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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Gebläse eines Fahrzeugs und insbesondere ein System zum Steuern der Geschwindigkeit des Gebläses.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Steuern der Geschwindigkeit eines elektrischen Kühlgebläses, das ein durch einen Gleichstrommotor angetriebenes Gebläserad aufweist und einem oder mehreren Wärmeaustauschern zugeordnet ist, die in einem Motorfahrzeug montiert sind, derart, dass bei der Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs ein Luftstrom erzeugt wird, der auf das Gebläserad des elektrischen Gebläses trifft und eine Drehung des Gebläserads richtungsgleich zu der durch den zugeordneten Elektromotor bewirkten Drehung bewirkt.
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Insbesondere betrifft die Erfindung ein Steuersystem dieser Art, umfassend:
eine Antriebsschaltung für den Motor des elektrischen Gebläses, die mit dem elektrischen System des Motorfahrzeugs gekoppelt ist und eine Mehrzahl von gesteuerten elektronischen Schaltern umfasst, und eine elektronische Steuereinheit, die für die Steuerung der Antriebsschaltung in einer solchen Weise angeordnet ist, dass sie in dem Motor des elektrischen Gebläses einen variablen Durchschnittsstrom fließen lässt, der geeignet ist den Motor des elektrischen Gebläses eine benötigte Drehzahl gemäß einer vorgegebenen Beziehung oder Funktion erreichen zu lassen.
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1 der anliegenden Zeichnungen ist eine schematische Darstellung der Architektur eines derartigen Steuersystems gemäß dem Stand der Technik. Im Übrigen hat ein erfindungsgemäßes Steuersystem im Wesentlichen die gleiche Architektur.
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In 1 bezeichnet EP die Gesamtheit dessen, was als Wärmeaustauscher-”Paket” bekannt ist und in dem vorderen Raum unter der Motorhaube eines Motorfahrzeugs montiert und einem elektrischen Gebläse zugeordnet ist, das insgesamt mit EF bezeichnet ist. Dieses elektrische Gebläse umfasst ein mit Flügeln versehenen Gebläserad BI bekannter Art, das durch einen Gleichstrommotor EM gedreht wird. Dieser Motor ist zum Beispiel ein bürstenloser Motor oder ein Motor mit Bürsten und wird durch eine Schaltung (oder einen ”Treiber”) MDC angetrieben, die(der) mit dem elektrischen System des Motorfahrzeugs verbunden ist, das eine Batterie B enthält.
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Die Antriebsschaltung MDC wird durch eine elektronische Steuereinheit ECU gesteuert. Diese kann zum Beispiel die elektronische Steuereinheit sein, die dem Verbrennungsmotor des Motorfahrzeugs zugeordnet ist. Diese Einheit empfängt zahlreiche Informationen von verschiedenen Sensorvorrichtungen, die in 1 insgesamt mit S bezeichnet sind.
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Die Steuereinheit ECU ist für die Steuerung der Antriebsschaltung MDC gemäß einer vorgegebenen Beziehung oder Funktion wie jene, die anhand eines Beispiels in 2 qualitativ dargestellt ist, ausgebildet, wodurch bewirkt wird, dass in dem Motor EM ein variabler Durchschnittsstrom fließt, der ermöglicht, dass der Motor die Drehzahl n (die benötigte Drehzahl) erreicht.
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In 2 sind an der horizontalen Achse die Werte einer Steuergröße angegeben, und die entsprechenden Werte der benötigten Drehzahl n des Motors EM sind an der vertikalen Achse angegeben. Die Steuergröße oder der Parameter kann zum Beispiel das Tastverhältnis eines Rechtecksteuersignals mit fester Frequenz sein.
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Wenn das Motorfahrzeug vorwärts bewegt wird, entsteht, wie vorstehend erwähnt, auf natürliche Weise ein Luftstrom, der sich durch das Wärmeaustauscherpaket EP bewegt, bis er auf das Gebläserad BI des elektrischen Gebläses EF trifft und die Drehung des Gebläserads in der Richtung bewirkt, die dem Gebläserad durch den zugeordneten Elektromotor EM aufgeprägt wird. Diese Wirkung des Luftstroms auf das Gebläserad BI ist als ”Windmilling” bekannt.
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Wenn sich das Motorfahrzeug mit niedriger Geschwindigkeit vorwärts bewegt, verursacht die Wirkung des vorgenannten Luftstroms eine Herabsetzung des Drehmoments, das durch den Motor EM zu entwickeln ist, um die Drehung des Gebläserads BI mit der gewünschten Drehgeschwindigkeit aufrecht zu erhalten. Dies führt zu einer Reduzierung des Durchschnittsstroms und des Verbrauchs von Strom aus der Batterie B.
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Wenn sich das Fahrzeug mit höheren Geschwindigkeiten vorwärts bewegt, kann das auf das Gebläserad BI des elektrischen Gebläses wirkende Drehmoment als Ergebnis des Windmilling auf einen Punkt ansteigen, an dem das Gebläserad BI beginnt, sich mit einer höheren Geschwindigkeit als der benötigten Geschwindigkeit n zu drehen.
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Bei bestehenden Systemen zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit eines elektrischen Gebläses kann sich das Gebläserad in einer solchen Situation frei drehen. Wenngleich dieser Ansatz einfach ist, hat er eine Reihe von Nachteilen, unter anderem die Erzeugung von akustischen Geräuschen und Vibrationen sowie die Tatsache, dass das Wärmeaustauscherpaket EP stärker als notwendig gekühlt werden kann, was womöglich zu einer größeren Luftverschmutzung führt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher ein System zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit eines elektrischen Gebläses erwünscht, mit welchem die Nachteile der Systeme des Stands der Technik unter Windmilling-Bedingungen beseitig werden.
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Dies wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer Steuereinheit erreicht, die für die Speicherung einer Drehzahlschwelle und für die Steuerung des Motors des elektrischen Gebläses mittels der zugeordneten Antriebsschaltung in einer solchen Weise ausgebildet ist, dass die Antriebsschaltung eine elektrische Bremsung des Motors veranlasst, wenn die Drehzahl des Motors die Schwelle überschreitet.
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Demzufolge wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein System zum Steuern der Drehgeschwindigkeit eines elektrischen Gebläses bereitgestellt, das ein durch einen Elektromotor angetriebenes Gebläserad aufweist und einem oder mehreren Wärmeaustauschern zugeordnet ist, die in einem Motorfahrzeug montiert sind, derart, dass die Vorwärtsbewegung des Motorfahrzeugs einen Luftstrom erzeugt, der auf das Gebläserad trifft und eine Drehung des Gebläserads richtungsgleich zu der durch den Elektromotor bewirkten Drehung bewirkt, wobei das System umfasst: eine Antriebsschaltung für den Elektromotor des elektrischen Gebläses, die mit dem eine Batterie des Motorfahrzeugs umfassenden elektrischen System gekoppelt ist und eine Mehrzahl von elektronischen Schaltern aufweist, und eine elektronische Steuereinheit, die für die Steuerung der Antriebsschaltung in einer solchen Weise angeordnet ist, dass sie in dem Elektromotor variablen Durchschnittsstrom fließen lässt, der geeignet ist den Elektromotor eine benötigte Drehzahl gemäß einer vorgegebenen Beziehung oder Funktion erreichen lässt, wobei die Steuereinheit für die Speicherung einer vorgegebenen Drehzahlschwelle und für die Steuerung des Motors über die zugeordnete Antriebsschaltung in einer solchen Weise angeordnet ist, dass die Antriebsschaltung eine elektrische Bremsung des Motors veranlasst, wenn die Drehzahl des Elektromotors die Schwelle überschreitet.
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Vorzugsweise assoziiert die Beziehung oder Funktion Werte der benötigten Drehzahl des Elektromotors, die zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert liegen, mit entsprechenden Werten eines Parameters, von denen die Drehzahl des Motors abhängt, wobei die Drehzahlschwelle ein konstanter Wert ist, der größer oder zumindest gleich dem Maximalwert der benötigten Drehzahl des Motors ist.
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Vorzugsweise assoziiert die Beziehung oder Funktion Werte der benötigten Drehzahl des Elektromotors, die nicht notwendigerweise konstant zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert ansteigen, mit ansteigenden Werten eines Parameters, von denen die durchschnittliche Amplitude des Stroms in dem Elektromotor abhängt, wobei die Drehzahlschwelle einen Wert hat, der nicht notwendigerweise konstant mit dem Anstieg der Werte des Parameters ansteigt, wobei der Wert der Drehzahlschwelle für den jeden Wert des Parameters größer oder zumindest gleich dem entsprechenden Wert der benötigten Drehzahl des Elektromotors ist.
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Vorzugsweise weist die Drehzahlschwelle einen Wert auf, der von dem Wert Null des Parameters linear und bis zu einem vorgegebenen Maximalwert ansteigt.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit derart angepasst, dass sie keine elektrische Bremsung des Elektromotors des elektrischen Gebläses veranlasst, wenn der Wert des Parameters größer als ein vorgegebener Wert ist.
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Vorzugsweise ist die Antriebsschaltung derart konfiguriert und kann derart angesteuert werden, dass sie die elektrische Bremsung des Elektromotors in regenerativer Weise bewirkt, wobei ein Strom in die vorgenannte Batterie gespeist wird.
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Vorzugsweise umfasst die Antriebsschaltung eine Halbbrückenschaltung mit einem Paar von MOSFET-Transistoren.
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Vorzugsweise ist die Antriebsschaltung derart konfiguriert und kann derart angesteuert werden, dass sie eine elektrische Bremsung des Elektromotors mit einer Dissipation des Stroms bewirkt, der bei der Bremsung durch den Elektromotor erzeugt wird.
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Vorzugsweise umfasst die Antriebsschaltung eine Vollbrückenschaltung oder einen Inverter für einen dreiphasigen Elektromotor mit vier bzw. sechs Transistoren, insbesondere MOSFET-Transistoren.
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Vorzugsweise ist die Antriebsschaltung derart konfiguriert und kann selektiv auf eine erste oder auf eine zweite Weise angesteuert werden, so dass selektiv eine regenerative oder dissipative elektrische Bremsung des Elektromotors veranlasst wird.
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Vorzugsweise wird der Bremsstrom des Elektromotors mittels eines PWM-Signals gesteuert, das an ein Gate der elektronischen Schalter der Antriebsschaltung angelegt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
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1 ist eine schematische Darstellung der Architektur eines Systems zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit eines elektrischen Kühlgebläses für ein Motorfahrzeug;
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2 ist ein Graph, der eine Beziehung oder Funktion bekannter Art zeigt, die die Werte eines Steuerparameters mit der erforderlichen Drehzahl n des Motors des elektrischen Gebläses korreliert;
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3 ist ein Graph ähnlich wie in 2, der einen möglichen Betriebsmodus eines Steuersystems gemäß vorliegender Erfindung erläutert;
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4 ist ein Graph ähnlich wie in 3, der einen anderen Betriebsmodus eines Steuersystems gemäß vorliegender Erfindung erläutert;
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5 ist ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform einer Antriebsschaltung, die in einem erfindungsgemäßen Steuersystem verwendet werden kann; und
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6 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine andere Ausführungsform einer Antriebsschaltung für ein erfindungsgemäßes Steuersystem darstellt.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird auf die 1 und 3 Bezug genommen. In einer ersten Ausführungsform ist die Steuereinheit ECU des erfindungsgemäßen Systems in zweckmäßiger Weise für die Speicherung einer Drehzahlschwelle tn und für die Steuerung des Motors EM des elektrischen Gebläses EF mittels der zugeordneten Antriebsschaltung MDC in einer solchen Weise ausgelegt, dass die Antriebsschaltung MDC die elektrische Bremsung des Motors veranlasst, wenn die tatsächliche Drehzahl des Motors EM diese Schwelle tn überschreitet.
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Bei der Implementierung, auf die sich der Graph in 3 bezieht, ist die Beziehung oder Funktion, die das an der horizontalen Achse angegebene Tastverhältnis (d. c.) mit der benötigten Drehzahl n des Motors EM verknüpft, dieselbe wie die in dem Graph von 2 dargestellte Beziehung oder Funktion, und die Drehzahlschwelle tn weist einen konstanten Wert auf, der höher ist als der Maximalwert nM der benötigten Drehzahl n des Motors.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Schwelle tn einen konstanten Wert aufweisen, der gleich dem Maximalwert nM ist.
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Die Steuereinheit ECU kann in zweckmäßiger Weise derart ausgebildet sein, dass sie keine elektrische Bremsung des Motors EM des elektrischen Gebläses EF veranlasst, wenn der Wert des Parameters an der horizontalen Achse des Graphs von 3, zum Beispiel das oben definierte Tastverhältnis, größer als ein vorgegebener Wert X ist. Bei Werten dieses Parameters, die größer als X sind, wird zur Bereitstellung der maximalen Kühlwirkung eine freie Drehung des Gebläserads BI mit Geschwindigkeiten zugelassen, die die Schwelle tn überschreiten können.
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4 zeigt einen Graph, der dieselbe Beziehung oder Funktion wie jene der 2 und 3 zwischen der benötigten Drehzahl n des Motors EM und dem vorstehend definierten Tastverhältnis darstellt. Diese Beziehung oder Funktion assoziiert Werte der Drehzahl n, die zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert (nicht notwendigerweise linear oder konstant) ansteigen mit ansteigenden Werten des Tastverhältnisses, die an der horizontalen Achse angegeben sind. In der Ausführungsform, auf die sich der Graph von 4 bezieht, hat die Drehzahlschwelle tn keinen konstanten Wert, sondern einen Wert, der mit einem Anstieg der Werte des Tastverhältnisses, die an der horizontalen Achse angegeben sind, ansteigt. Insbesondere ist bei jedem Wert dieses Tastverhältnisses der zugeordnete Wert der Drehzahlschwelle tn gleich oder größer als der entsprechende Wert der Drehzahl n. In dem speziellen Beispiel, das in 4 gezeigt ist und das die Erfindung nicht einschränken soll, steigt die Drehzahlschwelle tn von einem Minimalwert, der dem Wert Null des Tastverhältnisses an der horizontalen Achse entspricht, linear auf einen Maximalwert tnM an.
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Alternativ kann die Variation der Drehzahlschwelle tn mit jener der gespeicherten Beziehung oder Funktion identisch sein, die die benötigte Drehzahl n des Motors EM mit dem an der horizontalen Achse von 4 angegebenen Tastverhältnis (d. c.) korreliert.
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Wenn die Geschwindigkeitsschwelle tn keinen konstanten Wert hat, wie in dem Graph von 4 gezeigt, ist es wiederum möglich, die Steuereinheit ECU derart auszubilden, dass sie keine elektrische Bremsung des Motors EM veranlasst, wenn das Tastverhältnnis von 4 größer ist als ein vorgegebener Wert X.
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Um die Bremsung eines Elektromotors zu bewirken, ist es allgemein erforderlich, den Strom in den Wicklungen des Motors in einer zur normalen Richtung entgegengesetzten Richtung fließen zu lassen.
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5 zeigt eine Antriebsschaltung MDC des Brückentyps zur Steuerung des Motors EM des elektrischen Gebläses, wenn der Motor ein bürstenloser Motor ist.
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Die Schaltung MDC von 5 umfasst drei MOSFET-Transistoren, die mit M1, M2 und M3 bezeichnet sind und die jeweils eine intrinsische Diode (oder ”parasitäre” oder Substrat-Diode) haben.
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Die Transistoren M1 und M2 sind zwischen den Anschlüssen der Batterie B zusammengeschaltet. Der Motor EM ist über den Transistor M3 zwischen den Punkt der Zusammenschaltung der Transistoren M1 und M2 und die Erde GND geschaltet. Die Gates der Transistoren M1, M2 und M3 sind mit der Einheit ECU verbunden und werden durch diese gesteuert.
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Im Betrieb werden die Transistoren M1 und M2 durch jeweilige PWM-Gatesignale angesteuert, wobei das an dem Gate von M2 angelegte Signal in seiner Phase gegenüber dem an dem Gate von M1 angelegten Signal um 180 elektrische Grad verschoben ist. Zweckmäßigerweise ist zwischen den beiden Ansteuersignalen von M1 und M2 eine ”tote Zone” vorgesehen, um deren Kreuzleitung zu verhindern. Der Transistor M3 bleibt konstant leitend.
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Im Normalbetrieb fließt Strom von dem Pluspol der Batterie B durch den Transistor M1 (wenn er ”geschlossen” ist), durch den Motor EM und den Transistor M3. Der Motor EM dreht sich und erzeugt ein Drehmoment abhängig von dem durch ihn fließenden Durchschnittsstrom, der von der Einschaltdauer des Transistors M1 abhängt.
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Wenn die Antriebsschaltung MDC von 5 verwendet wird, wird eine regenerative Bremsung des Motors EM ermöglicht, durch welche der Strom, der durch die in dem Motor EM entwickelte elektromotorische Rückkraft (Rück-EMF) erzeugt wird, in die Batterie B zurückfließen kann. Dies ermöglicht einen angemessenen Grad der Energierückgewinnung, indem an den Motor eine Durchschnittsspannung angelegt wird, die von dem Wert des an dem Gate von M1 anliegenden PWM-Signals abhängt, der kleiner ist als die elektromotorische Rückkraft BEMF.
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Der Maximalstrom in dem Motor und folglich das Bremsmoment können begrenzt werden durch die Berechnung des Minimalwerts des an dem Gate von M1 anliegenden PWM-Signals. Dadurch lässt sich die maximal zurückgewonnene Energie definieren, und unkontrollierte Betriebszustände können vermieden werden. Wenn das ausgeübte Drehmoment nicht ausreichend ist, dreht sich das Gebläse mit einer Geschwindigkeit, die eindeutig höher ist als jene, die als Grenzgeschwindigkeit spezifiziert ist.
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6 ist die schematische Darstellung einer Antriebsschaltung MDC des Typs, der als Vollbrückenschaltung bekannt ist. Die Schaltung von 6 unterscheidet sich von der Schaltung von 5 durch das Vorhandensein eines weiteren Transistors M4, der zwischen den Transistor M3 und den Pluspol der Batterie B geschaltet ist.
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Bei der Schaltung gemäß 6 wird die normale Drehung des Motors EM durch die Ansteuerung des Transistors M1 und komplementär auch des Transistors M2 gesteuert, wobei die Phase von M2 gegenüber der Phase von M1 um 180 elektrische Grad verschoben ist, während der Transistor M3 angeschaltet und der Transistor M4 abgeschaltet ist.
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Die elektrische Bremsung des Motors EM in der in 6 dargestellten Schaltung erfolgt durch die Ansteuerung des Transistors M3 und komplementär auch des Transistors M4, wobei die Phase von M4 gegenüber der Phase von M3 um 180 elektrische Grad verschoben ist, während der Transistor M2 angeschaltet und der Transistor M1 abgeschaltet ist.
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Die auf diese Weise bewerkstelligte elektrische Bremsung ist dissipativ, d. h. mit anderen Worten, sie ist nicht regenerativ.
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Die vorstehende Beschreibung von 6 kann nach notwendiger Anpassung offensichtlich auch auf einen Inverter für einen dreiphasigen Elektromotor mit sechs anstelle von vier elektronischen Schaltern angewendet werden.
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Unter manchen Bedingungen ist die bei der elektrischen Bremsung entwickelte Energie möglicherweise nicht rückgewinnbar, weshalb es zweckmäßig sein kann, eine Antriebsschaltung vorzusehen, die selektiv entweder eine regenerative oder eine dissipative elektrische Bremsung erlaubt, indem das Eingangssteuersignal geeignet eingestellt wird. Die in 6 gezeigte Schaltung bietet diese Möglichkeit.
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In der vorstehenden Beschreibung und in den anliegenden Zeichnungen sind Steuerschaltungen angegeben, die für den Antrieb von bürstenlosen Elektromotoren verwendet werden können. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass mit geringfügigen Modifikationen entsprechende Schaltungen für den Antrieb von Gleichstrommotoren mit Bürsten bereitgestellt werden können.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
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Während der Grundgedanke der Erfindung unverändert bleibt, können Ausführungsformen und Konstruktionsdetails gegenüber den ausschließlich beispielhaft beschrieben und dargestellten Ausführungsformen und Konstruktionsdetails weitgehend variiert werden, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der in den anliegenden Ansprüchen definiert ist.
