DE10358520A1

DE10358520A1 - Verfahren zur Regelung der Generatorspannung eines Kraftfahrzeuggenerators

Info

Publication number: DE10358520A1
Application number: DE2003158520
Authority: DE
Inventors: Marcus Hafkemeyer; Thomas Christ; Jens Berkan; Michael Dr. Maurer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-12-13
Filing date: 2003-12-13
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-14
Also published as: DE10358520B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Generatorspannung eines Generators in einem Kraftfahrzeug. Ihr liegt das Problem zugrunde, den Energieverbrauch in einem Kraftfahrzeug zu vermindern. Das Problem wird gelöst, indem in einem Bereich oberhalb einer vorgegebenen unteren Batteriespannungsgrenze der Generator auf eine der Batteriespannung nachgeführte Sollwertspannung regelt, die kleiner oder gleich der jeweils aktuellen Batteriespannung ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Generatorspannung eines Generators in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei heutigen Kraftfahrzeugen wird ein Generator zur Versorgung des Bordnetzes von der Brennkraftmaschine angetrieben. Um eine möglichst energiesparende Betriebsweise zu erreichen, ist es sinnvoll, den Generator nicht ständig unter Last zu betreiben und so gegebenenfalls überflüssige elektrische Energie zu erzeugen (bzw. zu wandeln) sondern ihn wann immer möglich in einen entregten Zustand zu überführen. Hierfür ist es beispielsweise bekannt, das Bordnetz im Zustand aktiver Batterieentladung (keine Stromeinspeisung ins Bordnetz durch den Generator), in dem das Bordnetz ausschließlich durch die Batterie energieversorgt wird durch eine sogenannte Fangspannung zu stützen. Die Fangspannung definiert dabei eine fest vorgegebene unterste Batteriespannungsgrenze, bei deren Unterschreiten der Generator durch Stromerzeugung das Bordnetz stützt (siehe 2a).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur verbesserten Stützung des Bordnetzes bei aktiver Batterieentladung bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während in den Unteransprüchen weitere detaillierte Ausführungsformen der Erfindung definiert sind.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren, mittels welchem der Generator oberhalb einer vorgegebenen unteren Batteriespannungsgrenze stets auf eine der Ist-Batteriespannung nachgeführte Sollwertspannung regelt, wird eine deutliche Stabilisierung des Bordnetzes im Betrieb der aktiven Batterieentladung erreicht. Dabei ist die Sollwertspannung entweder gleich der aktuellen Batteriespannung oder liegt einen definierten Prozentsatz unterhalb desselben. Der Generator regelt dabei im Betriebszustand des aktiven Entladens der Batterie (Versorgung des Bordnetzes ausschließlich oder überwiegend durch Batterie) anstatt auf einen festen konstanten Sollwert auf einen variablen Sollwert, der jeweils knapp unterhalb der zeitlich veränderlichen Batteriespannung (Istwert) liegt. Ein Betriebszustand des aktiven Entladens der Batterie liegt immer schon dann vor, wenn die Batterie keinen Ladestrom mehr aufnimmt (also als sogenannte „Senke" wirkt), sondern stattdessen Strom in das Bordnetz einspeist (also als sogenannte „Quelle" wirkt). Die Batterie bzw. die Bordnetzspannung kann durch ein frühzeitiges Eingreifen des Generators wirksam gegen hohe kurzzeitige Spannungseinbrüche (z.B. aufgrund einer Zuschaltung von Transienten verursachenden Verbrauchern) geschützt werden.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Reglerempfindlichkeit variabel. So kann durch Variation der Regelungsgeschwindigkeit die Empfindlichkeit der Reglerunterstützung im Falle einer Zuschaltung eines transienten Verbrauchers eingestellt werden. Auch kann die Reglerempfindlichkeit mit zunehmender Annäherung an die vorgegebene untere Batteriespannungsgrenze erhöht werden. Hierdurch kann einem nicht gewollten Ausfall einzelner Bordnetzkomponenten aufgrund eines zu spät ausgeregelten Spannungseinbruchs vorgebeugt werden. Für eine optimale Regelung gemäß der Erfindung muss ein Kompromiss aus einer gewissen Reglerträgheit – dahingehend, dass der Regler nicht zu schnell reagieren darf, um nicht jeder Transienten zu folgen anstatt sie auszuregeln – und dahingehend, dass im Falle einer Erfassung einer Transienten aber ein möglichst schnelles Eingreifen des Reglers stets gewährleistet ist. Der Regler muss also auf der einen Seite eine gewisse Trägheit aufweisen, um Transienten sicher zu erfassen – er muss andererseits aber ausreichend empfindlich sein, so dass er frühzeitig Spannungseinbrüchen entgegenwirken kann.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird die Generatorsollvorgabespannung (Sollwertspannung) unter Auswertung des DF-Tastverhältnisses eingestellt. Dabei kann das DF-Tastverhältnis beispielsweise auch über den Erregerstrom abgebildet werden. Das DF-Tastverhältnis ist ein Maß für die Auslastung des Generators – es gibt das Verhältnis von Generator aktiv (Generator stromspeisend) zu Generator inaktiv (Generator nicht stromspeisend) an. Die Einstellung der Generatorspannung erfolgt durch eine Anpassung seines Erregerstroms mittels einer Zweipunktregelung mit einem Regelsignal mit variabler Pulsbreite. Dieses als Generatortastverhältnis DF oder DF-Tastverhältnis oder DF-Signal bezeichnete Tastverhältnis kann einen Wert zwischen „null" und „einhundert" Prozent annehmen. Um einen Momentenaufbau des Generators (und damit eine Mehrbelastung der Brennkraftmaschine) in Folge einer elektrisch/mechanischen Energiewandlung zu verhindern muss der Generator durch Anpassung bzw. Nachführung der Sollwertspannung auf ein DF-Signal im Bereich von null Prozent geregelt werden. Die Formulierung „Bereich von null Prozent" ist derart auszulegen, dass der Bereich jedes DF-Signal umfasst, bei dem der anzusteuernde Generator (noch) keinen Strom in das Bordnetz einspeist (entregter Generatorzustand). Diese Grenze hängt stark vom verwendeten Generator ab und kann durchaus auch bei 10–15% oder gar höher liegen. Durch Variation des zu regelnden DF-Signalwertes – beispielsweise durch eine Anhebung auf 20–40% – kann gezielt eine Mischspeisung des Bordnetzes herbeigeführt werden, in der der Generator sich mit seiner Einspeisung stets an der Grenze einer voreingestellten Sollwertspannung bewegt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: den Aufbau eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer Regeleinheit zur erfindungsgemäßen Regelung der Generatorspannung,
2a: ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Regelstrategie zur Regelung der Generatorspannung gemäß dem Stand der Technik und
2b: ein Diagramm zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Regelstrategie zur Regelung der Generatorspannung.
1 zeigt das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs in stark vereinfachter Darstellung. Das Bordnetz umfasst einen Generator 2 zur Energieversorgung von elektrischen Bordnetzkomponenten. Derartige Bordnetzkomponenten können beispielsweise elektrische Verbraucher 4 jeglicher Art sein – beispielsweise Klimaanlage, Sitzheizung, Audioanlage, elektrische Fensterheber, Navigationsgerät oder dergleichen. Eine weitere wesentliche Bordnetzkomponente stellt die Batterie 6 dar. Dabei kommt der Batterie 6 insofern eine Sonderstellung zu, als dass sie je nach Ladungszustand und angeforderter Last im restlichen Bordnetz einerseits als Verbraucher andererseits als Energiequelle wirken kann. Zur Steuerung des Energiehaushaltes im Bordnetz dient ein Regler 8, der den Generator 2 derart ansteuert, dass zum einen stets eine ausreichende Energieversorgung aller Bordnetzkomponenten gewährleistet ist, zum anderen aber dies mit möglichst minimalem Energieeinsatz realisiert wird. Erfindungsgemäß wird dem Generator 2 über den Regler 8 eine ständig aktualisierte Sollwertspannung U_{BN_Soll} vorgegeben ab der er stützend Strom in das Bordnetz einspeisen soll. Um jederzeit über den aktuellen Ladungszustand der Batterie 6 informiert zu sein, findet ein intelligenter Batteriesensor 10 zur Erfassung der wichtigsten Batterieparameter Verwendung. Über den intelligenten Batteriesensor 10 erhält der Regler 8 sämtliche benötigten Zustandsdaten (z.B. (Lade-)Spannung, (Lade-)Strom, Säuregrad, Restlebensdauer, ...) der Batterie.
Gemäß 2b liegt die dem Generator 2 zugeführte Sollwertspannung U_{BN_Soll} einen definierten Prozentsatz unterhalb der jeweils vorliegenden Batteriespannung U_Batt (Istwert). Dies ist nicht zwingend so, vielmehr kann die Sollwertspannung U_{BN_Soll} zumindest zeitweise auch den gleichen Wert wie die erfasste Batteriespannung U_Batt annehmen (Sollwertspannung ⇐ Batteriespannung). Vorzugsweise liegt die Sollwertspannung U_{BN_Soll} zu jedem Zeitpunkt der Regelung um den gleichen Prozentsatz unterhalb der vorliegenden Batteriespannung U_Batt. In einer Abänderung dieser Ausführung kann der Abstand der Sollwertspannung U_{BN_Soll} zur vorliegenden Batteriespannung U_Batt auch variieren indem beispielsweise der Prozentsatz um den die Sollwertspannung U_{BN_Soll} unterhalb der Batteriespannung U_Batt platziert ist mit zunehmender Annäherung an die vorgegebene untere Batteriespannungsgrenze U_{Batt_Grenz} abnimmt – die Sollwertspannung U_{BN_Soll} sich dementsprechend der Batteriespannung U_Batt in ihrem Wert annähert. In einer Weiterbildung der Erfindung regelt der Generator 2 unterhalb der vorgegebenen unteren Batteriespannungsgrenze U_{Batt_Grenz} die Spannung stets auf die Batteriespannungsgrenze U_{Batt_Grenz} ein (Sollwertspannung = untere Batteriespannungsgrenze).
Um die ausfallsichere Funktionalität aller Bordnetzkomponenten zu gewährleisten wird die untere Batteriespannungsgrenze U_{Batt_Grenz} derart gewählt, dass sie um einen Sicherheitsabstand über dem die Funktionalität aller Bordnetzkomponenten liegenden Mindest-Bordnetzspannungswert U_min liegt.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Sollwertspannung U_{BN_Soll} unter Auswertung des DF-Tastverhältnisses bzw. unter Auswertung des Erregerstroms geregelt.

Claims

Verfahren zur Regelung der Generatorspannung (U_BN) eines Generators (2) in einem Kraftfahrzeug, wobei der Generator (2) ein Bordnetz mit Verbrauchern (4) und mindestens einer Batterie (6) speist und ein Regler (8) die Generatorspannung (U_BN) auf eine Sollwertspannung (U_{BN_Soll}) einregelt, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem Bereich oberhalb einer vorgegebenen unteren Batteriespannungsgrenze (U_{Batt_Grenz}) der Generator (2) auf eine der Batteriespannung (U_Batt) nachgeführte Sollwertspannung (U_{BN_Soll}) regelt, die kleiner oder gleich der jeweils aktuellen Batteriespannung (U_Batt) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen der unteren vorgegebenen Batteriespannungsgrenze (U_{Batt_Grenz}) der Generator (2) auf diese untere vorgegebene Batteriespannungsgrenze (U_{Batt_Grenz}) als Sollwertspannung (U_{BN_Soll}) regelt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Batteriespannungsgrenze (U_{Batt_Grenz}) derart gewählt ist, dass sie um einen vorgegebenen Wert über dem die Funktionalität aller Bordnetzkomponenten gewährleistenden Bordnetzspannungswert (U_min) liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwertspannung (U_{BN_Soll}) unter Auswertung des DF-Tastverhältnisses beziehungsweise unter Auswertung des Generator-Erregerstroms geregelt wird.