用于限制电动机电刷磨损的方法与流程

本发明涉及具有电刷的电动机领域和机动车辆行业。

背景技术：

电动动力传动系包括链接至功率电子系统的至少一个电动机，允许电机被供有来自所谓牵引电池的蓄电池的交流电流，由专用计算机执行总体驱动。电动机由移动转子和固定定子构成。在具有电刷的电动机器(例如，绕线转子电动机器)的情况下，电刷能够在牵引模式下为转子的绕组供电、并在充电模式下传输由转子的所述绕组产生的电力。

这种类型的电动机的最关键元件是电刷，但是所述电刷的过量磨损(与电刷的使用相关联的电刷劣化体现为电刷上的材料损耗，该磨损以距离单位来表示)会引起故障(体现为所述电机的停止)，并且需要对电刷进行替换。专利us5177419针对电动升降车辆提出了策略：如果电刷磨损变得过大则禁止某些升降方向。现在，在电动车辆的牵引电动机的情况下，这种策略将在于禁止可能会使所述电动车辆无法移动的牵引。

技术实现要素：

本发明的一个目的是通过提供一种用于限制电动车辆或混合动力车辆的牵引或推进电动机的电刷磨损的方法来弥补现有技术的至少一部分缺点，该方法防止在车辆配备有的所述电动机的计划寿命期间过量磨损所述电刷。为此，本发明依赖于所述电刷的磨损速度与电机速度和转矩的绝对值成正比的知识。由此得出，当机械功率(该机械功率为转矩与电机速度的乘积)越高时，绕线转子电动机的电刷磨损得越快。本发明因此通过控制所述电机的最大机械功率来限制所述电刷的磨损。

为此，本发明提出了一种用于限制电动车辆或混合动力车辆的电动机的电刷磨损的方法，该方法包括：

-估计所述电刷磨损的步骤，

-基于所述电刷的磨损阈值根据所述估计的所述电刷磨损来限制授权用于所述电机的最大机械功率的步骤，

其特征在于，所述磨损阈值是所述电刷的合计使用时间的函数，超过所述磨损阈值时所述机械功率限制生效。

借助于本发明，所述电刷的受控磨损限制了所述电动机故障的风险。本发明适用于具有电刷的电动机，无论该电动机是用于牵引电动车辆或混合动力车辆、抑或是作为变体来用于车辆的空调系统的电动压缩机。在用于电动车辆的牵引电动机的情况下，这防止了在所述车辆的计划寿命期间与超过所述电刷的最大磨损阈值相关联的无法移动故障。此外，本发明能够在延长车辆的所述计划寿命的情况下不改变所述电机的所述电刷的实际尺寸，因为所述方法只需要更新车辆的计算机。

根据本发明的方法的有利特征，所述电刷的所述合计使用时间取值为等于由具有所述电刷的所述车辆行进的总距离。因此描述的方法是适用于电动车辆或混合动力车辆的所述牵引电动机的优选实施例。

根据另一个有利特征，所述估计所述电刷磨损的步骤至少包括：

-接收转矩请求、电机速度的测量值、以及在所述电动机的端子处的电源电压的步骤，

-根据所述转矩请求、所述电机速度的测量值、以及所述电压来估计所述电机的励磁电流的步骤，

-根据所述估计的励磁电流和所述电机速度来估计电刷磨损速度的步骤，

-通过对所述电刷磨损速度进行时间积分来计算该电刷磨损(w)的步骤。

这种用于估计所述电刷磨损的方法使用的是在车辆计算机中已知和可获得的条目数据，并且因此不需要增加新的物理传感器。

根据另一个有利特征，限制机械功率的步骤至少包括：

-计算所述电刷的所述磨损阈值的步骤，

-比较所述估计的电刷磨损与所述电刷的所述磨损阈值的步骤，

-当所述电刷磨损大于所述电刷的所述磨损阈值时限制所述电机的所述机械功率的步骤。

这种模块化方法可以以分布式方式托管于不同的计算机。

根据另一个有利特征，在使用时间-所述电刷磨损的平面中形成功率限制区域的下限的、所述电刷的所述磨损阈值是关于所述电刷的理论磨损直线来限定的，其中x轴是所述电刷的所述使用时间，其中y轴在原点处是零磨损，并且其中对应于所述电刷的预定使用时间的y轴是所述电刷的引起所述电机的无法移动故障的最大磨损。对功率限制区域的这种限定是适配于每个所述电机的。

根据另一个有利特征，所述电刷的所述磨损阈值是由三条直线段构成的曲线，其中：

-第一条直线段具有零斜率并且其y轴值是低磨损值，低于该低磨损值不需要进行功率限制，并且此线段在其与所述电刷的所述理论磨损直线的交点处终止，

-第二条直线段具有的斜率小于或等于所述电刷的所述理论磨损直线的斜率、并且在其与第三条直线段的交点处终止，

-该第三条直线段具有零斜率并且其y轴值是所述电刷的最大磨损阈值减去评估裕量。

对磨损阈值曲线的这种限定可以是适配于各种电刷类型的。

根据另一个有利特征，在该功率限制区域的位于所述电刷的所述理论磨损直线下方和所述电刷的该最大磨损阈值减去所述评估裕量下方的子部分中，只有当从该车辆被重新启动起已经超过了预定次数的预定机械功率阈值时才应用功率限制。这种策略适配于每个驾驶员的驾驶，并且能够只有当需要时才限制授权用于所述驾驶员的所述最大机械功率。

根据另一个有利特征，在所述功率限制区域中所述电机的所述机械功率限制的值可以根据在给定使用时间处的所述磨损的位置而变化。对于所述电刷的磨损曲线的这种依赖性允许在所述电刷劣化的情况下逐渐限制授权所述驾驶员的最大机械功率。

本发明还涉及一种用于限制车辆的电动机的电刷磨损的设备，该设备包括：

-用于估计所述电刷磨损的装置，

-用于基于所述电刷的磨损阈值根据所述估计的所述电刷磨损来限制授权用于所述电机的最大机械功率的装置，

其特征在于，所述磨损阈值是所述电刷的合计使用时间的函数，超过所述磨损阈值时所述机械功率限制生效。此设备提供与该方法类似优点的优点。

本发明还涉及一种包括多条指令的计算机程序，这些指令用于当在计算机上运行所述程序时实施根据本发明的所述用于限制车辆的电动机的电刷磨损的方法的步骤。这种程序被安装在所述车辆计算机中，并且因此所提供的方法应用廉价。

附图说明

基于阅读参照附图所描述的优选实施例，其他特征和优点将变得清楚，在附图中：

-图1呈现了根据本发明的实施例的用于限制电动机的电刷磨损的方法的流程图；

-图2呈现了根据本发明的设备的实例，

-图3是在磨损和由车辆行进的距离的坐标轴中对机械功率限制区域的表示，并且

-图4呈现了限制区域中不同机械功率限制策略的分布。

具体实施方式

根据图1的流程图中呈现的本发明的第一实施例，本方法包括两个步骤，第一步骤100在于实时估计电刷磨损w，然后第二步骤200(使用前一步骤的结果)为限制授权用于所述电机的最大机械功率。其步骤的每一个步骤被划分为多个子步骤，因此第一步骤100开始于子步骤110：接收转矩请求t(以n.m为单位)、电机速度n的测量值(以rpm为单位)、以及在所述电动机的端子处的电源电压v(以v为单位)。这些特性量通常用于管理电动车辆或混合动力车辆的电能、并且因此构成不需要添加新的传感器就可获得的输入。此子步骤之后是第二子步骤120：根据所述转矩请求t、所述电机速度n的测量值、以及所述电压v来估计所述电机的励磁电流if。此估计是例如通过使用励磁电流if(以a为单位)与之前提及的参数之间的映射来完成的。下一子步骤130在于根据所述估计的励磁电流if和所述电机速度n来估计电刷磨损速度v。所述子步骤130依赖于以下事实：电刷磨损速度v(以mm/s为单位)是通过已知的、可复制的和可测量的方式根据励磁电流if和电机速度n而变化的。此子步骤130的示例性实施例使用所述速度与所述励磁电流if和所述电机速度n之间的映射。实时计算所述电刷磨损w(以mm为单位)的最后的子步骤140在于，从配备有带所述电刷的所述电动机的所述车辆的投入使用开始，对所述电刷磨损速度v的合计时间积分。也就是说，在每个时刻计算所述电刷磨损速度v的时间积分，该时间积分添加了在前面时刻获得的磨损以获得当前时刻的磨损。第二步骤200其自身也被划分为多个子步骤，第一子步骤210是计算所述电刷的磨损阈值ws(以mm为单位)，超过该磨损阈值时应用机械功率限制策略。比较所述估计的电刷磨损w与所述电刷的所述磨损阈值ws的子步骤220意味着两种可能：

-或者所述估计的电刷磨损w小于电刷的所述磨损阈值ws，在这种情况下子步骤230则不应用对所述电机的所述机械功率限制，

-或者所述估计的电刷磨损w大于或等于电刷的所述磨损阈值ws，在这种情况下子步骤240应用用于限制所述电机的所述机械功率的策略。

图2呈现了用于限制车辆的所述电动机的所述估计的电刷磨损w的设备dis，该设备包括用于估计所述电刷磨损w的第一装置me。所述估计装置me在映射c1的输入处使用所述转矩请求t、电机速度n的所述测量值、和所述电压v，所述映射c1的这些输入能够评估所述励磁电流if。然后将所述励磁电流if和所述电压v输入第二映射c2，该第二映射的输出是电刷磨损速度v。积分块i计算从具有带所述电刷的所述电动机的所述车辆投入使用开始的所述合计估计磨损w。然后将此结果用作用于第二装置ml的输入，所述第二装置用于限制授权用于所述电机的最大机械功率，其包含用于限制所述机械功率的不同策略：s1、s2、s3、和s4。在所述限制装置ml的输出处，获得驾驶员可用的最大机械功率p。

图3呈现了平面中的机械功率限制区域z，在该平面中x轴为由车辆从具有带所述电刷的所述电动机的所述车辆投入使用开始以来所行进的距离d(以千米为单位)，并且y轴是所述估计的所述电刷磨损w(以毫米为单位)。在适配于电动车辆的电动机的优选实施例的此附图中，所述电刷的合计使用时间取值为等于由配备有带所述电刷的所述电动机的所述车辆行进的总距离d。所述功率限制区域z是根据所述电刷的理论磨损直线d和描述所述电刷的磨损阈值ws的曲线来绘制的。所述电刷的所述理论磨损直线d表示作为所述已行进距离d的函数的理论磨损曲线，从而避免与所述电刷的过量磨损相关联的无法移动故障，所述已行进距离最高达车辆的计划最大里程dmax(以km为单位)。在实例中，所述直线d针对y轴在原点处具有零磨损，而针对y轴在所述计划最大里程dmax处具有引起所述电机无法移动故障的所述电刷的最大磨损阈值wmax(以mm为单位)，该故障体现为零机械功率p＝0kw。所述功率限制区域z针对其下限具有由三条直线段构成的描述所述电刷的磨损阈值ws的所述曲线，其中：

-第一条直线段具有零斜率并且其y轴值是低磨损值wb(以mm为单位)，低于该低磨损值不需要进行功率限制，并且此线段在其与所述电刷的所述理论磨损直线d的交点处终止，

-第二条直线段具有的斜率小于或等于所述电刷的所述理论磨损直线d的斜率、并且在其与第三条直线段的交点处终止，

-该第三条直线段具有零斜率并且其y轴值是所述电刷的所述最大磨损阈值wmax减去评估裕量δ(以mm为单位)。所述限制区域z的上限被认为是以下直线：其斜率为零，并且其y轴值是开始引起车辆无法移动故障时的所述最大磨损阈值wmax，超过该最大磨损阈值时所述电动机器停止运行。

图4呈现了在磨损-已行进距离的平面中被划分为四个子区域s1、s2、s3、及s4的所述限制区域z，这四个子区域表示不同的机械功率限制策略。因此所采用的限制策略s1、s2、s3、或s4取决于在所述磨损-已行进距离的平面中的估计磨损w的位置。不同的策略通过功率阈值来限制驾驶员可用的所述最大机械功率p。所述功率阈值根据所述磨损-已行进距离的平面中的所述估计磨损w的位置而变化，因为所述功率阈值根据策略而变化。对应于第一策略s1的子区域包含在所述限制区域z中，并且位于所述理论磨损直线d下方和斜率为零、y轴值是所述电刷的所述最大磨损阈值wmax减去所述评估裕量δ的直线下方。策略s1具有不永久地对所述机械功率应用限制的基本特征。因此，仅当自车辆被重新启动起已经超过了预定次数ns1的预定机械功率阈值ps1(以kw为单位)时才应用功率限制。由车辆的计算机记录自车辆被重新启动起过冲的数量n，并且每次所述计算机进入睡眠时所述过冲数量n被重置为0。因此所述策略s1适配于每个驾驶员的驾驶。当达到所述过冲阈值数量ns1时，驾驶员可用的最大机械功率p(以kw为单位)被对应于所述电动机的标称模式下的最大功率pmax(以kw为单位)的百分比pc1(以％为单位)的最大机械功率限制，即，由所述策略s1授权的最大机械功率：pmax,s1＝pmax*pc1/100(以kw为单位)。所述预定机械功率阈值ps1可以是常数、或者是估计磨损w的函数，例如，所述阈值ps1可以倾向于与估计磨损w成反比。同样，所述过冲数量ns1可以是常数、或者是所述估计阈值w的函数，例如，所述过冲阈值数量ns1可以倾向于与所述磨损w成反比，因此所述估计磨损w越高，则所授权的过冲阈值数量ns1越低。应用第二策略s2的限制子区域包含在所述限制区域z中，并且位于所述理论磨损直线d上方和斜率为零、y轴值是所述电刷的所述最大磨损阈值wmax减去所述评估裕量δ的直线下方，并且位于限定为所述理论磨损直线d平移了向量(0，δ’)的直线下方。δ’(以mm为单位)的值是预定的。在所述子区域s2中，永久地应用所述机械功率限制。由策略s2授权的最大机械功率限制被选择为与关于所述理论磨损直线d的磨损差成比例。因此，通过选取例如位于子区域s2中的点p，所述点p其在x轴上为距离dp(以km为单位)并且其在y轴上为估计磨损wp(以mm为单位)，在此点p处由所述策略s2授权的最大机械功率为：

pmax,s2＝max{psat,s2；pmax–[pd,s2+fs2.(e)]}，

其中

-psat,s2(以kw为单位)是正的并且严格小于pmax的预定参数，所述参数psat,s2是最大机械功率的下限，所述策略s2因此决不将所述最大机械功率闲置为小于所述参数psat,s2的值；

-pd,s2(以kw为单位)是正的或为零的预定参数、并且对应于独立于所述点p的所述估计磨损wp的功率限制，当所述点p位于所述理论磨损直线d上时其具有值pmax,s2；

-fs2(以kw/mm为单位)是具有由功率除以磨损的统一预定参数，所述参数fs2是正的或为零、并且表示关于估计磨损w与理论磨损直线d之间的磨损差的功率限制的比例系数；

-e(以mm为单位)是所述点p的估计磨损wp与在所述距离dp处的理论磨损wdp(以mm为单位)之间的磨损差；所述理论磨损wdp对应于所述理论磨损直线d在x轴dp处的y轴；

-max{x,y}是x与y之间的最大算子。

应用第三策略s3的限制子区域包含在所述限制区域z中，并且由所述电刷的所述最大磨损阈值wmax与被限定为所述理论磨损直线d平移了向量(0，δ’)的所述直线之间的子区域、以及由所述电刷的所述最大磨损阈值wmax和所述电刷的所述最大磨损阈值wmax减去所述评估裕量δ以及所述理论磨损直线d界定的磨损子区域形成。因此，所述策略s3总是在所述策略s2之后激活。换言之，是由具有所述电刷的车辆在所述策略s2与所述策略s3之间转换的时刻行进的总距离(以km为单位)。如在所述子区域s2中一样，在子区域s3中永久地应用所述机械功率pmax,s3(以kw为单位)限制。因此，通过选取例如位于子区域s3中的点p’，由所述策略s3在此点p处授权的所述最大机械功率为：

其中

-(以kw为单位)是由所述策略s2在转换至所述策略s3时刻处授权的最大功率；

-psat,s3(以kw为单位)是正的预定参数、严格小于pmax并且小于或等于psat,s2；psat,s3是最大机械功率的下限，所述策略s3因此决不将所述最大机械功率限制为小于所述参数psat,s3的值；

-pd,s3(以kw为单位)是正的或为零的预定参数、对应于独立于所述估计磨损w的功率限制；

-fs3(以kw/mm为单位)是用功率除以磨损的统一预定参数，所述参数fs3是正的或为零、并且表示关于所述估计磨损w与所述理论磨损直线d平移了向量(0，δ’)之间的磨损差的功率限制的比例系数；

-e’(以mm为单位)是所述点p’的估计磨损wp’与降级的理论磨损之间的磨损差，该降级的理论磨损的值对应于在理论磨损直线d平移了向量(0，δ’)的x轴dp’(以mm为单位)处的y轴与所述电刷的最大磨损阈值减去评估裕量之间的最小值。

应用第四策略s4的限制子区域包含在所述限制区域z中并且占据剩余的所述区域z，即在斜率为零、y轴值为所述电刷的所述最大磨损阈值wmax减去所述评估裕量δ的直线上方并且在所述理论磨损直线d下方的子区域。如在所述子区域s2和s3中一样，在子区域s4中永久地应用机械功率限制。驾驶员可用的所述最大机械功率p被限制为对应于所述电动机标称模式下的最大功率pmax的百分比pc4(以％为单位)的最大机械功率，换言之，由所述策略s4授权的最大机械功率为：pmax,s4＝pmax*pc4/100(以kw为单位)。所述策略s4被参数化为使得pc4≤pc1。当驾驶员可用的所述最大机械功率p被限制为所述策略s3或s4之一的最大机械功率限制时，在仪表盘上示出提示驾驶员限制他或她的加速以保护电机完好性的显示。在车辆具有不同驾驶模式(诸如，经济模式、正常模式、运动模式)的情况下，可以将此限制方法仅应用于某些模式，例如，运动模式。最后，通过将例如策略s1和s4的区域组合到一起，策略的数量可以更多或更少。可以设想其他实施例，尤其可以使用其他距离单位来表征磨损和/或磨损阈值。