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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Kraftfahrzeuge verfügen über ein Bordnetz, das über eine als Generator betriebene elektrische Maschine, bspw. eine fremderregte Synchronmaschine, mit Spannung versorgt wird. Zur Regelung der Bordnetzspannung kann dabei ein Erregerstrom der elektrischen Maschine gesteuert bzw. geregelt werden. Die elektrische Maschine ist dabei in der Regel über einen Gleichrichter (mit Dioden oder Halbleiterschaltern als Gleichrichterelemente) an das Bordnetz angeschlossen und bildet mit diesem eine Generatoreinheit. Bei solchen Generatoreinheiten können Fehler wie bspw. Kurzschlüsse auftreten, die nach Möglichkeit erkannt werden sollten.
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Fehler wie Unterspannung an einer Phase, Generatorstillstand, Kurzschluss im Erregerkreis oder Unterbrechung im Erregerkreis oder Erregertransistor sowie Überspannungen am Bordnetzanschluss können dabei beispielsweise anhand einer Schwellwertüberwachung und einer Plausibilisierung mit einem aktuellen Betriebszustand vorgenommen werden. Es gibt jedoch weitere Fehler, die auf diese Weise nicht erkannt werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit, welche eine elektrische Maschine mit Läuferwicklung und Ständerwicklung und einen daran angeschlossenen Gleichrichter, über den die elektrische Maschine an ein Energienetz angeschlossen ist, aufweist. Bei dem Energienetz kann es sich insbesondere um ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs handeln. Es wird nun während wenigstens einer Zeitspanne, in der sich eine Schalteinheit, die zum Anlegen einer Erregerspannung an die Läuferwicklung dient, in einer Stellung befindet, jeweils ein zeitlicher Verlauf eines Erregerstroms durch die Läuferwicklung ermittelt. Als Schalteinheit kommen bspw. Transistoren, dann auch als Erregertransistor bezeichnet, in Frage. Die Schalteinheit kann Teil der Generatoreinheit sein, aber auch separat, beispielsweise in einem am Generator angeordneten bzw. angebauten oder einem externen Generatorregler, vorgesehen sein.
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Wenn wenigstens einer der ermittelten Verläufe des Erregerstroms hinsichtlich wenigstens eines vorgebbaren Kriteriums von einem Vergleichsverlauf des Erregerstroms bei einer entsprechenden Stellung der Schalteinheit abweicht, wird auf einen Fehler, der wenigstens einen Defekt in der Generatoreinheit betrifft, geschlossen. Zur Ermittlung des wenigstens einen Verlaufs des Erregerstroms kann der Erregerstrom beispielsweise mehrmals während einer solchen Zeitspanne, in der sich die Schalteinheit in einer (unveränderten) Stellung befindet, erfasst werden, insbesondere mit ausreichend hohen Abtastrate. Die Auswertung bzw. die Erkennung des Fehlers kann dann insbesondere in dem Generatorregler erfolgen. Bei den Vergleichsverläufen kann darauf geachtet werden, dass diese hinsichtlich verschiedener Betriebsparameter der Generatoreinheit, insbesondere deren Drehzahl, mit den Verläufen übereinstimmen, oder zumindest hinreichend genau übereinstimmen.
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Damit können auf einfache Weise verschiedene Arten von Fehlern im Gleichrichter und/oder der elektrischen Maschine erkannt werden. Dies ist möglich, da sich solche Fehler auf den Erregerstrom auswirken. Während sich beispielsweise durch einen einfachen Vergleich zwischen einer Phasenspannung und beispielsweise einer Batterie- bzw. Bordnetzspannung bspw. keine Abtrennung einer kompletten Phase vom Gleichrichter erkennen lässt, wirkt sich eine solche Abtrennung jedoch auf den Erregerstrom aus. Ebenso wirken sich insbesondere Kurzschlüsse zwischen zwei Phasen auf den Erregerstrom aus. Der Grund hierfür liegt an der Einkopplung von Strömen und damit auch unregelmäßigen bzw. nicht vorgesehenen Strömen in der Ständerwicklung auf die Läuferwicklung und damit den Erregerstrom.
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Zudem unterscheidet sich der Verlauf des Erregerstroms in Abhängigkeit von der Stellung der Schalteinheit. Bei einer Stellung der Schalteinheit, die ein Anlegen der Erregerspannung an die Läuferwicklung bewirkt (also einer Ein-Stellung), steigt der Erregerstrom beispielsweise an, während der Erregerstrom bei einer Stellung der Schalteinheit, die kein Anlegen der Erregerspannung an die Läuferwicklung bewirkt (also einer Aus-Stellung) abfällt, sofern keine Störung bzw. kein Fehler vorliegt. Es wurde nun erkannt, dass bei Vorliegen eines Fehlers in der Generatoreinheit durch die Einkopplung des Ständerstroms auf den Erregerstrom der Verlauf bei den jeweiligen Stellungen der Schalteinheit meist nicht mehr mit demjenigen bei einer ungestörten Generatoreinheit übereinstimmt. Durch die Berücksichtigung der Stellung des Schalters und eines Vergleichs des ermittelten Verlaufs mit einem Vergleichsverlauf, also insbesondere einem solchen Verlauf, bei dem kein Fehler vorliegt, lässt sich damit sehr einfach und auch sicher auf einen Fehler schließen.
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Wenn auf einen Fehler erkannt wurde, dann kann dies insbesondere auch in einem Fehlerspeicher oder dergleichen hinterlegt werden. Ebenfalls ist eine akustische und/oder visuelle Anzeige, beispielsweise für einen Fahrer eines Kraftfahrzeugs denkbar.
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Vorzugsweise umfasst das wenigstens eine Kriterium eine Unterscheidung zwischen einer steigenden und einer fallenden Tendenz des Erregerstroms. Damit kann sehr einfach werden, ob ein Fehler vorliegt. Wie erwähnt, sollte der Erregerstrom bei der Ein-Stellung ansteigen und bei der Aus-Stellung abfallen. Wenn nun beispielsweise der Mittelwert des Erregerstroms bei der Aus-Stellung kontinuierlich ansteigt oder bei der Ein-Stellung kontinuierlich abfällt, so liegt ein Fehler vor.
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Vorteilhafterweise umfasst das wenigstens eine Kriterium eine Anzahl an steigenden und/oder fallenden Abschnitten (oder auch Bereichen oder zeitlichen Anteilen) des Erregerstroms. Während, wie erwähnt, bei der Ein-Stellung der Erregerstrom ansteigen sollte, so kann der Erregerstrom bei einem Fehler auch während einer unveränderten Stellung der Schalteinheit ansteigen und abfallen, insbesondere auch jeweils mehrmals. Der Wechsel zwischen steigenden und fallenden Abschnitten innerhalb einer Schaltstellung gibt damit einen Hinweis auf einen Fehler.
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Es versteht sich, dass eine hinreichend genaue Messung und Auswertung nötig ist, um zwischen nur einer steigenden bzw. fallenden Tendenz und mehreren steigenden bzw. fallenden Abschnitten unterscheiden zu können.
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Vorteilhafterweise wird auf einen bevorstehenden Defekt als Fehler geschlossen, wenn bei dem wenigstens einen der ermittelten Verläufe des Erregerstroms eine Steigung geringer als ein vorgebbarer erster Schwellwert ist. Da nicht erst bei Vorliegen eines Defekts wie beispielsweise eines Kurzschlusses zwischen zwei Phasen eine erkennbare bzw. eine messbare Abweichung zwischen Verlauf und Vergleichsverlauf vorliegt, sondern bereits auch bei einem beginnenden Defekt, also beispielsweise einem kleiner werdenden Widerstand aufgrund einer sich ablösenden Isolierung oder Ähnlichem, kann sehr frühzeitig ein Fehler erkannt werden. Der erste Schwellwert kann dann entsprechend gewählt werden, beispielsweise um eine Unterscheidung vom tatsächlichen Vorliegen eines Defekts, also beispielsweise eines Kurzschlusses, zu ermöglichen.
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Zweckmäßig ist es auch, wenn auf einen bereits eingetretenen Defekt als Fehler geschlossen wird, wenn bei dem wenigstens einen der ermittelten Verläufe des Erregerstroms eine Steigung größer als ein vorgebbarer zweiter Schwellwert ist.
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Der zweite Schwellwert kann dann ebenfalls entsprechend gewählt werden, beispielsweise anhand von Vergleichs- oder Testmessungen, in denen ein entsprechender Defekt simuliert wird. Dabei muss der zweite Schwellwert nicht dem ersten Schwellwert entsprechen, insbesondere kann er größer sein, um eine deutliche Unterscheidung zwischen den beiden Fehlerarten zu ermöglichen. Jedoch können beide Schwellwerte auch identisch sein.
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Bevorzugt kommen als der wenigstens eine Defekt ein Kurzschluss zwischen zwei verschiedenen Phasen und/oder eine Unterbrechung einer Phase und/oder eine Unterbrechung einer Diode (oder eines Halbleiterschalters) und/oder ein Kurzschluss einer Diode (oder eines Halbleiterschalters) und/oder eine Degradation (z.B. eine Aufweitung) elektrischer Verbindungen zwischen Phasen und/oder Dioden, also den genannten Komponenten in Frage. Bei diesen Fehlern handelt es sich um solche, die eine Auswirkung auf den Verlauf des Erregerstroms in Abhängigkeit von der Stellung der Schalteinheit haben. Insofern können diese mit dem vorgeschlagenen Verfahren besonders einfach ermittelt werden.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, insbesondere ein Generatorregler, oder z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine Generatoreinheit mit elektrischer Maschine, Gleichrichter und Generatorregler, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
- 2 zeigt schematisch Vergleichsverläufe eines Erregerstroms in Abhängigkeit von einer Stellung der Schalteinheit im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt schematisch Verläufe eines Erregerstroms in Abhängigkeit von einer Stellung der Schalteinheit bei Vorliegen eines Fehlers im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 4 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist schematisch eine Generatoreinheit 100 aufweisend eine elektrische Maschine 105 mit einem Gleichrichter 130 und einer als Generatorregler ausgebildeten Recheneinheit 140, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist, gezeigt. Die elektrische Maschine 100 weist eine Läufer- bzw. Erregerwicklung 110 und eine Ständerwicklung 120 auf und wird vorliegend als Generator zur Spannungsversorgung für ein als Bordnetz eines Kraftfahrzeuges ausgebildetes Energienetz 180 verwendet.
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Die elektrische Maschine 100 und somit deren Ständerwicklung 120 ist vorliegend mit drei Phasen U, V und W ausgebildet. Jede der drei Phasen ist dabei über eine zugehörige Diode 131 (von denen nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist) des Gleichrichters 130 an eine positive Seite B+ des Bordnetzes 180und an eine negative Seite des Bordnetzes 180 bzw. an Masse angebunden. Es versteht sich, dass die Anzahl drei der Phasen vorliegend nur beispielhaft gewählt ist und dass ein erfindungsgemäßes Verfahren auch mit einer anderen Phasenanzahl, bspw. 5, 6, 7 oder mehr durchführbar ist. Ebenso ist es möglich, anstelle der Dioden geeignete Halbleiterschalter zu verwenden.
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Der Generatorregler 140 versorgt die Läuferwicklung 110 unter Verwendung einer Schalteinheit 150, beispielsweise eines Transistors oder eines anderen Halbleiterschalters, mit einem Erregerstrom IE. Hierzu kann der Generatorregler 140 beispielsweise an einen Signalgenerator 170 bzw. ein Steuergerät angebunden sein. Denkbar ist jedoch auch, dass der Signalgenerator Teil des Generatorreglers ist. Weiterhin weist der Generatorregler 140 Eingänge zum Erfassen der Bordnetzspannung mit B+ sowie einer Phasenspannung, vorliegend der Phase W, auf.
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In 2 sind schematisch Vergleichsverläufe eines Erregerstroms in Abhängigkeit von einer Stellung der Schalteinheit 150 im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu ist neben der Erregerspannung UE in V und der zugehörigen Stellung S der Schalteinheit der Erregerstrom IE in A, jeweils über der Zeit t in s, dargestellt.
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An der Erregerspannung UE bzw. der Stellung S ist zu erkennen, dass die Schalteinheit zunächst auf Aus (0), dann auf Ein (1), dann auf Aus, wieder auf Ein und erneut auf Aus steht. Dies kann durch geeignete Ansteuerung, beispielsweise unter Verwendung des Signalgenerators, wie in 1 gezeigt, erfolgen.
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Am Erregerstrom IE ist zu erkennen, dass dieser - auch abgesehen von etwaigen hochfrequenten Störeinflüssen - nicht konstant verläuft. Insbesondere sind hier drei Vergleichsverläufe V'1 , V'2 und V'1 gezeigt, wie sie während der Stellungen Ein, Aus und Ein vorliegen. Dabei wiederholen sich die Vergleichsverläufe.
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Bei dem hier dargestellten Normalbetrieb ohne Fehler oder Störungen der Generatoreinheit weisen die Vergleichsverläufe eine steigende, fallende bzw. wieder steigende Tendenz auf. Es ist jedoch auch zu sehen, dass bei der Ein-Stellung eine steigende Tendenz und bei der Aus-Stellung eine fallende Tendenz vorliegen, so wie dies aufgrund der Induktivität der Läuferwicklung auch zu erwarten ist.
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In 3 sind nun schematisch Verläufe eines Erregerstroms in Abhängigkeit von einer Stellung der Schalteinheit 150 bei Vorliegen eines Fehlers im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu ist neben der Erregerspannung UE in V und der zugehörigen Stellung S der Schalteinheit der Erregerstrom IE in A, jeweils über der Zeit t in s, dargestellt.
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An der Erregerspannung UE bzw. der Stellung S ist zu erkennen, dass die Schalteinheit zunächst auf Ein (1), dann auf Aus (0), wieder auf Ein und erneut auf Aus und dann wieder auf Ein steht. Dies kann durch geeignete Ansteuerung, beispielsweise unter Verwendung des Signalgenerators, wie in 1 gezeigt, erfolgen.
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Bei den Ein-Stellungen der Schalteinheit ist zu sehen, dass die Erregerspannung UE - im Vergleich zu 2 - nicht konstant ist oder zumindest deutlich stärker schwankt. Bereits dies deutet auf einen Fehler hin.
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Am Erregerstrom IE ist zu erkennen, dass dieser - im Vergleich zu 2 - deutlich stärker schwankt. Insbesondere sind hier drei Verläufe V2, V1 und V2 gezeigt, wie sie während der Stellungen Aus, Ein und Aus vorliegen. Dabei wiederholen sich die Verläufe.
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Während beim ersten Verlauf V2, d.h. während der Aus-Stellung, eine fallende Tendenz vorliegt, wie auch beim Vergleichsverlauf V'2 , so liegt beim zweiten Verlauf V2 trotz der Aus-Stellung keine fallende, sondern eine steigende Tendenz vor. Dieser Verlauf weicht damit vom zugehörigen Vergleichsverlauf V'2 bei gleicher Stellung S ab.
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Bei dem Verlauf V1 ist zu sehen, dass sich steigende und fallende Abschnitte abwechseln, obwohl die Schalteinheit dauerhaft in der Ein-Stellung steht, während der Vergleichsverlauf V'1 lediglich einen fallenden Abschnitt aufweist.
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Bei dem hier dargestellten Fehler handelt es beispielhaft um einen bevorstehenden Defekt, nämlich einen Kurzschluss zwischen zwei Phasen. Der Widerstand zwischen den Phasen beträgt hier ca. 0,1 Ω. Als Betriebsparameter wurden hier ca. 1800 1/min als Drehzahl und ca. 20 A als elektrische Last gewählt. Bei den übrigen erwähnten Fehlern stellt sich das Fehlerbild, also der Verlauf des Erregerstroms, ähnlich dar.
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In 4 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, wie es beispielsweise in einem Generatorregler in einem Kraftfahrzeug implementiert werden kann.
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Zunächst startet das Verfahren mit dem Schritt 400. Anschließend wird in einem Schritt 410 die aktuelle Stellung der Schalteinheit ermittelt, bevor in Schritt 420 der entsprechende Verlauf des Erregerstroms ermittelt wird.
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Im Schritt 430 kann dann eine Tendenz des Erregerstroms in dem Verlauf, also beispielsweise fallend oder steigend, ermittelt werden. In Schritt 440 kann anschließend überprüft werden, ob, wenn die Stellung auf Ein war, der Verlauf eine fallende Tendenz aufweist. Wenn dies der Fall ist, kann in Schritt 450 ein Fehler erkannt werden.
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Wenn in Schritt 440 festgestellt wird, dass entweder die Stellung nicht Ein war oder die Tendenz nicht fallend, dann kann in Schritt 445 überprüft werden, ob, wenn die Stellung Aus war, die Tendenz steigend ist. Wenn dies der Fall ist, kann weiter mit Schritt 450 verfahren werden. Andernfalls kann zurück zum Start gesprungen werden, d.h. das Verfahren kann von vorne beginnen.
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Wenn das Verfahren bis zum Schritt 450 gelangt, d.h. dass ein Fehler erkannt wurde, dann kann beispielsweise in einem Schritt 460 ein Fehlerspeichereintrag gesetzt werden.
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Es versteht sich, dass hierbei auch die weiteren, erwähnten Möglichkeiten, einen Fehler zu erkennen, sowie geeignete Filter entsprechend berücksichtigt werden können.