DE102012104787A1

DE102012104787A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Stator-Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlüssen eines Generators

Info

Publication number: DE102012104787A1
Application number: DE102012104787A
Authority: DE
Inventors: Yilu Zhang; Mutasim Salman; Siwei Cheng
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2032-06-02
Also published as: DE102012104787B4; CN102830321B; US20120319722A1; US8471589B2; CN102830321A

Abstract

Ein Verfahren zum Detektieren, ob der Stator in einem Fahrzeuggenerator einen Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss aufweist. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen eines Ausgangsstrom- oder -Spannungssignals eines Generators, wobei der Ausgangsstrom oder das Spannungssignal eine Welligkeitsstromfrequenz als ein Ergebnis für eine Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Wandlung umfasst. Das Verfahren bestimmt die Drehzahl des Generators und einen Ausgangsstrom des Generators. Das Verfahren bestimmt dann die Welligkeitsstromfrequenz des Generators aus der Generatordrehzahl und bestimmt eine Wicklungsfrequenz aus der Welligkeitsstromfrequenz. Das Verfahren führt eine FFT-Analyse des Spannungssignals und des Stromsignals aus, bestimmt eine Amplitude der Wicklungsfrequenz und vergleicht die Amplitude der Wicklungsfrequenz mit einer vorbestimmten Amplitude, wobei falls die Differenz einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, angenommen wird, dass ein Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss wahrscheinlich vorliegt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussdetektion in dem Stator eines Generators und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlusserkennungsdetektion in dem Stator eines Fahrzeuggenerators durch Bestimmen einer Drehzahl des Generators, ein Bestimmen der Generator-Welligkeitsstromfrequenz in einem gleichgerichteten Generatorstrom- oder Spannungssignal, ein Bestimmen einer Wicklungs-Welligkeitsstromfrequenz aus der Generator-Welligkeitsstromfrequenz, das Bestimmen einer Amplitude der Wicklungs-Welligkeitsstromfrequenz und das Vergleichen der Amplitude mit einer geschätzten Amplitude.
2. Diskussion des Standes der Technik
Fahrzeuge beinhalten typischerweise einen Generator, der elektrische Leistung bereitstellt, um die Fahrzeugbatterie wieder aufzuladen und die elektrischen Fahrzeugsysteme betreibt, sobald das Fahrzeug in Betrieb ist. Der Generator beinhaltet eine Riemenscheibe, die von einem flexiblen Keilriemen, der von der Fahrzeugmaschine angetrieben wird, angetrieben wird, wobei der Keilriemen auch andere Fahrzeugkomponenten antreibt, beispielsweise eine Servolenkungspumpe, einen Luftkompressor, etc. Sobald der Keilriemen die Generatorriemenscheibe in Drehung versetzt, versetzt der Keilriemen einen Rotor innerhalb eines Stators des Generators in Drehung, wobei der Rotor typischerweise einen Permanentmagneten aufweist und der Stator eine oder mehrere gewickelte Spulen umfasst. Ein typischer Fahrzeuggenerator beinhaltet drei Statorwicklungen, die um 90° miteinander außerhalb der Phase liegen, die drei Wechselstromsignale erzeugen, die auf eine dreiphasige Diodengleichrichterbrücke geschickt werden, um die Wechselstromsignale in ein Gleichstromsignal umzuwandeln, das für die Wiederaufladung der Batterie geeignet ist. Der Generator weist darüber hinaus einen Spannungsregler auf, der das Gleichstromsignal regelt. Die Diodengleichrichterbrücke erzeugt ein Wechselstrom-Welligkeitssignal auf dem Gleichstromsignal als einen Konversionsfaktor. Verschiedene Filtertechniken und andere Verfahren können ausgeführt werden, um den Welligkeitsstrom, der von der Gleichrichterkonversion erzeugt wurde, zu reduzieren. Aber es bleibt immer noch ein gewisser Level an Wechselstrom-Welligkeiten auf dem Gleichstromsignal, das detektiert werden kann.
Wie eingangs erwähnt, beinhaltet ein Fahrzeuggenerator eine Anzahl von Wicklungen, welche typischerweise schmale Drähte einschließen, die von einer Isolation umgeben sind, welche die Drähte daran hindert, miteinander in elektrischen Kontakt zu geraten und sich kurz zu schließen. Beim Betrieb auf dem Fahrzeug und auch aus anderen Gründen kann die Isolation der Drähte manchmal beschädigt werden, was zu einem Kurzschluss zwischen den Drähten, was man in der Fachwelt als Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung bezeichnet, führen kann. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Wicklungen mit Masse kurzgeschlossen werden können, was den unerwünschten Effekt hat, dass dies ebenfalls zu einem Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss führt. Falls so ein Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss in einer der Wicklungen auftritt, führt dies dazu, dass der Generator bei dieser bestimmten Phase einen reduzierten Ausgangsstrom abgibt, welcher von der Anzahl der Wicklungen, die vom Kurzschluss betroffen sind, abhängt, was wiederum das Drehmoment des Generators reduziert. Darüber hinaus arbeitet der Generator dann unausgeglichen, falls eine der Phasen einen niedrigeren Ausgangsstrom aufweist, was zu Vibrationen führen kann. Ferner kann es zu einer Überhitzung des Generators führen, falls die Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussausfallbedingung signifikant genug ist, was wiederum Generatorkomponenten beschädigen kann, beispielsweise den Generatorkern.
Gegenwärtig gibt es kein Verfahren zum Detektieren einer Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung in einem Fahrzeuggenerator. Allerdings ist es aus anderen Industriebereichen bekannt, einen Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss von betreffenden elektrischen Maschinen zu detektieren, insbesondere bei Hochspannungswechselstrommaschinen. Beispielsweise ist es bekannt, einen hochfrequenten Strom innerhalb einer elektrischen Maschine zu detektieren, der von einer partiellen Entladung auf Grund einer Wicklungs-Isolationsbeschädigung auftritt. Bei anderen Verfahren wird Spannung und Strom jeder Wicklungsphase in der elektrischen Maschine gemessen und dann miteinander verglichen, um eine negative Stromfrequenz zu detektieren, die eine Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussschaltung indiziert. Darüber hinaus ist auch die Verwendung einer Frequenzspektralanalyse bekannt, um eine Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussschaltung in einer elektrischen Maschine zu detektieren, aber diese erfordert Phasenspannungs- und Phasenstrommessungen für jede der einzelnen Wicklungen. Ein anderes Verfahren, um einen Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss in einer elektrischen Maschine zu detektieren, überwacht die Motorsteuersignale, um ein Ausfallanzeichen zu detektieren, das auftreten würde, sofern die Steuersignale versuchen würden, den Kurzschluss zu kompensieren.
All die oben erwähnten Verfahren erfordern die Messung der Phasenspannung und des Phasenstroms der Wicklungen in der elektrischen Maschine. Da diese Messungen Sensoren erfordern, führt dies bei einer Automobilanwendung zu unerwünscht hohen Kosten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein System und ein Verfahren zum Detektieren vorgestellt, ob der Stator in einem Fahrzeuggenerator einen Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss aufweist. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen eines Ausgangsstromsignals oder Ausgangsspannungssignals des Generators, wobei das Ausgangsstromsignal oder Ausgangsspannungssignal eine Welligkeitsstromfrequenz aufweist, die auf eine Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Wandlung zurückzuführen ist. Das Verfahren bestimmt die Drehzahl des Generators und einen Stromausgang des Generators. Das Verfahren bestimmt dann die Welligkeitsstromfrequenz des Generators aus der Generatordrehzahl und bestimmt eine Wicklungsfrequenz aus der Welligkeitsstromfrequenz. Das Verfahren führt eine FFT-Analyse mit dem Spannungssignal und dem Stromsignal aus, bestimmt eine Amplitude der Wicklungsfrequenz und vergleicht die Amplitude der Wicklungsfrequenz mit einer vorbestimmten Amplitude, wobei falls die Differenz einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, ein Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss als wahrscheinlich aufgetreten angesehen wird.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine Darstellung eines Fahrzeuggenerators und eines Keilriemensystems;
2 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Spannung auf der vertikalen Achse abgetragen sind, welche den Spannungsausgang für jede Wicklung in einem Dreiphasengenerator zeigt;
3 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die gleichgerichtete Ausgangsspannung auf der vertikalen Achse abgetragen sind, welche die gleichgerichtete Spannung für jede Ausgangsspannung und für jede Statorwicklung der 2 zeigen;
4 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Stromgröße auf der vertikalen Achse abgetragen sind, welche ein Stromausgangssignal auf einem Generator zeigen, bei dem kein Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss vorliegt;
5 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Stromgröße auf der vertikalen Achse abgetragen sind, welche ein Stromausgangssignal für einen Generator zeigen, der einen Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss aufweist;
6 ist ein Graph, bei dem die Frequenz auf der horizontalen Achse und die Größe in dB auf der vertikalen Achse abgetragen sind, welche das Frequenzspektrum für den Ausgangsstrom eines Fahrzeuggenerators zeigen, der keinen Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss aufweist;
7 ist ein Graph, bei dem die Frequenz auf der horizontalen Achse und die Größe in dB auf der vertikalen Achse abgetragen sind, welche das Frequenzspektrum aus der 6 für einen Fahrzeuggenerator zeigen, der keinen Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss aufweist;
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Detektieren eines Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlusses in einem Fahrzeuggenerator zeigt; und
9 ist ein Graph, bei dem die Frequenz auf der horizontalen Achse und die Größe auf der vertikalen Achse abgetragen sind, die einen Teil eines gefilterten FFT-Signals innerhalb eines vorbestimmten Peak-Suchbereiches zeigen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen für die Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Detektieren eines Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlusses in einem Stator eines Fahrzeuggenerators gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu begrenzen. Beispielsweise findet die vorliegende Erfindung eine besondere Anwendung zum Bestimmung eines Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlusses in einem Fahrzeuggenerator. Es ist jedoch für Fachleute leicht erkennbar, dass das System und das Verfahren, das hier beschrieben wird, um einen Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss in einem Generator zu bestimmen, auch eine Anwendung für andere Generatoren als in Fahrzeuggeneratoren finden kann.
1 ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeug-Frontendzugangs-Antriebssystems 10, das einen Keilriemen 12 beinhaltet. Das System 10 beinhaltet eine Motorkurbelwelle 14, die von der Fahrzeugmaschine gedreht wird und eine Rotationsenergie bereitstellt, um den Keilriemen 12 in einer Art und Weise anzutreiben, wie es in der Fachwelt bekannt ist. Der Keilriemen 12 steht im Eingriff mit einer Keilriemenscheibe 16 des Generators 18 und stellt die Rotationsenergie zum Drehen des Rotors (nicht gezeigt) innerhalb des Generators 18 bereit, um elektrische Energie in der oben erwähnten Art und Weise bereitzustellen, wie es auch Fachleuten bekannt ist. Der Keilriemen 12 treibt des weiteren eine Keilriemenscheibe 20 für eine Servolenkungspumpe 22 an und eine Keilriemenscheibe 24 für einen Luftkompressor 26, um die Rotationsenergie bereitzustellen, um diese Geräte anzutreiben. Ein Keilriemenvorspanner 28 gewährleistet die dafür erforderliche Spannung auf dem Keilriemen 12, so dass der Keilriemen 12 nicht leicht von der Kurbelwelle 14 oder den Keilriemenscheiben 16, 20 und 24 abrutscht. Die elektrische Energie, die von dem Generator 18 erzeugt wird, liefert die Leistung, um verschiedene elektrische Systeme des Fahrzeugs anzutreiben und die Fahrzeugbatterie 30 aufzuladen.
Das Wechselstromsignal, das von dem Generator 18 erzeugt wird, wird an den Gleichrichterschaltkreis 32 geliefert, der typischerweise eine Dreiphasen-Diodenbrücke aufweist, die dazu dient, das Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal umzuwandeln, das dazu geeignet ist, die Batterie 30 aufzuladen. Eine Dreiphasen-Maschine von dieser Art erfordert typischerweise sechs Dioden, die ein Teil eines Schaltkreises sind, der die Gleichrichtung in einer Art und Weise vornimmt, wie sie Fachleuten bekannt ist. Wie oben erwähnt, erzeugt diese Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Wandlung ein Welligkeitsstromfrequenzsignal auf dem Gleichstromsignal, das detektiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Detektieren eines Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlusses auf den Wicklungen des Generators 18 vor, das eine Frequenzspektralanalyse verwendet. Das Frequenzleistungsspektrum des Generatorstroms oder der Spannung wird bereitgestellt und ein Welligkeitsstrom innerhalb dieses Spektrums wird identifiziert. Die Größe eines Wicklungsfrequenzteils der Welligkeitsfrequenz wird dann mit der Größe einer Welligkeitsfrequenz ohne einen Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss verglichen, um zu bestimmen, ob ein Kurzschluss vorliegt.
2 zeigt einen Graphen, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Spannung auf der vertikalen Achse abgetragen sind, für einen simulierten Wechselstrom-Spannungsausgang für jede Wicklung eines Dreiphasen-Generators, beispielsweise den Generator 18, wobei die Graphen-Kurve 40 für eine Wicklungsphase, die Graphen-Kurve 42 für eine andere Wicklungsphase und die Graphen-Kurve 44 für die dritte Wicklungsphase steht. Ein Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss wird in der Phasenwicklung für die Graphen-Kurve 40 im Bereich 46 simuliert zwischen der Zeit 0 und 0,1 und eine Nicht-Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung wird in der Sektion 48 für jede der Phasenwicklungen zwischen der Zeit 0,1 und 0,2 simuliert. Es ist offensichtlich, dass die Größe der Spannung der Phasenwicklung für die Graphen-Kurve 40 während eines Kurzschlusses kleiner ist.
3 zeigt einen Graphen, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators 18 für alle Wicklungsphasen auf der vertikalen Achse abgetragen sind. Der gleichgerichtete Spannungsausgang dient dazu, eine Gleichstromspannung einer gewissen Größe darzustellen, wobei aber der Welligkeitsstrom von dem Gleichrichtungsverfahren induziert wird, der Peaks an bestimmten Intervallen auf die Gleichstromspannung aufträgt. In der Simulation, bei der keine Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung zwischen der Zeit 0,1 und 0,2 vorliegt, weisen alle Welligkeitsstrom-Peaks 50 dieselbe Größe auf. Bei einer Simulation, bei der eine Phasenwicklung, die von der Graphen-Kurve 40 dargestellt wird, eine Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung aufweist, weist jedoch jeder dritte Welligkeitsstrom-Peak eine höhere Größe als von den Peaks 52 auf, die simuliert wurden für eine Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung zwischen der Zeit 0 und 0,1.
Es ist offensichtlich, dass die simulierten Spannungen der 2 und 3 einen sauberen und leicht verständlich vorliegenden Welligkeitsstrom bereitstellen, wobei der Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss leicht observiert werden kann. Für tatsächliche Messungen eines tatsächlich betriebenen Generators ist die gleichgerichtete Generatorspannung jedoch für einen Generator, der einen Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss aufweist und für einen, der keinen aufweist, weniger schnell zu erkennen. Dies geht aus den 4 und 5 hervor, die Graphen sind, bei denen die Zeit auf der horizontalen Achse und die Generatorstromgröße auf der vertikalen Achse abgetragen sind, wobei die 4 den gleichgerichteten Strom des Generators ohne eine Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung und die 5 den gleichgerichteten Strom für einen Generator mit einer Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung zeigt.
Wie oben erwähnt, kann eine Frequenzspektralanalyse verwendet werden, um den Welligkeitsstrom zu identifizieren, der dazu verwendet werden kann, um dann anzuzeigen, ob ein Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss existiert. Es ist bekannt, dass ein Stromsignal oder Spannungssignal durch eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) analysiert werden kann, die das Signal in die sie erzeugenden Frequenzen zerlegt, um ein Frequenzspektrum des Signals zu identifizieren.
6 zeigt einen Graphen, bei dem die Frequenz auf der horizontalen Achse und die Größe dB auf der vertikalen Achse abgetragen sind, welche das Frequenzspektrum für den Graphen aus der 4 veranschaulicht, bei dem kein Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss vorliegt. Ein Peak 60 bei der Frequenz Null stellt das Gleichstromsignal dar, ein harmonischer Peak ist ein Field-Duty-Cycle der Armatur des Rotors im Generator 18 bei ungefähr 400 Hz und ein zweiter harmonischer Peak 64 zeigt den Field-Duty-Cycle bei ungefähr 800 Hz, was hinlänglich bekannt ist. Ein Peak 66 bei ungefähr 1898 Hz ist die Frequenz des Welligkeitsstroms. Der Peak 68 ist der Welligkeitsstromfrequenz-Peak für jede der Phasenwicklungen im Generator 18, wobei jeder ungefähr ein Drittel des Welligkeitsstromfrequenz-Peaks 1898 Hz sein wird, nämlich ungefähr 632,3 Hz. Für einen Generator ohne eine Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung bei irgendeiner der Phasenwicklungen wird der Welligkeitsstromfrequenz-Peak für jede Phasenwicklung eine Größe von ungefähr –25,61 dB in einem hier nicht als einschränkend gemeinten Beispiel aufweisen.
7 zeigt einen Graphen, bei dem die Frequenz auf der horizontalen Achse und die Größe dB auf der vertikalen Achse veranschaulicht sind, die das Frequenzspektrum für den Graphen aus der 5 mit einer Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung in einer der Wicklungen zeigt. Es ist offensichtlich, dass der Peak 68 in der Amplitude auf ungefähr –10,11 dB zugenommen hat, wobei der dann größer ist als die dreifache Größe des Peaks 68, sofern man keine Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung annimmt. Demzufolge kann ein Vergleich zwischen der erwarteten Größe des Peaks 68, wenn kein Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschluss vorhanden ist, mit dem Peak 68 im tatsächlichen Frequenzspektrum der gemessenen Generatorspannung oder des gemessenen Generatorstroms dazu verwendet werden, zu bestimmen, ob eine Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung vorhanden ist, die beim Peak 68 auftritt, wenn dieser prozentual größer ist, als er gemäß einem bestimmten Prozentsatz sein sollte. Die Größe des Peaks 68 sollte mit der Zahl der Windungen in der Wicklung, die kurzgeschlossen sind, zunehmen.
8 zeigt ein Flussdiagramm 70, das ein Verfahren zum Bestimmen eines Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlusses in dem Generator 18 zeigt, bei dem die Frequenz des Welligkeitsstroms auf dem Gleichstromsignal bestimmt wird, welches die Batterie 30 lädt, wobei eine Spektralanalyse verwendet wird. Der Welligkeitsstrom kann erhalten werden, indem man zuerst die Spannung oder den Strom des Gleichstromsignalausgangs aus dem Gleichrichterschaltkreis 32 kennt, wobei jedoch Fahrzeuge typischerweise keine Sensoren auf dem Generator 18 aufweisen, die diese Messungen vornehmen. Allerdings existieren Sensoren in modernen Fahrzeugen, die den Batteriestrom und die Spannung messen und diese Spannung und dieser Strom haben dieselbe Kennzeichnung wie die gleichgerichtete Generatorspannung und der Generatorstrom. Demzufolge bestimmt die vorliegende Erfindung den Strom oder die Spannung der Batterie 30 mit Hilfe der verfügbaren Sensoren im Kasten 72. In einer Ausführungsform werden Messungen des Batteriestroms oder der Batteriespannung über eine bestimmte Zeitperiode für jede Berechnung verwendet, beispielsweise für 50 ms.
Danach bestimmt der Algorithmus die Drehzahl RPM_alt des Generators 18 im Kasten 74. Herkömmlicherweise ist die Drehzahl RPM_alt des Generators 18 gleich zur Drehzahl RPM_egn der Fahrzeugmaschine mal dem Keilriemenverhältnis R_pulley des Keilriemens 16, wie er über die Gleichung (1) unten definiert wird: RPM_alt = RPM_egn·R_pulley (1)
Alternativ dazu kann die Drehzahl RPM_alt des Generators 18 mit jeder geeigneten Technik geschätzt werden, die wünschenswert ist, falls der Keilriemen 12 potentiell gleiten kann. Die US-Patentanmeldung, Seriennummer 13/083,841 mit dem Titel ”Generatordrehzahlschätzung mit Hilfe einer Spektralanalyse”, angemeldet am 11. April 2011 für den Anmelder dieser Anmeldung und hiermit inkorporiert durch Bezugnahme, offenbart ein Verfahren zum Schätzen der Drehzahl RPM_alt eines Generators mit Hilfe einer Spektralanalyse. Eine beträchtliche Diskussion aus dieser Anmeldung wird im folgenden wiedergegeben, wobei diese auf einer Spektralanalyse basiert, wie zum Beispiel des Leistungsspektrums aus der 6.
Das Verfahren aus der '841-Patentanmeldung identifiziert den Welligkeitsstrom-Peak 66 in der Frequenzspektralanalyse, der von anderen Peaks im Spektrum isoliert werden muss. Da die Frequenz der Peaks 60, 62 und 64 bekannt sind, kann das gemessene Batteriestrom- oder -Spannungssignal über ein Kerbfilter gefiltert werden, welches all die Frequenzen zwischen einem oberen und einem unteren Limit herausfiltert, um Frequenz-Peaks zu entfernen und um den Welligkeitsstrom-Peak 66 zu isolieren, der zu bestimmen ist. Das Kerbfilterverfahren wird auf das gemessene Batteriestromsignal oder Batteriespannungssignal für jede bekannte Frequenz angewendet, die entfernt werden soll. Die Gleichung (2) unten gibt ein Beispiel für ein geeignetes digitales Kerbfilter für diesen Zweck:
Wobei H die z-Transformierte des Filters ist, ω₀ die Frequenz ist, die weggenommen werden soll und r die Frequenzbreite des Kerbfilters setzt, wobei je näher r zu 1 ist, desto schärfer ist das Kerbfilter.
Der Algorithmus kann bestimmen, ob es eine erste Berechnung zum Bestimmen der Generatordrehzahl RPM_alt nach Starten der Maschine oder nach irgendeiner Aktion ist, die das Fahrzeug dazu bringt, dass die Generatordrehzahl aus irgendwelchen Gründen, die aus der weiter unten geführten Diskussion ersichtlich werden, Geschwindigkeit verliert.
Das Verfahren, das erforderlich ist, um die FFT-Operation auszuführen, um das Leistungsspektrum aus der 6 zu erhalten, ist signifikant und komplex und erfordert im allgemeinen eine angemessene Rechenkapazität und eine elektronische Kontrolleinheit (ECU) in einem Fahrzeug. Demzufolge kann auch, um anstatt eine vollständige FFT-Spektralanalyse auf das gefilterte Batteriestrom- oder Batteriespannungssignal auszuüben, eine begrenzte FFT-Operation ausgeführt werden, die eine begrenzte Anzahl von Datenpunkten oder Kriterien erfordert, um die Abtastgröße und die Komplexität der Operation zu reduzieren. In dieser nicht einschränkenden Ausführungsform beinhaltet die FFT-Operation ein Fensterverfahren, um das spektrale Leck, das als Hanning-Fenster-Verfahren bekannt ist, auszuführen, was für Fachleute bekannt ist, indem 256 Datenpunkte verwendet werden. Durch das Reduzieren der Anzahl der spektralanalysierbaren Datenpunkte auf 256 liegt die Frequenzauflösung des Spektralsignals bei ungefähr 39 Hz zwischen den Daten-Kriterien.
Der Algorithmus definiert dann einen Suchbereich innerhalb der gefilterten und auf das Frequenzspektralsignal limitierten Datenpunkte, wobei der Algorithmus dann spezifisch auf den höchst identifizierbaren Peak schauen wird, welcher dann die Welligkeitsstromfrequenz nach dem Filtern sein sollte. Eine Vorfrequenzwelligkeit des Stroms wird identifiziert, welche dann als die geschätzte Welligkeitsstromfrequenz aus der vorhergehenden Abtastperiode oder einer Frequenz, bei der der Welligkeitsstrom erwartet wird, angenommen werden kann. Der Algorithmus addiert und subtrahiert eine bestimmte Frequenz, beispielsweise 250 Hz, auf oder von der Vorfrequenz ab, um einen Suchbereich von ungefähr 500 Hz zu identifizieren. Sobald der Suchbereich identifiziert wurde, um den Welligkeitsstrom-Peak 66 zu bestimmen, wird ein Peak-Detektionsverfahren ausgeführt, um den höchsten Peak innerhalb dieses Bereichs zu identifizieren.
9 zeigt einen Graphen, bei dem die Frequenz auf der horizontalen Achse und die Größe auf der vertikalen Achse abgetragen sind, um die Datenpunkte 76 aus der niedrigen FFT-Auflösungsanalyse für die Frequenzen im Suchbereich von ungefähr 1750–2250 Hz aufzuzeigen. Die Graphen-Kurve 78 stellt das Glättungsfrequenzspektrum der FFT-Analyse dar, das aus einer vollen Spektralanalyse stammen würde.
Da die Frequenzauflösung des FFT-Spektralsignals zwischen den Datenpunkten 39 Hz ist, ist es wünschenswert, die Peak-Lokalisierung zu verfeinern, um die tatsächliche Welligkeitsstromfrequenz zu identifizieren, was eine Auflösung von 39 Hz eine Differenz in der Drehzahl des Generators 18 von ungefähr 65 RPMs darstellt. Mit anderen Worten, ein Peak, der über den Peak-Detektionsprozess aus den verfügbaren Datenpunkten in der begrenzten Spektralanalyse identifiziert wird, ist wahrscheinlich wegen des Abstands zwischen den Datenpunkten im Frequenzspektrum nicht die tatsächliche Welligkeitsstromfrequenz und könnte möglicherweise mehr als 39 Hz von der tatsächlichen Welligkeitsstromfrequenz liegen.
In dem Graphen aus der 9 würde der höchste identifizierte Peak der Datenpunkte 76 der Datenpunkt 80 sein, aber die tatsächliche Welligkeitsstromfrequenz liegt beim Punkt 82. Ein Interpolationsverfahren wird, um die Peak-Lokalisation zwischen dem Datenpunkt 80 und dem nächsthöchsten benachbarten Datenpunkt 86 zu verfeinern, verwendet, um den tatsächlichen Welligkeitsstrom auf dem Peak, der im Punkt 82 identifiziert wird, zu identifizieren. Das Frequenzintervall zwischen den spektralen Kriterien im Stromspektrum ist: f₀ = 1 / NΔt (3)
Wobei Δt das Zeitintervall zwischen den abgetasteten Daten und N die Zahl der Datenpunkte in der FFT sind.
Die Peak-Frequenz f im Punkt 82 kann über f = (i + δ)f0 = λf (4) definiert werden, wobei δ δ = 2α – 1 / α + 1 (5) ist, und wobei α α = |X(i + 1)| / |X(i)| (6) ist, und wobei X die Größe der FFT-Datenpunkte, i der Ort des Datenpunkts 86 und i + 1 der Ort des Datenpunkts 80 sind.
Sobald die Welligkeitsfrequenz f mit Hilfe des Interpolationsprozesses identifiziert wurde, berechnet der Algorithmus die Generatordrehzahl RPMs für einen Dreiphasen-Stator, sofern die Welligkeitsfrequenz f durch die Anzahl der Pol-Paare im Generator 18 dividiert ist, dividiert durch die Zahl der Dioden im Gleichrichterschaltkreis 32 und multipliziert mit 60 Sekunden, das heißt f/# Pol-Paare/# Dioden·60. Der Algorithmus berechnet daraufhin weiter die Generatordrehzahl für die nächste Abtastzeit für die Batteriespannungsmessungen oder Strommessungen.
Falls der Algorithmus bestimmt, dass er nicht direkt nach Fahrzeugstart oder vorausgegangenen Generatordrehzahlberechnungen gestartet wird, kann der Algorithmus eine noch mehr reduzierte komplexe FFT-Analyse vornehmen, welche immer noch eine genaue Welligkeitsstromidentifikation basierend auf den vorausgegangenen Generatordrehzahlberechnungen vornimmt. Insbesondere begrenzt der Algorithmus den Frequenz-Peak-Suchbereich auf ein paar wenige Frequenz-Data-Kriterien, beispielsweise fünf, die um den zuletzt detektierten Welligkeitsstromfrequenz-Peak liegen. Mit anderen Worten kann der Algorithmus anstatt einer Peak-Detektion mit Hilfe mehrerer Datenpunkte 76, wie in der 9 für die erste Berechnung der Generatordrehzahl gezeigt, die Peak-Frequenzpunkte suchen, indem nur fünf der Datenpunkte um den Punkt 82 verwendet werden. Der Algorithmus führt für jeden der fünf Datenpunkte in dem reduzierten Frequenzbereich eine Einzelfrequenz-FFT-Spektraloperation aus, die auch als Goertzel-Algorithmus bekannt ist, um die neuen Frequenzen der Daten-Kriterien rund um die zuletzt bestimmte Welligkeitsstromfrequenz herum zu identifizieren.
Die Größe X jedes der Datenpunkte innerhalb der Daten-Kriterien für den reduzierten Frequenzbereich wird dann bestimmt als: s(n) = I(n) + 2cos(2πω)s(n – 1) – s(n – 2) (7) X(n) = s(n) – e^–2πjωs(n – 1) (8)
Wobei s(n) eine vorübergehende Variable ist, I(n) die Strommessung ist, ω die Frequenz des jeweils selektierten Daten-Bins für die neue Berechnung ist, X(n) die Amplitude der Frequenz beim Bin ist, wobei n = t, t – 1, ..., t – 255, und j die Quadratwurzel aus (–1) ist.
Sobald jede neue Frequenzgröße X(n) für jeden der fünf Daten-Kriterien erlangt wurde, führt der Algorithmus die Peak-Detektion für die Größen aus, um den höchsten Peak zu identifizieren. Das Interpolationsverfahren wird dann wiederum ausgeführt, um die tatsächliche Welligkeitsstromfrequenz zu identifizieren und die Drehzahl des Generators 18 wird berechnet.
Im Kasten 88 schätzt der Algorithmus oder misst der Algorithmus den Ausgangsstrom I_alt des Generators 18. Wie oben erwähnt, ist es unwahrscheinlich, dass ein Stromsensor vorgesehen ist, um den Generatorstrom zu messen, obwohl ein solcher vorgesehen werden könnte. Falls der Batteriestrom im Kasten 72 gemessen wird, kann dieser Wert als Generatorstrom verwendet werden. Ein typischer Fahrzeuggenerator beinhaltet einen Stromsensor zum Messen eines Feldstroms für den Generator, welcher proportional zum Field-Duty-Cycle ist. Für diese Fälle, bei denen der Generatorstrom I_alt geschätzt werden muss, kann der Generatorstrom I_alt aus der Funktion I_alt = f(RPM_alt, F_dc) (9) verwendet werden, wobei F_dc der Field-Duty-Cycle des Generators 18 ist, der typischerweise proportional zum Generatorfeldstrom bei einer vorgegebenen Generatordrehzahl ist. In der Praxis kann die Funktion f durch ein Verweistabelle dargestellt werden, wobei die Einträge für die Tabelle während der Entwicklung des Systems kalibriert werden.
Im Kasten 90 berechnet der Algorithmus die interessierende Frequenz ω, welche ein 1/3 der Welligkeitsstromfrequenz f ist, da drei Wicklungen im Generator vorliegen. Mit anderen Worten ist die interessierende Frequenz ω die Frequenz im Frequenzspektrum der gleichgerichteten Generatorspannung oder des gleichgerichteten Generatorstroms, die den Welligkeitsstrom für eine der Wicklungen im Generator 18 identifiziert. Falls der Algorithmus den Ansatz in der '841-Patentanmeldung verwendet, um die Generatorgeschwindigkeit RPM_alt zu schätzen, wäre die Welligkeitsstromfrequenz f bereits bestimmt worden und die interessierende Frequenz ω wäre 1/3 der bestimmten Welligkeitsstromfrequenz f. Falls die Geschwindigkeit des Generators 18 aus der Gleichung (1) bestimmt wurde oder falls die Drehzahl des Generators aus dem Verfahren in der '841-Anmeldung verwendet würde, dann könnte die interessierende Frequenz ω bestimmt werden, wie: ω = 1/3·(RPM_alt·# of pole pairs·# of diodes/60) (10)
Im Kasten 92 führt der Algorithmus eine FFT-Analyse auf den Batteriestrom oder die Batteriespannungsmessungen aus, die im Kasten 72 erlangt wurden und identifiziert die Amplitude X(ω) für das interessierende Frequenzband ω. Falls die FFT-Spektralanalyse aus der Generatordrehzahlschätzung erlangt wurde, wie sie in der '841-Patentanmeldung diskutiert wurde, und wie sie in der 6 gezeigt wurde, kann diese Analyse dann dazu verwendet werden, um die Amplitude X(ω) für die interessierende Frequenz ω zu erhalten. Andererseits wird die oben diskutierte FFT-Spektralanalyse durch den Algorithmus in diesem Punkt des Verfahrens ausgeführt werden, um die Spektralanalyse aus der 6 zu erhalten, die dann dazu verwendet wird, die Amplitude X(ω) bei der interessierenden Frequenz ω zu bestimmen. Um den Rechenaufwand zu reduzieren, kann anstatt einer vollständigen FFT-Spektralanalyse, wie sie in der 6 gezeigt wird, der Algorithmus eine Einzelfrequenz-FFT-Spektralanalyse, beispielsweise den Goertzel-Algorithmus, ausführen, wie er mit den Gleichungen (7) und (8) diskutiert wurde. Bei dieser Berechnung ersetzt die Amplitude X(ω) die Amplitude X(n) als die Amplitude für die interessierende Frequenz ω.
Im Kasten 94 vergleicht der Algorithmus die Amplitude X(ω) mit der erwarteten Amplitude, falls kein Kurzschluss in der Verweistabelle erwartet wird, bei dem die Generatordrehzahl RPM_alt und der Generatorstrom I_alt verwendet werden, um zu bestimmen, ob eine größere als erwartete Amplitude auftritt, und falls dies der Fall ist, wird bestimmt, dass eine Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung vorliegt.
Die vorhergehende Diskussion beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus dieser Diskussion und den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen ausgeführt werden können, ohne dabei den Geist und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er von den folgenden Patentansprüchen definiert wird.

Claims

Ein Verfahren zum Bestimmen, ob in einer Statorwicklung eines Generators eine Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung auftritt, wobei das Verfahren umfasst: – Bestimmen einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms des Generators, wobei die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom eine Generator-Welligkeitsstromfrequenz beinhaltet, die als Ergebnis einer Wechselstrom-zu-Gleichstromwandlung des Ausgangs des Generators ist; – Bestimmen einer Drehzahl des Generators; – Bestimmen einer Generator-Welligkeitsstromfrequenz für den Generator aus der Drehzahl des Generators; – Bestimmung einer Wicklungs-Welligkeitsstromfrequenz aus der Generator-Welligkeitsstromfrequenz; – Bestimmen einer Amplitude der Wicklungs-Welligkeitsstromfrequenz; – Vergleichen der Amplitude der Wicklungs-Welligkeitsstromfrequenz mit einer vorbestimmten Amplitude; und – Bestimmen, dass eine Wicklung-zu-Wicklung-Kurzschlussbedingung auftritt; falls die Differenz zwischen der Amplitude der Wicklungs-Welligkeitsstromfrequenz und der vorbestimmten Amplitude größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms des Generators das Messen eines Stroms oder einer Spannung einer Batterie beinhaltet, wobei der Generator die Batterie wieder auflädt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Drehzahl des Generators ein Bestimmen der Drehzahl des Generators basierend auf der Drehzahl einer Fahrzeugmaschine und eines Keilriemenscheibenverhältnisses des Generators einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Drehzahl des Generators beinhaltet: ein Ausführen einer Fast-Fourier-Transformationsoperation (FFT), um ein Frequenzspektralsignal der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms des Generators zu identifizieren, ein Identifizieren eines Peak-Detektionssuchbereichs innerhalb des Frequenzspektralsignals, innerhalb welchem es bekannt ist, dass eine Generator-Welligkeitsstromfrequenz existiert, ein Identifizieren einer höchsten Peak-Frequenz innerhalb des Suchbereichs der Generator-Welligkeitsstromfrequenz und ein Umwandeln der höchsten Peak-Frequenz in die Generatordrehzahl.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Wicklungswelligkeitsstromfrequenz die Gleichung: ω = 1/3·(RPM_alt·# of pole pairs·# of diodes/60) verwendet, wobei ω die Wicklungs-Welligkeitsstromfrequenz ist, RPM_alt die Drehzahl des Generators ist, # of pole pairs die Anzahl der Pol-Paare in dem Generator ist und # of diodes die Anzahl der Dioden im Gleichrichterschaltkreis ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Amplitude der Wicklungs-Welligkeitsstromfrequenz das Ausführen einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms des Generators umfasst, um ein Frequenzspektralsignal zu erlangen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Ausführen des FFT-Verfahrens ein Ausführen eines Einzel-Frequenz-FFT-Verfahrens umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Bestimmen einer Amplitude der Wicklungs-Welligkeitsstromfrequenz die Verwendung der Gleichungen umfasst: s(n) = I(n) + 2cos(2πω)s(n – 1) – s(n – 2) X(n) = s(n) – e^–2πjωs(n – 1) wobei s(n) eine vorübergehende Variable ist, I(n) die Strom(oder die Spannungs)-Messung ist, ω die Frequenz für ein besonders ausgewähltes Daten-Kriterium ist, X(n) die Amplitude der Wicklungs-Welligkeits-strom-frequenz an dem Kriterium ist, wobei n = t, t – 1, ..., t – 255, und j die Quadratwurzel aus (–1) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, des weiteren umfassend das Bestimmen eines Generatorstromausgangs am Generator, der eine Funktion der Drehzahl des Generators und eines Field-Duty-Cycles des Generators ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Vergleichen der Amplitude der Wicklungs-Welligkeitsstromfrequenz mit einer vorbestimmten Amplitude das Vergleichen der Amplitude der Wicklungs-Welligkeitsstromfrequenz mit einer vorbestimmten Amplitude über die Drehzahl und den Strom des Generators umfasst.