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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung einer generatorisch und ggf. zusätzlich motorisch betreibbaren Maschine wie einem Kurbelwellen-Starter-Generator. Es sind Generatoren neuerer Generation bekannt, die einen Zugriff auf den Generator sowohl über eine Sollspannungsvorgabe als auch zusätzlich über eine Erregerstrom begrenzung zulassen. Aufgrund des Generatoraufbaus ist hierbei entweder die Sollspannungsvorgabe oder die Erregerstromvorgabe priorisiert, was bedeutet, dass bei zeitgleichen Anforderungen am Eingang der Sollspannungsvorgabe und am Eingang der Erregerstrombegrenzung stets nur eine Anforderung (hier: die Erregerstromvorgabe) berücksichtigt wird. Beispielsweise kann es bei gegensätzlichen Anforderungen an den Generator und priorisierter Erregerstromvorgabe hierdurch zu Zielkonflikten kommen, in dem bei einer aktiven Erregerstromvorgabe, durch die beispielsweise der Erregerstrom begrenzt und so die Wechselwirkung des Generators auf die Brennkraftmaschine kontrolliert (begrenzt) wird, eine durch Sollspannungsvorgabe angeforderte elektrische Leistung nicht voll zur Verfügung gestellt werden kann (
1). Ferner ist aus der
DE 103 01 531 A1 eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine bekannt, wodurch, die durch den Betrieb einer elektrischen Maschine ggf. auftretenden nachteiligen Einflüsse auf den Fahrantriebsstrang und die ggf. auftretenden negativen Einflüsse auf das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, vermieden werden sollen. Hierfür wird vorgeschlagen, für die Drehmomentanforderungen des Fahrantriebsstranges eine Drehmomentführungsgröße zu bilden und für die Spannungsanforderungen des Bordnetzes und der Batterie eine Spannungsführungsgröße zu bilden, wobei die Spannungsführungsgröße durch obere und untere Drehmoment-Begrenzungswerte begrenzt wird und die Drehmomentführungsgröße durch obere und untere Spannungs-Begrenzungswerte begrenzt wird.
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In der Druckschrift
DE 199 60 079 A1 wird ein Verfahren zur Ein- bzw. Abschaltung von verschiedenen Klassen von Verbrauchern mittels Schaltelementen im Rahmen eines von einem Steuergerät durchgeführten Energiemanagements beschrieben, bei dem die Ansteuerung der Schaltelemente so erfolgt, dass die gewählten Prioritäten für die Ansteuerung der Schaltelemente während des Betriebes, also dynamisch verändert werden können. Damit ist eine betriebszustandsabhängige Anpassung der Schaltprioritäten während des laufenden Betriebes möglich. Die Abschaltung von Verbrauchern erfolgt mittels Veränderung der Schaltpriorität so, dass die Wahrnehmbarkeit der Betriebszustände möglichst unterdrückt wird, dabei können die Prioritäten auch nach personenspezifischen Kriterien verändert werden.
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Die Druckschrift
US 6 679 344 B1 beschreibt ein Verfahren zur Leistungsverteilung in einem Kraftfahrzeug mit einer Batterie und einem Generator. Hier vergleicht eine Komponente die Leistungsanforderungen von elektrischen Lasten mit dem Potential einer Output-Erzeugung. Die Output-Erzeugung hängt von der Priorität der Output-Anforderungen von elektrischen Lasten, der Priorität der Batterie-Anforderungen und der Priorität der Antriebs-Anforderungen ab.
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Die Druckschrift
DE 197 45 849 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Energieverteilung in einem Kraftfahrzeug mit einem Generator, der ein Bordnetz mit elektrischer Leistung versorgt. Die Energieverteilung wird dabei mit Hilfe einer Steuereinrichtung, die als Bordnetzmanager arbeitet, realisiert. Der Steuereinheit werden erforderliche Informationen zugeführt, aus denen sie eine Regelstrategie für die Regelung der Komponenten des Bordnetzes und der Brennkraftmaschine durchführt. Durch eine geeignete Managementstrategie lässt sich die für den jeweiligen Zustand ideale Kombination von Energieerzeugung, Energieverteilung und Energieverbrauch vorgeben. Geeignete Maßnahmen sind beispielsweise die Anhebung der Motordrehzahl, insbesondere der Leerlaufdrehzahl, bei niedrigem Batterieladezustand oder die Übererregung des Generators bei Bedingungen, die nicht zu starken Belastungen, beispielsweise thermischer Art, führen.
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Die Druckschrift
EP 0 943 481 A2 beschreibt einen zweidimensionalen, proportionalen internen Regler mit variablen Grenzwerten zur Stromregelung. Hierbei können digitale Signale mittels dedizierter Hard-Prozessoren oder mittels einer Software, die auf einem Universalprozessor abläuft, verarbeitet werden.
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In der Druckschrift
US 6 539 915 B1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei die Brennkraftmaschine in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden kann. Ein Scheduler beeinflusst die Auswahl der Betriebsart. In dem Scheduler wird aus den vom Scheduler zu verwaltenden Funktionen eine Liste laufbereiter Funktionen gebildet. Ferner wird eine Liste der möglichen Betriebsarten ermittelt und eine neue Liste der möglichen Betriebsarten ermittelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, die eine verbesserte Koordination von Anforderungen an die elektrische Maschine gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Koordinierung von Anforderungen an die elektrische Maschine mit Hilfe von Priorisierungsmitteln und die Sicherstellung einer vorrangigen Behandlung der Anforderung mit der höchsten Priorität mit Hilfe von Koordinierungsmitteln wird eine eindeutige Rangfolge der möglichen Anforderungen an die elektrische Maschine und damit auch eine Reihenfolge im Falle gleichzeitig auftretender Anforderungen die einen Zielkonflikt bilden würden bestimmt. Eine unkontrollierte oder gar zufällige Erfüllung von Anforderungen mit entsprechend unvorhersehbaren Folgen wird sicher vermieden. Jeder Anforderung ist genau ein Prioritätswert zugeordnet, wobei jeder zu vergebende Prioritätswert auch nur einmal im System vorhanden ist. Zu Konflikten aufgrund gleichberechtigter Anforderungen kann es somit nicht kommen
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Priorisierungsmittel in Form einer hinterlegten Tabelle, in der vorzugsweise alle im System möglichen Anforderungen an die elektrische Maschine mit zugeordneter individuellen Prioritätswerten abgelegt sind, ausgebildet. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Prioritätswert für jede auftretende Anforderung online nach zuvor bestimmten Regeln zu bestimmen und der Anforderung zuzuordnen. Hierfür sind beispielsweise Softwaremittel vorhanden, mittels denen jeder Anforderung, insbesondere in Abhängigkeit von Einflussfaktoren, deren Veränderung zumindest mittelbar Einfluss auf das Drehmoment der elektrischen Maschine hat, ein Prioritätswert zugeordnet wird. Insbesondere erfolgt eine Priorisierung in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie und/oder in Abhängigkeit vom aktuell vorhandenen Differenzdrehmoment der elektrischen Maschine (Differenzdrehmoment = maximales Drehmoment – aktuell eingestelltes Drehmoment).
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten. Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, näher erläutert. Es zeigen:
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1: einen Generator nebst zugehöriger Reglereinheit gemäß dem Stand der Technik,
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2: eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer möglichen Ausführungsform in schematischer Darstellung, und
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3: die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Beispiel einer Koordination durch einen Spannungskoordinator.
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2 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Steuerung und/oder Regelung einer elektrischen Maschine 2 eines Kraftfahrzeugs in einer besonders bevorzugten Ausführung. Die elektrische Maschine 2 ist hier vorzugsweise als Generator ausgebildet. Die Erfindung umfasst darüber hinaus auch Ausführungen, bei denen die elektrische Maschine 2 als rein generatorisch oder rein motorisch oder generatorisch und motorisch (z. B. sogenannter Kurbelwellen-Starter-Generator) betreibbare Maschine ausgebildet ist. Der Generator 2 wird über die Schnittstelle SS1 von der insbesondere in eine Motorsteuerung integrierten Vorrichtung 1 (im Folgenden Steuervorrichtung genannt) angesteuert. Die einzelnen Komponenten bzw. Funktionalitäten der Steuervorrichtung 1 können auch in mehreren verschiedenen Steuergeräten verteilt angeordnet sein. Die Steuervorrichtung 1 umfasst bevorzugt verschiedene Anforderungseinheiten AE, AM, ASW. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Anforderungseinheiten AE, AW, ASW vorhanden. Über eine erste Anforderungseinheit AE werden Anforderungen an den Generator 2 generiert, die elektrischer Art sind. Dies sind z. B. elektrische Anforderungen des Bordnetzes, wie Anforderungen zur Batterieladung oder Anforderungen elektrischer Verbraucher (z. B. Spannungsanforderungen in Form von Minimalspannungen und/oder Maximalspannungen für Heckscheibenheizung, Sitzheizung, elektrische Fensterheber, Radio, oder dergleichen). Über eine zweite Anforderungseinheit AM werden Anforderungen an den Generator 2 generiert, die mechanischer Art sind, beispielsweise Drehmomentanforderungen aufgrund einer Leerlaufregelung, durch die Ausgleichung von Anfahrschwächen mittels Reduzierung des Generatormomentes oder durch die Aktivierung von mit dem Antriebsstrang gekoppelten Nebenaggregaten (wie Klimaanlage, Ölpumpen, Lichtmaschine und dergleichen). Schließlich ist eine dritte Anforderungseinheit ASW in Form eines Spannungswächters vorhanden, wobei der Spannungswächter durch Vergleich der Istspannung Uist (Generatorausgang) mit einer Spannungsgrenze in Form einer nicht zu unterschreitenden Mindestspannung Umin(Generatorausgang) den Generatorausgang im Hinblick auf seine Ausgangsspannung überwacht. Über die unterschiedlichen Anforderungseinheiten AE, AM, ASW werden einer Koordinationseinheit eine oder ggf. zeitgleich mehrere Anforderungen AF1, ..., AFn übermittelt. Die Koordinierungseinheit umfasst vorzugsweise einen Spannungskoordinator SK sowie einen Drehmomentkoordinator DK. Sowohl der Spannungskoordinator SK als auch der Drehmomentkoordinator DK beinhalten Priorisierungsmittel P mittels denen den Anforderungen AF1, ..., AFn an den Generator 2 unterschiedliche Prioritäten zuordenbar sind als auch Koordinierungsmittel K mittels denen sichergestellt wird, dass bei zeitgleichem Auftreten mehrerer Anforderungen AF1, ..., AFn jeweils die Anforderung mit der höheren Priorität vorrangig behandelt bzw. abgearbeitet oder an den Generator 2 weitergeleitet wird. Alternativ können die Priorisierungsmittel P auch in den jeweiligen Anforderungseinheiten AE, ASW, AM enthalten sein und über die Koordinierungseinheit ausschließlich die tatsächliche Koordinierung der bereits priorisierten Anforderungen erfolgen. Der Spannungskoordinator SK beinhaltet in jedem Fall eine Art Vorkoordinierung der Generatorsollspannung Usoll, während der Drehmomentenkoordinater DK eine Vorkoordinierung für die Erregerstrombegrenzung beinhaltet. Beide Vorkoordinierungen werden miteinander prioritätsmäßig abgeglichen, so dass stets die höchste Priorität des Gesamtsystems vorrangig behandelt wird bzw. an den Generator zur Einstellung der Generatorsollspannung weitergeleitet wird.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im Folgenden durch ein Beispiel näher erläutert. Werden dem Spannungskoordinator SK beispielsweise durch die Anforderungen AF1.1, AF1.2, AF1.3 die von einem Teilnehmer gewünschte Generator-Sollspannung Usoll,i, die Generator-Mindestspannung Umin,i eines Teilnehmers i und die Generator-Maximalspannung Umax,i eines Teilnehmers i übermittelt (2), werden die Anforderungen im Spannungskoordinator SK zunächst mit Hilfe der Priorisierungsmittel P priorisiert (ihnen wird eine Priorität zugeordnet). Hierbei wird der Anforderung AF1.1 beispielsweise die Priorität 50, der Anforderung AF1.2 die Priorität 60 und der Anforderung AF1.3 die Priorität 70 zugeordnet.
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Ferner ist eine weitere Anforderung AF1.x mit der Priorität 30 vorhanden (siehe auch 3).
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Anschließend wird mit Hilfe der Koordinierungsmittel K die Anforderung mit der höchsten Priorität bestimmt und jeweils vorrangig bearbeitet, indem die Generatorsollspannung Usoll mit der höchsten Priorität über eine Schnittstelle SS1 an den Generatorregler R weitergeleitet wird und dieser die geforderte Generatorsollspannung Usoll = Uist an dem Generatorausgang einregelt. In 3 ist dieser Vorgang anhand von Zahlenwerten weiter veranschaulicht. Die Anforderung AF1.1 mit der Sollspannung Usoll eines Teilnehmers ist beispielsweise mit der Priorität 50 priorisiert. Die Sollspannung gemäß Anforderung AF1.1 kann je nach Vorgabe ansteigen oder abfallen und dabei Spannungsgrenzen mit niedrigerer Priorität ignorieren, während die Sollspannung durch Spannungsgrenzen höherer Priorität begrenzt würde. In 3 wird im Zeitpunkt t1 durch Usoll beispielsweise eine Anforderung AF1.x (hier: Spannungsgrenze) mit der Priorität 30 ignoriert, während im Zeitpunkt t2 die wiederum ansteigende Sollspannung Usoll durch eine andere Anforderung AF1.3 (weitere Spannungsgrenze) höherer Priorität (Priorität 70) auf die hierdurch vorgegebene Spannungsgrenze Umax begrenzt wird. Schließlich wird in einem Zeitpunkt t3 die abfallende Sollspannung Usoll auch nach unten durch eine andere Anforderung AF1.2 begrenzt.
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Darüber hinaus kann durch den Drehmomentkoordinator DK eine äquivalente Priorisierung und Koordination erfolgen.
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Treten Anforderungen sowohl beim Spannungskoordinator SK als auch beim Drehmomentkoordinator DK auf, werden die jeweiligen Anforderungen jeweils vorkoordiniert und abschließend miteinander abgeglichen, so dass wiederum lediglich die Anforderung mit der insgesamt höchsten Priorität vorrangig behandelt wird.
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Wird beispielsweise von der Motorsteuerung eine Erhöhung des Antriebsdrehmoments gefordert (AF3.1) und soll diese durch Reduzierung des auf den Antriebsstrang wirkenden Generator-Drehmoments erfolgen, kann durch die Anforderungseinheit AM eine entsprechende Anforderung an den Drehmomentkoordinator DK übergeben werden, hier entsprechend hoch priorisiert werden, so dass durch die Koordinierungsmittel K des Drehmomentkoordinators DK eine entsprechende Momentenanforderung Mmax generiert wird. In einer ersten Ausführung wird dieser Momentenanforderung Mmax über eine Logik L ein maximaler Erregerstrom Ierr,max zugeordnet und dieser zur Begrenzung des Generator-Erregerstroms dem Generatorregler R weitergeleitet, wodurch der Generator 2 (bei weiterhin unveränderter Sollspannungsvorgabe für den Generator) entsprechend heruntergefahren und so ein reduziertes Generatormoment auf den Antriebsstrang übertragen wird. Für diesen Fall besteht die Gefahr, dass das Bordnetz aufgrund der reduzierten Generator-Istspannung für eine unerwünscht lange Zeitdauer mit einer zu geringen Spannung versorgt wird. Um dies zu vermeiden wird über die Anforderungseinheit Spannungswächter ASW die Bordnetz-Istspannung Uist mit einer Bordnetz-Mindestspannung Umin,i verglichen und bei Erreichen der vorgegeben unteren Spannungsgrenze (Umin,i) ein Signal mit einer im Vergleich zu der der Momentenanforderung Mmax,i zugeordneten Priorität erhöhten Priorität erzeugt und an den Drehmomentkoordinator DK übermittelt. Hierdurch wird die Begrenzung des Generatorerregerstroms aufgehoben und das Bordnetz wieder mit einer den Anforderungen entsprechenden Generatorspannung versorgt.
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In einer zweiten Ausführungsform zur Erfüllung einer Momentenanforderung die eine Reduzierung des Generatordrehmoments zur Folge hat, kann auch eine unmittelbare Vorgabe der Generatorsollspannung durch eine separate Spannungsvorgabe (ohne Begrenzung des aufgrund der Reglerhardware im Vergleich zur Spannungsvorgabe priorisierten Erregerstromvorgabe) mit entsprechender zugeordneter Priorität erfolgen (Sollspannungsvorgabe vom Drehmomentkoordinator DK aufgrund einer Momentenanforderung Mmax,i an den Spannungskoordinator SK – siehe gestrichelte Linie Usoll, (Prio)). In 3 ist dieser Vorgang veranschaulicht, wobei angenommen wird, dass die Anforderung AF3.1 (Sollspannungsvorgabe aufgrund einer Momentenanforderung mit Ziel Momentenreduzierung des Generators auf den Antriebsstrang) mit der Priorität 80 im Zeitpunkt t4 auftritt. Aufgrund der Anforderung AF3.1 mit höchster Priorität wird im Zeitpunkt t4 die Generatorsollspannung und damit das den Antriebsstrang belastende Generatormoment gemäß der Momentenanforderung reduziert und eine der Anforderung AF3.1 entsprechende Generator-Sollspannung Usoll (Mmax) eingeregelt. Mit Vorteil sind die Priorisierungsmittel P in Form einer in einem Speicherbereich hinterlegten Tabelle (Prioritätentabelle) ausgebildet, wobei jeder Anforderung des Gesamtsystems eine Priorität zugeordnet ist. Bevorzugt ist dabei jede Priorität unterschiedlich und auch nur einmal vorhanden, so dass eine eineindeutige Reihenfolge der auftretenden Anforderungen AF1, ..., AFn gewährleistet ist. Alternativ hierzu können die Priorisierungsmittel auch in Form von Softwaremitteln ausgebildet sein, durch die anhand vorbestimmter Regeln online jeder auftretenden Anforderung eine Priorität zugeordnet wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Zuordnung der Prioritäten veränderbar. Die Zuordnung in einer Tabelle oder die Regeln zur online-Priorisierung sind also von einem autorisierten Benutzer veränderbar.
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Die vorstehend beschriebene Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung richtete sich auf eine Ausführung, bei der die Priorisierung der Anforderungen in der jeweiligen Koordinationseinheit SK, DK erfolgt. In einer gleichwertigen Ausführung können die Anforderungen auch bereits in den vorgelagerten Anforderungseinheiten priorisiert worden sein. Für diesen Fall erfolgt in der Koordinationseinheit lediglich noch die Koordination der Anforderungen. Separate Prioritätsanforderungen von den Anforderungseinheiten sind aus diesem Grund in der 2 mit Klammern versehen und zugehörige Wirkungspfeile strichpunktiert dargestellt.
