DE19937715C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Generators - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Generators, der mechanisch über eine Generatorriemenscheibe und einen Riemen an eine mit wechselnder Last betriebene Brennkraftmaschine angekoppelt ist. Es werden die Motordrehzahl der Brennkraftmaschine und die Generatordrehzahl ermittelt und zumindest dahingehend verglichen, daß ein Voraneilen des Generators erkannt werden kann. Wenn ein Voraneilen des Generators erkannt wird, wird eine elektrische Abbremsung des Generators eingeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Steuerung eines Generators, der mechanisch über eine Generatorriemenscheibe und einen Riemen an eine mit wechselnder Last betriebene Brennkraftmaschine ange­ koppelt ist, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens.

In Kraftfahrzeugen werden Drehstromgeneratoren eingesetzt, die vorwiegend über einen Keilriemen, Keilrippenriemen oder Poly-V- Riemen, im folgenden kurz Riemen genannt, über die Kurbelwelle von der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs angetrieben werden. Ein im Fahrzeug eingesetzter Drehstromgenerator, im folgenden auch kurz Generator genannt, dient dazu, die Batterie des Fahrzeugs zu Laden und die Verbraucher des Bordnetzes mit elektrischer Leistung zu versorgen.

Aufgrund der zunehmenden Ausstattung der Fahrzeuge mit elektri­ schen oder elektronischen Komponenten wächst die benötigte elek­ trische Leistung. Es werden daher zunehmend größere Generatoren eingesetzt, deren Läufer ein entsprechend größeres Massenträg­ heitsmoment aufweist. Durch sein Massenträgheitsmoment wider­ setzt sich der drehende Läufer den Schwingungen, die von der Un­ gleichförmigkeit des Motorlaufes hervorgerufen und über den Rie­ men auf den Generator übertragen werden. Auch bei schnellen Beschleunigungsvorgängen der Brennkraftmaschine wirkt sich das hohe Massenträgheitsmoment des Läufers nachteilig aus. Bei un­ günstigen Bedingungen kann es z. B. dazu kommen, daß der Genera­ tor kurzzeitig dem Riemen voraneilt und diesen schiebt. Beim Schieben des Riemens gibt die Riemenspannvorrichtung nach und der Riemen wölbt sich auf, weil der Riemen nur Zug- und keine Schubkräfte übertragen kann. Es werden Wellen oder Resonanzen im Riementrieb angeregt, die zu Geräuschentwicklung oder gar zum Versagen einer Riemenspannvorrichtung und Abspringen des Riemens führen können.

Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Verfahren bekannt, bei denen in Abhängigkeit des Laufes der Brennkraftmaschine in die Generatorregelung eingegriffen wird.

Aus der DE 28 48 556 C2 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Steuerung eines an einen Kraftfahrzeugmotor angekoppel­ ten Generators bekannt, bei dem letzterer abgeschaltet wird, wenn der Fahrer z. B. durch entsprechend starkes Durchtreten ei­ nes Gaspedals eine starke Beschleunigung des Fahrzeugs anfor­ dert, um in dieser Situation, die anhand einer entsprechend ho­ hen gemessenen Drehzahländerungsrate des Motors erkannt werden kann, die volle Motorleistung ausnutzen zu können.

In der DE 43 07 907 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Aus­ gangsspannung eines an einen Fahrmotor angekoppelten Generators in einem Kraftfahrzeug beschrieben, die in Abhängigkeit vom Fahrzustand des Fahrzeugs eingestellt wird, wobei die Spannungs­ regelung durch entsprechende Einstellung des Erregerstroms er­ folgt. Um in Beschleunigungsvorgängen dem Motor so wenig wie möglich Leistung für den Antrieb des Generators zu entziehen, ist vorgesehen, währenddessen kurzzeitig die Generatorerregung und dadurch die Generatorspannung auf einen Minimalwert zu er­ niedrigen. Umgekehrt wird die Generatorspannung beim Abbremsen des Fahrzeugs erhöht, um so einer Kraftfahrzeugbatterie aus Bremsenergie rekuperierte elektrische Leistung zuführen zu kön­ nen.

Die DE 40 42 347 A1 offenbart eine Vorrichtung mit Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug, die einen Temperatursensor zur Erfassung der momentanen Motortempe­ ratur enthält. Dabei ist vorgesehen, die Erregung des Generators nach einem Motorstart in Abhängigkeit von der erfaßten Motortem­ peratur zu verzögern, damit der Motor in einer Warmlaufphase durch den Generator nicht belastet wird. Insbesondere bei Stand­ gas soll dies zu einer erheblichen Verbesserung der Rundlaufei­ genschaften des Motors in der Warmlaufphase führen.

In der US 4.739.244 ist ein Generator für ein Kraftfahrzeug be­ schrieben, dem ein Beschleunigungssensor zugeordnet ist. Erfaßt dieser Beschleunigungssensor eine Beschleunigung des Kraftfahr­ zeuges, so wird die Erregung des Generators bis auf einen Mini­ malstrom abgeschaltet. Dies bewirkt, daß in Betriebsphasen, in denen das Kraftfahrzeug beschleunigt wird, der Kraftfahrzeugmo­ tor keine signifikante Antriebsleistung an den Generator ver­ liert. Der Minimalstrom, der den Generator dennoch in diesen Be­ triebsphasen leicht erregt, soll gewährleisten, daß die Anzahl von Generatorumdrehungen pro Zeiteinheit anhand der in den Pha­ senwicklungen induzierten Spannung bestimmt werden kann.

In der US 4.659.977 ist ein Wechselstromgenerator für ein Kraft­ fahrzeug beschrieben, dem zu seiner Steuerung ein Mikroprozessor zugeordnet ist. Dieser Mikroprozessor wertet die Temperatur ei­ ner Batterie und verschiedene Fahrzustandsgrößen, wie Motordreh­ zahl und Zündverzögerungszeit, aus und nimmt unter Berücksichti­ gung dieser Größen eine Ansteuerung der Erregerwicklungen des Wechselstromgenerators in der Weise vor, daß die Batterie dann aufgeladen wird, wenn deren tatsächliche Klemmspannung um mehr als ein Schwellwert von einer gewünschten Klemmspannung ab­ weicht.

Aus dem Stand der Technik sind auch eine Reihen von Verfahren zur Dämpfung von Motorschwingungen durch bedarfsweise Erhöhung der durch den Generator auf den Motor ausgübten Last bekannt. Beispielsweise ist aus der DE 41 01 602 A1 bekannt, Drehmoment­ fluktuationen der Kurbelwelle zu dämpfen, indem über den Erre­ gerstrom die Ausgangsleistung eines Drehstromgenerators so gere­ gelt wird, daß das zum Antreiben des Generator erforderliche Ge­ neratordrehmoment entsprechend der Winkelposition der Kurbelwel­ le moduliert ist und mit einer gegenphasig dem Kurbelwellen­ drehmoment folgt. Damit ist es möglich, die Motorvibrationen durch Erzeugen von gegenphasigen Generatorvibrationen zu verrin­ gern.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Generators mit Riementriebkopplung an eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bereit­ zustellen, das einen Betrieb des Generators mit geringer Geräu­ schentwicklung und geringem Verschleiß des den Generator antrei­ benden Riemens ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Dabei wird einem Voraneilen des Generators durch Abbrem­ sen des Läufers rasch entgegengewirkt. Auf diese Weise wird auch bei Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit ständig wechselnder Last ein zu starker Abrieb des den Generator antreibenden Riemens aufgrund von Durchrutschen vermieden. Auch werden so störende Pfeifgeräusche verhindert, die beim Durchrutschen des den Gene­ rator antreibenden Riemens auftreten können.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin­ dung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und wird nachstehend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltplan eines Generators mit Generatorregler und eines angeschlossenen Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges und

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Steuerung des Ge­ nerators von Fig. 1 mit erfindungsgemäßer Generator­ erregerstromregelung.

In Fig. 1 ist eine als Drehstromgenerator 1 ausgebildete Licht­ maschine für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Der Drehstromgenera­ tor 1 umfaßt einen Erregerstromkreis 7 mit einem Erregerfeldspu­ lensystem 2 und hat Ausgangsklemmen, die über eine Gleichrich­ ter-Brückenschaltung 3 Strom in ein Bordnetz 4 des Kraftfahr­ zeuges einspeisen. Dieses Bordnetz 4 versorgt Verbraucher 5, wie beispielsweise Lichtquellen und Elektromotoren, und eine Kraft­ fahrzeug-Batterie 6 mit elektrischer Energie. Zur Steuerung des Stromflusses durch das Erregerfeldspulensystem 2 ist ein Genera­ torregler 8 vorgesehen, der ebenfalls mit einer gleichgerichte­ ten Drehstromspannung aus dem Drehstromgenerator 1 gespeist wird und mit einer in Fig. 1 nicht weiter dargestellten Leistungsstu­ fe versehen ist, die den Strom für das Erregerfeldspulensystem 2 bereitstellt.

Über einen nicht dargestellten Riementrieb mit Keil-, Keilrippen oder Poly-V-Riemen und einer Generatorriemenscheibe ist der Drehstromgenerator 1 in herkömmlicher Weise zum Antrieb direkt mit einer Kurbelwelle einer ebenfalls nicht dargestellten, als Kraftfahrzeugantrieb dienenden Brennkraftmaschine gekoppelt. Durch Steuerung des durch das Erregerfeldspulensystem 2 im Erre­ gerstromkreis 7 fließenden Erregerstromes mittels des Generator­ reglers 8 ist ein genaues Einstellen des vom Generator aufnehm­ baren und in elektrische Energie umsetzbaren Drehmomentes mög­ lich. Dazu ist der Generatorregler 8 mit einem Stromsensor 9 verbunden, der den im Erregerstromkreis 7 fließenden Erreger­ strom erfaßt. Der Stromsensor 9 kann in den Generatorregler 8 integriert sein.

Dem Generatorregler 8 wird die mittels eines Drehzahlsensors 10 gemessene momentane Drehzahl der Brennkraftmaschine zugeführt. Alternativ kann die momentane Drehzahl der Brennkraftmaschine auch über eine Datenbusleitung von einer Motorsteuerung bereit­ gestellt werden.

Bei einem plötzlichen Abfall der Drehzahl der Brennkraftmaschi­ ne, besteht die Gefahr, daß der Läufer des Generators 1 aufgrund seiner Massenträgheit dem Riemen voraneilt und kurzzeitig den Riemen antreibt, was zum Versagen einer Riemenspannvorrichtung führen kann. Gelingt es, in dem Moment, wo der Generator ver­ sucht, dem Riemen voranzueilen, den Generator auf elektrischem Wege abzubremsen, wird das Verhalten des gesamten Riementriebs positiv beeinflußt. Allgemein gilt, daß wenn die zu übertragende Kraft die Haftreibungskraft für den Riemen in der Generatorrie­ menscheibe übersteigt, ein Durchrutschen des Riemens die Folge ist, was den Verschleiß erhöht und zu Geräuschentwicklung führt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ein Zustand, bei dem der Ge­ nerator dem Riemen voraneilt, erkannt und durch einen gezielten Eingriff auf elektrischem Wege der rotierenden Läufer des Gene­ rators abgebremst wird. In einfacher Weise kann die Abbremsung durch eine gezielte Veränderung der Last, die der Generator dem Riemen entnimmt, erreicht werden.

Dazu steuert der Generatorregler 8 den von seiner Leistungsstufe bereitgestellten Strom für den Erregerstromkreis 7 derart, daß auch beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit wechselnden Be­ schleunigungsphasen ein Voraneilen des Drehstromgenerators 1 und ein Durchrutschen des antreibenden Riemens vermieden wird, d. h. der Generatorregler 8 realisiert eine Riemenschonfunktion. Dazu ist dem Generatorregler 8 eine Generatorsteuervorrichtung zuge­ ordnet, die in Fig. 2 als Blockdiagramm dargestellt ist.

Wie in Fig. 2 dargestellt, beinhaltet die Steuervorrichtung eine erste Berechnungsstufe 20, welche unter Berücksichtigung aller Übersetzungsverhältnisse aus der vom Drehzahlsensor 10 gemesse­ nen oder über einen Datenbus zur Verfügung stehenden Motordreh­ zahl die momentane Riemengeschwindigkeit v_Riemen ermittelt. In einer zweiten Berechnungsstufe 21 wird die momentane Umlaufge­ schwindigkeit v_Scheibe der Generatorriemenscheibe bezogen auf den Umlaufradius berechnet, in welchem der Riemen um die Riemen­ scheibe geführt ist. In einer Vergleichsstufe 22 wird die Abwei­ chung v_Scheibe - v_Riemen berechnet. Bei einer positiven Abwei­ chung kann auf ein Voraneilen des Generators geschlossen werden. Bei einer negativen Abweichung kann auf ein Voraneilen des Rie­ mens geschlossen werden.

Abhängig von der ermittelten Abweichung wird dann über eine Er­ regungsvorgabestufe 23 ein Soll-Erregerstrom für das Erreger­ feldspulensystem 2 im Erregerstromkreis 7 anhand eines entspre­ chend abgelegten Kennfeldes oder einer Gleichung festgelegt. Dieser Sollwert wird der Leistungsstufe 24 vorgegeben, welche den momentan im Erregerstromkreis 7 fließenden Ist-Erregerstrom auf den Sollwert einregelt.

Dies geschieht erfindungsgemäß in der Weise, daß bei einer posi­ tiven Abweichung der Erregerstrom erhöht wird, um die Generator­ last zu erhöhen. Dies führt zu einer Abbremsung des Läufers. Wenn die Geschwindigkeiten sich angeglichen haben und die Abwei­ chung gegen null geht, kann der Erregerstrom wieder vermindert werden. Damit bei erhöhtem Erregerstrom die Generatorspannung nicht einen Sollwert übersteigt, kann durch ein entsprechendes Steuersignal 23a eine elektrische Last, z. B. heizbare Heckschei­ be eingeschaltet werden. Die Höhe der bedarfsweise zugeschalte­ ten Last kann durch eine Steuerelektronik eingestellt werden.

Bei einer negativen Abweichung ist es der Riemen, welcher dem Generator vorauseilt. Dieser Fall tritt bei einem positiven Be­ schleunigungsvorgang der Brennkraftmaschine ein. Dann kann der Läufer aufgrund seiner Massenträgheit der schnellen Geschwindig­ keitszunahme nicht unmittelbar folgen und es kommt zu einem Durchrutschen des Riemens. Erfindungsgemäß wird dem entgegenge­ wirkt, daß bei einer negativen Abweichung der Erregerstrom ver­ mindert wird, um die Generatorlast zu verringern. Dies führt da­ zu, daß der Läufer dem antreibendem Moment leichter folgen kann. Wenn die Geschwindigkeiten sich angeglichen haben und die Abwei­ chung gegen null geht, kann der Erregerstrom wieder erhöht wer­ den. Es ist vorteilhaft, wenn der Erregerstrom gerade soweit vermindert oder begrenzt wird, daß einerseits ein Durchrutschen des Riemens zuverlässig verhindert wird und andererseits unter Einhaltung dieser Bedingung noch so viel Generatorleistung wie möglich oder gewünscht erzeugt werden kann. Dies kann vorüberge­ hend dazu führen, daß beim Beschleunigen der Brennkraftmaschine und im Falle von Lastspitzen im Bordnetz 4 des Kraftfahrzeuges unter Umständen die vom Drehstromgenerator 1 bereitgestellte elektrische Leistung nicht allein zur Energieversorgung aus­ reicht. In diesem Fall wird die Differenz durch die Batterie 6 des Kraftfahrzeuges ausgeglichen.

Alternativ oder ergänzend können im Generator - im Ständer oder im Läufer - Abbremswicklungen vorgesehen sein, deren Einschal­ tung ein Abbremsen des Generatorläufers bewirkt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung eines Generators, der mechanisch über eine Generatorriemenscheibe und einen Riemen an eine mit wech­ selnder Last betriebene Brennkraftmaschine angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. die Motordrehzahl der Brennkraftmaschine und die Genera­ tordrehzahl ermittelt wird,
• 2. beide Drehzahlen zumindest dahingehend verglichen werden, daß ein Voraneilen des Generators erkannt werden kann und
• 3. wenn ein Voraneilen des Generators erkannt wird eine elektri­ sche Abbremsung des Generator eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbremsung des Generatorläufers durch Erhöhung der Ganerato­ rerregung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bedarfsweise eine elektrische Last zugeschaltet wird, wenn die Generatorspannung einen Sollwert übersteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbremsung des Generatorläufers durch Einschaltung von im Generator vorgesehenen Abbremswicklungen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - aus der Motordrehzahl eine Riemengeschwindigkeit ermittelt wird,
• - aus der Generatordrehzahl eine Umlaufgeschwindigkeit der Gene­ ratorriemenscheibe am Umlaufradius des Riemens ermittelt wird,
• - wenn die ermittelte Umlaufgeschwindigkeit die ermittelte Rie­ mengeschwindigkeit übersteigt, auf ein Voraneilen des Genera­ tors geschlossen und in Abhängigkeit der ermittelten Abwei­ chung eine elektrische Abbremsung des Generators eingeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Motordrehzahl und die Generatordrehzahl auch dahingehend verglichen werden, daß ein Voraneilen des Riemens erkannt wer­ den kann und
• - wenn ein Voraneilen des Riemens erkannt wird, die Generatorer­ regung vermindert wird.

7. Vorrichtung zur Steuerung eines Generators, der mechanisch über einen Generatorriemenscheibe und einen Riemen an eine mit wechselnder Last betriebene Brennkraftmaschine angekoppelt ist, mit

• - Mitteln zur Bestimmung der Riemengeschwindigkeit,
• - Mitteln zur Bestimmung der Umlaufgeschwindigkeit der Genera­ torriemenscheibe
• - Mitteln zur Bestimmung der Abweichung zwischen Riemengeschwin­ digkeit und Umlaufgeschwindigkeit
• - Mitteln zur elektrischen Abbremsung des Generators in Abhän­ gigkeit der ermittelten Abweichung, derart, daß bei einer Ab­ weichung, welche auf ein Voraneilen des Generators schließen läßt, der Generator abbremsbar ist.

8. Vorrichtung zur Steuerung eines Generators nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur elektrischen Abbremsung durch eine Generatorerre­ gunsvorgabestufe gebildet werden.

9. Generator zur Verwendung mit einer Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Abbremswicklungen im Läufer und/oder Stator des Generators vor­ gesehen sind, welche die Mittel zur elektrischen Abbremsung bil­ den.