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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung einer elektrischen Maschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Unter elektrischer Maschine im
Sinne der Anmeldung sind insbesondere in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen
eingesetzte Generatoren zu verstehen, die beispielsweise aus Kraftfahrtechnisches
Taschenbuch/Bosch, 21. Auflage, Seite 768–775, bekannt sind. In modernen
Kraftfahrzeugen werden immer mehr Steuergeräte eingesetzt, die sicherheitsrelevante
Systeme steuern. Lediglich beispielsweise seien EHB (elektrohydraulische
Bremse) und Steer by Wire- Lenksysteme erwähnt. Die genannten Systeme
sind auf ein extrem zuverlässiges Bordnetz
angewiesen, da davon ihre Funktionsfähigkeit abhängt.
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Aus
DE 100 01 340 A1 ist
ein Verfahren zur Kompensation des Messfehlers bei der Stromerfassung
an einem Energiespeicher bekannt, bei dem die Stromerfassung über einen
ersten Stromwandler für niedrige
Ströme
und über
einen zweiten Stromwandler für
höhere
Ströme
erfolgt und bei dem die Wandlerwerte in einer Auswerteelektronik
in Messwerte umgewandelt werden. Beim Erreichen einer Schwelle werden
die Messwerte des Batteriestroms mit beiden Stromwandlern gemessen,
woraus der Offset eines Stromwandlers bestimmt und um den dessen Messwerte
korrigiert werden.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung ermöglicht
die Diagnose einer elektrischen Maschine, wie insbesondere eines
Generators in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, bereits vor der
Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs. Zusätzlich kann diese Diagnose
aber auch in Betriebspausen der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs
durchgeführt
werden, wenn sich das Fahrzeug, beispielsweise verkehrsbedingt,
im Stop and go Verkehr bewegt. Durch eine derartige Diagnose können frühzeitig
Fehler im Verhalten eines Generators und in einem wichtigen Bereich
des Bordnetzes erkannt werden, die bei Nichtbeachtung oder einer
zu späten
Erkennung zu einer massiven Beeinträchtigung des Fahrbetriebs,
bis hin zum Liegenbleiben des Fahrzeugs auf der Strecke führen können. Durch die
frühzeitige
Erkennung eines sich anbahnenden Fehlers wird die Verfügbarkeit
der Komponenten des Bordnetzes verbessert. Dies ist insbesondere
im Hinblick auf sicherheitsrelevante Steuergeräte, die von einem zuverlässigen Bordnetz
abhängig
sind, ein deutlicher Fortschritt. Durch die rechtzeitige Erkennung
von Fehlfunktionen können
Folgeschäden
vermieden werden. Dadurch kann letztlich auch das Ausfallrisiko
von Kraftfahrzeugen wesentlich verringert werden. Im Einzelnen ermöglicht die
Erfindung das Auffinden von Fehlfunktionen bei Komponenten, wie
Regler und Reglerendstufe, Kohlebürsten und Kohlelitzen, Schleifringen,
Erregerwicklung des Generators, sowie bei diversen Leitungen und
Kontaktmitteln, die die vorgenannten Komponenten verbinden. Weiterhin
können
unerwünscht
hohe Spannungsspitzen in dem Bordnetz vermieden werden, die ein
großes
Risiko für
empfindliche Verbraucher darstellen, da eine permanente Vollerregung
durch eine nicht abschaltbare Reglerendstufe rechtzeitig erkannt
wird. Die Erfindung steigert die Verfügbarkeit von elektrischen Verbrauchern
aller Art und ermöglicht
darüber
hinaus durch eine frühzeitige
Erkennung von Tendenzen eine vorausschauende Wartung. Insgesamt
ergibt sich damit ein verringertes Ausfallrisiko des Kraftfahrzeugs
und somit eine höhere
Betriebssicherheit.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigt 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild
wesentliche Komponenten des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, 2 in einer schematischen
Darstellung das Ersatzschaltbild eines Erregersystems eines Generators, 3 ein Ablaufdiagramm für die Diagnose
des Erregerwiderstands an einem Generator.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt in einem vereinfachten
Blockschaltbild wesentliche Komponenten des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs.
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Eine
mit Bezugsziffer 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine
des im Einzelnen nicht dargestellten Kraftfahrzeugs ist über einen
Anlasser 11 und einen Zündschalter 12 mit
einer Batterie 13 verbunden. Ein mit 14 bezeichneter
Generator ist von der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar
und liefert die im Bordnetz benötigte
Energie, die auch in der Batterie 13 gespeichert wird.
Mit dem Generator 14 ist ein Regler 14a verbunden.
Der Regler 14a verfügt
vorzugsweise über
eine Schnittstelle, über
die das sogenannte DFM-Signal abgreifbar ist. Mit der Batterie 13 und
dem Generator 14 ist ein Steuergerät 15 verbunden, in
dem die für
die Steuerung und Regelung der Verbrennungskraftmaschine 10 und
des Boerdnetzes erforderlichen Berechnungen durchgeführt werden.
Mit dem Steuergerät 15 ist
weiter ein Spannungsmesser 16 verbunden, der die Spannung des
Bordnetzes an einer beliebigen Stelle, insbesondere aber die Batteriespannung
zwischen den Klemmen der Batterie 13 misst und dem Steuergerät 15 einen
entsprechenden Spannungsmesswert zuführt. Weiterhin ist ein Drehzahlsensor 17,
beispielsweise ein induktiver Drehzahlsensor, vorgesehen, der die Drehzahl
der Verbrennungskraftmaschine 10 misst und ein der gemessenen
Drehzahl entsprechendes elektrisches Signal dem Steuergerät 15 zuführt. Schließlich ist
noch ein Strommessgerät 18 vorgesehen,
das den Batteriestrom IB misst und ein dem gemessenen Batteriestrom
entsprechendes Signal dem Steuergerät 15 zuleitet.
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Die
Erfindung setzt voraus, dass der Schleifenwiderstand des Erregersystems
des Generators 14 und die Batteriespannung der Batterie 13 mittels einer
geeigneten Messvorrichtung, beispielsweise dem genannten Spannungsmesser 16,
gemessen werden. Derartige Messvorrichtungen sind in Form von Widerstands-
und Spannungsmessern an sich bekannt. Zweckmäßig werden die Messwerte dieser Messvorrichtungen
in entsprechende digitale Signale umgesetzt, die dann in dem Steuergerät 15 ausgewertet
werden können.
Das Steuergerät 15 umfasst dazu
entsprechende Rechnerkomponenten, die derartige Funktionen ausführen können.
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Das
Ersatzschaltbild eines Erregersystems 200 ist in 2 dargestellt. Das Erregersystem 200 besteht
aus einer Serienschaltung zahlreicher Komponenten wie Regler 21,
Litze 22, 23, Kohlen 24, 25, Schleifringen 28, 29,
Erregerwicklung 20, Übergangswiderständen 26, 27.
Jeder dieser Komponenten ist ein elektrischer Widerstand zugeordnet,
der zu dem Gesamtwiderstand des Erregersystems beiträgt. Wird
dieses Erregersystem 200 mit einer bekannten Batteriespannung
beaufschlagt, dann sollte bei Funktionsfähigkeit aller genannten Komponenten ein
bestimmter Strom fließen,
der Sollstrom. Eine regelmäßig bei
Stillstand der Verbrennungskraftmaschine durchgeführte Messung
ergibt einen Iststrom. Durch Vergleich des regelmäßig gemessenen
Iststroms mit dem Sollstrom lassen sich Fehlertendenzen erkennen,
die auf Fehlfunktion oder Abnutzung von Komponenten hindeuten.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird nun unter Bezug auf das in 3 dargestellte
Ablaufdiagramm beschrieben. Das Verfahren beginnt bei dem Schritt 30.
Dabei wird das Verfahren nur vor dem Start des Fahrzeugs oder während der
Fahrt eines Fahrzeugs in Phasen durchgeführt, in denen die Verbrennungskraftmaschine 10 des
Fahrzeugs zum Stillstand gekommen ist. Eine derartige Situation
tritt häufig
bei dem so genannten Stop and Go-Verkehr auf. In dem Schritt 31 wird
der Erregerstrom des Generators 14 abgeschaltet. In dem
Schritt 32 wird dann eine Messung durchgeführt. Gemessen
werden der Erregerstrom des Generators 14 und die Spannung des
Bordnetzes. Wenn bei dieser Messung in dem Schritt 32 ein
Erregerstrom festgestellt wird, der einen Grenzwert nahe 0 A überschreitet,
dann wird zu dem Schritt 32A verzweigt, der zu dem Schritt 33 führt. In
dem Schritt 33 wird festgestellt, dass der Regler 14a defekt
ist. Wenn bei der Messung in dem Schritt 32 ein Erregerstrom
von ca. 0 A gemessen wird, dann wird zu dem nächsten Schritt 34 übergeleitet.
In dem Schritt 34 wird der Erregerstrom eingeschaltet.
Gemäß Schritt 35 wird
dann zunächst
eine bestimmte Zeit gewartet, da eine Zeitkonstante zu berücksichtigen
ist. Nach Ablauf der Wartezeit wird zu dem Schritt 36 übergegangen,
in dem der Erregerstrom erneut gemessen wird. In dem Schritt 37 wird geprüft, ob der
Erregerstrom einen vorgebbaren Sollwert überschreitet oder unterschreitet.
Ist der gemessene Erregerstrom kleiner als der vorgebbare Sollwert,
dann wird zu dem alternativen Schritt 37A verzweigt, der
zu dem Schritt 38 führt.
In dem Schritt 38 wird festgestellt, dass der Erregerstromkreis
einen zu hohen Widerstand aufweist und dass demzufolge ein Fehler
vorliegt. Wird in dem Schritt 37 festgestellt, dass der
gemessene Erregerstrom den vorgebbaren Sollwert übersteigt, dann wird zu dem
alternativen Schritt 37B verzweigt, der zu dem Schritt 39 führt. In dem
Schritt 39 wird erneut die Relation des gemessenen Erregerstroms
zu dem vorgebbaren Sollwert geprüft.
Insbesondere wird geprüft
ob der gemessene Erregerstrom wesentlich größer ist als der vorgebbare
Sollwert des Erregerstroms. Sollte dies der Fall sein, dann wird
zu dem alternativen Schritt 39A verzweigt, der zu dem Schritt 40 führt. In
dem Schritt 40 wird festgestellt, dass ein Kurzschluss
in dem Erregersystem des Generators 14 vorliegt. Sofern
in dem Schritt 39 festgestellt wird, dass der gemessene
Erregerstrom nicht wesentlich größer als
ein vorgebbarer Sollwert ist, dann wird zu dem alternativen Schritt 39B verzweigt,
der zu dem Schritt 41 führt.
In dem Schritt 41 wird festgestellt, dass kein Fehler vorliegt. Zweckmäßig können die
aktuell gewonnenen Messwerte, oder auch zusammen mit diesem Ergebnis, Trends
gespeichert werden. Dadurch wird ein Vergleich mit später gewonnenen
Messwerten erleichtert. Auf diese Weise ist eine Früherkennung
von sich anbahnenden gravierenden Fehlern möglich, die einen Ausfall des
Bordnetzes oder von Komponenten dieses Bordnetzes zur Folge haben
könnten.
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Anhand
eines Beispiels wird im Folgenden beschrieben, wie der Sollwert
für den
Erregerstrom zweckmäßig festgelegt
wird. Dabei wird angenommen, dass es sich um einen Pkw handelt.
Die Spannung des Bordnetzes UBN beträgt bei Pkw ca. 13,5 Volt. Der
gesamte Spannungsabfall UKSS über
die in 2 dargestellten
Komponenten des Bordnetzes beträgt
etwa 0,8 Volt. Die Erregerzeitkonstante TERR des Generators 14 beträgt etwa
0,14 bis 0,29 Sekunden. Der Wicklungswiderstand RW der Erregerwicklung 20 beträgt etwa
zwei Ohm. Hierbei ist zu berücksichtigen,
dass die genannten Werte typabhängig
sind und von Fahrzeugtyp zu Fahrzeugtyp Variationen auftreten können.
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An
einem fehlerfreien Erregersystem sollte sich in einem eingeschwungenen
Zustand, also nach etwa dem dreifachen der Erregerzeitkonstante
ein Stromwert IERR des Erregerstroms einstellen, der wie folgt zu
berechnen ist: IERR
= (UBN – UKSS)/RW (1)
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Hierin
bedeuten:
- IERR:
- Erregerstrom,
- UBN:
- Bordnetzspannung
- UKSS:
- gesamter Spannungsabfall
- RW:
- Widerstand der Erregerwicklung 20.
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Eine
genaue Strommessung ist sinnvollerweise erst nach dem Ablauf von
etwa drei Zeitkonstanten möglich.
Die Unterscheidung, ob ein Kurzschluss, bzw. eine Unterbrechung
vorliegen, könnte allerdings
bereits nach einer deutlich kürzeren
Zeitspanne erfolgen. Die hierfür
erforderlichen Berechnungen können
in dem Regler 14a selbst durchgeführt werden, sofern es sich
um einen modernen Typ mit eigener Rechnerkapazität handelt. Vorzugsweise können diese
Berechnungen jedoch auch in einem Steuergerät 15 durchgeführt werden.
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Zweckmäßig wird
ein Alarmsignal generiert, wenn ein vorgebbarer Sollwert des Erregerstroms IERR über- oder
unterschritten wird oder wenn sich durch Vergleich aktuell gewonnener
Messwerte mit zuvor gespeicherten Messwerten eine auf ein hohes Ausfallrisiko
hindeutende negative Trendanalyse ergibt.
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 11
- Anlasser
- 12
- Zündschalter
- 13
- Batterie
- 14
- Generator
- 14a
- Regler
- 15
- Steuergerät
- 16
- Spannungsmesser
- 17
- Drehzahlsensor
- 18
- Strommesser
- 20
- Erregerwicklung
- 21
- Regler
- 22
- Litze
- 23
- Litze
- 24
- Kohle
- 25
- Kohle
- 26
- Übergangswiderstand
- 27
- Übergangswiderstand
- 28
- Schleifring
- 29
- Schleifring
- 30
- Schritt
- 31
- Schritt
- 32
- Schritt
- 32A
- Schritt
- 32B
- Schritt
- 33
- Schritt
- 34
- Schritt
- 35
- Schritt
- 36
- Schritt
- 37
- Schritt
- 37A
- Schritt
- 37B
- Schritt
- 38
- Schritt
- 39
- Schritt
- 39A
- Schritt
- 39B
- Schritt
- 40
- Schritt
- 41
- Schritt
- 200
- Erregersystem
- IERR
- Erregerstrom
- UBN
- Bordnetzspannung
- 0A
- Grenzwert