DE102018218692A1

DE102018218692A1 - Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102018218692A1
Application number: DE102018218692.8A
Authority: DE
Inventors: Yi Wang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2020-04-30
Also published as: CN111123097A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands (100A, 100B, 100C, 100D) einer elektrischen Maschine (100) mit einem Rotor (120), einem Stator (110) und einer mit dem Stator (110) verbundenen Gleichrichterschaltung (130), wobei ein zeitlicher Verlauf (200A, 200B, 200C, 200D) eines Anschlusswerts (UB+; IB+) der elektrischen Maschine (100) erfasst wird (310), wobei aus dem erfassten zeitlichen Verlauf (200A, 200B, 200C, 200D) des Anschlusswerts (UB+, IB+) ein Evaluationswert (300A, 300B, 300C, 300D) bestimmt wird (320), wobei der bestimmte Evaluationswert (300A, 300B, 300C, 300D) mit einem Referenzwert (300) korreliert wird (330) und wobei in Abhängigkeit von einem Korrelationsergebnis (400A, 400B, 400C, 400D) bewertet wird, ob ein Fehlerzustand (100A, 100B, 100C, 100D) der elektrischen Maschine vorliegt (341) oder nicht (342).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Um Netze bzw. Laststromkreise zu versorgen, können verschiedene Arten von Stromerzeugern verwendet werden. Beispielsweise kann mittels Drehstromgeneratoren ein mehrphasiger Strom erzeugt werden. Zur Speisung von Gleichstromnetzen aus derartigen Drehstromgeneratoren können als Gleichrichter betriebene Umrichter eingesetzt werden, um einen von der Drehstromquelle erzeugten mehrphasigen Strom in Gleichstrom zu wandeln. Die Gleichrichtung kann mittels passiver (Dioden) oder aktiver (Halbleiterschalter) Gleichrichterelemente erfolgen. Bei einem aktiven Gleichrichter ist neben dem Feldregler auch eine entsprechende Ansteuerschaltung Teil des Generatorreglers. Oftmals können Drehstromgeneratoren als elektrische Maschinen realisiert sein, welche generatorisch betrieben werden können, um elektrische Energie zu erzeugen, oder motorisch, um elektrische Energie in mechanische zu wandeln.
Beispielsweise können derartige Stromerzeuger in Kraftfahrzeugen zur Versorgung eines Kraftfahrzeugbordnetzes verwendet werden. Eine entsprechende elektrische Maschine kann beispielsweise generatorisch betrieben werden, um das Kraftfahrzeugbordnetz zu versorgen oder eine Kraftfahrzeugbatterie zu laden. Zu diesem Zweck kann die elektrische Maschine über sog. Endstufen bzw. Endstufenschaltung mit dem Bordnetz verbunden oder von diesem getrennt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands einer elektrischen Maschine 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.
Die elektrische Maschine kann insbesondere als ein Generator ausgebildet sein, z.B. als Klauenpol- oder Schenkelpolgenerator, und/oder insbesondere als eine elektrische Maschine, welche motorisch und/oder generatorisch betrieben werden kann. Die elektrische Maschine weist insbesondere einen Rotor und einen Stator auf sowie eine mit dem Stator verbundene Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten einer an dem Stator anliegenden Wechselspannung. Die Gleichrichterschaltung kann insbesondere Brückenschaltungen aus passiven Schaltelemente, insbesondere Dioden, oder aus aktiven Schaltelementen, insbesondere Halbleiterschalter wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), aufweisen.
Durch die Erfindung wird eine Möglichkeit bereitgestellt, auf einfache Weise unterschiedliche Fehlerzustände der elektrischen Maschine und deren Stärke zu erkennen. Auch eine Klassifikation nach Art, Umfang und Fortschritt des Fehlers ist daher grundsätzlich möglich.
Im Rahmen des Verfahrens wird ein zeitlicher Verlauf eines Anschlusswerts der elektrischen Maschine erfasst, insbesondere eines Spannungswerts oder Stromwerts einer von der elektrischen Maschine bereitgestellten Gleichspannung, insbesondere der gleichgerichteten Generatorspannung oder eines entsprechenden Stroms. Aus dem erfassten zeitlichen Verlauf des Anschlusswerts wird ein Evaluationswert bestimmt. Der bestimmte Evaluationswert wird mit einem Referenzwert korreliert und in Abhängigkeit von einem Korrelationsergebnis wird bewertet, ob ein Fehlerzustand der elektrischen Maschine vorliegt oder nicht.
Insbesondere ist dieser Referenzwert ein theoretischer Wert, der eine fehlerfreie elektrische Maschine beschreibt. Durch den Vergleich von Referenz- und Evaluationswert können insbesondere unterschiedliche Fehlerzustände der elektrischen Maschine erkannt werden. Für die Fehlererkennung wird somit insbesondere nur ein Signal benötigt, nämlich der zeitliche Spannungsverlauf, welcher insbesondere auf konstruktiv einfache Weise messtechnisch erfasst werden kann und insbesondere im Zuge des regulären Betriebs der elektrischen Maschine ohnehin erfasst wird. Zweckmäßigerweise wird somit keine zusätzliche Hardware beispielsweise in der Form von zusätzlichen Messgeräten benötigt.
Bei einer fehlerfreien elektrischen Maschine weist der entsprechende Spannungsverlauf insbesondere charakteristische Eigenschaften auf. Der Evaluationswert besitzt dabei einen charakteristischen Wert, welcher insbesondere dem Referenzwert entspricht. Bei Fehlerzuständen der elektrischen Maschine verändern sich die Eigenschaften des Spannungsverlaufs. Je nach vorliegendem Fehlerzustand verändern sich die Eigenschaften auf eine unterschiedliche Art und Weise und somit auch insbesondere der Evaluationswert. Durch Auswerten des Korrelationsergebnisses kann somit auf einen vorliegenden Fehlerzustand, sowie auf eine dessen Art und Umfang, rückgeschlossen werden. Insbesondere ist die Fehlererkennung unabhängig von einer Drehzahl und Belastung der elektrischen Maschine, ein Fehlerzustand kann also bei beliebiger Drehzahl und Belastung zuverlässig erkannt werden. Auch ist die Art der Fehlerermittlung durch Korrelation mit einem Referenzwert sehr robust gegenüber etwaigen Betriebs- bzw. Störfaktoren, die typischerweise eine Fehlerermittlung erschweren.
Vorteilhafterweise wird der Evaluationswert und/oder der Referenzwert derart ermittelt, dass der zeitliche Verlauf des Anschlusswerts gefiltert wird, wobei die Filterung vorzugsweise mittels eines Hochpassfilters und/oder eines Tiefpassfilters, besonders bevorzugt eines sog. „moving average filters“ und/oder eines entsprechenden Bandpassfilters erfolgt. Eine Filterung der Eingangsdaten ist vorteilhaft, da man sich hierdurch besonders einfach etwaiger Störeinflüsse wie z.B. Rauschen oder sonstiger, dem Messsignal überlagerter höher- oder niederfrequenter Signale, entledigen kann.
Bei fehlerfreiem Betrieb der elektrischen Maschine besitzt der zeitliche Spannungsverlauf insbesondere eine charakteristische, sich periodisch wiederholende Form. Dies gilt in der Regel auch für die Spannungsverläufe, die sich im Falle der nachfolgend noch näher beschriebenen Fehlerzustände ergeben, jedoch mit dem Unterschied, dass die jeweiligen hierfür charakteristischen Abfolgen der lokalen Maxima und Minima sich in einer zur Referenz verschiedenen Periodizität oder quasiperiodisch wiederholen. Auch die Abfolge der Maxima und Minima sowie deren jeweiligen Amplituden sind charakteristisch für Art, Umfang und zeitlichen Fortschritt der jeweiligen Fehlerzustände. Demnach kann anhand einer Korrelation des jeweiligen sich aus dem Messwert im Fehlerzustand ergebenden Evaluationswerts und einer entsprechenden Referenz für eine fehlerfreie elektrische Maschine auf Art, Umfang und Fortschritt des Fehlerzustands rückgeschlossen werden.
Da die Fehlererkennung somit auf Statistik basiert, ist die Genauigkeit der Fehlererkennung insbesondere abhängig von der Menge der Messdaten, die zur Auswertung herangezogen werden. Je mehr Messdaten berücksichtig werden, desto genauer ist das Ergebnisse, insbesondere die Erkennung auf ein Vorliegen sowie Art und Umfang eines Fehlers der elektrischen Maschine. Vorzugsweise umfasst die Menge der Messdaten mindestens 90 Ausführungen des bestimmbaren wiederkehrenden Merkmals, insbesondere mindestens 100.
Zweckmäßigerweise wird der Spannungsverlauf daher für eine Zeitdauer von zwischen 30 ms und 100 ms erfasst, besonders bevorzugt für eine Zeitdauer von genau 50 ms oder zumindest im Wesentlichen 50 ms, bei einer Abtastrate von beispielsweise 10kHz. Grundsätzlich ist die Anzahl der Ausführungen abhängig von Drehzahl, der Polpaarzahl und der Phasenzahl (s. Gleichung 1). Die Anforderung an Abtastrate ist ebenfalls abhängig von der elektrischen Frequenz.
Insbesondere ist die Anzahl der bestimmten Ausführungen des wiederkehrenden Merkmals abhängig von der Zeitdauer und einer aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine. Beispielsweise können bei einer Drehzahl von 3000 rpm über eine Zeitdauer von 100 ms 180 Ausführungen des Merkmals bestimmt werden. Bei einer Drehzahl von 1800 rpm können über eine Zeitdauer von 100 ms beispielsweise 108 Ausführungen bestimmt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Evaluationswert und/oder der Referenzwert derart ermittelt, dass zumindest ein statistischer Wert des zeitlichen Verlaufs des Anschlusswerts, insbesondere der Mittelwert und/oder die Varianz bestimmt und der zeitliche Verlauf des Anschlusswerts, insbesondere des bereits gefilterten Anschlusswerts, mit dem statistischen Wert normiert wird. Es kann auch bevorzugt sein, dass die Schritte Normierung und Filterung vertauscht werden.
Eine derartige Normierung ist vorteilhaft, da die für den jeweiligen Fehlerzustand charakteristischen Verläufe des Anschlusswertes durch eine entsprechend Normierung direkt gegenübergestellt werden können. Durch eine entsprechende Korrelation der Ergebnisse mit einem Referenzwert, der vorzugsweise ebenfalls entsprechend normiert und ggf. gefiltert wird, kann die entsprechende Korrelation im Nachgang ausgewertet werden, um den jeweiligen Fehlerzustand zu ermitteln.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Korrelationsergebnis anhand einer Klassifikationsgröße auf das Vorliegen eines Fehlerzustands der elektrischen Maschine hin bewertet, wobei auf das Vorliegen eines Fehlerzustands entschieden wird, wenn die Klassifikationsgröße einen Schwellwert über- oder unterschreitet. Die Wahl einer entsprechenden Klassifikationsgröße aus dem Korrelationsergebnis ist vorteilhaft, um, insbesondere nach Abgleich mit einem Schwellwert, auf das Vorliegen eines Fehlerzustands zu schließen. Hierbei kommen insbesondere der Verlauf der Maxima der jeweiligen Korrelationsverläufe und/oder die Fläche, die durch die jeweiligen Einhüllenden der jeweiligen Korrelationsverläufe eingeschlossen wird, in Betracht. Diese Klassifikationsgrößen können bei einer Überprüfung mit einem Schwellwert, der sich aus den Daten einer nicht defekten elektrischen Maschine ergibt, abgeglichen und basierend hierauf entschieden werden, ob ein Fehlerzustand vorliegt oder nicht. Der Schwellwert kann sich hierbei insbesondere an den Korrelationsverläufen einer funktionstüchtigen elektrischen Maschine bemessen, die im Wesentlichen die Selbstkorrelation des Referenzsignals im funktionstüchtigen Zustand der elektrischen Maschine darstellt, oder auch aus einem gewissen Toleranzanteil hieraus gebildet werden. Hierbei kommt insbesondere in Betracht, dass eine elektrische Maschine auch dann noch für gut erachtet wird, wenn beispielsweise die Klassifikationsgröße im Falle einer Fläche, die durch die jeweiligen Einhüllenden eingeschlossen wird 90 Prozent, weiter vorzugsweise 80 %, der Referenzfläche einer nicht defekten elektrischen Maschine entspricht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann anhand der Klassifikationsgröße und/oder von Art und Umfang der Abweichung zumindest einer Klassifikationsgröße vom Schwellwert auf Art, Umfang und/oder Fortschritt des jeweiligen Fehlerzustands geschlossen werden.
Durch eine entsprechende Abweichung bzw. einer betragsmäßigen Abweichung vom Schwellwert können die jeweiligen Fehlerzustände grundsätzlich voneinander unterschieden werden. Hierbei ist es in der Regel typisch, dass die jeweiligen Fehlerzustände - insbesondere am Beispiel einer Bewertung anhand der durch die einhüllenden eingeschlossenen Flächen - innerhalb eines Flächenbandes verlaufen. Abhängig davon, in welchem Bereich des Flächenbandes sich die Klassifikationsgröße aus dem Korrelationsergebnis bewegt, kann auf die Schwere des jeweiligen Fehlers geschlossen werden. Wertet man zudem noch den Verlauf der jeweiligen Maxima im Korrelationsergebnis und/oder der Amplituden und/oder der Periodizität der Welligkeit des Korrelationsergebnisses, insbesondere der Einhüllenden, aus, kann anhand der Oberschwingungen ebenfalls auf den Umfang und/oder den Fortschritt des jeweiligen Fehlers rückgeschlossen werden.
Grundsätzlich sei angemerkt, dass die miteinander korrelierten Verläufe, nämlich der mittels Filterung und Normierung bearbeitete Anschlusswert eines jeweiligen Generators mit einem entsprechenden Referenzverlauf, jedenfalls innerhalb eines entsprechenden Messintervalls einen im Wesentlichen periodischen, zumindest einen quasi-periodischen und somit in ähnlicher Form zeitlich wiederkehrenden Verlauf aufweisen. Im Ergebnis hat somit auch der Korrelationsverlauf aus einem Evaluationswert bzw. Evaluationsverlauf mit einem Referenzverlauf eine entsprechende periodische bzw. quasi-periodische Struktur.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Klassifikationsgröße eine Fläche, die von dem jeweiligen Korrelationsergebnis eingeschlossen wird und/oder eine Einhüllende, die das jeweilige Korrelationsergebnis begrenzt.
Wie bereits zuvor erwähnt ist es besonders vorteilhaft und einfach in der Auswertung als Klassifikationsgröße die durch eine Einhüllende des Korrelationsverlaufs vorgegebene Fläche als Kriterium zur Ermittlung von Art, Umfang und/oder Fortschritt des jeweiligen Fehlerzustandes heranzuziehen, da dieses besonders robust in der Auswertung und im Rahmen einer vorgegebenen Recheneinheit mit sehr geringem Rechenaufwand ermittelbar ist.
Weiter ist es bevorzugt, zur Korrelation mit den entsprechenden Evaluationswerten einen Referenzwert heranzuziehen, der vorzugsweise aus einem Referenzverlauf des Spannungswerts bei einer fehlerfreien elektrischen Maschine bestimmt wird. Dieser Referenzverlauf kann während eines fehlerfreien Betriebs der elektrischen Maschine, beispielweise im Zuge eines Herstellungsprozesses, messtechnisch erfasst oder im Zuge eines theoretischen Models der elektrischen Maschine rechnerisch bestimmt werden und beispielweise in einem Steuergerät und/oder eine entsprechende Recheneinheit zur Ansteuerung der elektrischen Maschine hinterlegt werden. Diese Daten können dann unter Berücksichtigung entsprechender Betriebsparameter wie z.B. einer Drehzahl oder einer eines angelegten Erregerstroms, in der Recheneinheit hinterlegt werden.
Zudem kann der Referenzwert bzw. ein Referenzverlauf des Anschlusswerts aus einem Spannungswert, oder einem Stromwert oder einer daraus abgeleiteten Größe ermittelt werden, die anhand einer fehlerfreien elektrischen Maschine bestimmt wird oder entsprechend modellbasiert bestimmt wird.
Vorteilhafterweise wird in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis des Korrelationsergebnisses und/oder einer Klassifikationsgröße mit einem Schwellwert bewertet, ob als Fehlerzustand der elektrischen Maschine einer oder mehrere der folgenden Zustände vorliegen:

- eine Unterbrechung in einer Phase, wobei ein erhöhter Widerstand zwischen einem Phasenanschluss des Stators und der Gleichrichterschaltung, insbesondere einem Mittelabgriff einer Halbbrücke der Gleichrichterschaltung, vorliegt;
- ein Kurzschluss zwischen zwei Phasen der elektrischen Maschine, wobei ein verringerter, insbesondere verschwindender Widerstand zwischen zwei Phasenanschlüssen des Stators vorliegt;
- eine Unterbrechung in einem Schaltelementpfad, wobei ein erhöhter Widerstand zwischen zwei Schaltelementen einer Halbbrücke der Gleichrichterschaltung vorliegt;
- ein Kurzschluss in einem Schaltelementpfad, wobei ein verringerter insbesondere verschwindender Widerstand über einem Schaltelement der Gleichrichterschaltung vorliegt.

Insbesondere kann in Abhängigkeit von der Abweichung des Korrelationsergebnisses und/oder der Klassifikationsgröße von dem Referenzwert die Stärke dieser Fehlerzustände bewertet werden. Je größer der Widerstandwert bei einer Unterbrechung, umso stärker ist der entsprechende Fehlerzustand ausgeprägt. Je kleiner der Widerstandwert bei einem Kurzschluss, umso stärker ist dieser entsprechende Fehlerzustand.
Vorteilhafterweise wird ein zeitlicher Verlauf eines Spannungswerts einer an einer Gleichrichterschaltung der elektrischen Maschine anliegenden Gleichspannung der elektrischen Maschine erfasst. Der Spannungswert kann insbesondere zwischen Gleichspannungsanschlüssen der elektrischen Maschine bzw. der Gleichrichterschaltung messtechnisch erfasst werden und wird zumeist ohnehin für den regulären Betrieb der elektrischen Maschine erfasst.
Besonders vorteilhaft eignet sich die Erfindung für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Durch die elektrische Maschine kann dabei beispielsweise ein Kraftfahrzeugbordnetz gespeist und/oder eine Kraftfahrzeugbatterie geladen werden. Ein Kraftfahrzeugbordnetz kann dabei an Gleichspannungsanschlüsse der Gleichrichterschaltung angeschlossen werden. Insbesondere wird im Rahmen des Verfahrens ein zeitlicher Verlauf einer zwischen diesen Gleichspannungsanschlüssen anliegenden Gleichspannung erfasst und aus diesem Gleichspannungsverlauf wird der Evaluationswert bestimmt. Das Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands kann dabei beispielsweise von einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden. Die Erfindung eignet sich beispielsweise besonders für Fahrzeuge mit Funktionen, die erhöhte Sicherheitsanforderungen besitzen, z.B. automatisiertes oder autonomes Fahren, oder für Fahrzeuge mit langen Wartungsintervallen, z.B. Nutzfahrzeuge.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, 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 von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine mit einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
2 zeigt schematisch ein Spannungs-Zeit-Diagramm eines zeitlichen Verlaufs eines Spannungswerts, welcher im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann.
3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.
4 bis 7 zeigen jeweils schematisch eine elektrische Maschine in einem Fehlerzustand und jeweils schematisch ein Spannungs-Zeit-Diagramm eines zeitlichen Verlaufs eines Spannungswerts, welcher im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem jeweiligen Fehlerzustand der elektrischen Maschine bestimmt werden kann.
8 zeigt schematisch Spannungs-Zeit-Diagramme von gefilterten, normierten zeitlichen Verläufen von Spannungswerten, die im Zuge bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden können.
9 zeigt schematisch einen Korrelationsverlauf zwischen einem Referenzsignal und der in den 8 a) bis 8 d) dargestellten Spannungs- Zeit-Diagrammen.
10 zeigt schematisch Einhüllende der in 9 dargestellten Korrelationsverläufe.

In 1 ist eine elektrische Maschine in Form eines Generators schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
Die elektrische Maschine 100 ist in diesem Beispiel als eine dreiphasige elektrische Maschine ausgeführt, wobei Ständerinduktivitäten (Phasen) eines Stators 110 zu einer Dreieckschaltung verbunden sind. Ein Rotor 120 weist eine Erregerwicklung 121 mit einer parallel geschalteten Diode auf. In einem Erregerstromkreis kann weiterhin ein Erregertransistor 122 vorgesehen sein. Durch Ein- und Ausschalten des Erregertransistors 122, üblicherweise mittels PWM-Betriebs, wird an die Erregerwicklung 121 eine Spannung (hier die gleichgerichtete Generatorspannung) intermittierend angelegt, worauf sich ein Erregerstrom einstellt. Durch Verändern der Tastrate des PWM-Betriebs sind insbesondere die Höhe des Erregerstroms und damit die Höhe der Generatorspannung veränderbar.
Die elektrische Maschine 100 weist weiterhin eine mit dem Stator 110 verbundene Gleichrichterschaltung 130 mit drei Halbbrücken zum Gleichrichten einer an dem Stator 110 anliegenden dreiphasigen Wechselspannung auf. Jede Halbbrücke weist zwischen ihren zwei hier als Dioden ausgebildeten Gleichrichtelementen jeweils einen Mittelabgriff auf, über welchen die jeweilige Halbbrücke mit einem Phasenanschluss des Stators 110 verbunden ist.
Zwischen zwei Gleichspannungsanschlüssen 140 der Gleichrichterschaltung 130 wird eine Gleichspannung UB+ als gleichgerichtete Generatorspannung bereitgestellt. Die elektrische Maschine 100 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Versorgen eines Kraftfahrzeugbordnetzes verwendet werden, welches mit den Gleichspannungsanschlüssen 140 verbunden ist.
Eine Recheneinheit 150 ist zum Ansteuern der elektrischen Maschine 100 vorgesehen. Beispielsweise kann die Recheneinheit 150 als ein Steuergerät des entsprechenden Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Die Recheneinheit 150 ist dazu eingerichtet, eine Erkennung von Fehlerzuständen der elektrischen Maschine durchzuführen. Zu diesem Zweck ist die Recheneinheit 150, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
In 2 ist in einem Spannungs-Zeit-Diagramm der zeitliche Verlauf 200 der Gleichspannung UB+ bei einem fehlerfreien Zustand der elektrischen Maschine 100 schematisch dargestellt.
Dieser Spannungsverlauf 200 ist insbesondere Grundlage für einen möglichen Referenzverlauf 200 der Gleichspannung UB+ im fehlerfreien Zustand der elektrischen Maschine 100 und kann beispielsweise während eines fehlerfreien Betriebs der elektrischen Maschine 100, beispielsweise im Zuge eines Herstellungsprozesses, messtechnisch erfasst oder im Zuge eines theoretischen Modells der elektrischen Maschine 100 rechnerisch bestimmt werden. Auch eine weitere messtechnische Verarbeitung dieses Signals, insbesondere eine Filterung, Glättung und/oder Normierung ist möglich, um eine Signalgüte zu erhöhen.
Der zeitliche Verlauf 200 der Gleichspannung UB+ hat eine typische Form, die insbesondere von der Anzahl der Phasen n_phase, der Anzahl der Polpaare n_pol und der Drehzahl n_gen der elektrischen Maschine 100 abhängig ist. Insbesondere kann eine Periode T_el des zeitlichen Verlaufs dieser Gleichspannung wie folgt berechnet werden: $\frac{1}{T_{e l}} = \frac{2 * n_{p o l} * n_{p h a s e} * n_{g e n}}{60}$
Wie in 2 zu erkennen ist, besitzt der zeitliche Verlauf 200 der Gleichspannung UB+ bei fehlerfreiem Zustand der elektrischen Maschine 100 in jeder Periode ein lokales Extremum bzw. einen lokalen Peak an derselben oder im Wesentlichen derselben Position. Insbesondere entspricht dieser lokale Peak einem Maximalwert einer Halbwelle in dieser Anwendung. Bei gleichbleibender Drehzahl ist der Abstand zwischen zwei benachbarten lokalen Extrema idealerweise konstant bzw. die Extrema liegen immer an derselben Position.
Bei einem Fehlerzustand der elektrischen Maschine 100 verändert sich die Form bzw. die charakteristischen lokalen Maxima und Minima im Spannungsverlauf der Gleichspannung UB+ in Abhängigkeit von dem vorliegenden Fehlerzustand und der Stärke des jeweiligen Fehlers. Entsprechendes gilt auch für einen Strom IB+ oder einer aus der Gleichspannung UB+ oder dem Strom IB+ abgeleiteten Größe XB+. Somit verändert sich ebenfalls die Verteilung der lokalen Peaks sowie deren charakteristische Form und deren zeitlicher Verlauf, insbesondere unter Heranziehung einer Halbwertsbreite oder Periodizität oder einer sonstigen für den zeitlichen Verlauf eines Peaks charakteristischen Größe. Wird nun ein derartiges Fehlerbild, das im Vorfeld noch einer Datenaufbereitung, insbesondere einer Filterung und/oder Normierung, unterzogen wird, mit einem Referenzsignal korreliert kann anhand des Korrelationsergebnisses 400, 400A, 400B, 400C, 400D bewertet werden, ob und in welchem Umfang oder Ausprägung ein jeweiliger Fehlerzustand 100A, 100B, 100C, 100D der elektrischen Maschine 100 vorliegt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches zweckmäßigerweise von dem Steuergerät 150 durchgeführt werden kann, ist in 3 schematisch als ein Blockdiagramm dargestellt.
Im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine 100 wird in Schritt 310 der zeitliche Verlauf der Gleichspannung UB+, beispielsweise für eine Zeitdauer von 10 ms (vgl. insbesondere 8), erfasst.
In Schritt 320 wird aus diesem erfassten zeitlichen Verlauf der Gleichspannung UB+ ein Evaluationswert bestimmt. Da die Rohdaten 200, 200A, 200B, 200C, 200D der Messung mit Störungen und Rauschen behaftet sein können, werden die Rohdaten 200 200A, 200B, 200C, 200D, also der erfasste zeitliche Verlauf der Gleichspannung UB+, oder einer entsprechenden Größe IB+, XB+ zunächst in einem optionalen Schritt 321 durch ein Filter geglättet. Die Filterung kann hierbei vorzugsweise durch einen Bandpassfilter erfolgen. Auch ein Hoch- und/oder Tiefpassfilter können bevorzugt sein. Die geglätteten Daten werden in Schritt 322 mittels ihres Mittelwerts und der Varianz optional normiert, beispielsweise durch Subtraktion ihres Mittelwerts, damit die Signalverläufe deutlicher werden.
Eine Normierung ergibt sich insbesondere aus: $X_{i} = (X_{i 0} - mean (X)) . / sqrt (var (X)),$
wobei

X der Vektor des Signals ist,
X_io der Index-Wert in dem Vektor ist,
mean(X) der Mittelwert ist,
var(X) die Varianz ist,
sqrt(var(x)) die Standardabweichung ist.

Somit wird aus den gefilterten und normierten Anschlusswerten Evaluationswerte 300A, 300B, 300C und 300D und ein entsprechend bereinigter Referenzwert 300 generiert, auf deren Basis eine entsprechend sichere und robuste Fehlerermittlung gewährleistbar ist, da die jeweiligen Werte und Verläufe der Störung bereinigt und durch die Normierung entsprechend vergleichbar gemacht werden. Die Vergleichbarkeit der Evaluationswerte 300A, 300B, 300C und 300D eignen sich daher auch besonders für eine statistische Weiterverarbeitung und einer entsprechenden Extraktion eines Bewertungsergebnisses im Hinblick auf einen Fehlerzustand 100A, 100B, 100C und 100D.
In Schritt 330 werden nun die Evaluationswerte 300A, 300B, 300C und 300D mit dem Referenzwert 300 korreliert. Bei der Korrelation wird insbesondere mittels einer Korrelationsfunktion quantifiziert, wie groß der jeweilige Evaluationswert bzw. Evaluationswerteverlauf 300A, 300B, 300C und 300D insbesondere innerhalb eines vorgegebenen Intervalls mit einem entsprechenden Intervall eines Referenzverlaufs 300 übereinstimmt. Zur Ermittlung des Korrelationsergebnisses kann auf Standardfunktionen wie die sog. Kreuzkorrelationsfunktion zurückgegriffen werden. Hierbei wird ein Signal gegenüber einem anderen Signal in einem Zeitabschnitt von ganz „links“ nach ganz „rechts“ Schritt für Schritt verschoben. Zu jedem Schritt werden die überlagerten Werte miteinander multipliziert. Die Ergebnisse der Multiplikation werden dann addiert und als der Korrelationsindex für die jeweilige Stelle gesetzt.
Ergebnis dieser Korrelation ist das Korrelationsergebnis 400, 400A, 400B, 400C und 400D, bei der sowohl die Evaluationswerte 300A, 300B, 300C und 300D mit dem Referenzwert 300 als auch der Referenzwert 300 mit sich selbst korreliert werden (Selbstkorrelation 400). Das Korrelationsergebnis 400, 400A, 400B, 400C und 400D ist somit ein Maß für die Übereinstimmung der jeweiligen Evaluationswerte mit dem Referenzwert 300 bzw. des Referenzwert mit sich selbst.
In Schritt 332 wird eine Klassifikationsgröße K, KA, KB, KC, KD ermittelt, anhand der auf das Vorliegen sowie auf Art, Umfang und Fortschritt eines Fehlerzustands 100A, 100A, 100C und 100A rückgeschlossen werden kann. Hierbei kann die Klassifikationsgröße K, KA, KB, KC, KD gegeben sein durch eine Einhüllende 600, 600A, 600B, 600C, 600D des Korrelationsergebnisses 400, 400A, 400B, 400C und 400D (vgl. hierzu 10). Die Klassifikationsgröße K, KA, KB, KC, KD kann auch durch die innerhalb der durch die jeweiligen Verläufe der Korrelationsergebnisse, 400, 400a, 400b, 400c und 400d und/oder innerhalb der jeweiligen Einhüllenden 600, 600A, 600B, 600C, 600D eingeschlossenen Flächen 500, 500A, 500B, 500C, 500D gegeben sein.
In Schritt 333 wird nun die entsprechende Klassifikationsgröße K, KA, KB, KC, KD mit einem Schwellwert G, GA, GB, GC, GD, vorzugsweise unter zusätzlicher Berücksichtigung einer sinnvollen Toleranzschwelle, verglichen, wobei bei Über- oder Unterschreiten der jeweiligen Toleranzschwelle, ggf. zuzüglich einer etwaigen Toleranzschwelle, erkannt wird, dass kein Fehlerzustand der elektrischen Maschine 100 vorliegt (Schritt 341) oder bei Überschreiten bzw. Unterschreiten der Klassifikationsgröße bezüglich eines vorgegebenen Schwellwertes G, GA, GB, GC, GD, gegebenenfalls zuzüglich eines entsprechenden weiteren Toleranzschwellwerts, wird in Schritt 342 auf eine entsprechende Fehlfunktion der elektrischen Maschine 100 geschlossen. Ob nun bei Über- oder Unterschreiten auf einen Fehler oder keinen Fehler bestimmt wird, hängt insbesondere davon ab, ob es sich betragsmäßig um eine untere Schranke oder eine obere Schranke handelt. Hierbei kommt insbesondere in Betracht, dass eine elektrische Maschine 100 auch dann noch für fehlerfrei erachtet wird, wenn beispielsweise die Klassifikationsgröße im Falle einer Fläche, die durch die jeweiligen Einhüllenden eingeschlossen wird 90 Prozent, weiter vorzugsweise 80 %, der Referenzfläche einer nicht defekten elektrischen Maschine 100 entspricht.
Anhand der Klassifikationsgröße und der den jeweiligen Fehlerzuständen 100A, 100B, 100C, 100D zugeordneten Schwellwerten G, GA, GB, GC, GD, können die jeweiligen Fehlerzustände 100A, 100B, 100C, 100D sicher einem entsprechenden Korrelationsergebnis bzw. einer entsprechenden Klassifikation zugeordnet werden. Anhand der Abweichung vom jeweiligen Schwellwert kann auch innerhalb eines Toleranzbandes auf die Schwere des jeweiligen Fehlerzustands geschlossen werden. Zudem können zusätzliche Größen, wie z.B. das Ausmaß der Welligkeit bzw. die Amplitude und/oder Periodizität der Welligkeit innerhalb des Korrelationsergebnisses 400. 400A, 400B, 400C und 400D in einem weiteren Schritt 343 ausgewertet und zur Ermittlung von Umfang und zeitlichem Fortschritt des Fehlerzustands 100A, 100B, 100C, 100D herangezogen werden.
Die Stärke bzw. der zeitliche Fortschritt des jeweiligen Fehlerzustands 100A, 100B, 100C, 100D wird vorliegend in Schritt 343 ermittelt.
Insbesondere wird bei Erkennen eines Fehlerzustands 100A, 100B, 100C, 100D in Schritt 342 unter Berücksichtigung des Ausmaßes des Fehlers (Schritt 343) eine Sicherheits- bzw. Selbstschutz-Maßnahme durchgeführt, wodurch eine Warnfunktion aktiviert und eine entsprechende Information an den Benutzer ausgegeben werden kann, dass unmittelbar Wartungsmaßnahmen erforderlich sind. Auch eine Begrenzung der Belastung der elektrischen Maschine 100, insbesondere durch eine auf die Art der Schädigung angepassten begrenzten Erregerstrom, oder eine vergleichbare Maßnahme ist möglich.
Grundsätzlich versteht sich, dass der Referenzverlauf 200 einer funktionstüchtigen elektrischen Maschine 100, der als Grundlage für die weitergehenden Größen wie den Referenzwert 300 dienen, bei entsprechenden Drehzahlen der elektrischen Maschine 100 im Rahmen von Kennfeldern in einem Steuergerät 150 hinterlegt sein können. Der Referenzverlauf kann jedoch auch alternativ oder kumulativ im Rahmen eines theoretischen Models innerhalb des Steuergeräts 150 ermittelt werden.
Grundsätzlich können die Schwellwerte G, GA, GB, GC, GD derart gewählt werden, dass sie einerseits sicher eine Fehlfunktion 100A, 100B, 100C, 100D wiederspiegeln, aber andererseits auch eine entsprechende Abgrenzung der jeweils verschiedenen Fehlerzustände 100A, 100B, 100C, 100D zulassen. Somit können entsprechende Schwellwertbänder vorgegeben werden, die insbesondere die zuvor beschriebenen Kriterien erfüllen. Diese Schwellwertbänder sind in der Regel spezifisch für eine entsprechende elektrische Maschine 100 bzw. die dort verbauten Bauteile und können entsprechend auch im Steuergerät 150 der elektrischen Maschine 100 hinterlegt sein.
Im Nachfolgenden werden in Bezug auf die 4 bis 9 unterschiedliche Fehlerzustände der elektrischen Maschine beschrieben und wie diese Fehlerzustände im Rahmen des Verfahrens erkannt werden können.
In den 4 bis 7 ist die elektrische Maschine aus 1 schematisch in unterschiedlichen Fehlerzuständen dargestellt. Weiterhin sind in den 4 bis 7 analog zu 2 Spannungsverläufe der Gleichspannung UB+ schematisch dargestellt, welche in diesen Fehlerzuständen im Rahmen des Verfahrens in Schritt 310 erfasst werden können.
In 4a ist die elektrische Maschine aus 1 in einem ersten Fehlerzustand 100A schematisch dargestellt. In diesem ersten Fehlerzustand 100A liegt eine Unterbrechung in einer Phase vor, wobei ein erhöhter (ggf. unendlicher) Widerstand R₁ zwischen einem Phasenanschluss des Stators 110 und einem Mittelabgriff einer Halbbrücke der Gleichrichterschaltung 130 vorliegt. In 4b ist ein zeitlicher Verlauf 200A der Gleichspannung UB+ dargestellt, welcher in einem derartigen Fehlerzustand 100A im Rahmen des Verfahrens in Schritt 310 erfasst werden kann.
In 5a ist die elektrische Maschine in einem zweiten Fehlerzustand 100B schematisch dargestellt, in welchem ein Kurzschluss zwischen zwei Phasen der elektrischen Maschine 100 vorliegt, wobei ein verringerter, insbesondere verschwindender Widerstand R₂ zwischen zwei Phasenanschlüssen des Stators 110 vorliegt. In 5b ist ein zeitlicher Verlauf 200B der Gleichspannung UB+ dargestellt, welcher in diesem zweiten Fehlerzustand 100B im Rahmen des Verfahrens in Schritt 310 erfasst werden kann.
Ein dritter Fehlerzustand 100C der elektrischen Maschine ist in 6a dargestellt, wobei eine Unterbrechung in einem Schaltelementpfad der Gleichrichterschaltung 130 vorliegt. Dabei liegt ein erhöhter Widerstand (ggf. unendlicher) R₃ zwischen zwei Schaltelementen einer der Halbbrücke der Gleichrichterschaltung 130 vor. Ein entsprechender Verlauf 200C der Gleichspannung UB+, welcher in diesem dritten Fehlerzustand 100C erfasst werden kann, ist schematisch in 6b dargestellt.
In einem vierten Fehlerzustand 100D der elektrischen Maschine, der in 7a dargestellt ist, liegt ein Kurzschluss in einem Schaltelementpfad vor mit einem verringerten, insbesondere verschwindenden Widerstand R₄ über einem Schaltelement der Gleichrichterschaltung 130. 7b zeigt einen entsprechenden Verlauf 200D der Gleichspannung UB+, welcher in diesem vierten Fehlerzustand 100D erfasst werden kann
Analog zu obigen Erläuterungen in Bezug auf 3 können diese Verläufe 200A bzw. 200B bzw. 200C bzw. 200D in Schritt 310 des Verfahrens bestimmt werden, wenn der entsprechende Fehlerzustand 100A bzw. 100B bzw. 100C bzw. 100D der elektrischen Maschine vorliegt. Gemäß Schritt 321 und 322 werden diese Verläufe 200A bzw. 200B bzw. 200C bzw. 200D gefiltert und normiert, um im Rahmen der Korrelation und der darauffolgenden weiteren Auswertung eine Fehlerbestimmung zu verbessern.
Die zu den Verläufen 200A, 200B, 200C, 200D korrespondierenden gefilterten und normierten Evaluationsverläufe 300A, 300B, 300C, 300D, 300 sind in den 8a bis e dargestellt. Hierbei ist jeweils in den 8a bis e lediglich ein Signalverlauf innerhalb des Abschnitts zwischen 0,01 und 0,02 Sekunden repräsentativ für ein etwaiges Messintervall dargestellt. In 8f ist der Referenzverlauf 300 innerhalb des gesamten dargestellten Zeitintervalls aufgetragen.
In 9 sind die jeweiligen Korrelationsverläufe 400A, 400B, 400C, 400D, 400 der Evaluationswerte 300A, 300B, 300C, 300D mit dem Referenzwert 300 bzw. die Selbstkorrelation des Referenzwerts 300 mit sich selbst (400) dargestellt.
In 10, auf die unter anderem auch in der Beschreibung zum Verlauf des Verfahrens in 3 Bezug genommen wird, ist eine vereinfachte Darstellung des Korrelationsverlaufs 400A, 400B, 400C, 400D, 400 gezeigt, in denen lediglich der Verlauf der Einhüllenden 600, 600A, 600B, 600C, 600D der jeweiligen Korrelationsverläufe 400. 400A, 400B, 400C und 400D durch dicken Linien dargestellt sind. Zudem ergeben sich hieraus die entsprechenden Klassifikationsgrößen KA, KB, KC, KD, K, vorzugsweise die durch die jeweiligen Einhüllenden 600, 600A, 600B, 600C, 600D eingeschlossenen Flächen 500, 500A, 500B, 500C, 500D. Diese Flächen 500, 500A, 500B, 500C, 500D können vorzugsweise im Steuergerät 150 ermittelt werden. Auch eine Ermittlung der Flächen 500, 500A, 500B, 500C, 500D und eine generelle Ausführung des Verfahrens in einer externen Recheneinheit ist grundsätzlich möglich. Die Klassifikationsgröße zur Ermittlung von Art, Umfang und zeitlichem Fortschritt eines jeweiligen Fehlerzustands 100A, 100B, 100C, 100D kann alternativ oder kumulativ auch unter Heranziehung des Verlaufs der Einhüllenden 600, 600A, 600B, 600C, 600D vorgenommen werden.

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands (100A, 100B, 100C, 100D) einer elektrischen Maschine (100) mit einem Rotor (120), einem Stator (110) und einer mit dem Stator (110) verbundenen Gleichrichterschaltung (130), wobei ein zeitlicher Verlauf (200A, 200B, 200C, 200D) eines Anschlusswerts (UB+; IB+) der elektrischen Maschine (100) erfasst wird (310), wobei aus dem erfassten zeitlichen Verlauf (200A, 200B, 200C, 200D) des Anschlusswerts (UB+, IB+) ein Evaluationswert (300A, 300B, 300C, 300D) bestimmt wird (320), wobei der bestimmte Evaluationswert (300A, 300B, 300C, 300D) mit einem Referenzwert (300) korreliert wird (330) und wobei in Abhängigkeit von einem Korrelationsergebnis (400, 400A, 400B, 400C, 400D) bewertet wird, ob ein Fehlerzustand (100A, 100B, 100C, 100D) der elektrischen Maschine vorliegt (341) oder nicht (342).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Evaluationswert (300A, 300B, 300C, 300D) und/oder der Referenzwert (300) derart ermittelt wird, dass der zeitliche Verlauf (200 200A, 200B, 200C, 200D) des Anschlusswerts (UB+; IB+) gefiltert wird (321).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Filterung mittels eines Hochpassfilters und/oder eines Tiefpassfilters, vorzugsweise eines Moving Average Filters, und/oder eines entsprechenden Bandpassfilters erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Evaluationswert (300A, 300B, 300C, 300D) und/oder der Referenzwert (300) derart ermittelt wird, dass zumindest ein statistischer Wert des zeitlichen Verlaufs (200, 200A, 200B, 200C, 200D) des Anschlusswerts (UB+; IB+), insbesondere der Mittelwert und/oder die Varianz, bestimmt und der zeitliche Verlauf (200, 200A, 200B, 200C, 200D) des Anschlusswerts (UB+; IB+), insbesondere des gefilterten Anschlusswerts (UB+, IB+), mit dem statistischen Wert normiert wird (322).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Korrelationsergebnis (400, 400A, 400B, 400C, 400D) anhand einer Klassifikationsgröße (K, KA, KB, KC, KD) auf das Vorliegen eines Fehlerzustands (100A, 100B, 100C, 100D) der elektrischen Maschine (100) hin bewertet wird und auf das Vorliegen eines Fehlerzustands (100A, 100B, 100C, 100D) entschieden wird, wenn die Klassifikationsgröße (K, KA, KB, KC, KD) einen Schwellwert (G, GA, GB, GC, GD) über oder unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei anhand der Klassifikationsgröße (K, KA, KB, KC, KD) und/oder von Art und Umfang der Abweichung der Klassifikationsgröße (K, KA, KB, KC, KD) vom Schwellwert (G, GA, GB, GC, GD) auf Art, Umfang und/oder Fortschritt des jeweiligen Fehlerzustands (100A, 100B, 100C, 100D) geschlossen wird (343).
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Klassifikationsgröße (K, KA, KB, KC, KD) eine Fläche (500, 500A, 500B, 500C, 500D) ist, die vom jeweiligen Korrelationsergebnis (400, 400A, 400B, 400C, 400D) eingeschlossen wird und/oder eine Einhüllende (600, 600A, 600B, 600C, 600D) ist, die das jeweilige Korrelationsergebnis (400, 400A, 400B, 400C, 400D) begrenzt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Referenzwert aus einem Referenzverlauf (200) des Anschlusswerts (UB+, IB+), der insbesondere zumindest einen Spannungswert (UB+) oder zumindest einen Stromwert (IB+) oder eine aus diesen Größen (UB+, IB+) abgeleitete Größe (XB+) aufweist, bei einer fehlerfreien elektrischen Maschine (100) bestimmt wird.
Recheneinheit (150), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (150) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (150) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.