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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft die Steuerung eines Generators, der als elektrischer
Stromgenerator dient. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsspannung eines Kraftfahrzeuggenerators
während der Motorstartphase.
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Der
Generator erzeugt Energie aus der Rotationsleistung des Verbrennungsmotors.
Abhängig von der Erregung des Generators belastet dieser
den Verbrennungsmotor mehr oder weniger. Während der Startphase
wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors solange erhöht,
bis der Startvorgang des Verbrennungsmotors beendet ist und eine
Mindestdrehzahl erreicht ist. In dieser Phase läuft der
Verbrennungsmotor aufgrund der geringen Drehzahl nicht vollkommen
stabil, so dass die Belastung durch den Generator sorgsam gesteuert
werden sollten, um den Verbrennungsmotor nicht wieder „abzuwürgen". Belastungsänderungen
des Verbrennungsmotors werden durch eine geeignete Füllungsgrad-,
Zündwinkelsteuerung oder eine ähnlichen Steuerung kompensiert,
um eine konstante Drehzahl oder eine Leistungsabgabe vorzusehen,
die einem Sollwert entspricht. Jedoch ist eine derartige Regelung
in stabiler Weise nur nach der Startphase möglich. Während
der Startphase wird der Verbrennungsmotor aus dem Stand auf einen
stabilen Betriebspunkt gebracht, wobei dieser Vorgang eine bestimmte
Zeitdauer erfordert. Der Generator ist üblicherweise mit mehreren
elektrischen Verbrauchern verbunden, deren Leistungsbedarf kurzfristig
steigen kann. Die daraus resultierende Änderung in der
mechanischen Belastung des Verbrennungsmotors können insbesondere
bei geringen Drehzahlen des Verbrennungsmotors, wie sie in der Startphase
auftreten, Instabilitäten auftreten.
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Aus
dem Stand der Technik ist eine Vorgehensweise bekannt, um zu vermeiden,
dass zu starke Momentenänderungen durch die Änderung
der Leistungsaufnahme des Generators während des Startvorgangs
auftreten und die Regelung des Verbrennungsmotors zu Regelungsänderungen
veranlassen, die zu Instabilitäten des Verbrennungsmotors während
des Startvorgangs führen können. Hierzu wird der
elektrische Generator derart angesteuert, dass beim Startvorgang
eine Softstartphase vorgesehen wird. In einer derartigen Softstartphase
erfolgt die Erhöhung des Erregerstroms und somit des Moments
des Generators über eine Rampe, um einer Motorsteuerung
insbesondere in der Startphase ausreichend Zeit zu geben, eine Momentenänderung auszuregeln.
Das Ende der Softstartphase, also der Übergang in die normale
Regelung der Generatorspannung bzw. der Generatorleistung wird hierbei mittels
Auswertung bestimmter Kriterien bestimmt. Die Softstartphase wird
gemäß dem Stand der Technik beendet, wenn eine
bestimmte Generatorspannung erreicht wird, oder wenn das Tastverhältnis,
das den Erregerstrom und somit die Generatorleistung bestimmt, erstmalig
reduziert wird. Da das Ende der Softstartphase und damit die kontinuierliche
Steigerung des Erregerstrom durch das Auftreten bestimmter Spannungs-
oder Stromwerte beendet wird, um den Generator in den normalen Betrieb
umzuschalten, kann die Softstartphase auch zu früh beendet werden.
Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die erfasste Spannung an
der Erregungswicklung durch Fehler in der Spannungserfassung falsch
erfasst wird, wenn Spannungsspitzen auftreten, die nur kurzfristig
einen Schwellwert überschreiten, beispielsweise durch induktive
oder kapazitive Belastungen bzw. Entladungen oder durch Lastabschaltung
im Bordnetz.
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Die
Druckschrift
DE 103
17 094 A1 offenbart ein Verfahren für die Start-Stopp-Phase
einer Brennkraftmaschine, wobei die Startdynamik erhöht
wird, indem ein kleiner Vor-Erregungsstrom in der Stopp-Phase vorgesehen
wird.
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Darstellung der Erfindung
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Um
einen instabilen Zustand des Verbrennungsmotors während
der Startphase durch eine temporäre Spannungsspitze zu
verhindern, wird für die Startphase ein Schutzzeitintervall
vorgesehen, in dem durch entsprechende Ansteuerung der Erregerwicklung
des Generators der Generator nicht sprunghaft auf Nennleistung hochgefahren
wird. Das zugrunde liegende erfindungsgemäße Konzept
liegt darin, die Steuerung des Generators während der Startphase
mit einem Zeitintervall zu belegen, während dem sprunghafte Änderungen
unterdrückt werden.
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Die
Erfindung sieht zur Unterdrückung des sprunghaften Anstiegs
zwei Schutzzeitintervallarten vor. Zum einen betrifft das Schutzzeitintervall
die gesamte Startphase und beginnt zusammen mit der Startphase.
Während diesem Intervall orientiert sich die Regelung des
Generators an eine vorgegebenen Rampe und berücksichtigt
eventuelle Sprünge während der gesamten Startphase
nicht oder mit einer deutlich gedämpften Steigung. Daher
wird während dieser Startphase beispielsweise ein vordefinierter Verlauf
vorgegeben, dem die Regelung unabhängig von äußeren
Einflüssen für die gesamte Startphase folgt. Ferner
kann während der gesamten Startphase zwar der Verlauf einer
Messgröße oder einer Regelvorgabe berücksichtigt
werden, jedoch nur zu einem geringen Teil, so dass der Verlauf im
wesentlichen durch die vordefinierte Rampe beeinflusst wird.
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Zum
anderen betrifft das Schutzzeitintervall eine Zeitperiode, die mit
dem Erfassen einer temporären Spitze beginnt und die nach
dem Ablauf einer gewissen Dauer endet. Dies entspricht einem zeitlichen
Filter, der temporäre Änderungen von nachhaltigen Änderungen
trennt. Ein solcher Filter sieht für die Dauer der Zeitperiode
entweder vor, Anstiege vollständig zu ignorieren, oder
die Steigung deutlich zu reduzieren, beispielsweise durch Mittelung.
Durch die Mittelung wird erreicht, dass nur kurze Spitzen so gut
wie nicht weitergegeben werden, wohingegen anhaltende Änderungen
nachvollzogen werden. Da die Zeitperiode in diesem Fall mit dem
Erfassen eines Anstieg und nicht allgemein mit der Startphase beginnt,
ist das sich ergebende Schutzintervall ein zeitlich relatives Schutzintervall.
Im Gegensatz hierzu ist das Schutzintervall, das die gesamte Startphase
betrifft, ein absolutes Schutzintervall, das nicht vom Zeitpunkt
des Auftretens eines starken Anstiegs abhängt.
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Erfindungsgemäß wird
das sprunghafte Ansteigen einer Steuergröße unterdrückt,
die an verschiedenen Abschnitten eines Erregerstrom-Regelkreises
auftreten kann. Ein Erregerstrom-Regelkreis umfasst in diesem Sinne
die Abschnitte: Eingangsabschnitt zum Messen/Erfassen bzw. zur Sollwertvorgabe,
Regelkreisabschnitt, um die Eingabe einzuregeln, und darauf folgend:
Stellgliedabschnitt, der gemäß dem Regelkreisabschnitt
angesteuert wird. Als Steuergröße werden somit
alle Größen benannt, die bei der Steuerung oder
Regelung des Generators auftreten. Zur näheren Einteilung
werden mm Steuergrößen im Eingangsabschnitt, im
Regelkreisabschnitt und im darauf folgenden Stellgliedabschnitt betrachtet.
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Betrifft
die Steuergröße den Eingangsabschnitt, dann wird
erfindungsgemäß eine temporäre Spitze
nicht weitergegeben, indem ab Erfassen der Spitze ein Schutzzeitintervall
dafür sorgt, dass die Spitze nicht oder nicht mit dem steilen
Verlauf an den Regelkreis weitergegeben wird. Hierzu wird entweder
die Eingabe für das Schutzzeitintervall gemittelt oder,
bei Erfassung einer übermäßigen Steigung,
unterdrückt oder ignoriert und somit nicht an den Regelkreis
weitergegeben. Statt dessen wird eine vordefinierte Rampe oder ein
anderer Wertverlauf, der keine Spitze aufweist und eine Maximalsteigung
unterhalb eines Grenzwerts hat, an den Regelkreis weitergegeben.
Ferner kann das Schutzzeitintervall mit der Startphase beginnen
und eine vordefinierte Zeitdauer überstreichen, während
der die Rampe den Regelverlauf maßgeblich bestimmt. Falls
die Steuergröße den Eingangsabschnitt betrifft,
kann diese eine Messgröße sein. Als Messgröße
kann insbesondere eine interne Phasenspannung des Generators, eine Klemmenspannung
am Ausgang des Generators, oder eine Bordnetzspannung dienen. Somit
werden Sprünge in den Messsignalen der Rückführung
der Regelstrecke an den Eingang während des Schutzzeitintervalls
unterdrückt bzw. gedämpft. Ferner kann die Steuergröße,
falls sie den Eingangsabschnitt betrifft, ein von außen
zugeführter Sollwert (bsp. Soll-Klemmenspannung) bzw. eine
Regelvorgabe sein, auf den der Generator eingeregelt werden soll. In
diesem Fall ist die Steuergröße eine Regelvorgabe,
beispielsweise die Soll-Ausgangsspannung, der Soll-Ausgangsstrom,
die Soll-Ausgangsleistung des Generators oder die Regelvorgabe eines
Ladereglers.
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Ferner
kann erfindungsgemäß die Steuergröße
innerhalb des Regelkreises als Ausgabegröße vorgesehen
sein, die an ein Stellglied (bsp. ein Strom- oder Spannungssteller
oder eine Tastverhältnis-Steuerung), das die Erregerwicklung
versorgt, weitergegeben wird. In diesem Fall kann an der Eingabe
bzw. an der Sollwertvorgabe des Regelkreises ein Sprung auftreten,
der zumindest von Teilen des Regelkreises so übernommen
wird. Der erfindungsgemäße Schutz wird dann vorgesehen,
indem das Stellglied nur ein zeitlich gefiltertes Signal erhält,
d. h. ein Signal, das ab dem Zeitpunkt des Sprungs für eine
vorbestimmte Zeitdauer eine konstante Steigung einer Rampe aufweist,
oder ein Signal, das die Steuergröße zumindest
ab Auftreten des Sprungs zeitlich mittelt und so nur temporäre
Sprünge bzw. Spitzen durch mitteln unterdrückt.
Beispielsweise kann das Stellglied eine Schaltung aufweisen, die
ein Signal, das dem Stellglied eingegeben wird, für eine Schutzdauer
zeitlich filtert, d. h. starke Erhöhungen für
ein Schutzzeitintervall unterdrückt und statt dessen das
Stellglied veranlasst, eine Stellglied-Ausgangsgröße
(bsp. Tastverhältnis oder Erregerstrom) gemäß einer
vorgegebenen Rampe oder gemäß einem zeitlich gemittelten
Eingangsignals an die Erregerwicklung des Generators abzugeben.
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Gemäß einer
weiteren Ausführung der Erfindung beginnt das Schutzzeitintervall
mit der Startphase und endet nach einer vorgegebenen Dauer. Während
dessen ist der Verlauf durch eine vordefinierte Steigung bzw. durch
eine vordefinierte Rampe gegeben. Grundsätzlich kann das
Schutzzeitintervall eine der oben beschriebenen Steuergrößen
betreffen. Vorzugsweise betrifft die Steuergröße
das Stellglied, so dass das Stellglied die Erregerwicklung während
des gesamten Schutzzeitintervalls mit einem Erregerstrom versorgt,
dessen (gemittelte) Stromstärke den Rampenverlauf der vordefinierten Rampe
aufweist. Daher sieht das Stellglied einen gleichförmigen
Verlauf des Stellglied-Ausgangssignals vor, unabhängig
von dem Verlauf des Eingangsignals, das dem Stellglied eingegeben
wird. Dieser Rampenverlauf kann für die gesamte Startphase
vorgeben sein, oder kann für das gesamte Schutzzeitintervall
innerhalb der Startphase vorgesehen sein. Ferner kann die Steuergröße
eine Messgröße sein, beispielsweise die interne
Phasenspannung (oder die Klemmenspannung) des Generators. Somit
wird die zeitliche Filterung schon an einem Signal ausgeführt,
bevor das Stellglied oder der Regelkreis dieses Signal erhält.
Auf diese Weise wird ein Sprung bereits bei der Erfassung der zugehörigen
Größe unterdrückt. Wie bereits bemerkt
kann statt einer zeitlichen Filterung durch Vorgeben einer Rampe
auch gefiltert werden, indem die entsprechende Steuergröße
während des gesamten Schutzzeitintervalls gemittelt wird,
vorzugsweise über ein breites Zeitfenster. Dadurch wird
gewährleistet, dass bei Sprüngen die Steigung
unterdrückt wird und nur ein gemäßigtes, gleichförmig
steigendes Signal zur Steuerung des Erregerstroms verwendet wird.
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Grundsätzlich
kann statt einer Rampe, d. h. eine Gerade mit konstanter Steigung
und linearem Verlauf, ein stetig oder monoton stetig steigender Kurvenverlauf
gewählt werden, der keine starken Steigungen aufweist.
Vorzugsweise wird die Rampe vorgesehen, indem ein Zähler
einen konstanten Zählwert periodisch zu einem Summenwert
hinzuaddiert. Dieser Summenwert dient dann zur direkten Steuerung
des Erregerstroms, beispielsweise indem der Summenwert das Tastverhältnis
oder Pulsweite eines getakteten Erregerstroms bestimmt.
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Wenn
nicht für das gesamte Schutzzeitintervall ein vordefinierter
Verlauf vorgegeben ist, dann kann das Schutzintervall beim Erfassen
eines Sprungs in der jeweiligen Steuergröße beginnen.
Ein Sprung wird beispielsweise erfasst durch zeitliches Ableiten,
bsp. mittels einem RC-Glieds, oder, im Falle von diskreter Signalverarbeitung,
Differenzbildung zwischen einem Momentanwert und einem vorhergehenden
Momentanwert (oder einem Mittelwert). Bei diskreter Signalverarbeitung
kann die Steuergröße zunächst in einen
diskreten Wert umgewandelt werden, bsp. in einen binären
Wert. Die Differenzbildung kann mittels eines Mikroprozessors ausgeführt
werden oder kann mit einem Logikschaltkreis ausgeführt werden.
Grundsätzlich kann die ermittelte Steigung zur Erfassung
eines Sprungs mit einem Schwellwert verglichen werden, der über
normalen Änderungsgeschwindigkeiten liegt, jedoch unterhalb
von Sprüngen, wie sie bei Lasttrennungen im Bordnetz oder
in der internen Phasenspannung des Generators auftreten.
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Das
Schutzzeitintervall dauert (mindestens) bis zu dem Zeitpunkt, bei
dem der Verbrennungsmotor einen stabilen Betriebspunkt erreicht
hat. Als Zeichen für einen stabilen Betriebspunkt kann
der Verbrennungsmotor eine Mindestdrehzahl erreicht haben, ab der
auch sprunghafte Belastungen durch Laständerungen im Bordnetz
den Betrieb des Verbrennungsmotors beeinträchtigen. Ferner
kann als Zeichen für einen stabilen Betriebspunkt der Generator eine
Nenn-Ausgangsleistung (Nennstrom oder Nennspannung der Ausgangsklemmen)
erreicht haben, die beispielsweise für ein bestimmtes Mindest-Zeitintervall
anhält. Schließlich kann das Schutzzeitintervall
eine vorbestimmte Dauer aufweisen, ab der (abhängig vom
Verbrennungsmotor und vom Generator) ein stabiler Betriebspunkt
erreicht ist, der dadurch definiert ist, dass auch ein starker ein Lastsprung
im Bordnetz den Ver brennungsmotor nicht abwürgt. Insbesondere
kann die vorbestimmte Dauer ab dem Beginn der Startphase gelten
und das Schutzzeitintervall definieren. Ferner kann das Erreichen
eines vorbestimmten Erregerstroms das Ende des Schutzzeitintervalls
definieren. Der Erregerstrom kann diesbezüglich erfasst
werden durch seine Stromstärke, durch eine interne Phasenspannung des
Generators, durch die Pulsweite, oder durch ein Taktverhältnis
der Ansteuerung der Generator-Erregerwicklung, das erreicht wurde.
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Der
Beginn der Startphase wird erfindungsgemäß ermittelt
werden durch: Erfassen des Betätigen eines Startknopfs
eines Fahrzeugs, in dessen Antrieb der Verbrennungsmotor und der
Generator vorgesehen sind und/oder durch Erfassen einer Mindestdrehzahl
(bsp. Drehzahl > 0)
des Verbrennungsmotors oder des Generators. Ferner können
auch andere Signale verwendet werden, die der Motorsteuerung zugeordnet
sind und die mit dem Beginn der Startphase verknüpft sind,
beispielsweise ein Signal, das mit der Treibstoffzufuhr oder mit
Zündsignalen verknüpft ist.
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Die
Erfindung wird ferner realisiert durch eine Regelungsvorrichtung,
die Ansteuersignale für den Generator gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt. Die Regelungsvorrichtung
umfasst einen Steuergrößen-Eingang, der mindestens
einer der oben beschriebenen Steuergrößen erfasst.
Der Regler steuert eine Leistungsendstufe an, die mit der Erregerwicklung
verbunden ist. Als Steuergröße erfasst die Regelungsvorrichtung
vorzugsweise die interne Phasenspannung, die in dem Generator erzeugt
wird. Die interne Phasenspannung ist über einen Gleichrichter
(vorzugsweise einen Mehrphasengleichrichter) beispielsweise mit
einer Glättungsschaltung verbunden. Der Gleichrichter ist
direkt oder über eine internen Steuerung des Generators
mit den Ausgangsklemmen des Generators verbunden. Durch die mittelbare
Verbindung kann die interne Phasenspannung als Steuergröße
verwendet werden, deren sprunghafter Anstieg erfindungsgemäß nicht
weiter in einen Erregerstrom-Regelkreis (wie oben beschrieben) übertragen
wird und somit unterdrückt wird.
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Das
Verfahren bzw. die Regelungseinrichtung kann mit einem Mikroprozessor
oder einer CPU und zugehöriger Firmware oder Software umgesetzt werden.
Ferner umfasst der Mikroprozessor vorzugsweise eine Ein-/Ausgabevorrichtung
und ist gegebenenfalls mit externer Schaltungen verbunden, bsp. Steuersignalanzapfungen,
einen Taktverhältnis- oder Pulsweitenregler und/oder einer
Leistungsendstufe. Ferner kann die Regelungseinrichtung bzw. der
Mikroprozessor einen Timer umfassen, der die Länge des
Schutzzeitintervalls bestimmt. Zudem umfasst die Regelungseinrichtung
insbesondere einen Zähler, dessen Stand bzw. Summenwert
das Taktverhältnis bestimmt, mit dem der Erregerstrom angesteuert wird.
Als Regelung wird vorzugsweise vorgesehen, den Zähler um
einen festen Wert (bsp. 1) zu erhöhen oder zu verringern,
wenn der Erregerstrom gemäß Regelung zu niedrig
bzw. zu hoch ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind anhand der 1 in der
nachfolgenden Beschreibung näher beschrieben.
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Die 1 ist
eine zeitliche Darstellung des Verlaufs einer Generator-Ausgangsspannung
gegenüber dem zugehörigen Erregerstrom des Generators.
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Ausführungsformen
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In
der 1 ist der zeitliche Verlauf der Generatorspannung,
d. h. der Klemmenspannung des Generators dargestellt. Diese von
dem Generator erzeugte Spannung und die damit verbundene Leistung
wird insbesondere zur Ladung des Akkumulators und zur Versorgung
eines Kfz-Bordnetzes verwendet. Im oberen Diagramm zeigt die durchgezogene
Linie die interne Phasenspannung des Generators an. Die strichpunktierte
Linie ist die Bordnetzspannung bzw. die Spannung am Akkumulator,
der am Bordnetz anliegt. Die Spannung, die vom Generator erzeugt
wird, d. h. die Ausgangsklemmenspannung, die direkt mit dem Bordnetz
verbunden ist, und die interne Phasenspannung, die nur indirekt
mit dem Brodnetz verbunden ist, ist abhängig von der Drehzahl
des Generators, von der Erregungsstromstärke und von der
elektrischen Last, d. h. dem angeschlossenen Bordnetz. Es ist zu
erkennen, dass die interne Phasenspannung des Generators beim Auftreten
einer Belastungsänderung eine starke Spannungsspitze aufweist,
wohingegen das Bordnetz im wesentlichen die Spitze nicht nachvollzieht.
Die Reaktionen auf die Spitze werden im weiteren diskutiert.
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In
dem unteren Diagramm der 1 ist der zeitliche Verlauf
des Erregerstroms dargestellt, der durch die Erregerwicklung fließt.
Die durchgezogene Linie zeigt den Verlauf, wenn das erfindungsgemäße Verfahren
nicht angewendet wird, und die punktierte Linie zeigt den Verlauf
bei Anwendung der Erfindung.
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Die
Ausgangsspannung, die vom Generator erzeugt wird, ist im oberen
Diagramm der 1 strichpunktiert dargestellt.
Der Generator ist mit dem Bordnetz derart verbunden, dass Strom
vom Generator in das Bordnetz fließt, wenn die Ausgangsklemmenspannung des
Generators größer als die Bordnetzspannung ist.
Im umgekehrten Fall wird eine elektronische Sperre, beispielsweise
eine Diode oder ein Gleichrichter, zur Sperrung des Stromflusses
vom Bordnetz in den Generator verwendet. In dem oberen Diagramm
ist ferner eine Nennspannung U1 dargestellt, die der Spannungshöhe
entspricht, die der Generator bei Normalbetrieb erzeugen soll. Es
ist zu erkennen, dass das kurzfristige Überschreiten der Nennspannung
durch die interne Phasenspannung bei Verfahren gemäß dem
Stand der Technik eine andere Reaktion hervorruft als bei Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße
Verfahren dient der stabilen Nachführung des Erregerstroms,
bis ein stabiler Betriebspunkt erreicht wurde.
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Es
ist zu erkennen, dass bei Verfahren gemäß dem
Stand der Technik (oberes und unteres Diagramm: durchgezogene Linie)
sowohl die Bordnetzspannung als auch der Erregerstrom kurz nach
dem Auftreten der Spitze in der temporären internen Phasenspannung
einen starken Anstieg zeigen, obwohl die Startphase der Generatorsteuerung
noch nicht beendet wurde. Durch diesen starken Anstieg belastet
plötzlich der Generator den Verbrennungsmotor sehr stark,
der dadurch instabil werden kann. Im Gegensatz hierzu wird die Spannungsspitze
in der internen Phasenspannung beim erfindungsgemäßen
Verfahren während der Startphase unterdrückt,
so dass die Klemmenspannung der Generators und insbesondere der
Erregerstrom keine schnelle Steigung erfahren. Somit wird auch der
Verbrennungsmotor während der Startphase nicht mit schnellen
Belastungssteigerungen belastet.
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Vor
dem Zeitpunkt t0 fließt kein Erregungsstrom; dadurch ist
die vom Generator erzeugte Spannung gleich Null. Zum Zeitpunkt t0
beginnt die Startphase des Verbrennungsmotors. Ab dem Zeitpunkt t0
wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors durch die motoreigene Zündwinkelsteuerung
und Füllungsgradsteuerung ständig erhöht.
Die vom Generator erzeugte Spannung, d. h. die interne Phasenspannung bzw.
die vom Generator erzeugt Leistung, hängt zum einen von
der Drehzahl des Verbrennungsmotors und zum anderen von dem Erregungsstrom
ab. Direkt nach dem Zeitpunkt t0 wird der Erregungsstrom auf ein
erstes Niveau erhöht, und das stetige Ansteigen der Drehzahl
des Verbrennungsmotors führt zu einem ersten Anstieg der
Spannung, die vom Generator intern erzeugt wird, d. h. der internen
Phasenspannung. Das weitere stufenartige Ansteigen der internen
Phasenspannung und des Erregerstroms zwischen t0 und t1 ist durch
eine bestimmte Ausführung des verwendeten Reglers (Multifunktionsreglers)
definiert und hat keine Auswirkungen auf das erfindungsgemäße
Verfahren, da die interne Phasenspannung als Steuergröße
zwar eine Steigung aufweist, nicht jedoch über einen Spannungsschwellwert
geht. Grundsätzlich können sprunghafte Anstiege
erfindungsgemäß nur dann unterdrückt
werden, wenn sie einen Schwellwert (kurzzeitig) überschreiten.
Die Überschreitung des Schwellwerts durch die Steuergröße
kann somit eine Voraussetzung für die erfindungsgemäße
Unterdrückung der Steuergröße sein. In 1 ist
diese Steuergröße die interne Phasenspannung,
d. h. die Spannung, die in dem Generator direkt an den Phasenwicklungen
auftritt. Es ist jedoch aus 1 direkt
zu erkennen, dass die interne Regelung des Generators dafür
sorgt, dass die interne Phasenspannung nicht über die Bordnetzspannung
ansteigt, da andernfalls Strom vom Generator zum Bordnetz fließen
würde, wodurch der Generator den Verbrennungsmotor (in
der Startphase) plötzlich belasten würde. Eine
derartige Belastung wird durch Anwendung der Erfindung vermieden.
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Mit
dem Zeitpunkt t1 beginnt das erfindungsgemäße
Schutzzeitintervall, während dem der Erregungsstrom kontinuierlich
erhöht wird und sämtliche Sprünge in
der Vorgabe, d. h. des Soll-Generatorleistungsparameters, durch
Vorgabe einer Rampenfunktion unterdrückt bzw. abgedämpft
werden. Es ist vorgesehen, dass der Erregungsstrom so lange stetig bzw.
kontinuierlich erhöht wird, bis die vom Generator erzeugte
Spannung (d. h. die Phasenspannung) den Sollwert U1 erreicht hat.
In dem in 1 dargestellten Beispiel ist
der Beginn des Schutzzeitintervalls der Zeitpunkt t1.
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In
alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) werden
auch Spannungspitzen vor t1 unterdrückt, d. h. das Schutzzeitintervall
beginnt mit der Startphase. Die vordefinierte Rampe beginnt jedoch erst
nach einer bestimmten Verzögerung oder wenn die Phasenspannung
einen Pegel knapp unterhalb der Bordnetzspannung erreicht hat.
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In
Hinblick auf 1 kann der vordefinierte stetige
Verlauf des Erregerstroms mit dem Beginn des Motorstarts beginnen,
und besteht aus einer Rampe, die jedoch erst ab einem späteren
Zeitpunkt t1 ansteigt.
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Zum
Zeitpunkt t2, während der Softstartphase, wird eine interne
Phasenspannung des Generators als Steuergröße
erfasst, die (kurzzeitig) über der Sollspannung U1 liegt.
Gemäß dem Stand der Technik kann aufgrund dessen
die Softstartphase beendet werden, wodurch plötzlich die
Norm-Betriebsparameter eingestellt werden, obwohl der Verbrennungsmotor
zu diesem Zeitpunkt noch durch derartige plötzliche Belastungsänderungen
instabil werden kann. Dies bedeutet, dass gemäß dem
Stand der Technik der Generator zu früh so geregelt wird,
als würde der Verbrennungsmotor bereits stabil laufen, d.
h. als wäre die Startphase bereits abgeschlossen. Daher
springt der Erregerstrom gemäß der Regelungsvorgabe
auf einen hohen Wert, der mit einer hohen Ausgangsspannung des Generators
verknüpft ist. Diese hohe Ausgangsspannung, die deutlich über der
anfänglichen Bordnetzspannung liegt, führt zu
einem hohen Stromfluss ausgehend vom Generator und somit zu einer
hohen mechanischen Belastung des Verbrennungsmotors.
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In
dem in 1 dargestellten Beispiel ist jedoch das Überschreiten
der Sollspannung U1 durch die Generatorspannung ein singuläres
Ereignis, das auf eine kurzfristige Störung zurückgeht,
beispielsweise durch einen Schaltvorgang, ein Lastabfall oder aufgrund
von Induktionseffekten.
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An
dem Zeitpunkt t2 ergibt sich somit gemäß dem Stand
der Technik, vgl. durchgezogene Linie, ein Sprung im Erregerstrom
(bzw. ein Sprung in der Regelungsvorgabe, die den Erregerstrom betrifft). Dieser
Sprung geht mit einem Momentensprung einher, der die Stabilität
des Verbrennungsmotors stark beeinträchtigt. Da sich jedoch
der Verbrennungsmotor tatsächlich noch in einem Startvorgang
befindet, stört ein derartiger Momentensprung den gesamten Startvorgang.
In der 1 ist im unteren Diagramm ab dem Zeitpunkt t2
der Erregungsstrom mit durchgezogener Linie für den Stand
der Technik dargestellt.
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Das
Verhalten gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren ist in dem oberen und unteren Diagramm von 1 mit
einer punktierten Linie dargestellt. Es ist zu erkennen, dass, trotz
Spannungssprung in der Generatorspannung, der Erregungsstrom weiterhin
kontinuierlich ansteigt, unabhängig von der Spannungsspitze
zum Zeitpunkt t2. Erfindungsgemäß wird zwischen
dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t3 bzw. t4 (die alle in dem Schutz-Zeitintervall
liegen) die Spannungsspitze in der internen Phasenspannung unterdrückt,
beispielsweise durch Ignorieren der Eingangs-Steuergröße
(d. h. der internen Phasenspannung) oder durch Vorgabe eines vordefinierten
Verlaufs, anstatt die Eingangs-Steuergröße unverändert
an die Regelung des Generators weiterzugeben. Es ist zu erkennen,
dass der Erregungsstrom und somit das Drehmoment, das von dem Generator
auf den Verbrennungsmotor ausgeübt wird, stetig und mit
begrenzter Steigung ansteigt. Erst nach dem Zeitpunkt t3 wird die
Steuergröße nicht unterdrückt sondern
direkt an die Regelung weitergegeben bzw. direkt in der Regelung
unverändert verwendet. Alternativ kann während
der Startphase sowohl Steuergröße als auch Regelung
unverändert arbeiten, wobei jedoch die Stellstrecke die
Aufgabe übernimmt, einen sprunghaften Anstieg der Generator-Klemmenspannung
zu unterdrücken, indem beispielsweise der Anstieg des Tastverhältnisses
durch eine Maximaländerung pro Zeitintervall begrenzt ist. Beispielsweise
wird ein Zähler während der Startphase nur um
ein geringes Inkrement erhöht, das kleiner als ein Maximalwert
ist. Jedoch muss eine derartige Umsetzung der Erfindung mit den
Anforderungen für die Änderungsgeschwindigkeit
der Stromregelung verträglich sein.
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Vorzugsweise
wird zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t4 kein Kriterium
bzw. keine Steuergröße berücksichtigt,
das bzw. die zur Beendigung der Startphase führt, wobei
t1 der Beginn und t4 das Ende des Schutz-Zeitintervalls darstellen.
Das heißt, dass die kontinuierliche Erhöhung des
Erregungsstroms zwischen den Zeitpunkten t1 und t4 bzw. vor dem
Zeitpunkt t4 nicht beendet wird. Stattdessen kann jedoch in dieser
Zeit auch ein Messergebnis so manipuliert werden, dass sprunghafte
Anstiege nicht zur Regelungseinrichtung gelangen sonder unterdrückt
werden. Die kann durch eine Schaltung vorgesehen werden, die zwischen
Sensor und Regelung vorgesehen ist, beispielsweise eine integrierende
RC-Schaltung (bzw. ein Tiefpass), deren Wirkung auf das Messsignal
während des Schutzzeitintervalls eingeschaltet ist und
nach dem Schutzzeitintervall ausgeschaltet ist, bsp. ein zuschaltbares RC-Glied.
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Die
Zeitdauer zwischen t0 und t4, d. h. beispielsweise die Dauer eines
Startvorgangs des Verbrennungsmotors bis zum Übergang in
den normalen Betriebsmodus (wobei der Übergang dem Ende
des Schutz-Zeitintervalls entspricht), ist abhängig vom Motortyp
und von der Motortemperatur. Dementsprechend kann die Timereinstellung
abhängig von diesen Betriebsparametern verändert
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform wird nach dem Zeitpunkt t3 erfasst,
ob die Ist-Generatorspannung zumindest kurzfristig oder längerfristig
den Sollwert erreicht hat, wobei dies als Ende des Startvorgangs
gedeutet wird. Mit dem Ende des Startvorgangs wird der Erregungsstrom
so geregelt, dass die Klemmenspannung bzw. der vom Generator erzeugte
Strom einen Nennwert erreicht bzw. gemäß eines Energiemanagements
vorgesehen wird.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform der Erfindung wird auch nach
dem Zeitpunkt t3 die interne Phasenspannung nicht dahingehend abgefragt,
ob sie bereits den Sollwert erreicht hat, sondern wird weiterhin
stetig erhöht, unabhängig von dem Verlauf der
Generator-Ausgangsspannung.
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Aus
der 1 ist ferner ersichtlich, dass kritische Betriebsphasen,
bsp. Startphasen gemäß dem Stand der Technik durch
das Auftreten einer Spannungsspitze zum Zeitpunkt t2 gestört
und im Falle einer Startphase abgebrochen werden, wohingegen erfindungsgemäß einer
derartigen Störung bzw. einer derartigen fehlerhaften vorzeitigen
Beendigung des Startvorgangs vorgebeugt wird, indem entweder vor
dem Zeitpunkt t3, der nach dem Zeitpunkt t2 liegt, jegliche Generatorspannungen
ignoriert werden, oder indem während der gesamten kritischen
Betriebsphase bis zum Zeitpunkt t4 grundsätzlich keine sprunghaften
Anstiege der internen Phasenspannung (allgemein: der Steuergröße)
direkt in die Erregungsstromregelung einfliesen. Es kann jedoch
auch schon früher in den „normalen Regelungsbetriebsmodus" übergegangen
werden, so dass sprunghafte Anstiege ab einem Zeitpunkt berücksichtigt,
ab dem die Klemmenausgangsspannung des Generators oder die Drehzahl
des Verbrennungsmotors einen Nominalwert erreicht haben.
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In
einer bevorzugten Ausführung wird ab dem Beginn des Schutzzeitintervalls
für die interne Phasenspannung oder für die Klemmenspannung eine
Rampe mit konstanter Steigung vorgegeben. Um diese Steigung vorzusehen,
wird der Erregerstrom entsprechend geregelt, um die Phasenspannung
oder die Klemmenspannung als Sollgröße bzw. als
Soll-Ausgangsspannung (= Klemmenspannung) mit dem entsprechenden
Verlauf vorzusehen. Dementsprechend kann der Erregerstrom Schwankungen oder
einen Verlauf aufweisen, der notwendig ist, um die Rampe vorzusehen.
Die Schwankungen des Erregerstroms ergeben sich durch Schwankungen
in Betriebsparametern und durch andere Störgrößen, wobei
der Erregerstrom durch die Regelung derart angesteuert wird, dass,
unter Berücksichtigung der Schwankungen, der Rampenverlauf
vorgesehen wird. Eine entsprechende Kurve würde daher den Verlauf
wie in 1 dargestellt haben, bis auf Schwankungen im Verlauf
der Stroms I ab dem Zeitpunkt zwischen t0 und t1, bei dem die interne
Phasenspannung einen starken Anstieg aufweist, d. h. ungefähr
in der Mitte zwischen t0 und t1. Vor dem Zeitpunkt t1 ergeben sich
die Schwankungen durch Nachregelungseffekte aufgrund von Schwankungen in
den Betriebsparametern des Generators/des Verbrennungsmotors.
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Gemäß einer
weiteren Ausführung der Erfindung wird die interne Phasenspannung
schrittweise mit konstanter Schrittbreite erhöht. Dadurch
ergibt sich ein Treppenverlauf mit einer Schrittbreite von Δt. Dieser
Treppenverlauf ergibt sich beispielsweise, wenn die interne Phasenspannung
(als Soll-Ausgangsspannung oder Zielgröße) gemäß einem
Zählerwert periodisch erhöht wird, beispielsweise
8–12 oder vorzugsweise 10 mal innerhalb dem Zeitintervall t1–t4.
Auf diese Weise ist die interne Phasenspannung, die eine Regelungszielgröße
sein kann, auf die die Veränderung des Erregerstroms abzielt,
eine Sollvorgabe, die für regelmäßige
Zeitintervalle der Länge Δt konstant ist. Dadurch
kann die Nachregelung durch Einstellen des Erregerstroms stabiler
ausgeführt werden, da die Zielgröße (die
interne Phasenspannung) für eine Zeitintervall konstant
bleibt. In diesem Fall ergibt sich ein Verlauf wie in 1 dargestellt,
jedoch mit einem Verlauf der internen Phasenspannung, der zwischen
t1 und t4 schrittweise erhöht wird, beispielsweise in 10
Stufen, ausgehen von dem Pegel bei t1 und endend bei dem Pegel,
der zum Zeitpunkt t4 herrscht. Ferner kann der oben beschriebene
Treppenverlauf durch eine feste Schrittbreite Δt definiert
sein, die 1 μs–500 ms oder 1–10 ms betragen
kann. Zudem kann der Treppenverlauf durch eine feste Erhöhung
definiert sein, die der Pegeldifferenz zwischen einer Stufe zur
folgenden Stufe entspricht, die 10 μV–1 V oder
1 mV–0,1 V und vorzugsweise 0,05 V–0,4 V beträgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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