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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Generatoreinheit sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Kraftfahrzeuge verfügen über ein Bordnetz, das über eine als Generator betriebene elektrische Maschine beispielsweise eine fremderregte Synchronmaschine mit einer Läuferwicklung (Erregerwicklung) und einer Ständerwicklung, mit Spannung versorgt wird. Zur Regelung der Bordnetzspannung kann dabei ein Erregerstrom (d.h. Strom durch die Läuferwicklung) 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. Üblicherweise weist die Ständerwicklung drei oder fünf (ohne Beschränkung) Phasenwicklungen bzw. Phasen (z.B. U, V, W) auf, die mit dem Gleichrichter verbunden sind. Bei solchen Generatoreinheiten können Fehler wie beispielsweise Kurzschlüsse auftreten, die nach Möglichkeit erkannt werden sollten.
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Aus der
JP 33 74 543 B2 ist beispielsweise ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers im Gleichrichter bekannt. Hierzu wird ein Phasenspannungssignal (d.h. die an einer der Phasen anliegende Spannung vor der Gleichrichtung) mit der Hälfte des Batteriespannungssignals verglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben 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.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer Generatoreinheit, welche eine elektrische Maschine mit Läuferwicklung und Ständerwicklung mit mehreren Phasen und einen daran angeschlossenen Gleichrichter, über den die elektrische Maschine an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, aufweist. Dabei wird ein Verlauf einer Phasenspannung einer mit dem Gleichrichter verbundenen Phase überwacht. Wenn nun ein Ausmaß einer zeitlichen Veränderung, also insbesondere beispielsweise einer Oszillation (auch mit dem Begriff „Toggeln“ bezeichnet) der Phasenspannung unterhalb eines zugehörigen Phasenspannungsschwellwertes liegt, so wird anhand eines Ausmaßes einer zeitlichen Veränderung (auch hier kann es sich insbesondere um eine Oszillation bzw. ein „Toggeln“ handeln) eines Erregerstroms durch die Läuferwicklung der elektrischen Maschine zwischen einem Stillstand der elektrischen Maschine und einem Fehler des Gleichrichters unterschieden.
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Beim Betrieb einer solchen Gleichrichtereinheit, also insbesondere entsprechenden Reglern, kann üblicherweise durch Beobachtung einer Phasenspannung entschieden werden, ob sich eine elektrische Maschine bzw. ein Generator im Stillstand befindet. Dabei kann bislang auf Stillstand entschieden bzw. geschlossen werden, wenn eine zeitliche Veränderung der Phasenspannung unterhalb des zugehörigen Phasenspannungsschwellwertes liegt, also insbesondere überhaupt keine zeitliche Veränderung bzw. keine Oszillation oder kein Toggeln auftritt. Sofern jedoch eine zeitliche Veränderung der Spannung erkannt wird, kann beispielsweise anhand der Frequenz der Spannungsänderung (bzw. der Oszillation der Phasenspannung) die aktuelle Drehzahl der elektrischen Maschine bzw. des Generators ermittelt werden.
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Bei Vorliegen eines Fehlers des Gleichrichters bzw. eines Gleichrichterdefekts, insbesondere bei der betreffenden Phase, von welcher die Phasenspannung ermittelt bzw. erfasst wird, tritt auch bei drehendem Generator keine nennenswerte zeitliche Veränderung der Phasenspannung mehr auf und es würde fälschlicherweise auf Stillstand der elektrischen Maschine entschieden. Im Stillstand wird vom Regler dann vorzugsweise ein fester bzw. vorgegebener Erregerstrom bzw. ein festes Tastverhältnis eingestellt und es wird nicht die Spannung des Bordnetzes geregelt, wie dies bei regulärem Betrieb in der Regel der Fall ist. Dadurch kann es je nach Last und Drehzahl beispielsweise zu Unterspannung oder Überspannung kommen.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann nun jedoch für den Fall, dass die zeitliche Veränderung der Phasenspannung unterhalb des Phasenspannungsschwellwertes liegt bzw. gar nicht vorhanden ist, zwischen den Zuständen Stillstand der elektrischen Maschine und Fehler des Gleichrichters unterschieden werden. Dadurch wird die Verfügbarkeit der elektrischen Maschine bzw. des Generators verbessert und die Versorgung des Bordnetzes auch im beschriebenen Fehlerfall sichergestellt. Auch kann eine Überspannung als Folge des Fehlers vermieden werden.
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Besonders bevorzugt ist dabei, dass, wenn das Ausmaß der zeitlichen Veränderung des Erregerstroms unterhalb eines zugehörigen Erregerstromschwellwertes liegt (bzw. insbesondere gar keine zeitliche Veränderung vorliegt), auf den Stillstand der elektrischen Maschine geschlossen wird.
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Ebenso ist es besonders bevorzugt, dass, wenn das Ausmaß der zeitlichen Veränderung des Erregerstroms oberhalb eines zugehörigen Erregerstromschwellwertes liegt, auf den Fehler des Gleichrichters geschlossen wird. Zweckmäßigerweise kann die Generatoreinheit dann in einem Notbetrieb betrieben werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sich der Verlauf des Erregerstroms für die Zustände Stillstand der elektrischen Maschine und Fehler des Gleichrichters unterscheidet. Insbesondere kommt es nämlich bei einer Rotation des Läufers zu einer Wechselwirkung bzw. Induktion mit der Ständerwicklung, welche sich in Schwankungen des Erregerstroms niederschlägt.
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Als Fehler des Gleichrichters kommen insbesondere ein Kurschluss oder eine Unterbrechung des Gleichrichters bzw. eines Gleichrichterelements (z.B. Diode oder Halbleiterschalter) in Betracht. Ein solcher Kurzschluss kann insbesondere in einem High-Side-Pfad zwischen einer Phase und dem Bordnetz oder in einem Low-Side-Pfad zwischen einer Phase und Masse vorliegen. Ebenso kann ein Kurzschluss zwischen zwei Phasen gegeben sein. Die Unterbrechung kann insbesondere ein dauernd nicht-leitendes Gleichrichterelement oder eine Abtrennung einer Phase von dem Gleichrichter betreffen.
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Als zeitliche Veränderung sowohl bei der Phasenspannung als auch beim Erregerstrom kommen dabei, wie schon erwähnt, insbesondere Oszillationen bzw. ein sog. Toggeln in Betracht. Der jeweilige Schwellwert, also der Phasenschwellwert bzw. der Erregerstromschwellwert, können dabei insbesondere so gewählt werden, dass etwaige Messunsicherheiten noch nicht zu einem ungewollten Erkennen einer zeitlichen Veränderung führen. Denkbar ist jedoch auch, dass der Schwellwert Null ist, d.h. dass zum Erkennen eines Stillstands keine zeitliche Änderung vorliegen darf.
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Für den Fall, dass auf einen Fehler des Gleichrichters geschlossen und ein Notbetrieb durchgeführt wird, kann ein solcher Notbetrieb bevorzugt wenigstens eine der folgenden Maßnahmen umfassen:
- - eine Spannung des Bordnetzes wird auf einen vorgegebenen Wert geregelt (eine solche Spannung kann dabei beispielsweise über eine Kommunikationsschnittstelle vorgegeben oder im Sinne eines „Default-Wertes“ vorab eingestellt sein,
- - eine Leistung der Generatoreinheit wird begrenzt (dies kann beispielsweise durch Begrenzung des Erregerstroms und/oder eines Tastverhältnisses hierfür erfolgen, um so die elektrische Maschine oder den Gleichrichter, dort insbesondere Halbleiterkomponenten oder dergleichen, vor weiteren Schäden zu schützen),
- - der Fehler des Gleichrichters wird über eine Kommunikationsschnittstelle angezeigt (so können beispielsweise auch in anderen Steuergeräten nötige Vorkehrungen oder Gegenmaßnahmen getroffen werden, es kann aber auch ein Fehlerspeichereintrag erzeugt werden),
- - der Fehler des Gleichrichters wird bei einem Start der Brennkraftmaschine berücksichtigt. Die Tatsache eines Gleichrichterdefekts kann im Startverhalten besondere Berücksichtigung finden, da mit herkömmlichen Reglern im Fall eines Gleichrichterdefekts das Startverhalten gestört ist. Durch Auswertung der Erregerstromschwingung können das Überschreiten der Startdrehzahl des Generators erkannt werden und im Regler entsprechende Zustandswechsel eingeleitet werden.
- - eine Regelung der Spannung des Bordnetzes und/oder des Erregerstroms (insbesondere betrifft dies Regelparameter (d.h. Parameter der Übertragungsfunktion) der Regelung bzw. des Regelalgorithmus) wird an eine höhere Welligkeit der Spannung des Bordnetzes angepasst (denkbar ist dabei auch noch eine angepasste Filterung bei der Messwerterfassung hierfür),
- - Plausibilisierung des erkannten Fehlers durch Erfassung einer Welligkeit an einem positiven Gleichspannungsanschluss des Gleichrichters. Durch die Erfassung einer Welligkeit der Spannung am positiven Gleichspannungsanschluss (also der B+-Spannung) wird eine zusätzliche Plausibilisierung der Defekterkennung ermöglicht. Dies hat den Hintergrund, dass mit einem Gleichrichterdefekt auch eine Welligkeit (also eine zeitliche Veränderung, insbesondere eine Oszillation) des Generatorstroms einhergeht, was wiederum zu einer Welligkeit der Spannung am positiven Gleichspannungsanschluss führt. Dies kann vorzugsweise bei Betriebszuständen mit hohem Abgabestrom, d.h. hohem Erregerstrom erfasst werden.
- - basierend auf einer Frequenz einer Oszillation des Erregerstroms wird eine Drehzahl der elektrischen Maschine ermittelt und insbesondere über eine Kommunikationsschnittstelle bereitgestellt (beispielsweise für andere Funktionen, oder auch intern in der Generatoreinheit für andere Funktionen), und
- - es wird ein Zustandswechsel der Generatoreinheit in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahl durchgeführt (es kann also beispielsweise auf den Zustand Stillstand erkannt werden, auch wenn zuvor der Fehler des Gleichrichters erkannt wurde).
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Vorzugsweise wird, wenn das Ausmaß der zeitlichen Veränderung der Phasenspannung oberhalb eines zugehörigen Schwellwertes liegt, weder auf den Stillstand der elektrischen Maschine noch auf den Fehler des Gleichrichters, sondern insbesondere auf einen ordnungsgemäßen Betrieb der Gleichrichtereinheit, geschlossen. Dies entspricht also auch dem bislang üblichen Verfahren, da hier keine besondere Unterscheidung mehr nötig ist.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, insbesondere ein Generatorregler, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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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.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine Generatoreinheit mit elektrischer Maschine, Gleichrichter und Generatorregler, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
- 2a zeigt in Diagrammen Spannungs- und Stromverläufe bei einem Fehler des Gleichrichters.
- 2b zeigt schematisch den Verlauf von Phasenspannungen und Phasenströmen beim Eintreten eines Gleichrichterdefekts.
- 3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform. Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch eine 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.
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Die elektrische Maschine 100 und somit deren Ständerwicklung 120 ist vorliegend mit fünf Phasen U, V, W, X und Y 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, beispielsweise drei, sieben oder mehr durchführbar ist. Ebenso ist es möglich, anstelle der Dioden geeignete Halbleiterschalter zu verwenden.
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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.
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In 2a sind Verläufe der Generatorspannung U+, des Generatorstroms IG , der Phasenspannung UY der Phase Y und des Erregerstroms IE über der Zeit t gezeigt. Vor dem Zeitpunkt to herrscht ein normaler Betrieb der Anordnung und zum Zeitpunkt to tritt ein Fehler im Gleichrichter auf.
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Insbesondere ist hier ein Fall zu sehen, bei dem der Fehler einen Kurzschluss in einem High-Side-Pfad in Bezug auf die Phase Y betrifft. Dies kann beispielsweise bei einem Kurzschluss der zugehörigen Diode 131 auftreten. Bei der Generatorspannung macht sich dieser Fehler nur kurzzeitig nach Auftreten des Fehlers bemerkbar und der Generatorstrom nimmt ab.
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Die Phasenspannung UY verändert sich dahingehend, dass keine üblichen Oszillationen mehr auftreten, sondern dass der Spannungswert dauerhaft auf dem Wert B+ liegt, wie sich dies durch den erwähnten Kurzschluss ergibt. Damit liegt eine zeitliche Veränderung der Phasenspannung insbesondere unterhalb eines vorgegebenen Phasenspannungsschwellwerts.
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Im Erregerstrom hingegen ist eine deutliche Oszillation, und damit insbesondere eine zeitliche Veränderung über einem vorgebbaren Erregerstromschwellwert, zu sehen. 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.
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2b zeigt ergänzend zu 2a schematisch den Verlauf von Phasenspannungen und Phasenströmen beim Eintreten eines Gleichrichterdefekts, hier am Beispiel einer dreiphasigen elektrischen Maschine. Dazu sind in den drei oberen Diagrammen Spannungen U an Phasen, im unteren Diagramm die Ströme I der drei Phasen über der Zeit t dargestellt.
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Während die ganz oben dargestellte Spannung U1 bzw. Phase in etwa zum Zeitpunkt to aufgrund eines High-Side-Kurzschlusses am Gleichrichter den Verlauf ändert (vergleichbar der Phasenspannung UY gemäß 2a), bleiben die beiden anderen Spannungen U2 , U3 bzw. Phasen in Ordnung, ändern allerdings, wie zu sehen, leicht den Verlauf.
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Im unteren Diagramm ist zu sehen, dass der zur ersten Phase gehörige Strom I1 ansteigt, während die beiden anderen Ströme I2 , I3 sich nur leicht ändern, allerdings im Mittel etwas absinken.
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In 3 ist nun schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Zunächst wird in einem Schritt 300 die Phasenspannung überwacht und deren zeitliche Veränderung wird mit einem Phasenspannungsschwellwert Su verglichen.
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Wird ermittelt, dass die zeitliche Veränderung oberhalb des Phasenspannungsschwellwerts Su liegt, so kann von einem normalen Betrieb ausgegangen werden, wie hier mit Schritt 310 angedeutet. So kann hier dann beispielsweise anhand des Verlaufs der Phasenspannung bzw. dessen Frequenz eine Drehzahl der elektrischen Maschine ermittelt werden.
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Wird ermittelt, dass die zeitliche Veränderung unterhalb des Phasenspannungsschwellwerts Su liegt, so wird in einem Schritt 320 der Erregerstrom bzw. dessen Verlauf erfasst und es wird dessen zeitliche Veränderung mit einem Erregerstromschwellwert SE verglichen.
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Wird ermittelt, dass die zeitliche Veränderung des Erregerstroms oberhalb des Erregerstromschwellwerts SE liegt, so wird auf einen Fehler des Gleichrichters geschlossen, wie zuvor in Bezug auf 2 beispielhaft erläutert und hier mit Schritt 321 angedeutet. Dann kann zudem in einen Notbetrieb gewechselt werden, in dem beispielsweise die eingangs erwähnten Maßnahmen oder zumindest einige davon ergriffen werden.
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Wird ermittelt, dass die zeitliche Veränderung des Erregerstroms unterhalb des Erregerstromschwellwerts SE liegt, so wird auf einen Stillstand der elektrischen geschlossen, wie hier mit Schritt 322 angedeutet. Auch hier können dann ggf. geeignete weitere Aktionen vorgenommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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