DE3041200A1 - Verfahren und regler zur begrenzung des gasungsstroms bei batterien, insbesondere bei kraftfahrzeugen - Google Patents
Verfahren und regler zur begrenzung des gasungsstroms bei batterien, insbesondere bei kraftfahrzeugenInfo
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Description
Telefon (O 70 32) 319 99
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Verfahren und Regler zur Begrenzung des GasungsStroms
bei Batterien, insbesondere bei Kraftfahrzeugen
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einem Regler zur Begrenzung der alters- und exemplarabhangigen
Streuung des Gasungestroms bei Starterbatterien, insbesondere
bei Kraftfahrzeugen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bekannt, Stromgeneratoren, die der
Spannungsversorgung eines Bordnetzes dienen, vorzugsweise Drehstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen u. dgl.,
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.
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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 erheblichen Belastungsschwankungen des Generators die Generatorklemmenspannung bis zum Maximalstrom
konstant bleibt. Als Regler sind 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 ergeben sich in diesem Zusammenhang insbesondere mit Bezug auf die Ladung der Starterbatterie des
Kraftfahrzeugs, insbesondere im Winter oder im Stadtverkehr, da bei Kälte der Innenwiderstand der Batterie
erheblich zunimmt, so daß deren Kaltstartleistung stark absinken kann, während bei niedertouriger Drehzahl sehr
häufig ein nur unzureichender Ladestrom erzeugt wird. ISn
hier einen Kompromiß zwischen den Ansprüchen zu finden, die spannungsempfindliche Verbraucher des Bordnetzes
einerseits und andererseits die Ladebedürfnisse der Batterie stellen, wird die vom Drehstromgenerator abgegebene
Generatorspannung, die praktisch mit der Ladespannung
der Batterie identisch ist, vom Feldregler auf einen konstanten Wert eingeregelt.
Dies kann aber bei Starterbatterien für mobile Einheiten, üblicherweise bei Bleiakkumulatoren für Kraftfahr-
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zeuge u. dgl. nachteilig sein, da solche Batterien zur
Volladung eine stark temperaturabhängige Spannung verlangen, wobei außerdem die Gasungseinsatzspannung der
Batterien neben der Batterietemperatur auch von deren Alter abhängt und schließlich einer Exemplarstreuung unterliegt.
Beispielsweise kann bei einer normal warmen Batterie mit üblichen Daten (ca. 40° C warm bei
12V/55Ah) der mögliche Streubereich der Gasungseinsatzspannung zwischen 12,7... 16,OV liegen. Bei einem Innenwiderstand
der Batterie im Gasungsbereich von etwa 0,1 Ohm ist also ein Unterschied im Gasungsstrom bei
gleicher anliegender Spannung von 33 Ά möglich.
Bekannt ist in diesem Zusammenhang ein weiterer Kompromiß zwischen dem Erfordernis einer konstanten Verbraucherspannung
und der variabel gewünschten Batteriespannung im Kraftfahrzeug, der zur sogenannten Knick-Regelung
führt, wodurch sich jedoch bei hohen Temperaturen (//1>35° C)
leicht eine übermäßige Gasung und bei tiefen Temperataren
-5 ° C) ein schlechter Ladezustand der Batterie er
Daher ist der Einsatz eines Knick-Reglers, der auf die
jeweils spezifischen Anforderungen der Batterie keine Rücksicht nimmt, weniger hilfreich, wobei sich als weiterer
Nachteil bei gealterten warmen Batterien die Gefahr des Ausgasens bei längeren Schnellfahrten ergibt,
gleichgültig ob bei Konstantregelung der Bordnetzspannung oder bei Knick-Regelung, denn solche Batterien erwärmen
sich durch einen hohen Gasungsstrom noch weiter, so daß sich ihre Spannung noch stärker erniedrigt.
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Es besteht Bedarf nach einer Regelung, die in der Lage ist, Starterbatterien insbesondere bei Kraftfahrzeugen
gegenüber unzuträglich hohen Spannungen und dadurch bewirkte hohe Gasungsströme zu schützen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Regler jeweils mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten
Verfahrensanspruchs und des ersten Vorrichtungsanspruchs haben demgegenüber den Vorteil, daß der mögliche
Streubereich des Gasungsstromes bei Starterbatterien verkleinert und insbesondere hohe Gasungsströme bei gealterten
Batterien bei längeren Schnellfahrten vermieden werden. Dabei ist eine ausreichende Ladung der Batterie
sichergestellt.
Vorteilhaft ist besonders, daß neben der Berücksichtigung des der Batterie effektiv zufließenden Ladestroms
auch die Batterietemperatur in die Regelung der Generatorausgangsspannung
einbezogen wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist zusätzlich zu der individuellen Regelung der Generatorausgangsspannung
und ihrer Abstimmung auf die jeweils vorhandene Batterie, deren Alter und Temperatur die Möglichkeit, die
Spannung des Bordnetzgenerators entsprechend einer optimalen Ladekennlinie zu regeln, wobei die Absenkung der
Ladespannung bei steigendem Ladestrom zunächst rasch
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und danach langsam erfolgt, so daß eine leere Batterie rasch geladen werden kann, während eine volle Batterie
nur wenig gast.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 in schematischer Darstellung das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs und die Anschaltung
des erfindungsgemäßen Schutzreglers an dieses von einem Drehstromgenerator gespeiste Bordnetz, Fig.
ein Blockschaltbild des Reglers, Fig. 3 eine mögliche Ausfuhrungsform des Blockschaltbildes in detaillierter
Darstellung und Fig. 4 den Verlauf der Generatorspannung über dem Batterieladestrom bei zwei möglichen Ausführungsformen .
Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, den Ladestrom bei Batterien, insbesondere bei Starterbatterien
von Kraftfahrzeugen u. dgl. durch Beeinflussung der das Bordnetz, an welches die Batterie angeschlossen
ist, speisenden Generatorspannung so in individueller Abstimmung auf die jeweils vorhandene Batterie einzustellen,
daß der ntigliche Streubereich des Gasungsstroms verkleinert,
also große Gasungsströme verringert und kleine Gasungsströme vergrößert werden.
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Die Fig. 1 zeigt den Anschluß des der Erfindung zugrundeliegenden Reglers 1 an das Bordnetz, wobei das Grundprinzip
des Zweipunkt-Schaltreglers beibehalten ist, d.h. die Regelung erfolgt auch bei dem erfindungsgemäßen
Regler so, daß der Erregerstrom, der an der Reglerausgangsklemme
DF austritt,periodisch schnell ein- und ausgeschaltet
und die Generatorspannung dadurch eingestellt wird. In Fig. 1 ist die Lichtmaschine für das Bordnetz,
die im folgenden lediglich noch als Drehstromgenerator bezeichnet wird, mit 2 bezeichnet; ihr die Generatorausgangsspannung
führender Anschluß ist mit B+ bezeichnet. Der Widerstand R. steht stellvertretend für sämtliche
Verbraucher des Bordnetzes; der über einen gesonderten Schalter 3 mit der Batterie B verbundene Anlasser für die
Brennkraftmaschine ist mit A bezeichnet. Man erkennt, daß zwischen die die Generatorspannung führende und über
einen Schalter 4 mit den Bordnetzverbrauchern verbundene Leitung 5 und dem Batterieanschluß 6 ein Reihen- oder
Shuntwiderstand Rg. geschaltet ist, so daß dem Regler 1
einmal bei geschlossenem Zündschalter 7 die Generatorausgangsspannung ü_ sowie die Batteriespannung üß zugeführt
ist. Ein weiterer Regleranschluß trägt die Bezeichnung Ulf ; dieser Anschluß ist mit einem der Batterie B zugeordneten
Temperaturfühler 8, beispielsweise einer NTC-Sonde verbunden. Ein weiterer Regleranschluß führt den
Minuspol D-, und schließlich wird dem Regler 1 noch das Ausgangssignal D+ des Drehstromgenerators 2 zugeführt,
und zwar, wie weiter unten noch erläutert wird, zur überspannungsbegrenzung,
wenn etwa die Verbindungsleitung zwischen Generator und Batterie unterbrochen ist.
Das in Fig. 2 dargestellte Blockschaltbild des Reglers
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umfaßt einen ersten Hauptfunktionsblock 9, der aus einem
Vergleicher oder Komparator 9a in Form eines Operationsverstärkers
und einem Summationspunkt 9b besteht. Den beiden Anschlüssen des Operationsverstärkers 9a werden
die über dem Shuntwiderstand Rgn abfallende
Generatorspannung U„ und die Batteriespannung Un zugeführt,
so daß sich an dessen Ausgang ein dem Batterieladestrom I- entsprechendes Signal ergibt, zu welchem ein
Batteriespannungssignal hinzuaddiert wird; der Ausgang des Funktionsblockes 9 wird dann an einem zweiten Summationspunkt
11 zusammengeführt mit dem Ausgangssignal
eines Kennlinienblockes 12, der die gewünschte temperaturabhängige Ladespannungs-Kennlinie Uo (^T) erzeugt. Der
Summationspunkt 11 kann Teil eines nachgeschalteten Schwellwertverstärkers 13, beispielsweise eines als
Schmidt-Trigger geschalteten Operationsverstärkers sein, an dem die Sollspannung Uo {ΰ*) und die um den Ladestromanteil
korrigierte Istspannung UQ + Ri'I» verglichen werden.
Das Ausgangssignal des Schmidt-Triggers 13 gelangt auf eine nachgeschaltete Treiberschaltung 14, an der sich
das Reglerausgangssignal DF ergibt und der Erregerwicklung 15 des Drehstromgenerators zugeführt wird.
Der Detaildarstellung des Feldreglers 1 in Fig. 3 läßt sich entnehmen, daß dem Operationsverstärker 9a die vor dem
Shuntwiderstand R_. anstehende Generatorspannung U-, und
die Batteriespannung Uß über Spannungsteiler aus den Widerständen
R3, RS gegen Masse mit Potentiometer P1 und Vorwiderstand R7 einerseits bzw. den Widerständen R4, R6
gegen Masse mit Vorwiderstand R8 andererseits zugeführt sind. Die Eingangsschaltung des Operationsverstärkers 9a
umfaßt dann noch Kondensatoren C1 und C2 gegen Masse . zur
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Beseitigung der Welligkeit. Der invertierende Eingang (Minus-Eingang) des Operationsverstärkers 9a ist
über Reihenwiderstände R9 und einem als Potentiometer P2 geschalteten Widerstand mit parallelem Kondensator
C5 mit dem nachgeschalteten Summatiönspunkt 9b verbunden.
Durch eine solche Schaltung werden Batteriespannung und Batteriestrom in einem Verstärker
9a gemessen, wobei die vom Meßshunt R . abgegriffene Spannung über zwei geringfügig unterschiedlich
eingestellte Spannungsteiler R3, Pl, R5 bzw. R4, R6 den Differenzeingängen des Verstärkers zugeführt wird. Eine
Änderung in der Ausgangsspannung des Verstärkers wird
daher sowohl durch eine gleich große Änderung der Spannung an den beiden Anschlußpunkten des Meßshunts R , Gleichtaktverstärkung
- wie auch durch eine gegensinnige Änderung der Spannung - Gegentaktverstärkung - herbeigeführt, über die Potentiometer P1 im Eingang des Operationsverstärkers
9a sowie über das Potentiometer P2 im Rückführzweig können Gleichtakt- und Gegentaktverstärkung
getrennt eingestellt werden. Durch eine solche Schaltung gelingt es daher, stark unterschiedliche Ladestromaufnahmen
- verursacht durch Exemplarstreuung und/oder Alterseinflüsse - durch die Messung des Batteriestroms und die
entsprechende "Statik" des Feldstromreglers zu vermeiden. Die Reduzierung der Lichtmaschinenspannung mit ansteigendem
Batteriestrom erfolgt dabei nach der Beziehung
ÜG ' ÜGO - R1 * 1BL'
Eine solche Regelkennlinie verläuft dann entsprechend der Kurve I in Fig. 4 Generatorspannung IL, über dem Batterieladestrom
I131..
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Die Einbeziehung der Temperatürabhängigkeit erfolgt am
nachgeschalteten zweiten Operationsverstärker 16, dem
über den Widerstand R15 das Ausgangssignal des ersten
Operationsverstärkers 9a am Summationspunkt 9b zugeführt wird, und zwar dessen negierendem Eingang.
Der andere Eingang erhält vom Kennlinienblock 12 das
Batterietemperatursignal U/^"zugeführt/ welches zur
Schwellwerteinstellung mit einem Vorspannungssignal aus dem Spannungsteiler des Potentiometers P4 in Reihe
mit dem Widerstand R17 gemischt wird. Der Kennlinienblock
12 umfaßt den NTC-Widerstand Ri2, mindestens eine Zenerdiode
Z4 in Parallelschaltung zu diesem, die in Reihe mit zwei Dioden D2 und D3 geschaltet sein kann; diese
Schaltung liegt über die Parallelschaltung eines Potentiometers P3 und eines Widerstandes R11 an der eine
stabilisierte Spannung Ue. führenden Versorgungsstroraschiene.
Die stabilisierte Spannung wird von einem Versorgungsblock 17 erzeugt, der in für sich gesehen bekannter Weise
aus der Generatorspannung UQ mit Hilfe eines Reihentransistors
T11 und mindestens einer Zenerdiode Z1, Z2 die stabilisierte Spannung erzeugt.
Das Ausgangssignal äes Schmidt-Triggers 13 gelangt über eine Reihen-Zenerdiode Z5 auf einen vorzugsweise integrierten
Darlington-Transistor T3 mit vorgeschaltetem Treibertransistor T2 in üblicher Schaltung, wobei die
Erregerspule 15 des Drehstromgenerators mit den zusammengefaßten
Kollektoren des Darlington-Transistors verbunden und gegen Masse geschaltet ist.
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4lh
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
im Eingangsbereich des ersten Operationsverstärkers 9a eine Diode D5 parallelgeschaltet, und zwar bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel zwischen die Verbindungspunkte jeweils des Potentiometers P1 mit dem Widerstand
R7 und des Widerstandes R4 mit dem Widerstand R8 im anderen Spannungsteilerzweig. Die Diode D5 weist eine
nur geringe Schleusenspannung auf,und sie vermindert bei Überschreiten einer bestimmten Differenzspannung am
Meßshunt R-. die GegentaktverStärkung, so daß die Absenkung
der Ladespannung entsprechend dem Kurvenverlauf II in Fig. 4 bei steigendem Ladestrom zunächst rasch
und dann langsam erfolgt, so daß eine leere Batterie rasch geladen werden kann und eine volle Batterie nur
wenig gast. Im übrigen kann als Meßshunt durchaus auch ein Stück der Batteriezuleitung zum Zündschloß benutzt
werden; es ist also nicht erforderlich, hier einen gesonderten Widerstand vorzusehen. Der Widerstandswert des
Meßshuntes kann beispielsweise bei 4 mOhm liegen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung vorliegender Erfindung .besteht in der Anordnung eines tiberspannungsschutzes,
der dann wirksam wird, wenn etwa die Verbindungsleitung zwischen Generator und Batterie aufgetrennt
wird. Dieser überspannungsschutz besteht darin, daß die für die Ansteuerung der Ladekontrolleuchte 10 in Fig. 1
benötigte Lichtmaschinenausgangsspannung D+ über einen Widerstand R10 in Reihe mit mindestens einer Zenerdiode
Z3 und bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einer weiteren Diode D1 ebenfalls auf den Verbindungspunkt des
Potentiometers P1 und des Widerstandes R7 im Spannungsteilerzweig für die Generatorspannung U- gelangt. Die
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Diode D1 sperrt dabei die negative Stromrichtung, so daß die zur Speisung der Erregung bereitgestellte Spannung
an der Klemme D+ den Feldstromregler bei einer Spannung,
die oberhalb der Durchlaßspannung der Zenerdiode Z 3 liegt, über den ersten Operationsverstärker 9a so beeinflußt,
daß dieser die Erregung des Generators abschaltet. Wie üblich wird die für die Erregung bereitgestellte
Spannung an der Klemme D+ auch der Endstufe des Feldstromreglers als Versorgungsspannung zugeführt.
Bei einem erfindungsgemäßen Feldstromregler für Drehstrom-Lichtmaschinen
von 14V ergaben sich dann folgende Daten:
Prinzip: Zweipunkt-Schaltregler Versorgung: über die Erregerdioden des Drehstromgenerators
Regelgröße: Generatorspannung nach Kennlinie üG =
Statik: Ri einstellbar 50 ... 200 mOhm Meßgrößen: Batterie-Temperatur ifl « -20 ... +60° C
B Batterie-Strom In ■ -50 ... +50 A
Stellgröße: Erregerspannung: 0 oder UQ;
Erregerstrom: 0 ... 4 Ά überspannungsschutz: Wird wirksam bei Auftrennen der
Verbindungsleitung zwischen Generator
und Batterie
Claims (11)
- Dipl. Ing. P«for Ott· 7033 Herrenberg (Kuppingen)Patentanwalt EifelstraBe 7Telefon (0 70 32) 319 991528/ot/wi
2. Okt. 1980Firma ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1Patentansprüchef 1. Verfahren zur Begrenzung der alters- und exemplarab- —^ hängigen Streuung des Gasungsstroms von Starterbatterien, insbesondere bei Kraftfahrzeugen u. dgl., bei denen die von einem elektrischen, von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generator (Drehstromgenerator) erzeugte, der Ladespannung entsprechende Generatorspannung geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige in die Batterie fließende Ladestrom (I _) gemessen und die Generatorspannung (üQ) und damit die Ladespannung in Abhängigkeit des gemessenen Ladestroms reduziert wird derart, daß unter Berücksichtigung des jeweiligen Batterie-Innenwiderstands große Gasungsstr&ne verringert und kleine Gasungsströme vergrößert werden. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Einstellung des Batterieladestroms die jeweilige Batterietemperatur berücksichtigt wird.1528/ot/wi2. Okt. 1980 - 2 -
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei steigendem Ladestrom die Ladespannung zunächst schnell und anschließend langsam abgesenkt wird derart, daß sich bei leerer Batterie eine rasche Ladung ergibt bei nur geringem Gasungsverhalten einer vollen Batterie.
- 4. Regler zur Begrenzung der alters- und exemplarabhängigen Streuung des Gasungsstroms von Starterbatterien, mit einem Stellglied für den der Erregerwicklung zuzuführenden Erregerstrom, zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßshunt (Rgh) zwischen den das Bordnetz versorgenden Generatorausgangsanschluß und die Batterie (B) geschaltet ist, daß die beiden über dem Meßshunt (Rgh) abgegriffenen Spannungen (üQ, üß) derart einem Verstärker (9a) eines ersten Funktionsblocks (9) zugeführt sind, daß Batteriespannung (U0) und Batterieladestrom (I_T) in die-D DL·sem einen Verstärker bestimmt sind, daß dem ersten Funktionsblock eine schwellwertempfindliche Schaltung (Verstärker 13) nachgeschaltet ist, dessen anderem Eingang von einem Kennlinienblock (12) eine temperaturabhängige Batteriesollspannung (U /J^) zugeführt ist.
- 5. Regler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (9a) des ersten Funktionsblocks (9) ein Operationsverstärker ist, dessen beiden Eingängen die am Meßshunt (Rgh) abgegriffenen Spannungen über jeweils geringfügig unterschiedlich eingestellte Spannungsteiler zugeführt sind derart, daß sowohl eine1528/ot/wi2. Okt. 1980 - 3 -gleich große Änderung der Spannung im Sinne einer Gleichtaktverstärkung als auch eine gegensinnige Änderung der Spannung im Sinne einer Gegentaktverstärkung eine Änderung der Ausgangsspannung des Verstärkers bewirken.
- 6. Regler nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der Eingangsspannungsteiler ein erstes Potentiometer (P1) und in einem den Batterlespannungs-Eingangsspannungsteiler (R4, R6, R8) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (9a) verbindenden Rückführnetzwerk (R9, P2, C5) ein zweites Potentiometer (P2) angeordnet ist zur getrennten Einstellung der Gleichtakt- und der Gegentaktverstärkung.
- 7. Regler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt (Summationspunkt 9b) des Rückführnetzwerks und des Operationsverstärkerausgangs mit dem einen Eingang eines zweiten, als Schmidt-Trigger geschalteten Operationsverstärkers (16) verbunden ist, dessen anderem Eingang von dem Kennlinienblock (12) die temperaturabhängige Batteriesollspannung (Uiß-*) zugeführt ist.
- 8. Regler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennlinienblock einen die Batterietemperatur erfassenden temperaturabhängigen NTC-Widerstand (R12) und eine Zenerdiode (Z4) umfaßt.
- 9. Regler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß NTC-Widerstand (RI2) und Zenerdiode (Z4) parallel und1528/ot/wi2. Okt. 1980 - 4 -in Reihe mit einem einstellbaren Widerstand (HI1, P3) geschaltet sind und daß der Ausgang des Kennlinienblocks mit einem einstellbaren Spannungsteiler (P4, R17) am Eingang des zweiten Operationsverstärkers(13) verbunden ist.
- 10. Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannungsteilerschaltungen (R3, P1, R7, R5; R4, R6, R8) für die Generatorspannung (U.J und die Batteriespannung (ü_) am Meßshunt (Rsh) von einer Diode (D5) mit geringer Schleusenspannung überbrückt sind derart, daß sich bei überschreiten einer bestimmten Differenzspannung die GegentaktverStärkung vermindert zur Erzielung eines geknickten Ladespannungsverlaufs.
- 11. Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als überspannungsschutz die Erregerversorgungsspannung an der Klemme (D+) des Drehstromgenerators (2) über eine Zenerdiode (Z3) und eine weitere Diode (D1) einem der Anschlüsse des Operationsverstärkers (9a) des ersten Funktionsblocks (9) zugeführt ist derart, daß die Erregung des Generators bei einer Spannung oberhalb der Durchlaßspannung der Zenerdiode (Z3) abgeschaltet wird.ORIGINAL INSPECTED
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