DE102006049140A1

DE102006049140A1 - Einrichtung zur Bestimmung eines Generatorstromes

Info

Publication number: DE102006049140A1
Application number: DE102006049140A
Authority: DE
Inventors: Dominik Hecker; Markus Brown
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2026-10-19
Also published as: DE102006049140B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Bestimmung eines Generatorstromes mit einem Generator (G), mit einem Generator-Regler, mit einer Speichereinrichtung (SPE) zum Speichern einer Vielzahl generatortypspezifischer Kennlinien, mit einer Messeinrichtung (M) zum Messen einer Generatorstrom-Einflussgröße und mit einer Steuereinrichtung (STE), die derart eingerichtet ist, dass basierend auf den generatortypspezifischen Kennlinien und einer Generatorstrom-Einflussgröße der Generatorstrom bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung eines Generatorstromes.
Kraftfahrzeug-Bordnetze werden üblicherweise von einer Batterie sowie von einem Generator (Lichtmaschine) versorgt. Dabei kann die Belastbarkeit bzw. Leistungsfähigkeit der Fahrzeugbatterie mittels geeigneter Batteriemodelle abgeschätzt werden. Aus der Leistungsfähigkeit der Batterie und des Generators lässt sich ermitteln, ob im Rahmen eines Energie- und Verbrauchermanagements bestimmte Verbraucher zuschaltbar sind oder belastungsreduzierende Maßnahmen eingeleitet werden müssen, um beispielsweise einen Ausfall sicherheitsrelevanter Einrichtungen zu vermeiden. Über ein so genanntes DF-Signal (Regelsignal, mit dem die Erregung des Generators bestimmt wird) kann zwar der Auslastungsgrad des Generators ermittelt werden. Ein Rückschluss auf die aktuelle Leistungsabgabe und vor allem die aktuelle Leistungsreserve des Generators ist dabei jedoch nicht möglich, da die tatsächliche Leistungsabgabe des Generators stark vom jeweiligen Betriebszustand (Temperatur, Spannung, Drehzahl, Auslastung) abhängt.
Aus der DE 102 00 733 A1 ist bereits ein Generatormodell bekannt, mit dem die wesentlichen Generator-Kenngrößen, wie Generatorstrom und -drehmoment, für nahezu alle Betriebszustände abgeschätzt werden können. Der wesentliche Gedanke besteht dabei darin, das Generatormodell mit einer Einheit zur Bestimmung des elektrischen Verhaltens des Generators zu realisieren, in der ein erster und ein zweiter Satz von Stromkennlinien aus jeweils wenigstens drei Warm- und Kaltkennlinien, vorzugsweise zwei Kaltkennlinien und einer Warmkennlinie, für jeweils unterschiedliche Generatorspannungen hinterlegt sind, aus denen die Einheit zur Bestimmung des elektrischen Verhaltens unter Berücksichtigung einer aktuellen Generatortemperatur und einer maximalen Generatortemperatur durch lineare Interpo lation zwischen den Kennlinien den aktuellen Generatorstrom ermitteln kann. Als Kaltkennlinien werden dabei solche Generatorkennlinien bezeichnet, bei denen die Generatortemperatur im Wesentlichen der Kühlwassertemperatur entspricht. Dagegen handelt es sich bei Warmkennlinien um Kennlinien bei einer Generatortemperatur, die wesentlich größer ist, als die Kühlmitteltemperatur.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine technische Lehre zum speichereffizienten Bestimmen des Generatorstromes anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Bestimmung eines Generatorstromes umfasst einen Generator, einen Generator-Regler, eine Speichereinrichtung zum Speichern einer Vielzahl generatortypspezifischer Kennlinien, mindestens eine Messeinrichtung zum Messen mindestens einer Generatorstrom-Einflussgröße und eine Steuereinrichtung, welche beispielsweise ein Motor-Steuergerät umfasst, die derart eingerichtet ist, dass basierend auf generatortypspezifischen Kennlinien und mindestens einer Generatorstrom-Einflussgröße der Generatorstrom bestimmt wird.
Dadurch kann mit einer gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Anzahl von Kennlinien und damit speichereffizient der Generatorstrom, insbesondere in allen wesentlichen Betriebszuständen, bestimmt werden. Eine ungenaue Interpolation basierend auf einem großen Satz von speicherverbrauchenden Kennlinien, wie im Stand der Technik, ist nicht erforderlich.
Vorzugsweise umfasst die Messeinrichtung eine Temperatur-Messeinrichtung zur Messung einer mit der Generatortemperatur korrelie renden Größe, die an die Steuereinrichtung übermittelt wird. Besonders bevorzugt wird als die mit der Generatortemperatur korrelierende Größe die von dem Generatorregler (insbesondere samt Temperaturmesseinrichtung) gegebenenfalls ohnehin schon für einen anderen Zweck gemessene Reglertemperatur verwendet, die im Wesentlichen der Generatortemperatur entspricht. Dadurch kann mit wenig oder gar keinem zusätzlichen Hardware-Aufwand die Generatortemperatur genau bestimmt und wirtschaftlich für die Berechnung des Generatorstroms verwendet werden.
Alternativ oder ergänzend dazu umfasst die Messeinrichtung eine Spannungs-Messeinrichtung zur Messung einer mit der Generator-Spannung korrelierenden Größe, die an die Steuereinrichtung übermittelt wird. Besonders bevorzugt wird als die mit der Generator-Spannung korrelierende Größe die, gegebenenfalls ohnehin schon für einen anderen Zweck gemessene und bekannte, Bordnetzspannung verwendet, die im Wesentlichen der Generator-Spannung entspricht. Dadurch kann mit wenig oder gar keinem zusätzlichen Hardware-Aufwand die Generatorspannung genau bestimmt und wirtschaftlich für die Berechnung des Generatorstroms verwendet werden.
Alternativ oder ergänzend dazu umfasst die Messeinrichtung eine Drehzahl-Messeinrichtung zur Messung einer mit der Generator-Drehzahl korrelierenden Größe, die an die Steuereinrichtung übermittelt wird. Besonders bevorzugt wird als die mit der Generator-Drehzahl korrelierende Größe die, gegebenenfalls ohnehin schon für einen anderen Zweck gemessene und bekannte, Verbrennungsmotordrehzahl verwendet, die im Wesentlichen proportional zur Generator-Drehzahl ist. Dadurch kann mit wenig oder gar keinem zusätzlichen Hardware-Aufwand die Generator-Drehzahl genau bestimmt und wirtschaftlich für die Berechnung des Generatorstroms verwendet werden.
Vorzugsweise wird der, gegebenenfalls ohnehin schon für einen anderen Zweck gemessene, Generator-Erregerstrom durch den Generator-Regler gemessen und an die Steuereinrichtung übermittelt, um der Steuereinrichtung eine weitere Größe für die Bestimmung des Generatorstroms einfach, wirtschaftlich und genau zur Verfügung zu stellen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine, beispielsweise zuvor durch Messung ermittelte, generatortypspezifische Kennlinie eine, insbesondere auf eine Normdrehzahl normierte, im Generator induzierte Spannung, insbesondere die Quellenspannung, in Abhängigkeit von dem Generator-Erregerstrom beschreibt.
Durch die Hinterlegung dieser Kennlinie ist es möglich, basierend auf dem Generator-Erregerstrom und der aktuellen Drehzahl des Generators die aktuell im Generator induzierte Spannung, insbesondere die Quellenspannung, zu bestimmen, und diese genau und wirtschaftlich für die Berechnung des Generatorstroms zu verwenden.
Alternativ oder ergänzend sieht eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung die Hinterlegung einer generatortypspezifischen Kennlinie vor, die eine, insbesondere auf eine Normdrehzahl normierte, Synchronreaktanz des Generators in Abhängigkeit von dem Generator-Erregerstrom beschreibt.
Durch die Hinterlegung dieser Kennlinie ist es möglich, mit wenig Speicheraufwand basierend auf dem Generator-Erregerstrom und der aktuellen Drehzahl des Generators die aktuelle Synchronreaktanz des Generators genau und wirtschaftlich zu bestimmen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird basierend auf der mit der Generator-Spannung korrelierenden Größe, insbesondere der Bordnetzspannung, eine Klemmenspannung des Generators bestimmt, wodurch auf einfache und genaue Art und Weise die Klemmenspannung zur Berechnung des Generatorstroms zu Verfügung gestellt wird. Insbesondere wird dazu die aktuell gemessene Bordnetzspannung mit einem konstanten Faktor, der die Anzahl der Impulse des Gleichrichters berücksichtigt, multipliziert.
Basierend auf der mit der Generatortemperatur korrelierenden Größe, insbesondere der Reglertemperatur, wird vorzugsweise ein Wirkwiderstand des Generators bestimmt. Insbesondere wird dazu ein auf eine Normtemperatur bezogener vorab gemessener und abgespeicherter Norm-Wirkwiderstand mit dem Produkt aus einer Materialkonstanten und der Temperaturdifferenz zwischen der Normtemperatur und der Reglertemperatur korrigiert.
Vorzugsweise wird eine generatortypspezifische Kennlinie hinterlegt, die einen Phasenwinkel (Phasenverschiebung), der zwischen einem Phasenstrom und einer Klemmenspannung liegt, in Abhängigkeit von dem Generator-Erregerstrom beschreibt. Durch die Hinterlegung dieser Kennlinie ist es möglich, insbesondere mit wenig Speicheraufwand basierend auf dem Generator-Erregerstrom den aktuellen Phasenwinkel (Phasenverschiebung) zu bestimmen.
Zur Bestimmung der Gesamtimpedanz des Generators, insbesondere hinsichtlich Betrag und Phase, wird vorzugsweise der Wirkwiderstand und die Synchronreaktanz verwendet.
Basierend auf der Klemmenspannung, der induzierten Spannung, dem Phasenwinkel und der Phase der Gesamtimpedanz wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Spannungsabfall über der Gesamtimpedanz bestimmt.
Der Generatorstrom kann schließlich vorteilhafterweise basierend auf dem Betrag der Gesamtimpedanz und dem Spannungsabfall über der Gesamtimpedanz bestimmt werden.
Im Rahmen der Erfindung liegen auch Ausführungsvarianten, bei denen einzelne oder mehrere der oben genannten Größen nicht durch Berechnung, sondern durch Messung ermittelt werden. Auch dadurch kann die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden, aber eben nicht mehr mit so geringem zusätzlichem Hardware-Aufwand, wie bei der Berechnung. Die Erfindung umfasst vorteilhafterweise auch die Verwendung von Größen, insbesondere Kennlinien oder Messgrößen, die mit einer hier explizit beschriebenen Größe korrelieren, anstelle der hier explizit beschriebenen Größen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren näher erläutert:
1 zeigt ein vereinfachtes Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur Bestimmung eines Generatorstromes;
2 zeigt ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines Generators samt Gleichrichter;
3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Phase eines Generators;
4 zeigt eine Kennlinie der induzierten Spannung;
5 zeigt eine Kennlinie der Synchronreaktanz;
6 zeigt eine Kennlinie des Phasenwinkels (Phasenverschiebung) zwischen Klemmenspannung und Phasenstrom;
7 veranschaulicht die Berechnung einer Spannung.
1 zeigt einen Generator G, eine Steuereinrichtung STE, insbesondere ein Motorsteuergerät (digitale Motorelektronik, DME) samt Speichereinrich tung SPE zur Speicherung von generatortypspezifischen Kennlinien oder Konstanten (Generator-Maschinenkonstanten) und eine Messeinrichtung M.
Durch die Messeinrichtung M wird die Motordrehzahl (Verbrennungsmotordrehzahl) m gemessen und an die Steuereinrichtung STE übermittelt, und die Bordnetz-Spannung U_BN gemessen und an die Steuereinrichtung STE übermittelt. In der Steuereinrichtung STE wird die Motordrehzahl (Verbrennungsmotordrehzahl) m unter Berücksichtigung der aktuellen Übersetzung auf die Generatordrehzahl n abgebildet.
Durch einen nicht dargestellten Generatorregler, der Bestandteil des Generators G sein kann, samt integrierten Messeinrichtungen wird außerdem die Generatorreglerchiptemperatur ϑ (entspricht im Wesentlichen der Temperatur der Generatorwicklungen und damit der Temperatur des Generators) gemessen oder bestimmt und an die Steuereinrichtung STE übermittelt, und der Erregerstrom I_err gemessen oder bestimmt und an die Steuereinrichtung STE übermittelt.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild eines dreiphasigen (Index 1, 2, 3) Generators:

I_d: beschreibt den ideellen Gleichstrom nach Gleichrichter,
Z _BN: beschreibt die Bordnetzimpedanz, und
U_BN: beschreibt die Bordnetzspannung.

Anhand von 3 werden im Folgenden exemplarisch die Bestandteile einer Phase dieses Ersatzschaltbildes kurz erläutert:

X_h: beschreibt die Hauptreaktanz der Phase,
X_σ: beschreibt die Streureaktanz der Phase,
R_W: beschreibt den Wicklungswiderstand oder Wirkwiderstand der Phase,
I: beschreibt den Strom der Phase,
U _KL: beschreibt die Klemmenspannung der Phase,
U _ind: beschreibt die induzierte Spannung der Phase,
Z: beschreibt die Gesamtimpedanz der Phase, und
U _Z: beschreibt die über der Gesamtimpedanz Z abfallende Spannung.

Die folgenden Erläuterungen werden exemplarisch für eine Phase durchgeführt, wobei von einer Sternschaltung ausgegangen wird:
In der Speichereinrichtung SPE wird eine für den eingesetzten Generatortyp spezifische Kennlinie, die in 4 dargestellt ist, des Betrages der induzierten Spannung Und bei offenen Ständerklemmen vor Gleichrichter in Abhängigkeit von dem Erregerstrom I_err bei konstanter Drehzahl n abgespeichert. Der entsprechende Zusammenhang kann zuvor durch entsprechende Messungen an einem entsprechenden Generator ermittelt werden (Exemplarische Vorab-Messbedingungen dabei: Offene Phasenklemmen; n = konst. = 3000min^– ¹, 6000min^–1, 9000min^–1, 12000min^–1; Erregerstrom eingeprägt: 0 < I_err < 6A). Die so hinterlegte Kennlinie ist auf die Drehzahl normiert. Der spätere Arbeitspunkt mit dem Ausgangswert der induzierten Spannung pro Drehzahl wird mit der aktuellen Drehzahl multipliziert, um die aktuelle induzierte Spannung pro Strang (Wicklung) zu erhalten.
Dabei gilt:
Unter der Annahme der Generatorausgangsstrom sei ein ideeller Gleichstrom wird durch Multiplikation der aktuell gemessenen Bordnetzspannung U_BN mit einem konstanten Faktor, der die Anzahl der Impulse des Gleichrichters berücksichtigt, die Klemmenspannung U_KL vor Gleichrichter gebildet.
In der Speichereinrichtung SPE wird zudem eine für den eingesetzten Generatortyp spezifische Kennlinie, die in 5 dargestellt ist, abgespeichert, welche die Synchronreaktanz bei kurzgeschlossenen Ständerklemmen vor Gleichrichter in Abhängigkeit von dem Erregerstrom I_err bei konstanter Drehzahl n beschreibt. Der entsprechende Zusammenhang kann zuvor durch entsprechende Messungen an einem entsprechenden Generator ermittelt werden (Exemplarische Vorab-Messbedingungen dabei: n = konst. = 3000min^–1; Erregerstrom eingeprägt: 0 < I_err < 6A; Effektivwerte von I in den Ständerwicklungen). Die so hinterlegte Kennlinie ist auf die Drehzahl normiert. Der spätere Arbeitspunkt mit dem Ausgangswert Widerstand [Ohm] pro Drehzahl wird mit der aktuellen Drehzahl multipliziert, um den aktuellen Wert der Synchronreaktanz X_d (= Summe aus Hauptreaktanz und Streureaktanz) pro Strang in der Sternschaltung zu bestimmen.
Der Wirkwiderstand oder Wicklungswiderstand R_W ist temperaturabhängig. Er wird zuvor beispielsweise bei 20°C durch eine Spannungs- und Strommessung an den Phasenanschlüssen ermittelt (Exemplarische Vorab-Messbedingungen dabei: Phasenstrom; I = 10, 20, 30A; Klemmenspannung U_KL.). Dieser Wert wird ebenfalls in der Speichereinrichtung SPE hinterlegt. Zusammen mit dem Temperaturkoeffizienten α für Kupfer und der Gleichung RWϑ = R20(1 + α·ΔT) = R20(1 + α·(ϑChip – 20°C))kann dann der aktuelle Widerstandswert R_W berechnet werden.
Um später den Betrag des Phasenstromes I errechnen zu können, wird die Gesamtimpedanz Z folgendermaßen in Betrag |Z| und Phase φ_Z bestimmt:
In der Speichereinrichtung SPE wird zudem eine für den eingesetzten Generatortyp spezifische Kennlinie, die in 6 dargestellt ist, abgespeichert, welche den Phasenwinkel ϕ zwischen dem Phasenstrom I und der Klemmenspannung U _KL in Abhängigkeit von dem Erregerstrom I_err beschreibt. Der entsprechende Zusammenhang kann zuvor durch entsprechende Messungen an einem entsprechenden Generator ermittelt werden.
U _Z ist die Differenzspannung zwischen der Klemmenspannung U _Kl und der induzierten Spannung U _ind. (Maschengleichung im Ersatzschaltbild einer Phase in Sternschaltung). Die Phasenlage δ von U _Z ist bekannt, da gilt: δ = φZ + φ;
Aus dem Ersatzschaltbild einer Phase in Sternschaltung lässt sich folgende Gleichung aufstellen (siehe auch 7): U ind = U Z + U KL |U ind|·ejα = U Z|·ejδ + |U Kl|·ej0 |U ind|·ejα = |U Z|·(cosδ + jsinδ) + |U Kl| |U ind|·ejα = |U Z|·cosδ + |U Kl| + j|U Z|sinδ
Die entsprechende Betragsgleichung lautet dann:
Für den Phasenstrom gilt dann:
Unter der Annahme der Generatorausgangsstrom I_d sei ein ideeller Gleichstrom wird durch Multiplikation des Phasenstromes I in der Sternschaltung mit dem Proportionalitätsfaktor p, der die Anzahl der Impulse des Gleichrichters berücksichtigt, der Generatorausgangsstrom I_d nach Gleichrichter berechnet.
Durch Einsetzen der Klemmenspannung, der induzierten Spannung, der Phasenlage δ von U _Z und des Betrages von Z erhält man dann den aktuellen Ausgangsstrom I_d des Generators (Generatorstrom).
Diese Betrachtungen und damit die Erfindung sind analog für andere mehrphasige Generatoren, wie beispielsweise 6 phasige Generatoren anwendbar.

Claims

Einrichtung zur Bestimmung eines Generatorstromes – mit einem Generator (G), – mit einem Generator-Regler, – mit einer Speichereinrichtung (SPE) zum Speichern einer Vielzahl generatortypspezifischer Kennlinien, – mit einer Messeinrichtung (M) zum Messen einer Generatorstrom-Einflussgröße und – mit einer Steuereinrichtung (STE), die derart eingerichtet ist, dass basierend auf generatortypspezifischen Kennlinien und einer Generatorstrom-Einflussgröße der Generatorstrom bestimmt wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Messeinrichtung (M) eine Temperatur-Messeinrichtung zur Messung einer mit der Generatortemperatur korrelierenden Größe umfasst.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Messeinrichtung (M) eine Spannungs-Messeinrichtung zur Messung einer mit der Generator-Spannung korrelierenden Größe umfasst.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Messeinrichtung (M) eine Generator-Drehzahl-Messeinrichtung zur Messung einer mit der Generator- Drehzahl korrelierenden Größe umfasst.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Generator-Erregerstrom durch den Generator-Regler gemessen wird und an die Steuereinrichtung übermittelt wird.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine generatortypspezifische Kennlinie eine, insbesondere auf eine Normdrehzahl normierte, im Generator induzierte Spannung, insbesondere die Quellenspannung, in Abhängigkeit von dem Generator-Erregerstrom beschreibt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine generatortypspezifische Kennlinie eine, insbesondere auf eine Normdrehzahl normierte, Synchronreaktanz des Generators in Abhängigkeit von dem Generator-Erregerstrom beschreibt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der basierend auf der mit der Generator-Spannung korrelierenden Größe eine Klemmenspannung des Generators bestimmt wird.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der basierend auf der mit der Generatortemperatur korrelierenden Größe ein Wirkwiderstand des Generators bestimmt wird.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine generatortypspezifische Kennlinie einen Phasenwinkel, der zwischen einem Phasenstrom und einer Klemmenspannung liegt, in Abhängigkeit von dem Generator-Erregerstrom beschreibt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der basierend auf dem Wirkwiderstand und der Synchronreaktanz die Gesamtimpedanz, insbesondere in Betrag und Phase, des Generators bestimmt wird.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der basierend auf der Klemmenspannung, der induzierten Spannung, dem Phasenwinkel und der Phase der Gesamtimpedanz der Spannungsabfall über der Gesamtimpedanz bestimmt wird.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der basierend auf dem Betrag der Gesamtimpedanz und dem Spannungsabfall über der Gesamtimpedanz der Generatorstrom bestimmt wird.