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ERFINDUNGSGEBIET
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Diese Anmeldung bezieht sich auf ein Steuersystem für einen Wechselstromerzeuger eines Fahrzeugs, der dazu ausgelegt ist, selektiv auf Hochstrom-Lastabfall zu reagieren.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die meisten modernen Fahrzeuge enthalten einen Wechselstromerzeuger. Ein Wechselstromerzeuger ist ein elektrischer Generator, der mechanische Energie in elektrische Energie in Form eines Stroms umwandelt. Der Wechselstromerzeuger kann so ausgelegt sein, dass der Strom ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom sein kann. Ein Wechselstromerzeuger kann einen Rotor enthalten, der dazu ausgelegt ist, ein rotierendes Magnetfeld zu schaffen, und einen Stator, der dazu ausgelegt ist, das Magnetfeld zu erfassen und die Rotationsenergie des rotierenden Magnetfelds in einen Wechsel- oder Gleichstrom umzuwandeln. Ein Wechselstromerzeuger kann einen Permanentmagneten verwenden, um sein Magnetfeld zu schaffen, oder ein Wechselstromerzeuger kann eine Feldspule verwenden, um sein Magnetfeld zu schaffen. Wechselstromerzeuger können insofern selbstregelnd sein, dass die Leistungsmenge, die das Fahrzeug benötigt, um verschiedenen Lasten zu genügen, bewirkt, dass sich der Wechselstromerzeugerausgang selbst automatisch auf irgendeine gegebene Ausgangsspannung einstellt. Weil allerdings der Wechselstromerzeuger eine mechanische Einrichtung ist, die sich, neben anderen Dingen, aus einem Rotor und Statorwicklungen zusammensetzt, ist er empfindlich gegenüber großen Laststörungen, die eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Wenn eine Last schnell entfernt wird, weist der Wechselstromerzeuger eine Zeitspanne auf, in der die Trägheit des Systems bewirken wird, dass der Wechselstromerzeuger weiter die zum Betreiben der Last benötigte Spannung produziert, auch wenn die Last vom System getrennt ist.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ein Fahrzeugleistungssystem enthält einen Wechselstromerzeuger und eine Steuerung. Als Reaktion darauf, dass eine Größe der elektrischen Ladung, die vom Wechselstromerzeuger während einer vorbestimmten Zeitspanne bereitgestellt wird, einen ersten Schwellenwert überschreitet und dass eine Änderungsrate der Leistungsabgabe durch den Wechselstromerzeuger einen zweiten Schwellenwert während der Zeitspanne überschreitet, reduziert die Steuerung einen Spannungssollwert des Wechselstromerzeugers um eine vorbestimmte Menge und regelt eine Ausgangsspannung des Wechselstromerzeugers auf Basis des Sollwerts.
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Ein Verfahren zum Regeln der Ausgangsspannung des Wechselstromerzeugers beinhaltet das Empfangen von Daten, die eine Menge an elektrischer Ladung, die einer Last von einem Wechselstromerzeuger bereitgestellt wird, und eine Größe der Leistung, die vom Wechselstromerzeuger ausgegeben wird, kennzeichnen. Das Verfahren beinhaltet auch, als Reaktion darauf, dass die Menge einen ersten Schwellenwert überschreitet und dass die Größe einen zweiten Schwellenwert überschreitet, einen Ausgangsspannungssollwert des Wechselstromerzeugers um eine vorbestimmte Menge zu reduzieren und die Ausgangsspannung des Wechselstromerzeugers auf Basis des Sollwerts zu regeln.
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Ein Fahrzeugleistungssystem enthält einen Wechselstromerzeuger und eine Steuerung. Die Steuerung ändert selektiv einen Ausgangsspannungssollwert für den Wechselstromerzeuger um eine vorbestimmte Menge als Reaktion darauf, dass während einer vorbestimmten Zeitspanne eine Größe elektrischer Ladung und eine Änderungsrate der vom Wechselstromerzeuger ausgegebenen Leistung entsprechende Schwellenwerte kreuzen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Blocktopologie eines Fahrzeugs mit einem auf einem Wechselstromerzeuger basierenden elektrischen System.
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2 ist ein Schaltplan eines Wechselstromerzeugersystems.
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3 ist eine grafische Veranschaulichung der Betriebsparameter eines Wechselstromerzeugersystems in Bezug auf die Zeit.
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4 ist eine grafische Veranschaulichung einer Reduzierung der Systemspannung auf Basis von Parametern des Wechselstromerzeugersystems in Bezug auf die Zeit zum Reduzieren einer Wirkung einer potentiellen Spannungsspitze.
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5 ist ein beispielhaftes Flussdiagramm zum Steuern eines Wechselstromerzeugersystems.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich allerdings, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder verkleinert dargestellt sein, um Details spezieller Komponenten zu zeigen. Die hier offenbarten, spezifischen strukturellen und funktionalen Details sollen daher nicht als beschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die Ausführungsformen auf verschiedene Weise einzusetzen sind. Wie Durchschnittsfachleute verstehen werden, können verschiedene, mit Bezug auf jede der Figuren veranschaulichte und beschriebene Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen herzustellen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten allerdings für spezielle Anwendungen oder Umsetzungsformen erwünscht sein.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen im Allgemeinen mehrere Schaltungen oder andere elektrische Einrichtungen bereit. Es ist beabsichtigt, dass alle Bezugnahmen auf die Schaltungen und andere elektrische Einrichtungen und die von jeder bereitgestellte Funktionalität nicht darauf beschränkt sind, nur das zu umfassen, was hier veranschaulicht und beschrieben wird. Obwohl spezielle Bezeichner den verschiedenen offenbarten Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen zugeordnet sein können, ist nicht beabsichtigt, dass solche Bezeichner den Betriebsumfang für die Schaltungen und die anderen elektrischen Einrichtungen einschränken. Solche Schaltungen und andere elektrische Einrichtungen können auf Basis der speziellen Art der verlangten elektrischen Umsetzungsform miteinander kombiniert und/oder auf irgendeine Art und Weise getrennt werden. Es wird anerkannt, dass jede hier offenbarte Schaltung oder andere elektrische Einrichtung irgendeine Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, Speichereinrichtungen (z. B. Flash, Direktzugriffspeicher (RAM, Random Access Memory), Nur-Lese-Speicher (ROM, Read Only Memory), elektrisch programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM, Electrically Programmable Read Only Memory), elektrisch löschbarer PROM (EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) oder andere geeignete Varianten davon) und Software enthalten kann, die miteinander zusammenwirken, um die hier offenbarte(n) Operation(en) durchzuführen. Zusätzlich kann irgendeine oder mehrere der elektrischen Einrichtungen dazu ausgelegt sein, ein Computerprogramm auszuführen, das in einem nichtflüchtigen, computerlesbaren Medium verwirklicht ist, das dazu programmiert ist, irgendeine Anzahl der Funktionen wie offenbart durchzuführen.
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Die meisten modernen Wechselstromerzeuger sind insofern selbstregelnde Einrichtungen, dass eine Leistungsmenge, die ein Fahrzeug benötigt, um verschiedenen Lasten zu genügen, bewirkt, dass sich die Ausgabe des Wechselstromerzeugers selbst automatisch auf irgendeine gegebene Ausgangsspannung einstellt. Sobald ein Feld in eine Wicklung induziert worden ist, dauert es eine Zeit, bis das mit der Wicklung verknüpfte Magnetfeld zusammenbricht, weil der Wechselstromerzeuger allerdings eine mechanische Einrichtung ist, die aus einem Rotor und Statorwicklungen besteht. Wegen der für das Zusammenbrechen des Feldes erforderlichen Zeitspanne ist ein Wechselstromerzeuger empfindlich gegenüber großen Laststörungen, die verbunden und getrennt werden. Das Problem besteht darin, dass, wenn eine Last schnell entfernt wird, der Wechselstromerzeuger eine Zeitspanne aufweist, in der die Trägheit des Systems die Spannung und den Strom produzieren wird, die zum Betreiben der Last benötigt werden, die nicht mehr angeschlossen ist. Im Ergebnis kann sich die Ausgangsspannung erhöhen, was eine Spannungsspitze bewirkt, und falls die getrennte Last groß genug ist, kann die Spitze größer als eine Maximalspannung der mit dem Wechselstromerzeuger gekoppelten Module sein. Die Module können dann wegen der Überspannung abschalten und sich rücksetzen, sobald die Spannung unter die Maximalspannung fällt (z. B. 16 Volt). Hier werden Prozesse, Verfahren und Algorithmen vorgestellt, um den Betrieb eines elektrischen Fahrzeugsystems im Anschluss an das Entfernen einer großen Last zu detektieren, abzuschwächen und aufrechtzuerhalten.
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Dies kann in 3 Schritte heruntergebrochen werden: Detektion, Reaktion und Rückkehr zum Normalbetrieb. Der Detektionsalgorithmus ist dazu konzipiert, alle großen Erhöhungen der Last des Wechselstromerzeugers zu detektieren. Um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit zu erhöhen, werden zwei Eingangssignale verwendet. Ein Signal dient zum Detektieren großer Abweichungen der Last, und das andere dient dazu, sicherzustellen, dass die Abweichung ausreichend groß war, um einen Schwellenwert zu kreuzen. Zeitliche Differentiation des eingehenden Lastindikatorsignals ermöglicht es dem Algorithmus, nur die Änderungsrate zu betrachten. Eine Schwellenwertdetektion stellt sicher, dass jede große Erhöhung der Änderungsrate den Wechselstromerzeuger nahe genug an die volle Erregung gezwungen hat, so dass sich, falls die mit dem Wechselstromerzeugersystem verbundene Last plötzlich entfernt werden müsste, eine Spannungsspitze mit einer Größe ergeben würde, die groß genug ist, um das elektrische System zu zerstören.
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Ein differenzierender Hochpassfilter des eingehenden Lastsignals benötigt eine schwache Filterung, damit er in der Lage ist, eine Änderungsrate genau zu detektieren. Diese Filterung des Signals erhöht die Stabilität des Systems. Auch kann auf jedes dieser Signale eine Hysterese angewendet werden, so dass kein Flattern auftritt. Die Bedeutung, große Erhöhungen in Betracht zu ziehen und nicht nur einfach darauf zu warten, dass der Lastindikator des Wechselstromerzeugers einen Maximalwert übersteigt, liegt darin, dass der Algorithmus versucht, große Lasten zu detektieren, die die Systemspannung auf einmal beeinflussen würden, nicht sich addierende kleinere Lasten, die ein- und ausgeschaltet werden. Dieses Detektionssystem oder -verfahren kann zusätzlich zur Verwendung eines diskreten Signals verwendet werden, das mit dem Wechselstromerzeuger oder dem Regler des Wechselstromerzeugers direkt gekoppelt ist, was Mehrdeutigkeit im Algorithmus reduzieren würde. Dies kann durchgeführt werden, indem Strom oder Leistung betrachtet werden, wohingegen eine Größe der Leistung eine Funktion einer Größe des Stroms ist, wobei die Spannung im Allgemeinen vom Regler konstant gehalten wird, auch wenn in Betracht gezogen wird, den Spannungssollwert zu reduzieren.
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Nachdem eine große Erhöhung erfolgreich detektiert und der Lastindikator einen Schwellenwert gekreuzt hat, ist der nächste Schritt der Reaktionsschritt. Im Reaktionsschritt ist es wichtig, dass das System schnell den vorhandenen Sollwert aufnimmt und ihn dann stufenweise auf einen Spannungssollwert verringert, der als Nennwert angesehen wird, falls die Last selbst plötzlich entfernt und die Spitze keine Störung des übrigen Fahrzeugsystems bewirken sollte.
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Nach dem Reaktionsschritt kann das System zu einem Nennzustand zurückkehren. Wenn der Sollwert reduziert wird, um eine große Last, die Leistung aus dem Wechselstromerzeuger zieht, zu kompensieren, ist es wünschenswert, den Sollwert so bald wie möglich auf einen Nennsollwert zurückzusetzen. Dies kann als Reaktion auf die Bestimmung einer Freigabe der großen Last erfolgen, indem der Betrieb beobachtet wird, was beinhaltet, dass eine negative Änderungsrate im Lastsignal des Wechselstromerzeugers einen Grenzwert überschreitet, dass das Lastsignal des Wechselstromerzeugers unter einen gewissen Schwellenwert fällt, eine große Änderungsrate in der Spannung des Niederspannungssystems und ein diskretes Signal, das dem System berichtet, dass der Schutz nicht mehr benötigt wird, weil die Last weg ist. Unter Verwendung einer Kombination dieser Bedingungen gibt der Algorithmus dann den Sollwert frei und fährt den Sollwert zurück auf eine Nennsystemspannung.
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1 ist eine Blocktopologie eines Fahrzeugsystems 100 mit einem auf einem Wechselstromerzeuger basierenden elektrischen System. Das Fahrzeug 102 kann eines von verschiedenen Arten von Personenfahrzeugen sein, wie zum Beispiel ein Crossover-Utility-Vehicle (CUV), Sport-Utility-Vehicle (SUV), ein Lastwagen, ein Freizeitfahrzeug (RV, Recreational Vehicle), ein Boot, ein Flugzeug oder andere mobile Maschinen zum Transportieren von Personen oder Gütern. Das Fahrzeug 102 enthält einen Verbrennungsmotor 104. Der Verbrennungsmotor 104 kann ein Motor mit innerer Verbrennung sein, wie zum Beispiel ein Benzin-, Diesel- oder Erdgas-Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor 104 kann mit einem Getriebe 106 zum Antreiben des Fahrzeugs 102 gekoppelt sein. Der Verbrennungsmotor 104 kann mit einem Anlassermotor 108 und einem Wechselstromerzeuger 110 gekoppelt sein. Der Anlassermotor 108 kann ein elektrischer Gleichstrommotor sein, oder er kann ein Wechselstrommotor sein, wie er zum Beispiel in einigen Hybridfahrzeugen verwendet wird. Der Anlassermotor 108 und der Wechselstromerzeuger 110 können eine einzelne Elektromaschine sein, die dazu konfigurierbar ist, entweder eine Ausgangsspannung zu erzeugen, wenn sie als ein Wechselstromerzeuger konfiguriert ist, oder ein Drehmoment auszugeben, um den Verbrennungsmotor 104 zu rotieren, wenn sie als ein Anlasser konfiguriert ist. Eine Steuerung in einem Modul, wie zum Beispiel einem Antriebsstrangsteuermodul (PCM, Powertrain Control Module) 112 kann den Wechselstromerzeuger 110 steuern. Ein Teil der Ausgabe des Wechselstromerzeugers 110 kann in einer Gleichstrombatterie 114 gespeichert werden, wie zum Beispiel einer Blei-Säure-Batterie, einer Li-Ionen-Batterie oder einer anderen Fahrzeugbatterie. Auch kann vom Wechselstromerzeuger 110 erzeugte Energie über einen Leistungsverteilungskasten (PDB, Power Distribution Box) 116, der auch als ein Anschlusskasten bezeichnet wird, verteilt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass das veranschaulichte System 100 lediglich ein Beispiel darstellt und dass mehr, weniger und/oder anders gelegene Elemente verwendet werden können.
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Das PCM 112 kann einen oder mehrere Prozessoren enthalten, die dazu ausgelegt sind, Anweisungen, Befehle und andere Routinen als Unterstützung der hier beschriebenen Prozesse durchzuführen. Zum Beispiel kann das PCM 112 dazu ausgelegt sein, Anweisungen auszuführen, um verschiedene Fahrzeugsysteme, einschließlich des Verbrennungsmotors 104, des Getriebes 106 und anderer Fahrzeuglasten 118, einschließlich Hochstromzubehör 120 und der elektrischen Servolenkung (EPS, Electric Power Steering) 122 zu steuern. Solche Anweisungen und andere Daten können auf eine nichtflüchtige Weise unter Verwendung einer Vielzahl von Arten computerlesbarer Speichermedien gehalten werden. Das computerlesbare Medium (auch als ein prozessorlesbares Medium oder Speicher bezeichnet) enthält irgendein nichtflüchtiges Medium (z. B. ein dinghaftes Medium), das beim Bereitstellen von Anweisungen oder anderen Daten mitwirkt, die von einem Prozessor des PCM 104 oder anderen Fahrzeugmodulen gelesen werden können. Der Prozessor kann auch aus mehreren Prozessoren in mehreren Computereinheiten bestehen, die jeweils einen Teil der Gesamtfunktion durchführen. Computerausführbare Anweisungen können von Computerprogrammen kompiliert oder interpretiert werden, die unter Verwendung einer Vielzahl von Programmiersprachen und/oder -technologien erstellt werden, einschließlich, aber ohne Einschränkung, und entweder allein oder kombiniert, Assembler, Java, C, C++, C#, Objective C, Fortran, Pascal, Java Script, Python, Perl und PL/SQL.
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Das PCM 112 kann weiterhin dazu ausgelegt sein, über ein oder mehrere fahrzeuginterne Netzwerke mit anderen Komponenten des Fahrzeugs 102 zu kommunizieren. Zu den fahrzeuginternen Netzwerken können, als einige Beispiele, ein Fahrzeug-Controller-Area-Network (CAN), ein Local Interconnect Network (LIN), ein Ethernet-Netzwerk, ein Media Oriented System Transfer (MOST) und/oder ein FlexRay zählen. Die fahrzeuginternen Netzwerke können es den Computerplattformen ermöglichen, mit anderen Fahrzeugsystemen zu kommunizieren, wie zum Beispiel anderen Fahrzeuglasten 118, EPS 122 und PDB 116 (die möglicherweise in einigen Konfigurationen nicht vorhanden sind). Das PCM 112 kann dazu ausgelegt sein, Steuern von Verbrennungsmotorbetriebskomponenten (z. B. Leerlaufsteuerkomponenten, Kraftstoffzuführungskomponenten, Abgasreinigungskomponenten usw.) und Überwachen von Verbrennungsmotorbetriebskomponenten (z. B. den Status von Motordiagnosecodes) bereitzustellen. Ein Karosseriesteuermodul und der PDB 116 können dazu ausgelegt sein, verschiedene Leistungssteuerfunktionen zu managen, wie zum Beispiel Außenbeleuchtung, Innenbeleuchtung, schlüssellosen Zugang, Fernstarten und Zugangspunktstatusverifikation (z. B. Schließstatus der Motorhaube, der Türen und/oder des Kofferraums des Fahrzeugs 102). Zu anderen Fahrzeugmodulen, die einen erheblichen Strom ziehen können, zählen ein Klimasteuerungs-Managementmodul, das dazu ausgelegt ist, Steuern und Überwachen von Heiz- und Kühlsystemkomponenten (z. B. Verdichterkupplungs- und Gebläselüftersteuerung, Temperatursensorinformationen usw.) bereitzustellen.
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2 ist ein Schaltplan eines Wechselstromerzeugersystems 200. Der Wechselstromerzeuger 110 kann einen Generator 202 und einen Regler 204 enthalten. Der Generator 202 kann als ein Einfachstator-Generator oder als ein Doppelstator-Generator ausgelegt sein. Diese Veranschaulichung ist die eines Doppelstator-Generators. Der erste Stator enthält die Wicklungen 206, die ausgelegt als Sternverbindung gezeigt werden, auch als ein ‘Y’ bezeichnet. Der erste Stator weist die Wicklungen 206A, 206B und 206C auf, bei denen jede Wicklung mit einem Paar Dioden 216A–C und 218A–C verbunden ist, um das Signal von einem Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal gleichzurichten oder umzuwandeln. Die Wicklung 206A ist elektrisch mit 216A und 218A verbunden, die Wicklung 206B ist elektrisch mit 216B und 218B verbunden, und die Wicklung 206C ist elektrisch mit 216C und 218C verbunden. Ein zweiter Stator 208 enthält die Wicklungen 208A, 208B und 208C, bei denen jede Wicklung mit einem Paar Dioden 216D–F und 218D–F verbunden ist, um das Signal von einem Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal gleichzurichten oder umzuwandeln. Die Wicklung 208A ist elektrisch mit 216D und 218D verbunden, die Wicklung 208B ist elektrisch mit 216E und 218E verbunden, und die Wicklung 208C ist elektrisch mit 216F und 218F verbunden.
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Die Regelung des Wechselstromerzeugers wird durch Steuern eines in einer Feldspule 210 fließenden Stroms durchgeführt. Die Feldspule 201 führt einem Magnetfeld Energie zu, in dem die Statoren rotieren, um die Rotationsenergie (Rotation eines Magnetfelds) in elektrische Energie umzuwandeln. Der Regler 204 enthält eine Feldspule und einen Schalter 212. Der Schalter 212 wird als ein Feldeffekttransistor (FET) gezeigt, allerdings kann er ein bipolarer Sperrschichttransistor (BJT, Bipolar Junction Transistor), ein Relais oder eine andere Struktur zum Steuern eines Stromflusses sein. Eine Treiberstufe 214 steuert den Schalter 212. Die Treiberstufe 214 kann diskrete Logik, analoge Schaltkreise oder digitale Schaltkreise sein. Die Treiberstufe 214 ist mit einer Steuerung 112 verbunden, die einen Prozessor 220 enthalten kann, der Signale über einen Ausgangsanschluss 222 ansteuert und Signale von einem Eingangsanschluss 224 empfängt. Der Eingangsanschluss 224 kann analoge und digitale Eingänge enthalten. Falls der Schalter von analogen Schaltkreisen angesteuert wird, kann der Schalter einen Stromfluss in die Feldspule 210 durch Reduzieren der Spannung über der Feldspule 210 steuern. Der Schalter kann auch mit digitalen Schaltkreisen angesteuert werden. Die digitalen Schaltkreise können den Schalter mit Pulsbreitenmodulation ansteuern, so dass der Schalter entsprechend einem spezifischen Tastgrad mit einer spezifischen Frequenz ein- und ausgeschaltet wird. Die Frequenz kann eine festgelegte Frequenz oder eine variable Frequenz sein. Der pulsbreitenmodulierte Schalter schafft in der Feldspule ein schwankendes Magnetfeld. Das erzeugte Feld kann auf Basis der Frequenz der Modulation und der Induktanz des Induktors gefiltert werden, so dass ein im Allgemeinen konstantes Feld erzeugt wird.
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3 ist eine grafische Veranschaulichung von Betriebsparametern eines Wechselstromerzeugersystems in Bezug auf die Zeit 300. Die Spannung 302 und der Strom 304 ändern sich in Bezug auf die Zeit 306. Die gezeigten Parameter enthalten einen Laststrom 308, eine Systemspannung 310, einen Wechselstromerzeugerstrom 312 und ein Lastsignal 314 des Wechselstromerzeugerfelds. In diesem Beispiel weist das System vom Zeitpunkt bei 110 Sekunden bis zum Punkt 316, zu dem eine Last eingeschaltet wird, eine Spannung von ungefähr 15 Volt auf. Die Last kann ein nachgerüstetes Zubehör sein, wie zum Beispiel ein Pflug, eine Winde, ein Suchscheinwerfer oder anderes Zubehör, das einen erheblichen Strom zieht. Die Systemspannung 310 wird reduziert, wenn der Last Energie zugeführt wird, bis die Systemspannung zum Zeitpunkt 318 auf einen Betriebspegel zurückkehrt. Das System wird weiter auf dem Betriebspegel arbeiten, und falls andere Lasten zugeschaltet werden, wie durch den Zeitpunkt bei 114 Sekunden gezeigt wird, wird der Regler weiter die Spannung regeln, weil der Strom erhöht wird, um den Leistungsbedarf der Last zu erfüllen. Die Last wird zum Punkt 320 getrennt. Bevor die Last getrennt wird, hat der Wechselstromerzeuger Leistung zum Versorgen der Fahrzeugsysteme einschließlich der Last erzeugt. Weil die Reaktion des Wechselstromerzeugers nicht augenblicklich erfolgt, wenn die Last getrennt wird, wird die vom Wechselstromerzeuger zugeführte Leistung nicht unmittelbar reduziert, wodurch zum Zeitpunkt 322 eine Spannungsspitze produziert wird. Falls die verbundene und getrennte Last groß genug ist, um zu bewirken, dass der Regler den Wechselstromerzeuger auf nahezu volle Leistung ansteuert, weist das System, wenn die Last getrennt wird, möglicherweise nicht die Kapazität auf, um diese zusätzliche Leistung aufzunehmen, die jetzt nicht verbraucht wird. Im Ergebnis kann sich die Spannungsspitze über einen Hochspannungsschwellenwert erhöhen, wie zum Beispiel auf 16 V für ein 12-V-Kraftfahrzeugsystem. Aufgrund der Spannungsspitze zum Zeitpunkt 322 nehmen möglicherweise Module im Fahrzeug diese Spannungsspitze auf. Typischerweise sind Module in einem Fahrzeug mit einer Überspannungsabschaltung ausgelegt. Wenn die Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet (wie zum Beispiel 16 Volt), schaltet das Modul ab. Wenn die Spannung unter den Schwellenwert oder einen niedrigeren Schwellenwert fällt, wie zum Beispiel zum Zeitpunkt 324, um Hysterese bereitzustellen und die Stabilität zu verbessern, werden die Module sich rücksetzen und neu starten. Dieses Neustarten oder Neu-Booten kann für Fahrzeugbesitzer nachteilig sein.
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4 ist eine grafische Veranschaulichung einer Reduzierung der Systemspannung auf Basis von Parametern des Wechselstromerzeugersystems in Bezug auf die Zeit zum Reduzieren einer Wirkung einer potentiellen Spannungsspitze. Es wird der Systembetrieb 400 als Reaktion darauf gezeigt, dass eine Last verbunden und getrennt wird. Die Veranschaulichung zeigt die Spannung 402 und den Strom 404 in Bezug auf die Zeit 406. Die Spannung 402 enthält eine Systemspannung 410 und ein Sollwertsteuersignal 414 des Wechselstromerzeugers, das auch als Spannungssollwert bezeichnet wird. Der Sollwert 414 des Wechselstromerzeugers kann verwendet werden, um einen Strom zu steuern, der in einer Feldspule 210 des Wechselstromerzeugers 110 fließt. Der Stromfluss in der Feldspule 210 induziert ein Magnetfeld, so dass in den Statoren 206 und 208 eine Ausgangsspannung erzeugt wird. Der Strom in der Feldspule 210 wird verwendet, um die Ausgangsleistung des Wechselstromerzeugers zu regeln. Die Ausgangsleistung steht in Beziehung zur Systemspannung 410 und einem Strom 408. Der Strom 408 ist ein Strom, der vom Wechselstromerzeuger an eine Last ausgegeben wird, wie zum Beispiel an eine interne Fahrzeuglast (z. B. ein HLK-Gebläse und ein EPS) oder an eine externe Last (z. B. eine Winde und einen Schneepflug). Wenn die Last zugeschaltet wird, wird die Systemspannung fallen, weil der Strom steigt, bis der Strom die Impedanz der Last unterstützen kann, dies geschieht zum Zeitpunkt 420. Es ist wichtig, dass die Last keinen Abfall in der Spannung bewirkt, der größer als eine Mindestspannung ist. Falls die Spannung unter einen unteren Schwellenwert fällt, können Module im Fahrzeug, die von der Systemspannung 410 versorgt werden, abschalten oder sich rücksetzen.
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Der Wechselstromerzeuger kann auch ein Ausgangssignal beinhalten, das auch als Lastindikator 416 bezeichnet wird. Der Lastindikator kann eine Funktion einer Leistungsabgabe des Wechselstromerzeugers sein oder kann eine Funktion des Stroms 408 sein. Der Lastindikator 416 kann ein Integral des Stroms sein, wie zum Beispiel ein bestimmtes Integral. Ein bestimmtes Integral ist ein Integral über einen gegebenen Zeitraum. Ein Integral wird als die Fläche unter der Kurve definiert, also wird sich zum Zeitpunkt 418, wenn der Strom eine schnelle Erhöhung aufweist, die Fläche unter der Kurve über einen vorbestimmten Zeitraum zu erhöhen beginnen. Die Erhöhung wird einer Steigung folgen, bis der Zeitraum den höheren Stromfluss umfasst. Dies kann als eine Differenz zwischen dem Zeitpunkt 418 und dem Zeitpunkt 422 veranschaulicht werden. Wenn sich der Strom 408 wegen der Last, die verbunden wird, erhöht, zeigt er eine Erhöhung der Änderungsrate. Die Erhöhung der Änderungsrate wird auch als eine Steigung des Stromprofils bezeichnet. Die Steigung des Stromprofils kann durch Differentiation bestimmt werden, da die Ableitung eines Profils die Steigung an diesem Punkt ist. Nach der vorbestimmten Zeit von dem Zeitpunkt an, an dem die Steigung des bestimmten Integrals null ist, wie zum Beispiel das Fenster zwischen dem Zeitpunkt 422 und 424, kann der Spannungssollwert 414 reduziert werden, damit um die Last, der gerade Energie zugeführt wird, kompensiert wird. Wenn der Spannungssollwert 414 reduziert wird, wird die Systemspannung 410 auf Basis des Spannungssollwerts 414 reduziert werden. Zum Zeitpunkt 426 wird die Last getrennt, und die Systemspannung 410 führt zu einer Spannungsspitze bei 428 auf Basis der Größe der getrennten Last und der vom Wechselstromerzeuger 110 erzeugten Energie. Falls der Spannungssollwert nicht reduziert würde, könnte die Spannungsspitze eine Schwellenspannung überschreiten. Indem der Spannungssollwert reduziert wird, kreuzt die Spannungsspitze allerdings nicht die Schwellenspannung (z. B. 18 Volt). Der aus dem Wechselstromerzeuger über eine Zeitspanne fließende Strom, der in Amperestunden gemessen wird, ist ein Messwert der elektrischen Ladung.
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5 ist ein beispielhaftes Flussdiagramm 500 zum Steuern eines Wechselstromerzeugersystems. Ein Spannungssollwert, der auch als ein Ausgangsspannungssollwert des Wechselstromerzeugers bezeichnet wird, wird im Block 502 so gesetzt, dass er die Ausgangsspannung des Wechselstromerzeugers auf einer Nennbetriebsspannung hält (z. B. 15 Volt). Im Block 504 wird ein Dynamikindikator, wie zum Beispiel eine Änderungsrate der Last, bestimmt. Der Dynamikindikator kann auch als ein Lastindikator bezeichnet werden. Während der Dynamikindikator im Block 504 bestimmt wird, wird ein Status großer Lasten, denen Leistung zugeführt wird, im Block 506 überwacht. Ein Vergleich einer Änderungsrate des Lastindikators mit einem Schwellenwert der positiven Änderungsrate wird im Block 508 durchgeführt. Im Block 510 wird ein Vergleich des Lastindikators mit einem vorbestimmten Grenzwert durchgeführt. Falls sowohl die Änderungsrate des Lastindikators größer als der Schwellenwert der positiven Änderungsrate ist, als auch der Lastindikator größer als der vorbestimmte Grenzwert ist, wird der Spannungssollwert im Block 512 reduziert werden. Falls jeder der Tests in den Blöcken 508 und 510 falsch ist, dann wird eine andere Messung durchgeführt, und der Test wird wiederholt.
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Sobald der Ausgangsspannungssollwert des Wechselstromerzeugers im Block 512 reduziert ist, wird im Block 514 ein Vergleich der Änderungsgeschwindigkeit des Lastindikators mit einem Schwellenwert der negativen Änderungsrate durchgeführt. Und ein Vergleich des Lastindikators mit einem vorbestimmten Grenzwert wird im Block 516 durchgeführt. Falls die negative Änderungsrate des Lastindikators größer als der Schwellenwert der negativen Änderungsrate ist oder der Lastindikator größer als der vorbestimmte Grenzwert ist, was kennzeichnet, dass die Last entfernt worden ist, wird der Spannungssollwert im Block 520 zum Betriebssollwert zurückkehren. Auch wird im Block 518 ein Zeitgeber, der die Zeit misst, zu der der Spannungssollwert reduziert worden ist, mit einer vorbestimmten Zeitspanne verglichen. Falls der Spannungssollwert für eine Zeitspanne, die größer als eine vorbestimmte Zeitspanne ist, auf einem reduzierten Spannungspegel gehalten worden ist, wird der Zeitgeber zum Block 520 verzweigen, und der Spannungssollwert wird im Block 520 zur normalen Betriebsspannung zurückkehren.
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Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können zur Ausgabe an ein verarbeitendes Bauelement, an eine Steuerung oder an einen Computer geeignet sein oder von diesen umgesetzt werden, wobei diese irgendeine vorhandene programmierbare elektronische Steuerungseinheit oder eine dedizierte elektronische Steuerungseinheit enthalten können. Analog können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert sein, die von einer Steuerung oder einem Computer in vielen Formen ausführbar sind, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Informationen, die auf nicht beschreibbaren Speichermedien dauerhaft gespeichert sind, wie zum Beispiel auf ROM-Bauelementen, bzw. Informationen, die auf beschreibbaren Speichermedien veränderlich gespeichert sind, wie zum Beispiel auf Floppydisks, Magnetbändern, CDs, RAM-Bauelementen oder anderen magnetischen und optischen Medien. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem durch Software ausführbaren Objekt umgesetzt werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen im Ganzen oder in Teilen unter Verwendung von geeigneten Hardware-Komponenten umgesetzt werden, wie zum Beispiel von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits, ASICs), Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), Zustandsautomaten, Controllern oder anderen Hardware-Komponenten oder -Bauelementen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten.
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Obgleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen, die von den Ansprüchen umfasst werden, beschreiben. Die in der Patentbeschreibung verwendeten Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Die Merkmale verschiedener Ausführungsformen können, wie vorher beschrieben wurde, kombiniert werden, so dass sie weitere Ausführungsformen der Erfindung bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben worden sein könnten, dass sie Vorteile gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer erwünschter Kenngrößen bereitstellen bzw. diesen vorzuziehen sind, verstehen Durchschnittsfachleute, dass Kompromisse hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale oder Kenngrößen eingegangen werden können, um verlangte Eigenschaften des Gesamtsystems zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzungsform abhängig sind. Zu diesen Merkmalen können Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebensdauerkosten, Absatzfähigkeit, Erscheinungsbild, Montage, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. zählen, sind aber nicht darauf beschränkt. Von daher liegen Ausführungsformen, die hinsichtlich eines oder mehrerer Charakteristika als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen bzw. als Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik beschrieben worden sind, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für spezielle Anwendungen erwünscht sein.
