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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Bewertung einer Belastung einer
elektrischen Komponente, beispielsweise eines Starters, eines Fahrzeugs.
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Moderne
Fahrzeuge bzw. deren Anriebe verfügen über eine Mehrzahl von elektrischen
bzw. elektromechanische Komponenten, welche im Betrieb unterschiedlichen
Belastungen ausgesetzt sind. So wird beispielsweise zum Anlassen
eines Antriebsaggregats, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, eines
Fahrzeugs oft ein Starter bzw. ein Startersystem mit einem Elektromotor
eingesetzt, welcher darüber
hinaus ein Planetengetriebe, gegebenenfalls ein Steilgewinde, ein
Ritzel sowie eine Vorspureinrichtung in der Gestalt eines Hubmagneten
mit einer Ein spurfeder für
das Ritzel aufweist. Zusätzlich
können
Steuereinheiten für
den Starter in elektronischer oder in elektromechanischer Ausführung eingesetzt werden.
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Bei
einer Fehlfunktion des Starters bzw. des Startersystems ist ein
reibungsloser Start des Antriebsaggregats jedoch nicht mehr möglich. Eine Fehlfunktion
kann ferner Folgeschäden
an anderen Komponenten eines Fahrzeugantriebes verursachen. Zur
Verhinderung der Folgeschäden
kann beispielsweise ein dauerhaft anliegender Kurzschlussstrom bei
einem klemmenden Verbrennungsmotor durch eine Reduktion einer Stromdauer
eines über einer
bestimmten Stromschwelle liegenden Stroms begrenzt werden. Darüber hinaus
kann beispielsweise ein Durchdrehen des Verbrennungsmotors durch eine
Begrenzung der Dauer einer Ansteuerung des Starters verhindert werden,
was beispielsweise durch eine Begrenzung einer Dauer einer Ansteuerung
eines Relais realisiert werden kann.
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Dabei
wird jedoch die Annahme getroffen, dass bestimmte Zustände einer
elektrischen Komponente wie beispielsweise eines Starters sich ungünstig auf
deren Lebensdauer auswirken und daher vermieden werden sollen. Dennoch
kann es, insbesondere bei hohen Belastungen eines Starters eines Start-Stopp-Systems,
zu Fehlfunktionen kommen, welche mitunter zu einem Ausfall des Antriebsaggregats
führen
können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Schädigung einer
elektrischen Komponente, beispielsweise eines Starters oder eines
Einrücksystems
oder eines Relais oder eines Steuergerätes eines Fahrzeugs, verhindert
werden kann, wenn nicht die Dauer eines bestimmten Zustandes, sondern
die Belastung des Starters bewertet bzw. erfasst wird. Dadurch kann
insbesondere die tatsächliche Belastung
der elektrischen Komponente über
deren gesamte Betriebsdauer geschätzt werden, so dass im Falle
einer folgenschweren Überbelastung
der elektrischen Komponente beispielsweise deren Austausch angefordert
werden kann.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten einer Belastung einer
elektrischen oder elektromechanischen Komponente eines Fahrzeugs,
insbesondere eines Starters oder eines Einrücksystems oder eines Relais
oder eines Steuergerätes,
mit dem Schritt des Erfassens einer Messgröße, welche von einem Starterstrom
abhängig
ist, oder deren zeitlichen Verlaufs, des Bestimmens eines Kennzahlwertes
auf der Basis eines Integrals über
den zeitlichen Verlauf der Messgröße und des Vergleichens des Kennzahlwertes
mit einem Kennzahlschwellwert, um die Belastung der elektrischen
Komponente zu bewerten. Dadurch ist die Erkennung schädlicher
Betriebszustände
der elektrischen Komponente nicht mehr auf die vorgegebenen Zustände begrenzt.
Vielmehr können
auch Zwischenzustände
erkannt werden, welche beispielsweise in der Nähe der bisher bekannten, schädigenden
Zustände
liegen oder die eine Kombination mehrerer Lastfälle darstellen. In vorteilhafter
Weise wird mittels des Kennzahlwertes ermöglicht, zur Vermeidung von
bestimmten Zuständen
der elektrischen Komponente auch Schädigungsmechanismen zu berücksichtigen,
die bisher nicht erfasst werden konnten.
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Die
Messgröße kann
ein Strom durch die elektrische Komponente oder dessen Absolutwert oder
dessen Betragsquadrat oder ein Drehmoment oder eine Spannung an
der elektrischen Komponente oder an einer Zuleitung zu derselben
oder eine Spannungsänderung
sein. Dadurch wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die
Belastung der elektrischen Komponente mit unterschiedlichen Größen bewertet
werden kann.
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Der
zeitliche Verlauf der Messgröße oder
die Messgröße oder
der Kennzahlwert kann beispielsweise verringert werden, um eine
Auswirkung einer temporären
Belastung der elektrischen Komponente zu begrenzen. Dadurch wird
in vorteilhafter Weise berücksichtigt,
dass eine temporäre Überbelastung der
elektrischen Komponente einen geringeren Schaden als eine länger andauernde,
möglicherweise
geringere Belastung verursachen kann.
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Die
Verringerung der Messgröße oder
des Kennzahlwertes oder des zeitlichen Verlaufs der Messgröße kann
beispielsweise mittels einer Abklingfunktion oder eines Abklingfaktors
bevorzugt temperaturabhängig
aus einer Lookup-Tabelle bewirkt werden. Die Lookup-Tabelle kann
beispielsweise unterschiedliche temperaturabhängige Abklingfaktoren bzw.
Abklingfunktionen umfassen, wobei die Verringerung beispielsweise
oberhalb eines Temperaturstellwertes durchgeführt werden kann.
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Der
zeitliche Verlauf der Messgröße kann beispielsweise über eine
Gesamtbetriebsdauer der elektrischen Komponente erfasst werden,
um die Gesamtbelastung der elektrischen Komponente innerhalb dessen
gesamter Lebensdauer bis zum Erfassen des Zeitpunkts zu bewerten.
Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Gesamtbewertung der Belastung,
welcher die elektrische Komponente ausgesetzt wurde, durchgeführt werden.
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Der
zeitliche Verlauf der Messgröße kann auch
innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls erfasst werden, um
eine temporäre
Belastung der elektrischen Komponente, insbesondere deren Überbelastung,
zu bewerten. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine kurzzeitige
Belastung der elektrischen Komponente bewertet werden.
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Bei
einer Überschreitung
des Kennzahlstellwertes durch den Kennzahlwert kann ein Hinweissignal
ausgegeben werden, welches auf eine Überbelastung der elektrischen
Komponente oder auf einen Austausch der elektrischen Komponente
oder auf einen Austausch einer deren Komponente hinweist. Das Hinweissignal
kann ferner eine Abschaltung der elektrischen Komponente anzeigen
oder bewirken.
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Zur
Bewertung der Belastung der elektrischen Komponente kann ferner
eine Anzahl von Überschreitungen
des Kennzahlschwellwertes durch den Kennzahlwert erfasst werden.
Diese Erfassung kann beispielsweise mittels eines Zählers durchgeführt werden,
dessen Zählerstand
die Belastung der elektrischen Komponente repräsentiert.
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Zur
Bestimmung des Kennzahlwertes kann über den zeitlichen Verlauf
der Messgröße das Integral
vorteilhaft mittels eines an sich bekannten Integralberechnungsschemas
ermittelt werden.
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Der
Kennzahlschwellwert kann ferner temperaturabhängig sein, wobei bei einer
Nichtüberschreitung
des Kennzahlschwellwertes auf eine geringere Belastung der elektrischen
Komponente als bei einer Überschreitung
des Kennzahlschwellwertes geschlossen werden kann. Daher kann auf
der Basis des Vergleichs die Belastung der elektrischen Komponente
bewertet bzw. erfasst werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine programmtechnisch eingerichtete Vorrichtung,
insbesondere ein Steuergerät,
welche ausgebildet ist, ein Computerprogramm zum Ausführen des
Verfahrens zum Bewerten einer Belastung einer elektrischen Komponente
eines Fahrzeugs auszuführen.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Bewerten einer Belastung
eines Starters eines Fahrzeugs;
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2 einen
prinzipiellen Verlauf eines Starterstroms;
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3 einen
zeitlichen Verlauf eines Kennzahlwertes;
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4 Verläufe von
Kennzahlwerten;
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5 einen
Verlauf einer Bewertungsgröße; und
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6 einen
Verlauf einer Bewertungsgröße.
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1 zeigt
einen Verfahrensablauf eines Verfahrens zum Bewerten einer Belastung
der elektrischen Komponente eines Fahrzeugs, bei dem im Schritt 101 ein
Strom I durch die elektrische Komponente erfasst wird. Im Schritt 103 kann
der Strom optional gewichtet werden, wobei der Strom oder der gewichtete
Strom im Schritt 105 aufintegriert werden kann, um einen
Kennzahlwert zu erhalten. Zuvor kann der Strom oder der gewichtete
Strom im Schritt 107 um einen Abklingwert bzw. um eine
Abklingfunktion verringert werden, welcher bzw. welche im Schritt 109 bereitgestellt
wird.
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Der
Kennzahlwert kann im Schritt 111 mit einem Kennzahlschwellwert 6 einer
Schwellwertprüfung
verglichen werden, wobei die elektrische Komponente beispielsweise
bei einem Überschreiten
des Kennzahlschwellwertes zum Schutze vor übermäßiger Schädigung abgeschaltet werden
kann. Darüber hinaus
und insbesondere vor einer Schwellwertprüfung kann im Schritt 113 eine
Summierung der Ereignisse oberhalb einer Schwelle durchgeführt werden, wobei
das Ergebnis der Summierung als Kennzahlwert im Schritt 115 mit
einem Kennzahlschwellwert verglichen wird, woraufhin eine Anforderung
zum Austausch der jeweiligen Komponente im Rahmen einer Wartung
erfolgen kann.
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Die
Erkennung einer Schädigung
beispielsweise über
den Einsatz des Startersystems ermöglicht es, rechtzeitig vor
einem Ausfall des Fahrzeugantriebs beispielsweise einen Tausch des
Startersystems oder dessen Komponenten im Rahmen einer Wartung in
einer Werkstatt anzufordern, wodurch die Zuverlässigkeit des Startersystems
erhöht
wird. Dadurch wird ferner ermöglicht,
einen Starter höheren Belastungen
auszusetzen, die beispielsweise bei 95% oder 99% aller Fahrten auftreten,
wobei bei einer übermäßigen Belastung
ein Hinweissignal ausgegeben werden kann, das eine notwendige Wartung verschlissener
Kompo nenten oder deren Austausch anzeigt. Zu den durch den Starterstrom
schädigenden
Faktoren zählt
insbesondere die Schädigung
eines Bürsten-Kommutator-Systems des Starters durch
chemische Schädigungsmechanismen
wie beispielsweise die Patinierung des Kollektors. Ferner können Schaltkontakte
von Relais beim Abschalten höherer
Ströme
durch eine kurzzeitige Lichtbogenbildung geschädigt werden.
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Durch
höhere
Temperaturen können
sämtliche
nichtmetallische Komponenten, wie beispielsweise ein Bürsten-Kommutator-System,
Wicklungen in dem als Elektromotor ausgeführten Starter, im Antriebsstrang
und im Einrücksystem
des Startsystems sowie Steuergeräte
zur Ansteuerung des Starters, des Einrücksystems und gegebenenfalls
das Schaltrelais für
den Starterstrom geschädigt
werden. Die Temperatur wird neben der Umgebungstemperatur insbesondere
durch einen Stromfluss bestimmt, so dass für diese temperaturabhängige Schädigungsart der
Strom ebenfalls eine geeignete Messgröße darstellt.
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Darüber hinaus
können
Schädigungen
durch eine zu hohe Drehzahl des Starters entstehen. Dabei schädigen insbesondere
hohe Drehzahlen im Antriebsstrang des Startersystems alle Komponenten, welche
sich in den maßgeblichen
Betriebszuständen bewegen
insbesondere durch mechanischen Verschleiß des Bürsten-Kommutator-Systems, der
Lagerungen und des Planetengetriebes. Kritisch ist bei diesen Betriebszuständen nicht
nur ein einmaliges, kurzes Auftreten einer hohen Drehzahl, sondern auch
deren dauerhaftes Anliegen. Bei hohen Drehzahlen fließt aufgrund
der Induktion der elektrischen Maschine nur ein geringer Strom,
so dass die Stromflussdauer relevant sein kann.
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Zur
Verhinderung von Zuständen
mit übermäßigem Verschleiß kann auch
berücksichtigt
werden, dass die elektrischen Komponenten durch das Auftreten hoher
Ströme
bei hohen Temperaturen über
einen kurzen Zeitraum oder durch das Auftreten geringer Ströme bei hohen
Drehzahlen über
einen längeren
Zeitraum geschädigt
werden. Dazwischenliegende Zustände
sind jedoch ebenfalls schädlich, da
sie eine Mischung aus den beiden vorstehend genannten Belastungen
enthalten, wozu insbesondere geringere Drehzahlen bei höheren Temperaturen
gezählt
werden müssen.
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Diese
Zustände
können
durch das in 1 dargestellte Konzept, bei
dem das Integral des auftretenden Stroms des Starters ausgewertet
wird, berücksichtigt
werden. Über
dieses Integral kann optional ein Temperaturmodell hinterlegt werden,
das die Problematik hoher Drehzahlen berücksichtigt.
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Zur
Sicherstellung einer Funktionsweise des Temperaturmodells kann beispielsweise
eine zeitgesteuerte Funktion eingesetzt werden, welche das Integral
des Stromwertes mit einer Rampenfunktion wieder zurücksetzt.
Darüber
hinaus können
ein Startwert der Integration und gegebenenfalls auch eine Steigung
der Rampenfunktion zum Abbau des Integrals in Abhängigkeit
von einer Temperatur in der Umgebung des Starters variiert werden,
was mittels der im Schritt 109 bereitgestellten Abklingfunktion realisiert
werden kann. Die Temperatur des Starters wird beispielsweise bestimmt
durch eine Außentemperatur
oder durch eine Kühlwassertemperatur
des Motors oder durch eine Öltemperatur
des Motors oder des Getriebes oder durch eine Temperatur des Steuergeräts. Diese
Temperaturen können
einzeln oder in Kombination genutzt werden.
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Darüber hinaus
kann der auftretende Strom vor der Integration im Schritt 103 gewichtet
werden, so dass die Schädigungen
durch eine Temperatur und durch eine Drehzahl unterschiedlich gewichtet werden
können.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Verfahren nicht
auf den Starter, sondern z. B. auf das Einrücksystem, auf ein Schaltrelais,
auf ein Steuergerät
oder auf ähnliche
Komponenten angewendet wird.
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Neben
einem übermäßigen Verschleiß tritt an
den Komponenten über
deren Gesamtbetriebsdauer ein normaler Verschleiß auf, welcher den vorstehend
beschriebenen Schädigungsmechanismen folgt.
Daher kann zur Auswertung des Verschleißes an den Komponenten der
wie vorstehend beschrieben ermittelte Kennzahlwert verwendet werden.
Hierzu können
die folgenden Verfahren eingesetzt werden:
Zunächst kann
die Zahl der Ereignisse gezählt
werden, bei denen der Kennzahlwert einen bestimmten Schwellwert überschritten
hat. Dieses Verfahren kann optional derart erweitert werden, dass
mehrere Kennzahlschwellwerte eingeführt werden und die Zahl der
Ereignisse bei jedem Überschreiten
eines Kennzahlschwellwertes hochgezählt wird. Kritische Ereignisse,
bei denen der Kennzahl wert einen höheren Wert erreicht, werden
so automatisch mehrfach gezählt
und damit stärker
gewichtet. Alternativ können
unterschiedliche Belastungen unabhängig voneinander gezählt werden,
wobei ein Gesamtalterungskennzahlwert durch eine gewichtete Summe der
einzelnen Belastungen gebildet werden kann.
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Der
wie vorstehend beschrieben ermittelte Kennzahlwert kann ebenfalls
integriert werden. Dabei werden unterschiedliche Ereignisse automatisch unterschiedlich
stark gewichtet. Im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen
Rücksetzfunktion für den durch
die Integration gebildeten Kennzahlwert erlaubt das Verfahren auch
eine Berücksichtigung
von langsamen Alterungsvorgängen,
die im Wesentlichen durch die Umgebungsbedingungen ausgelöst werden.
Darüber
hinaus kann dieses Verfahren derart ergänzt werden, dass der Kennzahlwert über eine
Gewichtungsfunktion der Integration zugeführt wird, um die unterschiedlichen
Schädigungen
in ihrer Wirkung auf die Gesamtalterung der Komponente zu gewichten.
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Bei
beiden vorstehend beschriebenen Verfahren kann der gebildete Gesamtalterungskennzahlwert
mit einem Kennzahlschwellwert verglichen werden, so dass bei Überschreiten
des Kennzahlschwellwertes automatisch ein Austausch der betroffenen
Komponente im Rahmen einer Wartung angefordert werden kann. Darüber hinaus
können
mehrere Kennzahlschwellen definiert werden, die beispielsweise einer
unterschiedlichen Dringlichkeit entsprechen, so dass ein Komponententausch
im Rahmen einer normalen Wartung und Anforderung an den Fahrer,
in einem Intervall von beispielsweise 1000 km, zu einer zusätzlichen
Wartung in die Werkstatt zu fahren. Ferner kann die Kennzahl auch
genutzt werden, um vorsorglich bestimmte Funktionen außer Betrieb
zu nehmen. Dies könnte
z. B. der gesamte Start-Stopp-Betrieb des Startersystems sein oder auch
nur eine Teilfunktionalität
des Start-Stopp-Betriebs wie z. B. das Positionieren der Kurbelwelle
eines Verbrennungsmotors sein.
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2 zeigt
einen exemplarischen Verlauf eines Starterstroms, welcher beispielsweise über die Zeit
abfallen kann.
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In 3 ist
der Verlauf eines Kennzahlwertes 301 bezüglich eines
Kennzahlschwellwertes 303 dargestellt. Der Kennzahlwert
repräsentiert
die umgesetzte Leistung bzw. die umgesetzte Energie und entspricht
somit einer Belastungs kennzahl, welche einer Schwellwertprüfung unterzogen
werden kann. Dadurch kann insbesondere ein Belastungs-Kollektiv ermittelt
werden.
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Zur
Ermittlung einer Schädigung
durch Missbrauch, d. h. durch eine übermäßige Belastung, kann die vorstehend
genannte Abklingfunktion verwendet werden, um beispielsweise den
Kennzahlwert zu verringern. 4 zeigt
beispielhafte Verläufe
von Kennzahlschwellwerten mit einem Verlauf 401, bei dem der
Kennzahlwert nicht verringert wird, sowie mit Verläufen 403 und 405,
welche beispielsweise um unterschiedliche Abklingfunktionen, beispielsweise
mittels einer Subtraktion, verringert sind.
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Neben
der Schwellwertprüfung,
bei der beispielsweise eine Komponente abgeschaltet wird, um eine
weitere Schädigung
bei Überschreiten
des Kennzahlschwellwertes zu vermeiden, kann ein Schwellwertfilter
eingesetzt werden, das die Integralwerte außerhalb des Kennzahlschwellwertes
berücksichtigt.
Hierzu zählt
insbesondere das Zählen
der Ereignisse oder die Integration der Kennzahlwerte oberhalb des
Kennzahlschwellwertes, woraufhin eine Anforderung zum Tausch der
Komponente ausgegeben werden kann, wenn ein Zählerstand oder ein Integralwert
einen vorbestimmten Wert erreicht bzw. überschreitet.
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In
den 5 und 6 sind Bewertungsgrößen B mit
den Verläufen 501 und 601 dargestellt.
Die Bewertungsgrößen sind
beispielweise die in den Schritten 105 oder 107 aus 1 verwendeten
Werte. Wie in 6 dargestellt, kann eine Fläche 603 oberhalb
eines Kennzahlschwellwertes 605 beispielsweise durch Integration
bestimmt werden, wobei ein Kennzahlwert, d. h. eine Schädigungskennzahl
aus der Summe der Ereignisse bzw. der Flächen bestimmt werden kann.
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Bei
einer temporären Überbelastung
kann vorteilhaft eine Abklingfunktion verwendet werden, welche eine
begrenzte Belastungsdauer berücksichtigt.
Beispielhafte Abklingfunktionen sind eine lineare Konstante, welche
zu einer linearen Reduktion des Integrals führt, oder eine Funktion von
Temperaturen, F = f(T1, T2, ..., Tn), beispielhaft mit der Kühlwassertemperatur
T1 und/oder der Motoröltemperatur
T2 und/oder der Umgebungstemperatur T3. Als Abklingfunktion kann
ferner eine Funktion eines Integralwertes eines Integrals über eine
Bewertungsgroße
herangezogen werden. Die Abklingfunktion kann ferner einen linearen
oder einen quadratischen Zusammenhang abbilden oder durch eine Kennlinie bzw.
ein Kennfeld beschrieben sein. Ferner ist eine Kombination einiger
oder aller der vorgenannten Abklingfunktionen zu einer Abklingfunktion
möglich.