WO2010052197A2

WO2010052197A2 - Generatoreinheit für ein kraftfahrzeug-bordnetz

Info

Publication number: WO2010052197A2
Application number: PCT/EP2009/064484
Authority: WO
Inventors: Thomas Peuser; Markus Beck; Roman Lahmeyer
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2010-05-14
Also published as: DE102008043509A1; WO2010052197A3; US20110260698A1; EP2342814A2; JP2012507981A

Abstract

Eine Generatoreinheit für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz umfasst einen Generator (5), ein erstes Reglermodul (4) zum Regeln des Betriebs des Generators und einer digitalen Schnittstelle (9), die mit dem ersten Reglermodul in einer Baueinheit zusammengefasst ist, und ein ebenfalls in die Baueinheit integriertes programmgesteuertes zweites Reglermodul (3), das Steuerinformation über die digitale Schnittstelle (9) empfängt.

Description

Beschreibung

Titel

Generatoreinheit für ein Kraftfahrzeuq-Bordnetz

Die Erfindung betrifft eine Generatoreinheit für die Spannnungsversorgung eines

Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug.

Stand der Technik

Aus DE 103 21 872 A1 ist eine Generatoreinheit für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz bekannt, bei der zwei Reglermodule zum Regeln des Betriebs eines Generators zusammenwirken. Ein erstes dieser Reglermodule ist mit dem Generator in einer Generatoreinheit zusammengefasst und empfängt Steuerinformation von dem baulich getrennten zweiten Generatormodul über eine digitale Schnittstelle. Das zweite Reglermodul ist in einem Steuergerät durch Software implementiert. Im

Normalbetrieb steuert das zweite Reglermodul einen Schalttransistor zur Einstellung des Erregerstroms des Generators an. Wenn die von dem zweiten Reglermodul ausgegebene Stellgröße nicht plausibel ist, etwa weil ihr Wert oder ihre Änderungsgeschwindigkeit außerhalb eines zulässigen Bereichs liegt, und auf eine Störung des zweiten Reglermoduls hinweist, übernimmt das erste Reglermodul die Regelung des Generators.

Die Implementierung des zweiten Reglermoduls in Softwareform ermöglicht die Umsetzung komplexer, unter vielen Gesichtspunkten optimierter Regelungsgstra- tegien. Ein Problem dieser bekannten Generatoreinheit liegt jedoch in der Sicherstellung reibungsloser Kommunikation zwischen der Generatoreinheit und dem externen zweiten Reglermodul. Wenn an der Generatoreinheit Anpassungen oder Weiterentwicklungen vorgenommen werden, ist es in der Regel erforderlich, dass diese in der Software des zweiten Reglermoduls berücksichtigt wer- den, um eine reibungslose Zusammenarbeit zu gewährleisten. Wenn in wirtschaftlich an sich sinnvoller Weise das zweite Reglermodul in ein Motorsteuerge- rät integriert ist, und Motorsteuergerät und Generatoreinheit eines Fahrzeugs von verschiedenen Herstellern geliefert werden, so müssen diese sich bei jeder Weiterentwicklung koordinieren. Dies macht die Weiterentwicklung beschwerlich und kostspielig.

Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist eine Generatoreinheit für ein Kraftfahrzeug- Bordnetz, mit einem Generator, einem ersten Reglermodul zum Regeln des Betriebs des Generators und einer digitalen Schnittstelle, die mit dem ersten Reglermodul in einer Baueinheit zusammengefasst ist, und mit einem programmgesteuerten zweiten Reglermodul, bei der das zweite Reglermodul in die Baueinheit integriert ist und Steuerinformation über die digitale Schnittstelle empfängt. Eine solche Generatoreinheit ist flexibel an verschiedene Einsatzumgebungen anpassbar, ohne ihrerseits aufwändige Anpassungen außerhalb der Generatoreinheit notwendig zu machen, da allen Änderungen, die ggf. im Generator oder dem ersten Reglermodul vorgenommen werden, um z.B. die Generatoreinheit an einen bestimmten Fahrzeugtyp anzupassen, in der Programmierung des zweiten Reglermoduls so Rechnung getragen werden kann, dass Anpassungen in externen Einheiten, die Steuerinformation über die digitale Schnittstelle liefern, wie etwa einem Motorsteuergerät, unterbleiben können.

Im einfachsten Fall kann das zweite Reglermodul lediglich die Funktion eines Protokollwandlers haben, der von einer externen Einheit gelieferte Steuerinformation in ein von dem ersten Reglermodul verarbeitbares Format umsetzt. Vorzugsweise ist jedoch das zweite Reglermodul eingerichtet, in einem Normalbe- triebszustand selber den Generator zu regeln, während das erste Reglermodul die Regelung des Generators nur in einem Störungsbetriebszustand übernimmt. Dies erlaubt die Implementierung komplexer Regelstrategien in dem zweiten

Reglermodul; während die Funktionalitäten des ersten Reglermoduls auf die für die Spannungsversorgung des Bordnetzes unbedingt notwendigen Elementarfunktionen beschränkt sein können und das erste Reglermodul dementsprechend einfach und robust aufgebaut sein kann. Vorzugsweise ist das zweite Reglermodul ausgelegt, die Regelung des Generators wenigstens zum Teil anhand von originalen Messwerten von Sensoren vorzunehmen. Dies entlastet eine externe Quelle von Steuerinformation wie etwa ein Motorsteuergerät von der Notwendigkeit, diese Messwerte für die Genera- torsteuerung aufzuarbeiten. Dadurch vereinfacht sich die Betriebssoftware des

Motorsteuergeräts. Sofern das Motorsteuergerät Steuerinformation für den Generator liefert, kann dies in einer vom Typ des Generators unabhängigen Form erfolgen. Folglich werden keine je nach Typ des Generators unterschiedlichen Versionen der Betriebssoftware des Steuergeräts benötigt.

Die Regelung des Generators im Störungsbetriebszustand erfolgt vorzugsweise ohne Rückgriff auf über die digitale Schnittstelle empfangene Steuerinformation. Die Regelung durch das erste Reglermodul kann dann zwar nicht optimal sein, doch besteht keine Gefahr, dass das erste Reglermodul aufgrund von fehlerhaf- ter oder fehlender Steuerinformation völlig ungeeignet regelt.

Über das Vorliegen des Normalbetriebszustands oder des Störungsbetriebszustand kann ein Kontrollmodul unter anderem anhand des Werts wenigstens einer Betriebszustandsgröße des Bordnetzes entscheiden.

Wenn das Kontrollmodul eingerichtet ist, die Entscheidung über das Vorliegen des Normalbetriebszustands oder des Störungsbetriebszustand in Abhängigkeit von der Überschreitung oder NichtÜberschreitung eines Grenzwerts der Betriebszustandsgröße zu treffen, kann der Grenzwert durch das zweite Reglermo- dul festlegbar sein. Eine Anpassung des Kontrollmoduls an eine Anwendungsumgebung, in der die Generatoreinheit verwendet wird, ist daher vor dem Einbau der Einheit nicht nötig; sie wird automatisch von dem zweiten Reglermodul vorgenommen. In dem zweiten Reglermodul sind die hierfür erforderlichen Maßnahmen leicht in Form von Programmschritten implementierbar.

Um Fehlfunktionen vorzubeugen, kann die Möglichkeit, den Grenzwert festzulegen, auf die Zeit beschränkt sein, in der die Generatoreinheit sich im Normalbetriebsmodus befindet.

Dadurch, dass das erste Reglermodul als ASIC realisiert ist, ist es insbesondere geeignet, Standard-Reglerfunktionen aufzunehmen, welche keinen Änderungen - A -

in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendungsumgebung unterliegen. Somit kann das erste Reglermodul als gleichbleibender Standardbaustein in erfindungsgemäßen Generatoreinheiten in Kombination mit dem zweiten Reglermodul für viele verschiedene Fahrzeugtypen eingesetzt werden, was vorteilhaft hin- sichtlich der vorzuhaltenden Bauteile ist.

Insbesondere wenn das erste Reglermodul mit dem Kontrollmodul in einem Halbleiterbaustein zusammengefasst ist, ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich des Raumbedarfs der Generatoreinheit und hinsichtlich der Anzahl der verwen- deten Bauteile.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figur. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einem Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einer Generatoreinheit gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem Bordnetz 2 für ein Kraftfahrzeug schema- tisch dargestellt. Das Bordnetz 2 umfasst einen Generatorregler 1 , der einen Generator 5 durch die Ausgabe einer Stellgröße zur Erzeugung einer Ausgangsspannung veranlasst, welche über einen an den Generator 5 angeschlossenen Gleichrichter 51 in das Bordnetz 2 eingespeist wird. Das Bordnetz 2 umfasst weiter eine Batterie 21 und eine Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern 22. Der Generatorregler 1 ist über einen Stecker 9 und einen digitalen Bus mit einem

Steuergerät 8 des Bordnetzes verbunden, wobei der Stecker 8 Verbindungsleitungen einer digitale Schnittstelle 81 und analoge Verbindungsleitungen DFM (Generatorauslastung), KI15 (Klemme 15, Fahrschalter ein), S (Sense, Batterieklemmenspannung) und W (Generatorphase) umfasst.

Der Generatorregler 1 umfasst ein in einem ASIC realisiertes elementares Reglermodul 4, ein höheres Reglermodul 3, das als programmierbare digitale Schaltung, insbesondere als MikroController, FPGA- oder CPLD-Baustein realisiert ist, und ein Kontrollmodul 6. Das elementare Reglermodul 4 und das Kontrollmodul 6 sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in einem gemeinsamen

Halbleiterbaustein 7 zusammengefasst. Das elementare Reglermodul 4 umfasst eine mit einem PWM-Steuersignal ansteuerbare Endstufe, die einen zum Tastverhältnis des PWM-Steuersignals proportionalen Erregerstrom an eine Erregerspule 52 des Generator 5 ausgibt. Ei- nem Steuereingang der Endstufe 42 ist ein Umschalter 41 vorgeschaltet, der es erlaubt, das PWM-Steuersignal wahlweise von einer internen Regelschaltung des elementaren Reglermoduls 4 oder von dem höheren Reglermodul 3 zu beziehen.

Die interne Regelschaltung leitet das PWM-Steuersignal gemäß einem fest verdrahteten Zusammenhang von der Klemmenspannung der Batterie oder einer Ausgangsspannung des Generators 5 und ggf. anderen Steuerparametern wie etwa den Signalen Kl 15, W, einer von einem Sensor erfassten Betriebstemperatur des Generators 5 etc. ab.

Das elementare Reglermodul 4 kann die Steuerparameter über den Stecker 9 und den digitalen Bus beziehen. Zu diesem Zweck nutzen in der Ausgestaltung der Fig. 1 das elementare Reglermodul 4 und das Kontrollmodul 6 eine gemeinsame Busschnittstelle. An dem Generator gemessene Steuerparameter können auch über direkte Leitungen, insbesondere als Analogsignale, dem elementaren

Reglermodul 4 zugeführt werden, um die Möglichkeit auszuschließen, dass aufgrund einer Störung des Busses die Steuerparameter das elementare Reglermodul 4 nicht erreichen.

Das Kontrollmodul 6 empfängt die Signale KU 5, S und W über den Stecker 9.

Um festzustellen, ob eine Störung in der Spannungsversorgung des Bordnetzes vorliegt, vergleicht die Kontrolleinheit 6 z.B. den Pegel von S oder die Geschwindigkeit einer Änderung dieses Pegels mit einem zuvor durch das höhere Steuermodul 3 spezifizierten Grenzwert. Eine Störung der Spannungsversorgung wird festgestellt, wenn der Pegel von S außerhalb eines Intervalls zwischen zwei solchen Grenzwerten liegt, oder wenn die Änderungsgeschwindigkeit einen Grenzwert übersteigt. Solange keine Störung vorliegt, steuert das Kontrollmodul 6 den Umschalter 41 , um das PWM-Signal des höhere Steuermodul 3 an die Endstufe 42 anzulegen. Im Störungsfall wird das PWM-Signal der internen Regelschaltung des elementaren Reglermoduls 4 an die Endstufe 42 durchgeschaltet. Wenn die

Bordnetzspannung außerhalb des zulässigen Intervalls liegt, muss eine Korrektur so schnell wie möglich erfolgen, um die Gefahr einer Schädigung oder des Da- tenverlusts bei an das Bordnetz angeschlossenen Verbrauchern zu minimieren. Für eine solche schnelle Korrektur ist das elementare Reglermodul 4 aufgrund der schnelleren Reaktionszeiten des ASIC-Bausteins besser geeignet als das programmgesteuerte höhere Reglermodul 3.

Zudem ist das Kontrollmodul 6 über eine Signalleitung 12 mit dem höheren Reglermodul 3 verbunden. Das höhere Reglermodul 3 ist programmiert, um im Normalbetrieb in festgelegten Zeitintervallen, normalerweise alle 100 ms, eine Stellgröße an den Generator 5 auszugeben und diese Aktivität durch die Ausgabe eines Totmann-Signals auf die Signalleitung 12 anzuzeigen. Die Ausgabe der Stellgröße kann z.B. in der Aktualisierung des Tastverhältnisses des PWM- Signalas liegen. Das Totmann-Signal kann z.B. eine Pegelumkehr einer Spannung auf der Signalleitung 12 sein, die nach jedem Ausgeben der Stellgröße stattfindet, oder ein nach jeder Ausgabe der Stellgröße ausgegebener Impuls.

Bleibt das Totmann-Signal aus, so deutet dies auf eine Störung des Programmablaufs im höheren Reglermodul 3 hin. Da in einem solchen Fall nicht davon ausgegangen werden kann, dass die an den Generator 5 ausgegebene Stellgröße korrekt ist, betätigt das Kontrollmodul 6 den Umschalter 41 , so dass der Ge- nerator 5 von dem elementaren Steuermodul 4 angesteuert wird.

Ein Signal des Kontrollmoduls, mit dem dieses den Umschalter 41 ansteuert, wird auch dem höheren Reglermodul 3 zugeführt. So ist das höhere Reglermodul 3 in der Lage, zu erkennen, wenn die Generatoreinheit im Störungsbetrieb läuft und der Generator 5 auf die ausgegebene Stellgröße nicht reagiert. In diesem

Fall wird eine Nachführung interner Regelkreise des höheren Reglermodul 3 gestoppt, um zu verhindern, dass gespeicherte Parameter des höheren Reglermoduls 3 in dem vergeblichen Versuch, den Generator 5 zu beeinflussen, auf werte verstellt werden, die, wenn die Kontrolleinheit 6 später zum Normalbetrieb zu- rückkehrt, zu völlig ungeeigneten Ausgabewerten der Stellgröße führen.

Eine Rückkehr zum Normalbetrieb findet statt, wenn die von der Kontrolleinheit überwachten Signalpegel wieder im zulässigen Bereich liegen.

Die Funktion des höheren Reglermoduls 3 kann darauf beschränkt sein, in beliebiger Form kodierte, über den Bus empfangene und direkt eine gewünschte Ge- neratorleistung repräsentierende Steuerbefehle für den Generator 5 in ein PWM- Signal von für den Generator 5 und die Endstufe 41 angepasster Form umzusetzen, so dass eine externe Steuereinheit wie etwa ein Bordcomputer, das diese Steuerbefehle liefert, keinerlei Anpassung an die Komponenten der Generator- einheit mehr bedarf. Diese Anpassungen können auf seiten des höheren Reglermoduls 3 durch eine Anpassung seiner Software leicht vorgenommen werden.

Vorzugsweise übernimmt das höhere Reglermodul 3 darüber hinaus noch mit der Festlegung der gewünschten Generatorleistung zusammenhängende Aufgaben. Dadurch kann die externe Steuereinheit entlastet werden; ihre Betriebssoftware wird einfacher und wird, da sie von den technischen Einzelheiten der Generatoreinheit weitgehend unabhängig ist, nur in einer kleinen Zahl verschiedener Versionen benötigt, und die Reaktionszeiten der externen Steuereinheit bei bei ihr verbleibenden Steueraufgaben können verkürzt werden. Um die zur Festlegung der Stellgröße für den Generator 5 erforderlichen Berechnungen durchzuführen, empfängt das höhere Reglermodul 3 Messwerte von Sensoren direkt oder über den Bus, wie etwa Messwerte der Batterieklemmenspannung und/oder der Generatortemperatur. So können sich die Angaben, die das höhere Reglermodul vom Bordcomputer empfängt, z.B. auf eine Angabe der in Betrieb befindlichen Verbraucher oder ihrer Gesamtleistungsaufnahme beschränken; eine Ansteuerung des Generators, die den Leistungsbedarf langfristig befriedigen kann und Randbedingungen wie etwa die Vermeidung einer zu hohen Betriebstemperatur des Generators erfüllt, wird anhand dieser Vorgabe von dem höheren Reglermodul 3 festgelegt, ohne Rechenleistung des Bordcomputers in Anspruch zu neh- men.

Wenn oben von Normal- und Störungsbetriebsmodus die Rede ist, so ist dies nicht dahingehend zu verstehen, dass jede Umschaltung in den Störungsbetriebsmodus mit einer behebungsbedürftigen technischen Störung zusammen- hängt. Kurze Phasen im Störungsbetriebsmodus können auch bei einer völlig intakten Generatoreinheit, insbesondere aufgrund kurzfristiger Schwankungen der Leistung der angeschlossenen Verbraucher, auftreten. Nur wenn der Störungsbetriebsmodus über eine vorgegebene Maximalzeitspanne anhält oder wiederholt auftritt, wird dem Fahrer eine Meldung angezeigt, die auf die Störung und die Notwendigkeit ihrer Behebung sowie ggf. auf den Grenzwert hinweist, dessen Überschreitung zur Feststellung der Störung durch das Kontrollmodul 6 geführt hat.

Claims

Ansprüche

1 . Generatoreinheit für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz, mit einem Generator (5), einem ersten Reglermodul (4) zum Regeln des Betriebs des Generators und einer digitalen Schnittstelle (9), die mit dem ersten Reglermodul in einer Baueinheit zusammengefasst ist, und mit einem programmgesteuerten zweiten Reglermodul (3), dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Reglermodul (3) in die Baueinheit integriert ist und Steuerinformation über die digitale Schnittstelle (9) empfängt.

2. Generatoreinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Reglermodul (3) eingerichtet ist, den Generator (5) in einem Normalbe- triebszustand zu regeln und dass das erste Reglermodul (4) eingerichtet ist, den Generator (5) in einem Störungsbetriebszustand zu regeln.

3. Generatoreinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die über die digitale Schnittstelle (9) empfangene Steuerinformation wenigstens zum Teil originale Messwerte von Sensoren umfasst.

4. Generatoreinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung im Störungsbetriebszustand ohne Rückgriff auf über die digitale

Schnittstelle (9) empfangene Steuerinformation erfolgt.

5. Generatoreinheit nach Anspruch 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch ein Kontrollmodul (6) zum Entscheiden über das Vorliegen des Normalbetriebszu- Stands oder des Störungsbetriebszustand anhand des Werts wenigstens einer Betriebszustandsgröße des Bordnetzes.

6. Generatoreinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollmodul (6) eingerichtet ist, die Entscheidung über das Vorliegen des Normalbetriebszustands oder des Störungsbetriebszustand in Abhängigkeit von der Überschreitung oder NichtÜberschreitung eines Grenzwerts der Be- triebszustandsgröße zu treffen, und dass der Grenzwert durch das zweite Reglermodul (3) festlegbar ist.

7. Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das erste Reglermodul (4) als ASIC realisiert ist.

8. Generatoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Reglermodul (4) mit dem Kontrollmodul (6) in einem Halbleiterbaustein zusammengefasst ist.