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Die
Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren für Drehstromgeneratoren mit
Selbsterregung, insbesondere für
die Anwendung im Kraftfahrzeug, deren Aufgabe es ist in einem Bordnetz
genügend
Strom zu liefern.
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Die
Erfindung geht aus von einem diagnosefähigen Bordnetz wie es z.B.
aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 58 899 A1 bekannt
ist. Mit einem in einem Mikrocontroller implementierten Powermanagement
können
hier die Ströme
von Verbrauchern im Bordnetz über
Steuergeräte
und in diesen verbauten Sensoren gemessen und erfasst werden. Diese
tatsächlich
auftretenden Ströme
in einzelnen Verbrauchern oder in einzelnen Bordnetzzweigen werden
vom Powermanagement mit den in dem aktuellen Systemzustand zu erwartenden
und aus dem Systemzustand errechneten Sollströmen verglichen. Die Sollströme stellen
hierbei Grenzwerte von Toleranzbereichen dar, bei deren Überschreiten
vom Powermanagement mittels abgelegter Fehlerbilder eine Diagnose
durchgeführt
werden kann und gegebenenfalls die für den einzelnen Störfall notwendigen Aktionen
veranlasst werden. Diese Aktionen werden per Steuerbefehle an die
am Powermanagement angeschlossenen Steuergeräte oder ansteuerbare Schaltelemente
ausgeführt.
Die Kommunikationsschnittstellen zu den am Powermanagement beteiligten
Einheiten kann hierbei durch eine einfache serielle Schnittstelle
oder durch parallele Schnittstellen oder durch komplexe Busschnittstellen
auf der Basis der CAN-(Controlled
Area Network), der LIN- (Local Interconnect Network), der SI-Bus-
(Sicherheits- und Informations Bussystem) oder der TTP- (Time Triggered
Protokoll) Technologie sein.
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Mit
den vorgenannten Verfahren, die auf der Basis einer Stromüberwachung
mit Grenzwertüberschreitung
arbeiten, können
lediglich Stromzweige und Verbraucher in einem Bordnetz überwacht
werden. Die Überwachung
des Generators gelingt damit nicht. Der Grund hierfür liegt
in der Regelstrecke mit der die Generatorausgangsspannung auf einen
vorgegebenen Wert geregelt wird. Eventuelle Defekte des Generators
werden in dieser Regelstrecke durch eine Nachregelung der Selbsterregung
des Generators ausgeglichen. Erst wenn auch die Nachregelung nicht
mehr zu dem Einzuregelnden Spannungsniveau an den Generatorklemmen
führt,
kann der Generator auf Fehler verdächtigt werden. Im eingebauten
Zustand unter Last kann dann aber immer noch eine Bordnetzüberlast
durch defekte Verbraucher für die
zu geringe Klemmenspannung verantwortlich sein.
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Ob
ein Generator seine volle Leistungsfähigkeit besitzt konnte daher
bisher nur durch eine manuelle Generatorstrommessung mit externem
Messgerät
bei vorgegebener Drehzahl des antreibenden Verbrennungsmotors durchgeführt werden.
Dies birgt jedoch bei modernen Fahrzeugen, in denen immer mehr Generatormanagement
Funktionen zum Einsatz kommen immer mehr Unsicherheiten. Eine Strommessung
zum Zeitpunkt einer beabsichtigten, limitierten Generatorleistung
führt hier
nämlich
zu einer Fehldiagnose. Außerdem
bestehen zum teil überhaupt
keine Möglichkeiten
mehr im verbauten Zustand manuell eine Generatorstrommessung durchzuführen. Dies
führt bei
Problemen im Bordnetz dazu, dass der Generator oft als Ursache für die Bordnetzprobleme
angesehen wird und ausgetauscht wird, obwohl der Generator keinen
Fehler aufweißt.
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Erfindungsgemäße Aufgabe
ist es daher, eine Diagnosemöglichkeit
für die
Leistungsfähigkeit eines
Generators mit Selbsterregung anzugeben.
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Die
Lösung
gelingt mit einem Diagnoseverfahren nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden
Beschreibung enthalten.
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Die
Lösung
gelingt hauptsächlich
mit einer Stromüberwachung
des Erregerstromes von selbsterregten Drehstromgeneratoren. Die
logische Schnittstelle von Drehstromgeneratoren zeigt unter anderem
den aktuellen Erregerstrom an, welcher bei konstanter Drehzahl relativ
proportional zur vom Bordnetz abgenommenen Generatorleistung ist. Durch
Vergleich des aktuellen Erregerstromes mit einem gemäß Systemzustand
zu erwartenden Erregerstrom wird eine Diagnoseentscheidung getroffen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird durch Vorgabe eines definierten und bekannten Lastsprungs im
Bordnetz die Generatorbelastung erhöht. Anschließend wird
die aktuelle Erregerstromerhöhung
mit einer zu erwartenden Erregerstromerhöhung verglichen und daraus
eine Diagnoseentscheidung abgeleitet.
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Auf
Grund der Änderung
des Erregerstromes kann in beiden Ausführungsbeispielen eine Aussage getroffen
werden, ob ein Generator mit reduzierter Maximalleistung vorliegt.
Im Falle eines defekten Generators, der nicht mehr zu seiner Maximalleistung fähig ist,
wird der Erregerstrom bei einem defekten Generator höher ausfallen
als bei einem intakten Generator zu erwarten ist.
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Die
damit hauptsächlich
erzielbaren Vorteile liegen in der Diagnosefähigkeit des Generators im eingebauten
Zustand über
eine logische Diagnoseschnittstelle, ohne dass hierzu eine manuelle
Strommessung vorgenommen werden muss. Der Ausbau eines intakten
Generators kann verhindert werden bzw. ein leistungsreduzierter
Generator kann per logischer Ansteuerung durch die Werkstattdiagnose oder
durch das Powermanagement identifiziert werden.
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Anhand
von graphischen Darstellungen wird im folgenden die Erfindung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 Ein
typisches Bordnetz mit einem selbsterregten Drehstromgenerator und
logischer Schnittstelle und angeschlossenen Verbrauchern, die ebenfalls über logische
Schnittstellen ansteuerbar sind.
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2 Spannungs-
und Erregerstromdiagramme bei einem Lastsprung im Bordnetz.
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1 zeigt
ein an sich bekanntes Bordnetz in einem Kraftfahrzeug. Mit einem
Generator G, der üblicherweise
von dem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs angetrieben wird, werden über eine Versorgungsleitung
VL die angeschlossenen Verbraucher V1, V2, .., Vn mit elektrischer
Energie versorgt. Die Steuerung der einzelnen Verbraucher wird von
Steuergeräten
SG1, SG2, ..., SGn übernommen, die
entweder den Verbrauchern mittelbar oder unmittelbar zugeordnet
sind. Die einzelnen Steuergeräte sind über ein
Kommunikationsnetzwerk, vorzugsweise über einen Bus, sowohl untereinander
als auch mit einem Bordnetzsteuergerät, SAM (Signal- und Ansteuerungs-
Modul) genannt, in Kommunikationsverbindung. An das Kommunikationsnetzwerk
ist ebenfalls die Leistungselektronik LE und die Generatorregelung
des Bordnetzgenerators mit einer logischen Schnittstelle angeschlossen.
Außerdem
verfügt
das Kommunikationsnetzwerk über
eine weitere Schnittstelle für
den Anschluss externer Diagnosesysteme. Diese Schnittstelle kann
in älteren
Fahrzeugen über die
Diagnosebuchse gebildet sein oder bei Verwendung von Bustechnologien
als Gateway ausgebildet sein, wenn das Diagnosesystem und das Fahrzeuginterne
Bordnetz unterschiedliche Kommunikationsprotokolle verwenden. Wird
vom Diagnosesystem das gleiche Kommunikationssystem wie im Fahrzeug verwendet,
kann ein Gateway entfallen und es wird lediglich eine einfache Bus
Schnittstelle benötigt.
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In
mindestens einem der im Kraftfahrzeug verbauten Steuergeräte, vorzugsweise
im Bordnetzsteuergerät,
ist ein Powermanagement implementiert, mit dem die vom Generator
ins Bordnetz abgegebene Energie auf die angeschlossenen Verbraucher
verteilt wird. Auf dem Powermanagement, das als Steuerungssoftware
in eines der Steuergeräte
im Bordnetz des Kraftfahrzeugs implementiert ist, setzt die hier
offenbarte Erfindung auf.
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Heutige
Bordnetzgeneratoren mit Selbsterregung haben eine logische Schnittstelle,
die oft als LIN Bus Schnittstelle ausgebildet ist. Diese Generatoren
werden daher oft auch als LIN-Generatoren bezeichnet. Über diese
logische Schnittstelle können die
Betriebsparameter des Generators während des Betriebs des Generators
mitgelesen werden und es ist möglich,
auf die Regelung des Generators mittels Steuerbefehlen Einfluss
zu nehmen. Hierdurch können
so genannte Generatormanagement Funktionen eingerichtet werden,
die vorzugsweise im Powermanagement implementiert sind. Eine der
wichtigsten Stellgrößen für die Leistungsabgabe
des Generators ist hierbei der Erregerstrom, dessen aktueller Wert deshalb über die
logische Schnittstelle dieser Generatoren ebenfalls als Busnachricht
zur Verfügung
gestellt wird, und von dem Powermanagement weiterverarbeitet werden
kann.
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Dies
ermöglicht
die Diagnostizierbarkeit eines Bordnetzgenerators durch ein Onboard
Powermanagement oder durch ein externes Werkstattdiagnosesystem
nach dem folgenden Verfahren. Bei gleicher Motordrehzahl von Verbrennungsmotor
und Bordnetzgenerator wird der Erregerstrom des Bordnetzgenerators
bei definiertem und bekanntem Lastzustand des Generators ermittelt
und mit dem gemäß Lastzustand
zu erwartendem, berechneten Wert eines intakten Generators für diesen
Lastzustand verglichen. Liegt ein Generator mit z.B. einem Diodenfehler
vor, so kann dieser Generator unterhalb seiner Maximallast seine
durch einen Fehler reduzierte Leistungsfähigkeit mit. einem Erhöhen des
Erregerstromes kompensieren. Liegt der ermittelte Erregerstrom bei
einem bekannten Lastzustand also über dem erwarteten Erregerstrom,
so ist dies ein Hinweis auf einen Defekt oder eine Fehlfunktion
des Generators. Die zu einem bekannten Lastzustand zu erwartenden
Generatorströme
können üblicherweise
aus den Last-Erregerstrom-Kennfeldlinien des eingebauten Generators
bestimmt werden.
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In
einem Kraftfahrzeug kann es unter Umständen schwierig sein, den Lastzustand
durch Erfassen aller Verbraucherzustände zu bestimmen. Dies trifft
insbesondere dann zu wenn im Bordnetz kein Powermanagement implementiert
ist oder nicht alle Verbraucher über
das Powermanagement angesteuert werden. In diesem Fall kann eine
Diagnose des Bordnetzgenerators mit einem alternativen Verfahren
durchgeführt
werden. Durch Zuschalten eines definierten Verbrauchers mit exakt
bekannter Leistungsaufnahme kann bei konstanter oder zumindest gleicher
Generatordrehzahl im Bordnetz ein Lastsprung erzeugt werden. Die
Generatorregelung wird dann mit einer Erhöhung des Erregerstromes reagieren.
Aufgrund der bekannten Lasterhöhung
kann ein für
intakte Generatoren zu erwartender erhöhter Erregerstrom berechnet
oder aus einen Last-Erregerstrom-Kennfeld ausgelesen werden und
mit dem tatsächlichen
Erregerstrom nach dem Lastsprung verglichen werden. Für einen
defekten Generator wird der nach dem Lastsprung auftretende Erregerstrom höher ausfallen
als der zu erwartende Erregerstrom. Ein unerwartet hoher Erregerstrom
nach dem applizierten Lastsprung kann von einem Powermanagement
oder von einem Diagnosesystem als Hinweis für einen defekten Generator
ausgewertet werden.
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Das
Ausführungsbeispiel
mit einem applizierten Lastsprung ist in den Spannungs- und Erregerstromdiagrammen
der 2 wiedergegeben. Aufgetragen sind die Generatorspannung über der Zeit
und der Erregerstrom über
der Zeit. Im Spannungsdiagramm sind die Generatorspannungen eines
intakten Generators mit unterbrochener Linie aufgetragen und die
Generatorspannung eines defekten Generators mit durchgezogener Linie
aufgetragen. Man erkennt, dass aufgrund des Regelverhaltens der
Generatorregelung an der Spannungslage ein defekter Generator nicht
von einem intakten zu unterscheiden ist. Dies gilt zumindest solange,
bis der Generator nicht an seine Maximalleistung geregelt wird.
Die Regelung gleicht einen Leistungsdefekt durch Erhöhung der
Erregerspannung aus. Im gewählten
Ausführungsbeispiel
nach 2 wird nach etwa 60 s die Generatorlast in einen
mittleren Auslastungszustand des Generators gefahren. Dieser Zustand
der Generatorauslastung ist für
die Diagnose besonders hilfreich, da hier die Sättigung des Erregerfeldes zunimmt
und sich dadurch eine unerwartete Erregerstromerhöhung eines
möglicherweise
defekten Generators besonders deutlich zeigt. Zum Zeitpunkt T, also
beim gewählten
Versuchsprotokoll nach etwa 85 s nach Beginn der Diagnose, wird
ein definierter Lastsprung an den Generator angelegt und dazu der
zu erwartende Erregerstrom eines intakten Generators ermittelt.
Dieser zu erwartende Erregerstrom ist im Diagramm mit unterbrochener
Linie dargestellt und mit Grenze Erregerstrom 1 bezeichnet. Um Auswertungsprobleme
aufgrund der Welligkeit des Erregerstromes zu vermeiden, wird man
vorteilhafterweise für
die Zwecke der Diagnose diesen zu erwartenden Grenzwert um einen
Erfahrungswert, vorzugsweise in der Größenordnung dieser Welligkeit,
erhöhen
und diesen zusammengesetzten Wert dann als Vergleichswert für die Durchführung der
Diagnoseentscheidung nehmen. Der um den Erfahrungswert erhöhte zu erwartende
Erregerstrom ist im Diagramm der 2 mit durchgezogener
Linie dargestellt und mit Grenze Erregerstrom 2 bezeichnet. Auf
einen defekten Generator wird dann geschlossen, wenn der tatsächliche
Erregerstrom über
dem zu erwartenden Erregerstrom oder vorteilhafterweise auch über dem
um die Welligkeit des Erregerstromes erhöhten zu erwartenden Erregerstrom
liegt. Der Erregerstromverlauf eines intakten Generators ist mit gewellter
unterbrochener Linie aufgezeichnet. Der Erregerstromverlauf eines
defekten Generators ist mit durchgezogener gewellter Linie aufgezeichnet. Man
erkennt, dass während
des applizierten Lastsprungs der tatsächliche Erregerstrom des defekten Generators
oberhalb beider zu erwartender Grenzwerte für den Erregerstrom eines intakten
Generators liegt.
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Die
Diagnosefunktion kann bei allen Ausführungsvarianten, – mit Vergleich
von zu erwartendem und tatsächlichem
Erregerstrom bei bekannter Last oder bei appliziertem Lastsprung, – sowohl
onboard im Powermanagement als auch offboard in einem externen Diagnosesystem
implementiert sein.