DE4102150A1 - Verfahren zur steuerung eines generators - Google Patents
Verfahren zur steuerung eines generatorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines
einer Brennkraftmaschine zugeordneten Generators gemäß
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Heutigen über eine Brennkraftmaschine angetriebenen
Kraftfahrzeugen ist ein Generator oder eine Lichtmaschi
ne zugeordnet, die der Stromversorgung für die elektri
schen Verbraucher dient. Zugleich ist ein Akkumulator,
häufig als Batterie bezeichnet, vorgesehen, mit dessen
Hilfe bei Spitzenbedarf ein genügend großes Stromangebot
bereitgestellt wird. Dieser Akkumulator muß insbesondere
nach Startvorgängen wieder nachgeladen werden. Die dafür
benötigte Energie erhöht den Kraftstoffverbrauch des
Kraftfahrzeuges.
Aufgabe der Erfindung ist es, den für die Stromerzeugung
im Kraftfahrzeug benötigten Kraftstoffverbrauch abzusen
ken.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Hauptanspruch.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Generator nicht
ständig Strom erzeugt, sondern abhängig von dem Be
triebspunkt der Brennkraftmaschine im Motorverbrauchs-
Kennfeld zu- bzw. abgeschaltet wird.
Das Motorverbrauchs-Kennfeld besteht aus Linien mit kon
stanten Werten des spezifischen Verbrauchs, üblicherwei
se angegeben in g/kWh, die aufgetragen sind in einer
Ebene, aufgespannt von der Motordrehzahl und dem Drehmo
ment. Ein Beispiel für ein derartiges Motorverbrauchs-
Kennfeld ist angegeben im Kraftfahrtechnischen Taschen
buch von Bosch, 1984, 19. Auflage, Seite 269.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, wie weiter
unten noch detailliert ausgeführt, daß es durch Auswahl
von bestimmten Betriebspunkten im Motorverbrauchs-Kenn
feld möglich ist, die für die Stromerzeugung durch Ver
brennung von Kraftstoff zur Verfügung zu stellende Ener
gie zu optimieren.
Wie in Unteranspruch 2 ausgeführt, sind die günstigsten
Punkte im Motorverbrauchs-Kennfeld diejenigen, in denen
die Brennkraftmaschine mit einem schlechten Wirkungsgrad
arbeitet, der erhöhte Leistungsbedarf, der durch die
Stromerzeugung gefordert wird, bedeutet in diesen Fällen
einen geringeren Kraftstoff-Mehrverbrauch als in den Be
reichen, in denen die Brennkraftmaschine mit gutem Wir
kungsgrad arbeitet. Es ist überraschend, daß gerade
dort, wo der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine
schlecht ist, die zusätzliche Energie, die benötigt
wird, preisgünstiger zu haben ist als in den Bereichen,
in denen die Brennkraftmaschine mit gutem Wirkungsgrad
arbeitet.
In der Praxis wird das Motorverbrauchs-Kennfeld in einem
Speicher abgelegt, üblicherweise in einem ROM im Motor
steuergerät. Aus den ohnehin zur Verfügung stehenden In
formationen über die Drehzahl, das Übersetzungsverhält
nis und die Last kann bestimmt werden, in welchem Kenn
feldpunkt zum jeweiligen Zeitpunkt die Brennkraftmaschi
ne betrieben wird, und abhängig von diesem Punkt kann
eine Entscheidung festgelegt werden, ob der Generator
ein- oder ausgeschaltet werden soll.
Dabei ist es selbstverständlich möglich, einen Zeitfak
tor vorzusehen, so daß der Betriebszustand für das Zu-
bzw. Abschalten für einen längeren Zeitraum bereits vor
gegeben sein muß, bevor der Schaltbefehl weitergeleitet
wird. Auf diese Weise kann vermieden werden, daß der Ge
nerator ständig zu- bzw. abgeschaltet wird, eine Logik
erfaßt, in welchem Betriebszustand zu dem jeweiligen
Zeitpunkt überwiegend gefahren wird. Auch ein Hysterese
verhalten für das Zu- und Abschalten des Generators ist
hilfreich, um ein zu häufiges Hin- und Herschalten zu
vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, daß zu
gleich der Batterieladezustand überwacht wird. Damit
soll verhindert werden, daß auch bei einer zu weitgehen
den Entladung des Akkumulators der Generator nur in den
erwünschten Bereichen zugeschaltet wird. In diesem Fall
steht die unbedingte Notwendigkeit, den Akkumulator wie
der nachzuladen, im Vordergrund.
In besonderem Maße geeignet ist das soeben beschriebene
Verfahren in Verwendung in einem Hybridfahrzeug, das un
ter bestimmten Betriebsbedingungen, beispielsweise im
Stadtverkehr, über einen Elektromotor angetrieben wird,
unter anderen Betriebsbedingungen, beispielsweise im
Überlandverkehr und bei höheren Geschwindigkeiten, über
eine Brennkraftmaschine. Bei derartigen, zum Stande der
Technik gehörenden Hybridfahrzeugen ist es vorgesehen,
daß ein Generator, in der Regel unabhängig von der
Lichtmaschine, die den Strom für die Verbraucher lie
fert, die unter dem Brennkraftmaschinenbetrieb benötigt
werden, diejenigen Akkumulatoren nachlädt, die für den
Elektrobetrieb herangezogen werden. Dabei handelt es
sich in der Regel um erhebliche Mengen an elektrischer
Ladung, die bereitgestellt werden müssen, so daß gerade
hierbei die gezielte Auswahl der Betriebszustände, in
denen die elektrische Ladung durch die Brennkraftmaschi
ne erzeugt werden soll, zu ganz erheblichen Kraftstoff
einsparungen führen kann.
Im folgenden soll anhand der Zeichnung das Prinzip der
Erfindung erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Motorverbrauchs-Kennfeld zur Erläu
terung des Erfindungsprinzips; und
Fig. 2 eine Prinzipschaltskizze.
Die Fig. 1 zeigt ein Motorverbrauchs-Kennfeld, wie es
sich in etwa für einen 36 kW-Motor darstellt. In der X-
Achse ist die Drehzahl der Brennkraftmaschine aufgetra
gen, in der Y-Achse der Arbeitsdruck auf den Kolben in
kp/cm2, wodurch das Drehmoment der Brennkraftmaschine
bestimmt wird.
Die Kurvenschar K2 stellt Linien mit gleichem spezifi
schem Verbrauch dar, die angegebenen Zahlen sind g/kWh,
geben also an, wieviel Brennstoff zur Erzeugung einer
kWh verbraucht wird.
Die Kurvenschar K1 sind die Kurven gleicher Leistung,
die Zahlenangaben sind in kW vorgenommen.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Fahrwider
standslinien in den verschiedenen Übersetzungsverhält
nissen weggelassen, da sie zur Erläuterung der Erfindung
nicht notwendig sind.
Es wird nun der Fall betrachtet, daß die Zuschaltung des
Generators den Leistungsbedarf der Brennkraftmaschine um
3,6 kW erhöht. Dies ist in den Pfeilen A und B ausge
drückt. Der Fußpunkt dieser Pfeile befindet sich in
einem Bereich, in dem die Brennkraftmaschine alleine be
trieben wird. Die Spitze des Pfeiles befindet sich auf
dem Punkt, der im Motorverbrauchs-Kennfeld erreicht
wird, wenn der Generator zugeschaltet ist und dement
sprechend der Leistungsbedarf angewachsen ist.
Der Pfeil A zeigt einen Bereich, in dem die Brennkraft
maschine mit verhältnismäßig schlechtem Wirkungsgrad
betrieben wird, der Pfeil B liegt in einem Bereich, in
dem die Brennkraftmaschine mit gutem Wirkungsgrad be
trieben wird.
Der Verbrauch der Brennkraftmaschine im Fußpunkt des
Pfeiles A beträgt
540 g/kWh·7,2 kW = 3888 g/h.
540 g/kWh·7,2 kW = 3888 g/h.
Im Arbeitspunkt, der durch die Pfeilspitze des Pfeiles A
dargestellt wird, beträgt der Verbrauch der Brennkraft
maschine
420 g/kWh·10,8 kW = 4536 g/h.
420 g/kWh·10,8 kW = 4536 g/h.
Die Zuschaltung des Generators hat somit zu einer Erhö
hung des Brennstoffverbrauches von 648 g/h geführt, das
entspricht in diesem Betriebspunkt einem Mehrverbrauch
von 180 g/h für 1 kW erforderliche Leistung.
Die gleiche Rechnung für Betriebspunkte, die durch den
Pfeil B dargestellt werden, ergibt folgende Situation:
Im Betrieb des guten Wirkungsgrades, in dem die Brenn
kraftmaschine nur 280 g/kWh verbraucht, wird bei einem
Leistungsbedarf ohne zugeschalteten Generator von 18 kW
folgender Verbrauch in dem Betriebspunkt, der dem Fuß
punkt des Pfeiles B entspricht, ermittelt:
280 g/kWh·18 kW = 5040 g/h.
280 g/kWh·18 kW = 5040 g/h.
Durch Zuschalten des Generators ergibt sich eine Erhö
hung des Leistungsbedarfs um 3,6 kW, so daß man jetzt
den Betriebspunkt erreicht, der durch die Spitze des
Pfeiles B dargestellt wird. In diesem Betriebspunkt
werden
280 g/kWh·21,6 kW = 6048 g/h
erreicht. Der Mehrverbrauch für den Leistungsbedarf des Generators beträgt diesmal 1008 g/h, also 280 g/h für ein kW Motorleistung. Mit anderen Worten, der Kraft stoffbedarf für die Erzeugung der elektrischen Leistung ist im Betriebspunkt B um über 50% höher als im Be triebspunkt A.
280 g/kWh·21,6 kW = 6048 g/h
erreicht. Der Mehrverbrauch für den Leistungsbedarf des Generators beträgt diesmal 1008 g/h, also 280 g/h für ein kW Motorleistung. Mit anderen Worten, der Kraft stoffbedarf für die Erzeugung der elektrischen Leistung ist im Betriebspunkt B um über 50% höher als im Be triebspunkt A.
Es ist somit Kern der Erfindung, in den Bereichen, in
denen die Erzeugung elektrischer Energie vergleichsweise
ungünstig ist, also in den Bereichen, in denen die
Brennkraftmaschine selbst einen guten Wirkungsgrad be
sitzt, den Generator abzuschalten und den Generator nur
zu betreiben in den Bereichen, in denen die Brennkraft
maschine in einem schlechten Wirkungsgrad betrieben
wird, denn dort fällt die zusätzliche elektrische Ener
gie für verhältnismäßig wenig Brennstoffkosten an.
Fig. 2 zeigt eine Prinzipschaltskizze zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein Generator 10 läßt sich über einen Schalter 12 akti
vieren oder deaktivieren, so daß er bei geschlossenem
Schalter 12 belastet wird oder bei geöffnetem Schalter
12 leerläuft. Alternativ kann auch statt der elektri
schen Belastung zur Aktivierung und Deaktivierung der
mechanische Antrieb wirksam oder nicht wirksam geschal
tet werden.
Die Ansteuerung des Schalters 12 geschieht durch einen
Logikbaustein 14. Der Logikbaustein 14 erhält über eine
Reihe von Eingängen, beispielhaft dargestellt durch die
Bezugszeichen 18, 20, 22, Informationen über Betriebspa
rameter der Brennkraftmaschine, so über den Eingang 18
einen der Drehzahl der Brennkrafmaschine repräsentativen
Wert, über den Eingang 20 den Wert über den Unterdruck
im Ansaugrohr, der sich entsprechend der Last ändert,
und über den Eingang 22 beispielsweise die Information
über die Getriebeübersetzung.
Entsprechend diesen Werten wird ein im ROM 16, der mit
dem Logikbaustein 14 verbunden ist, abgespeicherter
Kennfeldwert ausgewählt, der die Informationen über den
zusätzlichen Energieverbrauch durch die Aktivierung des
Generators enthält. Abhängig von diesem Wert wird in dem
Logikbaustein 14 entschieden, ob der Schalter 12 zum Be
trieb des Generators 10 geschlossen werden soll oder
nicht.
Claims (5)
1. Verfahren zur Steuerung eines einer Brennkraftmaschi
ne zugeordneten Generators, dadurch gekennzeichnet,
daß der Generator zur Stromerzeugung lediglich be
trieben wird unter bestimmten Betriebszuständen der
Brennkraftmaschine im Motorverbrauchs-Kennfeld.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Generator betrieben wird in Betriebszuständen
mit vergleichsweise schlechtem Wirkungskreis der
Brennkraftmaschine.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß man das Motorverbrauchs-Kennfeld in
einem Speicher ablegt, aus den Informationen über
Drehzahl, Übersetzungsverhältnis und Last einen Kenn
feldpunkt ansteuert und abhängig vom angesteuerten
Punkt der Generator zur Stromerzeugung ein- bzw.
ausgeschaltet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Batterieladezustand überwacht wird und unter
halb eines Schwellwertes für den Ladezustand der Ge
nerator unabhängig von dem Betriebszustand der Brenn
kraftmaschine zur Stromerzeugung eingeschaltet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Ver
wendung in einem Hybridfahrzeug mit zwei Generatoren,
deren erster zur Erzeugung des Strombedarfs bei Be
trieb mit Brennkraftmaschine verwendet wird und deren
zweiter die im Elektrobetrieb den Akkumulatoren ent
nommene elektrische Ladung wieder während des Betrie
bes mit Brennkraftmaschine ersetzt, dadurch gekenn
zeichnet, daß der erste Generator bei Betrieb über
Brennkraftmaschine ständig in Betrieb ist und der
zweite Generator abhängig vom Wirkungsgrad der Brenn
kraftmaschine ein- bzw. abgeschaltet wird.
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