DE102011120686A1 - Verfahren zum Überwachen einer Pumpe - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Funktion einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe (1), welche eine interne Elektronik (4) aufweist, über welche Funktionsparameter der Pumpe (1) überwacht werden, wobei die interne Elektronik (4) die Werte der Funktionsparameter über eine interne Kommunikationsschnittstelle (6) an ein zentrales Steuergerät (8) weitersendet, und wobei in dem zentralen Steuergerät (8) die Werte der Funktionsparameter erfasst und hinsichtlich kritischer Grenzwerte überwacht werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem zentralen Steuergerät (8) die zeitliche Veränderung wenigstens eines Werts der Funktionsparameter erfasst wird, wobei bei einem über einen vordefinierten Zeitraum hinweg konstant bleibenden Wert wenigstens eines Funktionsparameters auf einen Fehler der Pumpe (1) geschlossen wird. Die bevorzugte Verwendung liegt im Bereich eines Fahrzeugs (F).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Funktion einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Verfahrens.
  • Elektromotorisch angetriebene Pumpen werden in vielen Systemen verwendet, insbesondere auch in Kraftfahrzeugen, in denen sie zur Förderung von Medien, beispielsweise zur Förderung von Kühlwasser, eingesetzt werden. Insbesondere bei solchen zur Förderung von Medien, insbesondere von Kühlmedien, eingesetzten Pumpen ist es wichtig, dass ihre Funktion fortwährend überwacht wird, um auf eventuelle Fehler oder Ausfälle schnell reagieren zu können, beispielsweise um eine Überhitzung von durch das von der Pumpe geförderte Kühlmedium gekühlten Komponenten verhindern zu können.
  • Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt und üblich, dass elektromotorisch angetriebene Pumpen eine interne Elektronik aufweisen, welche typischerweise als Elektronik zur Ansteuerung des elektromotorischen Antriebs ausgelegt ist. Über diese interne Elektronik werden außerdem Funktionsparameter der Pumpe überwacht und es werden entsprechende Werte dieser Überwachung generiert. Insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen ist es nun üblich, dass die interne Elektronik einer derartigen elektromotorisch angetriebenen Pumpe mit einer internen Kommunikationsschnittstelle verbunden ist, welche ihrerseits mit einem zentralen Steuergerät verbunden ist. Bei üblichen Fahrzeuganwendungen handelt es sich dabei typischerweise um eine Verbindung des Steuergeräts mit verschiedenen Komponenten über einen Datenbus, wobei im Bereich des Datenbus für jede der Komponenten die erwähnte interne Kommunikationsschnittstelle angeordnet ist. Bei der Überwachung der elektromotorisch angetriebene Pumpe ist es nun so, dass die interne Elektronik Werte der Funktionsparameter an die interne Kommunikationsschnittstelle weitergibt, welche diese wiederum zu dem zentralen Steuergerät weiterleitet, welches die Werte der Funktionsparameter hinsichtlich kritischer Grenzwerte überwacht. Kommt es zu einem Über- oder Unterschreiten von kritischen Grenzwerten der Werte der Funktionsparameter, so kann auf eine Fehlfunktion der Pumpe geschlossen werden und entsprechende Maßnahmen, beispielsweise ein Abschalten der Pumpe, ein Abschalten des Gesamtsystems oder dergleichen, können eingeleitet werden, um weitere Schäden und gegebenenfalls sicherheitsrelevante Gefahrensituationen zu vermeiden.
  • Die Problematik bei dieser Art der allgemein bekannten und üblichen Überwachung liegt nun darin, dass bei einem Ausfall der Versorgungsspannung für die Pumpe und bei weiterhin bestehender Versorgungsspannung für die interne Kommunikationsschnittstelle und den Datenbus und damit typischerweise auch für das zentrale Steuergerät, die zuletzt von der internen Elektronik der elektromotorisch angetriebenen Pumpe an die interne Kommunikationsschnittstelle übermittelten Werte im Bereich der Kommunikationsschnittstelle weiterhin erhalten bleiben und fortwährend an das zentrale Steuergerät übermittelt werden. Da diese Werte innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte liegen, wird der Ausfall der Pumpe in dieser Situation, in der die interne Elektronik der Pumpe ausgefallen ist, nicht erkannt. Es kann daher zu sicherheitsrelevanten Problemsituationen kommen, beispielsweise zu einer Überhitzung von Komponenten, welche durch das durch die elektromotorisch angetriebene Pumpe geförderte Kühlmedium hätten gekühlt werden sollen.
  • Nun ist es selbstverständlich möglich, über zusätzliche interne Sensoren eine Funktionsüberwachung der Pumpe vorzunehmen. Dies ist jedoch vergleichsweise aufwändig und teuer und ist insbesondere bei der Anwendung in einem Fahrzeug aufgrund der Kostensituation und typischerweise aufgrund der üblichen Einbausituationen nicht erwünscht.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Überwachen der Funktion einer derartigen elektromotorisch angetriebenen Pumpe anzugeben, welches einfach und effizient eine sichere und zuverlässige Überwachung der Pumpe gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Anspruch 7 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Verwendung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überwachen der Funktion der elektromotorischen Pumpe in der oben dargelegten Art ist es zusätzlich zu einer Überwachung der Werte der Funktionsparameter auf das Über- beziehungsweise Unterschreiten von Grenzwerten vorgesehen, dass in dem zentralen Steuergerät die zeitliche Veränderung wenigstens eines Werts der Funktionsparameter erfasst wird. Kommt es dann über einen vordefinierten Zeitraum hinweg nicht zu einer Veränderung wenigstens eines Werts der Funktionsparameter, dann kann ebenfalls auf einen Fehler in der Pumpe geschlossen werden. Aufgrund der dynamischen Vorgänge in der Pumpe werden die Funktionsparameter nämlich im Normalbetrieb der Pumpe immer schwanken. Falls sich die vom System angeforderte Drehzahl jedoch über einen gewissen Zeitraum nicht ändern sollte, wird eine Änderung in der Größenordnung erzwungen, die das System nicht stört aber eine Änderung der rückgemeldeten Werte auslösen muss. Sind über einen vordefinierten Zeitraum hinweg keinerlei Schwankungen der Werte der Funktionsparameter festzustellen, dann muss davon ausgegangen werden, dass die übermittelten Werte nicht der Realität entsprechen. In diesem Fall ist vermutlich beispielsweise aufgrund eines Stromausfalls im Bereich der Pumpe selbst deren interne Elektronik lahmgelegt, sodass die interne Kommunikationsschnittstelle weiterhin die konstanten Werte an das zentrale Steuergerät weitergibt, welche die interne Kommunikationsschnittstelle zuletzt von der internen Elektronik erhalten hat.
  • Bleiben die Werte also über eine vordefinierte Zeit hinweg immer konstant, dann liegt ein Fehler entweder in der Pumpe oder zumindest im Bereich der internen Elektronik oder der Kommunikation zwischen der internen Elektronik und der internen Kommunikationsschnittstelle vor. In dieser Situation ist also ebenfalls ein Fehler gegeben, welcher entsprechende Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise ein Abschalten des Systems, das Ausgeben einer akustischen und/oder optischen Warnung oder dergleichen, erforderlich macht. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dabei lediglich einige zusätzliche Programmierschritte in der Software des zentralen Steuergeräts, sodass auf zusätzliche Sensoren, auf die Überwachung und Auswertung der von ihnen gelieferten Messdaten und so weiter verzichtet werden kann. Der Aufbau ist damit einfach und effizient, und er lässt sich ohne Probleme in bestehenden Systemen durch ein Update der Software des Steuergeräts nachrüsten.
  • Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt dabei in der Überwachung einer Medienpumpe in einem Fahrzeug. Insbesondere bei Fahrzeuganwendungen spielt die Sicherheit der Förderung von Medien, insbesondere eines Kühlmediums zur Kühlung wenigstens einer Komponente, eine besondere Rolle. Gleichzeitig sollten Systeme in Fahrzeugen einfach, effizient und sehr sicher sein. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren hier besonders gut geeignet, da es die zusätzliche Überwachungsfunktion für die elektromotorisch angetriebene Pumpe ohne zusätzlichen Aufwand hinsichtlich der Sensorik, hinsichtlich zu verlegender Leitungen und dergleichen zu realisieren vermag.
  • In einer weiteren vorteilhaften Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei ferner vorgesehen, dass das Fahrzeug ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug ist, insbesondere ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem. Vor allen in solchen Fahrzeugen ist die Medienversorgung, und hier insbesondere die Kühlung, der Brennstoffzelle über elektromotorisch angetriebene Pumpen allgemein bekannt und üblich. Gleichzeitig ist sie sehr wichtig, da sie für eine gute Funktionalität und eine vergleichsweise hohe Lebensdauer der augenblicklich noch vergleichsweise teuren Komponenten des Brennstoffzellensystems verantwortlich ist. Durch den einfachen und effizienten Aufbau lässt sich hier in einem kompakt zu realisierenden und einfach zu steuernden System daher ein hohes Maß an Sicherheit sowohl für das System als auch für die mit dem System in Berührung kommenden Passagiere eines solchen Fahrzeugs erreichen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden außerdem anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung eines Aufbaus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
  • 2 ein beispielhaftes Fahrzeug, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann.
  • In der Darstellung der 1 ist eine elektromotorisch angetriebene Pumpe 1 zu erkennen. Diese besteht im Wesentlichen aus den mit der strichpunktierten Linie umrandeten Bauteilen. Wesentlicher Bauteil der elektromotorisch angetriebenen Pumpe ist dabei die Fördereinrichtung 2 und der Elektromotor 3. Diese sind typischerweise über eine Welle miteinander verbunden. Eine interne Elektronik 4 ist über zwei angedeutete Leitungselemente 5 mit einer ersten Spannungsquelle U1 zur Leistungsversorgung der elektromotorisch angetrieben Pumpe 1 verbunden. Über diese interne Elektronik 4 wird in an sich bekannter Art und Weise außerdem eine Funktionsüberwachung der elektromotorischen Pumpe 1 realisiert. Dafür werden verschiedene Funktionsparameter erfasst. Die Werte der Funktionsparameter werden dann an eine interne Kommunikationsschnittstelle 6 weitergegeben, wie es durch den gestrichelten Doppelpfeil angedeutet ist. Diese interne Kommunikationsschnittstelle 6 ist mit einem Datenbus 7, beispielsweise einem CAN-Bus oder einem LIN-Bus verbunden. Selbstverständlich ist auch die Verwendung von anderen Datenbussystemen möglich. Über ein zentrales Steuergerät 8, welches typischerweise nicht nur mit der internen Kommunikationsschnittstelle 6 der Pumpe 1, sondern auch noch mit anderen Komponenten verbunden ist, erfolgt dann eine Steuerung und Überwachung. Die interne Kommunikationsschnittstelle 6 ist über zwei angedeutete Leitungselemente 9 mit einer zweiten Spannungsquelle U2 zur Leistungsversorgung verbunden.
  • Über die interne Elektronik 4 der Pumpe 1 werden, wie bereits erwähnt, Werte von Funktionsparametern erfasst und an die interne Kommunikationsschnittstelle 6 weitergegeben. Diese gibt die Werte dann dem zentralen Steuergerät 8 weiter. Im Bereich des zentralen Steuergeräts 8 werden diese Werte mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen. Sobald einer der Werte außerhalb der vorbestimmten Grenzen für eine schere und zuverlässige Funktion der Pumpe 1 liegt, werden durch das zentrale Steuergerät 8 entsprechende Gegenmaßnahmen, bis hin zu einer Notabschaltung des Gesamtsystems, veranlasst. Diese Überwachung der Funktion der Pumpe 1 entspricht dabei dem Stand der Technik.
  • Nun ist es so, dass es zu Situationen kommen kann, in denen die interne Kommunikationseinrichtung 6 die in ihr gespeicherten Werte über den Datenbus 7 dem Steuergerät 8 meldet, auch wenn beispielsweise aufgrund eines Ausfalls der ersten Spannungsquelle U1 von der internen Elektronik 4 der Pumpe 1 keine aktuellen Werte mehr geliefert werden. Das zentrale Steuergerät 8 bekommt dann weiterhin diese von der internen Elektronik 4 zuletzt gelieferten, innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte liegenden Werte von der internen Kommunikationseinrichtung 6 übermittelt. Es wird also davon ausgegangen, dass die Pumpe 1 ordnungsgemäß arbeitet, was nicht der Fall ist oder nicht der Fall sein muss. Um diese Problematik einer fehlerhaften Einschätzung, dass die Funktionsfähigkeit der Pumpe 1 gegeben ist, entgegenzuwirken, werden in dem Steuergerät 8 nun die zeitlichen Verläufe der Werte der Funktionsparameter, welche durch die interne Kommunikationsschnittstelle 6 dem zentralen Steuergerät 8 übermittelt werden, überwacht. In der Realität wird es im Bereich der Pumpe 1 aufgrund von strömungsdynamischen Vorgängen in dem geförderten Medium und dergleichen, fortwährend zu einer Veränderung der relevanten Parameter kommen. Die Werte der Funktionsparameter müssen sich also auch im Bereich des zentralen Steuergeräts 8 fortwährend ändern. Bleiben diese Werte über einen vordefinierten Zeitraum konstant, dann muss davon ausgegangen werden, dass diese nicht von der internen Elektronik 4 der Pumpe 1 erfasst worden sind, sondern mangels bestehender Kommunikation zwischen der internen Kommunikationsschnittstelle 6 und der Pumpe 1 von der Schnittstelle 6 weitergemeldet werden, da diese im Falle eines Ausfalls der Pumpe 1 bei weiterhin bestehender Spannungsversorgung der Steuerungsspannung U2 weiterhin die zuletzt von der Pumpe 1 erhaltenen Werte weiterhin übermittelt, solange diese nicht durch andere Werte überschrieben wurden. In dem zentralen Steuergerät 8 kann nun durch die Überwachung des zeitlichen Verlaufs der übermittelten Werte eine solche Situation detektiert werden, da ein Ausbleiben der zeitlichen Veränderung der Werte im Bereich des zentralen Steuergeräts 8 auf eine Störung in der Kommunikation zwischen der internen Kommunikationsschnittstelle 6 und der Pumpe 1 schließen lässt. Eine solche kann potenziell einen Ausfall der Pumpe 1, beispielsweise aufgrund einer angesprochenen Überlastsicherung der Pumpe 1 im Bereich ihrer Hauptspannungsversorgung, sein. Auf ein solches Ereignis hin muss entsprechend reagiert werden, beispielsweise durch eine Notabschaltung oder die Ausgabe einer Warnung an den Benutzer oder dergleichen.
  • In der Darstellung der 2 soll nun eine besonders günstige und vorteilhafte Verwendung für die Überwachung der elektromotorisch angetriebenen Pumpe 1 angegeben werden. In der Darstellung der 2 ist dabei rein beispielhaft ein Fahrzeug F angedeutet, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet sein soll. Dieses umfasst ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle 10. Dieser Brennstoffzelle 10 wird Wasserstoff aus einem Drucktank 11 und Luft-Sauerstoff über eine Luftfördereinrichtung 12 zur Verfügung gestellt. Die erzeugte elektrische Leistung wird über eine Leistungselektronik 13 beispielsweise von einem Fahrmotor 14 abgenommen. Die Brennstoffzelle 10 wird nun typischerweise durch einen Kühlkreislauf 15, welcher hier sehr stark vereinfacht und schematisiert angedeutet ist, mittels eines Kühlmediums gekühlt. Das Kühlmedium wird dabei in dem Kühlkreislauf 15 über die elektromotorisch angetriebene Pumpe 1 zirkuliert und strömt über einen Fahrzeugkühler 16, in dessen Bereich es abkühlt, und über einen Wärmetauscher 17 im Bereich der Brennstoffzelle 10, in welchem es Abwärme der Brennstoffzelle 10 aufnimmt. Insbesondere für einen solchen Kühlkreislauf, welcher prinzipiell selbstverständlich auch in einem verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeug angeordnet sein könnte, ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung der Funktion der elektromotorisch angetriebenen Pumpe 1 von besonderem Vorteil. Dies gilt insbesondere, da im Bereich des Fahrzeugs F aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens auf zusätzliche Sensorik, zusätzliche zu verlegende Leitungselemente und dergleichen zur sicheren Funktionsüberwachung der Pumpe 1 gänzlich verzichtet werden kann. Andererseits kann durch die sichere Funktionsüberwachung der Pumpe 1 eine Störung im Kühlkreislauf 1, welche typischerweise eine Überhitzung der Brennstoffzelle 10 zur Folge hätte, sicher und zuverlässig ausgeschlossen werden. Damit lässt sich die Brennstoffzelle 10 schonen, sodass diese eine höhere Lebensdauer erreicht. Außerdem können kritische Situationen beziehungsweise kritische Temperaturen im Bereich der Brennstoffzelle 10, in welcher Wasserstoff und Sauerstoff im regulären Betrieb vorliegen, verhindert werden. Damit entsteht ein sehr sicheres Fahrzeug F, welches einfach, kostengünstig und für seine Passagiere sehr sicher ausgebildet werden kann.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Überwachen der Funktion einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe (1), welche eine interne Elektronik (4) aufweist, über welche Funktionsparameter der Pumpe (1) überwacht werden, wobei die interne Elektronik (4) die Werte der Funktionsparameter über eine interne Kommunikationsschnittstelle (6) an ein zentrales Steuergerät (8) weitersendet, und wobei in dem zentralen Steuergerät (8) die Werte der Funktionsparameter erfasst und hinsichtlich kritischer Grenzwerte überwacht werden, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zentralen Steuergerät (8) die zeitliche Veränderung wenigstens eines Werts der Funktionsparameter erfasst wird, wobei bei einem über einen vordefinierten Zeitraum hinweg konstant bleibenden Wert wenigstens eines Funktionsparameters auf einen Fehler der Pumpe (1) geschlossen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf aller Werte der Funktionsparameter erfasst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, die interne Kommunikationsschnittstelle (6) und die Pumpe (1) aus unterschiedlichen Spannungsquellen (U1, U2) versorgt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Kommunikationsschnittstelle (6) und das zentrale Steuergerät (8) aus einer Spannungsquelle (U2) versorgt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Weitergabe der Werte zwischen der internen Kommunikationsschnittstelle (6) und dem zentralen Steuergerät (8) über einen Datenbus (7) erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbus (7) als CAN-Bus oder LIN-Bus ausgebildet ist.
  7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zur Überwachung einer Medienpumpe (1) in einem Fahrzeug (F).
  8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium ein Kühlmedium zur Kühlung wenigstens einer Komponente (10) ist.
  9. Verwendung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium als Kühlmedium in einem Kühlkreislauf (15) zur Kühlung von Antriebskomponenten und/oder Energieerzeugungskomponenten (10) des Fahrzeugs (9) dient.
  10. Verwendung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (F) ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Fahrzeug (F) mit einem Brennstoffzellensystem, ist.
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