DE10317209A1

DE10317209A1 - Einrichtung und Verfahren zur Regelung eines elektrischen Generators

Info

Publication number: DE10317209A1
Application number: DE2003117209
Authority: DE
Inventors: Thomas Koss; Guenter Nasswetter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2004-11-04
Also published as: ITMI20040732A1; FR2854007B1; FR2854007A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Regelung eines elektrischen Generators 1. In einem beispielsweise in einem Regler 5 angeordneten Speichermittel sind Betriebskennwerte des Generators, wie beispielsweise Generatormoment und Drehzahl, gespeichert. Akuelle Betriebskennwerte werden gemessen und mit den gespeicherten Werten verglichen. In Abhängigkeit von diesem Vergleich werden dem Generator 1 Regelsignale zugeführt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Regelung eines elektrischen Generators nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 10.
Bordnetze von Kraftfahrzeugen werden üblicherweise von einer Batterie sowie von einem Generator versorgt. Ein typisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs ist aus DE 102 04195.4 bekannt und dort schematisch in 1 dargestellt. Ein derartiges Bordnetz umfasst einen Generator, einen Generatorregler, eine Batterie, sowie mehrere Verbraucher. Beim Zuschalten eines zusätzlichen Verbrauchers erhöht der Regler die vom Generator abgegebene Leistung über ein sogenanntes DF- Signal. Das ist ein Regelsignal, mit dem die Erregung des Generators bestimmt wird. Dadurch erhöht sich das auf den Motor des Fahrzeugs wirkende bremsende Moment. Gerade bei relativ niedriger Drehzahl, wie insbesondere im Leerlauf, kann dies zu einem Einbruch der Drehzahl bis hin zum Stillstand des Motors (Abwürgen) führen. Um einem derartigen Einbruch der Drehzahl zu begegnen, ist es bekannt, die Ausgangsleistung des Generators mit einer sogenannten Load-Response-Funktion zu regeln. Dabei werden beim Zuschalten eines elektrischen Verbrauchers der Erregerstrom, und damit die Ausgangsleistung des Generators, von dem Regler zunächst konstant gehalten. Die Versorgung des neu zugeschalteten Verbrauchers wird dabei zunächst von der Batterie übernommen, die somit als Puffer wirkt. Anschließend wird die Erregung des Generators rampenartig, das heißt also, mit einer größeren Zeitkonstante erhöht, um die Ausgangsleistung des Generators auf das erforderliche Niveau anzuheben. Dadurch wird verhindert, dass die Bremswirkung des Generators auf den Motor zu stark ansteigt. Andererseits können wegen der nicht ausreichenden Leistungsabgabe des Generators, insbesondere bei nicht ausreichender Leistungsfähigkeit der Batterie, Spannungseinbrüche im elektrischen Bordnetz auftreten. Das Abschalten eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines elektrischen Verbrauchers großer Leistung, führt, in umgekehrter Weise, zu einer Entlastung des Generators und damit zu einem positiven Drehmomentsprung am Generator. Daraus ergibt sich wiederum ein Anstieg der Drehzahl des Motors und damit verbunden, ein unruhiger Lauf des Motors. Außerdem steigt die Ausgangsspannung des Generators an. Um den Einfluss des Generators auf den Motor bei Gewährleistung einer möglichst stabilen Spannung des Bordnetzes zu vermindern, werden gemäß der genannten Patentanmeldung Mittel vorgesehen, mit denen der Wirkungsgrad des Generators in Reaktion auf das Zu- oder Abschalten eines Verbrauchers sprungartig geändert werden kann. Insbesondere sind die Mittel derart ausgebildet, dass sie den Wirkungsgrad unter Berücksichtigung der Auslastung des Generators oder der Drehzahl des Motors regeln. Die Begrenzung der Anstiegssteilheit des Moments bei dem Zuschalten eines elektrischen Verbrauchers kann dabei gemäß den aus DE 198 275 56 A1 oder EP 0496185 A1 bekannten Lösungen dadurch erfolgen, dass die Steilheit des Anstiegs des Erregerstroms des Generators direkt begrenzt wird oder dass das mittlere Verhältnis zwischen Einschalt- und Ausschaltzeit erhöht wird. In beiden Fällen muss jedoch infolge der begrenzten Ausregelgeschwindigkeit ein vorübergehender Spannungseinbruch in Kauf genommen werden. Dies beeinträchtigt aber die Gewährleistung einer stabilen Spannung des Bordnetzes. Die Diskrepanz zwischen dem Verlauf des Ausgangsstroms des Generators in Abhängigkeit von dem Erregerstrom einerseits und des zugehörigen Drehmoments andererseits bewirkt, dass bei unterschiedlichen Drehzahlen, auch bei festgelegter Änderungsrate des Erregerstroms, deutlich unterschiedlich ausgeprägte Momentänderungen auftreten. Das führt dann dazu, dass beispielsweise bei einer Anpassung an den bezüglich des Momentenanstiegs ungünstigsten Fall in den anderen Bereichen die Begrenzung des Anstiegs unnötig stark ist, was wiederum zu einem verzögerten Nachladen der Batterie führt. Dies zieht aber unnötig lange und tiefe Spannungseinbrüche im Bordnetz nach sich. Eine Auslegung, die die Stabilität der Spannung priorisiert, wird im Grenzfall zu Problemen bei der Drehzahlstabilität führen. Ein weiterer Nachteil bekannter Lösungen kann darin bestehen, dass bei einer geringen Drehzahl eine schnelle Reduktion der Drehzahl von n2 auf n1 bei einer konstanten elektrischen Last eine Erhöhung des Erregerstroms des Generators erfordert. Die Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit des Erregerstroms würde in diesem Fall zu einem Spannungseinbruch führen, da der Generator bei einer verringerten Drehzahl anfänglich nur einen deutlich geringeren Strom abgeben kann.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, dass durch eine an die spezielle Situation optimal angepasste Regelung des Generators starke Spannungssprünge weitgehend vermieden werden können und dadurch eine größere Stabilität des Bordnetzes, insbesondere in Bezug auf eine möglichst konstante Bordspannung bei wechselnder Belastung, gewährleistet wird. Dies gilt sowohl bei Einschaltung zusätzlicher Lasten als auch bei Entlastung des Bordnetzes, beispielsweise bei Abschaltung eines oder mehrerer Verbraucher. Eine große Stabilität der Spannung ist für die Betriebssicherheit des Bordnetzes und damit des Fahrzeugs vorteilhaft. Dies gilt insbesondere dann, wenn spannungsempfindliche Verbraucher vorhanden sind. Von besonderer Bedeutung ist eine hohe Stabilität des Bordnetzes auch bei extremen Umgebungstemperaturen, insbesondere sehr tiefen Temperaturen im Winter, wenn das Bordnetz extrem belastet wird. Die erfindungsgemäße Lösung trägt wesentlich dazu bei, dass die Batterie trotz starker Belastungssprünge immer möglichst gleichmäßig und verzögerungslos wieder aufgeladen wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, 2 in einem Kennfeld abgespeicherte Werte von Betriebskenngrößen eines Generators, 3 (mit 3a, 3b, 3c) Betriebskenngrößen eines Generators, wie Last, Spannung und Moment als Funktion der Zeit, 4 (mit 4a, 4b, 4c, 4d) Betriebskenngrößen eines Generators als Funktion der Zeit bei einer Drehzahlreduktion, 5 in einem Diagramm den Generatorstrom als Funktion der Drehzahl, und 6 in einem Diagramm das Moment als Funktion der Drehzahl.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung vermeidet die beschriebenen Nachteile weitgehend, was zu einer größeren Robustheit des Bordnetzes und insbesondere auch zu einer größeren Stabilität der Spannung des Bordnetzes beiträgt. Gemäß der erfinderischen Lösung wird in einem dem Regler des Generators zugeordneten Speichermittel der zweckmäßige Verlauf des Generatormoments in Abhängigkeit von der Drehzahl des Generators vorzugsweise in Form eines Kennfelds abgelegt. Der aktuelle Arbeitspunkt des Generators wird durch eine Messung von Drehzahl und Erregerstrom bestimmt und mit den in dem Kennfeld abgelegten Daten verglichen. Durch diesen Vergleich kann auf einfache Weise ermittelt werden, welche Änderung des Erregerstroms bei der aktuellen Drehzahl gerade noch nicht zu einer unzulässig hohen Momentenänderung führt. Dieser Erregerstrom wird dann bevorzugt eingestellt. 1 zunächst das Schaltbild eines vereinfacht dargestellten Bordnetzes 10 eines Kraftfahrzeugs. Das Bordnetz 10 umfasst einen Generator 1, eine Batterie 2, sowie mehrere schaltbare Verbraucher, die in 1 gemeinsam als Last 3 dargestellt sind. Zur Regelung des Generators 1 ist ein Regler 5 vorgesehen. 1 zeigt weiter eine Einrichtung 4, die vorteilhaft auch Bestandteil des Reglers 5 sein kann. Dieser Einrichtung 4 können verschiedene Signale DF, n, VM zugeführt werden. Das DF-Signal ist dabei ein Regelsignal, mit dem die Erregung des Generators 1 bestimmt wird. Das Signal n entspricht der Drehzahl des Motors und das Signal VM kann ein von dem Verbrauchsmanagement des Motors abgeleitetes Steuersignal sein. Vorzugsweise umfasst die Einrichtung 4 dabei Schaltmittel, wie beispielsweise einen Leistungstransistor mit entsprechender Steuerschaltung, der in Reihe zu Erregerfeldwicklungen des Generators 1 geschaltet und pulsweitenmodulierbar ist. Durch Betätigung dieser Schaltmittel ist die Ausgangsspannung des Generators 1 steuerbar.
2 zeigt, in einer schematischen Darstellung, in einem Kennfeld K abgespeicherte Werte von Betriebskenngrößen, wie insbesondere das Moment und die Drehzahl n eines Generators 1. Weiterhin können in einem derartigen Kennfeld K auch Betriebskenngrößen des Generators 1 abgespeichert sein, die einen noch komplexeren Zusammenhang dieser Betriebskenngrößen repräsentieren. So kann in einem derartigen Kennfeld K vorzugsweise auch das Moment des Generators in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Erregung (Erregerstrom) abgelegt werden. Diese Daten des Kennfeldes K können beispielsweise in dem Regler 5 des Generators 1 vorprogrammiert sein. Alternativ können sie aber auch in einem geeigneten Speichermittel außerhalb des Reglers 5 gespeichert sein und bedarfsabhängig in den Regler 5 geladen werden. Der Regler 5 umfasst dazu eine entsprechende Datenschnittstelle Der Erregerstrom des Generators 1 und die Drehzahl des Generators werden in dem Regler 5 des Generators 1 laufend gemessen. Diese Messwertepaare oder ein diese Messwerte repräsentierender Wert werden sodann gespeichert, bevor das nächste Paar von Messwerten ermittelt wird. Das im nächsten Messvorgang ermittelte Paar von Messwerten wird sich, je nach Änderung von Drehzahl oder Lastzustand des Generators 1 von den zuvor gemessenen Werten mehr oder weniger stark unterscheiden. In dem Regler 5 des Generators 1 wird dann ein Vergleich der Messwerte durchgeführt. Diese Vorgehensweise wird nun weiter unter Bezug auf 3 der Zeichnung erläutert. 3 (mit 3a, 3b, 3c) zeigt in, diversen Diagrammen, Betriebskenngrößen eines Generators 1, wie Last, Spannung und Moment als Funktion der Zeit t. Erläutert wird durch diese Darstellung das Verhalten des Generators 1 bei Zuschaltung einer zusätzlichen Last. Wie in 3a dargestellt, ist das Bordnetz 10 ab dem Zeitpunkt t = 0 mit einer Last L1 belastet. In dem Zeitpunkt t1 wird eine zusätzliche Last geschaltet, so dass das Bordnetz mit der Last L2 belastet ist. Das bedeutet also, dass zum Zeitpunkt t1 die Belastung des Bordnetzes sprungartig von L1 auf L2 zunimmt. In 3a ist die Ausgangsspannung des Generators 1 als Funktion der Zeit t dargestellt. Unter Belastung mit der Last L1 liefert der Generator eine Ausgangsspannung S1. Nach Zuschalten der zusätzlichen Last zum Zeitpunkt t1 sinkt die Spannung des Generators sprungartig auf den wert S2 ab. Der Regler 5 ist bestrebt, die Spannung S des Bordnetzes 10 möglichst konstant zu halten und versucht daher, diesen Spannungseinbruch von S1 auf S2 durch eine Erhöhung des Erregerstroms des Generators 1 auszugleichen. Auf zweckmäßige Weise kann dies dadurch erreicht werden, dass ein in Reihe zu einer Erregerfeldwicklung des Generators 1 geschaltetes Schaltmittel 4a durch Pulse angesteuert und dadurch pulsweitenmoduliert wird. Das Schaltmittel 4a ist vorteilhaft auch in dem Regler 5 angeordnet. Ist die durch Vergleich aufeinander folgender Messwerte ermittelte Änderung der Messwerte bezogen auf die in dem Kennfeld K abgespeicherten Werte der Betriebskenngrößen und die in Rede stehende Zeitdifferenz größer als ein aus einer vorgebbaren zulässigen Änderungsrate ermittelter Wert, wird die Erregung des Generators 1 beispielsweise durch Reduktion der nächsten Einschaltdauer wieder verringert. Bei einer zeitlich nachfolgenden Messung zeigt sich möglicherweise, dass durch die zuvor stattgefundene Verringerung der Erregung des Generators eine Änderung ergeben hat, die geringer als zulässig ist. In diesem Fall wird die Erregung des Generators durch den Regler wieder erhöht Wie die Darstellung in 3 zeigt, wiederholen sich die zuvor beschriebenen Abläufe so lange, bis etwa zum Zeitpunkt t2 die Spannung S1 wieder erreicht ist. Die mittlere Steilheit des Momentenanstiegs (3c) entspricht so dem vorgegebenen Wert.
Der Fall einer Drehzahlsenkung wird anhand von 4 (mit 4a, 4b, 4c und Figur $d) erläutert. Dabei zeigt das in 4a dargestellte Diagramm den Verlauf der Drehzahl als Funktion der Zeit. Das in 4b dargestellte Diagramm zeigt den Verlauf der Spannung als Funktion der Zeit. Das in 4c dargestellte Diagramm zeigt die Erregung des Generators 1 als Funktion der Zeit und schließlich zeigt das in 4d dargestellte Diagramm den Verlauf des Moments als Funktion der Zeit. Wie in 4a dargestellt ist, bricht die Drehzahl etwa zum Zeitpunkt t1 von einem höheren Wert n1 ausgehend ein und erreicht kurze Zeit später den niedrigeren Wert n2. Mit dem Einbruch der Drehzahl sind ein Rückgang der Spannung (4b), sowie ein Rückgang des Moments (4d) verbunden. Wie das in 5 dargestellte Diagramm, Generatorstrom als Funktion der Drehzahl, weiterhin zeigt, ist mit dem Einbruch der Drehzahl auch ein Rückgang des Generatorstroms verbunden. Wie 5 und 6, in der das Generatormoment als Funktion der Drehzahl dargestellt ist, weiter zeigen, wird der Regler 5 versuchen, die Erregung des Generators mit maximaler Steilheit zu erhöhen und diese Erhöhung erst dann wieder zu begrenzen, wenn die Änderung der Messwerte, wie schon dargestellt, oberhalb des jeweils ermittelten Wertes liegt.
Die Bestimmung des aktuellen Generatormoments kann, auf vorteilhafte Weise, auch durch eine explizite Berechnung gemäß einem formelmäßigen Zusammenhang mittels eines in dem Regler 5 integrierten Rechners ermittelt werden.
Besonders zweckmäßig wird die Einrichtung als monolithisch integrierter Schaltkreis ausgeführt.

1: Generator
2: Batterie
3: Last
4: Einrichtung
4b: Schaltmittel
5: Regler
10: Bordnetz
DF: Signal
n: Drehzahl
VM: Signal
K: Kennfeld

Claims

Einrichtung zur Regelung eines elektrischen Generators (1) in einem Bordnetz (10) mit einem Generator (1), einem Regler (5), einer Batterie (2) und einer schaltbaren Last (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung Speichermittel (Kennfeld K) umfasst, in denen Betriebskennwerte des Generators (1) gespeichert sind, dass die Einrichtung Messmittel zur Messung aktueller Betriebskennwerte des Generators (1) umfasst, dass die Einrichtung weiter Vergleichsmittel zum Vergleich der durch Messung gewonnenen aktuellen Betriebskennwerte mit den abgespeicherten Betriebskennwerten umfasst, und dass die Einrichtung schliesslich Steuermittel zur Steuerung des Generators (1) in Richtung auf die gespeicherten Betriebskenngrößen umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kennfeld (K) als Betriebskennwerte des Generators (1) die Größen Generatormoment und Drehzahl und/oder funktionale Abhängigkeiten dieser Größen abgespeichert sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kennfeld (K) als Betriebskennwerte des Generators (1) die Größen Generatormoment, Drehzahl, Erregerstrom und/oder funktionale Abhängigkeiten dieser Größen abgespeichert sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel Schaltmittel (4a) umfassen, die mit einer Erregerstromfeldwicklung des Generators (1) verbunden sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (4a) pulsweitenmodulierbar sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskenngrößen in dem Regler (5) gespeichert sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als monolithisch integrierter Schaltkreis aufgebaut ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskenngrößen außerhalb des Reglers (5) gespeichert sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schnittstelle umfasst, über die die außerhalb des Reglers (5) gespeicherten Betriebskenngrößen in den Regler (5) ladbar sind.
Verfahren zur Regelung eines elektrischen Generators (1), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speichermittel (Kennfeld K) Betriebskenngrößen des Generators (1), wie insbesondere Drehzahl des Generators (1) und Drehmoment des Generators (1) abgelegt werden, dass im Betrieb des Generators (1) die aktuellen Werte der Betriebskenngrößen, wie insbesondere die Drehzahl und der Erregerstrom des Generators (1) gemessen werden, dass diese Messwerte mit den in dem Speichermittel (Kennfeld K) abgespeicherten Werten verglichen werden, und dass in Abhängigkeit von den Vergleichswerten dem Generator (1) ein Regelsignal zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generator (1) ein Regelsignal zugeführt wird, das eine Änderung des Erregerstroms des Generators (1) bewirkt, die noch nicht zu einer unzulässigen Änderung des Moments des Generators (1) führt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Erregerstroms des Generators (1) durch Schaltmittel (4a) bewirkt wird, die mit einem pulsweitenmodulierten Signal gesteuert werden.