird. Diesem Funktionsbaustein FA wird einerseits die Ist-Drehzahl n _ist sowie andererseits der aktuelle Aussteuergrad ma zugeführt, der ausgangsseitig des Reglers R abgreifbar ist.

Die Ist-Drehzahl n _ist wird mittels eines Sensors oder sensorlos ermittelt, beispielsweise aus der elektromotorischen Kraft (EMK, UEM _K ) des Elektromotors EM. Die elektromotorischen Kraft ist einerseits proportional zur Drehzahl n und andererseits aus der Differenz der Bordnetzspannung UQC und der aktuellen Motorspannung U _M ermittelbar.

Fig. 6 zeigt eine vergleichsweise komplexe Regelungsschaltung zur Drehzahlvariation, insbesondere in Folge von Bordnetzschwankungen. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 sind mit l _d _soii (ohne Feldschwächung OA) und l _q _ _S oii entsprechende Sollwerte der Phasenströme des Elektromotors EM angesetzt. Somit wird die Stellgröße eines I _q -Reglers R _q und/oder diejenige eines I _d -Reglers R _d in einfacher Art und Weise unter Berücksichtigung der Rotorlage 9 des Elektromotors EM als Aussteuergrad ma verwendet, wobei ma _q der Stellgröße bzw. der maximalen Stellgröße und ma _ab der daraus abgeleiteten Stellgröße für den PWM-Steller PWM entspricht.

Die Bestimmung der Ist-Drehzahl (Drehzahlistwert) n _ist und der Rotorlage 9 _R des Elektromotors EM sowie die Ermittlung oder Berechnung der Ist-Werte der Phasenströme l _q jsti und l _d ist erfolgt mittels eines Funktionsbausteins FB aus der (dreiphasigen) Motorspannung U _uvw und dem Motorstrom l _D c des Elektromotors EM. Hierzu ist der Leistungsschalter LS im Ausführungsbeispiel geeigneterweise als Funktionsbaustein in B6-Schaltung ausgeführt. Hieraus sind besonders einfach und zuverlässig die Drehzahl, die Rotorlage und der jeweilige Phasenstrom des Elektromotors EM anhand der Größen oder Parameter Uuvw für die Spannungen der einzelnen Phasen u, v, w und c für den Motorstrom ableitbar.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

EM Elektromotor

FA Funktionsbaustein

FB Funktionsbaustein

LS Leistungsschalter/-anordnung

PWM PWM-Steller

R Regler

R _d Id-Regler

R _q Iq-Regler

V Vergleicher c Motorstrom

'd,q Phasenstrom

riist Drehzahlistwert

n _S oii Drehzahlsollwert

*

Π max maximale Motordrehzahl ma Ansteuergrad

ma _a b Stellgröße

rna _m j _n Minimalwert

ma _max Maximalwert

ma _a b Stellgröße

ma _q Stellgröße

tma_min Zeitglied

UDC Bornetzspannung

Motorspannung

e _R Rotorlage