DE102005012052A1

DE102005012052A1 - Generatormodell und Verfahren zum Ermitteln von Kenngrößen eines Generators in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102005012052A1
Application number: DE200510012052
Authority: DE
Inventors: Stefan Bartusch; Stefan Pfaller
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-10-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Generatormodell und ein Verfahren zur Ermittlung von Kenngrößen eines Generators in einem Kraftfahrzeug, wobei der Generator in dem Generatormodell durch ein Ersatzschaltbild charakterisiert ist und die Generatorkenngrößen in Abhängigkeit von Parametern des Ersatzschaltbildes ermittelbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Generatormodell sowie ein Verfahren zum Ermitteln von Kenngrößen eines Generators in einem Kraftfahrzeug.
Zur Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs, werden in bekannter Weise eine Fahrzeugbatterie sowie ein Generator eingesetzt. Diesbezüglich ist es bekannt, dass die Belastbarkeit der Fahrzeugbatterie durch bekannte Batteriemodelle abgeschätzt werden kann. Indem die Leistungsfähigkeit der Batterie und des Generators ermittelt wird, kann entschieden werden, ob im Rahmen eines Energiemanagements bestimmte Verbraucher zuschaltbar sind oder belastungsreduzierende Maßnahmen ergriffen werden müssen, um einen sicheren Betrieb des Kraftfahrzeugs gewährleisten zu können. Darüber hinaus ist es in entsprechender Weise erforderlich, auch ein Generatormodell dahingehend zu entwickeln, das die entsprechenden Daten des Generators für das Energiemanagement im Fahrzeug bereitgestellt und als Grundlage herangezogen werden können. Die aktuell zur Verfügung stehende Energie (= Generatorstrom) und die maximal abgebbare Energie (= maximaler Generatorstrom) bilden die Grundlage für die Berechnungen innerhalb des Energiemanagements. Darüber hinaus ist das vom Generator aufgenommene Drehmoment von Interesse für die Motorsteuerung. Da jedoch weder der Generatorstrom noch das Drehmoment gemessen werden können, ist ein Generatormodell erforderlich, mit dem diese Größen bestimmt werden können.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 00 733 A1 ist ein Generatormodell zur Bestimmung von Generatortemperatur, Generatorstrom und Generatordrehmoment bekannt. Das bekannte Generatormodell basiert darauf, dass eine Mehrzahl von Warm- und Kaltkennlinien jeweils für unterschiedliche Generatorspannungen abgespeichert sind, aus denen unter Berücksichtigung einer aktuellen Generatortemperatur und einer maximalen Generatortemperatur durch eine lineare Interpolation zwischen den Kennlinien der aktuelle Generatorstrom ermittelt werden kann. Die Kennlinienfelder werden für verschiedene Spannungen und Temperaturen gemessen und anschließend als Parameter in der Software hinterlegt.

Ein weiteres bekanntes Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der in einem Bordnetz verfügbaren elektrischen Leistung ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 50 378 A1 beschrieben. Zur genauen Bestimmung der verfügbaren elektrischen Leistung wird dort sowohl ein Batteriemodell als auch ein Generatormodell verwendet. Aus diesen beiden Modellen wird eine Batteriereserveleistung und eine Generatorreserveleistung ermittelt. Die im Bordnetz zur Verfügung stehende Leistung wird schließlich aus der Batterie- und der Generatorreserveleistung ermittelt. Bei dem Generatormodell handelt es sich um ein Programm, in dem Generatorkennlinien hinterlegt sind, die den Verlauf der Generatorspannung bzw. der Generatorleistung in Abhängigkeit von bestimmten Betriebsparametern wiedergeben. Auch hier werden lediglich Kennlinien hinterlegt und zwischen den einzelnen Kennlinien interpoliert, um den jeweiligen Betriebspunkt möglichst genau ermitteln zu können. Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Generatormodelle ist darin begründet, dass die Messung der hinterlegten Kennlinien sehr aufwändig ist. Des Weiteren ist eine derartige Hinterlegung von Kennlinienfeldern modellspezifisch und erfordert für die Implementierung eines neuen Generators in einem Kraftfahrzeug einen sehr hohen Aufwand und ist daher sehr kostenintensiv, da unter anderem neue Kennlinienfelder ermittelt werden müssen. Ein weiterer großer Nachteil der bekannten Modelle ist darin zu sehen, dass die Anzahl der Parameter sehr groß ist, wodurch eine quasi vollständige Parametrierung praktisch nicht im vollen Umfang möglich ist. Dies bedeutet, dass ein neuer, noch nicht bekannter Generator, einen neuen Softwarestand bedingt. Darüber hinaus ist die Genauigkeit, mit der das Betriebsverhalten des Generators beschrieben werden kann, nicht im gesamten Betriebsbereich konstant. Durch die Interpolation zwischen den hinterlegten Messwerten gibt es Bereiche, in denen die Abweichung in der Praxis größer als 20 betragen kann.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Generatormodell sowie ein Verfahren zum Ermitteln von Kenngrößen eines Generators zu schaffen, mit dem eine kostengünstige und aufwandsarme Parametrierung möglich ist. Des Weiteren soll ein Generatormodell und ein entsprechendes Verfahren geschaffen werden, mit dem die Kenngrößen des Generators genauer ermittelt werden können. Des Weiteren soll ein Generatormodell zur Verfügung ge stellt werden, mit dem auch unterschiedliche Generatoren schnell und zuverlässig parametriert werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Generatormodell, welches die Merkmale nach Patentanspruch 1, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Patentanspruch 10 aufweist, gelöst.

Ein erfindungsgemäßes Generatormodell ist zur Ermittlung von Kenngrößen eines Generators in einem Kraftfahrzeug ausgebildet. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass der Generator in dem Generatormodell durch ein Ersatzschaltbild charakterisiert ist und die Generatorkenngrößen in Abhängigkeit von Parametern des Ersatzschaltbilds ermittelbar sind. Dadurch kann ermöglicht werden, dass ein Generatormodell bereitgestellt wird, welches aufwandsarm und kostengünstig eine Parametrierung des Generators ermöglicht. Darüber hinaus kann durch das Bereitstellen eines Ersatzschaltbilds als Basis für die Kenngrößenbestimmung des Generators die Parameteranzahl deutlich reduziert werden. Des Weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Generatormodell eine einfache und schnelle Parametrierung verschiedenster Generatoren. Indem bei dem erfindungsgemäßen Generatormodell keine Interpolation zwischen hinterlegten Kennlinien zur Ermittlung des jeweiligen Betriebspunkt des Generators durchgeführt werden muss, sondern eine entsprechende Ermittlung der Kenngrößen in Abhängigkeit der Parameter des Ersatzschaltbilds durchgeführt wird, kann die Genauigkeit der ermittelten Generatorkenngrößen verbessert werden.

Bei einer bevorzugten Ausführung des Generatormodells weist das zugrunde gelegte Ersatzschaltbild einen Wicklungswiderstand zur Charakterisierung des Widerstands einer Statorwicklung auf. Des Weiteren umfasst das Ersatzschaltbild eine Streuinduktivität und eine Hauptinduktivität. Darüber hinaus umfasst das Ersatzschaltbild einen Widerstand zur Charakterisierung von Eisenverlusten und eine Spannungsquelle, welche ein Polradspannung erzeugt, die durch einen Erregerstrom eines sich drehenden Rotors des Stators induziert wird. Das Ersatzschaltbild des Generators umfasst eine relativ geringe Anzahl an Elementen, wodurch die Anzahl der Parameter des Ersatzschaltbilds relativ gering ist. Dennoch kann das Generatorverhalten genau dargestellt werden.

Die Elemente des Ersatzschaltbilds können derart angeordnet sein, dass der Wicklungswiderstand und die Streuinduktivität in Reihe geschaltet sind. Die Hauptinduktivität kann in Reihe zur Spannungsquelle geschaltet sein, wobei die Hauptinduktivität und die Spannungsquelle parallel zum Widerstand zur Charakterisierung von Eisenverlusten geschaltet ist. Des Weiteren sind der Wicklungswiderstand und die Streuinduktivität in Reihe zu der Parallelschaltung aus Hauptinduktivität, Spannungsquelle und Widerstand zur Charakterisierung der Eisenverluste geschaltet. Das Ersatzschaltbild weist somit ein relativ einfaches Schaltbild auf.

In bevorzugter Weise ist die Anzahl der Parameter des Ersatzschaltbilds kleiner gleich 15. Insbesondere ist die Anzahl der Parameter kleiner gleich 11. Das Ersatzschaltbild weist diesbezüglich eine relativ geringe Anzahl an Parametern auf, wodurch der Rechenaufwand zur Bestimmung der Generatorkenngrößen in Abhängigkeit der Parameter deutlich reduziert wird und dennoch eine genauere Bestimmung der Generatorkenngrößen ermöglicht werden kann.

Als Parameter des Ersatzschaltbilds können in bevorzugter Weise vorgesehen sein, ein Wicklungswiderstand der Statorwicklung bei einer festen Temperatur, insbesondere bei 20°C, und/oder ein Wicklungswiderstand einer Erregerwicklung eines Rotors bei einer festen Temperatur, insbesondere bei 20°C, und/oder ein Widerstand einer Diodenbrücke, und/oder eine Polpaarzahl, und/oder eine Diodenspannung, insbesondere eine Diodenspannung in Flussrichtung von in Reihe geschalteten Dioden, und/oder der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung, und/oder zumindest ein, insbesondere fünf, Faktor/en für die Berechnung der Eisenverluste, und/oder Reibungsverluste des Generators, insbesondere Luft- und/oder Lagerreibungsverluste, und/oder zumindest eine Kennlinie einer Polradspannung in Abhängigkeit eines Erregerstroms und/oder zumindest eine Kennlinie einer Synchroninduktivität in Abhängigkeit des Erregerstroms. Die Synchroninduktivität ist dabei aus der Streuinduktivität und der Hauptinduktivität gebildet. Des Weiteren kann als weiterer Parameter des Ersatzschaltbilds ein Initialisierungswert eines Generatorstroms berücksichtigt werden. Die genannten Parameter des Ersatzschaltbilds liefern eine sehr exakte und dennoch ausreichende Basis einer Parametrierung des Generators.

In vorteilhafter Weise sind die Parameter des Ersatzschaltbilds in einer Recheneinheit abgelegt und die Recheneinheit ist derart ausgelegt, dass zum Bestimmen der Kenngrößen des Generators an die Recheneinheit betriebszustandsspezifische Größen des Kraftfahrzeugs übertragbar sind und von der Recheneinheit zum Bestimmen der Kenngrößen des Generators herangezogen werden. Als betriebszustandsspezifische Größen können die aktuelle Motordrehzahl und/oder die Leerlaufdrehzahl des Motors und/oder ein Tastverhältnis der Erregerspannung und/oder der Erregerstrom und/oder die Generatorspannung und/oder motorspezifische Daten gegeben sein. Die Ausgangskenngrößen bzw. die Generatorkenngrößen des Generatormodells können das Generatordrehmoment und/oder die mechanische Leistung des Generators und/oder der Wirkungsgrad des Generators und/oder der Generatorstrom und/oder der Generator-Reserve-Strom und/oder ein Generatorleerlaufstrom sein. Die ermittelten Kenngrößen des Generators durch das Generatormodell können als Informationsdaten an ein Energiemanagementsystem zum Ermitteln einer aktuellen Energieverteilung der verfügbaren Generatorenergie im Kraftfahrzeug übertragbar sein. Die durch das Generatormodell ermittelten Kenngrößen des Generators bilden diesbezüglich Überwachungsgrößen und weisen somit quasi eine „Monitorfunktion" des Generators auf und bilden eine Grundlage für das Energiemanagement des Kraftfahrzeugs.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zum Ermitteln von Kenngrößen eines Generators in einem Kraftfahrzeug ausgelegt, bei dem ein Ersatzschaltbild eines Generators erzeugt und zugrunde gelegt wird und die Generatorkenngrößen in Abhängigkeit von Parametern des Ersatzschaltbilds bestimmt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Generatormodells und deren Merkmale können soweit sie auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragbar sind auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens angesehen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer schematischer Zeichnungen und Diagramme näher erläutert. Es zeigen:
1 ein dem erfindungsgemäßen Generatormodell zugrunde gelegtes Ersatzschaltbild des Generators;
2 ein Zeigerdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebsverhaltens des Generators;
3 eine Schaltungsanordnung zum Umrechnen eines berechneten Wechselstroms in einen an das Kraftfahrzeug abzugebenden Gleichstrom;
4 die Abhängigkeit der Diodenspannung U_{_Diode} in Abhängigkeit des Laststroms I_{_Last};
5 eine Verlustleistung P_V in Abhängigkeit vom Quadrat einer Klemmenspannung U;
6 eine Darstellung der Verlustleistung P_V in Abhängigkeit der Generatordrehzahl n_Gen;
7 eine Darstellung der Verlustleistung P_V in Abhängigkeit des Quadrats einer normierten Polradspannung U_{_normiert};
8 eine normierte Polradspannung U_P/n in Abhängigkeit eines Erregerstroms I_err;
9 ein Induktivitätsverhältnis der Induktivität einer d-Achse zu einer Induktivität einer q-Achse in Abhängigkeit eines Stromverhältnisses eines Stroms der d-Achse zum Strom der q-Achse des Läufers der Generators;
10 den Generatorstrom I_gen in Abhängigkeit vom Erregerstrom über der Drehzahl des Generators n_gen;
11 ein Generatordrehmoment M_gen in Abhängigkeit vom Erregerstrom über dem Drehmoment des Generators n_gen;
12 den Generatorstrom I_Gen in Abhängigkeit des Erregerstroms I_Err bei einer ersten Drehzahl und einer ersten Spannung des Generators;
13 das Drehmoment M des Generators in Abhängigkeit vom Erregerstrom I_Err bei der ersten Drehzahl und der ersten Spannung des Generators;
14 eine Darstellung gemäß 12 bei der ersten Drehzahl und einer zweiten Spannung des Generators;
15 eine Darstellung gemäß 13 bei der ersten Drehzahl und der zweiten Spannung des Generators;
16 eine Darstellung gemäß 12 bei einer zweiten Drehzahl und der ersten Spannung des Generators;
17 eine Darstellung gemäß 13 bei der zweiten Drehzahl und der ersten Spannung des Generators;
18 eine Darstellung gemäß 12 bei der zweiten Drehzahl und der zweiten Spannung des Generators:
19 eine Darstellung gemäß 13 bei der zweiten Drehzahl und der zweiten Spannung des Generators;
20 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Generatormodells; und
21 ein schematisches Ablaufdiagramm zum erfindungsgemäßen Ermitteln der Generatorkenngrößen.
Gemäß der Erfindung wird dem Generatormodell ein Ersatzschaltbild des Generators des Kraftfahrzeugs zugrunde gelegt. Ein derartiges Ersatzschaltbild ist in 1 gezeigt. Erfindungsgemäß weist das Ersatzschaltbild als Elemente einen Wicklungswiderstand R₁ einer Statorwicklung auf. Darüber hinaus weist das Ersatzschaltbild eine in Reihe zu dem Wicklungswiderstand R₁ geschaltete Streuinduktivität L_σ1 mit einem Blindwiderstand X_σ1 auf. Die Streuinduktivität L_σ1 und der Wicklungswiderstand R₁ sind in Reihe zu einer Parallelschaltung geschaltet, wobei die Parallelschaltung aus der Hauptinduktivität L_H, welche einen Blindwiderstand X_H aufweist, der Spannungsquelle, welche eine Polradspannung U _P erzeugt, die durch einen Erregerstrom eines sich drehenden Rotors des Stators induziert wird, und dem Widerstand R_Fe zur Charakterisierung der Eisenverluste ausgebildet ist. Es sei angemerkt, dass für die Berechnung der entsprechenden Kenngrößen im Generatormodell nur der Summenwert beider Induktivitäten L_σ1 und L_H verwendet wird und als Synchroninduktivität L_S bezeichnet ist.
Im Hinblick auf die für die Berechnung des Generatormodells aus dem Ersatzschaltbild des Generators heranzuziehenden Parametern ist auf das Betriebsverhalten des Generators näher einzugehen. Ein Klauenpolgenerator, wie er im Automobilbereich eingesetzt wird, ist eine dreiphasige, fremderregte Synchronmaschine. Das in 1 gezeigte Ersatzschaltbild muss das Verhalten des Generators in jedem Betriebspunkt möglichst genau beschreiben. Die Parameter des Ersatzschaltbilds sind somit die wesentliche Grundlage für das erfindungsgemäße physikalische Generatormodell.
Das Betriebsverhalten wird nachfolgend durch das Zeigerdiagramm gemäß 2 näher beschrieben. Dieses in 2 gezeigte Zeigerdiagramm gilt jedoch nur für einen sogenannten Vollpolläufer, bei dem die Ständerdrehdurchflutung im Gegensatz zum Schenkelpolläufer ein von ihrer Position zum Läufer unabhängiges elektromagnetisches Feld erzeugen kann. Wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird, konnte bei der Vermessung des Generators im Rahmen der Parameterbestimmung des Ersatzschaltbilds des Generators festgestellt werden, dass der Generatorläufer, trotz seiner offensichtlichen Polteilung, im magnetischen Verhalten quasi zu 100% einem Vollpolläufer entspricht. Gemäß der Zeigerdiagrammdarstellung in 2 wird die Polradspannung mit der Amplitude U_P = |U_P| durch einen bestimmten Erregerstrom I_Err induziert. Bei einem unbelasteten Generator (I₁ = 0) liegt die Polradspannung U_P auf der Achse der Klemmenspannung U₁. Dies bedeutet, dass ein Polradwinkel ν gleich 0 ist. Steigt die Belastung im Generator an, so wird der Polradwinkel ν größer und der Vektor der Polradspannung U_P beschreibt eine Halbkreisbahn, wie sie in 2 angedeutet ist. Gleichzeitig sinkt die Klemmenspannung U₁. Wird des Weiteren vorausgesetzt bzw. angenommen, dass der Erregerstrom I_Err und die Klemmenspannung U₁ bei einem beliebigen Belastungswert konstant ist, ist in diesem Fall auch der Betrag der Polradspannung U_P = |U_P| = f(I_Err) bekannt. Der im Zeigerdiagramm eingezeichnete Winkel β ist nur von dem Verhältnis des induktiven Widerstands X_S (Summe aus Blindwiderstand X_σ1 und X_H) zu dem Wicklungswiderstand R₁ abhängig, wobei diese beiden Größen Konstanten sind. Für die Berechnung des Polradwinkels ν sind somit ausreichend bekannte Größen vorhanden. Dieser Polradwinkel ν dient wiederum direkt dazu, einen Strangstrom I₁ berechnen zu können.
Im Hinblick auf das Ersatzschaltbild gemäß 1 für das erfindungsgemäße Generatormodell und das Zeigerdiagramm gemäß 2 ist zu beachten, dass an das Kraftfahrzeug Gleichstrom abgegeben werden muss und da durch der berechnete Wechselstrom, welcher dem Strangstrom I₁ entspricht, auf einen Gleichstromwert I_Gen umgerechnet werden muss. In entsprechender Weise ist es erforderlich, die gleichstromseitige Generatorspannung U_Gen in die wechselstromseitige Klemmenspannung, welche der Strangspannung U₁ entspricht, umzurechnen. Diesbezügliche Zusammenhänge sind in der Darstellung gemäß 3 gezeigt. Die Brückenschaltung gemäß 3 weist drei in einer Dreieckschaltung angeordnete Induktivitäten auf. Des Weiteren umfasst die Brückenschaltung sechs Dioden. Ein erster Knoten der Dreieckschaltung ist mit einem ersten elektrischen Verbindungspfad zwischen zwei Dioden verbunden. Ein zweiter Schaltungsknoten der Dreieckschaltung ist mit einem elektrischen Verbindungspfad zwischen einer dritten und einer vierten Diode elektrisch verbunden. Darüber hinaus ist ein dritter Schaltungsknoten der Dreieckschaltung mit einem elektrischen Verbindungspfad einer fünften und einer sechsten Diode der Brückenschaltung elektrisch verbunden. Zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsknoten tritt die Strangspannung U_Strang auf. Des Weiteren fließt über die Induktivität, welcher zwischen den ersten und den dritten Schaltungsknoten der Dreieckschaltung geschaltet ist, ein Strangstrom I_Strang. Des Weiteren fließt ein Leiterstrom I_Leiter zwischen dem dritten Schaltungsknoten und der elektrischen Verbindung zu der fünften und sechsten Diode. Die Generatorspannung U_Gen kann an der Diodenbrücke abgegriffen werden. Nachfolgend sind die für die Berechnung der Klemmenspannung bzw. der Strangspannung U₁ sowie des Gleichstromwerts des Generators I_Gen zugrunde gelegten Formeln mit ihren Abhängigkeiten dargestellt.
In der Formel 1 für die Klemmenspannung U₁ fließt neben der Generatorspannung U_Gen und dem Generatorstrom I_Gen auch eine Diodenspannung in Flussrichtung U_D sowie ein Widerstand R_D der Diodenbrücke ein.
Ausgehend von dem in 1 für das erfindungsgemäße Generatormodell zugrunde gelegte Ersatzschaltbild und den gemäß 2 und 3 ausgeführten Erläuterungen werden nachfolgend die für die Berechnung der Gene ratorkenngrößen zu berücksichtigenden Parameter des Ersatzschaltbilds dargestellt und deren Bestimmung näher erläutert.
Die Parameter sind gegeben durch:

R_{1_20°C}: Wicklungswiderstand Statorwicklung bei 20°C
R_{2_20°C}: Wicklungswiderstand Erregerwicklung (Rotor) bei 20°C
R_{D_20°C}: Widerstand der Diodenbrücke bei 20°C
PPZ: Polpaarzahl
U_D: Diodenspannung in Flussrichtung
Φ: Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung
K₁ K₂ K₃ K₄ K₅: Faktoren für die Berechnung der Eisenverluste
P_Reib = f(n): Kennlinie der Reibungsverluste
U_{P_n} = f(I_Err): Kennlinie der normierten Polradspannung
L_S = f(I_Err): Kennlinie der Synchroninduktivität
I_{Gen_Init}: Initialisierungwert Generatorstrom für ersten Rechendurchlauf

Der Wicklungswiderstand R_{1_20°C} wird als Wert bei dieser Temperatur hinterlegt und in der Berechnung auf den aktuellen Temperaturwert umgerechnet. In entsprechender Weise wird dies für den Wicklungswiderstand R_{2_20°C} der Erregerwicklung sowie für den Widerstand R_{D_20°C} der Diodenbrücke durchgeführt. Die im Ersatzschaltbild gemäß 1 durch den Widerstand R_Fe quasi symbolisch dargestellten Eisenverluste stellen eine vereinfachte Darstellung dar und sind in der Praxis jedoch nicht exakt genug berechenbar, da die Eisenverluste frequenz- und spannungsabhängig sind. In der Berechnung werden diese Eisenverluste durch eine in der nachfolgenden Beschreibung erläuterte Formel mit fünf Faktoren K₁ bis K₅ dargestellt bzw. berücksichtigt. Die Reibungsverluste P_Reib werden als Kennlinie in Abhängigkeit der Generatordrehzahl n_Gen als Parameter des Ersatzschaltbilds hinterlegt. Des Weiteren umfassen die Parameterwerte des Ersatzschaltbilds eine Kennlinie einer normierten Polradspannung U_{P_n}, welche in Abhängigkeit des Erregerstroms I_Err hinterlegt ist. Die Polradspannung U_P wird durch den Erregerstrom I_Err des sich drehenden Rotors im Stator induziert und ist vom Laststrom I_Last unabhängig. Die Polradspannung U_P wird für die Berechnung quasi normiert, indem die Polradspannung U_P durch die jeweilige Generatordrehzahl n_Gen geteilt wird (U_{P_n} = U_P/n_Gen). Durch diese Normierung ist die Polradspannung U_P ebenso unabhängig von der Drehzahl n_Gen des Generators und hängt somit nur noch vom Erregerstrom I_Err ab. Des Weiteren wird als Parameter eine Kennlinie der Synchroninduktivität L_S bereitgestellt, welche in Abhängigkeit von dem Erregerstrom I_Err ermittelt ist.
Wie gemäß der obigen Auflistung zu erkennen ist, werden im Ausführungsbeispiel elf Parameter des Ersatzschaltbilds bereitgestellt, um in Abhängigkeit davon die Generatorkenngrößen des Generatormodells für einen Generator im Kraftfahrzeug berechnen zu können.
Nachfolgend wird auf die Bestimmung der oben erwähnten Ersatzschaltbildparameter näher eingegangen und diese erläutert. Zunächst wird diesbezüglich auf die Bestimmung der Wicklungswiderstände der Statorwicklung R_{1_20°C} der Statorwicklung und dem Wicklungswiderstand R_{2_20°C} der Erregerwicklung näher eingegangen. Die dreiphasige Statorwicklung ist in der Regel als Dreieckschaltung ausgeführt. Die Widerstandsmessung erfolgt mit einer Widerstandsmessbrücke jeweils zwischen zwei Phasen. Für das einphasige Ersatzschaltbild wird der Mittelwert der drei Stränge verwendet. Der Messwert wird auf 20°C normiert. Die Abhängigkeit des Wicklungswiderstands des Stators R₁ sowie des auf 20°C normierten Werts des Wicklungswiderstands des Stators R_{1_20°C} ist in den nachfolgenden Formeln dargestellt.
Diesbezüglich gibt der Widerstand R_U-V einen Widerstandswert zwischen einer ersten und einer zweiten Phase, der Widerstand R_U-V einen Widerstandswert zwischen der ersten und einer dritten Phase und der Widerstand R_V-W einen Widerstandswert zwischen der zweiten und der dritten Phase an. Der gemäß Formel 5 gemessene bzw. ermittelte Wicklungswiderstand R₁ wird bei einer bestimmten Temperatur gemessen und fließt als Wert R_{1_Temp} in die Formel 6 zur Normierung des Wicklungswiderstands auf 20°C ein.
Der Wicklungswiderstand R₂ der Erregerwicklung wird bei einer bestimmten Temperatur mit der Widerstandsbrücke gemessen und fließt als Wert R_{2_Temp} in die nachfolgend dargestellte Formel 7 zur Normierung des Wicklungswiderstands R_{2_20°C} der Erregerwicklung auf 20°C ein.
Die Temperaturwerte, bei denen die Wicklungswiderstände R_{1_Temp} und R_{2_Temp} gemessen werden, fließen als dimensionslose Werte „Temp" in die Formeln 6 und 7 ein.
Der Widerstand der Diodenbrücke R_D wird nachfolgend kurz erläutert. Wie sich diesbezüglich bei den Messungen zu den Parameterbestimmungen des Generators bzw. des Ersatzschaltbilds gezeigt hat, wird ein Spannungsabfall über einer Gleichrichterbrücke nicht nur von den Dioden in 3 bestimmt. Der Widerstand der Verbindungswege, welche der Diodenbrücke entsprechen, ist diesbezüglich nicht vernachlässigbar. Eine Messung zur Bestimmung dieses Widerstands der Diodenbrücke ist in 4 gezeigt. Dort ist die Widerstandsbestimmung dargestellt, welche über eine Strom-Spannungs-Messung bei kleinen Strömen ermittelt wird. Dies wird derart durchgeführt, dass der Generator bei konstanter Drehzahl und konstanter Erregung läuft. Der Laststrom I_Last wird von Null beginnend langsam erhöht. Es wird in jedem Lastpunkt die Wechselspannung vor der Diodenbrücke und die Gleichspannung nach der Diodenbrücke gemessen. Die Wechselspannung wird mit einem Faktor 1,35 multipliziert und ergibt eine theoretische Gleichspannung. Die Kurve 1 in 4 zeigt die Differenz zwischen diesem theoretischen und dem gemessenen Gleichspannungswert. Die im Wesentlichen konstante Steigung dieser Kennlinie 1 ergibt im Schnittpunkt mit der vertikalen Achse des Diagramms, auf dem die Diodenspannung U_D aufgetragen ist, einen Wert von etwa 1,5 V, wenn die Steigungsgerade bis zu der Spannungsachse hin verlängert wird. Der weitere Anstieg dieser Kennlinie wird bei diesen kleinen Stromwerten nur durch den Widerstand der Diodenbrücke verursacht. Dies ermöglicht eine relativ einfache Berechnung des Diodenwiderstands R_D.
Der bei einer entsprechenden Temperatur ermittelte Widerstandswert der Diodenbrücke R_{D_Temp} fließt in die Formel 9 zur Normierung des Widerstands der Diodenbrücke R_{D_Temp} ein.
Wie oben bereits erwähnt, fließt als weiterer Parameter des Ersatzschaltbilds der Phasenwinkel Φ zwischen Strom und Spannung in die Berechnung der Generatorkenngrößen mit ein. Diesbezüglich sei angemerkt, dass ein idealer Gleichrichter einen reinen Gleichstrom abgibt und der dreiphasigen Wicklung somit keine Blindleistung „entzieht". Der Strom und die Spannung haben so mit die gleiche Phasenlage, wodurch der Phasenwinkel Φ zwischen Strom und Spannung Null ist. Da jedoch die Gleichrichterbrücke gemäß 3 mit sechs Dioden keinen idealen Gleichstrom abgibt, sondern auch noch Wechselstromanteile enthalten sind, trifft eine derartige Vereinfachung im vorliegenden Fall nicht zu. Bei den Messungen der Wechselstromgröße in einigen Lastpunkten zeigt sich ein typischer Bereich für den Phasenwinkel Φ. Diesbezüglich variiert der Phasenwinkel Φ lastabhängig zwischen 6° und 10°, wobei die Lastabhängigkeit durch den lastabhängigen Wechselanteil im Gleichstrom begründet ist. Für die weitere Berechnung bzw. für die Grundlage des Phasenwinkels Φ kann im Hinblick auf den oben erwähnten Bereich des Phasenwinkels ein Mittelwert von 8° als konstanter Parameter für den Phasenwinkel Φ herangezogen werden. Ein derartiger konstanter Wert für den Phasenwinkel Φ erweist sich für die weitere Berechnung als günstig, da unter anderem keine nennenswerten Rechenfehler dadurch auftreten.
Im Nachfolgenden wird die Bestimmung der Reibungsverluste P_Reib und die Faktoren K₁ bis K₅ für die Eisenverluste näher erläutert. Diesbezüglich kann derart vorgegangen werden, dass die Reibungsverluste und die Eisenverluste mit einer Messung ermittelt werden. Dazu wird für eine sinnvolle Anzahl von Drehzahlen jeweils eine nachfolgend erläuterte Messung durchgeführt. Bei konstanter Drehzahl n_Gen und unbelastetem Generator (entspricht dem Leerlauf des Generators) wird der Erregerstrom I_Err von Null beginnend langsam erhöht. Diesbezüglich wird jeweils die Klemmenspannung U₁, der Erregerstrom I_Err und die aufgenommene mechanische Leistung, welche dem Drehmomentwert entspricht, gemessen. Wie in 5 dargestellt, wird für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Drehzahlen die Leistung P_V über dem Quadrat der Spannung U₁ aufgetragen. Wie aus dem Diagramm zu erkennen ist, sind dreizehn verschiedene Kurven eingetragen, wobei diesen Kurven dreizehn verschiedene Drehzahlen zugrunde liegen, welche zwischen 1000 und 15000 U/min variieren. Die Schnittpunkte der dreizehn verschiedenen Drehzahlkurven mit der Vertikalachse, auf der die Leistung P_V aufgetragen ist, markiert für die jeweilige Drehzahl einen konstanten Reibungsverlust, welcher eine Luftreibung und eine Lagerreibung des Generators bzw. des Läufers des Generators charakterisiert. Diese Schnittpunkte können nachfolgend in eine separate Graphik, welche in 6 gezeigt ist, übertragen werden und ergeben den Verlauf der Reibungsverluste P_V in Abhängigkeit der Generatordrehzahl n_Gen. Es sei angemerkt, dass die in 5 gezeigten Kurven bzw. die Anzahl der darin dargestellten Kurven lediglich beispielhaft ist.
In entsprechender Weise ist die Auswahl der den Kurven zugrunde liegenden Drehzahlen beispielhaft und kann in vielfältiger Weise ergänzt werden.
Wie aus der Darstellung in 6 zu erkennen ist, steigen die Reibungsverluste mit steigender Generatordrehzahl n_Gen relativ stark an. Der in 6 gezeigte Kurvenverlauf wird als Parameter P_Reib = f(n) des Ersatzschalbilds hinterlegt. Anzumerken ist, dass eine vorausschauende Beurteilung, in welchem Betriebspunkt des Generators welche Eisenverluste auftreten, nicht (immer) exakt möglich ist. Dies ist darin begründet, dass die Eisenverluste frequenzund spannungsabhängig sind. Da das gesamte in 6 dargestellte Kennlinienfeld der Eisenverluste eine große Datenmenge aufweist, ist das vollständige Abspeichern dieses Kennlinienfelds als Parameter des Ersatzschaltbilds relativ speicherintensiv. Um eine derartige speicherintensive Hinterlegung dieses Kennlinienfelds der Eisenverluste vermeiden zu können, kann vorgesehen sein, dass die Berechnung der Eisenverluste durch eine nachfolgend aufgelistete Formel näherungsweise erfolgen kann.
Wie aus der Formel 10 für die Eisenverluste P_Fe zu erkennen ist, fließen hier die Faktoren K₁ bis K₅, welche als Parameter des Ersatzschaltbilds angegeben wurden, mit ein. Der Faktor K₁ bezeichnet dabei einen gemessenen Eisenverlust P_{Fe_Messwert} und der Faktor K₂ eine gemessene Frequenz. Des Weiteren bezeichnet der Faktor K₄ die normierte Polradspannung U_{P_n} im Quadrat. Die weiteren Faktoren K₃ und K₅ bezeichnen Exponenten in der Formel 10, wobei der Faktor K₃ in bevorzugter Weise den Wert 1,5 aufweist und der Faktor K₅ in bevorzugter Weise den Wert 2 aufweist.
Wie aus der Formel 10 zu erkennen ist und in 7 dargestellt, muss für eine derartige nährungsweise Bestimmung der Eisenverluste die Abhängigkeit der Eisenverluste P_Fe von dem Quadrat der normierten Polradspannung U_{P_n} dargestellt werden. Diesbezüglich wird als normierte Polradspannung die im Leerlauf gemessene Klemmenspannung U₁, welche der Polradspan nung U₁ entspricht, welche durch die jeweilige Drehzahl des Generators n_Gen (in U/sec) geteilt wird und dann quadriert wird, verstanden.
Gemäß der Darstellung in 7 sind wiederum dreizehn verschiedene Kurven dargestellt, welche jeweils für eine bestimmte Drehzahl von 1000 bis 15000 U/sec dargestellt sind. Diese Faktoren K₁ bis K₅ werden für eine bestimmte Drehzahl und innerhalb dieser Drehzahl für einen bestimmten Messwert ausgewählt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 7 wurde eine derartige Auswahl für die Drehzahl 4.000 U/sec getroffen. Die Berechnung der Formel 10 für die anderen Drehzahlen, welche im Ausführungsbeispiel gemäß 7 beispielhaft durch die Kurven CALC_1000, CALC_1500, CALC_4000 und CALC_10000 durchgeführt wurde, zeigt dann inwieweit eine ausreichend gute Auswahl der Parameter bei der „Messdrehzahl" durchgeführt wurde. Diesbezüglich sei angemerkt, dass somit durch eine geeignete und geschickte Auswahl der Messpunkte eine gute Genauigkeit bei der Berechnung erreicht werden kann.
Zur Bestimmung der Polradspannung U_{P_n} wird die Polradspannung U_{P_n} am unbelasteten Generator (Generatorstrom I_Gen = 0) gemessen, indem der Erregerstrom I_Err bei konstanter Drehzahl schrittweise erhöht wird. Da nach dem Induktionsgesetz die Polradspannung U_{P_n} bei gleichem Erregerstrom I_Err direkt proportional zur Drehzahl ist, kann die Drehzahlabhängigkeit bei der Bildung des Parameters quasi eliminiert werden, indem man die gemessenen Spannungswerte einer Drehzahlreihe durch diese Drehzahl (in 1/sec) teilt. Dies hat den Vorteil, dass nur eine Kennlinie der Polradspannung U_{P_n} über dem Erregerstrom I_Err erforderlich ist. Eine derartige Kennliniendarstellung der Polradspannung U_{P_n} ist in 8 gezeigt. Wie aus 8 zu erkennen ist, sind zum Vergleich zwei Kennlinien der Polradspannung U_{P_n} bei einer ersten Drehzahl (12000 U/sec) und einer zweiten Drehzahl (1500 U/sec) gezeigt. Die beiden Kurven sind in 8 sehr nahe beieinander liegend und weisen im Wesentlichen einen gleichen Verlauf auf. Wie aus 8 zu erkennen ist, steigt die Polradspannung U_{P_n} bis zu einem Erregerstrom I_Err von etwa 2,5 A relativ stark an und geht dann in einen Sättigungsbereich über.
Als weiterer Parameter des Ersatzschaltbilds wird die Synchroninduktivität L_S berücksichtigt. Die Synchroninduktivität L_S wird mit Hilfe einer 50 Hz-Messung ermittelt. Diesbezüglich wird der Rotor des Generators blockiert und zwei Phasen der Wicklung werden an eine Wechselspannungsquelle mit 50 Hz und variabler Spannung angeschlossen. Für verschiedene konstante Erregerströme I_Err wird dann die Wechselspannung an den zwei Phasen langsam erhöht und der Strom, die Spannung und der Phasenwinkel werden gemessen. Die Synchroninduktivität L_S errechnet sich dann aus nachfolgend dargestellten Zusammenhängen:
X_S bezeichnet dabei den Blindwiderstand der Synchroninduktivität L_S. Anzumerken ist, dass diese Messung für beide Achsen der Synchronmaschine getrennt durchgeführt wird. Diesbezüglich sei angemerkt, dass von zwei Achsen der Synchronmaschine dann gesprochen wird, wenn der Läufer des Generators kein Vollpolläufer ist. Nur bei einem Vollpolläufer kann die Ständerdrehdurchflutung, im Gegensatz zum Schenkelpolläufer, ein von ihrer Position zum Läufer unabhängiges elektromagnetisches Feld erzeugen. Da jedoch die Art des Läufers zu Beginn einer Messung nicht mit Sicherheit bekannt ist, muss von den schwierigsten Verhältnissen, die dem Schenkelpolläufer entsprechen, ausgegangen werden. Bei diesem Läufer ist das magnetische Feld nicht unabhängig von der Läuferposition, d. h. die beiden „Endstellungen" dieser ständig wechselnden Positionen werden durch die d-Achse (= 0°) und die q-Achse (= 90°) markiert. Die d-Achse kann dadurch gefunden werden, dass man bei einem geringen Stromfluss zwischen zwei Phasen der Statorwicklung und einem mittleren Erregerstrom I_Err den Rotor mit der Hand langsam dreht. Bei einer Umdrehung können dabei die verteilten acht Pole der Maschine bemerkt werden, da der Rotor an den entsprechenden Stellen quasi ein „Einrasten" durchführt. Jede dieser „Raststellungen" markiert die d-Achse. Die Position zwischen zwei „Raststellungen" entspricht der q-Achse. In 9 ist eine Messreihendarstellung dieser Messung gezeigt. Da die Messwerte der Messungen in q- und d-Achse jeweils bei gleichem Erregerstrom deckungsgleich sind, kann davon ausgegangen werden, dass der Rotor des Generators ein Vollpolläufer ist. Dies führt zu einer deutlich vereinfachten Berechnung. Aus der Mehrzahl in 9 dargestellten Kennlinien wird eine einzige Kennlinie der Synchroninduktivität L_S in Abhängigkeit vom Erregerstrom I_Err erzeugt und als Parameter hinterlegt.
Nachfolgend wird die Bestimmung der Generatorkenngrößen in Abhängigkeit der oben erläuterten Parameter des Ersatzschaltbilds näher erläutert. Zur Berechnung der Generatorgrößen werden darüber hinaus betriebszustandsspezifische Größen herangezogen. Diesbezüglich werden im Ausführungsbeispiel als betriebszustandsspezifische Größen die aktuelle Motordrehzahl n_Mot, die Generatorspannung U_Gen, der Erregerstrom I_Err und das Tastverhältnis TV der Erregerspannung bereitgestellt. Diese betriebszustandsspezifischen Größen werden als Messwerte an das physikalische Generatormodell übertragen. Die Berechnung der Generatorkenngrößen wird anhand des Ablaufdiagramms gemäß 21 näher erläutert. Wie bereits erwähnt, werden die Generatormesswerte der Generatorspannung U_Gen, des Erregerstroms I_Err, die Motordrehzahl n_Mot und das Tastverhältnis TV der Erregerspannung an das physikalische Generatormodell übertragen. In zumindest einer Recheneinheit des physikalischen Generatormodells werden diese übertragenen Messwerte sowie in dem Generatormodell abgelegte Parameterwerte des Ersatzschaltbilds für die Berechnung weiterer physikalischer Größen herangezogen. In einem ersten Schritt S1 werden dazu aus den übertragenen Messwerten und einigen der abgelegten Parameter des Ersatzschaltbilds eine Berechnung der Generatortemperatur T_Gen durchgeführt. Des Weiteren wird in diesem ersten Schritt eine Berechnung aller Widerstände R_Temp auf die aktuelle Temperatur durchgeführt. Diesbezüglich erfolgt eine Berechnung einer Erregerspannung U_Err aus dem Tastverhältnis TV und der Generatorspannung U_Gen gemäß der Formel 15. UErr = TV·UGen 15)
Des Weiteren wird der Wicklungswiderstand R_{2_Temp0} der Erregerwicklung in Abhängigkeit von der gegebenen Temperatur aus der berechneten Erregerspannung U_Err und dem Erregerstrom I_Err gemäß der Formel 16 ermittelt.
Dieser Wicklungswiderstand R_{2_Temp0} der Erregerwicklung bei dieser entsprechenden Temperatur fließt in die Berechnung der Generatortemperatur T_Gen ein, wobei diese Generatortemperatur T_Gen gemäß der nachfolgend dargestellten Formel 17 durchgeführt wird.
Die durch die Formel 17 berechnete Temperatur T_Gen = Temp0 fließt dann wiederum in die Berechnung des temperaturabhängigen Wicklungswiderstands R_{1_Temp0} der Statorwicklung und des temperaturabhängigen Widerstands R_{D_Temp0} der Diodenbrücke ein. Die Berechnung dieser beiden Widerstände R_{1_Temp0} und R_{D_Temp0} wird durch die nachfolgend dargestellten Formeln 18 und 19 durchgeführt:
Es sei hier darauf hingewiesen, dass die Berechnungen gemäß der Formeln 18 und 19 nicht denen gemäß 7 und 9 entsprechen.
In einem weiteren Schritt S2 gemäß 21 werden die Drei-Phasen-Werte für Strom I_Phase und Spannung U_Phase ermittelt. Gemäß der Darstellung in 21 werden auch dafür die in dem Generatormodell bereitgestellten Parameter des Ersatzschaltbilds herangezogen bzw. bereitgestellt. In einem weiteren Schritt S3 erfolgt ein Umrechnen der Phasenspannung auf eine Gleichspannung U_Gen bzw. ein Umrechnen des Phasenstroms auf Generatorstromwerte I_Gen. Diesbezüglich wird der Generatorstrom I_Gen anfänglich gleich einem Initialisierungswert des Generatorstroms I_{Gen_}I_nit für einen ersten Rechendurchlauf gleichgesetzt. Die Strangspannung wird dabei aus der bekannten Generatorspannung gemäß der Formel 20 berechnet.
Die Berechnung des Strangstroms erfolgt nach dem Zeigerdiagramm gemäß 2 und 3. Die Winkelfrequenz ω wird dabei in Abhängigkeit der Generatordrehzahl n_Gen und der Polpaarzahl PPZ gemäß der Formel 21 berechnet. Gemäß Formel 22 ist der Blindwiderstand X_S proportional zur Synchroninduktivität L_S, wobei als Proportionalitätsfaktor die Winkelfrequenz gemäß Formel 21 herangezogen wird.
Dieser Blindwiderstand X_S gemäß Formel 22 fließt in die Berechnung des Scheinwiderstands Z gemäß nachfolgend dargestellter Formel 23 ein. In die Berechnung des Scheinwiderstands Z fließt auch der gemäß Formel 18 berechnete Wicklungswiderstand R_{1_Temp0} ein. Die Berechnung der Winkel β, β⁰, γ und ν wird gemäß den nachfolgend dargestellten Formeln 23 bis 27 durchgeführt.
In die Berechnung dieser Winkel fließen der Blindwiderstand X_S gemäß Formel 22, die Klemmenspannung U₁, der Betrag der Polradspannung U_P sowie der Wicklungswiderstand der Statorwicklung R₁ ein. In die Berechnung des Strangstroms i ₁ fließt der Scheinwiderstand gemäß Formel 23 und die Spannung u _Z, welche sich gemäß der Formel 28 berechnet, ein.
Die Berechnung des Generatorstroms I_Gen erfolgt gemäß nachfolgend dargestellter Formel 30: IGen = I1· √3·1,35 30)
Diese im Schritt S3 gemäß 21 berechneten Werte des Generatorstroms I_Gen werden in einem weiteren Schritt S4 zur Berechnung der Eisen-, Kupfer- und Diodenbrückenverluste bereitgestellt. Des Weiteren werden diese Werte, welche im Schritt S3 ermittelt wurden, für die Berechnung einer Abgabeleistung sowie einer Gleichstromleistung gemäß Schritt S5 bereitgestellt. Die Berechnung der Eisen-, Kupfer- und Diodenbrückenverluste P_Fe bzw. P_Cu bzw. P_D wird durch die nachfolgend dargestellten Formeln 31 bis 33 berechnet:
Wie aus der Darstellung in 21 weiterhin zu erkennen ist, werden die Eisenverluste P_Fe, die Kupferverluste P_Cu und die Diodenbrückenverluste P_D auch zur Berechnung der Abgabeleistung P₁ und der Gleichstromleistung P_DC gemäß Schritt S5 bereitgestellt. Die Abgabeleistung P₁ berechnet sich dabei gemäß der nachfolgenden Formel 34, wobei sich die Gleichstromleistung P_DC gemäß der nachfolgenden Formel 35 berechnet. P1 = 3·U1·I1·cos(ϕ) 34) PDC = P1 – PD 35)
Die gemäß 21 in den Schritten S4 und S5 berechneten Verluste bzw. Leistungen werden gemäß Schritt S6 zur Berechnung einer Aufnahmeleistung P₂, einem Drehmoment M_Gen des Generators und einem Wirkungsgrad η bereitgestellt. In die Berechnung der Aufnahmeleistung P₂ fließt dabei die Abgabeleistung P₁, die Kupferverluste P_Cu, die Eisenverluste P_Fe sowie Reibungsverluste P_Vreib gemäß nachfolgender Formel 36 ein. Das Drehmoment des Generators M_Gen berechnet sich gemäß der Formel 37, wobei das Drehmoment des Generators M_Gen abhängig von der Aufnahmeleistung P₂ und dem Drehmoment des Generators n_Gen gemäß der Formel 37 ist. P2 = P1 + PCu1 + PV Reib + PFe 36)
Der Wirkungsgrad η des Generators bestimmt sich gemäß der Formel 38 aus dem Verhältnis der Aufnahmeleistung P₂ und der Abgabeleistung P₁.
Wie in 21 des Weiteren zu erkennen ist, werden als Generatorkenngrößen der im Schritt S3 berechnete Generatorgleichstrom I_Gen sowie die im Schritt S6 berechneten Werte der Aufnahmeleistung P₂ des Generatordrehmoments M_Gen und des Wirkungsgrads η ausgegeben.
Die oben erläuterten aufgeführten Formeln erlauben also die Berechnung von Strom, Leistung und Drehmoment für jeden beliebigen Betriebspunkt des Generators. Wie des Weiteren aus den obigen Berechnungen hervorgeht, bilden für diese Berechnung lediglich die vier Messwerte vom Regler die Grundlage, welche als Eingangsmesswerte an das Generatormodell übertragen werden, sowie die fünfzehn Maschinenparameter, insbesondere die elf Parameter des Ersatzschaltbilds, welche messtechnisch für jeden Generator einmal ermittelt werden müssen.
Die Abhängigkeit des Generatorstroms I_Gen in Abhängigkeit der Generatordrehzahl n_Gen ist in 10 für mehrere verschiedene Erregerströme I_Err gezeigt. Die Erregerströme I_Err variieren dabei von einem Wert von 0,25 A bis 3,73 A. 10 zeigt diese Abhängigkeiten als Ergebnis der Berechnung nach den beschriebenen Formeln. Die Rechnung liefert somit plausible Ergebnisse. Des Weiteren ist in 11 das Drehmoment M_Gen des Generators in Abhängigkeit der Drehzahl n_Gen des Generators für verschiedene Erregerströme I_Err gezeigt. Die Erregerströme I_Err variieren ebenfalls von einem Wert von 0,25 A bis zu einem Wert von 3,73 A.
Der Generator wurde im Hinblick für die Genauigkeit der Berechnung und deren Überprüfung im unteren Drehzahlbereich aufwändig vermessen. Bei der Messung wurden die Drehstromgrößen (Dreiphasen-Leistungsmessung) und die Gleichstromgrößen separat erfasst, so dass jede „Zwischengröße" der Berechnung (z.B. Polradwinkel, Klemmenspannung U₁, cosΦ) mit der realen Messgröße verglichen werden kann. In den folgenden 12 bis 19 sind beispielhaft die Abhängigkeiten des Generatorstroms I_Gen und des Drehmoments des Generators M_Gen in Abhängigkeit des Erregerstroms I_Err für verschiedene Generatordrehzahlen n_Gen und verschiedene Generatorspannungen U_Gen gezeigt. In jeder der 12 bis 19 sind dabei sowohl eine Messkurve als auch eine entsprechende berechnete Kennlinie dargestellt. In 12 ist dabei die Abhängigkeit des Generatorstroms I_Gen vom Erregerstrom I_Err bei einer Generatordrehzahl n_Gen von 1800 U/min und einer Generatorspannung U_Gen von 12 V gezeigt. In 13 ist die Abhängigkeit des Generatordrehmoments M_Gen von dem Erregerstrom I_Err ebenfalls bei 1800 U/min und 12 V gezeigt. In den 14 und 15 sind entsprechend zu den 12 und 13 der Generatorstrom I_Gen und das Generatordrehmoment M_Gen in Abhängigkeit vom Erregerstrom I_Err bei 1800 U/min und 15 V dargestellt. In entsprechender Weise sind in den 16 und 17 der Generatorstrom I_Gen bzw. das Drehmoment des Generators M_Gen in Abhängigkeit des Erregerstroms I_Err bei einer Generatordrehzahl n_Gen von 2500 U/min und einer Generatorspannung U_Gen von 12 V gezeigt. In den 18 und 19 ist eine entsprechende Darstellung des Generatorstroms I_Gen bzw. des Drehmoments M_Gen in Abhängigkeit des Erregerstroms I_Err bei 2500 U/min und 15 V gezeigt.
Eine Darstellung des physikalischen Generatormodells sowie die entsprechenden Eingangs- und Ausgangsgrößen ist in 20 gezeigt. Wie aus 20 zu erkennen ist, werden bei dieser Ausführung die aktuelle Motordrehzahl n_{Motor aktuell}, die durch ein Motorsteuergerät fiktiv ermittelte Leerlaufdrehzahl des Motors n_{motor_Leerlauf}, sowie weitere motorspezifische Daten, insbesondere aus denen ein Übersetzungsverhältnis des Generators i ermittelt werden kann, als Eingangsgrößen an das physikalische Generatormodell übertragen. Des Weiteren werden in der Ausführung gemäß 20 als Eingangsgrößen das Tastverhältnis TV, der Erregerstrom I_Err und die Generatorspannung U_Gen an das physikalische Generatormodell als Messwerte übertragen. Wie aus der Darstellung in 20 zu erkennen ist, wird die aktuelle Motordrehzahl n_{Motor_aktuell} und die fiktive Leerlaufdrehzahl des Motors n_{Motor_Leerlauf} an eine Einheit zum Berechnen einer aktuellen und einer fiktiven Leerlaufdrehzahl des Generators n_Gen übertragen. Diesbezüglich wird auch das Übersetzungsverhältnis i des Generators an diese Einheit zum Ermitteln der entsprechenden Generatordrehzahlen n_Gen übertragen.
Wie aus der Darstellung in 20 weiterhin zu erkennen ist, wird die aktuelle Generatordrehzahl zum Berechnen eines aktuellen Generatorstroms I_{Gen_aktuell} Und zum Berechnen eines maximalen Generatorstroms I_{Gen_max} übertragen. Die fiktiv ermittelte Leerlaufdrehzahl des Generators wird lediglich zur Berechnung eines Leerlaufstroms des Generators I_{Gen_Leerlauf} herangezogen und diesbezüglich übertragen. Die Eingangsgrößen Tastverhältnis TV, Erregerstrom I_Err und die Generatorspannung U_Gen werden allesamt sowohl zur Berechnung des aktuellen Generatorstroms I_{Gen_aktuell}, des maximal möglichen Generatorstroms I_{Gen_max} und des fiktiven Leerlaufstroms des Generators I_{Gen_Leerlauf} herangezogen und zur Berechnung verwendet.
Wie aus der Darstellung in 20 zu erkennen ist, kann vorgesehen sein, dass das Berechnen dieser drei Werte I_{Gen_aktuell}, I_{Gen_max} und I_{Gen_Leerlauf} jeweils in separaten Recheneinheiten berechnet werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass diesbezüglich für alle drei Werte eine einzige Recheneinheit zur Verfügung gestellt wird. Anzumerken ist, dass die Berechnung dieser drei Werte auf demselben Rechenalgorithmus basiert, jedoch für alle drei zumindest teilweise unterschiedliche Eingangsgrößen herangezogen werden. Für die entsprechenden Werte dieser Generatorströme sei auf die oben ausführlich erläuterte Darstellung und die zugrunde gelegten Formeln verwiesen.
Wie in 20 gezeigt ist, wird der berechnete Leerlaufstrom des Generators I_{Gen_Leerlauf} direkt als Ausgangsgröße des Generatormodells und als Kenngröße des Generators ausgegeben. Der aktuelle berechnete Generatorstrom I_{Gen_aktuell} wird einerseits ebenfalls direkt als Ausgangsgröße vom Generatormodell ausgegeben und andererseits zum weiteren Berechnen des aktuellen Generatordrehmoments M_{Gen_aktuell}, der mechanischen Leistung P_mech bzw. der Aufnahmeleistung P₂ und des Wirkungsgrads η herangezogen. Diese drei Werte M_{Gen_aktuell}, P_{mech_aktuell} und η_aktuell werden ebenfalls gemäß der Darstellung in 20 als Ausgangsgrößen bzw. als Generatorkenngrößen vom Generatormodell ausgegeben. Des Weiteren wird der aktuelle Generatorstrom I_{Gen_aktuell} und der berechnete fiktive maximale Generatorstrom I_{Gen_max} an einen Summierer übertragen. In diesem Summierer wird vom Wert des maximalen Generatorstroms I_{Gen_max} der Wert des aktuellen Generatorstroms I_{Gen_aktuell} abgezogen, wodurch sich als Ausgangsgröße des Generatormodells bzw. als Generatorkenngröße ein Reserve-Generatorstrom I_{Gen_Reserve} ergibt.
Die in 20 als Eingangsgrößen verwendeten Werte werden direkt am Generator abgegriffen bzw. von einer Energiemanagementvorrichtung aufbereitet. Die Ausgabegrößen bzw. die Generatorkenngrößen werden der Energiemanagementvorrichtung zur Verfügung gestellt. Für die Bestimmung der Ausgangsgrößen bzw. der Generatorkenngrößen läuft der oben ausführlich erläuterte Rechenvorgang mehrfach parallel ab. Eine Energiemanagementvorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Generatormodell verwendbar ist, ist beispielsweise aus DE 101 45 270 A1 bekannt.

Claims

Generatormodell zur Ermittlung von Kenngrößen eines Generators in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator in dem Generatormodell durch ein Ersatzschaltbild charakterisiert ist und die Generatorkenngrößen in Abhängigkeit von Parametern des Ersatzschaltbildes ermittelbar sind.
Generatormodell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzschaltbild aufweist: – einen Wicklungswiderstand zur Charakterisierung des Widerstands einer Statorwicklung, – eine Streuinduktivität, – eine Hauptinduktivität, – einen Widerstand zur Charakterisierung von Eisenverlusten und – eine Spannungsquelle, welche eine Polradspannung erzeugt, die durch einen Erregerstrom eines sich drehenden Rotors des Stators induziert wird.
Generatormodell nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass der Wicklungswiderstand und die Streuinduktivität in Reihe geschaltet sind und eine Parallelschaltung aus der Hauptinduktivität, der Spannungsquelle und dem Widerstand zur Charakterisierung der Eisenverlustwiderstand in Reihe zum Wicklungswiderstand und zur Streuinduktivität geschaltet sind.
Generatormodell nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Parameter des Ersatzschaltbildes kleiner gleich 15, insbesondere kleiner gleich 11, ist.
Generatormodell nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet dass die Parameter des Ersatzschaltbildes gegeben sind durch: – einen Wicklungswiderstand der Statorwicklung bei einer festen Temperatur, insbesondere bei 20°C, und/oder – einen Wicklungswiderstand einer Erregerwicklung eines Rotors bei einer festen Temperatur, insbesondere bei 20°C, und/oder – einen Widerstand einer Diodenbrücke, und/oder – eine Polpaarzahl, und/oder – eine Diodenspannung, insbesondere eine Diodenspannung in Flussrichtung von in Reihe geschalteten Dioden, und/oder – den Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung, und/oder – zumindest einen, insbesondere fünf, Faktor für die Berechnung der Eisenverluste, und/oder – Reibungsverluste des Generators, insbesondere Luft- und/oder Lagerreibungsverluste, und/oder – zumindest eine Kennlinie einer Polradspannung in Abhängigkeit eines Erregerstroms, und/oder – zumindest eine Kennlinie einer Synchroninduktivität in Abhängigkeit des Erregerstroms.
Generatormodell nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Ersatzschaltbildes in einer Recheneinheit abgelegt sind und die Recheneinheit derart ausgelegt ist, dass zum Bestimmen der Kenngrößen des Generators an die Recheneinheit übertragbare betriebszustandsspezifische Größen des Fahrzeugs herangezogen werden.
Generatormodell nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die betriebszustandsspezifischen Größen eine aktuelle Motordrehzahl und/oder eine Leerlaufdrehzahl und/oder ein Tastverhältnis der Erregerspannung und/oder einen Erregerstrom und/oder eine Generatorspannung und/oder motorspezifische Daten umfassen.
Generatormodell nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorkenngrößen des Generatormodells das Generatordrehmoment und/oder die mechanische Leistung des Generators und/oder einen Wirkungsgrad des Generators und/oder einen Generatorstrom und/oder einen Generator-Reserve-Strom und/oder einen Generatorleerlaufstrom umfassen.
Generatormodell nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Kenngrößen des Generators als Informationsdaten an eine Energiemanagementvorrichtung zum Ermitteln einer aktuellen Energieverteilung der verfügbaren Generatorenergie im Kraftfahrzeug übertragbar sind.
Verfahren zum Ermitteln von Kenngrößen eines Generators in einem Kraftfahrzeug, bei dem ein Ersatzschaltbild eines Generators zugrunde gelegt wird und die Generatorkenngrößen in Abhängigkeit von Parametern des Ersatzschaltbildes bestimmt werden.