Titel:

Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine, Steuergerät

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei der Strömungsmaschine kann es sich insbesondere um einen Verdichter zur Bereitstellung eines geforderten Luftmassenstroms für einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle handeln. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Stand der Technik

Im Betrieb einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine kann es bei Überschreiten einer gewissen „Pumpgrenze“ zum sogenannten „Pumpen“ kommen. Dieses geht mit einem Strömungsabriss am Einlass und/oder am Auslass der Strömungsmaschine einher. Die Folge sind Schwingungen des Massenstroms, des Drucks und der Drehzahl. Sofern die Strömungsmaschine der Bereitstellung eines geforderten Luftmassenstroms für einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle dient, kann dieser nicht mehr bereitgestellt und der Verbrennungsmotor bzw. die Brennstoffzelle nicht mehr am gewünschten Betriebspunkt betrieben werden. Dies hat direkte Auswirkungen auf Effizienz, Emissionen und Verschleiß. Ferner steigt die Belastung im Bereich der Lager der Strömungsmaschine. Einen Betrieb der Strömungsmaschine oberhalb der Pumpgrenze gilt es daher zu vermeiden.

Im Stand der Technik wird bei einer fehlenden Pumpgrenzerkennung üblicherweise ein Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze eingehalten. Der Sicherheitsabstand engt jedoch den Betriebsbereich der Strömungsmaschine ein. Daher ist idealerweise eine Pumpgrenzerkennung vorhanden. Diese basiert in der Regel auf der Beobachtung des Massenstroms oder der Drücke am Einlass und/oder am Auslass der Strömungsmaschine. Wird ein „Pumpen“ detektiert, können Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Die Beobachtung des Massenstroms oder der Drücke erfordert jedoch zusätzliche Messeinrichtungen, insbesondere Sensoren, und damit Mehrkosten.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 014 681 Al geht beispielhaft ein Verfahren zur Verhinderung eines Abfallens des Ladedrucks bei einem Turbolader hervor. Bei dem Verfahren wird das Auftreten eines „Pumpens“ des Verdichters überwacht. Im Rahmen der Überwachung wird mit Hilfe mindestens eines Drucksensors der Druck der Luftmassenströmung vor und/oder hinter dem Verdichter gemessen und geprüft, ob der Druckverlauf die Pumpgrenze erreicht. Treten periodische Druckschwankungen auf, deuten diese auf einen sogenannten „Rotating Stall“ hin, der ein Vorbote des „Pumpens“ ist. In diesem Fall wird bzw. werden ein Vordrall erzeugt und/oder die Verdichterleistung erhöht, um einem unerwünschten „Pumpen“ des Verdichters vorzeitig entgegen zu wirken.

Beim „Rotating Stall“ kann es bereits zu einer Strömungsablösung an einer Verdichterradschaufel kommen. Diese reduziert dann den Strömungsquerschnitt und behindert auf diese Weise den Druckaufbau. Reißt die Strömung an mehreren Schaufeln ab, kann der Druckaufbau nicht aufrechterhalten werden. In der Folge kommt es zu einem Rückströmen durch den Verdichter. Dieser Vorgang wird als „Pumpen“ bezeichnet.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine anzugeben, das die Detektion eines Pumpens ohne Einsatz einer zusätzlichen Sensorik ermöglicht. Das Verfahren soll auf diese Weise ein sicheres und stabiles Einstellen eines gewünschten Betriebspunkts unterhalb der Pumpgrenze ermöglichen und - durch den Verzicht auf eine zusätzliche Sensorik - Kosten reduzieren.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens angegeben. Offenbarung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben einer mit Hilfe eines Elektromotors angetriebenen Strömungsmaschine, wobei es sich insbesondere um einen Verdichter zur Bereitstellung eines geforderten Luftmassenstroms für einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle handeln kann, wird das Überschreiten einer Pumpgrenze überwacht und im Fall eines Pumpens der Strömungsmaschine mindestens eine Gegenmaßnahme eingeleitet. Erfindungsgemäß wird zur Detektion eines Pumpens mindestens eine in einem Steuergerät der Strömungsmaschine vorliegende elektrische Größe zur Regelung des Elektromotors überwacht und/oder analysiert.

Die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens setzt somit keine zusätzliche Sensorik voraus, sondern verwendet das Steuergerät der Strömungsmaschine, mit dessen Hilfe der die Strömungsmaschine antreibende Elektromotor geregelt wird. Die im Steuergerät vorhandenen elektrischen Größen stehen damit in einer direkten Beziehung zum Drehmoment der Strömungsmaschine, so dass es einer zusätzlichen Sensorik zur Erfassung des Drucks und/oder des Drehmoments nicht bedarf. Zugleich kann ein Pumpen der Strömungsmaschine sicher detek- tiert werden, so dass unmittelbar geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.

Im Steuergerät liegen in der Regel die Phasenströme und/oder die Soll- und Ist- Werte der Rotorströme als elektrische Größen vor. Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens können beispielsweise diese überwacht und/oder analysiert werden.

Das vorgeschlagene Verfahren macht damit den Verzicht auf eine zusätzliche Sensorik möglich und senkt somit die Kosten. Ferner ermöglicht das Verfahren einen sicheren und stabilen Betrieb der Strömungsmaschine unterhalb der Pumpgrenze, was sich positiv auf Emissionen und Effizienz auswirkt. Zugleich wird ein Bauteilschutz erreicht, insbesondere der Verschleiß in den Lagern gemindert. Die Einhaltung eines Sicherheitsabstands zur Pumpgrenze kann u. U. entfallen, was zur Folge hätte, dass sich der Betriebsbereich der Strömungsmaschine vergrößert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Fluktuationen der mindestens einen im Steuergerät der Strömungsmaschine vorliegenden elektrischen Größe überwacht und/oder analysiert. Überschreiten diese einen vorgegebenen Grenzwert wird ein Pumpen detektiert. Typischerweise gelangen bei einem Elektromotor PI- oder PID-Regler für Drehzahl und Strom zum Einsatz. In den Regleranteilen oder Reglerabweichungen am Reglereingang lässt sich ein Pumpen beispielsweise über eine erhöhte bzw. einen vorgegebenen Grenzwert überschreitende Regleraktivität detektieren. Somit muss lediglich die Regleraktivität überwacht werden.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Frequenzen der mindestens einen elektrischen Größe überwacht und/oder analysiert werden, da bestimmte Frequenzen auf ein Pumpen schließen lassen. Vorzugsweise wird ein Pumpen bei Auftreten einer vorab bestimmten charakteristischen Frequenz detektiert.

Vorteilhafterweise wird vor einer Frequenzanalyse die mindestens eine elektrische Größe in ihre Frequenzanteile zerlegt, beispielsweise mittels Fourier- Transformation. Die Analyse kann dann nach Frequenzanteilen getrennt vorgenommen werden.

Handelt es sich bei der Strömungsmaschine um einen Verdichter, der von einem Permanentmagnet-Synchronmotor angetrieben wird, kann ein Pumpen beispielsweise über das Solldrehmoment oder den tatsächlichen drehmomenterzeugenden Rotorstrom detektiert werden. Weitere elektrische Größen, wie beispielsweise den Ausgängen des PI -Stromreglers sowie den Regleranteilen des P und I, eignen sich ebenfalls zur Pump-Detektion. Allerdings ist hier das Signal- Rausch-Verhältnis schlechter als bei den zuvor genannten elektrischen Größen.

Die Analyse der Signale kann beispielsweise mittels Fast- Fourier-Transformation durchgeführt werden. Da das Verdichterpumpen lediglich bei kleinen Frequenzen auftritt, im vorliegenden Fall bei 0 bis 100 Hz, kann die Analyse hierauf beschränkt werden. Auf diese Weise wird weniger Rechenkapazität benötigt, was sich insbesondere als Vorteil auswirkt, da die Frequenzanalyse sehr rechenzeitintensiv ist. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass lediglich Frequenzen eines vorab definierten Frequenzbereichs zur Pump-Detektion analysiert werden. In Anlehnung an das vorstehend genannte Beispiel kann der Frequenzbereich beispielsweise 5 bis 100 Hz betragen. Der Bereich von 0 bis 5 Hz wird dabei bewusst ausgespart, um den Einfluss des Mittelwerts auszublenden.

Für ein mittels Fourier-Transformation berechnetes Frequenzspektrum stehen mehrere Varianten zur Frequenzanalyse zur Verfügung.

Gemäß einer ersten Variante werden bei der Frequenzanalyse Peaks detektiert, die innerhalb des vorab definierten Frequenzbereichs auftreten. Denn das Auftreten von Peaks lässt auf ein Pump- Ereignis schließen.

Gemäß einer weiteren Variante werden bei der Frequenzanalyse zuvor mittels Fourier-Transformation ermittelte Funktionswerte im vorab definierten Frequenzbereich summiert. Anstelle der Funktionswerte können auch die Quadrate der Funktionswerte summiert werden. Alternativ oder ergänzend kann die Summe mit der Anzahl der Funktionswerte normiert werden. Ist die Summe größer als ein applizierbarer Grenzwert, wird ein Pumpen erkannt.

Als Alternative zur Frequenzanalyse mittels Fourier-Transformation kann auch ein Tiefpassfilter zum Einsatz kommen. Dieser hat im vorliegenden Beispiel eine Grenzfrequenz von 100 Hz und wird auf eine applizierbare Anzahl an Messwerten angewendet. Für die Erkennung des Pumpens kommt ebenfalls ein Summenkriterium zum Einsatz, bei dem die gefilterten Werte bzw. deren Quadrate addiert werden. Ist die Summe größer, als ein applizierbarer Grenzwert, wird Pumpen erkannt.

Die mit den Summenkriterien ermittelten Werte sind abhängig von der Verdichterdrehzahl und werden mit abnehmender Drehzahl kleiner. Dies gilt sowohl für die Analyse per Fourier-Transformation als auch für die Tiefpassfilterung. Aus diesem Grund sollten die zugehörigen Grenzwerte in Abhängigkeit von der Verdichterdrehzahl appliziert werden.

Zur Verringerung der benötigten Rechenkapazität wird ferner vorgeschlagen, dass das Überschreiten einer Aktivierungslinie überwacht wird, die einen Min- destabstand zur Pumpgrenze definiert und vorzugsweise im Steuergerät als applizierbare Kennlinie abgelegt ist. Eine Pump-Detektion wird dann erst durchgeführt, wenn die Aktivierungslinie überschritten bzw. der Mindestabstand zur Pumpgrenze unterschritten wird. Der Mindestabstand kann größer oder kleiner als der sonst übliche Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze sein. Der Betriebsbereich der Strömungsmaschine wird dadurch nicht eingeengt, da mit Unterschreiten des Mindestabstands lediglich die Pump-Detektion initiiert wird und noch keine Gegenmaßnahme, wie beispielsweise eine Betriebspunktverschiebung, eingeleitet wird. Denn sofern der Mindestabstand zur Pumpgrenze nicht unterschritten wird, ist kein Pumpen der Strömungsmaschine zu befürchten. Demzufolge ist auch die Durchführung einer rechenzeitintensiven Frequenzanalyse entbehrlich.

Ausgehend von der Pumpgrenze als Funktion

P = f(n) wobei „P“ für die elektrische Leistung und „n“ für die Drehzahl der Strömungsmaschine steht, kann der Mindestabstand zur Pumpgrenze bzw. die Aktivierungslinie im Steuergerät als applizierbare Kennlinie

P activate ⁼ f(n) abgelegt werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass bei der Analyse der mindestens einen elektrischen Größe die Temperatur des geförderten Mediums und/oder der Atmosphärendruck berücksichtigt wird bzw. werden. Da beide Größen Einfluss auf die Pumpgrenze haben, kann durch deren Berücksichtigung das Ergebnis der Analyse verbessert werden. In der Regel liegen diese Größen im Steuergerät vor, so dass sie verfügbar sind.

Wird bzw. werden zusätzlich die Temperatur des Mediums und/oder der Atmosphärendruck berücksichtigt, ist eine Erweiterung der Funktion

P nom ^— fl(n) auf P nom ^— f2 (n , T, Pamb) möglich. Auf diese Weise kann die Pumpgrenze noch genauer bestimmt werden.

Vorteilhafterweise wird nach der Detektion eines Pumpens und vor der Einleitung einer Gegenmaßnahme eine Plausibilitätsprüfung auf Basis der aktuellen elektrischen Leistung und/oder der Drehzahl der Strömungsmaschine durchgeführt. Mit Hilfe der Plausibilitätsprüfung kann einem fälschlicherweise detektierten Pumpen vorgebeugt werden. Sowohl die elektrische Leistung als auch die Drehzahl sind dem Steuergerät bekannt.

Im Rahmen der Plausibilitätsprüfung kann zudem mittels einer Toleranzuntersuchung die Pumpgrenze in eine Plausibilitätskurve oder - bei Kenntnis der Temperatur und/oder des Atmosphärendrucks - in ein Plausibilitätskennfeld umgewandelt werden. Ist beispielsweise die elektrische Leistung im als Pumpen erkannten Betriebspunkt kleiner als oder gleich der der Plausibilitätskurve, bestätigt dies das Analyseergebnis und eine geeignete Gegenmaßnahme kann eingeleitet werden. Alternativ zur elektrischen Leistung kann auch das Drehmoment für die Plausibilitätsprüfung herangezogen werden.

Bei Detektion eines Pumpens wird als Gegenmaßnahme vorzugsweise ein Betriebspunkt der Strömungsmaschine verschoben. Beispielsweise kann die Drehzahl der Strömungsmaschine erhöht werden. Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass die maximal zulässige Drehzahl nicht überschritten wird. Die Betriebspunktverschiebung sorgt für eine Rückkehr zu einem stabilen Betrieb der Strömungsmaschine.

Da das Steuergerät der Strömungsmaschine in der Regel eine Drehzahlvorgabe von einem übergeordneten externen Steuergerät erhält, wird in Weiterbildung des Verfahrens vorgeschlagen, dass die aktuelle Drehzahl der Strömungsmaschine, beispielsweise per CAN-Mitteilung, an ein externes Steuergerät übermittelt wird. Das externe Steuergerät bestimmt dann einen neuen Betriebspunkt mit reduziertem Druckverhältnis bzw. erhöhter Drehzahl. Die Abweichung zwischen der, vorzugsweise ebenfalls per CAN, vom externen Steuergerät erhaltenen Solldrehzahl und der vom Steuergerät der Strömungsmaschine vorgegebenen Drehzahl muss später wieder korrigiert bzw. abgebaut werden. Bevorzugt wird die erhöhte Drehzahl nach Ablauf einer Wartezeit wieder abgebaut. Die Länge der Wartezeit hängt unter anderem davon ab, ob ein weiteres Pump- Ereignis detektiert wird oder nicht. Erst mit Ausbleiben eines weiteren Pump- Ereignisses kann die vom externen Steuergerät geforderte Drehzahl vom Steuergerät der Strömungsmaschine wieder freigegeben werden. Bevorzugt wird dabei der Übergang von der erhöhten Drehzahl auf die vom Steuergerät der Strömungsmaschine geforderte Drehzahl gerampt. Das heißt, dass der Abbau nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich vorgenommen wird.

Darüber hinaus wird zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ein Steuergerät für eine Strömungsmaschine vorgeschlagen. Das vorgeschlagene Steuergerät ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Das heißt, dass auf dem Steuergerät ein Computerprogramm mit einem entsprechenden Programmcode bzw. Algorithmus abgelegt ist. Das Verfahren kann somit automatisiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines typischen Verdichterkennfelds,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Pumpgrenze als Funktion P = f(n),

Fig. 3 eine graphische Darstellung einer Frequenzanalyse mittels Fourier- Transformation über einen vorgegebenen Frequenzbereich, a) ohne Pumpen und b) mit Pumpen, und

Fig. 4 eine graphische Darstellung einer Frequenzanalyse mittels Fourier- Transformation über einen vorgegebenen Frequenzbereich, a) ohne Pumpen und b) mit Pumpen.

Fig. 5 eine graphische Darstellung einer Tiefpassfilterung, a) ohne Pumpen und b) mit Pumpen, und Fig. 6 eine graphische Darstellung einer Tiefpassfilterung, a) ohne Pumpen und b) mit Pumpen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein typisches Verdichterkennfeld. Aufgetragen ist das Druckverhältnis zwischen dem Druck p _ou t am Verdichterauslass und dem Druck pi _n am Verdichtereinlass über dem Massenstrom. Des Weiteren sind Linien C dargestellt, entlang welcher die Verdichterdrehzahl n konstant ist. Das Verdichterkennfeld wird einerseits von einer Pumpgrenze A und andererseits von einer Stopfgrenze B begrenzt. Bei einem Überschreiten der Pumpgrenze kommt es zum sogenannten „Pumpen“ des Verdichters. Dieses sorgt für Schwingungen des Massenstroms, des Drucks und der Drehzahl, so dass zum Erhalt eines stabilen Betriebs eine Betriebspunktverschiebung vorgenommen werden muss. Um dies zu verhindern, wird daher oftmals ein Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze A eingehalten, der in der Fig. 1 durch die Linie D definiert ist. Wird der Sicherheitsabstand eingehalten, kann ein „Pumpen“ des Verdichters vermieden werden. Wie aus der Fig. 1 deutlich ersichtlich, engt jedoch der Sicherheitsabstand den Betriebsbereich des Verdichters ein. Zudem muss die Einhaltung des Sicherheitsabstands überwacht werden, beispielsweise durch Messen des Massenstroms oder der Drücke pi _n und/oder p _ou t. Dies setzt aber eine zusätzliche Messeinrichtung bzw. Sensorik voraus.

Das erfindungsgemäße Verfahren kommt dagegen ohne eine zusätzliche Sensorik aus, da es zur Überwachung das Steuergerät des Verdichters einsetzt. Ferner wird nicht die Einhaltung des Sicherheitsabstands zur Pumpgrenze überwacht, sondern das Überschreiten der Pumpgrenze. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Pumpen des Verdichters detektiert, so dass mindestens eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden kann.

Zur Pump-Detektion wird mindestens eine im Steuergerät vorliegende elektrische Größe überwacht und/oder analysiert. Beispielsweise kann eine Frequenzanalyse durchgeführt werden. Da diese sehr rechenzeitintensiv ist, wird eine Frequenzanalyse vorzugsweise erst durchgeführt, wenn ein vorab bestimmter Mindestabstand zur Pumpgrenze A unterschritten wird. Wie beispielhaft in der Fig. 2 dargestellt, kann der Mindestabstand zur Pumpgrenze A durch eine Kennlinie P _ac tivate definiert und im Steuergerät abgelegt werden. Im Bereich oberhalb des Pumpgrenze A ist ein stabiler Betrieb des Verdichters möglich. Im Bereich unterhalb der Pumpgrenze A ist der Bereich möglicherweise instabil (abhängig von den Verdichtertoleranzen, der Temperatur und/oder dem Atmosphärendruck), da ein „Pumpen“ des Verdichters eintritt.

Wird ein Pumpen des Verdichters detektiert, kann zur Bestätigung dieses Ereignisses eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt werden. Mittels einer Toleranzuntersuchung kann beispielsweise die Pumpgrenze A in eine Plausibilitätskurve Ppiaus umgewandelt werden (siehe Fig. 2). Ist die Leistung des als Pumpen detek- tierten Betriebspunkts kleiner als oder gleich der Plausibilitätskurve P _piaU s, erfolgt eine Meldung per CAN an ein übergeordnetes Steuergerät, andernfalls wird das Ergebnis verworfen.

In den Figuren 3 und 4 sind beispielhaft mittels Fourier-Transformation ermittelte Analyseergebnisse für verschiedene Messsignale dargestellt, und zwar für die Messsignale tatsächlicher drehmomenterzeugender Rotorstrom (Fig. 3) und Solldrehmoment (Fig. 4). Es werden jeweils Betriebspunkte „ohne Pumpen“ (jeweils die obere Graphik) mit Betriebspunkten „mit Pumpen“ (jeweils die untere Graphik) verglichen. Die Messungen wurden jeweils bei konstanter Drehzahl durchgeführt.

In der Fig. 3a) sind keine Peaks erkennbar. In der Fig. 3b) tritt jeweils ein Peak bei 33 und bei 66 Hz auf. Diese deuten auf ein Pumpen des Verdichters hin. Die in den Figuren 4a) und 4b) dargestellten Ergebnisse ähneln denen der Fig. 3a) und 3b), so dass beide Messsignale (tatsächlicher drehmomenterzeugender Rotorstrom und Solldrehmoment) eine Trennung zwischen pumpendem Betrieb und nicht-pumpenden Betrieb ermöglichen.

In den Figuren 5 und 6 sind beispielhaft mittels Tiefpassfilterung ermittelte Analyseergebnisse für verschiedene Messsignale dargestellt, und zwar für die Messsignale tatsächlicher drehmomenterzeugender Rotorstrom (Fig. 5) und Solldrehmoment (Fig. 6). Es werden jeweils Betriebspunkte „ohne Pumpen“ (jeweils die obere Graphik) mit Betriebspunkten „mit Pumpen“ (jeweils die untere Graphik) verglichen. Die Messungen wurden jeweils bei konstanter Drehzahl durchgeführt. In der Fig. 5a) sind nur geringe Fluktuationen des tiefpassgefilterten Messsignals erkennbar. Das angewendete Summenkriterium liefert somit nur einen kleinen Wert. In der Fig. 5b) dagegen sind die Fluktuationen deutlich stärker aufgeprägt. Somit ist auch der Wert des Summenkriteriums deutlich größer und deutet auf ein Pumpen des Verdichters hin. Die in den Figuren 6a) und 6b) dargestellten Ergebnisse ähneln denen der Fig. 5a) und 5b), so dass beide Messsignale (tatsächlicher drehmomenterzeugender Rotorstrom und Solldrehmoment) eine Trennung zwischen pumpendem Betrieb und nicht-pumpenden Betrieb ermögli- chen.