Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Ausgleich eines Einbruchs der Ausgangsspannung eines Kraftfahrzeuggenerators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleich eines Einbruchs der Ausgangsspannung eines Kraftfahrzeuggenerators.
Stand der Technik
Das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs wird von einem Generator mit Energie versorgt, dessen Ausgangsspannung von einem Generatorregler auf einen vorgegebenen Wert, beispielsweise auf 14V, geregelt wird. Lastzuschaltungen oder Drehzahländerungen im Kraftfahrzeug können zu einem Einbruch der Bordnetzspannung führen. Der Generatorregler regelt diesen Spannungseinbruch aus, wodurch sich die Momentenanforderung an den Triebstrang bzw. an den Motor erhöht. Durch die Zuschaltung der Last wird ein höheres Moment benötigt, um den Generator anzutreiben. Die Regelung erfolgt durch eine Erhöhung des Erregerstromes im Läufer der Generatorvorrichtung. Diese Erhöhung wird durch eine Erhöhung des vom Generatorregler eingestellten Tastverhältnisses eines PWM- Signals herbeigeführt. Durch die Änderung des sich aus dem Erregerstrom ergebenden Magnetfeldes wird die im Ständer induzierte Spannung vergrößert.
Im Falle einer schnellen Ausregelung eines Spannungseinbruches kommt es auch zu einem entsprechend schnellen Anstieg des momentbestimmenden Erregerstromes. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen kann der Motor oftmals das Moment nicht ausreichend schnell aufbringen. In diesem Fall wird der Motor vom Generator abgebremst. Dadurch kann es zu einem Abwürgen des Motors kommen.
Um ein derartiges Abwürgen des Motors zu verhindern ist es bereits bekannt, die Ausregelungsgeschwindigkeit eines Generatorreglers im unteren Drehzahlbereich zu begrenzen. Diese sogenannte Load Response Funktion begrenzt die Änderungsgeschwindigkeit des Tastverhältnisses, wenn dieses aufgrund eines Spannungseinbruches erhöht werden muss. Dadurch wird in gleichem Maße die
Änderungsgeschwindigkeit des Moments beeinflusst, so dass der Motor mehr Zeit dazu hat, auf die erhöhten Momentanforderungen zu reagieren. Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass dadurch eine entsprechende Verzögerung bei der Ausregelung des Spannungseinbruches auftritt. Der Spannungs- einbruch dauert länger an.
Werden nur kleine Lasten zugeschaltet und muss somit das Tastverhältnis nur geringfügig erhöht werden, dann wird auch das Moment nur geringfügig erhöht, was für den Motor in der Regel unkritisch ist. Um nicht auch bei derartigen klei- nen Laständerungen eine durch die Load Response Funktion verursachte langsame Ausregelung eines Spannungseinbruchs in Kauf nehmen zu müssen, ist es bereits bekannt, das Tastverhältnis zunächst um einen vorgegebenen Wert, auch als "Blindzone" bzw. "blind zone" bezeichnet, zu erhöhen, so dass eine schnelle Reaktion auf den Spannungseinbruch erfolgt, und erst anschließend mit der durch die Load Response Funktion begrenzten Anstiegsgeschwindigkeit weiter zu erhöhen.
Die "Blindzone" bzw. "blind zone" ist definiert als das Tastverhältnis-delta, innerhalb dem eine schnelle Ausregelung erfolgen kann. Bei aktuellen Reglern ist die "blind zone" auf einen festen Wert eingestellt oder lässt sich zwischen zwei Werten umschalten. Die sich dadurch ergebenden möglichen Lasten, welche schnell ausgeregelt werden können, als auch die sich daraus ergebenden möglichen Momentenänderungen, sind nicht konstant, sondern abhängig vom jeweiligen Arbeitspunkt des Generators. Gründe für diese Abhängigkeit vom Arbeitspunkt sind beispielsweise die durch Temperatur veränderbaren Eigenschaften der Erregerwicklung (Widerstand und Induktivität) sowie die Unproportionalität des Erregerstromes zum Generatorstrom, die durch das Sättigungsverhalten des Eisenkerns des Läufers hervorgerufen wird."
Aus der DE 199 05 984 AI ist eine Steuervorrichtung für eine Kraftfahrzeug- Lichtmaschine bekannt, die von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird und nach einer Gleichrichtung der von ihr erzeugten Ausgangsspannung eine Batte-
rie lädt. Diese Steuervorrichtung weist auf einen Spannungsregler, der die Ladespannung der Batterie auf einen konstanten Wert steuert und eine Einrichtung, die den Generatorstrom der Lichtmaschine nach dem Einschalten einer elektrischen Last allmählich erhöht. Der Erhöhungsbetrag eines Steuerstromes eines Leistungsschalters zum Steuern des Erregerstromes der Lichtmaschine zu einem
Zeitpunkt direkt nach dem Einschalten der elektrischen Last, jedoch vor der Aktivierung der Einrichtung zum Steuern einer allmählichen Erregung, wird in Abhängigkeit von den Leistungserzeugungsbedingungen der Lichtmaschine eingestellt. Insbesondere wird der Erhöhungsbetrag des Steuerstroms des Leistungs- Schalters zum Steuern des Erregerstromes der Lichtmaschine in Abhängigkeit vom Generatorstrom der Lichtmaschine in der Weise eingestellt, dass bei großem Generatorstrom der Erhöhungsbetrag erhöht wird und bei kleinem Generatorstrom erniedrigt wird. Alternativ dazu wird der Erhöhungsbetrag des Steuerstromes des Leistungsschalters zum Steuern des Erregungsstromes in der Wei- se eingestellt, dass er zum Erregungsstromwert vor dem Einschalten der elektrischen Last proportional ist. Dadurch wird erreicht, dass bei einer Verwendung der gleichen Steuervorrichtung für Generatoren mit unterschiedlichen Generatorleistungskapazitäten der Ausgangsstrom der betreffenden Lichtmaschine, der eine einmalige und sofortige Antwort auf ein Einschalten einer Last vor der Aktivie- rung der Steuerung einer allmählichen Erregung, die den Generatorstrom allmählich erhöht, darstellt, im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Offenbarung der Erfindung Ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und eine Vorrichtung mit den im Anspruch 5 angegebenen Merkmalen weisen demgegenüber den Vorteil auf, dass die Wahl des Differenzbetrages, um welchen das Tastverhältnis des Steuersignals erhöht wird, in Abhängigkeit vom jeweils vorliegenden Arbeitspunkt vorgenommen wird. Diese Anpassung der Blindzone an den jeweils vorliegenden Arbeitspunkt führt in vorteilhafter Weise zu einem vorhersehbaren und eindeutig definierten Verhalten des Generators, welches für die jeweiligen Arbeitspunkte des Motors optimiert werden kann. Dadurch können beispielsweise komplexere Funktionen im Steuergerät zur Reaktion auf Momentenänderungen am Triebstrang bedingt durch den Generator minimiert werden.
Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass in den unterschiedlichen Arbeitspunkten nicht stets konstante Bedingungen, beispielsweise konstante Mo-
mentänderungen oder konstant schnell ausregelbare Spannungseinbrüche, vorliegen, sondern auch unterschiedliche Bedingungen vorliegen können, beispielsweise können unterschiedliche Arbeitspunkte unterschiedlichen Momentenände- rungen zugeordnet sein.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Ausgleich eines auf einer Lastzuschaltung beruhenden Einbruchs der Ausgangsspannung eines Kraftfahrzeuggenerators,
Figur 2 Diagramme zur Erläuterung eines bekannten Verfahrens und
Figur 3 Diagramme zur Erläuterung eines Verfahrens gemäß der Erfindung.
Die Figur 1 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Ausgleich eines auf einer Lastzuschaltung beruhenden Einbruchs der Ausgangsspannung eines Kraftfahrzeuggenerators. Die dargestellte Vorrichtung weist eine Generatorvorrichtung 11, das Bordnetz 12 des Kraftfahrzeugs und Detektormittel 13 auf. Die Generatorvorrichtung 11 umfasst einen Generatorregler 1 und eine Generatoreinheit 10, die an ihrem Ausgang eine Versorgungsgleichspannung für das Bordnetz 12 eines Kraftfahrzeugs bereitstellt.
Die Generatoreinheit 10 weist einen Generator 2 und eine Gleichrichteranordnung 9 auf. Der Generator 2 enthält eine Erregerwicklung 5 und nicht näher dargestellte Phasenwicklungen, die beispielsweise in Form einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung miteinander verschaltet sind. Der Generator 2 stellt an seinen Phasenspannungsanschlüssen U, V und W Wechselspannungen zur Verfügung, die der nachgeschalteten Gleichrichteranordnung 9 zugeführt werden. Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann auch eine andere Anzahl von Phasen bzw. Phasenspannungsanschlüssen vorliegen.
Die Gleichrichteranordnung 9 enthält drei Zweige, von denen jeder eine Reihenschaltung zweier Dioden oder anderer geeigneter Komponenten aufweist und einem anderen der Phasenspannungsanschlüsse des Generators zugeordnet ist.
Der Phasenspannungsanschluss U des Generators 2 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Dioden Dl und D4 des ersten Gleichrichterzweigs verbunden. Der Phasenspannungsanschluss V des Generators 2 ist an einen Verbindungspunkt zwischen den Dioden D2 und D5 des zweiten Gleichrichterzweigs angeschlossen. Der Phasenspannungsanschluss W des Generators 2 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den Dioden D3 und D6 des dritten Gleichrichterzweigs verbunden.
Die Kathoden der Dioden D4, D5 und D6 sind miteinander verbunden. Dort wird die Ausgangsgleichspannung der Generatoreinheit 10 bereitgestellt und an das
Bordnetz 12 weitergegeben. Die Anoden der Dioden Dl, D2 und D3 sind ebenfalls miteinander verbunden und liegen auf Masse.
Der Phasenspannungsanschluss W des Generators 2 steht des Weiteren über einen Anschluss X des Generatorreglers 1 mit der Reglersteuerung 7 des Generatorreglers 1 und über einen Widerstand R3 und eine Masseverbindung 3 des Generatorreglers mit Masse 4 in Verbindung.
Der Generatorregler 1 weist einen Betriebsspannungsanschluss B+ sowie weite- re Anschlüsse DF, D- und X auf. Des Weiteren enthält der Generatorregler eine
Reglersteuerung 7, welche mit einer Auswertelogik versehen ist. Die Reglersteuerung 7 ist dazu vorgesehen, einem Schalttransistor 6 ein PWM-Ansteuersignal s zur Verfügung zu stellen. Die Reglersteuerung 7 ist weiterhin mit dem Betriebsspannungsanschluss B+ und über die Masseverbindung 3 mit Masse 4 verbun- den. Ferner steht die Reglersteuerung 7 mit dem Anschluss X des Generatorreglers 1 in Verbindung, um ein vom Phasenspannungsanschluss W des Generators 2 abgeleitetes Phasenspannungssignal zu empfangen.
Darüber hinaus weist die in der Figur 1 gezeigte Vorrichtung einen Erregerstrom- kreis auf. Dieser verläuft vom Betriebsspannungsanschluss B+ des Generatorreglers 1 über den Schalttransistor 6 des Generatorreglers, den Anschluss DF des Generatorreglers, die Erregerwicklung 5, den Anschluss D- des Generatorreglers und die Masseverbindung 3 nach Masse 4. Zwischen die Anschlüsse D- und DF des Generatorreglers 1 ist entweder eine Freilaufdiode 8 geschaltet oder es wird ein aktiver Freilauf mit einem Schalttransistor verwendet.
Die Reglersteuerung 7, welche mit dem Betriebsspannungsanschluss B+ und über den Anschluss X mit dem Phasenspannungsanschluss W des Generators 2 verbunden ist, steuert den Schalter 6 mit dem Steuersignal s derart an, dass ein Erregerstrom durch die Erregerwicklung 5 fließt, der sowohl von der am Be- triebsspannungsanschluss B+ vorliegenden Gleichspannung als auch zeitweise von der ihr über den Anschluss X zugeleiteten Phasenspannung abhängig ist.
Tritt bei einer derartigen Vorrichtung aufgrund einer Zuschaltung einer Last im Bordnetz ein Einbruch der Ausgangsspannung des Kraftfahrzeuggenerators auf, dann wird dies von der Reglersteuerung 7 detektiert. Die Reglersteuerung ist derart ausgebildet, dass sie beim Auftreten eines derartigen Spannungseinbruchs eine Ausregelung des Spannungseinbruchs herbeiführt. Dies geschieht wie folgt: Nach dem Auftreten der Lastzuschaltung erfasst die Reglersteuerung 7 die Parameterwerte der ihr von den Detektormitteln 13 zugeführten Signale. Diese Signale entsprechen Parametern, die den momentanen Arbeitspunkt des Kraftfahrzeuggenerators 2 beschreiben, so dass die Reglersteuerung aus den ihr zugeführten Parameterwerten den momentanen Arbeitspunkt des Kraftfahrzeuggene- rators ermitteln kann. Zu diesen Parametern, deren Parameterwerte Rückschlüsse auf den momentanen Arbeitspunkt des Kraftfahrzeuggenerators erlauben, gehören eine Drehzahl und eine Temperatur. Bei dieser Drehzahl handelt es sich um die Generatordrehzahl und/oder die Motordrehzahl. Bei der Temperatur handelt es sich um die Generatortemperatur und/oder die Reglertemperatur und/oder die Motorraumtemperatur und/oder die Umgebungstemperatur. Weitere den momentanen Arbeitspunkt des Kraftfahrzeugs beschreibende Parameter sind beispielsweise die Belastung des Generators und/oder der Erregerstrom und/oder das Tastverhältnis und/oder die Batteriespannung und/oder die Generatorspannung. Die Informationen über den Erregerstrom und das Tastverhältnis liegen der Reglersteuerung ohnehin vor. Die Informationen über weitere Parameter, deren Parameterwerte Rückschlüsse auf den momentanen Arbeitspunkt des Kraftfahrzeuggenerators erlauben, werden der Reglersteuerung von den Detektormitteln 13 zugeführt. Hat die Reglersteuerung aus den genannten Parametern den momentanen Arbeitspunkt des Kraftfahrzeuggenerators ermittelt, dann wählt sie einen diesem Arbeitspunkt zugehörigen arbeitspunktabhängigen Betrag aus, um welchen das
momentane Tastverhältnis des Steuersignals s erhöht wird, um eine für diesen Arbeitspunkt optimale Ausregelung des aufgetretenen Spannungseinbruchs in die Wege zu leiten, und führt in einem ersten Schritt dem Schalttransistor 6 ein Steuersignal s mit dem erhöhten Tastverhältnis zu. Dadurch wird auch der durch die Erregerwicklung 5 fließende Erregerstrom erhöht, was wiederum zu einer Erhöhung der Ausgangsspannung der Generatorvorrichtung führt.
Zur Auswahl des arbeitspunktabhängigen Betrages, um welchen das momentane Tastverhältnis des Steuersignals s erhöht wird, adressiert die Reglersteuerung 7 einen Speicher 14, in welchem ein Kennfeld abgespeichert ist, in welchem einer Vielzahl von Arbeitspunkten jeweils ein Differenzbetrag zugeordnet ist.
Anschließend erzeugt die Reglersteuerung das Steuersignal s in einem zweiten Schritt derart, dass die Ausregelgeschwindigkeit begrenzt wird und führt damit eine Load Response Funktion durch.
Folglich wird bei der vorliegenden Erfindung nach dem Auftreten eines durch eine Lastzuschaltung auftretenden Spannungseinbruchs zunächst der momentane Arbeitspunkt des Kraftfahrzeuggenerators ermittelt und das Tastverhältnis des dem Schalttransistor T6 zugeführten Steuersignals s um einen arbeitspunktabhängigen Differenzbetrag erhöht. Danach erfolgt in einem zweiten Schritt eine Begrenzung der Ausregelgeschwindigkeit im Sinne einer Load Response Funktion.
Die Figur 2 zeigt Diagramme zur Erläuterung eines bekannten Verfahrens. In der Figur 2a ist das Tastverhältnis des Steuersignals s über der Zeit aufgetragen, in der Figur 2b die Belastung L des Generators über der Zeit. Zu einem Zeitpunkt tl wird eine erste Last und zu einem Zeitpunkt t2 eine zweite Last zugeschaltet. Beide Lastzuschaltungen verursachen einen Einbruch der von der Generatorvorrichtung bereitgestellten Ausgangsspannung.
Aus der Figur 2a ist ersichtlich, dass zum Zeitpunkt tl das Tastverhältnis des Steuersignals s in einem ersten Schritt sprunghaft um einen Betrag B erhöht wird und dann in einem zweiten Schritt im Sinne einer Load Response Funktion langsam weiter ansteigt, um den Spannungseinbruch auszuregeln. Danach bleibt das Tastverhältnis bis zum Zeitpunkt t2 unverändert. Zum Zeitpunkt t2 wird das Tastverhältnis des Steuersignals s wiederum in einem ersten Schritt sprunghaft um
den Betrag B erhöht und danach wiederum in einem zweiten Schritt im Sinne einer Load Response Funktion langsam weiter erhöht, um den weiteren Spannungseinbruch zu kompensieren. Der Betrag, um welchen das Tastverhältnis des Steuersignals s sprunghaft erhöht wird, d. h. die Blindzone B, stimmt bei beiden Lastzuschaltungen überein und ist unabhängig davon, in welchem Arbeitspunkt sich der Generator zum Zeitpunkt des Auftretens der jeweiligen Lastzuschaltung momentan befindet. Die Zeitdauer der Load Response Funktion, die solange andauert, bis der jeweilige Spannungseinbruch ausgeregelt ist, ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel unterschiedlich.
Aus der Figur 2b ist ersichtlich, dass der durch Zuschaltung der Last zum Zeitpunkt tl schnell über die Blindzone ausgeregelte Anteil der zugeschalteten Last, d.h. bevor die Load Response Funktion einsetzt, den Wert Δ1 hat und der schnell ausgeregelte Anteil der zugeschalteten Last den Wert Δ2 hat, wobei Δ1 größer ist als Δ2. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich der Generator zum Zeitpunkt tl in einem anderen Arbeitspunkt befindet als zum Zeitpunkt t2.
Die Figur 3 zeigt Diagramme zur Erläuterung eines Verfahrens gemäß der Erfindung. In der Figur 3a ist das Tastverhältnis des Steuersignals s über der Zeit aufgetragen, in der Figur 3b die Belastung L des Generators über der Zeit. Zu einem Zeitpunkt tl wird eine erste Last und zu einem Zeitpunkt t2 eine zweite Last zugeschaltet. Beide Lastzuschaltungen verursachen einen Einbruch der von der Generatorvorrichtung bereitgestellten Ausgangsspannung. Aus der Figur 3a ist ersichtlich, dass zum Zeitpunkt tl das Tastverhältnis des
Steuersignals s in einem ersten Schritt sprunghaft um einen Betrag Bl erhöht wird und dann in einem zweiten Schritt im Sinne einer Load Response Funktion langsam weiter ansteigt, um den Spannungseinbruch auszuregeln. Danach bleibt das Tastverhältnis bis zum Zeitpunkt t2 unverändert. Zum Zeitpunkt t2 wird das Tastverhältnis des Steuersignals s in einem ersten Schritt sprunghaft um den Betrag B2 erhöht und danach in einem zweiten Schritt im Sinne einer Load Response Funktion langsam weiter erhöht, um den weiteren Spannungseinbruch zu kompensieren. Der Betrag, um welchen das Tastverhältnis des Steuersignals s sprunghaft erhöht wird, d. h. die Blindzone, ist bei den beiden Lastzuschaltungen unterschiedlich. Bei der Lastzuschaltung zum Zeitpunkt tl wird eine Blindzone Bl verwendet, bei der Lastzuschaltung zum Zeitpunkt t2 eine Blindzone B2, wobei beim gezeigten Ausfürhungsbeispiel Bl größer als B2 ist. Die Wahl der Blindzo-
ne ist in Abhängigkeit von dem zum Zeitpunkt der jeweiligen Lastzuschaltung vorliegenden Arbeitspunkt vorgenommen worden, wie es oben im Zusammenhang mit der Figur 1 erläutert wurde. Die Zeitdauer der Load Response Funktion, die solange andauert, bis der jeweilige Spannungseinbruch ausgeregelt ist, ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel unterschiedlich.
Aus der Figur 3b ist ersichtlich, dass der schnell ausgeregelte Anteil der zugeschalteten Last zum Zeitpunkt tl und der schnell ausgeregelte Anteil der zugeschalteten Last zum Zeitpunkt t2 jeweils den Wert Δ haben, also übereinstimmen.