DE102010001713A1 - Method for detecting load drop in rectifier of generator arrangement i.e. starter generator of motor vehicle, involves estimating duration of voltage drop in rectifier based on characteristics of electrical parameter - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Lastabfalls bzw. Load-Dump bei einem Gleichrichter, eine Generatoranordnung und eine Auswerteeinheit zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for detecting a load drop or load dump in a rectifier, a generator arrangement and an evaluation unit for carrying out the method.
Stand der TechnikState of the art
Zur Speisung von Gleichstromsystemen aus Drehstromsystemen, wie bspw. im öffentlichen Drehstromnetz, werden im allgemeinen Gleichrichter verwendet. Diese Gleichrichter sind meist in Brückenschaltung aufgebaut. Als Gleichrichterelemente dienen üblicherweise Dioden, die keine weitere Ansteuerschaltung benötigen, da sie selbständig zum richtigen Zeitpunkt in den leitenden oder sperrenden Zustand übergehen.For feeding DC systems from three-phase systems, such as, for example, in the public three-phase network, rectifiers are generally used. These rectifiers are usually constructed in bridge circuit. As rectifier elements are usually diodes that do not require any further drive circuit, since they automatically go at the right time in the conducting or blocking state.
Brückengleichrichter in sechspulsiger Ausführung werden auch als Gleichrichter in Kfz-Drehstromgeneratoren verwendet. Dabei ist zu beachten, dass diese Generatoren einen ausgeprägten induktiven Widerstand besitzen. Weiterhin ist zu beachten, dass der Gleichrichter eine durch die Dioden und den Ausgangsstrom vorgegebene Verlustleistung hat. Durch schaltungstechnische Maßnahmen, wie bspw. durch Parallelschalten von Dioden, lassen sich diese Verluste nur unwesentlich verringern.Bridge rectifiers in six-pulse design are also used as rectifiers in automotive alternators. It should be noted that these generators have a pronounced inductive resistance. Furthermore, it should be noted that the rectifier has a predetermined by the diodes and the output current power loss. By circuitry measures, such as. By parallel switching of diodes, these losses can be reduced only slightly.
Ein kritischer Fehlerfall beim Entwurf eines aktiven Gleichrichters ist der Lastabfall bzw. Lastabwurf (Load-Dump). Dieser tritt dann auf, wenn bei entsprechend hoch erregter Maschine und einem entsprechend hohen abgegebenen Strom sich die Last am Generator schlagartig verringert und nicht durch kapazitiv wirkende Elemente im Bordnetz, wie bspw. die Batterie, abgefangen werden kann.A critical failure in the design of an active rectifier is load dumping. This occurs when, with a correspondingly high-powered machine and a correspondingly high output current, the load on the generator abruptly decreases and can not be intercepted by capacitive elements in the electrical system, such as, for example, the battery.
Dies kann bspw. dann auftreten, wenn bei voll erregter Maschine mit maximalem abgegebenen Strom das Lastkabel abfällt.This can occur, for example, when the load cable drops when the machine is fully energized with a maximum current output.
Der Generator kann bis zu etwa 300 bis 500 ms weiter Energie in das Bordnetz liefern. Diese muss im Gleichrichter umgesetzt werden, um elektrische Komponenten, die mit dem Generator verbunden sind, vor Schädigung durch Überspannung zu schützen. Dies erfolgt nach Stand der Technik durch eine Realisierung der Gleichrichterdioden als Leistungs-Zenerdioden.The generator can supply up to about 300 to 500 ms energy into the electrical system. This must be implemented in the rectifier in order to protect electrical components connected to the generator from damage due to overvoltage. This is done according to the prior art by implementing the rectifier diodes as power zener diodes.
Zum Erkennen eines Load-Dump bei passiven Gleichrichtern sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. So ist aus der Druckschrift
In der genannten Druckschrift ist somit vorgesehen, die überschüssige Energie, die während des Load-Dump erzeugt wird, in einem Zwischenspeicher zu speichern.In the cited document is thus provided to store the excess energy that is generated during the load dump in a buffer.
In herkömmlichen Diodengleichrichtern kann diese Verlustenergie gut in Wärme umgesetzt werden. Die Dioden bieten hierfür eine ausreichend gute Aufbau- und Verbindungstechnik mit einer flächendeckenden thermischen Anbindung. Da nach bekanntem Stand dies bei MOSFET-Transistoren nicht vollständig nachzubilden ist, müssen andere Maßnahmen ergriffen werden, um die Verlustleistung abzufangen.In conventional diode rectifiers, this energy loss can be easily converted into heat. For this, the diodes offer a sufficiently good setup and connection technology with a comprehensive thermal connection. As is known, this is not completely replicated in MOSFET transistors, other measures must be taken to intercept the power loss.
Für den Fall, dass Dioden durch aktive Schalter, bspw. durch MOSFET-Transistoren, ersetzt werden, um die Verluste wesentlich zu reduzieren, ist es somit erforderlich, neue Load-Dump-Strategien einzusetzen.In the event that diodes are replaced by active switches, for example by MOSFET transistors, to substantially reduce the losses, it is thus necessary to use new load-dump strategies.
Als Abhilfestrategien bei einem Load-Dump-Ereignis werden derzeit zwei Extrempositionen vertreten:
Die Zenerung erfolgt in einem Bereich von 25 V bis 30 V. Damit ist ein ausreichender Sicherheitsabstand zu den normalen Betriebszuständen, wie bspw. double battery mit 24 bis 28 V, gewährleistet. Die zur Zenerung eingesetzten Bauelemente müssen im Load-Dump-Fall eine hohe elektrische Verlustleistung bzw. Energie in Wärme umsetzen und zwischenspeichern.As a remedial strategy in a load-dump event, two extreme positions are currently represented:
The amplification is carried out in a range of 25 V to 30 V. This ensures a sufficient safety distance to the normal operating conditions, such as double battery with 24 to 28 V guaranteed. The components used for the enhancement must implement a high electrical power loss or energy to heat in the load-dump case and buffer them.
In den Druckschriften
Weiterhin ist zu beachten, dass ein Kraftfahrzeug ohne Batterie, das den Load-Dump durch den Abriss des Starterhilfekabels selbst erzeugt hat, mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeht, was nicht gewünscht bzw. technisch nicht sinnvoll ist.Furthermore, it should be noted that a motor vehicle without a battery, which has generated the load dump by the demolition of the starter auxiliary cable itself, with high probability emanates, which is not desired or technically meaningless.
Die Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zum Erkennen eines Lastabfalls mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Generatoranordnung nach Anspruch 8 sowie eine Auswerteeinheit gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Against this background, a method for detecting a load drop with the features of
Es wird somit anhand einer ersten elektrischen Größe ein Lastabfall erkannt und zusätzlich basierend auf einem Verlauf einer zweiten elektrischen Größe die Dauer des Lastabfalls abgeschätzt. Als elektrische Größen kommen die elektrische Spannung und/oder der elektrische Strom in Betracht. Es wird somit eine Strom- und/oder Spannungsmessung vorgenommen. Wird der Lastabfall anhand einer Strommessung erkannt, kann die Dauer des Lastabfalls basierend auf dem Verlauf dieses Stroms oder basierend auf dem Verlauf einer erfassten Spannung abgeschätzt werden. Wird der Lastabfall anhand einer Spannungsmessung erkannt, kann die Dauer des Lastabfalls basierend auf dem Verlauf dieser Spannung oder basierend auf dem Verlauf eines erfassten Stroms abgeschätzt werden.It is thus detected on the basis of a first electrical variable, a load drop and additionally estimated based on a course of a second electrical variable, the duration of the load drop. As electrical variables, the electrical voltage and / or the electric current come into consideration. It is thus made a current and / or voltage measurement. If the load drop is detected by means of a current measurement, the duration of the load drop can be estimated based on the course of this current or based on the history of a detected voltage. If the load drop is detected by a voltage measurement, the duration of the load drop can be estimated based on the history of this voltage or based on the history of a detected current.
Mit dem vorgestellten Verfahren kann somit die Strommessung auch zur Abschätzung der Dauer des Load-Dump verwendet werden, um anderweitige Maßnahmen zur Verlustleistungsminimierung für einen begrenzten Zeitraum einzuleiten. Der Beginn eines Load-Dump kann schnell erkannt werden, um eine Gegenmaßnahme, wie bspw. eine intelligente Zenerung, unverzüglich einzuleiten und damit die Verlustleistungsspitze zu Beginn zu vermeiden.With the presented method, the current measurement can thus also be used to estimate the duration of the load dump in order to initiate other measures for minimizing power loss for a limited period of time. The beginning of a load dump can be detected quickly in order to immediately initiate a countermeasure, such as an intelligent enhancement, and thus avoid the power loss peak at the beginning.
Auf diese Weise wird eine schnelle Erkennung eines Load-Dump ermöglicht, bevor, zumindest in Ausgestaltungen des Verfahrens, die Spannung auf 32 V gestiegen ist, so dass durch Einleiten einer schnellen Gegenreaktion der Maximalwert von 34 V deutlich reduziert werden kann. Dies führt zu einer erheblichen Kostenreduzierung, da die Spannungsfestigkeit der am Bordnetz befindlichen Steuergeräte um den entsprechenden Betrag reduziert werden kann.In this way, a quick detection of a load dump is possible before, at least in embodiments of the method, the voltage has risen to 32 V, so that by introducing a fast backlash the maximum value of 34 V can be significantly reduced. This leads to a significant cost reduction, since the dielectric strength of the control unit located on the electrical system can be reduced by the corresponding amount.
Um die umzusetzende Verlustenergie zu begrenzen, wird bspw. eine „intelligente Zenerung” vorgeschlagen. Damit wird eine Abhilfestrategie bereitgestellt, um die Leistung zu verringern, die bei einem Load-Dump in einem Gleichrichter umgesetzt werden muss. Dabei wird die an das Bordnetz abgegeben Leistung durch die sogenannte Zenerung im Gleichrichter begrenzt, wobei die Verlustleistung, durch die Physik des Generators bedingt, proportional zur Zenerspannung ist.In order to limit the loss energy to be converted, for example, an "intelligent enhancement" is proposed. This provides a remedial strategy to reduce the power that must be applied to a load dump in a rectifier. In this case, the output to the electrical system power is limited by the so-called amplification in the rectifier, the power loss, due to the physics of the generator, proportional to the Zener voltage.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen und der Beschreibung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the accompanying drawings and the description.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is schematically illustrated by means of embodiments in the drawings and will be described in detail below with reference to the drawings.
Grundsätzlich muss bei der Erkennung eines Load-Dump zwischen folgenden Sonderbetriebszuständen unterschieden werden:
- – Störung auf der Batterieleitung
- – Spannungsrippel auf Bat+ aufgrund defekter oder fehlender Batterie
- – Jump-Start
- – Load-Dump
- - Malfunction on the battery cable
- - Voltage ripple on Bat + due to defective or missing battery
- - Jump start
- - Load dump
Bei einem Load-Dump tritt ein sehr schneller Spannungsanstieg aus einem normalen aktiven Reglerbetrieb auf. Zum Zeitpunkt des Load-Dump liefert der Ständer weiter Leistung. Da im Extremfall die Stromabgabe in das Bordnetz unterbrochen ist, muss diese Leistung im Gleichrichter umgesetzt werden. Aufgrund des Spannungsanstiegs und der näherungsweise kontinuierlichen Stromabgabe des Ständers steigt die abgegebene Leistung des Ständers steil an. Ein Beispiel für eine gemessene Leistungsabgabe ist in
In
Eine Kurve
In herkömmlichen Diodengleichrichtern ist die Load-Dump-Erkennung auf dem gleichen Spannungswert, auf dem auch der Zenerungseingriff erfolgt. Dieser ist typischerweise oberhalb von 28 V, um einen sicheren Abstand zum Jump-Start zu haben.In conventional diode rectifiers, the load dump detection is at the same voltage level as the fusing operation. This is typically above 28V to have a safe distance to the jump start.
Mit Hilfe einer Messung der externen Stromabgabe hinter dem Gleichrichter kann die Load-Dump-Erkennung verkürzt werden. Weiterhin ist es möglich, die erwartete Länge des Load-Dump abzuschätzen, da diese eine Funktion des Stromsprungs ist.By measuring the external current output behind the rectifier, the load dump detection can be shortened. Furthermore, it is possible to estimate the expected length of the load dump, since this is a function of the current jump.
In
Der Generatorstrom IG ergibt sich aus:
In
Alternativ zu der in
Durch Plausibilisierung eines gemessenen Stromabfalls mit einem gemessenen Spannungsanstieg kann die Load-Dump-Erkennung früher ansprechen als bislang bekannte Load-Dump-Erkennungen, die bspw. auf Ubat > 28 V reagieren.By plausibilizing a measured current drop with a measured voltage increase, the load dump detection can respond earlier than previously known load dump detections, which, for example, respond to Ubat> 28 V.
Es ist weiterhin zu beachten, dass als Eingangsparameter folgende Größen in Betracht kommen: Drehzahl, Temperatur, Erregerstrom, Klammerspannung, Maschinentyp, Zustand der Batterie und Topologie des Erregerkreises. Diese oder eine Untermenge davon sind ggf. in Kennfeldern zu hinterlegen, um den Stromsprung entsprechend zu bewerten. Alternativ kann auch über einen Berechnungsalgorithmus die Zeitdauer ermittelt werden.It should also be noted that the following parameters can be considered as input parameters: speed, temperature, excitation current, clamp voltage, machine type, condition of the battery and topology of the exciter circuit. If necessary, these or a subset of them are to be stored in maps in order to evaluate the current jump accordingly. Alternatively, the time duration can also be determined by means of a calculation algorithm.
In
Eine erste Kurve
In
Eine erste Kurve
Zu einem ersten Zeitpunkt
Das beschriebene Verfahren lässt sich in Kombination mit einer sogenannten „intelligenten Zenerung” umsetzen. Dabei wird bei einem Load-Dump-Ereignis die auftretende Verlustleistung durch Herabsetzen der geklammerten Spannung minimiert. So kann bspw. im Load-Dump die Klammerspannung idealerweise auf 9 V gesetzt werden, da in diesem Fall einerseits die Versorgung des Bordnetzes gewährleistet ist und andererseits die auftretende Verlustleistung in der Leistungselektronik wesentlich minimiert wird. Im Vergleich zu einer Load-Dump-Spannung von 27 V wird eine Verringerung um Faktor 3 erreicht. Dies bedingt jedoch, dass der Zustand der niedrigen Klammerspannung rechtzeitig verlassen wird, um ein Rückschalten in den normalen Regelbereich von 14 V zu gewährleisten. Idealerweise ist ein Rückschalten kurz vor Ende der natürlichen Load-Dump-Phase notwendig.The described method can be implemented in combination with a so-called "intelligent enhancement". In this case, the occurring power loss is minimized by reducing the clamped voltage in a load-dump event. Thus, for example, in the load dump, the clamp voltage can ideally be set to 9 V, since in this case, on the one hand, the supply of the electrical system is ensured and, on the other hand, the occurring power loss in the power electronics is substantially minimized. Compared to a load-dump voltage of 27 V, a reduction by
In
In einem ersten Schritt
Das Verfahren kann bspw. in einem SAR (synchron active rectifier: synchroner aktiver Gleichrichter), in einem riemengetriebenen Startergenerator (RSG) bzw. einem integrierten Starter-Generator (iSGR) zum Einsatz kommen.The method can be used, for example, in a SAR (synchronous active rectifier), in a belt-driven starter generator (RSG) or an integrated starter generator (iSGR).
Die in
In der Darstellung ist an der Ordinate
Bekannte Diodengleichrichter arbeiten im Spannungsbereich oberhalb 18 V. Damit ist gewährleistet, dass die Zenerung nur außerhalb des normalen Betriebsmodus stattfindet.Known diode rectifiers operate in the voltage range above 18 V. This ensures that the amplification only takes place outside the normal operating mode.
Da aktive Gleichrichter zeitlich begrenzt, d. h. intelligent gesteuert, arbeiten können, kann die Zenerspannung mit dem beschriebenen Verfahren herabgesetzt werden. Hierbei ist der dritte Bereich
Als weitere Variante kann die auftretende Verlustleistung optimiert werden, indem die Zenerspannung auf 8 V reduziert wird. Damit kann die Verlustleistung noch niedriger gehalten werden bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung. Ohne Kommunikation zum Spannungsregler würde der Regler hier eine zu niedrige Spannung erkennen und dementsprechend den Generator anregen. Daher ist im Spannungsbereich von 8 bis 15 V zusätzlich die Kommunikation zum Regler und eine angemessene Reglerreaktion notwendig.As a further variant, the occurring power loss can be optimized by the Zener voltage is reduced to 8 V. Thus, the power loss can be kept even lower while maintaining the supply voltage. Without communication to the voltage regulator, the controller would detect too low a voltage and accordingly stimulate the generator. Therefore, in the voltage range of 8 to 15 V, additional communication to the controller and an appropriate controller response is necessary.
Mögliche Reglerreaktionen sind Schnellentregelung, Freilauf und Regelung auf 8,5 V.Possible controller responses are fast regulation, freewheeling and regulation to 8.5 V.
In
Ist in einem Schritt
In
In
In
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Legal Events
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Owner name: SEG AUTOMOTIVE GERMANY GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: ROBERT BOSCH GMBH, 70469 STUTTGART, DE |
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R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |