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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Generators eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Generator handelt es sich insbesondere um einen Niedervolt-Generator für ein Niedervolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs. Der Generator umfasst eine fremderregte elektrische Maschine mit einer Erregerspule, deren Erregerstrom eingestellt wird, um eine Ausgangsspannung des Generators auf einen Sollwert einzuregeln. Zu der Erfindung gehören auch eine Steuervorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung.
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Ein Generator mit fremderregter Synchronmaschine für ein Kraftfahrzeug ist beispielsweise aus der
DE 101 16 202 A1 bekannt. Die von der elektrischen Maschine des Generators erzeugte Wechselspannung wird mittels eines passiven Gleichrichters in die gleichgerichtete Ausgangsspannung gewandelt. Die Ausgangsspannung beträgt 12 Volt und wird an elektrische Verbraucher sowie eine Batterie des Kraftfahrzeugs abgegeben. Der Erregerstrom wird durch einen Regler in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Generators gestellt, wobei die Ausgangsspannung des Generators auf etwa 14 Volt geregelt wird. Der Generator weist des Weiteren einen aktiven Gleichrichter auf, mittels welchem die elektrische Maschine als Startermotor für eine Start-Stopp-Automatik genutzt werden kann.
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Aus der
DE 10 2012 210 907 A1 und der
DE 10 2012 222 220 A1 ist jeweils ein Traktionsantriebssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, das eine elektrische Maschine aufweist, die mittels einer feldorientierten Regelung betrieben wird. Falls eine Batterie zum Versorgen der elektrischen Maschine versagt, wird die feldorientierte Regelung weiter durchgeführt und hierbei die elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt, die in einem Gleichspannungszwischenkreis gespeichert ist. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich um eine permanenterregte Synchronmaschine, die am Rotor Dauermagneten zur Erzeugung der magnetischen Erregung aufweist.
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Bei den heutigen 12-Volt-Standard-Generatoren (auch Lichtmaschine genannt) geschieht die Spannungsregelung über den besagten Regler, der beispielsweise als Regler-Chip in Form von einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC – application-specific integrated circuit) bereitgestellt ist. Die Spannungsregelung der elektrischen Maschine geschieht durch Einstellen des Erregerstroms über ein pulsweitenmoduliertes Tastverhältnis, das durch einen Schalter getaktet wird, der als Erregertransistor bezeichnet wird. Eine Diode, die parallel zur Erregerspule geschaltet ist, ermöglicht dem durch die Induktivität der Erregerspule getriebenen Erregerstrom ein Abfließen beim Öffnen des Erregertransistors. Diese Diode stellt also eine Freilaufdiode dar. Der Erregerstrom wird über Schleifkontakte in die fremderregte Synchronmaschine gespeist, wo er in der an dem Rotor befindlichen Erregerspule ein magnetisches Feld erzeugt. Über die Größe des entstehenden Flusses im Magnetkreis wird die Abgabespannung der elektrischen Maschine last- und drehzahlabhängig geregelt. Der Erregerstrom stellt im Regelkreis somit die Stellgröße dar.
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Die Reglerdynamik des Generators zum Einstellen der Ausgangsspannung wird durch die elektrische Zeitkonstante T der Erregerspule bestimmt. Die Zeitkonstante T kann hierbei ermittelt werden als T = L/R, wobei L die Induktivität der Erregerspule und R ihr elektrischer Widerstand ist. Die Zeitkonstante T kann in einem Bereich von beispielsweise 130 Millisekunden bis 180 Millisekunden liegen.
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Die Gleichrichtung der von der elektrischen Maschine generierten Wechselspannung kann mittels eines Gleichrichters bewirkt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Gleichrichter handeln, der aus einer Brückenschaltung, insbesondere einer B6-Brückenschaltung, gebildet ist. Als Gleichrichtventile oder Schalter der Brückenschaltung können beispielsweise Zehnerdioden oder auch aktiv geschaltete Transistoren, beispielsweise MOSFET (metal-oxide semiconductor field effected transistor) eingesetzt werden.
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Diese Anordnung kann aufgrund der elektrischen Zeitkonstante T der Erregerspule, das heißt der beschriebenen Reglerdynamik des Generators, auf einen sprunghaften Anstieg der benötigten elektrischen Leistung nur so schnell reagieren, wie es die Zeitkonstante T erlaubt. Bei dynamischen oder sprunghaften Vorgängen, beispielsweise einer Drehzahländerung des mechanischen Antriebs für den Generator oder einer Laständerung der vom Generator versorgten elektrischen Last, muss daher die elektrische Leistung zunächst von der Batterie des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden, so lange, bis der Erregerstrom wieder auf den geeigneten Wert eingeregelt ist. Falls die Batterie fehlerhaft ist oder eine elektrische Verbindung zwischen Generator und Batterie unterbrochen ist, kann es bei einem der beschriebenen dynamischen Vorgänge vorkommen, dass die Leistungsversorgung der elektrischen Verbraucher zusammenbricht, das heißt die Ausgangsspannung unter einen vorbestimmten Mindestwert sinkt, sodass beispielsweise Steuergeräte nicht mehr spezifikationsgemäß funktionieren. Es kann auch vorkommen, dass der Erregerstrom in der Erregerspule zum Erliegen kommt und dann der Generator überhaupt keine elektrische Spannung mehr erzeugt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen stabilen Betrieb eines Kraftfahrzeuggenerators mit fremderregter elektrischer Maschine zu gewährleisten.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Generators eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Das Verfahren geht davon aus, dass der Generator eine fremderregte elektrische Maschine mit einer Erregerspule sowie einen aktiven Gleichrichter zum Erzeugen einer gleichgerichteten Ausgangsspannung der von der elektrischen Maschine erzeugten Wechselspannung aufweist. Durch das Verfahren sind zwei Betriebsmodi für den Generator bereitgestellt, ein Normalbetriebsmodus und ein Notbetriebsmodus. Im Normalbetriebsmodus wird die Ausgangsspannung auf einen vorbestimmten Sollwert geregelt, indem in Abhängigkeit von einem Istwert der Ausgangsspannung ein Erregerstrom in der Erregerspule eingestellt wird. Der Normalbetrieb weist den Vorteil auf, dass der Generator sehr energieeffizient betrieben wird, weil der Strom durch die Erregerspule so gering wie möglich eingestellt wird, um den Sollwert für die Ausgangsspannung einzustellen.
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Im Normalbetriebsmodus ist es nötig, dass der Generator durch eine Batterie gepuffert werden kann: Bei einer sprunghaften Veränderung der mechanischen Antriebsleistung für den Generator oder bei einer sprunghaften Änderung der von den angeschlossenen elektrischen Verbrauchern benötigten elektrischen Leistung stellt die Batterie so lange die Versorgung der Verbraucher sicher, bis der Erregerstrom wieder auf den geeigneten Sollwert geregelt ist.
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Falls die Batterie nicht mehr für diese Pufferung bereitsteht, so wird in den Notbetriebsmodus gewechselt. Das Verfahren sieht hierzu vor, dass in den Notbetriebsmodus in Abhängigkeit von einem Batteriefehlersignal gewechselt wird. Das Batteriefehlersignal signalisiert, dass die Batterie vom Generator elektrisch getrennt oder entkoppelt ist. In den Notbetriebsmodus wird gewechselt, indem der Erregerstrom auf einen von dem Istwert der Ausgangsspannung unabhängigen konstanten Wert eingestellt wird und die Ausgangsspannung durch Schalten des aktiven Gleichrichters mittels einer feldorientierten Regelung auf den Sollwert geregelt wird. Mit anderen Worten wird bei der elektrischen Maschine eine konstante magnetische Erregung eingestellt, die durch den konstanten Erregerstrom erreicht wird. Um die Ausgangsspannung weiterhin auf den Sollwert einzuregeln, wird anstelle der Erregerstromregelung eine feldorientierte Regelung für den Generator durchgeführt. Durch die feldorientierte Regelung wird in dem aktiven Gleichrichter das Schalten der Gleichrichtventile, also beispielsweise der Transistoren, in Abhängigkeit von einer Drehlage des Rotors und in Abhängigkeit von dem Istwert der Ausgangsspannung durchgeführt.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass im Normalbetriebsmodus, wenn die Batterie zum Puffern der Ausgangsspannung zur Verfügung steht, ein energieeffizienter Betrieb mit angepasstem Erregerstrom durchgeführt wird, während im Notbetriebsmodus, wenn die Batterie zur Pufferung nicht zur Verfügung steht, auf Grundlage der feldorientierten Regelung eine Regelung der Ausgangsspannung auf den Sollwert erfolgt, die eine von der Zeitkonstante der Erregerwicklung unabhängige Regeldynamik erreichen kann. Die Erfindung ist insbesondere vorgesehen zum Betreiben eines Niedervolt-Generators für ein Niedervolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Unter Niedervolt wird eine elektrische Spannung kleiner als 60 Volt, insbesondere kleiner als 20 Volt, verstanden. Zum Ermitteln der Drehlage des Rotors kann in an sich bekannter Weise ein Drehlagesensor für den Rotor bereitgestellt werden, wie er im Zusammenhang mit der feldorientierten Regelung im Stand der Technik genutzt wird.
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Zu der Erfindung gehören auch optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Gemäß einer Weiterbildung ist eine Zeitkonstante einer Reglerdynamik der feldorientierten Regelung kleiner als die Zeitkonstante der Erregerspule. Die Zeitkonstante der Reglerdynamik der feldorientierten Regelung kann beispielsweise in derselben Weise wie die Zeitkonstante der Erregerspule ermittelt werden, indem eine mechanische Antriebsleistung für den Generator oder die von den elektrischen Verbrauchern an einen Gleichspannungsausgang des Generators abgegriffene elektrische Leistung sprunghaft oder stufenförmig verändert wird. Daraufhin reagiert dann die feldorientierte Regelung mit einer Anpassung der Ausgangsspannung. Die Zeitkonstante kann dann beispielsweise ermittelt werden, indem eine Zeitdauer ermittelt wird, die vom Regler benötigt wird, um eine Abweichung der Ausgangsspannung vom Sollwert ab dem Zeitpunkt des Sprunges auf einen Wert 1/e einzuregeln, wobei e die Eulersche Zahl ist (e = 2,71828...). Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass im Notbetriebsmodus mittels der feldorientierten Regelung die sprunghafte Veränderung der mechanischen Antriebsleistung und/oder der elektrischen Leistung der Verbraucher allein mittels des Generators kompensiert oder ausgeglichen werden kann, sodass also keine Batterie für die beschriebene Pufferung nötig ist.
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Gemäß einer Weiterbildung wird der Erregerstrom für den Notbetriebsmodus auf einen Maximalwert eingestellt, wie er auch für den im Normalbetriebsmodus als Maximalwert vorgesehenen ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch im Notbetriebsmodus auf jeden möglichen Extremfall reagiert werden kann. Zwar wird hierdurch eine Energieeffizienz des Generators verringert, da dauerhaft oder kontinuierlich der Erregerstrom mit dem Maximalwert eingestellt ist. Dafür kann aber das Kraftfahrzeug auch im Notbetriebsmodus ohne Einschränkung betrieben werden.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann für eine weitere Stabilisierung vorgesehen sein, dass für den Notbetriebsmodus zumindest ein vorbestimmter, mit dem Generator elektrisch gekoppelter Verbraucher abgeschaltet wird. Dann kann durch diesen Verbraucher keine Veränderung der benötigten elektrischen Leistung mehr verursacht werden.
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Gemäß einer Weiterbildung wird im Normalbetriebsmodus der aktive Gleichrichter zum Gleichrichten der Wechselspannung genutzt, indem durch Schalten des Gleichrichters ein diodenbasierter passiver Gleichrichter emuliert wird. Mit anderen Worten werden Schaltzeitpunkte von Schaltern des Gleichrichters, also beispielsweise von Transistoren, derart gewählt, wie sie sich auch ergeben würden, wenn der Gleichrichter als passiver Gleichrichter mit Dioden ausgestaltet wäre. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der aktive Gleichrichter die Regelung des Erregerstroms nicht beeinflusst. Somit kann für die Regelung des Erregerstroms im Normalbetriebsmodus ein herkömmlicher, aus dem Stand der Technik bekannter Regler-Chip verwendet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung wird die Ausgangsspannung in der beschriebenen Weise durch eine Batterie des Kraftfahrzeugs gepuffert oder gestützt. Bei dieser Weiterbildung ist zusätzlich vorgesehen, dass eine Entkopplung der Batterie von dem Generator erkannt wird und bei erkannter Entkopplung das Batteriefehlersignal erzeugt wird. Somit wird von dem Normalbetriebsmodus in den Notbetriebsmodus umgeschaltet, sobald die Batterie vom Generator entkoppelt ist. Bei der Entkopplung handelt es sich insbesondere um eine galvanische Entkopplung.
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Um die Entkopplung zu erkennen, sieht eine Weiterbildung vor, dass ein Batteriestrom der Batterie ermittelt wird und die Entkopplung erkannt wird, falls der Batteriestrom für eine vorbestimmte Zeitdauer betragsmäßig kleiner als ein vorbestimmter erster Schwellenwert ist und/oder falls bei einer Änderung des Sollwerts für die Ausgangsspannung kein Ausgleichsstrom zwischen der Batterie und dem Generator fließt. Diese beiden Indizien können jeweils nur auftreten, falls die Batterie vom Generator entkoppelt ist. Somit sind sie ein zuverlässiges Erkennungszeichen für die Notwendigkeit, in den Notbetriebsmodus zu wechseln.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Entkopplung erkannt werden, indem ein zeitlicher Verlauf der Ausgangsspannung erfasst wird. Die Entkopplung wird hierbei erkannt, falls eine Welligkeit der Ausgangsspannung größer als ein vorbestimmter zweiter Schwellenwert ist. Mit anderen Worten wird detektiert, dass die durch die Batterie bewirkte Pufferung nicht mehr vorhanden ist, weil eine Amplitudenschwankung der Ausgangsspannung ein vorbestimmtes Toleranzband verlässt, in welchem der Sollwert liegt. Die Welligkeit kann z. B. durch Subtrahieren eines zeitlichen Mittelwerts von einem Zeitsignal des Spannungswerts der Ausgangsspannung und anschließendes Erfassen einer Spitze-zu-Spitze-Amplitude als Welligkeit ermittelt werden. Durch diese Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass auch auf der Seite des Generators bereits die Entkopplung detektiert werden kann, ohne dass an der Batterie ein Batteriestrom erfasst werden muss.
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Wie bereits ausgeführt, gehört zu der Erfindung auch eine Steuervorrichtung für einen Generator. Die Steuervorrichtung kann beispielsweise als ein Steuergerät ausgestaltet sein. Die Steuervorrichtung weist eine erste Steuerschnittstelle für ein Schaltelement einer Erregerspule einer fremderregten elektrischen Maschine des Generators und eine zweite Steuerschnittstelle für Schaltelemente eines aktiven Gleichrichters des Generators auf. Mit anderen Worten kann die Steuervorrichtung sowohl die Erregerspule als auch den aktiven Gleichrichter schalten. Die Steuervorrichtung ist dazu ausgelegt oder eingerichtet, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Hierzu kann die Steuervorrichtung beispielsweise einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor aufweisen.
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Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem Generator und mit einer mit dem Generator gekoppelten Batterie. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung bereitgestellt, die mit dem Generator gekoppelt ist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt die einzige Figur (Fig.) eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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Die Fig. zeigt ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, handeln kann. Dargestellt ist ein elektrisches Bordnetz 2 mit einem Generator 3, einer Batterie 4 und elektrischen Verbrauchern 5, wobei die Verbraucher 5 lediglich durch ein einzelnes Element symbolisch repräsentiert sind. Der Generator 3 erzeugt an Gleichspannungsanschlüssen 6 eine Gleichspannung U, die kleiner als 60 Volt ist, insbesondere ist die Gleichspannung U kleiner als 20 Volt, insbesondere ist sie in einem Bereich zwischen 10 Volt und 15 Volt. Bei dem Bordnetz 2 kann es sich somit um ein 12-Volt-Bordnetz handeln. Bei der Batterie 4 kann es sich beispielsweise um einen Blei-Akkumulator handeln.
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Zum Erzeugen der Gleichspannung U weist der Generator 3 eine elektrische Maschine 7 und einen aktiven Gleichrichter 8 auf. Die Gleichspannung U wird zwischen einer Plusleitung B+ und einer Masseleitung GND des Bordnetzes 2 erzeugt. An die beiden Leitungen B+, GND sind auch die Batterie 4 und die Verbraucher 5 angeschlossen.
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Bei der elektrischen Maschine 7 handelt es sich um eine fremderregte elektrische Maschine, insbesondere eine fremderregte Synchronmaschine. Die elektrische Maschine 7 weist einen Rotor 9 mit einer Erregerspule 10 und einen Stator 11 mit Statorspulen 12 auf. Die elektrische Maschine 7 kann in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein.
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Der Gleichrichter 8 ist ein aktiver Gleichrichter mit Halbbrücken 13, über welche jeweilige Wicklungsenden 14 der Statorspulen 12 sowohl mit der Plusleitung B+ als auch der Masseleitung GND jeweils über ein Schaltelement 15 verschaltet sind. In der Fig. sind der Übersichtlichkeit halber nur einige der Schaltelemente 15 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Schaltelemente 15 sind steuerbar. Es kann sich bei den Schaltelementen 15 beispielsweise um Transistoren handeln, insbesondere um MOSFET. Die Schaltelemente 15 werden durch eine Steuereinheit 16 gesteuert.
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Ein Erregerstrom Ie durch die Erregerspule 10 kann durch einen ersten Spannungsregler 17 geregelt sein, welcher die Gleichspannung U auf einen Sollwert 18 eiregelt, indem mittels eines Erregertransistors 19 durch eine Taktung oder durch ein gepulstes Schalten des Erregertransistors 19 die mittlere Stromstärke des Erregerstroms Ie derart eingestellt wird, dass ein von dem ersten Regler 17 ermittelter Istwert 20 der Gleichspannung U dem Sollwert 18 entspricht. Der Erregertransistor 19 stellt eine Schaltelement der Erregerspule 10 dar. Für das getaktete Schalten kann des Weiteren eine Freilaufdiode 21 für die Erregerspule 10 bereitgestellt sein.
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Der Reglerbetrieb mittels des ersten Spannungsreglers 17, das heißt die Erregerstromregelung, wird bei dem Kraftfahrzeug 1 in einem Normalbetriebsmodus M1 durchgeführt, wenn die Batterie 4 ebenfalls eine elektrische Verbindung zu den beiden Leitungen B+, GND aufweist. Dies wird durch eine Überwachungseinrichtung 22 überwacht, die beispielsweise in der beschriebenen Weise einen Batteriestrom Ib überwacht oder eine Welligkeit der Gleichspannung U überwacht. Die Überwachungseinrichtung 22 kann hierzu durch eine elektrische Schaltung realisiert sein. Falls die Überwachungseinrichtung 22 eine Unterbrechung des elektrischen Kontakts der Batterie 4 zu den Leitungen B+, GND erkennt, signalisiert sie dies durch ein Batteriefehlersignal 23.
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Das Batteriefehlersignal 23 wird an die Steuereinheit 16 übermittelt. Die Steuereinheit 16 wechselt daraufhin von dem Normalbetriebsmodus M1 in einen Notbetriebsmodus M2. Mit anderen Worten wird der erste Spannungsregler 17 deaktiviert. Der Spannungsregler 17 schließt hierbei den Erregertransistor 19, das heißt der Erregertransistor 19 ist im Notbetriebsmodus M2 in einem dauerhaft leitenden Zustand. Hierdurch wird die Erregerspule 10 mit dem maximal möglichen Wert für den Erregerstrom Ie durchstromt oder bestromt.
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Die Steuereinheit 16 weist einen zweiten Spannungsregler 24 auf, der ebenfalls eine Regelung der Ausgangsspannung U auf den Sollwert 18 durchführt. Die Steuereinheit 16 kann hierzu beispielsweise einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor aufweisen. Ein Istwert 20 der Ausgangsspannung U kann durch eine Spannungserfassungseinrichtung 25 ermittelt werden, welche den Istwert 20 an die Steuereinheit 16 übermittelt. Die Spannungserfassungseinrichtung 25 kann in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein.
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Der zweite Spannungsregler 24 steuert die Schaltelemente 15 des Gleichrichters 8. Durch den Spannungsregler 24 kann jedes der Schaltelemente 15 unabhängig von den übrigen Schaltelementen 15 angesteuert werden. Hierbei wird eine feldorientierte Regelung für den Generator 3 durchgeführt, um die Ausgangsspannung U auf den Sollwert 18 einzuregeln. Eine entsprechende feldorientierte Regelung ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt.
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Die Steuereinheit 16, der Spannungsregler 17 und die Spannungserfassungseinrichtung 25 stellen somit zusammen eine Steuervorrichtung C im Sinne der Erfindung.
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Um von dem Notbetriebsmodus M2 zurück in den Normalbetriebsmodus M1 zu wechseln, kann vorgesehen sein, dass dies durch ein fahrzeugexternes Steuergerät oder Diagnosegerät bewirkt wird, welches beispielsweise in einer Werkstatt an das Kraftfahrzeug angeschlossen werden kann.
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Falls in dem Kraftfahrzeug 1 ausschließlich der erste Spannungsregler 17 für die erregerstrombasierte Regelung vorhanden wäre, hätte diese Kombination aus Brückengleichrichter und Standardregler den Nachteil bei dynamischen Vorgängen, wie sie sich beispielsweise bei einer Drehzahländerung eines mechanischen Antriebs des Rotors 9 oder bei einer elektrischen Laständerung der Verbraucher 5 ergeben könnte. Im batterielosen Betrieb, wenn also die elektrische Verbindung zwischen Batterie 4 und den Leitungen B+, GND unterbrochen wäre, wäre bei dynamischen Fahrmanövern, wie beispielsweise einer Kombination aus Lenkeingriff, Bremseingriff und Fahrwerkseingriff, eine Schwankung der Energienetzspannung, das heißt der Ausgangsspannung U, stark und es ist sogar möglich, dass die spezifizierten Spannungsgrenzen für die Ausgangsspannung U verletzt werden. Die Ursache dafür liegt in der beschriebenen Zeitkonstante des Erregerkreises mit der Erregerspule 10, die verhindert, dass der Erregerstrom Ie mit ausreichender Schnelligkeit oder Dynamik nachgeführt werden kann.
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Bei dem Kraftfahrzeug 1 kann nun diese Dynamik mit dem Gleichrichter 8 mit der feldorientierten Regelung geschaffen werden. Die Zeitkonstante einer feldorientierten Regelung, die lediglich die Schaltelemente 15, also insbesondere Transistoren, schalten muss, liegt somit in der Größenordnung der Schaltzeit solcher Transistoren. Dazu muss die elektrische Maschine 7 unter ständiger Vollerregung stehen, wodurch sich zwar der Wirkungsgrad verschlechtert, aber dieser Betrieb ist nur für den batterielosen Notbetrieb möglich. Es müssen auch keine kostspieligen Permanentmagnete eingesetzt werden.
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Durch die Kombination aus feldorientierter Regelung und Erregerstromregelung kann somit für den batterielosen Betrieb eine Regelstrategie geschaffen werden, die eine dynamische Spannungsregelung der Ausgangsspannung U ohne Verlust von Wirkungsgrad während des Normalbetriebs ermöglicht. Auch müssen keine kostspieligen Permanentmagnete vorgesehen werden.
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Somit funktioniert im Normalbetrieb der Gleichrichter mit einem Ansteuerverfahren, das ein Diodenverhalten der Schaltelemente 15 nachahmt. Die Ausgabespannung U wird durch den Regler 17 für den Erregerstrom Ie eingestellt. Der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 7 ist somit optimal, da im Teillastbetrieb nicht der volle Erregerstrom Ie fließt. Der Erregerstrom stellt nämlich einen Verluststrom dar. Jedoch wird die Maschinendynamik durch die Erregerzeitkonstante beschränkt.
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Sollte nun im Bordnetz 2 ein batterieloser Betrieb erkannt werden, was durch die Überwachungseinrichtung 22 mittels des Batteriefehlersignals signalisiert wird, wird von dem Normalbetriebsmodus des Generators 3 in den Notbetriebsmodus umgeschaltet. Die Diagnose kann beispielsweise die beschriebene Batterie-Diagnose oder eine Sensierung der Spannungswelligkeit am Generator 3 selbst sein.
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Der Spannungsregler 17 stellt dann den maximalen Erregerstrom Ie ein, wodurch der maximale magnetische Fluss in der elektrischen Maschine 7 entsteht. Zur Spannungsregelung wird die feldorientierte Regelung im Gleichrichter 8 eingesetzt. Diese Regelungsart ist dynamischer als die Erregerstromregelung. Betriebspunktänderungen durch die beschriebenen dynamischen Vorgänge, beispielsweise dynamische Fahrmanöver, können durch eine entsprechend schnelle Ansteuerung der Schaltelemente 15 und durch die kurzen Schaltzeiten dieser Schaltelemente sehr schnell erfolgen. Somit kann die Ausgabespannung U bei dynamischen Fahrmanövern deutlich schneller nachgeregelt werden. Im Notbetriebsmodus ist der Wirkungsgrad der Maschine zwar dadurch schlechter, da immer der hohe Erregerstrom Ie fließt. Dies wird aber durch den Vorteil aufgehoben, dass weiterhin eine stabilisierte Ausgangsspannung U auch bei batterielosem Betrieb bereitgestellt wird.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Spannungsstabilisierung des 12 V-Generators durch Kombination aus feldorientierter Regelung und Erregerstromregelung bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10116202 A1 [0002]
- DE 102012210907 A1 [0003]
- DE 102012222220 A1 [0003]
