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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführungsform
betrifft allgemein das Detektieren eines Riemenschlupfs eines Zubehörantriebsriemens
einer Maschine in einem Fahrzeug.
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Zubehörantriebssysteme
für Fahrzeuge
im Fahrzeugvorbau verwenden typischerweise einen flexiblen gummierten
Riemen zum Antreiben mehrerer Maschinenzubehöreinrichtungen, wie etwa der
Lichtmaschine, dem Klimaanlagenkompressor, der Servolenkungspumpe
und der Wasserpumpe. Die Maschinenkurbelwelle erzeugt ein Drehmoment
und treibt die jeweiligen Maschinenzubehöreinrichtungen über den
Zubehörantriebsriemen
an. Aufgrund der relativen Platzierung der Maschinenzubehöreinrichtungen
nimmt der Riemen typischerweise eine gewundene Form an. Der Riemen
greift mit einer benötigten
Spannung in eine Riemenscheibe an jeder der Einrichtungen ein, so
dass zwischen dem Riemen und einer oder mehreren Maschinenzubehöreinrichtungen
kein Riemenschlupf auftritt. Ein Riemenschlupf kann aufgrund eines
verschlissenen Riemens, eines gebrochenen oder eines falsch gespannten
Riemens auftreten. Ein falsch gespannter Riemen kann zu einer von
einer geringen Rotation der Lichtmaschine verursachten niedrigen
Batterieladung, einer Fehldiagnose von Zubehörsystemfehlern, einer nicht
ausreichenden Kühlung
der Maschine oder zu einem Maschinenausfall führen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Vorteil einer Ausführungsform
umfasst ein Verfahren und ein System zum Detektieren eines Schlupfs
eines Zubehörantriebsriemens
unter Verwendung einer gemessenen Batteriespannung und einer geschätzten Batteriespannung,
wobei die geschätzte
Batteriespannung eine Funktion der Maschinendrehzahl ist. Das System
und Verfahren zur Riemenschlupfdetektion beseitigt die Notwendigkeit
zusätzlicher
Sensoren, die andernfalls die Systemkosten erhöhen würden.
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Eine
Ausführungsform
betrachtet ein Verfahren zum Bestimmen eines Riemenschlupfs in einem
Fahrzeug. Das Fahrzeug enthält
eine Maschine und eine Lichtmaschine, die durch einen Zubehörantriebsriemen drehbar
gekoppelt sind. Der Zubehörantriebsriemen
greift in ein rotierendes Element der Maschine ein, um ein rotierendes
Element der Lichtmaschine anzutreiben. Es wird eine Batteriespannung
gemessen. Als Funktion der Maschinendrehzahl wird eine geschätzte Batteriespannung
bestimmt. Der Riemenschlupf der Lichtmaschine wird in Ansprechen
auf einen Vergleich der geschätzten
Batteriespannung und der gemessenen Batteriespannung detektiert.
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Eine
Ausführungsform
betrachtet ein Riemenschlupfdetektionssystem zum Detektieren eines Schlupfs
eines Zubehörantriebsriemens.
Der Zubehörantriebsriemen
greift in ein drehbares Element einer Maschine ein, um ein drehbares
Element einer Lichtmaschine anzutreiben. Das Riemenschlupfdetektionssystem enthält ein Steuerungsmodul,
das zur Bestimmung eines Riemenschlupfs der Lichtmaschine als Funktion
einer gemessenen Batteriespannung und einer geschätzten Batteriespannung
ausgestaltet ist. Die geschätzte
Batteriespannung wird als Funktion einer Maschinendrehzahl bestimmt.
Das Steuerungsmodul bestimmt, ob die geschätzte Batteriespannung größer als
die gemessene Batteriespannung ist. Das Steuerungsmodul ist ausgestaltet,
um eine für
einen Fahrer wahrnehmbare Warnung hinsichtlich des Riemenschlupfs
zu aktivieren.
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Eine
Ausführungsform
betrachtet ein Verfahren zum Bestimmen eines Riemenschlupfs in einem
Fahrzeug. Das Fahrzeug enthält
eine Maschine und eine Lichtmaschine, die durch einen Zubehörantriebsriemen drehbar
gekoppelt sind. Der Zubehörantriebsriemen
greift in ein rotierendes Element der Maschine ein, um ein rotierendes
Element der Lichtmaschine anzutreiben. Eine Maschinendrehzahl wird
gemessen. Eine erwartete Lichtmaschinendrehzahl wird als eine Funktion
der Maschinendrehzahl bestimmt. Es wird eine Batteriespannung gemessen.
Eine berechnete Lichtmaschinendrehzahl wird als eine Funktion der
gemessenen Batteriespannung bestimmt. Ein Riemenschlupf wird in
Ansprechen auf einen Vergleich der berechneten Lichtmaschinendrehzahl
und der erwarteten Lichtmaschinendrehzahl detektiert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Fahrzeugvorbau-Zubehörantriebssystems
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines Riemenschlupfdetektionssystems gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung.
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3 ist
ein elektrischer Schaltplan eines Wiederaufladesystems für ein Fahrzeug
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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4 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens eines Lernprogramms für das Riemendetektionssystem gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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5 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren eines Riemenschlupfs
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Bei 10 ist
allgemein ein Fahrzeugvorbau-Zubehörantriebssystem gezeigt. Ein
Zubehörantriebsriemen 12 steht
mit mehreren Zubehörkomponenten
in einem Dreheingriff. Die mehreren Komponenten enthalten, sind
aber nicht begrenzt auf eine Lichtmaschine 14, eine Servolenkungspumpe 16 und
einen Luftkompressor 18. Mit dem Zubehörantriebsriemen 12 ist
auch eine Maschinenkurbelwelle 20 drehbar gekoppelt, um
jede der mehreren Zubehörkomponenten
anzutreiben. Die Maschinenkurbelwelle 20 und die mehreren
Komponenten enthalten jeweils ein drehbares Element, wie etwa eine
Riemenscheibe, um mit dem Zubehörantriebsriemen 12 in
Eingriff zu treten. Das von der Maschinenkurbelwelle 20 erzeugte
Drehmoment wird durch den Zubehörantriebsriemen 12 übertragen,
um jede der mehreren Komponenten drehend anzutreiben. Ein Riemenspanner 22 wird
verwendet, um Spannung an den Zubehörantriebsriemen 12 zu
liefern, um ein Durchhängen
zur Minimierung des Riemenschlupfs zu absorbieren.
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2 veranschaulicht
ein Riemenschlupfdetektionssystem 24 zum Detektieren eines
Riemenschlupfs des Zubehörantriebsriemens 12 der
Maschine, wenn entweder ein verschlissener oder ein gebrochener
Riemen vorhanden ist oder wenn die Spannung nicht ausreicht, um
einen Riemenschlupf zu verhindern. Das Riemenschlupfdetektionssystem 24 enthält ein Steuerungsmodul 26,
einen Batteriespannungssensor 28, ein Maschinensteuerungsmodul 30,
eine Warnungsanzeige 32 und eine Lichtmaschine 14.
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Das
Steuerungsmodul 26 ist mit den verschiedenen Komponenten
des Riemenschlupfdetektionssystems 24 gekoppelt, um zu
bestimmen, ob gerade ein Riemenschlupf auftritt. Das Steuerungsmodul 26 kann ein
eigenständiges
Modul sein oder es kann ein existierendes Steuerungsmodul sein,
das im Fahrzeug verwendet wird, wie etwa ein Batteriesteuerungsmodul.
Ein Batteriesteuerungsmodul (z. B. in einem Hybridfahrzeug) führt eine
Ladesteuerung aus und verbessert eine Fahrzeugleistungsverwaltung
zur Steuerung und Verteilung von Leistung in einem elektrischen
System des Fahrzeugs, und daher können viele der hier beschriebenen überwachten
Eigenschaften durch das Batteriesteuerungsmodul bereitgestellt werden.
Das Steuerungsmodul 26 empfängt eine Eingabe von einem
Batteriespannungssensor 28, der die Spannung der Batterie misst.
Außerdem
werden dem Steuerungsmodul 26 elektrische Betriebseigenschaften,
die von dem Maschinensteuerungsmodul (ECM) 30 überwacht
werden, das später
erörtert
wird, geliefert, um einen Riemenschlupf zu bestimmen. Eine Anzeige 32,
die eine für
einen Fahrer wahrnehmbare Warnung bereitstellt, etwa ein Warnlicht,
gibt an, dass gerade ein Riemenschlupf auftritt, der zu einem unkorrekten
Aufladen der Batterie, einer verringerten Kraftstoffsparsamkeit,
einer Fehldiagnose des Problems (z. B. Austauschen der Lichtmaschine), einer
ungeeigneten Kühlung
der Maschine oder einer Beschädigung
der Maschine führen
kann.
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3 veranschaulicht
einen elektrischen Schaltplan des Ladesystems eines Fahrzeugs. Eine
Last 34 ist mit einer Batterie 36 gekoppelt. Die
Batterie 36 ist mit der Lichtmaschine 14 elektrisch
gekoppelt, um die Batterie 36 wieder aufzuladen. Die elektrische
Leitung, die die Batterie 36 koppelt, enthält einen
Leitungswiderstand 38. Die Lichtmaschine 14 enthält einen
Stator 40, der bei einer Drehung ein elektromagnetisches Wechselstromfeld
in die Sekundärseite
des Stators 14 induziert. Die Erzeugung des elektromagnetischen Wechselstromfeldes
wird durch ein Feld eingeleitet, das in der Primärseite des Stators 40 erzeugt
wird. Das ECM 30 fordert eine Einstellspannung Vset an, die aufgrund der Spannungsregelung,
die von dem Lichtmaschinenspannungsregler ausgeführt wird, im Wesentlichen gleich
der Lichtmaschinenausgangsspannung ist. Bei den meisten aktuellen
Kraftfahrzeuglichtmaschinen ist der Lichtmaschinenspannungsregler
eine Halbleitereinrichtung, die in die Lichtmaschine selbst eingebaut
ist. Der Lichtmaschinenspannungsregler arbeitet, indem er den Feldstrom
(d. h. Rotorstrom) durch eine mit einem Tastverhältnis getaktete Feldspannung
begrenzt. Das Feldspannungstastverhältnis wird als Fdc gemessen.
Eine erzeugte Spannung EG wird in der Sekundärseite des
Stators 14 von dem induzierten elektromagnetischen Feld
durch die Statorwicklungen erzeugt. Die erzeugte Spannung EG ist der quadratische Mittelwert (rms) aller
erzeugten Phasenspannungen (Ea, Eb, Ec). Jede jeweilige
erzeugte Phasenspannung wird durch einen Lichtmaschineninnenwiderstand
(Ra) 42 und eine synchrone Induktivität (Ls) 44 zum Erzeugen eines Wechselstroms
(AC) an jeder jeweiligen Leitung angelegt. Jeder jeweilige Leitungsstrom
wird an einen Gleichrichter 46 geliefert, um den Wechselstrom
(AC) in einen Gleichstrom (DC) gleichzurichten. Der aufsummierte
gleichgerichtete Lichtmaschinenstrom (Ia),
der von jeder der jeweiligen Leitungsphasen erzeugt wird, wird über das
Kabel 38 von Lichtmaschine zu Batterie, das den Leitungswiderstand
(R1) aufweist, an die Batterie 36 geliefert.
Die Batterie 36, die infolge elektrischer Lasten 50,
die Energie aus der Batterie 36 verwenden, entleert wird,
wird durch den gleichgerichteten DC-Strom, der von der Lichtmaschine 14 an
die Batterie 36 geliefert wird, wieder aufgeladen.
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Der
Riemenschlupf des Zubehörantriebsriemens
wird bestimmt, indem die Spannung von der Lichtmaschine und der
Batterie unter Verwendung eines stationären Lichtmaschinenmodells und
eines Leitungsspannungsabfallmodells überwacht wird. Wenn sich die
Lichtmaschine in einem stationären
Zustand befindet, gelten die folgenden Gleichungen für das stationäre Lichtmaschinenmodell
wie folgt:
wobei
V
a die Lichtmaschinenausgangsspannung ist,
E
G der quadratische Mittelwert der erzeugten
Phasenspannung ist, X
S der Synchronwiderstand
ist, I
a der gleichgerichtete Lichtmaschinenstrom
ist, R
a ein Lichtmaschineninnenwiderstand
ist, L
af die Gegeninduktivität zwischen
einer Phasenwicklung und der Feldwicklung ist, I
f der
Feldstrom ist, F
dc das Tastverhältnis des
Lichtmaschinenfelds ist und L
S die synchrone
Induktivität
ist.
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Das
Leitungsspannungsabfallmodell ist durch die folgenden Gleichungen
dargestellt:
wobei
V
a die Lichtmaschinenausgangsspannung ist,
V
b die Batteriespannung ist, V
set eine
Einstellspannung ist, wie sie von dem ECM angefordert ist, R
1 der Widerstand des Kabels von der Lichtmaschine
zur Batterie ist und I
a der gleichgerichtete
Lichtmaschinenstrom ist.
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Nachdem
die Gleichungen für
das stationäre
Modell und den Leitungsspannungsabfall aufgestellt wurden, können die
Gleichungen (2)–(6)
in Gleichung (1) eingesetzt werden, um nach der Lichtmaschinendrehzahl ω
a aufzulösen.
Die folgende Gleichung stellt die Lichtmaschinendrehzahl ω
a der rotierenden Lichtmaschine unter Verwendung
der Gleichungen von dem stationären
Modell und dem Leitungsspannungsabfall dar:
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Die
Lichtmaschinendrehzahl ωa, die in U/min (rpm) oder einem anderen
Drehzahlmaß dargestellt
werden kann, wird durch die folgende Formel dargestellt: ωa = rωegn
(8) wobei
r das Riemenscheibenverhältnis
ist und ωeng die Drehzahl der Maschine ist. Die Maschinendrehzahl kann
durch einen externen Sensor überwacht
werden, etwa denjenigen, der die Maschinendrehzahlinformation an
das ECM liefert. Die Drehzahl der Maschine kann auf ähnliche
Weise in U/min oder einem anderen Drehzahlmaß dargestellt werden.
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Eine
geschätzte
Batteriespannung V
b_est wird berechnet,
indem Gleichung (8) in Gleichung (7) eingesetzt wird. Die geschätzte Batteriespannung
V
b_est wird durch die folgende Formel dargestellt:
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Es
versteht sich, dass F
dc und ω
eng mit Sensoren gemessen werden, V
set ein Steuerungssignal ist, das von dem
ECM geliefert wird, L
af, L
s,
R
a, R
1 und r vorbestimmte
Konstanten sind, und c eine Konstante ist, die das Feldtastverhältnis mit
dem Feldstrom in Beziehung setzt. Die Formel für die geschätzte Batteriespannung V
b_est kann durch die folgende Formel dargestellt
werden:
Vb_est = –C1Fdc+c2
(10) wobei C
1 und c
2 Werte darstellen,
die durch den Faktor von Gleichung (9) bestimmt sind und wie folgt
dargestellt sind:
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Um
festzustellen, ob ein Riemenschlupf auftritt, wird die geschätzte Batteriespannung
Vb_est mit einer gemessenen Batteriespannung
Vb verglichen. Wenn die gemessene Batteriespannung
Vb größer als
die geschätzte
Spannung Vb_est ist, dann wird festgestellt,
dass ein Riemenschlupf auftritt. Je größer die gemessene Batteriespannung
Vb als die geschätzte Spannung Vb_est ist,
desto größer ist
außerdem
der Schlupf. Für
einen gegebenen. Spannungseinstellpunkt Vset und
eine gegebene Maschinendrehzahl ωeng steht daher Vb in
einer linearen Beziehung mit dem Feldtastverhältnis Fdc,
und wenn die lineare Beziehung beibehalten wird, dann tritt kein
Riemenschlupf auf.
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Die
Werte c1 und c2,
die zum Schätzen
der Batteriespannung Vb_est verwendet werden,
werden vorbestimmt und in einem Speicher, einer Nachschlagetabelle
oder dergleichen, der bzw. die in 2 bei 33 gezeigt ist,
gespeichert. Das heißt,
dass für
jede Kombination aus einem jeweiligen Spannungseinstellpunkt Vset und einer Maschinendrehzahl ωeng ein jeweiliger Satz von Werten für c1 und c2 verwendet
werden kann, um die geschätzte
Batteriespannung Vb_est zu bestimmen. Daher
werden Werte für
c1 und c2 bei einem
jeweiligen Spannungseinstellpunkt Vset und
einer jeweiligen Maschinendrehzahl ωeng während eines
Lernmodus, bei dem kein Riemenschlupf auftritt, rekursiv aktualisiert.
Die Variablen Fdc, ωeng,
Vset werden kontinuierlich gemessen und überwacht.
Für eine
jeweilige Kombination von Vset und ωeng wird ein kombinierter Satz von Werten
c1 und c2 bestimmt.
Da Daten kontinuierlich gemessen/gesammelt werden, während Vset und ωeng konstant sind, werden die Werte c1 und c2 rekursiv
aktualisiert. Die Werte für
c1 und c2 werden
festgelegt, wenn die rekursiv aktualisierten Werte c1 und
c2 konvergieren. Danach werden die festgelegten
Werte c1 und c2 im
Speicher/der Nachschlagetabelle 33 oder ähnlichem
und in Kombination mit der aufgezeichneten Maschinendrehzahl und
dem aufgezeichneten Spannungseinstellpunkt gespeichert. Es versteht
sich, dass der Speicher/die Nachschlagetabelle 33 ein(e)
allein stehende(r) Speicher/Nachschlagetabelle sein kann oder in
dem Speicher des Steuerungsmoduls 26 oder einer ähnlichen
Einrichtung enthalten sein kann.
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4 veranschaulicht
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Lernen der Werte c1 und c2. Bei Schritt 50 wird
das Lernprogramm gestartet. Bei Schritt 51 werden Daten
bezüglich
Fdc, Laf, Ls, Ra, R1 und
r für eine
kombinierte Kombination eines Satzes von Werten ωeng und
Vset gesammelt. Die Maschinendrehzahl ωeng wird mit externen Sensoren gemessen und
der Spannungseinstellpunkt Vset ist ein
Steuerungssignal, das von dem ECM vorgegeben wird.
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Bei
Schritt 52 werden Werte c1 und
c2 rekursiv aktualisiert, während die
Maschinendrehzahl ωeng und der Spannungseinstellpunkt Vset konstant sind.
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Bei
Schritt 53 wird ermittelt, ob die Werte für c1 und c2 konvergieren.
Wenn bei Schritt 53 ermittelt wird, dass die Werte nicht
konvergieren, dann kehrt die Routine zu Schritt 51 zurück, um zusätzliche
Daten zur Beschaffung weiterer Werte für c1 und
c2 zu sammeln. Wenn ermittelt wird, dass
die Zahlen konvergieren, dann werden die Werte für c1 und
c2 bei Schritt 54 in einer Nachschlagetabelle
gespeichert, damit sie von der Riemenschlupfdetektionsroutine später geholt
werden können.
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5 veranschaulicht
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren eines Riemenschlupfs
in einem Fahrzeug unter Verwendung einer gemessenen Batteriespannung
und einer geschätzten
Batteriespannung, die eine Funktion der Maschinendrehzahl ist.
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Bei
Schritt 60 wird die Riemenschlupfdetektionsroutine geschätzt. Bei
Schritt 61 werden Daten bezüglich Fdc,
Vb, ωeng, Vset bei Fahrzeugbetriebsbedingungen
gesammelt.
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Bei
Schritt 62 werden für
jede Kombination aus Maschinendrehzahl ωeng und
Spannungseinstellpunkt Vset Werte für c1 und c2 aus der
Nachschlagetabelle geholt.
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Bei
Schritt 63 wird die geschätzte Batteriespannung unter
Verwendung der in Gleichung (10) gezeigten Formel mit den geholten
Werten c1, c2 und
Fdc bestimmt.
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Bei
Schritt 64 wird ermittelt, ob die geschätzte Spannung Vb_est größer als
die gemessene Batteriespannung Vb ist. Wenn
die geschätzte
Spannung Vb_est kleiner als die gemessene
Batteriespannung Vb ist, dann wird ermittelt,
dass kein Riemenschlupf auftritt und die Routine kehrt zu Schritt 61 zurück, um zusätzliche Daten
zu sammeln. Wenn die geschätzte
Spannung Vb_est größer als die gemessene Batteriespannung
Vb ist, dann tritt ein Riemenschlupf auf
und die Routine geht zu Schritt 65 weiter, bei dem eine
für einen
Fahrer wahrnehmbare Warnung hinsichtlich des Riemenschlupfs aktiviert
wird.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
kann der Riemenschlupf detektiert werden, indem die erwartete Lichtmaschinendrehzahl
(z. B. unter der Annahme kein Schlupf) auf der Grundlage einer Maschinendrehzahl mit
einer Lichtmaschinendrehzahlberechnung auf der Grundlage einer Batteriespannung
verglichen wird. Wie früher
beschrieben wurde, wird eine erwartete Lichtmaschinendrehzahl ω
a unter der Annahme, dass kein Riemenschlupf
vorliegt, durch die in Gleichung (8) gezeigte Formel bestimmt. Die
berechnete Lichtmaschinendrehzahl ω
a_model wird
durch die folgende Formel in Gleichung (7) bestimmt, ob ein Riemenschlupf
vorhanden ist oder nicht. Daher kann der Riemenschlupf durch die
folgende Formel bestimmt werden:
wobei
L
af, L
s, R
a, R
1 und r bekannte
Konstanten sind und F
dc, V
b, ω
eng und V
set gemessene
Daten sind.
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Wenn
daher die berechnete Drehzahl der Lichtmaschine ωa_model kleiner
als die bekannte/erwartete Drehzahl der Lichtmaschine ωa ist, dann wird bestimmt, dass ein Riemenschlupf
auftritt. Außerdem
ist der Schlupf umso größer, je
größer die
Differenz zwischen der berechneten Drehzahl der Lichtmaschine ωa_model und der erwarteten Drehzahl der Lichtmaschine ωa (d. h. als ein negativer Wert) ist.
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Obwohl
einige Ausführungsformen
der vorliegenden 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 erkennen, wie sie durch
die folgenden Ansprüche
definiert sind.