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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Generatoreinheit, eine Kurzschlussschaltungseinrichtung, einen Spannungsregler mit einer solchen Kurzschlussschaltungseinrichtung, eine Anordnung mit einer Generatoreinheit und einem solchen Spannungsregler und ein Bordnetz, insbesondere Fahrzeugbordnetz mit einer solchen Anordnung.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren, können zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie im Kraftfahrzeug verwendet werden. Üblicherweise werden dazu Klauenpolgeneratoren verwendet, welche meistens mit elektrischer Erregung ausgestattet sind. Da solche Generatoren Drehstrom, meist dreiphasig, erzeugen, ist für die üblichen Kraftfahrzeug-Gleichspannungs-Bordnetze eine Gleichrichtung erforderlich. Dazu können Gleichrichter auf Basis von Halbleiterdioden oder Halbleiterschaltern verwendet werden.
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Zur Regelung der Bordnetzspannung kann dabei ein Erregerstrom durch die Läuferwicklung des Generators gesteuert bzw. geregelt werden, d.h. Stellgröße für die Spannungsregelung in Kraftfahrzeuggeneratoren ist der Erregerstrom, also der Strom, der durch die Läuferwicklung des Generators fließt und das Erregerfeld erzeugt. Realisiert wird dies üblicherweise mittels einer Schalteinheit eines Spannungsreglers (Feldregler), 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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Im Fehlerfall, z.B. bei einem Defekt des Spannungsreglers, kann die Generatorspannung und damit die Bordnetzspannung zu hoch werden, was unerwünschte Fehlfunktionen von Komponenten und/oder elektrischen Geräten im Bordnetz verursachen kann. Beispielsweise können manche Komponenten im Bordnetz zum Eigenschutz ihre Funktion einschränken oder sich ganz abschalten. Sogar Schäden von Komponenten und/oder elektrischen Geräten im Bordnetz können entstehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Generatoreinheit, eine Kurzschlussschaltungseinrichtung, einen Spannungsregler mit einer solchen Kurzschlussschaltungseinrichtung, eine Anordnung mit einer Generatoreinheit und einem solchen Spannungsregler und ein Bordnetz, insbesondere Fahrzeugbordnetz mit einer solchen Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung adressiert das Verhindern bzw. Reduzieren von Überspannungsfällen in Bordnetzen und bedient sich dazu der Maßnahme, bei einer zu hohen Erregerspannung an der Läuferwicklung der Generatoreinheit die Läuferwicklung kurzzuschließen und somit den Erregerstrom durch den Läufer zu reduzieren bzw. im Endeffekt zu unterbrechen. Dazu wird eine Höhe der Erregerspannung bestimmt und die Läuferwicklung kurzgeschlossen, wenn die Erregerspannung einen vorbestimmten Sicherheitsschwellwert für mehr als eine vorbestimmte Sicherheitszeit erreicht oder überschreitet. Die Sicherheitszeit kann auch null betragen, d.h. die Abschaltung wird sofort ausgelöst. Bevorzugt liegt sie jedoch bei Zeiten unter 1 s, z.B. zwischen 1 ms und 500 ms. Die Sicherheitszeit kann insbesondere in Abhängigkeit von der Spannungsfestigkeit von Bordnetzverbrauchern vorgegeben werden, d.h. wie lange halten diese welchen Überspannungen stand. Der Sicherheitsschwellwert wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Nenn-Bordnetzspannung vorgebeben und kann beispielsweise von ca. 130% bis ca. 160% der Nenn-Bordnetzspannung betragen. Er kann kann insbesondere in Abhängigkeit von der Spannungsfestigkeit von Bordnetzverbrauchern vorgegeben werden, d.h. wie lange halten diese welchen Überspannungen stand.
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Insbesondere können auch mehrere vorbestimmte Sicherheitsschwellwerte mit jeweils eigenen vorbestimmte Sicherheitszeiten für den Vergleich verwendet werden, wobei die Sicherheitszeit vorzugsweise mit steigendem Sicherheitsschwellwert sinkt. Der Bereich dazwischen kann insbesondere linear interpoliert werden.
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So können Schäden an Verbrauchern im Bordnetz reduziert oder gar vermieden werden, welche durch eine zu hohe Bordnetzspannung verursacht werden können. Beispielsweise bei einem defekten Spannungsregler ist trotzdem eine sichere Abschaltung möglich. Dadurch können die Zuverlässigkeit der Energieversorgung erhöht und/oder die Gefahr von Schäden an Verbrauchern reduziert werden. Das Bordnetz sowie dessen Verbraucher werden vor einer vom Generator aufgrund einer Fehlfunktion hervorgerufenen Überspannung geschützt. Im Fehlerfall wird der Generator in einen definierten Zustand, in dem keine Überspannung mehr möglich ist, überführt. Daher können dermaßen geschützte Generatoren auch in sicherheitsrelevanten Bordnetzen eingesetzt werden.
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Im Unterschied zu Lösungen, bei denen die Höhe der Bordnetzspannung überwacht wird und dementsprechend das Spannungsmessmodul im Bordnetz angeschlossen ist (was überdies zu einem ständigen Energieverbrauch auch im Stillstand bzw. zu einem höheren Ruhestrom und zu Bedarf an EMV-Beschaltung und im Falle von Störungen im Bordnetz zu Common-Cause-Fehlern der Überwachung und der Regelung führt bzw. führen kann), ist ein Fahrzeug, welches die erfindungsgemäße Lösung einsetzt, auch bei höhere Spannungen als der Bordnetzspannung fremdstartfähig.
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Die Erfindung bietet dabei den weiteren Vorteil, dass eine Funktionalität zur Sicherheitsabschaltung, insbesondere in Form der Kurzschlussschaltungseinrichtung, nachgerüstet werden kann. Bisherige Regelschaltungseinrichtung, z.B. in Form von ICs bzw. ASICs, müssen nicht modifiziert werden. Dies ermöglicht die Realisierung eines Sicherheitsbaukastens, aus welchem je nach Sicherheitsanforderungen die geeigneten Produkte kombiniert werden können. Mit anderen Worten bietet die Erfindung den Vorteil, dass in bzw. für Spannungsregler eine Sicherheitsabschaltung individuell bei Bedarf bereitgestellt werden kann.
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Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass beispielsweise eine Massenproduktion von einheitlichen Kurzschlussschaltungseinrichtungen erfolgen kann, welche dann beliebig zu Spannungsreglern hinzugefügt werden können.
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Vorzugsweise wird eine von dem Gleichrichter bereitgestellte Bordnetzspannung als die Erregerspannung an die Läuferwicklung angelegt. Dann kann durch die Überwachung der Höhe der Erregerspannung zugleich die Bordnetzspannung überwacht werden. Diese Ausführungsform lässt sich sehr leicht umsetzen, da die Erregerspannung üblicherweise der Bordnetzspannung entspricht.
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Vorzugsweise wird die Erregerspannung auch zur Energieversorgung der Kurzschlussschaltungseinrichtung verwendet. Somit ist keine separate Versorgung notwendig, was insbesondere die Robustheit gegenüber Störungen im Bordnetz verbessert und das Risiko für einen Kurzschluss zwischen Versorgungspotential (B+) und Masse reduziert.
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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 von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Schaltplan eines Bordnetzes mit einer erfindungsgemäßen Kurzschlussschaltungseinrichtung.
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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 Läuferwicklung 16, der insbesondere von einem Motor des Fahrzeugs angetrieben werden kann, und einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsreglers 20 (auch als Feldregler bezeichnet) zur Vorgabe eines Erregerstroms durch die Läuferwicklung 16 bzw. zur Regelung einer Generatorspannung auf. Der Spannungsregler 20 dient zum Regeln der Generatorspannung zwischen den Anschlüssen B+ und Masse auf einen Sollwert, z.B. ca. 14-15 V bei einem sog. 12 V-Bordnetz mit 12 V Nennspannung. Bei der Generatorspannung handelt es sich somit um die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators bzw. die Bordnetzspannung.
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Der Spannungsregler 20 weist die eigentliche Regelschaltungseinrichtung 22, welche beispielsweise als anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC (engl.: Application Specific Integrated Circuit) ausgeführt sein kann, und eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 auf. Der Spannungsregler 20, die Regelschaltungseinrichtung 22 sowie die Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 sind jeweils durch umlaufende gestrichelte Linien kenntlich gemacht.
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Die Regelschaltungseinrichtung 22 weist einen Schalter 22c auf, z.B. einen Halbleiterschalter wie z.B. MOSFET, IGBT oder Thyristor, mittels welchem der durch die Läuferwicklung 16 fließende Strom geschaltet werden kann, und ferner eine Diode 22a für den Freilauf des Erregerstroms. Die Diode 22a kann auch als Halbleiterschalter ausgebildet sein.
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Der Spannungsregler ist über einen ersten Anschluss 16a und über einen zweiten Anschluss 16b mit der Läuferwicklung 16 verbunden. Es sei betont, dass die Läuferwicklung am Läufer der elektrischen Maschine und nicht innerhalb des Spannungsreglers 20 angeordnet ist.
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Die Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 weist zwei Potentialanschlüsse auf, die vorliegend in der Figur jedoch jeweils rechts und links aus der Kurzschlussschaltungseinrichtung herausgeführt bzw. als Leitungen durch die Kurzschlussschaltungseinrichtung hindurchgeführt sind. Insbesondere sind die zwei Potentialanschlüsse mit den beiden Läuferwicklungsanschlüssen 16a, 16b verbunden. Die Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 weist weiterhin ein Spannungsmessmodul 24a zum Messen der zwischen den zwei Potentialanschlüssen und damit zwischen den beiden Läuferwicklungsanschlüssen 16a und 16b anliegenden Erregerspannung und ein Schaltmodul 24b zum Kurzschließen der zwei Potentialanschlüsse und damit der beiden Läuferwicklungsanschlüsse 16a und 16b und damit der Läuferwicklung 16 auf. Das Schaltmodul 24b kann insbesondere einen Halbleiterschalter wie MOSFET, IGBT, Thyristor usw. aufweisen.
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Das Spannungsmessmodul 24a ist dazu eingerichtet, die zwischen den zwei Potentialanschlüssen und damit zwischen den beiden Läuferwicklungsanschlüssen 16a und 16b anliegende Erregerspannung (welche der Generatorspannung entspricht) zu messen und mit einem oder mehreren Sicherheitsschwellwerten zu vergleichen. Übersteigt die Erregerspannung den einen oder einen der mehreren Sicherheitsschwellwerte (liegt also ein Fehler in der Spannungsversorgung des Bordnetzes vor), insbesondere für einen jeweils dem Schwellwert zugehörigen vorgegebenen Zeitraum, veranlasst das Spannungsmessmodul 24a ein Schließen des Schalters 24b.
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Mit anderen Worten ist also die Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 dazu eingerichtet ist, mittels des Spannungsmessmoduls 24a eine Höhe der zwischen den zwei Potentialanschlüssen anliegenden Spannung zu bestimmen und mit einem oder mehreren vorbestimmten Sicherheitsschwellwerten zu vergleichen, und das Schaltmodul 24b zum Kurzschließen der zwei Potentialanschlüsse anzusteuern, wenn die Erregerspannung den einen oder einen der mehreren vorbestimmten Sicherheitsschwellwerte für mehr als eine jeweils vorbestimmte Sicherheitszeit erreicht oder überschreitet, wobei die Sicherheitszeit vorzugsweise mit steigendem Sicherheitsschwellwert sinkt. Beispielsweise können die Grenzen eines geeigneten Schwellwert/Sicherheitspaarbereichs bei 16,0V/500ms und 18,5V/1ms liegen. Mit anderen Worten führt in einem solchen Fall ein 500ms dauerndes Überschreiten von 16,0V ebenso wie ein 1ms dauerndes Überschreiten von 18,5V zu einem Kurzschließen. Der Bereich dazwischen kann insbesondere linear interpoliert werden. Durch eine solche kaskadierte Auslegung des Spannungsmessmoduls können verschiedene Kombinationen von Spannungs- und Zeitschwellen definiert werden. Dies ermöglicht die Auslegung nach den jeweiligen Bordnetzanforderungen.
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Das Kurzschließen der Läuferwicklungsanschlüsse 16a und 16b hat zum einen den Effekt, dass der Erregerstrom abgebaut wird und dadurch die Bordnetzspannung sinkt. Zum anderen werden durch ein anhaltendes Kurzschließen und den dadurch hervorgerufenen hohen Strom durch die Regelschaltungseinrichtung 22 irreversible Schäden in der Regelschaltungseinrichtung 22, insbesondere eine Unterbrechung des Schalters 22c oder eines dazu vorzugsweise in Reihe geschalteten Sicherungselements (z.B. Schmelzsicherung 22b), oder in einem Sicherungselement der Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 (z.B. Schmelzsicherung 24c) verursacht, welche in der Folge zu einer dauerhaften Spannungsfreiheit der Läuferwicklung 16 und damit zu einem sicheren Zustand der Spannungsquelle 11 führen, d.h. die Spannungsquelle 11 gibt keine Energie an das Bordnetz 10 ab.
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Im Unterschied zu Lösungen, bei denen die Höhe der Bordnetzspannung überwacht wird und dementsprechend das Spannungsmessmodul im Bordnetz angeschlossen ist, ist ein Fahrzeug, welches die erfindungsgemäße Lösung einsetzt, auch bei höheren Spannungen als der Bordnetzspannung fremdstartfähig, da im fehlerfreien Betrieb bereits der Schalter 22c der Regelschaltungseinrichtung 22 abgeschaltet wird, wenn die Bordnetzspannung zu hoch ist (beispielsweise bei einem Fremdstart mit 20 V). Dann ist die Erregerspannung null und die Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 wird nicht aktiv. Wäre die Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 hingegen im Bordnetz angeordnet bzw. würde die Bordnetzspannung überwachen, würde sie bei einem Fremdstart mit beispielsweise 20 V aktiv und ggf. zur Überführung der Spannungsquelle in den sicheren (und damit dauerhaft stromlosen) Zustand führen.
