DE102011088786B4 - Method for operating a power supply unit for an on-board network of a motor vehicle and field controller - Google Patents

Method for operating a power supply unit for an on-board network of a motor vehicle and field controller Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungseinheit (100) für ein Bordnetz (30, 31) eines Kraftfahrzeugs,
wobei die Energieversorgungseinheit (100) einen Wechselstromgenerator (10) mit einer Ständerwicklung (11) und einer Läuferwicklung (12), einen der Läuferwicklung (12) zugeordneten Feldregler (15) zur Vorgabe des durch die Läuferwicklung (12) fließenden Stroms und einen Gleichrichter (20) mit Gleichrichterelementen (21) zur Gleichrichtung der von dem Wechselstromgenerator erzeugten Phasenwechselspannungen (UP, UW) aufweist,
wobei die Energieversorgungseinheit (100) in einem ersten Zustand so betrieben wird, dass eine Phasenwechselspannung (UP, UW) der von dem Wechselstromgenerator (10) erzeugten Phasenwechselspannungen (UP, UW) auf einen vorgebbaren Sollwert (UP0) größer Null geregelt wird.

Figure DE102011088786B4_0000
Method for operating a power supply unit (100) for an on-board network (30, 31) of a motor vehicle,
wherein the energy supply unit (100) comprises an alternating current generator (10) with a stator winding (11) and a rotor winding (12), a field regulator (15) associated with the rotor winding (12) for specifying the current flowing through the rotor winding (12) and a rectifier (20) with rectifier elements (21) for rectifying the phase alternating voltages (U P , U W ) generated by the alternating current generator,
wherein the energy supply unit (100) is operated in a first state such that a phase alternating voltage (U P , U W ) of the phase alternating voltages (U P , U W ) generated by the alternating current generator (10) is regulated to a predeterminable target value (U P0 ) greater than zero.
Figure DE102011088786B4_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungseinheit für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs sowie einen Feldregler für einen Wechselstromgenerator einer solchen Energieversorgungseinheit.The present invention relates to a method for operating a power supply unit for an on-board network of a motor vehicle and to a field controller for an alternating current generator of such a power supply unit.

Stand der TechnikState of the art

Als Generatoren (Wechselstromgeneratoren) werden in Kraftfahrzeugen üblicherweise Klauenpolgeneratoren mit elektrischer Erregung eingesetzt. Der Strom durch die Läuferwicklung dient als Stellgröße zur Regelung der gleichgerichteten Ausgangsspannung (im Folgenden als Ausgangsgleichspannung bezeichnet) und wird von einem zugeordneten Feldregler vorgegeben. Die Regelung verhindert beispielsweise, dass durch die sehr unterschiedlichen Motordrehzahlen von dem Generator stark schwankende Spannungswerte geliefert würden, die gegebenenfalls die nachgeordnete Elektrik beschädigen könnten.Claw pole generators with electrical excitation are usually used as generators (alternating current generators) in motor vehicles. The current through the rotor winding serves as a control variable for regulating the rectified output voltage (hereinafter referred to as the direct current output voltage) and is specified by an associated field controller. The control prevents, for example, the very different engine speeds from causing the generator to deliver strongly fluctuating voltage values, which could potentially damage the downstream electrical system.

Die DE 10 2005 046 342 A1 betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Ausgangsspannung eines Generators in einem Kraftfahrzeug, bei dem ein Ladezustand und eine Temperatur einer Kraftfahrzeugbatterie bestimmt werden und der bestimmte Ladezustand unter Berücksichtigung der Temperatur der Kraftfahrzeugbatterie mit einem von der Temperatur der Kraftfahrzeugbatterie abhängigen Ladezustands-Schwellenwert verglichen wird. Dabei 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, wenn der bestimmte Ladezustand den Ladezustands-Schwellenwert unterschreitet, und die Ausgangsspannung des Generators wird in einem zweiten Modus durch eine Regelung eines Ladestroms der Kraftfahrzeugbatterie oder durch eine Regelung eines Endladestroms der Kraftfahrzeugbatterie geregelt, wenn der bestimmte Ladezustand den Ladezustands-Schwellenwert überschreitet.The EN 10 2005 046 342 A1 relates to a method for controlling an output voltage of a generator in a motor vehicle, in which a state of charge and a temperature of a motor vehicle battery are determined and the determined state of charge is compared with a state of charge threshold value that depends on the temperature of the motor vehicle battery, taking into account the temperature of the motor vehicle battery. In this case, the output voltage of the generator is controlled in a first mode by controlling the charging voltage applied to the motor vehicle battery or by controlling the charging current of the motor vehicle battery if the determined state of charge falls below the state of charge threshold value, and the output voltage of the generator is controlled in a second mode by controlling a charging current of the motor vehicle battery or by controlling a final charging current of the motor vehicle battery if the determined state of charge exceeds the state of charge threshold value.

Die DE 10 2009 055 141 A1 betrifft ein Verfahren zur Beschränkung eines Abgabestroms, der von einer als Generator betriebenen elektrischen Maschine mit Erregerwicklung erzeugt wird, mittels einer Regelvorrichtung. Der durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstrom wird durch die Regelvorrichtung so beeinflusst und gegebenenfalls verringert, dass der maximale Abgabestrom nicht über eine Abgabestrom-Obergrenze steigt. Bei der Regelung des Erregerstroms wird ein maximal zulässiger Erregerstrom berücksichtigt. Dabei werden verschiedene Maschinenspezifikationen bzw. Reglerspezifikationen wie, vorgegebene Generatorspannung, Generatordrehzahl und vorgegebene Abgabestrom-Obergrenze berücksichtigt. Dabei wird die Abgabestrom-Obergrenze entweder als fester Wert hinterlegt oder als generatorspezifischer Wert beispielsweise am Bandende der Regler- oder Generatorfertigung programmiert.The EN 10 2009 055 141 A1 relates to a method for limiting an output current generated by an electrical machine with an excitation winding operated as a generator, by means of a control device. The excitation current flowing through the excitation winding is influenced and, if necessary, reduced by the control device in such a way that the maximum output current does not exceed an output current upper limit. When controlling the excitation current, a maximum permissible excitation current is taken into account. Various machine specifications or controller specifications are taken into account, such as the specified generator voltage, generator speed and specified output current upper limit. The output current upper limit is either stored as a fixed value or programmed as a generator-specific value, for example at the end of the controller or generator production line.

Unter gewissen Fahrbedingungen ist eine Abschaltung des Generators (sog. Standby-Funktion) erwünscht, bspw. um den Triebstrang zu entlasten. In einem solchen Fall wird das Bordnetz üblicherweise von der Fahrzeugbatterie versorgt, bis der Generator wieder in Betrieb genommen wird. Die Abschaltung des Generators erfolgt im Stand der Technik durch Abschaltung des Erregerstroms.Under certain driving conditions, it is desirable to switch off the generator (so-called standby function), for example to relieve the load on the drive train. In such a case, the on-board network is usually supplied by the vehicle battery until the generator is put back into operation. In the current state of the art, the generator is switched off by switching off the excitation current.

Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass bei einem Absinken der Bordspannung (die währenddessen bspw. von der Batterie bereitgestellt wird) das Einschalten des Generators eine relativ lange Zeitspanne in Anspruch nimmt, da der Erregerstrom von Null hochgefahren werden muss. Daher kann es zu unerwünschten Spannungseinbrüchen im Bordnetz kommen.The disadvantage of this solution, however, is that if the on-board voltage drops (which is provided by the battery, for example), it takes a relatively long time to switch on the generator because the excitation current has to be increased from zero. This can lead to undesirable voltage drops in the on-board network.

Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit anzugeben, eine Energieversorgungseinheit so zu betreiben, dass möglichst schnell von einem ersten Zustand, in dem im Wesentlichen keine Leistung in das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs abgegeben wird („Standby“), in einen zweiten Zustand, in dem Leistung in das Bordnetz des Kraftfahrzeugs abgegeben wird, umgeschaltet werden kann.It is therefore desirable to provide a way of operating an energy supply unit in such a way that it can be switched as quickly as possible from a first state in which essentially no power is supplied to the on-board electrical system of a motor vehicle ("standby") to a second state in which power is supplied to the on-board electrical system of the motor vehicle.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungseinheit für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs sowie ein Feldregler für einen Wechselstromgenerator einer solchen Energieversorgungseinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for operating a power supply unit for an on-board network of a motor vehicle and a field controller for an alternating current generator of such a power supply unit are proposed with the features of the independent patent claims. Advantageous embodiments are the subject of the subclaims and the following description.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann die Energieversorgungseinheit so betrieben werden, dass sehr schnell von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand umgeschaltet werden kann. Dies wird erreicht, indem in dem ersten Zustand („Standby“) eine Phasenwechselspannung des Wechselstromgenerators (also vor der Gleichrichtung) auf einen vorgebbaren Sollwert größer Null geregelt wird. Geregelt werden kann bspw. der Effektivwert oder die Amplitude der Phasenwechselspannung. Eine regelbare Phasenwechselspannung liegt zwischen einem Phasenanschluss des Generators und Masse an, eine andere regelbare Phasenwechselspannung liegt zwischen zwei Phasenanschlüssen einer Phase des Generators an.With the solution according to the invention, the energy supply unit can be operated in such a way that it can be switched from the first state to the second state very quickly. This is achieved by regulating a phase alternating voltage of the alternating current generator (i.e. before rectification) to a predeterminable target value greater than zero in the first state (“standby”). The effective value or the amplitude of the phase alternating voltage can be regulated, for example. A controllable phase alternating voltage is applied between a phase connection of the generator and ground, another controllable phase alternating voltage The voltage is present between two phase connections of a phase of the generator.

Für den Standby-Betrieb wird der Sollwert so vorgegeben, dass im Wesentlichen kein Strom in das Bordnetz abgegeben wird. Die Bordspannung wird in diesem Betriebszustand allein durch Energiespeicher (hauptsächlich Kraftfahrzeugbatterie) im Bordnetz bereitgestellt. Dennoch ist ein signifikanter Erregerstrom weiter vorhanden, von dem aus ein üblicher Erregerstrom sehr schnell erreicht werden kann, so dass wieder eine Leistungsabgabe von der Energieversorgungseinheit in das Bordnetz erfolgt. Die Energieversorgungseinheit kann daher einerseits im Notfall rasch Leistung zur Verfügung stellen und andererseits auch kurzfristige Spannungseinbrüche puffern. Die Vorgabe erfolgt bspw. durch ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine, zweckmäßigerweise unter Berücksichtigung der momentanen Bordspannung. Keine Strom- oder Leistungsabgabe in das Bordnetz erfolgt bspw. dann, wenn die Leerlaufgleichspannung der Energieversorgungseinheit (d.h. nach der Gleichrichtung, jedoch im gedachten offenen Zustand ohne angeschlossenes Bordnetz) größer Null, jedoch kleiner als die Bordspannung ist.For standby mode, the setpoint is specified so that essentially no current is fed into the vehicle electrical system. In this operating state, the vehicle voltage is provided solely by energy storage devices (mainly the vehicle battery) in the vehicle electrical system. Nevertheless, a significant excitation current is still present, from which a normal excitation current can be reached very quickly, so that power is again fed from the energy supply unit into the vehicle electrical system. The energy supply unit can therefore, on the one hand, provide power quickly in an emergency and, on the other hand, buffer short-term voltage drops. The specification is made, for example, by a control unit of an internal combustion engine, expediently taking the current vehicle voltage into account. No current or power is fed into the vehicle electrical system, for example, if the no-load DC voltage of the energy supply unit (i.e. after rectification, but in the imaginary open state without the vehicle electrical system connected) is greater than zero but less than the vehicle voltage.

Die Erfindung entfaltet besondere Vorteile in Energieversorgungseinheiten, die hohe Spannungen, bspw. im Bereich von 28V (LKW) oder 42V (Rekuperationssystem), oder variable Spannungen zwischen z.B. 14V und 42V bereitstellen, da bei Betrieb bei höheren Spannungen und niedrigen/mittleren Drehzahlen (bspw. 1500-6000 U/min) hohe Erregerströme benötigt werden, um einen Abgabestrom zu erhalten. Bei diesen Anwendungsfällen dauert es herkömmlich daher am längsten, die Energieversorgungseinheit wieder in den zweiten Zustand (Leistungsabgabe) zu schalten.The invention has particular advantages in power supply units that provide high voltages, e.g. in the range of 28V (truck) or 42V (recuperation system), or variable voltages between e.g. 14V and 42V, since when operating at higher voltages and low/medium speeds (e.g. 1500-6000 rpm), high excitation currents are required to obtain an output current. In these applications, it therefore traditionally takes the longest to switch the power supply unit back to the second state (power output).

In bevorzugter Ausgestaltung wird der Feldregler zur Erreichung des ersten Zustands (bspw. über eine Schnittstelle/Ansteuerung bspw. durch das Steuergerät) von der ansonsten üblichen Regelung der Ausgangsgleichspannung der Energieversorgungseinheit auf eine Regelung einer Phasenwechselspannung des Generators umgeschaltet. Die Phasenwechselspannung ist durch den Gleichrichter von der Bordspannung entkoppelt.In a preferred embodiment, the field controller is switched from the otherwise usual regulation of the output DC voltage of the energy supply unit to regulation of a phase alternating voltage of the generator in order to achieve the first state (e.g. via an interface/control, e.g. by the control unit). The phase alternating voltage is decoupled from the on-board voltage by the rectifier.

In bevorzugter Ausgestaltung wird die Phasenwechselspannung so geregelt, dass sie kleiner ist als die Summe aus der momentanen Bordspannung und der Spannung, die an den Gleichrichterelementen der betreffenden Phase abfällt (bei einer Brückenschaltung z.B. die Flussspannung von zwei Dioden). Die so geregelte Phasenwechselspannung führt dann dazu , dass gerade noch keine Leistung an das Bordnetz abgegeben wird.In a preferred embodiment, the phase alternating voltage is regulated so that it is smaller than the sum of the current on-board voltage and the voltage that drops across the rectifier elements of the relevant phase (in a bridge circuit, for example, the forward voltage of two diodes). The phase alternating voltage regulated in this way then means that no power is delivered to the on-board network.

Zweckmäßigerweise wird die Energieversorgungseinheit so betrieben, dass ihre Phasenwechselspannung im ersten Zustand zwischen 50% und 100% der Bordspannung, vorzugsweise zwischen 50% und 80% der Bordspannung liegt. Es ist vorteilhaft, wenn hier ein Sollwert (z.B. 75% der Bordspannung) vorgegeben wird, auf den die Phasenwechselspannung geregelt wird. Um Fluktuationen zu vermeiden, sollte dieser Sollwert kurze Änderungen (kürzer als z.B. 100ms) der Bordspannung (bspw. einen kurzen Spannungseinbruch beim Einschalten eines Verbrauchers) ignorieren. Auf ein längerfristiges Absinken der Bordspannung hin (länger als z.B. 1s) sollte jedoch eine entsprechende Anpassung des Sollwerts erfolgen.The energy supply unit is conveniently operated in such a way that its phase change voltage in the first state is between 50% and 100% of the on-board voltage, preferably between 50% and 80% of the on-board voltage. It is advantageous if a setpoint value (e.g. 75% of the on-board voltage) is specified here, to which the phase change voltage is regulated. To avoid fluctuations, this setpoint value should ignore short changes (shorter than 100ms, for example) in the on-board voltage (e.g. a short voltage dip when a consumer is switched on). However, if the on-board voltage drops for a longer period of time (longer than 1s, for example), the setpoint value should be adjusted accordingly.

Der Sollwert kann auch während des Betriebs verändert werden, bspw. in Abhängigkeit von der Anzahl, Art (z.B. sicherheitskritisch oder nicht) und/oder vom Leistungsbedarf momentan aktiver Verbraucher. Beispielsweise kann der Sollwert bei großer Leistungsaufnahme bzw. bei vielen eingeschalteten Verbrauchern eher am unteren Ende (z.B. 50%) gesetzt werden, da hier die Fluktuationen erwartungsgemäß klein sein werden und so eine Absicherung vor Spannungseinbrüchen weniger relevant ist. Bei geringer Leistungsaufnahme bzw. bei wenigen eingeschalteten Verbrauchern kann der Sollwert bspw. eher am oberen Ende (z.B. 80%) liegen, da hier größere Fluktuationen zu erwarten sind und daher eine Absicherung vor Spannungseinbrüchen relevant ist. Das Ein- oder Ausschalten eines Verbrauchsers führt hier nämlich zu einer relativ großen Änderung der Leistung.The setpoint can also be changed during operation, for example depending on the number, type (e.g. safety-critical or not) and/or power requirements of currently active consumers. For example, if the power consumption is high or there are many consumers switched on, the setpoint can be set at the lower end (e.g. 50%), as the fluctuations are expected to be small and protection against voltage drops is therefore less relevant. If the power consumption is low or there are few consumers switched on, the setpoint can be set at the upper end (e.g. 80%), as larger fluctuations are to be expected and protection against voltage drops is therefore relevant. Switching a consumer on or off leads to a relatively large change in power.

Sinkt die Bordspannung soweit ab, dass die Phasenwechselspannung dementsprechend einen vorgebbaren oder vorgegebenen Mindestwert unterschreiten müsste, um eine Leistungsabgabe zu vermeiden, wird wieder in den zweiten Zustand umgeschaltet und das Bordnetz auf bekannte Weise von der Energieversorgungseinheit versorgt. Der Mindestwert kann bspw. dem halben zulässigen Maximalwert der Phasenwechselspannung entsprechen.If the on-board voltage drops to such an extent that the phase alternating voltage would have to fall below a predeterminable or predetermined minimum value in order to avoid power output, the system switches back to the second state and the on-board network is supplied by the energy supply unit in the usual way. The minimum value can, for example, correspond to half the permissible maximum value of the phase alternating voltage.

Zweckmäßigerweise wird die Energieversorgungseinheit so betrieben, dass ihre Phasenwechselspannung nach dem Umschalten in den ersten Zustand stufenweise oder linear abgesenkt wird. So kann ein plötzlicher Spannungsabfall vermieden werden.It is advisable to operate the power supply unit in such a way that its phase change voltage is reduced gradually or linearly after switching to the first state. This way, a sudden drop in voltage can be avoided.

Das Umschalten zwischen den beiden Zuständen und die Vorgabe benötigter Parameter kann zweckmäßigerweise von einem Steuergerät (bspw. Motorsteuergerät oder Batteriesteuergerät) veranlasst werden. Vorzugsweise weist der Feldregler dafür eine passende Schnittstelle auf, bspw. eine Bus-Schnittstelle. Switching between the two states and specifying the required parameters can be conveniently initiated by a control unit (e.g. engine control unit or battery control unit). The field controller preferably has a suitable interface for this, e.g. a bus interface.

Es ist vorteilhaft, wenn in einem Rekuperationsbetrieb in den ersten Zustand umgeschaltet wird. Hier wird das Bordnetz nämlich zusätzlich durch eine Energiegewinnung aus der Fahrbewegung gespeist, so dass die zusätzliche Versorgung durch die Energieversorgungseinheit weniger relevant wird. Die Erfindung entfaltet daher bei einer Verwendung in Rekuperationssystemen besondere Vorteile.It is advantageous if the first state is switched to in recuperation mode. In this case, the on-board network is additionally fed by energy generated from the driving movement, so that the additional supply from the energy supply unit becomes less relevant. The invention therefore has particular advantages when used in recuperation systems.

Es ist vorteilhaft, wenn nur in den ersten Zustand (Standby) umgeschaltet wird, wenn der Ladezustand des Kraftfahrzeugenergiespeichers (z.B. Batterie) einen vorgegebenen oder vorgebbaren oberen Ladungsschwellenwert überschreitet und/oder immer in den zweiten Zustand (Leistungsabgabe) umgeschaltet wird, wenn der Ladezustand des Kraftfahrzeugenergiespeichers einen vorgegebenen oder vorgebbaren unteren Ladungsschwellenwert unterschreitet.It is advantageous if the system only switches to the first state (standby) when the charge level of the motor vehicle energy storage device (e.g. battery) exceeds a predetermined or predeterminable upper charge threshold value and/or always switches to the second state (power output) when the charge level of the motor vehicle energy storage device falls below a predetermined or predeterminable lower charge threshold value.

In der GB 2 255 243 A ist eine Konfigurationen mit verschiedenen Spannungsniveaus in Teilbordnetzen beschrieben, wobei der Generator einzeln mit den Teilbordnetzen verbindbar ist. Bei einem solchen Umschalten von einem Teilbordnetz zu einem anderen können sowohl im Generator als auch in den Teilbordnetzen Überspannung auftreten. Diese können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft vermieden werden, wenn die Energieversorgungseinheit vor dem Umschalten in den ersten Zustand gebracht und so betrieben wird, dass die Phasenwechselspannung kleiner als die kleinste Teilbordspannung ist. Dies führt zu einer Erhöhung der Lebensdauer aller beteiligten Komponenten.In the GB 2 255 243 A a configuration with different voltage levels in sub-vehicle networks is described, whereby the generator can be connected individually to the sub-vehicle networks. When switching from one sub-vehicle network to another, overvoltage can occur in both the generator and the sub-vehicle networks. This can be advantageously avoided within the scope of the invention if the energy supply unit is brought into the first state before switching and is operated in such a way that the phase alternating voltage is lower than the smallest sub-vehicle voltage. This leads to an increase in the service life of all components involved.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, e.g. a control unit of a motor vehicle, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.

Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.Implementing the process in the form of software is also advantageous, as this is particularly cost-effective, particularly if an executing control unit is used for other tasks and is therefore already available. Suitable data storage devices for providing the computer program are in particular floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend 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 to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically in the drawing using an embodiment and is described in detail below with reference to the drawing.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

  • 1 zeigt eine Ausführungsform eines Generators mit Gleichrichter und Feldregler, wie er der Erfindung zugrunde liegen kann. 1 shows an embodiment of a generator with rectifier and field regulator, as may form the basis of the invention.
  • 2 zeigt Verläufe der beteiligten Spannungen bei einem bevorzugten Umschalten vom zweiten Zustand in den ersten Zustand. 2 shows the course of the voltages involved in a preferential switching from the second state to the first state.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment(s) of the invention

In 1 ist eine Energieversorgungseinheit, wie sie der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann, schaltplanartig dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Energieversorgungseinheit weist eine Generatorkomponente 10 und eine Gleichrichterkomponente 20 auf.In 1 A power supply unit, as may form the basis of the present invention, is shown in circuit diagram form and is designated overall by 100. The power supply unit has a generator component 10 and a rectifier component 20.

Die Generatorkomponente 10 ist lediglich schematisch in Form von drudenfußförmig verschalteten Ständerwicklungen 11 und einer Erreger- bzw. Läuferwicklung 12 dargestellt. Die Läuferwicklung wird von einem Feldregler 15 angesteuert.The generator component 10 is shown only schematically in the form of stator windings 11 connected in a pentagram shape and an excitation or rotor winding 12. The rotor winding is controlled by a field controller 15.

Im Rahmen des vorliegenden Beispiels ist ein fünfphasiger Generator dargestellt. Im Prinzip ist die vorliegende Erfindung jedoch auch bei weniger- oder mehrphasigen Generatoren, beispielsweise dreiphasigen Generatoren einsetzbar.In the present example, a five-phase generator is shown. In principle, however, the present invention can also be used with fewer or more phase generators, for example three-phase generators.

Die Stromrichterkomponente 20 ist hier als Brückenschaltung ausgeführt und weist Dioden 21 auf. Diese sind, beispielsweise über Stromschienen, mit den jeweiligen Ständerwicklungen 11 des Generators verbunden. Ferner sind die Dioden mit Anschlüssen B+, B- verbunden, zwischen denen eine Ausgangsgleichspannung UB (Bordspannung) für ein Bordnetz inkl. Batterie 30 und Verbraucher 31 eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht.The converter component 20 is designed here as a bridge circuit and has diodes 21. These are connected, for example via busbars, to the respective stator windings 11 of the generator. Furthermore, the diodes are connected to terminals B+, B-, between which an output DC voltage U B (on-board voltage) is available for an on-board network including battery 30 and consumers 31 of a motor vehicle.

Gleichspannungsseitig ist der Feldregler 15 parallel geschaltet, der durch Beeinflussung des Stromes durch die Erregerwicklung 12 die Ausgangsgleichspannung regelt. Der Feldregler weist zusätzlich noch eine Verbindung 16 zu einer Phase des Generators 10 auf, um eine Phasenwechselspannung UP zu messen. Es ist bekannt, die Frequenz der Phasenwechselspannung UP zu erfassen, um die Drehzahl des Generators abzuleiten.On the DC voltage side, the field regulator 15 is connected in parallel, which regulates the output DC voltage by influencing the current through the excitation winding 12. The field regulator also has a connection 16 to a phase of the generator 10 in order to measure a phase alternating voltage U P. It is known to record the frequency of the phase alternating voltage U P in order to derive the speed of the generator.

Im Rahmen der Erfindung kann die Energieversorgungseinheit 100 in zwei Zuständen betrieben werden, einem ersten Zustand („Standby“), in dem im Wesentlichen keine Leistung in das Bordnetz abgegeben wird, und in einen zweiten Zustand („Leistungsabgabe“), in dem Leistung in das Bordnetz abgegeben wird. Zum Umschalten zwischen diesen Zuständen wird der Feldregler 15 angesteuert, um im ersten Zustand eine Phasenwechselspannung UP auf einen Wert unterhalb der momentanen Bordspannung UB zu regeln. Die Regelung erfolgt zweckmäßigerweise so, dass die Amplitude der Phasenwechselspannung unterhalb der Summe aus momentaner Bordspannung UB und der gesamten Flussspannung durch die beiden beteiligten Dioden (z.B. etwa 1,4 V bei Si-Dioden) liegt, vorzugsweise bei etwa 80% dieser Summe. Die Bordspannung UB wird in diesem Fall von der Batterie 30 und anderen Energiespeichern im Bordnetz erzeugt.Within the scope of the invention, the energy supply unit 100 can be operated in two states, a first state (“standby”) in which essentially no power is supplied to the on-board network, and a second state (“power output”) in which power is supplied to the on-board network. To switch between these states, the field controller 15 is controlled in order to regulate a phase alternating voltage U P to a value below the current on-board voltage U B in the first state. The regulation is expediently carried out in such a way that the amplitude of the phase alternating voltage is below the sum of the current on-board voltage U B and the total forward voltage through the two diodes involved (e.g. approximately 1.4 V for Si diodes), preferably at approximately 80% of this sum. The on-board voltage U B is generated in this case by the battery 30 and other energy storage devices in the on-board network.

Ein beispielhafter zeitlicher Verlauf eines Umschaltens von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand wird nun unter Bezugnahme auf 2 erläutert.An exemplary time course of a switch from the second state to the first state will now be described with reference to 2 explained.

In 2 ist in einem Diagramm 200 auf der Ordinate die jeweilige Spannung U gegen die Zeit t auf der Abszisse für ein Umschalten von dem zweiten Zustand (Leistungsabgabe) in den ersten Zustand (Standby) dargestellt. Ein Graph UB entspricht einer Bordspannung und ein Graph UP entspricht einer Amplitudenhöhe der Phasenwechselspannung zwischen einem Phasenanschluss des Generators und Masse. Im Rahmen der Erfindung kann äquivalent eine Regelung der Phasenwechselspannung Uw zwischen zwei Phasenanschlüssen einer Phase des Generators erfolgen. Diese Ausführungsform benötigt zwei Anschlüsse zu den Ständerwicklungen.In 2 In a diagram 200, the respective voltage U is plotted against time t on the abscissa for switching from the second state (power output) to the first state (standby). A graph U B corresponds to an on-board voltage and a graph U P corresponds to an amplitude level of the phase alternating voltage between a phase connection of the generator and ground. Within the scope of the invention, the phase alternating voltage Uw can be regulated equivalently between two phase connections of a phase of the generator. This embodiment requires two connections to the stator windings.

Für eine Zeitspanne t < to wird die Energieversorgungseinheit im zweiten Zustand betrieben, in dem das Bordnetz von der Energieversorgungseinheit 100 versorgt wird. Dazu wird die Bordspannung UB auf einen erwünschten Wert geregelt, bspw. etwa 14 Volt. Die Phasenwechselspannung UP liegt einen Betrag ΔU oberhalb der Bordspannung UB, wobei ΔU dem Spannungsabfall über den Gleichrichterelementen entspricht.For a period of time t < t0, the energy supply unit is operated in the second state in which the on-board network is supplied by the energy supply unit 100. For this purpose, the on-board voltage U B is regulated to a desired value, for example approximately 14 volts. The phase alternating voltage U P is an amount ΔU above the on-board voltage U B , where ΔU corresponds to the voltage drop across the rectifier elements.

Zum Zeitpunkt to wird in den ersten Zustand umgeschaltet, d.h. statt der Bordspannung UB wird nun die Phasenwechselspannung UP geregelt. Dazu wird der Feldregler 15 so angesteuert, dass er die Phasenwechselspannung UP statt der Bordspannung UB regelt. Der Sollwert für die Phasenwechselspannung wird beim Umschalten zweckmäßigerweise so gewählt, dass sich die Bordspannung noch nicht ändert. Nach dem Umschalten wird die Phasenwechselspannung schrittweise oder kontinuierlich auf einen (insbesondere von einem Steuergerät vorgegebenen) Ziel-Sollwert UP0 abgesenkt, welcher zum Zeitpunkt t1 erreicht ist. Es wird nun keine Leistung mehr von der Energieversorgungseinheit in das Bordnetz abgegeben. Ein geeigneter Wert liegt beispielsweise bei UP0 < UB0+ΔU, bspw. bei 95%, 90%, 85% oder 80% des Werts UB0+ΔU.At time t o , the system switches to the first state, i.e. the phase alternating voltage U P is now regulated instead of the on-board voltage U B. For this purpose, the field controller 15 is controlled so that it regulates the phase alternating voltage U P instead of the on-board voltage U B. The setpoint for the phase alternating voltage is expediently selected during switching so that the on-board voltage does not yet change. After switching, the phase alternating voltage is reduced step by step or continuously to a target setpoint U P0 (in particular specified by a control unit), which is reached at time t 1 . No more power is now supplied from the energy supply unit to the on-board network. A suitable value is, for example, U P0 < U B0 +ΔU, e.g. 95%, 90%, 85% or 80% of the value U B0 +ΔU.

Durch das Absenken der Phasenwechselspannung sinkt auch die Bordspannung UB. Zu einem Zeitpunkt t2 erreicht sie einen Wert UB0, der von der Batterie 30 und anderen Energiespeichern im Bordnetz bestimmt wird. Die Bordspannung kann nicht unter diesen Wert fallen, wohingegen die Phasenwechselspannung, die durch den Gleichrichter vom Bordnetz getrennt ist, weiter reduziert werden kann. By reducing the phase alternating voltage, the on-board voltage U B also decreases. At a time t 2 it reaches a value U B0 , which is determined by the battery 30 and other energy storage devices in the on-board network. The on-board voltage cannot fall below this value, whereas the phase alternating voltage, which is separated from the on-board network by the rectifier, can be further reduced.

In diesem Betriebszustand wird keine Leistung von der Energieversorgungseinheit in das Bordnetz abgegeben, das Bordnetz wird nur von den Energiespeichern, wie z.B. der Batterie, versorgt.In this operating state, no power is supplied from the energy supply unit to the on-board network; the on-board network is only supplied by the energy storage devices, such as the battery.

Ein bevorzugtes Umschalten vom zweiten Zustand in den ersten Zustand erfolgt in entsprechender umgekehrter Weise, wobei eine schrittweise oder kontinuierliche Erhöhung der Phasenwechselspannung stattfindet und am Ende der Erhöhung dann wieder auf die Regelung der Bordspannung umgeschaltet wird.A preferred switching from the second state to the first state takes place in a correspondingly reverse manner, whereby a step-by-step or continuous increase in the phase alternating voltage takes place and at the end of the increase the system then switches back to regulating the on-board voltage.

Claims (14)

Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungseinheit (100) für ein Bordnetz (30, 31) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Energieversorgungseinheit (100) einen Wechselstromgenerator (10) mit einer Ständerwicklung (11) und einer Läuferwicklung (12), einen der Läuferwicklung (12) zugeordneten Feldregler (15) zur Vorgabe des durch die Läuferwicklung (12) fließenden Stroms und einen Gleichrichter (20) mit Gleichrichterelementen (21) zur Gleichrichtung der von dem Wechselstromgenerator erzeugten Phasenwechselspannungen (UP, UW) aufweist, wobei die Energieversorgungseinheit (100) in einem ersten Zustand so betrieben wird, dass eine Phasenwechselspannung (UP, UW) der von dem Wechselstromgenerator (10) erzeugten Phasenwechselspannungen (UP, UW) auf einen vorgebbaren Sollwert (UP0) größer Null geregelt wird.Method for operating a power supply unit (100) for an on-board network (30, 31) of a motor vehicle, wherein the power supply unit (100) has an alternating current generator (10) with a stator winding (11) and a rotor winding (12), a field regulator (15) assigned to the rotor winding (12) for specifying the current flowing through the rotor winding (12), and a rectifier (20) with rectifier elements (21) for rectifying the phase alternating voltages (U P , U W ) generated by the alternating current generator, wherein the power supply unit (100) is operated in a first state such that a phase alternating voltage (U P , U W ) of the phase alternating voltages (U P , U W ) generated by the alternating current generator (10) is regulated to a predefinable target value (U P0 ) greater than zero. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sollwert (UP0) so vorgegeben wird, dass im Wesentlichen kein Strom von der Energieversorgungseinheit (100) in das Bordnetz (30, 31) abgegeben wird.Procedure according to Claim 1 , wherein the setpoint value (U P0 ) is predetermined such that substantially no current is supplied from the energy supply unit (100) to the on-board network (30, 31). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sollwert (UP0) so vorgegeben wird , dass die Phasenwechselspannung (UP, UW) kleiner als die Summe aus momentaner Bordspannung (UB) und der an den Gleichrichterelementen (21) abfallenden Spannung (ΔU) ist.Procedure according to Claim 1 or 2 , where the setpoint (U P0 ) is specified so that the pha alternating voltage (U P , U W ) is smaller than the sum of the instantaneous on-board voltage (U B ) and the voltage drop across the rectifier elements (21) (ΔU). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sollwert (UP0) so vorgegeben wird, dass die Phasenwechselspannung (UP, UW) größer gleich 50% und kleiner 100% der momentanen Bordspannung (UB) ist, vorzugsweise zwischen 50% und 80%.Method according to one of the preceding claims, wherein the setpoint value (U P0 ) is predetermined such that the phase alternating voltage (U P , U W ) is greater than or equal to 50% and less than 100% of the instantaneous on-board voltage (U B ), preferably between 50% and 80%. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungseinheit (100) in einem Rekuperationsbetrieb in dem ersten Zustand betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the energy supply unit (100) is operated in a recuperation mode in the first state. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungseinheit (100) nur in den ersten Zustand gebracht wird, wenn der Ladezustand eines Kraftfahrzeugenergiespeichers (30) einen vorgegebenen oder vorgebbaren oberen Ladungsschwellenwert überschreitet.Method according to one of the preceding claims, wherein the energy supply unit (100) is only brought into the first state when the charge state of a motor vehicle energy storage device (30) exceeds a predetermined or predefinable upper charge threshold value. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei einem Bordnetz mit mehren Teilbordnetzen mit unterschiedlichen Teilbordspannungen, wobei der Wechselstromgenerator einzeln mit den Teilbordnetzen verbindbar ist, wobei vor einem Umschalten des Wechselstromgenerators von einem Teilbordnetz zu einem anderen die Energieversorgungseinheit (100) in den ersten Zustand gebracht und so betrieben wird, dass die Phasenwechselspannung kleiner als die kleinste der beteiligten Teilbordspannungen ist.Method according to one of the preceding claims, wherein in an on-board network with several sub-on-board networks with different sub-on-board voltages, wherein the alternating current generator can be connected individually to the sub-on-board networks, wherein before switching the alternating current generator from one sub-on-board network to another, the energy supply unit (100) is brought into the first state and operated such that the phase alternating voltage is smaller than the smallest of the sub-on-board voltages involved. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungseinheit (100) in einem zweiten Zustand so betrieben wird, dass die Bordspannung (UB) auf einen vorgebbaren Sollwert geregelt wird, wobei Leistung von der Energieversorgungseinheit (100) in das Bordnetz (30, 31) abgegeben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the energy supply unit (100) is operated in a second state such that the on-board voltage (U B ) is regulated to a predeterminable target value, wherein power is delivered from the energy supply unit (100) to the on-board network (30, 31). Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Energieversorgungseinheit (100) in den zweiten Zustand gebracht wird, wenn der Ladezustand eines Kraftfahrzeugenergiespeichers (30) einen vorgegebenen oder vorgebbaren unteren Ladungsschwellenwert unterschreitet.Procedure according to Claim 8 , wherein the energy supply unit (100) is brought into the second state when the charge state of a motor vehicle energy store (30) falls below a predetermined or predeterminable lower charge threshold value. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Energieversorgungseinheit (100) in den zweiten Zustand gebracht wird, wenn die momentane Bordspannung (UB) einen vorgebbaren oder vorgegebenen Mindestwert unterschreitet.Procedure according to Claim 8 or 9 , wherein the energy supply unit (100) is brought into the second state when the instantaneous on-board voltage (U B ) falls below a predeterminable or predetermined minimum value. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei die Phasenwechselspannung (UP, Uw) beim Umschalten von dem ersten in den zweiten Zustand und/oder beim Umschalten von dem zweiten in den ersten Zustand kontinuierlich oder in mehr als einer Stufe verändert wird.Procedure according to Claim 8 , 9 or 10 , wherein the phase alternating voltage (U P , Uw) is changed continuously or in more than one step when switching from the first to the second state and/or when switching from the second to the first state. Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.Computing unit configured to carry out a method according to one of the preceding claims. Feldregler (15) für einen Wechselstromgenerator (10) einer Energieversorgungseinheit (100) zur Versorgung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, mit einem Läuferwicklungsanschluss zum Anschließen einer Läuferwicklung (12) des Wechselstromgenerators (10), einem Phasenwicklungsanschluss zum Anschließen einer Phasenwicklung (16) des Wechselstromgenerators (10), einem Gleichspannungsanschluss zum Anschließen der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators (10) und einem Steuergeräteanschluss, über den der Feldregler dazu eingerichtet werden kann, die Amplitude der von dem Wechselstromgenerator (10) erzeugten Phasenwechselspannung (UP, UW) auf einen vorgebbaren Sollwert (UP0) zu regeln.Field controller (15) for an alternating current generator (10) of a power supply unit (100) for supplying an on-board network of a motor vehicle, with a rotor winding connection for connecting a rotor winding (12) of the alternating current generator (10), a phase winding connection for connecting a phase winding (16) of the alternating current generator (10), a direct voltage connection for connecting the rectified output voltage of the alternating current generator (10) and a control unit connection via which the field controller can be set up to regulate the amplitude of the phase alternating voltage (U P , U W ) generated by the alternating current generator (10) to a predefinable target value (U P0 ). Feldregler (15) nach Anspruch 13, der über den Steuergeräteanschluss dazu eingerichtet werden kann, die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators (10) auf einen vorgebbaren Sollwert zu regeln.Field controller (15) after Claim 13 , which can be set up via the control unit connection to regulate the rectified output voltage of the alternating current generator (10) to a predeterminable target value.
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