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Die Erfindung betrifft die Steuerung von Mehrphasenwechselstrom-Generatoren, die an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zu dessen Versorgung angeschlossen sind.
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Kraftfahrzeuge umfassen zur Versorgung elektrischer Verbraucher mit elektrischer Energie einen elektrischen Generator, welcher über den Antrieb des Fahrzeugs mit mechanischer Energie versorgt wird. Mit der überschüssigen elektrischen Leistung des Generators wird die Fahrzeugbatterie geladen.
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Als Generator wird im Allgemeinen ein Mehrphasenwechselstrom-Generator (Drehstrom-Generator) mit drei oder mehr Phasen verwendet. Hierbei ist der Mehrphasenwechselstrom-Generator typischerweise als elektrische Synchronmaschine realisiert, welche einen durch den Antrieb rotierenden Läufer mit einer Erregerwicklung zur Erzeugung eines Erregermagnetfeldes und einen Ständer mit einer mehrphasigen Ständerwicklung umfasst. Da die elektrischen Verbraucher typischerweise als Gleichstromverbraucher ausgelegt sind und die Batterie zum Laden mit Gleichstrom gespeist wird, ist dem Mehrphasenwechselstrom-Generator ein Gleichrichter nachgeschaltet, der die mehrphasige Wechselspannung in eine Gleichspannung wandelt. Um die gleichgerichtete Generatorspannung auch bei variablem Laststrom und variabler Motordrehzahl konstant zu halten, wird ein Generatorregler verwendet, der den Erregerstrom der Erregerwicklung variiert, so dass eine Schwankung der Generatorspannung ausgeregelt wird.
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In 1 ist ein Beispiel für einen konventionellen 14-V-Generator mit einem Gleichrichter 1 für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Hier ist beispielhaft ein 3-phasiger Generator dargestellt; der Generator kann aber auch beispielsweise fünf oder sechs Phasen aufweisen. Der 14 V-Generator wandelt einen Teil der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors in elektrische Leistung um und gewährleistet so die elektrische Stromversorgung des die Batterie und die Verbraucher umfassenden Fahrzeug-Bordnetzes 7. Der Riementrieb 2 überträgt die mechanische Leistung des Motors 3, welche durch die Drehzahl und das Drehmoment bestimmt wird, von der Kurbelwelle auf den Generator. Der durch den Generator erzeugte Generatorstrom IB+ wird über den Anschluss B+ ins Bordnetz 7 abgegeben, um die Batterie zu laden und Verbraucher wie beispielsweise die Zündung, die Scheinwerfer oder das Gebläse mit Strom zu versorgen.
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In 1 ist der Generator als fremderregte Synchronmaschine 9 mit angebautem Regler 4 und Gleichrichter 1 ausgeführt. Der Rotor der Synchronmaschine 9 trägt eine Erregerwicklung 5 und wird beispielsweise über zwei Schleifringe mit dem Erregerstrom IERR versorgt. Das Magnetfeld der Erregerwicklung 5 wird typischerweise über Polklauen aus magnetisch permeablem Stahl in den Ständer geleitet und induziert bei Rotation in den Ständer-Phasen eine Wechselspannung. Die Spannungsamplitude hängt von der Generatordrehzahl nGEN und dem Erregerstrom IERR ab. Die Generatordrehzahl nGEN des Generators ist proportional zur Drehzahl des Motors. Bei einer gegebenen Drehzahl des Motors und gegebener Generatorspannung UGEN steigt das Lastmoment an der Kurbelwelle mit Zunahme des abgegebenen Generatorstromes IB+.
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Der Gleichrichter 1 wandelt die Wechselspannungen der Ständer-Phasen in die für das Bordnetz 7 erforderliche Gleichspannung UGEN. Für den in 1 dargestellten Gleichrichter 1 wird eine Brückenschaltung mit einem an die Bordnetzspannung angeschlossenen High-Side-Halbleiterschalter und einem an die Masse angeschlossenen Low-Side-Halbleiterschalter pro Phase verwendet, so dass jeweils beide Halbschwingungen jeder Phase zur Gleichrichtung verwendet werden. Bei einem 3-Phasenwechselstrom-Generator wird ein derartiger Gleichrichter auch als Sechspulsgleichrichter bezeichnet. Als Halbleiterschalter können – wie in 1 dargestellt – Dioden oder alternativ auch Transistoren, insbesondere MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor field effect transistor), verwendet werden. Bei der Realisierung des Gleichrichters 1 wie in 1 sind die Kathoden K der High-Side-Dioden an den Knoten B+ der positiven Bordnetzspannung angeschlossen und die Anoden A der Low-Side-Dioden an den Masseknoten B– angeschlossen. Bei Verwendung von N-MOSFETs als Halbleiterschalter sind die Drain-Anschlüsse D der High-Side-MOS-FETs an den Knoten B+ der positiven Bordnetzspannung angeschlossen und die Source-Anschlüsse S der Low-Side-MOSFETs an den Masseknoten B– angeschlossen (siehe die neben den Dioden dargestellten N-MOSFETs).
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Statt eines in 1 dargestellten Generators mit einer 3-phasigen elektrischen Maschine 9 kann auch ein Generator mit einer 5-phasigen oder 6-phasigen elektrischen Maschine 9 verwendet werden.
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Der Generatorregler 4 passt den Erregerstrom IERR an, um auch bei sich änderndem Laststrom IB+ und sich ändernder Motordrehzahl die Generatorspannung UGEN zwischen B+ und B– auf der Sollspannungsvorgabe zu halten. Der Erregerstrom IERR wird typischerweise durch Variation des Tastverhältnisses der Endstufe 6 variiert, die den Erregerstrom IERR der Erregerwicklung 5 liefert. Mit zunehmendem Tastverhältnis steigt der Erregerstrom IERR und bei konstanter Drehzahl und Aufnahme-Leistung der Last auch die Spannung am Generatorausgang.
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Unter dem Tastverhältnis der Endstufe 6 wird die Dauer der Einschaltzeit, in der der Schalter der Endstufe 6 eingeschaltet ist, im Verhältnis zu einer Gesamtbetrachtungszeit verstanden. Bei einem Tastverhältnis von 100% ist der Schalter der Endstufe 6 gleichbleibend eingeschaltet, bei einem Tastverhältnis von 50% ist der Schalter der Endstufe 6 die Hälfte der Zeit eingeschaltet und bei einem Tastverhältnis von 0% ist der Schalter der Endstufe 6 gleichbleibend ausgeschaltet. Das Tastverhältnis der Endstufe 6 bestimmt so die Größe des (mittleren) Erregerstroms IERR.
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Bei dem Beispiel in 1 verfügt der Generatorregler 4 über eine Kommunikationsschnittstelle für einen Datenbus im Fahrzeug. An den Datenbus sind beispielsweise neben dem Generatorregler 4 ein oder mehrere weitere Kommunikationsteilnehmer 8 angeschlossen, insbesondere das Motorsteuergerät. Beispielsweise erhält der Regler 4 über die Kommunikationsschnittstelle eine Sollspannungsvorgabe vom Motorsteuergerät und meldet den eigenen Zustand an das Motorsteuergerät. Bei der Kommunikationsschnittstelle handelt es sich beispielsweise um eine Kommunikationsschnittstelle für den LIN-Bus (LIN – Local Interconnect Network). Zum Anschluss des Generatorreglers 4 an den Bus ist in 1 der Anschluss LIN vorgesehen.
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Der Regler 4 ist heutzutage typischerweise in Form eines ASIC (application specific integrated circuit) implementiert, d. h. als monolithisch-integrierte Halbleiterschaltung. Der in 1 dargestellte über den LIN-Bus kommunizierende Generatorregler-ASIC 4 (LIN-Generatorregler-ASIC) verfügt über fünf Anschlüsse, mit denen er beispielsweise die erforderlichen Generatorgrößen erfassen kann und mit dem Motorsteuergerät kommunizieren kann. Die nach außen sichtbare Funktionalität und die Schnittstellen eines derartigen LIN-Generatorregler-ASIC 4 mit fünf Anschlüssen sind in allgemeiner Form spezifiziert worden. Derartige LIN Generatorregler-ASICs 4 sind von verschiedenen Chipherstellern erhältlich.
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Die Anschlüsse in 1 sind wie folgt definiert:
- – B– (Batterie Minus): Masseanschluss, beispielsweise an den Motorblock über das leitfähige Gehäuse des Generators;
- – B+ (Batterie Plus): Anschluss zur Stromversorgung des Reglers 4 und der Erregerwicklung 5 sowie zur Spannungsmessung; die Verbindung zur Batterie erfolgt über den Kabelbaum im Fahrzeug;
- – LIN: Anschluss der LIN-Bus-Schnittstelle zur Kommunikation beispielsweise mit dem Motorsteuergerät; über den Anschluss LIN wird die Sollspannungsvorgabe empfangen und der Generatorzustand gemeldet;
- – EXC: Anschluss zum Einprägen des Erregerstromes in die Erregerwicklung;
- – PH: Anschluss zum Entgegennehmen des Phasensignals UPH, welches typischerweise einer Spannung an einer Phase entspricht; das Phasensignal dient zum Erfassen der Generatordrehzahl durch Bestimmen der Frequenz des Phasensignals (Phasenfrequenz) und zum Aufwecken des Reglers 4 aus dem Stand by-Modus, wenn eine definierte Wechselspannungsamplitude am Phasen-Anschluss PH erkannt wird. In 1 wird die Spannung an der Phase direkt abgegriffen; es wäre auch denkbar, dass optional ein Widerstand zwischen der Phase und dem Phaseneingang PH liegt.
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Im LIN-Generatorregler-ASIC 4 werden die Spannung am Anschluss B+, die Spannung am Anschluss B–, die Frequenz des über den Anschluss PH entgegengenommenen Phasensignals und der Erregerstrom IERR erfasst und für die Regelung der Generatorspannung UGEN zwischen B+ und B verwendet. Zusätzlich verfügt der LIN-Generatorregler-ASIC 4 über einen integrierten Temperatursensor, mit dem sich der Regler-ASIC 4 vor Überhitzung schützen kann. Zur Hochtemperaturabregelung reduziert dieser die interne Sollspannungsvorgabe bei hohen Temperaturen. Ein programmierbarer Speicherbereich im Regler-ASIC 4 erlaubt es, Generator- oder Fahrzeug-spezifische Regler-Parameter zu hinterlegen.
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In Fahrzeugen mit einer großen Anzahl an Verbrauchern kann der Leistungsbedarf von einem wie oben beschriebenen Generator alleine nicht gedeckt werden. Es wird daher zusätzlich ein zweiter (baugleicher) Generator mit einem zugeordneten zweiten Gleichrichter (nachfolgend als Generatoranordnung bezeichnet) an das Bordnetz angeschlossen, wobei die zweite Generatoranordnung ebenfalls den oben beschriebenen Aufbau und Funktionsumfang aufweist und der ersten Generatoranordnung parallel geschaltet ist. Beide Generatoranordnungen werden Spannungsgeregelt angesteuert, wobei dann, wenn die Lastanforderung aus dem Bordnetz die maximal von der ersten Generatoranordnung lieferbare Leistung überschreitet, die zweite Generatoranordnung zugeschaltet wird. In diesen Situationen ergibt sich ein Betrieb, in dem die erste Generatoranordnung mit einer Auslastung von 100% und die zweite Generatoranordnung mit einer Auslastung von z. B. nur 10% betrieben wird. Beide Generatoren werden damit mit schlechtem Wirkungsgrad betrieben. Kann die Leistungsanforderung nur durch die erste Generatoranordnung gedeckt werden, so liefert nur die erste Generatoranordnung einen Strom (bzw. Leistung), während die zweite Generatoranordnung im Leerlauf betrieben wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines ersten und eines zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generators zur Versorgung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs anzugeben, welches den Betrieb der Generatoren mit verbessertem Gesamtwirkungsgrad ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines ersten und eines zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generators zur Versorgung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, wobei dem ersten und dem zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generator jeweils ein Gleichrichter zum Erzeugen einer gleichgerichteten Spannung nachgeschaltet ist. Die gleichgerichteten Generatorspannungen werden über einen jeweiligen Generatorregler geregelt, wobei der erste Mehrphasenwechselstrom-Generator ein erstes Phasensignal entgegennimmt und einen ersten Erregerstrom einer Erregerwicklung des ersten Mehrphasenwechselstrom-Generators einstellt. Dem zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generator wird als Steuergröße ein Strom zugeführt, der aus dem gemessenen ersten Erregerstrom der Erregerwicklung des ersten Mehrphasenwechselstrom-Generators und dem gemessenen zweiten Erregerstrom der Erregerwicklung des zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generators abgeleitet ist und zur Bestimmung einer Vorgabe eines zweiten Erregerstroms einer Erregerwicklung des zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generators verarbeitet wird.
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Dies bedeutet, dass der erste Mehrphasenwechselstrom-Generator spannungsgeregelt ist, während der zweite Mehrphasenwechselstrom-Generator als Leistungsquelle betrieben wird. Hierdurch lässt sich eine gewünschte Lastaufteilung erzielen. Die gewünschte Lastaufteilung ist selbst dann möglich, wenn Übergangswiderstände im Bordnetz, insbesondere zwischen den Generatoren, von Fahrzeug zu Fahrzeug streuen oder sich aufgrund der Temperatur verändern. Die gewünschte Lastaufteilung ist selbst dann möglich, wenn die beiden Generatoren aufgrund von Riemenschlupf nicht exakt gleich schnell drehen und die interne Spannungsmessung aufgrund von Bauteilstreuung oder aufgrund Temperaturunterschieden streut. Auch ein lastabhängiger Spannungsabfall zwischen den Generatoren steht der gewünschten Lastaufteilung nicht entgegen.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens entspricht als erste Bedingung der als Steuergröße (Vorgabe) zugeführte zweite Erregerstrom höchstens der Hälfte der Summe aus dem gemessenen ersten und dem gemessenen zweiten Erregerstrom, wobei die Messung der beiden Ströme zum gleichen Zeitpunkt erfolgt. Hierdurch wird eine gleichmäßige Lastaufteilung der Leistungserzeugung durch den ersten und den zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generator ermöglicht. Dies bedeutet, der erste Mehrphasenwechselstrom-Generator trägt 50% der Last und der zweite Mehrphasenwechselstrom-Generator trägt ebenfalls 50% der Last, unabhängig davon, wie groß die absolute Leistungsanforderung des Bordnetzes ist. Eine Lastaufteilung findet somit auch dann statt, wenn die angeforderte Leistung durch einen der Mehrphasenwechselstrom-Generatoren gedeckt werden könnte.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird dem zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generator als zweite Bedingung ein zumindest aus einem ersten Spannungssollwert der Generatorspannung des ersten Mehrphasenwechselstrom-Generators abgeleiteter zweiter Spannungssollwert zugeführt, welcher zur Spannungsregelung des zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generators verwendet wird. Der erste Mehrphasenwechselstrom-Generator erhält den ersten Spannungssollwert (erste Sollspannung), z.B. direkt von einem Bordnetz-Koordinator eines Fahrzeugsteuergeräts, z. B. einem Motorsteuergerät. Der zweite Spannungssollwert (zweite Sollspannung) kann dem zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generator ebenfalls direkt von einem Bordnetz-Koordinator zugeführt werden. Der zweite Spannungssollwert kann dem zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generator auch von einem Motorsteuergerät zugeführt werden, welches mit den Generatorreglern der Generatoren zwecks Steuerung und Überwachung Daten austauscht.
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Der zweite Spannungssollwert errechnet sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung aus dem ersten Spannungssollwert zuzüglich eines vorgegebenen Spannungsoffsets. Der vorgegebene Spannungsoffset berücksichtigt einen leitungsbedingten Spannungsabfall zwischen dem zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generator und dem Bordnetz bei Maximaler Leistungsabgabe. Insbesondere beeinflusst der Spannungsoffset die Höhe des zweiten Erregerstroms durch den zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generator (nur bei Lastabwurf). Die Einhaltung des zweiten Spannungssollwerts als zweite Bedingung führt bei einem kurzzeitigen Spannungsanstieg der Bordnetzspannung über den (ersten) Spannungssollwert plus Spannungsoffset, z.B. aufgrund eines Lastabwurfs, dazu, dass der zweite Erregerstrom kleiner als die Hälfte der Summe aus dem ersten und dem zweiten Erregerstrom bleibt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die erste und die zweite Bedingung bei der Regelung des zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generators einzuhalten. Dies bedeutet, keine der Vorgaben (als Steuergröße zugeführter Strom und zweiter Spannungssollwert) darf überschritten werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens sind der erste und der zweite Mehrphasenwechselstrom-Generator zum gleichzeitigen Betrieb vorgesehen, auch wenn die von dem Bordnetz geforderte Leistung durch den ersten Mehrphasenwechselstrom-Generator alleine bereitgestellt werden kann.
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Das Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Durch das Verfahren wird es ermöglicht, dass bei konstanter Bordnetzlast der Erregerstrom bei beiden Generatoren ein gewünschtes Verhältnis annimmt, insbesondere gleich ist. Somit ist auch die Auslastung der Generatoren beinflussbar und insbesondere weitestgehend gleich. Die beiden Generatoren können insbesondere über die Lebensdauer annähernd gleich belastet werden. Die Ansteuerung ist weitgehend bordnetzunabhängig und auch weitgehend unabhängig von Streuung in Regelgenauigkeit und Bordnetzwiderständen. Es wird keine nennenswerte Rechenleistung für die Funktion verwendet. Weiterhin ist die Verwendung von standardisierten Generatoren möglich, unabhängig davon, welche Gesamtleistung dem Bordnetz aufgrund der an diesen angeschlossenen Verbraucher bereitgestellt werden muss.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 einen konventionellen 14-V-Generator mit konventionellem LIN-Generatorregler-ASIC;
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2 eine schematische Darstellung eines von zwei parallelgeschalteten Generatoren versorgten Bordnetzes eines Fahrzeugs;
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3 eine Regelstrecke zur Spannungsregelung eines ersten Generators der Anordnung aus 2; und
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4 eine Regelstrecke zur Leistungssteuerung eines zweiten Generators der Anordnung aus 2.
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Der in 1 dargestellte 14 V-Generator mit konventionellem LIN-Generatorregler-ASIC 4 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung diskutiert. Solche Generatoren können auch in einem Bordnetz zum Einsatz kommen, wenn dieses aus zwei parallel geschalteten Generatoren versorgt wird. Eine solche Situation ist schematisch in 2 dargestellt.
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Das Bordnetz 7, das schematisch durch einen Energiespeicher 10 und einen Verbraucher 11 repräsentiert ist, wird durch einen ersten Mehrphasenwechselstrom-Generator GEN1 (nachfolgend: erster Generator GEN1) und einen parallel geschalteten zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generator GEN2 (nachfolgend: zweiter Generator GEN2) versorgt. Der Verbraucher 11 ist, wie durch den Pfeil angedeutet, in seinem Leistungsbedarf variabel. Der Verbraucher 11 repräsentiert eine beliebige Anzahl an Verbrauchern des Bordnetzes 7. Der erste Generator GEN1 stellt in diesem Ausführungsbeispiel einen sog. Bordnetznahen Generator dar, d. h. dieser weist zu dem Bordnetz 7 eine kürzere Leitungslänge (und höchstens dieselbe Leitungslänge) auf als der zweite, sog. Bordnetzferne Generator GEN2. Der durch die zusätzliche Leitungslänge entstehende Leitungswiderstand (Übergangswiderstand) zwischen dem zweiten Generator GEN2 und dem Bordnetz 7 ist in 2 mit R gekennzeichnet.
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Wenn in der nachfolgenden Beschreibung lediglich allgemein von einem Generator die Rede ist, so ist dies als Generatoranordnung zu verstehen, wie diese in 1 beschrieben wurde, welche auch einen Generatorregler zur Regelung der elektrischen Maschine und den der elektrischen Maschine nachgeschalteten Gleichrichter zur Erzeugung einer Gleichspannung umfasst.
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Der erste Generator GEN1 wird Spannungsgeregelt betrieben. Die Regelung kann unter Zuhilfenahme des in 1 bereits beschriebenen konventionellen Generatorregler-ASIC erfolgen. Die dem Fachmann bekannte Regelstrecke zur Spannungsregelung des ersten Generators GEN1 ist in 3 dargestellt. Als Sollgröße wird dem Generatorregler des ersten Generators GEN1 an einem ersten Eingang („+”) eines Komparators 31 eine Sollspannung Uset1 vorgegeben. Die Sollspannung Uset1 wird von einem Bordnetzkoordinator (d. h. einem Fahrzeug-Steuergerät oder Motorsteuergerät) vorgegeben. An einem zweiten Eingang („–”) des Komparators 31 wird diesem die an den Ausgangsklemmen der elektrischen Maschine („EM”) 33 gemessene Generatorspannung UGEN, zugeführt, welche auch dem Bordnetz 7 als Generatorspannung UGEN1 zur Verfügung gestellt wird. Die Ausgangsklemmen entsprechen den Anschlüssen B+ und B– aus 1. Der Komparator bestimmt aus der Abweichung zwischen der Sollspannung Uset1 und der Generatorspannung UGEN1 einen Regelwert, der einem PI-Regler 32 zugeführt wird. Der PI-Regler 32 ist zu diesem Zweck eingangsseitig mit einem Ausgang des Komparators 31 verbunden. Der PI-Regler bestimmt dann den ersten Erregerstrom IERR1 als Stellgröße für die gerade anliegende Drehzahl n1 der elektrischen Maschine 33, um die Generatorspannung UGEN1 auf die Sollspannung Uset1 einzustellen. Bei dem gegebenen ersten Erregerstrom IERR1, der ersten Drehzahl n1 und der Generatorspannung UGEN1 ergibt sich dann ein erster Laststrom ILAST1, an dem Anschluss B+ (1).
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Um eine vorgegebene Leistungsaufteilung von bevorzugt 50:50 zwischen dem ersten und dem zweiten Generator GEN1 und GEN2 zu erzielen, wird der zweite Generator GEN2 nicht spannungsgeregelt, sondern leistungsgesteuert. Die Leistungssteuerung des zweiten Generators GEN2 wird durch eine Erregerstromvorgabe ermöglicht.
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Die Regelstrecke zur Erregerstromregelung und damit zur Leistungssteuerung des zweiten Generators GEN2 ist in 4 dargestellt. Als Sollgröße wird dem Generatorregler des zweiten Generators GEN2 an einem ersten Eingang („+”) eines Komparators 41 ein Sollstrom Ierr_set2 für den zweiten Erregerstrom IERR2 der elektrischen Maschine („EM”) 43 vorgegeben. An einem zweiten Eingang („–”) des Komparators 41 wird diesem der von einer Erregerendstufe 45 gemessene zweite Erregerstrom IERR2 zugeführt, wobei der zweite Erregerstrom IERR2 bei gerade anliegenden Drehzahl n2 der elektrischen Maschine 43 zugeführt wird. Die Erregerendstufe 45 wird von der Generatorspannung UGEN2 versorgt und erhält von dem PI-Regler 42 ein Tastverhältnis TV, aus denen sich in Verbindung mit einer Rotorinduktivität und einem Rotorwiderstand der Erregerstrom IEER2 ergibt. Der Komparator 41 bestimmt aus der Abweichung zwischen dem Sollstrom Ierr_set2 und dem zweiten Erregerstrom IERR2 eine Abweichung, die dem PI-Regler 42 zugeführt wird, um die Differenz der beiden Ströme möglichst gering zu halten. An den Ausgangsklemmen der elektrischen Maschine 43 ergibt sich dann die zweite Generatorspannung UGEN2, wobei die Ausgangsklemmen wieder dem Potentialunterschied an den Anschlüssen B+ und B– aus 1 nach der Wechselrichtung entsprechen. Bei dem gegebenen zweiten Erregerstrom IERR2, der zweiten Drehzahl n2 und der zweiten Generatorspannung UGEN2 ergibt sich dann ein zweiter Laststrom ILAST2 an dem Anschluss B+.
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In 3 wurde die beschriebene Erregerendstufe der Einfachheit halber weggelassen.
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Durch den Sollstrom Ierr_set2 kann die Leistungsaufteilung festgelegt werden. Vorzugsweise wird der Sollstrom Ierr_ser2 wie folgt festgelegt, um eine hälftige Belastung der beiden Generatoren GEN1, GEN2 zu erzielen: Ierr_set2 = (IERR1 + IERR2)/2 (1)
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Der Sollstrom Ierr_set2 kann dem Generatorregler des zweiten Generators GEN2 von dem Motorsteuergerät vorgegeben werden, das über eine Kommunikation mit den Generatorreglern der beiden Generatoren GEN1, GEN2 die aktuellen (gemessenen) Erregerströme abfragen und gemäß Gleichung (1) verarbeiten kann.
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Der erste und der zweite Erregerstrom IERR1, IERR2 werden in vorgegebenen Zeitabständen, z.B. alle 100 ms, an das Motorsteuergerät übertragen. Folglich wird der Sollstrom Ierr_set2 nur in den vorgegebenen Zeitabständen neu berechnet und von dem Motorsteuergerät vorgegeben. Lastschwankungen, die schneller als die vorgegebenen Zeitabstände sind, werden dann nur von der ersten Regelstrecke (3) ausgeglichen.
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Als zusätzliche, zweite Regelbedingung wird dem zweiten Generator GEN2 optional eine Spannungsvorgabe Uset2 vorgegeben, um im Falle einer plötzlich auftretenden Spannungserhöhung, z.B. infolge eines Lastabwurfs, die Spannungserhöhung bis zur Aktualisierung der Ierr_set2 Vorgabe um den Wert des vorgegebenen Spannungsoffsets zu begrenzen. Die Spannungsvorgabe Uset2 ist bei konstanter Last im Bordnetz größer als die zweite Generatorspannung UGen2. Die Spannungsvorgabe Uset2 wird dem Generatorregler des zweiten Generators GEN2 ebenfalls von dem Motorsteuergerät bereitgestellt. Die Spannungsvorgabe Uset2 wird aus der Sollspannung Uset1 abgeleitet, welche dem Motorsteuergerät aufgrund einer Kommunikation über die LIN-Schnittstelle mit dem Generatorregler des ersten Generators GEN1 ebenfalls bekannt ist. Die Spannungsvorgabe Uset2 berechnet sich zu: Uset2 = Uset1 + x (2)
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„x” ist ein konstanter Spannungsoffset, der den maximalen Spannungsabfall aufgrund der Übergangswiderstände der Leitung zwischen dem zweiten Generator GEN2 und dem Bordnetz und des maximal abgegebenen Strom berücksichtigt.
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Der zweite Generator GEN2 wird die Spannungsvorgabe Uset2 in der Regel nicht erreichen, außer kurzzeitig bei Lastabwurf oder einer schnellen Drehzahlerhöhung. Die Spannung am zweiten Generator GEN2 stellt sich aufgrund der Umgebungsbedingungen, insbesondere der Vorgabe von Ierr_set2, unterhalb von Uset2 ein.
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Durch das Verfahren wird es ermöglicht, dass bei konstanter Bordnetzlast der Erregerstrom bei beiden Generatoren ein gewünschtes Verhältnis annimmt, insbesondere gleich werden kann. Somit ist auch die Auslastung der Generatoren beinflussbar und kann insbesondere gleich gehalten werden. Dies hat zur Folge, dass die beiden Generatoren insbesondere über die Lebensdauer annähernd gleich belastet werden können. Die Gesamtdauer mit hoher Belastung (Vollauslastung) nimmt für beide Generatoren signifikant ab. Da der Verschleiß mit steigender Auslastung überproportional zunimmt erhöht sich die Lebensdauer der beiden Generatoren sowie des Riementriebs signifikant.
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Die Ansteuerung ist bordnetzunabhängig und auch unabhängig von Streuung in Regelgenauigkeit und Bordnetzwiderständen.
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Es wird keine nennenswerte Rechenleistung für die Funktion verwendet.
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Weiterhin ist die Verwendung von standardisierten Generatoren möglich, unabhängig davon, welche Gesamtleistung dem Bordnetz aufgrund der an diesen angeschlossenen Verbraucher bereitgestellt werden muss.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleichrichter
- 2
- Riementrieb
- 3
- Motor
- 4
- Generatorregler
- 5
- Erregerwicklung
- 6
- Endstufe
- 7
- Fahrzeug-Bordnetz
- 8
- Kommunikationsteilnehmer
- 9
- elektrische Maschine
- 10
- Energiespeicher (Batterie) des Bordnetzes 7
- 11
- Verbraucher des Bordnetzes 7
- 31
- Komparator
- 32
- PI-Regler
- 33
- elektrische Maschine
- 34
- Mittel zur Spannungsmessung
- 41
- Komparator
- 42
- PI-Regler
- 43
- elektrische Maschine
- 44
- Mittel zur Spannungsmessung
- 45
- Erregerendstufe
- B+
- Anschluss für positive Bordnetzspannung
- B–
- Anschluss für negative Bordnetzspannung (Masseknoten)
- IB+
- Generatorstrom
- ZERR
- Erregerstrom
- UGEN
- Generatorspannung/Bordnetzspannung
- U
- Spannung an einer Phase der elektrischen Maschine
- PH
- Anschluss zum Entgegennehmen des Phasensignals UPH
- EXC
- Anschluss zum Einprägen des Erregerstromes in die Erregerwicklung
- GEN1
- erster Mehrphasenwechselstrom-Generator
- GEN2
- zweiter Mehrphasenwechselstrom-Generator
- IERR1
- Erregerstrom des ersten Mehrphasenwechselstrom-Generators GEN
- IERR2
- Erregerstrom des zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generators GEN2
- Ierr_set2
- Erregerstromvorgabe des zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generators GEN2
- ILAST1
- Laststrom des ersten Mehrphasenwechselstrom-Generators GEN1
- ILAST2
- Laststrom des zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generators GEN2
- UGEN1
- Generatorspannung des ersten Mehrphasenwechselstrom-Generators GEN1
- UGEN2
- Generatorspannung des zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generators GEN2
- USET1
- Spannungsvorgabe an den ersten Mehrphasenwechselstrom-Generators GEN1
- USET2
- Spannungsvorgabe an den zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generators GEN2
- n1
- Drehzahl des ersten Mehrphasenwechselstrom-Generators GEN1
- n2
- Drehzahl des zweiten Mehrphasenwechselstrom-Generators GEN2
