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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltvorrichtung zur Regelung einer Generatorspannung eines Generators, insbesondere für einen Generator eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung liegt somit insbesondere auf dem technischen Gebiet der Generatoren für Kraftfahrzeuge und der zugehörigen Spannungsregler.
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Stand der Technik
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Bei verschiedenen Anwendungen werden Ströme mit Hilfe von Schaltungen, insbesondere Transistoren, ein- und ausgeschaltet. Befindet sich im betreibenden Stromkreis eine Induktivität, hängt der zeitliche Verlauf des geschalteten Stroms von der Höhe der Induktivität und des Widerstandes ab.
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Dieses Verhalten tritt auch bei der Spannungsregelung von Generatoren, beispielsweise Kraftfahrzeuggeneratoren, auf. Stellgröße für die Spannungsregelung in Kraftfahrzeuggeneratoren ist der Erregerstrom, also der Strom, der durch die Erregerwicklung des Generators fließt und das Erregerfeld erzeugt. Die Spannungsregelung selbst kann über die Kontrolle des Erregerstroms realisiert werden. Dies geschieht mittels einer Schalteinheit eines Spannungsreglers, die beispielsweise zumindest einen Schalttransistor umfassen kann. Die Schalteinheit kann den Erregerstrom ein- und ausschalten. Der Erregerstrom bzw. ein Erregerstrom-Takt-Verhältnis kann dabei derart verändert werden, dass sich die Ausgangsspannung des Generators auf gewünschte Werte einstellt.
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Der zeitliche Verlauf und somit die Höhe des Erregerstroms innerhalb eines Intervalls, also innerhalb eines Schaltzyklus, ist unter anderem von einer Zeitkonstante der sich im Schaltkreis befindlichen Induktivität abhängig. Maßgeblich für die Höhe dieser Induktivität ist eine Erregerwicklung und somit ein Läufer des Generators, der die Erregerwicklung trägt. Wird mittels der Schalteinheit die Erregerwicklung bestromt, steigt der Erregerstrom an. Wird die Schalteinheit ausgeschaltet, klingt der Erregerstrom über einen Freilaufkreis ab.
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Im Stand der Technik sind Spannungsregler für die Generatorspannung bekannt, welche eine zweite Schalteinheit aufweisen, um bei Spannungsüberhöhungen in einem mit dem Generator verbundenen Bordnetz, welche beispielsweise auftreten, wenn eine mit dem Generator verbundene große Last abgeschaltet wird, die Generatorspannung zu erhöhen, um das Abklingen des überhöhten Erregerstroms zu beschleunigen. Beispielsweise ist ein derartiger Spannungsregler in der
DE 10 2004 062 032 A1 offenbart. Dabei erhöht die zweite Schalteinheit bei Vorliegen einer Spannungsüberhöhung im Bordnetz die Spannung im Freilauf, indem der ursprüngliche Freilauf über das Bordnetz umgeleitet wird. Durch diese Spannungserhöhung im Freilaufkreis wird die Spannungsüberhöhung im Bordnetz möglichst schnell abgebaut.
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Die erhöhte Generatorspannung kann zu einer Bordnetzspannung führen, welche oberhalb eines optimalen Spannungsbereichs liegen kann, aber typischerweise derart vorbestimmt ist, dass keine Schäden von Komponenten und/oder elektrischen Geräten im Bordnetz durch die erhöhte Bordnetzspannung verursacht werden. Jedoch kann auch diese (kontrollierte) Erhöhung der Generatorspannung und damit der Bordnetzspannung zu unerwünschten Fehlfunktionen von Komponenten und/oder elektrischen Geräten im Bordnetz führen. Beispielsweise können dabei manche Komponenten im Bordnetz zum Eigenschutz ihre Funktion einschränken oder sich ganz abschalten.
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Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Spannungsüberhöhung langandauernd ist, beispielsweise, wenn die erste Schalteinheit, welche im Normalbetrieb die Generatorspannung regelt, einen elektrisch leitenden Defekt aufweist, d.h. dass die erste Schalteinheit nicht wie vorgesehen durch Öffnen und Schließen eines Schalters die Generatorspannung regelt, sondern der Schalter permanent geschlossen ist und daher eine Überhöhung der Generatorspannung verursacht. Herkömmlicherweise übernimmt bei einem derartigen Defekt die zweite Schalteinheit die Regelung der Generatorspannung, womit jedoch, wie oben beschrieben, auch eine Erhöhung der Bordnetzspannung einhergeht.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Schaltvorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung einer Generatorspannung eines Generators. Das Verfahren umfasst den Schritt eines Regelns der Generatorspannung in einem Normalbetrieb maximal auf einen ersten vorbestimmten Spannungssollwert mittels einer ersten Schalteinheit. Ferner umfasst das Verfahren den Schritt eines Regelns der Generatorspannung in einem Fehlerfall für einen vorbestimmten Übergangszeitraum auf einen vorbestimmten zweiten Spannungssollwert mittels einer zweiten Schalteinheit, sowie den Schritt eines Regelns der Generatorspannung im Fehlerfall nach dem Übergangszeitraum auf einen vom zweiten Spannungssollwert verschiedenen, vorbestimmten dritten Spannungssollwert mittels der zweiten Schalteinheit. Der zweite Spannungssollwert ist größer als der erste Spannungssollwert. Die Größe bzw. Höhe eines Spannungssollwertes ist dabei als Potenzialdifferenz zwischen dem Spannungssollwert und dem Massepotenzial zu verstehen.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Schaltvorrichtung zur Regelung einer Generatorspannung eines Generators, wobei die Schaltvorrichtung eine erste Schalteinheit aufweist, welche dazu eingerichtet ist, in einem Normalbetrieb die Generatorspannung maximal auf einen vorbestimmten ersten Spannungssollwert zu regeln, sowie eine zweite Schalteinheit, welche dazu eingerichtet ist, in einem Fehlerfall die Generatorspannung für einen vorbestimmten Übergangszeitraum auf einen vorbestimmten zweiten Spannungssollwert zu regeln und nach dem Übergangszeitraum auf einen vom zweiten Spannungssollwert verschiedenen, vorbestimmten dritten Spannungssollwert zu regeln. Der zweite Spannungssollwert ist größer als der erste Spannungssollwert.
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Als Generatorspannung kann insbesondere eine Phasenspannung oder eine gleichgerichtete Ausgangsspannung geregelt werden.
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Der erste vorbestimmte Spannungssollwert entspricht vorzugsweise einem Normalwert einer Bordnetzspannung eines von dem Generator versorgten Bordnetzes, beispielsweise 14 V bei einem herkömmlichen Kraftfahrzeugbordnetz. Der zweite Spannungssollwert ist vorzugsweise ein Spannungssollwert, welcher zwar größer als der erste Spannungssollwert ist, aber in einem Bereich liegt, in welchem keine Schäden von Komponenten, welche an das Bordnetz angeschlossen sind, zu erwarten sind, beispielsweise 16 V bei einem herkömmlichen Kraftfahrzeugbordnetz. Jedoch können bei diesem Wert vorzugsweise abhängig von den Eigenschaften der jeweiligen Komponente im Spannungsnetz eine oder mehrere Funktionseinschränkungen wirksam werden, um die jeweilige Komponente zu schützen. Der dritte vorbestimmte Spannungssollwert ist vorzugsweise kleiner als der zweite Spannungssollwert. Vorzugsweise ist der dritte Spannungssollwert größer oder gleich dem ersten Spannungssollwert. Der dritte Spannungssollwert ist vorzugsweise derart vorbestimmt, dass die Bordnetzspannung in einem Bereich liegt, in welchem keine Fehlfunktionen und/oder Funktionseinschränkungen von Komponenten im Bordnetz zu erwarten sind, wenn die Generatorspannung gleich dem dritten Spannungssollwert ist.
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Die Schaltvorrichtung kann dabei vorzugsweise einen Spannungsregler und/oder einen Stromregler aufweisen oder als solcher ausgebildet sein.
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Ein Fehlerfall kann vorzugsweise insbesondere dann vorliegen, wenn die erste Schalteinheit einen elektrisch leitenden Defekt aufweist, d.h. wenn die erste Schalteinheit mit geschlossenem Schalter defekt ist und nicht mehr zur Regelung der Generatorspannung den Schalter öffnen kann. In diesem Fall kann insbesondere der Erregerstrom auf den maximal möglichen Wert ansteigen, wodurch auch die Bordnetzspannung auf einen deutlich überhöhten Wert ansteigen und zu Schäden an Komponenten im Bordnetz führen kann. Insbesondere ist im Fehlerfall die Generatorspannung größer als der erste Spannungssollwert.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Generatorspannung nur während des vorbestimmten Übergangszeitraums auf den zweiten Spannungssollwert regelt, welcher oberhalb des regulären Spannungslevels liegen kann. Die Zeitdauer des Übergangszeitraums kann dabei fest vorgegeben oder variabel sein. Beispielsweise kann der Übergangszeitraum derart vorbestimmt sein, dass er nach einer - insbesondere extern vorgebbaren bzw. parametrierbaren - Zeit endet. Somit wird vorzugsweise die Zeitdauer, in welcher die Generatorspannung kontrolliert auf den zweiten Spannungssollwert geregelt wird, begrenzt.
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Dies bietet daher den Vorteil, dass auch in einem Fehlerfall, welcher einen elektrisch leitenden Defekt der ersten Schalteinheit aufweist, die Generatorspannung wieder auf einen dritten Spannungssollwert abgesenkt wird, bei welchem die Bordnetzspannung wieder einen normalen Wert einnimmt, welchen diese auch während eines Normalbetriebs aufweist. Auf diese Weise kann somit auch eine Zeitspanne, in welcher Fehlfunktionen von Komponenten im Bordnetz in Kauf genommen werden, begrenzt werden.
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Vorzugsweise erfolgt das Regeln der Generatorspannung auf den dritten Spannungssollwert zeitlich unmittelbar nach dem Regeln der Generatorspannung auf den zweiten Spannungssollwert. Insbesondere wird die Generatorspannung vorzugsweise zwischen dem ersten Spannungssollwert und dem dritten Spannungssollwert nicht auf einen anderen oder weitere Spannungssollwerte geregelt. Die Änderung des Sollwerts erfolgt in einem Schritt. Dies bietet den Vorteil, dass die Absenkung des Spannungssollwertes so schnell wie möglich erfolgen kann und somit die Gefahr von Fehlfunktionen aufgrund einer überhöhten Bordnetzspannung schnellstmöglich reduziert werden kann.
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Besonders bevorzugt weist das Regeln der Generatorspannung auf den dritten Spannungssollwert eine einstufige und/oder eine mehrstufige und/oder eine lineare homogene und/oder eine nicht-lineare homogene Reduktion des Sollwerts der Generatorspannung auf. Dies bietet den Vorteil, dass die Regelung der Generatorspannung bestmöglich auf das Verhalten bzw. auf die Eigenschaften des Generators bzw. an die Induktivität angepasst werden kann und auf diese Weise besonders vorteilhafter Verlauf der Generatorspannung bzw. der Bordnetzspannung erzielt werden kann. Vorzugsweise kann die Geschwindigkeit des Übergangs vom zweiten Spannungssollwert auf den dritten Spannungssollwert mit einer parametrisierten Geschwindigkeit (Volt/Sekunde) ausgeführt werden.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Erkennen eines Vorliegens eines Fehlerfalls anhand eines Spannungsistwerts der Generatorspannung, wobei das Vorliegen eines Fehlerfalls insbesondere daran erkannt wird, dass der Spannungsistwert der Generatorspannung größer ist als der erste Spannungssollwert. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die zweite Schalteinheit durch eine überhöhte Generatorspannung aktiviert wird und sodann die Regelung der Generatorspannung übernimmt.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Vorliegen eines Fehlerfalls daran erkannt werden, dass ein Erregerstromistwert größer ist als ein Erregerstromsollwert. Insbesondere kann ein Fehlerfall daran erkannt werden, dass ein Erregerstrom fließt, obwohl gemäß der Steuerung kein Erregerstrom fließen sollte, weil beispielsweise der Erregerstrom abgeschaltet wurde bzw. werden sollte.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass nach dem Erkennen des Vorliegens eines Fehlerfalls eine Fehlermeldung erzeugt wird. Dies ermöglicht ein zuverlässiges Einschreiten der zweiten Schalteinheit in die Regelung der Generatorspannung. Diese Fehlermeldung kann vorzugsweise auch an Komponenten außerhalb des Generators gesendet werden, um beispielsweise eine Reaktion im Gesamtsystem einzuleiten, wie etwa eine Warnung eines Benutzers oder Fahrers eines Kraftfahrzeugs, in welchem der Generator installiert ist.
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Vorzugsweise weist die erste Schalteinheit einen ersten integrierten Schaltkreis auf und/oder weist die zweite Schalteinheit einen zweiten integrierten Schaltkreis auf. Beispielsweise können die erste Schalteinheit und/oder die zweite Schalteinheit jeweils als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet sein. Dies bietet den Vorteil, dass die Schalteinheiten kompakt ausgebildet sein können. Vorzugsweise wird im Normalbetrieb die Generatorspannung mittels der ersten Schalteinheit geregelt und im Fehlerfall die Generatorspannung mittels der zweiten Schalteinheit geregelt. Beispielsweise kann die zweite Schalteinheit aktiviert werden, wenn die Generatorspannung eine Aktivierungsschwelle erreicht. Beispielsweise kann die Aktivierungsschwelle zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungssollwert liegen oder größer sein als der zweite Spannungssollwert.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Schaltplan eines Bordnetzes mit einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.
- 2 zeigt in einer schematischen Auftragung einen beispielhaften Verlauf einer Generatorspannung.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt einen Schaltplan eines Bordnetzes 10, insbesondere eines (Kraft-) Fahrzeugs, mit einer Spannungsquelle 11 und Verbrauchern bzw. Batterie 1.
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Die Spannungsquelle 11 weist eine elektrische Maschine bzw. einen Generator mit einem Ständer 12, einem dem Ständer nachgeschalteten Gleichrichter 14, einem Läufer mit Erregerwicklung 16, der insbesondere von einem Motor des Fahrzeugs angetrieben werden kann, und einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 20 (sog. Feldregler) zur Vorgabe eines Erregerstroms durch die Erregerwicklung 16 bzw. zur Regelung einer Generatorspannung auf. Die Schaltvorrichtung ist dabei als ein Spannungsregler ausgebildet, um die Generatorspannung zwischen den Anschlüssen B+ und B-(Masse) zu regeln. Bei der Generatorspannung handelt es sich somit um die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators bzw. die Bordnetzspannung.
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Die Schaltvorrichtung 20 weist eine erste Schalteinheit 22 und eine zweite Schalteinheit 24 auf. Die Schaltvorrichtung 20, die erste Schalteinheit 22 sowie zweite Schalteinheit 24 sind jeweils durch umlaufende gestrichelte Linien kenntlich gemacht.
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Die erste Schalteinheit 22 und die zweite Schalteinheit 24 weisen jeweils einen Schalter 22c bzw. 24c auf, z.B. einen Transistor, mittels welchem der durch das jeweilige Schaltelement fließende Strom geschaltet werden kann, und weisen ferner eine Diode 22a bzw. 24a für den Freilauf auf. In anderen Ausführungsformen können die Dioden 22a und/oder 24a und/oder die Transistoren 22c bzw. 24c jeweils auch als FET und/oder MOSFET ausgebildet sein.
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Die erste Schalteinheit 22 ist über einen ersten Anschluss 16a und die zweite Schalteinheit über einen zweiten Anschluss 16b mit der Erregerwicklung 16 verbunden. Es sei betont, dass die Erregerspule am Läufer der elektrischen Maschine und nicht innerhalb der Schaltvorrichtung 20 angeordnet ist, was durch die Anschlüsse in Form von offenen Kreisen illustriert ist.
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Im Normalbetrieb kann beispielsweise der Schalter 24c der zweiten Schalteinheit 24 dauerhaft geschlossen sein, während die erste Schalteinheit 22 alleine die Steuerung des Erregerstroms durch Öffnen und Schließen des Schalters 22c ausübt.
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Liegt jedoch ein Fehlerfall vor, in welchem der Schalter 22c der ersten Schalteinheit 22 dauerhaft geschlossen bzw. leitend ist und die Generatorspannung dadurch bedingt über den ersten Spannungssollwert, auf welchen die erste Schalteinheit 22 die Generatorspannung im Normalbetrieb regelt, ansteigt, so wird dadurch die zweite Schalteinheit 24 aktiviert und übernimmt daraufhin die Regelung der Generatorspannung durch Öffnen und Schließen des Schalters 24c.
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Dabei regelt die zweite Schalteinheit 24 die Generatorspannung zunächst auf einen zweiten Spannungssollwert, welcher größer als der erste Spannungssollwert ist und einer raschen Reduktion der induktiv in der Erregerwicklung 16 gespeicherten Energie dient. Nach einer vorbestimmten Übergangszeit, die insbesondere so bemessen ist, dass die in der Erregerwicklung 16 gespeicherte Energie auf ein gewünschtes Maß abgefallen ist, reduziert die zweite Schalteinheit 24 die Generatorspannung auf einen niedrigeren, dritten vorbestimmten Spannungssollwert, welcher beispielsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungssollwert liegen kann oder gleich dem ersten Spannungssollwert sein kann. In jedem Fall ist der dritte Spannungssollwert derart vorbestimmt, dass dieser zu einer vom Generator erzeugten Bordnetzspannung führt, welche in einem normalen Bereich liegt, d.h. dass die dabei erzeugte Bordnetzspannung einen Wert aufweist, welcher einen störungs- und schadenfreien Betrieb der Komponenten im Bordnetz 10 ermöglicht.
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Zudem kann die Schaltvorrichtung 20 dazu eingerichtet sein, bei Vorliegen eines Fehlerfalles eine Störungsmeldung zu erzeugen und beispielsweise abzuspeichern oder einem Kontrollsystem mitzuteilen.
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2 zeigt in einer schematischen Auftragung einen beispielhaften Verlauf einer Generatorspannung 200 gegen die Zeit 100. In einem ersten Zeitabschnitt 102 operiert die Schaltungsanordnung 20 im Normalbetrieb, wobei mittels der ersten Schalteinheit 22 die Generatorspannung 200 auf einen vorbestimmten ersten Spannungssollwert 202 geregelt wird, z.B. 14 V in einem üblichen Kfz-Bordnetz. Zum Zeitpunkt 104 tritt ein Fehlerfall ein, wobei die erste Schalteinheit 22 in einen elektrisch leitenden Fehlerzustand geht, woraufhin die Generatorspannung 200 im Zeitraum 106 unkontrolliert auf einen überhöhten Spannungswert 204 steigt. Im Zeitraum 106 wird ferner das Vorliegen eines Fehlerfalles erkannt und daraufhin die zweite Schalteinheit 24 aktiviert, welche die Regelung der Generatorspannung übernimmt. Die zweite Schalteinheit regelt die Generatorspannung 200 auf einen zweiten Spannungssollwert 206, z.B. 16 V in einem üblichen Kfz-Bordnetz, woraufhin die Generatorspannung 200 im Zeitraum 108 auf den zweiten Spannungssollwert fällt und während des Übergangszeitraums 110 auf dem zweiten Spannungssollwert 206 verbleibt. Nach dem Übergangszeitraum 110 regelt die zweite Schalteinheit 24 die Generatorspannung linear fallend (Zeitraum 112) auf den niedrigeren dritten Spannungssollwert 208, woraufhin die Generatorspannung im Zeitraum 114 auf dem dritten Spannungswert verbleibt, z.B. 14,5 V in einem üblichen Kfz-Bordnetz.
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Der zweite Spannungssollwert 206 ist dabei derart vorbestimmt, dass die Komponenten im Bordnetz bei der daraus resultierenden Bordnetzspannung keine Schäden nehmen und dennoch die in der Erregerwicklung gespeicherte induktive Energie rasch reduziert wird. Der dritte Spannungssollwert 208 ist derart vorbestimmt, dass auch keine Störungen und/oder Ausfälle der Komponenten im Bordnetz zu erwarten sind, d.h. dass die Bordnetzspannung im vorgesehen bzw. normalen Bereich liegt, um einen störungsfreien Betrieb zu erzielen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004062032 A1 [0005]
