DE4440830A1 - Verfahren zur elektronischen Regelung des Erregerstroms durch die Erregerwicklung eines Drehstromgenerators - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektro­ nischen Regelung des Erregerstroms durch die Erregerwick­ lung eines Drehstromgenerators in Kraftfahrzeugen.

Ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens sind aus der Fachliteratur, z. B. aus der Technischen Unterrichtung der Firma Bosch zum Thema "Drehstrom-Generatoren" vom Juni 1982, bekannt. Hieraus geht hervor, daß unverzüglich mit Inbetriebnahme des Kraftfahrzeuges, vorzugsweise durch Schließen des Zündschloßschalters, zunächst ein Erregerstrom aus der Batterie über eine Serienschaltung fließt, die aus einer Kontrollampe, einem Regler und der Erregerwicklung des Drehstromgenerators besteht (Vorerregerstromkreis). Gleichzeitig mit der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeuges wird die Brennkraftmaschine gestartet. Die Brennkraftma­ schine und der Drehstromgenerator sind über ein vorgege­ benes Übersetzungsverhältnis drehfest miteinander verbun­ den. Somit erreicht während des Starts der Brennkraftma­ schine auch der Drehstromgenerator ab einem bestimmten Zeitpunkt eine genügend hohe Drehzahl, durch die die Selbsterregung des Generators eingeleitet wird (Erregerstromkreis). Die Kontrollampe erlischt und der Erregerstrom wird nun nicht mehr aus der Batterie, son­ dern vom Drehstromgenerator selbst entnommen. Jedoch fließt auch im Erregerstromkreis der induzierte Erreger­ strom über die Serienschaltung bestehend aus dem Regler und der Erregerwicklung. Mit ansteigender Drehzahl der Brennkraftmaschine bzw. des Drehstromgenerators wird das Magnetfeld und damit die Spannungsinduktion im Generator solange verstärkt, bis die vom Generator erzeugte Span­ nung größer als die Batteriespannung wird und der Genera­ tor Spannung zur Batterieladung und zur Verbraucherver­ sorgung abgibt (Generatorstromkreis). Der Generatorstrom­ kreis ergibt sich vor Erreichen der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine.

Der Regler im Erregerstromkreis hat üblicherweise die Aufgabe, die Generatorausgangsspannung im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine auf einem oberen Wert zu begrenzen. Dazu wird in Abhängigkeit von der Generatorausgangsspannung die Zufuhr des Erregerstroms zur Erregerwicklung des Drehstromgenerators, üblicher­ weise durch ein pulsweitenmoduliertes Ein- und Ausschal­ ten eines stromkreisunterbrechenden Schalters, geregelt. Diese Regelung beginnt jedoch erst, wenn die Generator­ ausgangsspannung bereits einen bestimmten Wert nach Er­ reichen der sogenannten Generatoreinschaltdrehzahl über­ schritten hat. Bis zu diesem Zeitpunkt wird die Zufuhr des Erregerstroms zur Erregerwicklung des Drehstromgene­ rators nicht unterbrochen.

Wenn während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine die Generatoreinschaltdrehzahl überschritten ist, wirkt der Aufbau des Magnetfeldes im Drehstromgenerator und die be­ ginnende Stromabgabe an das Bordnetz der Erhöhung der Brennkraftmaschinendrehzahl als Bremsmoment entgegen. Dieses physikalische Verhalten wirkt sich negativ auf die Erfüllung der Anforderung aus, die Brennkraftmaschine möglichst schnell zu starten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vor­ richtung eingangs genannter Art derart zu verbessern, daß der Startvorgang der Brennkraftmaschine verkürzt bzw. nicht behindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist, beispielsweise durch eine Funktions­ erweiterung des ohnehin vorhandenen Reglers, die Zufuhr des Erregerstroms zur Erregerwicklung des Dreh­ stromgenerators reduzierbar bzw. verhinderbar, wenn - insbesondere bei Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs - ein der Drehzahl der Brennkraftmaschine proportionaler Si­ gnalwert kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist.

Hierzu erhält der Regler beispielsweise von einem elek­ tronischen Motorsteuergerät einen Signalwert, der direkt die Brennkraftmaschinendrehzahl wiedergibt. Es ist jedoch auch möglich, aus der Frequenz der gemessenen Generatorausgangsspannung als Signalwert die Drehzahl des Generators zu ermitteln, die durch das feste Überset­ zungsverhältnis der Brennkraftmaschinendrehzahl propor­ tional ist. Der vorgegebene Schwellwert wird vorzugsweise derart festgelegt, daß er in etwa dem Vorliegen der Leer­ laufdrehzahl der Brennkraftmaschine entspricht.

Vorzugsweise wird die Reduzierung oder Verhinderung der Zufuhr des Erregerstroms zur Erregerwicklung zumindest zwischen Erreichen der Generatoreinschaltdrehzahl und der Brennkraftmaschinenleerlaufdrehzahl vorgenommen.

Üblicherweise findet die Regelung des Erregerstroms durch Taktung eines steuerbaren Schalters, d. h. durch ein puls­ weitenmoduliertes Signal statt. Die Reduzierung der Zu­ fuhr des Erregerstroms wird daher vorzugsweise durch Ver­ änderung des Tastverhältnisses durchgeführt. Das Ausmaß der Reduzierung des Erregerstrom ist zumindest so groß, daß gerade keine Stromabgabe vom Generator an das Bord­ netz stattfinden kann.

Durch die Reduzierung bzw. Verhinderung der Zufuhr des Erregerstroms während des Startvorgangs der Brennkraftma­ schine wird der Aufbau des Magnetfelds im Generator und damit das durch den Generator verursachte Bremsmoment in etwa solange verzögert, bis die Drehzahl bzw. das Drehmo­ ment der Brennkraftmaschine durch die Auswirkungen dieses Bremsmomentes nicht mehr beeinflußbar sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist der Ge­ genstand des Patentanspruchs 2.

Erfindungsgemäß kann die Zufuhr des Erregerstroms zur Er­ regerwicklung, z. B. ausschließlich oder zusätzlich, für eine vorgegebene Verzögerungszeit reduziert werden.

Diese Verzögerungszeit kann beispielsweise gleichzeitig mit der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeuges, z. B. bei Schließen des Zündschloßschalters, beginnen. Die Dauer dieser Verzögerungszeit richtet sich beispielsweise nach der üblichen Dauer bis zum sicheren Erreichen des vorge­ gebenen Schwellwertes des der Drehzahl der Brennkraftma­ schine proportionalen Signalwertes. Diese Dauer kann beispielsweise empirisch ermittelt und im Regler abge­ speichert werden.

Die Dauer der vorgegebenen Verzögerungszeit kann aber auch durch eine Zählerfunktion - beispielsweise mittels Auswertung des Drehzahlerfassungssignals, insbesondere durch Beobachtung einer Schwellwertüberschreitung oder einer Schwellwertunterschreitung der Phasenspannung - de­ finiert werden.

Diese erfindungsgemäße Weiterbildung verhindert die Zu­ fuhr des Erregerstroms zur Erregerwicklung auf besonders einfache Weise, wenn ein der Drehzahl der Brennkraftma­ schine proportionaler Signalwert kleiner als ein vorgege­ bener Schwellwert ist. Für diesen Fall muß der der Dreh­ zahl der Brennkraftmaschine proportionale Signalwert selbst nicht zwingend ermittelt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Patentanspruchs 3.

Vorzugsweise beginnt die vorgegebene Verzögerungszeit, wenn der der Drehzahl der Brennkraftmaschine proportio­ nale Signalwert den vorgegebenen Schwellwert, zumindest erstmals, erreicht hat.

Diese erfindungsgemäße Weiterbildung stellt eine Sicher­ heitsmaßnahme dafür dar, daß der vorgegebene Schwellwert zwar kurzzeitig erreicht wird, die Drehzahl der Brennkraftmaschine jedoch aufgrund von Störungen vor Ab­ schluß des Startvorgangs bzw. vor Erreichen der Leerlauf­ drehzahl nochmal kurzzeitig abnimmt. Auch könnte der vor­ gegebene Schwellwert durch Störungen oder System­ toleranzen zu frühzeitig als erreicht erkannt werden. Diese vorgegebene Verzögerungszeit kann jedoch auch noch von anderen Betriebsbedingungen beeinflußt werden. Sie liegt vorzugsweise im Sekundenbereich, wodurch die Si­ cherstellung eines abgeschlossenen Startvorgangs der Brennkraftmaschine, bevor das Magnetfeld im Drehstromge­ nerator aufgebaut wird, verbessert wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Patentanspruchs 4.

Die Reduzierung bzw. Verhinderung der Zufuhr des Erreger­ stroms zur Erregerwicklung wird in Abhängigkeit von der elektrischen Ladebilanz aufgehoben.

Unter der elektrischen Ladebilanz ist beispielsweise der Ladezustand der Batterie, die Quantität der Stromerzeu­ gung durch den Generator und/oder die Quantität des Stromverbrauchs durch die elektrischen Bordnetzteilnehmer zu verstehen. Bei schlechter elektrischer Ladebilanz kann die Reduzierung der Zufuhr des Erregerstroms zur Erre­ gerwicklung z. B. durch Senken des vorgegebenen Schwell­ werts und/oder durch Verkürzen der vorgegebenen Verzöge­ rungszeit realisiert werden.

Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung wird ein Kom­ promiß zwischen einem schnellen Startvorgang bzw. der Si­ cherstellung einer Mindestleistung der Brennkraftmaschine und dem Sicherstellen der elektrischen Versorgung wichti­ ger Verbraucher erreicht.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Patentanspruchs 5.

Die Reduzierung der Zufuhr des Erregerstroms zur Erre­ gerwicklung wird vorzugsweise dann aufgehoben, wenn ein der Batteriespannung proportionaler Signalwert einen vor­ gegebenen Mindestwert unterschreitet.

Vorzugsweise wird die Zufuhr des Erregerstroms hierbei derart geregelt, daß beispielsweise während eines Start­ vorgangs der Brennkraftmaschine bzw. bis zum Erreichen des vorgegebenen Schwellwerts, der der Batteriespannung proportionale Signalwert gerade nicht den vorgegebenen Mindestwert unterschreitet.

Hierdurch wird der Kompromiß zwischen der angeforderten Brennkraftmaschinenleistung und der angeforderten elek­ trischen Verbraucherversorgung auf besonders einfache Weise erreicht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung dargestellt. Sie zeigt einen erfindungsgemäßen Reg­ ler, der die Zufuhr des Erregerstroms zur Erregerwicklung des Drehstromgenerators nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren regelt.

Ein Drehstromgenerator 1, eine Batterie 2 und ein Bord­ netz bestehend aus elektrischen Verbrauchern 3 sind zu­ einander parallelgeschaltet. Dem Drehstromgenerator 1 ist ein Regler 4 zugeordnet, der über einen steuerbaren Schalter 6 die Zufuhr des Erregerstroms zur Erre­ gerwicklung des Drehstromgenerators 1 ein- und ausschal­ tet. Der Regler 4 ist vorzugsweise ein üblicher Span­ nungsregler für Drehstromgeneratoren, dessen Aufgabe zunächst darin besteht, die Generatorausgangsspannung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine kon­ stant zu halten bzw. die Verbraucher 3 bei höheren Dreh­ zahlen vor Überspannung zu schützen. Diese Spannungsrege­ lung sowie auch das erfindungsgemäße Verfahren werden durch Ein- und Ausschalten der Zufuhr des Erregerstroms zur Erregerwicklung mittels des steuerbaren Schalters 6 vorgenommen. Der Regler 4 ist demnach vorzugsweise ein üblicher Spannungsregler, der um das erfindungsgemäße Verfahren erweitert ist. Der Regler 4 erhält, wie auch ein üblicher Spannungsregler, die Genera­ torausgangsspannung U_G als Eingangsinformation. Zur üblichen Funktionsweise des Drehstromgenerators 1 in Wechselwirkung mit dem Regler 4 als Spannungsregler sei beispielsweise auf die gewürdigte Fachliteratur verwiesen.

Erfindungsgemäß kann der Regler 4 als weiteres Eingangs­ signal auch die Batteriespannung U erhalten. Auch der Si­ gnalwert n_M der Brennkraftmaschinendrehzahl selbst kann beispielsweise von einem elektronischen Motorsteuergerät an den Regler 4 herangeführt werden. Liegt der Signalwert n_M der Brennkraftmaschinendrehzahl selbst im Regler 4 nicht vor, kann beispielsweise aus der Frequenz der Gene­ ratorausgangsspannung U_G die Drehzahl des Generators, die der Drehzahl der Brennkraftmaschine proportional ist, er­ mittelt werden. Aus der Drehzahl des Generators wird ein der Drehzahl der Brennkraftmaschine proportional er Si­ gnalwert n, der auch der Signalwert n_M der Brennkraftma­ schinendrehzahl selbst sein kann, gebildet. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren allein durch eine Erweiterung der elektronischen Auswertelogik im Regler 4 re­ alisierbar.

Der momentan ermittelte Signalwert n wird mit einem vor­ gegebenen Schwellwert n_s verglichen. Der vorgegebene Schwellwert n_s ist vorzugsweise derart ausgelegt, daß bei der Übereinstimmung des Signalwertes n mit dem vorgegebe­ nen Schwellwert n_s in etwa die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine erreicht ist. Solange der momentan er­ mittelte Signalwert n unterhalb des vorgegebenen Schwell­ werts n_s liegt, wird die Zufuhr des Erregerstroms I_E zur Erregerwicklung des Drehstromgenerators 1 verhindert oder reduziert. Hierzu wird beispielsweise entweder der steu­ erbare Schalter 6 geöffnet oder das Tastverhältnis des Steuersignals zur Ansteuerung des Schalter 6 in Richtung einer längeren Öffnungszeit verändert.

Die Erfindung läßt jedoch den Beginn der Reduzierung of­ fen. Sie schließt insbesondere nicht aus, daß eine Redu­ zierung der Zufuhr des Erregerstroms zur Erregerwicklung erst nach Überschreiten der Generatoreinschaltdrehzahl, die kleiner als der vorgegebene Schwellwert n_s ist, vor­ genommen wird.

Überschreitet der momentan ermittelte Signalwert n erst­ mals den vorgegebenen Schwellwert n_s, wird in dem Ausführungsbeispiel eine vorgegebene Verzögerungszeit t_v gestartet. Auch während dieser Verzögerungszeit t_v bleibt der steuerbare Schalter 6 geöffnet bzw. bezüglich des Tastverhältnisses länger geöffnet. Die vorgegebene Verzögerungszeit t_v ist vorzugsweise derart ausgelegt, daß die Brennkraftmaschinendrehzahl bzw. der momentan er­ mittelte Signalwert n dauerhaft den vorgegebenen Schwell­ wert n_s überschritten hat.

Diese vorgegebene Verzögerungszeit t_v ist eine Vor­ sichtsmaßnahme für den gestrichelt dargestellten Fall, bei dem kurz nach dem ersten Überschreiten des vorgegebe­ nen Schwellwerts n_s die Drehzahl der Brennkraftmaschine bzw. der momentan ermittelte Signalwert n nochmals unter­ halb des vorgegebenen Schwellwerts n_s sinken könnte, wenn vor Ablauf der Verzögerungszeit t_v die Reduzierung der Zufuhr des Erregerstroms I_E aufgehoben werden würde. Die vorgegebene Verzögerungszeit t_v wird beispielsweise empi­ risch ermittelt und im Regler 4 abgespeichert. Nach Ab­ lauf der vorgegebenen Verzögerungszeit t_v wird der steu­ erbare Schalter 6 geschlossen bzw. mit einem Tastverhält­ nis in Richtung einer längeren Schließzeit angesteuert, wodurch die Zufuhr bzw. eine erhöhte Zufuhr des Erreger­ stroms I_E zur Erregerwicklung des Drehstromgenerators 1 freigegeben wird.

Gleichzeitig kann beispielsweise der Regler 4 ein Aus­ gangssignal an die Verbraucher 3 abgeben, das die Zufuhr des Erregerstroms I_E zur Erregerwicklung mitteilt: I_E = 1. Dieses Ausgangssignal kann beispielsweise als Einschaltsignal für elektrische Bordnetzteilnehmer die­ nen, die einen besonders hohen Stromverbrauch aufweisen.

Der Regler 4 kann jedoch auch die Batteriespannung U überwachen, indem der Signalwert U der Batteriespannung mit einem vorgegebenen Mindestwert verglichen wird (hier nicht dargestellt). Unterschreitet der Signalwert U der Batteriespannung diesen vorgegebenen Mindestwert, kann dies verschiedene Folgen für die Reduzierung der Zufuhr des Erregerstroms I_E zur Erregerwicklung nach sich zie­ hen. Beispielsweise kann die vorgegebene Verzögerungszeit t_v verkürzt bzw. ignoriert werden, so daß in diesem Falle der Erregerstrom I_E bereits sofort nach erstmaligem Über­ schreiten des vorgegebenen Schwellwerts n_s durch den mo­ mentan ermittelten Signalwert n unreduziert zur Erreger­ wicklung zugeführt wird. Unterschreitet also der Signal­ wert U der Batteriespannung den vorgegebenen Mindestwert, wird auf schlechte elektrische Ladebilanz geschlossen und die Reduzierung der Zufuhr des Erregerstroms I_E zur Erregerwicklung aufgehoben.

In einer Weiterbildung dieses Falles ist darüber hinaus eine Regelung der Zufuhr des Erregerstroms I_E während der Verzögerungszeit t_v derart möglich, daß die Zufuhr des Erregerstroms I_E gerade zur Sicherstellung einer ausrei­ henden Batteriespannung U, z. B. des vorgegebenen Min­ destwertes, ausreicht. Hierdurch wird ein bestmöglicher Kompromiß zwischen einem beschleunigten Startvorgang der Brennkraftmaschine und der Sicherstellung der elektri­ schen Verbraucherversorgung erreicht.

Ergänzend wird bezüglich der üblicherweise im Vorerreger­ stromkreis liegenden Kontrollampe darauf hingewiesen, daß vorzugsweise ein Regler 4 verwendet wird, der die Kon­ trollampe 5 vom Vorerregerstromkreis entkoppelt ansteu­ ert. Hierzu kann beispielsweise unabhängig vom steuerba­ ren Schalter 6 ein weiterer steuerbarer Schalter 8 im Regler 4 integriert sein, der nach Schließen des Zündschloßschalters 7 bis zum Vorliegen einer bestimmten Bedingung die Kontrollampe 5 zum Erleuchten bringt. Diese entkoppelte Ansteuerung der Kontrollampe 5 kann gleich­ zeitig zur Fehleranzeige verwendet werden, wenn im Regler 4 eine Fehlerdiagnose vorgesehen ist. Die Entkoppelung der Kontrollampe vom Vorerregerstromkreis ist notwendig, da das erfindungsgemäße Verfahren zur Verlängerung des Vorerregerstromkreises führt und damit die Kontrollampe im Vorerregerstromkreis zu lange aufleuchten würde.

Claims (5)

1. Verfahren zur elektronischen Regelung des Erreger­ stroms durch die Erregerwicklung eines Drehstrom­ generators in Kraftfahrzeugen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zufuhr des Erregerstroms (I_E) zur Erregerwicklung des Drehstromgenerators (1) reduzierbar ist, wenn ein der Drehzahl der Brenn­ kraftmaschine proportionaler Signalwert (n) klei­ ner als ein vorgegebener Schwellwert (n_s) ist.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zufuhr des Erregerstroms (I_E) zur Erregerwicklung für eine vorgegebene Ver­ zögerungszeit (t_v) reduzierbar ist.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Verzögerungs­ zeit (t_v) beginnt, wenn der der Drehzahl der Brennkraftmaschine proportionale Signalwert (n) zumindest den vorgegebenen Schwellwert (n_s) er­ reicht hat.

4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung der Zufuhr des Erregerstroms (I_E) zur Erregerwicklung in Abhängigkeit von der elektrischen Ladebilanz aufgehoben wird.

5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reduzierung der Zufuhr des Er­ regerstroms (I_E) zur Erregerwicklung aufgehoben wird, wenn ein der Batteriespannung proportionaler Signalwert (U) einen vorgegebenen Mindestwert un­ terschreitet.