DE4440830C2 - Verfahren zur elektronischen Regelung des Erregerstroms durch die Erregerwicklung eines Drehstromgenerators - Google Patents

Verfahren zur elektronischen Regelung des Erregerstroms durch die Erregerwicklung eines Drehstromgenerators

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektronischen Regelung des Erregerstroms durch die Erregerwicklung eines Drehstromgenerators in Kraftfahrzeugen.
Aus der Fachliteratur, z. B. aus der Technischen Unterrichtung der Firma Bosch zum Thema "Drehstrom-Generatoren" vom Juni 1982, 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 Kontrolllampe, einem Regler und der Erregerwicklung des Drehstromgenerators besteht (Vorerregerstromkreis). Gleichzeitig mit der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeuges wird die Brennkraftmaschine gestartet. Die Brennkraftmaschine und der Drehstromgenerator sind über ein vorgegebenes Übersetzungsverhältnis drehfest miteinander verbunden. Somit erreicht während des Starts der Brennkraftmaschine auch der Drehstromgenerator ab einem bestimmten Zeitpunkt eine genügend hohe Drehzahl, durch die die Selbsterregung des Generators eingeleitet wird (Erregerstromkreis). Die Kontrolllampe erlischt und der Erregerstrom wird nun nicht mehr aus der Batterie, sondern vom Drehstromgenerator selbst entnommen. Jedoch fließt auch im Erregerstromkreis der induzierte Erregerstrom 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 licht 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.
Weiterhin ist aus der DE 42 22 072 C1 eine Einrichtung zur Regelung der Ausgangsspannung eines von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Generators bekannt. Die hieraus bekannte Regelung wird mit dem Ziel durchgeführt, den Startvorgang der den Generator antreibenden Brennkraftmaschine nicht zu behindern. Hierbei wird eine Startverzögerung des Generators abgeschaltet, sobald eine vorgegebene Drehzahlschwelle der Brennkraftmaschine überschritten ist. Läuft die Brennkraftmaschine jedoch nicht weiter hoch, kann das Abschalten der Startverzögerung zum Abbruch des Startvorgangs der Brennkraftmaschine führen.
Die DE 41 08 751 A1 betrifft ein Steuerungssystem für Fahrzeuglichtmaschinen, durch das allgemein die Brennkraftmaschine und die Lichtmaschine zur Anpassung an den Betriebszustand der Brennkraftmaschine gemeinsam aufeinander abgestimmt werden sollen. Hierbei wird nicht der Startvorgang, sondern die bereits laufende Brennkraftmaschine berücksichtigt.
Zum weiteren technischen Hintergrund wird schließlich auf die DE 41 02 150 A1 verwiesen. Hierbei wird der Generator bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine abgeschaltet, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den Startvorgang einer Brennkraftmaschine zu verkürzen bzw. nicht zu behindern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist, beispielsweise durch eine Funktionserweiterung des ohnehin vorhandenen Reglers, die Zufuhr des Erregerstroms zur Erregerwicklung des Drehstromgenerators verhindert, wenn bei Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs ein der Drehzahl der Brennkraftmaschine proportionaler Signalwert kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist.
Hierzu erhält der Regler beispielsweise von einem elektronischen 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 Übersetzungsverhältnis der Brennkraftmaschinendrehzahl proportional ist. Der vorgegebene Schwellwert wird vorzugsweise derart festgelegt, dass er in etwa dem Vorliegen der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine entspricht.
Vorzugsweise wird die 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 pulsweitenmoduliertes Signal statt. Die Reduzierung der Zufuhr des Erregerstroms wird daher vorzugsweise durch Veränderung des Tastverhältnisses durchgeführt.
Durch die Verhinderung der Zufuhr des Erregerstroms während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine wird der Aufbau des Magnetfelds im Generator und damit das durch den Generator verursachte Bremsmoment in etwa so lange verzögert, bis die Drehzahl bzw. das Drehmoment der Brennkraftmaschine durch die Auswirkungen dieses Bremsmomentes nicht mehr beeinflussbar sind.
Erfindungsgemäß wird die Zufuhr des Erregerstroms zur Erregerwicklung zusätzlich für eine vorgegebene Verzögerungszeit reduziert.
Die vorgegebene Verzögerungszeit beginnt, wenn der der Drehzahl der Brennkraftmaschine proportionale Signalwert den vorgegebenen Schwellwert, zumindest erstmals, erreicht hat.
Diese erfindungsgemäße Weiterbildung stellt eine Sicherheitsmaßnahme dafür dar, dass der vorgegebene Schwellwert zwar kurzzeitig erreicht wird, die Drehzahl der Brennkraftmaschine jedoch aufgrund von Störungen vor Abschluss des Startvorgangs bzw. vor Erreichen der Leerlaufdrehzahl noch mal kurzzeitig abnimmt. Auch könnte der vorgegebene Schwellwert durch Störungen oder Systemtoleranzen 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 Sicherstellung eines abgeschlossenen Startvorgangs der Brennkraftmaschine, bevor das Magnetfeld im Drehstromgenerator aufgebaut wird, verbessert wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Patentanspruchs 2.
Die Reduzierung bzw. Verhinderung der Zufuhr des Erregerstroms zur Erregerwicklung wird in Abhängigkeit von der elektrischen Ladebilanz aufgehoben. Unter der elektrischen Ladebilanz ist beispielsweise der Ladezustand der Batterie, die Quantität der Stromerzeugung 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 Erregerwicklung z. B. durch Senken des vorgegebenen Schwellwerts 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 3.
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 Erregerwicklung 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 UG 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 nM der Brennkraftmaschinendrehzahl selbst kann beispielsweise von einem elektronischen Motorsteuergerät an den Regler 4 herangeführt werden. Liegt der Signalwert nM der Brennkraftmaschinendrehzahl selbst im Regler 4 nicht vor, kann beispielsweise aus der Frequenz der Gene­ ratorausgangsspannung UG 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 proportionaler Si­ gnalwert n, der auch der Signalwert nM 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 vorgegebenen Schwellwert ns verglichen. Der vorgegebene Schwellwert ns ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass bei der Übereinstimmung des Signalwertes n mit dem vorgegebenen Schwellwert ns in etwa die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine erreicht ist. Solange der momentan ermittelte Signalwert n unterhalb des vorgegebenen Schwellwerts ns liegt, wird die Zufuhr des Erregerstroms IE zur Erregerwicklung des Drehstromgenerators 1 verhindert. Hierzu wird beispielsweise entweder der steuerbare Schalter 6 geöffnet oder das Tastverhältnis des Steuersignals zur Ansteuerung des Schalters 6 in Richtung einer längeren Öffnungszeit verändert.
Überschreitet der momentan ermittelte Signalwert n erstmals den vorgegebenen Schwellwert ns, wird eine vorgegebene Verzögerungszeit tv gestartet. Auch während dieser Verzögerungszeit tv bleibt der steuerbare Schalter 6 geöffnet bzw. bezüglich des Tastverhältnisses länger geöffnet. Die vorgegebene Verzögerungszeit tv ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass die Brennkraftmaschinendrehzahl bzw. der momentan ermittelte Signalwert n dauerhaft den vorgegebenen Schwellwert ns überschritten hat.
Diese vorgegebene Verzögerungszeit tv ist eine Vorsichtsmaßnahme für den gestrichelt dargestellten Fall, bei dem kurz nach dem ersten Überschreiten des vorgegebenen Schwellwerts ns die Drehzahl der Brennkraftmaschine bzw. der momentan ermittelte Signalwert n nochmals unter­ halb des vorgegebenen Schwellwerts ns sinken könnte, wenn vor Ablauf der Verzögerungszeit tv die Reduzierung der Zufuhr des Erregerstroms IE aufgehoben werden würde. Die vorgegebene Verzögerungszeit tv wird beispielsweise empi­ risch ermittelt und im Regler 4 abgespeichert. Nach Ab­ lauf der vorgegebenen Verzögerungszeit tv 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 IE 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 IE zur Erregerwicklung mitteilt: IE = 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 IE zur Erregerwicklung nach sich zie­ hen. Beispielsweise kann die vorgegebene Verzögerungszeit tv verkürzt bzw. ignoriert werden, so daß in diesem Falle der Erregerstrom IE bereits sofort nach erstmaligem Über­ schreiten des vorgegebenen Schwellwerts ns 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 IE zur Erregerwicklung aufgehoben.
In einer Weiterbildung dieses Falles ist darüber hinaus eine Regelung der Zufuhr des Erregerstroms IE während der Verzögerungszeit tv derart möglich, daß die Zufuhr des Erregerstroms IE gerade zur Sicherstellung einer ausrei­ chenden 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 (3)

1. Verfahren zur elektronischen Regelung des Erregerstroms durch die Erregerwicklung eines Drehstromgenerators in Kraftfahrzeugen, bei dem während des Startvorganges die Zufuhr des Erregerstroms (IE) zur Erregerwicklung des Drehstromgenerators (1) verhindert ist, solange ein der Drehzahl der Brennkraftmaschine proportionaler Signalwert (n) kleiner als ein vorgegebener Schwellwert (ns) ist, und die Zufuhr des Erregerstroms (IE) zur Erregerwicklung für eine vorgegebene Verzögerungszeit (tv) verhindert ist, wobei die vorgegebene Verzögerungszeit (tv) beginnt, wenn der Signalwert (n) den vorgegebenen Schwellwert (ns) erstmals erreicht hat.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die Verhinderung der Zufuhr des Erregerstroms(IE) zur Erregerwicklung in Abhängigkeit von der elektrischen Ladebilanz aufgehoben wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei die Verhinderung der Zufuhr des Erregerstroms (IE) zur Erregerwicklung aufgehoben wird, wenn ein der Batteriespannung proportionaler Signalwert (U) einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet.
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