DE19632891A1 - Control of a separately excited generator esp alternator for motor vehicle - Google Patents

Control of a separately excited generator esp alternator for motor vehicle

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Abstract

The separately excited generator 10 has stator windings 11,12,13 that are connected to a rectifier bridge 14 that consists of six controlled gates 15-20. The output connects with the battery 24. The generator also has a field winding 22 that is supplied with current from an amplifier 23 coupled to a controller 21. The controller receives a reference efficiency that depends upon the selected control strategy. The controller has a map of current, efficiency and speed

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung oder Regelung der von einem fremderregten Generator, insbesondere einem in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Drehstromgenerator abgegebenen Leistung nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention relates to a device for control or Regulation of an externally excited generator, in particular a three-phase generator used in a motor vehicle output according to the genus of the main claim.

Stand der TechnikState of the art

Bei heute in Kraftfahrzeugen eingesetzten fremderregten Drehstromgeneratoren wird die Ausgangsspannung des Generators mit Hilfe eines Spannungsreglers, der den Feldstrom beeinflußt, eingestellt. Die Höhe der Ausgangsspannung des Generators wird temperaturabhängig geringfügig variiert, wobei bei der Festlegung der Spannungshöhe die optimale Batterieladung im Vordergrund steht. Die Abgabeleistung des Generators wird durch die durch den Regler eingestellte Ausgangsspannung begrenzt, da eine Steuerung des Abgabestromes des Generators nicht erfolgt. In externally excited vehicles used in motor vehicles today Three-phase generators the output voltage of the Generator with the help of a voltage regulator that the Field current influenced, set. The high of The generator output voltage becomes temperature-dependent varies slightly, while determining the Voltage level the optimal battery charge in the foreground stands. The generator output is determined by the output voltage set by the controller is limited because control of the generator output current is not he follows.  

Eine Generatoranlage, die nach dem genannten Prinzip arbeitet, ist aus der DE-OS 37 29 722 bekannt. Bei dieser bekannten Generatoranlage wird eine Vielzahl von Größen des Fahrzeugbordnetzes gemessen und in Abhängigkeit von den gemessenen Größen wird zusätzlich zur Ausgangsspannung des Generators auf weitere Größen, beispielsweise die Übersetzung eines Zwischentriebes zwischen der Kurbelwelle des Fahrzeugs und dem Generator eingegriffen, damit die Ausgangsspannung des Generators die erforderliche Höhe erreichen kann. Eine Steuerung des Abgabestromes des Generators ist nicht vorgesehen.A generator system based on the principle mentioned works, is known from DE-OS 37 29 722. At this known generator system will be a variety of sizes of Vehicle electrical system measured and depending on the measured quantities is in addition to the output voltage of the Generators to other sizes, such as the Transmission of an intermediate drive between the crankshaft of the vehicle and the generator so that the Output voltage of the generator the required level can reach. A control of the discharge current of the Generator is not provided.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Steuerung oder Regelung der von einem fremderregten Generator abgegebenen Leistung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die abgegebene Leistung gegenüber herkömmlichen Generatoren erhöht ist, wobei zusätzlich sichergestellt wird, daß die Höhe der vom Generator abgegebenen Spannung so begrenzt bleibt, daß die maximale durch die Batterie vorgegebene Spannung nicht überschritten wird.The device according to the invention for control or regulation the power output by an externally excited generator with the features of claim 1 has the Advantage that the power output compared to conventional Generators is increased, being additionally ensured is that the level of the voltage output by the generator so remains limited to the maximum by the battery specified voltage is not exceeded.

Erzielt wird dieser Vorteil, indem mit Hilfe eines Steuergerätes der Feldstrom des Generators so beeinflußt wird, daß die abgegebene Leistung, wirkungsgradoptimiert, an den jeweiligen Betriebszustand des Generators angepaßt werden kann, wobei zusätzlich sichergestellt wird, daß die Ausgangsspannung des Generators zulässige Werte nicht überschreitet. Durch diese Feldstrombeeinflussung erfolgt letztendlich nicht nur eine Spannungsregelung, sondern auch eine Steuerung bzw. Regelung des vom Generator abgegebenen Stromes und damit der vom Generator gelieferten Leistung. This advantage is achieved by using a Control unit affects the field current of the generator is that the output power, efficiency-optimized, on adapted the respective operating state of the generator can be, with additional ensuring that the Output voltage of the generator not permissible values exceeds. This is done by influencing the field current ultimately not just voltage regulation, but also a control or regulation of the output from the generator Current and thus the power supplied by the generator.  

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß die Abgabeleistung des Generators mit Hilfe eines Kennlinienfeldes für den abgegebenen Strom, wirkungsgradoptimiert, durch den jeweiligen Betriebszustand des Generators geregelt wird. Dieses Kennlinienfeld ist in vorteilhafter Weise im Steuergerät selbst abgelegt. Das Steuergerät kann als Rechnereinheit aufgebaut sein und beispielsweise als zusätzliches Steuergerät vorhanden sein, es ist auch möglich, daß das Steuergerät Bestandteil des Spannungsreglers ist oder daß das Steuergerät Bestandteil des Motorsteuergerätes ist oder das Motorsteuergerät selbst ist.Further advantages of the invention are shown in the Measures specified in subclaims achieved. It is particularly advantageous that the output power of the generator with the help of a characteristic field for the delivered current, efficiency-optimized, through the respective operating state of the generator is regulated. This characteristic field is in advantageously stored in the control unit itself. The Control unit can be constructed as a computer unit and for example as an additional control unit, it is also possible that the control unit is part of the Voltage regulator is or that the control unit is part of the engine control unit or the engine control unit itself is.

Da das Steuergerät sowohl eine Beeinflussung der Ausgangsspannung des Generators als auch eine Beeinflussung des Ausgangsstromes des Generators ermöglicht, lassen sich verschiedene Regelstrategien ausgestalten, wobei eine dieser Regelstrategien so ausgestaltet sein kann, daß die Energiewandlung mit möglichst hohem Wirkungsgrad durchgeführt wird. Dabei besteht auch die Möglichkeit, den Generator selbst abzuwandeln und beispielsweise einen Generator einzusetzen, der zwar ein höheres Gewicht aufweist, jedoch geringere Verluste in den elektrisch und magnetisch belasteten Teilen als ein herkömmlicher Generator aufweist. Durch wirkungsgradoptimierte Regelung eines solchen Generators lassen sich Nachteile des höheren Gewichtes kompensieren. Bei einem veränderten Reglersystem können als Eingangsgröße die Generatorspannung und der Strom-Istwert zugeführt werden und die Erregung oder der Ausgangsstrom mit einem Gleichrichtersystem so geregelt werden, daß nur der gewünschte Generatorstrom fließt.Since the control unit influences both the Output voltage of the generator as well as an influencing of the output current of the generator allows design different control strategies, one of which of these control strategies can be designed so that the Energy conversion with the highest possible efficiency is carried out. There is also the option of Modify generator itself and for example one To use a generator, which is heavier has, however, lower losses in the electrical and magnetically loaded parts than a conventional generator having. Through efficiency-optimized control of a Such generators can be disadvantages of the higher Compensate for weight. With a changed controller system can be the generator voltage and the Current actual value are supplied and the excitation or the Output current regulated with a rectifier system that only the desired generator current flows.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Zeichnung ist in der einzigen Figur dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.An embodiment of the drawing is in the only one Figure shown and is in the description below explained in more detail.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das lediglich die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Bestandteile des Generators bzw. des Bordnetzes zeigt, ist der Generator mit 10 bezeichnet. Der Generator 10 umfaßt die Ständerwicklungen 11, 12, 13, die in Sternschaltung - es wäre auch eine Dreiecksschaltung möglich - geschaltet sind und mit der nachfolgenden Gleichrichterbrücke 14 in üblicher Weise verschaltet sind. Die Gleichrichterbrücke 14 besteht aus 6 steuerbaren Ventilen, z. B. MOSFETs, Transistoren, Thyristoren, GTOs oder ähnlichen Bauelementen 15 bis 20, die vom Steuergerät 21 angesteuert werden. Üblicherweise werden alle steuerbaren Ventile vom Steuergerät 21 angesteuert, in der Figur sind lediglich Ansteuerleitungen für die Halbbrücke mit den steuerbaren Ventilen 18, 19 und 20 eingezeichnet.In the exemplary embodiment of the invention shown in the figure, which only shows the components of the generator or the on-board electrical system necessary for understanding the invention, the generator is designated by 10 . The generator 10 comprises the stator windings 11 , 12 , 13 , which are connected in a star connection - a delta connection would also be possible - and are connected in a conventional manner to the subsequent rectifier bridge 14 . The rectifier bridge 14 consists of 6 controllable valves, for. B. MOSFETs, transistors, thyristors, GTOs or similar components 15 to 20 , which are controlled by the control unit 21 . Usually, all controllable valves are controlled by the control unit 21 , only control lines for the half-bridge with the controllable valves 18 , 19 and 20 are shown in the figure.

Der Generator 10 umfaßt weiterhin eine Feldwicklung 22, durch die der Erreger- bzw. Feldstrom IF fließt, der vom Steuergerät 21 über einen Verstärker 23 zugeführt wird und für die Erregung des Generators und damit für seine Leistungsabgabe maßgeblich ist.The generator 10 further comprises a field winding 22 through which the excitation or field current IF flows, which is supplied from the control unit 21 via an amplifier 23 and which is decisive for the excitation of the generator and thus for its power output.

Vom Fahrzeugbordhetz sind lediglich die Batterie 24, ein Verbraucher 25 sowie zwei Schalter 26, 27 dargestellt. Die Versorgung des Bordnetzes erfolgt über Klemme B+ des Generators 10. An der Klemme B+ steht die Ausgangsspannung des Generators UG sowie der Strom IG zur Verfügung. Sowohl die Ausgangsspannung des Generators UG als auch der Strom IG wird mit geeigneten Mitteln gemessen und dem Steuergerät 21 über entsprechende, durch Pfeile dargestellte Verbindungen zugeführt. Weiterhin wird dem Steuergerät noch die Generatordrehzahl n zugeführt, der angestrebte Sollwirkungsgrad ηs wird dem Steuergerät 21 ebenfalls zugeführt. Welchen Wert ηs annimmt, hängt von der gewählten Regelstrategie ab.From the on-board vehicle only the battery 24 , a consumer 25 and two switches 26 , 27 are shown. The on-board electrical system is supplied via terminal B + of generator 10 . The output voltage of the generator UG and the current IG are available at terminal B +. Both the output voltage of the generator UG and the current IG are measured by suitable means and supplied to the control unit 21 via corresponding connections shown by arrows. Furthermore, the generator speed n is also supplied to the control unit, and the desired efficiency ηs is likewise supplied to the control unit 21 . Which value ηs takes depends on the control strategy selected.

Mit dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel kann die wirkungsgradoptimierte Steuerung bzw. Regelung der Generatorleistung durchgeführt werden. Dazu ist in einem elektronischen Speicher des Steuergerätes 21 ein Kennfeld abgelegt, das einen Zusammenhang zwischen Strom i, Wirkungsgrad η sowie Drehzahl n herstellt. Es gilt also i=f (η, n). Mit einem solchen Kennfeld kann das Steuergerät den Generator stromabhängig vom gewünschten Wirkungsgrad einstellen und die Randbedingungen der maximalen durch die Batterie 24 vorgegebenen Spannung mitberücksichtigen.With the exemplary embodiment shown in the figure, the efficiency-optimized control or regulation of the generator power can be carried out. For this purpose, a map is stored in an electronic memory of the control unit 21 , which maps the current i, efficiency η and speed n. So i = f (η, n). With such a characteristic map, the control device can set the generator as a function of the current, depending on the desired efficiency, and also take into account the boundary conditions of the maximum voltage specified by the battery 24 .

Die eigentliche Steuerung bzw. Regelung erfolgt durch Anpassung des Feldstromes IF und geeignete Ansteuerung der Thyristoren 15 bis 20, wodurch sowohl eine Regelung der Ausgangsspannung UG des Generators als auch eine Steuerung bzw. Regelung des Ausgangsstromes IG des Generators erzielt wird.The actual control or regulation takes place by adapting the field current IF and suitable control of the thyristors 15 to 20 , whereby both a control of the output voltage UG of the generator and a control or regulation of the output current IG of the generator is achieved.

Bezüglich der zu verwendenden Steuer- bzw. Regelstrategie sollten die Zusammenhänge zwischen Wirkungsgrad und Last berücksichtigt werden, wobei Informationen bezüglich der Last dem Steuergerät zugeführt werden. Falls das Steuergerät Bestandteil des Motorsteuergerätes ist, stehen ihm diese Informationen ohnehin zur Verfügung, falls das Steuergerät ein zusätzliches Steuergerät ist, das nur zur Steuerung bzw. Regelung der Generatorleistung dient, müßten ihm entsprechende Lastinformationen vom Motorsteuergerät 28 zugeführt werden.With regard to the control strategy to be used, the relationships between efficiency and load should be taken into account, with information relating to the load being supplied to the control unit. If the control unit is part of the engine control unit, this information is available to it anyway, if the control unit is an additional control unit that only serves to control or regulate the generator power, corresponding load information would have to be supplied to it by the engine control unit 28 .

Bei Generatoren hängt der Wirkungsgrad der Maschine von verschiedenen Verlustanteilen ab, die belastungs-, temperatur- und drehzahlabhängig sind. Dabei sind die höchsten Wirkungsgrade, die der Generator erreichen kann, im Teillastbereich angesiedelt, der jedoch nicht immer vorherrscht.With generators, the efficiency of the machine depends on various loss shares, the debit, are temperature and speed dependent. Here are the highest efficiency that the generator can achieve in Partial load area, but not always prevails.

Bei Fahrzeugen, bei deren Auslegung besonders darauf geachtet wird, daß sie einen niedrigen Kraftstoffverbrauch aufweisen, spielt der vom Motor angetriebene Generator beim Leistungsverbrauch eine große Rolle. Der Anteil des Generators am Leistungsverbrauch, der im wesentlichen durch die Energiewandlung bedingt ist, kann heruntergesetzt werden, wenn die Energiewandlung mit möglichst hohem Wirkungsgrad durchgeführt wird. Dazu kann es ggfs. günstiger sein, einen Generator einzusetzen, der ein größeres Gewicht hat als es notwendig ist für die abzugebende elektrische Leistung. Der Grund dafür ist, daß dann wegen der geringeren Verluste in den elektrisch und magnetisch belasteten Teilen ein höherer Wirkungsgrad zu erzielen ist. Der Mehrverbrauch des Fahrzeugs durch das höhere Gewicht des Generators ist dabei gering im Verhältnis zur eingesparten Verlustleistung des Generators. For vehicles, especially when designing them care is taken that they have low fuel consumption have, the generator driven by the engine plays with Power consumption plays a big role. The share of Generator on power consumption, which is essentially due to the energy conversion is conditional, can be reduced if the energy conversion is as high as possible Efficiency is carried out. It may be cheaper be to use a generator that is heavier has than it is necessary for the electrical to be delivered Power. The reason is that then because of the lesser Losses in the electrically and magnetically loaded parts higher efficiency can be achieved. The additional consumption of the vehicle due to the higher weight of the generator low in relation to the saved power loss of the generator.  

Damit ein solcher abgewandelter Generator eingesetzt werden kann, muß das Reglersystem in der bereits beschriebenen Weise abgeändert werden.So that such a modified generator can be used can, the control system in the already described Modified way.

Claims (5)

1. Einrichtung zur Steuerung oder Regelung der von einem fremderregten Generator, insbesondere einem in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Drehstromgenerator abgegebenen Leistung, mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung, die den Feldstrom des Generators beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- oder Regeleinrichtung (21) den Feldstrom IF des Generators (10) so beeinflußt, daß die abgegebene Leistung wirkungsgradoptimiert an den jeweiligen Betriebszustand des Generators (10) angepaßt wird, wobei die maximale Ausgangsspannung UGmax des Generators (10) auf zulässige Werte begrenzt wird.1. A device for controlling or regulating the output of an externally excited generator, in particular a three-phase generator used in a motor vehicle, with a control or regulating device which influences the field current of the generator, characterized in that the control or regulating device ( 21 ) Field current IF of the generator ( 10 ) is influenced in such a way that the output power is adapted to the respective operating state of the generator ( 10 ) in an efficiency-optimized manner, the maximum output voltage UGmax of the generator ( 10 ) being limited to permissible values. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- oder Regeleinrichtung (21) Bestandteil des Motorsteuergerätes (28) ist oder als zusätzliches Steuergerät ausgestaltet ist und Speichermittel umfaßt, in denen ein Kennfeld abgelegt ist, das einen Zusammenhang zwischen Strom, Wirkungsgrad und Generatordrehzahl umfaßt.2. Device according to claim 1, characterized in that the control or regulating device ( 21 ) is part of the engine control unit ( 28 ) or is designed as an additional control unit and includes storage means in which a map is stored, which has a relationship between current, efficiency and generator speed. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (10) ein Drehstromgenerator ist, dessen Statorwicklungen (11), (12), (13) mit einer Gleichrichterbrücke (14) in Verbindung stehen, die aus steuerbaren Ventilen, insbesonders aus Feldeffekttransistoren oder Thyristoren (15) bis (20) aufgebaut ist und von der Steuer- oder Regeleinrichtung (21) angesteuert wird.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the generator ( 10 ) is a three-phase generator, the stator windings ( 11 ), ( 12 ), ( 13 ) with a rectifier bridge ( 14 ) are connected, which consist of controllable valves, is constructed in particular from field effect transistors or thyristors ( 15 ) to ( 20 ) and is controlled by the control or regulating device ( 21 ). 4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (21) den Feldstrom IF und den Ausgangsstrom des Generators IG durch Ansteuerung des Verstärkers (23) und der Thyristoren (15) bis (20) so beeinflußt, daß der Wirkungsgrad des Generators auf einen zuführbaren Wirkungsgrad ηS geregelt wird.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the control device ( 21 ) influences the field current IF and the output current of the generator IG by driving the amplifier ( 23 ) and the thyristors ( 15 ) to ( 20 ) so that the efficiency of the generator is regulated to an deliverable efficiency ηS. 5. Einrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslegung des Generators und die von der Steuer- oder Regeleinrichtung durchgeführte Regelstrategie so aneinander angepaßt sind, daß die Energiewandlung im Generator mit möglichst hohem Wirkungsgrad durchgeführt wird.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the design of the generator and the one carried out by the control or regulating device Control strategy are adapted to each other so that the Energy conversion in the generator with the highest possible Efficiency is carried out.
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