DE102011105883A1

DE102011105883A1 - Verfahren zur Regelung eines Generators und Generatorregler

Info

Publication number: DE102011105883A1
Application number: DE201110105883
Authority: DE
Inventors: Marco Baumgarth; Christoph Zeipelt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2013-01-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Generators (1) mittels eines Generatorreglers (2), wobei der Generatorregler (2) in Abhängigkeit einer Abweichung einer Generatorausgangsspannung von einer vorgegebenen Sollspannung einen Erregerstrom (I_E) des Generators (1) nachregelt, wobei dem Generatorregler (2) eine Generatorreaktionszeit t_LR zugeordnet ist, die den Anstieg des Erregerstroms (I_E) zeitlich streckt, wobei im Fahrbetrieb mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit V ungleich Null und eingelegtem Gang eine Generatorreaktionszeit t_LR-n eingestellt wird, wobei im Leerlauf eines Motors (3) mit einer Motordrehzahl n_LL eine Generatorreaktionszeit t_LR-LL eingestellt wird, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V Null ist und/oder im Fahrbetrieb die Pedalerie betätigt ist, wobei t_LR-LL > t_LR-n ist, sowie einen hierfür geeigneten Generatorregler (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Generators und einen Generatorregler.
Generatorregler in Kraftfahrzeugen dienen dazu, eine Generatorausgangsspannung auf eine vorgegebene Sollspannung zu regeln. Dabei wird der Generator von einem Motor angetrieben, wobei eine gegebenenfalls erzeugte Wechselspannung in eine Gleichgröße gewandelt wird. Die Ausgangsspannung und damit verknüpft der Ausgangsstrom am Generator kann durch das Erregerfeld in der Läuferwicklung des Generators verändert werden. Steigt also beispielsweise der Strombedarf im Fahrzeug und/oder eines angeschlossenen Energiespeichers, beispielsweise in Form einer Batterieeinheit, resultiert, physikalisch bedingt, ein Spannungseinbruch daraus. Der Generatorregler erhöht das Erregerfeld des Generatorläufers und hält somit die Generatorspannung stabil. Daraus resultiert ein ausgeregelter, erhöhter Abgabestrom des Generators. Wird bei gleichbleibendem Erregerfeld die Drehzahl erhöht oder der Verbraucherstrom verringert, so steigt die Abgabespannung des Generators an. Weiter sind Generatorregler mit einer Generatorreaktionszeit-Funktion (Loard-Response-Funktion) bekannt. Dabei ist die Generatorreaktionszeit die Zeit, die der Generator benötigt, um den Generatorausgangsstrom von einem Ist-Zustand auf beispielsweise 90% eines neuen Sollzustandes zu erhöhen. Vereinfacht ausgedrückt macht die Generatorreaktionszeit den Generatorregler träge. Dadurch werden mechanische Rückwirkungen auf den antreibenden Motor reduziert, da dieser nicht schlagartig höhere Moments liefern muss, was zu Drehzahleinbrüchen führen könnte. Dies ist insbesondere in niedrigen Drehzahlbereichen, z. B. Motorleerlauf kritisch. Daher ist es auch bekannt, eine Deaktivierungsdrehzahl vorzusehen, oberhalb derer die Generatorreaktionszeit-Funktion deaktiviert wird, d. h. die Generatorreaktivierungszeit auf Null gesetzt ist.
Ein Problem bei den Generatorreglern ist der leerlaufnahe Drehzahlbereich bei teilerregtem Generator. Tritt in einer solchen Phase der Fahrer bei eingelegtem Gang auf das Gaspedal, so kommt es aufgrund des höheren Antriebsmoments zu einem kurzzeitigen Einbruch der Motordrehzahl. Dies bewirkt bei gleichbleibendem Abgabestrom ein Einbrechen der Generatorspannung. Der Generatorregler regelt dann diesem Absinken entgegen und erhöht den Erregerstrom im Generatorläufer. Steigt die Motordrehzahl nach dem Einbruch schlagartig an, entsteht bei gleichbleibendem Abgabestrom durch das erhöhte Generatorläuferfeld eine Überspannung im Bordnetz. Diese Drehzahlgradienten bzw. das daraus resultierende Generatorregelverhalten können zu transienten Überspannungen führen, die gegebenenfalls empfindliche Komponenten zerstören.
Eine Lösung könnte dann darin bestehen, im leerlaufnahen Drehzahlbereich die Sollspannung zu erniedrigen. Dadurch würde ein Mindestabstand der Spannung zur Ausfallspannung von Fahrzeugkomponenten eingehalten werden. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass aufgrund der reduzierten Sollspannung am Generatorausgang eine Batterieladung kaum oder gar nicht mehr realisiert werden kann.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Regelung eines Generators sowie einen hierfür geeigneten Generatorregler zu schaffen, mittels derer im leerlaufnahen Drehzahlbereich das Problem transienter Überspannungen reduziert wird und gleichzeitig eine Ladung einer Batterie oder ähnlicher Energiespeicher möglich bleibt.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Verfahren zur Regelung eines Generators erfolgt mittels eines Generatorreglers, wobei der Generatorregler in Abhängigkeit einer Abweichung einer Generatorausgangsspannung von einer vorgegebenen Sollspannung einer Erregerstrom des Generators (genauer: in der Generatorläuferwicklung) nach regelt. Dem Generatorregler ist eine Generatorreaktionszeit (load response time) zugeordnet, die den Anstieg des Erregerstroms zeitlich streckt, so dass auch der Anstieg des Generatorausgangsstroms und somit die Generatorausgangsspannung zeitlich gestreckt wird, wobei im Fahrbetrieb mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit ungleich Null und eingelegtem Gang eine Generatorreaktionszeit t_LR-n eingestellt wird. Im Leerlauf eines den Generator antreibenden Motors mit einer Motordrehzahl n_LL wird eine Generatorreaktionszeit t_LR-LL eingestellt, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit Null ist (Fahrzeugstillstand) und/oder im Fahrbetrieb (Fahrzeuggeschwindigkeit ungleich Null) die Pedalerie betätigt ist (Segelbetrieb mit betätigtem Gas- oder Bremspedal), wobei t_LR-LL > t_LR-n ist. Dadurch wird der Generator in diesen beiden Betriebsphasen träger, so dass starke Drehzahlgradienten des Motors sich nicht schlagartig am Generatorausgang bemerkbar machen. Hierdurch werden transiente Überspannungen am Generatorausgang vermieden, ohne die Sollspannung am Generatorausgang reduzieren zu müssen bzw. nicht so stark reduzieren zu müssen. Somit ist eine ausreichende Ladung der Batterie auch in den Leerlaufphasen gewährleistet. Der Ausdruck Pedalerie bezeichnet dabei ein Eingabeelement für einen Beschleunigungs- oder Bremswunsch, die nicht notwendigerweise in Form eines Pedals ausgebildet sein müssen. Betätigte Pedalerie bezeichnet also einen Betriebszustand, wobei der Fahrer einen Beschleunigungswunsch oder Bremswunsch eingibt.
In einer weiteren Ausführungsform ist dem Generatorregler eine Motordrehzahl n eines Motors als eine Deaktivierungsdrehzahl ng zugeordnet, wobei bei Motordrehzahlen n ≥ n_g die Generatorreaktionszeit t_LR auf Null gesetzt wird, wobei im Fahrbetrieb mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit ungleich Null und eingelegtem Gang eine Deaktivierungsdrehzahl n_g-n eingestellt wird, wobei im Leerlauf, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit Null ist und/oder im Fahrbetrieb die Pedalerie betätigt ist (Segelbetrieb mit betätigter Pedalerie), eine Deaktivierungsdrehzahl n_g-LL eingestellt wird, wobei n_g-LL > n_g-n ist. Hierdurch wird verhindert, dass durch hohe Motordrehzahlen die Generatorreaktionszeit-Funktion deaktiviert wird, wodurch die eingestellte Trägheit über die erhöhte Generatorreaktionszeit ausgehebelt werden würde.
In einer weiteren Ausführungsform wird im Leerlauf des Motors mit einer Motordrehzahl n_LL die Generatorreaktionszeit t_LR auf Null gesetzt, wenn im Fahrbetrieb die Pedalerie nicht betätigt ist (Segelbetrieb mit unbetätigter Pedalerie). In diesem Betriebszustand ist unter Umständen eine hohe Dynamik elektrischer Verbraucher zu versorgen, beispielsweise eine elektromechanische Lenkung oder eine ESP-Funktion. In diesem Betriebszustand könnte eine hohe Generatorreaktionszeit zu Spannungseinbrüchen führen, so dass die Generatorreaktionszeit-Funktion deaktiviert wird (gleichbedeutend mit Generatorreaktionszeit t_LR = 0).
In einer weiteren Ausführungsform wird eine eingestellte Generatorreaktionszeit und/oder die eingestellte Deaktivierungsdrehzahl bei einem Betriebspunktwechsel für eine Nachlaufzeit beibehalten. Somit wird verhindert, dass es gegebenenfalls zu vielen schnellen Änderungen der Parameter der Generatorreaktionszeit-Funktion kommt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Generatorsollspannung im Vergleich zum Fahrbetrieb mit eingelegtem Gang erhöht oder bleibt gleich. Wie bereits erläutert, muss aufgrund der erhöhten Trägheit des Generatorreglers die Generatorsollspannung nicht erniedrigt werden, um transiente Überspannungen zu verhindern. Daher kann die Generatorsollspannung gleich einer Generatorsollspannung im Fahrbetrieb mit eingelegtem Gang gewählt werden oder sogar größer. Dadurch wird die Ladeleistung einer Batterie erhöht. Allerdings kann auch vorgesehen sein, die Generatorsollspannung geringfügig im Vergleich zum Fahrbetrieb mit eingelegtem Gang zu reduzieren, um so eine gewisse Sicherheitsmarge gegen Überspannungen zu haben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Regelung eines Generators,
2 einen beispielhaften Verlauf von Motordrehzahl und Generatorreaktionszeit und
3 einen schematischen Verlauf des Generatorstroms aufgrund einer eingestellten Generatorreaktionszeit.
Die Vorrichtung zur Regelung eines Generators 1 umfasst einen Generatorregler 2, einen den Generator 1 antreibenden Motor 3 und ein den Motor 3 steuerndes Motorsteuergerät 4. Der Generator 1 ist ausgangsseitig mit einer Batterie 5 verbunden, die verschiedene elektrische Verbraucher 6 versorgt, wobei beispielhaft nur ein Verbraucher 6 dargestellt ist. Der Generatorregler 2 ist mit einer Generatorreaktionszeit-Funktion ausgebildet, wozu diesem abhängig vom Betriebszustand eine Generatorreaktionszeit t_LR und eine Deaktivierungsdrehzahl n_g zugeordnet ist. Der Generatorregler 2 erfasst eine Generatorausgangsspannung U_ist und regelt in Abhängigkeit einer Abweichung zu einer vom Generatorregler 2 vorgegebenen Sollspannung einen Erregerstrom I_E des Generators 1. Sinkt beispielsweise die Generatorausgangsspannung U_ist unter die vorgegebene Sollspannung, so wird der Erregerstrom I_E erhöht. Wie schnell der Generatorregler 2 reagiert, wird durch die Generatorreaktionszeit t_LR festgelegt. In 3 ist beispielhaft dargestellt, wie die Generatoreaktionszeit t_LR definiert ist. Soll der Generatorstrom I_G-ist auf I_G-soll angehoben werden, so ist die Generatorreaktionszeit t_LR beispielsweise als die Zeit definiert, bis 90% der nachzuregelnden Differenz erreicht sind (I_G(t_LR) = 0,9 (I_G-soll – I_G-ist)). Anschaulich stellt die Generatorreaktionszeit t_LR die Trägheit des Generatorreglers 2 dar. Die Deaktivierungsdrehzahl n_g gibt die Motordrehzahl n des Motors 3, ab der die Generatorreaktionszeit-Funktion deaktiviert wird, was gleichbedeutend ist mit einer Generatorreaktionszeit t_LR = 0. Des weiteren erhält der Generatorregler 2 als Eingangsgrößen die Motordrehzahl n, die Fahrzeuggeschwindigkeit V sowie Betätigungssignale B, G der Pedalerie. Dabei gibt das Signal B an, ob die Bremse betätigt wird, und das Signal G, ob das Gaspedal betätigt wird. Dabei sei angemerkt, dass die Werte von n, V, B und G nicht zwangsweise vom Motorsteuergerät 4 stammen müssen, sondern auch anderweitig ermittelt werden können.
Prinzipiell werden erfindungsgemäß vier Betriebszustände unterschieden:

1) Leerlauf mit Fahrzeuggeschwindigkeit Null (Leerlauf im Fahrzeugstillstand),
2) Leerlauf im Fahrbetrieb mit betätigter Pedalerie (Motorleerlauf, V ≠ 0; B oder G ≠ 0), d. h. Segelbetrieb mit betätigter Pedalerie
3) Leerlauf im Fahrbetrieb mit unbetätigter Pedalerie (Motorleerlauf, V ≠ 0, B = G = 0), d. h. Segelbetrieb mit unbetätigter Pedalerie und
4) Fahrbetrieb mit eingelegtem Gang (V ≠ 0).

Dabei ist dem vierten Betriebszustand mindestens eine Generatorreaktionszeit t_LR-n und eine Deaktivierungsdrehzahl n_g-n zugeordnet. Es ist aber möglich, dass dieser vierte Betriebszustand unterteilt ist, so dass verschiedene t_LR-n bzw. n_g-n existieren. Nachfolgend soll der Einfachheit halber von nur jeweils einem Wert ausgegangen werden, wobei im Falle mehrerer Werte der jeweils größte Wert für die Generatorreaktionszeit t_LR-n der Referenzpunkt wäre.
In dem ersten und zweiten Betriebszustand wird die Generatorreaktionszeit t_LR auf eine Generatorreaktionszeit t_LR-LL eingestellt, wobei t_LR-LL größer als t_LR-n ist, d. h. der Generatorregler 2 wird extrem träge eingestellt. Damit werden starke Gradienten der Drehzahl n abgepuffert und somit transiente Überspannungen beim Beschleunigen aus dem Leerlauf mit kurzzeitigen Drehzahleinbrüchen vermieden, da der Generatorregler 2 nur träge auf den Drehzahleinbruch reagiert, d. h. den Erregerstrom I_E nur langsam erhöht. Gleichzeitig wird die Deaktivierungsdrehzahl n_g auf n_g-LL erhöht, um eine Deaktivierung der Generatorreaktionszeit-Funktion sicher anzuschließen.
Im dritten Betriebszustand wird hingegen die Generatorreaktions-Funktion deaktiviert, d. h. t_LR auf Null gesetzt, so dass der Generatorregler 2 sehr dynamisch nachregelt.
In der 2 ist ein beispielhafter Verlauf der Motordrehzahl n und der zugehörigen Generatorreaktionszeit t_LR dargestellt. Bis zum Zeitpunkt t₁ befindet sich das Fahrzeug im vierten Betriebszustand mit einer Motordrehzahl n > n_LL. Zum Zeitpunkt t₁ wechselt der Betriebszüstand in den zweiten Betriebszustand mit betätigter Pedalerie (z. B. betätigt der Fahrer die Bremse). Das Kraftfahrzeug befindet sich im Segelbetrieb. Nach einer Nachlaufzeit Δt schaltet der Generatorregler 2 auf eine Generatorreaktionszeit t_LR-LL, wohingegen eine Generatorsollspannung unverändert bleibt. Zu einem Zeitpunkt t₂ wechselt dann das Fahrzeug wieder in den vierten Betriebszustand. Nach einer Nachlaufzeit Δt wechselt dann die Generatorreaktionszeit t_LR wieder von t_LR-LL auf t_LR-n.

Claims

Verfahren zur Regelung eines Generators (1) mittels eines Generatorreglers (2), wobei der Generatorregler (2) in Abhängigkeit einer Abweichung einer Generatorausgangsspannung von einer vorgegebenen Sollspannung einen Erregerstrom (I_E) des Generators (1) nachregelt, wobei dem Generatorregler (2) eine Generatorreaktionszeit t_LR zugeordnet ist, die den Anstieg des Erregerstroms (I_E) zeitlich streckt, wobei im Fahrbetrieb mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit V ungleich Null und eingelegtem Gang eine Generatorreaktionszeit t_LR-n eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlauf eines Motors (3) mit einer Motordrehzahl n_LL eine Generatorreaktionszeit t_LR-LL eingestellt wird, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V Null ist und/oder im Fahrbetrieb die Pedalerie betätigt ist, wobei t_LR-LL > t_LR-n ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generatorregler (2) eine Motordrehzahl n des Motors (3) als eine Deaktivierungsdrehzahl n_g zugeordnet ist, wobei bei Motordrehzahlen n ≥ n_g die Generatorreaktionszeit t_LR auf Null gesetzt wird, wobei im Fahrbetrieb mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit V ungleich Null und eingelegtem Gang eine Deaktivierungsdrehzahl n_g-n eingestellt wird, wobei im Leerlauf, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V Null ist und/oder im Fahrbetrieb die Pedalerie betätigt ist, eine Deaktivierungsdrehzahl n_g-LL eingestellt wird, wobei n_g-LL > n_g-n ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlauf des Motors (3) mit einer Motordrehzahl n_LL die Generatorreaktionszeit t_LR auf Null gesetzt wird, wenn im Fahrbetrieb die Pedalerie nicht betätigt ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine eingestellte Generatorreaktionszeit t_LR und/oder die eingestellte Deaktivierungsdrehzahl n_g bei einem Betriebspunktwechsel für eine Nachlaufzeit Δt beibehalten wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlauf die Generatorsollspannung im Vergleich zum Fahrbetrieb mit eingelegtem Gang erhöht wird oder gleich bleibt.
Generatorregler (2) mit einstellbarer Generatorreaktionszeit t_LR und Deaktivierungsdrehzahl n_g, wobei der Generatorregler (2) derart ausgebildet ist, dass im Fahrbetrieb mit einer Geschwindigkeit V ungleich Null und eingelegtem Gang eine Generatorreaktionszeit t_LR-n eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Generatorregler (2) derart ausgebildet ist, dass im Leerlauf eines den Generator (1) antreibenden Motors (3) mit einer Motordrehzahl n_LL eine Generatorreaktionszeit t_LR-LL eingestellt wird, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V Null ist und/oder im Fahrbetrieb die Pedalerie betätigt ist, wobei t_LR-LL > t_LR-n ist.
Generatorregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generatorregler (2) eine Motordrehzahl n des Motors (3) als eine Deaktivierungsdrehzahl n_g zugeordnet ist, wobei bei Motordrehzahlen n ≥ n_g die Generatorreaktionszeit t_LR auf Null gesetzt wird, wobei im Fahrbetrieb mit einer Geschwindigkeit V ungleich Null und eingelegtem Gang eine Deaktivierungsdrehzahl n_g-n eingestellt wird, wobei im Leerlauf, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V Null ist und/oder im Fahrbetrieb die Pedalerie betätigt ist, eine Deaktivierungsdrehzahl n_g-LL eingestellt wird, wobei n_g-LL > n_g-n ist.
Generatorregler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlauf des Motors (3) mit einer Motordrehzahl n_LL die Generatorreaktionszeit t_LR auf Null gesetzt wird, wenn im Fahrbetrieb die Pedalerie nicht betätigt ist.
Generatorregler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Generatorregler (2) derart ausgebildete ist, dass eine eingestellte Generatorreaktionszeit t_LR und/oder die eingestellte Deaktivierungsdrehzahl n_g bei einem Betriebspunktwechsel für eine Nachlaufzeit Δt beibehalten wird.
Generatorregler nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlauf die Generatorsollspannung im Vergleich zum Fahrbetrieb mit eingelegtem Gang erhöht wird oder gleich bleibt.