DE19534902A1 - Battery charging system for IC engine motor vehicle - Google Patents
Battery charging system for IC engine motor vehicleInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Ladesystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a charging system for a motor vehicle according to the preamble of claim 1.
Bei konventionellen Bordnetzen von Fahrzeugen mit Verbrennungs kraftmaschinen wird der benötigte Strom unabhängig vom momentanen Wirkungsgrad nach Möglichkeit vollständig vom Generator erzeugt. Eine mitgeführte Batterie dient im wesentlichen als Energiespeicher für den Startvorgang, zur Sicherung des Stromhaushaltes bei einer Bordnetzbelastung oberhalb des Generatorstroms sowie (kurzzeitig) der Versorgung des Bordnetzes bei Motorstillstand. Beim Betrieb des konventionellen Bordnetzes ist auf Grund des Dauerbetriebes des Generators die eingesetzte Energiemenge, d. h. die Kraftstoffmenge in g/kWh, gegenüber einer optimierten Stromerzeugung mittels eines separaten Stromgenerators hoch. Hinzu kommt, daß mit steigender Generatordrehzahl die Generatorantriebsleistung gegenüber der Gene ratorleistung steigt (Fig. 1). Zur Reduzierung der mechanischen Verluste des Generators sind daher Vorrichtungen zur Regelung der Generatordrehzahl entwickelt worden (DE 31 50 446 A). Weiterhin wurde eine Regelung eines Ladesystems für ein Kraftfahrzeug vorge schlagen (DE 33 13 398 C), bei dem die Betriebsbedingungen der Ver brennungskraftmaschine zur Regelung des Ladesystems herangezogen werden. Hierbei wird auch die Regelung des Verbrennungsmotors durch den Ladevorgang beeinflußt. Aus der EP 0 139 429 B ist eine Lade- System-Regelung bekannt, in der bei geladener Batterie eine Um schaltung der Generatorspannung auf Erhaltungsladung erfolgt. Hier aus sowie aus der DE 31 04 864 C ist außerdem ein Laden der Kraft fahrzeug-Batterie während einer Fahrzeugverzögerung bekannt, wobei in der letztgenannten Schrift der Generator ausschließlich bei einer Fahrzeugverzögerung elektrisch zugeschaltet ist. Ferner ist aus der DE 36 18 868 C ein Ladesystem für Kraftfahrzeuge bekannt, bei dem bei einer niedrigen Geschwindigkeit der Generator elek trisch entkoppelt wird, damit der Verlust an Ausgangsleistung des Motors bei niedriger Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges gering ist. Aus der DE 41 02 150 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Generator zur Stromerzeugung nur bei bestimmten Betriebszuständen im Motorverbrauchskennfeld, insbesondere bei einem schlechten Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, betrieben wird.In conventional on-board networks of vehicles with internal combustion engines, the electricity required is generated entirely by the generator wherever possible, regardless of the current efficiency. A battery that is carried along essentially serves as an energy store for the starting process, to secure the electricity balance in the event of an on-board electrical system load above the generator current and (briefly) to supply the on-board electrical system when the engine is at a standstill. When operating the conventional electrical system, the amount of energy used, ie the amount of fuel in g / kWh, is high compared to optimized power generation by means of a separate power generator due to the continuous operation of the generator. In addition, with increasing generator speed, the generator drive power rises compared to the generator power ( FIG. 1). To reduce the mechanical losses of the generator, devices for regulating the generator speed have therefore been developed (DE 31 50 446 A). Furthermore, a regulation of a charging system for a motor vehicle was proposed (DE 33 13 398 C), in which the operating conditions of the internal combustion engine are used to regulate the charging system. The control of the internal combustion engine is also influenced by the charging process. A charging system control is known from EP 0 139 429 B, in which the generator voltage is switched to trickle charging when the battery is charged. From here as well as from DE 31 04 864 C, charging of the motor vehicle battery during a vehicle deceleration is also known, the generator in the latter document being switched on electrically only when the vehicle is decelerating. Furthermore, from DE 36 18 868 C a charging system for motor vehicles is known, in which the generator is electrically decoupled at a low speed, so that the loss of output power of the engine is low at low speed of the motor vehicle. DE 41 02 150 discloses a method in which the generator for generating electricity is only operated in certain operating states in the engine consumption map, in particular when the internal combustion engine is poorly efficient.
Aufgabe der Erfindung ist ein Ladesystem für ein Kraftfahrzeug, das in seinem Aufbau verhältnismäßig einfach und hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches im Verhältnis zur Generatorleistung verbes sert sein soll. Hierbei soll die Generatorleistung so zur Verfügung stehen, daß im Fahrbetrieb ein guter Ladezustand der Batterie er reicht wird.The object of the invention is a charging system for a motor vehicle, the relatively simple in structure and in terms of Fuel consumption in relation to generator power should be. Here, the generator power should be available stand that he has a good state of charge of the battery when driving is enough.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Ladesystem mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.This task is carried out with the loading system described at the beginning solved the features of the characterizing part of claim 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Ladesystem wird berücksichtigt, daß bei Generatordrehzahlen bis ca. 8000 U/min die mechanischen Verluste (Lüfterverluste und Reibung) relativ gering sind, und daß die Gene ratorantriebsleistung bis zu dieser Drehzahl weitgehend drehzahl unabhängig proportional zum erzeugten Strom ist. Bei einer mechani schen Trennung des Generators von seinem Antrieb sind daher bis zu dieser Drehzahl gegenüber einer elektrischen Entregung durch Unter brechung des Erregerstroms keine wesentlichen Vorteile zu erwarten. In the loading system according to the invention it is taken into account that at Generator speeds up to approx. 8000 rpm the mechanical losses (Fan losses and friction) are relatively low, and that the genes Rator drive power up to this speed largely speed is independently proportional to the electricity generated. With a mechani separation of the generator from its drive are therefore up to this speed compared to electrical de-excitation by under breakage of the excitation current no significant advantages are expected.
Anders als beim Stand der Technik, gemäß dem der Generator aus schließlich bei einer Verzögerung das Kfz. aktiv ist - hier wird der Generatorstrom zum Null-Tarif erzeugt - berücksichtigt das erfindungsgemäße Ladesystem den spezifischen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine. So ist bei kleinen und mittleren Lasten der spezifische Kraftstoffverbrauch (in g/kWh) weitgehend unabhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und nahe zu ausschließlich vom Motormoment abhängig (Fig. 2). Während des Fahrzeugbetriebes sind die durch die Fahrwiderstände (Luft- Roll- und Beschleunigungswiderstand) bedingten Betriebspunkte im Mittel druck-Drehzahl-Kennfeld (Muschel-Diagramm, Fig. 2) vorgegeben. Die Erfindung macht sich insbesondere den unterschiedlichen Abstand der Linien gleichen spezifischen Kraftstoffverbrauchs zu Nutze. Dies wird an Hand von Fig. 2 weiter unten näher beschrieben.Unlike the state of the art, according to which the generator only stops the vehicle if there is a delay. is active - here the generator current is generated at zero tariff - the charging system according to the invention takes into account the specific fuel consumption of the internal combustion engine. For small and medium loads, the specific fuel consumption (in g / kWh) is largely independent of the speed of the internal combustion engine and almost entirely dependent on the engine torque ( Fig. 2). During vehicle operation, the operating points caused by the driving resistance (air, rolling and acceleration resistance) are specified in the mean pressure-speed characteristic map (mussel diagram, FIG. 2). The invention makes particular use of the different spacing of the lines of the same specific fuel consumption. This is described in more detail below with reference to FIG. 2.
Da das Lastmoment von der Einspritzmenge, der Drosselklappenstel lung, der Drehzahl und auch der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahr zeuges abhängt, können all diese Betriebskenngrößen für das Entre gen des Generators herangezogen werden. Besonders günstig, da ein fach zu bewerkstelligen, kann die Motordrehzahl zusammen mit der Einspritzmenge oder die Motordrehzahl zusammen mit der Drosselklap penstellung (bei Ottomotoren) zur Bestimmung des Lastmomentes her angezogen werden. Die Einspritzmenge wird vorteilhaft einem Durch flußmesser in der Kraftstoffleitung abgenommen oder, besonders einfach, über die Einspritzdauer bestimmt. Der Wert der Betriebs kenngröße, oberhalb dessen die Erregerwicklung, insbesondere die Feldwicklung des Generators, entregt wird, wird vorteilhaft so ge wählt, daß der spezifische Kraftstoffverbrauch für die Stromerzeu gung oberhalb des Wertes der Betriebskenngröße höher ist als unter halb des Wertes, wobei hierbei insbesondere auch die mechanischen Verluste im Generator mit berücksichtigt werden.Since the load torque depends on the injection quantity, the throttle valve tion, the speed and also the driving speed of the motor vehicle depends on the product, all these operating parameters for the entre against the generator. Particularly cheap, because one to accomplish the engine speed together with the Injection quantity or the engine speed together with the throttle valve position (for gasoline engines) to determine the load torque get dressed by. The injection quantity is advantageously a through flow meter in the fuel line removed or, especially simple, determined by the injection duration. The value of the operating parameter above which the field winding, in particular the Field winding of the generator, which is de-excited, is advantageously ge selects the specific fuel consumption for the electricity tion above the value of the operating parameter is higher than below half of the value, whereby in particular also the mechanical Losses in the generator are taken into account.
Vorteilhaft wird von dem verwendeten Steuermittel, das die Be triebskenngrößen für das Entregen des Generators erfaßt, auch die Generatordrehzahl (beispielsweise über die Motorendrehzahl) erfaßt und die Entregung des Generators bei einem längeren Verweilen in einem Generatordrehzahlbereich oberhalb von 8000 U/min, insbeson dere oberhalb von 12000 U/min, aufgehoben. Bei längerer Verweilzeit kommen Zeiten insbesondere zwischen 0,5 und 5 min. in Betracht. Bei diesen hohen Drehzahlen ist zwar der Kraftstoffverbrauch des Gene rators im Verhältnis zur Generatorleistung besonders hoch, das Entregen des Generators bringt aber nur einen geringen Gewinn, da die mechanische Verlustleistung des Generators bestehen bleibt. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn bei diesen dauerhaft hohen Dreh zahlen und meist auch entsprechend hohen Geschwindigkeiten des Fahrzeuges die volle Generatorleistung zur Verfügung steht, um beispielsweise Lüfter und Lichtquellen ohne Batteriebelastung zu versorgen.Is advantageous from the control means used, the Be drive parameters recorded for de-excitation of the generator, including the Generator speed (for example, the engine speed) detected and the de-excitation of the generator after a long stay in a generator speed range above 8000 rpm, in particular the above 12000 rpm, lifted. With a longer dwell time times come in particular between 0.5 and 5 min. into consideration. At these high speeds is the fuel consumption of the gene rators particularly high in relation to generator power, that De-energizing the generator brings little profit, however the mechanical power loss of the generator remains. In addition, it is advantageous if these consistently high spin pay and usually also correspondingly high speeds of the Full generator power is available to the vehicle for example fans and light sources without battery usage supply.
Vorteilhaft wird von dem Steuermittel auch der Ladezustand der Batterie erfaßt und unterhalb eines Mindestladezustandes das Entre gen des Generators ausgesetzt. Der Ladezustand kann beispielsweise über die Batterieausgangsspannung erfaßt werden, vorteilhaft werden jedoch die Lade- und Entladeströme der Batterie über die Zeit inte griert. Beispiele für die Bestimmung des Ladezustandes der Batterie sind aus dem Stand der Technik bekannt.The control means also advantageously the state of charge of the Battery detected and the entre below a minimum charge exposed to the generator. The state of charge can, for example be detected via the battery output voltage, be advantageous however, the charge and discharge currents of the battery over time inte freezes. Examples for determining the state of charge of the battery are known from the prior art.
Zu Vermeidung einer zu hohen Batteriebelastung ist es außerdem vorteilhaft, wenn der Stromverbrauch des Kraftfahrzeuges und/oder einzelner Stromverbraucher, wie beispielsweise der Lüftung oder der Beleuchtung, erfaßt werden. Oberhalb eines vorbestimmten Stromver brauches wird dann die Entregung außer Betrieb gesetzt.It is also to avoid excessive battery usage advantageous if the power consumption of the motor vehicle and / or individual electricity consumers, such as ventilation or the Lighting. Above a predetermined Stromver de-excitation is then deactivated.
Vorzugsweise haben der Mindestladezustand und der vorbestimmte Hochstromverbrauch, bei dessen Unter- bzw. Überschreiten die Entre gung außer Betrieb gesetzt wird, einen variablen Einsatz, der ab hängig ist beispielsweise von der jeweils anderen Größe (Ladezu stand/Stromverbrauch). Hierdurch wird eine optimal häufige Entre gung des Generators möglich. Preferably, the minimum charge level and the predetermined one High current consumption, when falling below or exceeding the entre tion is put out of operation, a variable stake that depends, for example, on the other size (loading stand / power consumption). This makes an optimal frequent entre generator possible.
Besonders günstig ist das Ladesystem mit einer Schuberkennung aus gerüstet, die bei einer Schuberkennung der Verbrennungskraftma schine eine Entregung des Generators aufhebt. Da im Schubbetrieb kein oder nur wenig Kraftstoff verbraucht wird, ist hier die Gene ratorleistung besonders wirtschaftlich zu erhalten.The loading system with a slip detection is particularly favorable equipped with a thrust detection of the internal combustion ma de-excitation of the generator. Because in overrun little or no fuel is used here is the genes to maintain rator performance particularly economically.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht bei Ottomotoren eine Ver brauchsminderung bis ca. 2,5%, bei Dieselmotoren in etwa die Hälfte.The present invention enables a Ver in gasoline engines Reduction of consumption up to approx. 2.5%, approximately the same for diesel engines Half.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher be schrieben:The invention will be described in more detail below with reference to drawings wrote:
Es zeigenShow it
Fig. 1 ein Leistungsdiagramm eines Generators; Fig. 1 is a diagram of a power generator;
Fig. 2 ein Muscheldiagramm; Fig. 2 is a shell diagram;
Fig. 3 ein Raumdiagramm des spezifischen Verbrauchs eines Generators, und Fig. 3 is a space diagram of the specific consumption of a generator, and
Fig. 4 ein Schaltdiagramm für die Generatorentregung. Fig. 4 is a circuit diagram for generator de-excitation.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß bis zu einer Generatordrehzahl von ca. 8000 U/min die mechanischen Verluste gering sind. Ein Punkt B steht für Generatorstrom von ca. 45 Ampere und eine Generatoran triebsleistung von 1 kW bei einer niedrigen Generatordrehzahl. Bei einer mittleren Generatordrehzahl ist für den gleichen Generator strom bereits eine Generatorantriebsleistung von 1,15 kW notwendig (Punkt D). Übertragen in ein Muscheldiagramm (Fig. 2) liegt der Punkt B in einem ungünstigen Bereich des spezifischen Verbrauches des Motors (niedrige Motorlast), der Punkt D in einem günstigen Bereich. Eine Entlastung der Verbrennungskraftmaschine um die Gene ratorlast führt zu einer Verschiebung des Punktes B zum Punkt A und des Punktes D zum Punkt C. Da Punkt B auf einer Linie des spezifi schen Verbrauches von 450 g/kWh und Punkt A von 700 g/kWh liegt, errechnet sich der spezifische Verbrauch für die Stromerzeugung zu (2 × 450-700) = 200 g/kWh. Die Punkte D und C liegen auf Linien spezifischen Verbrauches von 275 bzw. 278 g/kWh, entsprechend be rechnet sich der spezifische Verbrauch für die Generatorantriebs leistung zu (18,65 × 275-17,5 × 278) = 263,75 g/kWh. Dies ent spricht einem Verbrauchsunterschied von über 30% gegenüber den Betriebspunkten A/B. In Fig. 3 ist der spezifische Verbrauch für eine Generatorantriebsleistung von 1 kW für die Hauptfahrbereiche aufgetragen, gegen die Motordrehzahl und das Lastmoment. Man er kennt, daß über weite Bereiche mit zunehmender Motorlast und/oder zunehmender Motordrehzahl der spezifische Verbrauch der Generator antriebsleistung steigt. Durch geeignete Wahl der Entregungspunkte des Generators, insbesondere in den Bereichen höherer Lastmomente, läßt sich der Generator im Bereich niedrigen spezifischen Kraft stoffverbrauches betreiben. Während der Entregung des Generators wird das Bordnetz über die Batterie mit Strom versorgt.From Fig. 1 it can be seen that the mechanical losses are low up to a generator speed of about 8000 U / min. A point B stands for generator current of approx. 45 amperes and a generator drive power of 1 kW at a low generator speed. At an average generator speed, a generator drive power of 1.15 kW is already necessary for the same generator current (point D). Transferred to a shell diagram ( FIG. 2), point B lies in an unfavorable range of the specific consumption of the engine (low engine load), point D in a favorable range. Relief of the internal combustion engine by the generator load leads to a shift of point B to point A and point D to point C. Since point B lies on a line of specific consumption of 450 g / kWh and point A of 700 g / kWh , the specific consumption for power generation is calculated (2 × 450-700) = 200 g / kWh. Points D and C lie on lines of specific consumption of 275 and 278 g / kWh, respectively, the specific consumption for the generator drive power is calculated accordingly (18.65 × 275-17.5 × 278) = 263.75 g / kWh. This corresponds to a difference in consumption of over 30% compared to operating points A / B. In Fig. 3, the specific consumption is plotted for a generator driving power of 1 kW for the main driving ranges, against the engine speed and the load torque. He is known that over a wide range with increasing engine load and / or increasing engine speed, the specific consumption of the generator drive power increases. By a suitable choice of the de-excitation points of the generator, especially in the areas of higher load moments, the generator can be operated in the area of low specific fuel consumption. When the generator is de-energized, the vehicle electrical system is powered by the battery.
Eine beispielhafte Funktion des Ladesystems wird im folgenden an Hand von Fig. 4 erläutert.An exemplary function of the charging system is explained below with reference to FIG. 4.
In einem Steuergerät 1 werden in regelmäßigen Zeitabständen t die Drehzahl U einer (nicht dargestellten) Verbrennungskraftmaschine, deren Einspritzmenge mein und (oder alternativ zur Einspritzmenge) eine Drosselklappenstellung α erfaßt. Aus diesen Eingangsdaten wird das Lastmoment Md der Verbrennungskraftmaschine bestimmt. An einer (nicht dargestellten) Batterie wird über einen weiteren Meßfühler in regelmäßigen Zeitabständen tb der Lade-/Entladestrom IBatt ge messen und der Ladezustand LZ durch Addition des Produktes aus Lade-/Entladestrom und dem Zeitabstand tb ermittelt. In dem Steuer gerät 1 wird weiterhin geprüft, ob die eingespritzte Kraftstoff menge mein - O ist (Schub), oder ob das Lastmoment Md unter einem Wert a/LZ-b liegt, wobei a beispielsweise im Bereich 500-2000 und b im Bereich 40-60 liegen kann. Falls eines dieser Kriterien erfüllt ist, bleibt der Generator erregt; wenn beide dieser Krite rien nicht erfüllt sind, wird mittels einer geeigneten Vorrichtung (z. B. Relais) der Erregerstrom des Generators unterbrochen, der Generator liefert keinen Strom mehr und das Bordnetz wird aus der Batterie versorgt. Durch entsprechende Wahl des Parameters b wird sichergestellt, daß bei Erreichen des kritischen Ladezustandes der Batterie der Schwellenwert für das Mindestdrehmoment zum Ausschal ten des Erregerstroms so weit ansteigt, daß er im Betrieb nicht mehr erreicht wird.In a control unit 1 , the speed U of an internal combustion engine (not shown), its injection quantity m a and (or alternatively to the injection quantity) a throttle valve position α are recorded at regular time intervals t. The load torque Md of the internal combustion engine is determined from these input data. On a battery (not shown), the charge / discharge current I Batt ge is measured via a further sensor at regular time intervals t b and the state of charge LZ is determined by adding the product of the charge / discharge current and the time interval t b . In the control device 1 , it is further checked whether the injected fuel quantity is my - O (thrust) or whether the load torque Md is below a value a / LZ-b, where a is in the range 500-2000 and b in the range 40, for example -60 may lie. If one of these criteria is met, the generator remains energized; If both of these criteria are not met, the excitation current of the generator is interrupted by means of a suitable device (e.g. relay), the generator no longer supplies electricity and the vehicle electrical system is supplied from the battery. Appropriate selection of parameter b ensures that when the critical state of charge of the battery is reached, the threshold value for the minimum torque for switching off the excitation current rises to such an extent that it is no longer reached during operation.
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