Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Verbrauches

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen

Verbrauches, insbesondere Elektromotor, mit einem Versorgungsanschluss, der mit einer elektrischen Energiequelle verbunden/verbindbar ist, mit einem

Verbraucheranschluss, der mit dem Verbraucher verbunden/verbindbar ist, mit einem Anlaufwiderstand, der für einen Anlaufvorgang zwischen dem

Versorgungsanschluss und dem Verbraucheranschluss mittels wenigstens einer Schaltereinrichtung zwischenschaltbar ist, und mit Mitteln zum Bestimmen einer aktuellen Temperatur des Anlaufwiderstands.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung.

Stand der Technik

Vorrichtungen und Verfahren zur eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere im Kraftfahrzeugbau nimmt die

Elektrifizierung von Antriebseinrichtungen zu. Dabei werden sowohl der Fahrzeugantrieb selbst als auch Hilfsmotoren oder Aktoren im Kraftfahrzeug häufig als oder mit einem Elektromotor ausgebildet und durch ein Steuergerät in Abhängigkeit von einem Fahrerwunsch angesteuert. So ist beispielsweise eine Luftunterdruckpumpe bekannt, die durch ein Niedrigvolt-Bordnetz eines

Kraftfahrzeugs betrieben wird. Dabei ist eine Ansteuerelektronik in die

Leistungselektronik zum Betreiben der Luftunterdruckpumpe beziehungsweise eines Elektromotors der Luftunterdruckpumpe integriert. Für eine

Strombegrenzung beim Anlauf des Elektromotors werden Widerstände zur Stromdrosselung eingesetzt. Wenigstens einer dieser Anlaufwiderstände wird dabei beim Anlauf mittels einer Schaltereinrichtung zwischen die

Versorgungsspannung und den Elektromotor geschaltet. Ist die Anlaufphase überwunden, so wird der Anlaufwiderstand durch Betätigen der

Schaltereinrichtung aus der Stromführung entfernt und stattdessen der

Elektromotor direkt an die Spannungsquelle beziehungsweise

Leistungselektronik angeschlossen, sodass der Anlaufwiderstand umgangen beziehungsweise überbrückt wird und der von der Leistungselektronik maximal zur Verfügung gestellte Betriebsstrom ausgenutzt wird. Bei wiederholten Anlaufvorgängen erhitzen sich die Anlaufwiderstände mit der

Zeit. Um zu vermeiden, dass der Anlaufwiderstand überhitzt und Schaden nimmt, ist es bekannt, eine Übertemperaturerkennung und Abschaltung zur

Überhitzungsvermeidung vorzusehen. Dazu sind Mittel notwendig, welche die aktuelle Temperatur des Anlaufwiderstands überwachen.

Bisher ist es dazu bekannt, einen Temperatursensor vorzusehen, welcher dem Anlaufwiderstand zugeordnet ist, um dessen Betriebstemperatur zu messen. Eine Auswerteeinrichtung, beispielsweise eine Steuereinheit, vergleicht dabei den erfassten Temperaturwert mit einer vorgebbaren Grenztemperatur, und schaltet den Elektromotor ab beziehungsweise beendet dessen Ansteuerung, wenn die erfasste Temperatur die vorgegebene Grenztemperatur überschreitet.

Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den

Vorteil, dass auf eine direkte Erfassung der Temperatur des Anlaufwiderstands verzichtet wird. Dadurch werden Vorteile in Bezug auf die Teilekosten sowie auf den zur Verfügung stehenden Bauraum erreicht. Darüber hinaus wird die

Vorrichtung insgesamt vereinfacht, weil auf eine Extraschaltung für die

Temperaturüberwachung verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Mittel zum Bestimmen der aktuellen Temperatur des Anlaufwiderstands eine Einrichtung zum Bestimmen eines elektrischen

Widerstandswertes des Anlaufwiderstands durch Erfassen einer

Versorgungsspannung an dem Versorgungsanschluss, einer Betriebsspannung des Verbrauchers an dem Betriebsanschluss sowie eines Betriebsstroms des Verbrauchers aufweisen. Weil der Widerstandswert des Anlaufwiderstands abhängig ist von seiner aktuellen Betriebstemperatur, kann die aktuelle

Betriebstemperatur des Anlaufwiderstands bestimmt werden, wenn der aktuelle Widerstandswert bekannt ist. Durch das Erfassen der Versorgungsspannung, der Betriebsspannung sowie des Betriebsstroms, ist es mittels einer einfachen Berechnung möglich, den aktuellen elektrischen Widerstand des

Anlaufwiderstands zu bestimmen und in Abhängigkeit dessen dann die

Temperatur des Anlaufwiderstands zu ermitteln. Dadurch, dass die Einrichtung Versorgungsspannung, die Betriebsspannung und den Betriebsstrom erfasst, ist somit die Temperatur des Anlaufwiderstands indirekt bestimmbar, ohne dass ein separater Temperatursensor oder eine Temperaturüberwachungsschaltung notwendig sind.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anlaufwiderstand mindestens einen elektrischen Widerstand mit einem hohen Temperaturkoeffizienten aufweist. Desto höher der Temperaturkoeffizient ist, desto stärker wirkt sich die Betriebstemperatur auf den elektrischen

Widerstandswert aus, sodass durch den hohen Temperaturkoeffizienten stärkere Veränderungen im Widerstandswert feststellbar sind, sodass ein Ermitteln des Widerstandswerts oder dessen Änderungen mit wenig Aufwand möglich ist, um die Temperatur des Anlaufwiderstands genau zu bestimmen.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Anlaufwiderstand mehrere

Widerstände mit einem hohen Temperaturkoeffizienten aufweist, die parallel zueinander geschaltet sind. Dadurch wird der elektrische Widerstand des Anlaufwiderstands insgesamt erhöht und es lässt sich mittels der

vorbeschriebenen Einrichtung ein gemittelter Temperaturwert der Widerstände bestimmen. Bei der Anpassung einer bestehenden Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers, die mehrere Anlaufwiderstände aufweist, können diese dafür einfach durch Anlaufwiderstände mit einem erhöhten

Temperaturkoeffizienten ersetzt werden. Damit ist auch ein Nachrüsten einer bereits bestehenden Vorrichtung zur Temperaturüberwachung auf einfache und kostengünstige Art und Weise möglich. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der jeweilige elektrische Widerstand als Kupferwiderstand oder Nickelwiderstand ausgebildet ist. Sowohl Kupfer als auch Nickel weisen einen hohen Temperaturkoeffizienten auf, sodass die Temperatur, wie zuvor bereits beschrieben, gut und genau bestimmbar ist.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Einrichtung eine Steuereinheit, insbesondere einen Mikroprozessor aufweist, welcher die erfassten Spannungsund Stromwerte auswertet, den elektrischen Widerstand bestimmt und den bestimmten elektrischen Widerstandswert insbesondere mit einem vorgebbaren Grenzwert vergleicht, um eine kritische Temperaturerhöhung zu erfassen. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, den elektrischen Verbraucher abzuschalten beziehungsweise nicht weiter mit Energie zu versorgen, wenn der bestimmte Temperaturwert die vorgebbare Grenztemperatur überschritten hat.

Die elektrische/elektronische Baueinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 6 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Es ergeben sich dabei die bereits genannten Vorteile.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 zeichnet sich dadurch aus, dass in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung, der Betriebsspannung und des Betriebsstroms ein aktueller elektrischer

Widerstandswert des Anlaufwiderstands bestimmt und in Abhängigkeit dessen die Temperatur des Anlaufwiderstands ermittelt wird. Die ermittelte Temperatur wird insbesondere mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen und bei Überschreiten des Grenzwerts durch die ermittelte Temperatur zur Vermeidung einer Überhitzung der Verbraucher abgeschaltet beziehungsweise eine

Ansteuerung des Verbrauchers beendet. Es ergeben sich dadurch die bereits genannten Vorteile.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Temperatur erst dann bestimmt wird, wenn der Betriebsstrom des Verbrauchers einen eingeschwungenen Zustand erreicht hat. Die Anlaufphase ist nicht für die Temperaturbestimmung geeignet, weil hier sich der Strom schnell und stark verändert. Sobald der Strom jedoch einen eingeschwungenen Zustand erreicht hat, ist die Temperaturbestimmung erfolgreich durchführbar. Insbesondere ist hierzu vorgesehen, dass die Temperatur erst dann bestimmt wird, wenn eine vorbestimmte Zeitdauer nach Zwischenschalten des

Anlaufwiderstands abgelaufen ist. Wird also für einen Anlaufvorgang der

Anlaufwiderstand durch Betätigen der Schalteinrichtung zwischengeschaltet, beginnt eine Zeitmessung. Wird die vorgebbare Zeitdauer erreicht, beginnt die Auswertung des Betriebsstroms, der Betriebsspannung sowie der

Versorgungsspannung, um den elektrischen Widerstandswert des

Anlaufwiderstands und damit die Temperatur des Anlaufwiderstands zu ermitteln. Alternativ zum Berücksichtigen der vorbestimmten Zeitdauer ist bevorzugt vorgesehen, dass der Stromverlauf überwacht wird, und dass die Bestimmung der Temperatur erst dann beginnt, wenn aus dem überwachten Stromverlauf ein eingeschwungener Zustand des Betriebsstroms erkennbar ist. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Dazu zeigen

Figur 1 eine vorteilhafte Baueinheit in einer vereinfachten Darstellung und Figur 2 ein Diagramm zur Temperaturbestimmung eines Anlaufwiderstands.

Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Baueinheit 1 für ein

Kraftfahrzeug, die eine Luftunterdruckpumpe 2 mit einem Elektromotor 3 sowie eine Vorrichtung 4 zum Ansteuern des Elektromotors 3 aufweist. Die Vorrichtung 4 weist eine Leistungselektronik 5 auf, sowie eine Steuereinheit 6 in Form eines

Mikroprozessors zum Ansteuern der Leistungselektronik 5. Die

Leistungselektronik ist mit einer Energiequelle durch einen

Versorgungsanschluss (Ubat) und ist durch einen ersten Schalter Ti verbindbar. Mittels eines Messwiderstands Rs wird ein Betriebsstrom I der

Leistungselektronik 5 beziehungsweise des Elektromotors 3 überwacht.

Der Elektromotor 3 ist durch eine Schalteinrichtung 7 mit der Spannungsquelle beziehungsweise dem ersten Schalter Ti verbindbar. Die Schaltereinrichtung weist zwei betätigbare Schalter T2 und T3 auf, die als mechanische oder als Halbleiterschalter ausgebildet sein können. Die Schalter Ti, T2 und T3 werden durch die Steuereinheit 6 betätigt. Der Schaltet T2 ist einerseits mit dem

Messwiderstand Rs und andererseits mit der Elektromaschine 3 verbunden. Wird der Schalter T2 betätigt beziehungsweise geschlossen, so wird die

Elektromaschine 3 somit mit der Spannungsversorgung Ubat verbunden.

Der andere Schalter T3 der Schaltereinrichtung 7 ist einerseits mit dem

Messwiderstand Rs und andererseits mit einem Anlaufwiderstand 8 verbunden, welcher vorliegend drei Widerstände 9 aufweist, die parallel zueinander geschaltet sind. Die Widerstände 9 beziehungsweise der Anlaufwiderstand 8 ist somit zwischen dem Schalter T3 und dem Elektromotor 3 geschaltet, sodass dann, wenn der Schalter T2 geöffnet und der Schalter T3 geschlossen ist, der Betriebsstrom I, der der Elektromaschine 3 zugeführt wird, durch den

Anlaufwiderstand 8 gedrosselt ist. Die Steuereinheit 6 erfasst im Betrieb die Betriebsspannung U3 der

Elektromaschine 3, die Versorgungsspannung Ubat sowie den Betriebsstrom I.

Die Widerstände 9 sind als Kupferwiderstände oder Nickelwiderstände ausgebildet, sodass sie einen im Vergleich zu üblichen Anlaufwiderständen erhöhten Temperaturkoeffizienten aufweisen. Für Kupfer ist der

Temperaturkoeffizient-Wert typischerweise 3900ppm/°C. Durch das Verwenden mehrerer Widerstände 9 wird bei einem Anlaufvorgang, bei welchem der Schalter T2 geöffnet und der Schalter T3 geschlossen ist, die Wärme gut in dem

Anlaufwiderstand 8 verteilt. Der Widerstandswert RH des Anlaufwiderstands 8 ist von der Temperatur T der Widerstände 9 abhängig. Um eine verbesserte

Wärmeabfuhr zu gewährleisten, ist insbesondere vorgesehen, dass die

Widerstände 9 auf einer Leiterplatte geätzt werden/sind.

Wie bereits erwähnt, ist während eines Anlaufvorgangs der Schalter T2 geöffnet und der Schalter T3 geschlossen, damit der Strom I von dem Anlaufwiderstand

8/Rd gedrosselt ist. Es gilt dabei der folgende Zusammenhang:

U _s = I(R _s + R _d (T)) + U ₃ (1) _RA T) = ^l ^ - R _s (2) Aufgrund des Temperaturkoeffizienten der Kupferwiderstände 9 gilt für den Anlaufwiderstand Rd:

R _d (T) = R _d (T ₀ )(\ + a(T - T ₀ )) (3)

Wobei T die aktuelle Temperatur der Widerstände 9 ist, unter der Annahme, dass die Widerstände 9 die gleiche Temperatur aufweisen, To eine

Referenztemperatur und α der Temperaturkoeffizient der Widerstände 9

(aKupfer = 3,9 x IO-3K ^"1 )

Die Gleichungen (1) bis (3) können umformuliert werden, sodass für die

Temperatur T gilt:

Die Gleichung (4) gilt dann, wenn der Strom I relativ groß ist. Weil sich die Elektromaschine 3 elektrisch wie eine Spule verhält, ändert sich der Strom I beim Anfahren schnell und stark. Daher ist eine Anlaufphase für eine

Temperaturermittlung nicht geeignet.

Figur 2 zeigt dazu in einem Diagramm über die Zeit t den Verlauf des Stroms I bei einem Anlaufvorgang, sowie die Schaltstellungen der Schalter Ti, T2 und T3. In der Anlaufphase entstehen Zeitfenster F, in welchem der Strom nur geringe Änderungen aufweist und insofern einen eingeschwungenen Zustand erreicht hat. Diese Zeitfenster F eignen sich zum Bestimmen der Betriebstemperatur der Widerstände 9 beziehungsweise Anlaufwiderstands 8. Um diese Zeitfenster zu erreichen, beginnt die Erfassung der Versorgungsspannung Ubat, der

Betriebsspannung U3 und des Betriebsstroms I erst nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer. Die Zeitdauer wird dabei so vorgegeben, dass mit Ablauf der Zeitdauer erwartet werden kann, dass der Strom eingeschwungen ist. Alternativ wird der Stromverlauf I beobachtet und erst dann die Messung begonnen, wenn der Strom einen eingeschwungenen Zustand zeigt. Weil die zuvor genannten Werte innerhalb des Zeitfensters F erfasst werden konnten, wird in Abhängigkeit der erfassten Daten der Widerstandswert Rd des Anlaufwiderstands 8 ermittelt und daraus die Betriebstemperatur des

Anlaufwiderstands 8 bestimmt. Dabei wird die ermittelte Betriebstemperatur mit einer vorgegebenen Grenztemperatur T _g verglichen. Überschreitet die ermittelte

Betriebstemperatur T die Grenztemperatur T _g , so beendet die Steuereinheit 6 die Ansteuerung der Elektromaschine, um ein Überhitzen der Widerstände 9 zu verhindern. Somit ist es auf einfache Art und Weise und ohne das Vorsehen einer zusätzlichen Temperaturüberwachungsschaltung möglich, die Temperatur der Widerstände 9 beziehungsweise des Anlaufwiderstands 8 zu überwachen und bei Bedarf einen Weiterbetrieb zu verhindern, sodass eine Überhitzung und damit eine Beschädigung des Anlaufwiderstands 8 sicher verhindert wird.