-
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 nicht vorveröffentlichten
DE 10 2015 211 933 ist ein Verfahren 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, bekannt, wobei über einen Erregerstrom durch die Läuferwicklung der elektrischen Maschine eine Spannung des Bordnetzes auf einen Sollwert geregelt und ein Verlauf des Erregerstroms überwacht wird, und wobei auf einen Fehler in der Generatoreinheit geschlossen wird, wenn ein oszillierender Verlauf des Erregerstroms erkannt wird, wobei ein Ausmaß der Oszillation über einem Schwellwert liegt.
-
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
-
In einem ersten Aspekt kann ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruch 1 vorgesehen sein. Hierbei kann vorgesehen sein, dass nicht nur abhängig vom Erregerstrom, sondern auch abhängig von einem Sollwert des Erregerstroms darauf entschieden wird, ob der Fehler vorliegt, oder nicht. Dies hat den Vorteil, dass Fehler besonders zuverlässig erkannt werden können.
-
Besonders einfach ist das Verfahren, wenn der der Sollwert des Erregerstroms abhängig von einem Sollwert der Generatorspannung ermittelt wird. In diesem Fall liegt der Sollwert des Erregerstroms bedingt durch die Struktur des Reglers bereits vor.
-
Der Regler ist besonders einfach auszulegen, wenn der Sollwert des Erregerstroms auch abhängig von einem Istwert der Generatorspannung ermittelt wird.
-
In einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass eine Ansteuerung eines Schalters zum Schalten des Erregerstroms abhängig vom Sollwert des Erregerstroms geschieht. Insbesondere bietet sich für die Ansteuerung ein PWM-Signal an, bei dem bei der Ansteuerung insbesondere der Tastgrad und/oder die Frequenz einstellt werden.
-
Besonders einfach auszulegen ist der Regler, wenn er als kaskadierter Regler konzipiert ist, bei dem die Ansteuerung auch abhängig vom Istwert des Erregerstroms geschieht.
-
In einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass abhängig von einer Abweichung zwischen Sollwert des Erregerstroms und Istwert des Erregerstroms darauf entschieden wird, ob der Fehler vorliegt, oder nicht. Ein solches Verfahren ist besonders einfach zu parametrieren.
-
Hierbei kann vorgesehen sein, dass dann, insbesondere nur dann, darauf entschieden wird, dass der Fehler vorliegt, wenn ein Absolutwert der Abweichung größer ist als ein vorgebbarer Schwellenwert.
-
In einem weiteren Aspekt kann ein Verfahren zum sicheren Betreiben einer Generatoreinheit vorgesehen sein. Wenn erkannt wurde, dass der Fehler in der Generatoreinheit vorliegt, eine Reduzierung des Betrags des Erregerstroms oder eine Pulsung des Erregerstroms durchgeführt wird. Die Pulsung bedeutet, dass eine Taktfrequenz des Schalters reduziert wird.
-
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, insbesondere ein Generatorregler, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Die Recheneinheit kann aber auch ganz oder vollständig in Hardware zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sein.
-
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.
-
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.
-
2 bis 5 zeigen die Generatoreinheit aus 1 mit verschiedenen Fehlern im Gleichrichter.
-
6 bis 9 zeigen in Diagrammen Spannungs- und Stromverläufe zu den in den 2 bis 5 gezeigten Fehlern.
-
10 zeigt schematisch den Aufbau des Erregerstromkreises der Generatoreinheit.
-
11 zeigt schematisch einen möglichen Regelkreis zur Regelung des Erregerstroms.
-
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. Hierzu kann im Generatorregler 140 ein Schalter vorgesehen sein, der mit der Läuferwicklung 110 in Reihe geschaltet ist, und der den Erregerstrom IE beispielsweise durch eine getaktete Ansteuerung einstellt. 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 2 bis 5 ist jeweils die Anordnung aus 1 gezeigt mit jeweils einem spezifischen Fehler im Gleichrichter 130.
-
In 2 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 3 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 4 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 5 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 6 bis 9 sind jeweils Verläufe der Generatorspannung U+, des Generatorstroms IG, der Phasenspannung UY der Phase Y (nicht in 7) 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 6 bis 9 entsprechen dabei Verläufe, wie sie Fehlern, wie in den 2 bis 5 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 6 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 in 1/s 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 7 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 8 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. Im Fehlerfall der abgefallenen Phase ist die Frequenz der Oszillation doppelt so hoch wie bei den vorher aufgezeigten Fehlerfällen und lässt sich somit eindeutig von diesen unterscheiden.
-
In 9 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.
-
10 zeigt genauer eine mögliche Schaltung des Erregerkreises. Dargestellt ist die Recheneinheit 140, die an die positive Seite B+ und die negative Seite B– des Bordnetzes angeschlossen ist, und die Läuferwicklung 110 bestromt. Hierzu ist ein Schalter 112, beispielsweise ein MOSFET, vorgesehen, der getaktet betrieben wird.
-
Ist der Schalter 112 geschlossen, fließt Strom von der positiven Seite B+ über den Schalter 112, einen ersten Verzweigungspunkt 116, die Läuferwicklung 110 und einen zweiten Verzweigungspunkt 115 zur negativen Seite B–.
-
Ist der Schalter 112 geöffnet, fließt Strom aus der Läuferwicklung 110 über eine zwischen den Verzweigungspunkten 115 und 116 parallel zur Läuferwicklung 110 geschaltete Freilaufdiode 111 zurück in die Läuferwicklung 110.
-
10 zeigt eine erste mögliche Erfassung des über die Läuferwicklung 110 fließenden Erregerstroms IE. Eine Messeinrichtung 113, beispielsweise eine Spannungsverfassung über einem Messshunt, ist in Reihe mit dem Schalter 112 zwischen einem Anschluss an die positive Seite B+ und dem ersten Verzweigungspunkt 116 angebracht.
-
Eine weitere (nicht dargestellte) Möglichkeit der Erfassung des Erregerstroms ist, die Messeinrichtung 113 ist in Reiher mit der Freilaufdiode 111 zwischen den Verzweigungspunkten 115 und 116 parallel zur Läuferwicklung 110 zu schalten.
-
Eine weitere (nicht dargestellte) Möglichkeit der Erfassung des Erregerstroms IE ist, die Messeinrichtung 113 zwischen den Verzweigungspunkten 115 und 116 in Reihe mit der Läuferwicklung 110 parallel zur Freilaufdiode 113 zu haben. Dies hat den Vorteil, dass der Erregerstrom IE in jedem Schaltzustand des Schalters 112 ermittelt werden kann.
-
Ein Spannungsmesser 117 kann vorgesehen sein, um die Generatorspannung U+ zu ermitteln.
-
11 zeigt schematisch einen möglichen Regelkreis zur Regelung der Ansteuerung des Schalters 112, und eine mögliche Erkennung der in den 2 bis 5 illustrierten Fehler.
-
Ein Sollwert U+, soll der Generatorspannung U+ wird einem Block 121 übermittelt, dem optional der vom Spannungsmesser 117 ermittelte Ist-Wert der Generatorspannung U+ zugeführt wird. Aus dem Generatorspannungs-Sollwert U+, soll und optional der Generatorspannung U+ wird ein Sollwert des Erregerstroms IEsoll ermittelt, beispielsweise über ein Kennfeld. Dieser Sollwertwert IEsoll wird einem Block 122 übermittelt, dem ebenfalls der von der Messeinrichtung 113 ermittelte Istwert des Erregerstroms IE übermittelt wird. Der Block 122 ermittelt aus Sollwert IEsoll und Istwert IE des Erregerstroms ein Ansteuersignal S, mit dem der Schalter 112 angesteuert wird.
-
Durch Ansteuerung des Schalters 112 und die Wirkzusammenhänge in der Generatoreinheit ergeben sich Auswirkungen auf den Istwert IE des Erregerstroms und die Generatorspannung U+, welche von den Sensoren 113, 117 ermittelt werden. Damit schließt sich der Regelkreis.
-
Sollwert IEsoll und Istwert IE des Erregerstroms können einem Differenzblock zugeführt werden, der hieraus eine Abweichung ΔI = IEsoll – IE ermittelt. Diese Abweichung ΔI wird einem Block 119 zugeführt, der abhängig von dieser Abweichung ermittelt, ob einer der in 2 bis 5 illustrierten Fehler vorliegt.
-
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass dann auf Fehler entschieden wird, wenn ein Absolutbetrag der Abweichung ΔI größer ist als ein vorgebbarer Schwellwert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
