DE102010007753B4

DE102010007753B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Gesundheit eines Solenoids

Info

Publication number: DE102010007753B4
Application number: DE102010007753.4A
Authority: DE
Inventors: Satish Rajagopalan; Mutasim A. Salman
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2017-05-04
Anticipated expiration: 2030-02-13
Also published as: DE102010007753A1; US20100217545A1; US8055460B2

Abstract

Verfahren (100) zum Überwachen des Gesundheitsstatus (SOH) eines Solenoids (18), das durch eine Batterie (12) mit Leistung versorgt wird, wobei das Verfahren (100) umfasst, dass: eine Spannung (VB) und ein Strom (IS), die von der Batterie (12) an das Solenoid (18) geliefert werden, gemessen werden (102); ein Prozessor (60) verwendet wird, um einen äquivalenten Widerstandswert (REQ) und eine äquivalente Induktivität (LEQ) des Solenoids (18) unter Verwendung der Spannung (VB) und des Stroms (IS) zu ermitteln (106); der äquivalente Widerstandswert (REQ) und die äquivalente Induktivität (LEQ) jeweils mit einem entsprechenden kalibrierten Schwellenwert (RCAL, LCAL) verglichen werden; Abweichungen von den entsprechenden kalibrierten Schwellenwerten (RCAL, LCAL) auf einem computerlesbaren Medium (70) als ein Paar von SOH-Werten (SOHR, SOHL) aufgezeichnet werden; ein Trend von jedem des Paars von SOH-Werten (SOHR, SOHL) kontinuierlich überwacht wird; eine Steuerungsmaßnahme automatisch ausgeführt wird (114), wenn einer des Paars von SOH-Werten (SOHR, SOHL) unter einen kalibrierten unteren Grenzwert fällt (112); und eine gegenelektromotorische Kraft (EMK) des Solenoids (18) unter Verwendung einer vorbestimmten Parameterschätztechnik geschätzt wird (116) und automatisch eine zweite Steuerungsmaßnahme ausgeführt wird (120), wenn die Gegen-EMK einen kalibrierten Schwellenwert überschreitet (118).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektromechanische Solenoideinrichtungen und insbesondere zwei Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Überwachen des aktuellen Gesundheitszustands einer Solenoideinrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Solenoideinrichtungen oder Solenoide sind lineare Stellgliedeinrichtungen mit einer Menge nützlicher Anwendungen. Zum Beispiel dienen Solenoide typischerweise als ein zuverlässiger Ein/Ausschaltertyp zur präzisen Betriebssteuerung vielfältiger Einrichtungen, z. B. von Elektromotoren, Ventilen, Montagerobotern usw. Solenoide sind gewöhnlich als elektromechanische Einrichtungen ausgestaltet, obwohl hydraulische und pneumatische Varianten existieren, die unter Verwendung anderer Bewegungskräfte einen ähnlichen Nutzen bereitstellen. Ein typisches Solenoid des elektromechanischen Typs enthält eine oder mehrere Spulen aus leitfähigem Draht, die einen beweglichen Kolbenabschnitt oder Stößel umgeben, wobei alles innerhalb eines festen ferromagnetischen Kerns positioniert ist. Das heißt, dass ein Solenoid mit einer Spule in Verbindung mit einer Rückstellfeder verwendet werden kann, während ein Solenoid mit zwei Spulen eine Anzugspule und eine Haltespule enthalten kann, wobei jede Spule der angegebenen Funktion zugeordnet ist.
Wie bei einem Elektromotor induziert das Fließen eines elektrischen Stroms durch die Solenoidspule ein Magnetfeld um die Spule herum. Eine selektive Anwendung des Magnetfelds bewegt somit den Stößel auf eine spezielle und steuerbare Weise, indem die Spule in eine gewünschte Richtung entweder gedrückt oder gezogen wird. Das heißt, dass das induzierte Magnetfeld den Stößel entweder anzieht oder abstößt, der gewöhnlich aus Eisen oder Stahl hergestellt ist, um diese Reaktion zu ermöglichen. Wenn der an das Solenoid gelieferte elektrische Strom beendet wird, endet das induzierte Magnetfeld gleichermaßen, wodurch ermöglicht wird, dass eine Rückstellfeder den Stößel zurück in seine ursprüngliche oder nicht erregte Position bewegt.
Obwohl die Betriebsdiagnose eines Solenoids unter Verwendung vielfältiger Mittel bereitgestellt werden kann, etwa durch die Detektion der Rate eines Anstiegs und Abfalls bei einem gemessenen Solenoidstrom, um zu ermitteln, ob das Solenoid gegenwärtig innerhalb der Spezifikation arbeitet, können herkömmliche Verfahren den Einsatz wesentlicher Rechenressourcen und/oder die Verwendung komplexer Wellenform- oder Mustererkennungstechniken benötigen. Zudem kann es sein, das derartige Verfahren aufgrund der Notwendigkeit von analogen Schaltungen, die der Detektion elektrischer Stromübergänge zugeordnet sind, bei der Implementierung relativ kostspielig sind. Darüber hinaus stellt eine Ermittlung, ob sich ein spezielles Solenoid gegenwärtig gemäß der Spezifikation verhält oder nicht, keine Prognose- oder Vorhersagefähigkeit bereit und kann daher suboptimal sein, wenn sie zur Vorhersage der Restlebensdauer eines Solenoids verwendet wird. Ein derartiger Vorhersagewert kann besonders nützlich sein, wenn er bei einigen Anwendungen verwendet wird, wie etwa beim Überwachen eines Solenoids, das zum Steuern eines Fahrzeugstartermotors verwendet wird, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Die Druckschrift DE 195 33 452 A1 offenbart Verfahren zum Überwachen des Gesundheitsstatus eines Solenoids, bei denen eine Spannung und ein Strom, die von einer Stromversorgung an das Solenoid geliefert werden, gemessen werden, ein äquivalenter Widerstandswert und eine äquivalente Induktivität des Solenoids unter Verwendung der Spannung und des Stroms ermittelt und mit entsprechenden kalibrierten Schwellenwerten verglichen werden, Abweichungen von den entsprechenden kalibrierten Schwellenwerten als Paar von SOH-Werten aufgezeichnet werden, ein Trend dieser SOH-Werte kontinuierlich überwacht wird und eine Steuerungsmaßnahme automatisch ausgeführt wird, wenn einer dieser SOH-Werte unter einen kalibrierten unteren Grenzwert fällt. Die Stromversorgung kann eine Fahrzeugbatterie sein.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend wird ein Verfahren zum Überwachen des aktuellen Gesundheitsstatus oder SOH einer elektromechanischen Solenoideinrichtung oder eines Solenoids bereitgestellt, d. h. eines Solenoids, das über einen elektrischen Strom mit Leistung versorgt wird, der von einer Batterie oder einer anderen geeigneten Versorgung mit elektrischer Energie bereitgestellt wird. Die Ausführung des Verfahrens, das als ein durch einen Computer ausführbaren Algorithmus wie hier nachstehend erläutert ausgeführt sein kann, ermöglicht somit zumindest einen gewissen Grad an Abschätzung der Restlebensdauer des Solenoids, wodurch ein Fehlerpunkt ausreichend vor dem tatsächlichen Auftreten eines derartigen Ereignisses vorhergesagt wird. Bei einem beispielhaften Solenoid, das in Verbindung mit einem Fahrzeugstartermotor verwendet wird, kann z. B. der von dem Verfahren bereitgestellte Vorhersagewert die wahrgenommene Zuverlässigkeit des Fahrzeugs verbessern, indem Fälle mit Situationen einer Heimkehr zu Fuß minimiert werden, bei denen ein unerwarteter Solenoidausfall die Ursache ist.
Das Verfahren umfasst insbesondere, dass eine Spannung und ein Strom, die an das Solenoid geliefert werden, gemessen, erfasst oder anderweitig ermittelt werden, dass ein gesamter oder äquivalenter Widerstandswert und eine gesamte oder äquivalente Induktivität des Solenoids, so wie dieser Ausdruck von Fachleuten verstanden wird, unter Verwendung der Spannung und des Stroms durch Berechnung oder Schätzung ermittelt werden, und dass Abweichungen des äquivalenten Widerstandswerts und der äquivalenten Induktivität von einem kalibrierten Wert oder Schwellenwert als ein Paar von SOH-Werten, d. h. ein SOH-Widerstandswert und ein SOH-Induktivitätswert aufgezeichnet werden. Das Verfahren überwacht kontinuierlich den Trend in den SOH-Werten und führt eine geeignete Steuerungsmaßnahme aus, wenn einer der SOH-Werte unter eine kalibrierte untere Grenze fällt. Optional kann auch ein SOH-Wert für eine entgegengesetzte oder gegenelektromotorische Kraft (EMK) des Solenoids berechnet und auf ähnliche Weise verwendet werden, wie nachstehend erörtert wird.
Zudem umfasst ein Solenoidüberwachungssystem das vorstehend beschriebene Solenoid, einen Stromsensor, einen Spannungssensor und eine Recheneinrichtung oder einen Rechner, der hier als ein Controller bezeichnet ist, der mit den Sensoren in Verbindung steht. Der Controller umfasst einen Algorithmus zum kontinuierlichen Überwachen des SOH der Solenoideinrichtung durch ein Ermitteln des äquivalenten Widerstandswerts und der äquivalenten Induktivität, zum Berechnen von SOH-Faktoren für den Widerstandswert und die Induktivität und optional die Gegen-EMK, und zum Ausführen einer Steuerungsmaßnahme auf spezielle Weise, wenn die Werte unter einen minimalen Schwellenwert fallen. Das System kann auch die Gegen-EMK eines Stößels der Solenoideinrichtung unter Verwendung einer vorbestimmten Parameterschätztechnik, wie hier offenbart ist, schätzen.
Im Umfang der Erfindung können der gesamte äquivalente Widerstandswert und die gesamte äquivalente Induktivität der Solenoideinrichtung in Abhängigkeit vom speziellen Entwurf oder der speziellen Ausgestaltung der Solenoideinrichtung über eine Berechnung oder Schätzung ermittelt werden. Das heißt, dass bei einer Solenoideinrichtung, die sich nicht bewegt, bis ein exponentieller Solenoidstrom eine Spitze oder ein Maximum erreicht, bevor der Stößel beginnt, sich zu bewegen, ein erstes Verfahren verwendet werden kann, um den äquivalenten Widerstandswert und die äquivalente Induktivität zu berechnen, während ein zweites Verfahren, das eine Parameterschätzung verwendet, bei einem Solenoid verwendet werden kann, das mit dem Bewegen beginnt, bevor der Solenoidstrom eine derartige Spitze erreicht. Die Gegen-EMK der Solenoideinrichtung kann über eine vorbestimmte Parameterschätztechnik geschätzt werden, z. B. eine Regressionsanalyse, kleinste Quadrate, maximale Wahrscheinlichkeit usw., und mit einem Gegen-EMK-Schwellenwert verglichen werden, um alle potentiellen Verhaltensprobleme oder eine Verschlechterung des Stößels zu ermitteln.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Solenoidüberwachungssystems, das zum Überwachen des Gesundheitsstatus (SOH) einer elektromechanischen Solenoideinrichtung dient;
2 ist eine graphische Veranschaulichung eines Satzes von Verhaltenskurven für ein beispielhaftes Solenoid, das in dem Überwachungssystem von 1 verwendet werden kann;
3A ist ein elektrischer Schaltplan für eine Starterschaltung mit einem beispielhaften Solenoid mit zwei Spulen;
3B ist ein Ersatzschaltplan für die Starterschaltung von 3A in einer ersten Solenoidbetriebsregion;
3C ist ein Ersatzschaltplan für die Starterschaltung von 3A in einer zweiten Solenoidbetriebsregion; und
4 ist ein graphisches Flussdiagramm, das einen Algorithmus beschreibt, der zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen und mit 1 beginnend, umfasst ein Solenoidüberwachungssystem 10 eine Solenoideinrichtung oder ein Solenoid (S) 18, das mit einem Elektromotor (M) 22 oder einer anderen durch ein Solenoid steuerbaren Einrichtung verbunden ist, z. B. einem Fahrzeugstartermotor, einem motorbetriebenen Ventil, einem Roboter, usw., die eine Abtriebswelle oder ein Element 23 aufweist. Eine Bewegung des Elements 23 kann nach Bedarf genutzt werden, um irgendeine nützliche Arbeit zu verrichten. Das Solenoid 18 ist vom elektromechanischen Typ und enthält daher eine oder mehrere Drahtspulen 20, die einen beweglichen Kolben oder Stößel 28 umgeben, wobei die Bewegung des Stößels 28 in 1 durch die Pfeile A und B angezeigt ist. Das Solenoid 18 kann als ein Solenoid mit entweder einer Spule oder zwei Spulen ausgestaltet sein, wie vorstehend beschrieben ist, ohne den beabsichtigten Umfang der Erfindung zu verlassen.
Das System 10 umfasst eine elektronische Steuerungseinheit oder einen Controller (C) 50 und ein Paar Sensoren 16A, 16B, wobei die Sensoren 16A, 16B zum Messen, Erfassen, Detektieren oder anderweitigen Ermitteln oder Sammeln eines vorbestimmten Satzes elektrischer Werte und zum Weiterleiten der Werte an den Controller 50 ausgelegt sind. Das Solenoid 18 kann mit einer Batterie (B) 12 oder einer anderen geeigneten elektrischen Energieversorgung verbunden sein und steht in drahtloser oder verdrahteter Verbindung mit den Sensoren 16A, 16B, um Werte zu empfangen, die der Batteriespannung (V_B) bzw. dem Solenoidstrom (I_S) entsprechen. Es kann auch ein Temperatursensor 16C zur Verwendung beim Nachstellen einiger Messwerte bereitgestellt sein, wie nachstehend offenbart ist.
In Abhängigkeit von dem speziellen System, in welchem das System 10 verwendet wird, kann die Batterie 12 auch mit einer oder mehreren Zubehöreinrichtungen (A) 21 elektrisch verbunden sein. Wenn das System 10 beispielsweise in Verbindung mit einem (nicht gezeigten) Fahrzeug verwendet wird, können die Zubehöreinrichtungen 21 ein Radio, Innen- oder Außenlichter, Sitzheizungen oder Positionierungseinrichtungen usw. umfassen. Das Solenoid 18 kann auch als ein Startersolenoid oder ein elektromagnetischer Schalter zur Steuerung eines Startermotors dienen. Wenn eine oder mehrere Zubehöreinrichtungen 21 verwendet werden, kann der an das Solenoid 18 gelieferte elektrische Strom (I_S) von dem Controller 50 ermittelt oder berechnet werden, indem etwa der bekannte oder geschätzte Zubehörstrom (I_A) von dem bekannten oder gemessenen Batteriestrom (I_B) subtrahiert wird. Gleichermaßen ist, wenn keine derartigen Zubehöreinrichtungen 21 verwendet werden, der Solenoidstrom (I_S) gleich dem Batteriestrom (I_B).
Immer noch mit Bezug auf 1 umfasst der Controller 50 einen oder mehrere Mikroprozessoren oder zentrale Verarbeitungseinheiten (CPU) 60 und genügend für einen Computer zugänglichen Speicher 70. Ein derartiger Speicher 70 kann beispielsweise einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM) usw. einer Größe und Geschwindigkeit umfassen, die zum Ausführen des Verfahrens oder Algorithmus 100, wie nachstehend mit Bezug auf 4 offen gelegt ist, hinreichend ist. Der Controller 50 kann auch mit weiterer benötigter Hardware versehen sein, etwa einem Hochgeschwindigkeitstaktgeber, notwendigen Analog/Digital-(A/D) und Digital/Analog-(D/A)Schaltungen, beliebigen notwendigen Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Einrichtungen (E/A), sowie geeigneten Signalaufbereitungs- und/oder Pufferschaltungen. Beliebige Algorithmen, die im Controller 50 vorhanden sind oder durch diesen zugänglich sind, einschließlich des Algorithmus 100 der Erfindung, der nachstehend beschrieben ist, können im Speicher 70 gespeichert sein und automatisch ausgeführt werden, um die jeweilige Funktionalität bereitzustellen.
Der Controller 50 kann mit einer akustischen/visuellen Anzeige 80 und/oder einem Display 84 elektrisch verbunden sein, wobei das Display 84 zum Anzeigen von Informationen oder einer Textmeldung 82 ausgelegt ist. Zum Beispiel kann die Anzeige 80 eine Warnlampe sein, deren Aktivierung einen hörbaren Ton oder Alarm alleine oder in Verbindung mit der Beleuchtung der Anzeige 80 ertönen lassen kann. Gleichermaßen kann das Display 84 ein Displayabschnitt eines Bediengeräts oder einer Laufschrift sein, wenn es z. B. in einer Fabrik verwendet wird, oder ein Abschnitt eines Armaturenbretts, einer Mittelkonsole, einer Rückspiegelanordnung usw. (nicht gezeigt) eines Fahrzeugs sein, wenn es an Bord eines Fahrzeugs verwendet wird, wie etwa in dem Beispiel eines Solenoids 18, das zum Steuern eines Motors 22 verwendet wird, der als Fahrzeugstartermotor ausgestaltet ist.
Mit Bezug auf 2 umfasst eine Verhaltenskurve 30 für das in 1 gezeigte Solenoid 18 drei Solenoidbetriebsregionen I, II und III, wobei die Y-Achse den Solenoidstrom (I_S) angibt und die X-Achse die Zeit (t) angibt. Mit Bezug auf Region I beschreibt das Kurvensegment 32 in dieser Region den exponentiellen Anstieg des Solenoidstroms (I_S) von t = 0, bis bei einem Punkt D oder bei t1 ein Spitzen- oder maximaler Solenoidstrom (I_S,MAX) erreicht ist. Innerhalb des Segments 32 entspricht der Punkt C der exponentiellen Zeitkonstante (τ), so wie der Ausdruck in der Technik verstanden wird. Das heißt, dass der Solenoidstrom (I_S) in Region I exponentiell ansteigt und durch den äquivalenten Widerstandswert (R_EQ) und die äquivalente Induktivität (L_EQ) des Solenoids 18 vorgegeben ist. Daher beträgt der Solenoidstrom (I_S) bei Punkt C etwa 63% des Maximums, d. h. I_S,MAX/e.
Mit Bezug auf die Region II beginnt diese Region bei Punkt D und beschreibt die Dauer oder das Intervall, während welcher bzw. welchem sich der Stößel 28 des Solenoids 18 (siehe 1) in Ansprechen auf ein induziertes Magnetfeld, wie vorstehend offenbart, zu bewegen beginnt. In der Region II stellt das Segment 34 zwischen den Punkten D und E eine Region dar, in welcher eine Solenoidinduktivität ansteigt, was folglich zu einer Abnahme des Solenoidstroms (I_S) führt. Mit anderen Worten wird eine entgegengesetzt wirkende elektromotorische Kraft, die nachstehend hier als Gegen-EMK bezeichnet wird, geschaffen, wenn sich der Stößel 28 in Ansprechen auf das induzierte Magnetfeld bewegt.
Schließlich beginnt die Region III oder das Segment 36 bei Punkt E, d. h. demjenigen Zeitpunkt, bei dem der Motor 22 startet. Zum Beispiel kann bei Punkt E das als Schalter ausgestaltete Solenoid 18 vollständig betätigt sein, wodurch es der Batterie 12 von 1 ermöglicht wird, den Motor 22 zu erregen.
Mit Bezug auf 3A ist eine beispielhafte elektrische Schaltung 25 für eine beispielhafte Starterschaltung unter Verwendung des Solenoids 18 von 1 gezeigt. Die Schaltung 25 stellt die Batterie 12 über die Batteriespannung (V_B) und den Batteriewiderstandswert (R_B) dar. Bei diesem Beispiel ist das Solenoid 18 ein Solenoid mit zwei Spulen, wie vorstehend beschrieben ist, und umfasst daher eine Haltespule 20A und eine Anzugsspule 20B, so wie diese Begriffe in der Technik verstanden werden. Die Haltespule 20A und die Anzugsspule 20B können jeweils durch eine Induktivität (L_H bzw. L_P) und einen Widerstandswert (R_H bzw. R_P) dargestellt sein. Gleichermaßen kann der Motor 22 von 1 oder genauer die Wicklungen desselben, durch eine Induktivität (L_A) und einen Widerstandswert (R_A) dargestellt sein.
Mit Bezug auf 3B kann die Schaltung 25 von 3A in Region I von 2 auf die Ersatzschaltung 25A reduziert werden. Das heißt, dass die Batteriespannung (V_B) innerhalb von Region I unter Verwendung der Gleichung V_B = (I_S)(R_EQ) + (L_EQ)(ΔI_S/Δt) ermittelt werden kann. Die Änderungsrate des Solenoidstroms (I_S) kann als I_S(t) = (V_B/R_EQ)(1 – e^–t/τ) modelliert und gezeichnet werden. Die Zeitkonstante (τ) für den Anstieg des Solenoidstroms auf das Niveau von (1/e) des Maximal- oder Spitzenstroms (I_S,MAX) kann somit gemessen werden und die äquivalente Induktivität (L_EQ) kann zu L_EQ = τ·R_EQ berechnet werden.
Wie der Fachmann versteht, kann der gesamte oder äquivalente Widerstandswert und die gesamte oder äquivalente Induktivität jeder elektrischen Einrichtung unter Verwendung grundlegender Schaltungsanalysegleichungen berechnet werden. Zum Beispiel können die jeweiligen Widerstands- und Induktivitätswerte von in Reihe geschalteten Widerständen und Induktivitäten addiert werden, um den äquivalenten Widerstandswert und die äquivalente Induktivität zu ermitteln, während (N) parallel geschaltete Widerstände oder Induktivitäten über die Gleichung 1/R_EQ = 1/R₁ + 1/R₂ + ... 1/R_N und 1/L_EQ = 1/L₁ + 1/L₂ + ... 1/L_N berechnet werden können.
Wie der Fachmann auch versteht, können Solenoidentwürfe variieren, wobei einige Solenoidtypen einen Maximalstrom oder eine stationäre Spitze erreichen, bevor sich der Stößel 28 zu bewegen beginnt, und andere Typen einen Stößel 28 aufweisen, der sich bereits vor dem Erreichen einer derartigen Spitze bewegt. Beim ersten Solenoidtyp, d. h. einem Typ, der einen Spitzen- oder Maximalstrom (I_S,MAX) vor einer Bewegung des Stößels 28 erreicht, ist die Änderungsrate des Solenoidstroms (I_S) an der Spitze von Punkt D Null und bei diesem Punkt D reduziert sich die vorstehende Gleichung auf: V_B = (I_S)(R_EQ), d. h. dass R_EQ = V_B/I_S an der Spitze von Punkt D ist.
Bei dem zweiten Solenoidtyp können der äquivalente Widerstandswert (R_EQ) und die äquivalente Induktivität (L_EQ) bei Punkt D unter Verwendung einer vorbestimmten Parameterschätztechnik geschätzt werden, z. B. einer Regressionsanalyse, linearer kleinster Quadrate, polynomialer kleinster Quadrate, rekursiver kleinster Quadrate usw. Das heißt, dass aus der Verwendung der linearen Form y = ax + b, wobei y = ΔI_S/Δt, x = I_S, a = –R_EQ/L_EQ und b = 1/L_EQ, folgt, dass ΔI_S/Δt = (–R_EQ/L_EQ)(I_S) + 1/L_EQ. Unter Verwendung regressiver Techniken der kleinsten Quadrate (RLS-Techniken) ist daher R_EQ = –a/b und L_EQ = 1/b. Unabhängig vom speziellen Typ des Solenoids 18, der im System 10 von 1 verwendet wird, kann das Verhalten des Solenoids 18 in der Region I modelliert werden.
Mit Bezug auf 3C ist eine Ersatzschaltung 25B für die Region II von 2 gezeigt. In der Region II kann die Batteriespannung (V_B) durch die Gleichung V_B = (I_S)(R_EQ) + (L_EQ)(dI_S/dt) + E(x_g) bestimmt werden, wobei die Variable E(x_g) gleich der gegen-EMK des Solenoids 18 als eine Funktion des Wegs des Stößels 28 ist. Der äquivalente Widerstandswert (R_EQ) von der Region I kann verwendet werden und E(x_g) und L_EQ können unter Verwendung einer vorbestimmten Parameterschätztechnik wie vorstehend offen gelegt geschätzt werden.
Mit Bezug auf 4 und mit spezieller Bezugnahme auf die verschiedenen Elemente des in 1 gezeigten Systems 10 kann das erfindungsgemäße Verfahren von dem Controller 50 unter Verwendung des Algorithmus 100 ausgeführt werden. Bei Schritt 102 beginnend werden die Werte der Batteriespannung (V_B) und des Solenoidstroms (I_S) gemessen, detektiert oder anderweitig beschafft, wie etwa unter Verwendung der Sensoren 16A, 16B, wie vorstehend erläutert ist. Wenn eine optionale Zubehöreinrichtung 21 zusammen mit dem Solenoid 18 Leistung aus der Batterie 12 entnimmt, wird dieser Wert zuerst in Betracht gezogen, wenn der Solenoidstrom (I_S) ermittelt wird und vor dem Erregen des Solenoids 18. Zum Beispiel wird die tatsächliche oder geschätzte Stromentnahme der Zubehöreinrichtung 21 oder mehrerer Zubehöreinrichtungen 21 zuerst von einem gemessenen oder bekannten Batteriestrom (I_B) subtrahiert, um den Solenoidstrom (I_S) zu ermitteln, bevor zu Schritt 104 weitergegangen wird.
Bei Schritt 104 kann der Algorithmus 100 einen Satz vorbestimmter Bedingungen prüfen und er kann unter Verwendung dieser Bedingungen ermitteln, ob es angemessen ist, fortzufahren. Zum Beispiel kann der Algorithmus 100 ein ”Leistung eingeschaltet” oder Startsignal zum Starten des Motors 22 oder einer anderen verbundenen Einrichtung erfassen oder detektieren, oder er kann ermitteln, ob der Motor 22 oder eine andere mit dem Solenoid 18 verbundene Einrichtung wie erwartet arbeitet, etwa durch Bezugnahme auf (nicht gezeigte) Diagnosecodes im Controller 50, durch Ausführen eines Tests des Motors 22 oder anderer derartiger Komponenten, usw. Wenn die vorbestimmten Bedingungen bei Schritt 104 erfüllt sind, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 106 weiter. Andernfalls ist der Algorithmus 100 beendet.
Bei Schritt 106 werden der äquivalente Widerstandswert (R_EQ) und die äquivalente Induktivität (L_EQ) des Solenoids 18 unter Verwendung beliebiger geeigneter Mittel ermittelt. Für ein Solenoid des ersten vorstehend erläuterten Typs, d. h. ein Solenoid, das einen Spitzen- oder maximalen Solenoidstrom erreicht, bevor eine Bewegung des Stößels beginnt, kann der Algorithmus 100 den äquivalenten Widerstandswert (R_EQ) und die äquivalente Induktivität (L_EQ) unter Verwendung des Spitzenstroms (I_S,MAX) und der Zeitkonstante τ berechnen. Für ein Solenoid des zweiten Typs, d. h. ein Solenoid, das einen derartigen Spitzen- oder maximalen Solenoidstrom nicht erreicht, bevor eine Bewegung des Stößels beginnt, kann der Algorithmus 100 die Parameterschätztechniken verwenden, die hier vorstehend offen gelegt sind, um die Werte des äquivalenten Widerstandswerts (R_EQ) und der äquivalenten Induktivität (L_EQ) zu schätzen. Wie auch immer diese Werte letztlich ermittelt werden, sobald eine derartige Ermittlung durchgeführt wurde, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 108 weiter.
Bei Schritt 108 kann der Algorithmus 100 Nennwerte oder kalibrierte Werte für den Widerstandswert (R_CAL) und die Induktivität (L_CAL) erhalten, d. h. zugehörige Widerstandswerte und Induktivitätswerte, die zuvor als Referenzwerte für ein bekanntes ”gutes” Solenoid ermittelt und aufgezeichnet wurden. Diese kalibrierten Werte können nach Bedarf für die gegenwärtige Temperatur des Solenoids 18 nachgestellt werden, welche unter Verwendung eines Temperatursensors 16C, der in 1 gezeigt ist, leicht ermittelt werden kann. Gleichermaßen können die Werte für R_EQ und L_EQ auf die Temperatur eingestellt werden, um sie mit der Temperatur abzugleichen, bei welcher die kalibrierten Werte ursprünglich ermittelt wurden. Die kalibrierten Werte für den Widerstandswert (R_CAL) und die Induktivität (L_CAL) können temporär in einer Speicherstelle gespeichert werden, die sich im Controller 50 befindet oder für diesen zugänglich ist, wonach der Algorithmus 100 zu Schritt 110 weitergeht.
Bei Schritt 110 wird unter Verwendung der kalibrierten Werte von Schritt 108, d. h. R_CAL und L_CAL, ein Gesundheitsstatus des Solenoids 18, der nachstehend hier als der SOH-Faktor bezeichnet wird, für das Solenoid 18 für jeden der Widerstandswerte und der Induktivitätswerte berechnet. Insbesondere kann ein SOH-Faktor für den Widerstandswert oder SOH_R unter Verwendung der Gleichung: SOH_R = 1 – (ΔR/R_EQ) berechnet werden, wobei ΔR den Absolutwert der Abweichung des Äquivalenzwerts des Widerstandswerts, d. h. R_EQ, der vorstehend bei Schritt 106 ermittelt wurde, vom kalibrierten oder Schwellenwiderstandswert (R_CAL), d. h. ΔR = |R_EQ – R_CAL| definiert. Die gleiche Berechnung wird ausgeführt, um einen SOH-Faktor für die Induktivität oder SOH_L zu ermitteln.
Die Vergleichswerte können verwendet werden, um die Ursache eines Ausfalls innerhalb des Solenoids 18 weiter zu isolieren. Wenn beispielsweise der äquivalente Widerstandswert oder R_EQ denjenigen des zugehörigen kalibrierten Schwellenwerts (R_CAL) um eine vorbestimmte Grenze überschreitet, welche bei der Kalibrierung ermittelt wurde und daher als ein Schwellenwert verwendet werden kann, kann das Ergebnis eine unterbrochene Schaltung im Solenoid 18 anzeigen. Gleichermaßen kann, wenn der äquivalente Widerstandswert (R_EQ) um eine vorbestimmte Grenze, die auch während der Kalibrierung ermittelt wurde und daher als ein weiterer Schwellenwert oder unterer Grenzwert verwendet werden kann, kleiner als der zugehörige kalibrierte Schwellenwert (R_CAL) ist, das Resultat eine kurzgeschlossene Wicklung im Solenoid 18 anzeigen. Wenn ein Solenoid mit zwei Spulen verwendet wird, können ähnliche Vergleiche verwendet werden, um zu ermitteln, ob eine Haltespule oder eine Anzugspule unterbrochen ist. Die Werte jedes SOH-Faktors, d. h. SOH_R und SOH_L können eingetragen oder anderweitig auf zugängliche Weise in einen Speicher des Controllers 50 aufgezeichnet werden, wonach der Algorithmus 100 zu Schritt 112 weitergeht.
Bei Schritt 112 werden die Werte der SOH-Faktoren verglichen und der minimale Wert wird gewählt. Wenn das Minimum der zwei SOH-Faktoren SOH_R und SOH_L kleiner als ein vorbestimmter oder kalibrierter Schwellenwert ist, geht der Algorithmus 100 zum Schritt 114 weiter. Andernfalls geht der Algorithmus 100 zu Schritt 116 weiter.
Bei Schritt 114 ermittelt der Controller 50, dass die Wicklung 20 des Solenoids 18 wahrscheinlich fehlerhaft ist und führt eine Steuerungsmaßnahme aus, etwa indem ein geeigneter Merker gesetzt wird oder ein geeigneter Wert aufgezeichnet wird, der eine derartige Prognose anzeigt, oder alternativ, indem die Anzeige 80 oder das Display 84 oder beide aktiviert werden. Der Algorithmus 100 ist dann beendet.
Bei Schritt 116 und während der Region II verwendet der Algorithmus 100 den bei Schritt 106 ermittelten äquivalenten Widerstandswert (R_EQ) und schätzt die Gegen-EMK oder E(x_g) unter Verwendung einer geeigneten Parameterschätztechnik, wie vorstehend offen gelegt ist, z. B. bei einer beispielhaften Ausführungsform die regressiven kleinsten Quadrate (RLS). Der Algorithmus 100 geht dann zu Schritt 118 weiter.
Bei Schritt 118 ermittelt der Algorithmus 100, ob die Gegen-EMK oder E(x_g) einen kalibrierten Schwellenwert überschreitet. Alternativ oder gleichzeitig kann Schritt 118 auch umfassen, dass eine ähnliche Gesundheitsstatusermittlung (SOH-Ermittlung) ausgeführt wird, wie sie vorstehend bei den Schritten 110 und 112 erläutert wurde. Das heißt, dass nachdem die Gegen-EMK bei Schritt 116 geschätzt oder anderweitig ermittelt wurde, ein kalibrierter Gegen-EMK-Wert oder E_CAL im Speicher referenziert werden kann und ein Abweichungs- oder ΔE-Wert als ΔE = |E(x_g) – E_CAL| ermittelt werden kann. Wenn dem so ist, geht der Algorithmus zu Schritt 120 weiter. Andernfalls ist der Algorithmus 100 beendet.
Bei Schritt 120 ermittelt der Controller 50, dass der Stößel 28 wahrscheinlich fehlerhaft ist und setzt einen geeigneten Merker oder zeichnet einen geeigneten Wert auf, der eine derartige Prognose anzeigt. Der Controller 50 kann alternativ oder gleichzeitig die Anzeige 80 und/oder das Display 84 aktivieren, wie vorstehend offen gelegt ist. Der Algorithmus 100 ist dann beendet.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Verfahren (100) zum Überwachen des Gesundheitsstatus (SOH) eines Solenoids (18), das durch eine Batterie (12) mit Leistung versorgt wird, wobei das Verfahren (100) umfasst, dass: eine Spannung (V_B) und ein Strom (I_S), die von der Batterie (12) an das Solenoid (18) geliefert werden, gemessen werden (102); ein Prozessor (60) verwendet wird, um einen äquivalenten Widerstandswert (R_EQ) und eine äquivalente Induktivität (L_EQ) des Solenoids (18) unter Verwendung der Spannung (V_B) und des Stroms (I_S) zu ermitteln (106); der äquivalente Widerstandswert (R_EQ) und die äquivalente Induktivität (L_EQ) jeweils mit einem entsprechenden kalibrierten Schwellenwert (R_CAL, L_CAL) verglichen werden; Abweichungen von den entsprechenden kalibrierten Schwellenwerten (R_CAL, L_CAL) auf einem computerlesbaren Medium (70) als ein Paar von SOH-Werten (SOH_R, SOH_L) aufgezeichnet werden; ein Trend von jedem des Paars von SOH-Werten (SOH_R, SOH_L) kontinuierlich überwacht wird; eine Steuerungsmaßnahme automatisch ausgeführt wird (114), wenn einer des Paars von SOH-Werten (SOH_R, SOH_L) unter einen kalibrierten unteren Grenzwert fällt (112); und eine gegenelektromotorische Kraft (EMK) des Solenoids (18) unter Verwendung einer vorbestimmten Parameterschätztechnik geschätzt wird (116) und automatisch eine zweite Steuerungsmaßnahme ausgeführt wird (120), wenn die Gegen-EMK einen kalibrierten Schwellenwert überschreitet (118).
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei das automatische Ausführen einer Steuerungsmaßnahme (114) ein Aufzeichnen eines Diagnosecodes auf dem computerlesbaren Medium (70), ein Aktivieren eines akustischen/visuellen Signals (80) oder ein Anzeigen einer Meldung auf einer Displayeinrichtung (84) umfasst.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei das Messen eines Stroms (I_S), der von der Batterie (12) an das Solenoid (18) geliefert wird, umfasst, dass: ein Gesamtausgabestrom (I_B) der Batterie (12) gemessen wird; ein Strom (I_A) ermittelt wird, der an eine Zubehöreinrichtung (21) geliefert wird, die von der Batterie (12) mit Leistung versorgt wird; und der an die Zubehöreinrichtung (21) gelieferte Strom (I_A) vom Gesamtausgabestrom (I_B) der Batterie (12) subtrahiert wird, bevor das Solenoid (18) erregt wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei das Verwenden eines Prozessors (60), um den äquivalenten Widerstandswert (R_EQ) und die äquivalente Induktivität (L_EQ) des Solenoids (18) zu ermitteln, umfasst, dass: ermittelt wird, ob das Solenoid (18) von einem ersten oder einem zweiten vorbestimmten Typ ist; der äquivalente Widerstandswert (R_EQ) und die äquivalente Induktivität (L_EQ) als eine Funktion eines Spitzenstroms (I_S,MAX) und einer exponentiellen Zeitkonstante (τ) berechnet wird, wenn das Solenoid (18) vom ersten Typ ist; und der äquivalente Widerstandswert (R_EQ) und die äquivalente Induktivität (L_EQ) unter Verwendung einer vorbestimmten Parameterschätztechnik geschätzt wird, wenn das Solenoid (18) vom zweiten Typ ist.
Verfahren (100) zum Überwachen eines Gesundheitsstatus (SOH) eines von einer Batterie (12) mit Leistung versorgten Solenoids (18), wobei das Verfahren (100) umfasst, dass: sowohl eine Spannung (V_B) als auch ein Spitzenstrom (I_S,MAX), die von der Batterie (12) an das Solenoid (18) geliefert werden, gemessen werden, wobei der Spitzenstrom (I_S,MAX) einen Maximalwert eines exponentiellen Anstiegs des Stroms (I_S) definiert, der von der Batterie (12) an das Solenoid (18) geliefert wird; ein Prozessor (60) verwendet wird, um sowohl einen äquivalenten Widerstandswert (R_EQ) als auch eine äquivalente Induktivität (L_EQ) des Solenoids (18) als eine Funktion des Spitzenstroms (I_S,MAX) und einer exponentiellen Zeitkonstante (τ) zu berechnen; sowohl der äquivalente Widerstandswert (R_EQ) als auch die äquivalente Induktivität (L_EQ) von einem entsprechenden kalibrierten Schwellenwert (R_CAL, L_CAL) subtrahiert wird, um dadurch eine Abweichung von dem entsprechenden kalibrierten Schwellenwert (R_CAL, L_CAL) zu ermitteln; die Abweichung von einem Wert von 1 subtrahiert wird, um dadurch einen Gesundheitsstatus-Faktor (SOH-Faktor) sowohl für den äquivalenten Widerstandswert (SOH_R) als auch für die äquivalente Induktivität (SOH_L) zu ermitteln; ein Trend des SOH sowohl für den äquivalenten Widerstandswert (R_EQ) als auch die äquivalente Induktivität (L_EQ) überwacht werden; und eine Steuerungsmaßnahme automatisch ausgeführt wird (114), wenn der SOH-Faktor des äquivalenten Widerstandswerts (SOH_R) und/oder der äquivalenten Induktivität (SOH_L) unter einen kalibrierten unteren Grenzwert fällt.
Verfahren (100) nach Anspruch 5, das ferner umfasst, dass: die SOH-Faktoren für den äquivalenten Widerstandswert (SOH_R) und die äquivalente Induktivität (SOH_L) verglichen werden; der minimale SOH-Faktor (SOH_Min) der verglichenen SOH-Faktoren (SOH_R, SOH_L) gewählt wird; der minimale SOH-Faktor (SOH_Min) mit einem kalibrierten minimalen Schwellenwert verglichen wird (112); und die Steuerungsmaßnahme automatisch ausgeführt wird (114), wenn der minimale SOH-Faktor (SOH_Min) unter den kalibrierten minimalen Schwellenwert fällt.
Verfahren (100) nach Anspruch 6, wobei das Solenoid (18) einen beweglichen Stößelabschnitt (28) umfasst, wobei das automatische Ausführen der Steuerungsmaßnahme umfasst, dass: ein vorbestimmter Diagnosecode aufgezeichnet wird, wenn der minimale SOH-Faktor (SOH_Min) den kalibrierten minimalen Schwellenwert nicht überschreitet; eine Gegen-EMK des Solenoids (18) geschätzt wird (116), wenn das Minimum (SOH_Min) den minimalen Schwellenwert überschreitet; die Gegen-EMK mit einem kalibrierten maximalen Gegen-EMK-Schwellenwert verglichen wird (118); und ein Diagnosecode gesetzt wird (120), der eine Fehlfunktion des beweglichen Stößelabschnitts (28) anzeigt, wenn die Gegen-EMK den maximalen Gegen-EMK-Schwellenwert überschreitet.
Verfahren (100) nach Anspruch 7, wobei das Schätzen der Gegen-EMK (116) umfasst, dass eine vorbestimmte Parameterschätztechnik verwendet wird; und wobei insbesondere die vorbestimmte Parameterschätztechnik aus der Gruppe gewählt wird, die aus linearen kleinsten Quadraten, polynomialen kleinsten Quadraten und rekursiven kleinsten Quadraten besteht.
Solenoidüberwachungssystem (10), das umfasst: ein elektromechanisches Solenoid (18); einen Stromsensor (16B), der zum Messen eines elektrischen Stroms (I_S) ausgelegt ist, der an das Solenoid (18) geliefert wird; einen Spannungssensor (16A), der zum Messen eines Spannungsniveaus (V_B) ausgelegt ist, das an das Solenoid (18) geliefert wird; und einen Controller (50), der in Verbindung mit dem Stromsensor (16B) und dem Spannungssensor (16A) steht und einen Algorithmus (100) zum kontinuierlichen Überwachen eines Gesundheitsstatus (SOH) des Solenoids (18) aufweist; wobei der Algorithmus (100) zum Ermitteln jeweils eines äquivalenten Widerstandswerts (R_EQ) und einer äquivalenten Induktivität (L_EQ) des Solenoids (18), zum Berechnen eines ersten SOH-Faktors (SOH_R) als Funktion des äquivalenten Widerstandswerts und eines zweiten SOH-Faktors (SOH_L) als Funktion der äquivalenten Induktivität und zum Ausführen einer Steuerungsmaßnahme, wenn der Wert des ersten (SOH_R) oder des zweiten (SOH_L) SOH-Faktors unter einen minimalen Schwellenwert fällt, ausgelegt ist; und wobei das Solenoid (18) einen beweglichen Stößelabschnitt (28) aufweist, der beim Bewegen eine gegenelektromotorische Kraft (EMK) erzeugt, und wobei der Algorithmus (100) zum Schätzen der Gegen-EMK unter Verwendung einer Parameterschätztechnik ausgelegt ist.
System (10) nach Anspruch 9, wobei der Algorithmus (100) zum Ausführen einer Steuerungsmaßnahme (120) ausgelegt ist, wenn der Wert der Gegen-EMK ein kalibriertes Maximum überschreitet (118), und/oder wobei das Solenoid (18) mit einem Fahrzeugstartermotor (22) elektrisch verbunden ist und als elektromagnetischer Schalter zum selektiven Aktivieren des Fahrzeugstartermotors (22) ausgestaltet ist, und/oder wobei die Steuerungsmaßnahme mindestens eines umfasst von: Aufzeichnen eines Diagnosecodes auf dem computerlesbaren Medium (70), Aktivieren eines akustischen/visuellen Signals (80) und Anzeigen einer Meldung an einer Displayeinrichtung (84).