DE102019202464A1

DE102019202464A1 - Verfahren und Steuervorrichtung zum Ermitteln zumindest eines Kennwerts eines Antriebsstrangs, der sich im eingebauten Zustand in einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug befindet, sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019202464A1
Application number: DE102019202464.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Hinterberger; Bernhard Liebhart; Christoph Terbrack; Christian Endisch
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2020-08-27
Also published as: CN111610441B; US20200269855A1; US11724704B2; CN111610441A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln zumindest eines Kennwerts (25) eines Antriebsstrangs (11), der sich im eingebauten Zustand in einem elektrisch mittels des Antriebsstrangs (11) teil- oder vollelektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug (10) befindet und einen Elektrikteil (12) mit elektrischen Komponenten (15) und einen Mechanikteil (13) mit mechanischen Komponenten (18) aufweist, wobei der Elektrikteil (15) und der Mechanikteil (18) über eine elektrische Maschine (14) gekoppelt sind. Die Erfindung sieht vor, dass durch Ansteuern zumindest einer der mechanischen Komponenten (18) des Mechanikteils (13) und/oder mittels zumindest einer fahrzeugfremden mechanischen Komponente eine vorbestimmte mechanische Randbedingung (27) für die elektrische Maschine (14) eingestellt wird und eine Steuervorrichtung (22) durch Ansteuern zumindest einer der elektrischen Komponenten (15) des Elektrikteils (12) ein elektrisches Anregungssignal (28) im Elektrikteil (12) erzeugt und mittels einer Messeinrichtung (M) des Kraftfahrzeugs (10) zumindest ein Antwortsignal (29) erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Kennwerts eines Antriebsstrangs, der sich bereits im eingebauten Zustand in einem Kraftfahrzeug befindet. Der Kennwert bezieht sich auf zumindest eine Komponente in einem Elektrikteil oder einem Mechanikteil des Antriebsstrangs. Zu der Erfindung gehört auch eine Steuervorrichtung, mittels welcher das Verfahren in einem Kraftfahrzeug durchgeführt werden kann. Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang und der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung.
Der Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs besteht typischerweise aus einem Elektrikteil mit einem Batteriesystem und einer Leistungselektronik zur Steuerung einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine erzeugt dabei ein mechanisches Drehmoment, das den anschließenden Mechanikteil antreibt, der bis zu den Rädern des Kraftfahrzeugs führt.
Die Regelung der elektrischen Maschine erfolgt dabei durch gezielte Ansteuerung der Leistungselektronik mittels eines Regelungssystems. Für diese Regelung müssen die Parameter der elektrischen Maschine, Batterie und Leistungselektronik und bevorzugt auch des Mechanikteils bekannt sein. Typischerweise werden diese Parameter während der Produktion bestimmt. Die Parameter der einzelnen Komponenten können sich über die Zeit jedoch verändern. So können sich die Parameter der Komponenten zum einen durch Alterung oder auch durch den aktuellen Zustand bedingt verändern.
Zum anderen können sich ausbreitende Fehler, wie fehlerhafte Kontakte oder Isolierungen, die Parameter beeinflussen. Viele Parameter werden oder können aktuell nicht im Betrieb ermittelt werden.
Eine weit verbreitete Methode zur Parameterbestimmung von elektrischen Maschinen sind der Kurzschlussversuch und der Leerlaufversuch. Sie sind bewährte Methoden in der Elektrotechnik, um die Kupfer- und Eisenverluste bei elektrischen Transformatoren und Maschinen zu bestimmen. Diese beiden Methoden werden zur Charakterisierung der Maschine einmalig nach dem Produktionsprozess durchgeführt oder wenn ein Verdacht auf fehlerhaftes Verhalten vorliegt. Derzeit ist eine Diagnose im eingebauten Zustand im Kraftfahrzeug, das heißt onboard oder online in einem Elektrofahrzeug, nicht möglich. Die Diagnosefähigkeit der elektrischen Maschine über Kurzschluss- und Leerlaufversuch ist somit aktuell nicht vorgesehen.
Aus der US 2017/0102425 A1 ist bekannt, einen Kennwert einer elektrischen Maschine in einem Elektrofahrzeug im eingebauten Zustand zu ermitteln, indem mittels der Leistungselektronik ein Prüfstrom in elektrischen Spulen der elektrischen Maschine erzeugt wird. Damit dabei der Rotor der elektrischen Maschine nicht zu drehen anfängt, ist eine aufwendige Vektorregelung notwendig. Hierdurch ist die Menge der ermittelbaren Kennwerte begrenzt.
Aus der DE 11 2012 001 244 T5 ist bekannt, einen Zustand eines Mechanikteils eines Antriebsstrangs im eingebauten Zustand mittels einer elektrischen Maschine zu ermitteln, welcher den Mechanikteil antreibt. Hierzu wird das Drehmomentprofil der elektrischen Maschine gemessen und auf Oberschwingungen untersucht. Diese Prüfmethode erfordert es, dass das Kraftfahrzeug fährt. Damit ist man aber aufgrund der notwendigen Fahrsicherheit beschränkt in der Wahl der Anregungssignale zum Prüfen des Mechanikteils des Antriebsstrangs.
Aus der DE 10 2011 006 516 A1 ist bekannt, zum Ermitteln eines Kennwerts einer elektrischen Maschine in einem Hybridfahrzeug die Wicklungen der elektrischen Maschine elektrisch miteinander kurzzuschließen. Dies wird in der besagten Veröffentlichung als Kurzschlussbetrieb bezeichnet, unterscheidet sich aber von dem an sich bekannten Kurzschlussversuch. Die in der Veröffentlichung beschriebene Methode erfordert es, dass eine zusätzliche Verschaltungsmöglichkeit der elektrischen Wicklungen geschaffen wird, was den Schaltungsaufwand vergrößert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Antriebsstrang, der sich bereits im eingebauten Zustand in einem Kraftfahrzeug befindet, nachträglich zumindest einen Kennwert zu ermitteln.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln zumindest eines Kennwerts eines Antriebsstrangs bereitgestellt. Das Verfahren geht davon aus, dass sich der Antriebsstrang bereits im eingebauten Zustand in einem Kraftfahrzeug befindet. Das Kraftfahrzeug ist elektrisch antreibbar, das heißt der Antriebsstrang weist einen Elektrikteil mit elektrischen Komponenten und einen Mechanikteil mit mechanischen Komponenten auf. Der Elektrikteil und der Mechanikteil sind über eine elektrische Maschine gekoppelt. Mittels des Elektrikteils wird die elektrische Maschine elektrisch versorgt oder angetrieben, über den Mechanikteil wird das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment auf zumindest ein Rad des Kraftfahrzeugs übertragen. Die elektrische Maschine stellt also ein Bindeglied zwischen Elektrikteil und Mechanikteil dar und kann als Bestandteil von beiden gezählt werden.
Hiervon ausgehend sieht nun das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass zumindest ein Messdurchlauf oder Messversuch oder eine Messung durchgeführt wird. In dem zumindest einen Messdurchlauf wird durch Ansteuern zumindest einer der mechanischen Komponenten des Mechanikteils und/oder durch Ansteuern zumindest einer fahrzeugfremden Komponente eine vorbestimmte mechanische Randbedingung für die elektrische Maschine eingestellt.
Die Randbedingung wird also explizit für den geplanten Messdurchlauf eingestellt. Die Randbedingung ergibt sich nicht etwa durch einen Fahrer oder durch einen Autopiloten im Fahrbetrieb. Während des Messdurchlaufs wird mittels der zumindest einen mechanischen Komponente und/oder mittels der zumindest einen fahrzeugfremden Komponente die mechanische Randbedingung aufrecht gehalten, d.h. die Randbedingung wird erzwungen. Des Weiteren erzeugt eine Steuervorrichtung durch Ansteuern zumindest einer der elektrischen Komponenten des Elektrikteils des Antriebsstrangs ein elektrisches Anregungssignal im Elektrikteil. Die elektrische Maschine erfährt also aus dem Elektrikteil eine Anregung durch das Anregungssignal, wird aber vom Mechanikteil her durch die mechanische Randbedingung eingeschränkt oder festgelegt. Die Steuervorrichtung erfasst des Weiteren mittels einer Messeinrichtung des Kraftfahrzeugs zumindest ein Antwortsignal, welches sich in dem Antriebsstrang, also im Elektrikteil und/oder im Mechanikteil (einschließlich der elektrischen Maschine), als Folge des Anregungssignals entstehen kann. Die Steuervorrichtung ermittelt des Weiteren anhand des zumindest einen Antwortsignals mittels einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift den zumindest einen Kennwert. Durch Festlegen der elektrischen Maschine in Bezug auf die mechanische Randbedingung und anschließendes Anregen der elektrischen Maschine mittels des Anregungssignals ergibt sich also ein Antwortsignal, welches charakteristisch für den zumindest einen Kennwert ist, also von dem zumindest einen Kennwert abhängt. Mittels einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift kann dann aus dem Antwortsignal (bei bekanntem Anregungssignal und bei bekannter mechanischer Randbedingung) der zumindest eine Kennwert ermittelt werden. Die Berechnungsvorschrift kann hierzu allgemein ein Modell und/oder ein mathematisches Verfahren und/oder zumindest eine Formel und/oder zumindest ein Kennfeld vorsehen.
Durch die Erfindung wird also die Einstellmöglichkeit genutzt, die sich über den Mechanikteil, z.B. durch Ansteuern der mechanischen Komponenten des Mechanikteils des Antriebsstrangs selbst, ergeben, um eine mechanische Randbedingung für die elektrische Maschine zu schaffen, sodass gezielt mittels eines Anregungssignals aus dem Elektrikteil und bei bestehender mechanische Randbedingung ein Antwortsignal hervorgerufen oder provoziert werden kann, aus welchem der zumindest eine Kennwert ermittelt werden kann. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass diese Ermittlung des zumindest einen Kennwerts auch im eingebauten Zustand eines Antriebsstrangs in einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug durchgeführt werden kann. Somit kann ohne Werkstattaufenthalt der zumindest eine Kennwert erfasst und beispielsweise überprüft werden oder zum Kalibrieren einer Regelung genutzt werden.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Prinzipiell kann zum Festhalten des Rotors der elektrischen Maschine jede Komponente verwendet werden, welche in der Lage ist, das Drehmoment des Motors auszuhalten. Diese kann im Kraftfahrzeug selbst (zum Beispiel im Motor) und/oder außerhalb des Fahrzeugs platziert sein. Das Blockieren des Drehmoments kann kraftschlüssig (z.B. mittels einer Klemmverbindung) und/oder formschlüssig (z.B. mittels einer Verrastung) und/oder stoffschlüssig (z.B. durch Festschweißen) geschehen.
In einer Ausführungsform wird in einem Messdurchlauf als mechanische Komponente ein Bremssystem des Kraftfahrzeugs zum Bremsen von zumindest einem Rad des Kraftfahrzeugs angesteuert. Hierdurch wird als mechanische Randbedingung eine Rotation der elektrischen Maschine, das heißt eines Rotors der elektrischen Maschine, blockiert. Als Anregungssignal wird dennoch eine Antriebsspannung für die elektrische Maschine erzeugt. Die elektrische Maschine wird also vom Elektrikteil her mittels des Anregungssignals mit einer Antriebsspannung versorgt, kann sich aber aufgrund des angezogenen Bremssystems nicht drehen. Als Antwortsignal wird ein Maschinenstrom der elektrischen Maschine gemessen und die Berechnungsvorschrift umfasst eine Maschinengleichung für einen Kurzschlussversuch.
Die Maschinengleichung für den Kurzschlussversuch ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Mittels des Bremssystems wird somit der eingangs beschriebene Kurzschlussversuch nachgestellt, ohne dass hierzu die elektrische Maschine aus dem Kraftfahrzeug ausgebaut werden muss.
Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass als jeweiliger Kennwert ein elektrischer Ankerwiderstand und/oder ein elektrischer Rotor-Widerstand und/oder eine Streuinduktivität und/oder eine Hauptinduktivität der elektrischen Maschine ermittelt wird. Somit wird zumindest ein elektrischer Kennwert der elektrischen Maschine ermittelt, was für eine Kalibrierung eines Regelungssystems zum Regeln der elektrischen Maschine genutzt werden kann. Welcher Kennwert bestimmt wird, kann vom Maschinentyp der Maschine abhängig festgelegt werden.
In einer Ausführungsform wird in einem Messdurchlauf als mechanische Komponente eine Kupplung des Kraftfahrzeugs zum Abkuppeln der elektrischen Maschine von einem Rest des Mechanikteils geöffnet. Hierdurch wird als mechanische Randbedingung die elektrische Maschine mechanisch lastfrei betrieben. Mit anderen Worten befindet sich die elektrische Maschine im Leerlauf, da sie kein mechanisches Antriebsmoment in den Mechanikteil abgeben kann. Als Anregungssignal wird eine Antriebsspannung für die elektrische Maschine erzeugt. Die elektrische Maschine wird also dennoch mittels des Anregungssignals in Form einer Antriebsspannung angetrieben, also beschleunigt oder angefahren. Durch den lastfreien Betrieb kann hierbei nun die elektrische Maschine elektrisch und/oder mechanisch vermessen werden.
In einer Ausführungsform wird hierzu als Antwortsignal ein Maschinenstrom der elektrischen Maschine gemessen und die Berechnungsvorschrift umfasst dabei eine Maschinengleichung für einen Leerlaufversuch. Es handelt sich hierbei um den eingangs beschriebenen Leerlaufversuch, für den ansonsten ein Prüfstand notwendig wäre. Als jeweiliger Kennwert wird hierbei eine Maschinenkonstante der elektrischen Maschine und/oder eine Ankerinduktivität und/oder eine Stator-Eigeninduktivität der elektrischen Maschine ermittelt, wobei der ermittelte Kennwert von einem Typ der elektrischen Maschine abhängen kann. Somit kann also der Leerlaufversuch durchgeführt werden, ohne dass hierzu die elektrische Maschine aus dem Kraftfahrzeug ausgebaut werden muss.
Zusätzlich oder alternativ dazu wird gemäß einer Ausführungsform als Antwortsignal eine Drehzahl der elektrischen Maschine während eines Anlaufs eines Rotors der elektrischen Maschine gemessen. Der Rotor wird also in der Drehzahl beschleunigt. Die Berechnungsvorschrift umfasst dabei eine Berechnung eines mechanischen Parameters der elektrischen Maschine. Indem die elektrische Maschine lastfrei betrieben wird, ist ein mechanisches Verhalten ausschließlich durch den Rotor selbst bestimmt, dass dieses mechanische Verhalten somit ohne Verfälschung durch übrige mechanische Komponenten des Mechanikteils ermittelt werden kann. Die Drehzahl kann in an sich bekannter Weise mittels eines Drehzahlsensors oder eines sogenannten Drehzahlgebers ermittelt werden. Mittels des Anlaufverhaltens kann beispielsweise ein Reibkoeffizient und/oder ein Trägheitsmoment der elektrischen Maschine ermittelt werden.
Bisher wurde beschrieben, wie die Steuervorrichtung des Kraftfahrzeugs durch Ansteuern zumindest einer der mechanischen Komponenten des Mechanikteils des Kraftfahrzeugs selbst die Randbedingung einstellt. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Randbedingung zusätzlich oder alternativ mithilfe zumindest einer fahrzeugexternen oder fahrzeugfremden mechanischen Komponente (für eine mechanische Blockade oder einen (abgemilderten) Leerlaufversuch) außerhalb des Fahrzeugs erzeugt wird, anstatt beispielsweise mit der Bremse des Fahrzeugs selbst. Beispielsweise kann eine Bremse in einem Prüfstand verwendet werden, welche auf zumindest einen Reifen des Kraftfahrzeugs wirken kann. Anstelle der Kupplung kann beispielsweise ein „Leerlauf“ oder Freilauf des Rotors der elektrischen Maschine auf einem Prüfstand durchgeführt werden, indem zumindest ein Rad des Kraftfahrzeugs durchdreht oder sogar soweit mittels des Prüfstands angetrieben wird, dass Reibungswiderstände und/oder Trägheitsmomente durch den Antrieb des Prüfstands kompensiert werden und damit der Rotor einen widerstandslosen Betrieb erfährt. Um dennoch entstehende Einflüsse der zwischengeschalteten mechanischen Komponenten zu kompensieren, kann zusätzlich oder alternativ ein Modell zum Auswerten von Messsignalen bereitgestellt werden, um beispielsweise im Falle der Blockade eine Elastizität oder ein Biegemoment des Mechanikteils und/oder beispielswiese im Fall des Leerlaufs ein Trägheitsmoment von Achsen oder Wellen oder Rädern herauszurechnen oder zu berücksichtigen. Somit wird also gemäß einer Ausführungsform der Mechanikteil während zumindest eines Prüfdurchlaufs mittels der zumindest einen fahrzeugfremden mechanischen Komponente angetrieben, um Reibungswiderstände und/oder Trägheitsmomente des Mechanikteils zu kompensieren, und/oder ein digitales Modell zum Auswerten von Messsignalen betrieben, welches eine Elastizität oder ein Biegemoment des Mechanikteils und/oder ein Trägheitsmoment von Wellen und/oder Rädern berücksichtigt. Das besagte Modell kann beispielsweise auf der Grundlage eines Computerprogramms realisiert werden.
Die beschriebenen Messdurchläufe sind nicht die einzigen möglichen Ausführungsformen. Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, wie im ersten beschriebenen Messdurchlauf das Bremssystem zu aktivieren und hierbei ein vorgegebenes Drehmoment mittels der elektrischen Maschine einzustellen und zu überprüfen, ob das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment größer als das Bremsmoment bei vorgegebenem und eingestelltem Bremsdruck ist. Dies kann dadurch erkannt werden, dass sich ein Rad des Kraftfahrzeugs dreht, was beispielsweise anhand der Drehzahl gemessen werden kann. Somit kann für unterschiedlich eingestellte Bremsdrücke und jeweiligem Einstellen eines Drehmoments der elektrischen Maschine eine Bremskennlinie des Kraftfahrzeugs ermittelt werden.
Für jeden Messdurchlauf ist ein elektrisches Anregungssignal notwendig. In einer Ausführungsform wird dieses Anregungssignal mittels einer Leistungselektronik erzeugt, welches eine elektrische Komponente des Elektrikteils darstellt. Mittels der Leistungselektronik kann ausgehend von einer konstanten Gleichspannung eines Batteriesystems des Kraftfahrzeugs ein im zeitlichen Verlauf variierendes Anregungssignal erzeugt werden. Alternativ dazu kann das Anregungssignal mittels schaltbarer Batteriezellen des Batteriesystems selbst erzeugt werden. In einem Batteriesystem kann die Batteriespannung nämlich durch eine Reihenschaltung mehrerer schaltbarer Batteriezellen erzeugt werden, wobei in jeder schaltbaren Batteriezelle deren Zellanschlüsse zum einen über einen elektrischen Schaltungszweig verbunden sein können, der die eigentliche elektrochemische Zelle enthält, als auch über einen Schaltungszweig, welcher die elektrochemische Zelle überbrückt und die Zellanschlüsse direkt miteinander durch einen Kurzschluss verbindet. Der Schaltungszweig mit der elektrochemischen Zelle wird hier als Zellzweig bezeichnet, der Schaltungszweig für die Überbrückung der elektrochemischen Zelle als Bypasszweig. In jedem der Schaltungszweige kann ein elektrisches Schaltelement bereitgestellt sein, das beispielsweise auf der Grundlage eines Transistors, insbesondere eines Feldeffekttransistors, realisiert sein kann. Je nach Schaltzustand der Schaltelemente sind damit die Zellanschlüsse entweder über den Zellzweig oder den Bypasszweig miteinander verschaltet. Somit kann durch Zuschalten des Zellzweigs die elektrochemische Zelle der schaltbaren Batteriezelle in den Stromkreis des Elektrikteils zugeschaltet werden und damit die Batteriespannung um die Zellspannung erhöht werden. Wird dagegen nicht der Zellzweig, sondern der Bypasszweig zwischen die Zellanschlüsse geschaltet, so ist die Batteriezelle aus dem Stromkreis herausgeschaltet (deaktivierte Batteriezelle). Somit kann also ein zeitlicher Verlauf des Anregungssignals mittels des Batteriesystems selbst durch nacheinander Zuschalten und Wegschalten jeweils einer einzelnen oder einer Teilgruppe der Batteriezellen eingestellt werden. Damit kann das Anregungssignal direkt im Batteriesystem erzeugt werden und dazu genutzt werden, sowohl den gesamten Elektrikteil ab dem Batteriesystem als auch den Mechanikteil auf zumindest einen Kennwert hin zu untersuchen. Insbesondere ist also auch eine Ermittlung eines Kennwerts der Leistungselektronik und/oder eines der Leistungselektronik aus Sicht des Batteriesystems vorgeschalteten elektrischen Bauelement vorgesehen.
In einer Ausführungsform wird die mechanische Randbedingung während einer Stillstandsphase des Kraftfahrzeugs eingestellt. Somit wird ein Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs durch Einstellen der mechanischen Randbedingung nicht beeinträchtigt. Damit kann der jeweilige Messdurchlauf vom Fahrer unbemerkt bleiben. Der Messdurchlauf kann dann beispielsweise auch während einer Parkphase des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden, wenn sich beispielsweise keine Person im Kraftfahrzeug befindet.
Um das erfindungsgemäße Verfahren in einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug durchzuführen, ist durch die Erfindung auch eine Steuervorrichtung zum Steuern eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die Steuervorrichtung weist eine Prozessoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen oder auch mithilfe von analogen Schaltungen ausgeführt sein. Die Prozessoreinrichtung kann einen Programmcode (Software) aufweisen, der Programminstruktionen aufweist, die dazu eingerichtet sind, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein. Die Steuervorrichtung kann beispielsweise als ein Steuergerät oder als ein Verbund aus mehreren Steuergeräten ausgestaltet sein.
Die Erfindung umfasst schließlich auch ein Kraftfahrzeug, das elektrisch antreibbar ist und hierzu einen Antriebsstrang aufweist, der einen Elektrikteil mit elektrischen Komponenten und einen Mechanikteil mit mechanischen Komponenten aufweist, wobei der Elektrikteil und der Mechanikteil über eine elektrische Maschine gekoppelt sind. In dem Elektrikteil kann als jeweilige Komponente in der beschriebenen Weise beispielsweise ein Batteriesystem und/oder eine Leistungselektronik bereitgestellt sein. Der Mechanikteil kann als jeweilige Komponente beispielsweise die beschriebene Kupplung und/oder eine Antriebswelle und/oder ein Differenzial und/oder ein Bremssystem aufweisen. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung aufweist.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder als Motorrad ausgestaltet. Es kann als Hybridfahrzeug (teilelektrischer Antrieb) oder Elektrofahrzeug (vollelektrischer Antrieb) ausgestaltet sein.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigen die Figuren:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und
2 ein Flussschaudiagramm zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich in der beschriebenen Weise um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder einen Personenbus oder ein Motorrad handeln kann. Das Kraftfahrzeug 10 ist teilelektrisch oder vollelektrisch antreibbar und kann hierzu einen Antriebsstrang 11 aufweisen, der einen Elektrikteil 12 und einen Mechanikteil 13 vorsehen kann. Der Elektrikteil 12 kann mit dem Mechanikteil 13 über eine elektrische Maschine 14 gekoppelt sein, die einen elektromechanischen Wandler darstellt und somit sowohl zum Elektrikteil 12 als auch zum Mechanikteil 13 gezählt werden kann.
In dem Elektrikteil 12 können zusätzlich zur elektrischen Maschine 14 noch weitere elektrische Komponenten 15 vorgesehen sein, wobei in 1 als eine elektrische Komponente 15 ein Batteriesystem 16 und als weitere elektrische Komponente 15 eine Leistungselektronik 17 dargestellt sind.
In dem Mechanikteil 13 können zusätzlich zur elektrischen Maschine 14 als weitere mechanische Komponenten 18 eine mechanische Kupplung 19, ein Bremssystem 20 und zumindest ein Rad 21, das eine mechanische Last darstellt, vorgesehen sein.
Zum Steuern der elektrischen Komponenten 15 des Elektrikteils 12 und der mechanischen Komponenten 18 des Mechanikteils 13 kann eine Steuervorrichtung 22 bereitgestellt sein, die Steuersignale 23 zum Steuern des Antriebsstrangs 11 erzeugen kann. Hierzu kann die Steuervorrichtung 22 eine Prozessoreinrichtung 24 aufweisen.
In dem Kraftfahrzeug 10 kann vorgesehen sein, zumindest einen Kennwert 25, der den Antriebsstrang 11 beschreibt oder für den Antriebsstrang 11 charakteristisch ist, in dem Kraftfahrzeug 10 zu ermitteln, nachdem der Antriebsstrang 11 bereits im Kraftfahrzeug 10 eingebaut ist. Somit kann also der zumindest eine Kennwert 25 auch im Betrieb des Kraftfahrzeugs 10, beispielsweise in einer Stillstandsphase 26, beispielsweise während des Parkens, ermittelt werden.
Der Antriebsstrang 11 kann eine Messeinrichtung M aufweisen, mittels welcher zumindest eine elektrische Größe und/oder zumindest eine mechanische Größe in dem Antriebsstrang 11 erfasst oder gemessen werden kann.
Durch die Steuervorrichtung 22 kann hierzu ein Verfahren durchgeführt werden, das im Folgenden anhand von 1 und 2 beschrieben ist.
Das Verfahren kann zumindest einen Messdurchlauf vorsehen, in dem jeweils für zumindest einen Kennwert 25 eine entsprechende vorbestimmte Messung vorgesehen sein kann. In einem Schritt S10 kann die Steuervorrichtung 22 durch Ansteuern zumindest einer der mechanischen Komponenten 18 des Mechanikteils 13 eine vorbestimmte mechanische Randbedingung 27 für die elektrische Maschine 14 einstellen und diese Randbedingung halten oder erzwingen oder aufrecht erhalten. In einem Schritt S11 kann die Steuervorrichtung durch Ansteuern zumindest einer der elektrischen Komponenten 15 des Elektrikteils 12 ein elektrisches Anregungssignal 28 im Elektrikteil 12 erzeugen.
In einem Schritt S12 kann die Steuervorrichtung mittels der Messeinrichtung M zumindest ein Antwortsignal 29 erfassen, welches jeweils in dem Antriebsstrang 11 als Folge des Anregungssignals 28 entsteht. Das jeweilige Antwortsignal kann ein Messsignal der Messeinrichtung oder ein aus einem Messsignal der Messeinrichtung abgeleitetes oder ermitteltes Signal sein. In einem Schritt S13 kann die Steuervorrichtung anhand des zumindest einen Antwortsignals 29 mittels einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift 30 den zumindest einen Kennwert 25 ermitteln.
Die mechanische Randbedingung 27 kann beispielsweise durch Ansteuern des Bremssystems 20 erfolgen, wodurch Antriebswellen 31 des Mechanikteils 13 blockiert werden können, was auch einen Rotor 32 der elektrischen Maschine 14 am Drehen hindert, selbst wenn dieser ein mechanisches Drehmoment 33 in den Antriebswellen 31 erzeugt. Als Anregungssignal kann beispielsweise eine Antriebsspannung U durch das Batteriesystem 16 erzeugt werden. Die Antriebsspannung U kann durch das Batteriesystem 16 beispielsweise auf der Grundlage von schaltbaren Batteriezellen 34 erzeugt werden, die in dem Batteriesystem 16 gruppenweise parallelgeschaltet sein können und zum Erzeugen der Batteriespannung U dann die Gruppen in Serien geschaltet sein können. Es kann auch umgekehrt vorgesehen sein, mehrere Batteriezellen 34 seriell zu Strängen zu verschalten und diese Stränge dann parallel zu schalten. Dies kann für alle Batteriezellen 34 oder für Teilgruppen vorgesehen werden.
Jede Batteriezelle 34 kann schaltbar ausgestaltet sein, indem Zellanschlüsse 35 sowohl über einen Zellzweig 36 mit der elektrochemischen Zelle 37 als auch über einen Bypasszweig 38, welcher an der elektrochemischen Zelle 37 vorbeiführt oder diese überbrückt, verschaltet sind. In dem Zellzweig 36 und dem Bypasszweig 38 kann jeweils ein Schaltelement SA, SB vorgesehen sein, durch welches der jeweilige Schaltungszweig (Zellzweig 36 und Bypasszweig 38) in einen Stromkreis 39 des Elektrikteils 12 geschaltet werden kann. Die Batteriezellen 34 können mittels Schützschaltern S+, S- mit Batterieanschlüssen 40 des Batteriesystems 16 verbunden werden, wodurch die Batteriespannung U an der Leistungselektronik 17 bereitgestellt werden kann.
Die Leistungselektronik 17 kann beispielsweise einen Stromrichter 41 aufweisen, der aus einem Gleichstrom des Batteriesystems 16 einen Wechselstrom in elektrischen Phasenleitungen 42 der elektrischen Maschine 14 erzeugen kann. Hierzu kann der Stromrichter 41 in an sich bekannter Weise Schaltelemente T1, T2, T3, T4, T5, T6 aufweisen, die auf der Grundlage jeweils zumindest eines Transistors bereitgestellt sein können. Die Leistungselektronik 17 kann auch einen Zwischenkreiskondensator 43 in an sich bekannter Weise aufweisen. Ein aufgrund der Batteriespannung U und des Stromrichters 41 in den Phasenleitungen 42 erzeugter Wechselstrom kann in elektrischen Spulen 44 der elektrischen Maschine 14 in an sich bekannter Weise ein magnetisches Drehfeld erzeugen, durch welches der Rotor 32 mit dem Drehmoment 33 beaufschlagt wird, welches der Rotor 32 an die Antriebswelle 31 abgeben kann. Man ist hier aber nicht nur auf Drehfeldmaschinen mit 3 Phasen beschränkt, sondern es können allgemein m Phasen sein, also auch 2 Phasen oder mehr als 3 Phasen (m ist gleich oder größer als 1). Man ist hier aber des Weiteren nicht nur auf Drehfeldmaschinen beschränkt, sondern es kann allgemein jede Art von elektrischer Maschine in ähnlicher oder bekannter Weise verwendet werden (beispielsweise Gleichstrommaschine, Reluktanzmaschine).
Wird in einem Messdurchlauf die Antriebswelle 31 mittels des Bremssystems 20 in der beschriebenen Weise blockiert, so ergibt sich eine auf Grundlage einer Maschinengleichung berechenbare magnetische Rückwirkung auf die elektrischen Spulen 44, was den elektrischen Motorstrom der elektrischen Maschine 14 in den Phasenleitungen 42 beeinflusst und somit mittels der Messeinrichtung M gemessen werden kann. Diese Maschinengleichung ist an sich aus dem Stand der Technik im Zusammenhang mit dem Kurzschlussversuch bekannt.
Ein zusätzlicher oder alternativer Messdurchlauf kann vorsehen, dass mittels der Kupplung 19 die Steuervorrichtung 22 den Rotor 32 von dem Rest des Mechanikteils 13 entkoppelt, sodass der Rotor 32 und damit die elektrische Maschine 14 lastfrei in Bezug auf eine mechanische Last betrieben wird. Wird dann beispielsweise die Antriebsspannung U als Anregungssignal in der elektrischen Maschine 14 über die Leistungselektronik 17 bereitgestellt, so wird das Drehmoment 33 vollständig zur Beschleunigung des Rotors 32 umgesetzt. Die Berechnungsvorschrift 30 kann dann eine Berechnung zumindest eines Kennwerts 25 der elektrischen Maschine 14 auf Basis einer Maschinengleichung für die elektrische Maschine 14 für den Leerlaufversuch vorsehen. Diese Maschinengleichung ist an sich aus dem Stand der Technik im Zusammenhang mit dem Leerlaufversuch bekannt.
Die Bremse oder das Bremssystem 20 der Räder 21 und eine mechanische Kupplung 19 zwischen elektrischer Maschine 14 und Mechanikteil 13 kann also zur Durchführung eines Kurzschluss- und Leerlaufversuchs für die elektrische Maschine 14 verwendet werden. Des Weiteren kann eine Anregung aus dem Batteriesystem 16 in den Stromkreis 39 des Elektrikteils 12 eingespeist werden und so die Diagnose der Antriebskomponenten im eingebauten Zustand durchgeführt werden. Eine Überprüfung der Komponenten mit vorhandener Hardware in einer Stillstandsphase, am Ende des gesamten Produktionsprozesses und während der Wartung, sowie die Fehlerdiagnose im eingebauten Zustand, ist damit möglich.
Die beschriebene technische Umsetzung ist hier nur beispielhaft anhand zweier konkreter Beispiele veranschaulicht worden. Grundlage davon ist das Schaubild aus 1. Neben den bereits beschriebenen elektrischen Komponenten 15 verfügt ein entsprechendes Fahrzeug 10 auch über mechanische Komponenten 18, wobei die elektrische Maschine 14 (Motor) als Bindeglied für die Umwandlung elektrischer Energie in Rotationsenergie sorgt.
Der Motor kann so geregelt werden, dass er eine geforderte Drehzahl bei einem definierten Drehmoment liefert. Ist eine Kupplung 19 vorhanden, kann der Motor mechanisch vom mechanischen Teil des Antriebsstrangs (bis zu den Reifen) entkoppelt werden. Mit einer Bremse 20 kann die Antriebswelle 31 festgehalten werden. Ein Fahrzeug verfügt über eine Messeinrichtung M mit verschiedensten Sensoren, um unter anderem die elektrischen und mechanischen Größen des Antriebs zu erfassen. Diese sind der Übersicht halber nicht im Schaubild eingezeichnet.
Beim Kurzschlussversuch lassen sich prinzipiell die Parameter der elektrischen Maschine bestimmen, indem der Rotor festgehalten wird. Durch eine Bremse (z.B. Parkbremse während eines Parkvorgangs) beträgt die Drehzahl der Maschine null. Im klassischen Verfahren werden die Anschlüsse der elektrischen Maschine bestromt, wobei die Anregung vom jeweiligen Maschinentyp abhängig ist. Mit den Maschinengleichungen lassen sich aus den Sensorwerten wie Strom und Spannung die Parameter des Ersatzschaltbildes errechnen. Für Gleichstrommaschinen kann dies der Ankerwiderstand und für Asynchronmaschinen der Rotor-Widerstand sowie Streu- und Hauptinduktivitäten sein. Anzumerken ist, dass durch die Einbringung von Schaltern an jeder Zelle oder über die Leistungselektronik unterschiedlichste Anregungssignale erzeugt werden können. Die Spannung am Motor kann nahezu variabel eingestellt werden, was für die Ermittlung der Parameter mehr Möglichkeiten bietet.
Der Leerlaufversuch kann sehr ähnlich zum Kurzschlussversuch durchgeführt werden. Hierbei wird der Motor durch eine Kupplung entkoppelt, wodurch kein Lastmoment mehr anliegt. Wieder wird der Motor angesteuert, also durch die Batterie gespeist. Ohne Last vereinfachen sich die Maschinengleichungen dahingehend, dass für Gleichstrommaschinen die Maschinenkonstante und die Ankerinduktivität aus den Strom- und Spannungswerten berechnet werden kann. Bei Asynchronmaschinen kann die Stator-Eigeninduktivität geschätzt werden. Aus dem Anlaufverhalten ist ebenfalls eine Ermittlung mechanischer Parameter (Reibkoeffizienten) umsetzbar.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung in einem Kraftfahrzeug eine Anregung elektrischer Komponenten am Antriebsstrang und eine Schätzung von Motorparametern erreicht werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0102425 A1 [0006]
DE 112012001244 T5 [0007]
DE 102011006516 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Ermitteln zumindest eines Kennwerts (25) eines Antriebsstrangs (11), der sich im eingebauten Zustand in einem elektrisch mittels des Antriebsstrangs (11) teil- oder vollelektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug (10) befindet und einen Elektrikteil (12) mit elektrischen Komponenten (15) und einen Mechanikteil (13) mit mechanischen Komponenten (18) aufweist, wobei der Elektrikteil (15) und der Mechanikteil (18) über eine elektrische Maschine (14) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Messdurchlauf durch Ansteuern zumindest einer der mechanischen Komponenten (18) des Mechanikteils (13) und/oder mittels zumindest einer fahrzeugfremden mechanischen Komponente eine vorbestimmte mechanische Randbedingung (27) für die elektrische Maschine (14) eingestellt und gehalten wird und eine Steuervorrichtung (22) des Kraftfahrzeugs (10) durch Ansteuern zumindest einer der elektrischen Komponenten (15) des Elektrikteils (12) ein elektrisches Anregungssignal (28) im Elektrikteil (12) erzeugt und mittels einer Messeinrichtung (M) des Kraftfahrzeugs (10) zumindest ein Antwortsignal (29) erfasst, welches jeweils in dem Antriebsstrang (11) als Folge des Anregungssignals (28) entsteht und die Steuervorrichtung (22) anhand des zumindest einen Antwortsignals (29) mittels einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift (30) den zumindest einen Kennwert (25) ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem Messdurchlauf als mechanische Komponente (18) ein Bremssystem (20) des Kraftfahrzeugs (10) zum Bremsen von zumindest einem Rad (21) des Kraftfahrzeugs (10) angesteuert wird, wodurch als mechanische Randbedingung (27) eine Rotation der elektrischen Maschine (14) blockiert wird, und als Anregungssignal (28) eine Antriebsspannung (U) für die elektrische Maschine (14) erzeugt und als Antwortsignal (29) ein Maschinenstrom der elektrischen Maschine (14) gemessen wird und die Berechnungsvorschrift (30) eine Maschinengleichung für einen Kurzschlussversuch umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei als jeweiliger Kennwert (25) ein elektrischer Ankerwiderstand und/oder ein elektrischer Rotor-Widerstand und/oder eine Streuinduktivität und/oder eine Hauptinduktivität der elektrischen Maschine (14) und/oder ein oder mehrere weitere Parameter ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Messdurchlauf als mechanische Komponente (18) eine Kupplung (19) des Antriebsstrangs (11) zum Abkuppeln der elektrischen Maschine (14) von einem Rest des Mechanikteils (13) geöffnet wird, wodurch als mechanische Randbedingung (27) die elektrische Maschine (14) mechanisch lastfreit betrieben wird, und als Anregungssignal (28) eine Antriebsspannung (U) für die elektrische Maschine (14) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei als Antwortsignal (28) ein Maschinenstrom der elektrischen Maschine (14) gemessen wird und die Berechnungsvorschrift (30) eine Maschinengleichung für einen Leerlaufversuch umfasst und als jeweiliger Kennwert (25) eine Maschinenkonstante und/oder eine Ankerinduktivität und/oder eine Stator-Eigeninduktivität der elektrischen Maschine (14) und/oder ein oder mehrere weitere Parameter ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei als Antwortsignal (29) eine Drehzahl der elektrischen Maschine (14) während eines Anlaufs eines Rotors (32) der elektrischen Maschine (14) gemessen wird und die Berechnungsvorschrift (30) eine Berechnung eines mechanischen Parameters der elektrischen Maschine (14) als Kennwert (25) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Randbedingung ganz oder teilweise mithilfe der zumindest einen fahrzeugfremden mechanischen Komponente außerhalb des Fahrzeugs erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mechanikteil während zumindest eines Prüfdurchlaufs mittels der zumindest einen fahrzeugfremden mechanischen Komponente angetrieben wird, um Reibungswiderstände und/oder Trägheitsmomente des Mechanikteils zu kompensieren, und/oder wobei ein Modell zum Auswerten von Messsignalen betrieben wird, welches eine Elastizität oder ein Biegemoment des Mechanikteils (13) und/oder ein Trägheitsmoment von Wellen und/oder Rädern des Mechanikteils (13) berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anregungssignal (28) mittels einer Leistungselektronik (17) als elektrische Komponente (15) des Elektrikteils (12) erzeugt wird oder wobei das Anregungssignal (28) mittels schaltbarer Batteriezellen (34) eines Batteriesystems (16) des Kraftfahrzeugs (10) erzeugt wird, wobei ein zeitlicher Verlauf des Anregungssignals (28) durch nacheinander Zuschalten und Wegschalten jeweils einer einzelnen oder einer Teilgruppe der Batteriezellen (34) in einem Stromkreis (39) des Elektrikteils (12) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Randbedingung (17) während einer Stillstandsphase (26) des Kraftfahrzeugs (10) eingestellt wird.
Steuervorrichtung (22) zum Steuern eines Antriebsstrangs (11) eines Kraftfahrzeugs (10), wobei die Steuervorrichtung (22) eine Prozessoreinrichtung (23) aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Kraftfahrzeug (10) mit einem Antriebsstrang (11), der einen Elektrikteil (12) mit elektrischen Komponenten (15) und einen Mechanikteil (13) mit mechanischen Komponenten (18) aufweist, wobei der Elektrikteil (12) und der Mechanikteil (13) über eine elektrische Maschine (14) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (10) eine Steuervorrichtung (22) nach Anspruch 11 aufweist.