DE102019006165A1

DE102019006165A1 - Technik zur Überwachung einer mit einem Stromgenerator verbundenen Ladestromleitung eines Antriebsstrangs

Info

Publication number: DE102019006165A1
Application number: DE102019006165.9A
Authority: DE
Inventors: Rainer Kalass; Matthias Rothballer
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2019-08-31
Filing date: 2019-08-31
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Eine Technik zur Überwachung einer mit mindestens einem Stromgenerator (202) ausgangsseitig elektrisch verbundenen Ladestromleitung (208) eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs wird beschrieben. Ein Vorrichtungsaspekt der Technik umfasst eine Motorsteuerung (102), die eine Vorgabe mindestens einer Ausgangsgröße des mindestens einen Stromgenerators (202) des Kraftfahrzeugs über einen Datenbus (204) an einen Regler (206) des mindestens einen Stromgenerators (202) sendet und eine Rückmeldung von dem Regler (206) des mindestens einen Stromgenerators (202) über den Datenbus (204) empfängt. Eine Bestimmungseinheit (102; 206) der Vorrichtung ist dazu ausgebildet ist, abhängig von der Vorgabe, einem Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße und/oder der Rückmeldung einen Kurzschluss (302) der Ladestromleitung (208) festzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung einer mit mindestens einem Stromgenerator ausgangsseitig elektrisch verbundenen Ladestromleitung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs.
Am Antriebsstrang von Nutzfahrzeugen sind elektrische Leitungen verbaut, die hohe elektrische Ströme vom Stromgenerator zur Fahrzeugbatterie führen. Diese Hochstromleitungen sind mit einer Schmelzsicherung abgesichert, die hinsichtlich ihrer Auslösecharakteristik über dem Strom des bestimmungsgemäßen Ladestromverhaltens des Stromgenerators liegen. Aufgrund von Triebstrangvibrationen und anderer Umwelteinflüsse kommt es in seltenen Fällen zu Isolationsbeschädigungen an diesen Hochstromleitungen und in der Folge zu Kurzschlüssen mit hohem Gefahrenpotenzial, insbesondere Brandgefahr.
Der Stromgenerator und die Ladeleitung des Generatorpols B+ werden herkömmlicherweise mittels der Schmelzsicherung vor ungewollt hohem Stromfluss geschützt. Im Fall eines externen oder generatorinternen Kurzschlusses löst die Hochstromsicherung in diesem Strompfad aus, so dass die galvanische Verbindung zur Fahrzeugbatterie unterbrochen wird. Die Stromlieferfähigkeit der Fahrzeugbatterie garantiert in diesen Kurzschlussfällen ein sicheres Auslösen der Schmelzsicherung. Der Fahrer erhält in diesem Falle eine angezeigte Warnung, beispielsweise in Form einer aktivierten roten Ladekontrolllampe.
In Feldfällen kann diese Warnung vom Fahrer ignoriert werden, beispielsweise da ein Berufskraftfahrer in der Regel weiß, dass sein Kraftfahrzeug eine begrenzte Zeitspanne aus der Fahrzeugbatterie weiter betrieben werden kann. Die Weiterfahrt für eine begrenzte Zeitspanne ist beispielsweise sinnvoll, um ein Liegenbleiben des Kraftfahrzeugs auf dem Fahrweg zu vermeiden.
Solange der Verbrennungsmotor den Stromgenerator aber weiter antreibt und dieser wider Erwarten weiterhin in der Lage ist, elektrischen Strom zu liefern, kann dieser Strom im Kurzschlusskreislauf fließen. Dies ist beispielsweise bei einer durchgescheuerten Isolation der Ladestromleitung in Kontakt mit dem Minuspol (Massepol) des Kraftfahrzeugs der Fall. Es kann in der Folge zu lokalen Hitzenestern an der Kurzschlussstelle kommen. Lichtbogentemperaturen erreichen häufig Temperaturen größer als 5000 Kelvin. Die lokalen Hitzenester wirken durch die hohen Temperaturen als Zündquelle. Es können bei gleichzeitiger Anwesenheit von brennbaren Stoffen und Sauerstoff Fahrzeugbrände entstehen.
Somit besteht die Aufgabe, eine Technik bereitzustellen, welche Fehler in der Isolation von Leitungen, insbesondere Hochstromleitungen, in einem Kraftfahrzeug erkennt und/oder Kurzschlüsse vermeidet. Alternativ oder ergänzend besteht die Aufgabe, Fahrzeugbrände zu vermeiden.
Diese Aufgabe bzw. Aufgaben werden durch eine Vorrichtung und ein Verfahren sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Überwachung einer mit mindestens einem Stromgenerator ausgangsseitig elektrisch verbundenen Ladestromleitung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Motorsteuerung, die dazu ausgebildet ist, eine Vorgabe mindestens einer Ausgangsgröße des mindestens einen Stromgenerators des Kraftfahrzeugs über einen Datenbus an einen Regler des mindestens einen Stromgenerators zu senden und optional eine Rückmeldung von dem Regler des mindestens einen Stromgenerators über den Datenbus zu empfangen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Bestimmungseinheit, die dazu ausgebildet ist, abhängig von der Vorgabe, einem Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße und/oder der Rückmeldung einen Kurzschluss der Ladestromleitung festzustellen.
Die Vorgabe mindestens einer Ausgangsgröße, beispielsweise einer Ausgangsspannung des Stromgenerators, einer Ausgangsleistung des Stromgenerators und/oder eines Bordspannungsniveaus, kann bewirken, dass der Regler den Stromgenerator so regelt, dass die Vorgabe der mindestens einen Ausgangsgröße erreicht wird. Alternativ kann der Regler eine Abweichung von der Vorgabe mindestens einer Ausgangsgröße feststellen, wenn die Vorgabe der Ausgangsgröße vom Stromgenerator nicht erreicht werden kann, beispielsweise weil die Vorgabe aufgrund des Kurzschlusses nicht erreichbar ist.
Die Rückmeldung von dem Regler, die beispielsweise eine Abgabeleistung und/oder einen Auslastungsgrad umfassen, kann das Erreichen oder Verfehlen der Vorgabe signalisieren. AIternativ oder ergänzend kann die Rückmeldung, beispielsweise eines Messwerts der mindestens einen Ausgangsgröße, dazu dienen, eine Abweichung von der Vorgabe zu erkennen. Die Abweichung von der Vorgabe kann als Fehlermeldung ausgegeben werden.
Wenn eine Fehlermeldung oder ein von der Vorgabe abweichender Messwert (beispielsweise in der Rückmeldung an der Motorsteuerung oder direkt am Regler) über einen bestimmten Zeitraum oder eine bestimmte Anzahl (vorzugsweise aufeinanderfolgender) Messungen vorliegt, kann der Kurzschluss festgestellt werden. Der oder die Stromgeneratoren, für die der Kurzschluss festgestellt wurde, können magnetisch entregt werden. Durch die magnetische Entregung kann die weitere Stromerzeugung, und damit ein Fahrzeugbrand, vermieden werden.
Die Bestimmungseinheit kann eine unabhängige Einheit im Antriebsstrang sein. Alternativ oder ergänzend kann die Bestimmungseinheit eine oder mehrere bestehende Steuereinheiten des Antriebsstrangs umfassen. Beispielsweise kann die Bestimmungseinheit in der Motorsteuerung, dem Regler des Stromgenerators, einer zentralen Fahrzeugsteuerung und/oder einem Bordrechner integriert oder implementiert sein.
Die Ladestromleitung kann ausgangsseitig am Stromgenerator des Kraftfahrzeugs (beispielsweise permanent oder nicht trennbar) elektrisch angeschlossen sein. Der Stromgenerator des Kraftfahrzeugs kann eingangsseitig mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs (beispielsweise permanent oder nicht entkoppelbar) mechanisch verbunden sein, beispielsweise über einen Riementrieb.
Der Stromgenerator kann eine Lichtmaschine (auch: Alternator oder Dynamo) umfassen. Beispielsweise kann der Stromgenerator für einen Nennstrom von 80 A bis 110 A oder 120 A ausgebildet sein. Das Schleifringsystem zur Bestromung des Ankers des Stromgenerators kann Bronzeringe umfassen. Eine Länge der kohlehaltigen Bürsten und/oder die Wertigkeit der Kugellager des Schleifringsystems zur Bestromung des Ankers des Stromgenerators kann in Abhängigkeit von der Lebensdauer des Stromgenerators bestimmt sein.
Der Kurzschluss kann ein Kontakt zwischen der Ladestromleitung und einem Massepotential des Kraftfahrzeugs sein.
Die Vorgabe kann einen Soll-Wert der mindestens einen Ausgangsgröße umfassen oder bestimmen. Die Vorgabe der Ausgangsgröße kann auch als Soll-Ausgangsgröße bezeichnet werden.
Der Datenbus kann zur digitalen Signalübertragung ausgebildet sein. Der Regler des mindestens einen Stromgenerators kann dazu ausgebildet sein, digitale Signale mit der Vorrichtung zur Überwachung der Ladestromleitung und/oder der Motorsteuerung auszutauschen. Der Regler des mindestens einen Stromgenerators kann ferner dazu ausgebildet sein, analoge Signale von einem, beispielsweise zentralen, Bordrechner und/oder einem Zündschloss des Kraftfahrzeugs zu empfangen. Beispielsweise kann ein Zündkontakt oder ein geschalteter Pluspol eines Startschalters (insbesondere der Kontakt 15 gemäß DIN 72552) am Regler anliegen.
Die Rückmeldung kann den Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße des mindestens einen Stromgenerators und/oder eine Fehlermeldung des mindestens einen Stromgenerators umfassen.
Der Messwert kann ein Ist-Wert der mindestens einen Ausgangsgröße des Stromgenerators sein. Der Messwert der Ausgangsgröße kann auch als Ist-Ausgangsgröße bezeichnet werden.
Der mindestens eine Ist-Wert kann einen vom Regler des mindestens einen Stromgenerators gemessenen Wert umfassen. Die Fehlermeldung kann vom Regler des mindestens einen Stromgenerators ausgegeben werden, wenn die Differenz des mindestens einen Soll-Werts und des mindestens einen Ist-Werts einen Schwellenwert übersteigt.
Die Bestimmungseinheit kann die Vorgabe der mindestens einen Ausgangsgröße und den Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße vergleichen. Die Bestimmungseinheit kann den Kurzschluss aufgrund einer Überschreitung eines Schwellenwerts der Differenz zwischen Vorgabe und Messwert bei mindestens einer der mindestens einen Ausgangsgröße feststellen.
Die Fehlermeldung kann vom Regler des mindestens einen Stromgenerators gesendet und/oder der Kurzschluss kann von der Bestimmungseinheit festgestellt werden, wenn der Schwellenwert der Differenz der Vorgabe der mindestens einen Ausgangsgröße und der Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße während eines Mindestzeitraums und/oder während einer Mindestanzahl an Messungen der mindestens einen Ausgangsgröße erreicht oder überschritten ist.
Der mindestens eine Stromgenerator kann magnetisch entregt werden, wenn die Bestimmungseinheit den Kurzschluss feststellt. Insbesondere kann die Bestimmungseinheit (beispielsweise die Motorsteuerung oder der Regler) ferner dazu ausgebildet sein, bei der Feststellung des Kurzschlusses eine magnetische Entregung des mindestens einen Stromgenerators zu bewirken. Beispielsweise kann die Motorsteuerung (insbesondere als Bestimmungseinheit) ferner dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf die Feststellung des Kurzschlusses eine Anweisung zur magnetischen Entregung des mindestens einen Stromgenerators über den Datenbus an den Regler des mindestens einen Stromgenerators zu senden. Alternativ oder ergänzend kann der Regler des mindestens einen Stromgenerators (insbesondere als Bestimmungseinheit) dazu ausgebildet sein, den Kurzschluss festzustellen und bei Feststellung des Kurzschlusses die magnetische Entregung des mindestens einen Stromgenerators zu steuern. Die Rückmeldung kann den Kurzschluss und/oder die magnetische Entregung angeben.
Die mindestens eine Ausgangsgröße kann eine Ausgangsspannung des Stromgenerators umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die mindestens eine Ausgangsgröße einen Ausgangsstrom und/oder eine elektrische Ausgangsleistung des Stromgenerators umfassen.
Die Rückmeldung kann einen Auslastungsgrad, eine Abgabeleistung und/oder den Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße umfassen.
Die mindestens eine Ausgangsgröße kann eine Bordspannung (auch: ein Bordspannungsniveau) und/oder eine Versorgungsspannung umfassen. Der Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße kann vom Regler und/oder der Motorsteuerung gemessen werden.
Der Datenbus kann ein Local Interconnect Network (LIN) und/oder ein Controller Area Network (CAN) umfassen. Alternativ oder ergänzend kann der Datenbus digitale Schnittstellen umfassen.
Die Motorsteuerung kann ferner dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf den festgestellten Kurzschluss, dem Regler des mindestens einen Stromgenerators über den Datenbus eine Anweisung zur magnetischen Entregung des Stromgenerators zu senden.
Alternativ oder ergänzend kann der Regler des Stromgenerators im Kurzschlussfall eine Anweisung zur magnetischen Entregung des Stromgenerators ausgeben. Im Falle mehrerer Stromgeneratoren kann sich die Anweisung der magnetischen Entregung auf den dem Regler zugeordneten Stromgenerator beziehen.
Der Stromgenerator kann selbsterregend sein, beispielsweise ein Nebenschlussgenerator. Der Regler kann die Entregung durch Unterbrechen eines Erregerstroms (d.h., des Stroms durch eine Erregerwicklung) des Stromgenerators bewirken, beispielsweise durch Unterbrechen eines Ankerstroms eines Innenpolgenerators. Alternativ oder ergänzend kann ein Kurzschluss des Ankers und/oder ein zweipoliges Gleichpotential die Entregung des Stromgenerators bewirken.
Der Stromgenerator kann entregt werden, indem die Schleifringbürsten nicht bestromt (d.h. abgeschaltet) werden. Alternativ oder ergänzend können beide Schleifringbürsten auf Massepotential gelegt oder miteinander kurzgeschlossen werden. Das Magnetfeld kann im Rotor (Anker) zusammenbrechen. Die Induktion in die Statorwicklungen kann gestoppt werden. Der Stromfluss nach außen kann trotz Rotation des Ankers beendet werden. Aus der Restremanenz des Ankereisens können bei hohen Drehzahlen noch geringe (Rest-)Ströme fließen. Die geringen (Rest-)Ströme könnten durch zusätzliche Maßnahmen innerhalb und/oder außerhalb des Stromgenerators unterbunden werden, beispielsweise wenn ein harter Kurzschluss der B+ Leitung erfolgt. Ein harter Kurzschluss der B+ Leitung könnte durch eine Vorrichtung zum Kurzschluss zwischen den Generatorpolen B+ und B- herbeigeführt werden.
Die Motorsteuerung kann mittels eines Sendeempfängers (auch: Transceivers) oder Netzwerkadapters der Motorsteuerung für den Datenbus dem Regler des mindestens einen Stromgenerators die Anweisung (z.B. einen kodierten Befehl) zur magnetischen Entregung über den Datenbus senden.
Die Motorsteuerung kann ferner dazu ausgebildet sein, bei der Feststellung des Kurzschlusses eine Warnung an einer Fahrzeugkonsole des Kraftfahrzeugs auszugeben oder eine solche Ausgabe zu bewirken. Die Warnung kann eine (beispielsweise rote) aktivierte Ladekontrolllampe umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Warnung ein akustisches und/oder ein haptisches Signal und/oder eine Displaymeldung, beispielsweise eine Textmeldung, umfassen.
Der Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs kann mindestens zwei Stromgeneratoren umfassen. Die mindestens zwei Stromgeneratoren können jeweils über einen eigenen Datenbus mit der Motorsteuerung in digitalem Signalaustausch stehen.
Der Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Omnibusses, kann drei Stromgeneratoren umfassen. Der dritte Stromgenerator kann einen sogenannten Komfort-Verbrauch umfassen. Der Komfort-Verbrauch kann beispielsweise eine Klimaanlage, Sitzheizungen und/oder eine Heckscheibenheizung umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung einer mit mindestens einem Stromgenerator ausgangsseitig elektrisch verbundenen Ladestromleitung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Das Verfahren umfasst den Schritt des Sendens einer Vorgabe mindestens einer Ausgangsgröße des mindestens einen Stromgenerators des Kraftfahrzeugs über einen Datenbus an einen Regler des mindestens einen Stromgenerators. Optional umfasst das Verfahren den Schritt des Empfangens einer Rückmeldung von dem Regler des mindestens einen Stromgenerators über den Datenbus. Ferner umfasst das Verfahren den Schritt des Feststellens eines Kurzschlusses der Ladestromleitung abhängig von der Vorgabe, einem Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße und/oder der Rückmeldung.
Das Verfahren kann ferner ein jedes Merkmal und/oder einen jeden Schritt gemäß dem Vorrichtungsaspekt umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Das Kraftfahrzeug umfasst einen Antriebsstrang mit mindestens einem Stromgenerator und eine Vorrichtung gemäß dem Vorrichtungsaspekt. Das Kraftfahrzeug kann ein Nutzfahrzeug sein, beispielsweise ein Lastkraftwagen, eine Zugmaschine, ein Bus, eine Bahn, ein Schiff oder ein Traktor.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Überwachung einer mit einem Stromgenerator ausgangsseitig elektrisch verbundenen Ladestromleitung;
2 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels zur Vernetzung elektrischer Komponenten mit einem Stromgenerator in einem Kraftfahrzeug;
3 das Ausführungsbeispiel der 2 im Falle eines Kurzschlusses;
4 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels zur Vernetzung elektrischer Komponenten mit zwei Stromgeneratoren in einem Kraftfahrzeug;
5 das Ausführungsbeispiel der 4 im Falle eines Kurzschlusses;
6 ein Verfahren zur Überwachung einer mit einem Stromgenerator ausgangsseitig elektrisch verbundenen Ladestromleitung;
7 ein schematisches Diagramm eines Datenaustauschs zwischen einem Stromgenerator und weiteren elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug; und
8 ein schematisches Diagramm eines Datenaustauschs zwischen zwei Stromgeneratoren und weiteren elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichneten Vorrichtung zur Überwachung einer mit mindestens einem Stromgenerator ausgangsseitig elektrisch verbundenen Ladestromleitung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Motorsteuerung 102 und eine Bestimmungseinheit 104. Die Motorsteuerung 102 kann einen Mikrocontroller umfassen. Die Bestimmungseinheit 104 kann eine unabhängige Einheit im Antriebsstrang umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Bestimmungseinheit eine oder mehrere bestehende Steuereinheiten des Antriebsstrangs umfassen. Beispielsweise kann die Bestimmungseinheit 104 in der Motorsteuerung 102, dem Regler des Stromgenerators, einer zentralen Fahrzeugsteuerung und/oder einem Bordrechner integriert oder implementiert sein.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer allgemein mit Bezugszeichen 200 bezeichneten Vernetzung der Motorsteuerung 102 mit einem Stromgenerator 202 über einen digitalen Datenbus 204 mit Schnittstelle 230 und einen Regler 206 des Stromgenerators 202.
Für ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 kann die Motorsteuerung 102 und/oder der Regler 206 die Bestimmungseinheit 104 implementieren.
Der Datenbus 204 kann einen Datenbus mit geringer Bandbreite und/oder mit begrenzter Funktionalität umfassen. Insbesondere kann der Datenbus 204 ein Local Interconnect Network (kurz „LIN“ oder „LIN-Bus“) umfassen. Der Regler 206 des Stromgenerators 202 kann analoge Signale von einem Bordrechner 214 und/oder einem Zündschloss über eine mit Bezugszeichen 212 bezeichnete Klemme 15 empfangen. Beispielsweise kann der Stromgenerator 202 analog ein Signal empfangen, wenn die Zündung betätigt wird. Der Bordrechner 214 kann einen weiteren Mikrocontroller umfassen. Der Stromgenerator 202 ist über eine Ladestromleitung 208 mit einem mit Bezugszeichen 210 bezeichneten Generatorpol B+ mit dem Pluspol eines Anlassers 226 und/oder einer Fahrzeugbatterie 228 verbunden. Der Anlasser 226 kann auch als Starter bezeichnet werden.
Zwischen dem Generatorpol B+ 210 und dem Pluspol des Anlassers 226 bzw. der Fahrzeugbatterie 228 ist die Ladestromleitung 208 mit einer Hochstrom-Sicherung 216 versehen. Die Hochstrom-Sicherung 216 kann zur Absicherung von Strömen, beispielsweise Ströme über 125 A (d.h. Ampere) oder über 150 A, dienen. Der Bordrechner 214 steht über eine mit Sicherungen 218 (beispielsweise Schmelzsicherungen) versehene elektrische Leitung in analogem Signalaustausch mit einer Steuereinheit 222 (auch: Fahrzeugsteuereinheit). Die Steuereinheit 222 steuert eine, insbesondere an der Fahrzeugkonsole angeordnete, Anzeigeeinheit 224. Die Anzeigeeinheit 224 umfasst beispielsweise ein Kombiinstrument. Der Bordrechner 214 steht über einen zweiten digitalen Datenbus 220 in Signalkontakt mit der Steuereinheit 222. Der zweite digitale Datenbus 220 kann ein Controller Areas Network (kurz „CAN“ oder „CAN-Bus“) umfassen. Ferner steht die Steuereinheit 222 über den zweiten digitalen Datenbus 220 in Signalkontakt mit der Motorsteuerung 102. Die Spannung an der mit Bezugszeichen 212 bezeichneten Klemme 15 kann 24 Volt umfassen. Eine weitere (Schmelz-) Sicherung 218 kann zwischen der Motorsteuerung 102 und dem Anlasser 226 verbaut sein. Eine weitere Stromleitung kann vom Anlasser 226 aus zu einem oder mehreren Bordnetzverbrauchern 232 führen.
Eine Soll-Spannung, beispielsweise zwischen dem Generatorpol B+ 210 und dem Pluspol der Fahrzeugbatterie 228, kann im Normalfall 28,5 Volt betragen.
Das Spannungspotential kann abhängig vom Stromverkehr sein. Ohne (nennenswerten) Stromfluss können sich an allen Messpunkten gleiche Analogspannungen einstellen (z.B. beim Motor-Stillstand). Wenn der Stromgenerator eine elektrische Leistung liefert, können in Abhängigkeit der Innenwiderstände der Verbraucher (z.B. der Fahrzeugbatterie) Potentialunterschiede entstehen. Das Spannungspotential am Pluspol der Fahrzeugbatterie kann mittels eines Sensors ermittelt, beispielsweise gemessen, werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Spannungsniveau in der Motorsteuerung und/oder an mehreren Messpunkten herangezogen werden. Optional können die Spannungsniveaus mehrerer Messpunkte gemittelt werden. Nach dem Start kann die Fahrzeugbatterie zunächst den beim Start abgegebenen Energiebetrag bei niedriger Spannung und hohem Stromfluss aus dem Stromgenerator wieder auffüllen. Die Spannungssollvorgabe kann erst nach einer Zeitspanne, beispielsweise nach dem Start, erreicht werden. Ein Kennfeld kann ein typisches Verhalten als Referenz speichern.
3 zeigt das Ausführungsbeispiel der 2 im Fall eines Kurzschlusses 302 der Ladestromleitung 208. Gleiche oder Austauschbare Merkmale, Einheiten oder Komponenten wie in 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Der Kurzschluss 302 wird durch einen Vergleich der Spannungen an der mit Bezugszeichen 212 bezeichneten Klemme 15 und am Generatorpol B+ 210 erkannt, wenn die Spannung der Ladestromleitung 208 am Generatorpol B+ 210 geringer ist als die Spannung an der Klemme 15, d.h. U_Klemme ₁₅ > U_B+. Die Spannung der Klemme 15 kann einem Stromfluss zwischen dem Stromgenerator 202 und der Fahrzeugbatterie 228 über den Bordrechner 214 und den Anlasser 226 zugeordnet sein. Der Kurzschlussstrom 302 kann zwischen 1 kA (d.h. einem Kilo-Ampere oder 1000 A) und 2 kA betragen. Die Motorsteuerung 102 kann eine Fehlermeldung, beispielsweise im Zeitraum einer oder weniger Millisekunden, auslösen. Die Fehlermeldung kann dem Fahrer des Kraftfahrzeugs, beispielsweise mittels einer aktivierten roten Kontrollleuchte, in der Anzeigeeinheit 224 angezeigt werden.
Alternativ kann ein Kurzschluss im Stromgenerator 202 erkannt werden. Der Kurzschluss im Stromgenerator 202 kann in einer Spule des Stromgenerators 202 entstehen. Der Kurzschluss im Stromgenerator 202 kann durch die Messung einer Ladestromspannung im Stromgenerator 202 erkannt werden. Die Ladestromspannung im Stromgenerator 202 kann zwischen dem Anschluss des Ladestromkabels 210 des Stromgenerators 202 und dem Regler 206 gemessen werden.
Ein Kurzschluss, beispielsweise Kurzschluss 302, kann Lichtbogentemperaturen über 500 Kelvin, insbesondere zwischen 5000 Kelvin und 25000 Kelvin, erzeugen. Die Lichtbogentemperaturen können zu einem Fahrzeugbrand führen.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer allgemein mit Bezugszeichen 400 bezeichneten Vernetzung der Motorsteuerung 102 mit zwei Stromgeneratoren 202-1 und 202-2 über einen digitalen Datenbus 204 mit Schnittstellen 230-1 und 230-2 und je einem Regler 206-1 und 206-2 pro Stromgenerator 202-1 bzw. 202-2. Gleiche oder austauschbare Merkmale, Einheiten oder Komponenten wie in 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Für ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 kann die Motorsteuerung 102 und/oder mindestens einer der Regler 206-1 und 206-2 die Bestimmungseinheit 104 implementieren.
Die zwei oder mehr Stromgeneratoren 202-1 und 202-2 können baugleich sein. Die zwei oder mehr Stromgeneratoren 202-1 und 202-2 können dieselbe Datenbus-Adresse, beispielsweise LIN-Adresse, haben. Die zwei oder mehr Stromgeneratoren 202-1 und 202-2 können unterschiedlichen Daten-Transceivern (beispielsweise LIN-Transceivern) oder Daten-Transceiver-Verbünden zugeordnet sein
5 zeigt das Ausführungsbeispiel aus 4 im Falle eines Kurzschlusses 302 in der Ladestromleitung 208-1 des ersten Stromgenerators 202-1. Gleiche Einheiten oder Komponenten wie in 4 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Kurzschluss 302 wird durch Vergleich der Spannungen an der mit Bezugszeichen 212 bezeichneten Klemme 15 und dem Generatorpol B+ 210-1 der Ladestromleitung 208-1 des ersten Stromgenerators 202-1 festgestellt, d.h. wenn U_Klemme ₁₅ > U_B+,1. Alternativ oder ergänzend kann ein Kurzschluss in einem der Stromgeneratoren 202-1 oder 202-2 durch Messung der Ladestromspannungen 234-1 bzw, 234-2 zwischen dem jeweiligen Anschluss des Ladestromkabels 208-1 bzw. 208-2 des Stromgenerators 202-1 bzw. 202-2 und dem Regler 206-1 bzw. 206-2 gemessen werden.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines allgemein mit Bezugszeichen 600 bezeichneten Verfahrens zur Überwachung einer mit einem oder mehreren Stromgeneratoren ausgangsseitig elektrisch verbundenen Ladestromleitung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs. Das Verfahren 600 umfasst den Schritt des Sendens einer Vorgabe mindestens einer Ausgangsgröße des Kraftfahrzeugs über einen Datenbus an einen Regler des mindestens einen Stromgenerators. Optional umfasst das Verfahren 600 den Schritt 604 des Empfangens einer Rückmeldung vom Regler des mindestens einen Stromgenerators über den Datenbus. Im Schritt 606 wird ein Kurzschluss der Ladestromleitung abhängig von der Vorgabe, einem Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße und/oder der Rückmeldung bestimmt.
Das Verfahren 600 kann von einem jeden Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Motorsteuerung 102 die Schritte 602 und gegebenenfalls 604 ausführen, und die Bestimmungseinheit 104 (beispielsweise ebenfalls die Motorsteuerung 102 oder einer der Regler 206, 206-1 und 206-2) kann den Schritt 606 ausführen.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel digitaler und analoger Signalaustauschketten eines Stromgenerators 202, eines Bordrechners 214 und/oder Zündschlosses, einer Motorsteuerung 102, einer Steuereinheit 222 und einer Anzeigeeinheit 224. Galvanische Verbindungen zwischen den Komponenten des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs sind in 7 nicht dargestellt.
Gleiche oder austauschbare Merkmale, Einheiten oder Komponenten wie in 2 oder 4 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Für ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 oder der Vernetzung 200 kann die Motorsteuerung 102 und/oder der Regler 206 die Bestimmungseinheit 104 implementieren.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel digitaler und analoger Signalaustauschketten zweier Stromgeneratoren 202-1 und 202-2 mit einer Motorsteuerung 102, einem Bordrechner 214 oder Zündschloss, einer Steuereinheit 222 und einer Anzeigeeinheit 224. Galvanische Verbindungen zwischen den Komponenten des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs sind in 8 nicht dargestellt.
Gleiche oder austauschbare Merkmale, Einheiten oder Komponenten wie in 2 oder 4 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Für ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 oder der Vernetzung 400 kann die Motorsteuerung 102 und/oder einer der Regler 206-1 und 206-2 die Bestimmungseinheit 104 implementieren.
Eine probate Lösung zur Vermeidung von fatalen Auswirkungen aus dem oben beschriebenen Fehlerfall, insbesondere einem Kurzschluss (beispielsweise dem Kurzschluss 302), ist die Fehlererkennung durch die agierenden Steuerungen bzw. Steuereinheiten, beispielsweise die Motorsteuerung 102, den Regler 206 oder 206-1, die Steuereinheit 222 und/oder den Bordrechner 214. In der Folge der Fehlererkennung (insbesondere der Feststellung des Kurzschlusses) kann jede der genannten Steuerungen bzw. Steuereinheiten eine zwangsgekoppelte Entregung des Stromgenerators (beispielsweise des Stromgenerators 202 bzw. 202-1 in den Ausführungsbeispielen der 3 bzw 5) bewirken, so dass der ungewollte Stromfluss, beispielsweise durch die Ladestromleitung 208 oder 208-1, zum Erliegen kommt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sendet die Motorsteuerung (beispielsweise die Motorsteuerung 102 der allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichneten Vorrichtung) mittels einer Datenbus-Botschaft, beispielsweise einer LIN-Botschaft, die Vorgabe für die Ausgangsspannung an den Regler des Stromgenerators, beispielsweise den Regler 206 des Stromgenerators 202. Der Stromgenerator, beispielsweise der Stromgenerator 202, setzt unter anderem Botschaften zum Auslastungsgrad als Rückmeldung ab
Sollte ein Fehlerfall in der Ladestromleitung, insbesondere ein Kurzschluss, detektiert worden sein, sendet die Motorsteuerung, beispielsweise die Motorsteuerung 102, zur Schadensminimierung einen Befehl zur (magnetischen) Entregung an den Stromgenerator, beispielsweise den Stromgenerator 202. Beispielsweise wird die Bestromung des Rotors des Stromgenerators abgeschaltet. Das Kraftfahrzeug kann daraufhin unbeschadet gespeist aus der Fahrzeugbatterie weiter betrieben werden, solange die Fahrzeugbatterie, beispielsweise die Fahrzeugbatterie 228, in der Lage ist, das Bordnetz noch mit elektrischer Energie zu versorgen („Limp home“-Fähigkeit).
Die Fehlererkennung erfolgt beispielsweise über den entprellten Vergleich der bestimmungsgemäß zu erwartenden Spannungsniveaus zwischen Generatorpol B+ und Klemme 15, beispielsweise Generatorpol B+ 210 und mit Bezugszeichen 212 bezeichnete Klemme 15. Die Klemme 15 ist annähernd gleichbedeutend mit der Plus-Polspannung an der Fahrzeugbatterie, beispielsweise der Fahrzeugbatterie 228. Weiterhin können symptomatische Verhaltensweisen von Stromfluss und Spannungshöhen (Abgabeleistung) als physikalisch verfügbare Signale ausgewertet werden. Die Botschaft des Stromgenerators, beispielsweise des Stromgenerators 202, zum Grad der realen Auslastung im Verhältnis zur angeforderten Leistungsabgabe ist ein untrügliches Indiz, ob ein Kurzschluss, beispielsweise Kurzschluss 302, in der Ladestromleitung, beispielsweise Ladestromleitung 208, vorliegt oder nicht.
Die Motorsteuerung, beispielsweise die Motorsteuerung 102, sendet die Spannungsvorgabe mittels des Datenbusses, beispielsweise des LlN 204, an den Stromgenerator, beispielsweise den Stromgenerator 202.
Der jeweilige Regler 206, 206-1 und 206-2 als Bestimmungseinheit 104 ist in der Lage, einen Vergleich der eigenen Versorgungsspannung zu der vorgegebenen Bordspannung anzustellen und auszuwerten und/oder (beispielsweise über die Messverbindung 234 bzw. die jeweilige Messverbindung 234-1 oder 234-2) die Ladespannung zu messen und mit der vorgegebenen Ausgangspannung zu vergleichen. Alternativ misst die Motorsteuerung 102 in der Funktion als Bestimmungseinheit 104 die eigene Versorgungsspannung (beispielsweise als Maß für die Bordspannung) und vergleicht diesen Messwert mit der vorgegebenen Ausgangsspannung oder Bordspannung.
Im Kurzschlussfall der am Generatorpol B+ angeschlossenen Ladestromleitung (beispielsweise dem Kurzschluss 302 der Ladestromleitung 208) bricht die Spannung am Generatorpol B+ (beispielsweise Generatorpol B+ 210) in der Regel in diesem Pfad gegenüber der Versorgungsspannung (beispielsweise an der mit Bezugszeichen 212 bezeichneten Klemme 15) ein. Bei einem harten Kurzschluss, beispielsweise dem Kurzschluss 302, kommt es zu einem statischen Unterschreiten der Fahrzeugbatteriespannung und bei einem intermittierenden Kurzschluss, beispielsweise einem Wackelkontakt als Kurzschluss 302, entstehen zeitlich begrenzte Spannungseinbrüche gegenüber dem Pluspol der Fahrzeugbatterie, beispielsweise der Fahrzeugbatterie 228. Vorzugsweise ist die Bestimmungseinheit 104 dazu ausgebildet, beide Situationen und/oder Zwischenzustände (beispielsweise untypische Leitungstransienten, sogenannte „Load Dump“-Erscheinungen und Leistungsgewitter) mittels Software-Komparatoren eindeutig beispielsweise (eineindeutig) auf diesen Fehlerfall bzw. Kurzschluss, beispielsweise den Kurzschluss 302, festzustellen oder abzubilden.
Ausführungsbeispiele der Technik zur Überwachung einer mit mindestens einem Stromgenerator verbundenen Ladestromleitung eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs können fatale Folgeschaden, insbesondere einen Fahrzeugbrand, bei Isolationsschäden der Ladestromleitung mittels (magnetischer) Zwangsentregung des Stromgenerators vermeiden Bei Anlagen mit mehreren Stromgeneratoren, die auch als Mehrfachgeneratorenanlagen oder als „Duplex“ oder „Triple“ im Falle zweier bzw. dreier Stromgeneratoren bezeichnet werden können, können angepasste Uberwachungsalgorithmen die Stromabschaltung im beschädigten Ladestromzweig auslösen. Das Kraftfahrzeug kann so unbeschadet „auf Batterie“ oder mit nur noch einem ladenden Stromgenerator, beispielsweise dem Stromgenerator 206-2, weiter betrieben werden („Limp home“- Funktion).
Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen. Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung zur Überwachung einer Ladestromleitung
102: Motorsteuerung
104: Bestimmungseinheit
200: Vernetzung von Motorsteuerung und einem Stromgenerator
202: Stromgenerator
202-1: Erster Stromgenerator
202-2: Zweiter Stromgenerator
204: Datenbus
204-1: Erster Datenbus
204-2: Zweiter Datenbus
206: Regler
206-1: Erster Regler
206-2: Zweiter Regler
208: Ladestromleitung
208-1: Erste Ladestromleitung
208-2: Zweite Ladestromleitung
210: Generatorpol B+
210-1: Erster Generatorpol B+
210-2: Zweiter Generatorpol B+
212: Klemme 15
214: Bordrechner, insbesondere Zentraler Bordrechner (ZBR)
216: Hochstromsicherung
216-1: Erste Hochstromsicherung
216-2: Zweite Hochstromsicherung
218: Sicherung
220: Datenbus
222: Steuereinheit
224: Anzeigeeinheit
226: Anlasser
228: Fahrzeugbatterie
230: Datenbus-Schnittstelle
230-1: Erste Datenbus-Schnittstelle
230-2: Zweite Datenbus-Schnittstelle
232: Bordnetzverbraucher
234: Ladestromspannung im Stromgenerator
234-1: Ladestromspannung im ersten Stromgenerator
234-2: Ladestromspannung im zweiten Stromgenerator
302: Kurzschluss
400: Vernetzung von Motorsteuerung und zwei Stromgeneratoren
600: Verfahren zur Überwachung einer Ladestromleitung
602: Schritt des Sendens einer Vorgabe
604: Schritt des Empfangens einer Rückmeldung
606: Schritt des Feststellens eines Kurzschlusses

Claims

Vorrichtung (100) zur Überwachung einer mit mindestens einem Stromgenerator (202; 202-1; 202-2) ausgangsseitig elektrisch verbundenen Ladestromleitung (208; 208-1; 208-2) eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend: - eine Motorsteuerung (102), die dazu ausgebildet ist, eine Vorgabe mindestens einer Ausgangsgröße des mindestens einen Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) des Kraftfahrzeugs über einen Datenbus (204; 204-1; 204-2) an einen Regler (206; 206-1; 206-2) des mindestens einen Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) zu senden und optional eine Rückmeldung von dem Regler (206; 206-1; 206-2) des mindestens einen Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) über den Datenbus (204; 204-1; 204-2) zu empfangen; und - eine Bestimmungseinheit (102; 104; 206; 206-1; 206-2), die dazu ausgebildet ist, abhängig von der Vorgabe, einem Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße und/oder der Rückmeldung einen Kurzschluss (302) der Ladestromleitung (208; 208-1; 208-2) festzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Rückmeldung den Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße des mindestens einen Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) und/oder eine Fehlermeldung des mindestens einen Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Bestimmungseinheit (102; 104; 206; 206-1; 206-2) die Vorgabe der mindestens einen Ausgangsgröße und den Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße vergleicht und den Kurzschluss (302) aufgrund einer Überschreitung eines Schwellenwerts der Differenz zwischen Vorgabe und Messwert bei mindestens einer der mindestens einen Ausgangsgröße feststellt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Fehlermeldung vom Regler (206; 206-1; 206-2) des mindestens einen Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) gesendet und/oder der Kurzschluss (302) von der Bestimmungseinheit (102; 104; 206; 206-1; 206-2) festgestellt wird, wenn der Schwellenwert der Differenz der Vorgabe der mindestens einen Ausgangsgröße und der Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße während eines Mindestzeitraums und/oder einer Mindestanzahl an Messungen der mindestens einen Ausgangsgröße erreicht oder überschritten ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bestimmungseinheit (102; 104; 206; 206-1; 206-2) ferner dazu ausgebildet ist, eine magnetische und/oder eine weitere Entregung des mindestens einen Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) zu bewirken bei Feststellung des Kurzschlusses (302).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens eine Ausgangsgröße eine Ausgangsspannung des Stromgenerators (202; 202-1; 202-2), einen Ausgangsstrom des Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) und/oder eine elektrische Ausgangsleistung des Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Rückmeldung einen Auslastungsgrad des Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens eine Ausgangsgröße eine Bordspannung des Kraftfahrzeugs und/oder eine Versorgungsspannung des Kraftfahrzeugs umfasst, und die Motorsteuerung (102) und/oder der Regler (206; 206-1; 206-2) dazu ausgebildet ist, den Messwert der Bordspannung und/oder der Versorgungsspannung zu messen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Datenbus (204; 204-1; 204-2) ein Local Interconnect Network, LIN, und/oder ein Controller Area Network, CAN, umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Motorsteuerung (102) ferner dazu ausgebildet ist, in Reaktion auf den festgestellten Kurzschluss (302) dem Regler (206; 206-1; 206-2) des mindestens einen Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) über den Datenbus (204; 204-1, 204-2) eine Anweisung zur magnetischen Entregung des Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) zu senden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Regler (202; 206-1; 206-2) ferner dazu ausgebildet ist, in Reaktion auf den festgestellten Kurzschluss (302) eine Anweisung zur magnetischen Entregung des Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) auszugeben, vorzugsweise die magnetischen Entregung des Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) zu steuern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Motorsteuerung (102) ferner dazu ausgebildet ist, bei der Feststellung des Kurzschlusses (302) eine Warnung an einer Fahrzeugkonsole (224) des Kraftfahrzeugs auszugeben oder eine solche Ausgabe zu bewirken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs mindestens zwei Stromgeneratoren (202; 202-1; 202-2) umfasst und die mindestens zwei Stromgeneratoren (202; 202-1; 202-2) jeweils über einen eigenen Datenbus (204; 204-1; 204-2) mit der Motorsteuerung (102) in digitalem Signalaustausch stehen.
Verfahren (600) zur Überwachung einer mit mindestens einem Stromgenerator ausgangsseitig elektrisch verbundenen Ladestromleitung (208; 208-1; 208-2) eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend die Schritte: - Senden (602) einer Vorgabe mindestens einer Ausgangsgröße des mindestens einen Stromgenerators des Kraftfahrzeugs über einen Datenbus (204; 204-1; 204-2) an einen Regler (206; 206-1; 206-2) des mindestens einen Stromgenerators (202; 202-1; 202-2); - Optional, Empfangen (604) einer Rückmeldung von dem Regler (206; 206-1; 206-2) des mindestens einen Stromgenerators (202; 202-1; 202-2) über den Datenbus (204; 204-1; 204-2); und - Feststellen (606) eines Kurzschlusses (302) der Ladestromleitung (208; 208-1; 208-2) abhängig von der Vorgabe, einem Messwert der mindestens einen Ausgangsgröße und/oder der Rückmeldung.
Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend: - einen Antriebsstrang mit mindestens einem Stromgenerator (202; 202-1; 202-2); und - eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13.