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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers einer Generatoreinheit sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Generatoreinheiten können beispielsweise in (Kraft-) Fahrzeugen zur Versorgung eines Bordnetzes mit elektrischer Energie verwendet werden. Eine derartige Generatoreinheit kann einen Generator bzw. eine als Generator betreibbare (rotierende) elektrische Maschine umfassen, z.B. eine fremderregte Synchronmaschine, sowie ferner einen Gleichrichter bzw. einen als Gleichrichter betriebenen Umrichter, um einen von der elektrischen Maschine erzeugten mehrphasigen Strom in einen Gleichstrom zu wandeln.
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In einer derartigen Generatoreinheit können unterschiedliche Fehler auftreten, beispielsweise elektrische Fehler wie Kurzschlüsse oder Unterbrechung in den Phasen (Wicklungssträngen oder Zuleitungen) des Stators der elektrischen Maschine oder von Halbleiterschaltern des Gleichrichters. Da eine derartige Generatoreinheit in einem Fahrzeug zumeist die benötigte elektrische Energie erzeugt und die Funktionsfähigkeit des Bordnetzes erhält, ist es von Bedeutung, Fehler der Generatoreinheit frühzeitig erkennen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers einer Generatoreinheit sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Generatoreinheit weist eine elektrische Maschine und einen Gleichrichter bzw. eine Gleichrichterschaltung auf, über welchen die elektrische Maschine an ein Bordnetz bzw. Bordspannungsnetz anschließbar ist, insbesondere an ein Bordnetz eines (Kraft-) Fahrzeugs. Die elektrische Maschine kann insbesondere als ein Generator ausgebildet sein, z.B. als Klauenpolgenerator, und/oder als eine elektrische Maschine, welche wahlfrei motorisch und generatorisch betrieben werden kann. Die elektrische Maschine weist insbesondere einen Rotor und einen Stator mit einer Statorwicklung auf, wobei der Gleichrichter mit der Statorwicklung verbunden ist, um eine in der Statorwicklung erzeugte Wechselspannung gleichzurichten. Der Gleichrichter kann insbesondere Brückenschaltungen aus passiven Schaltelementen, insbesondere Dioden, und/oder aus aktiven Schaltelementen, insbesondere Halbleiterschaltern wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), aufweisen.
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Das vorliegende Verfahren stellt eine Möglichkeit vor, um Fehler der elektrischen Maschine sowie des Gleichrichters erkennen zu können, insbesondere elektrische Fehler wie Kurzschlüsse oder Unterbrechung innerhalb der Statorwicklung oder von Halbleiterschaltern des Gleichrichters. Zu diesem Zweck wird im Rahmen des vorliegenden Verfahrens ein zeitlicher Verlauf einer Ausgangsspannung des Gleichrichters bestimmt.
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Der zeitliche Verlauf des Spannungswerts wird in einzelne Zeitintervalle unterteilt. Diese einzelnen Zeitintervalle können jeweils zweckmäßigerweise eine vorgegebene bzw. vorgebbare Länge besitzen und können insbesondere jeweils gleicher Länge sein. Zweckmäßigerweise kann die Länge der einzelnen Zeitintervalle in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine gewählt werden, beispielsweise derart, dass pro Zeitintervall mindestens eine vorgebbare Anzahl von Umdrehungen der elektrischen Maschine vorliegt. Auch ist es möglich, dass die Länge des Zeitintervalls abhängig von einer Anzahl von zu beinhaltenden Extrema gewählt wird.
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In jedem Zeitintervall werden jeweils Extrema des zeitlichen Verlaufs des Spannungswertes bestimmt, insbesondere Maxima und/oder Minima. Insbesondere können jeweils sämtliche lokale und absolute Extrema innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls bestimmt werden. In Abhängigkeit von den bestimmten Extrema werden jeweils charakteristische Merkmale der einzelnen Zeitintervalle bestimmt. Die charakteristischen Merkmale der einzelnen Zeitintervalle werden jeweils ausgewertet und in Abhängigkeit von dieser Auswertung wird bestimmt, ob ein Fehler der elektrischen Maschine und/oder des Gleichrichters vorliegt.
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Vorteilhafterweise unterscheiden sich nämlich diese charakteristischen Merkmale bei einem fehlerfreien und einem fehlerhaften Betrieb der Gleichrichtereinheit voneinander. In einem fehlerfreien Fall weist der Spannungswertverlauf insbesondere ein individuelles Muster der Extrema bzw. einen individuellen Verlauf von Maxima und Minima auf, insbesondere in Bezug sowohl auf die Höhe bzw. die konkreten Spannungswerte der einzelnen Extrema als auch insbesondere auf deren Dauer und zeitliche Abstände. In einem fehlerhaften Betrieb weichen Muster bzw. Verlauf der Extrema von dem fehlerfreien Betrieb ab. Ferner wirken sich Fehler der elektrischen Maschine und des Gleichrichters insbesondere individuell bzw. fehlerspezifisch auf die charakteristischen Merkmale aus. Die Extrema des Spannungswertverlaufs bzw. die daraus abgeleiteten charakteristischen Merkmale stellen daher eine besonders effektive Möglichkeit dar, um Fehler der Generatoreinheit zuverlässig erkennen zu können. Die charakteristischen Merkmale können insbesondere in Abhängigkeit von den konkreten Spannungswerten und den Dauern der Extrema bestimmt werden sowie ferner insbesondere in Abhängigkeit von Beziehungen einzelner Extrema zueinander, z.B. Differenzen, Verhältnisse usw., der Ordinatenwerte und/oder der Abszissenwerte.
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Die Überwachung dieser charakteristischen Merkmale stellt eine besonders einfache und effektive Möglichkeit dar, um frühzeitig Fehler der Generatoreinheit erkennen zu können. Nicht nur das Auftreten eines Fehlers, sondern insbesondere auch die spezielle Art des Fehlers können zweckmäßigerweise erkannt werden. Bei einem erkannten Fehler können insbesondere frühzeitig geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, beispielsweise um die Generatoreinheit, das Bordnetz oder das Fahrzeug zweckmäßigerweise in einen sicheren Zustand überführen zu können.
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Insbesondere können die charakterisieren Merkmale auf rechnerisch einfache Weise aus dem Spannungsverlauf bestimmt werden. Insbesondere werden keine aufwendigen, komplexen Berechnungen benötigt, so dass das Verfahren aufwandsarm zur Laufzeit (sog. Online-Überwachung) der Generatoreinheit durchgeführt werden und kostengünstig implementiert werden kann. Insbesondere wird der zeitliche Verlauf des Spannungswerts ohnehin im Zuge der regulären Steuerung der Generatoreinheit bzw. des Bordnetzes erfasst, so dass es für das vorliegende Verfahren keines zusätzlichen Messaufwands bedarf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Extrema des zeitlichen Verlaufs des Spannungswerts in den einzelnen Zeitintervallen jeweils bestimmt, indem Abschnitte des Verlaufs bestimmt werden, in welchen der zeitliche Verlauf des Spannungswerts zumindest im Wesentlichen steigt oder fällt. In diesen einzelnen Abschnitten weist der Spannungswertverlauf somit zumindest im Wesentlichen jeweils einen steigenden bzw. fallenden Trend bzw. eine entsprechende Tendenz auf. Spannungswerte, welche jeweils einen Übergang zwischen einem steigenden und einem fallenden Abschnitt bzw. zwischen einem fallenden und einem steigenden Abschnitt darstellen, werden vorteilhafterweise jeweils als Extrema bestimmt. Rauschen, insbesondere in Form von lokalen Schwankungen bzw. lokalen Extrema wird insbesondere nicht berücksichtigt.
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Vorzugsweise wird daher zunächst ein Filter auf den zeitlichen Verlauf des Spannungswerts angewendet, insbesondere ein Tiefpass-Filter, weiter insbesondere ein gleitender Mittelwert-Filter (Moving-Average). Zweckmäßigerweise kann somit zunächst Rauschen aus dem von dem Gleichrichter bereitgestellten Spannungssignal entfernt werden, bevor dieses der weiteren Auswertung unterzogen wird. Insbesondere können im Zuge dieser Filterung kleinere, auf Rauschen basierende Extrema herausgefiltert werden.
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Vorteilhafterweise wird jeweils eine Fehlermeldung erzeugt, wenn im Zuge der Auswertung eines der einzelnen Zeitintervalle bestimmt wird, dass ein Fehler der elektrischen Maschine und/oder des Gleichrichters vorliegt. Wenn die charakteristischen Merkmale eines einzelnen Zeitintervalls von regulären, fehlerfreien Werten abweichen, könnte dies auf einen Fehler der Generatoreinheit hindeuten. Insbesondere wird in diesem Fall von einer entsprechenden Auswerteeinheit die Maßnahme durchgeführt oder ausgelöst, z.B. eine jeweilige Fehlermeldung ausgegeben. Insbesondere kann bei Ausgabe einer oder mehrerer solcher Fehlermeldung überprüft werden, ob tatsächlich ein Fehler der Generatoreinheit vorliegt.
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Vorzugsweise wird anhand der Auswertungen von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen bestimmt, ob eine vorgegebene Fehlermaßnahme durchgeführt werden soll. Wenn beispielsweise im Zuge einer vorgegebenen Anzahl von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen jeweils eine Fehlermeldung ausgegeben wird, kann zweckmäßigerweise darauf rückgeschlossen werden, dass tatsächlich ein Fehler der Generatoreinheit vorliegt. In diesem Fall kann mit einer jeweiligen Fehlermaßnahme auf den konkret erkannten Fehler reagiert werden. Insbesondere kann eine Fehlereinheit zu diesem Zweck die Ausgaben der entsprechenden Auswerteeinheit überwachen, insbesondere die von der Auswerteeinheit ausgegebenen Fehlermeldungen, und anhand dieser Ausgaben entscheiden, ob eine jeweilige Fehlermaßnahme durchgeführt werden soll.
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Bevorzugt werden die charakteristischen Merkmale der einzelnen Zeitintervalle jeweils ausgewertet, indem die charakteristischen Merkmale mit Vergleichswerten bzw. Trainingsdaten verglichen werden. Bei diesen Vergleichswerten kann es sich insbesondere um spezielle Werte für die charakteristischen Merkmale handeln, welche sowohl den fehlerfreien Betrieb der Generatoreinheit als auch den fehlerhaften Betrieb mit jeweils verschiedenen Fehlern der Generatoreinheit repräsentieren. Dazu können vorteilhaft maschinelle Lernverfahren eingesetzt werden. Insbesondere können diese Vergleichswerte bzw. Trainingsdaten offline eingelernt und dann online für die Fehlerüberwachung verwendet werden. Beispielsweise können zu diesem Zweck Testdurchläufe durchgeführt werden, sowohl mit fehlerfreien als auch mit fehlerbehafteten Generatoreinheiten. Insbesondere können die Vergleichswerte für einen bestimmten Typ von Generatoreinheit eingelernt werden und für Generatoreinheiten dieses Typs während deren laufenden Betriebs verwendet werden. Ferner können die Vergleichswerte insbesondere während der gesamten Lebensdauer der Generatoreinheit verwendet werden.
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Vorzugsweise werden die Vergleichswerte bzw. Trainingsdaten mit Hilfe von maschinellem Lernen erlernt. Insbesondere kann zu diesem Zweck ein entsprechender Algorithmus vorgesehen sein, welcher die im Zuge der Testdurchläufe gesammelten Daten auswertet, um die Vergleichswerte bzw. Trainingsdaten zu erlernen. Dieser auf maschinellem Lernen basierende Algorithmus kann online im laufenden Betrieb der Generatoreinheit zweckmäßigerweise zum Erkennen und Klassifizieren von Fehlern verwendet werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die charakteristischen Merkmale der einzelnen Zeitintervalle jeweils in Abhängigkeit von Eigenschaften und/oder Beziehungen einzelner Extrema des jeweiligen Zeitintervalls zueinander bestimmt. Insbesondere können konkrete, absolute Werte einzelner Extrema als derartige Eigenschaften berücksichtigt werden, beispielsweise deren Spannungswerte und Auftrittszeitpunkte. Ferner können derartige Eigenschaften einzelner Extrema insbesondere in Beziehung zueinander gesetzt werden, beispielsweise durch Bildung von Differenzen, Quotienten usw. Insbesondere werden Eigenschaften bzw. Beziehungen der Extrema für die charakteristischen Merkmale berücksichtigt, welche die individuellen Muster bzw. Verläufe der Extrema im fehlerfreien bzw. fehlerhaften Fall widerspiegeln.
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Vorteilhaferweise werden die charakteristischen Merkmale in Abhängigkeit von einer oder mehreren der nachfolgenden Eigenschaften und/oder Beziehungen einzelner Extrema des jeweiligen Zeitintervalls zueinander bestimmt.
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Bevorzugt werden die Höhen bzw. die Spannungswerte der einzelnen Extrema innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls berücksichtigt, insbesondere der einzelnen Maxima. Zu diesem Zweck kann insbesondere ein Vektor mit den einzelnen Spannungswerten gebildet werden („peak voltage vector“).
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Alternativ oder zusätzlich kann vorzugsweise eine Folge von aufeinanderfolgenden Extrema, insbesondere von aufeinanderfolgenden Maxima, berücksichtigt werden, deren Spannungswerte sich kontinuierlich erhöhen. Besonders bevorzugt wird die Anzahl der entsprechend aufeinanderfolgenden Extrema dieser Folge berücksichtigt. Insbesondere kann somit ein Aufwärtstrend der Maxima berücksichtigt werden („upstream“). Ferner kann bevorzugt eine Folge von aufeinanderfolgenden Extrema, insbesondere von aufeinanderfolgenden Maxima, berücksichtigt werden, deren Spannungswerte sich kontinuierlich verringern. Somit kann beispielsweise ein Abwärtstrend der Maxima berücksichtigt werden („downstream“). Ferner kann vorzugsweis auch eine Folge von aufeinanderfolgenden Extrema, insbesondere von aufeinanderfolgenden Maxima, berücksichtigt werden, deren Spannungswerte zumindest im Wesentlichen konstant sind. Somit kann beispielsweise ein flaches Plateau der Maxima berücksichtigt werden („flatflow“). Besonders bevorzugt wird auch bezüglich dieser Folgen mit Abwärtstrend bzw. flachem Plateau jeweils die Anzahl der entsprechend aufeinanderfolgenden Extrema der jeweiligen Folge berücksichtigt.
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Alternativ oder zusätzlich können die charakteristischen Merkmale vorteilhafterweise in Abhängigkeit von einer Differenz der Spannungswerte eines Maximums und eines insbesondere unmittelbar vorhergehenden Minimums bestimmt werden. Diese Differenz stellt insbesondere die Höhe einer linken Flanke eines Maximums dar („left edge height“). Ferner kann bevorzugt eine Differenz der Spannungswerte eines Maximums und eines insbesondere unmittelbar nachfolgenden Minimums berücksichtigt werden, also insbesondere die Höhe einer rechten Flanke eines Maximums („right edge height“). Bevorzugt kann ferner eine Differenz der Spannungswerte benachbarter Extrema, insbesondere unmittelbar benachbarter Maxima berücksichtigt werden („peak jump“). Vorteilhafterweise werden die charakteristischen Merkmale in Abhängigkeit von einer sog. Maximum-Zeit-Konstante („peak time constant“) bestimmt, welche ein Produkt der Dauer eines Extremums, insbesondere eines Maximums, und der jeweiligen Drehzahl der elektrischen Maschine bei Auftreten dieses Extremums darstellt. Die Dauer eines Maximums ist durch den zeitlichen Abstand zwischen den unmittelbar benachbarten Minima bestimmt.
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Besonders bevorzugt werden als charakteristische Merkmale der einzelnen Zeitintervalle jeweils eine oder mehrere der nachfolgenden Werte bestimmt.
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Vorzugsweise wird eine maximale Anzahl von Extrema aller Folgen von aufeinanderfolgenden Extrema, insbesondere von aufeinanderfolgenden Maxima, innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls bestimmt, deren Spannungswerte sich kontinuierlich erhöhen und/oder kontinuierlich verringern und/oder zumindest im Wesentlichen konstant sind. Insbesondere wird somit aus den obig erläuterten Folgen der Maxima mit Aufwärtstrend („upstream“), Abwärtstrend („downstream“) bzw. flachem Plateau („flatflow“) jeweils diejenige Folge mit der größten Anzahl an Extrema entsprechender Charakteristik bestimmt.
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Ferner kann vorteilhafterweise als charakteristisches Merkmal eine maximale Differenz und/oder eine minimale Differenz und/oder eine durchschnittliche Differenz aller Differenzen von Spannungswerten eines Maximums und eines insbesondere unmittelbar vorhergehenden Minimums innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls bestimmt werden, also insbesondere ein Maximum, Minimum bzw. Durchschnitt der linken Flankenhöhe aller Maxima. Entsprechend kann insbesondere ein Maximum, Minimum bzw. Durchschnitt der rechten Flankenhöhe aller Maxima bestimmt werden, also vorteilhafterweise eine maximale Differenz und/oder eine minimale Differenz und/oder eine durchschnittliche Differenz aller Differenzen von Spannungswerten eines Maximums und eines insbesondere unmittelbar nachfolgenden Minimums innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls.
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Alternativ oder zusätzlich wird als charakteristisches Merkmal vorzugsweise eine Differenz zwischen einem Durchschnittswert der Spannungswerte aller Maxima innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls und einem Durchschnittswert der Spannungswerte aller Minima innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls bestimmt. Ferner kann als charakteristisches Merkmal vorzugsweise eine Differenz zwischen einem maximalen Spannungswert der Spannungswerte aller Maxima innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls und einem maximalen Spannungswert der Spannungswerte aller Minima innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls bestimmt werden.
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Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt ein Satz von Differenzen der Spannungswerte jeweils benachbarter Extrema, insbesondere benachbarter Maxima, innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls als charakteristisches Merkmal bestimmt. Insbesondere kann ein Vektor mit den Spannungsdifferenzen aller Paare benachbarter Maxima bestimmt werden. Ferner kann bevorzugt ein Satz von Absolutwerten dieses Satzes von Differenzen der Spannungswerte jeweils benachbarter Extrema bestimmt werden.
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Vorteilhafterweise wird eine Differenz zwischen einer maximalen und einer minimalen Differenz der Spannungswerte benachbarter Extrema, insbesondere benachbarter Maxima, innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls als charakteristisches Merkmal bestimmt. Alternativ oder zusätzlich wird vorteilhafterweise ein Verhältnis einer maximalen und einer minimalen Differenz der Spannungswerte benachbarter Extrema, insbesondere benachbarter Maxima, innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls, bestimmt.
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Vorzugsweise kann eine Anzahl der einzelnen Extrema innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls bestimmt werden, insbesondere eine Anzahl aller Maxima und/oder aller Minima innerhalb des Zeitintervalls.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorteilhafterweise ein Verhältnis einer maximalen Differenz von Spannungswerten eines Maximums und eines insbesondere unmittelbar vorhergehenden oder nachfolgenden Minimums innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls und einer minimalen Differenz von Spannungswerten eines Maximums und eines insbesondere unmittelbar vorhergehenden oder nachfolgenden Minimums innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls bestimmt werden. Insbesondere kann somit ein Verhältnis einer maximalen und einer minimalen rechten bzw. linken Flankenhöhe als charakteristisches Merkmal bestimmt werden.
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Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt ein Durchschnittswert der obig erläuterten Maximum-Zeit-Konstanten („peak time constant“) bestimmt, also bevorzugt ein Durchschnittswert der Produkte der Dauern eines Extremums, insbesondere eines Maximums, und der Drehzahl der elektrischen Maschine für alle Extrema, insbesondere für alle Maxima, innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls.
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Ferner kann vorzugsweise als charakteristisches Merkmal ein Verhältnis einer Varianz und eines Durchschnittswerts der Differenzen von Spannungswerten eines Maximums und eines insbesondere unmittelbar vorhergehenden oder nachfolgenden Minimums innerhalb jeweiligen des Zeitintervalls bestimmt werden, also insbesondere ein Verhältnis der Varianz und des Durchschnitts aller rechten oder linken Flanken der Maxima.
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Die charakteristischen Merkmale werden somit besonders zweckmäßig in Abhängigkeit von den konkreten Extrema bzw. dem Spannungsverlauf zwischen den Extrema bestimmt, insbesondere in Abhängigkeit von Anstieg und Abfall des Spannungsverlaufs um die Extrema herum. Unterschiedliche Fehler der elektrischen Maschine und des Gleichrichters wirken sich insbesondere in individueller Weise auf die Form des von dem Gleichrichter bereitgestellten Spannungssignals aus, insbesondere auf Form, Position und Höhe der einzelnen Extrema. Anhand dieser charakteristischen Merkmale kann daher besonders zuverlässig auf einen konkret vorliegenden Fehler rückgeschlossen werden.
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Das vorliegende Verfahren stellt eine Möglichkeit bereit, um elektrische Fehler insbesondere in dem Stator der elektrischen Maschine und dem Gleichrichter erkennen zu können. Insbesondere können mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens als derartige elektrische Fehler ein Kurzschluss eines Highside- bzw. Lowside-Halbleiterschalters des Gleichrichters, eine Unterbrechung eines Highside- bzw. Lowside-Halbleiterschalters des Gleichrichters, ein Kurzschluss zwischen zwei Phasen in dem Stator der elektrischen Maschine, eine Unterbrechung und/oder ein Masseschluss einer Phase erkannt werden.
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Besonders vorteilhaft eignet sich die Erfindung für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Durch die elektrische Maschine kann beispielsweise ein Kraftfahrzeugbordnetz gespeist und ferner insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie geladen werden. Das Verfahren kann beispielsweise von einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden. Die Erfindung eignet sich beispielsweise besonders für Fahrzeuge mit Funktionen, die erhöhte Sicherheitsanforderungen besitzen, z.B. elektrisches Fahren, oder für Fahrzeuge mit langen Wartungsintervallen, z.B. Nutzfahrzeuge.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Die Erfindung kann insbesondere in einem Mikrocontroller, einem FPGA oder einem ASIC implementiert sein.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine Generatoreinheit mit einer elektrischen Maschine und einem Gleichrichter, welche einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zugrunde liegen kann.
- 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.
- 3 zeigt schematisch zeitliche Verläufe eines Spannungswerts, die im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden können.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist eine Generatoreinheit schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet, die beispielsweise in einem (Kraft-) Fahrzeug verwendet wird.
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Die Generatoreinheit 100 weist eine elektrische Maschine 110, 120 sowie einen Gleichrichter 130 auf, über welchen die elektrische Maschine 110, 120 mit einem Bordnetz 150 verbunden ist, beispielsweise mit einem Fahrzeugbordnetz zur Energieversorgung des (Kraft-)Fahrzeugs.
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Die elektrische Maschine 110, 120 kann insbesondere als ein Generator betrieben werden und eine von diesem Generator erzeugte Wechselspannung kann von dem Gleichrichter 130 zur Spannungsversorgung des Bordnetzes 150 in eine Gleichspannung gewandelt werden.
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Die elektrische Maschine weist hier einen Rotor 110 mit einer Läufer- bzw. Erregerwicklung (und/oder Permanentmagneten) sowie einen Stator 120 mit einer Ständerwicklung auf, beispielsweise mit fünf Phasen U, V, W, X und Z. Jede der fünf Phasen des Stators 120 weist einen Wicklungsstrang im Stator und - je nach Verschaltung - eine oder mehrere Zuleitungen zum Gleichrichter auf und ist über eine zugehörige Diode 131 des Gleichrichters 130 an eine positive Seite bzw. High-Side, B+, des Bordnetzes 150 und über eine zugehörige Diode 132 an eine negative Seite bzw. Low-Side, B-, des Bordnetzes 150 angebunden.
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Es versteht sich, dass die Anzahl fünf der Phasen vorliegend nur beispielhaft gewählt ist. Ebenso kann die elektrische Maschine eine andere Phasenanzahl aufweisen, z.B. 3, 6, 7 oder mehr. Ebenso ist es möglich, anstelle der Dioden geeignete Halbleiterschalter zu verwenden.
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Eine als Steuergerät bzw. Generatorregler ausgebildete Recheneinheit 140 ist zur Steuerung der Generatoreinheit 100 vorgesehen. Ferner ist das Steuergerät bzw. der Generatorregler 140 vorgesehen, um Fehler der Generatoreinheit 100 erkennen zu können. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 140, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, welches in 2 schematisch als ein Blockdiagramm dargestellt ist und nachfolgend erläutert werden soll.
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In Schritt 211 wird ein zeitlicher Verlauf eines Spannungswerts einer Ausgangsspannung des Gleichrichters 130 erfasst, d.h. ein zeitlicher Verlauf des an dem Anschluss B+ anliegenden Spannungswerts der positiven Versorgungsspannung des Bordnetzes 150, welche von dem Gleichrichter 130 bereitgestellt wird.
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In Schritt 212 wird der erfasste zeitliche Verlauf des Spannungswerts gefiltert, insbesondere mit einem Tiefpass Filter.
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In Schritt 213 wird der gefilterte zeitliche Verlauf des Spannungswerts in einzelne Zeitintervalle unterteilt. Beispielsweise können diese Zeitintervalle jeweils dieselbe fest vorgegebene Länge besitzen, beispielsweise jeweils 1ms. Alternativ kann auch für jedes Zeitintervall jeweils eine individuelle Länge gewählt werden. Beispielsweise kann die Länge der einzelnen Zeitintervalle auch abhängig von der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine gewählt werden. Auch ist es möglich, dass die Länge des Zeitintervalls abhängig von einer Anzahl von zu beinhaltenden Extrema gewählt wird.
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In Block 220 werden in Abhängigkeit von Extrema des gefilterten zeitlichen Verlaufs charakteristische Merkmale in den einzelnen Zeitintervallen bestimmt.
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Zu diesem Zweck werden in Schritt 221 und 222 zunächst Extrema des zeitlichen Verlaufs bestimmt.
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In Schritt 221 werden in den einzelnen Zeitintervallen jeweils Abschnitte bestimmt, in welchen der zeitliche Verlauf des Spannungswerts steigt oder fällt. In diesen einzelnen Abschnitten weist der Spannungswertverlauf somit jeweils einen steigenden bzw. fallenden Trend bzw. eine entsprechende Tendenz auf. Insbesondere kann zu diesem Zweck eine Trend-Erkennungseinheit verwendet werden, beispielsweise in Form eines entsprechenden Softwaremoduls.
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In Schritt 222 werden die Extrema des zeitlichen Verlaufs in den einzelnen Zeitintervallen bestimmt. Zu diesem Zweck werden Spannungswerte, welche jeweils einen Übergang zwischen einem steigenden und einem fallenden Abschnitt bzw. zwischen einem fallenden und einem steigenden Abschnitt als Maxima bzw. Minima bestimmt. Beispielsweise kann ein Vektor mit diesen konkreten Spannungswerten der Extrema gebildet werden. Insbesondere kann zu diesem Zweck eine Extrema-Erkennungseinheit verwendet werden, welche beispielsweise in Form eines entsprechenden Softwaremoduls realisiert sein kann.
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In Schritt 223 werden in Abhängigkeit von diesen bestimmten Extrema jeweils charakteristische Merkmale der einzelnen Zeitintervalle bestimmt. Diese charakteristischen Merkmale werden jeweils in Abhängigkeit von Eigenschaften und Beziehungen einzelner Extrema des jeweiligen Zeitintervalls zueinander bestimmt. Insbesondere kann zu diesem Zweck eine Merkmal-Extraktionseinheit verwendet werden, beispielsweise ebenfalls in Form eines entsprechenden Softwaremoduls.
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Beispielsweise können in den einzelnen Zeitintervallen jeweils Folgen von aufeinanderfolgenden Maxima bestimmt werden, deren Spannungswerte sich kontinuierlich verringern, welche also einen Abwärtstrend der Maxima zeigen („downstream“). Als charakteristisches Merkmal eines Zeitintervalls kann beispielsweise die längste all dieser Folgen in dem jeweiligen Zeitintervall bestimmt werden.
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Entsprechend können in den einzelnen Zeitintervallen jeweils Folgen von aufeinanderfolgenden Maxima bestimmt werden, deren Spannungswerte sich kontinuierlich erhöhen oder zumindest im Wesentlichen konstant sind. In derartigen Folgen zeigt sich also ein Aufwärtstrend („upstream“) bzw. ein flaches Plateau („flatflow“) der Maxima. Die jeweils längste all dieser Folgen bzw. die größte Anzahl von Maxima all dieser Folgen kann jeweils ebenfalls als charakteristisches Merkmal bestimmt werden.
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Ferner können in jedem Zeitintervall beispielsweise die Differenzen der Spannungswerte der einzelnen Maxima und des jeweils unmittelbar vorhergehenden Minimums bestimmt werden, also insbesondere jeweils die Höhen der linken Flanken der einzelnen Maxima („left edge height“). Entsprechend können die Höhen der rechten Flanken der einzelnen Maxima („right edge height“) bestimmt werden, also die Differenzen der Spannungswerte der einzelnen Maxima und des jeweils unmittelbar nachfolgenden Minimums. Als charakteristisches Merkmal eines Zeitintervalls kann beispielsweise die jeweils größte dieser Differenzen bestimmt werden, also insbesondere die größte linke Flanke und die größte rechte Flanke eines Maximums innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls.
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Ferner kann als charakteristisches Merkmal beispielsweise eine Differenz zwischen einem maximalen Spannungswert der Spannungswerte aller Maxima innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls und einem maximalen Spannungswert der Spannungswerte aller Minima innerhalb des jeweiligen Zeitintervalls bestimmt werden.
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Diese in Schritt 223 bestimmten charakteristischen Merkmale der einzelnen Zeitintervalle werden ausgewertet und in Abhängigkeit von dieser Auswertung wird bestimmt, ob ein Fehler der elektrischen Maschine und/oder des Gleichrichters vorliegt.
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In Block 230 wird dabei zunächst jedes einzelne Zeitintervall ausgewertet, beispielsweise mittels einer Auswerteeinheit bzw. einer Klassifikations-Einheit in Form eines Softwaremoduls.
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In Schritt 231 werden die einzelnen charakteristischen Merkmale des jeweiligen Zeitintervalls mit Vergleichswerten bzw. Trainingsdaten verglichen. Diese Vergleichswerte bzw. Trainingsdaten repräsentieren insbesondere spezielle Werte für die charakteristischen Merkmale für einen fehlerfreien Betrieb sowie ferner für einen fehlerhaften Betrieb mit jeweils verschiedenen Fehlern der Generatoreinheit.
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Diese Vergleichswerte werden beispielsweise offline erlernt. Zu diesem Zweck werden Testdurchläufe 201 durchgeführt, sowohl mit fehlerfreien als auch mit fehlerbehafteten Generatoreinheiten jeweils desselben Typs. Dabei werden die Vergleichswerte insbesondere mit Hilfe von maschinellem Lernen erlernt.
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Wenn im Zuge des Vergleichs bestimmt wird, dass die charakteristischen Merkmale des entsprechenden Zeitintervalls mit den Vergleichswerten für eine fehlerfreie Generatoreinheit übereinstimmen oder zumindest im Wesentlichen übereinstimmen, wird gemäß Schritt 233 insbesondere bestimmt, dass kein Fehler der Generatoreinheit vorliegt.
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Wenn die charakteristischen Merkmale des entsprechenden Zeitintervalls hingegen mit Vergleichswerten für eine Generatoreinheit mit einem bestimmten Fehler übereinstimmen oder zumindest im Wesentlichen übereinstimmen, wird gemäß Schritt 232 insbesondere bestimmt, dass ein Fehler der Generatoreinheit vorliegt oder vorliegen könnte. In diesem Fall wird in Schritt 232 eine Fehlermeldung ausgegeben.
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Diese Fehlermeldungen werden insbesondere an eine Fehlereinheit übermittelt, welche in Block 240 bestimmt, ob eine vorgegebene Maßnahme durchgeführt werden soll. Auch die Fehlereinheit kann insbesondere als ein Softwaremodul ausgebildet sein.
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Zu diesem Zweck wertet die Fehlereinheit in Schritt 241 die empfangenen Fehlermeldungen aus. Insbesondere wird dabei überprüft, ob im Zuge einer vorgegebenen Anzahl von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen jeweils dieselbe Fehlermeldung ausgesendet wird. Wenn dies der Fall ist, wird darauf geschlossen, dass tatsächlich ein jeweiliger Fehler der Generatoreinheit vorliegt und es wird in Schritt 242 eine entsprechende Gegenmaßnahme durchgeführt.
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Wenn dies nicht der Fall ist und wenn beispielsweise nach dem Aussenden einer Fehlermeldung im Zuge einer vorgegebenen Anzahl von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen keine Fehlermeldung mehr ausgesendet wird, wird davon ausgegangen, dass kein Fehler vorliegt und es wird in Schritt 243 keine Fehlermaßnahme durchgeführt.
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In 3a und 3b sind zeitliche Verläufe eines Spannungswerts U aufgetragen gegen die Zeit t schematisch dargestellt. 3a zeigt beispielhaft ein Zeitintervall von etwas über 1 ms für einen fehlerfreien Betrieb der Generatoreinheit. 3b zeigt beispielsweise ein Zeitintervall von etwas über 1 ms für eine fehlerbehaftete Generatoreinheit, bei welcher eine Unterbrechung eine Highside-Diode vorliegt.
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Wie in den 3a und 3b zu erkennen ist, unterscheiden sich die zeitlichen Spannungsverläufe bei einer fehlerfreien und einer fehlerbehafteten Generatoreinheit deutlich voneinander. Insbesondere unterscheiden sich Höhe, Position und Muster der Extrema innerhalb des 1 ms-Zeitintervalls deutlich voneinander und somit auch bestimmte charakteristische Merkmale.
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Beispielsweise stellt der Spannungsverlauf im fehlerfreien Fall von 3a ein regelmäßiges Muster aus Folgen aufeinanderfolgender Maxima dar, deren Spannungswerte sich kontinuierlich verringern. Die einzelnen Folgen umfassen jeweils zwischen sechs und sieben Maxima. Beispielhaft ist in 3a eine derartige Folge aus aufeinanderfolgenden monoton fallenden Maxima mit Δta bezeichnet.
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Im Gegensatz dazu weist der Spannungsverlauf im fehlerbehafteten Fall von 3b kein derartiges regelmäßiges Muster auf. In diesem Zeitintervall treten sowohl Folgen mit Abwärtstrend als auch mit Aufwärtstrend auf, also Folgen mit aufeinanderfolgenden Maxima, deren Spannungswerte sich jeweils kontinuierlich erhöhen oder verringern. Ferner unterscheidet sich die Anzahl von Maxima der einzelnen Folgen stärker voneinander, als im Fall von 3a. Im Fall von 3b umfassen die einzelnen Folgen jeweils beispielsweise zwischen vier und sieben Maxima. Beispielsweise folgt in 3b auf eine erste Folge Δtb, mit aufeinanderfolgenden monoton steigenden Maxima eine zweite Folge Δtb2 mit aufeinanderfolgenden monoton fallenden Maxima.
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Ebenso unterscheidet sich die maximale linke Flanke eines Maximums im fehlerfreien und fehlerbehafteten Fall. Gemäß 3a beträgt die maximale linke Flankenhöhe, also die maximale Differenz ΔU1a der Spannungswerte eines Maximums und eines unmittelbar vorhergehenden Minimums ca. 3 V. Im fehlerbehafteten Fall beträgt diese maximale linke Flanke ΔU1b hingegen ca. 4,5 V.
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Ferner beträgt die Differenz zwischen dem maximalen Spannungswert der Spannungswerte aller Maxima und dem maximalen Spannungswert der Spannungswerte aller Minima im fehlerfreien Fall von 3a ΔU2a= 1,5V und im fehlerbehafteten Fall von 3b ΔU2b = 0,5V.
