DE102012202352A1

DE102012202352A1 - Generatorsteuerung in einem KFZ Bordnetz

Info

Publication number: DE102012202352A1
Application number: DE201210202352
Authority: DE
Inventors: Niels Flämig
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer Erregerwicklung (1) eines Generators, der von einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges angetrieben wird und über eine Freilaufeinheit mit dem Verbrennungsmotor trieblich gekoppelt ist. Um die Geräuschentwicklung eines solchen Kraftfahrzeuges zu reduzieren, wird vorgeschlagen – die Erregerwicklung (1) bei laufendem Verbrennungsmotor aus einer in einer Statorwicklung (2) des Generators induzierten Spannung zu speisen, – einen Abschaltvorgang des Verbrennungsmotors zu erfassen und – unmittelbar nach Erkennen des Abschaltvorgangs die Erregerwicklung (1) mit einer Fahrzeugbatterie (3) zu verbinden, um diese aus der Fahrzeugbatterie (3) mit einem Erregerstrom (4) zu speisen, so dass zumindest ein Teil der rotatorisch im Generator gespeicherten Energie rekuperativ in die Fahrzeugbatterie (3) gespeist wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Generators, der von einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges angetrieben wird und über eine Freilaufeinheit mit dem Verbrennungsmotor trieblich gekoppelt ist, sowie eine hierfür vorgesehene Steuereinheit.
Ein derartiger Generator, der auch als Lichtmaschine bekannt ist, dient der Stromversorgung in einem KFZ Bordnetz und dem Nachladen einer Fahrzeugbatterie. Ein elektrisch erregter Rotor des Generators wird von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben. Die auf dem Rotor angeordnete und drehfest mit diesem verbundene Erregerwicklung induziert in Folge des von ihr erzeugten, mit der Rotordrehzahl rotierenden magnetischen Feldes über einen Luftspalt des Generators eine Spannung in dessen Ständerwicklung. Diese induzierte Spannung wird gleichgerichtet, um die Fahrzeugbatterie nachzuladen. Als Generator wird verbreitet eine elektrisch erregte, dreiphasige Synchronmaschine eingesetzt. Häufig ist diese in Form einen Klauenpolgenerators ausgebildet.
5 zeigt einen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannten Stromflussplan für eine Generatorsteuerung in einem KFZ Bordnetz. Eine Erregerwicklung 1 eines Drehstromgenerators wird von einem Laderegler 14 mit einem Erregerstrom versorgt. Die Erregerwicklung 1 induziert bei drehendem Läufer des Generators eine Spannung in dessen Ständerwicklung 2. Ein Brückengleichrichter 10 ist mit der Ständerwicklung 2 verbunden und speist eine Fahrzeugbatterie 3 mit einem so vom Generator erzeugten Ladestrom. Der Generator ist selbsterregt. D. h., im laufenden Motorbetrieb wird die Erregerleistung vom Generator selbst zur Verfügung gestellt, indem über einen Hilfsgleichrichter 11 ein geringer Anteil des induzierten Stromes für die Erregerwicklung 1 zur Verfügung gestellt wird. Lediglich beim Anlassen des Motors wird der Erregerstrom 4 aus der Fahrzeugbatterie 3 über einen geschlossenen Zündschlossschalter 12 und eine Ladekontrollleuchte 13 zur Verfügung gestellt. Dies ist erforderlich, da im Ruhezustand des Generators noch keine induzierte Spannung an der Ständerwicklung 2 anliegt, über die der Erregerstrom 4 getrieben werden kann.
Um motordrehzahlabhängige Schwankungen der induzierten Spannung auszugleichen, ist ein Laderegler 14 vorgesehen, der den Erregerstrom 4 so einstellt, dass weder die Ladeschlussspannung der Batterie noch der maximal zulässige Magnetisierungsstrom überschritten werden.
Das von der Verbrennungsmaschine abgegebene Drehmoment unterliegt hohen Schwankungen. Um zu verhindern, dass diese in den Riementrieb des Kraftfahrzeugs rückkoppeln, geschieht die triebliche Kopplung der Kurbelwelle mit der Rotorwelle des Generators in der Regel über eine Generatorfreilaufeinheit.
Sobald die Zündung abgeschaltet wird und entsprechend kein Drehmoment mehr von der Verbrennungsmaschine auf den Generator übertragen wird, sinkt die Klemmspannung des Generators sehr schnell unter die Klemmspannung der Fahrzeugbatterie 3. Somit sperren die Dioden des Brückengleichrichters 10 und der Generator befindet sich im Leerlauf, da ihm keine Wirkleistung mehr entnommen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geräuschentwicklung eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor zu reduzieren.
Dieser Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ansteuerung einer Erregerwicklung eines Generators gelöst, der von einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges angetrieben wird und über eine Freilaufeinheit mit dem Verbrennungsmotor trieblich gekoppelt ist, mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Hierbei wird

– die Erregerwicklung bei laufendem Verbrennungsmotor aus einer in einer Statorwicklung des Generators induzierten Spannung gespeist,
– ein Abschaltvorgang des Verbrennungsmotors erfasst und
– unmittelbar nach Erkennen des Abschaltvorgangs die Erregerwicklung mit einer Fahrzeugbatterie verbunden, um diese aus der Fahrzeugbatterie mit einem Erregerstrom zu speisen, so dass zumindest ein Teil der rotatorisch im Generator gespeicherten Energie rekuperativ in die Fahrzeugbatterie gespeist wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, dass ein Weiterdrehen eines leerlaufenden Generators nach einem Stillstand des Verbrennungsmotors störende Geräusche verursachen kann, die gerade aufgrund der fehlenden Motorgeräusche als besonders störend empfunden werden können.
Der Kerngedanke der Erfindung ist nun darin zu sehen, durch den Abschaltvorgang des Verbrennungsmotors eine rekuperative Bremsung des Generators einzuleiten. Im laufenden Motorbetrieb arbeitet der Generator selbsterregt. Ein Teil der vom Generator selbst erzeugten induktiven Leistung wird also zur Magnetisierung der Erregerwicklung abgezweigt.
Nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors unterschreitet gemäß dem Stand der Technik die an den Klemmen der Ständerwicklung anliegende induzierte Spannung die Batteriespannung, so dass aufgrund des regelmäßig vorgesehenen Diodengleichrichters kein Ladestrom mehr in die Fahrzeugbatterie fließt. Somit befindet sich der Generator im Leerlaufbetrieb, da im System kein Energiespeicher und kein Verbraucher in diesem Zustand mit den Klemmen des Generators verbunden ist. Ohne weitere Maßnahmen kommt der Generator lediglich aufgrund der mechanische, elektrischen und magnetischen Verluste im System zum Stillstand, wodurch der Abbremsvorgang des Rotors für den Fahrer hörbar verlängert wird.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, den Abschaltvorgang zu erfassen und die Selbsterregung in eine Fremderregung zu überführen, indem die Erregerwicklung im Moment des Abschaltens mit der Fahrzeugbatterie verbunden wird. Durch diese zwangsmäßige Aufrechterhaltung der Erregung bremst der Läufer des Generators elektrisch sehr schnell ab. Hierbei wird die zum Zeitpunkt des Motorstopps noch vorhandene rotatorisch gespeicherte Energie in die Fahrzeugbatterie gespeist und geht nicht wie bei herkömmlichen Generatoren in Form von Wärme verloren. Die Erregung ist demnach insbesondere von einem Laderegler des Generators so einzustellen, dass nach dem Abschalten des Motors die Klemmspannung des Generators die Batteriespannung nahezu bis zum Rotorstillstand übersteigt.
Nach dem Stillstand des Generators ist die Erregung nicht mehr zweckdienlich. Ihre Aufrechterhaltung würde allenfalls noch ohmsche Verluste hervorrufen, die die Fahrzeugbatterie entladen würde. Mithin wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass ein Stillstand des Rotors des Generators nach dem Abschaltvorgang erfasst wird und nach Erkennen des Rotorstillstandes die Erregerwicklung von der Fahrzeugbatterie getrennt wird, um den Erregerstrom zu unterbrechen.
Eine einfache Detektion des Stillstandes des Rotors gelingt vorteilhafterweise durch Messen einer Messgröße, die eine vom Generator abgegebene elektrische Leistung repräsentiert.
Ferner gelingt die Aufgabe durch eine Steuereinheit für einen selbsterregten Generator eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 4. Diese Steuereinheit umfasst

– eine Sensorik zur Erfassung eines Abschaltvorgangs eines den Generator antreibenden Verbrennungsmotors und zur Erzeugung eines den Abschaltvorgang anzeigenden Abschaltsignals und
– eine Schalteinheit mit einem Eingang für das Abschaltsignal und Mitteln zur Verbindung der Erregerwicklung des Generators mit einer Fahrzeugbatterie bei anliegendem Abschaltsignal.

Ein Verwendung der erfindungsgemäßen Sensorik ist insbesondere in Start-Stopp Systemen mit Generatorfreilauf besonders vorteilhaft, da hier ohne die erfindungsgemäße elektrisch rekuperative Bremsung des Läufers bei Motorstopp besonders häufig störende Nachlaufgeräusche aufträten.
Die Sensorik lässt sich vorteilhafterweise sehr einfach durch eine Spannungsmessung über einem vom Zündschlüssel steuerbaren Kontakt realisieren. Ein einfacher Controller wird beispielsweise vorgesehen, um ein Abschaltsignal zu generieren. Die Schalteinheit weist insbesondere einen Leistungshalbleiter, vorteilhafterweise einen Leistungs-MOSFET, und eine Treiberschaltung zu dessen Ansteuerung auf. Die Treiberschaltung wandelt das Abschaltsignal in ein für den Steuereingang des Leistungshalbleiters geeignetes Einschaltsignal um, so dass dieser die Erregerwicklung mit der Fahrzeugbatterie verbindet.
Zur Erkennung eines Stillstandes des Rotors des Generators und zur Erzeugung eines Rotorstillstandsignals umfasst eine vorteilhafte Ausgestaltung der Steuereinheit eine weitere Sensorik, wobei die Schalteinheit einen weiteren Eingang für das Rotorstillstandsignal aufweist und dazu eingerichtet ist, bei anliegendem Rotorstillstandsignal die Erregerwicklung wieder von der Fahrzeugbatterie zu trennen.
Ein einfache Ausbildung dieser weiteren Sensorik ist ein Strom- oder Spannungssensor. Beispielsweise kann der Ladestrom der Fahrzeugbatterie gemessen werden und bei Unterschreitung eines Schwellwertes auf einen Rotorstillstand geschlossen werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird ein Generator zur Stromversorgung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen mit

– einer Steuereinheit nach einer der zuvor genannten Ausführungsformen,
– einem mit einer Ständerwicklung des Generators eingangsseitig verbundenen Brückengleichrichter, an dessen Ausgangsklemmen die Fahrzeugbatterie anschließbar ist und
– einem Hilfsgleichrichter zur Stromversorgung der Erregerwicklung des Generators aus einer in einer Statorwicklung des Generators induzierten Spannung.

Besagte Gleichrichter können als Diodengleichrichter in Form von B6-Brücken ausgebildet sein, wobei vorteilhafterweise eine Minimierung des Bauteilbedarf dadurch erzielt wird, dass die Lowside- oder Highside-Dioden nur einmalig für beide Gleichrichter verwirklicht sind und diese mithin gemeinsam genutzt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Generators umfasst einen Generatorfreilauf über den er mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors trieblich koppelbar ist, um eine Rückkopplung von Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors in den Riementrieb des Fahrzeugs zu minimieren. Durch die erfindungsgemäße Zuschaltung der Fremderregung des Generators aus der Fahrzeugbatterie während des Motorstopps wird ein in diesem Zusammenhang auftretendes störendes Generatornachlaufen unterdrückt.
Das Zuschalten der Fremderregung gelingt in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung dadurch, dass die Schalteinheit derart im Bordnetz angeordnet ist, dass sie beim Verbinden der Erregerwicklung mit der Fahrzeugbatterie den Zündschlossschalter überbrückt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 ein Beispiel für ein auf der Erfindung basierendes Bordnetz eines Kraftfahrzeugs in einem Ruhezustand,
2 das in 1 gezeigte Bordnetz bei einem Startvorgang,
3 das in 1 gezeigte Bordnetz bei laufendem Verbrennungsmotor,
4 das in 1 gezeigte Bordnetz bei gestopptem Verbrennungsmotor und
5 ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein Beispiel für ein auf der Erfindung basierendes Bordnetz eines Kraftfahrzeugs in einem Ruhezustand. Diese umfasst zunächst die aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannte und eingangs im Zusammenhang mit 5 bereits beschriebenen Komponenten wie eine Fahrzeugbatterie 3, einen Generator mit Ständerwicklung 1 und Erregerwicklung 1 zur Versorgung des Bordnetzes und zum Laden der Fahrzeugbatterie 3, Haupt- und Hilfsgleichrichter 10, 11 einen Laderegler 14, einen Zündschlossschalter 12 sowie eine Ladekontrollleuchte 13. Die grundsätzliche Funktion dieser Komponenten ist bereits im Zusammenhang mit 5 erläutert worden, sodass diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
Diese aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungskonfiguration wird nunmehr ergänzt um eine Steuereinheit umfassend eine als Spannungssensor ausgebildete Sensorik 5, eine weitere als Stromsensor ausgebildete Sensorik 6 und eine Schalteinheit 8. Besagte Schalteinheit 8 ist signaltechnisch mit dem Spannungssensor und dem Stromsensor verbunden und in einen Strompfad eingebaut, der den Pluspol der Fahrzeugbatterie 3 über den Laderegler 14 mit der Erregerwicklung 1 verbindet.
Die Schalteinheit 8 umfasst einen Leistungs-MOSFET, dessen Drainkontakt mit dem Pluspol der Batterie verbunden ist und dessen Sourcekontakt mit dem Laderegler 14 verbunden ist sowie mit dem Highside-Ausgang des Hilfsgleichrichters 11.
Mittels des Spannungssensors kann der Schaltzustand des Zündschlossschalters 12 bestimmt werden. Wird dieser nach laufendem Motorbetrieb geöffnet, sendet die Sensorik 5 ein entsprechendes Abschaltsignal 7 an die Schalteinheit 8. Die Schalteinheit umfasst eine nicht dargestellte Logik beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers, FPGAs, ASICs etc. um dieses Signal auszuwerten und ggf. mit weiteren Zustandssignalen zu verknüpfen. Zustandsabhängig steuert diese Logik einen Gatetreiber des MOSFETs an, um diesen in den leitenden oder sperrenden Zustand zu schalten.
Des Weiteren ist der Ausgang des Stromsensors mit der Schalteinheit 8 signaltechnisch verbunden. Mittels des Stromsensors wird ein Rotorstillstandssignal 9 erzeugt, wenn festgestellt wird, dass der in die Fahrzeugbatterie 3 fließende Ladestrom nach einem Motorstopp einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
Die Funktion der Steuereinheit wird im Folgenden anhand der in den 2 bis 4 skizzierten Betriebszustände erläutert.
2 zeigt das in 1 gezeigte Bordnetz bei einem Startvorgang des Verbrennungsmotors. Vor dem Startvorgang ist die Erregerwicklung 1 stromlos, so dass auch bei drehendem Rotor ohne fremde Erregung keine Spannung in der Ständerwicklung 2 des Generators induziert würde. Durch Schließen des Zündschlossschalters kann der Fahrzeugbatterie 3 jedoch ein Erregerstrom 1 entnommen werden. Dieser fließt über die Ladekontrolllampe 13 zum Laderegler 14 und von dort durch die Erregerwicklung 1 des Generators. Mit zunehmender Läuferdrehzahl wird eine steigende Spannung in der Ständerwicklung 2 induziert.
3 zeigt das in 1 dargestellte Bordnetz bei laufendem Verbrennungsmotor. Die gleichgerichtete induzierte Spannung übersteigt nun im Mittel die Spannung der Fahrzeugbatterie 3 und ein Ladestrom fließt von der Ständerwicklung 2 in die Batterie.
Ferner wird ein Teil der induzierten elektrischen Leistung über den Hilfsgleichrichter 11 zum Laderregler 14 abgeführt, um einen Erregerstrom 4 in die Erregerwicklung 1 einzuprägen. Der Generator arbeitet in diesem Zustand selbsterregt, da er den für seine Erregung benötigten Strom über seine Ständerwicklung 2 selbst zur Verfügung stellt. Die Schalteinheit 8 befindet sich im offenen Zustand.
4 zeigt das in 1 gezeigte Bordnetz bei gestopptem Verbrennungsmotor. Demnach ist der Zündschlossschalter 12 geöffnet. Die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors kommt sehr rasch zum Stillstand während der Rotor des Generators aufgrund seiner trieblichen Anbindung an die Kurbelwelle über einen Generatorfreilauf nicht automatisch mit abgebremst wird. Das Öffnen des Zündschlossschalters 12 wird von der Sensorik 5 erkannt. Ein entsprechendes Abschaltsignal 7 wird von der Sensorik 5 generiert und an einem Eingang der Schalteinheit 8 eingelesen. Daraufhin schließt sie Schalteinheit 8 den Leistungs-MOSFET und verbindet so die Erregerwicklung 1 über den Laderegler 14 mit der Fahrzeugbatterie 3. Mithin kann der Erregerstrom 4 trotz fehlendem Antriebsmoment am Generator aufrechterhalten werden. Die Erregung ist hierbei zu geregelt, dass der Mittelwert der Ausgangsspannung des Brückengleichrichters 10 größer als die Batteriespannung ist, so dass ein Ladestrom in die Fahrzeugbatterie 3 fließen kann. Als Folge bremst der Generator sehr schnell rekuperativ ab. Die im Rotor vor dem Abschalten gespeicherte Energie wird in die Fahrzeugbatterie 3 gespeist. Da dieser elektrische Bremsvorgang sehr schnell vollzogen wird, unterbleiben störende Nachlaufgeräusche des Generators.
Bezugszeichenliste

1: Erregerwicklung
2: Statorwicklung
3: Fahrzeugbatterie
4: Erregerstrom
5: Sensorik
6: weitere Sensorik
7: Abschaltsignal
8: Schalteinheit
9: Rotorstillstandsignal
10: Brückengleichrichter
11: Hilfsgleichrichter
12: Zündschlossschalter
13: Ladekontrollleuchte
14: Laderegler

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer Erregerwicklung (1) eines Generators, der von einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges angetrieben wird und über eine Freilaufeinheit mit dem Verbrennungsmotor trieblich gekoppelt ist, wobei – die Erregerwicklung (1) bei laufendem Verbrennungsmotor aus einer in einer Statorwicklung (2) des Generators induzierten Spannung gespeist wird, – ein Abschaltvorgang des Verbrennungsmotors erfasst wird und – unmittelbar nach Erkennen des Abschaltvorgangs die Erregerwicklung (1) mit einer Fahrzeugbatterie (3) verbunden wird, um diese aus der Fahrzeugbatterie (3) mit einem Erregerstrom (4) zu speisen, so dass zumindest ein Teil der rotatorisch im Generator gespeicherten Energie rekuperativ in die Fahrzeugbatterie (3) gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Stillstand des Rotors des Generators nach dem Abschaltvorgang erfasst wird und nach Erkennen des Rotorstillstandes die Erregerwicklung (1) von der Fahrzeugbatterie (3) getrennt wird, um den Erregerstrom (4) zu unterbrechen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Stillstand des Rotors durch Messen einer Messgröße erfasst wird, die eine vom Generator abgegebene elektrische Leistung repräsentiert.
Steuereinheit für einen selbsterregten Generator eines Kraftfahrzeugs, wobei die Steuereinheit (4) – eine Sensorik (5) zur Erfassung eines Abschaltvorgangs eines den Generator antreibenden Verbrennungsmotors und zur Erzeugung eines den Abschaltvorgang anzeigenden Abschaltsignals (7) und – eine Schalteinheit (8) mit einem Eingang für das Abschaltsignal (7) und Mitteln zur Verbindung der Erregerwicklung (1) des Generators mit einer Fahrzeugbatterie (3) bei anliegendem Abschaltsignal (7) aufweist.
Steuereinheit nach Anspruch 4 mit einer weiteren Sensorik (6) zur Erkennung eines Stillstand des Rotors des Generators und zur Erzeugung eines Rotorstillstandsignals (9), wobei die Schalteinheit (8) einen weiteren Eingang für das Rotorstillstandsignal (9) aufweist und dazu eingerichtet ist, bei anliegendem Rotorstillstandsignal die Erregerwicklung (1) wieder von der Fahrzeugbatterie (3) zu trennen.
Steuereinheit nach Anspruch 5, wobei die weitere Sensorik (6) als Strom- oder Spannungssensor ausgebildet ist.
Generator zur Stromversorgung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges mit – einer Steuereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, – einem mit einer Ständerwicklung (2) des Generators eingangsseitig verbundenen Brückengleichrichter (10), an dessen Ausgangsklemmen die Fahrzeugbatterie (3) anschließbar ist und – einem Hilfsgleichrichter (11) zur Stromversorgung der Erregerwicklung (1) des Generators aus einer in einer Statorwicklung (2) des Generators induzierten Spannung.
Generator nach Anspruch 7 mit einem Generatorfreilauf über den er mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors trieblich koppelbar ist.
Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit – einem Generator nach einem der Ansprüche 7 oder 8, – einer Fahrzeugbatterie (3) und – einem Zündschlossschalter (12) zur Verbindung der Fahrzeugbatterie (3) mit der Erregerwicklung (1) des Generators bei einem Anlassen des Verbrennungsmotors, wobei die Schalteinheit (8) derart angeordnet ist, dass sie beim Verbinden der Erregerwicklung (1) mit der Fahrzeugbatterie (3) den Zündschlossschalter (12) überbrückt.