DE102004025241A1 - Generatormodell zur Vorhersage einer Generator-Kenngröße - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorhersage einer Kenngröße (M¶Gen¶, I¶err¶, DELTAI¶err¶) eines Generators (9), insbesondere eines Kfz-Generators. Zukünftige Werte der Generator-Kenngröße (M¶Gen¶, I¶err¶, DELTAI¶err¶) können besonders einfach und kostengünstig vorhergesagt werden, wenn ein Generatormodell (5) vorgesehen ist, das das elektrische Verhalten des Generators (9) nachbildet, und das aus verschiedenen Eingangsgrößen (n¶Gen¶, U¶Gen¶, A) zukünftige Werte der Generator-Kenngröße (M¶Gen¶, I¶err¶, DELTAI¶err¶) berechnet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorhersage einer Generator-Kenngröße gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
• Ein Kraftfahrzeug-Bordnetz wird üblicherweise von einer Batterie und einem Generator mit elektrischer Energie versorgt. Daneben umfassen Kraftfahrzeug-Bordnetze moderner Fahrzeuge in der Regel auch ein Motormanagement zur Steuerung der Einspritzung und ein Energie- und Verbrauchermanagement (Steuergerät mit Software) zur Ansteuerung verschiedener elektrischer Verbraucher. Diese Systeme erhalten üblicherweise Informationen über den aktuellen Generatorzustand, wie z.B. das Generatormoment, den aktuellen Generatorstrom oder die Auslastung des Generators. Dadurch ist es den Systemen möglich, den aktuellen Generatorzustand bei der Durchführung ihrer Steueraufgaben zu berücksichtigen.
• Die Generator-Kenngrößen werden i.d.R., insbesondere aus Kostengründen, nicht mittels Sensoren gemessen, sondern aus verschiedenen anderen Größen berechnet. Die berechnete Generator-Kenngröße, wie z.B. ein Generatormoment, ist daher immer bereits veraltet, wenn sie zur Verfügung steht, da sie aus bereits vergangenen Werten berechnet wurde. Aktuelle Werte oder sogar zukünftige Werte der Generator-Kenngrößen sind dagegen nicht verfügbar.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zu schaffen, mit dem aktuelle oder zukünftige Werte verschiedener Generator-Kenngrößen ermittelt werden können.
• Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 8 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, ein mathematisches Generatormodell vorzusehen, das das elektrische Verhalten des Generators nachbildet und die gewünschten Generatorkenngrößen berechnet. Das Generatormodell umfasst neben Daten über den mechanischen Aufbau des Generators erfindungsgemäß insbesondere Daten über das Regelverhalten des Generatorreglers. Mit Kenntnis der Regelstrategie des Generatorreglers ist es möglich, den Verlauf einer Kenngröße des Generators, wie z.B. des Generatormoments (M_Gen), des Generator-Stroms (I_Gen) oder der Generatorleistung, vorherzusagen. Das Generatormodell ist somit in der Lage, aus verschiedenen Eingangsgrößen, wie z.B. der Generator-Drehzahl, der Generator-Spannung oder einer Information über die Generator-Auslastung (DF-Signal), zukünftige Werte der Generator-Kenngröße zu ermitteln. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass eine Vorhersage verschiedener Generator-Kenngrößen in einfacher und kostengünstiger Weise realisiert werden kann.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird unter Berücksichtigung der Regelstrategie des Generatorreglers der zukünftige Verlauf des Erregerstroms ermittelt und daraus eine gewünschte Generator-Kenngröße berechnet.
• Das erfindungsgemäße Generatormodell kann sowohl als Software als auch als Hardware (Schaltung) ausgeführt sein. Zur Berechnung zukünftiger Werte werden dem Generatormodell eine oder mehrere der folgenden Eingangsgrößen zugeführt: Die Generator-Drehzahl (n_Gen), die Generator-Spannung (U_Gen), die Generator-Temperatur (T_Gen), die Generator-Auslastung (DF-Signal, I_err) oder eine Größe, aus der sich einer der zuerst genannten Parameter ableiten lässt (wie z.B. die Kühlmitteltemperatur, aus der sich die Generatortemperatur T_Gen abschätzen lässt).
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, werden dem Generatormodell die Generator-Spannung, die Generator-Drehzahl, sowie die Generator-Temperatur bzw. proportionale Größen zugeführt.
• Die vom Generatormodell berechnete Kenngröße ist vorzugsweise das Generatormoment (M_Gen), der Generator-Strom (I_Gen), der Erregerstrom (I_err), die Differenz bis zu einem maximalen Generator-Strom (ΔI_Gen) und/oder die Generator-Leistung (P_Gen), oder eine proportionale Größe.
• Die erfindungsgemäße Berechnung von zukünftigen Werten der Generator-Kenngröße wird vorzugsweise regelmäßig wiederholt. Das Generatormodell ist vorzugsweise mit einem Motormanagement (Steuergerät mit entsprechender Steuersoftware) verbunden und erhält von diesem vorzugsweise Informationen über den Betrieb des Verbrennungsmotors, insbesondere aktuelle oder zukünftige Drehzahländerungen. Das Generatormodell kann diese Informationen bei der Berechnung zukünftiger Werte der Generator-Kenngröße berücksichtigen.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Generator-Anordnung;
• 2 eine schematische Darstellung eines Generatormodells; und
• 3 verschiedene Rechenschritte bei der Berechnung einer Generator-Kenngröße.
• 1 zeigt eine Generator-Anordnung 9 mit einem Generator-Regler 1 (Steuergerät mit Regelalgorithmus). Der Generator 9 speist eine Batterie 8 sowie mehrere Verbraucher 10, die hier symbolisch in einem Block 10 dargestellt sind.
• Der Generator 9 umfasst ferner einen baulich integrierten Gleichrichter 4 zum Gleichrichten der in den Statorwicklungen U, V, W induzierten Wechselspannungen. Die an den Klemmen B+, B– ausgegebene Generator-Spannung ist mit U_Gen bezeichnet.
• Der Generator-Regler 1 regelt die Generator-Ausgangsspannung U_Gen auf einen vorgegebenen Sollwert von z.B. 14V. Der Generatorregler 1 erzeugt zu diesem Zweck ein sogenanntes DF-Signal, mit dem eine im Generator 9 integrierte Schalt-Endstufe 2 angesteuert und in einem gewünschten Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet wird. In der Erregerwicklung 3 fließt somit ein entsprechender Erregerstrom I_err der in den Statorwicklungen 6 eine bestimmte Phasenspannung induziert. Je nach elektrischer Last 10 kann das Tastverhältnis des DF-Signals Werte zwischen 0% und 100% annehmen.
• 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Generatormodells 5, mit dem zukünftige Werte einer oder mehrerer Generator-Kenngrößen berechnet werden können. Das Generatormodell 5 ist vorzugsweise als Software im Steuergerät 1 realisiert. Der Algorithmus enthält Informationen über den mechanischen Aufbau und das elektrische Verhalten des Generators 9, sowie das Verhalten des Generatorreglers. Dadurch ist das Modell 5 in der Lage, z.B. das Generatormoment M_Gen, den Generator-Strom I_Gen, die Differenz bis zu einem maximalen Generator-Strom ΔI_Gen, den Erregerstrom I_err oder eine andere kennzeichnende Generatorgröße für die Zukunft zu berechnen.
• Zu diesem Zweck erhält das Generatormodell 5 die Generator-Drehzahl n_Gen, die Generator-Ausgangsspannung U_Gen oder eine Information über die aktuelle Auslastung A des Generators, wie z.B. das DF-Signal oder den aktuellen Erregerstrom I_err, als Eingangsgrößen. Das Generatormodell 5 kann auch andere Eingangsgrößen, wie z.B. die Generator-Temperatur T_Gen verarbeiten.
• Die Arbeitsweise des Modells 5, d.h. die Prädiktion zukünftiger Werte ist beispielhaft in 3 dargestellt. Der obere Teil von 3 zeigt den Verlauf des Erregerstroms I_err über der Zeit. Im unteren Teil von 3 sind die einzelnen Rechenschritte RS1–RS4 dargestellt, die vom Generatormodell 5 durchgeführt werden.
• In einem ersten Schritt wird zum Zeitpunkt t1 der aktuelle Wert des Erregerstroms I_err aufgenommen und daraus zukünftige Werte für die Zeitpunkte t2 und t3 berechnet. Der Block 12 repräsentiert dabei den zukünftigen Wert zum Zeitpunkt t2 und der Block 13 den zukünftigen Wert zum Zeitpunkt t3. Die Zeitpunkte t1–t4 liegen jeweils ein Zeitintervall ZI auseinander.
• Die nächste Prädiktion wird zum Zeitpunkt t2 durchgeführt, wobei wiederum der aktuelle Ist-Wert des Erregerstroms I_err aufgenommen und zukünftige Werte für die Zeitpunkt t3 (Block 14) und t4 (Block 15) berechnet werden. Dieses Rechenschema wiederholt sich nach jedem Zeitintervall ZI. Aus den zukünftigen Werten für den Erregerstrom I_err kann schließlich eine gewünschte Kenngröße M_Gen, I_Gen, ΔI_Gen im Voraus berechnet werden.
• Um Änderungen der Generator-Drehzahl n_Gen berücksichtigen zu können, steht das Generatormodell 5 vorzugsweise mit einer Motorsteuerung 11 in Verbindung, die dem Generatormodell 5 entsprechende Drehzahlinformationen übermittelt. Somit können die gewünschten Generator-Kenngrößen M_Gen, I_Gen, ΔI_Gen auch bei Drehzahländerungen, die durch das Motor-Steuergerät 11 initiiert sind, richtig berechnet werden.

1

Steuergerät

2

Schalt-Endstufe

3

Erregerwicklung

4

Gleichrichter

5

Generatormodell

6

Statorwicklungen

8

Batterie

9

Generator

10

Verbraucher

11

Motor-Steuergerät

12–19

Zukünftige Werte

RS

Rechenschritt

t

Zeitpunkte

n_Gen

Generator-Drehzahl

U_Gen

Generator-Ausgangsspannung

M_Gen

Generator-Moment

I_err

Erregerstrom

ΔI_err

Abstand zum maximalen Erregerstrom

DF

Steuersignal

A

Generator-Auslastung

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Vorhersage einer Kenngröße (M_Gen, I_Gen, ΔI_Gen) eines Generators (9) insbesondere eines Kfz-Generators, umfassend ein Generatormodell (5), das das elektrische Verhalten des Generators (9) nachbildet, wobei dem Generatormodell (9) verschiedene Eingangsgrößen (n_Gen, U_Gen, I_err) zugeführt werden, aus denen es wenigstens eine Generator-Kenngröße (M_Gen, I_Gen, ΔI_Gen) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatormodell (5) Daten über das Regelverhalten des Generatorreglers (1) umfasst, auf deren Basis das Generatormodell (5) zukünftige Werte der Generator-Kenngröße (M_Gen, I_Gen, ΔI_Gen) ermittelt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Eingangsgrößen (n_Gen, U_Gen, A) aus einer Gruppe, umfassend eine Generator-Drehzahl (n_Gen), eine Generator-Spannung (U_Gen), eine Generator-Temperatur (T_Gen), eine Generator-Auslastung (DF, I_err) oder eine Größe, aus der sich eine der zuvor genannten Eingangsgrößen ableiten lässt, gewählt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Generator-Kenngröße ein Generator-Moment (M_Gen), ein Generator-Strom (I_Gen), ein Abstand zu einem maximalen Generator-Strom (ΔI_Gen) und/oder eine Generatorleistung (P_Gen) ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatormodell (5) als Software in einem Steuergerät (1) implementiert ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Generator-Kenngröße (M_Gen, I_Gen, ΔI_Gen) regelmäßig wiederholt wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatormodell (5) mit einer Motorsteuerung (11) in Verbindung steht.
7. Verfahren zur Vorhersage einer Kenngröße (M_Gen, I_Gen, ΔI_Gen) eines Generators (9), insbesondere eines Kfz-Generators, mit Hilfe eines Generatormodells (5), das das elektrische Verhalten des Generators (9) nachbildet, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generatormodell (5) verschiedene Eingangsgrößen (n_Gen, U_Gen, A, I_err) zugeführt werden, aus denen es unter Berücksichtigung des Regelverhaltens des Generatorreglers (1) zukünftige Werte der Generator-Kenngröße (M_Gen, I_Gen, ΔI_Gen) berechnet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung regelmäßig wiederholt wird.