DE112015005097B4 - Method for operating a device for supplying energy to an electrical consumer in an isolated operation and a corresponding device - Google Patents

Method for operating a device for supplying energy to an electrical consumer in an isolated operation and a corresponding device Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers (1) in einem Inselbetrieb; wobei die Vorrichtung umfasst:einen fremderregten Synchrongenerator (2), der über seinen Erregerstrom (Ie) regelbar ist;einen Antrieb (3) für den Synchrongenerator (2);eine Steuereinrichtung (11) für den Antrieb (3) undeine durch den Synchrongenerator (2) aufladbare Batterie (13), die an den elektrischen Verbraucher (1) so angeschlossen ist, dass die am Verbraucher (1) anliegende elektrische Verbraucherspannung (Uv) aus dem inneren Batteriewiderstand resultiert;wobei das Verfahren umfasst:die Vorrichtung wird in Abhängigkeit vom Energiebedarf des Verbrauchers (1) gesteuert;wobei die Drehzahl (n) des Synchrongenerators (2) durch eine Regelung des Erregerstroms (Ie) konstant gehalten wird;wobei der Antrieb (3) in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung (Uv) in zwei Leistungsstufen betrieben wird;wobei mittels der Steuereinrichtung (11) der Antrieb (3) bei einer unteren Grenzspannung (Uein) eingeschaltet und bei einer oberen Grenzspannung (Uaus) ausgeschaltet wird undwobei mittels der Steuereinrichtung (11) beim Überschreiten eines oberen Schwellwertes (UL1) der Verbraucherspannung (Uv) die Leistung des Antriebs (11) auf die geringere Leistungsstufe und beim Unterschreiten eines unteren Schwellwerts (UL2) der Verbraucherspannung (Uv) die Leistung des Antriebs (11) auf die höhere Leistungsstufe umgeschaltet wird.Method for operating a device for supplying energy to an electrical consumer (1) in an isolated operation; wherein the device comprises: an externally excited synchronous generator (2), which can be controlled via its excitation current (Ie); a drive (3) for the synchronous generator (2); a control device (11) for the drive (3) and one through the synchronous generator ( 2) rechargeable battery (13), which is connected to the electrical consumer (1) in such a way that the electrical consumer voltage (Uv) applied to the consumer (1) results from the internal battery resistance; the method comprising: the device is dependent on the Energy requirement of the consumer (1) is controlled; the speed (n) of the synchronous generator (2) is kept constant by regulating the excitation current (Ie); the drive (3) is operated in two power levels depending on the consumer voltage (Uv). ;whereby the drive (3) is switched on by means of the control device (11) at a lower limit voltage (Uin) and switched off at an upper limit voltage (Uoff), and whereby by means of the control device (11) when an upper threshold value (UL1) of the consumer voltage (Uv ) the power of the drive (11) is switched to the lower power level and when the consumer voltage (Uv) falls below a lower threshold value (UL2), the power of the drive (11) is switched to the higher power level.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Inselbetrieb mit einem über seinen Erregerstrom steuerbaren Synchrongenerator und mit einem Antrieb für den Synchrongenerator, wobei die Vorrichtung in Abhängigkeit vom Energiebedarf des Verbrauchers gesteuert wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Inselbetrieb.The invention relates to a method for operating a device for supplying energy to an electrical consumer in an isolated operation with a synchronous generator that can be controlled via its excitation current and with a drive for the synchronous generator, the device being controlled depending on the energy requirements of the consumer, and to a device for supplying energy to an electrical consumer in an isolated operation.

Stand der TechnikState of the art

Um in einem Inselbetrieb nicht von der Kapazität einer Batterie abhängig zu sein, ist es bekannt, die Batterie in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand über einen Generator zu laden, dessen Antrieb beim Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts des Ladezustands eingeschaltet wird, sodass sich die Betriebsdauer des angeschlossenen elektrischen Verbrauchers entsprechend verlängert. Als Generatoren kommen wegen ihres hohen Wirkungsgrads häufig permanenterregte Synchrongeneratoren mit dem Nachteil zum Einsatz, dass aufgrund der linearen Abhängigkeit der Leerlaufspannung von der Drehzahl eine Steuerung der abzugebenden, im Wesentlichen dem Generatorstrom proportionalen Leistung in einfacher Weise nur über die Drehzahl möglich ist, was schlechte Wirkungsgrade für den Antrieb bedingt, der ja insbesondere bei einer Ausbildung als Verbrennungskraftmaschine kaum in einem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden kann. Außerdem ist der Antrieb hinsichtlich seiner maximalen Leistung an die maximale Verbraucherleistung anzupassen, damit der Verbraucher den Antrieb nicht ohne Begrenzung der Verbraucherleistung abbremsen kann.In order not to be dependent on the capacity of a battery in island operation, it is known to charge the battery depending on its state of charge via a generator, the drive of which is switched on when the state of charge falls below a predetermined threshold value, so that the operating time of the connected electrical extended accordingly. Because of their high efficiency, permanently excited synchronous generators are often used as generators, with the disadvantage that due to the linear dependence of the no-load voltage on the speed, control of the power to be delivered, which is essentially proportional to the generator current, is only possible in a simple manner via the speed, which results in poor efficiencies for the drive, which can hardly be operated in an optimal working range, especially when trained as an internal combustion engine. In addition, the drive's maximum power must be adapted to the maximum consumer power so that the consumer cannot brake the drive without limiting the consumer power.

Zum Laden von Batterien sind auch fremderregte Synchrongeneratoren bekannt, wie sie als Lichtmaschinen in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen. Zur Anpassung der Generatorspannung an die Batteriespannung muss der Erregerstrom entsprechend gesteuert werden, und zwar in einem weiten Drehzahlbereich des Synchrongenerators, was sich wiederum nachteilig auf den Wirkungsgrad auswirkt.Externally excited synchronous generators, such as those used as alternators in motor vehicles, are also known for charging batteries. In order to adapt the generator voltage to the battery voltage, the excitation current must be controlled accordingly, within a wide speed range of the synchronous generator, which in turn has a disadvantageous effect on the efficiency.

Die Funktionsweise eines Steuergeräts für einen Generator wird in US 2009/0234509 A1 beschrieben. Das Steuergerät umfasst einen Spannungsregler, der in der Lage ist, die Ausgangsspannung des Generators auf eine Sollspannung zu regeln. Sinkt die Drehzahl einer den Generator antreibenden Antriebsmaschine lastbedingt unter einen vorgegebenen Schwellwert und besteht somit die Gefahr eines „Abwürgens“ der als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Antriebsmaschine, dann wird die Ausgangsleistung des Generators zur Entlastung der Antriebsmaschine entsprechend verringert, indem die Sollspannung herabgesetzt wird. Wird aufgrund dieser Maßnahme der Schwellwert der Drehzahl wieder überschritten, dann wird die Sollspannung wieder auf den Ausgangswert zurückgesetzt und damit die Ausgangsleistung des Generators erhöht.The functionality of a control unit for a generator is explained in US 2009/0234509 A1 described. The control unit includes a voltage regulator that is able to regulate the output voltage of the generator to a target voltage. If the speed of a drive machine driving the generator falls below a predetermined threshold value due to the load and there is therefore a risk of the drive machine designed as an internal combustion engine stalling, then the output power of the generator is reduced accordingly to relieve the load on the drive machine by reducing the target voltage. If the speed threshold is exceeded again due to this measure, the target voltage is reset to the initial value and the output power of the generator is thus increased.

Weiterhin offenbart WO 2014/083487 A2 beziehungsweise US 2015/0315989 A1 ein Verfahren zum Steuern eines durch einen Motor angetriebenen Generators. Dem Motor ist ein Drehzahlregler und dem Generator ist ein Spannungsregler zugeordnet. Der Spannungsregler gibt dem Motor in Abhängigkeit von dem Drehmoment und der kinetischen Energie des Motors einen Drehzahlsollwert vor. Das Erkennen einer Laständerung aufgrund der Überwachung des Drehmoments und der Höhe der kinetischen Energie ermöglicht es, einen Drehzahlabfall des Motors vorwegzunehmen und entsprechende Maßnahmen zur Begrenzung eines solchen Abfalls zu treffen.Further revealed WO 2014/083487 A2 respectively US 2015/0315989 A1 a method of controlling a generator driven by an engine. A speed regulator is assigned to the motor and a voltage regulator is assigned to the generator. The voltage regulator gives the motor a speed setpoint depending on the torque and kinetic energy of the motor. Detecting a change in load due to monitoring the torque and the level of kinetic energy makes it possible to anticipate a drop in engine speed and take appropriate measures to limit such a drop.

Ein Verfahren zum Optimieren des Betriebs eines Verbunds aus einem Verbrennungsmotor und einem Generator in einem seriellen Hybridantrieb beschreibt DE 10 2008 049 225 A1 . Entsprechend einer vorgegebenen elektrischen Sollleistung des Generators werden das Drehmoment und die Drehzahl des Verbrennungsmotors entlang einer durch emissions- und verbrauchsarme Arbeitspunkte vorgegebenen Kennlinie geregelt. Der Verbrennungsmotor wird durch eine Anpassung von Drehmoment und Drehzahl in Abhängigkeit von den jeweiligen Leistungsanforderungen gesteuert.A method for optimizing the operation of a combination of an internal combustion engine and a generator in a series hybrid drive is described DE 10 2008 049 225 A1 . According to a specified electrical target power of the generator, the torque and speed of the internal combustion engine are regulated along a characteristic curve specified by low-emission and low-consumption operating points. The internal combustion engine is controlled by adjusting torque and speed depending on the respective performance requirements.

Aus GB 2 417 378 A ist eine intermittierende Batterieladevorrichtung bekannt, die eine Verbrennungskraftmaschine, einen an diese gekoppelten Generator und eine Steuereinrichtung umfasst. Die Steuereinrichtung erzeugt ein Steuersignal, das auf die Verbrennungskraftmaschine in der Weise wirkt, dass der Generator sequentielle Ladestromimpulse an die Batterie abgibt.Out of GB 2 417 378 A an intermittent battery charging device is known which comprises an internal combustion engine, a generator coupled to it and a control device. The control device generates a control signal that acts on the internal combustion engine in such a way that the generator delivers sequential charging current pulses to the battery.

US 5 545 928 A offenbart ein Verfahren zur Steuerung der Stromerzeugung in einem Hybridfahrzeug. Eine Zielgeneratorausgangsleistung wird auf der Grundlage eines Ladezustands, einer Katalysatortemperatur usw. berechnet, und die Zielmotorumdrehungszahl wird auf der Grundlage der Zielgeneratorausgangsleistung berechnet. Ein Feldstrom wird als Reaktion auf das Vergleichsergebnis zwischen einem Steuerungszielbereich, der als Reaktion auf die Zielanzahl der Motorumdrehungen bestimmt wird, und der erfassten Anzahl der Motorumdrehungen korrigiert, wodurch eine Zielsteuerung der Anzahl der Motorumdrehungen durchgeführt wird. Dann wird ein Korrekturbetrag eines Drosselklappenwinkels als Reaktion auf das Vergleichsergebnis zwischen einem Steuerzielbereich, der als Reaktion auf die Zielgeneratorausgangsleistung bestimmt wird, und der erfassten Generatorausgangsleistung eingestellt und der Drosselklappenwinkel wird korrigiert, wodurch eine Zielsteuerung der Generatorausgangsleistung durchgeführt. Da zunächst eine Zielsteuerung der Drehzahl und dann eine Zielsteuerung der Generatorleistung durchgeführt wird, kann ein Steuerungsfehler aufgrund einer hohen oder niedrigen Motorlast verhindert werden. US 5,545,928 A discloses a method for controlling power generation in a hybrid vehicle. A target generator output is calculated based on a state of charge, a catalyst temperature, etc., and the target engine revolution number is calculated based on the target generator output. A field current is corrected in response to the comparison result between a control target range determined in response to the target number of motor revolutions and the detected number of motor revolutions, thereby achieving target control the number of engine revolutions is carried out. Then, a correction amount of a throttle angle is set in response to the comparison result between a control target range determined in response to the target generator output and the detected generator output, and the throttle angle is corrected, thereby performing target control of the generator output. Since target control of the speed is performed first and then target control of the generator power is performed, a control error due to high or low engine load can be prevented.

JP H06-121 406 A beschäftigt sich mit der Aufgabe, die Drehzahl eines Motors wieder in den Bereich einer objektiven Drehzahl zu bringen, indem die objektive Leistung eines Generators so eingestellt wird, dass die Drehzahl des Motors der angegebenen Drehzahl entspricht, und die Kraftstoffmenge korrigiert wird. Es erfolgt eine Einspritzung, wenn die Zielleistung vom vorgegebenen Bereich abweicht und die Drehzahl des Motors außerhalb des Bereichs der Zieldrehzahl liegt. Eine Steuerung steuert hierzu die erzeugte Leistung auf der Grundlage des Ausgangsstroms eines Generators und steuert die Zielleistung auf der Grundlage der Drehzahl eines Motors. JP H06-121 406 A deals with the task of bringing the speed of an engine back into the range of an objective speed by adjusting the objective power of a generator so that the speed of the engine corresponds to the specified speed and correcting the amount of fuel. Injection occurs when the target power deviates from the specified range and the engine speed is outside the target speed range. For this purpose, a controller controls the power generated based on the output current of a generator and controls the target power based on the speed of a motor.

US 5 703 410 A beschreibt ein Steuersystem für einen Verbrennungsmotor, der mit einem Motorgenerator ausgestattet ist, dient dazu, Schwankungen und Pulsationen der Drehzahl einer Kurbelwelle zu unterdrücken, um einen optimalen Motorbetrieb, ein verbessertes Kraftstoffkostenverhalten und eine verbesserte Abgasreinigung zu erreichen. US 5,703,410 A describes a control system for an internal combustion engine, which is equipped with a motor generator, serves to suppress fluctuations and pulsations in the speed of a crankshaft in order to achieve optimal engine operation, improved fuel cost performance and improved exhaust gas purification.

DE 10 2012 201 270 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen des Arbeitspunkts eines eine elektrische Maschine und einen Verbrennungsmotor umfassenden Range-Extenders eines Elektrofahrzeugs. Bei der Arbeitspunktbestimmung geht es um die Vorgabe des Drehmoments des Verbrennungsmotors und die Drehzahl der elektrischen Maschine. Die Sollleistung des Range-Extenders wird bestimmt. In Abhängigkeit von der Sollleistung des Range-Extenders wird eine Solldrehzahlstufe zum Betrieb des Range-Extenders aus einer Mehrzahl vorgegebener, diskreter Solldrehzahlstufen der elektrischen Maschine ausgewählt. DE 10 2012 201 270 A1 discloses a method for determining the operating point of a range extender of an electric vehicle comprising an electric machine and an internal combustion engine. Determining the operating point involves specifying the torque of the combustion engine and the speed of the electric machine. The target power of the range extender is determined. Depending on the target power of the range extender, a target speed level for operating the range extender is selected from a plurality of predetermined, discrete target speed stages of the electrical machine.

DE 10 2012 216 019 A1 beschreibt eine Antriebssteuervorrichtung für serielles Hybridfahrzeug. DE 10 2012 216 019 A1 describes a drive control device for serial hybrid vehicle.

AT 513 476 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Range Extenders für Elektrofahrzeuge. AT 513 476 A1 discloses a method for operating a range extender for electric vehicles.

JP 2000-295 707 A offenbart eine Stromerzeugungssteuervorrichtung eines Hybrid-Elektroautos, die in der Lage ist, den Lärm im Arbeitsmodus stärker zu reduzieren. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, dass, wenn sich ein Fahrzeug im Fahrzustand befindet, die Stromerzeugung mit einem Generator dann gestartet wird, wenn die von einem Batterie-Restkapazitätsdetektor erfasste Restkapazität einer Batterie weniger als 60 % beträgt. Wenn sich eine Stromabnahmevorrichtung, die die Antriebsleistung eines Motors als Arbeitsleistung entnimmt, in dem Zustand befindet, in dem Arbeiten möglich ist, wird die Stromerzeugung mit dem Generator dann gestartet, wenn die Restkapazität der Batterie höchstens 35 % beträgt. Wenn sich die Stromentnahmevorrichtung hingegen im Standby-Zustand befindet, wird der Generator so gesteuert, dass die Stromerzeugung verhindert wird, bis die Restkapazität der Batterie 30 % oder weniger beträgt. JP 2000-295 707 A discloses a power generation control device of a hybrid electric car capable of reducing noise more in the working mode. For this purpose, it is proposed that when a vehicle is in the driving state, power generation with a generator is started when the remaining capacity of a battery detected by a battery remaining capacity detector is less than 60%. When a power collection device that takes the driving power of an engine as work power is in the state in which work is possible, power generation with the generator is started when the remaining capacity of the battery is at most 35%. On the other hand, when the power extraction device is in the standby state, the generator is controlled to prevent power generation until the remaining capacity of the battery is 30% or less.

US 5 929 609 A beschreibt ein Verfahren, das den Batteriestatus und die Motorbedingungen überwacht und einen Generator steuert, um die Batterie abhängig von bestimmten Batterie- und Motorbedingungen selektiv aufzuladen, um hierdurch den Zustand und die Betriebseigenschaften der Batterie und des Motors zu optimieren. US 5,929,609 A describes a method that monitors battery status and engine conditions and controls a generator to selectively charge the battery depending on specific battery and engine conditions, thereby optimizing the health and operating characteristics of the battery and engine.

US 2014/0163801 A1 beschreibt ein Fahrzeug, ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs und eine Steuervorrichtung eines Fahrzeugs und insbesondere eine Technik zum Erzeugen elektrischer Energie durch Betreiben eines Motors und Laden einer Energiespeichervorrichtung. US 2014/0163801 A1 describes a vehicle, a method for controlling a vehicle and a control device of a vehicle, and in particular a technique for generating electrical energy by operating a motor and charging an energy storage device.

Sabine Piller, Marion Perrin, Andreas Jossen: „Methods for state-of-charge determination and their applications“, Journal of Power Sources, Volume 96, 2001, Issue 1, Seiten 113 bis 120 , ISSN 0378-7753, befasst sich mit der Bestimmung des Ladezustands (State of Charge #SOC) von Batterien. Bei früheren Betriebsstrategien wurden Spannungsgrenzen nur zum Schutz der Batterie vor Tiefentladung und Überladung verwendet. Für eine verbesserte Batteriesteuerung ist der SOC der Batterie ein Schlüsselfaktor. In den letzten Jahren wurde viel Forschungsarbeit geleistet, um die SOC-Bestimmung zu verbessern. Die Betriebsbedingungen für Batterien sind unterschiedlich, etwa bei Photovoltaik-Anwendungen, Hybrid-Elektrofahrzeuge oder Telekommunikation. Daher ist eine bestimmte Methode zur SOC-Berechnung für eine bestimmte Anwendung besser geeignet als für eine andere. Der Aufsatz stellt gebräuchliche Methoden zur SOC-Bestimmung vor und stellt eine Beziehung zwischen den Vorteilen der verschiedenen Methoden und den gebräuchlichsten Anwendungen her. Sabine Piller, Marion Perrin, Andreas Jossen: “Methods for state-of-charge determination and their applications”, Journal of Power Sources, Volume 96, 2001, Issue 1, pages 113 to 120 , ISSN 0378-7753, deals with determining the state of charge (SOC) of batteries. Previous operating strategies used voltage limits only to protect the battery from deep discharge and overcharging. For improved battery control, the battery's SOC is a key factor. In recent years, a lot of research has been done to improve SOC determination. The operating conditions for batteries are different, for example in photovoltaic applications, hybrid electric vehicles or telecommunications. Therefore, a particular method of SOC calculation is more suitable for a particular application than another. The paper introduces common methods for SOC determination and establishes a relationship between the advantages of the different methods and the most common applications.

CN 1 03 359 115 A beschreibt ein Verfahren zur Steuerung der Stromerzeugung für ein Elektrofahrzeug mit vergrößerter Reichweite. CN 1 03 359 115 A describes a method for controlling power generation for an electric vehicle with an extended range.

DE 10 2010 040 863 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Generators in einem Rekuperationssystem eines Kraftfahrzeuges. DE 10 2010 040 863 A1 describes a method and a device for operating a generator in a recuperation system of a motor vehicle.

DE 10 2009 044 942 A1 beschreibt eine elektrische Maschine mit veränderlicher Polzahl, insbesondere einen Generator oder einen Startergenerator für ein Kraftfahrzeug. DE 10 2009 044 942 A1 describes an electrical machine with a variable number of poles, in particular a generator or a starter generator for a motor vehicle.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Inselbetrieb und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, die so betreiben werden können, dass ein hoher Wirkungsgrad sichergestellt wird, und zwar mit einem vergleichsweise geringen Steuer- und Regelungsaufwand.The invention is based on the object of creating a method for operating a device for supplying energy to an electrical consumer in an isolated operation and a corresponding device, which can be operated in such a way that a high level of efficiency is ensured, with a comparatively low control and Regulatory effort.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 4.This object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 3. Preferred embodiments of the invention are the subject of claims 2 and 4.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, die Drehzahl des Synchrongenerators durch eine Steuerung des Erregerstroms konstant zu halten und den Antrieb in Abhängigkeit von der am Verbraucher anliegenden elektrischen Spannung anzusteuern.The invention is based on the knowledge that the speed of the synchronous generator can be kept constant by controlling the excitation current and that the drive can be controlled depending on the electrical voltage applied to the consumer.

Aufgrund dieser Maßnahmen wirkt der Generator als Bremse, wobei das Bremsmoment proportional zum Generatorstrom ist, der sich in Abhängigkeit vom Generatorinnenwiderstand aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen der Generatorleerlaufspannung und der am Verbraucher anliegenden Spannung ergibt. Eine Erhöhung des Erregerstroms bewirkt bei gleichbleibender Drehzahl eine Erhöhung der Generatorleerlaufspannung und damit eine Vergrößerung der für den Generatorstrom maßgebenden Spannungsdifferenz, was zufolge des größeren Generatorstroms zu einem höheren Bremsmoment führt, sodass die Drehzahl über eine entsprechende Steuerung des Erregerstroms des fremderregten Synchrongenerators geregelt werden kann. Mit einer Leistungssteuerung des Antriebs in Abhängigkeit von der Verbraucherleistung, die über die Verbraucherspannung erfasst werden kann, können somit vorteilhafte Betriebsverhältnisse sichergestellt werden.Due to these measures, the generator acts as a brake, with the braking torque being proportional to the generator current, which results depending on the generator's internal resistance due to the voltage difference between the generator idle voltage and the voltage applied to the consumer. An increase in the excitation current causes an increase in the generator idle voltage while the speed remains the same and thus an increase in the voltage difference relevant to the generator current, which, due to the larger generator current, leads to a higher braking torque, so that the speed can be regulated via appropriate control of the excitation current of the externally excited synchronous generator. With a power control of the drive depending on the consumer power, which can be detected via the consumer voltage, advantageous operating conditions can be ensured.

Mit der Regelung der Drehzahl des Synchrongenerators auf einen konstanten Wert über den Erregerstrom als Stellgröße werden einfache Voraussetzungen geschaffen, den Antrieb in einem vorteilhaften Arbeitsbereich zu betreiben, was einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung des Wirkungsgrads darstellt, insbesondere beim Einsatz von Verbrennungskraftmaschinen. Die Erregerleistung, die vergleichsweise gering ist, verringert zwar den Wirkungsgrad, doch kann im Bereich der Nenndrehzahl, für die die Vorrichtung ausgelegt ist, ein erheblich größerer Wirkungsgrad über einen weiten Drehmoment- und damit Leistungsbereich erreicht werden, sodass ein entsprechend hoher Gesamtwirkungsgrad sichergestellt werden kann. Die konstante Drehzahl bringt außerdem Vorteile hinsichtlich der Schwingungsbekämpfung und des Geräuschverhaltens bzw. der Geräuschwahrnehmung mit sich, weil Geräuschänderungen eher wahrgenommen werden.By regulating the speed of the synchronous generator to a constant value using the excitation current as a manipulated variable, simple conditions are created for operating the drive in an advantageous working range, which represents a significant contribution to improving efficiency, especially when using internal combustion engines. The excitation power, which is comparatively low, reduces the efficiency, but in the range of the nominal speed for which the device is designed, a significantly greater efficiency can be achieved over a wide torque and therefore power range, so that a correspondingly high overall efficiency can be ensured . The constant speed also brings advantages in terms of vibration control and noise behavior or noise perception, because noise changes are perceived more easily.

Für den Antrieb ergeben sich besonders einfache Steuerungsmöglichkeiten, da erfindungsgemäß eine an den Verbraucher angeschlossene, durch den Synchrongenerator aufladbare Batterie vorgesehen ist. Denn auf diese Weise kann der Antrieb über seine Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung lediglich ein- und ausgeschaltet werden. Eine Verringerung der Verbraucherspannung unter einen vorgegebenen unteren Grenzwert bedingt ein Einschalten und das Übersteigen eines oberen Grenzwerts ein Ausschalten des Antriebs, wobei die Antriebsleistung zwischen diesen Grenzwerten stufenweise gesteuert werden kann, da erfindungsgemäß der Antrieb in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung in zwei Leistungsstufen betrieben wird. Mit der Steuerung des Antriebs in Abhängigkeit von der an den Batterieklemmen abgreifbaren Verbraucherspannung ergibt sich eine weitgehende Unabhängigkeit von der Art der eingesetzten Batterie und ihrer Alterung, weil erfindungsgemäß mit dieser Verbraucherspannung der innere Batteriewiderstand automatisch berücksichtigt wird. Im Unterschied hierzu wird bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren der Ladezustand (SOC) der Batterien bestimmt und zur Steuerung herangezogen.There are particularly simple control options for the drive, since according to the invention a battery is provided which is connected to the consumer and can be charged by the synchronous generator. In this way, the drive can only be switched on and off via its control device depending on the consumer voltage. A reduction in the consumer voltage below a predetermined lower limit causes the drive to be switched on and exceeding an upper limit causes the drive to be switched off, whereby the drive power can be controlled gradually between these limit values, since according to the invention the drive is operated in two power levels depending on the consumer voltage. By controlling the drive depending on the consumer voltage that can be tapped at the battery terminals, there is extensive independence from the type of battery used and its aging because, according to the invention, the internal battery resistance is automatically taken into account with this consumer voltage. In contrast to this, in the methods known from the prior art, the state of charge (SOC) of the batteries is determined and used for control.

Um eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Inselbetrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben zu können, ist lediglich über die an einen Drehzahlgeber angeschlossene Steuereinrichtung für den Synchrongenerator der Erregerstrom in Abhängigkeit von einer Soll-Istwertdifferenz der Drehzahl des Synchrongenerators im Sinne einer Ausregelung der Soll-Istwertdifferenz zu steuern, wobei die Steuereinrichtung für den Antrieb des Synchrongenerators den Antrieb in Abhängigkeit von der am Verbraucher anliegenden elektrischen Spannung hinsichtlich seiner Leistung regelt. Ist dabei der Verbraucher an eine durch den Synchrongenerator ladbare Batterie angeschlossen, so kann der Antrieb für den Synchrongenerator durch die mit der Verbraucherspannung beaufschlagbare Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung ein- und ausgeschaltet werden. Eine solche Zweipunktregelung wird durch weitere Schwellwerte zwischen den Ein- und Ausschaltgrenzwerten ergänzt, um den Antrieb in unterschiedlichen Leistungsstufen, aber bei konstanter Drehzahl betreiben zu können.In order to be able to operate a device for supplying energy to an electrical consumer in an island operation according to the method according to the invention, the excitation current is only determined via the control device for the synchronous generator connected to a speed sensor as a function of a target-actual value difference in the speed of the synchronous generator in the sense of regulating the target -Actual value difference to control, whereby the control device for the drive of the synchronous generator regulates the drive in terms of its power depending on the electrical voltage applied to the consumer. If the consumer is connected to a battery that can be charged by the synchronous generator, the drive for the synchronous generator can be switched on and off depending on the consumer voltage by the control device that can be supplied with the consumer voltage. Such a two-point control is achieved by further threshold values between The switch-on and switch-off limit values are supplemented in order to be able to operate the drive in different power levels but at a constant speed.

Der Antrieb für den Synchrongenerator kann als Verbrennungskraftmaschine mit einer an die maximale Generatorleistung angepassten maximalen Leistung ausgebildet sein. Unterschiedliche Leistungsanforderungen an die Energiequelle können somit im Ausmaß der Leistungsfähigkeit des Antriebs erfüllt werden, und zwar unabhängig von der Verbraucherleistung, also auch bei Überlast.The drive for the synchronous generator can be designed as an internal combustion engine with a maximum power adapted to the maximum generator power. Different performance requirements for the energy source can therefore be met to the extent of the drive's performance, regardless of the consumer power, i.e. even in the event of overload.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

  • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Inselbetrieb in einem schematischen Blockschaltbild;
  • 2 eine der 1 entsprechende Darstellung einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 3 Kennlinien für die Leerlaufspannung des fremderregten Synchrongenerators in Abhängigkeit von der Drehzahl bei unterschiedlichen Erregerströmen;
  • 4 den Generatorstrom über der Drehzahl für unterschiedliche Kennlinien der Leerlaufspannung des Synchrongenerators;
  • 5 den zeitlichen Verlauf einer an den Batterieklemmen eines Fahrzeugs mit einem über eine Batterie gespeisten Elektromotor abgegriffenen Spannung für einen vorgegebenen Belastungsverlauf ohne und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung;
  • 6 einen zeitlichen Geschwindigkeitsverlauf eines Fahrzeugs mit einem von einer Batterie gespeisten Elektromotor und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung;
  • 7 den Leistungsbedarf des Elektromotors eines Fahrzeugs für den Geschwindigkeitsverlauf nach der 6 und die über den Synchrongenerator zur Verfügung gestellte Leistung;
  • 8 den an den Batterieklemmen abgegriffenen zeitlichen Spannungsverlauf in Form der Spannungsdifferenz zwischen der Leerlaufspannung der Batterie und der Verbraucherspannung ohne und mit zugeschaltetem Synchrongenerator;
  • 9 ein weiteres Beispiel eines Leistungsbedarfs eines Verbrauchers über der Zeitachse im Vergleich zum Leistungsangebot der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung ohne Batterieeinsatz;
  • 10 den zeitlichen Verlauf der Verbraucherspannung in Form der Differenzspannung zu einer Sollspannung;
  • 11 den zeitlichen Verlauf der Stellgröße für die Leistungsregelung der Verbrennungskraftmaschine zur Bereitstellung der benötigten Verbraucherleistung beispielsweise anhand einer Drosselklappenverstellung;
  • 12 den Drehzahlverlauf bei der erfindungsgemäßen Drehzahlregelung des Synchrongenerators für einen Leistungsbedarf gemäß der 9 und
  • 13 den zeitlichen Verlauf des Erregerstroms für eine Drehzahlregelung gemäß der 12.
The subject matter of the invention is shown, for example, in the drawing. Show it
  • 1 a device according to the invention for supplying energy to an electrical consumer in an isolated operation in a schematic block diagram;
  • 2 one of the 1 corresponding representation of an embodiment variant of the device according to the invention;
  • 3 Characteristic curves for the no-load voltage of the externally excited synchronous generator depending on the speed at different excitation currents;
  • 4 the generator current versus speed for different idle voltage characteristics of the synchronous generator;
  • 5 the time profile of a voltage tapped at the battery terminals of a vehicle with an electric motor fed via a battery for a predetermined load profile without and with the energy supply device according to the invention;
  • 6 a speed curve over time of a vehicle with an electric motor powered by a battery and the energy supply device according to the invention;
  • 7 the power requirement of a vehicle's electric motor for the speed curve according to the 6 and the power provided via the synchronous generator;
  • 8th the time curve of the voltage tapped at the battery terminals in the form of the voltage difference between the idle voltage of the battery and the consumer voltage without and with the synchronous generator switched on;
  • 9 a further example of a consumer's power requirement over the time axis in comparison to the power offered by the device according to the invention for energy supply without the use of a battery;
  • 10 the time course of the consumer voltage in the form of the difference voltage to a target voltage;
  • 11 the time course of the manipulated variable for the power control of the internal combustion engine to provide the required consumer power, for example based on a throttle valve adjustment;
  • 12 the speed curve in the speed control of the synchronous generator according to the invention for a power requirement according to 9 and
  • 13 the time course of the excitation current for speed control according to 12 .

Weg zur Ausführung der ErfindungWay to carry out the invention

Die Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers 1 im Inselbetrieb weist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der 1 einen fremderregten Synchrongenerator 2 auf, der von einem Antrieb 3, vorzugsweise einer Verbrennungskraftmaschine, zum Beispiel einem Zweitaktmotor, angetrieben wird. Zur Erregung des Synchrongenerators 2 ist eine Hilfserregermaschine 4 vorgesehen, die die Erregerwicklung 5 über einen Gleichrichter 6 speist. Der Erregerstrom wird über eine Steuereinrichtung 7 gesteuert, die einen PID-Regler 8 umfasst, der mit einer Soll-Istwertdifferenz der Drehzahl beaufschlagt wird. Zu diesem Zweck sind ein Istwertgeber 9 sowie eine Sollwertvorgabe 10 für die Drehzahl vorgesehen, die somit über den Erregerstrom als Stellgröße auf einen konstanten Wert geregelt werden kann.The device for supplying energy to an electrical consumer 1 in island operation has, according to the exemplary embodiment 1 a separately excited synchronous generator 2, which is driven by a drive 3, preferably an internal combustion engine, for example a two-stroke engine. To excite the synchronous generator 2, an auxiliary excitation machine 4 is provided, which feeds the excitation winding 5 via a rectifier 6. The excitation current is controlled via a control device 7, which includes a PID controller 8, which is subjected to a target-actual value difference in the speed. For this purpose, an actual value transmitter 9 and a setpoint value 10 are provided for the speed, which can thus be regulated to a constant value using the excitation current as a manipulated variable.

Der Leistungsbedarf des Verbrauchers 1 muss durch die Leistung des bei einer vorteilhaften Auslegedrehzahl betriebenen Antriebs 3 abgedeckt werden, was einer entsprechenden Leistungsregelung des Antriebs 3 über eine Steuereinrichtung 11 bedarf. Diese Steuereinrichtung 11 steuert einen Stelltrieb 12, beispielsweise eine Drosselklappe oder eine Einspritzpumpe, für die den Antrieb 3 bildende Verbrennungskraftmaschine. Als Maß für den Leistungsverbrauch kann die jeweilige Verbraucherspannung herangezogen werden, mit der die Steuereinrichtung 11 beaufschlagt wird, um den Stelltrieb 12 in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung des Verbrauchers 1 ansteuern zu können. Es können daher die Vorteile einer konstanten Drehzahl für den Wirkungsgrad, die Geräuschausbildung und Wahrnehmung sowie das Schwingungsverhalten vorteilhaft genützt werden, und zwar bei einfachen Regelungsbedingungen.The power requirement of the consumer 1 must be covered by the power of the drive 3 operated at an advantageous design speed, which requires a corresponding power control of the drive 3 via a control device 11. This control device 11 controls an actuator 12, for example a throttle valve or an injection pump, for the internal combustion engine forming the drive 3. The respective consumer voltage to which the control device 11 is supplied can be used as a measure of the power consumption in order to be able to control the actuator 12 depending on the power requirement of the consumer 1. The advantages of a constant speed for efficiency, noise formation and perception as well as vibration behavior can therefore be used advantageously, under simple control conditions.

Das Ausführungsbeispiel nach der 2 unterscheidet sich von dem nach der 1 im Wesentlichen dadurch, dass der Verbraucher 1 an eine Batterie 13 angeschlossen ist, die vom Synchrongenerator 2 bei Bedarf geladen wird. Dementsprechend ist zwischen der Batterie 13 und dem Synchrongenerator 2 ein Gleichrichter 14 vorgesehen, über den auch die Erregerwicklung 5 gespeist werden kann. Der über die Steuereinrichtung 7 in Abhängigkeit von der Soll-Istwertdifferenz der Drehzahl angesteuerte Erregerstrom dient wiederum als Stellgröße für die Drehzahlregelung, sodass sich hinsichtlich der Steuerung des Synchrongenerators 2 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach der 1 nichts ändert. Der Antrieb 3 braucht allerdings wegen der Batterie 13 nicht die volle Verbraucherleistung abzudecken, was wesentlich einfachere Steuerbedingungen für den Antrieb 3 ermöglicht, weil im einfachsten Fall der Antrieb bei einer vorgegebenen Leistungsstufe lediglich in Abhängigkeit vom Unterschreiten eines unteren und Überschreiten eines oberen Grenzwerts der Batteriespannung ein- und ausgeschaltet zu werden braucht, sodass die Batterie 13 in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand durch den Synchrongenerator 2 geladen wird.The exemplary embodiment according to the 2 differs from the one after the 1 essentially in that the consumer 1 is connected to a battery 13, which is operated by the syn chron generator 2 is charged when necessary. Accordingly, a rectifier 14 is provided between the battery 13 and the synchronous generator 2, via which the field winding 5 can also be fed. The excitation current controlled via the control device 7 depending on the target-actual value difference of the speed in turn serves as a manipulated variable for the speed control, so that with regard to the control of the synchronous generator 2 in comparison to the exemplary embodiment according to the 1 nothing changes. However, the drive 3 does not need to cover the full consumer power because of the battery 13, which enables much simpler control conditions for the drive 3 because, in the simplest case, the drive only operates at a given power level depending on whether the battery voltage falls below a lower limit and exceeds an upper limit - and needs to be switched off, so that the battery 13 is charged by the synchronous generator 2 depending on its state of charge.

Wie der 3 zu entnehmen ist, in der die Generatorleerlaufspannung Ug0 über der Drehzahl n des Synchrongenerators 2 aufgetragen ist, ergibt sich zwischen der Generatorleerlaufspannung Ug0 und der Drehzahl n ein linearer Zusammenhang, wobei die Steigung der Kennlinien von der Größe des jeweiligen Erregerstroms Ie abhängt. Die Kennlinien 15 und 16 zeigen den Verlauf der Generatorleerlaufspannung Ug0 für den niedrigsten und den höchsten Erregerstrom Ie, während die Kennlinie 17 einem mittleren Erregerstrom Ie entspricht. Je nach der gewählten Kennlinie 15, 16, 17 der Generatorleerlaufspannung Ug0 wird somit die Leerlaufspannung Ub0 der Batterie 13 bei unterschiedlichen Drehzahlen n des Synchrongenerators 2 erreicht, was beim Überschreiten dieser Leerlaufspannung Ub0 einen Generatorstrom Ig zur Folge hat, wie dies die Kennlinien 18, 19 und 20 der 4 zeigen, die sich aus den Kennlinien 15, 16 und 17 für die Generatorleerlaufspannung Ug0 ableiten. Legt man die Drehzahl n, bei der die Generatorleerlaufspannung Ug0 beim unteren Grenzwert für den Erregerstrom Ie gemäß der Kennlinie 15 der Leerlaufspannung Ub0 der Batterie 13 entspricht, als Nenndrehzahl nn fest, so kann für unterschiedliche Generatorströme Ig und damit für unterschiedliche Belastungszustände die Nenndrehzahl nn durch eine entsprechende Änderung des Erregerstroms Ie zwischen den Kennlinien 18 und 19 eingestellt werden. Dies bedeutet, dass mit dem Erregerstrom Ie als Stellgröße die Drehzahl n des Synchrongenerators 2 auf einen Wert nn geregelt werden kann. Dies gilt selbstverständlich auch für Synchrongeneratoren 2, deren Erregerstrom nur zum Teil veränderbar ist, weil ein Teil des Erregerstroms durch eine Permanenterregung zur Verfügung gestellt wird.Again 3 can be seen, in which the generator idle voltage U g0 is plotted against the speed n of the synchronous generator 2, there is a linear relationship between the generator idle voltage U g0 and the speed n, the slope of the characteristic curves depending on the size of the respective excitation current I e . The characteristic curves 15 and 16 show the course of the generator idle voltage U g0 for the lowest and the highest excitation current I e , while the characteristic curve 17 corresponds to an average excitation current I e . Depending on the selected characteristic curve 15, 16, 17 of the generator idle voltage U g0 , the idle voltage U b0 of the battery 13 is reached at different speeds n of the synchronous generator 2, which results in a generator current I g when this idle voltage U b0 is exceeded, as is the case Characteristic curves 18, 19 and 20 of the 4 show, which are derived from the characteristics 15, 16 and 17 for the generator idle voltage U g0 . If you set the speed n, at which the generator idle voltage U g0 corresponds to the idle voltage U b0 of the battery 13 at the lower limit value for the excitation current I e according to the characteristic curve 15, as the nominal speed n n , then you can for different generator currents I g and thus for different Load conditions, the nominal speed n n can be set by a corresponding change in the excitation current I e between the characteristic curves 18 and 19. This means that the speed n of the synchronous generator 2 can be regulated to a value n n using the excitation current I e as a manipulated variable. This of course also applies to synchronous generators 2, whose excitation current can only be partially changed because part of the excitation current is made available by permanent excitation.

In der 5 ist die an der Batterie 13 während eines zeitlichen Leistungsbedarfs des Verbrauchers 1 abgreifbare Spannung Uv dargestellt, die zur Steuerung des Antriebs 3 dient. Dieser Antrieb 3 wird bei einer unteren Grenzspannung Uein ein- und bei einer oberen Grenzspannung Uaus wieder ausgeschaltet. Außerdem sind zwei Leistungsstufen für den Antrieb 3 vorgesehen, wobei beim Überschreiten eines oberen Schwellwertes UL1 der Verbraucherspannung Uv die Antriebsleistung über die Steuereinrichtung 11 auf die geringere Leistungsstufe und beim Unterschreiten eines unteren Schwellwerts UL2 wieder auf die höhere Leistungsstufe umgeschaltet wird. Aus der Kennlinie 21 der 5 ergibt sich, dass aufgrund des Leistungsbedarfs des Verbrauchers 1 die Batterie 13 entladen wird, was sich an der abfallenden Verbraucherspannung Uv erkennen lässt. Würde keine Energieversorgung über den Synchrongenerator 2 erfolgen, so ergäbe sich der strichliert gezeichnete Spannungsverlauf. An diesem Spannungsverlauf ist auffallend, dass sich zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 ein Spannungsanstieg ergibt, was auf eine kurzfristige Energierückführung vom Verbraucher 1 zur Batterie 13, beispielsweise zufolge der Rückgewinnung von Bremsenergie, schließen lässt.In the 5 the voltage U v that can be tapped at the battery 13 during a time power requirement of the consumer 1 is shown, which is used to control the drive 3. This drive 3 is switched on at a lower limit voltage U on and switched off again at an upper limit voltage U off . In addition, two power levels are provided for the drive 3, whereby when an upper threshold value U L1 of the consumer voltage U v is exceeded, the drive power is switched to the lower power level via the control device 11 and when the value falls below a lower threshold value U L2, it is switched back to the higher power level. From characteristic curve 21 of 5 The result is that the battery 13 is discharged due to the power requirement of the consumer 1, which can be seen from the falling consumer voltage U v . If there were no energy supply via the synchronous generator 2, the voltage curve shown in dashed lines would result. What is striking about this voltage curve is that there is an increase in voltage between times t 1 and t 2 , which suggests a short-term energy return from consumer 1 to battery 13, for example due to the recovery of braking energy.

Da sich die Verbraucherspannung Uv unter den unteren Grenzwert Uein absenkt, wird jedoch der Antrieb 3 über die Steuereinrichtung 11 eingeschaltet, was in diesem Ausführungsbeispiel zu einem Spannungsanstieg und damit zu einem Laden der Batterie 13 führt. Da zufolge dieses Spannungsanstiegs der obere Schwellwert UL1 der Verbraucherspannung Uv überschritten wird, wird der Antrieb 3 in der geringeren Leistungsstufe betrieben, was sich in einem flacheren Anstieg des Spannungsverlaufs bemerkbar macht. Da im weiteren Verlauf der untere Schwellwert UL2 unterschritten wird, wird der Antrieb wieder in der höheren Leistungsstufe angesteuert, bis der obere Schwellwert UL1 neuerlich überschritten wird, was einen flacheren Anstieg der Spannungskurve 21 mit sich bringt, bevor der Antrieb 3 beim Erreichen des oberen Grenzwerts Uaus abgeschaltet wird. Wird unmittelbar nach dem Einschalten des Antriebs 3 der Verbraucher 1 abgeschaltet, so ergibt sich an den Batterieklemmen ein Spannungsverlauf entsprechend der strichpunktiert dargestellten Kennlinie 22, die ein Laden der Batterie 13 bedingt.However, since the consumer voltage U v drops below the lower limit value U a , the drive 3 is switched on via the control device 11, which in this exemplary embodiment leads to an increase in voltage and thus to charging of the battery 13. Since this voltage increase causes the upper threshold value U L1 of the consumer voltage U v to be exceeded, the drive 3 is operated in the lower power level, which is noticeable in a flatter increase in the voltage curve. Since the lower threshold value U L2 is exceeded in the further course, the drive is activated again in the higher power level until the upper threshold value U L1 is exceeded again, which results in a flatter increase in the voltage curve 21 before the drive 3 reaches the upper limit value U is switched off . If the consumer 1 is switched off immediately after the drive 3 is switched on, a voltage curve results at the battery terminals corresponding to the characteristic curve 22 shown in dash-dotted lines, which causes the battery 13 to be charged.

Die 6 bis 8 veranschaulichen die Erfindung anhand eines von einem batteriegespeisten Elektromotor angetriebenen Fahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung. In der 6 ist ein Geschwindigkeitsverlauf des Fahrzeugs dargestellt, das zunächst auf eine Geschwindigkeit V1 beschleunigt und dann auf eine Geschwindigkeit V2 abgebremst wird, bevor das Fahrzeug angehalten wird. In der 7 ist der Leistungsbedarf Pv für diese Fahrt in vollen Linien durch die Kennlinie 23 dargestellt.The 6 until 8th illustrate the invention using a vehicle driven by a battery-fed electric motor with the energy supply device according to the invention. In the 6 a speed curve of the vehicle is shown, which is first accelerated to a speed V 1 and then braked to a speed V 2 before the vehicle is stopped. In the 7 is the quiet The power requirement P v for this trip is shown in solid lines by the characteristic curve 23.

Aus der 8, die den Spannungsverlauf an den Batterieklemmen anhand der an den Batterieklemmen abgegriffenen Verbraucherspannung Uv im Vergleich zur Leerlaufspannung Ub0 der Batterie 13 zeigt, ergibt sich der an den Batterieklemmen abgreifbare Spannungsverlauf ohne Zuschaltung des Synchrongenerators 2 durch die in vollen Linien dargestellte Kennlinie 24. Die bei den Bremsungen des Fahrzeugs zu den Zeitpunkten t1 und t2 zurückgewonnene Bremsenergie bedingt einen Anstieg der Verbraucherspannung Uv. Aus den in der 8 eingezeichneten oberen und unteren Grenzwerten Uein und Uaus sowie den Schwellwerten UL1 und UL2 für die Ansteuerung des Antriebs 3 ergibt sich, dass beim Unterschreiten des unteren Grenzwerts Uein der Antrieb 3 für den Synchrongenerator 2 eingeschaltet und bei der höheren Leistungsstufe betrieben wird, wie dies die strich-liert gezeichnete Kennlinie 25 in der 7 erkennen lässt. Die durch den Synchrongenerator 2 gemäß der Kennlinie 25 abgegebene Leistung Pg bedingt einen Anstieg der Verbraucherspannung Uv entsprechend der strichlierten Kennlinie 26 der 8. Mit der zum Zeitpunkt t1 rückgewonnen Bremsenergie übersteigt die Verbraucherspannung Uv den Schwellwert UL1 mit der Folge, dass der Antrieb 3 in der niedrigeren Leistungsstufe betrieben wird. Die vom Synchrongenerator 2 abgegebene Leistung Pg sinkt daher gemäß 7 auf die Kennlinie 27 ab, was einen Verlauf 28 der Verbraucherspannung Uv bewirkt. Nach dem zum Zeitpunkt t2 eingeleiteten Stillstand des Fahrzeugs bleibt allerdings der Antrieb 3 noch solange eingeschaltet, bis die Spannung Uv den oberen Grenzwert Uaus erreicht.From the 8th , which shows the voltage curve at the battery terminals based on the consumer voltage U v tapped at the battery terminals in comparison to the no-load voltage U b0 of the battery 13, the voltage curve that can be tapped at the battery terminals without switching on the synchronous generator 2 results from the characteristic curve 24 shown in solid lines Braking energy recovered when the vehicle brakes at times t 1 and t 2 causes an increase in the consumer voltage U v . From the in the 8th The drawn upper and lower limit values U on and U off as well as the threshold values U L1 and U L2 for the control of the drive 3 results in that when the lower limit value U on is undershot, the drive 3 for the synchronous generator 2 is switched on and operated at the higher power level , like the characteristic curve 25 shown in dashed lines in the 7 can be recognized. The power P g delivered by the synchronous generator 2 according to the characteristic curve 25 causes an increase in the consumer voltage U v according to the dashed characteristic curve 26 of the 8th . With the braking energy recovered at time t 1 , the consumer voltage U v exceeds the threshold value U L1 , with the result that the drive 3 is operated in the lower power level. The power P g delivered by the synchronous generator 2 therefore decreases accordingly 7 on the characteristic curve 27, which causes a curve 28 of the consumer voltage U v . However, after the vehicle has come to a standstill at time t 2 , the drive 3 remains switched on until the voltage U v reaches the upper limit value U out .

In den 9 bis 13 sind die Bedingungen der Energieversorgung eines Verbrauchers 1 gemäß der 1 ohne Batterieeinsatz veranschaulicht. Die vom Verbraucher 1 benötigte Leistung Pv ist durch die strichlierte Kennlinie 29 dargestellt, während die über den Synchrongenerator 2 abgegebene Leistung Pg in einer vollen Linie 30 eingezeichnet ist. Um diese Leistung Pg zur Verfügung stellen zu können, muss der Antrieb 3, eine Verbrennungskraftmaschine, entsprechend angesteuert werden, was im gewählten Ausführungsbeispiel durch eine Verstellung der Drosselklappe über den Stelltrieb 12 erfolgt. In der 11 ist der jeweilige Drosselklappenwinkel α aus der Kennlinie 31 zu entnehmen. Im Ausführungsbeispiel übersteigt die Verbraucherlast Pv die vom Synchrongenerator 2 abgebbare Leistung Pg ab dem Zeitpunkt t1. Dies bedeutet, dass zur Konstanthaltung der Drehzahl n auf dem Wert nn gemäß der 12, der Erregerstrom Ie über die Steuereinrichtung 7 gegenüber der zur Drehzahlanpassung an die geänderte Last erforderlichen Änderung abgesenkt wird, wie dies der 13 zu entnehmen ist. Die Überlast führt daher zu keinem Einbruch der Drehzahl n. Es wird lediglich die Verbraucherspannung Uv gemäß 10 abgesenkt.In the 9 until 13 are the conditions of the energy supply of a consumer 1 according to the 1 illustrated without battery use. The power P v required by the consumer 1 is shown by the dashed characteristic curve 29, while the power P g delivered via the synchronous generator 2 is shown in a solid line 30. In order to be able to provide this power P g , the drive 3, an internal combustion engine, must be controlled accordingly, which in the selected exemplary embodiment is done by adjusting the throttle valve via the actuator 12. In the 11 The respective throttle valve angle α can be seen from the characteristic curve 31. In the exemplary embodiment, the consumer load P v exceeds the power P g that can be delivered by the synchronous generator 2 from the time t 1 . This means that in order to keep the speed n constant at the value n n according to 12 , the excitation current I e is reduced via the control device 7 compared to the change required to adapt the speed to the changed load, as is the case 13 can be seen. The overload therefore does not lead to a drop in speed n. Only the consumer voltage U v is reduced 10 lowered.

Sobald die Generatorleistung Pg gemäß der 9 die Verbraucherleistung Pv im Zeitpunkt t2 wieder übersteigt, was sich in einer Drehzahlerhöhung bemerkbar macht, wird der Erregerstrom Ie entsprechend der 13 angehoben, um die Drehzahl n konstant zu halten. Bei konstanter Drehzahl n tritt somit bei einer Überlast lediglich eine Spannungsabsenkung auf.As soon as the generator power P g according to the 9 If the consumer power P v exceeds again at time t 2 , which is noticeable in an increase in speed, the excitation current I e is correspondingly 13 raised to keep the speed n constant. At a constant speed n, only a voltage drop occurs in the event of an overload.

Claims (4)

Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers (1) in einem Inselbetrieb; wobei die Vorrichtung umfasst: einen fremderregten Synchrongenerator (2), der über seinen Erregerstrom (Ie) regelbar ist; einen Antrieb (3) für den Synchrongenerator (2); eine Steuereinrichtung (11) für den Antrieb (3) und eine durch den Synchrongenerator (2) aufladbare Batterie (13), die an den elektrischen Verbraucher (1) so angeschlossen ist, dass die am Verbraucher (1) anliegende elektrische Verbraucherspannung (Uv) aus dem inneren Batteriewiderstand resultiert; wobei das Verfahren umfasst: die Vorrichtung wird in Abhängigkeit vom Energiebedarf des Verbrauchers (1) gesteuert; wobei die Drehzahl (n) des Synchrongenerators (2) durch eine Regelung des Erregerstroms (Ie) konstant gehalten wird; wobei der Antrieb (3) in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung (Uv) in zwei Leistungsstufen betrieben wird; wobei mittels der Steuereinrichtung (11) der Antrieb (3) bei einer unteren Grenzspannung (Uein) eingeschaltet und bei einer oberen Grenzspannung (Uaus) ausgeschaltet wird und wobei mittels der Steuereinrichtung (11) beim Überschreiten eines oberen Schwellwertes (UL1) der Verbraucherspannung (Uv) die Leistung des Antriebs (11) auf die geringere Leistungsstufe und beim Unterschreiten eines unteren Schwellwerts (UL2) der Verbraucherspannung (Uv) die Leistung des Antriebs (11) auf die höhere Leistungsstufe umgeschaltet wird.Method for operating a device for supplying energy to an electrical consumer (1) in an isolated operation; wherein the device comprises: an externally excited synchronous generator (2), which can be controlled via its excitation current (I e ); a drive (3) for the synchronous generator (2); a control device (11) for the drive (3) and a battery (13) which can be charged by the synchronous generator (2) and which is connected to the electrical consumer (1) in such a way that the electrical consumer voltage (U v ) results from the internal battery resistance; wherein the method comprises: the device is controlled depending on the energy requirements of the consumer (1); wherein the speed (n) of the synchronous generator (2) is kept constant by regulating the excitation current (I e ); wherein the drive (3) is operated in two power levels depending on the consumer voltage (U v ); wherein by means of the control device (11) the drive (3) is switched on at a lower limit voltage (U on ) and switched off at an upper limit voltage (U off ) and by means of the control device (11) when an upper threshold value (U L1 ) is exceeded Consumer voltage (U v ), the power of the drive (11) is switched to the lower power level and when the consumer voltage (U v ) falls below a lower threshold value (U L2 ), the power of the drive (11) is switched to the higher power level. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchrongenerator (2) durch eine Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung (Uv) angetrieben wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the synchronous generator (2) is driven by an internal combustion engine depending on the consumer voltage (U v ). Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: einen fremderregten Synchrongenerator (2); einen Antrieb (3) für den Synchrongenerator (2); eine Steuereinrichtung (7) für den Synchrongerator (2), die einen PID-Regler (8) umfasst; eine Steuereinrichtung (11) für den Antrieb (3); eine durch den Synchrongenerator (2) aufladbare Batterie (13), die an den elektrischen Verbraucher (1) so angeschlossen ist, dass die am Verbraucher (1) anliegende elektrische Verbraucherspannung (Uv) aus dem inneren Batteriewiderstand resultiert; wobei die an einen Drehzahlgeber (9) angeschlossene Steuereinrichtung (7) den Erregerstrom (Ie) in Abhängigkeit von einer Soll-Istwertdifferenz der Drehzahl (n) des Synchrongenerators (2) regelt und die Steuereinrichtung (11) für den Antrieb (3) des Synchrongenerators (2) den Antrieb (3) in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung (Uv) ansteuert; wobei die Vorrichtung in Abhängigkeit vom Energiebedarf des Verbrauchers (1) derart steuerbar ist, dass die Drehzahl (n) des Synchrongenerators (2) durch eine Regelung des Erregerstroms (Ie) konstant gehalten wird; dass der Antrieb (3) in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung (Uv) in zwei Leistungsstufen betrieben wird; dass mittels der Steuereinrichtung (11) der Antrieb (3) bei einer unteren Grenzspannung (Uein) eingeschaltet und bei einer oberen Grenzspannung (Uaus) ausgeschaltet wird und dass mittels der Steuereinrichtung (11) beim Überschreiten eines oberen Schwellwertes (UL1) der Verbraucherspannung (Uv) die Leistung des Antriebs (11) auf die geringere Leistungsstufe und beim Unterschreiten eines unteren Schwellwerts (UL2) der Verbraucherspannung (Uv) die Leistung des Antriebs (11) auf die höhere Leistungsstufe umgeschaltet wird.Device for carrying out the method according to Claim 1 or 2 , comprising: a separately excited synchronous generator (2); a drive (3) for the synchronous generator (2); a control device (7) for the synchronous generator (2), which comprises a PID controller (8); a control device (11) for the drive (3); a battery (13) which can be charged by the synchronous generator (2) and which is connected to the electrical consumer (1) in such a way that the electrical consumer voltage (U v ) applied to the consumer (1) results from the internal battery resistance; wherein the control device (7) connected to a speed sensor (9) regulates the excitation current (I e ) depending on a target-actual value difference in the speed (n) of the synchronous generator (2) and the control device (11) for the drive (3) of the Synchronous generator (2) controls the drive (3) depending on the consumer voltage (U v ); wherein the device can be controlled depending on the energy requirement of the consumer (1) in such a way that the speed (n) of the synchronous generator (2) is kept constant by regulating the excitation current (I e ); that the drive (3) is operated in two power levels depending on the consumer voltage (U v ); that the drive (3) is switched on by means of the control device (11) at a lower limit voltage (U on ) and switched off at an upper limit voltage (U off ) and that by means of the control device (11) when an upper threshold value (U L1 ) is exceeded Consumer voltage (U v ), the power of the drive (11) is switched to the lower power level and when the consumer voltage (U v ) falls below a lower threshold value (U L2 ), the power of the drive (11) is switched to the higher power level. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (3) für den Synchrongenerator (2) als Verbrennungskraftmaschine mit einer an die maximale Generatorleistung angepassten maximalen Leistung ausgebildet ist.Device according to Claim 3 , characterized in that the drive (3) for the synchronous generator (2) is designed as an internal combustion engine with a maximum power adapted to the maximum generator power.
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