DE102015211933A1 - Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit, welche eine elektrische Maschine (100) mit Läuferwicklung (110) und Ständerwicklung (120) und einen daran angeschlossenen Gleichrichter (130), über den die elektrische Maschine (100) an ein Bordnetz (150) eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, aufweist, wobei über einen Erregerstrom (IE) durch die Läuferwicklung (110) der elektrischen Maschine (100) eine Spannung des Bordnetzes (150) auf einen Sollwert geregelt und ein Verlauf des Erregerstroms (IE) überwacht wird, und wobei auf einen Fehler in der Generatoreinheit geschlossen wird, wenn ein oszillierender Verlauf des Erregerstroms (IE) erkannt wird, wobei ein Ausmaß der Oszillation über einem Schwellwert liegt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit sowie eine Recheneinheit, insbesondere einen Generatorregler, und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
  • Stand der Technik
  • Kraftfahrzeuge verfügen über ein Bordnetz, das über eine als Generator betriebene elektrische Maschine, bspw. eine fremderregte Synchronmaschine, mit Spannung versorgt wird. Zur Regelung der Bordnetzspannung kann dabei ein Erregerstrom der elektrischen Maschine gesteuert werden. Die elektrische Maschine ist dabei in der Regel über einen Gleichrichter an das Bordnetz angeschlossen und bildet mit diesem eine Generatoreinheit. Bei solchen Generatoreinheiten können Fehler wie bspw. Kurzschlüsse auftreten, die nach Möglichkeit erkannt werden sollten.
  • Aus der JP 33 74 543 B2 ist bspw. ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers im Gleichrichter bekannt. Hierzu wird ein Phasenspannungssignal mit der Hälfte des Batteriespannungssignals verglichen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit, welche eine elektrische Maschine mit Läuferwicklung und Ständerwicklung und einen daran angeschlossenen Gleichrichter, über den die elektrische Maschine an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, aufweist. Dabei wird eine Spannung des Bordnetzes über einen Erregerstrom durch die Läuferwicklung der elektrischen Maschine als Stellgröße auf einen Sollwert geregelt und ein Verlauf des Erregerstroms überwacht. Wenn dabei ein oszillierender Verlauf des Erregerstroms erkannt wird, wobei ein Ausmaß, z.B. eine Amplitude oder ein Spitze-Spitze-Wert, der Oszillation über einem Schwellwert liegt, wird auf einen Fehler in der Generatoreinheit, d.h. in der elektrischen Maschine und/oder dem Gleichrichter, geschlossen. Unter Amplitude der Oszillation wird dabei eine Differenz zwischen dem Maximalwert und dem momentanen Mittelwert (z.B. Effektivwert (quadratischer Mittelwert, RMS), oder gleitender Durchschnitt) während einer Schwingungsperiode verstanden.
  • Auf diese Weise können auf einfache Weise verschiedene Arten von Fehlern im Gleichrichter und/oder der elektrischen Maschine erkannt werden. Dies ist möglich, da sich solche Fehler auf den Erregerstrom auswirken. Während durch einen einfachen Vergleich zwischen einer Phasenspannung und der Hälfte der Batterie- bzw. Bordnetzspannung bspw. keine Abtrennung einer kompletten Phase vom Gleichrichter erkennen lässt, wirkt sich eine solche Abtrennung jedoch auf den Erregerstrom aus.
  • Es wurde erkannt, dass Oszillationen bzw. Schwingungen im Erregerstrom insbesondere dann auftreten, wenn sich Ungleichmäßigkeiten bei den Phasenströmen einstellen, bspw. aufgrund eines Kurzschlusses oder einer Unterbrechung. Da sich Schwingungen besonders einfach erkennen lassen, ergibt sich daher eine einfache und effektive Möglichkeit, Fehler im Gleichrichter und/oder der elektrischen Maschine zu erkennen.
  • Vorzugsweise wird nur dann auf einen Fehler in der Generatoreinheit geschlossen, wenn die Frequenz des oszillierenden Verlaufs des Erregerstroms proportional zu einer Polpaarzahl der elektrischen Maschine und/oder einer aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine ist. Damit können Fremdeinflüsse, die sich möglicherweise auf das Ausmaß der Oszillation auswirken, unterdrückt werden.
  • Zweckmäßigerweise umfasst der Fehler einen Kurzschluss und/oder eine Unterbrechung in einem High-Side-Pfad zwischen dem Gleichrichter und dem Bordnetz, einen Kurzschluss und/oder eine Unterbrechung in einem Low-Side-Pfad zwischen dem Gleichrichter und dem Bordnetz und/oder eine Abtrennung einer Phase von dem Gleichrichter und/oder einen Kurzschluss von Phasen zueinander. In der elektrischen Maschine kann der Fehler einen Kurzschluss des Ständers gegen das Bordnetz, d.h. gegen positive (B+) und/oder negative (B–) Spannung, eine Unterbrechung in einem Draht der Ständerwicklung, einen Kurzschluss zwischen Drähten der Ständerwicklung und/oder einen Kurzschluss zwischen verschiedenen Phasen umfassen. Da eine elektrische Maschine wie bspw. eine fremderregte Synchronmaschine bspw. drei oder fünf Phasen aufweist, kann auch ein Fehler auftreten, der verschiedene Phasen umfasst, wenngleich dies auch unwahrscheinlich ist. Insofern können bspw. auch Fehler, die einen Kurzschluss und eine Abtrennung zweier verschiedener Pfade umfassen, auftreten. Bei den genannten Fehlern handelt es sich dabei um die üblicherweise auftretenden Fehler bei Generatoreinheiten. Insbesondere Kurzschlüsse oder Unterbrechungen eines Pfades führen dabei zu deutlichen Schwingungen im Erregerstrom, die einfach erkannt werden können. Ebenso führt aber eine Abtrennung einer kompletten Phase, d.h. eine Unterbrechung sowohl am High-Side- als auch am Low-Side-Pfad derselben Phase, aufgrund der geänderten Ströme zu einer Schwingung im Erregerstrom, während dies auf eine Spannung einer einzelnen Phase hingegen keinen Einfluss hat, solange es nicht die einzige überwachte Phase betrifft. Mit dem eingangs erwähnten und bekannten Verfahren mit Überwachung einer Phase, wie dies mit herkömmlichen Reglern der Fall ist, ist daher in der Regel eine solche Abtrennung einer Phase nicht erkennbar. Die genannten Fehler können insbesondere anhand ihrer Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz und/oder Signalverlauf erkannt und unterschieden werden.
  • Es ist von Vorteil, wenn eine Gegenmaßnahme durchgeführt wird, wenn bzw. sobald auf einen Fehler in der Generatoreinheit geschlossen worden ist. Insbesondere umfasst die Gegenmaßnahme dabei eine Reduzierung des Erregerstroms, insbesondere durch Reduzierung des Sollwerts des Erregerstroms, und/oder eine Reduzierung eines maximal zulässigen Erregerstroms und/oder eine Fehlermeldung. Damit können zum einen schnell und einfach das Bordnetz und insbesondere daran angeschlossene Verbraucher vor Schäden geschützt werden. Des Weiteren kann die elektrische Maschine vor Überhitzung geschützt werden und zum anderen kann bspw. ein Fahrer des Kraftfahrzeugs gewarnt und zum Aufsuchen einer Werkstatt veranlasst werden.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, insbesondere ein Generatorregler, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt schematisch eine Generatoreinheit mit elektrischer Maschine, Gleichrichter und Generatorregler, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
  • 2a bis 2d zeigen die Generatoreinheit aus 1 mit verschiedenen Fehlern im Gleichrichter.
  • 3a bis 3d zeigen in Diagrammen Spannungs- und Stromverläufe zu den in den 2a bis 2d gezeigten Fehlern.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist schematisch Generatoreinheit aufweisend eine elektrische Maschine 100 mit einem Gleichrichter 130 und einer als Generatorregler ausgebildeten Recheneinheit 140, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist, gezeigt. Die elektrische Maschine 100 weist eine Läufer- bzw. Erregerwicklung 110 und eine Ständerwicklung 120 auf und wird vorliegend als Generator zur Spannungsversorgung für ein Bordnetz 150 eines Kraftfahrzeuges verwendet.
  • Die elektrische Maschine 100 und somit deren Ständerwicklung 120 ist vorliegend mit fünf Phasen U, V, W, X und Z ausgebildet. Jede der fünf Phasen ist dabei über eine zugehörige Diode 131 des Gleichrichters 130 an eine positive Seite bzw. High-Side B+ des Bordnetzes 150 und über eine zugehörige Diode 132 an eine negative Seite bzw. Low-Side B– des Bordnetzes 150 angebunden. Es versteht sich, dass die Anzahl fünf der Phasen vorliegend nur beispielhaft gewählt ist und dass ein erfindungsgemäßes Verfahren auch mit einer anderen Phasenanzahl, bspw. 3, 6, 7 oder mehr durchführbar ist. Ebenso ist es möglich, anstelle der Dioden geeignete Halbleiterschalter zu verwenden.
  • Der Generatorregler 140 versorgt die Läuferwicklung 110 mit einem Erregerstrom IE. Weiterhin weist der Generatorregler 140 Eingänge zum Erfassen der Bordnetzspannung mit B+ und B– sowie einer Phasenspannung, vorliegend der Phase Y, mit Spannung UY auf. Ein von der elektrischen Maschine 100 abgegebener Strom ist mit IG bezeichnet.
  • In den 2a bis 2d ist jeweils die Anordnung aus 1 gezeigt mit jeweils einem spezifischen Fehler im Gleichrichter 130.
  • In 2a ist beispielhaft ein Kurzschluss im High-Side-Pfad, vorliegend bei der Phase U, gezeigt. Dies kann bspw. bei einem Kurzschluss der zugehörigen Diode 131 auftreten.
  • In 2b ist beispielhaft ein Kurzschluss im Low-Side-Pfad, vorliegend bei der Phase U, gezeigt. Dies kann bspw. bei einem Kurzschluss der zugehörigen Diode 132 auftreten.
  • In 2c ist beispielhaft eine abgetrennte Phase, vorliegend die Phase U, gezeigt. Dies kann bspw. bei einer Abtrennung oder Zerstörung (nichtleitender Zustand) der beiden zugehörigen Dioden 131 und 132 auftreten. Ebenso tritt dieser Fehler jedoch bei einer Abtrennung der zughörigen Leitung zur Ständerwicklung 120 auf, welche an beide Dioden angebunden ist.
  • In 2d ist beispielhaft eine Unterbrechung in einem Low-Side-Pfad, vorliegend bei der Phase U, gezeigt. Eine solche Unterbrechung tritt bspw. auf, wenn die zugehörige Diode 132 an einer Seite der Diode, oder, wie in der Figur gezeigt, auf beiden Seiten der Diode abgetrennt ist, oder wenn die Diode bspw. zerstört ist. Eine Unterbrechung in einem High-Side-Pfad würde dementsprechend bspw. bei einer Abtrennung oder Zerstörung einer Diode 131 auftreten.
  • In den 3a bis 3d sind jeweils Verläufe der Generatorspannung U+, des Generatorstroms IG, der Phasenspannung UY der Phase Y (nicht in 3b) und des Erregerstroms IE über der Zeit t gezeigt. Vor dem Zeitpunkt t0 herrscht ein normaler Betrieb der Anordnung und zum Zeitpunkt t0 tritt ein Fehler in der Generatoreinheit auf. Den Verläufen in den 3a bis 3d entsprechen dabei Verläufe, wie sie Fehlern, wie in den 2a bis 2d gezeigt, entsprechen. Hierzu sei angemerkt, dass die Skalierung der einzelnen Diagramme sowohl bei Strom bzw. Spannung als auch bei der Zeit nicht immer übereinstimmen, was für die vorliegende Erfindung jedoch nicht relevant ist.
  • In 3a ist zu sehen, dass sich ein Kurzschluss in einem High-Side-Pfad bei der Generatorspannung nur kurzzeitig nach Auftreten des Fehlers bemerkbar macht. Der Generatorstrom nimmt ab und die Phasenspannung verändert sich hinsichtlich ihres Schwingungsmusters. Im Erregerstrom ist eine deutliche Schwingung mit hoher Amplitude im Vergleich zum Verlauf ohne Fehler zu sehen. Wenngleich in diesem Fall der Fehler auch an der Phasenspannung erkennbar wäre, so ist der Fehler im Verlauf des Erregerstroms noch deutlicher zu erkennen. Die Frequenz f der Schwingung entspricht hier: f = n·PPZ/60, wobei n die Drehzahl des Generators in 1/min und PPZ die Polpaarzahl des Generators darstellt.
  • Dieser Verlauf des Erregerstroms resultiert aus einer unsymmetrischen Verteilung der Phasenströme nach dem Kurzschluss, die dann einen Gleichstromanteil enthalten. Mit der Drehung der elektrischen Maschine werden diese ungleichen Gleichstromanteile dann auf den Läufer der elektrischen Maschine übertragen, da die fremderregte Synchronmaschine wie ein Transformator betrachtet werden kann, der einerseits eine Kopplung vom Läufer auf den Ständer, andererseits aber auch eine Rückkopplung vom Ständer auf den Läufer ermöglicht. Der Erregerstrom erhält dadurch einen deutlichen Wechselstromanteil, wodurch der Rückschluss auf den Kurzschluss möglich ist.
  • In 3b ist zu sehen, dass sich ein Kurzschluss in einem Low-Side-Pfad bei der Generatorspannung nur kurzzeitig nach Auftreten des Fehlers bemerkbar macht und dass der Generatorstrom abnimmt. Im Erregerstrom ist, wie auch beim Kurzschluss im High-Side-Pfad, eine deutliche Schwingung mit hoher Amplitude im Vergleich zum Verlauf ohne Fehler zu sehen, wodurch der Kurzschluss erkannt werden kann.
  • In 3c ist zu sehen, dass eine Abtrennung einer ganzen Phase sich bei der Generatorspannung kurzzeitig nach Auftreten des Fehlers durch eine größere Schwankung in der Spannung und anschließend nur noch geringfügig durch leichte Schwankungen bemerkbar macht. Der Generatorstrom geht in eine Schwingung mit erhöhter Amplitude über. Der Erregerstrom nimmt leicht ab und geht in eine Schwingung mit deutlich höherer Amplitude als vor Auftreten des Fehlers über. Die Phasenspannung an der abgetrennten Phase wird nicht mehr über eine Gleichrichtung begrenzt, sie zeigt daher die deutlich höhere Leerlaufspannung der elektrischen Maschine. An den nicht beschädigten Phasen (wie beispielhaft in der Figur gezeigt) wird sich allerdings die Phasenspannung nicht ändern.
  • Eine Erkennung einer abgetrennten Phase anhand der Phasenspannung ist somit nicht möglich, außer der Defekt würde zufällig die einzige Phase betreffen, die überwacht wird. Am Erregerstrom hingegen ist eine Abtrennung einer Phase deutlich zu erkennen. Wiederum tritt hier eine unsymmetrische Phasenstromverteilung auf. Bei Kurzschlüssen oder Unterbrechungen ergibt sich ständerseitig ein zusätzlicher Gleichstromanteil, der als Wechselstromanteil auf die Läuferseite übertragen wird. Bei der Abtrennung einer Phase wird der Phasenstrom in der entsprechenden Phase hingegen auf Null reduziert. Dementsprechend müssen die verbliebenen Phasen diesen Anteil kompensieren und werden somit asymmetrisch belastet. In Fehlerfall der abgefallenen Phase ist die Frequenz der Oszillation doppelt so hoch wie bei den vorher aufgezeigten Fehlerfälle und lässt sich somit eindeutig von diesen unterscheiden.
  • In 3d ist zu sehen, dass eine Unterbrechung in einem Low-Side-Pfad zu leichten Schwankungen in der Generatorspannung führt. Der Generatorstrom folgt einer Schwingung, bei der der Wert des Stroms jeweils mit Erreichen des jeweiligen abgetrennten Low-Side-Pfades gegen Null geht. Die Phasenspannung weist eine höhere Amplitude als vor dem Fehler auf und der Erregerstrom weist ebenfalls eine Schwingung mit deutlich erhöhter Amplitude auf.
  • Zusammenfassend ist zu sehen, dass anhand des Erregerstroms alle angesprochenen Fehler im Gleichrichter und/oder der Maschine erkannt werden können. Da der Erregerstrom wegen der Regelung im Generatorregler ohnehin erfasst wird, kann das vorliegende Verfahren sehr einfach realisiert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 3374543 B2 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit, welche eine elektrische Maschine (100) mit Läuferwicklung (110) und Ständerwicklung (120) und einen daran angeschlossenen Gleichrichter (130), über den die elektrische Maschine (100) an ein Bordnetz (150) eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, aufweist, wobei über einen Erregerstrom (IE) durch die Läuferwicklung (110) der elektrischen Maschine (100) eine Spannung des Bordnetzes (150) auf einen Sollwert geregelt und ein Verlauf des Erregerstroms (IE) überwacht wird, und wobei auf einen Fehler in der Generatoreinheit geschlossen wird, wenn ein oszillierender Verlauf des Erregerstroms (IE) erkannt wird, wobei ein Ausmaß der Oszillation über einem Schwellwert liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei auf einen Fehler in der Generatoreinheit nur dann geschlossen wird, wenn eine Frequenz der Oszillation proportional zu einer Polpaarzahl und/oder einer aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine (100) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Fehler einen Kurzschluss und/oder eine Unterbrechung in einem High-Side-Pfad zwischen dem Gleichrichter (130) und dem Bordnetz (150), einen Kurzschluss und/oder eine Unterbrechung in einem Low-Side-Pfad zwischen dem Gleichrichter (130) und dem Bordnetz (150), eine Abtrennung einer Phase (U, V, W, X, Y) von dem Gleichrichter (130), einen Kurzschluss der Ständerwicklung gegen das Bordnetz, eine Unterbrechung in einem Draht der Ständerwicklung, einen Kurzschluss zwischen Drähten der Ständerwicklung und/oder einen Kurzschluss zwischen verschiedenen Phasen umfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf eine Art des Fehlers anhand des Ausmaßes der Oszillation und/oder anhand einer Frequenz der Oszillation und/oder anhand des oszillierenden Verlaufs des Erregerstroms (IE) geschlossen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Gegenmaßnahme durchgeführt wird, wenn auf einen Fehler in der Generatoreinheit geschlossen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Gegenmaßnahme eine Reduzierung des Betrags des Erregerstroms (IE), insbesondere durch Reduzierung des Sollwerts des Erregerstroms (IE), und/oder eine Reduzierung eines maximal zulässigen Erregerstroms und/oder eine Fehlermeldung umfasst.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Erregerstrom (IE) auf einen Sollwert geregelt wird.
  8. Recheneinheit (140), insbesondere Generatorregler, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  9. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (140) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (140) ausgeführt wird.
  10. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.
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