DE102008040696A1

DE102008040696A1 - Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Generators in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008040696A1
Application number: DE102008040696A
Authority: DE
Inventors: Thomas Winter; Christian Prag
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2010-01-28
Also published as: FR2934429B1; FR2934429A1; IT1394855B1; ITMI20091288A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Generators in einem Kraftfahrzeug, bei diesem Verfahren führt ein Generatorregler dem Generator ein Regelsignal zu, mittels dessen der Generator seine Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Wert regelt. Der Generatorregler ermittelt das Regelsignal in Abhängigkeit von einem Vergleich eines Ausgangsspannungs-Sollwertes mit einem Ausgangsspannungs-Istwert. Der Ausgangsspannungs-Sollwert des Generators wird von einem übergeordneten Regelkreis vorgegeben, bei welchem es sich um einen Batterieladezustandsregler handelt, der den Ladezustandswert der Batterie des Kraftfahrzeugs auf einen vorgegebenen Ladeszustandswert regelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Generators in einem Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Bei heutigen 14 V-Bordnetzmanagementsystemen wird die Sollausgangsspannung des Generators in Abhängigkeit vom Fahrzustand des Fahrzeugs vorgegeben. Fahrzustände sind beispielsweise ein Boostbetrieb und ein Schubbetrieb. Der Ladezustand der Bordnetzbatterie geht nur zu einem sehr geringen Teil in die Regelung der Sollausgangsspannung des Generators ein. Das Bordnetzmanagement hält den Ladezustand der Batterie mittels einer Zweipunktregelung in einem vorgegebenen Toleranzband. Überschreitet der Ladezustand der Batterie dieses vorgegebene Toleranzband nach oben, dann wird die Generatorspannung reduziert. Dies hat zur Folge, dass der Ladezustand der Batterie sinkt und wieder in das vorgegebene Toleranzband eintritt. Unterschreitet der Ladezustand der Batterie das vorgegebene Toleranzband nach unten, dann wird die Generatorspannung erhöht Dies hat zur Folge, dass der Ladezustand der Batterie steigt und wieder in das vorgegebene Toleranzband eintritt.
Ein Nachteil der vorstehend beschriebenen Zweipunktregelung besteht darin, dass der Verlauf der Ladezustandskennlinie der Batterie die Form eines Sägezahns aufweist.
In den Schubphasen des Fahrzeugs wird ohne Berücksichtigung des momentanen Ladezustands der Batterie die Generatorspannung erhöht, um einen elektrischen Rekuperationsbetrieb durchführen zu können.
Aus der DE 10 2005 046 342 A1 ist ein Verfahren zur Regelung einer Ausgangsspannung eines Generators in einem Kraftfahrzeug bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren werden ein Ladezustand und eine Temperatur einer Kraftfahrzeugbatterie bestimmt. Anschließend erfolgt ein Vergleich des bestimmten Ladezustands unter Berücksichtigung der Temperatur der Kraftfahrzeugbatterie mit einem von der Temperatur der Kraftfahrzeugbatterie abhängigen Ladezustands-Schwellwert. Unterschreitet der bestimmte Ladezustand den Ladezustands-Schwellwert, dann wird die Ausgangsspannung des Generators in einem ersten Modus durch eine Regelung der an der Kraftfahrzeugbatterie anliegenden Ladespannung oder durch eine Regelung des Ladestroms der Kraftfahrzeugbatterie geregelt. Überschreitet der bestimmte Ladezustand den Ladezustands-Schwellwert, dann wird die Ausgangsspannung des Generators in einem zweiten Modus durch eine Regelung eines Ladestroms der Kraftfahrzeugbatterie oder durch eine Regelung eines Entladestroms der Kraftfahrzeugbatterie geregelt.
Vorteile der Erfindung
Ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist mehrere Vorteile auf. So wird bei Verwendung des beanspruchten Verfahrens der Ladezustand der Batterie auf einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten. Der Verlauf der Ladezustandskennlinie ist im Unterschied zum Stand der Technik nicht sägezahnförmig, sondern bewegt sich in einem engen Bereich um den jeweils gewünschten Wert. Des Weiteren werden der Kraftstoffverbrauch und auch der Kohlendioxidausstoß des Fahrzeugs reduziert. Zudem wird der Energiedurchsatz durch die Batterie reduziert. Dies führt zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Batterie.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren.
Zeichnung
Die 1 zeigt eine Blockdarstellung, anhand welcher ein Verfahren gemäß der Erfindung erläutert wird. Die 2 zeigt ein Diagramm, in welchem der Ladezustand der Batterie über der Zeit aufgetragen ist. Die 3 zeigt ein Diagramm, in welchem der Energiedurchsatz einer Bordnetzbatterie über der Zeit aufgetragen ist. Die 4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Kraftstoffeinsparung.
Beschreibung
Die 1 zeigt eine Blockdarstellung, anhand welcher ein Verfahren gemäß der Erfindung erläutert wird. In dieser Blockdarstellung sind ein Bordnetzmanagement 1 und eine Energieversorgungseinheit 2 dargestellt.
Die Energieversorgungseinheit 2 ist dazu vorgesehen, die vom Bordnetz eines Kraftfahrzeugs benötigte Bordnetzspannung zur Verfügung zu stellen. Die Energieversorgungseinheit 2 weist einen Generatorregler 3, einen Generator 4 und eine Bordnetzbatterie 5 auf. Der Generatorregler 3 ist dazu vorgesehen, dem Generator 4 ein Regelsignal r bereitzustellen, durch welches die Ausgangsspannung des Generators 4 auf einen gewünschten Wert geregelt wird. Der Generatorregler 3 stellt das genannte Regelsignal r auf Basis eines Vergleiches eines Ausgangsspannungs-Sollwertes mit einem Ausgangsspannungs-Istwert 1 zur Verfügung.
Der Ausgangsspannungs-Sollwert wird vom Bordnetzmanagement 1 vorgegeben. Zu diesem Zweck weist das Bordnetzmanagement 1 einen Ladezustandsregler 6, einen Sollwertgeber 7 für einen Rekuperationsmodus und einen Sollwertgeber 8 für einen Ladezustandsgrenzwertübersteigungsmodus auf. Der Ladezustandsregler 6 stellt einen Ausgangsspannungs-Sollwert S1, der Sollwertgeber 7 für den Rekuperationsmodus einen Ausgangsspannungs-Sollwert S2 und der Sollwertgeber 8 für den Ladezustandsgrenzwertübersteigungsmodus einen Ausgangsspannungs-Sollwert S3 zur Verfügung.
Der Ladezustandsregler 6, der Sollwertgeber 7 für den Rekuperationsmodus und der Sollwertgeber 8 für den Ladezustandsgrenzwertübersteigungsmodus sind an einen Fahrzeugbus 9 angeschlossen, über welchen sie die zur Bereitstellung des jeweiligen Ausgangsspannungs-Sollwertes benötigten Daten zugeführt bekommen.
Bei dem Ladezustandsregler 6 handelt es sich um einen übergeordneten Regelkreis, dessen Hauptaufgabe darin besteht, im Normalbetrieb der dargestellten Vorrichtung dem Generatorregler 1 den Ausgangsspannungs-Sollwert S1 derart vorzugeben, dass der Ladezustand der Bordnetzbatterie 5 auf einem vorgegebenen Ladezustandswert gehalten wird. Dieser vorgegebene Ladezustandswert liegt zwischen einem unteren Ladezustandsgrenzwert und einem oberen Ladezustandsgrenzwert. Der untere Ladezustandsgrenzwert liegt vorzugsweise bei einem Ladezustand von 60% der Vollladung der Batterie. Der obere Ladezu standsgrenzwert liegt vorzugsweise bei einem Ladezustand von 80% der Vollladung der Batterie.
Diese Grenzwerte sind derart gewählt, dass die Batterie sich nicht im Vollladezustand befindet. Dies ermöglicht es, im Sinne eines Rekuperationsbetriebes Energie in die Batterie einzuspeichern, wenn sich das Kraftfahrzeug im Bremsbetrieb oder im Schubbetrieb befindet.
Bei dem Ladezustandsregler 6 handelt es sich vorzugsweise um einen I-Regler, der sehr langsam arbeitet, um den Ladezustand der Batterie 5 auf den gewünschten Wert zu regeln.
Kommt es im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs dazu, dass der Ladezustand der Batterie 5 den oberen Ladezustandsgrenzwert überschreitet, dann wird dem Generatorregler 3 mittels des Sollwertgebers 8 für den Ladezustandsgrenzwertübersteigungsmodus ein Ausgangsspannungs-Sollwert S2 vorgegeben.
Nimmt man an, dass es sich bei der Batterie 5 um eine 12 V-Batterie handelt und dass die Bordnetzspannung im Normalbetrieb im Bereich zwischen 12 V und 15 V liegt, dann wird vom Sollwertgeber 8 ein Ausgangsspannungs-Sollwert S2 vorgegeben, der kleiner ist als 12 V und vorzugsweise bei 10 V liegt.
Eine Vorgabe eines derartig reduzierten Ausgangsspannungs-Sollwertes S2 bedeutet, dass die Ausgangsspannung des Generators auf 10 V geregelt wird, d. h. auf einen Spannungswert, der kleiner ist als die Bordnetzspannung. Folglich nimmt das Bordnetz die Batterie 5 als alleinige Energiequelle in Anspruch. Dies führt dazu, dass der Ladezustand der Batterie 5 wieder unter den oberen Ladezustandsgrenzwert absinkt. Ist dies erfolgt, dann wird wieder auf eine Sollwertvorgabe seitens des Ladezustandsreglers 6 umgeschaltet, welcher dem Generatorregler 3 einen Ausgangsspannungs-Sollwert S1 zur Verfügung stellt.
In den Bremsphasen und den Schubphasen des Kraftfahrzeugs erfolgt ein Rekuperationsbetrieb, bei welchem Energie in die Batterie 5 eingespeichert wird. In diesem Rekuperationsbetrieb wird dem Generatorregler 3 mittels des Sollwertgebers 7 ein Ausgangsspannungs-Sollwert S3 bereitgestellt. Dieser wird im Generatorregler 3 mit dem Ausgangsspannungs-Istwert I verglichen und es erfolgt eine Regelung auf den Ausgangsspannungs-Sollwert S3, welcher im Bereich zwischen 14 V und 16 V liegt und vorzugsweise 15 V beträgt. Diese Regelung erfolgt unabhängig vom jeweils vorliegenden Ladezustandswert. Der genannte Ausgangsspannungs-Sollwert S3 liegt im Bereich der oberen Grenze des im Normalbetrieb auftretenden Ausgangsspannungs-Intervalles, welches von 12 V bis 15 V reicht.
Die 2 zeigt ein Diagramm, in welchem der Ladezustand SOC der Batterie 5 über der Zeit t aufgetragen ist. In diesem Diagramm handelt es sich bei der Ladezustandskurve K1 um die Ladezustandskurve, wie sie im Falle einer Zweipunktregelung auftritt. Bei der Ladezustandskurve K2 handelt es sich um die Ladezustandskurve, wie sie bei Verwendung eines Verfahrens gemäß der Erfindung auftritt. Es ist ersichtlich, dass der Ladezustandswert der Batterie im Falle einer Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich enger im Bereich eines gewünschten Ladezustandswertes gehalten wird als bei Verwendung einer Zweipunktregelung.
Die 3 zeigt ein Diagramm, in welchem der Energiedurchsatz EDS der Batterie 5 über der Zeit t aufgetragen ist. In diesem Diagramm handelt es sich bei der Kurve K1 um die Energiedurchsatzkurve, wie sie im Falle einer Zweipunktregelung auftritt. Bei der Kurve K2 handelt es sich um die Energiedurchsatzkurve, wie sie bei Verwendung eines Verfahrens gemäß der Erfindung auftritt. Es ist ersichtlich, dass der Energiedurchsatz der Batterie im Falle einer Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich niedriger ist als bei Verwendung einer Zweipunktregelung. Dieser erniedrigte Energiedurchsatz führt zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Batterie.
Die 4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Kraftstoffeinsparung. Dabei ist längs der Ordinate die Kraftstoffeinsparung BE im Vergleich zu einem Standard-Bordnetz in Prozent aufgetragen. Anhand des Blockes K1, der die Kraftstoffeinsparung im Falle einer Zweipunktregelung beschreibt, ist ersichtlich, dass eine Kraftstoffeinsparung von 0,4913% auftritt. Anhand des Blockes K2, der die Kraftstoffeinsparung im Falle einer Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschreibt, ist ersichtlich, dass eine Kraftstoffeinsparung von 0,806355% auftritt. Die Kraftstoffeinsparung im Falle einer Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist folglich deutlich größer als die Kraftstoffeinsparung im Falle der Verwendung einer Zweipunktregelung.
Nach alledem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Generators in einem Kraftfahrzeug, bei welchem ein Generatorregler dem Generator ein Regelsignal zuführt, mittels dessen der Generator seine Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Wert regelt, und bei welchem der Genera torregler das Regelsignal in Abhängigkeit von einem Vergleich eines Ausgangsspannungs-Sollwertes mit einem Ausgangsspannungs-Istwert des Generators ermittelt. Dabei wird der Ausgangsspannungs-Sollwert des Generators von einem übergeordneten Regelkreis vorgegeben, bei welchem es sich um einen Batterieladezustandsregler handelt, der den Ladezustandswert der Batterie des Kraftfahrzeugs auf einen vorgegebenen Ladezustandswert regelt. Bei dem Ladezustandsregler handelt es sich vorzugsweise um einen I-Regler. Überschreitet der Ladezustandswert der Batterie einen vorgegebenen oberen Ladezustandsgrenzwert, dann wird ein Ladezustandsgrenzwertübersteigungsmodus eingeleitet, in welchem ein weiterer Sollwertgeber des Bordnetzmanagements einen reduzierten Ausgangsspannungs-Sollwert bereitstellt, der kleiner ist als die im Normalbetrieb vorliegende Bordnetzspannung. Befindet sich das Kraftfahrzeug im Brems- oder Schubbetrieb, dann erfolgt eine Energierekuperation, wobei mittels eines weiteren Sollwertgebers des Bordnetzmanagements für den Rekuperationsbetrieb ein Ausgangsspannungs-Sollwert bereitgestellt wird, der im oberen Bereich der im Normalbetrieb vorliegenden Bordnetzspannung liegt.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung kann in jedem Bordnetz eingesetzt werden, in welchem ein Rekuperationsbetrieb durchgeführt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005046342 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Generators in einem Kraftfahrzeug, bei welchem – ein Generatorregler (3) dem Generator (4) ein Regelsignal (r) zuführt, mittels dessen der Generator seine Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Wert regelt, und – der Generatorregler (3) das Regelsignal (r) in Abhängigkeit von einem Vergleich eines Ausgangsspannungs-Sollwertes (S1, S2, S3) mit einem Ausgangsspannungs-Istwert (I) des Generators (4) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass – der Ausgangsspannungs-Sollwert (S1) des Generators von einem übergeordneten Regelkreis (6) vorgegeben wird und – der übergeordnete Regelkreis (6) ein Batterieladezustandsregler ist, der den Ladezustandswert der Batterie (5) des Kraftfahrzeugs auf einen vorgegebenen Ladezustandswert regelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert für die Ausgangsspannung des Generators (4) im Bereich zwischen 12 V und 15 V liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterieladezustandsregler (6) ein I-Regler ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Ladezustandswert im Bereich zwischen einem unteren Ladezustandsgrenzwert und einem oberen Ladezustandsgrenzwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Ladezustandsgrenzwert bei 60% des Vollladezustands der Batterie liegt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Ladezustandsgrenzwert bei 80% des Vollladezustands der Batterie liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Ladezustandswert der Batterie den oberen Ladezustandsgrenzwert übersteigt, der Ausgangsspannungs-Sollwert des Generators auf einen Spannungswert (S2) reduziert wird, der kleiner ist als die Bordnetzspannung.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordnetzspannung im Bereich zwischen 12 V und 15 V liegt und dann, wenn der Ladezustandswert der Batterie den oberen Ladezustandsgrenzwert übersteigt, der Ausgangsspannungs-Sollwert auf einen Spannungswert (S2) reduziert wird, der kleiner ist als 12 V.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn beim Vorliegen eines Ausgangsspannungs-Sollwertes des Generators, der kleiner ist als die Bordnetzspannung, der Ladezustandswert unter den unteren Ladezustandsgrenzwert absinkt, der Ausgangsspannungs-Sollwert erneut vom Batterieladezustandsregler (6) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn sich das Kraftfahrzeug in einer Bremsoder Schubphase befindet, ein vom momentanen Ladezustand der Batterie unabhängiger Ausgangsspannungs-Sollwert (S3) vorgegeben wird, der im Bereich der oberen Grenze des im Normalbetrieb auftretenden Ausgangsspannungs-Intervalles liegt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsspannungs-Sollwert (S3) vorgegeben wird, der im Bereich zwischen 14 V und 16 V liegt.