DE3228484A1 - Verfahren und vorrichtung zur spannungsregelung an einem gleichstromgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Gleichstromgenerators, z.B. eines Drehstromgenerators mit angebautem Gleichrichter, welcher in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, um mittels einer Akkumulatorbatterie dessen elektrisches Netz zu versorgen; sowie eine Anordnung zur Spannungsregelung an einem elektrischen Generator, welche nach diesem Verfahren arbeitet.

Die ersten Gleichstromgeneratoren wurden bei Kraftfahrzeugen hauptsächlich zur Aufladung einer Akkumulatorbatterie verwendet, mit der der elektrische Anlasser für den Fahrzeugmotor angetrieben wurde. Die ersten Zündungssysteme für Kraftfahrzeugmotoren funktionierten mittels sog. Magnetzünder, d.h. Wechselstromgeneratoren, die direkt eine Hochspannung abgaben. Dadurch war der Einbau einer Akkumulatorbatterie in das Fahrzeug nicht erforderlich. Sobald jedoch eine Akkumulatorbatterie in das Fahrzeug eingebaut wurde, fanden die Automobilkonstrukteure zahlreiche Verwendungen für diese komplexe Gleichstromquelle, das aus der eigentlichen Batterie bestand, die ständig von einem "Dynamo", d.h. einer Lichtmaschine nachgeladen wurde. Beispiele für solche Verwendungen sind: Spulenzündung mit Unterbrecher, die besonders bei niederen Motordrehzahlen wirksamer war, Fahrzeugbeleuchtung und zahlreiche Antriebe für Zusatzgeräte. Diese verschiedenen Verbraucher, insbesondere die Glühlampen der Fahrzeugbeleuchtung, machten eine Stabilisierung der Batterielad^pannung notwendig, um beispielsweise ein zu rasches Durchbrennen der Glühwendeln zu vermeiden. Im allgemeinen waren solche Lichtmaschinenregler mit einer Wicklung zur Spannungsregulierung und einer Wicklung zur Stromregulierung ausgerüstet, die bei überschrei-. ten der Nennspannung und/oder des Nennstromes die Feldwicklung der Lichtmaschine auf einen Vorwiderstand umschalteten, so daß die Erregungsstromstärke verringert wurde. Außerdem wurde dieser Regler, durch eine sog. An- und Abschaltvorrichtung ergänzt, die eine Verbindung zwischen Lichtmaschine und Akkumulatorbatterie, die ihrerseits das elektrische Fahrzeugnetz mit Strom versorgte, nur dann herstellte, wenn die Spannung der Lichtmaschine höher war als diejenige der Batterie.

Mit Einführung der Drehstromgeneratoren mit angebautem Gleich-

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richter vereinfachte und beschränkte sich der Batterieladeregler auf eine einfache Spannungsstabilisierungsschaltung, da sich der Drehstromgenerator wegen der Sättigung seines Magnetkreises wie eine Reaktanz (Blindwiderstand) verhält, die (der) bei konstanter Spannung den abgegebenen Strom auf einen Höchstwert begrenzt, so daß keine Gefahr der Überhitzung der Ankerwicklungen besteht.

Dieses vereinfachte Regelverfahren, das bei Drehstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen verwendet wird, benutzt elektromechanische Regler mit Kontakten oder elektronische Regler. Insbesondere für die Batterie weist dieses Verfahren jedoch gewisse Nachteile auf. Wird beispielsweise durch ein Plattenbruchstück ein kurzzeitiger Kurzschluß zwischen zwei Batterieplatten verursacht, sinkt die Batteriespannung beträchtlich.

Der Regler stabilisiert nun die Batterie-Ladespannung in der Nähe ihres Maximalwertes, so daß die Batterie mit hoher Stromstärke überladen wird. Die Batterieplatten werden dadurch rasch völlig zerstört.
Wenn der Benutzer des Kraftfahrzeuges die Elektroanlage wenig beansprucht, beispielsweise bei längeren Fahrten am Tage auf trockenen Straßen, so wird die schon bei Antritt der Reise ausreichend geladene Batterie durch die Steuerung des Drehstromgenerator-Reglers ständig leicht überladen. Hat sich durch eine Drift der Bauteile in Richtung auf Spannungserhöhung der Regler verstellt, bewirkt die Überlastung"im Normalbetrieb" der elektrischen Anlage die Zerstörung der Batterie und derjenigen elektrischen Bauteile, die einer Spannungserhöhung nicht standhalten, wie beispielsweise der Glühlampen.

Untersuchungen in letzter Zeit über die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bei Kraftfahrzeugen haben gezeigt, daß der Antrieb des Drehstromgenerators durch den Motor sich bei einem Pkw im Stadtverkehr in einem Mehrverbrauch von bis zu einem Liter pro Hundert Kilometer äußert. Die Verringerung der elektrischen Verluste bei drehbewegten Gleichstromgeneratoren, die in Fahrzeuge eingebaut sind, erfordert eine bessere Ansteuerung des Erregerstromkreises, der in der Tat ständig unter Spannung steht und beträchtliche Verluste hervorruft, auch wenn der Drehströmgenerator keine Energie in die elek-

trische Anlage des Fahrzeugs einspeist. Um die Gefahr einer Überladung der Batterie besonders bei schweren Langstreckenfahrzeugen und auch um die thermische Belastung des Erreger- ο Stromkreises für Drehstromgeneratoren zu verringern, wurde schon vorgeschlagen, die Erregung des Drehstromgenerators völlig abzuschalten, wenn die Ladespannung der Batterie einen Schwellenwert erreicht, der einer Überladungsspannung entspricht, und sie wieder einzuschalten, wenn die Batteriespannung unter diesen überladungsspanungswert absinkt. Die Erfahrung hat gezeigt, daß bei diesem Regelungsverfahren eine Zerstörung der Batterie durch Überladung verhindert wird, daß sich jedoch die elektrischen Verluste und die Erwärmung des Drehstromgenerators praktisch nicht verringern. Eines der Ziele der Erfindung besteht darin, den Erregerstromkreis einer Wechselstromlicht/^{30 1116}SO zu regeln, daß die Batterie vor zu hohen Ladeströmen geschützt und gleichzeitig in einem guten Ladezustand erhalten wird, und daß die Energieverluste an der Lichtmaschine, ■ die bei längerem Betrieb zu deren - Erwärmung führen, beträchtlich verringert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Regelung der Ausgangsspannung eines mechanisch angetriebenen Gleichstromgenerators, wie beispielsweise einer Lichtmaschine oder eines Drehstromgenerators mit angebautem Gleichrichter, der mindestens eine Akkumulatorbatterie, die als Puffer-Stromversorgung an ein elektrisches Verbrauchernetz angeschlossen ist, nachlädt und dieses Verbrauchernetz mit elektrischer Energie versorgt. Eine An- und Abschaltvorrichtung stellt dabei eine Verbindung zwischen Generator und Verbrauchernetz bzw. Batterie erst dann her, wenn die Generatorspannung der Batteriespannung etwa gleich ist oder darüber liegt, und eine Netzspannungsvergleichsschaltung bewirkt die Abschaltung oder

Verringerung des Generatorerregerstromes, wenn diese Netzerfind ungsgemäße spannung einen oberen Grenzwert übersteigt. Das/Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Vergleichsschaltung die Spannung an den Klemmen der Batterie überwacht und einerseits den Erregerstromkreis völlig unterbricht, wenn die Klemmenspannung an der Batterie einen oberen Schwellenwert erreicht, der ziemlich genau der normalen maximalen Ladespannung der Batterie entspricht, und die andererseits den

Erregerstromkreis des Generators einschaltet oder wieder einschaltet, unabhängig von einer eventuellen Abschaltung durch die An- und Abschaltvorrichtung, wenn die Batterieklemmenspannung unter einem unteren Schwellenwert liegt, bzw. auf diesen Wert zurückgefallen ist, der ziemlich genau der garantierten Nennspannung der Batterie entspricht, sodaß der Erregerstromkreis nacheinander während einer Anstiegsphase der Batteriespannung bis zum normalen maximalen Ladespannungswert, ausgehend von der garantierten Nennspannung oder gegebenenfalls einem darunter liegenden Wert, geschlossen und dann geöffnet, d.h. unterbrochen wird während der Abstiegsphase der Batteriespannung vom normalen maximalen Ladespannungswert bis zur Nennspannung oder ggf. bis zum Stillstand des Generators, um bei gleicher abgegebener elektrischer Leistung Verluste und die Erwärmung des Generators zu verringern. Der obere Schwellenwert sollte dabei vorzugsweise auf einen etwas geringeren Wert als die normale maximale Ladespannung der Batterie eingestellt werden, um ein Abschalten des Erregerstromkreises zu bewirken, bevor im Falle eines zufälligen Absinkens der Batteriespannung die Batterie mit einem zu hohen Ladestrom belastet wird.

In einer besonders für Kraftfahrzeuge geeigneten Ausführungsform läuft die Verbindung zwischen Spannungsvergleichschaltung und Batterie über einen Schalter, dessen Stellung vom normalen Betriebszustand des Generators abhängt. Ein solcher Schalter kann der Schalter zur Inbetriebnahme des Generators sein oder, im Falle eines Fahrzeuges, in das der Generator eingebaut ist, der Schalter zur Inbetriebnahme des Fahrzeuges (Zündschalter, Fahrschalter). Dadurch wird die Spannungsvergleichsschaltung von der Batterie abgetrennt, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist, und eine Entladung der Batterie wird verhindert.

In einer Ausführungsform der Erfindung, die deren Anwendung auf vorhandene und mit Spannungsreglern bekannter Art bestückte Gleichstromgeneratoren gestattet, wird die Batterievergleichsschaltung zusätzlich zu dem Standard-Regler geschaltet, der die Verringerung und/oder die Unterbrechung des Erregerstromes für den Generator bewirkt, sobald die Ausgangsspannung am Generator einen oberen Grenzwert erreicht.

Auf diese Weise wird der Anstieg dieser Ausgangsspannung über den oberen Grenzwert hinaus verringert und sie wird gegebenenfalls auf diesen Wert stabilisiert. Der obere Grenzwert der Generatorausgangsspannung, der als oberer Schwellenwert für das Ansprechen des Standard-Reglers benutzt wird, wird dabei auf einen etwas höheren Wert als die normale maximale Ladespannung eingestellt, so daß im Normalfalle die Steuerung und gegebenenfalls die vollständige Unterbrechung des Generätorerregerstromkreises ausschließlich von der Batteriespannungsvergleichsschaltung vorgenommen wird, während die vorhandene Standard-Spannungsvergleichsschaltung in eventuellen Notfällen eine Ersatzfunktion übernimmt.

In einer Variante wird der obere Grenzwert der Generatorausgangsspannung, der als oberer Schwellenwert des Standard-Reglers dient, auf einen etwas niedereren Wert als die maximale Ladespannung der Batterie eingestellt, so daß die Anstiegsgeschwindigkeit der Batteriespannung, nachdem sie diesen oberen Stellenwert des Standard-Reglers erreicht hat, verlangsamt wird und sich somit die Betriebsdauer des Generators in einem Spannungsbereich in der Nähe der normalen maximalen Batterieladespannung verlängert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird bei einem Ausgangsspannungs-Regler an einem mechanisch angetriebenen Gleichstromgenerator benutzt. Ein solcher Gleichstromgenerator ist beispielsweise eine Lichtmaschine oder ein Drehstromgenerator mit angebautem Gleichrichter, die mindestens eine Akkumulatorbatterie, die als Puffer-Stromversorgung an ein elektrisches Verbrauchernetz angeschlossen ist, nachladen und dieses Verbrauchernetz mit elektrischer Energie versorgen. Der Regler enthält dabei einen Unterbrecher für den Generatorerregerstromkreis, welcher durch eine elektrische Schaltung, beispielsweise ein Relais, oder eine elektronische Schaltung, beispielsweise einen Transistor oder Thyristor, betätigt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß dieser Unterbrecher durch einen Vergleicher-Baustein (Komparator) gesteuert wird, der an die Klemmen der Batterie angeschlossen ist, um deren Spannung nachzumessen und der so eingestellt ist, daß einerseits ein oberes Schwellenwertsig-

nal an den Unterbrecher abgegeben wird, um den Generatorerregerstromkreis zu unterbrechen, wenn die Batteriespannung einen Wert in der Nähe oder leicht unterhalb der normalen maximalen Batterieladespannung übersteigt, und daß andererseits ein unteres Schwellwertsignal an den Unterbrecher abgegeben wird, um den Generatorerregerstromkreis wieder einzuschalten bzw. einzuschalten, wenn die Batteriespannung einen Wert in der Nähe oder unterhalb der garantierten Batterienennspannung unterschreitet.

Vorzugsweise ist zwischen Spannungskomparator und Batterie ein Schalter einzufügen, so daß die Stromversorgung des Komparators unterbrochen werden kann, wenn der Generator nicht in Betrieb ist. Dieser Schalter wird duch den Schalter für die Inbetriebnahme des Generators betätigt, d.h. geschlossen, oder, im Falle eines in ein Fahrzeug eingebauten Generators, durch den Schalter für die Inbetriebnahme des Fahrzeugs (Zündschalter, Fahrschalter).

In einer praktischen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Vergleichsschaltung einen elektronischen Operationsverstärker in Komparatorschaltung, der von der Batterie mit Spannung versorgt wird, deren positiver Eingang durch ein Widerstandsnetzwerk so vorgespannt ist, daß die Batteriespannungsdifferenz zwischen oberem und unterem Schwellenwert eingestellt werden kann, und dessen Ausgang mit dem Unterbrecher für den GenerätorerregerStromkreis verbunden ist.

Der negative Eingang des elektronischen Operationsverstärkers ist über mindestens einen Polarisationswiderstand und mittels einer mit mindestens einem Filterkondensator ausgerüsteten Schaltung, bei der eine Zenerdiode den oberen bzw. unteren Schwellenwert festlegt, mit der Batterie verbunden. Der Unterbrecher für den Generatorerregerstromkreis umfaßt einen Steuertransistor, dessen Basis mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist und dessen Emitter mit der Basis eines Leistungstransistors verbunden ist. Dieser Leistungstransistor bildet den eigentlichen Schalter zur Unterbrechung des Generatorerregerstromkreises. Sein Kollektor ist mit diesem Erregerstromkreis mittels einer Schaltung verbunden, von der mindestens eine Schutzdiode (Leerlaufdiode) abzweigt.

Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren hervor, die zum besseren Verständnis- als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung gegeben werden. Es zeigt:

Figur 1 ein schematisches Schaltbild mit verschiedenen Bestandteilen eines Spannungsreglers gemäß der Erfindung, eingebaut in die elektrische Anlage eines Kraftfahrzeuges.

Figur 2 ein Diagramm mit dem Verlauf der Batterieklemmenspannung in Abhängigkeit von der Zeit für den Regler gemäß Fig. 1; und

Figur 3 ein elektrisches Schaltbild eines Spannungskomparators und eine elektronische Unterbrecherschaltung für den in Fig. 1 dargestellten Erregerstromkreis.

Die elektrische Schaltung gemäß Fig. 1 für ein Kraftfahrzeug enthält eine Akkumulatorbatterie 1, deren negativer Pol mit der Fahrzeugmasse verbunden ist und deren positiver Pol über ein Versorgungskabel 2 mit den verschiedenen Verbrauchern an Bord des Fahrzeugs verbunden ist. Solche Verbraucher sind beispielsweise: Stromkreise für Fahrzeugbeleuchtung 3, elektrische Antriebe, wie z.B. ein Anlasser 4 und eine nicht abgebildete elektrische Zündanlage des Fahrzeugmotors. Das Versorgungskabel 2 ist mit einem drehbewegten Gleichstromgenerator verbunden, der hier durch den Drehstromgenerator mit angebautem Gleichrichter 5 gebildet ist (sog."Drehstromlichtmaschine"), der mittels eines Keilriemens mit hoher Drehzahl vom Fahrzeugmotor angetrieben wird. Der eigentliche mehrphasige Drehstromgenerator 6 ist mit einer umlaufenden . Gleichstrom-Erregerwicklung 7 ausgerüstet, die über hier nicht abgebildete Schleifbürsten mit Strom versorgt wird und die gegebenenfalls durch zusätzliche Permanent-Erregermagnete ergänzt werden kann.

Die Wicklungen des Drehstromgenerators 6 liefern über eine Gleichrichterbrücke 8, die hier außenliegend abgebildet ist, jedoch meist in ein Lagerschild des Drehstromgenerators eingebaut ist, und über das Versorgungskabel 2 gleichgerichteten Strom an die Batterie 1. Die Erregerwicklung 7 ist einerseits an den Ausgang des Generators vor Leistungsdio-

den 9 der Gleichrichterbrücke 8 mittels einer eigenen Gleichrichterschaltung und andererseits an die Fahrzeugmasse mittels Spannungsreglern angeschlosssen.

Der in Fig. 1 schematisch abgebildete Standard-Regler 10 (Tirill-Regler, Schnell-Regler) besteht funktionell, aus einem Umschaltkontakt (gegen Masse oder gegen einen Strombegrenzungsvorwiderstand), der durch eine Meßschaltung betätigt wird, die die Ausgangsspannung des Drehstromgenerators mit Gleichrichter 5 kontrolliert. Solche Standard-Regler existieren in vollelektronischen oder elektromechanischen kontaktgesteuerten Ausführungen und sind entweder in der Nähe der Batterie eingebaut, um sich an deren Spannungskennlinie in Abhängigkeit von der Temperatur besser anzugleichen, oder in den Drehstromgenerator mit Gleichrichter integriert. Durch die Leistungsdioden 9 wird ein Stromfluß von der Batterie 1 in die Wicklungen des Drehstromgenerators 6. verhindert; sie dienen somit als An- und Abschaltvorrichtung (Rückstromschalter) für den Generatorstromkreis, wenn der Generator stillsteht oder mit zu niederer Drehzahl läuft, so daß keine elektrische Energie in das Verbrauchernetz abgegeben und/oder die Batterie nicht nachgeladen wird.

Gemäß Erfindung wird der Ausgang des Standard-Reglers 10 zur Masse über einen Schalter 11 geführt, der seinerseits durch eine elektronische Leistungsstufe 12 angesteuert wird. Diese Leistungsstufe wird im Einzelnen anhand von Fig. 3 beschrieben. Der Schalter 11 mit mechanischer oder elektronischer Betätigung verbindet oder unterbricht die Verbindung der Erregerwicklung 7 zur Masse je nach Ansteuerung durch die Leistungsstufe 12. Die Leistungsstufe 12 wird ihrerseits durch einen in Fig. 3 näher dargestellten Spannungskomparator 13 gesteuert und ist mittels eines Schalters 14 mit dem positiven Pol der Batterie 1 verbindbar. Die Rückführung der verschiedenen Ströme zum negativen Pol der Batterie erfolgt über die Masseanschlüsse der Bauteile des Schalters 11, der Leistungsstufe 12 und des Spannungskomparators 13.

Das elektronische Schaltbild des Spannungskomparators 13

und der Leistungsstufe 12 ist in Fig. 3 dargestellt. Der Spannungskomparator 13 besteht im wesentlichen aus einem elektronischen Operationsverstärker 15, der in Komparatorschaltung eingebaut ist. Der Operationsverstärker wird an der Stelle 16 vom positiven Pol der Batterie über den Schalter 14 mit Strom versorgt. Dieser Schalter 14 wird üblicherweise bei einem Fahrzeug, das mit der Spannungsregelung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist, durch den Zündschalter mit dem Zündschlüssel des Fahrzeugs betätigt. Der positive Eingang des Operationsverstärkers 15 wird durch Widerstände 17, 18 und 19 sowie durch einen Einstellwiderstand 20 vorgespannt. Letzterer ist zwischen positivem Eingang und Ausgang 21 des Operationsverstärkers 15 eingefügt. An der Stelle 22 ist der Operationsverstärker 15 direkt mit dem Pluspol der Batterie (1) verbunden. Der negative Eingang des Operationsverstärkers 15 ist über einen Vorwiderstand 23 und eine Leitung, von der ein Filterkondensator 24 und eine Zenerdiode 25 zur Masse abzweigen, welche (25) Ein- und Ausschaltpunkt des Operationsverstärkers 15 festlegt, an der Stelle 16 mit dem Pluspol der Batterie verbunden.

Durch den Einstellwiderstand 20.wird der Abstand zwischen diesen beiden Schaltpunkten bestimmt. Der Ausgang 21 des Operationsverstärkers 15 ist mit der Basis eines Steuertransistors 26 verbunden, dessen Emitter über einen Vorwiderstand 27 an der Basis eines Leistungstransistors 28 liegt. Der Emitter des Leistungstransistors 28 wird durch einen Widerstand 29 vorgespannt und ist an der Stelle 16 mit dem Pluspol der Batterie 1 verbunden. Der Kollektor des Leistungstransistors 28 steuert/eine Leitung 30 den Schalter 11. Von dieser Leitung 30 zweigt eine Schutzdiode (Leerlaufdiode) 31 ab, um die beim öffnen des Schalters auftretenden Überspannungen zu begrenzen.

der
Die Wirkungsweise/anhand der Fig. 1 und 3 beschriebenen Spannungsregelungsschaltung ist folgende, wobei die Spannungsschwankungen an den Klemmen der Batterie und am Versorgungskabel 2 für die verschiedenen elektrischen Verbraucher im Diagramm der Fig. 2 dargestellt sind.

Der Fahrer des mit der Spannungsregelung gemäß Erfindung

ausgerüsteten Fahrzeugs schaltet die Zündung ein. Die Fahrzeugbatterie ist normalerweise mehr als zur Hälfte der Maximal-Kapazität geladen und die Spannung liegt leicht über der normalen Nennspannung, die bei den üblicherweise in Kraftfahrzeugen verwendeten Bleibatterien pro Zelle etwa zwei Volt (2 V) beträgt. Die Gesamtspannung der elektrischen Anlage beträgt in den meisten Fällen 12 Volt. Im Punkt 32 des Diagramms ist diese Ausgangsspannung von beispielsweise 12,5 V aufgetragen. Um den Motor zu starten, betätigt der Fahrer den Anlasser. Da die Batterie hierbei beträchtliche Stromstärken abgeben muß (100 bis 200 Ampere), sinkt die Batteriespannung auf kritische Werte zwischen ca. 8 und 10 V (Punkt 33 des Diagramms) ab. Bei Inbetriebnahme der Zündanlage des Fahrzeugs ist die Batteriespannung höher als die Ansprechschwelle der Zenerdiode 25 und die Erregerwicklung 7 ist durch den Schalter 11 von der Masse getrennt. Sobald jedoch im Punkt 33 des Diagramms der Anlasser betätigt wird, sinkt die Batteriespannung unter ihren Normalwert (von 12 V) und die Zenerdiode 25 schaltet den Operä- tionsverstärker 15 ein, der nunmehr die Leistungsstufe 12 ansteuert. Diese schließt den Schalter 11, wodurch die Erregerwicklung 7 über den Standard-Regler 10, dessen Kontakt bis zu Batteriespannungen leicht oberhalb der normalen maximalen Ladespannung gleichzeitig geschlossen ist, mit strom versorgt wird. Der Drehstromgenerator 6 wird somit erregt und liefert über die gleichrichtenden Leistungsdioden 9 elektrische Energie an das Verbrauchernetz und lädt über das Versorgungskabel 2 die Batterie 1 nach. Die Klemmenspannung der Batterie, die nach Abschalten des Anlassers und Anspringen des Motors praktisch sofort wieder auf die im Punkt 34 des Diagramms angegebene Normalspannung zurückspringt, steigt nun langsam durch das standige Nachladen auf den Spannungspegel im Punkt 35. Dieser Wert liegt leicht unter-halb der normalen maximalen Ladespannung der Batterie zu diesem Zeitpunkt wird durch die Zenerdiode 25 der Operationsverstärker 15 durch Abschalten umgeschaltet und die Leistungsstufe 12 bewirkt ein Öffnen des Schalters 11, so daß der Erregerstromkreis völlig unterbrochen wird und im Drehstromgenerator 6 nur noch die mechanischen Lüftungsverluste

^ anfallen. Der Generator kühlt ab, insbesondere an seiner um-

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laufenden Erregerwicklung, deren thermische Trägheit gering ist.

Ab Punkt 35 des Diagramms werden die elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs ausschließlich aus der Batterie versorgt, deren Spannung infolgedessen langsam sinkt, bis sie im Punkt 36 des Diagramms der Fig. 2 die Batterienennspannung erreicht, bevor die Batterie stark entladen wird, da das Absinken der Batterieklemmenspannung ja durch den Batterieinnenwiderstand, durch den der Versorgungsstrom für die elektrischen Verbraucher an Bord des Fahrzeuges fließt, verstärkt wird. Bei Erreichen vonPunkt36

stellt der Operationsverstärker 15 wieder den Erregerstromher
kreis des Drehstromgenerators/ Somit wechseln sich die im

Diagramm schraffiert eingezeichneten Bätterie-Ladephasen der Generatortätigkeit mit den Batterie-Entladephasen der Generatoruntätigkeit ab, wobei deren Zeitverhältnis zueinander von der durch die Verbraucher aufgenommenen Stromstärke abhängig ist. Bei starkem Stromverbrauch im Fahrzeug, beispielsweise bei einer Nachtfahrt, ist die Ladephase der Batterie länger und deren Entladephase kürzer, während bei geringem Stromverbrauch, z.B. tagsüber bei freier Fahrt, das Umgekehrte gilt. Auch die vom Generator erzeugte Strommenge beeinflußt die Lade- und Endladedauer, da besonders bei Stadtfahrten mit häufigem Leerlaufbetrieb des Motors nicht die normale Ladestromstärke abgegeben wird. Beim Abstellen des Fahrzeugs im Punkt 37 des Diagramms wird normzi!erweise die Zündung vor dem völligen Stillstand des Drehstromgenerators unterbrochen. Schalter 14 schaltet dadurch plötzlich die Stromversorgung des Spannungskomparators 13 aus, so daß dessen momentane Schaltstellung erhalten bleibt.

Praktische Erfahrungen mit der Spannungsregelung gemäß Erfindung haben gezeigt, daß der beste Kompromiß zwischen sicherer Batterie-Ladungserhaltung und Verringerung der Verluste am Drehstromgenerator für den Fahrzeugbetrieb im Sommer und bei Ausrüstung mit einer Standard-12 V-Akkumulatorbatterie etwa bei den folgenden Spannungswerten erzielt wird:

- Unterer Schwellenwert für die Ladung der Batterie in der Nähe ihrer garantierten Nennspannung: 12,2 Volt.

- Oberer Schwellenwert für Unterbrechung: des Erregerstromkreises in der Nähe der normalen maximalen Batterieladespannung: 14,4 - 14,5 Volt

Der Spannungsregler gemäß Erfindung kann auch für Gleichstromgeneratoren ("Lichtmaschinen") verwendet werden. Es ergeben sich durch ihn verschiedene Funktionsverbesserungen für Gleichstromgeneratoren und insbesondere für Dreh-Stromgeneratoren. Besonders das überladen und das zur Zerstörung führende Gasen von Batterien, deren Spannung abgesunken ist oder die zu lange entladen wurden, wird vermieden. Bei gleicher abgegebener Leistung verringert das erfindungsgemäße Regelverfahren die Verluste am Gleichstromgenerator und dessen Erwärmung, besonders die kritische Erhitzung der umlaufenden Anker von Wechselstromgeneratoren. Das Verfahren stellt dadurch ein Hilfsmittel zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und zur Energieeinsparung dar und verbessert die Betriebssicherheit und Zuver- lässigkeit des Gleichstromgenerators und der Batterie.

Bei Anwendungen auf andere Fahrzeuge als die in der vorstehenden Beschreibung der Spannungsregelung aufgeführten Personenkraftwagen können andere Werte für den oberen und unteren Schwellenwert der Batterieklemmenspannung gewählt werden, je nach besonderer Verwendung der elektrischen Anlage, die vom Gleichstromgenerator gespeist wird.

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Claims (10)

1. Patents n wa It Dipl.-Phys. M. WOLFF Kirchheimer Stresse D-7000 Stuttgart

   Reg .-Nr. 200 004

   FACON S.A. in Paris (Prankreich)

   Verfahren und Vorrichtung zur Spannungsregelung an einem Gleichstromgenerator

   Patentansprüche

   1J Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines mechanisch angetriebenen Gleichstromgenerators wie einer Dynamomaschine oder einer Wechselstromlichtmaschine mit Gleichrichter zum Laden mindestens einer Akkumulatorbatterie, die als Puffer an ein elektrisches Verbrauchernetz angeschlossen ist, das durch den Generator mit elektrischer Energie versorgt und durch einen Rückstromschalter, der eine Verbindung zwischen Generator einerseits und Verbrauchernetz sowie Batterie andererseits herstellt, wenn'die Generatorspannung der Batteriespannung nahe ist oder darüber liegt,sowie durch einen Netzspannungsvergleicher überwacht wird, welcher die Abschaltung oder Verringerung des Generatorerregerstromes auslöst, wenn die Netzspannung einen oberen Grenzwert übersteigt ι. dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (13) die Spannung an den Klemmen der Batterie (1) überwacht· und einerseits die völlige Ausschaltung des Erregerstromkreises (7) des Generators (5) auslöst, wenn die Klemmenspannung einen oberen Schwellenwert erreicht, der im wesentlichen der normalen maxi-

   malen Ladespannung der Batterie (1) entspricht, sowie andererseits den Erregerstromkreis (7) einschaltet oder wieder einschaltet, und zwar unabhängig von einer eventuellen Ausschaltung durch den Rückstromausschalter (9), wenn die Klemmenspannung unter einem unteren Schwellenwert liegt bzw. auf diesen Wert zurückgefallen ist, der im wesentlichen der garantierten Nennspannung der Batterie (1) entspricht, sodaß der Erregerstromkreis (7) abwechselnd während einer Anstiegsphase der Batteriespannung, ausgehend von ihrem garantierten Nennwert oder gegebenenfalls einem darunter liegenden Wert bis zu ihrem normalen maximalen Ladewert, in sich selbst geschlossen und dann geöffnet, d.h. unterbrochen, wird während einer Abstiegsphase der Batteriespannung von ihrem normalen maximalen Ladewert bis zum Nennwert oder während des Stillstandes des Generators (5), um bei gleicher abgegebener elektrischer Leistung die Verluste und die Erwärmung des Generators (5) zu verringern.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Schwellenwert im wesentlichen einem Spannungswert entspricht, der etwas geringer als die normale maximale Ladespannung der Batterie (1) ist, sodaß der Erreger_stromkreis (7) abgeschaltet wird, bevor im Falle eines zufälligen Absinkens der Batteriespannung die Batterie (1) mit einem zu hohen Ladestrom belastet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Spannungsvergleicher (13) und Batterie (1) über einen Schalter (14) wie den Einschalter des Generators oder, falls in das Fahrzeug ein elektrischer Generator eingebaut ist, den Schalter zur Inbetriebnahme des Fahrzeugs (Zündschalter, Fahrschalter) läuft, wobei der Schalterzustand vom normalen Lauf des Generators (5) abhängt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Batteriespannungskomparator (13) einem Standardspannungsregler (10) überlagert wird, der die Verringerung und/oder Unterbrechung des Erregerstromes für den Generator (5) auslöst, sobald die Ausgangsspannung des Generators (5) einen oberen Grenzwert erreicht, um die Zunahme

   dieser Ausgangsspannung über diesen oberen Grenzwert hinaus zu vermindern und gegebenenfalls diese Ausgangsspannung zu stabilisieren.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

   daß der obere Grenzwert der Ausgangsspannung des Generators (5), welcher als oberer Schwellenwert für den Standard-Regler benutzt wird, dabei auf einen etwas höheren Wert als die normale maximale Ladespannung der Batterie (1) eingestellt wird, sodaß die normale Steuerung des Erregerstrorakreises (7) des Generators (5) durch den einzigen Batteriespannungsverglei- " eher (13) möglich ist, durch den die vollständige Unterbrechung des ErregerStromkreises auslösbar ist, wobei der Standardspannungsvergleicher (10) im Notfall tätig wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Grenzwert der Ausgangs spannung des Generators (5), welcher als oberer Schwellenwert für den Standard-Regler benutzt wird, dabei auf einen etwas geringeren Wert als die maximale Ladespannung der Batterie (1) eingestellt wird, sodaß die Anstiegsgeschwindigkeit der Klemmenspannung der Batterie (1) verlangsamt wird, nachdem sie diesen Grenzwert, der als oberer Schwellenwert für den Standard-Vergleicher (10) verwendet wird, erreicht, sodaß die Betriebsdauer des Generators (5) bei einer Spannung in der Nähe der normalen maximalen Ladespannung der Batterie (1) verlängert wird.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Regler der Ausgangsspannung eines mechanisch angetriebenen elektrischen Gleichstromgenerators wie einer Dynamomaschine oder einer Wechselstromlirchtmaschine mit Gleichrichter zum Laden mindestens einer Akkumulatorbatterie, die als Puffer an ein elektrisches Verbrauchernetz angeschlossen ist, das durch den Generator mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei der Regler einen Schalter im Generatorerregerstromkreis aufweist, der mittels einer elektrischen Schaltung wie einem Relais oder mittels einer elektronischen Schaltung

   wie einem Transistor oder Thyristor betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (11) durch einen Komparator (13) steuerbar ist, der an die Klemmen der Batterie (1) angeschlossen ist, um deren Spannung zu messen, und der so eingestellt ist, daß einerseits ein oberes Schwellenwertsignal ausgelöst und an den Schalter (11) zu dessen Betätigung abgegeben wird, damit er den Erregerstromkreis (7) des Generators (5) unterbricht, wenn die Spannung der Batterie (1) einen Schwellenwert in der Nähe oder leicht unterhalb der normalen maximalen Ladespannung übersteigt, und daß andererseits ein unteres Schwellenwertsignal ausgelöst und an den Schalter (11). zu dessen Betätigung abgegeben wird, damit er den Erregerstromkreis (7) des

   -J5 Generators (5) herstellt oder wieder herstellt, wenn die Spannung der Batterie (1) wieder auf einen Wert in der Nähe oder unterhalb ihres garantierten Nennwertes absinkt.
8. 8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Spannungskomparator (13) und Batterie (1) ein Inbetriebnahme-Schalter (14) geschaltet ist, mittels dessen insbesondere die Stromversorgung des Spannungskomparators (13) durch die Batterie (1) unterbrechbar ist, wenn der Generator (5) nicht in Betrieb ist.
9. 9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ι der Inbetriebnahme-''Schalter (14) betätigbar und in _seinen schließzustand versetzbar ist durch Mittel zur Inbetriebnahme des elektrischen Generators wie im Falle eines in ein Fahrzeug eingebauten Generators den Schalter zur Inbetriebnahme des Fahrzeugs (-Zündschalter, Fahrschalter).
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (13) einen elektronischen Operationsverstärker (15) in Komparatorschaltung aufweist, der von der Batterie (1) mit Strom versorgt wird, dessen positiver Eingang durch elektrische Widerstände (17, 18, 19, 20) vorgespannt ist, sodaß die

    Abstände dor B.ittor ie Spannung zwischen don oberen und unleren Schwellenwerten einstellbar sind und dessen Ausgang (2 1) mi.L dein Schaltor (11) des Krrogorstroinkroiscs (7) do:; Generators (5) verbunden ist.

    s l|. Vurrichtung gemäß Anspruch 1O, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Eingang des elektronischen Operationsverstärkers (If))" mit der Batterie (1) verbunden ist über mindestens tii.noη Pol ari sationswidersland (23) mittels eines Stromkreises, der durch mindestens einen Filterkondensat.or (24) geschützL und durch eine Zenerdiode (25) qiüitouert ist, welche die oberen und unteren Sehwellenwerte bestimmt.

    11'.. Vorri ehtung nach Ansprucli H) oder 11, dadurch gekenn- ·.*.!> u'Iiiu.'t, da H der Schalter (11) im General ore rrogorytrirom-

    ]'j kfi.-i. .·; einen S t euort rans.i stcu {!'.(>) aulweisl, des.ⁱ;en Rasis mit ilem Ausgang des OperaLionr.versLarke.rs (If)) und dessen Kmit-tt'i. mit der üasis (Miie.s l.e i stungs:t rans i st ort; (28) verbunden isl , dei den e U|enl 1. i clien Schalter :-.ur Unterbrechung de:¹. 1·:ι γ egei :; I t ciuki ·. e i ::₍·:; (7) I Ui den Generator (ίΐ) bildet

    Λ) und de:.::e.n Kollektor- mit dem Kr rege i::: t roinkre.i.s mittels einer Leitung (U)) verbunden ist, von der mindestens eine Sehnt i',d i ode (ΐΐ) abzweigt.