DE19907852A1

DE19907852A1 - Generatorsystem

Info

Publication number: DE19907852A1
Application number: DE1999107852
Authority: DE
Inventors: Peter Gratza; Alfred Krappel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Gratza Peter Dipl Ing 80995 Muenchen De
Priority date: 1999-02-24
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2000-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Generatorsystem, insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug, mit zumindest zwei Generatoren, die von einer mit unterschiedlicher Drehzahl betreibbaren Antriebseinheit angetrieben werden, wobei zwischen der Antriebseinheit und jedem Generator eine bestimmte Übersetzung vorliegt. DOLLAR A Zur Optimierung des Wirkungsgrades des Generatorsystems wird vorgeschlagen, die Übersetzung von zumindest zwei Generatoren (22, 28) mit der Antriebseinheit (10) unterschiedlich zu wählen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Generatorsystem, insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Herkömmlicherweise werden, beispielsweise für die Versorgung von Sekun däraggregaten bei Fahrzeugen, Generatorsysteme zur Stromerzeugung verwendet. Die vorliegende Erfindung soll nunmehr in Bezug auf Fahrzeuge näher erläutert werden, was jedoch nicht einschränkend wirken soll.

Um den immer höheren Anforderungen bei der Stromerzeugung durch Generatorsysteme zu genügen, ist es bekannt, einzelne Hochleistungsgeneratoren jeweils von einem als Antriebsmaschine dienenden Motor antreiben zu lassen. Diese Hochleistungsgeneratoren können beispielsweise direkt auf der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors sitzen oder über einen Riemen antreibbar sein.

Alternativ ist es bekannt, zwei oder mehr Generatoren in einem Generatorsystem von einem Verbrennungsmotor mit variabler Drehzahl antreiben zu lassen. Da der Motor und die Generatoren meist mit einer bestimmten Übersetzung verbunden sind, werden damit auch die Generatoren mit unterschiedlicher Drehzahl betrieben. Herkömmliche Übersetzungen zwischen einem Motor (bzw. Antriebseinheit) und einem Generator liegen im Bereich von i = 2 bis i = 4.

Die Auslegung eines Generators für einen großen Drehzahlbereich führt dazu, daß der Generator nicht immer im Bereich seines optimalen Wirkungsgrades betrieben werden kann. Bekanntermaßen sinkt bei konventionellen Generatoren der Wirkungsgrad mit zunehmender Motordrehzahl. Damit steigt mit höherer Generatordrehzahl die Leistungsaufnahme und der Kraftstoffverbrauch.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind Konstruktionen bekannt, bei denen durch Einsatz eines Getriebes die Generatordrehzahl nach oben begrenzt wird. Die Generatordrehzahl überschreitet dann einen wirkungsgradgünstigen Generator- Drehzahlbereich nicht. Dadurch können die Generatoren in einem kleineren Drehzahlbereich betrieben werden, was zu einer Verbesserung deren Wirkungsgrades führt. Damit einhergehend ist zwar eine deutliche Senkung des Kraftstoffverbrauchs bei gleicher elektrischer Leistungsabgabe möglich, allerdings sind die vorgenannten Lösungen teuer oder benötigen viel Bauraum.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kostengünstiges Generatorsystem anzugeben, welches bei geringen Drehzahlen bereits die erforderliche Leistung bringt und dessen Wirkungsgrad insgesamt deutlich verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Verwendung von zumindest zwei Generatoren, mit jeweils verschiedenen Übersetzungen zwischen den Generatoren und der Antriebseinheit ist es möglich, zum einen eine hohe elektrische Leistung bereits bei niedrigen Drehzahlen zu erreichen, zum anderen jedoch den Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu verbessern. Der Generator mit der höheren Übersetzung erreicht bereits bei kleinen Motordrehzahlen seine optimale Leistungsfähigkeit und liefert bereits bei kleinen Drehzahlen eine ausreichende Leistung. Bei höheren Motordrehzahlen verschlechtert sich zwar der Wirkungsgrad des ersten Generators, jedoch befindet sich der zweite Generator in einem optimalen Leistungsbereich. Insbesondere können beide Generatoren wirkungsgradoptimiert konstruiert werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Generator mit einer hohen Übersetzung ab einer vorgegebenen Grenzzahl der Antriebseinheit oder des entsprechenden Generators von der Antriebseinheit abgekoppelt wird. Bei höheren Drehzahlen kann es nämlich sein, daß der höher übersetzte Generator seinen zulässigen Drehzahlgrenzwert übersteigt. Durch die Abkoppelung des höher übersetzten Generators läßt sich insgesamt der Wirkungsgrad des gesamten Generatorsystems deutlich verbessern, da beide Generatoren in besonderer Weise wirkungsgradoptimiert werden können. Auch müssen die beiden Generatoren nicht für eine extreme Leistung ausgelegt sein, da sich deren Leistung zumindest in dem Drehzahlbereich addiert, in dem sie beide gleichzeitig betrieben werden. Werden beide Generatoren in ihrem Wirkungsgrad optimiert, sollte keiner dieser Generatoren über seine definierte Höchstdrehzahl drehen.

Die Übersetzungen können beispielsweise im Bereich von 1 bis 2,5 für den ersten und im Bereich von 3 bis 5 für den höher übersetzten Generator gewählt werden. Bei dieser Übersetzung könnte der höher übersetzte Generator beispielsweise bei einer Motordrehzahl von 3500 Umdrehungen pro Minute abgekoppelt werden. Bei einer Übersetzung von 3,5 würde dies zu einer Generatorhöchstdrehzahl von 12 250 Umdrehungen pro Minute führen. Der zweite und niedriger übersetzte Generator (z. B. i = 2) könnte bis zu der Motorhöchstdrehzahl von 6000 Umdrehungen mitdrehen und dabei eine Generatorhöchstdrehzahl von 12 000 Umdrehungen pro Minute erreichen.

In Versuchen hat sich herausgestellt, daß aus energetischen Gründen eine Abkopplung des zweiten Generators über einer Motordrehzahl von 3500 U/min ohne weiteres möglich ist, da sich Fahrzeuge seiten in diesem oberen Drehzahlbereich befinden. Sollte dennoch eine Energieanforderung über dieser Leistung des übrigen Generators vorliegen, so könnte die zusätzlich benötigte Energie kurzfristig über eine Batterie zur Verfügung gestellt werden.

Vorzugsweise findet ein Abkoppeln eines Generators unter Verwendung einer Kupplungseinheit statt, welche beispielsweise elektromagnetisch schaltbar sein kann. Die Kupplungseinheit kann jedoch auch aus einem Kupplungssystem mit zumindest einem elastischen Zwischenglied bestehen. Die Wahl einer Kupplungseinheit hängt von den gewünschten Steuer- und Regelungsmöglichkeiten beim Ein- und Auskuppeln des höher übersetzten Generators ab, wie später noch deutlich wird.

Das vorliegende Generatorsystem ist auch deswegen von Vorteil, da zwei konventionelle Generatoren beispielsweise mit einem Leistungsbereich von 80 bis 150 Ampere eingesetzt werden können. Dies wirkt sich besonders kostengünstig aus.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung vorgesehen ist, die ein Wiederankoppeln eines von der Antriebseinheit abgekoppelten Generators erst dann zuläßt, wenn sich eine Drehzahldifferenz zwischen einer Drehzahl, mit der der Generator momentan läuft, und einer Drehzahl, wenn der Generator vollständig angekoppelt ist, in einem zulässigen Drehzahlbereich befindet. Damit wird eine plötzliche Momentenänderung sowie ein Durchrutschen des Antriebsriemens verhindert.

Um die gewünschte Drehzahldifferenz, vorzugsweise etwa 0 Umdrehungen, zu erreichen, ist es möglich, den abgekoppelten Generator vor dem Einkuppeln nach Art eines Elektromotors zu betreiben, um ihn auf eine bestimmte Drehzahl zu bringen. Allerdings ist dazu eine Leistungselektronik notwendig. Eine Alternative ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinheit derart ausgestaltet wird, daß ein Schlupfbetrieb möglich ist, während dessen der Generator kontinuierlich auf seine Wunschdrehzahl gebracht wird.

Mit dieser Maßnahme wird eine zu große Momentenbelastung, welche zu einem Ruck beim Fahren führen könnte, vermieden.

Im übrigen kann der wiedereinzukoppelnde Generator elektrisch vom Bordnetz abgetrennt sein, so daß der Einkoppelvorgang bei Nullast durchgeführt wird. Erst nach dem Einkoppeln wird dann die Last hochgefahren, so daß ein allmählicher Lastanstieg stattfindet, der von einem Fahrzeugbediener nicht als unangenehm empfunden wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gegeben, daß bei einem starken dynamischen Vorgang der Generator zusätzlich zu- oder abgekoppelt wird. Beispielsweise könnte bei einem notwendigen Beschleunigungsvorgang der höher übersetzte und zugeschaltete Generator abgekoppelt werden, so daß eine zusätzliche Drehmomentreserve zur Verfügung steht. Alternativ könnte ein abgekoppelter Generator bei einem Bremsvorgang wieder angekoppelt werden. Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß eine vorbestimmte Generatorhöchstdrehzahl nicht überschritten wird.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 ein schematisches Blockschaltdiagramm eines erfindungsgemäßen Generatorsystems und

Fig. 2 ein Drehzahl-Strom-Diagramm von zwei wirkungsgradoptimierten, verschieden übersetzten Generatoren sowie eines herkömmlichen Generators,

Fig. 3 ein Drehzahl-Strom-Diagramm eines erfindungsgemäßen Generator gesamtsystems und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Kupplungssystems für das erfindungsgemäße Generatorsystem.

Es wird ein Generatorsystem beschrieben, welches in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Das Kraftfahrzeug besitzt einen Motor 10, welcher über einen Drehzahlbereich von etwa 500 bis 6000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden kann. Über eine Abtriebswelle 12 und eine Riemenscheibe 14 ist der Motor 10 durch den Riemen 16, den Riemenscheiben 18 und 13 sowie deren Wellen 20, 26 mit zwei Generatoren 22 und 28 verbunden.

Vorliegend wird zwischen dem Motor 10 und dem Generator I 22 eine Übersetzung von i = 3,5 und zwischen dem Motor 10 und dem Generator II 28 eine Übersetzung von i = 2 durch eine entsprechende Dimensionierung der Riemenscheiben 13, 14, 18 gewählt. Die Welle 20 des Generators I 22 ist von einer Kupplungseinheit 24 unterbrochen, welche eine momentenübertragende Verbindung zwischen dem Generator 22 und seiner Riemenscheibe 18 herstellen oder unterbrechen kann. Die später noch beschriebene Kupplungseinheit 24 wird von einer Steuereinheit 32 beaufschlagt, die mit dieser über eine Steuerleitung 34 verbunden ist.

Die beiden Generatoren 22 und 28 geben ihnen erzeugten Strom über jeweilige Zuleitungen 38 und 40 an Versorgungsleitungen 42 eines Bordnetzes ab. In einer Zuleitung 38 des Generators I ist eine Schaltung 30 zwischengefügt, welche ebenfalls von der Steuereinheit 32 über eine Steuerleitung 36 beaufschlagt wird. Mittels der Schaltung 30 kann der Generator 22 von den Versorgungsleitungen 42 abgekoppelt werden. Die Steuereinheit 32 erhält Eingangsinformationen über die Leitung 46 vom Motor 10 sowie zusätzliche Daten über eine weitere Eingangsleitung 48.

Bei den zwei Generatoren 22 und 28 handelt es sich vorliegend um übliche luftgekühlte Klauenpolgeneratoren mit jeweils 90 Ampere, die beide auf eine maximale Drehzahl von etwa 12 000 Umdrehungen wirkungsgradoptimiert sind.

Fig. 2 zeigt die Drehzahl-Strom-Kennlinien eines herkömmlichen 170 A Generators (Bezugsziffer 100), eines wirkungsgradoptimierten höher übersetzten 90 A Generators (Bezugsziffer 102) und eines wirkungsgradoptimierten niedriger übersetzten 90 A Generators (Bezugsziffer 104) im Vergleich.

In Fig. 3 ist die Drehzahl-Strom-Kennlinie des 170 A Generators mit derjenigen eines erfindungsgemäßen Generatorsystems (Bezugsziffer 110) verglichen.

Beim Betrieb des Motors 10 im Leerlaufbereich (etwa 500 U/min) wird der Strom zunächst im wesentlichen vom Generator I 22 geliefert. Durch die höhere Übersetzung beträgt allein dieser von dem Generator I 22 abgegebene Strom etwa 63 Ampere. Der Strom des Generators II 28 ist hierbei noch vernachlässigbar (vgl. Fig. 2).

Bei 1000 Motorumdrehungen pro Minute liefert der Generator I gemäß Fig. 2 bereits etwa 90 Ampere. Zusätzlich liefert der Generator II 28 etwa 62 Ampere, so daß beide Generatoren zusammen schon 150 A, dies entspricht etwa 75% der maximal erzeugbaren elektrischen Leistung, bereitstellen.

Bei 2000 Motorumdrehungen pro Minute liefern beide Generatoren die maximale Leistung von 190 Ampere.

Ab einer Motordrehzahl von 3500 Umdrehungen, bei der der Generator seine Höchstdrehzahl von etwa 12 000 Umdrehungen erreicht, wird dieser mittels der Steuereinheit 32 und der Kupplungseinheit 24 vom Motor 10 abgekoppelt. Ab diesem Zeitpunkt liefert nur noch der Generator II 28 seinen maximalen Strom von konstant etwa 95 Ampere. Das Abschalten des Generators I ist im Diagramm der Fig. 2 durch den stufenförmigen Abfall des Stromes von etwa 193 Ampere auf etwa 95 Ampere zu entnehmen.

Da im Kundenbetrieb Motordrehzahlen über 3500 Umdrehungen pro Minute insbesondere bei großvolumigen Motoren, selten dauerhaft vorkommen, ist es zulässig und verkraftbar, in diesen kurzen Zeiträumen einen eventuell notwendigen elektrischen Zusatzbedarf aus einer Batterie zu entnehmen. Dies setzt jedoch ein intelligentes Batterie-Management voraus.

Nachdem der höher übersetzte Generator abgekoppelt ist, fällt dessen Drehzahl auf Null ab. Um einen Ruck beim Wiedereinkoppeln des Generators 22 zu vermeiden, sollte er vor dem Einkuppeln auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt werden. Vorzugsweise wird er auf diejenige Drehzahl beschleunigt, mit der seine Riemenscheibe 18 von dem Verbrennungsmotor 10 angetrieben wird. Vorliegend wird als Kupplungseinheit 24 ein Kupplungssystem verwendet, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.

Das Kupplungssystem umfaßt zwischen der Riemenscheibe 18 und dem Generator 22 eine Visko-Kupplung 60 und eine weitere Kupplungseinheit 62. Sowohl die Antriebsseite der Visko-Kupplung 60 als auch deren Abtriebsseite können über zwei verschiedene Kupplungen K1, K2 der Kupplungseinheit 62 mit dem Generator verbunden werden. Ist der Generator 22 von der Antriebseinheit 18 abgekoppelt und soll er wieder angekoppelt werden, so wird die Kupplung K1 bei offener Kupplung K2 geschlossen. Durch das elastische Zwischenglied der Visko-Kupplung 60 wird die Drehzahl des Generators 22 dann auf die Riemenscheibendrehzahl erhöht. Bei einer Drehzahldifferenz von Null zwischen der Riemenscheibendrehzahl und der Drehzahl des Generators 22 wird die Kupplung K2 geschlossen und die Kupplung K1 geöffnet. Nunmehr ist die Riemenscheibe 18 quasi-starr mit dem Generator 22 verbunden.

Beim Abkoppeln des Generators 22 hingegen werden beide Kupplungen K1 und K2 geöffnet.

Alternativ kann eine Drehzahlangleichung des Generators 22 und der Riemenscheibe 18 auch durch Betreiben des Generators 22 nach Art eines Elektromotors erreicht werden. Allerdings ist dazu eine nicht dargestellte Leistungselektronik notwendig.

In jedem Fall findet der Einkuppelvorgang bei der Kupplungseinheit 24 erst dann statt, wenn eine bestimmte Drehzahldifferenz n_G1-n_Mot einen zulässigen Wert erreicht. Dabei bezeichnet nGl die Drehzahl des Generators I und n_Mot die Drehzahl des Motors.

Vorzugsweise folgt der Einkuppelvorgang bei Nullast, das heißt ohne Erregerstrom. Dazu wird der Generator I 22 mit der Schaltung 30 von der Versorgungsleitung 42 abgetrennt. Erst nach dem Einkuppeln wird die Leistung des Generators I 22 gemäß der Bordnetzanforderung mit der Steuerung 32 hochgefahren.

Alternative und in der obigen Ausführungsform nicht dargestellte Möglichkeiten ergeben sich dadurch, daß der Generator I 22 beim Beschleunigen abgekuppelt wird. Dadurch kann man eine gute Fahrzeug-Agilität erreichen.

Überdies kann ein abgekoppelter Generator beim Bremsen wieder angekuppelt werden, sofern die Motordrehzahl kleiner ist als 3500 Umdrehungen pro Minute. Mit dieser Maßnahme kann ein Teil der Bremsenergie zurückgewonnen werden.

Natürlich können auch verschiedene Generatoren mit gleichen oder verschiedenen Spannungen und mit gleichen oder verschiedenen Leistung verwendet werden.

Insgesamt läßt sich mit der vorliegenden Erfindung der Wirkungsgrad des Generatorsystems deutlich verbessern, was zu einer Kraftstoffverbrauchs verringerung beiträgt. Dabei wird jeder Generator nur bis zu einer vorteilhaften, maximalen Höchstdrehzahl betrieben, so daß der Wirkungsgrad optimiert werden kann. Neben einer niedrigen Verlustleistung kann zusätzlich auch ein unangenehm wirkendes Lüftergeräusch abgeschnitten werden. Bei Verwendung von Generatoren mit unterschiedlichen Spannungen können natürlich auch unterschiedliche Versorgungsstrukturen, beispielsweise verschiedene Stromkreise mit unterschiedlicher Spannung vorgesehen werden. Ferner lassen sich durch Kombination verschiedener Generatoren beliebige Stromkennlinien generieren. Natürlich können auch verschiedene Generatorarten, z. B. ein luftgekühlter Generator und ein flüssiggekühlter Generator nebeneinander verwendet werden. Das vorliegende Ausführungsbeispiel sollte insofern nicht schutzbegrenzend wirken.

Claims

1. Generatorsystem, insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug, mit zumin dest zwei Generatoren, die von einer mit unterschiedlichen Drehzahl be treibbaren Antriebseinheit angetrieben werden, wobei zwischen der An triebseinheit und jedem Generator eine bestimmte Übersetzung vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzung von zumindest zwei Generatoren (22, 28) mit der An triebseinheit (10) unterschiedlich gewählt wird.

2. Generatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Generator (22) mit einer höheren Übersetzung von der Antriebsein heit (10) abgekoppelbar ist.

3. Generatorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das genau zwei Generatoren (22, 28) verwendet werden, wobei die Überset zung zwischen dem ersten Generator (28) und der Antriebseinheit zwischen 1 und 2,5 und zwischen dem zweiten Generator (22) und der Antriebseinheit zwischen 3 und 5 gewählt wird.

4. Generatorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (22) mit der höheren Übersetzung bei einer Generator drehzahl zwischen 11 000 und 14 000 Umdrehungen pro Minute abgekop pelbar ist.

5. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abkoppeln eines Generators (22) von der Antriebseinheit (10) eine zwischen diesem Generator (22) und der Antriebseinheit (10) geschaltete Kupplungseinheit (24) vorgesehen ist.

6. Generatorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinheit (24) elektromagnetisch schaltbar ist.

7. Generatorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinheit (24) eine Kupplung mit einem elastischen Zwi schenglied, insbesondere einer Visko-Kupplung, umfaßt.

8. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren (22, 28) eine Höchstleistung von etwa 80 bis 200 A liefern.

9. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Batterie vorgesehen ist, aus der im Drehzahlbereich, in dem ein Generator abgeschaltet ist, ein notwendiger elektrischer Zusatzbedarf zu mindest zeitweise gedeckt wird.

10. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (32) vorgesehen ist, die eine Wiederankopplung eines von der Antriebseinheit (10) abgekoppelten Generators (22) an denselben erst zuläßt, wenn sich eine Drehzahldifferenz (n_G1-n_Mot) zwischen einer Drehzahl, mit der der Generator (22) momentan läuft, und einer Drehzahl, wenn der Generator (22) angekoppelt ist, in einem zulässigen Bereich befin det.

11. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (30) vorgesehen ist, um den wiederanzukoppelnden Generator (22) vor dem Wiederankoppeln auf eine bestimmte Drehzahl zu bringen.

12. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (30) vorgesehen ist, mit der der Generator (22) mit der höheren Übersetzung elektrisch vom Bordnetz (42) abtrennbar ist.

13. Generatorsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelvorgang bei Nullast durchgeführt wird und erst nach dem Einkoppeln die Last hochgefahren wird.

14. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Erfassung eines Beschleunigungsvorganges des Fahrzeugs vorgesehen ist und ein Generator (22) mit einer höheren Über setzung bei einem Beschleunigungsvorgang des Fahrzeugs von der An triebseinheit (10) abgekoppelt und/oder elektrisch getrennt wird.

15. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Erfassung eines Bremsvorganges des Fahrzeugs vorgesehen ist und ein abgekoppelter Generator (22) bei einem Bremsvor gang dann wieder an die Antriebseinheit (10) angekoppelt ist, wenn eine be stimmte Generatorgrenzdrehzahl unterschritten ist.