Titel

Verfahren zum Überwachen eines Antriebszustands eines Elektromotors

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft die Überwachung von Antriebszuständen, insbesondere von nicht angetriebenen Antriebszuständen, von Elektromotoren.

Zum Versorgen von Elektromotoren, insbesondere von mehrphasigen Synchronmotoren, mit elektrischer Energie werden üblicherweise Brückenwechselrichter eingesetzt, welche jeweils beispielsweise drei obere und drei untere Halbbrücken aufweisen. Die Halbbrücken werden eingangsseitig mit elektrischer E- nergie von einem Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie, mit einem positiven Spannungsanschluss und einem negativen Spannungsanschluss bzw. Masse versorgt. Die Halbbrücken können beispielsweise Halbleiterschalter umfassen, wobei die oberen Halbbrücken für positive Spannungen und die unteren Halbbrücken für negative Spannungen bzw. für Masse vorgesehen sind. Im Betrieb werden die Halbbrücken des Brückenwechselrichters geeignet angesteuert, um dem Elektromotor die zur Erzeugung eines Soll-Drehmomentes D _so n benötigte elektrische Leistung bereitzustellen. Das Soll-Drehmoment D _so n eines beispielsweise elektronisch permutierten Synchronmotors eines elektrischen Antriebs eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs wird üblicherweise ü- ber die Phasenströme der Spulen des Synchronmotors eingestellt. Die Einstellung dieser Ströme geschieht durch ein getaktetes Anlegen einer Hochspannung, beispielsweise einer Batteriespannung, an die Spulen über die beispielsweise vorstehend genannten Halbbrücken. Bei einem Einsatz eines Elektromotors in einem Antrieb eines Fahrzeugs ist die sichere Erkennung eines momentanen Zustande des Elektromotors von entscheidender Bedeutung für die Sicherheit, um einen ungewollten oder fehlerhaften Antrieb zu erkennen. Hierzu kann der Ist-Zustand des Elektromotors beispielsweise mit einem zu erwartenden Zustand des Elektromotors, welcher beispielsweise anhand einer Kennlinie ermittelt werden kann, verglichen werden, wobei bei einer Nichtübereinstimmung auf einen Fehler erkannt werden kann.

Die sichere Bestimmung des Ist-Drehmomentes des Elektromotors ist darüber hinaus ein notwendiger Bestandteil der Anforderungen der funktionalen Sicherheit der elektrischen Antriebe. Hierzu kann auf das Drehmoment beispielsweise anhand der elektrischen Leistung geschlossen werden, welche aus einer Messung von Batteriestrom und -Spannung sowie der Drehzahl bestimmt werden kann. Für niedrige Drehzahlen wird dieses Verfahren jedoch zunehmend ungenau, da zum Einstellen eines bestimmten Drehmoments, und somit einer bestimmten Fahrzeugbeschleunigung, immer weniger Leistung benötigt wird. Dies führt zu einer Unsicherheit, da insbesondere bei geringen Drehmomenten eine beispielsweise auf der Basis einer Strommessung bestimmte Leistung erfasst werden kann, bei der nicht mehr eindeutig entschieden werden kann, ob ein Drehmoment anliegt oder nicht. Diese Unsicherheit ist insbesondere bei niedrigen Drehzahlen unvorteilhaft, weil beispielsweise eine ungewollte Bewegung ausgehend von einer Drehzahl 0, also aus dem Stand heraus, als besonders kritisch angesehen wird, da nicht sichergestellt werden kann, dass sich auch ein Fahrer in dem Fahrzeug befindet. Darüber hinaus ist es für Fahrzeuge mit beispielsweise einer elektrischen Achse nicht möglich, mittels eines Getriebes oder einer Kupplung den Kraftschluss zwischen dem Elektromotor und den Rädern zu unterbrechen. So fordert die Norm ECE R100 für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, also für Elektrofahrzeuge und für Hybridfahrzeuge, im Fehlerfall eine Begrenzung der fehlerinduzierten, ungewollten Bewegung auf 10 cm.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Antriebszustand eines Elektromotors insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich effizient überwacht werden kann, wenn neben den Zuständen der Halbbrücken, welche in einen Brückenwechselrichter eingesetzt werden, auch Ansteuersignale ausgewertet werden, welche zur Ansteuerung der Halbbrücken eingesetzt werden. Die Steuersignale können beispielsweise logische Signale sein, welche zum Steuern der Schalter der Halbbrücken eingesetzt werden. Die Steuersignale können jedoch Spannungssignale sein, mit welchen die Halbbrücken angesteuert werden. Stimmt beispielsweise der Zustand der jeweiligen Halbbrücke nicht mit dem Zustand der Halbbrücke, welche mit dem erfassten Steuersignal zusammenhängt, überein, so kann auf einen Fehler erkannt werden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Antriebszustands, insbesondere eines nicht angetriebenen Antriebszustands, eines Elektromotors, welcher mittels eines Brückenwechselrichters mit zumindest einer Halbbrücke mit Energie versorgt wird. Das Verfahren umfasst das Erfassen eines Zustandes der zumindest einen Halbbrücke, das Erfassen einer Eigenschaft eines Steuersignals zur Ansteuerung der zumindest einen Halbbrücke, und das Überwachen des Antriebszustands auf der Basis des erfassten Zu- stands der zumindest einen Halbbrücke und der erfassten Eigenschaft des Steuersignals. Somit kann der Antriebszustand in vorteilhaft einfacher Weise plausibi- lisiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Eigenschaft des Steuersignals ein Fehlen des Steuersignals oder ein Vorhandensein des Steuersignals oder eine Flanke des Steuersignals, insbesondere eine steigende oder eine fallende Flanke, oder ein Puls oder eine Pulsdauer oder ein Pulszeitpunkt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine Erfassungsflexibilität erreicht.

Gemäß einer Ausführungsform wird zur Überwachung des Antriebszustands ü- berprüft, ob der erfasste Zustand der zumindest einen Halbbrücke und die er- fasste Eigenschaft des Steuersignals einander entsprechen. Alternativ kann zur Überwachung des Antriebszustandes überprüft werden, ob der erfasste Zustand der zumindest einen Halbbrücke und die Eigenschaft des Steuersignals, insbesondere ein Fehlen oder ein Vorhandensein des Steuersignals, demselben Antriebszustand zugeordnet werden können. Ferner kann auf einen fehlerhaften Antriebszustand erkannt werden, falls der erfasste Zustand der zumindest einen Halbbrücke und die Eigenschaft des Steuersignals nicht demselben Antriebszustand zugeordnet werden können. Dadurch kann in vorteilhafter weise eine einfache Überwachung des Antriebszustands realisiert werden. - A -

Gemäß einer Ausführungsform wird im Schritt des Erfassens des Zustandes er- fasst, ob die zumindest eine Halbbrücke offen oder geschlossen ist. Dadurch kann insbesondere im Falle einer Ausbildung der zumindest einen Halbbrücke in der Gestalt eines Transistorschalters deren Zustand einfach und schnell erfasst werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Antriebszustand einen Freilauf oder ein Kurzschlussdrehmoment oder eine Drehzahl oder ein Antriebsmoment oder ein Bremsmoment oder einen Undefinierten Antriebszustand. Somit kann in vorteilhafter Weise eine Mehrzahl von unterschiedlichen Antriebszuständen überwacht werden.

Gemäß einer Ausführungsform wird der Antriebszustand anhand einer Tabelle, beispielsweise einer Look-Up-Tabelle, überwacht, in welcher jeweils einem Antriebszustand eine Eigenschaft des Steuersignals und/oder ein Zustand der zumindest einen Halbbrücke zugeordnet ist. Dadurch kann die Überwachung in besonders einfacher Weise durchgeführt werden.

Gemäß einer Ausführungsform wird bei einem offenen Zustand der zumindest einen Halbbrücke und einem fehlenden Steuersignal auf einen Freilauf des Elektromotors erkannt. Alternativ wird bei einem geschlossenen Zustand der zumindest einen Halbbrücke und einem fehlenden Steuersignal auf ein Kurzschlussmoment des Elektromotors erkannt. Dadurch kann die Überwachung in besonders einfacher Weise auf der Basis von binären Entscheidungen realisiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Wechselrichter eine weitere Halbbrücke, die der zumindest einen Halbbrücke zugeordnet ist, wobei die zumindest eine Halbbrücke eine obere oder eine untere Halbbrücke und wobei die weitere Halbbrücke eine untere oder eine obere Halbbrücke ist. Das Verfahren umfasst das Erfassen eines Zustands der oberen Halbbrücke und eines Zustande der unteren Halbbrücke, das Erfassen einer Eigenschaft eines Steuersignals zur Ansteuerung der oberen Halbbrücke, und einer Eigenschaft eines Steuersignals zur Ansteuerung der unteren Halbbrücke, und das Überwachen des Antriebszustands auf der Basis der erfassten Zustände der oberen und der unteren Halb- brücke sowie der erfassten Eigenschaften der Steuersignale zur Ansteuerung der oberen und der unteren Halbbrücke. Auf diese Weise kann die Überwachung besonders sicher durchgeführt werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist ein bestimmter Antriebszustand des Elektromotors fehlenden Steuersignalen und/oder einer bestimmten Kombination der Zustände der oberen und der unteren Halbbrücke zugeordnet. Dadurch kann eine vorteilhaft schnelle Überwachung des Antriebszustands des Elektromotors durchgeführt werden.

Gemäß einer Ausführungsform wird ein Antriebszustand des Elektromotors als fehlerhaft erkannt, falls ein Steuersignal zur Ansteuerung der oberen Halbbrücke erfasst und ein Steuersignal zur Ansteuerung der unteren Halbbrücke aufgrund dessen Nichtvorliegens nicht erfasst wird, oder falls ein Steuersignal zur Ansteuerung der oberen Halbbrücke aufgrund dessen Nichtvorliegens nicht erfasst und ein Steuersignal zur Ansteuerung der unteren Halbbrücke erfasst wird. Somit kann ein fehlerhafter Antriebszustand besonders einfach erkannt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Steuergerät, welches programmtechnisch eingerichtet ist, ein Computerprogramm zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.

Weitere Ausführungsbeispiele werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansteuerung eines Elektromotors;

Fig. 2 einen Ansteuerzyklus;

Fig. 3 einen Ansteuerzyklus;

Fig. 4 einen Ansteuerzyklus;

Fig. 5 einen Ansteuerzyklus; und

Fig. 6 ein Steuergerät. Fig. 1 zeigt die Ansteuerung eines Elektromotors 101 , beispielsweise eines Synchronmotors, der dreiphasig oder mehrphasig sein kann, unter Verwendung eines Brückenwechselrichters 103, welcher durch einen Energiespeicher 105, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, gespeist wird. Der Brückenwechselrichter 103 umfasst obere Halbbrücken 107, 109 und 111 , welche mit dem positiven Potential des Energiespeichers 105 beaufschlagt werden. Ferner sind untere Halbbrücken 113, 115 und 117 vorgesehen, welche mit dem negativen Potential oder mit Masse beaufschlagt werden. Dabei ist jeder der oberen Halbbrücke 107, 109 und 111 eine untere Halbbrücke 113, 115 bzw. 117 zugeordnet, so dass der Brückenwechselrichter 103 jeweils beispielsweise drei parallel geschaltete Anordnungen von jeweils hintereinander geschalteten oberen Halbbrücken und unteren Halbbrücken umfasst. Zwischen den Anschlusspunkten zwischen der jeweiligen oberen Halbbrücke 107, 109 und 111 und der jeweiligen unteren Halbbrücke 113, 115 und 117 sind Anschlüsse 119, 121 und 123 angeordnet und herausgeführt, welche jeweils mit den Strängen 125, 127 bzw. 129, welche jeweils einen Phasenpfad repräsentieren, verbunden sind. Jeder Strang 125, 127, 129 wird charakterisiert durch einen Widerstand 131 , eine Induktivität 133 sowie eine Spannungsquelle 135. Die drei Stränge des Elektromotors 101 sind ausgangs- seitig zusammengeführt.

Der Brückenwechselrichter 103 umfasst ferner einen Zwischenkreiskondensator 137, welcher den Halbbrücken parallel vorgeschaltet ist. Jede Halbbrücke umfasst jeweils einen Transistorschalter 139, beispielsweise einen Leistungstransistor, sowie eine Freilaufdiode 141. Zum Ansteuern der Halbbrücken werden die Transistorschalter 139 geöffnet oder geschlossen, wodurch an den Elektromotor 101 übertragbare Spannungspulse erzeugt werden, deren Breite die dem Elektromotor 101 zugeführte Leistung festlegt.

In Fig. 2 ist ein Ansteuerzyklus mit der Zeitdauer T dargestellt. Dabei sind untereinander die Verläufe der Spannungen dargestellt, wobei die Spannung 201 an dem in Fig. 1 dargestellten Anschluss 119, die Spannung 203 an dem Anschluss 121 und die Spannung 205 an dem Anschluss 123 dargestellt sind. Dabei werden beginnend mit beispielsweise 0 V Pulse unterschiedlicher Zeitdauer generiert, wodurch ein bestimmtes Drehmoment erzeugt werden kann. In Fig. 3 ist ein Ansteuerzyklus mit den in Fig. 3A dargestellten Ansteuerungsver- läufen und in Fig. 3B dargestellten Spannungszeigerverläufen dargestellt.

Der in Fig. 3A dargestellte Ansteuerungszyklus hat eine Gesamtdauer T, wobei der Verlauf 301 die Ansteuerung der in Fig. 1 dargestellten oberen Halbbrücke 107, der Verlauf 303 die Ansteuerung der oberen Halbbrücke 109 und der Verlauf 305 die Ansteuerung der oberen Halbbrücke 111 zeigen. Dabei werden jeweils die Transistorschalter der jeweiligen Halbbrücke angesteuert. Die Verläufe 307, 309 und 311 zeigen hingegen jeweils die Ansteuerungen der unteren Halbbrücken 113, 115 und 117. Mit "1" und "0" sind jeweils "High"- und "Low"- Zustände gekennzeichnet.

Fig. 3B zeigt die resultierenden, von 0 unterschiedlichen Spannungszeiger der Phasen 1 , 2 und 3, sowie den resultierenden Spannungszeiger 313, welcher auf ein ermitteltes Moment hinweist, welches von 0 unterschiedlich ist.

In Fig. 4a sind Ansteuerverläufe für den Fall dargestellt, in dem ein Kurzschlussmoment anliegt. Dabei zeigen die Verläufe 401 , 403 und 405 die Ansteuersignale der oberen Halbbrücken 107, 109 und 111. Die Verläufe 407, 409 und 411 zeigen hingegen die Ansteuersignale der unteren Halbbrücken 113, 115 und 117.

Fig. 4b zeigt den ermittelten Spannungszeiger, welcher gleich 0 ist, woraus auf ein Kurzschlussmoment geschlossen werden kann.

Fig. 5 zeigt Ansteuerungsverläufe für den Fall eines Freilaufmomentes. Dabei zeigt Fig. 5A die Verläufe 501 , 503 und 505 der Ansteuerungssignale für die oberen Halbbrücken 107, 109 und 111. Die Verläufe 507, 509 und 511 zeigen hingegen die Ansteuerungssignale zur Ansteuerung der unteren Halbbrücken 113, 115 und 117.

Wie in Fig. 5B dargestellt, ist der ermittelte Spannungszeiger gleich 0, was in diesem Fall auf ein Freilaufmoment hindeutet.

Fig. 6 zeigt ein Steuergerät 601 mit einer Regelungsvorrichtung 603, welche beispielsweise mittels Regelungssoftware realisiert ist, einer Timereinheit 605, einer Überwachungseinheit 607, welche beispielsweise mittels Überwachungssoftware realisiert ist, und einer weiteren Timereinheit 609. Ferner ist ein Funktionsrechner 611 vorgesehen.

Mittels der Timereinheit 605 werden digitale Ansteuersignale 613 für obere Halbbrücken sowie digitale Ansteuersignale 615 für untere Halbbrücken ausgegeben und einem Logikmodul 617 zugeführt. Das Logikmodul 617 umfasst beispielsweise eine diskrete Logik, beispielsweise eine Fehlerlogik und/oder eine Hardwarerealisierung oder Hardwareeinstellung eines unteren aktiven Kurzschlusses des Elektromotors oder eines Freilaufs.

Die Einheit 607 gibt darüber hinaus ein digitales Signal 619 für die Fehlerreaktion beispielsweise im Falle eines unteren aktiven Kurzschlusses aus, welches Signal dem diskreten Logikmodul zugeführt wird. Das diskrete Logikmodul 617 ist vorgesehen, die Endstufen 621 der Halbbrücken, beispielsweise Leistungsschalter sowie IGBTs, anzusteuern, wobei die Endstufen 621 Hochspannungsansteuersignale an den Elektromotor 623 leiten.

Die den Endstufen 621 , d.h. den Halbbrücken, zugeführten Ansteuersignale werden in die Timereinheit 609 zur weiteren Erfassung eingespeist. Somit stehen dem Steuergerät 609 die die Halbbrücken tatsächlich ansteuernden Ansteuersignale zur Auswertung zur Verfügung.

Erfindungsgemäß ist es möglich, mit hoher Genauigkeit die Einhaltung eines nicht-angetriebenen Zustandes des elektrischen Antriebs mit einem Elektromotor zu überwachen. So lassen sich beispielsweise Zustände ohne ein Antriebsmoment im Stand oder mit einem definierten Schleppmoment, beispielsweise Freilauf, unterem oder oberen Kurzschluss, genau von solchen Betriebszuständen abgrenzen, welche potenziell ein residuelles Moment tragen. Im Falle eines Fehlers in der Gestalt eines ungewollten Momentes lässt sich eine Abweichung des gewünschten Betriebszustands von dem bestimmten Betriebszustand feststellen und gegebenenfalls eine Ersatz- oder Fehlerreaktion, beispielsweise eine Abschaltung der momentenbestimmenden Endstufen, beispielsweise Schalttransistoren der betroffenen Halbbrücken umfassen können, einleiten.

Wie in Fig. 6 dargestellt werden hierzu die getakteten Ansteuersignale 625 des Synchronmotors des elektrischen Antriebs in das mit der Steuerung betraute Steuergerät, welches beispielsweise einen Funktionsrechner oder einen Mikro- controller umfassen kann. Die Interpretation der rückgelesenen Ansteuersignale wird zur Identifizierung bzw. zur Überwachung des gegenwärtigen Betriebszustandes herangezogen. Somit ist es möglich, den Betriebszustand zu bestimmen und dabei insbesondere zwischen Zuständen mit oder ohne Vortriebsmoment zu unterscheiden.

Wie in Fig. 6 dargestellt, können die Ansteuersignale für die Spulensätze des E- lektromotors 623 nach einer eventuellen Verarbeitung durch das Logikmodul 617 auf die Eingänge des Steuergerätes 601 zurückgeführt werden. Diese Rücklesung könnte auch im Sinne einer zusätzlichen diversitären Redundanz auch durch einen unabhängigen MikroController erfolgen. Das Steuergerät 601 ist bevorzugt in der Lage, den Verlauf der Signale, beispielsweise die Zeitpunkte der steigenden oder fallenden Flanken, mit einer beispielsweise vorgegebenen zeitlichen Genauigkeit aufzuzeichnen. Dabei ist die Einlese vorteilhaft derart beschaffen, dass jede auftretende Flanke, beispielsweise steigende oder fallende Flanke, erkannt und deren Zeitstempel erfasst wird.

Vorteilhaft besteht die Auswertung der rückgelesenen Ansteuersignale darin, anhand des momentanen Zustandes der Halbbrücken, welche offen oder geschlossen sein können, und der anhand der rückgelesenen Signale erkannten Schaltaktivitäten der Endstufen 621 , beispielsweise durch eine Erkennung oder durch eine Nichterkennung der Flanken, der Pulszeitpunkte und Pulslängen, auf den Betriebszustand der gegenwärtigen Regelung, insbesondere auf den momentanen Spannungszeiger im Bezugssystem des Rotors des Elektromotors 623, zu schließen. Hierzu kann wie folgt vorgegangen werden:

Sind die oberen und die unteren Halbbrücken geöffnet und werden weder Pulse für die unteren Halbbrücken noch Pulse für die oberen Halbbrücken erkannt, so wird auf einen Freilauf erkannt. Das diesem Zustand zugeordnete Drehmoment ist 0 bei niedrigen Drehzahlen, bei hohen Drehzahlen ist jedoch ein Bremsmoment durch Gleichrichtereffekte in dem Elektromotor möglich.

Sind die oberen Halbbrücken offen und die unteren Halbbrücken geschlossen und werden keine Pulse für die unteren und für die oberen Halbbrücken erkannt, so wird auf einem unteren aktiven Kurzschluss (uAKS) erkannt. Das diesem Zu- stand zugeordnete Drehmoment ist ein Kurzschlussmoment bzw. ein Schleppmoment.

Sind die oberen Halbbrücken geschlossen und die unteren Halbbrücken offen und werden keine Pulse für die oberen und für die unteren Halbbrücken erfasst, so wird auf einen oberen aktiven Kurzschluss (oAKS) erkannt. Diesem Betriebszustand ist ein Kurzschlussmoment bzw. ein Schleppmoment zugeordnet.

Werden bei den unteren und bei den oberen Halbbrücken Pulse erkannt, so wird auf ein anliegendes Moment erkannt, dem ein beliebiges Drehmoment zugeordnet werden kann. Hierbei sind die Zustände der oberen und der unteren Halbbrücken irrelevant.

Werden beispielsweise bei den unteren Halbbrücken Pulse erkannt und werden bei den oberen Halbbrücken keine Pulse erkannt oder nicht bei allen Halbbrücken Pulse erkannt, so wird auf einen Undefinierten Zustand erkannt, welcher als potenziell Drehmoment erzeugend klassifiziert werden kann. Die Zustände der oberen und der unteren Halbbrücken sind hierbei irrelevant.

Werden beispielsweise bei allen oberen Halbbrücken Pulse erkannt und werden bei den unteren Halbbrücken oder nicht bei allen Halbbrücken Pulse erkannt, so wird erneut auf einen Undefinierten Zustand erkannt, dem ein Undefiniertes, potenziell beliebiges Drehmoment zugeordnet werden kann. Die Zustände der oberen und der unteren Halbbrücken sind dabei irrelevant.

Werden nicht bei allen oberen und unteren Halbbrücken Pulse erkannt, so wird auf einen Undefinierten Zustand erkannt, dem ein Undefiniertes, potenziell beliebiges Drehmoment zugeordnet werden kann. Die Zustände der oberen und der unteren Halbbrücken sind dabei irrelevant.

Verlaufen im Falle des anliegenden Momentes die erkannten Pulse auf allen drei Phasen des Elektromotors synchron, so kann davon ausgegangen werden, dass an den Spulensätzen selbst keine Spannungen anliegen. Dies entspricht einem ständigen Wechsel zwischen dem unteren aktiven Kurzschluss und dem oberen aktiven Kurzschluss, so dass das anliegende Drehmoment im Wesentlichen dem Kurzschlussmoment entspricht.