-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Eine Ausführungsform betrifft allgemein das Detektieren eines Riemenschlupfs eines Zubehörantriebsriemens einer Maschine in einem Fahrzeug.
-
Zubehörantriebssysteme für Fahrzeuge im Fahrzeugvorbau verwenden typischerweise einen flexiblen gummierten Riemen zum Antreiben mehrerer Maschinenzubehöreinrichtungen, wie etwa der Lichtmaschine, dem Klimaanlagenkompressor, der Servolenkungspumpe und der Wasserpumpe. Die Maschinenkurbelwelle erzeugt ein Drehmoment und treibt die jeweiligen Maschinenzubehöreinrichtungen über den Zubehörantriebsriemen an. Aufgrund der relativen Platzierung der Maschinenzubehöreinrichtungen nimmt der Riemen typischerweise eine gewundene Form an. Der Riemen greift mit einer benötigten Spannung in eine Riemenscheibe an jeder der Einrichtungen ein, so dass zwischen dem Riemen und einer oder mehreren Maschinenzubehöreinrichtungen kein Riemenschlupf auftritt. Ein Riemenschlupf kann aufgrund eines verschlissenen Riemens, eines gebrochenen oder eines falsch gespannten Riemens auftreten. Ein falsch gespannter Riemen kann zu einer von einer geringen Rotation der Lichtmaschine verursachten niedrigen Batterieladung, einer Fehldiagnose von Zubehörsystemfehlern, einer nicht ausreichenden Kühlung der Maschine oder zu einem Maschinenausfall führen.
-
Die
JP 62 088 861 A offenbart eine Vorrichtung zum Detektieren eines Riemenschlupfbetrags, bei der Spannungssignale an einer Batterieleitung, die mit einer Batterie, einer elektrischen Last und einem Lichtmaschinenregler verbunden ist, in einer Steuerungsvorrichtung so aufbereitet werden, dass daraus zwei Signalkomponenten zur Berechnung des Riemenschlupfs entnommen werden können.
-
In der
US 6 675 642 B1 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Schlupf an einem Generatorantriebsriemen offenbart, die den Schlupf aus dem Verlauf einer elektrischen Bordsystemspannung und einem Signalverlauf der Spannung am Generator bestimmt, indem sie diese Spannungsverläufe vor und nach dem Schalten der größten verfügbaren Last auswertet.
-
Die
US 2007/010 3284 A1 offenbart ein System und eine Vorrichtung zur Analyse der elektrischen Stromversorgung eines Fahrzeugs mit einer Batterie, einer Brennkraftmaschine, einer Lichtmaschine und einem Startermotor. Beim Einschalten der Zündung werden Änderungen bei der Phase und dem Gradienten der Batterieanschlussspannung, verschiedene transiente Signalwellenformen und die Drehzahl der Brennkraftmaschine ausgewertet, um einen Zustand der elektrischen Stromversorgung anzuzeigen.
-
In der
EP 1 111 394 A1 ist eine Anordnung zur Ermittlung des Schlupfes bzw. der Keilriemenspannung bei einer Brennkraftmaschine offenbart, wobei die Anordnung die Drehzahl der Brennkraftmaschine und eines über einen Keilriemen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generators erfasst und vergleicht und daraus den Schlupf ermittelt.
-
Die
WO 93/03937 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Antriebs, bei denen die Drehzahl eines von einem Antriebsriemen angetriebenen Teils mit einem drehzahlabhängigen Schwellenwert verglichen wird. Beim Überschreiten des Schwellenwerts wird ein Fehlersignal ausgegeben, das einen beginnenden oder unregelmäßigen Schlupf zwischen antreibendem und angetriebenen Signal signalisiert.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Ein Vorteil einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren und ein System zum Detektieren eines Schlupfs eines Zubehörantriebsriemens unter Verwendung einer gemessenen Batteriespannung und einer geschätzten Batteriespannung, wobei die geschätzte Batteriespannung eine Funktion der Maschinendrehzahl ist. Das System und Verfahren zur Riemenschlupfdetektion beseitigt die Notwendigkeit zusätzlicher Sensoren, die andernfalls die Systemkosten erhöhen würden.
-
Eine Ausführungsform betrachtet ein Verfahren zum Bestimmen eines Riemenschlupfs in einem Fahrzeug. Das Fahrzeug enthält eine Maschine und eine Lichtmaschine, die durch einen Zubehörantriebsriemen drehbar gekoppelt sind. Der Zubehörantriebsriemen greift in ein rotierendes Element der Maschine ein, um ein rotierendes Element der Lichtmaschine anzutreiben. Es wird eine Batteriespannung gemessen. Als Funktion der Maschinendrehzahl wird eine geschätzte Batteriespannung bestimmt. Der Riemenschlupf der Lichtmaschine wird in Ansprechen auf einen Vergleich der geschätzten Batteriespannung und der gemessenen Batteriespannung detektiert.
-
Eine Ausführungsform betrachtet ein Riemenschlupfdetektionssystem zum Detektieren eines Schlupfs eines Zubehörantriebsriemens. Der Zubehörantriebsriemen greift in ein drehbares Element einer Maschine ein, um ein drehbares Element einer Lichtmaschine anzutreiben. Das Riemenschlupfdetektionssystem enthält ein Steuerungsmodul, das zur Bestimmung eines Riemenschlupfs der Lichtmaschine als Funktion einer gemessenen Batteriespannung und einer geschätzten Batteriespannung ausgestaltet ist. Die geschätzte Batteriespannung wird als Funktion einer Maschinendrehzahl bestimmt. Das Steuerungsmodul bestimmt, ob die geschätzte Batteriespannung größer als die gemessene Batteriespannung ist. Das Steuerungsmodul ist ausgestaltet, um eine für einen Fahrer wahrnehmbare Warnung hinsichtlich des Riemenschlupfs zu aktivieren.
-
Eine Ausführungsform betrachtet ein Verfahren zum Bestimmen eines Riemenschlupfs in einem Fahrzeug. Das Fahrzeug enthält eine Maschine und eine Lichtmaschine, die durch einen Zubehörantriebsriemen drehbar gekoppelt sind. Der Zubehörantriebsriemen greift in ein rotierendes Element der Maschine ein, um ein rotierendes Element der Lichtmaschine anzutreiben. Eine Maschinendrehzahl wird gemessen. Eine erwartete Lichtmaschinendrehzahl wird als eine Funktion der Maschinendrehzahl bestimmt. Es wird eine Batteriespannung gemessen. Eine berechnete Lichtmaschinendrehzahl wird als eine Funktion der gemessenen Batteriespannung bestimmt. Ein Riemenschlupf wird in Ansprechen auf einen Vergleich der berechneten Lichtmaschinendrehzahl und der erwarteten Lichtmaschinendrehzahl detektiert.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugvorbau-Zubehörantriebssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
2 ist ein Blockdiagramm eines Riemenschlupfdetektionssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
3 ist ein elektrischer Schaltplan eines Wiederaufladesystems für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens eines Lernprogramms für das Riemendetektionssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren eines Riemenschlupfs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
GENAUE BESCHREIBUNG
-
Bei 10 ist allgemein ein Fahrzeugvorbau-Zubehörantriebssystem gezeigt. Ein Zubehörantriebsriemen 12 steht mit mehreren Zubehörkomponenten in einem Dreheingriff. Die mehreren Komponenten enthalten, sind aber nicht begrenzt auf eine Lichtmaschine 14, eine Servolenkungspumpe 16 und einen Luftkompressor 18. Mit dem Zubehörantriebsriemen 12 ist auch eine Maschinenkurbelwelle 20 drehbar gekoppelt, um jede der mehreren Zubehörkomponenten anzutreiben. Die Maschinenkurbelwelle 20 und die mehreren Komponenten enthalten jeweils ein drehbares Element, wie etwa eine Riemenscheibe, um mit dem Zubehörantriebsriemen 12 in Eingriff zu treten. Das von der Maschinenkurbelwelle 20 erzeugte Drehmoment wird durch den Zubehörantriebsriemen 12 übertragen, um jede der mehreren Komponenten drehend anzutreiben. Ein Riemenspanner 22 wird verwendet, um Spannung an den Zubehörantriebsriemen 12 zu liefern, um ein Durchhängen zur Minimierung des Riemenschlupfs zu absorbieren.
-
2 veranschaulicht ein Riemenschlupfdetektionssystem 24 zum Detektieren eines Riemenschlupfs des Zubehörantriebsriemens 12 der Maschine, wenn entweder ein verschlissener oder ein gebrochener Riemen vorhanden ist oder wenn die Spannung nicht ausreicht, um einen Riemenschlupf zu verhindern. Das Riemenschlupfdetektionssystem 24 enthält ein Steuerungsmodul 26, einen Batteriespannungssensor 28, ein Maschinensteuerungsmodul 30, eine Warnungsanzeige 32 und eine Lichtmaschine 14.
-
Das Steuerungsmodul 26 ist mit den verschiedenen Komponenten des Riemenschlupfdetektionssystems 24 gekoppelt, um zu bestimmen, ob gerade ein Riemenschlupf auftritt. Das Steuerungsmodul 26 kann ein eigenständiges Modul sein oder es kann ein existierendes Steuerungsmodul sein, das im Fahrzeug verwendet wird, wie etwa ein Batteriesteuerungsmodul. Ein Batteriesteuerungsmodul (z. B. in einem Hybridfahrzeug) führt eine Ladesteuerung aus und verbessert eine Fahrzeugleistungsverwaltung zur Steuerung und Verteilung von Leistung in einem elektrischen System des Fahrzeugs, und daher können viele der hier beschriebenen überwachten Eigenschaften durch das Batteriesteuerungsmodul bereitgestellt werden. Das Steuerungsmodul 26 empfängt eine Eingabe von einem Batteriespannungssensor 28, der die Spannung der Batterie misst. Außerdem werden dem Steuerungsmodul 26 elektrische Betriebseigenschaften, die von dem Maschinensteuerungsmodul (ECM) 30 überwacht werden, das später erörtert wird, geliefert, um einen Riemenschlupf zu bestimmen. Eine Anzeige 32, die eine für einen Fahrer wahrnehmbare Warnung bereitstellt, etwa ein Warnlicht, gibt an, dass gerade ein Riemenschlupf auftritt, der zu einem unkorrekten Aufladen der Batterie, einer verringerten Kraftstoffsparsamkeit, einer Fehldiagnose des Problems (z. B. Austauschen der Lichtmaschine), einer ungeeigneten Kühlung der Maschine oder einer Beschädigung der Maschine führen kann.
-
3 veranschaulicht einen elektrischen Schaltplan des Ladesystems eines Fahrzeugs. Eine Last 50 ist mit einer Batterie 36 gekoppelt. Die Batterie 36 ist mit der Lichtmaschine 14 elektrisch gekoppelt, um die Batterie 36 wieder aufzuladen. Die elektrische Leitung, die die Batterie 36 koppelt, enthält einen Leitungswiderstand 38. Die Lichtmaschine 14 enthält einen Stator 40, der bei einer Drehung ein elektromagnetisches Wechselstromfeld in die Sekundärseite des Stators 14 induziert. Die Erzeugung des elektromagnetischen Wechselstromfeldes wird durch ein Feld eingeleitet, das in der Primärseite des Stators 40 erzeugt wird. Das ECM 30 fordert eine Einstellspannung Vset an, die aufgrund der Spannungsregelung, die von dem Lichtmaschinenspannungsregler ausgeführt wird, im Wesentlichen gleich der Lichtmaschinenausgangsspannung ist. Bei den meisten aktuellen Kraftfahrzeuglichtmaschinen ist der Lichtmaschinenspannungsregler eine Halbleitereinrichtung, die in die Lichtmaschine selbst eingebaut ist. Der Lichtmaschinenspannungsregler arbeitet, indem er den Feldstrom (d. h. Rotorstrom) durch eine mit einem Tastverhältnis getaktete Feldspannung begrenzt. Das Feldspannungstastverhältnis wird als Fdc gemessen. Eine erzeugte Spannung EG wird in der Sekundärseite des Stators 14 von dem induzierten elektromagnetischen Feld durch die Statorwicklungen erzeugt. Die erzeugte Spannung EG ist der quadratische Mittelwert (rms) aller erzeugten Phasenspannungen (Ea, Eb, Ec). Jede jeweilige erzeugte Phasenspannung wird durch einen Lichtmaschineninnenwiderstand (Ra) 42 und eine synchrone Induktivität (Ls) 44 zum Erzeugen eines Wechselstroms (AC) an jeder jeweiligen Leitung angelegt. Jeder jeweilige Leitungsstrom wird an einen Gleichrichter 46 geliefert, um den Wechselstrom (AC) in einen Gleichstrom (DC) gleichzurichten. Der aufsummierte gleichgerichtete Lichtmaschinenstrom (Ia), der von jeder der jeweiligen Leitungsphasen erzeugt wird, wird über das Kabel 38 von Lichtmaschine zu Batterie, das den Leitungswiderstand (Rl) aufweist, an die Batterie 36 geliefert. Die Batterie 36, die infolge elektrischer Lasten 50, die Energie aus der Batterie 36 verwenden, entleert wird, wird durch den gleichgerichteten DC-Strom, der von der Lichtmaschine 14 an die Batterie 36 geliefert wird, wieder aufgeladen.
-
Der Riemenschlupf des Zubehörantriebsriemens wird bestimmt, indem die Spannung von der Lichtmaschine und der Batterie unter Verwendung eines stationären Lichtmaschinenmodells und eines Leitungsspannungsabfallmodells überwacht wird. Wenn sich die Lichtmaschine in einem stationären Zustand befindet, gelten die folgenden Gleichungen für das stationäre Lichtmaschinenmodell wie folgt:
wobei V
a die Lichtmaschinenausgangsspannung ist, EG der quadratische Mittelwert der erzeugten Phasenspannung ist, X
S der Synchronwiderstand ist, I
a der gleichgerichtete Lichtmaschinenstrom ist, R
a ein Lichtmaschineninnenwiderstand ist, L
af die Gegeninduktivität zwischen einer Phasenwicklung und der Feldwicklung ist, I
f der Feldstrom ist, F
dc das Tastverhältnis des Lichtmaschinenfelds ist und L
S die synchrone Induktivität ist.
-
Das Leitungsspannungsabfallmodell ist durch die folgenden Gleichungen dargestellt:
wobei V
a die Lichtmaschinenausgangsspannung ist, V
b die Batteriespannung ist, V
set eine Einstellspannung ist, wie sie von dem ECM angefordert ist, R
l der Widerstand des Kabels von der Lichtmaschine zur Batterie ist und I
a der gleichgerichtete Lichtmaschinenstrom ist.
-
Nachdem die Gleichungen für das stationäre Modell und den Leitungsspannungsabfall aufgestellt wurden, können die Gleichungen (2)–(6) in Gleichung (1) eingesetzt werden, um nach der Lichtmaschinendrehzahl ω
a aufzulösen. Die folgende Gleichung stellt die Lichtmaschinendrehzahl ω
a der rotierenden Lichtmaschine unter Verwendung der Gleichungen von dem stationären Modell und dem Leitungsspannungsabfall dar:
-
Die Lichtmaschinendrehzahl ωa, die in U/min (rpm) oder einem anderen Drehzahlmaß dargestellt werden kann, wird durch die folgende Formel dargestellt: ωa = rωegn (8) wobei r das Riemenscheibenverhältnis ist und ωeng die Drehzahl der Maschine ist. Die Maschinendrehzahl kann durch einen externen Sensor überwacht werden, etwa denjenigen, der die Maschinendrehzahlinformation an das ECM liefert. Die Drehzahl der Maschine kann auf ähnliche Weise in U/min oder einem anderen Drehzahlmaß dargestellt werden.
-
Eine geschätzte Batteriespannung V
b_est wird berechnet, indem Gleichung (8) in Gleichung (7) eingesetzt wird. Die geschätzte Batteriespannung V
b_est wird durch die folgende Formel dargestellt:
-
Es versteht sich, dass F
dc und ω
eng mit Sensoren gemessen werden, V
set ein Steuerungssignal ist, das von dem ECM geliefert wird, L
af, L
s, R
a, R
l und r vorbestimmte Konstanten sind, und c eine Konstante ist, die das Feldtastverhältnis mit dem Feldstrom in Beziehung setzt. Die Formel für die geschätzte Batteriespannung V
b_est kann durch die folgende Formel dargestellt werden:
Vb_est = –c1Fdc + c2 (10) wobei c
1 und c
2 Werte darstellen, die durch den Faktor von Gleichung (9) bestimmt sind und wie folgt dargestellt sind:
-
Um festzustellen, ob ein Riemenschlupf auftritt, wird die geschätzte Batteriespannung Vb_est mit einer gemessenen Batteriespannung Vb verglichen. Wenn die gemessene Batteriespannung Vb größer als die geschätzte Spannung Vb_est ist, dann wird festgestellt, dass ein Riemenschlupf auftritt. Je größer die gemessene Batteriespannung Vb als die geschätzte Spannung Vb_est ist, desto größer ist außerdem der Schlupf. Für einen gegebenen Spannungseinstellpunkt Vset und eine gegebene Maschinendrehzahl ωeng steht daher Vb in einer linearen Beziehung mit dem Feldtastverhältnis Fdc, und wenn die lineare Beziehung beibehalten wird, dann tritt kein Riemenschlupf auf.
-
Die Werte c1 und c2, die zum Schätzen der Batteriespannung Vb_est verwendet werden, werden vorbestimmt und in einem Speicher, einer Nachschlagetabelle oder dergleichen, der bzw. die in 2 bei 33 gezeigt ist, gespeichert. Das heißt, dass für jede Kombination aus einem jeweiligen Spannungseinstellpunkt Vset und einer Maschinendrehzahl ωeng ein jeweiliger Satz von Werten für c1 und c2 verwendet werden kann, um die geschätzte Batteriespannung Vb_est zu bestimmen. Daher werden Werte für c1 und c2 bei einem jeweiligen Spannungseinstellpunkt Vset und einer jeweiligen Maschinendrehzahl ωeng während eines Lernmodus, bei dem kein Riemenschlupf auftritt, rekursiv aktualisiert. Die Variablen Fdc, ωeng, Vset werden kontinuierlich gemessen und überwacht. Für eine jeweilige Kombination von Vset und ωeng wird ein kombinierter Satz von Werten c1 und c2 bestimmt. Da Daten kontinuierlich gemessen/gesammelt werden, während Vset und ωeng konstant sind, werden die Werte c1 und c2 rekursiv aktualisiert. Die Werte für c1 und c2 werden festgelegt, wenn die rekursiv aktualisierten Werte c1 und c2 konvergieren. Danach werden die festgelegten Werte c1 und c2 im Speicher/der Nachschlagetabelle 33 oder ähnlichem und in Kombination mit der aufgezeichneten Maschinendrehzahl und dem aufgezeichneten Spannungseinstellpunkt gespeichert. Es versteht sich, dass der Speicher/die Nachschlagetabelle 33 ein(e) allein stehende(r) Speicher/Nachschlagetabelle sein kann oder in dem Speicher des Steuerungsmoduls 26 oder einer ähnlichen Einrichtung enthalten sein kann.
-
4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Lernen der Werte c1 und c2. Bei Schritt 50 wird das Lernprogramm gestartet. Bei Schritt 51 werden Daten bezüglich Fdc, Laf, Ls, Ra, Rl und r für eine kombinierte Kombination eines Satzes von Werten ωeng und Vset gesammelt. Die Maschinendrehzahl ωeng wird mit externen Sensoren gemessen und der Spannungseinstellpunkt Vset ist ein Steuerungssignal, das von dem ECM vorgegeben wird.
-
Bei Schritt 52 werden Werte c1 und c2 rekursiv aktualisiert, während die Maschinendrehzahl ωeng und der Spannungseinstellpunkt Vset konstant sind.
-
Bei Schritt 53 wird ermittelt, ob die Werte für c1 und c2 konvergieren. Wenn bei Schritt 53 ermittelt wird, dass die Werte nicht konvergieren, dann kehrt die Routine zu Schritt 51 zurück, um zusätzliche Daten zur Beschaffung weiterer Werte für c1 und c2 zu sammeln. Wenn ermittelt wird, dass die Zahlen konvergieren, dann werden die Werte für c1 und c2 bei Schritt 54 in einer Nachschlagetabelle gespeichert, damit sie von der Riemenschlupfdetektionsroutine später geholt werden können.
-
5 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren eines Riemenschlupfs in einem Fahrzeug unter Verwendung einer gemessenen Batteriespannung und einer geschätzten Batteriespannung, die eine Funktion der Maschinendrehzahl ist.
-
Bei Schritt 60 wird die Riemenschlupfdetektionsroutine geschätzt. Bei Schritt 61 werden Daten bezüglich Fdc, Vb, ωeng, Vset bei Fahrzeugbetriebsbedingungen gesammelt.
-
Bei Schritt 62 werden für jede Kombination aus Maschinendrehzahl ωeng und Spannungseinstellpunkt Vset Werte für c1 und c2 aus der Nachschlagetabelle geholt.
-
Bei Schritt 63 wird die geschätzte Batteriespannung unter Verwendung der in Gleichung (10) gezeigten Formel mit den geholten Werten c1, c2 und Fdc bestimmt.
-
Bei Schritt 64 wird ermittelt, ob die geschätzte Spannung Vb_est größer als die gemessene Batteriespannung Vb ist. Wenn die geschätzte Spannung Vb_est kleiner als die gemessene Batteriespannung Vb ist, dann wird ermittelt, dass kein Riemenschlupf auftritt und die Routine kehrt zu Schritt 61 zurück, um zusätzliche Daten zu sammeln. Wenn die geschätzte Spannung Vb_est größer als die gemessene Batteriespannung Vb ist, dann tritt ein Riemenschlupf auf und die Routine geht zu Schritt 65 weiter, bei dem eine für einen Fahrer wahrnehmbare Warnung hinsichtlich des Riemenschlupfs aktiviert wird.
-
Bei einer zweiten Ausführungsform kann der Riemenschlupf detektiert werden, indem die erwartete Lichtmaschinendrehzahl (z. B. unter der Annahme kein Schlupf) auf der Grundlage einer Maschinendrehzahl mit einer Lichtmaschinendrehzahlberechnung auf der Grundlage einer Batteriespannung verglichen wird. Wie früher beschrieben wurde, wird eine erwartete Lichtmaschinendrehzahl ω
a unter der Annahme, dass kein Riemenschlupf vorliegt, durch die in Gleichung (8) gezeigte Formel bestimmt. Die berechnete Lichtmaschinendrehzahl ω
a_model wird durch die folgende Formel in Gleichung (7) bestimmt, ob ein Riemenschlupf vorhanden ist oder nicht. Daher kann der Riemenschlupf durch die folgende Formel bestimmt werden:
wobei L
af, L
s, R
a, R
l und r bekannte Konstanten sind und F
dc, V
b, ω
eng und V
set gemessene Daten sind.
-
Wenn daher die berechnete Drehzahl der Lichtmaschine ωa_model kleiner als die bekannte/erwartete Drehzahl der Lichtmaschine ωa ist, dann wird bestimmt, dass ein Riemenschlupf auftritt. Außerdem ist der Schlupf umso größer, je größer die Differenz zwischen der berechneten Drehzahl der Lichtmaschine ωa_model und der erwarteten Drehzahl der Lichtmaschine ωa (d. h. als ein negativer Wert) ist.
-
Obwohl einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis erkennen, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert sind.
