WO2022101475A1 - Verfahren und kurzschlussschaltungseinrichtung zum betreiben einer generatoreinheit - Google Patents

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WO2022101475A1
WO2022101475A1 PCT/EP2021/081697 EP2021081697W WO2022101475A1 WO 2022101475 A1 WO2022101475 A1 WO 2022101475A1 EP 2021081697 W EP2021081697 W EP 2021081697W WO 2022101475 A1 WO2022101475 A1 WO 2022101475A1
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voltage
short
rotor winding
excitation
winding
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PCT/EP2021/081697
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Inventor
Ralf Herbig
Soeren SCHREIWEIS
Patrick Maier
Original Assignee
Seg Automotive Germany Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0812—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/0241—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an overvoltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/006—Means for protecting the generator by using control

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a generator unit, a short-circuit device, a voltage regulator with such a short-circuit device, an arrangement with a generator unit and such a voltage regulator and an on-board network, in particular a vehicle on-board network with such an arrangement.
  • Electrical machines in particular generators, can be used to convert mechanical energy into electrical energy in the motor vehicle.
  • Claw-pole generators which are usually equipped with electrical excitation, are usually used for this purpose. Since such generators produce three-phase current, mostly three-phase, rectification is required for the usual motor vehicle DC voltage on-board networks.
  • rectifiers based on semiconductor diodes or semiconductor switches can be used.
  • an excitation current can be controlled or regulated through the rotor winding of the generator, ie the manipulated variable for voltage regulation in motor vehicle generators is the excitation current, i.e. the current that flows through the rotor winding of the generator and generates the excitation field.
  • This is usually implemented by means of a switching unit (output stage) of a voltage regulator (field regulator), which can include, for example, at least one switching transistor (eg MOSFET or IGBT).
  • the switching unit (hereinafter also referred to as regulator switch) can switch the excitation current on and off.
  • the excitation current or an excitation current-clock ratio can be changed in such a way that the output voltage of the generator adjusts to the desired values.
  • the regulator switch is open so that no voltage is applied to the rotor winding.
  • the generator voltage and thus the vehicle electrical system voltage can become too high, which can cause undesired malfunctions of components and/or electrical devices in the vehicle electrical system.
  • some components in the vehicle electrical system can limit their function or switch off completely for their own protection. Even damage to components and/or electrical devices in the vehicle electrical system can occur.
  • the invention addresses the prevention or reduction of overvoltage cases in vehicle electrical systems in the event of a fault in the voltage regulator and uses the measure of short-circuiting the rotor winding if the excitation voltage at the rotor winding of the generator unit is too high and thus reducing the excitation current through the rotor or, as a result to interrupt.
  • the level of the excitation voltage actually applied to the rotor winding is determined and the rotor winding is short-circuited if the excitation voltage reaches or exceeds a predetermined safety threshold value for more than a predetermined safety time.
  • the safety time can also be zero, ie the shutdown is triggered immediately.
  • the safety time can be specified in particular as a function of the dielectric strength of on-board consumers, ie how long do they last which over- tensions stood.
  • the safety threshold value is preferably specified as a function of a nominal vehicle electrical system voltage and can be, for example, from approximately 130% to approximately 160% of the nominal vehicle electrical system voltage. In particular, it can be specified as a function of the dielectric strength of vehicle electrical system consumers, ie how long they can withstand which overvoltages.
  • a plurality of predetermined safety threshold values each with their own predetermined safety times, can also be used for the comparison, with the safety time preferably decreasing as the safety threshold value increases.
  • the area in between can in particular be linearly interpolated.
  • the invention is robust against overvoltages that are not caused by the voltage regulator, since an increased vehicle electrical system voltage usually already Switching off the switching unit for the rotor (controller switch) so that the short circuit of the rotor winding is not triggered.
  • a vehicle that uses the solution according to the invention can also be externally started at higher voltages than the vehicle electrical system voltage.
  • a short circuit in the rotor winding is also not unintentionally triggered by, for example, so-called ESD pulses or voltage pulses in general in the vehicle electrical system (e.g. switching vehicle electrical system components on and off can lead to very high voltage pulses, see e.g. ISO7637-2).
  • the invention is also used for redundant monitoring of the regulator switch and only leads to short-circuiting of the rotor winding in the event of a fault in the regulator switch.
  • the invention offers the further advantage that a functionality for safety shutdown, in particular in the form of the short-circuit device, can be retrofitted.
  • Previous control circuit devices e.g. in the form of ICs or ASICs, do not have to be modified. This enables the realization of a security kit from which suitable products can be combined depending on the security requirements.
  • the invention offers the advantage that a safety shutdown can be individually provided in or for voltage regulators as required.
  • the invention offers the advantage that, for example, uniform short-circuit circuit devices can be mass-produced, which can then be added to voltage regulators as desired.
  • a vehicle electrical system voltage provided by the rectifier is preferably applied to the rotor winding as the excitation voltage. Then, by monitoring the level of the excitation voltage, the vehicle electrical system voltage can be monitored at the same time.
  • This embodiment can be implemented very easily, since the excitation voltage usually corresponds to the vehicle electrical system voltage.
  • the excitation voltage is preferably also used to supply energy to the short-circuiting device. This means that no separate supply is required, which in particular improves the robustness to disturbances in the vehicle electrical system and reduces the risk of a short circuit between the supply potential (B+) and ground. Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a vehicle electrical system with a short circuit device according to the invention.
  • Figure 1 shows a circuit diagram of a vehicle electrical system 10, in particular a (motor) vehicle, with a voltage source 11 and consumers or battery 1.
  • the voltage source 11 has an electrical machine or a generator with a stator 12, a rectifier 14 connected downstream of the stator, a rotor with a rotor winding 16, which can be driven in particular by a motor of the vehicle, and a preferred embodiment of a voltage regulator 20 according to the invention (also referred to as a field controller) for specifying an excitation current through the rotor winding 16 or for controlling a generator voltage.
  • the voltage regulator 20 is used to regulate the generator voltage between the terminals B+ and ground to a target value, e.g. approx.
  • the generator voltage is therefore the rectified output voltage of the generator or the vehicle electrical system voltage.
  • the voltage regulator 20 has the actual control circuit device 22, which can be embodied, for example, as an application-specific integrated circuit ASIC (Application Specific Integrated Circuit), and a preferred embodiment of a short-circuit device 24 according to the invention.
  • the voltage regulator 20, the control circuit device 22 as such as the short-circuiting device 24 are each identified by circumferential dashed lines.
  • the control circuit device 22 has a control switch 22c as a switching unit, e.g. a semiconductor switch such as MOSFET, IGBT or thyristor, by means of which the current flowing through the rotor winding 16 can be switched, and also a diode 22a for freewheeling the excitation current.
  • the diode 22a can also be in the form of a semiconductor switch.
  • the voltage regulator is connected to the rotor winding 16 via a first connection 16a and via a second connection 16b. It should be emphasized that the rotor winding is arranged on the rotor of the electric machine and not inside the voltage regulator 20 .
  • the short-circuiting device 24 has two potential connections, which, however, are led out of the short-circuiting device on the right and left in the present figure or are passed through the short-circuiting device as lines.
  • the two potential terminals are connected to the two rotor winding terminals 16a, 16b.
  • the short-circuit circuit device 24 also has a voltage measuring module 24a for measuring the excitation voltage present between the two potential terminals and thus between the two rotor winding terminals 16a and 16b, and a switching module 24b for short-circuiting the two potential terminals and thus the two rotor winding terminals 16a and 16b and thus the rotor winding 16.
  • the switching module 24b (also short-circuit switch below) can in particular have a semiconductor switch such as a MOSFET, IGBT, thyristor, etc.
  • the voltage measuring module 24a is set up to measure the excitation voltage present between the two potential connections and thus between the two rotor winding connections 16a and 16b (which corresponds to the generator voltage if the controller switch is closed, or is at the GND potential if the controller switch is switch is open) and to compare it with one or more safety threshold values. It can be seen in particular that directly the switch is actually connected to the rotor winding behind the regulator 22c applied excitation voltage is measured. If the controller switch 22c is permanently open (not conductive), no excitation voltage is present at the rotor winding, regardless of the level of the vehicle electrical system voltage. If the controller switch 22c (in control mode) is alternately opened (not conductive) and closed (conductive), the voltage is switched in the pulse duty factor of the switching unit. As soon as the amplitude exceeds the specified threshold value, the rotor winding is short-circuited. This only takes place in the event of the controller switch 22c closing incorrectly (e.g. in the event of a short circuit or defective control logic).
  • voltage measuring module 24a causes short-circuit switch 24b to close.
  • the short-circuit switching device 24 is set up to use the voltage measuring module 24a to determine a level or amplitude of the voltage present between the two potential terminals and to compare it with one or more predetermined safety threshold values, and the switching module 24b to short-circuit the two potential terminals to control connections when the excitation voltage reaches or exceeds one or more predetermined safety threshold values for more than a respectively predetermined safety time, the safety time preferably decreasing as the safety threshold value increases.
  • the limits of a suitable threshold/safety pair range may be 16.0V/500ms and 18.5V/1ms. In other words, in such a case, exceeding 16.0V for 500ms, as well as exceeding 18.5V for 1ms, leads to a short circuit.
  • the area in between can in particular be linearly interpolated.
  • Such a cascaded design of the voltage measuring module allows different combinations of voltage and time thresholds to be defined. This enables the design according to the respective vehicle electrical system requirements.
  • the short-circuiting of the rotor winding connections 16a and 16b has the effect, on the one hand, that the excitation current is reduced and the vehicle electrical system voltage thereby drops.
  • permanent short-circuiting and the resulting high current through the control circuit device 22 causes irreversible damage to the control circuit device 22, in particular an interruption in the controller switch 22c or a safety element (e.g. fuse 22b) preferably connected in series with it, or in a safety element of the short-circuit circuit device 24 (e.g.
  • the fuse element 24c is used here to interrupt an electrical connection between a potential connection of the voltage measuring module 24a and a potential connection of the switching module 24b.
  • the fuse element 22b is used here to interrupt an electrical connection between a potential connection (B+) of the voltage source 11 or a potential connection of the controller switch 22c and a potential connection of the switching module 24b.
  • a vehicle that uses the solution according to the invention can also be externally started at higher voltages than the vehicle electrical system voltage, since the controller switch is already in error-free operation 22c of the control circuit device 22 is switched off when the vehicle electrical system voltage is too high (for example in the case of an external start with 20 V). The excitation voltage is then zero and the short circuit device 24 does not become active.
  • the short-circuit switching device 24 would be active during an external start with, for example, 20 V and possibly lead to the voltage source being transferred to the safe (and thus permanently de-energized) state.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Generatoreinheit, welche eine elektrische Maschine mit Läuferwicklung (16) und Ständerwicklung (12) und einen daran angeschlossenen Gleichrichter (14), über den die elektrische Maschine an ein Bordnetz (10) anschließbar ist, aufweist, wobei an die Läuferwicklung (16) eine Erregerspannung angelegt wird, um einen Erregerstrom durch die Läuferwicklung (16) zu erzeugen, wobei eine Höhe der an der Läuferwicklung (16) tatsächlich anliegenden Erregerspannung bestimmt wird, wobei die Läuferwicklung (16) kurzgeschlossen wird, wenn die Erregerspannung einen vorbestimmten Sicherheitsschwellwert für mehr als eine vorbestimmte Sicherheitszeit erreicht oder überschreitet, sowie eine entsprechende Kurzschlussschaltungseinrichtung (24).

Description

Verfahren und Kurzschlussschaltunqseinrichtunq zum Betreiben einer Generatoreinheit
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Generatoreinheit, eine Kurzschlussschaltungseinrichtung, einen Spannungsregler mit einer solchen Kurzschlussschaltungseinrichtung, eine Anordnung mit einer Generatoreinheit und einem solchen Spannungsregler und ein Bordnetz, insbesondere Fahrzeugbordnetz mit einer solchen Anordnung.
Hintergrund der Erfindung
Elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren, können zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie im Kraftfahrzeug verwendet werden. Üblicherweise werden dazu Klauenpolgeneratoren verwendet, welche meistens mit elektrischer Erregung ausgestattet sind. Da solche Generatoren Drehstrom, meist dreiphasig, erzeugen, ist für die üblichen Kraftfahrzeug- Gleichspannungs-Bordnetze eine Gleichrichtung erforderlich. Dazu können Gleichrichter auf Basis von Halbleiterdioden oder Halbleiterschaltern verwendet werden.
Zur Regelung der Bordnetzspannung kann dabei ein Erregerstrom durch die Läuferwicklung des Generators gesteuert bzw. geregelt werden, d.h. Stellgröße für die Spannungsregelung in Kraftfahrzeuggeneratoren ist der Erregerstrom, also der Strom, der durch die Läuferwicklung des Generators fließt und das Erregerfeld erzeugt. Realisiert wird dies üblicherweise mittels einer Schalteinheit (Endstufe) eines Spannungsreglers (Feldregler), die beispielsweise zumindest einen Schalttransistor (z.B. MOSFET oder IGBT) umfassen kann. Die Schalteinheit (im Folgenden auch als Regler-Schalter bezeichnet) kann den Erregerstrom ein- und ausschalten. Der Erregerstrom bzw. ein Erregerstrom-Takt-Verhältnis kann dabei derart verändert werden, dass sich die Ausgangsspannung des Generators auf gewünschte Werte einstellt. Insbesondere im Falle von Überspannungen, die aus dem Bordnetz erzeugt werden (bspw. beim Fremdstarten des Fahrzeugs), wird der Regler-Schalter geöffnet, sodass keine Spannung an der Läuferwicklung anliegt.
Im Fehlerfall, z.B. bei einem Defekt des Spannungsreglers, kann die Generatorspannung und damit die Bordnetzspannung zu hoch werden, was unerwünschte Fehlfunktionen von Komponenten und/oder elektrischen Geräten im Bordnetz verursachen kann. Beispielsweise können manche Komponenten im Bordnetz zum Eigenschutz ihre Funktion einschränken oder sich ganz abschalten. Sogar Schäden von Komponenten und/oder elektrischen Geräten im Bordnetz können entstehen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Generatoreinheit, eine Kurzschlussschaltungseinrichtung, einen Spannungsregler mit einer solchen Kurzschlussschaltungseinrichtung, eine Anordnung mit einer Generatoreinheit und einem solchen Spannungsregler und ein Bordnetz, insbesondere Fahrzeugbordnetz mit einer solchen Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung adressiert das Verhindern bzw. Reduzieren von Überspannungsfällen in Bordnetzen bei einem Fehler im Spannungsregler und bedient sich dazu der Maßnahme, bei einer zu hohen Erregerspannung an der Läuferwicklung der Generatoreinheit die Läuferwicklung kurzzuschließen und somit den Erregerstrom durch den Läufer zu reduzieren bzw. im Endeffekt zu unterbrechen. Dazu wird eine Höhe der an der Läuferwicklung tatsächlich anliegenden Erregerspannung (insbesondere hinter einer entsprechenden Schalteinheit bzw. dem Regler- Schalter) bestimmt und die Läuferwicklung kurzgeschlossen, wenn die Erregerspannung einen vorbestimmten Sicherheitsschwellwert für mehr als eine vorbestimmte Sicherheitszeit erreicht oder überschreitet. Die Sicherheitszeit kann auch null betragen, d.h. die Abschaltung wird sofort ausgelöst. Bevorzugt liegt sie jedoch bei Zeiten unter 1 s, z.B. zwischen 1 ms und 500 ms. Die Sicherheitszeit kann insbesondere in Abhängigkeit von der Spannungsfestigkeit von Bordnetzverbrauchern vorgegeben werden, d.h. wie lange halten diese welchen Über- spannungen stand. Der Sicherheitsschwellwert wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Nenn-Bordnetzspannung vorgebeben und kann beispielsweise von ca. 130% bis ca. 160% der Nenn-Bordnetzspannung betragen. Er kann insbesondere in Abhängigkeit von der Spannungsfestigkeit von Bordnetzverbrauchern vorgegeben werden, d.h. wie lange halten diese welchen Überspannungen stand.
Insbesondere können auch mehrere vorbestimmte Sicherheitsschwellwerte mit jeweils eigenen vorbestimmten Sicherheitszeiten für den Vergleich verwendet werden, wobei die Sicherheitszeit vorzugsweise mit steigendem Sicherheitsschwellwert sinkt. Der Bereich dazwischen kann insbesondere linear interpoliert werden.
So können Schäden an Verbrauchern im Bordnetz reduziert oder gar vermieden werden, welche durch eine zu hohe Bordnetzspannung aufgrund eines fehlerhaften Spannungsreglers verursacht werden können. Beispielsweise bei einem defekten Spannungsregler ist trotzdem eine sichere Abschaltung möglich. Dadurch können die Zuverlässigkeit der Energieversorgung erhöht und/oder die Gefahr von Schäden an Verbrauchern reduziert werden. Das Bordnetz sowie dessen Verbraucher werden vor einer vom Generator aufgrund einer Fehlfunktion hervorgerufenen Überspannung geschützt. Im Fehlerfall wird der Generator in einen definierten Zustand, in dem keine Überspannung mehr möglich ist, überführt. Daher können dermaßen geschützte Generatoren auch in sicherheitsrelevanten Bordnetzen eingesetzt werden.
Im Unterschied zu Lösungen, bei denen die Höhe der Bordnetzspannung überwacht wird und dementsprechend das Spannungsmessmodul im Bordnetz (d.h. vor dem Regler-Schalter) angeschlossen ist (was überdies zu einem ständigen Energieverbrauch auch im Stillstand bzw. zu einem höheren Ruhestrom und zu Bedarf an EMV-Beschaltung und im Falle von Störungen im Bordnetz zu Com- mon-Cause-Fehlern der Überwachung und der Regelung führt bzw. führen kann), ist die Erfindung robust gegen Überspannungen, die nicht vom Spannungsregler verursacht sind, da eine erhöhte Bordnetzspannung üblicherweise bereits zum Abschalten der Schalteinheit für den Läufer (Regler-Schalter) führt, so dass der Kurzschluss der Läuferwicklung nicht ausgelöst wird. Beispielsweise ist ein Fahrzeug, welches die erfindungsgemäße Lösung einsetzt, auch bei höheren Spannungen als der Bordnetzspannung fremdstartfähig. Bei der Erfindung wird auch ein Kurzschluss der Läuferwicklung nicht von beispielsweise sog. ESD-Pulsen oder allgemein Spannungspulsen im Bordnetz (bspw. kann das Ein- und Ausschalten von Bordnetzkomponenten zu sehr hohen Spannungspulsen führen, siehe bspw. ISO7637-2) unbeabsichtigt ausgelöst. Dadurch dient die Erfindung auch einer redundanten Überwachung des Regler-Schalters und führt nur im Falle eines Fehlers des Regler-Schalters zum Kurzschließen der Läuferwicklung.
Die Erfindung bietet dabei den weiteren Vorteil, dass eine Funktionalität zur Sicherheitsabschaltung, insbesondere in Form der Kurzschlussschaltungseinrichtung, nachgerüstet werden kann. Bisherige Regelschaltungseinrichtung, z.B. in Form von ICs bzw. ASICs, müssen nicht modifiziert werden. Dies ermöglicht die Realisierung eines Sicherheitsbaukastens, aus welchem je nach Sicherheitsanforderungen die geeigneten Produkte kombiniert werden können. Mit anderen Worten bietet die Erfindung den Vorteil, dass in bzw. für Spannungsregler eine Sicherheitsabschaltung individuell bei Bedarf bereitgestellt werden kann.
Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass beispielsweise eine Massenproduktion von einheitlichen Kurzschlussschaltungseinrichtungen erfolgen kann, welche dann beliebig zu Spannungsreglern hinzugefügt werden können.
Vorzugsweise wird eine von dem Gleichrichter bereitgestellte Bordnetzspannung als die Erregerspannung an die Läuferwicklung angelegt. Dann kann durch die Überwachung der Höhe der Erregerspannung zugleich die Bordnetzspannung überwacht werden. Diese Ausführungsform lässt sich sehr leicht umsetzen, da die Erregerspannung üblicherweise der Bordnetzspannung entspricht.
Vorzugsweise wird die Erregerspannung auch zur Energieversorgung der Kurzschlussschaltungseinrichtung verwendet. Somit ist keine separate Versorgung notwendig, was insbesondere die Robustheit gegenüber Störungen im Bordnetz verbessert und das Risiko für einen Kurzschluss zwischen Versorgungspotential (B+) und Masse reduziert. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt einen Schaltplan eines Bordnetzes mit einer erfindungsgemäßen Kurzschlussschaltungseinrichtung.
Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 zeigt einen Schaltplan eines Bordnetzes 10, insbesondere eines (Kraft-) Fahrzeugs, mit einer Spannungsquelle 11 und Verbrauchern bzw. Batterie 1.
Die Spannungsquelle 11 weist eine elektrische Maschine bzw. einen Generator mit einem Ständer 12, einem dem Ständer nachgeschalteten Gleichrichter 14, einem Läufer mit Läuferwicklung 16, der insbesondere von einem Motor des Fahrzeugs angetrieben werden kann, und einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungsreglers 20 (auch als Feldregler bezeichnet) zur Vorgabe eines Erregerstroms durch die Läuferwicklung 16 bzw. zur Regelung einer Generatorspannung auf. Der Spannungsregler 20 dient zum Regeln der Generatorspannung zwischen den Anschlüssen B+ und Masse auf einen Sollwert, z.B. ca. 14-15 V bei einem sog. 12 V-Bordnetz mit 12 V Nennspannung. Bei der Generatorspannung handelt es sich somit um die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators bzw. die Bordnetzspannung.
Der Spannungsregler 20 weist die eigentliche Regelschaltungseinrichtung 22, welche beispielsweise als anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC (engl.: Application Specific Integrated Circuit) ausgeführt sein kann, und eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 auf. Der Spannungsregler 20, die Regelschaltungseinrichtung 22 so- wie die Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 sind jeweils durch umlaufende gestrichelte Linien kenntlich gemacht.
Die Regelschaltungseinrichtung 22 weist als Schalteinheit einen Regler-Schalter 22c auf, z.B. einen Halbleiterschalter wie z.B. MOSFET, IGBT oder Thyristor, mittels welchem der durch die Läuferwicklung 16 fließende Strom geschaltet werden kann, und ferner eine Diode 22a für den Freilauf des Erregerstroms. Die Diode 22a kann auch als Halbleiterschalter ausgebildet sein.
Der Spannungsregler ist über einen ersten Anschluss 16a und über einen zweiten Anschluss 16b mit der Läuferwicklung 16 verbunden. Es sei betont, dass die Läuferwicklung am Läufer der elektrischen Maschine und nicht innerhalb des Spannungsreglers 20 angeordnet ist.
Die Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 weist zwei Potentialanschlüsse auf, die vorliegend in der Figur jedoch jeweils rechts und links aus der Kurzschlussschaltungseinrichtung herausgeführt bzw. als Leitungen durch die Kurzschlussschaltungseinrichtung hindurchgeführt sind. Insbesondere sind die zwei Potentialanschlüsse mit den beiden Läuferwicklungsanschlüssen 16a, 16b verbunden. Die Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 weist weiterhin ein Spannungsmessmodul 24a zum Messen der zwischen den zwei Potentialanschlüssen und damit zwischen den beiden Läuferwicklungsanschlüssen 16a und 16b anliegenden Erregerspannung und ein Schaltmodul 24b zum Kurzschließen der zwei Potentialanschlüsse und damit der beiden Läuferwicklungsanschlüsse 16a und 16b und damit der Läuferwicklung 16 auf. Das Schaltmodul 24b (im Folgenden auch Kurzschluss-Schalter) kann insbesondere einen Halbleiterschalter wie MOSFET, IGBT, Thyristor usw. aufweisen.
Das Spannungsmessmodul 24a ist dazu eingerichtet, die zwischen den zwei Potentialanschlüssen und damit zwischen den beiden Läuferwicklungsanschlüssen 16a und 16b anliegende Erregerspannung (welche der Generatorspannung entspricht, sofern der Regler-Schalter geschlossen ist, bzw. auf dem GND-Potential liegt, sofern der Regler-Schalter geöffnet ist) zu messen und mit einem oder mehreren Sicherheitsschwellwerten zu vergleichen. Es ist insbesondere erkennbar, dass direkt die tatsächlich an der Läuferwicklung hinter dem Regler-Schalter 22c anliegende Erregerspannung gemessen wird. Ist der Regler-Schalter 22c dauerhaft geöffnet (nicht leitend), liegt unabhängig von der Höhe der Bordnetzspannung an der Läuferwicklung keine Erregerspannung an. Wird der Regler- Schalter 22c (im Regelbetrieb) abwechselnd geöffnet (nicht leitend) und geschlossen (leitend), ergibt sich ein Schalten der Spannung im Tastverhältnis der Schalteinheit. Sobald die Amplitude den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird die Läuferwicklung kurzgeschlossen. Dies erfolgt nur im Falle des fehlerhaften Schließens des Regler-Schalters 22c (bspw. im Falle eines Kurzschlusses oder einer defekten Regelungslogik).
Übersteigt die Erregerspannung den einen oder einen der mehreren Sicherheitsschwellwerte (liegt also ein Fehler in der Spannungsversorgung des Bordnetzes vor), insbesondere für einen jeweils dem Schwellwert zugehörigen vorgegebenen Zeitraum, veranlasst das Spannungsmessmodul 24a ein Schließen des Kurzschluss-Schalters 24b.
Mit anderen Worten ist also die Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 dazu eingerichtet ist, mittels des Spannungsmessmoduls 24a eine Höhe bzw. Amplitude der zwischen den zwei Potentialanschlüssen anliegenden Spannung zu bestimmen und mit einem oder mehreren vorbestimmten Sicherheitsschwellwerten zu vergleichen, und das Schaltmodul 24b zum Kurzschließen der zwei Potentialan- schlüsse anzusteuern, wenn die Erregerspannung den einen oder einen der mehreren vorbestimmten Sicherheitsschwellwerte für mehr als eine jeweils vorbestimmte Sicherheitszeit erreicht oder überschreitet, wobei die Sicherheitszeit vorzugsweise mit steigendem Sicherheitsschwellwert sinkt. Beispielsweise können die Grenzen eines geeigneten Schwellwert/Sicherheitspaarbereichs bei 16,0V/500ms und 18,5V/1 ms liegen. Mit anderen Worten führt in einem solchen Fall ein 500ms dauerndes Überschreiten von 16,0V ebenso wie ein 1 ms dauerndes Überschreiten von 18,5V zu einem Kurzschließen. Der Bereich dazwischen kann insbesondere linear interpoliert werden. Durch eine solche kaskadierte Auslegung des Spannungsmessmoduls können verschiedene Kombinationen von Spannungs- und Zeitschwellen definiert werden. Dies ermöglicht die Auslegung nach den jeweiligen Bordnetzanforderungen. Das Kurzschließen der Läuferwicklungsanschlüsse 16a und 16b hat zum einen den Effekt, dass der Erregerstrom abgebaut wird und dadurch die Bordnetzspannung sinkt. Zum anderen werden durch ein anhaltendes Kurzschließen und den dadurch hervorgerufenen hohen Strom durch die Regelschaltungseinrichtung 22 irreversible Schäden in der Regelschaltungseinrichtung 22, insbesondere eine Unterbrechung des Regler-Schalters 22c oder eines dazu vorzugsweise in Reihe geschalteten Sicherungselements (z.B. Schmelzsicherung 22b), oder in einem Sicherungselement der Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 (z.B. Schmelzsicherung 24c) verursacht, welche in der Folge zu einer dauerhaften Spannungsfreiheit der Läuferwicklung 16 und damit zu einem sicheren Zustand der Spannungsquelle 11 führen, d.h. die Spannungsquelle 11 gibt keine Energie an das Bordnetz 10 ab. Das Sicherungselement 24c dient hier zum Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Potentialanschluss des Spannungsmessmoduls 24a und einem Potentialanschluss des Schaltmoduls 24b. Das Sicherungselement 22b dient hier zum Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Potentialanschluss (B+) der Spannungsquelle 11 bzw. einem Potentialanschluss des Regler-Schalters 22c und einem Potentialanschluss des Schaltmoduls 24b.
Im Unterschied zu Lösungen, bei denen die Höhe der Bordnetzspannung überwacht wird und dementsprechend das Spannungsmessmodul im Bordnetz angeschlossen ist, ist ein Fahrzeug, welches die erfindungsgemäße Lösung einsetzt, auch bei höheren Spannungen als der Bordnetzspannung fremdstartfähig, da im fehlerfreien Betrieb bereits der Regler-Schalter 22c der Regelschaltungseinrichtung 22 abgeschaltet wird, wenn die Bordnetzspannung zu hoch ist (beispielsweise bei einem Fremdstart mit 20 V). Dann ist die Erregerspannung null und die Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 wird nicht aktiv. Wäre die Kurzschlussschaltungseinrichtung 24 hingegen im Bordnetz angeordnet bzw. würde die Bordnetzspannung überwachen, würde sie bei einem Fremdstart mit beispielsweise 20 V aktiv und ggf. zur Überführung der Spannungsquelle in den sicheren (und damit dauerhaft stromlosen) Zustand führen.

Claims

- 9 - Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Generatoreinheit, welche eine elektrische Maschine mit Läuferwicklung (16) und Ständerwicklung (12) und einen daran angeschlossenen Gleichrichter (14), über den die elektrische Maschine an ein Bordnetz (10) anschließbar ist, aufweist, wobei an die Läuferwicklung (16) eine Erregerspannung angelegt wird, um einen Erregerstrom durch die Läuferwicklung (16) zu erzeugen, wobei eine Höhe der an der Läuferwicklung (16) tatsächlich anliegenden Erregerspannung bestimmt wird, wobei die Läuferwicklung (16) kurzgeschlossen wird, wenn die Erregerspannung einen vorbestimmten Sicherheitsschwellwert für mehr als eine vorbestimmte Sicherheitszeit erreicht oder überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Läuferwicklung (16) kurzgeschlossen wird, wenn die Erregerspannung einen von mehreren vorbestimmten Sicherheitsschwellwerten für mehr als eine dem einen der mehreren vorbestimmten Sicherheitsschwellwerte zugehörige vorbestimmte Sicherheitszeit erreicht oder überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die vorbestimmte Sicherheitszeit mit steigendem Sicherheitsschwellwert abnimmt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine von dem Gleichrichter (14) bereitgestellte Ausgangsspannung als die Erregerspannung an die Läuferwicklung (110) angelegt wird, indem eine Schalteinheit (22c) leitend geschaltet wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Läuferwicklung (16) kurzgeschlossen wird, indem ein zur Läuferwicklung parallel geschaltetes Schaltmodul (24b) leitend geschaltet wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an die Läuferwicklung (16) eine Erregerspannung angelegt wird, indem die Läuferwicklung mittels einer Schalteinheit (22c) abwechselnd mit einer externen Spannungsquelle (11) verbunden und von dieser wieder getrennt wird, wobei die Höhe der an der Läuferwicklung (16) tatsächlich anliegenden Erregerspannung der Amplitude der geschalteten externen Spannung (B+) der Spannungsquelle (11) nur dann entspricht, wenn die Schalteinheit (22c) leitend geschaltet ist.
7. Kurzschlussschaltungseinrichtung (24) mit zwei Potentialanschlüssen, aufweisend ein Spannungsmessmodul (24a) zum Messen der zwischen den zwei Potentialanschlüssen (16a, 16b) anliegenden Spannung und ein Schaltmodul (24b) zum Kurzschließen der zwei Potentialanschlüsse (16a, 16b), wobei die Kurzschlussschaltungseinrichtung (24) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
8. Kurzschlussschaltungseinrichtung (24) nach Anspruch 7, mit einer Sicherungseinrichtung (24c) zum Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Potentialanschluss des Spannungsmessmoduls (24a) und einem zugehörigen Potentialanschluss des Schaltmoduls (24b).
9. Kurzschlussschaltungseinrichtung (24) nach Anspruch 7 oder 8, die dazu eingerichtet ist, mit ihren zwei Potentialanschlüssen zwischen zwei Läuferwicklungsanschlüsse (16a, 16b) eines Spannungsreglers (20) geschaltet zu werden.
10. Spannungsregler (20) mit einer Kurzschlussschaltungseinrichtung (24) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
11. Spannungsregler (20) nach Anspruch 10, mit einer Sicherungseinrichtung (22b) zum Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Po- - 11 - tentialanschluss des Spannungsreglers (20) und einem zugehörigen Poten- tialanschluss des Schaltmoduls (24b).
12. Anordnung mit einer Generatoreinheit, welche eine elektrische Maschine mit Läuferwicklung (16) und Ständerwicklung (12) und einen daran angeschlossenen Gleichrichter (14), über den die elektrische Maschine an ein Bordnetz (10) anschließbar ist, aufweist, und mit einem Spannungsregler (20) nach Anspruch 10 oder 11.
13. Bordnetz (10) mit einer Spannungsquelle (11) und wenigstens einem Verbraucher (1), wobei die Spannungsquelle (11) eine Anordnung nach Anspruch 12 aufweist.
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