DE102019212900A1

DE102019212900A1 - Erkennung von Defekten in Gleichrichter-Spannungsreglermodulen

Info

Publication number: DE102019212900A1
Application number: DE102019212900.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fischer; Jonathan Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Defekten in einer Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung (20), welche den Strom eines damit verbundenen Generators (10) gleichrichtet, wobei die Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung einen Brückengleichrichter mit einer oberen Halbbrücke (22) und einer unteren Halbbrücke (23) umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Erhalten eines ersten Signals, das auf erfassten elektrischen Signalen des Generators beruht; Auswerten von periodisch auftretenden Merkmalen des ersten Signals; und Bestimmen, ob ein Bauteildefekt in der Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung (20) vorliegt, auf Grundlage der Auswertung der periodisch auftretenden Merkmale.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Defekten in Gleichrichter-Spannungsregler-Modulen sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Für den Betrieb eines modernen Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug ist es erforderlich, dass dem Motorsteuergerät Informationen über die momentane Motordrehzahl zur Verfügung stehen. Dies kann oft über ein auf der Kurbelwelle montiertes Geberrad erfolgen, dessen Drehgeschwindigkeit zum Beispiel über einen induktiv wirkenden Sensor oder Hall-Geber erfasst wird. Dieser registriert vorbeistreichende metallische Markierungen („Zähne“) und bestimmt über die Zeitdifferenz zwischen zwei Markierungen die Rotationsgeschwindigkeit.
Für die Durchführung kurbelwinkelsynchroner Funktionen wird darüber hinaus die absolute Position der Kurbelwelle erfasst, um beispielsweise die Zeitpunkte für die Einspritzung und Zündung korrekt zu bestimmen. Dies wird üblicherweise über eine Zahnlücke auf dem Geberrad erreicht, welche durch den Drehzahlsensor erkannt und somit einem definierten Kurbelwinkel zugeordnet werden kann.
Wie beispielsweise in der Patentanmeldung DE 10 2014 206 173 A1 beschrieben, kann die Drehzahlinformation auch aus den elektrischen Ausgangsgrößen eines Generators (z.B. Strangspannungen), der durch die rotierende Kurbelwelle mit angetrieben wird, gewonnen werden.
Eine wichtige Kenngröße hierbei ist der sogenannte Polradwinkel. Dieser beschreibt den Winkelversatz zwischen den Ausgangsspannungen des Generators und der tatsächlichen geometrischen Position des Rotors. Dieser kann wie beispielsweise in der Patentanmeldung DE 10 2017 222 842 A1 beschrieben ermittelt werden, um aus den Strangspannungen auf die Position des Rotors und damit der Kurbelwelle schließen zu können. Dazu können Schätzverfahren verwendet werden, welche jedoch eine symmetrische Belastung des Generators voraussetzen. Das bedeutet, dass sowohl die positiven und negativen Halbwellen einer Phase als auch die verschiedenen Phasen zueinander das gleiche Verhalten aufweisen müssen, also gleichermaßen durch die nachfolgenden elektrischen Schaltungen belastet werden. Im Fall eines defekten Gleichrichters bzw. Spannungsreglers für den Generator, bei dem einzelne Gleichrichterbauteile (z.B. Dioden oder Transistoren) dauerhaft leiten (Kurzschluss) oder gar nicht mehr leiten (offene Leitung), liegt keine symmetrische Belastung des Generators mehr vor. Außerdem kann ein solcher Defekt dazu führen, dass keine ausreichende Energieabgabe in das Bordnetz mehr gewährleistet werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen von Defekten in einer Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung, welche den Strom eines damit verbundenen Generators gleichrichtet, wobei die Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung einen Brückengleichrichter mit einer oberen Halbbrücke und einer unteren Halbbrücke umfasst, 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.
Dabei umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erkennen solcher Defekte das Erhalten eines ersten Signals, das auf erfassten elektrischen Signalen des Generators beruht; das Auswerten von periodisch auftretenden Merkmalen des ersten Signals; und das Bestimmen, ob ein Bauteildefekt in der Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung vorliegt, auf Grundlage der Auswertung der periodisch auftretenden Merkmale. Auf diese Weise können vereinfachte Signale ausgewertet werden, die beispielsweise auf Spannungs- und Stromverläufen eines Generators beruhen, aber mit deutlich weniger Messpunkten und damit verringerter Datenmenge bzw. Datenrate auskommen, so dass auch langsame Analog-Digital-Wandler und Steuereinheiten mit geringer Rechenleistung zum Einsatz kommen können.
Eine eingesetzte Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung kann beispielsweise als Gleichrichterbauteil in der oberen Halbbrücke der Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung mindestens eine Diode und/oder einen Halbleiterschalter, beispielsweise MOSFET oder IGBT, aufweisen, und/oder in der unteren Halbbrücke mindestens einen Halbleiterschalter.
Dabei kann dieses erste Signal aus den Nulldurchgängen mindestens einer Phasenspannung des Generators gewonnen werden. Die Auswertung eines aus den Nulldurchgängen gewonnenen vereinfachten Signals ist deutlich einfacher möglich als eine vollständige Auswertung von z.B. analogen Messungen der Phasenspannungen.
Zur Fehlererkennung kann dann unter anderem eine Frequenz des periodisch auftretenden Merkmals mit mindestens einer vorgegebenen Referenzfrequenz verglichen werden, welche sich aus einer Konfiguration des Generators ergibt, und falls die Frequenz im Bereich der vorgegebenen Frequenz liegt, kann bestimmt werden, dass ein Bauteildefekt vorliegt. Damit werden Signalschwankungen anderer Ursachen ignoriert, da ein Fehler in der Gleichrichterschaltung immer mit einer entsprechenden Regelmäßigkeit auftreten wird, die sich aus dem Aufbau (z.B. Anzahl der Polpaare) des Generators ergibt.
Alternativ oder zusätzlich kann das Erkennen eines Defekts ein Vergleichen von Zeitabständen zwischen aufeinanderfolgenden periodisch auftretenden Merkmalen des ersten Signals umfassen, und ein Festlegen, auf Grundlage des Vergleichs, ob ein Bauteildefekt in der oberen Halbbrücke oder der unteren Halbbrücke der Gleichrichter-Regler-Schaltung vorliegt. Aus asymmetrischen Abständen zwischen steigenden und fallenden Flanken kann so auf einfache Weise nicht nur ein Defekt an sich, sondern auch sein Ort in der Schaltung bestimmt werden.
Ansonsten kann der Vergleich der Zeitabstände, also das Vorliegen von nichtsymmetrischen Flankenabständen, optional auch nur zur reinen Defekterkennung genutzt werden, da bei einem intakten Gleichrichter symmetrische Abstände vorliegen sollten.
Dabei kann das erste Signal ein Rechtecksignal sein, wobei die periodisch auftretenden Merkmale des Signals steigende und fallende Signalflanken des Rechtecksignals umfassen. Ein solches Rechtecksignal kann aus den Nulldurchgängen eines Spannungssignals des Generators gebildet sein und digital z.B. in einem Steuergerät vorliegen.
Bevorzugt kann das erste Signal ein aus den elektrischen Signalen gewonnenes Drehzahlsignal sein, wobei die periodisch auftretenden Merkmale des Signals Anstiege und/oder Maximalwerte und Minimalwerte des Drehzahlsignals umfassen. Dabei kann das Drehzahlsignal bereits im Steuergerät vorhanden sein und auch für andere Zwecke bei der Motorsteuerung eingesetzt werden, wobei ein solches Drehzahlsignal eine anders bestimmte Motordrehzahlbestimmung ergänzen oder ersetzen kann. Wenn also das Drehzahlsignal bereits digital vorliegt, können erfindungsgemäße Auswertungen besonders einfach und kostensparend ohne weitere Hardware vorgenommen werden, um Defekte in der Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung zu erkennen.
Optional kann zusätzlich mindestens ein zweites elektrisches Signal zusammen mit dem ersten elektrischen Signal ausgewertet werden, um zu erkennen, ob der erkannte Defekt ein dauerhaft leitendes Gleichrichter- bzw. Schaltungsbauteil oder ein dauerhaft nicht leitendes Schaltungsbauteil umfasst. Ein solches zweites Signal kann beispielsweise eine Batteriespannung einer Batterie sein, welche durch den Generator geladen wird (z.B. die Fahrzeugbatterie, die über den Generator durch die Brennkraftmaschine aufgeladen wird), wobei dann bestimmt werden kann, ob eine Batteriespannung zwischen zwei periodisch auftretenden Merkmalen (z.B. zwischen zwei Signalflanken) ansteigt.
Um nach Erkennen eines Fehlers weitere Maßnahmen ergreifen zu können oder zumindest entsprechend eine Information für weitere Diagnose ausgeben zu können, kann mindestens ein Parameter abgespeichert werden, welcher einen erkannten Defekt und/oder ein fehlerfreies Bauteil anzeigt. Dazu könnte beispielsweise ein solcher Parameter nach jeder Auswertung des Signals wie beschrieben aktualisiert werden und nach einer Reparatur oder nach Austausch zurückgesetzt werden.
Ebenso können unmittelbar nach dem Erkennen eines Bauteileffekts im Gleichrichter und/oder auf Grundlage eines so abgespeicherten Parameters weitere Maßnahmen ergriffen werden, wie etwa Ausgeben eines Warnsignals, und/oder Verändern der Ansteuersignale für die Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung, und/oder Verändern der Ansteuersignale für eine mit dem Generator verbundene Brennkraftmaschine. Damit können zusätzliche Beschädigungen an weiteren Teilen wie z.B. der Fahrzeugbatterie oder fehlerhafter Motorbetrieb verhindert werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1a zeigt eine beispielhafte Gleichrichterschaltung für einen einphasigen Generator;
1b zeigt beispielhafte elektrische Signalverläufe für die Schaltung aus 1a;
1c zeigt beispielhaft ein aus den Signalen in 1b gewonnenes Drehzahlsignal;
2a zeigt eine Gleichrichterschaltung mit einem dauerhaft leitenden Gleichrichterbauteil in der oberen Halbbrücke;
2b zeigt beispielhafte elektrische Signalverläufe für die Schaltung aus 2a;
3a zeigt eine Gleichrichterschaltung mit einem dauerhaft kurzgeschlossenen Gleichrichterbauteil in der unteren Halbbrücke;
3b zeigt beispielhafte elektrische Signalverläufe für die Schaltung aus 3a,
4a zeigt einen Gleichrichter mit einem dauerhaft nicht leitenden Gleichrichterbauteil in der unteren Halbbrücke;
4b zeigt beispielhafte Signalverläufe für die Schaltung aus 4a;
5a zeigt einen Gleichrichter mit einem dauerhaft nicht leitenden Gleichrichterbauteil in der oberen Halbbrücke;
5b zeigt beispielhafte elektrische Signalverläufe für die Schaltung aus 5a;
5c zeigt beispielhaft ein aus den Spannungssignalen in 5b gewonnenes Drehzahlsignal, und
5d zeigt den zeitlichen Drehzahlverlauf, der sich aus dem Signal in 5c ergibt.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1a ist eine kombinierte Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung 20 für einen einphasigen Generator 10 als Beispiel gezeigt. Dabei ist ein Brückengleichrichter mit einem Spannungsregler kombiniert, wobei als Gleichrichterbauteile in der oberen Halbbrücke 22 jeweils eine Diode 24, 25 in jedem Zweig und in der unteren Halbbrücke 23 jeweils ein Transistor 27, 29, z.B. ein Feldeffekttransistor bzw. MOSFET, mit einer parallelen Diode 26, 28 geschaltet ist. Neben den gezeigten Halbleiterelementen können auch ohne Einschränkung des vorgestellten Verfahrens andere Gleichrichter-Realisierungen eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Kombination aus Dioden und antiparallelen Thyristoren für den Kurzschluss statt der Transistoren in der unteren Halbbrücke vorliegen, oder ebenfalls Transistoren statt Dioden in der oberen Halbbrücke.
Die Schaltung 20 sorgt gemeinsam mit der Steuereinheit 30 dafür, dass der vom Generator 10 erzeugte Strom gleichgerichtet und die Spannung entsprechend geregelt wird, um beispielsweise die Ladespannung für eine angeschlossene Batterie 40 konstant zu halten. Dazu kann in einer Verwendung in einem Fahrzeug beispielsweise eine 12-V-Bleisäurebatterie vorgesehen sein. Die Steuereinheit 30 kann eine eigene Steuereinheit oder auch eine für andere Zwecke vorgesehene Steuereinheit wie beispielsweise ein Motorsteuergerät sein.
1b zeigt beispielhafte zeitliche Signalverläufe für verschiedene elektrische Signale einer Schaltung 20 wie in 1a. Solange kein Defekt vorliegt, bewirkt der Brückengleichrichter eine symmetrische Belastung der Halbwellen und der unterschiedlichen Phasen. In der Figur sind Spannungsverläufe des oberen, U1, und unteren Phasenanschlusses, U2, des Generators, der Spannungsverlauf U_B der Bleisäurebatterie, der Verlauf des Spulenstroms I_G des Generators, sowie der Verlauf des vom Generator gelieferten Ladestroms I_B gezeigt. Entsprechende Signalverläufe sind auch in den folgenden Beispielen zu sehen und dort jeweils in der gleichen Weise dargestellt. Wie zu sehen ist, sind die Signale für ein intaktes Bauteil im Wesentlichen symmetrisch und zeigen konstante Abstände der Spannungsflanken bei konstanter Drehzahl.
Damit lässt sich aus den Signalen (z.B. aus den Phasenspannungen), die in der zugehörigen Steuereinheit 30 wie einer Motorsteuereinheit detektierbar sind, ein Drehzahlsignal in Form eines Rechtecksignals r gewinnen, das in 1c gezeigt ist. Die Nulldurchgänge der Spannungssignale U₁ , U₂ bestimmen die Flanken des Rechtecksignals r.
Im gezeigten Beispiel handelt es sich um einen einphasigen Generator. In diesem Fall verlaufen U₁ und U₂ invertiert zueinander. Daher genügt es, das Drehzahlsignal aus einem Phasenanschluss zu generieren bzw. alternativ aus dem differentiellen Signal der Phasenanschlüsse (doppelte Amplitude der Differenzspannung gegenüber einfacher Phase). Für einen mehrphasigen Generator wird für jede Phase ein Drehzahlsignal erzeugt, aus welchem Defekte in der an die Phase angeschlossenen Hardware ermittelt werden können.
Durch die Messung der Zeitabstände und des bekannten Kurbelwellenwinkels zwischen den Signalflanken kann eine Drehzahl n dann wie folgt berechnet werden: $n = \frac{φ}{6 \cdot d t_{φ}}$
Dabei ist φ der Kurbelwellenwinkel zwischen zwei Signalflanken in Grad Kurbelwellenwinkel und dt_φ der zeitliche Abstand zwischen den Flanken in Sekunden. n ist die Drehzahl der Kurbelwelle in Umdrehungen pro Minute. Aus dem dargestellten zeitlich konstanten Abstand der Signalflanken (d.h. sowohl steigende als auch fallende Flanken gemeinsam) resultiert ein konstanter, glatter Drehzahlverlauf und eine korrekte Schätzung des Polradwinkels. Für weitere Details zu einer Möglichkeit für die Berechnung des Drehzahlverlaufs wird erneut auf die Anmeldung DE 10 2014 206 173 A1 verwiesen.
Wenn nun stattdessen in dem Gleichrichter 20 ein Defekt vorliegt, verändern sich diese Signalverläufe. Als erstes Beispiel wird ein Gleichrichter wie in 2a gezeigt, bei dem eine der beiden oberen Dioden 24, 25 dauerhaft leitend ist. Bei einem solchen Defekt ergeben sich beispielsweise Signalverläufe wie in 2b gezeigt. Aufgrund des vorliegenden Kurzschlusses der Diode 24 ergeben sich im Gegensatz zum intakten Bauteil aus 1a bzw. 1b identische Verläufe der Spannungen der oberen Generatorklemme und der Batteriespannung, so dass letztere im Signalverlauf nicht dargestellt ist. Deutlich zu erkennen ist, dass die Verläufe des Stroms und der Spannung U₂ der unteren Generatorklemme unsymmetrisch sind. Gleichzeitig kann nur noch während der kürzeren Halbwelle ein Ladestrom für die Batterie 40 bereitgestellt werden.
3a zeigt ein weiteres Beispiel eines defekten Gleichrichters 20, wobei hier ein dauerhaft kurzgeschlossener MOSFET 27 bzw. eine dauerhaft kurzgeschlossene Diode 26 im unteren Teil 23 der Gleichrichter-Halbbrücke vorliegt. 3b zeigt die resultierenden Signalverläufe für das Bauteil aus 3a. Bei diesem Fehler werden die Spannung der Generatorklemme und des Minuspols der Batterie identisch. Bei der gewählten Darstellung der Signalverläufe entspricht diese Spannung 0V und ist daher hier nicht dargestellt. Wieder ist ein unsymmetrischer Verlauf des Stroms und der Spannungen sichtbar, und auch in diesem Fall kann wie schon im vorherigen Beispiel die Batterie nur während der kürzeren Halbwelle geladen werden, wie am Ladestromverlauf sichtbar ist.
Umgekehrt kann anstelle eines Kurzschlusses auch der Fall vorliegen, dass eine der Dioden oder Transistoren nicht mehr leitet. In diesem Fall entspricht der Fehler einer offenen Leitung an dieser Stelle der Schaltung. 4a zeigt ein Beispiel mit einem nicht geschlossenen Stromkreis in der unteren Halbbrücke 23. Hier ist der Gleichrichter mit einem dauerhaft nicht leitenden MOSFET 27 bzw. Diode 26 gezeigt und der entsprechende Signalverlauf wiederum in 4b dargestellt.
Ein weiteres Beispiel mit einem nicht geschlossenen Stromkreis findet sich in 5a, welche ein Beispiel eines Gleichrichters 20 mit einer dauerhaft nicht leitenden Diode 24 in der oberen Halbbrücke 22 zeigt, wobei in 5b wieder die resultierenden Signalverläufe für diese Schaltung gezeigt sind. Für die beiden Fälle aus 4 und 5 gelten entsprechende Feststellungen. Da während einer Halbwelle kein geschlossener Stromkreis mehr vorliegt, fließt hier kein Strom; stattdessen schnellt die entsprechende Klemmenspannung U₁ des oberen Phasenanschlusses auf die Leerlaufspannung des Generators hoch (im Fall aus 4 während der negativen Halbwelle, im Fall aus 5 während der positiven Halbwelle). Ein Ladestrom I_B für die Batterie steht nur während der längeren Halbwelle zur Verfügung.
In allen Fehlerfällen ergeben sich deutlich unterschiedliche Zeitdauern der Halbwellen, es ist also kein konstanter Zeitabstand mehr zwischen den einzelnen Flanken vorhanden. Dies hat seine Ursache im sich ändernden Polradwinkel, was wiederum durch den unsymmetrischen Verlauf des Generatorstroms bedingt ist. Daher ist es möglich, aus diesen Signalen und/oder aus den resultierenden Drehzahlsignalen auf Defekte in der Gleichrichter-Regler-Schaltung zu schließen.
Falls es vorgesehen ist, dass, wie bereits beschrieben, das Drehzahlsignal im Steuergerät 30 aus den Generatorsignalen gewonnen ist, steht dieses Signal bereits unmittelbar und üblicherweise in digitaler Form zur Verfügung und kann wie nachstehend beschrieben ohne weitere Hardware wie etwa Sensoren ausgewertet werden. Ebenso ist es aber auch denkbar, die Defektauswertung unabhängig davon vorzunehmen und dafür direkt die gezeigten elektrischen Generatorsignale heranzuziehen. Das Drehzahlsignal kommt mit vergleichsweise wenigen Messpunkten aus, da nur die digital auswertbaren Flanken relevant sind. Somit sind der Messaufwand, die Datenmenge und Datenrate dafür wesentlich niedriger ist als im Fall einer analogen Messung und Auswertung von Strom- oder Spannungsverläufen. Insgesamt kann daher eine solche Auswertung auch in Steuergeräten mit geringer Rechenleistung problemlos umgesetzt werden.
5c zeigt noch einmal für den Fall einer dauerhaft nicht leitenden Diode 24 in der linken oberen Halbbrücke (5a) die Spannungsverläufe U₁ , U₂ der beiden Phasenanschlüsse des Generators 10 wie in 5b, sowie ein daraus gewonnenes Drehzahlsignal in Form eines Rechtecksignals r. Es werden für das Drehzahlsignal beispielsweise die Nulldurchgänge der Phasenspannungen, also sowohl die steigenden als auch die fallenden Signalflanken ausgewertet, um die unterschiedliche Länge der Halbwellen erfassen zu können. Anders als im Fall des intakten Gleichrichters in 1c variieren hier die Abstände zwischen den einzelnen Signalflanken deutlich. Man erkennt parallel zu den Spannungsverläufen einen relativ kürzeren Abstand zwischen einer steigenden und einer fallenden Flanke, und einen längeren Abstand zwischen einer fallenden und einer steigenden Signalflanke des Rechtecksignals r.
Aus dem so erhaltenen Drehzahlsignal in Form eines Rechtecksignals r, das in 5d oben noch einmal einzeln gezeigt ist, erhält man schließlich aus den gemessenen Zeitabständen zwischen den Signalflanken und dem bekannten Kurbelwellenwinkel gemäß Gleichung (1) die in der 5d unten gezeigten Drehzahlwerte für die Drehzahl n im Verlauf. Es ergibt sich also durch diesen Fehler in der Gleichrichterschaltung ein stark gezackter Drehzahlverlauf, aus dem auf einen Defekt geschlossen werden kann, während der Drehzahlverlauf im intakten Bauteil im Wesentlichen konstant wäre.
Zwar zeigt auch ein intakter Gleichrichter Schwankungen im Drehzahlverlauf, da der verbundene Verbrennungsmotor üblicherweise nicht mit konstanter Drehzahl innerhalb einer Kurbelwellenumdrehung läuft. Allerdings sind diese Drehzahlschwankungen deutlich schwächer ausgeprägt als die Drehzahlfehler, die durch einen Defekt des Gleichrichters verursacht werden. Es ist daher zur Fehlererkennung beispielsweise möglich, einen Schwellwert bzw. Korridor für die Schwankungen in eine oder beide Richtungen vorzugeben, unterhalb dessen angenommen wird, dass es sich um eine normale Schwankung der Drehzahl und nicht einen Hardwaredefekt handelt.
Darüber hinaus wiederholt sich eine Drehzahlschwankung aufgrund von Fehlern im Gleichrichter mit der Anzahl der Polpaare eines Generators pro Kurbelwellenumdrehung. Liegt diese Anzahl beispielsweise bei sechs Polpaaren, liegt diese Fehlerfrequenz im Drehzahlsignal deutlich über der anderer Einflüsse und ist nur im Fehlerfall angeregt.
Somit ist es also möglich, einen defekten Gleichrichter generell durch Überwachung des aus Generatorsignalen gewonnenen Drehzahlverlaufs zu erkennen. Falls hochfrequente Drehzahlschwankungen auftreten, die sich mit der Polpaarzahl innerhalb einer Umdrehung wiederholen, liegt ein entsprechender Defekt vor. Dazu kann also die Schwankungsgröße und/oder die Frequenz der Drehzahlschwankung überwacht werden und optional mit geeigneten Schwellwerten oder einer auf der Generatorkonfiguration beruhenden Referenzfrequenz verglichen werden, um zu erkennen, ob ein Defekt im Gleichrichter vorliegt.
Alternativ kann das Frequenzspektrum des Drehzahlsignals ausgewertet werden. Falls ein ausgeprägter Frequenzanteil auf der Wiederholungsrate der Signalflanken liegt, kann von einem Defekt ausgegangen werden. Optional kann dabei auch zusätzlich überprüft werden, ob dieser Frequenzanteil des Drehzahlsignals einer Referenzfrequenz, gebildet aus der Anzahl der Polpaare multipliziert mit der Kurbelwellenfrequenz, (näherungsweise) entspricht.
Neben der Feststellung, dass ein Defekt in der Gleichrichter-Regler-Schaltung vorliegt, kann auch zusätzlich die Art des Fehlers erkannt werden, da bekannt ist, welche Spannungsflanke in welcher Phase an einer entsprechenden Kurbelwellenposition vorliegt.
Falls beispielsweise ein Defekt in der oberen Halbbrücke 22 vorliegt, wie in den Beispielen aus 2 und 5, ist aus den zugehörigen Signalverläufen zu erkennen, dass jeweils der Abstand von der steigenden Flanke zur fallenden Flanke des resultierenden Rechtecksignals deutlich kürzer ist als der zeitliche Abstand von der fallenden zur steigenden Flanke. Aus einem so verlaufenden Rechtecksignal oder einem zugehörigen Drehzahlverlauf mit kürzeren Drehzahlanstiegen (siehe 5d) kann daher auf einen Defekt in der oberen Halbbrücke 22 geschlossen werden. Optional kann wie vorstehend beschrieben zunächst der Frequenzverlauf und/oder das Ausmaß der Schwankungen ausgewertet werden und anschließend oder im selben Schritt die Art des Defekts bestimmt werden.
Entsprechendes gilt für einen Defekt in der unteren Halbbrücke 23; hier erhält man den umgekehrten zeitlichen Verlauf, also Nulldurchgänge bzw. ein Rechtecksignal, bei welchem der Abstand von der steigenden Flanke zur fallenden Flanke deutlich länger ist als der Abstand von der fallenden zur steigenden Flanke. Auf diese Weise kann also durch einen Vergleich der Zeitabstände der Flanken erkannt werden, in welchem Bereich des Gleichrichters, insbesondere in welcher Halbbrücke, der Bauteildefekt aufgetreten ist.
Auch die Batteriespannung U_B liegt üblicherweise als Messwert in einer Steuereinheit 30 wie dem Motorsteuergerät vor. Falls damit kombiniert mit den Spannungssignalen oder dem Drehzahlsignal erkannt wird, dass während der kürzeren Halbwelle kein Ladestrom für die Batterie 40 vorhanden ist und entsprechend die Batteriespannung in dieser Halbwelle nicht erst ansteigt und dann wieder abfällt, sondern näherungsweise konstant bleibt, kann von einem dauerhaft nicht leitenden Defekt ausgegangen werden. Umgekehrt steigt die Batteriespannung U_B während der Halbwelle an, falls ein dauerhaft leitender Effekt vorliegt. Damit können aus einer kombinierten Auswertung von Drehzahlsignal bzw. Phasenspannung und der Batteriespannung weitere Eigenschaften des Bauteildefekts im Gleichrichter erkannt werden.
Für die vorstehenden Fehlerauswertungen können optional alle Effekte und Signale außer Betracht gelassen werden, die keinen regelmäßigen Schwankungsverlauf mit passender Frequenz zeigen. Die verschiedenen Auswertungsoptionen wie Schwankungsstärke, Schwankungsfrequenz, zeitliche Abstände der Signalflanken, Kombination mit gemessener Batteriespannung etc. können einzeln angewendet werden oder in einer vorgegebenen Reihenfolge durchlaufen werden bzw. gemeinsam ausgewertet werden, um einen Bauteildefekt möglichst genau einzugrenzen.
Sobald auf diese Art ein Fehler in einem Gleichrichter erkannt und identifiziert wurde, kann dies zur weiteren Regelung und Ansteuerung verwendet werden. Falls beispielsweise ein Bauteil bzw. Gleichrichterbauteil in der oberen Halbbrücke 22 einen Kurzschluss aufweist, sollte verhindert werden, dass der Spannungsregler 20 den Generator über die unteren MOSFETs 27, 29 kurzschließt, falls die Batterie 40 voll geladen ist. Ansonsten würde ein Kurzschluss der Batterie über die defekte Halbbrücke verursacht werden und damit die Batterie beschädigt werden. Alternativ kann eine Warnung an den Fahrer eines Fahrzeugs ausgegeben werden, und optional zusätzlich bei Erreichen einer kritischen Batteriespannung von z.B. mehr als 14,5 V die Drehzahl des Motors und damit auch die Energieabgabe des Generators gedrosselt oder bis zum Stillstand reduziert werden. Damit kann ein Defekt der Batterie verhindert werden.
Da bei einem Defekt des Gleichrichters die Polradwinkelbestimmung aus Generatorsignalen fehlerhaft ist, kann dann keine exakte Bestimmung der Kurbelwellenposition mehr gewährleistet werden. In Folge werden die Zeitpunkte für Einspritzung und Zündung verfälscht, was mindestens auf die Abgaswerte Einfluss nehmen kann. Auch zu diesem Zweck kann eine entsprechende Warnung ausgegeben werden oder gar ein weiterer Fahrzeugbetrieb verhindert werden.
Um solche Ansteuerungen zu erreichen, können beispielsweise erkannte Fehler an geeigneter Stelle als Steuerparameter oder gesetzter Zustandsindikator für den Gleichrichter abgespeichert werden, sobald die Auswertung einen Fehler ergibt. Die Motorsteuereinheit kann dann auf diese Parameter bzw. Indikatoren zugreifen und die Ausführung bestimmter Ansteuersignale für den Gleichrichter-Regler verhindern oder verändern. Ebenso können nach erkannten Fehlern Warnsignale ausgegeben werden, etwa über Warnleuchten oder Displayanzeigen, und/oder Ausgabesignale für weitere Diagnostik über geeignete Schnittstellen bereitgestellt werden.
Die jeweiligen Überprüfungen der verschiedenen Anteile und Parameter des Drehzahlsignals können kontinuierlich oder in bestimmten regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen vorgenommen werden, bevorzugt in dem Steuergerät, in dem auch das Drehzahlsignal bereits vorliegen kann. Zwar bietet sich es selbstverständlich an, das Drehzahlsignal wie beschrieben aus den Strom- und/oder Spannungssignalen zu gewinnen und zu verwenden; die vorgestellte Erfindung kann jedoch auch eingesetzt werden, wenn die Drehzahl anders ermittelt wird, solange die benötigten Signalflanken der Spannungen und/oder Ströme wie beschrieben erfassbar und auswertbar sind. Es ist optional auch möglich, die hier gezeigte Fehlererkennung in einer anderen Einheit durchzuführen als die Ermittlung der Drehzahl, wobei beispielsweise beide Einheiten die jeweiligen elektrischen Signale vom Generator erhalten und weiterverarbeiten können, oder eine Einheit die erfassten elektrischen Signale und/oder ein Drehzahlsignal oder einen Drehzahlverlauf weiter übermitteln kann.
Das vorgestellte Verfahren kann auch auf mehrphasige Generatoren und zugehörige Gleichrichter übertragen werden. Ein Defekt einer Halbbrücke kann für jede Phase erkannt werden, wenn deren Signal-Nulldurchgänge bzw. das damit gebildete Drehzahlsignal in einer Steuereinheit vorliegen. Da jeder Defekt auch in diesem Fall eigene Merkmale für den Verlauf von Drehzahlsignal und Batteriespannung darstellt, können auch gleichzeitig auftretende Mehrfachdefekte identifiziert werden.
Außerdem können Bauteile der beispielhaft gezeigten Gleichrichter-Regler-Schaltungen auch ausgetauscht werden, insbesondere können anstelle von Dioden auch aktive Schaltelemente wie Transistoren genutzt werden. Beispielsweise könnten in allen Schaltungen die Dioden der oberen Halbbrücke ebenfalls durch Halbleiterschalter bzw. MOSFETs ersetzt werden, wobei dann während des Ladevorgangs die MOSFETs als aktive Dioden betrieben werden (Dioden-Verhalten mit reduzierter Verlustleistung), und im Regel-/Kurzschlussfall die oberen MOSFETs gesperrt und die unteren voll leitend geschaltet werden. Weitere Abwandlungen und Ergänzungen von Bauteilen können geeignet vorgenommen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014206173 A1 [0004, 0027]
DE 102017222842 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Erkennen von Defekten in einer Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung (20), welche den Strom eines damit verbundenen Generators (10) gleichrichtet, wobei die Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung einen Brückengleichrichter mit einer oberen Halbbrücke (22) und einer unteren Halbbrücke (23) umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Erhalten eines ersten Signals, das auf erfassten elektrischen Signalen des Generators beruht; Auswerten von periodisch auftretenden Merkmalen des ersten Signals; und Bestimmen, ob ein Bauteildefekt in der Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung (20) vorliegt, auf Grundlage der Auswertung der periodisch auftretenden Merkmale.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Signal aus den Nulldurchgängen mindestens einer Phasenspannung (U₁, U₂) des Generators (10) gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend: Vergleichen einer Frequenz des periodisch auftretenden Merkmals mit mindestens einer vorgegebenen Referenzfrequenz, welche sich aus einer Konfiguration des Generators ergibt, und falls die Frequenz im Bereich der Referenzfrequenz liegt, Bestimmen, dass ein Bauteildefekt vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: Vergleichen von Zeitabständen zwischen aufeinanderfolgenden periodisch auftretenden Merkmalen des ersten Signals, und Festlegen, auf Grundlage des Vergleichs, ob ein Bauteildefekt in der oberen Halbbrücke (22) oder der unteren Halbbrücke (23) der Gleichrichter-Regler-Schaltung vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der oberen Halbbrücke der Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung mindestens eine Diode (24, 25) angeordnet ist, und/oder wobei in der oberen und/oder der unteren Halbbrücke mindestens ein Halbleiterschalter (27, 29) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Signal ein Rechtecksignal (r) ist, und wobei die periodisch auftretenden Merkmale des Signals steigende und fallende Signalflanken des Rechtecksignals umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Signal ein aus den elektrischen Signalen des Generators gewonnenes Drehzahlsignal (n) ist, und wobei die periodisch auftretenden Merkmale des Signals Anstiege und/oder Maximalwerte und Minimalwerte des Drehzahlsignals umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: Auswerten von mindestens einem zweiten elektrischen Signal zusammen mit dem ersten elektrischen Signal, um zu erkennen, ob der erkannte Defekt ein dauerhaft leitendes Gleichrichterbauteil oder ein dauerhaft nicht leitendes Gleichrichterbauteil umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das zweite elektrische Signal eine Batteriespannung (U_B) einer Batterie (40) ist, welche durch den Generator (10) geladen wird, und weiter umfassend: Bestimmen, ob eine Batteriespannung zwischen zwei periodisch auftretenden Merkmalen des ersten Signals ansteigt und wieder abfällt oder stattdessen näherungsweise konstant bleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: Abspeichern mindestens eines Parameters, welcher einen erkannten Defekt und/oder ein fehlerfreies Bauteil anzeigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: falls bestimmt wurde, dass ein Bauteildefekt vorliegt, Ausgeben eines Warnsignals, und/oder Verändern der Ansteuersignale für die Gleichrichter-Spannungsregler-Schaltung, und/oder Verändern der Ansteuersignale für eine mit dem Generator verbundene Brennkraftmaschine.
Recheneinheit (30), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 13.