DE10336197A1

DE10336197A1 - Verfahren zur Leistungsanpassung

Info

Publication number: DE10336197A1
Application number: DE10336197A
Authority: DE
Inventors: Thomas Gollowitz; Norbert Dr.-Ing. Riegel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2005-06-09

Abstract

Bei einem Verfahren zur Leistungsanpassung werden die Umgebungsbedingungen einer elektrischen Maschine (2), insbesondere eines Generators, überwacht und wird die elektrische Maschine (2) unterhalb ihrer maximalen Leistung betrieben, so dass durch die erzeugte Verlustwärme vorgegebene Betriebsbedingungen nicht überschritten werden. Dies ermöglicht es, die elektrische Maschine (2) derart auszulegen, dass bei geringer Umgebungstemperatur die maximale Leistung zur Verfügung gestellt werden kann und bei erhöhter Umgebungstemperatur eine geringere Leistung zur Verfügung gestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsanpassung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Generators.

Bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei Generatoren zur Spannungs- und Stromerzeugung sind in der Regel Betriebsbedingungen vorgegeben, die nicht überschritten werden dürfen. So kann beispielsweise ein Temperaturbereich vorgegeben sein, innerhalb dessen die elektrische Maschine betrieben werden soll. Erfolgt ein Betrieb außerhalb dieser vorgegebenen Grenzwerte, kann es zur Beschädigung der elektrischen Maschine kommen. Um die Betriebsbedingungen einer elektrischen Maschine im vorgegebenen Betriebsbereich zu halten, können Kühleinrichtungen, insbesondere eine Wasserkühlung, eingesetzt werden. Durch solche Maßnahmen werden die elektrischen Maschinen jedoch größer und teurer. Aus diesem Grund ist es erstrebenswert, luftgekühlte elektrische Maschinen zu verwenden.

In einem Kraftfahrzeug steht für einen Generator häufig nur ein beschränkter Bauraum zur Verfügung. Die von dem Generator erzeugte Verlustwärme kann nicht abgeführt werden. Bei hohen Betriebstemperaturen, insbesondere im Sommerbetrieb, ist der Generator damit nicht betriebsfähig. Andererseits ist jedoch ein leistungsfähiger Generator erforderlich, um den hohen e lektrischen Energiebedarf beispielsweise von in den Wintermonaten eingesetzten elektrischen Zuheizern decken zu können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren bereit zu stellen, das es ermöglicht, eine elektrische Maschine so zu betreiben, dass die Betriebsbedingungen eingehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Umgebungsbedingungen der elektrischen Maschine erfasst werden, eine maximal zulässige Leistung der Maschine aus den erfassten Umgebungsbedingen und vorgegebenen Betriebsbedingungen ermittelt wird und die elektrische Maschine in einem Leistungsbereich unterhalb der ermittelten maximal zulässigen Leistung betrieben wird. Diese Maßnahme erlaubt es, eine luftgekühlte elektrische Maschine, insbesondere einen luftgekühlten Generator einer hohen Leistungsklasse, der für die Deckung des elektrischen Strombedarfs eines Kraftfahrzeugs im Winter erforderlich ist, im vorhandenen Bauraum einzusetzen. Es muss daher nicht auf einen wesentlich teureren wassergekühlten Generator ausgewichen werden. Insbesondere kann ein Generator verwendet werden, der in seiner thermischen Auslegung oberhalb der Grenzwerte liegt. Ein solcher Generator wird dann nur bis zu bestimmten Umgebungsbedingungen betrieben. Seine maximale Leistung wird nicht ausgeschöpft, wenn dies die Umgebungsbedingungen nicht zulassen. Dies bedeutet, dass abhängig von den Umgebungsbedingungen die Generatorleistung und damit die Verlustwärme vorgegeben wird, so dass der Generator nur so viel Leistung abgibt, dass die damit verbundene Wärmeentwicklung zu keinen thermisch kritischen Zuständen am Generator führt.

Es kann jedoch vorgesehen sein, dass eine nur kurzzeitige Überlastung des Generators zugelassen wird. Eine solche kurz zeitige Überlastung, insbesondere eine kurzfristige Erhöhung der Umgebungstemperatur, kann vom Generator verkraftet werden.

Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass als Umgebungsbedingungen die Umgebungstemperatur und/oder eine Motortemperatur erfasst werden. Die Betriebsbedingungen, insbesondere die minimale Temperatur oberhalb derer der Generator betrieben werden soll und die maximal zulässige Temperatur, unterhalb derer der Generator betrieben werden soll, können unmittelbar durch die in Folge von Leistungsgeneration erzeugte Abwärme oder durch die Motortemperatur des Motors eines Kraftfahrzeugs unter- bzw. überschritten werden. Insbesondere kann eine Addition der im Motor erzeugten Wärme und der vom Generator selbst erzeugten Wärme dazu führen, dass die zulässige Betriebstemperatur überschritten wird. Dies ist um so kritischer, je näher der Generator am Motor angeordnet ist.

Vorzugsweise wird der elektrischen Maschine ein Sollwert vorgegeben. Einem Generator wird beispielsweise eine Sollspannung vorgegeben. Dies kann diejenige Spannung sein, die einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt wird, beziehungsweise die zum Laden einer Batterie benötigt wird. Diese Sollspannung kann in Abhängigkeit der gemessenen Umgebungsbedingungen eingestellt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine höhere Sollspannung vorgegeben wird, wenn eine niedrigere Umgebungstemperatur gemessen wird und eine geringere Sollspannung vorgegeben wird, wenn eine erhöhte Temperatur erfasst wird. Beispielsweise kann bei kühler Umgebungstemperatur eine Sollspannung von 14 V vorgegeben werden und bei einer erhöhten Umgebungstemperatur eine Sollspannung von 13 V.

Bei einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass ein maximaler Erregerstromwert vorgegeben wird. Insbesondere, wenn als elektrische Maschine ein Generator zur Strom- und/oder Spannungserzeugung vorgesehen ist, wird vom Generator ein Erregerstrom benötigt, um die vorgegebene Sollspannung bereitzustellen. Während im Stand der Technik der Erregerstrom nicht begrenzt wird, wird er gemäß vorliegender Erfindung zur Limitierung der Leistungsabgabe des Generators bei konstanter Spannungsvorgabe begrenzt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Erregerstromwert in Abhängigkeit von der vorgegebenen Sollspannung begrenzt beziehungsweise vorgegeben wird. Ist aufgrund der gemessenen Umgebungsbedingungen, insbesondere der Umgebungstemperatur, zu befürchten, dass der Generator überhitzt, so wird der Erregerstrom auf einen Maximalwert begrenzt, so dass die abgegebene Leistung und damit die Verlustwärme unterhalb eines kritischen Wertes gehalten wird.

Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die Umgebungsbedingungen einer mit der elektrischen Maschine in Verbindung stehenden Batterie und/oder eines Bordnetzes erfasst werden und bei der Leistungsanpassung berücksichtigt werden. Wird auf diese Weise beispielsweise erkannt, dass der Batterieladezustand schlecht, das heißt niedrig ist, und Strom für einen kritischen Verbraucher benötigt wird, so kann die Leistungsanpassung eine kurzzeitige Überlastung der elektrischen Maschine beziehungsweise des Generators zulassen, so dass der kritische Verbraucher ausreichend mit Strom versorgt werden kann.

Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Leistungsanpassvorrichtung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Generators, mit einer Steuereinrichtung zur Vorgabe einer maximal zulässigen Leistung und einer Überwachungseinrichtung zum Überwachung der Einhaltung der maximal zulässigen Leistung, wobei mindestens eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung mindestens einer Umgebungsgröße der elektrischen Maschine vorgesehen ist und eine datentechnische Verbindung zwischen der Erfassungseinrichtung und der Steuereinrichtung zur Übermittlung der Umgebungsgröße vorgesehen ist. Mit einer solchen Leistungsanpassvorrichtung ist es möglich, die elektrische Maschine beziehungsweise den Generator überkritisch auszulegen. Insbesondere ermöglicht die Leistungsanpassvorrichtung, dass der Generator im Sommer, wenn weniger Energie benötigt wird, mit begrenzter Leistungsabgabe betrieben werden kann und keine Überlastung der elektrischen Maschine erfolgt. Andererseits kann der Generator im Winter bis zu seiner maximalen Leistungsabgabe betrieben werden, ohne dass eine Überhitzung des Generators erfolgt und dadurch der erhöhte Energiebedarf gedeckt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Überwachungseinrichtung einen Regler umfasst, dem von der Steuereinrichtung eine oder mehrere Sollwerte zugeführt werden. In der Steuereinheit werden die gemessenen Umgebungsgrößen verarbeitet und daraus werden ein oder mehrere Sollwerte berechnet, die dem Regler zugeführt werden. Insbesondere kann die vom Generator erzeugte Spannung als Sollwert und kann ein maximal zulässiger Erregerstrom vorgegeben werden. Die Regeleinheit sorgt dafür, dass der vorgegebene Erregerstrom nicht überschritten wird. Über den Erregerstrom kann der Generator so geregelt werden, dass die gelieferte Spannung in etwa der Sollspannung entspricht. Andererseits bewirkt die Limitierung des Erregerstroms, dass bei einer vorgegebenen Sollspannung eine maximale Leistung des Generators nicht überschritten wird.

Vorteilhafterweise ist eine zweite Erfassungseinrichtung zur Erfassung von mindestens einer Umgebungsgröße einer Batterie und/oder eines Bordnetzes vorgesehen. Durch die Rückmeldung einer solchen Erfassungseinrichtung auf die Steuereinrichtung kann beispielsweise die Sollspannung, die vom Generator erzeugt werden soll, eingestellt werden.

Vorteilhafterweise sind die Steuereinrichtung und die Überwachungseinrichtung über eine Schnittstelle miteinander verbunden. Über diese Schnittstelle können der maximale Generatorerregerstrom und eine Sollspannung zum Beispiel durch die Motorsteuerung vorgegeben werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figur der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 einen Schaltplan einer Leistungsanpassvorrichtung.
In der 1 ist schematisch ein Schaltplan einer Leistungsanpassvorrichtung 1 dargestellt. In der Umgebung einer als Generator ausgebildeten elektrischen Maschine 2 ist eine als Sensor ausgebildete Erfassungseinrichtung 3 vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel die Umgebungstemperatur der elektrischen Maschine 2 erfasst und an eine Steuereinrichtung 4 weiterleitet. Die als Generator ausgebildete elektrische Maschine 2 liefert eine Spannung an ein Bordnetz 5, in dem eine Batterie 6 angeordnet ist. Durch die elektrische Maschine 2 wird sowohl das Bordnetz 5 mit einer Spannung versorgt als auch die Batterie 6 aufgeladen. Durch die Steuereinheit 4 wird eine Sollspannung vorgegeben, die an das Bordnetz 5 beziehungsweise an die Batterie 6 geliefert werden soll. Dieser Sollwert wird an einen Regler 7 weitergeleitet, der mit der elektrischen Maschine 2 verbunden ist und die von der elektrischen Maschine 2 erzeugte Spannung auf die Sollspannung regelt. Um die Sollspannung auf einem möglichst konstanten Wert zu halten, wird von der elektrischen Maschine 2 ein Erregerstrom gezogen. In der Steuereinrichtung 4 wird unter Berücksichtigung der durch die Erfassungseinrichtung 3 gemessenen Umgebungsgröße eine maximale Leistung berechnet, die von der elektrischen Maschine 2 als Verlustleistung abgegeben werden darf. Zur Beschränkung dieser Verlustleistung wird in der Steuereinrichtung 4 ein maximaler Erregerstrom festgelegt, der von der elektrischen Maschine 2 gezogen werden darf. Dieser maximale Erregerstrom wird ebenfalls über die Schnittstelle 8 an den Regler 7 übermittelt. Der Regler 7 überwacht, dass der maximal zulässige Erregerstrom nicht überschritten wird. Mit anderen Worten erfolgt beim Überschreiten bestimmter Betriebsbedingungen eine Abregelung, d.h. eine Leistungsreduzierung der elektrischen Maschine 2.
In der Nähe der Batterie 6 ist eine weitere Erfassungseinrichtung 9 vorgesehen, die ebenfalls mit der Steuereinrichtung 4 in Verbindung steht. Im Ausführungsbeispiel wird durch die Erfassungseinrichtung 9 der Batterieladezustand überwacht. Ausgehend vom erfassten Batterieladezustand kann in der Steuereinrichtung 4 sowohl der Spannungssollwert als auch der maximal zulässige Erregerstrom so eingestellt werden, dass von der elektrischen Maschine 2 genügend Leistung zur Verfügung gestellt wird, so dass kritische Verbraucher ausreichend mit Strom versorgt werden können. Dabei ist ein kurzzeitiges Überschreiten der ansonsten maximal zulässigen Leistung erlaubt. Somit wird durch die Steuereinrichtung 4, unter Umständen in Abhängigkeit der von der Erfassungseinrichtung 9 übermittelten Messdaten, eine Sollspannung vorgegeben und wird in Abhängigkeit von der Sollspannung und der durch die Erfassungseinrichtung 3 übermittelten Daten ein maximal zulässiger Erregerstrom ermittelt und an den Regler 7 übergeben. Zur Einstellung bzw. Anpassung der Leistung wird daher keine direkte Rückkopplung verwendet, insbesondere wird keine Stellgröße verwendet, die durch den Regler 7 erzeugt wird. Die Einstellung der Sollspannung und des Erregerstroms sind unabhängig von den Stellgrößen des Reglers 7.
Bei einem Verfahren zur Leistungsanpassung werden die Umgebungsbedingungen einer elektrischen Maschine (2), insbesondere eines Generators, überwacht und wird die elektrische Maschine (2) unterhalb ihrer maximalen Leistung betrieben, so dass durch die erzeugte Verlustwärme vorgegebene Betriebsbedingungen nicht überschritten werden. Dies ermöglicht es, die elektrische Maschine (2) derart auszulegen, dass bei geringer Umgebungstemperatur die maximale Leistung zur Verfügung gestellt werden kann und bei erhöhter Umgebungstemperatur eine geringere Leistung zur Verfügung gestellt wird.

Claims

Verfahren zur Leistungsanpassung einer elektrischen Maschine (2), insbesondere eines Generators, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsbedingungen der elektrischen Maschine (2) erfasst werden, eine maximal zulässige Leistung der elektrischen Maschine (2) aus den erfassten Umgebungsbedingungen und vorgegebenen Betriebsbedingungen ermittelt wird und die elektrische Maschine (2) in einem Leistungsbereich unterhalb der ermittelten maximal zulässigen Leistung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Umgebungsbedingungen die Umgebungstemperatur und/oder eine Motortemperatur erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschine (2) ein Sollwert vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Erregerstromwert vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsbedingungen einer mit der elektrischen Maschine (2) in Verbindung stehenden Batterie (6) erfasst werden und bei der Leistungsanpassung berücksichtigt werden.
Leistungsanpassvorrichtung einer elektrischen Maschine (2), insbesondere eines Generators, mit einer Steuereinrichtung (4) zur Vorgabe einer maximal zulässigen Leistung und einer Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Einhaltung der maximal zulässigen Leistung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Erfassungseinrichtung (3) zur Erfassung mindestens einer Umgebungsgröße der elektrischen Maschine (2) vorgesehen ist, wobei eine datentechnische Verbindung zwischen der Erfassungseinrichtung (3) und der Steuereinrichtung (4) zur Übermittlung der Umgebungsgröße vorgesehen ist.
Leistungsanpassvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung einen Regler (7) umfasst, der von der Steuereinrichtung (4) eine oder mehrere Sollwerte zugeführt werden.
Leistungsanpassvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Erfassungseinrichtung (9) zur Erfassung von mindestens einer Umgebungsgröße einer Batterie (6) und/oder eines Bordnetzes (5) vorgesehen ist.
Leistungsanpassvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (4) und die Überwachungseinrichtung über eine Schnittstelle (8) verbunden sind.