DE10322560A1

DE10322560A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Laders

Info

Publication number: DE10322560A1
Application number: DE2003122560
Authority: DE
Inventors: Martin-Peter Bolz; Hartmut Krueger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-12-09

Abstract

Es wird ein Vefahren und eine Vorrichtung angegeben zur Steuerung eines elektrischen Hochstromverbrauchers, insbesondere eines elektrischen Zusatzverdichters für einen Turbolader in einem Fahrzeug. Der Hochstromverbraucher wird dabei unter Berücksichtigung frei vorgebbarer Begrenzungen und Regelung eines Drehzahlsollwertes oder eines Stromsollwertes betrieben. Mittels einer Maximalwertbegrenzung für den Phasenstrom, der dem Hochstromverbraucher zugeführt wird, kann sichergestellt werden, dass einzuhaltende Bedingungen im Fahrzeugbordnetz nicht überschritten werden.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und von einer Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Laders nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung eines elektrisch betriebenen Laders sind bereits bekannt. Beispielsweise werden solche Verfahren bzw. Vorrichtungen in der DE-OS 101 24 543 beschrieben. Der elektrisch betriebene Lader wirkt dabei üblicherweise mit einem Abgasturbolader zur Verdichtung der angesaugten Luft eines Brennkraftmaschine zusammen, wobei der elektrisch betriebene Lader unter vorgebbaren Bedingungen eingesetzt wird. Es wird dazu ein Ansteuersignal gebildet, das den elektrischen Lader in geeigneter Weise ansteuert. Dieses Ansteuersignal wird bei der bekannten Lösung in Abhängigkeit eines einzustellenden Druckverhältnisses über dem elektrischen Lader bestimmt.

Die zum Betreiben eines elektrischen Laders bzw. eines elektrischen Zusatzladers benötigte elektrische Energie stellt eine beträchtliche Belastung für das Bordnetz dar. Dabei kann bekanntermaßen bei starker Belastung in einem Fahrzeugbordnetz die maximal zur Verfügung stehende Spannung stark einbrechen, wodurch spannungsempfindliche Verbraucher im Bordnetz beeinträchtigt werden. Dies geschieht insbesondere dann, wenn der Batterieladezustand ohnehin schlecht ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Laders mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine maximal mögliche Auslastung des Bordnetzes gewährleistet ist, ohne dass es durch den Betrieb des elektrischen Zusatzverdichters zu einer Überbeanspruchung des Bordnetzes kommt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise der elektrische Zusatzverdichter unter der Randbedingung der zur Versorgung stehenden Bordnetzleistung jeweils einen schnellstmöglichen Hochlauf und somit eine schnellstmögliche Unterstützung des Turboladers liefern. Es wird als in besonders vorteilhafter Weise eine optimale Unterstützung des Turboladers durch den elektrischen Zusatzverdichter erreicht, wobei dieser in möglichst kurzer Zeit den momentanen Ladedruck auf den benötigten Soll-Ladedruck anheben kann. Die bei herkömmlichen System auftretenden Probleme bei Abgreifen der erforderlich hohen elektrischen Leistung durch den Zusatzverdichter treten nicht auf.

Erzielt werden diese Vorteile durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung, die den Ladezustand der Batterie und damit die mögliche Abgabeleistung berücksichtigt. Da der Generator normalerweise erst mit einer Verzögerung (Responsetime) auf die erhöhte Belastung reagiert, würde bei herkömmlichen Systemen ein Spannungseinbruch auftreten, nachdem der elektrische Zusatzverdichter eingeschaltet wird. Dieser Spannungseinbruch kann jedoch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermieden werden.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Bei Kenntnis der Bordnetzarchitektur und der Bordnetzleistungsfähigkeit lassen sich in Abhängigkeit vom identifikierten Zustand in vorteilhafter Weise folgende Parameter bzw. mindestens einer davon ermitteln: der Schwellwert U_min der Betriebsspannung und/oder der maximal zulässige DC-Strom I_DC,max und/oder ein maximal zulässiger Stromgradient d I_DC/dt_max. Diese Werte werden in vorteilhafter Weise über eine Schnittstelle zusätzlich zu dem ermittelten Drehzahl- oder Stromsollwert an die Steuereinrichtung, insbesondere an das EZV-Steuergerät übermittelt, das damit sein Betriebsverhalten derart an die frei verfügbaren Parameter anpasst, dass die dadurch beschriebenen Begrenzungen auf jeden Fall eingehalten werden.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 1 und 2 der Zeichnung dargestellt und werden in der Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt 1 eine Struktur zum Betreiben eines EZV unter Berücksichtigung frei vorgebbarer Begrenzungen und Regelung eines Drehzahlsollwertes und 2 eine Struktur zum Betreiben eines EZV unter Berücksichtigung frei vorgebbarer Begrenzungen und Regelung eines Stromsollwertes.

In 1 ist ein erstes Ausfiührungsbeispiel der Erfindung dargestellt, es ist dabei eine Struktur zum Betreiben eines elektrischen Zusatzverdichters unter Berücksichtigung frei vorgebbarer Begrenzungen und Regelung eines Drehzahlsollwertes dargestellt. Diese Struktur umfasst ein übergeordnetes Steuergerät 10, beispielsweise ein Motorsteuergerät, ein Bordnetzsteuergerät oder ein sonstiges Steuergerät. Das Steuergerät 10 weist eine Schnittstelle 11, beispielsweise eine CAN-Schnittstelle auf, über die Informationen an ein zweites Steuergerät 12a weitergegeben werden. Das zweite Steuergerät 12a ist beispielsweise das EZV-Steuergerät, das den Betrieb des elektrischen Zusatzverdichters regelt. Als Schnittstelle 11 kann auch eine PWM-Schnittstelle, über die pulsweitenmodulierte Informationen weitergeleitet werden, oder eine Schnittstelle zur Ausgabe von Analogwerten vorgesehen sein.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das zweite Steuergerät 12a Mittel zur Berechnung des Verlaufs des maximalen Stromes I_max 13, einen Drehzahlregler mit Stellgrößenbegrenzung 14 und einen Phasenstromregler 15. Die einzelnen Bestandteile des zweiten Steuergerätes 12 können auch als Einzelbauteile außerhalb des Steuergeräts vorhanden sein. Der Phasenstromregler 15 ist über Wechselrichter mit Ansteuerung 16 mit dem Motor 17, der den elektrischen Zusatzverdichter darstellt, verbunden.
In dem dem EZV-Steuergerät übergeordneten Steuergerät 10 werden neben anderen auch die für den Betrieb des elektrischen Zusatzverdichters benötigten Größen ermittelt. Dazu werden dem Steuergerät 10 alle benötigten Informationen über nicht dargestellte Eingänge zugeführt. Wesentlich ist, dass im übergeordneten Steuergerät 10 der Zustand der in der Zeichnung nicht dargestellten Fahrzeugbatterie ermittelt wird, wobei unter Zustand der Ladezustand und der Alterungszustand zu verstehen ist. Auch der Zustand des Bordnetzes, beispielsweise die Belastung durch Verbraucher wird identifiziert. Da dem übergeordneten Steuergerät auch Kenntnisse der Bordnetzarchitektur und der Bordnetzleistungsfähigkeit vorhanden sind, werden durch das übergeordnete Steuergerät 10 in Abhängigkeit des identifizierten Zustandes bzw. der identifizierten Zustände die folgenden Parameter bzw. mindestens einer dieser Parameter ermittelt:

a) Schwellwert U_min der Betriebsspannung
b) maximal zulässiger DC-Strom I_DC,max
e) maximal zulässiger Stromgradient d I_DC/dt_max

Diese Werte werden über die Schnittstelle 11 zusätzlich zu dem eigentlichen Sollwert, beispielsweise einem Drehzahlsollwert oder einem Stromsollwert an das EZV-Steuergerät 12a bzw. den Mitteln zur Berechnung des Verlaufs des maximalen Stroms 13 übermittelt. Der elektrische Zusatzverdichter 17 kann damit mittels des EZV-Steuergerätes 12a in seinem Betriebsverhalten so betrieben werden, dass er an die frei vorgebbaren Parameter so angepasst wird, dass die beschriebenen Begrenzungen auf jeden Fall eingehalten werden.
Damit diese Werte auch sicher eingehalten werden, werden im EZV-Steuergerät 12a bzw. den Mitteln zur Berechnung des Verlaufs des maximalen Stroms 13 auch noch Messwerte für die Betriebsspannung U_ist und für den Gleichstrom I_DC,ist zugeführt. Mit I_DC,ist kann noch als Zusatzinformation der Gradient, also die zeitliche Ableitung ermittelt werden. Die Mittel zur Berechnung des Verlaufs des maximalen Stroms 13 stehen mit dem Drehzahlregler mit Stellgrößenbegrenzung 14 in Verbindung.
Für die Drehzahlregelung ist im Ausführungsbeispiel nach 1 ist folgende Struktur realisiert:
Es wird ein Drehzahlsollwert n_soll von dem übergeordneten Steuergerät 10 vorgegeben, bzw. dem Drehzahlregler mit Stellgrößenbegrenzung 14 zugeführt. Weiterhin wird die Drehzahl n_ist zugeführt. Der Drehzahlregler mit Stellgrößenbegrenzung 14, der beispielsweise Bestandteil des EZV-Steuergerätes 12a ist, errechnet anhand der Ist- und der Solldrehzahl einen Sollwert für den Phasenstrom, der in einem unterlagertcn Stromkreis vom Phasenstromregler 15 geregelt wird. Dazu wird dem Phasenstromregler 15 sowohl der Sollwert für den Phasenstrom als auch der Istwert zugeführt. Der Sollwert für den Phasenstrom I_ph soll wird gegebenenfalls auf einen Maximalwert I_max begrenzt. Diese Begrenzung für den Phasenstrom wird ermittelt anhand der Differenz zwischen I_DC,max und I_DC,ist und/oder der Differenz zwischen der Spannung U_min und U_ist.
Eine weitere Möglichkeit bzw. eine Möglichkeit, die zusätzlich berücksichtigt wird, ist die Begrenzung des Sollwerts für den Phasenstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl n_ist und der Zeit. Um ein gewünschtes d I_DC/dt_max zu erzielen, ist ein bestimmter Verlauf für den Maximalstrom I_max (t, n) zu bestimmen. Gegebenenfalls kann die Differenz zwischen (d I_DC,ist/dt) und d I_DC/dt)_max berücksichtigt werden oder zusätzlich berücksichtigt werden.
Wenn eine Vorrichtung zur Berechnung eines aktuellen Parameters nicht verfügbar ist, kann ein solcher Parameter auch fest vorgegeben und im Steuergerät bzw. einem Speicher des Steuergeräts des elektrischen Zusatzverdichters hinterlegt werden. Dieser Wert kann dann jedoch lediglich einen Durchschnittswert darstellen, der beispielsweise für eine bestimmte Bordnetzbeschaffenheit, insbesondere kraftfahrzeugtypabängig, gültig ist und sich dann nicht optimal an den Bordnetzzustand anpasst.
Der vom Phasenstromregler bereitgestellte Phasenstrom wird mit Hilfe der Wechselrichter mit Ansteuerung 16 an den Motor des elektrischen Zusatzverdichters 17 weitergeleitet, wodurch der elektrische Zusatzverdichter in der gewünschten Weise arbeitet.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung als Struktur dargestellt, die sich bei einer Vorgabe eines Sollwertes für den Gleichstrom DC ergibt. Die Struktur des Ausführungsbeispiels nach 2 entspricht weitgehend der Struktur des Ausführungsbeispiels nach 1. Gleiche Größen sind dabei mit gleichen Bezeichnungen versehen. Das EZV-Steuergerät, das die Ansteuerung der Wechselrichter mit Ansteuerung durchführt ist, in 2 mit 12b bezeichnet. Wesentlich ist jedoch, dass beim Ausführungbeispiel nach 2 an Stelle des Drehzahlsollwerts n_soll ein Stromsollwert I_DC,so vorgegeben wird. Dieser Sollwert wird einem Block zur Berechnung des Sollphasenstromes 18 zugeführt. Der Sollphasenstrom wird dann, gegebenenfalls auf einen Maximalwert begrenzt, dem Phasenstromregler 15 als Sollwert zugeführt und bei der Regelung des Phasenstroms als Sollgröße zu Grunde gelegt. Als Ist-Größe wird der Strom I_DC,ist zugeführt. Ausgehend von diesen Größen regelt der Phasenstromregler 15 den Phsenstrom bzw. bildet die Ansteuersignale für den Wechselrichter mit Ansteuerung 16.
Mit den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen kann ein elektrischer Lader oder Zusatzlader (EZV) besonders gut betrieben werden. Eine optimale Unterstützung durch den EZV wird dann erreicht, wenn dieser in möglichst kurzer Zeit den momentanen Ladedruck auf den benötigten Solldruck anheben kann. Dazu wird eine hohe elektrische Leistung benötigt, die aus dem Bordnetz bereitgestellt wird. Durch die beiden erfindungsgemäßen Steuerverfahren wird sichergestellt, dass auch bei schlechtem Ladezustand der Batterie keine oder kaum eine Beeinträchtigung im Bordnetz auftritt. Die elektrische Energie, die der EZV aufnehmen darf wird nämlich gemäß beiden Ausführungsformen der Erfindung entsprechend dem aktuellen Bordnetzzustend bzw. Batteriezustand unter Berücksichtigung von zugeschalteten Verbrauchern zugeteilt. Damit kann eine maximal mögliche Auslastung des Bordnetzes ermöglicht werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass es durch den Betrieb des EZV überbeansprucht wird. Der EZV kann somit unter der Randbedingung der zur Verfügung stehenden Bordnetzleistung jeweils einen schnellstmöglichen Hochlauf und somit eine schnellstmögliche Unterstützung für den Turbolader liefern.
Weitere mögliche Ansteuerungen können so ausgestaltet werden, dass vom übergeordneten Steuergerät 10 an Stelle des Sollstromes bzw. der Solldrehzahl eine Vorgabe des Solldrehmoments oder des Tastverhältnisses für eine Pulsweitenmodulation erfolgt.
Die beschriebenen Vorrichtungen bzw. Verfahren lassen sich ebenso auf andere Verbraucher im Kraftfahrzeug übertragen, die wie der elektrische Zusatzverdichter eine hohe Stromaufnahme aufweisen. Solche Verbraucher, die eine hohe elektrische Leistung aufnehmen können und damit das Bordnetz beeinträchtigen sind beispielsweise elektrische Heizungen oder elektrohydraulische Bremsen oder elektrische Zusatzmotoren u.s.w.. Der Begriff der Steuerung ist bei den erfindungsgemäßen Verfahren auch im Sinn von Regleung zu verstehen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Hochstromverbrauchers, insbesondere eines elektrischen Zusatzverdichters in einem Fahrzeug, bei dem in einer Steuereinrichtung der für den Betrieb des Zusatzverdichters benötigte Phasenstrom geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Phasenstroms abhängig von einer vorgebbaren Größe erfolgt, die von einem übergeordneten Steuergerät gebildet wird und in einem Steuergerät für den elektrischen Zusatzverdichter zur Bildung eines Soll-Phasenstroms in Abhängigkeit von vorgebbaren Parametern ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Größe die Solldrehzahl des Laders oder ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Größe der im Bordnetz zur Verfügung stehende Gleichstrom ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Phasenstromn auf einen Maximalwert begrenzt wird, der abhängig von vorgebbaren Kriterien gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistung, die für den EZV oder einen anderen Hochstromverbraucher zur Verfügung gestellt wird, gemäß dem aktuellen Bordnetzzustand ermittelt wird unter Berücksichtigung dass keine Beeinträchtigungen im Bordnetz auftreten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Parameter Schwellwert U_min der Betriebsspannung, maximal zulässiger DC-Strom I_DC,max, maximal zulässiger Stromgradient d I_DC/dt_max bei der Bildung des Soll-Phasenstromes berücksichtigt werden.
Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Laders, wobei die Steuerung ein zweites Steuergerät umfasst, das einen geregelten Phasenstrom über einen Wechselrichter mit Ansteuerung an den Zusatzverdichter liefert, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Steuergerät vorhanden ist, das als übergeordnetes Steuergerät arbeitet und dem zweiten Steuergerät wenigstens eine vorgebbare Größe über eine Schnittstelle zuführt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle eine CAN- oder PWM-Schnittstelle oder eine Analogschnittstelle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Steuergerät wenigstens Mittel zur Berechnung des Verlaufs eines Maximalstroms sowie einen Drehzahlregler mit Stellgrößenbegrenzung oder Mittel zur Berechnung eines Sollphasenstromes umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Steuergerät zusätzlich einen Phasenstromregler aufweist, dem der vom Drehzahlregler mit Stellgrößenbegrenzung oder den Mitteln zur Berechnung eines Sollphasenstromes gebildete Sollphasenstrom zuführbar ist.