Titel

Verfahren zur Überwachung der thermischen Belastung eines Elektromotors

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der thermischen

Belastung eines Elektromotors.

Stand der Technik

Aus der DE 10 2006 052 810 A1 ist ein Verfahren zur Abschätzung einer Kraftentfaltung eines an eine Versorgungsspannung anschließbaren Elektromotors bekannt, der als Aktuator einer Feststellbremse eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird. Hierzu werden der Strom, die Versorgungsspannung sowie die Motordrehzahl gemessen, wobei die Zuspannkraft des Elektromotors unter Berücksichti- gung der Messgrößen aus einem Differenzialgleichungssystem abgeschätzt wird, welches das elektrische und mechanische Verhalten des Elektromotors beschreibt.

Bei dem Einsatz von Elektromotoren beispielsweise als Park- bzw. Feststell- bremse in Kraftfahrzeugen ist zu berücksichtigen, dass hohe Stellkräfte zur Erzeugung der benötigten Bremskraft erforderlich sind, was zu einer starken Motorerwärmung führen kann, die zu einer Verringerung des abzugebenden Motormomentes führt und ggf. den Elektromotors schädigt. Eine starke Erwärmung erfolgt beispielsweise bei einem wiederholten Abrufen der Stellbewegung des E- lektromotors innerhalb kurzer Zeit.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen und kostengünstig zu realisierenden Maßnahmen die thermische Belastung eines Elektromotors zu überwachen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung der thermischen Belastung eines Elektromotors werden zumindest die Spannung und der Strom sowie ggf. die Motordrehzahl gemessen, wobei eine Motorkonstante des Elektromotors, die das Verhältnis von Motordrehmoment zum aufgenommenen Strom beschreibt, als Funktion dieser Messgrößen ermittelt wird. Die Motorkonstante hängt von der Motortemperatur ab, wobei mit steigender Temperatur die Motorkonstante fällt. Um eine Motorschädigung zu vermeiden, bei der beispielsweise ein erhöhter Bürstenverschleiß entsteht oder Magnete des Elektromotors zumindest teilweise entmagnetisiert werden, muss die Motortemperatur überwacht werden, wobei der aktuelle Wert der Motorkonstanten als Maß für die aktuelle Motortemperatur herangezogen wird.

Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Temperatur nicht gemessen werden muss, so dass auf einen Temperatursensor verzichtet werden kann. Als Messwerte genügen vielmehr der vom Motor aufgenommene Strom, die Span- nung sowie die Motordrehzahl, wobei diese Größen mit einer Standard-Sensorik gemessen werden können. Insgesamt verringert sich dadurch der Aufwand für die Sensorik zur Ermittlung der Motortemperatur.

Sofern die Auswertung der Motorkonstanten ergibt, dass ein zugeordneter Schwellenwert nicht überschritten wird, arbeitet der Elektromotor in einem thermisch zulässigen Bereich, in welchem die Funktionen des Elektromotors keinen Einschränkungen unterliegen. Der Elektromotor ist vielmehr voll einsatzfähig und kann in der gewünschten Weise betrieben bzw. betätigt werden.

Ergibt dagegen die Auswertung der Motorkonstanten, dass der zulässige

Schwellenwert überschritten wird, so deutet dies auf eine erhöhte Temperatur hin, woraufhin Maßnahmen ergriffen werden können, die von einer Protokollierung des Überschreitens der zulässigen Motorkonstanten bzw. des zulässigen Temperaturbereichs über eine Anzeige im Fahrzeug bis hin zu einer Einschrän- kung der Funktionalität des Aggregats reichen können, in welchem der Elektromotor den Aktuator stellt. Die thermische Belastung des Elektromotors kann alternativ zur Motorkonstanten auch über den elektrischen Motorwiderstand des Elektromotors ermittelt werden. Auch der Motorwiderstand kann als Funktion der Messgrößenspannung, Strom und ggf. Motordrehzahl berechnet werden, wobei ein thermisch zulässiger Bereich vorliegt, wenn der Motorwiderstand einen zugeordneten Schwellenwert nicht überschreitet. Der Motorwiderstand kann alternativ oder zusätzlich zur Motorkonstanten überprüft werden, wobei in einer bevorzugten Ausführung der Motorwiderstand und die Motorkonstante beide innerhalb des jeweils zugeordneten, zulässigen Bereiches liegen müssen, damit der Elektromotor innerhalb des thermisch zulässigen Bereiches arbeitet. Dies bedeutet, dass eine unzulässig hohe thermische Belastung bereits vorliegt, wenn nur eine der Kenngrößen - die Motorkonstante oder der Motorwiderstand - den jeweils zugeordneten Schwellenwert überschreitet. Grundsätzlich möglich ist es aber auch, nur eine der beiden Größen, also entweder nur die Motorkonstante oder nur den Motorwiderstand, auf Überschreitung des zugeordneten Schwellenwertes zu überprüfen. Außerdem ist es auch möglich, dass ein thermisch unzulässiger Bereich nur dann gegeben ist, wenn beide Größen, also sowohl die Motorkonstante als auch der Motorwiderstand, den jeweils zugeordneten Grenzwert überschreiten.

Bei der Abfrage, ob die Motorkonstante bzw. der Motorwiderstand innerhalb des zulässigen Bereiches liegen, können je nach dem, ob der Motor unter Last arbeitet oder nicht, unterschiedliche Berechnungs- bzw. Ermittlungsmethoden eingesetzt werden. Falls der Elektromotor lastfrei arbeitet, werden die Motorkonstante und der Motorwiderstand in Abhängigkeit der Messgrößen Spannung, Strom und

Motordrehzahl ermittelt. Falls der Motor unter Last steht, wird dagegen zweckmäßigerweise aus den Messgrößen Strom und Spannung in an sich bekannter Weise die aufgenommene Leistung des Elektromotors aus dem Produkt von Strom und Spannung berechnet, wobei aus der Leistung gemäß eines funktiona- len Zusammenhangs auf eine Temperaturerhöhung geschlossen werden kann.

Die Temperaturerhöhung wirkt sich wiederum auf die Motorkonstante bzw. den Motorwiderstand aus, so dass ausgehend von einem Initialwert für die Motorkonstante bzw. den Motorwiderstand auf einen aktuellen, temperaturabhängigen Wert geschlossen werden kann. Ein thermisch zulässiger Bereich liegt vor, falls der auf diese Weise ermittelte Wert für den Motorwiderstand bzw. die Motorkonstante innerhalb des zulässigen Bereiches liegt. Im lastfreien Zustand werden die Motorkonstante und der Motorwiderstand zweckmäßigerweise aus einer Beziehung ermittelt, die sich aus der stationären Betrachtung der elektrischen Differenzialgleichung des Elektromotors ergibt und in die die Messgrößen Strom, Spannung und Motordrehzahl einfließen. In dieser

Beziehung sind die Messgrößen sowohl mit dem Motorwiderstand als auch der Motorkonstanten verknüpft, wobei als zusätzliche Bedingung ein mathematisches Ausgleichsverfahren berücksichtigt werden kann, beispielsweise die Methode der kleinsten Fehlerquadrate, um eine mathematisch eindeutige Lösung zu erhalten. Da die Messwerte mit einer kleinen Abtastrate von beispielsweise 5 ms ermittelt werden, kann in diesem Takt ein Gleichungssystem für die Berechnung von Motorkonstante und Motorwiderstand unter Berücksichtigung des mathematischen Ausgleichsverfahrens rekursiv gelöst werden.

Für den Fall des Überschreitens des Schwellenwertes können verschiedene

Maßnahmen ergriffen werden. Zweckmäßigerweise wird der Elektromotor zumindest für eine begrenzte Zeitspanne stillgelegt, um eine unzulässig hohe Erwärmung zu vermeiden bzw. um ein Abkühlen des Elektromotors zu ermöglichen. Die Zeitspanne, in welcher der Elektromotor außer Kraft gesetzt ist, ist be- grenzt, wobei als Zeitspanne ein fester Wert vorgegeben werden kann. Gegebenenfalls kommt auch eine variable Zeitspanne in Betracht, die von einem oder mehreren Zustandsgrößen oder Kenngrößen des Systems abhängt. Die Deaktivierung kann zum Einen in der Weise erfolgen, dass Fahreranforderungen mit einer der Zeitspanne entsprechenden Verzögerung in eine Betätigung des Elekt- romotors umgesetzt werden. Dies bedeutet, dass während der Deaktivierung des

Elektromotors eine Fahrer- oder Systemanforderung nicht unmittelbar, sondern verzögert umgesetzt wird. Zum andern ist auch eine Strategie möglich, dass während der Deaktivierungsphase vorliegende Anforderungen ignoriert und auch nach Ablauf der Deaktivierungsphase nicht umgesetzt werden.

Des Weiteren ist es möglich, dass der Elektromotor in einer Betätigungsstellung arretiert und anschließend deaktiviert wird, in welcher der Elektromotor eine Kraft bzw. ein Moment auf ein weiteres Bauteil wie z.B. ein Bremsteil ausübt. Die Deaktivierung kann aber auch in einer Außerbetriebsposition des Elektromotors er- folgen oder in Zwischenstellungen mit reduzierter Kraft- bzw. Momentenübertragung. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung der thermischen Belastung eines Elektromotors werden automatisch auch produktionsbedingte Streuungen im Wert der Motorkonstanten bzw. des Motorwiderstandes berück- sichtigt. Über die Vorgabe des jeweiligen Schwellenwertes für die Motorkonstante bzw. den Motorwiderstand wird ungeachtet der tatsächlichen Ausführung des Elektromotors eine Kenngröße definiert, welche die thermische Belastung des Elektromotors repräsentiert.

Die Schwellenwerte, die der Motorkonstanten bzw. dem Motorwiderstand zugeordnet sind, sind zweckmäßigerweise als feste Größen vorgegeben. Grundsätzlich in Betracht kommt aber auch ein variabler Schwellenwert, welcher sich in Abhängigkeit von Zustande- oder Kenngrößen berechnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in einem Regel- bzw. Steuergerät ab und kann auf Elektromotoren angewandt werden, die beispielsweise Bestandteil eines Bremssystems sind. Hier kommt insbesondere eine Ausführung des Bremssystems als elektrische Parkbremse in Betracht, bei dem der Elektromotor im Betriebsfall ggf. mithilfe eines Untersetzungsgetriebes eine Klemmkraft auf eine Bremsenkomponente ausübt.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der ein Ablaufdiagramm mit den Verfahrensschritten zur Durchführung der Überwachung der thermischen Belastung eines Elektromotors dargestellt ist.

Wie dem Ablaufdiagramm zu entnehmen, werden zunächst in einem ersten Verfahrensschritt V1 als Messgrößen die Spannung U, der Strom I und die Motordrehzahl ω mithilfe einer geeigneten Sensorik in einem thermisch zu überwa- chenden Elektromotor ermittelt, der beispielsweise als Aktuator in einer Feststellbzw. Parkbremse eingesetzt wird.

In einem nächsten Verfahrensschritt V2 wird eine Abfrage gestartet, ob der Elektromotor sich im lastfreien Zustand oder unter Last befindet. Hierzu wird abge- fragt, ob ein auf den Elektromotor wirkendes Lastmoment M _L anliegt, welches gleich null ist. In diesem Fall würde sich der Elektromotor im lastfreien Zustand befinden, anderenfalls wäre der Elektromotor unter Last.

Sofern die Abfrage im Verfahrensschritt V2 ergibt, dass sich der Elektromotor im lastfreien Zustand befindet, wird der ja-Verzweigung („Y") folgend zum nächsten

Verfahrensschritt V3 fortgefahren, in welchem eine Motorkonstante K _M sowie ein elektrischer Motorwiderstand R _M als Funktion der Messgrößen Spannung U, Strom I und Motordrehzahl ω berechnet werden. Die Motorkonstante K _M bezeichnet eine Drehmomentkonstante, die das Verhältnis von Motordrehmoment zum aufgenommenen Strom beschreibt. Sowohl die Motorkonstante K _M als auch der Motorwiderstand R _M sind temperaturabhängig.

In Verfahrensschritt V3 erfolgt die Berechnung der Motorkonstanten K _M und des Motorwiderstandes R _M aIs Funktion der Messgrößen Spannung U, Strom I und Motordrehzahl ω. Die Berechnung erfolgt unter Zugrundelegung der Beziehung

U = R _M I + K _M ω ,

die aus dem stationären Fall der elektrischen Differentialgleichung

des Elektromotors ermittelt wird, wobei mit L die Motorinduktivität bezeichnet ist.

Um ein mathematisch bestimmtes Gleichungssystem zu erhalten, wird als zusätzliches Kriterium ein mathematisches Ausgleichsverfahren berücksichtigt, beispielsweise die Methode der kleinsten Fehlerquadrate, so dass sowohl die Motorkonstante K _M als auch der Motorwiderstand R _M berechnet werden können.

Ergibt die Abfrage im Verfahrensschritt V2, dass der Elektromotor unter Last steht (Motorlast größer null), so wird der nein-Verzweigung („N") folgend zum Verfahrensschritt V4 fortgefahren, in welchem die Motorkonstante K _M und der Motorwiderstand R _M als Funktion der elektrischen Leistung P ermittelt werden. Aus den Messgrößen U und I kann die elektrische Leistung P des Elektromotors aus der bekannten Beziehung

P = U - I

berechnet werden, aus der gemäß eines bekannten funktionalen Zusammenhangs nach

ΔT = f(P)

auf eine Temperaturerhöhung ΔT geschlossen werden kann. Die Motorkonstante K _M wird unter Berücksichtigung einer Referenz-Motorkonstanten K _M2 o für Raumtemperatur und eines Temperaturbeiwerts K als Funktion der Temperaturerhöhung ΔT gemäß

berechnet.

In analoger Weise kann der Motorwiderstand RM unter Berücksichtigung eines

Referenz-Motorwiderstands R _M2 o für Raumtemperatur und eines Temperaturbeiwerts α als Funktion der Temperaturerhöhung ΔT gemäß

berechnet werden.

Im Anschluss an die Verfahrensschritte V3 bzw. V4 wird zum nächsten Verfahrensschritt V5 fortgefahren, in welchem sowohl die Motorkonstante K _M als auch der Motorwiderstand RM jeweils auf Überschreiten eines zugeordneten Grenzbzw. Schwellenwertes K _M, u _m bzw. R _M, u _m abgeprüft werden. Auf Grund ihrer Temperaturabhängigkeit stellen sowohl die Motorkonstante K _M als auch der Motorwiderstand R _M Kenngrößen für den aktuellen thermischen Zustand des Elektromotors dar. Überschreiten die Motorkonstante K _M und der Motorwiderstand RM je- weils den zugeordneten Schwellenwert, so liegt eine thermische Überlastung des

Elektromotors vor und es müssen weitere Maßnahmen zum Schutz des Elektro- motors ergriffen werden. In bevorzugter Ausführung wird von einer thermischen Überlastung ausgegangen, auch wenn nur entweder nur die Motorkonstante K _M oder nur der Motorwiderstand R _M über dem jeweils zugeordneten Schwellenwert liegt. Grundsätzlich möglich ist aber auch eine kumulative Betrachtung, so dass eine thermische Überlastung nur für den Fall vorliegt, dass sowohl die Motorkonstante K _M als auch der Motorwiderstand RM über dem zugeordneten Schwellenwert liegt.

Sofern die Bedingungen im Verfahrensschritt V5 erfüllt sind, wird der ja- Verzweigung folgend zum nächsten Verfahrensschritt V6 fortgefahren, in welchem Maßnahmen zur thermischen Entlastung des Elektromotors ergriffen werden. Diese Maßnahmen beinhalten beispielsweise eine temporäre Außerkraftsetzung bzw. Deaktivierung des Elektromotors, darüber hinaus kommt auch ein Protokollieren sowie eine Anzeige im Fahrzeug über den aktuellen thermischen Zustand des Elektromotors in Betracht. Die Deaktivierung des Elektromotors erfolgt vorzugsweise über eine begrenzte Zeitspanne t _w , nach deren Ablauf der E- lektromotor wieder aktiviert wird.

Ergibt die Abfrage in Verfahrensschritt V5, dass die Motorkonstante K _M bzw. der Motorwiderstand RM die zugeordneten Schwellenwerte nicht überschreitet, so liegt keine thermische Überlastung des Motors vor und es wird der nein- Verzweigung folgend wieder zum Beginn des Verfahrens zum Verfahrensschritt V1 zurückgekehrt.