DE3037026C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-OS 28 15 441), die sich speziell auf die Möglichkeit des Ladens von Akkumulatoren auf elektrischen Triebwagen und Lokomotiven während des Fahrbetriebs bezieht, werden an eine gemeinsame Spannungsquelle angeschlossene Verbraucher mit je nach ihren Bedürfnissen unterschiedlichen Spannungs- oder Stromwerten versorgt, wobei diese Verbraucher Batterien, elektrische Antriebsmotoren, Glühbirnen u. dgl. sein können. Die Spannungsquelle kann dabei der mit Gleichspannung oder Wechselspannung versorgte Fahrdraht sein, wobei bei Aufrechterhaltung der galvanischen Verbindung der Verbraucher untereinander und mit der gemeinsamen Spannungsquelle der Mittelwert oder Spitzenwert einerseits und der Effektivwert andererseits der Spannungsquelle für jeweils zugeordnete Verbraucher geregelt und eingestellt werden. Im einzelnen sind bei der bekannten Vorrichtung zwei Betriebszustände möglich, nämlich die Versorgung mit Gleichspannung (evtl. auch Wechselspannung) vom Fahrdraht her, wozu für den Antrieb des Fahrmotors ein Traktionswechselrichter die Gleichspannung in ein Drehstromsystem mit variabler Frequenz und variabler Spannung umformt zur Speisung des Fahrmotors und ein paralleler Hilfsbetriebswechselrichter aus dem Gleichstrom des Fahrdrahts ein Drehstrombordnetz speist, an welches dann wiederum eine Drehstromgleichrichterbrücke mit einer nachgeschalteten Glättungsdrosselspule angeschlossen ist, um der Traktionsbatterie die erforderliche Ladespannung zuzuführen. Parallel zur Drehstromgleichrichterbrücke versorgt das Drehstrombordnetz dann sonstige, an es angeschlossene Verbraucher.

Wird von Laden auf Fahren mit Hilfe der Traktionsbatterie umgeschaltet, dann liefert die Traktionsbatterie den bisher vom Fahrdraht gelieferten Gleichstrom, der wiederum von den genannten Wechselrichtern in den Fahrstrom und den Bordnetz-Drehstrom umgeformt wird - in diesem Fall ist die Batterie dann von der Bordnetzversorgung abgeschaltet.

Es ist ferner bekannt (Varta Batterie AG, Gasdichte Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, 1. Aufl., Hannover 1978, VDI Verlag GmbH, Seiten 218-223), für das Laden von gasdichten Nickel-Cadmium-Akkumulatoren unterschiedliche Lademöglichkeiten zu verwenden, nämlich ein sogenanntes Pulsladen, bei welchem dem Akkumulator keine stetigen Ströme zugeführt werden, sondern Strompulse, deren Folgefrequenz im Bereich zwischen 1 Hz bis zu etwa 3 kHz liegen kann. Untersuchungen haben ergeben, daß sich im Vergleich zu der Ladung solcher Akkumulatoren mit einem lediglich die Temperatur der Zelle berücksichtigenden konstanten Ladestrom beim Pulsladen keine wesentlichen Verschlechterungen, aber auch keine Verbesserungen im Ladeverhalten ergeben.

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Möglichkeit, beliebig galvanisch miteinander verbundene und an eine gemeinsame Speisespannungsquelle angeschlossene Verbraucher, Betriebsmittel o. dgl. mit jeweils ihren Gegebenenheiten und Bedürfnissen mit unterschiedlichen Strom- oder Spannungswerten zu versorgen. Ein besonderes Anwendungsgebiet vorliegender Erfindung betrifft den Bordnetzbereich von mobilen Einheiten, insbesondere Kraftfahrzeugen, so daß hierauf im folgenden genauer eingegangen und die Erfindung auch später anhand von Bordnetzausbildungen im einzelnen erläutert wird. Sie ist aber nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt. Es ist allgemein bei Stromgeneratoren, vorzugsweise Drehstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen o. dgl. bekannt, diese trotz der an sie gestellten hohen Anforderungen durch Regelung des ihnen zugeführten Erregerstroms so zu beeinflussen, daß die Generatorausgangsspannung auf einem im wesentlichen konstanten gewünschten Niveau gehalten wird. Dabei wird der Erregerstrom und damit das Erregerfeld im Läufer des Generators in Abhängigkeit von der im Generator erzeugten Spannung so gesteuert, daß trotz erheblich veränderlicher Drehzahl zwischen Leerlauf und Vollast und trotz erheblicher Belastungsschwankungen des Generators die Generatorklemmenspannung bis zum Maximalstrom bleibt. Als Regler sind hierfür bekannt die mechanischen Einkontakt- oder Mehrkontaktregler; üblicherweise werden nunmehr hauptsächlich elektronische Transistorregler eingesetzt, die durch periodisches Schwächen des Erregerstroms, üblicherweise periodisches Ein- und Ausschalten, die Generatorspannung regeln, da die in diesem erzeugte Spannung dem Produkt aus Drehzahl und Erregerstrom im wesentlichen verhältnisgleich ist.

Probleme können sich in diesem Zusammenhang beispielsweise auf dem Gebiet der Kraftfahrzeug-Elektrik im Winter oder im Stadtverkehr ergeben, denn bei Kälte nimmt der Innenwiderstand der mit dem Bordnetz ebenfalls verbundenen Batterie erheblich zu, so daß deren Kaltstartleistung stark absinkt; außerdem ergibt sich eine unausgeglichene Batterieladungs-Bilanz. Besondere Ladungsprobleme ergeben sich auch bei niedertourigen Drehzahlen. Es ist zwar möglich, durch zumindest zeitweilig erhöhte Ladespannung bei entsprechender Auslegung der Lichtmaschine und daher entsprechend ausreichend vorhandener Lichtmaschinenleistung auch bei Kälte einen ausreichenden Ladestrom zu erzwingen; die Bordnetzspannung muß aber auf spannungsempfindliche Verbraucher Rücksicht nehmen, beispielsweise auf die verwendeten Glühlampen, und kann daher nicht beliebig gesteigert werden. Die bisherigen Systeme stellen daher einen Kompromiß etwa zwischen den Anforderungen der Batterie bezüglich einer ausreichenden Ladung und beispielsweise den an das Bordnetz angeschlossenen Verbrauchern dar.

Es besteht insbesondere bei künftig noch steigenden Anforderungen an die Qualität der Versorgungsspannung bei Bordnetzen ein erheblicher Bedarf nach einem zentralen, leistungsstarken Regelsystem, welches in der Lage ist, einerseits für eine ausreichende Batterieladungsbilanz zu sorgen und andererseits die angeschlossenen Verbraucher nicht zu schädigen, etwa in ihrer Lebensdauer herabzusetzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemeinsam der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden, daß die Verbraucher unabhängig voneinander jeweils mit einer für sie geeigneten Spannung versorgt werden.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und hat den Vorteil, daß es gelingt, sämtliche an ein gemeinsames Netz, insbesondere Bordnetz von Kraftfahrzeugen, angeschlossene Verbraucher, darin eingeschlossen die Batterie, die bei aktiver Lichtmaschine ebenfalls als Verbraucher angesehen werden kann, bei Aufrechterhaltung der galvanischen Verbindung untereinander unabhängig entsprechend ihren jeweiligen Bedürfnissen mit der für sie geeigneten Spannung oder Ladeleistung zu versorgen.

Trotz der galvanischen Verbindung zwischen den Bordnetzverbrauchern und der Batterie brauchen daher weder die Forderungen nach konstanter Lampenspannung noch nach variabler Batterieladespannung aufgegeben zu werden.

Die Erfindung ermöglicht daher eine erhebliche, unterschiedliche Regelfähigkeit von an ein gemeinsames Bordnetz angeschlossenen Verbrauchern, wobei beispielsweise die Helligkeit von Lampen und die Drehzahl eines Elektromotors nahezu unabhängig voneinander durch eine entsprechende Sollwertverstellung der Effektivwerte und der Mittelwerte der Bordnetzspannung eingestellt werden können. Auch bei einer angeschlossenen Batterie bleibt diese Regelfähigkeit in erheblichem Maße erhalten, wobei eine Diode die Batterieentladung während Impulspausen verhindert und es ermöglicht, daß unmittelbar an den Batterieklemmen der Mittelwert der Batteriespannung größer als der Effektivwert an den Ausgangsklemmen der Regelvorrichtung ist. Bei Anwendung auf die Bordnetzversorgung eines Kraftfahrzeuges beispielsweise ergeben sich weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung, die in den Unteransprüchen niedergelegt sind. Besonders vorteilhaft ist die Einbeziehung des Drehstromgenerators in den Stellgliedbereich der Regelvorrichtung dahingehend, daß einmal durch Steuerung des Feldstroms der Spitzen- oder Mittelwert der Versorgungsspannung und getrennt hierzu durch Steuerung der mittleren Einschalt- oder Anschaltdauer der Maschine an das Bordnetz der Effektivwert eingestellt wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 den Verlauf der gepulsten Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Systems, die gleichzeitig die Bordnetz-Versorgungsspannung darstellt;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Regelvorrichtung für Mittel- und Effektivregelung in Form eines Blockschaltbildes;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Regelvorrichtung in Form eines Blockschaltbildes, bei der statt der Regelung des Mittelwertes der Spitzenwert geregelt wird;

die Fig. 4a und 4b eine schematische Bordnetznachbildung sowie den Verlauf der Bordnetzspannung und den unabhängigen Verlauf des Mittelwerts und des Effektivwerts der Versorgungsspannung;

die Fig. 5a und 5b in schematischer Darstellung die Zuordnung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung zu einem von einem Drehstromgenerator versorgten Bordnetz und die sich hierbei ergebende Zeitfunktion der nach Mittel- und Effektivwert geregelten Bordnetzspannung;

die Fig. 6a und 6b in schematisierter Darstellung die Zuordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu einem von einer separaten Spannungsquelle, beispielsweise Traktionsbatterie versorgten Bordnetz und den Verlauf der Zeitfunktion der Bordnetzspannung;

Fig. 7 in größerer Detaildarstellung die Anschaltung des Drehstromgenerators über steuerbare Halbleiterschalter an das Bordnetz und

die Fig. 8 in Form eines Diagramms den Regelbereich des Systems mit der Spitzenspannung und dem Tastverhältnis als Parameter.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in den meisten Stromversorgungsanlagen Verbraucher mit unterschiedlichen Bedürfnissen vorhanden sind, beispielsweise solche, die einen konstanten Effektivwert U der Versorgungsspannung und solche, die einen bestimmten arithmetischen Mittelwert der Versorgungsspannung verlangen. Angewendet etwa auf das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs benötigen die meisten Verbraucher, beispielsweise Glühlampen einen konstanten Effektivwert U der Versorgungsspannung, wohingegen die Batterie für optimale Ladung je nach Temperatur einen unterschiedlichen arithmetischen Mittelwert der Versorgungsspannung benötigt. Induktive Verbraucher, beispielsweise Servomotoren u. dgl. sind ebenfalls vom Mittelwert der Versorgungsspannung abhängig, sie stellen aber nicht unbedingt besondere Ansprüche an deren Konstanz. Hieraus wird der Vorschlag entwickelt, ein System zu schaffen, welches es erlaubt, den Mittel- und Effektivwert einer beliebigen Versorgungsspannung in gewissen Grenzen unabhängig voneinander einzustellen, so daß einerseits die galvanische Verbindung sämtlicher an das Bordnetz angeschlossener Verbraucher untereinander beibehalten werden kann, andererseits aber jeder der Verbraucher nach seinen spezifischen Bedürfnissen mit Strom und Spannungswerten versorgt werden kann, beispielsweise also bei einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs eine konstante Lampenspannung gleichzeitig mit einer variablen Batterieladespannung sichergestellt werden kann.

Realisieren läßt sich dieser Grundgedanke dadurch, daß man die Versorgungsspannung als gepulste Spannung, beispielsweise als Rechteckimpulsfolge bestimmt, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Fig. 1 zeigt den Verlauf der beliebigen, hier auf das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bezogenen Versorgungsspannung u über der Zeit, wobei die Amplitude der einzelnen Rechteckimpulse gleichzeitig den Scheitelwert û vorgibt. Das relative Einschaltverhältnis a ergibt sich zu t _e /T. Bei einem solchen, in Fig. 1 dargestellten Spannungsverlauf ergeben sich die folgenden Bestimmungen für den Mittel- und den Effektivwert der Versorgungsspannung:

Mittelwert  = a · û (1)

Effektivwert U = √ · û (2)

Aus diesen Formeln erhält man bei vorgegebenen Werten des Effektivwerts U und des Mittelwerts die notwendigen Stellgrößen wie folgt:

und

Die realive Einschaltdauer a wächst also mit ; der Spitzenwert der Versorgungsspannung û wächst mit dem Effektivwert U. Hierauf beruht die Funktion der Regelvorrichtung, wie sie zunächst in Fig. 2 genauer dargestellt ist. Die in Fig. 2 dargestellte Regelvorrichtung ist so ausgebildet, daß sie zur Ermöglichung einer unterschiedlichen Einstellung des Effektivwertes U und des arithmetischen Mittelwertes der Versorgungsspannung u bei Sollvorgabe von Effektivwert und Mittelwert die Impulshöhe, also den Scheitelwert û mittels eines Pulshöhenreglers und die relative Einschaltdauer a mittels eines Pulsbreitenreglers einer Regelung unterwirft. Hierzu umfaßt die Regelvorrichtung einen Regelbereich 1, einen Stellgliedbereich 2 und ein Meß- und Rückführglied 3 sowie getrennte Blöcke 4 und 5 jeweils für die Sollwerterstellung des Effektivwertes U (hier in Form von Us²), sowie des arithmetischen Mittelwerts . Der Regelbereich 1 umfaßt als ersten Teilregler, nämlich für die Pulshöhe bei diesem Ausführungsbeispiel einen Effektivwertregler 1 a, der den Scheitelwert û steuert, sowie als zweiten Teilregler für die Pulsbreite einen Mittelwertregler 1 b, der bestimmend für die relative Einschaltdauer a ist. Im folgenden werden die jeweiligen Teilregler mit ihren entsprechenden Funktionen bezeichnet, also jeweils als Effektivwertregler, Spitzenwertregler, Mittelwertregler, bezogen auf die unterschiedlichen Ausführungsformen in den Zeichnungen. Stets handelt es sich bei dem mit den Bezugszeichen 1 a, 1 a′, 1 a′′ bezeichneten Regler um die Pulshöhe bestimmende Regler (Pulshöhenregler); die Bezugszeichen 1 b, 1 b′, 1 b′′ betreffen die Pulsbreite bestimmende Regler (Pulsbreitenregler). Beide Regler 1 a und 1 b sind Proportional- Integralregler (PI-Regler); der Ausgang des Effektivwertreglers 1 a gelangt über ein Koppelglied 6 mit Kopplungsfaktor K 1 auf eine Summationsschaltung 7 und von dieser auf einen Schalter 8, vorzugsweise einen elektronischen Schalter, dessen Schaltfunktion über der Zeit (relative Einschaltdauer a) von einem Zweipunktschalter 9 mit definiertem Schwellwert, beispielsweise einem Schmitt-Trigger gesteuert ist. Der über den Schalter 8 auf diese Weise gepulste Scheitelwert gelangt über einen Verstärker 10 als Versorgungsspannung u auf das jeweilige Bordnetz.

Der Ausgang des zweiten Teilreglers oder Mittelwertreglers 1 b ist über ein weiteres Koppelglied 11 mit dem Kopplungsfaktor K 4 und einen weiteren Summationspunkt 8 mit dem Eingang des Schmitt-Triggers 9 bzw. mit einem diesem vorgeschalteten Summationspunkt 12 verbunden. Frequenzbestimmend für die gepulste Versorgungsspannung ist ein freilaufender Generator, beispielsweise ein Sägezahngenerator 13, dessen Sägezahnspannung (ihr Verlauf ist im Schaltungsblock der Fig. 2 angedeutet) im Summationspunkt 12 mit dem Ausgang des Mittelwertreglers 1 b verglichen wird. Summationspunkt 12 und Schmitt-Trigger 9 können auch zu einem "Additions- Schmitts-Trigger" zusammengefaßt sein.

Die Istwerte für den Effektivwert und den Mittelwert werden über eine rückgeführte Verbindungsleitung 14 aus der Versorgungsspannung u gewonnen und gelangen über einen ersten Tiefpaß 15 als Mittelwert zu einem Summationspunkt 16 vor dem Mittelwertregler 1 b, an welchem die Mittelwertistspannung mit der vom Schaltungsblock 5 stammenden Mittelwert-Sollspannung _s verglichen wird. Das Quadrat des Effektivwertes wird durch Zuführung der Versorgungsspannung u zu einem Quadrierglied 17 gewonnen, dem ebenfalls ein Tießpaß 18 nachgeschaltet ist. Der Vergleich des quadratischen Effektiv-Istwertes U ² (dieser ist elektronisch leichter als der Effektivwert U zu realisieren) erfolgt am Summationspunkt 19 mit dem quadratischen Effektiv-Sollwert U _s ², der vom Sollwertgeber 4 zugeführt wird. Über Kopplungsglieder 20 und 21, die jeweils auf die nachgeschalteten Summationspunkte 7 und 8 vom Ausgang des jeweils anderen Reglers einwirken, können die Regelkreise im Arbeitspunkt entkoppelt werden, worauf weiter unten noch eingegangen wird. Zunächst sei aber angenommen, daß die Koppelfaktoren K 2 des Querkoppelgliedes 20 und K 3 des Querkoppelgliedes 21 jeweils Null sind.

Es ergibt sich dann folgende Funktion. Der Effektivwertregler 1 a bewirkt die Pulshöhenregelung und erzeugt bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel auch selbst, sozusagen als eigenes Stellglied, den Scheitelwert û der gepulsten Ausgangsspannung u. Der Mittelwertregler 1 b vervollständigt das Steuerungsprinzip durch eine Pulslängen- oder -breitenregelung, die in Kombination mit der Pulshöhenregelung wirkt und gibt die relative Einschaltdauer a vor.

Da beide Regler 1 a und 1 b einen Integralteil besitzen, werden die Regelabweichungen Δ U ² und Δ stationär zu Null; mögliche Nichtlinearitäten in den Gleichungen (1), (2), die über das multiplikativ wirkende Stellglied 2 verursacht werden, werden also vollständig ausgeregelt. Der freilaufende Sägezahngenerator 13 wirkt frequenzbestimmend; je nach der Höhe des am Eingang des Additions-Schmitt-Triggers 9, 12 anliegenden analogen Ausgangssignals a′ des Mittelwertreglers 1 b und dem zeitlich sich ändernden Anstieg des Sägezahngeneratorsignals ergibt sich das Ein- und Ausschaltverhältnis am Schmitt-Trigger 9 und damit eine Ausgangsrechteckspannung, deren relative Einschaltdauer a die relative Einschaltdauer des elektronischen Schalters 8 bestimmt und damit den Mittelwert der Versorgungsspannung u am Ausgang des Verstärkers 10. Der elektronische Schalter 8 realisiert daher die Zeitfunktion, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist; aus dieser Zeitfunktion u ermitteln die Meßglieder 15 sowie 17 und 18 im Rückführkreis den Mittelwert und den quadratischen Effektivwert U ² und stellen diese Werte an den Reglereingängen zum Vergleich mit den Sollwerten bereit.

Gekoppelt sind die beiden Regelkreise für Effektivwert und Mittelwert über den Stellgliedbereich 2; ändert sich beispielsweise der Sollwert des Effektivwerts U _s ², so wird zunächst die Scheitelspannung û verstellt; danach folgen dann über die Rückführ-Meßglieder 15, 17, 18 verzögert und U. Jetzt stellt auch der Mittelwertregler 1 b eine Abweichung fest und ändert a, und zwar durch Änderung der analogen Ausgangsspannung a′. Hierdurch wird dann wiederum der Soll-Istwertvergleich am Effektivwertregler 1 a beeinflußt usw. Systembedingt ergibt sich daher eine im Verhältnis zur Meßglied-Eckfrequenz vergleichsweise länger Ausregelzeit.

Wird die in Fig. 2 zunächst schematisch in Blockbildform dargestellte Schaltung auf die Regelung der Bordspannung in einem Kraftfahrzeug o. dgl. angewendet, dann können, wie im übrigen auch sonst, die von den Sollwertgebern 4 und 5 erzeugten Sollwerte variabel sein, was insbesondere für den für die Batterieladung zuständigen Sollwert des Mittelwertes _s eine Notwendigkeit ist. Der Mittelwert- Sollwert läßt sich daher im Sollwertgeber 5 noch durch Zuführung der tatsächlichen Batteriespannung U _B , des Batterieladestroms I _B und der Batterietemperatur ϑ _B entsprechend beeinflussen. Auf den hier realisierten Regelbereich und speziell für ein Bordnetz notwendigen Regelbereich wird weiter unten noch anhand der Darstellung der Fig. 8 eingegangen.

Die beiden Regelkreise für Mittelwert und Effektivwert können im Falle eines eingeschränkten Regelbereichs um den Arbeitspunkt, der etwa in Bereichsmitte liegen soll, auch linearisiert werden. Bei geeigneter Wahl der Koppelfaktoren K 1, K 2, K 3 und K 4 der Koppelglieder 6, 11, 20, 21 können damit die Regelkreise im Arbeitspunkt entkoppelt werden. Aus den weiter vorn angegebenen Gleichungen (3) und (4) erkennt man, daß U ² negativ auf a und negativ auf û wirkt; die Querkopplungen über die Glieder 20 und 21 sind daher negativ, wie auch an den Summationspunkten 7 und 8 angegeben. Für Punkte außerhalb des in Fig. 8 dargestellten Regelbereichs führen die negativen Kopplungen zu monotoner Instabilität; für Punkte innerhalb des Bereichs wird dagegen die Regeldynamik deutlich verbessert.

In einer in Fig. 3 dargestellten Variante ist es auch möglich, statt der Regelung von Mittel- und Effektivwert der Spannung eine Regelung von Spitzen- und Effektivwert durchzuführen. Die entsprechende Schaltung ist in Fig. 3 gezeigt; dabei sind mit entsprechenden Schaltungsbereichen in Fig. 2 gleich wirkende Schaltungsbereiche mit einem Beistrich oben am Bezugszeichen versehen; identisch Schaltungselemente tragen das gleiche Bezugszeichen. Zur Erzeugung des Istwerts der Spitzen- oder Scheitelspannung û ist eine diesen Spitzenwert erzeugende Schaltung vorgesehen, die bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 als Abtast- und Halte Schaltung 22 ausgebildet ist. Diese Abtast- und Halte Schaltung 22 wird im Gleichtakt von dem die relative Einschaltdauer a erzeugenden Schmitt-Trigger 9 parallel zum Schalter 8 angesteuert. Anstelle des Sollwertgebers 5 für den Mittelwert ist ein Spitzenwert-Sollwertgeber 23 vorgesehen. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die Sollwertgeber im realen Aufbau Widerstandsteilerschaltungen sein können; bei veränderlichem Sollwert können auch Funktionsgeneratoren, die für sich gesehen bekannt sind, vorgesehen sein, die entsprechend sich ändernden Eingangsdaten von U _B , I _B und ϑ _B einen sich ändernden Ausgangssollwert erzeugen. Die PI-Regler sind für sich gesehen bekannt, desgleichen die Ausbildung von Tiefpässen; auch bei den Koppelgliedern kann es sich um Widerstandsteilerschaltungen handeln, so daß ein detaillierteres Eingehen auf die Blockschaltbilddarstellungen entbehrlich ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist noch zu erwähnen, daß nur eine Änderung im Spitzenwertregler 1 a′ die Effektivwertregelung beeinflußt, nicht dagegen umgekehrt, so daß bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 auch nur ein Kopplungsglied 24, welches vom Ausgang des PI-Reglers für den Spitzenwert mit dem Koppelfaktor K auf den Summationspunkt 25 einwirkt. Eine Querkopplung ist nur vom Spitzen- zum Effektivwert-Regelkreis sinnvoll; alle übrigen Elemente des Aufbaus sowie die Funktion sind so wie in Fig. 2 schon beschrieben.

In Fig. 4a ist nach Art einer Demonstrationsschaltung eine Bordnetznachbildung mit Batterie 26, Lampen 27 und Servomotoren 28 dargestellt. Lampen 27 und Servomotoren 28 sind direkt an die die Versorgungsspannung u (t) führende, von der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung 29 herrührende Leitung angeschlossen; über einen Schalter 30 und eine bezüglich des Stromflusses von der Batterie zur Netzleitung in Sperrichtung geschaltete Diode 31 ist die Batterie 26 an die Leitung angeschlossen; parallel zur Sperrdiode 31 liegt noch ein steuerbarer Halbleiterschalter, vorzugsweise ein Thyristor 32, mit Zündkreis aus Taste 33 und Vorwiderstand 34. Messungen an der Schaltung der Fig. 4a haben ergeben, daß bei abgetrennter Batterie (Schalter 30 geöffnet) durch entsprechende Sollwertverstellung der Effektivwerte und der Mittelwerte am Regler 29, wie weiter vorn schon besprochen, die Helligkeit der Lampen 27 und die Drehzahl des Motors 28 nahezu unabhängig voneinander eingestellt werden können. Diese Regelfähigkeit bleibt auch bei angeschlossener Batterie in erheblichem Maße erhalten, wobei die Diode 31 eine Batterieentladung während der Impulspausen verhindert und es ermöglicht, daß unmittelbar an den Batterieklemmen der Mittelwert _B der Batteriespannung größer als der Effektivwert U an den Ausgangsklemmen des Reglers 29 ist, vgl. hierzu auch die Darstellung der Fig. 4b. In Fig. 4b ist in dünner durchgezogener Linienführung die gepulste Rechteck-Versorgungsspannung u (t) gezeigt; gestrichelt ist die sich zeitlich ändernde Batteriespannung U _B (t) dargestellt; strichpunktiert erkennt man die mittlere Batteriespannung _B . Ist die Leistung des Reglers 29 unzureichend - wenn beispielsweise ein entsprechender Drehstromgenerator bei stehendem Motor eines Kraftfahrzeugs nicht angetrieben ist -, dann erfolgt die Versorgung aus der Batterie durch Drücken der Taste 33 und Zünden des Thyristors 32. Bei ausreichender Reglerleistung (û U _B ) löscht der Thyristor selbsttätig.

Bei einer praktischen Anwendung der Regelvorrichtung für ein Bordnetz sind zwei Fälle zu unterscheiden, nämlich einmal die Speisung von Batterie und Netz aus einer Drehstrom-Lichtmaschine, wie dies bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor erfolgt und schematisch in Fig. 5a in entsprechender Anpassung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung dargestellt ist, und andererseits die Speisung von Batterie und Netz von einer größeren Spannungsquelle, etwa Gleichstromspannungsquelle in Form einer Traktionsbatterie, etwa bei einem Kraftfahrzeug mit Antrieb durch Elektromotor und Energiespeicherung über einen entsprechenden Batterieblock x - Fig. 6a.

Bei der in Fig. 5a dargestellten Speisung von Batterie 26′ sowie der Bordnetzplusleitung 35 über einen Drehstromgenerator 36 als Lichtmaschine erfolgt die Anpassung und Zuordnung so, daß der Erregerstrom If der Feldwicklung 36′ des Drehstromgenerators gesteuert wird vom Spitzenwertregler 1 a′′, der so die Höhe der vom Drehstromgenerator abgegebenen Spannung bestimmt, während der Effektivwertregler 1 b′′ die mittlere Einschaltdauer bzw. die mittlere Anschaltdauer des Drehstromgenerators an die Netzleitung 35 bestimmt. Der Spitzenwertregler 1 a′′ kann in diesem Fall auch als Batterieregler bezeichnet werden, da er auf die Bedürfnisse der Batterie abstellt und über mindestens eine weitere Verbindungsleitung 37 zur Batterie auch ein Batterie-Temperatursignal ϑ zugeführt erhält. Die Spitzenspannung û, die der Batterieregler 1 a′′ zur Erzeugung eines entsprechend proportionalen Erregerstroms der Erregerwicklung 36′ zuführt, ist daher auch eine Funktion der Batterietemperatur. Das Signal a der mittleren Einschaltdauer gelangt vom Effektivwertregler 1 b′′ auf einen elektronischen Schalter 38, vorzugsweise ein steuerbares elektronisches Halbleiterschaltelement und in der praktischen Anwendung, wie in Fig. 7 dargestellt, bestehend aus jeweils drei Plus-Thyristoren 38 a und drei Minus-Thyristoren 38 b in der bekannten Gleichrichterdioden-Brückenschaltung für Drehstromgeneratoren. Es stellt eine besondere Vereinfachung dar, daß in diesem Fall der Zuordnung die in jedem Drehstromgenerator ohnehin vorhandenen Dioden durch diese Thyristoren 38 a, 38 b lediglich zu ersetzen sind, wobei immer gleichzeitig alle sechs Thyristoren 38 a, 38 b vom Effektivwertregler 1 b′′ gezündet werden, und die in Durchlaßrichtung beanspruchten, dabei durchschalten. Die so erzeugten Impulspakete haben dann jeder für sich noch eine gewisse Restwelligkeit, die von den sinusförmigen Phasenspannungen in den Ständerwicklungen u, v, w des Drehstromgenerators herrühren. Der Anschluß der Batterie 26′ beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5a erfolgt dabei in etwa wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4a über einen Thyristor 32′ und eine hierzu antiparallel geschaltete Diode 31′, wobei zur Vermeidung hoher Ladestromspitzen der Stromweg über die Diode 31′ auch durch eine Induktivität 39 noch verdrosselt sein kann. Die sonstigen Verbraucher sind durch den Widerstand 40 insgesamt repräsentiert. Zur Leistungssteigerung kann ergänzend noch ein Freilaufkreis, bestehend aus einer weiteren Induktivität 41 und einer Freilaufdiode 42 vorgesehen sein, so daß auch während der Impulspausen ein bestimmter Stromfluß von der Induktivität und über die Freilaufdiode 42 gegen Minus noch aufrecht erhalten wird. Wird der Grenzstrom der Erregung erreicht, so zündet der Effektivwertregler 1 a′′ über die Verbindungsleitung 43 zusätzlich in den Impulspausen den Thyristor 32′, so daß die Batterie 26′ puffern kann. Der Verlauf einer solchen Versorgungsspannung ist in Fig. 5b dargestellt.

Bei dem Anwendungsbeispiel der Fig. 6a, nämlich Speisung von Batterie und Netz über ein entsprechend ausgebildetes Ladegerät aus einer Traktionsbatterie 44 ergeben sich für die Schaltungselemente in der Zeichenebene rechts von der strichpunktierten Linie 45 gleicher Aufbau und Funktion wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5a, so daß hierauf nicht weiter eingegangen wird. Die Steuerung nach Spitzenwert und Effektivwert erfolgt hier durch die Hintereinanderschaltung von zwei auf einen Hauptunterbrecherschalter 46 einwirkenden Schaltfunktionen, die zwei relative Einschaltdauern a und b bestimmen.

So gibt der Spitzenwertregler 1 a′′ ein relatives Einschaltverhältnis b vor, welches im Block 47 erzeugt wird und sich aus dem Verhältnis der Spitzenspannung û zur Batteriespannung U _{B 1} der Traktions- oder Hauptbatterie 44 bestimmt. Im zeitlichen Verlauf der Netzspannung u₁(t) vor dem Freilaufkreis aus Induktivität 41 und Diode 42 bestimmt sich das vom Spitzenwertregler 1 a′′ vorgegebene relative Einschaltverhältnis b zu t₂/T₂. Die Frequenz der aus dem relativen Einschaltverhältnis b herrührenden Schaltfunktion liegt bei mindestens ca. 500 Hz bzw. läßt sich auf diesen Wert bestimmen. Die relative Einschaltdauer b bestimmt so den arithmetischen Mittelwert ₁(t), der der Regelspannung û entspricht. Durch eine vom Effektivwertregler 1 b′′ herrührende Pulspaketsteuerung über den Schalterfunktionsblock 58, die bei etwa 50 Hz liegt, ergibt sich eine doppelte Schaltermodulation, was im Endeffekt dazu führt, daß sich im Zeitfunktionsverlauf der Fig. 6b hochfrequente Rechteckimpulse der Periodendauer T₂ ergeben, die Pulspakete bilden, die ihrerseits wieder die relative Einschaltdauer von a=t₁/T₁ besitzen. Die Pulspaketformation mit der relativen Einschaltdauer a wird dabei vom Effektivwertregler 1 b′′ bestimmt. Hinter der Induktivität 41 erhält man dann die in Fig. 6b in durchgezogener Form dargestellte Zeitfunktion der Bordnetzspannung u (t), wie sie den Verbrauchern und der Batterie zugänglich gemacht ist und in ihrem Effektivwert sowie in ihrem Spitzenwert getrennt voneinander entsprechend den Erfordernissen von Batterie und sonstigen Verbrauchern geregelt ist.

In dem Diagramm der Fig. 8 ist schließlich noch die mögliche Änderung der Effektivwertspannung U über der arithmetischen Mittelwertspannung innerhalb des sinnvollen Regelbereiches dargestellt, wobei als Parameter das relative Einschaltverhältnis a und die Spitzenspannung û angegeben ist. Es gelten dabei generell die Einschränkungen

0<a1 (5)

und

0 U û (6)

Die Spitzenspannung wird, beispielsweise aus gerätetechnischen Gründen auf 35 V beschränkt. Man erkennt, daß sich ein erheblicher Regelbereich innerhalb des durch den Kurvenverlauf von û=35 V und a=1,0 gegebenen Bereiches erzielen läßt, wobei bei der weiter vorn erwähnten Regelkreis-Entkopplung der beschränkte Regelbereich gilt, der durch das rhombusartige Viereck mit angestrichelter Außenumrandung dargestellt ist. Innerhalb dieses beschränkten Regelbereichs ist der für ein 14-V- Bordnetz notwendige Regelbereich durch den schmalen horizontalen Balken angegeben. Innerhalb dieses nochmals beschränkten Regelbereichs läßt sich regeltechnisch die getrennte Beeinflussung der Batterieladebilanz einerseits und der sonstigen Bordnetzverbraucher andererseits sicher bewerkstelligen.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Speisung von an eine gemeinsame Spannungsquelle angeschlossenen Verbrauchern mit je nach ihren Bedürfnissen unterschiedlichen Spannungs- oder Stromwerten, insbesondere zur Speisung der Verbraucher (Batterie, elektrische Antriebsmotoren, Glühlampen) eines mit einem Drehstromgenerator oder einer Traktionsbatterie verbundenen Bordnetzes mobiler Einheiten, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit einer galvanischen Verbindung der Verbraucher untereinander und mit der gemeinsamen Spannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulshöhenregler (1 a, 1 a′, 1 a″) und ein Pulsbreitenregler (Mittelwertregler 1 b, 1 b′, 1 b″) vorgesehen sind, daß dem Pulshöhenregler der Sollwert eines gewünschten Spannungseffektivwertes und dem Pulsbreitenregler der Sollwert eines gewünschten arithmetischen Spannungsmittel- oder Spannungsspitzenwertes unabhängig voneinander für jeweils zugeordnete Verbraucher zugeführt sind, wobei Pulshöhenregler und Pulsbreitenregler mit einem Stellgliedbereich (2) verbunden sind, in dem eine getaktete Versorgungsspannung erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulshöhenregler als Effektivwertregler (1 a) ein PI-Regler ist und seinem Eingang die Differenz (Δ U²) des Effektivsollwerts (U _s ²) und eines rückgeführten Effektivistwerts (U²) und der dem Scheitelwert (û) der Versorgungsspannung entsprechende Ausgang des Effektivwertreglers (1 a) einem Schalter (8) zugeführt ist, dessen relative Einschaltdauer bestimmt ist von der Ausgangsgröße des Pulsbreitenreglers als Mittelwertregler (1 b).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwertregler (1 b) ebenfalls ein PI-Regler ist und an seinem Eingang die Differenz (Δ û) des arithmetischen Mittelsollwerts ( _s ) oder des Spitzensollwerts (û _s ) und eines rückgeführten arithmethischen Mittel- oder Spitzenistwerts (, û) zugeführt erhält, daß der Ausgang des Mittelwertreglers (1 b, 1 b′, 1 b″) als sich analog ändernde Spannung (a′) einem Vergleicher (12) zugeführt ist, dessen anderer Eingang mit einer monoton ansteigenden Spannung verbunden ist, derart, daß ein nachgeschalteter Zweipunktschalter bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes umschaltet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Mittelwertreglers (1 b) mit dem Eingang eines Additions-Schmitt-Triggers (9) als Zweipunktschalter verbunden ist, dem ergänzend das Ausgangssignal eines Sägezahngenerators (13) zugeführt ist, derart, daß sich am Ausgang des Schmitt-Triggers (9) eine Rechteckschaltspannung mit einem relativen Einschaltdauerverhältnis (a) für den elektronischen Schalter (8) ausgebildeten Schalter des Spannungsspitzenwertes (û) ergibt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektronischen Schalter (8) ein Verstärker (10) nachgeschaltet ist und daß die Ausgangs-Versorgungsspannung (u) über Tiefpässe (15, 18) rückgeführt ist auf Vergleicher (16, 19) in den Eingangskreisen von Effektivwert- und Mittelwertregler (Fig. 2).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückführkreis für den als Pulshöhen- oder Pulsbreitenregler eingesetzten Effektivwertregler (1 a, 1 b′) ein Quadrierglied (17) vorgesehen ist, derart, daß das Quadrat der Effektivspannung verglichen ist mit dem Quadrat der Effektivsollspannung (Fig. 2 und Fig. 3).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Querkopplungsglied (24, 20, 21) zwischen den Ausgängen des Pulsbreitenreglers und des Pulshöhenreglers vorgesehen ist, derart, daß eine Entkopplung der Regelkreise im Arbeitspunkt möglich ist (Fig. 2 und Fig. 3).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dser Pulshöhenregler bei Vergleich von Spitzenwerten als Spitzenwertregler (1 a′) ausgebildet und eine mit der Ausgangsspannung (u) verbundene Abtast- und Halte-Schaltung (22) vorgesehen ist, die im Schaltrhythmus des elektronischen Schalters (8) vom vom Pulsbreitenregler in seiner Ausbildung als Effektivwertregler (1 b′) beaufschlagten Schmitt-Trigger (9) geschaltet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung auf ein von einem Drehstromgenerator (36) versorgtes Bordnetz der Ausgang des Pulshöhenreglers als Spitzenwertregler (1 a″) verbunden ist mit der Erregerwicklung (36′) des Drehstromgenerators und daß in der Verbindungsleitung zwischen Drehstromgenerator und Bordnetz mindestens ein Schalter (38) angeordnet ist, dessen Schaltfrequenz vom Pulsbreitenregler in Ausbildung als Effektivwertregler (1 b″) gesteuert ist (Fig. 5a).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine die relative Einschaltdauer (a) vom Effektivwertregler (1 b″) bestimmende elektronische Schalter (38) gebildet ist von die üblichen Gleichrichterdioden im Drehstromgenerator ersetzenden steuerbaren Halbleitern (Plus- Thyristoren 38 a; Minus-Thyristoren 38 b) und daß die Batterie (26′) zur Ladung aus dem Bordnetz über eine Diode (31′) mit diesen verbunden ist und zur Abgabe von Leistung an das Bordnetz über einen steuerbaren Halbleiterschalter (Thyristor 32′), der bei Erreichen des Erregergrenzstroms vom Spitzenwertregler (1 a″) in den Impulspausen gezündet wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Freilaufkreis zur Leistungssteigerung, bestehend aus einer Reiheninduktivität (41) und einer parallelen Freilaufdiode (42) vorgesehen ist, der den in seinem Erregerstrom gesteuerten und gepulst an das Bordnetz geschalteten Drehstromgenerator (36) mit dem Bordnetz verbindet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung auf ein von einer Traktionsbatterie (44) gespeistes Bordnetz der Pulshöhenregler in der Form eines Spitzenwertreglers (1 a″) und der Pulsbreitenregler in der Form eines Effektivwertreglers (1 b″) jeweils sich überlagernde Schaltfrequenzen an ihren Ausgängen erzeugen und derart einem Hauptschalter (46) zuführen, daß sich als Bordnetzspeisespannung vor einem Freilaufkreis durch Pausen unterbrochene Pulspakete ergeben, die die vom Effektivwertregler (1 b″) vorgegebene relative Einschaltdauer (a) aufweisen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltungsblock (47) vorgesehen ist, der aus der ihm vom Spitzenwertregler (1 a″) zugeführten Scheitelspannung (û) eine erste Ansteuerfrequenz mit relativer Einschaltdauer (b) erzeugt, die einem Schalter (58) zugeführt ist, dessen Schaltfrequenz sich bestimmt aus der Frequenz mit relativer Einschaltdauer (a) vom Effektivwertregler (1 b″) und daß die Ausgangsfrequenz dem Hauptschalter (46) zugeführt ist, der die Traktionsbatterie (44) mit dem Bordnetz verbindet.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter elektronische Leistungsschalter sind.