DE10313215A1

DE10313215A1 - Spannungsregler mit Load-Response Funktion für Kurbelwellenstartergeneratoren

Info

Publication number: DE10313215A1
Application number: DE2003113215
Authority: DE
Inventors: Klaus Rechberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: DE10313215B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Spannung in einem Bordnetz (3) mit mehreren zu- und abschaltbaren elektrischen Verbrauchern. Die im Bordnetz (3) herrschende Ist-Spannung U¶B,2¶ liegt innerhalb einer Spannungsregelschleife (2) an einem Eingang (4) eines Spannungsreglers (1) an, wobei das Bordnetz (3) über einen Generator (13) versorgt wird, der über einen Pulswechselrichter gesteuert ist. Eine aus einer Soll-Spannnung U¶B,1¶ und der Ist-Spannung U¶B,2¶ im Bordnetz (3) ermittelte Regelabweichung DELTA U wird einem Vorzeichenblock (21) sowie Verstärkern (22, 23) mit lastfallabhängigem Verstärkungsverhalten zugeführt. Die lastfallabhängig verstärkte Regelabweichung wird einem Regler (29) zur Ermittlung der an das Bordnetz (3) durch den Generator (13) zu liefernden Soll-Leistung P¶B,1¶ aufgegeben.

Description

Technisches Gebiet
Zur Regelung von Drehstromgeneratoren, die an Verbrennungskraftmaschinen zur Speisung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges und zum Aufladen der Fahrzeugbatterie eingesetzt werden, können neben Standardreglern auch Multifunktionsregler eingesetzt werden. Bei Multifunktionsreglern ist neben der normalen Spannungsregelung noch die Implementierung von Sonderfunktionen realisierbar. Eine dieser Sonderfunktionen wird durch die die „Load-Response-Funktion" (LRF) dargestellt. Durch eine begrenzte Steigerungsrate der Abgabe elektrischer Leistung des Drehstromgenerators über die Zeit, wird das Lauf- und Abgasverhalten einer Verbrennungskraftmaschine unterstützt; insbesondere wird verhindert, dass bei Zuschaltung elektrischer Verbraucher im Bordnetz des Kraftfahrzeuges das durch die Ausgangsleistungserhöhung des Drehstromgenerators auf die Verbrennungskraftmaschine rückwirkende Bremsmoment einen Drehzahleinbruch oder gar ein „Abwürgen" der Verbrennungskraftmaschine zur Folge hat.
Stand der Technik
Heute in Kraftfahrzeugen eingesetzte Generatoren setzen ein die Belastung des Generators charakterisierendes Signal ab. Außerdem können die Sollspannung des Generators und/oder die Load-Response-Zeit, gesteuert werden. Die entsprechenden Signale können sowohl digital mittels eines Bussystems (z.B. über eine bitsynchrone Schnittstelle) als auch in analoger Form, z.B. in Gestalt eines Pulsweiten Modulations-Signales übermittelt werden. Dem Generator wird eingangsseitig die Sollspannung des Fahrzeugbordnetzes aufgegeben. Ferner kann ein Signal, welches die Load-Response-Zeit, mit welcher ein rampenförmiges Ansteigen des Erregerstroms im Drehstromgenerator gesteuert wird, an den Drehstromgenerator übermittelt werden. Mittels dieser Eingangsgrößen des Drehstromgenerators lassen sich u.a. dessen elektrische Leistung sowie dessen Schleppmoment bei einer bekannten Drehzahl beeinflussen.
Die Load-Response-Funktion kann der Spannungsregelung am Drehstromgenerator von außen gesteuert überlagert werden. Dies hat zur Folge, dass die Pulsweite des Erregerstroms im Erregerkreis des Drehstromgenerators von dem von außen aufgeprägten pulsweiten gesteuerten Load-Response-Signal begrenzt wird. Damit ist die elektrische Ausgangsleistung des Drehstromgenerators in einem bestimmten Betriebspunkt und somit sein Schleppmoment, was durch die Verbrennungskraftmaschine aufzubringen ist, begrenzt. Dies hat zur Folge, dass bei einem elektrischen Lastsprung kein schlagartig auftretendes Bremsmoment auf die Verbrennungskraftmaschine zurückwirkt und an dieser, insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich einen Drehzahleinbruch hervorruft.
In den oben erwähnten Betriebspunkten einer Verbrennungskraftmaschine wird beim Einschalten einer starken elektrischen Last die benötigte elektrische Energie vorübergehend aus der Fahrzeugbatterie gewonnen. Während dieser Zeitspanne erfolgt ein rampenförmiges Hochfahren der Load-Response-Funktionen, wodurch der Erregerstrom im Erregerkreis des Drehstromgenerators zunimmt. Dies geschieht solange, bis die ins Bordnetz eingespeiste elektrische Leistung des Drehstromgenerators gleich der im Bordnetz verbrauchten elektrischen Leistung ist.
Abhängig vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine kann die Rampe, entsprechend derer die Load-Response-Funktion hochgefahren wird, mehr oder weniger steil gesteuert werden, indem eine schrittweise Verlängerung der Pulsweite der Load-Response-Funktion erfolgt. Das entsprechend der Rampensteigung zunehmende Schleppmoment, was über den Riementrieb der Verbrennungskraftmaschine an den Drehstromgenerator zu dessen Antrieb übertragen wird, kann durch eine Verschiebung des Zündwinkels bzw. eine Verbesserung der Zylinderfüllung ausgeregelt werden.
Im Fall einer softwaremäßigen Steuerung der Load-Response-Funktion ist die Load-Response-Zeit, d. h. die Rampensteigung des Erregerstroms beispielsweise in einem Steuergerät als Funktion der Drehzahl, der Temperatur und des Drehmomentes der Verbrennungskraftmaschine abgelegt. Damit ist die Load-Response-Zeit ausschließlich abhängig von den Betriebszuständen, die die Verbrennungskraftmaschine einnimmt.
DE 196 38 357 A offenbart eine Einrichtung zur Spannungsregelung bei einem von einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenen, fremderregten Drehstromgenerator. Gemäß dieser Lösung wird die während der Fahrt aktivierte Load-Response-Funktion bei Auftreten bestimmter Betriebsbedingungen gesperrt. Bei Erfassung eines Drehzahlrückganges erfolgt z.B. eine Sperrung der Load-Response-Funktion. Dadurch stellt sich ein rasches Ansteigen des Erregerstroms im Erregerkreis des fremderregten Drehstromgenerators ein. Daraus wiederum resultiert eine rasche Zunahme der elektrischen Leistungsabgabe des fremderregten Drehstromgenerators, die einem Spannungseinbruch im Bordnetz eines Kraftfahrzeuges entgegenwirkt. Bei konstanter oder steigender Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine bleibt die Load-Response-Funktion hingegen aktiviert, wodurch ein schlagartiger Anstieg des bremsenden Schleppmomentes, welches der Drehstromgenerator auf die Verbrennungskraftmaschine beim Zuschalten eines eine hohe elektrische Leistung aufnehmenden Verbrauchers ausübt, unterbleibt.
Aus DE 101 34 029.9 ist ein Verfahren zur Spannungs- und Fahrdynamik abhängigen Regelung eines Generators bekannt. Der aufgrund der Verbrennungskraftmaschine angetriebene, fremderregte Drehstromgenerator ausgebildete Generator umfasst einen Erregerkreis und einen Läuferkreis. Die Load-Response dient zur Minimierung von Rückwirkungen des Drehstromgenerators auf die Verbrennungskraftmaschine beim Zuschalten elektrischer Verbraucher innerhalb eines Fahrzeugbordnetzes. Das Fahrzeugbordnetz umfasst einen Energiespeicher. Abhängig von der Spannung Ug innerhalb des Bordnetzes eines Fahrzeuges und unter Berücksichtigung des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine sowie der Fahrsituation werden Ansteuersignale für den Verlauf der Load-Response-Funktion generiert.
In Bordnetzen von Automobilen kommen Klauenpolgeneratoren zum Einsatz, die das Bordnetz mit Energie versorgen. Die Spannungsregelung innerhalb des Bordnetzes muss eine stabile Bordnetzspannung gewährleisten. Der Spannungsregler eines konventionellen Klauenpolgenerators arbeitet gemäß des Prinzips der Erregerstromregelung mit einer Spannungsistwert-Erfassung und einem einfachen PI-Regelungsprinzip. Die Zeitkonstante einer solchen Regelung liegt im Bereich von etwa 100 ms. Die Anforderung an die Spannungsregelung ist dadurch charakterisiert, dass die Spannung auch bei Ausgleichsvorgängen im Bordnetz innerhalb eines bestimmten Toleranzbandes bleibt. Als Ausgleichsvorgänge seien die Lastzuschaltung sowie der Lastabwurf genannt. Während der Lastzuschaltung erfolgt ein transienter Spannungseinbruch im Bordnetz, während beim Lastabwurf eine transiente Spannungsanhebung im Bordnetz auftritt.
Bei Zuschaltung einer elektrischen Last bricht die Spannung des Bordnetzes ein und der Spannungsregler versucht dem entgegenzuwirken, indem mehr Leistung vom Generator an das Bordnetz abgegeben wird. Diese größere Leistung muß vom Verbrennungsmotor als Antriebsleistung des Generators zur Verfügung gestellt werden. Die Spannungsregelung darf insbesondere im Bereich der Verbrennungsmotor-Leerlaufdrehzahl nicht zu schnell auf Spannungseinbrüche reagieren, da die größere Generatorlast den Verbrennungsmotor in diesem Drehzahlbereich abwürgen könnte. Diese Regelung muß daher mit ihrer Verzögerungszeit an die Größenordnung der Motorleerlaufdrehzahlregelung angepasst sein. Die Regelzeitkonstante liegt daher hier in der Regel oberhalb von 100 ms.
Beim Lastabwurf steigt hingegen die Spannung am Generator sehr rasch an. Um Beschädigungen an Bordnetzkomponenten wegen zu hoher Spannungen zu verhindern, werden Schutzbeschaltungen im Gleichrichter vorgesehen, die beispielsweise als Zehnerdioden ausgebildet sein können. Zudem wird die Regelung schnellstmöglich ausgelegt, so dass sich Erregerzeitkonstanten von 100 ms bei Volllast einstellen. Beide Maßnahmen bewirken im konventionellen Bordnetz einen zuverlässigen Überspannungsschutz.
Darstellung der Erfindung
In Bordnetzen von Kraftfahrzeugen werden Integrierte Starter-Generatoren (ISG) eingesetzt, welche die oben bereits genannten Ausgleichsvorgänge, d.h. eine Lastzuschaltung bzw. einen Lastabwurf durchlaufen, die die skizzierten Transientenspannungseinbrüche bzw. Spannungssprünge im Bordnetz zur Folge haben. Der Integrierte Starter-Generator ist in der Regel im Triebstrang eines Kraftfahrzeuges aufgenommen. Die Kurbelwellendrehzahl der Verbrennungskraftmaschine ist somit gleich der Drehzahl des integrierten Startergenerators. Um hohe Start-Drehmomente zu realisieren, kann in vorteilhafter Weise der Integrierte Starter-Generator als permanent magneterregte Synchronmaschine ausgeführt werden. Die Drehmomentregelung dieser elektrischen Maschine erfolgt im Normalfall über ein Prinzip der feldorientierten Regelung, indem der Querstrom der elektrischen Maschine geregelt wird. Der Querstrom ist im Falle einer linearisierten Betrachtung dieses Typus einer elektrischen Maschine proportional dem Drehmoment.
Befindet sich der Integrierte Starter-Generator (ISG) im generatorischen Betriebszustand, wird über einen Spannungsregler die Bordnetzspannung konstant auf einen bestimmten vorgegebenen Wert, d.h. den Sollwert, geregelt. Dies kann in vorteilhafter Weise so realisiert werden, dass einem (inneren) Drehmoment(strom)-Regelkreis ein Spannungsregelkreis überlagert ist. Der Spannungsregler im Bordnetz eines Kraftfahrzeuges regelt die Spannung auf ein bestimmtes Niveau.
Die Zeitkonstanten einer permanent magneterregten Synchronmachine – wird diese als Integrierter Starter-Generator eingesetzt – liegen im Bereich von etwa 10 ms. Die feldorientierte Regelung unter Zwischenschaltung eines Pulswechselrichters ermöglicht die Reduktion des Drehmoment bildenden Querstromes auf den Wert 0 innerhalb von 0,7 mal der Zeitkonstante, d.h. im vorliegenden Fall innerhalb von 7 ms. Selbst bei einem Volllastab wurf kann mit einem derart schnellen Regler eine Überspannungsspitze verhindert werden, indem in einer permanent erregten Synchronmaschine der Querstrom durch die Regelung extrem schnell reduziert wird.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Regelkonzept kann auch bei Klauenpolgeneratoren eingesetzt werden, bei denen im Spannungsregler eine Load-Response-Funktion durch Zählerbausteine als ASIC's ausgebildet wird. Ebenso ist der Einsatz des vorgeschlagenen Regelkonzeptes bei riemengetriebenen Startergeneratoren möglich, wobei die Spannungsregelungsfunktion den Erregerstrom beeinflusst und nicht wie bei der permanent erregten elektrischen Maschine den Querstrom.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Spannungsreglerkonzept kann als Steuersoftware innerhalb eines dem Generator vorgeordneten Pulswechselrichters implementiert werden. Durch eine Differenzbildung aus dem Bordnetzspannungs-Sollwert Ub_b,2 und dem Bordnetzspannungsistwert U_B,1 wird eine Regelabweichung ΔU ermittelt. Diese Regelabweichung wird zwei parallel geschalteten Verstärkern mit unterschiedlichem, lastfallabhängigen Verstärkungsverhalten sowie einem Vorzeichenblock (Signum-Funktion) zugeführt. Bei positiver Regelabweichung, was einem Ist-Spannungseinbruch im Bordnetz gleichkommt, wird die optimierte Verstärkung verwendet; bei einer negativen Regelabweichung, was einen Spannungsanstieg im Bordnetz bedeutet, wird eine sehr hohe Verstärkung verwendet. Die lastfallabhängig verstärkte Regelabweichung wird einem Umschalter zugeführt, der einen PI-Regler beaufschlagt. An diesem wird die an das Bordnetz abzugebende Soll-Leistung ermittelt sowie der daraus resultierende Drehmomentsollwert für den das Bordnetz versorgenden Generator.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Spannungsreglerkonzept bietet eine sehr einfache Realisierung einer schnellen Spannungsregelung bei Spannungsanstieg im Bordnetz, wodurch der Spannungsanstieg aus Sicherheitsgründen begrenzt werden kann. Ferner ist eine sehr einfache Realisierung einer langsamen (optimierten) Spannungsregelung bei Lastzuschaltung im Sinne einer Load-Response-Funktion möglich. Ferner lässt sich durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Spannungsreglerkonzept nur ein Regler einsetzen, so dass eine stoßfreie Umschaltung zwischen beiden Regelarten möglich ist, da nur ein einziger Integrator Verwendung finden kann. Das Konzept zeichnet sich ferner durch eine einfache Parametrierung auf der Bordnetzstrecke aus. Mit Bordnetzstrecke ist in diesem Zusammenhang eine regelungstechnische Beschreibung der im Bordnetz vorhandenen Lasten gemeint. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Reglerkonzept kann in einfacher Weise auf die Bordnetzkonfiguration hinsichtlich Lasten und Verbraucher im Bordnetz parametriert werden.
Ferner bietet das vorgeschlagene Regelkonzept eine optimierte Regelung für das Ausregeln von Spannungseinbrüchen und kann auch drehzahlabhängig gestaltet sein, so dass bei kleinen Verbrennungsmotor-Drehzahlen die Regelung langsam anspricht und bei hohen Verbrennungsmotor-Drehzahlen eine schnelle Regelung aktiviert wird und somit eine sehr stabile Bordnetz-Spannungsversorgung erreicht werden kann.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 eine Kaskadenregelung der Bordnetzspannung, eine innere Stromregelschleife und eine äußere Spannungsregelschleife umfassend und
2 eine schematisch widergegebenes Funktionsdiagramm des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Spannungsreglerkonzeptes.
Ausführungsvarianten
1 ist eine Kaskadenregelung zur Regelung der Spannung innerhalb einer Bordnetzes mit einer inneren Stromregelschleife und einer äußeren Spannungsregelschleife zu entnehmen Das Blockschaltbild gemäß 1 zeigt einen Spannungsregler 1, der einen Spannungsregler-Eingang 4 und einen Spannungsregler-Ausgang 5 aufweist. Am Spannungsregler-Eingang 4 steht der Wert der tatsächlich in einem Bordnetz, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges, vorhandene Ist-Spannungswert U_B,2 der Bordnetzspannung zurückgeführt bei einer Spannungsregelschleife 2 an. Das Bordnetz 3 eines Kraftfahrzeuges umfasst mehrere zu- und abschaltbare elektrische Verbraucher, wie z.B. Scheibenwischermotoren, Scheinwerfer, beheizbare Heckscheibe, Fensterheberantriebe, Sitzverstellantriebe und dergleichen mehr. Die Spannungsregelschleife 2 stellt gemäß des Blockschaltbildes gemäß 1 eine äußere Schleife dar, welche einem (inneren) Drehmoment(strom)-Regelkreis 6 überlagert ist. Mittels des Spannungsreglers 1 wird die Bordnetzspannung U_B innerhalb des Bordnetzes 3 des Kraftfahrzeuges auf einen bestimmten, vorgegebenen Wert (Sollwert) geregelt. Der von der Spannungsregelschleife 2 überlagerten inneren Stromregelschleife 6 wird am Eingang 7 der Sollwert für die Bordnetzspannung U_B,1 aufgegeben. Innerhalb eines Sollwertrechners wird der Sollwert des Generatorstroms ermittelt. Der beim Sollwertrechner 8 ermittelte Sollwert des Generatorstromes I_G wird einer Verknüpfungsstelle, die mit negativen Vorzeichen behaftet ist, aufgegeben. Dieser Verknüpfungsstelle 9 wird darüber hinaus der Istwert des Generatorstromes eines Generators 13 aufgegeben. Aus der Verknüpfung von Sollwert und Istwert des Generatorstromes wird innerhalb eines Stromreglers 12 der Generatorstrom ermittelt, mit welchem ein beispielsweise als Integrierter Starter-Generator ausgebildeter Generator 13 zu betreiben ist, um die im Bordnetz 3 erforderliche elektrische Leistung lastfallabhängig bereitzustellen. Am Ausgang 15 der inneren Stromregelschleife 6 steht die entsprechende elektrische Sollleistung an, die an einem Eingang 16 des Bordnetzes 3 eines Kraftfahrzeuges in dieses zur Versorgung der dort enthaltenen elektrischen Verbraucher, die hier nicht näher dargestellt sind, zur Verfügung gestellt wird.
Der in 1 schematisch dargestellte Generator 13 kann entweder als permanent erregte Synchronmaschine im Anwendungsfalle eines Integrierten Starter-Generators ausgebildet sein; daneben lässt sich der Generator 13 auch als Klauenpolgenerator oder auch als riemengetriebener Starter-Generator ausbilden. Im Falle eines Einsatzes einer permanent magneterregten Synchronmaschine als Generator 13, wird diese mittels einer feldorientierten Regelung über einen Pulswechselrichter betrieben. Innerhalb des Pulswechselrichters kann der Spannungsregler 1 implementiert sein. Die Zeitkonstanten einer permanent magneterregten Synchronmaschine im Integrierten Starter-Generator Anwendungsfall liegen in der Größenordnung von etwa 10 ms. Eine feldorientierte Regelung mit einem Pulswechselrichter ermöglicht eine Reduktion des Drehmoment bildenden Querstroms dieses Typs einer elektrischen Maschine auf den Wert 0 innerhalb von 0,7 mal der Zeitkonstante, d.h. innerhalb von 7 ms. Dies bedeutet, dass bei einem Volllastabwurf (load-dump) mit einem sehr schnell arbeitenden Spannungsregler 1, eine in einem Bordnetz 3 eines Kraftfahrzeuges auftretende Überspannungsspitze wirksam verhindert werden kann, indem der Drehmoment bildende Querstrom innerhalb der permanent magneterregten Synchronmaschine sehr schnell reduziert wird.
2 ist das schematisch dargestellte Funktionsdiagramm des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Spannungsreglers, welcher in der Steuersoftware eines Pulswechselrichters implementierbar ist, zu entnehmen.
Der gestrichelt umrandete Spannungsregler 1 gemäß der Darstellung im Blockschaltbild gemäß 2 ist an seinem Eingang 4 durch die Bordnetz-Istspannung U_B,2 beaufschlagt. An einem Differenzbildner 20 wird die Differenz aus dem Bordnetzspannungssollwert U_B,1 und der tatsächlich im Bordnetz herrschenden Spannung U_B,2 ermittelt. Die auf solche Art gebildete Regelabweichung Δ U wird parallel einem Vorzeichenblock 21 (Signum-Funktion) sowie einem ersten Verstärker 22 und einem zweiten Verstärker 23 aufgeschaltet. Die beiden Verstärker 22 bzw. 23 weisen ein lastfallabhängiges, unterschiedliches Verstärkungsverhalten auf. So ist im ersten Verstärker 22 eine Ruheverstärkung implementiert, die dem Lastabwurf (load-dump) und einer in diesem Falle auftretenden schnellen Spannungsregelung bei Spannungsanstieg im Bordnetz Rechnung trägt. Im Gegensatz dazu ist im zweiten Verstärker 23 ein optimiertes Verstärkungsverhalten implementiert, was den bei Lastzuschaltungen in Gestalt von elektrischen Verbrauchern innerhalb des Bordnetzes 3 eines Kraftfahrzeuges auftretenden Ist-Spannungseinbrüchen im Rahmen einer Load-Response-Funktion Rechnung trägt. In diesem Falle folgt eine langsame, optimierte Spannungsregelung.
Der Ausgang des ersten Verstärkers 22 sowie der Ausgang des Vorzeichenblockes 21 (Signum-Funktion) sowie der Ausgang des zweiten Verstärkers 23 sind auf einer Eingangsseite eines den Verstärkern 22, 23 sowie dem Vorzeichenblock 21 nachgeschalteten Umschalters 24 aufgeschaltet. Am Umschalter 24 steht an einem Eingang 25 auf der Eingangsseite die entsprechend der Verstärkungscharakteristik des ersten Verstärkers 22 verstärkte Regelabweichung stets an, während an einem dritten Eingang 27 des Umschalters 24 stets die verstärkte Regelabweichung ansteht, die aus einer Verstärkung der Regelabweichung Δ U entsprechend des Verstärkungsverhaltens 23 (optimierte Verstärkung Load-Response-Funktion) im zweiten Verstärker 23 vorgenommen wird. An einem zweiten Eingang 26 steht das Ausgangssignal des Vorzeichenblockes 21 (Signum-Funktion) an, anhand dessen auf den jeweils auftretenden Lastfall geschlossen werden kann.
Bei einer positiven Regelabweichung, d.h. einem Ist-Spannungseinbruch im Bordnetz 3 eines Kraftfahrzeuges erkannt durch ein positives Vorzeichen der Regelabweichung Δ U am Ausgang des Vorzeichenblockes 21 (Signum-Funktion), wird einem dem Umschalter 24 nachgeschalteten Regler 29 eine gemäß der Verstärkungscharakteristik des zweiten Verstärkers 23 verstärkte Regelabweichung zugeführt. In diesem Falle ist die positive Regelabweichung (Ist-Spannungseinbruch) entsprechend des im zweiten Verstärkers 23 implementierten optimierten Verstärkungsverhaltens (Load-Response-Funktion) modifiziert. Bei einem negativen Vorzeichen am Ausgang des Vorzeichenblockes 21 (Signum-Funktion) wird auf eine negative Regelabweichung, d.h. auf einen im Bordnetz 3 des Kraftfahrzeuges aufgetretenen Spannungsanstieg geschlossen und die Regelabweichung Δ U durch die Verstärkungscharakteristik des ersten Verstärkers 22 sehr stark verstärkt. Dadurch lässt sich eine sehr schnelle Spannungsregelung innerhalb des Bordnetzes 3 eines Kraftfahrzeuges bei Lastabwurf (load-dump) erreichen.
Entsprechend des Vorzeichens des aufgetretenen Lastfalles schaltet der Umschalter 24 an seinem Ausgang 28 die Lastfall abhängig verstärkte Regelabweichung auf den Eingang eines Reglers 29, der beispielsweise als PI-Regler beschaffen sein kann. Dieser berechnet anhand einer Kennlinie 30 die an das Bordnetz 3 des Kraftfahrzeuges abzugebende Soll-Leistung P_B,1.
Die Drehzahl des Generators 13 (vgl. Darstellung gemäß 1) wird an einer Verknüpfungsstelle 33 nach Durchlauf einer Umrechnungsstufe 32 mit dem Wert der an das Bordnetz abzugebenden Soll-Leistung P_B,1 verknüpft, so dass der Sollwert des Drehmomentes M₁, mit welchem der Generator 13 zur Abdeckung des der im Bordnetz 3 erforderlichen Leistung zu betreiben ist, ermittelt werden kann.
Der in 2 schematisch dargestellte Spannungsregler kann beispielsweise in der Steuersoftware eines Pulswechselrichters für einen als permanent magneterregte Synchronmaschine ausgebildeten integrierten Starter-Generator 13 ausgebildet sein. Der in 2 dargestellte Aufbau des erfindungsgemäßen Spannungsreglers zeichnet sich durch eine einfache Realisierung einer sehr schnellen Spannungsregelung im Falle eines Spannungsanstieges im Bordnetz 3 eines Kraftfahrzeuges aus. Wird als Generator ein Integrierter Starter-Generator, ausgebildet als permanent magneterregte Synchronmaschine eingesetzt, so kann unter Zugrundelegung einer Zeitkonstanten von 10 ms durch den ersten Verstärker 22 eine sehr schnelle Reduktion des Drehmoment bildenden Querstromes auf den Wert 0 innerhalb von 0,7 × 10 ms, d.h. innerhalb von 7 ms, erfolgen. Dies bedeutet, dass bei einem Volllastabwurf (load-dump) mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Spannungsregler 1 das Auftreten einer Überspannungsspitze im Bordnetz 3 durch schnelle Reduktion des Querstromes in der permanent magneterregten Synchronmaschine vermieden werden kann.
Durch den in 2 dargestellten Spannungsregler lässt sich darüber hinaus eine einfach Realisierung einer langsamen, d.h. rampenförmig oder gestuft, erfolgenden Spannungsregelung bei Lastzuschaltung (Load-Response-Funktion) implementieren. Dies ist dann erforderlich, wenn im Bordnetz 3 eines Kraftfahrzeuges mehrere elektrische Verbraucher, sei es gleichzeitig oder sei es kurz nacheinander, eingeschaltet werden. In diesem Falle kommt es zu einem Ist-Spannungseinbruch, d.h. im vorstehenden Sinne zu einer positiven Regelabweichung.
Die erfindungsgemäße Konfiguration des Spannungsreglers 1 erlaubt den Einsatz lediglich eines Reglers, so dass eine übergangsfreie Umschaltung zwischen den beiden Regelarten, d.h. positive Regelabweichung bei Ist-Spannungseinbruch am Bordnetz und negative Regelabweichung bei Spannungsanstieg im Bordnetz 3 eines Kraftfahrzeuges möglich ist. Der Rechenaufwand innerhalb der Steuersoftware des Pulswechselrichters wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Spannungsreglers 1 erheblich minimiert. Ferner ergibt sich aufgrund der Konfiguration des Spannungsreglers 1 eine übersichtliche Darstellung des Reglers und dadurch eine einfache Parametrierung auf die Bordnetzstrecke.
Die optimierte Regelung für das Ausregeln eines Spannungseinbruches (Load-Response-Funktion) innerhalb des zweiten Verstärkers 23 bei Lastzuschaltung im Bordnetz 3 kann auch abhängig von der Drehzahl ausgebildet sein, so dass bei kleinen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine die Regelung langsam anspricht und durch ein zu starkes Ansteigen des Bremsmomentes des Generators eine Verbrennungskraftmaschine abgewürgt wird. Hingegen kann bei hohen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine die schnelle Regelung gemäß des ersten Verstärkers 22 mit einer hohen Verstärkungscharakteristik aktiviert werden und damit eine sehr stabile Bordnetz-Spannungsversorgung erreicht werden, bei welcher das Auftreten von Überspannungsspitzen aufgrund des schnellen Ausregelverhaltens wirksam verhindert werden kann.
Wird anstelle einer permanent magneterregten Synchronmaschine als Integrierter Starter-Generator ein Klauenpolgenerator eingesetzt, wird an diesen der Spannungsregler mit einer Load-Response-Funktion in der Regel mittels Zählern in ASIC's ausgebildet. Anstelle von Zählern in ASIC's kann ein Klauenpolgenerator auch mit einem Mikrocontroller versehen werden. Innerhalb des Mikrocontrollers kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene Realisierung des Konzeptes des Spannungsreglers 1 implementiert werden, wobei bei dieser Ausführungsart der elektrischen Maschine nicht der Querstrom wie bei einer permanent magneterregten Synchronmaschine, sondern der Erregerstrom geregelt wird. Gleiches gilt für den Einsatz eines riemengetriebenen Startergenerators an einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem durch Implementierung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Spannungsreglers 1 lastfallabhängig der Erregerstrom im Falle des Lastabwurfes (load-dump) oder im Falle der Lastzuschaltung (Load-Response-Funktion) im Bordnetz 3 eines Kraftfahrzeuges, dessen Bordnetzspannung stabilisiert werden kann.

1: Spannungsregler
2: Spannungsregelschleife
3: Bordnetz mit elektrischen Verbrauchern
4: Spannungsregler-Eingang
5: Spannungsregler-Ausgang
6: Stromregelschleife
7: Eingang Stromregelschleife
8: Sollwertrechner
9: Verknüpfungsstelle(-)
10: Sollwerteingang
11: Istwerteingang
12: Stromregler
13: Integrierter Starter-Generator
14: Rückführung Ist-Strom-Wert
15: Ausgang Stromregelschleife
16: Eingang Bordnetz
U_B,1: Bordnetz-Sollspannung
U_B,2: Bordnetz-Istspannung
20: Differenzbildner Δ U = Regelabweichung
21: Vorzeichenblock (Signum-Funktion)
22: 1. Verstärker (Verstärkungsverhalten für Lastabwurf)
23: 2. Verstärker (Load-Response-Funktion bei Lastzuschaltung)
24: Umschalter
25: 1. Eingang Umschalter
26: 2. Eingang Umschalter (SIGN)
27: 3. Eingang Umschalter (Load-Response)
28: Ausgang Umschalter
29: PI-Regler
30: Kennlinie
P_B,1: Bordnetz-Soll-Leistung
n_G: Drehzahl Generator
32: Umrechnungsstufe
M₁: Soll-Drehmoment-Vorgabe
33: Verknüpfungsstelle

Claims

Verfahren zur Regelung der Spannung in einem Bordnetz (3), welches mehrere zu- und abschaltbare elektrische Verbraucher enthält, und die im Bordnetz (3) vorhandene Ist-Spannung U_B,2 innerhalb einer Spannungsregelschleife (2) an einem Eingang (4) eines Spannungsreglers (1) anliegt, wobei das Bordnetz (3) durch einen über einen Pulswechselrichter gesteuerten Generator (13) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus Sollspannung U_B,1 und der Ist-Spannung U_B,2 im Bordnetz (3) ermittelte Regelabweichung Δ U einen Vorzeichenblock (21) sowie Verstärker (22, 23) mit lastabhängigem Verstärkungsverhalten zugeführt wird und eine lastfallabhängig verstärkte Regelabweichung einem Regler (29) zur Ermittlung der an das Bordnetz (3) durch den Generator (13) zu liefernden Soll-Leistung P_B,1 aufgegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelabweichung Δ U aus einer Differenzbildung zwischen der Ist-Spannung U_B,2 und der Soll-Spannung U_B,1 im Bordnetz (3) ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der 1. Verstärker (22) im Vergleich zur optimierten Verstärkung eines zweiten Verstärkers (23) einen bis zu 10 × größeren Verstärkungsfaktor für den Fall Lastabwurf aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im 2. Verstärker (23) eine optimierte Verstärkung für den Fall Lastzuschaltung als Load-Response-Funktion implementiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vorzeichenblock (21) (Signum-Funktion) ein Umschalter (24) nachgeschaltet wird, dessen Eingängen (25, 27) die lastfallabhängig verstärkten Regelabweichungen zugeführt werden und abhängig vom Vorzeichen der ermittelten Regelabweichung Δ U am Ausgang (28) des Umschalters (24) die lastfallabhängig verstärkte Regelabweichung einem Regler (29) aufgegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Generator (13) vorgegebene Soll-Drehmoment M₁ aus der Drehzahl n_G des Generators (13) im Regler (29) abhängig von der Kennlinie (30) ermittelten Soll-Leistungswert P_B,1 multiplikativ (33) bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem als permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgeführten Generator (13) eine Überspannungsspitze im Bordnetz (3) im Falle des Lastabwurfes durch eine schnelle Reduktion des Querstromes der permanentmagneterregten Synchronmaschine unterdrückt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem als Klauenpolgenerator ausgeführten Generator (13) mittels des Spannungsreglers (1) mit Vorzeichenblock (21) und den Verstärkern (22, 23) mit lastfallabhängigem Verstärkungsverhalten der Erregerstrom I_ERR geregelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem als riemengetriebenen Starter-Generator ausgeführten Generator (13) mittels des Spannungsreglers (1) mit Vorzeichenblock (21) und den Verstärkern (22, 23) mit lastfallabhängigem Verstärkungsverhalten der Erregerstrom I_ERR geregelt wird.