-
Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen der
Ausgangsspannung eines ein Bordnetz versorgenden Generators Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen
der Ausgangsspannung eines ein Bordnetz versorgenden Generators.
-
Aus der
DE 100 17 693 A1 , von der
im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, ist eine Vorrichtung
zur Einstellung der Bordnetz- bzw. Ausgangsspannung bekannt, die
enthält
einen Generator mit einer steuerbaren Ausgangsspannung, eine Generatorsteuereinrichtung,
mit der die Ausgangsspannung berechenbar ist und die ein entsprechendes
Steuersignal an den Generator abgibt, und zumindest ein vom Generator
mit Strom versorgtes Steuergerät,
das eine Spannungsermittlungseinrichtung enthält. Zwischen dem Steuergerät und der
Generatorsteuereinrichtung ist eine Datenverbindung vorgesehen,
mittels der die von der Spannungsermittlungseinrichtung des Steuergerätes ermittelte,
an dem Steuergerät
liegende Versorgungsspannung an die Generatorsteuereinrichtung übertragbar
ist. Weiter ist die Generatorsteuereinrichtung derart ausgebildet,
dass sie die Ausgangsspannung des Generators unter Berücksichtigung
der an sie übertragenen, an
dem Steuergerät
liegenden Spannung bestimmt. Mit dieser Vorrichtung wird erreicht,
dass die Ausgangsspannung jeweils so hoch eingestellt werden kann,
dass die am Steuergerät
liegende Spannung der maximal zulässigen Versorgungsspannung
des Steuergerätes
entspricht. Auf diese Weise kann ein im Bordnetz erhaltener Akkumulator
jeweils mit der maximal möglichen
Spannung nachgeladen wird, bei der die Steuergeräte nicht beschädigt werden.
-
Aus der
EP 0 749 192 B1 ist eine
Steuerschaltung zum Steuern der Ausgangsspannung eines Generators
bekannt, mit der einerseits eine Batterie möglichst wirksam geladen werden
soll und andererseits vermieden werden soll, dass Lampen durch eine
zu hohe Spannung geschädigt
werden. Bei dieser Steuerschaltung wird die Ausgangsspannung des
Generators durch das Lastverhältnis
des durch seine Feldspule fließenden
Stroms bestimmt. Wenn eine Lampe angeschaltet wird, wird die Ausgangsspannung
auf einen vorbestimmten niedrigen Wert abgesenkt, wenn mit einem
Lastverhältnis
unter einem vorbestimmten Schwellwert gefahren wird, d. h. die Batterie
nicht sehr weit entladen ist. Wenn beim Einschalten einer Lampe
dagegen mit einem über dem
vorbestimmten Schwellwert liegenden Lastverhältnis gefahren wird, d. h.
die Batterie sehr stark entladen ist, wird die Ausgangsspannung
nicht abgesenkt.
-
Aus der
DE 100 21 291 A1 ist eine
Lichtquellen-Treibereinrichtung bekannt, mit der eine Glühbirne eines
Fahrzeuges mit hoher Leuchtkraft betrieben werden kann. Dazu weist
die Treibeinrichtung einen Wechselrichter zum Umwandeln eines Gleichstroms von
einer im Fahrzeug eingebauten Batterie in einen Wechselstrom und
eine Stromaddierschaltung zum Addieren des Gleichstromes von der
im Fahrzeug eingebauten Batterie und des zum Wechselrichter erzeugten
Wechselstroms auf, um eine Glühbirne,
die beispielsweise in einem Scheinwerfer angeordnet ist, mit dem
addierten elektrischen Strom zu versorgen. Die Glühbirne wird
mit dem elektrischen Strom, der den von Wechselstrom überlagerten
Gleichstrom enthält,
betrieben, so dass sich ihre Leuchtkraft mit der Periode des Wechselstroms ändert. Die Änderungsfrequenz
ist so hoch, dass sie vom Auge nicht erfasst wird.
-
Aus der
DE 100 42 903 A1 ist eine
Steuerungsvorrichtung für
eine Fahrzeuglampe bekannt, die eine Lampenansteuerungseinrichtung
zum Anstellen der Lampe aufweist, einen Steuerungssignal-Generator
zum Erzeugen eines gepultsten Steuerungssignals, wobei die Pulse
ein derartiges Tastverhältnis
aufweisen, dass der Leistungsverbrauch der Lampe mit dem Sollwert
der Lampe übereinstimmt.
Weiter ist eine Ansteuerungssteuereinrichtung vorhanden, um die
Lampenansteuerungseinrichtung entsprechend dem gepultsten Steuerungssignal
ein-/auszuschalten, wobei der Steuerungssignal-Generator ein zusätzliches
Steuerungssignal erzeugt, das bewirkt, dass die Ansteuerungseinrichtung
die Lampensteuerungseinrichtung derart steuert, dass ein zu der
Lampe fließender
Strom durch die Lampenansteuerungseinrichtung für eine bestimmte Zeitdauer
begrenzt wird, bis ein Spitzenstrom zu einem Zeitpunkt des Anschaltens
der Lampenansteuerungseinrichtung gleich oder kleiner wird als ein
erlaubter Wert vor dem gepultsten Steuerungssignal bei Beginn des
Einschaltens der Lampe.
-
Es gibt zahlreiche Verbraucher, die
kurzzeitig durchaus mit höheren
Versorgungsspannungen betrieben werden können, als ihrer Nennspannung
entspricht. Wenn solche Verbraucher nur selten oder über kurze
Zeitdauern eingeschaltet sind (beispielsweise bestimmte Lampen),
stehen sie einer Anhebung der Ausgangsspannung des Generators, um beispielsweise
eine Batterie beziehungsweise einen Akkumulator möglichst
rasch nachzuladen oder andere Verbraucher, für die eine höhere Versorgungsspannung
vorteilhaft ist, nicht entgegen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen der Ausgangsspannung
eines ein Bordnetz versorgenden Generators zu schaffen, mit dem
bzw. der die Ausgangsspannung möglichst
hoch sein kann, ohne dass die Gefahr einer unzulässigen Schädigung einzelner Verbraucher
besteht.
-
Die das Verfahren betreffende Aufgabe
wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die kumulative individuelle Schädigung berücksichtigt, die der Verbraucher
durch seinen Betrieb mit Überspannung
erfahren hat, und bei der Steuerung der Ausgangsspannung des Generators
derart berücksichtigt,
dass diese kumulative Schädigung
bzw. der augenblickliche Ist-Schädigungswert
ein vorbestimmtes Maß bzw.
einen vorher festgelegten, zulässigen
Verlauf nicht übersteigt.
Die Gesetzmäßigkeiten,
nach denen die Ausgangsspannung erforderlichenfalls abgesenkt wird,
können
unterschiedlichster Art sein.
-
Die Unteransprüche 2 bis 6 sind auf vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
-
Mit den Merkmalen des Anspruchs 7
wird die Lebensdauer einer Lampe verlängert.
-
Der Anspruch 8 kennzeichnet den grundsätzlichen
Aufbau einer Vorrichtung zur Lösung
des diesbezüglichen
Teils der Erfindungsaufgabe.
-
Die Unteransprüche 9 bis 11 sind auf vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.
-
Die Erfindung kann für alle Arten
von einem Generator mit einstellbarer Ausgangsspannung versorgten
Netzen verwendet werden, in denen Verbraucher enthalten sind, deren
Funktionstüchtigkeit beziehungsweise
Lebensdauer von derer Versorgungsspannung abhängt. Solche Generatoren können durch
jedwelche Spannungsquelle mit einstellbarer Ausgangsspannung gebildet
sein, beispielsweise von einem Motor angetriebene drehbare Generatoren,
Spannungsgeneratoren in Form von Brennstoffzellen usw. Besonders
vorteilhaft eignet sich die Erfindung zur Anwendung in Fahrzeugbordnetzen.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer
Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
-
Es stellen dar:
-
1 ein
Blockschaltbild mit Komponenten eines Bordnetzes eines Fahrzeugs,
-
2 bis 4 Zeitverläufe von
Schädigungswerten
zur Erläuterung
der Erfindung.
-
Gemäß 1 weist ein Fahrzeug einen von einem
nicht dargestellten Antriebsmotor angetriebenen Generator 10 auf,
der über
eine Leitung 12 mit einem Akkumulator beziehungsweise einer
aufladbaren Batterie 14 oder einem sonstigen Speicher für elektrische
Energie, z. B. einen Kondensator, verbunden ist. In 1 sind Leitungen, die der Stromversorgung
dienen, durchgehend gezeichnet. Von dem Generator 10 beziehungsweise
der Batterie 14 werden Lampen 16, beispielsweise
im vorderen Bereich des Fahrzeugs, und Lampen 18, beispielsweise
im hinteren Bereich des Fahrzeugs, mit Strom versorgt, wenn zugehörige Schalter 20 bzw.
22 geschlossen sind.
-
Weiter werden von dem Generator 10 bzw. der
Batterie 14 ein den vorderen Lampen 16 zugeordnetes
Steuergerät,
ein den hinteren Lampen 18 zugeordnetes Steuergerät 26,
ein Motorsteuergerät 30,
ein Ausgangsspannungssteuergerät 32 und
eine Bedieneinheit 36 mit Strom versorgt. Das Ausgangsspannungssteuergerät 32 dient
zum Steuern der Ausgangsspannung des Generators 10 mittels
eines Steuersignals, das über
eine Leitung 34 einem entsprechenden Eingang des Generators
zugeführt wird.
Mittels der Bedieneinheit 36 werden die Lampen eingeschaltet
sowie ggf. weitere Funktionen ausgelöst.
-
Die Steuergeräte und die Bedieneinheit enthalten
Mikroprozessoren und eine BUS-Schnittstelle (soweit eingetragen
mit B bezeichnet), die mit einem BUS 38 verbunden sind, über den
in an sich bekannter Weise Signalinformation läuft.
-
Beim Einschalten der entsprechenden
Lampen, beispielsweise Standlicht oder Fernlicht, Nebellicht, Rücklicht
usw. über
die Bedieneinheit 36 wird über den BUS 38 an
die Steuergeräte 24, 26 entsprechende
Information gesendet, so dass die Steuergeräte die Schalter 20 beziehungsweise
22 schließen und
die Lampen mit Strom versorgt werden. Es versteht sich, dass nicht
zwingend alle Lampen über
die Bedieneinheit 36 geschaltet werden müssen, sondern
auch unmittelbar, beispielsweise über einen Bremslichtschalter
geschaltet werden können.
-
Die Versorgungsspannung, die an den
Lampen tatsächlich
liegt und die von der Ausgangs- bzw. Ladespannung des Generators
beziehungsweise der Batteriespannung in Folge beispielsweise ohmscher Verluste
weiter abweichen kann, wird von den Steuergeräten 24 und 26 erfasst,
beispielsweise über
eine Analog/Digitalschnittstelle digitalisiert, vom Mikroprozessor
ausgewertet und an das Steuergerät 32 übertragen.
-
Die Versorgungsspannung, die am Motorsteuergerät 30 liegt,
wird ebenfalls über
einen Analog/Digitalwandler dieses Steuergerätes digitalisiert, vom Mikroprozessor
ausgewertet und über
die BUS-Schnittstelle an das Steuergerät 32 übertragen.
-
In einem mit dem Mikroprozessor des
Steuergerätes 32 verbundenen
Speicher 40 sind die Soll-Versorgungsspannungen der einzelnen
Verbraucher, das heißt
der Lampen 16, 18 und des Steuergerätes 30 abgelegt.
-
Während
des Betriebs des Bordnetzes wird für jeden Verbraucher i in dem
Steuergerät 32 der Wert
Wi ermittelt, um den die von den Steuergeräten 24, 26 und 30 ermittelten
Ist-Versorgungsspannungen
der jeweiligen Verbraucher über
den diesen zugeordneten Soll-Versorgungsspannungen liegen und die
Zeitdauern erfasst, während
der Wert Wi positiv ist. Ein kumulativer
Ist-Schädigungswert
des jeweiligen Verbrauchers wird im Steuergerät 32 errechnet, indem
beispielsweise während
der gesamten Betriebsdauer das Zeitintegral der jeweiligen Werte
von Wi errechnet wird.
-
Die Ausgangsspannung des Generators 10 wird
von dem Steuergerät 32 nach
vorbestimmten Algorithmen abhängig
vom augenblicklichen Soll-Schädigungswert
derart gesteuert, dass ein vorbestimmter Schädigungsverlauf, auch im Vergleich mit
der Schädigung
anderer Verbraucher, vor Ablauf einer bestimmten Zeitdauer oder
Fahrtstrecke, beispielsweise einem Wartungsintervall, nicht überschritten
wird. Bei einer Wartung kann der jeweilige Verbraucher ausgetauscht
werden und wird sein Ist-Schädigungswert
auf Null zurückgesetzt.
-
Die Steuergeräte 24 und 26 bilden
somit Erfassungseinrichtungen, die die Ist-Versorgungsspannung der
jeweiligen Verbraucher erfassen. In das Motorsteuergerät 30 ist
eine solche Spannungserfassungseinrichtung integriert. Es versteht
sich, dass die Steuergeräte 24, 26 möglichst
nahe an den jeweiligen Verbrauchergruppen beziehungsweise Lampengruppen
angeordnet sind. Das Steuergerät 32 bildet eine
Verbraucherüberwachungseinrichtung,
die die Schädigung
jedes Verbrauchers, beispielsweise das Zeitintegral von Wi, überwacht,
und bildet weiter eine Ausgangsspannungssteuereinrichtung, die die
Ausgangsspannung des Generators abhängig von der Schädigung nach
vorbestimmten Algorithmen steuert.
-
Insgesamt lässt sich auf diese Weise die Ausgangs-
bzw. Ladespannung des Generators auf einem möglichst hohen Wert halten,
damit die Batterie 14 jeweils rasch nachgeladen wird, ohne
dass ein Verbraucher unzulässig
geschädigt
wird. Es versteht sich, dass das beschriebene System dahingehend ergänzt werden
kann, dass die Ausgangsspannung des Generators 10 nur dann
auf einen möglichst
hohen Wert, bei dem beispielsweise die jeweiligen Schädigungswerte
der Verbraucher zunehmen, erhöht
wird, wenn die Batterie 14 tatsächlich nachgeladen wird oder
einen vorbestimmten Ladezustand noch nicht erreicht hat.
-
Die Lampen in einem Kfz. Werden über dessen
Betriebsdauer sehr unterschiedlich beansprucht. Einzelne Lampen
werden beispielsweise bei laufendem Generator nur selten benötigt, wie
die Innenraumbeleuchtung. Entsprechend gering ist die Schädigung einer
solchen Lampe während
einer erhöhten Ausgangsspannung.
In dem Speicher 40 des Steuergerätes 32 können Algorithmen
abgelegt sein, die den erwarteten zeitlichen Verlauf einer Ist-Schädigung berücksichtigen.
So kann beispielsweise bei laufendem Generator eine Innenraumleuchte
durch Überspan nung
stärker
geschädigt
werden als beispielsweise eine Fernlichtlampe, da die Innenraumlampe
bei laufendem Generator, und nur dann erfolgt ihre Schädigung,
wesentlich kürzer
in Betrieb ist als die Fernlichtlampe. Übersteigt der für eine Lampe noch
vorhandene Rest-Schädigungswert
den prognostizierten Rest-Schädigungswert,
so muss die Ausgangsspannung des Generators entsprechend abgesenkt
werden, wenn diese Lampe in Betrieb ist.
-
Die zulässigen Rest-Schädigungswerte
können
bei einem Werkstattaufenthalt ausgelesen werden; gefährdete Lampen
können
ausgetauscht werden, wobei der jeweilige Rest-Schädigungswert
entsprechend rückgesetzt
wird.
-
In 2 ist
auf der Waagerechten die Zeit und auf der Senkrechten die Ist-Schädigung S,
d.h. die kumulierte Schädigung,
z. B. das Zeitintegral vom W angegeben. Die Kurve A bezeichnet die
Ist-Schädigung
des Abblendlichts, die Kurve B die Ist-Schädigung des Bremslichtes und
die Kurve F die Ist-Schädigung des
Fernlichtes.
-
Der steilere Schädigungsverlauf des Abblendlichtes
im mittleren Teil der Figur ist auf die starke Nutzung des Abblendlichtes
während
einer Wintersaison zurückzuführen, vor
der und nach der das Abblendlicht weniger häufig genutzt wird. Das Fahrprofil
des Fahrzeugs ist derart, dass während
der ersten Hälfte
des Winters sehr viel mit Fernlicht gefahren wurde, so dass das
Fernlicht außerhalb
des Zeitraums nur sehr wenig geschädigt wird und innerhalb dieses
Zeitraums seine Schädigung
stark zunimmt. Die Schädigung
des Bremslichts ist vom saisonalen Verlauf weitgehend unabhängig linear
mit der Zeit. Zulässige
maximale Schädigungswerte
liegen oberhalb des in 2 dargestellten
Schädigungsbereichs.
-
Die Kurven der 3 ergeben sich aus den kumulierten Lampenschädigungskurven
(Ist-Schädigungswert)
der 2 dadurch, dass
zu jedem Zeitpunkt der kumulierte Wert der 2 durch den kumulierten Gesamtwert, d.h.
die Summe der jeweiligen Werte der Kurven A', B' geteilt
wird. Es ergeben sich die Kurven A', B' und
F'. Die Kurve B' beispielsweise verläuft zunächst konstant,
um dann abzufallen, wenn die Schädigung
des Abblendlichtes einsetzt.
-
In dem Steuergerät 32 können die
Kurven A', B' und F' für jede der
Lampen online zu den jeweiligen Zeiten berechnet werden. Es ist
zweckmäßig, die Ausgangsspannung
des Generators jeweils derart abzusenken, dass der durch die Gerade
G definierte Grenzwert nicht überschritten
wird. Damit kann sichergestellt werden, dass bis zu einem Wartungsdienst,
bezogen auf die jeweilige Gesamtschädigung aller Lampen, keine
einzelne Lampe unzulässig
stark geschädigt
wird, so dass die Funktionstüchtigkeit
der Lampen bis zu dem Wartungsdienst gewährleistet ist.
-
4 gibt
eine weitere Möglichkeit
an, wie die Generatorspannung zweckmäßigerweise gesteuert wird,
damit keine der Lampen im Zeitverlauf zu stark geschädigt wird
und vorzeitig ausfällt.
-
Die Kurven A'',
B'' und F'' der 4 ergeben sich
aus denen der 2 dadurch,
dass der jeweilige kumulierte Schädigungswert S durch die kumulierte Laufzeit
T geteilt wird, während
der der Generator bis zum jeweiligen Zeitpunkt t in Betrieb war.
-
Die Gerade H gibt einen Grenzwert
an, der von keiner der Kurven A'', B'' und F'' überschritten werden
sollte. Im dargestellten Beispiel ist es deshalb beispielsweise
erforderlich, die Ausgangsspannung zum Zeitpunkt t1 erstmals
abzusenken, zu dem die Kurve A'' den Grenzwert H übersteigt.
-
Es versteht sich, dass die beschriebenen
Algorithmen zur Absenkung der Ausgangsspannung nur beispielhaft
sind und durch andere Algorithmen ersetzt werden können, mit
denen sichergestellt wird, dass keine der Lampen vorzeitig ausfällt.
-
Die beschriebenen Verfahren können in
vielfältiger
Weise abgeändert
und/oder ergänzt
werden. Beispielsweise kann eine Lampeneinschalterkennungseinrichtung
vorgesehen sein, die das Einschalten einer Lampe erkennt und die
an der Lampe wirksame Ausgangsspannung dann zur Vermeidung eines
hohen Einschaltstroms kurzzeitig absenkt. Dies ist beispielsweise
durch Absenken der Ausgangsspannung des Generators oder durch Zuschalten
eines Vorwiderstandes möglich.
Dies ist in der Praxis für
die Bremslichter nur begrenzt möglich,
die möglichst
rasch aufleuchten sollen.
-
Für
das Merkmal, den durch eine Lampe fließenden Einschaltstrom insbesondere
durch kurzzeitige Absenkung der Ausgangsspannung des Generators
zu vermindern, wird auch unabhängig
von der geschilderten Erfassung der Schädigung einer Lampe Schutz beansprucht.
Die Dauer dieser Absenkung kann beispielsweise der Zeitdauer entsprechen,
bis zu der die Lampe ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Die Lampeneinschalterkennungseinrichtung kann
unterschiedlichen Aufbau aufweisen; beispielsweise kann die Stellung
eines jeweiligen Lampenschalters unmittelbar erfasst werden oder
es kann der Strom in einer Versorgungsleitung der Lampe erfasst
werden. Die Lampeneinschalterkennungseinrichtung ist mit der Ausgangsspannungssteuereinrichtung
des Generators verbunden, die auf ein Einschaltsignal der Lampeneinschalterkennungseinrichtung
die Ausgangsspannung des Generators kurzzeitig absenkt. Die Zeitdauer
und der Verlauf der Absenkung können
lampenspezifisch gesteuert oder geregelt erfolgen.
-
Weiter kann in dem Steuergerät 32 jedem Verbraucher
ein vorbestimmter Maximal-Schädigungswert
zugeordnet sein, der während
des Betriebes ständig
mit dem Ist-Schädigungswert
verglichen wird. Die Ausgangsspannung wird abhängig von der bis zum Erreichen
des Maximal-Schädigungswertes noch
zulässigen
Restschädigung
gesteuert, wobei der zeitliche Verlauf berücksichtigt und extrapoliert wird.
Auf diese Weise kann beispielsweise errechnet werden, dass vorbestimmte
Maximal-Schädigungen unterschiedlicher
Verbraucher, beispielsweise Schädigungen,
bei denen noch eine einwandfreie Funktionstüchtigkeit der Verbraucher gewährleistet
ist, zu vorbestimmten Zeitpunkten, beispielsweise Wartungszeitpunkten,
erreicht werden, zu denen die Verbraucher ausgetauscht werden. Auf
diese Weise ist einerseits eine maximale Betriebszuverlässigkeit
der Verbraucher gewährleistet
und ist andererseits gewährleistet,
dass eine im Bordnetz enthaltene Batterie beziehungsweise ein Akkumulator
mit maximaler Spannung jeweils nachgeladen werden kann.
-
Es versteht sich, dass die Berechnung
der jeweiligen Rest-Schädigungswerte
auch in den Steuergeräten 24, 26 erfolgen
kann. Die jeweiligen zulässigen
Rest-Schädigungswerte
werden dann von den Steuergeräten 24, 26 an
das Steuergerät 32 übertragen.