DE102011087145A1

DE102011087145A1 - Schutz eines Gleichrichters eines Mehrphasenwechselstrom-Generators in einem Kraftfahrzeug

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Publication number: DE102011087145A1
Application number: DE102011087145A
Authority: DE
Inventors: Christoph Sudan; Michael Großhauser; Markus Lämmermann; Daniel Fell
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-05-29

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines Gleichrichters eines Mehrphasenwechselstrom-Generators in einem Kraftfahrzeug. Der Gleichrichter umfasst eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern, wobei jeder Phase mindestens ein Halbleiterschalter zugeordnet ist. Die gleichgerichtete Generatorspannung wird über einen Regler geregelt, der dazu den Erregerstrom einer Erregerwicklung des Generators beeinflusst. Der Regler ist eingerichtet, ein Phasensignal entgegenzunehmen. Erfindungsgemäß wird das Phasensignal zur Überwachung und zum Schutz des Gleichrichters eingesetzt. Hierzu wird unter Verwendung des Phasensignals die Flussspannung mindestens eines Halbleiterschalters bestimmt, welcher der ersten Phase zugeordnet ist. In Abhängigkeit der bestimmten Flussspannung wird bei Bedarf der Erregerstrom reduziert oder begrenzt.

Description

Die Erfindung betrifft den Schutz eines Gleichrichters eines Mehrphasenwechselstrom-Generators in einem Kraftfahrzeug.
Kraftfahrzeuge umfassen zur Versorgung elektrischer Verbraucher mit elektrischer Energie typischerweise einen elektrischen Generator, welcher über den Antrieb des Fahrzeugs mit mechanischer Energie versorgt wird. Mit der überschüssigen elektrischen Leistung des Generators wird die Fahrzeugbatterie geladen.
Als Generator wird im Allgemeinen ein Mehrphasenwechselstrom-Generator (Drehstrom-Generator) mit drei oder mehr Phasen verwendet. Hierbei ist der Mehrphasenwechselstorm-Generator typischerweise als elektrische Synchronmaschine realisiert, welcher einen durch den Antrieb rotierenden Läufer mit einer Erregerwicklung zur Erzeugung eines Erregermagnetfeldes und einen Ständer mit einer mehrphasigen Ständerwicklung umfasst. Da die elektrischen Verbraucher typischerweise als Gleichstromverbraucher ausgelegt sind und die Batterie zum Laden mit Gleichstrom gespeist wird, ist dem Mehrphasenwechselstrom-Generator ein Gleichrichter nachgeschaltet, der das mehrphasige Wechselsignal in eine Gleichspannung wandelt. Um die gleichgerichtete Generatorspannung auch bei variablem Laststrom und variabler Motordrehzahl konstant zu halten, wird ein Generatorregler verwendet, der den Erregerstrom der Erregerwicklung variiert, so dass eine Schwankung der Generatorspannung ausgeregelt wird.
In 1 ist ein Beispiel für einen konventionellen 14-V-Generator mit einem Gleichrichter 1 für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Hier ist beispielhaft ein 3-phasiger Generator dargestellt, der Generator kann aber auch beispielsweise fünf oder sechs Phasen aufweisen. Der 14 V-Generator wandelt einen Teil der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors in elektrische Leistung um und gewährleistet so die elektrische Stromversorgung des die Batterie und die Verbraucher umfassenden Fahrzeug-Bordnetzes 7. Der Riementrieb 2 überträgt die mechanische Leistung des Motors 3, welche durch die Drehzahl und das Drehmoment bestimmt wird, von der Kurbelwelle auf den Generator. Der durch den Generator erzeugte Generatorstrom I_B+ wird über den Anschluss B+ ins Bordnetz 7 abgegeben, um die Batterie zu laden und Verbraucher wie beispielsweise die Zündung, die Scheinwerfer oder das Gebläse mit Strom zu versorgen. In 1 ist der Generator als fremderregte Synchronmaschine 9 mit angebautem Regler 4 und Gleichrichter 1 ausgeführt. Der Rotor der Synchronmaschine 9 trägt eine Erregerwicklung 5 und wird beispielsweise über zwei Schleifringe mit dem Erregerstrom I_ERR versorgt. Das Magnetfeld der Erregerwicklung 5 wird beispielsweise über Polklauen aus magnetisch permeablem Stahl in den Ständer geleitet und induziert bei Rotation in den Ständer-Phasen eine Wechselspannung. Die Spannungsamplitude hängt von der Generatordrehzahl n_GEN und dem Erregerstrom I_ERR ab. Die Generatordrehzahl n_GEN des Generators ist proportional zur Drehzahl des Motors. Bei einer gegebenen Drehzahl des Motors steigt das Lastmoment an der Kurbelwelle mit Zunahme des abgegebenen Stromes I_B+. Der Gleichrichter 1 wandelt die Wechselspannung der Ständer-Phasen in die für das Bordnetz 7 erforderliche Gleichspannung U_GEN. Für den in 1 dargestellten Gleichrichter 1 wird eine Brückenschaltung mit einem an die Bordnetzspannung angeschlossenen High-Side-Halbleiterschalter und einem an die Masse angeschlossenen Low-Side-Halbleiterschalter pro Phase verwendet, so dass jeweils beide Halbschwingungen jeder Phase zur Gleichrichtung verwendet werden. Bei einem 3-Phasenwechselstrom-Generator wird ein derartiger Gleichrichter auch als Sechspulsgeleichrichter bezeichnet. Als Halbleiterschalter können – wie in 1 dargestellt – beispielsweise Dioden oder alternativ auch Transistoren, insbesondere MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor field effect transistor), verwendet werden.
Der Generatorregler 4 passt den Erregerstrom I_ERR an, um auch bei sich änderndem Laststrom I_B+ und sich ändernder Motordrehzahl die Spannung U_GEN zwischen B+ und B– konstant zu halten. Der Erregerstrom I_ERR wird typischerweise durch Variation des Tastverhältnisses der Endstufe 6 variiert, die den Erregerstrom I_ERR der Erregerwicklung 5 liefert. Mit zunehmendem Tastverhältnis steigt der Erregerstrom I_ERR und abhängig von der Last auch die Spannung und der Strom am Generatorausgang.
Unter dem Tastverhältnis der Endstufe 6 wird die Dauer der Einschaltzeit, in der Endstufe 6 eingeschaltet ist und Strom liefert, im Verhältnis zu einer Gesamtbetrachtungszeit verstanden. Bei einem Tastverhältnis von 100% ist die Endstufe 6 gleichbleibend eingeschaltet, bei einem Tastverhältnis von 50% ist die Endstufe 6 die Hälfte der Zeit eingeschaltet (die andere Hälfte der Zeit fließt der Strom über die Freilaufdiode parallel zum Schalttransistor der Endstufe) und bei einem Tastverhältnis von 0% ist die Endstufe 6 gleichbleibend ausgeschaltet. Das Tastverhältnis der Endstufe 6 bestimmt so die Größe des (mittleren) Erregerstroms I_ERR.
Bei dem Beispiel in 1 verfügt der Generatorregler 4 über eine Kommunikationsschnittstelle für einen Datenbus im Fahrzeug. An den Datenbus sind beispielsweise neben dem Generatorregler 4 ein oder mehrere weitere Kommunikationsteilnehmer 8 angeschlossen, beispielsweise das Motorsteuergerät. Beispielsweise erhält der Regler über die Kommunikationsschnittstelle eine Sollspannungsvorgabe vom Motorsteuergerät und meldet den eigenen Zustand an das Motorsteuergerät. Bei der Kommunikationsschnittstelle handelt es sich beispielsweise um eine Kommunikationsschnittstelle für den LIN-Bus (LIN – Local Interconnect Network). Zum Anschluss des Generatorreglers 4 an den Bus ist in 1 der Anschluss LIN vorgesehen.
Der Regler ist heutzutage typischerweise in Form eines ASIC (applicationspecific integrated circuit) implementiert, d. h. als monolithisch-integrierte Halbleiterschaltung. Der in 1 dargestellte über den LIN-Bus kommunizierende Generatorregler-ASIC (LIN-Generatorregler-ASIC) verfügt über fünf Anschlüsse, mit denen er beispielsweise die erforderlichen Generatorgrößen erfassen kann und mit dem Motorsteuergerät kommunizieren kann. Die nach außen sichtbare Funktionalität und die Schnittstellen eines derartigen LIN-Generatorregler-ASIC mit fünf Anschlüssen sind in allgemeiner Form spezifiziert worden; derartige LIN-Generatorregler-ASICs sind von verschiedenen Chiphersteller erhältlich. Zwei Beispiele für einen derartigen LIN-Generatorregler-ASIC mit fünf Anschlüssen sind der TLE8880 der Firma Infineon und der CR665BC der Firma Bosch.
Die Anschlüsse in 1 sind wie folgt definiert:

– B– (Batterie Minus): Masseanschluss, beispielsweise an den Motorblock über das leitfähige Gehäuse des Generators;
– B+ (Batterie Plus): Anschluss zur Stromversorgung des Reglers und der Erregerwicklung sowie zur Spannungsmessung; die Verbindung zur Batterie erfolgt via den Kabelbaum im Fahrzeug;
– LIN: Anschluss der LIN-Bus-Schnittstelle zur Kommunikation beispielsweise mit dem Motorsteuergerät; über den Anschluss LIN wird die Sollspannungsvorgabe empfangen und der Generatorzustand gemeldet;
– EXC: Anschluss zum Einprägen des Erregerstromes in die Erregerwicklung;
– PH: Anschluss zum Entgegennehmen des Phasensignals, welches das Potential einer Phase beschreibt; das Phasensignal dient zum Erfassen der Generatordrehzahl durch Bestimmen der Frequenz des Phasensignals (Phasenfrequenz) und zum Aufwecken des Reglers aus dem Standby-Modus, wenn eine definierte Wechselspannungsamplitude am Phasen-Anschluss PH erkannt wird.

Im LIN-Generatorregler-ASIC 4 werden die Spannung am Anschluss B+, die Spannung am Anschluss B–, die Frequenz des über den Anschluss PH entgegengenommenen Phasensignals und der Erregerstrom I_ERR erfasst und für die Regelung der Generatorspannung U_GEN zwischen B+ und B– verwendet. Zusätzlich verfügt der LIN-Generatorregler-ASIC 4 über einen integrierten Temperatursensor, mit dem sich der Regler-ASIC 4 vor Überhitzung schützen kann. Zur Hochtemperaturabregelung reduziert dieser die interne Sollspannungsvorgabe bei hohen Temperaturen. Ein programmierbarer Speicherbereich im Regler-ASIC 4 erlaubt es, Generator oder Fahrzeug spezifische Regler-Parameter zu hinterlegen.
Der in 1 dargestellte LIN-Regler-ASIC mit fünf Anschlüssen wurde auf die notwendigen Schnittstellen reduziert. Jede zusätzliche Schnittstelle würde aufgrund der aufwändigen Verbindungstechnik im Generator zu Mehrkosten führen. Außer dem Erregerstrom I_ERR werden keine weiteren Ströme erfasst. Die Halbleiterschalter (beispielsweise Dioden oder MOSFETs) des Gleichrichters 1 werden vom Generatorregler-ASIC 4 nicht direkt überwacht und geschützt.
Die Halbleiterschalter müssen daher derart hinsichtlich ihres Stromtragfähigkeit und ihrer Betriebstemperatur ausgelegt werden, dass eine relativ große Sicherheitsreserve vorgehalten wird, um eine Überbelastung der Halbleiterschalter zu vermeiden. Gleiches gilt für die Verbindungsleitungen und die Anschlüsse an die Halbleiterschalter. Bei vorgegebener Generatorleistung entstehen aufgrund der großflächigen Auslegung hohe Kosten und ein erhöhter Bauraumbedarf für den Gleichrichter 1. Bei einer vorgegebenen Auslegung des Gleichrichters 1 bleibt die Ausgangsleistung aufgrund der Sicherheitsreserve hinter der theoretisch möglichen Ausgangsleistung zurück.
Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile auszuräumen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines Gleichrichters eines Mehrphasenwechselstrom-Generators in einem Kraftfahrzeug. Beispielsweise weist der Generator drei Phasen, fünf Phasen oder sechs Phasen auf. Der Gleichrichter umfasst eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern, wobei jeder Phase mindestens ein Halbleiterschalter zugeordnet ist. Vorzugsweise umfasst der Gleichrichter eine Brückenschaltung mit zwei Halbleiterschaltern pro Phase: einem High-Side-Halbleiterschalter und einem Low-Side-Halbleiterschalter. Es wäre aber auch denkbar, einen Gleichrichter mit genau einer Diode pro Phase vorzusehen (dieser wird bei einem 3-phasigen Drehstrom auch als Dreipulsgleichrichter bezeichnet).
Die gleichgerichtete Generatorspannung wird über einen Regler (vorzugsweise in Form eines Regler-ASIC) geregelt, der dazu den Erregerstrom einer Erregerwicklung des Generators beeinflusst. Zum Anpassen des Erregerstroms wird beispielsweise das Tastverhältnis der Endstufe zur Erzeugung des Erregerstroms verändert.
Der Regler ist eingerichtet, ein Phasensignal einer ersten Phase der mehreren Phasen des Mehrphasenwechselstrom-Generators entgegenzunehmen. Das Phasensignal beschreibt beispielsweise das Potential der ersten Phase. Wie vorstehend beschrieben, dient ein derartiges Phasensignal im Stand der Technik dazu, die Drehzahl des Generators über die Frequenz des Phasensignals zu ermitteln. Erfindungsgemäß wird das Phasensignal zur Überwachung und zum Schutz des Gleichrichters eingesetzt. Hierzu wird unter Verwendung des Phasensignals die Flussspannung mindestens eines Halbleiterschalters bestimmt, welcher der ersten Phase zugeordnet ist. Vorzugsweise wird die Flussspannung sowohl des High-Side-Halbleiterschalters der ersten Phase als auch die Flussspannung des Low-Side-Halbleiterschalters der ersten Phase bestimmt, sofern ein High-Side-Halbleiterschalter und ein Low-Side-Halbleiterschalter vorgesehen sind. Unter Flussspannung wird im Sinne der Anmeldung die Spannung über dem Halbleiterschalter im geschlossenen Zustand verstanden, beispielsweise die Flussspannung zwischen Anode und Kathode einer Diode oder die Spannung eines N-MOSFET zwischen Source und Drain.
Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit der bestimmten Flussspannung bei Bedarf der Erregerstrom reduziert. Je nach Wert der Flussspannung kann die Flussspannung reduziert werden oder nicht reduziert werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Erregerstrom in Abhängigkeit der bestimmten Flussspannung begrenzt wird, wobei nicht zwingend vorausgesetzt wird, dass aus der Begrenzung auch eine Reduktion des Erregerstroms resultiert (beispielsweise weil der Strom durch den Halbleiterschalter durch eine Verringerung der Generatorlast wieder gesunken ist). Durch die Begrenzung bzw. Reduktion der Erregerstroms wird typischerweise auch die Flussspannung begrenzt bzw. reduziert.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass das Phasensignal Rückschlüsse auf das Potential an einem Anschlusspunkt eines Halbleiterschalters erlaubt und daher auch zur Überwachung des Halbleiterschalters verwendet werden kann. Vorzugsweise entspricht das Phasensignal dem Potential der Phase und dem Potential des Anschlusspunktes des Halbleiterschalters. Zur Überwachung des Halbleiterschalters kann die Flussspannung des Halbleiterschalters über das bereits vorhandene Phasensignal gemessen werden. Da der andere Anschlusspunkt des Halbleiterschalters je nach Beschaltung des Halbleiterschalters entweder an der positiven Bordnetzspannung oder der Masse hängt, deren Potentiale ohnehin zur Verfügung stehen, kann die Flussspannung über dem Halbleiterschalter in Abhängigkeit des Phasensignals und des Massepotentials leicht bestimmt werden, ohne dass ein zusätzlicher Anschlusspin am Regler-Baustein nötig wäre. Die Flussspannung ermöglicht Rückschlüsse auf den Strom oder die Temperatur des Halbleiterschalters. In einer in Hinblick auf den Strom oder die Temperatur des Halbleiterschalter kritischen Situation kann somit anhand der Überwachung der Flussspannung der Erregerstrom reduziert werden, um den Halbleiterschalter und den Gleichrichter zu schützen. Da die Belastung der Halbleiterschalter im Wesentlichen gleich ist, müssen nicht sämtliche Halbleiterschalter des Gleichrichters überwacht werden. Es wäre aber auch denkbar, mehrere Phasensignale verschiedener Phasen auszuwerten.
Die Funktion erlaubt es, den Generator stärker auszulasten, so dass mehr Ausgangsleistung abgerufen werden kann, ohne dabei die Halbleiterschalter thermisch oder elektrisch zu überlasten. Alternativ können bei vorgegebener Ausgangsleistung die Anforderungen an die Halbleiterschalter und den Gleichrichter hinsichtlich der Stromtragfähigkeit und der Betriebstemperatur reduziert werden, so dass Kosten und Bauraum eingespart werden können.
Vorzugsweise wird die Flussspannung direkt im Regler-Baustein bestimmt; es wäre aber auch denkbar, das Phasensignal über den Regler und dessen Kommunikationsschnittstelle an das Motorsteuergerät weiterzuleiten und die Flussspannung im Motorsteuergerät zu bestimmen.
Die Überwachungs- und Schutzfunktion kann beispielsweise vollständig vom Generatorregler übernommen werden, so dass bis auf eine etwaige Modifikation des Generatorreglers keine weiteren Zusatzkosten entstehen. Insbesondere kann vorgesehen werden, dass die Schnittstelle zwischen dem Regler-Baustein und der Synchronmaschine im Wesentlichen unverändert bleibt und den Regler-Baustein weiterhin mit nur fünf Anschlüsse auszustatten.
Zum Schutz des Halbleiterschalters kann ein Schwellwert, d. h. eine maximale Flussspannung, vorgeben werden. Die gemessene Flussspannung wird dann mit dem Schwellwert verglichen. Wenn die Flussspannung größer als der Schwellwert ist (oder alternativ größer gleich dem Schwellwert ist), wird der Erregerstrom reduziert oder begrenzt.
Der Schwellwert selbst oder ein Parameter zum Berechnen des Schwellwerts kann im Generatorregler gespeichert oder über einen LIN-Bus vom Motorsteuergerät an den Generatorregler übertragen werden.
Der Schwellwert kann temperaturabhängig sein.
Falls es sich bei der Flussspannung um die Flussspannung eines Halbleiterschalters in Form einer Diode handelt, weist der Schwellwert vorzugsweise einen negativen Temperaturgradienten auf. Falls es sich bei der Flussspannung um die Flussspannung eines Halbleiterschalters in Form eines MOSFETs handelt, weist der Schwellwert vorzugsweise einen positiven Temperaturgradienten auf.
Beispielsweise wird über einen ersten Parameter der Schwellwert bei einer bestimmten Referenztemperatur angegeben. Der Temperaturgradient wird mittels eines zweiten Parameters beschrieben. Aus den beiden Parametern kann dann der Schwellwert in Abhängigkeit der Temperatur bestimmt werden.
Die Temperatur kann beispielsweise mit dem integrierten Temperatursensor des Generatorreglers bestimmt werden. Diese so gemessene Temperatur kann direkt zur Bestimmung des temperaturabhängigen Schwellwerts verwendet werden; alternativ kann basierend auf dieser Temperatur eine Schätzung der Temperatur des Halbleiterschalters vorgenommen werden und diese geschätzte Temperatur dann zur Bestimmung des Temperaturgradienten verwendet werden.
Es ist denkbar, dass die Entscheidung über die Reduzierung bzw. Begrenzung des Erregerstroms nicht direkt auf einem Vergleich der gemessenen Flussspannung mit einem Schwellwert beruht, sondern basierend auf der Flussspannung eine weitere Größe bestimmt wird, wobei die weitere Größe dann zur Entscheidung über die Reduzierung bzw. Begrenzung des Erregerstroms herangezogen wird.
Beispielsweise kann das Verfahren vorsehen, dass der Generatorstrom oder ein dazu proportionaler Strom (beispielsweise der Strom einer oder mehrerer Phasen) bestimmt wird. Hierzu kann beispielsweise die in der Druckschrift DE 10 2006 049 140 A1 beschriebene Einrichtung zur Bestimmung eines Generatorstroms verwendet werden. Dieser bestimmte Strom erlaubt Rückschlüsse auf den Strom durch den Halbleiterschalter. In Abhängigkeit des so bestimmten Stroms (oder des Stroms durch den Halbleiterschalter, der sich wiederum aus dem Generatorstrom oder dem Phasenstrom bestimmt) und in Abhängigkeit der Flussspannung kann bei Kenntnis der Abhängigkeiten von Strom, Flussspannung und Temperatur zueinander die Temperatur des Halbleiters ermittelt werden. Strom, Flussspannung und Temperatur können beispielsweise in einem Kennfeld abgespeichert sein, wobei bei Kenntnis des Stroms und der Flussspannung die Temperatur des Halbleiterschalters bestimmt werden kann. In Abhängigkeit der so bestimmten Temperatur kann der Erregerstrom reduziert bzw. begrenzt werden. Dazu kann beispielsweise die Temperatur mit einem Schwellwert für die Temperatur verglichen werden und der Erregerstrom reduziert bzw. begrenzt werden, wenn die Temperatur größer oder alternativ größer gleich als der Schwellwert ist.
Vorzugsweise wird die Flussspannung im Regler bestimmt und über den Kommunikationsbus an das Motorsteuergerät übertragen. Das Motorsteuergerät bestimmt den Generatorstrom oder den Phasenstrom und bestimmt in Abhängigkeit des Stroms die Temperatur des Halbleiterschalters. Das Motorsteuergerät vergleicht die Temperatur mit dem Schwellwert und überträgt in Abhängigkeit des Vergleichs über den Kommunikationsbus ein Signal zur Reduzierung bzw. Begrenzung des Erregerstorms an den Regler.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform, bei der ein Generatorstrom (oder ein Strom einer oder mehrerer Phasen) berechnet wird, eignet sich insbesondere bei der Verwendung von Dioden als Halbleiterschalter. Dioden als Halbleiterschalter haben nämlich typischerweise die Eigenschaft, dass die Flussspannung mit steigender Temperatur fällt (bei MOSFETs hingegen steigt typischerweise die Flussspannung mit steigender Temperatur), während die Flussspannung mit zunehmendem Diodenstrom steigt.
Vorzugsweise wird der Erregerstrom reduziert oder begrenzt, indem das Tastverhältnis der Endstufe zur Erzeugung des Erregerstroms reduziert bzw.
begrenzt wird. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Tastverhältnis bei Überschreiten des Schwellwerts (bezogen auf die Flussspannung oder bezogen auf eine Temperatur) auf ein maximales Tastverhältnis kleiner 100% begrenzt wird, wobei mit Zunahme des Überschreitens des Schwellwerts das maximale Tastverhältnis abnimmt, beispielsweise in Form einer linear fallenden Gerade. Beispielsweise kann bei einem MOSFET bei Überschreiten einer maximalen Flussspannung von 0,2 V, das Tastverhältnis ausgehend von 100% linear auf Werte kleiner 100% begrenzt werden (beispielsweise mit einer Begrenzung auf 0% bei einer Flussspannung von 0,3 V). Alternativ kann bei einer Diode vorgesehen sein, dass bei Überschreiten einer maximalen Temperatur von 200°C, das Tastverhältnis ausgehend von 100% linear auf Werte kleiner 100% begrenzt wird (beispielsweise mit einer Begrenzung auf 0% bei einer Temperatur von 230°C).
Der Gleichrichter umfasst vorzugsweise eine Brückenschaltung mit einem an die Bordnetzspannung angeschlossenen High-Side-Halbleiterschalter und einem an die Masse angeschlossenen Low-Side-Halbleiterschalter pro Phase.
Zur Bestimmung der Flussspannung des der ersten Phase zugeordneten High-Side-Halbleiterschalters kann die Bordnetzspannung von dem sich zeitlich ändernden Phasensignal subtrahiert werden. Dieses Differenzsignal wird dann vorzugsweise einer Maximumbestimmung unterzogen, beispielsweise wird das Maximum der Differenz innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls bestimmt.
Zur Bestimmung der Flussspannung des der ersten Phase zugeordneten Low-Side-Halbleiterschalters kann das Phasensignal von dem Massepotential subtrahiert werden. Da das Massepotential typischerweise auf 0 V liegt, kann auch das Vorzeichen des Phasensignals umgekehrt werden. Das ergebende Signal wird dann vorzugsweise einer Maximumbestimmung unterzogen, beispielsweise wird das Maximum der Differenz innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls bestimmt. Es ist auch denkbar, die Flussspannung mittels eines negativen Spannungswerts anzugeben; in diesem Fall kann sogar auf die Inversion des Phasensignals verzichtet werden und das Phasensignal statt einer Maximumbestimmung einer Minimumbestimmung unterzogen werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist auf einen Regler mit einer Funktion zum Schutz eines Gleichrichters gerichtet, insbesondere auf einen Regler-ASIC. Der Regler dient der Regelung der gleichgerichteten Generatorspannung durch Anpassung des Erregerstroms. Der Regler nimmt ein Phasensignal einer ersten Phase entgegen. Der Regler ist eingerichtet, in Abhängigkeit des Phasensignals eine Flussspannung mindestens eines Halbleiterschalters zu bestimmen, welcher der ersten Phase zugeordnet ist. Außerdem ist der Regler eingerichtet, den Erregerstrom in Abhängigkeit der bestimmten Flussspannung zu reduzieren oder zu begrenzen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Regler eingerichtet ist, die Flussspannung an ein Motorsteuergerät zu übertragen und daraufhin bei Bedarf ein entsprechendes Signal zur Reduzierung bzw. Begrenzung des Erregerstroms zu empfangen.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Regler um einen LIN-Generatorregler-ASIC mit fünf Anschlüssen.
Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für den erfindungsgemäßen Regler nach dem zweiten Aspekt der Erfindung; vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Reglers entsprechen den beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. In diesen zeigen:
1 einen konventionellen 14-V-Generator mit konventionellem LIN-Generatorregler-ASIC;
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LIN-Generatorregler-ASIC mit einer Funktion zum Schutz des Gleichrichters;
3 drei beispielhafte Verläufe für die Phasensignal-Spannung U_PH; und
4 zwei beispielhafte lineare Verläufe des Schwellwerts U_S für die Flussspannung über der Temperatur T.
Der in 1 dargestellte 14-V-Generator mit konventionellen LIN-Generatorreglers-ASIC 4 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung diskutiert. 2 zeigt ein gegenüber dem in 1 dargestellten konventionellen LIN-Generatorregler-ASIC 4 erweiterten LIN-Generatorregler-ASIC 4', welcher eine Funktion zum Schutz des Gleichrichters 1 aufweist. Der in 2 dargestellte LIN-Generatorregler-ASIC 4' weist sämtliche Merkmale des in 1 dargestellten LIN-Generatorregler-ASIC auf, so dass die Beschreibung des in 1 dargestellten LIN-Generatorreglers in gleicher Weise auch für den in 2 dargestellten LIN-Generatorregler-ASIC gilt. Bei dem Beispiel in 2 sind im Gleichrichter 1 die Halbleiterschalter als MOSFETs (hier N-MOSFETs) realisiert. Die Drain-Anschlüsse D der High-Side-MOSFETs sind an den Knoten B+ der positiven Bordnetzspannung angeschlossen und die Source-Anschlüsse S der Low-Side-MOSFETs sind an den Masseknoten B– angeschlossen. Der Gleichrichter 1 kann aber in 2 genauso wie in 1 mittels Dioden realisiert werden. Dies ist in 2 durch die neben den MOSFETs dargestellten Dioden angedeutet, wobei bei Realisierung des Gleichrichters 1 wie in 1 die Kathoden K der High-Side-Dioden an den Knoten B+ der positiven Bordnetzspannung angeschlossen sind und die Anoden A der Low-Side-Dioden an den Masseknoten B– angeschlossen sind. Statt eines in 1 dargestellten Generators mit einer 3-phasigen elektrischen Maschine 9 kann auch ein Generator mit beispielsweise einer 5-phasigen, 6-phasigen oder 7-phasigen elektrischen Maschine 9 verwendet werden. Außerdem ist ein gemischter Aufbau des Gleichrichters 1 sowohl mittels Dioden und MOSFETs denkbar, bei dem beispielsweise die Low-Side-Halbleiterschalter MOSFETs und die High-Side-Halbleiterschalter Dioden entsprechen.
Zum Schutz des Gleichrichters 1 wird in dem Beispiel in 2 die Flussspannung von jeweils einem an B+ angeschlossenen High-Side-Halbleiterschalter 10 und einem an B– angeschlossenen Low-Side-Halbleiterschalter 11 des Gleichrichters 1 über den bereits vorhandenen Phasenanschluss PH gemessen, der mit einer Phase der Synchronmaschine 9 verbunden ist. Bei dem in 2 dargestellten Beispiel ist der Phasenanschluss PH beispielsweise mit der Phase U verbunden; der Phasenanschluss PH kann stattdessen mit jeder anderen Phase verbunden sein. Der Phasenschluss liefert ein Phasensignal U_PH, welches dem Potential der Phase U entspricht. Es ist denkbar, dass optional ein Widerstand zwischen der Phase U und dem Phaseneingang PH liegt. Zur Messung der Flussspannung des High-Side-Halbleiterschalters 10 wird in einem Block 12 die Differenzspannung U_d,10 zwischen dem sich zeitlich ändernden Phasensignal U_PH und der Bordnetzspannung U_B+ gemäß U_d,10 = U_PH – U_B+ bestimmt. Dabei ist die Bordnetzspannung U_B+ typischerweise nicht ganz konstant, sondern ändert sich zeitlich mit einer gewissen Welligkeit. Das Phasensignal U_PH entspricht der Spannung an dem Source-Anschluss S bzw. an der Anode A des High-Halbleiterschalters 10, die Bordnetzspannung U_B+ entspricht der Spannung am dem Drain-Anschluss D bzw. an der Kathode K des High-Halbleiterschalters 10, so dass die Größe U_d,10 der Spannung über dem Halbleiterschalter 10 in Richtung S zu D bzw. A zu K entspricht.
Zur Messung der Flussspannung des Low-Side-Halbleiterschalters 11 wird in einem Block 13 die Spannungsdifferenz U_d,11 zwischen dem Masseknoten Bund dem Phasenanschluss PH bestimmt (U_d,11 = U_B– – U_ph). Falls der Masseknoten B– im Regler 4 als Referenz-Spannung gilt und damit eine Spannung von 0 V aufweist, kann einfach das Vorzeichen des Phasensignals U_PH umgekehrt werden (U_d,11 = 0 – U_ph = –U_ph). Außerdem kann selbst auf diese Vorzeichenumkehr verzichtet werden, wenn die Flussspannung in Form eines negativen Spannungswerts angeben wird. Die Phasensignal U_PH entspricht der Spannung am dem Drain-Anschluss D bzw. an der Kathode K des Low-Side-Halbleiterschalters 11, das Massepotential U_B– an dem Knoten B– entspricht der Spannung am dem Source-Anschluss S bzw. an der Anode A des Low-Halbleiterschalters 11, so dass die Größe U_d,11 der Spannung über dem Halbleiterschalter 11 in Richtung S zu D bzw. A zu K entspricht.
In 3 sind drei beispielhafte Verläufe für die Phasensignal-Spannung U_PH dargestellt. Die Periodendauer T der Phasensignalspannung ist umgekehrt proportional zur Generatordrehzahl n_GEN. Im Fall des Verlaufs 20 ist das Phasensignal U_PH stets kleiner als die Bordnetzspannung U_B+ und größer als das Massepotential U_B–. In diesem Fall fließt durch die Halbleiterschalter 10 und 11 kein Strom. Die Spannung über dem Halbleiterschalter 10 von A zu K im Fall einer Diode bzw. von S zu D im Fall eines MOSFET, welche der gemessenen Spannung U_d,10 entspricht, ist nämlich kleiner Null, und die Spannung über dem Halbleiterschalter 11 von A zu K im Fall einer Diode bzw. von S zu D im Fall eines MOSFET, welche der gemessenen Spannung U_d,11 entspricht, ist nämlich kleiner Null. Aufgrund der Symmetrie des Gleichrichters 1 und der Synchronmaschine 9 verhalten sich die Halbleiterschalter der anderen Phasen in gleicher Weise.
Im Fall des Verlaufs 21 ist das Phasensignal U_PH zeitweise größer als die Bordspannung U_B+ und zeitweise kleiner als das Massepotential U_B–. In diesem Fall fließt durch die Halbleiterschalter 10 und 11 ein kleiner Strom, da die Spannung (= U_d,10) über dem Halbleiterschalter 10 von A zu K im Fall einer Diode bzw. von S zu D im Fall eines MOSFET zeitweise größer Null ist (dann fließt Strom durch den Schalter 10) und die Spannung (= U_d,11) über dem Halbleiterschalter 11 von A zu K im Fall einer Diode bzw. von S zu D im Fall eines MOSFETs zeitweise größer Null ist (dann fließt Strom durch den Schalter 11).
Im Fall des Verlaufs 22 ist die Amplitude des Phasensignals U_PH noch größer, so dass die Spannung über den Halbleiterschalter 10 und 11 zunimmt und der Strom größer als im Fall des Verlaufs 21 ist (hierbei wird angenommen, dass eine konstante Temperatur an der Sperrschicht des Halbleiterschalters vorliegt).
Bei Verwendung eines Pull-Down-Widerstand gegen B– im Regler 4 kann ein Zustand auftreten, dass ein Low-Side-Halbleiterschalter schon leicht leitet, während der High-Side-Halbleiterschalter der gleichen Phase noch lange nicht leitet; es fließt dann ein kleiner Strom über den Low-Side-Halbleiterschalter, der sich jedoch über den Pull-Down-Widerstand und nicht über das Bordnetz schließt, so dass der Generator noch keine Leistung liefert.
In den Blöcken 14 und 15 in 2 wird jeweils das Maximum U_d,10,max der gemessenen Spannung U_d,10 = U_PH – U_B+ und das Maximum U_d,11,max der gemessenen Spannung U_d,11 = 0 – U_ph = –U_ph bestimmt. Das Maximum wird beispielsweise innerhalb eines bestimmten gleitenden Zeitfensters bestimmt. Diese Maximalwerte U_d,10,max und U_d,11,max sind auch in 2 für den Fall des Verlaufs 21 eingezeichnet. Wenn die Flussspannung für den Halbleiterschalter 11 in Form eines negativen Spannungswerts angeben wird, wird statt des Maximums das Minimum der Spannung +U_ph bestimmt.
Diese Maximalwerte U_d,10,max und U_d,11,max werden als Messwerte für die Flussspannung der Halbleiterschalter 10 bzw. 11 verwendet. Die Flussspannung U_d,10,max des Halbleiterschalters 10 und die Flussspannung U_d,11,max des Halbleiterschalters 11 werden in den Blöcken 16 und 17 jeweils mit einem Schwellwert U_S für die maximal zulässige Flussspannung verglichen. Wenn die gemessene Flussspannung U_d,10,max größer als der Schwellwert U_S ist, gibt der Block 16 eine logische 1 aus, andernfalls gibt der Block 16 eine logische 0 aus. Entsprechendes gilt für den Block 17. Die Ausgangssignale der Blöcke 16 und 17 werden einer logischen Oder-Verknüpfung unterzogen (s. Block 18), alternativ kann auch eine logische Und-Verknüpfung verwendet werden. Wenn sich am Ausgang der Oder-Verknüpfung 18 eine logische 1 ergibt, ist die Flussspannung zumindest eines der beiden Halbleiterschalter 10 und 11 größer als der Schwellwert. Wenn der Schwellwert U_S überschritten wurde (d. h. am Ausgang der Verknüpfung liegt eine logische 1 an), reduziert oder begrenzt der Regler 4 automatisch den Erregerstrom I_ERR und damit die Ausgangsleistung des Generators, indem er das Tastverhältnis der Endstufe reduziert oder begrenzt.
Es wäre alternativ auch denkbar, den Mittelwert oder den Maximalwert der gemessenen Flussspannungen U_d,10,max und U_d,11,max zu bestimmen und diesen Wert mit dem Schwellwert U_S zu vergleichen und in Abhängigkeit dieses Vergleichs das Tastverhältnis zu reduzieren oder zu begrenzen.
Die in 1 dargestellte Bestimmung der Flussspannungen U_d,10,max und U_d,11,max kann auf analoge oder digitale Weise erfolgen.
Es kann entgegen 2 auch nur die Flussspannung eines Halbleiterschalters einer Phase bestimmt und ausgewertet werden, beispielsweise des High-Side-Halbleiterschalter 10, wobei in diesem Fall beispielsweise die Blöcke 13, 15, 17 und 18 in 2 gestrichen werden. Wenn sich am Ausgang des Blocks 16 eine logische 1 ergibt, ist die Flussspannung des Halbleiterschalters 11 größer als der Schwellwert. Wenn der Schwellwert U_S überschritten wurde, reduziert oder begrenzt der Regler 4 automatisch den Erregerstrom I_ERR und damit die Ausgangsleistung des Generators, indem er das Tastverhältnis der Endstufe reduziert oder begrenzt. Die Überwachung der Flussspannung nur des High-Side-Halbleiterschalters 10 kann beispielsweise bei der Verwendung eines Pull-Down-Widerstands, welcher im Regler 4 zwischen dem Anschluss PH und dem Anschluss B– hängt, verwendet werden.
Der Schwellwert U_S für die Flussspannung kann beispielsweise temperaturabhängig bestimmt werden. In 4 sind zwei beispielhafte lineare Verläufe des Schwellwerts U_S für die Flussspannung über der Temperatur T dargestellt, beispielsweise über der seitens des Regler-ASIC 4 gemessenen Temperatur. Der Verlauf 30 wird beispielsweise bei einem Gleichrichter 1 verwendet, welcher MOSFETs zum Gleichrichten nutzt, und weist einen positiven Temperaturgradienten ΔU_S/ΔT auf. Der Verlauf 31 wird beispielsweise bei einem Gleichrichter 1 verwendet, welcher Dioden zum Gleichrichten nutzt, und weist einen negativen Temperaturgradienten ΔU_S/ΔT auf.
Der Schwellwert U_S,REF bei einer Referenztemperatur T_REF (beispielsweise bei einer Temperatur von 160°C, bei der der Regler den Strom I_ERR abgeregelt) und der Temperaturgradient ΔU_S/ΔT können als zwei Parameter im Generatorregler 4 gespeichert sein, so dass der Regler-ASIC 4 in Abhängigkeit der aktuellen Temperatur T den Schwellwert U_S bestimmen kann. Es kann vorgesehen sein, dass die Parameter U_S,REF und ΔU_S/ΔT über den LIN-Bus seitens des Motorsteuergeräts an den Regler-ASIC übertragen werden und der Regler-ASIC den Schwellwert U_S bestimmt.
Bei einem zu 2 alternativen Ausführungsbeispiel werden die im Regler-ASIC 4 gemessenen Flussspannungen U_d,10,max und U_d,11,max oder der Mittelwert oder Maximalwert dieser Flussspannungen über den LIN-Bus an das Motorsteuergerät übertragen. Im Motorsteuergerät wird der Generatorstrom I_B+ oder ein zum Generatorstrom proportionaler Strom (beispielsweise ein Phasenstrom I_PH) bestimmt, wie dies beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2006 049 140 A1 beschrieben ist. In Abhängigkeit des so bestimmten Stroms (oder des Stroms I_D durch den Halbleiterschalter, der sich wiederum aus dem Generatorstrom I_B+ oder dem Phasenstrom I_PH bestimmt) und in Abhängigkeit des oder der empfangenen Werte für die Flussspannung werden beispielsweise anhand eines Kennfelds ein oder mehrere Temperaturwerte für die Halbleiterschalter 10, 11 bestimmt. Die eine oder die mehreren Temperaturwerte werden mit einem Schwellwert für die Temperatur verglichen und der Erregerstrom wird reduziert bzw. begrenzt, wenn der Temperaturwert größer oder alternativ größer gleich als der Schwellwert ist. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform, bei der ein Generatorstrom (oder ein Strom einer oder mehrerer Phasen) berechnet wird, eignet sich insbesondere bei der Verwendung von Dioden als Halbleiterschalter.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006049140 [0030]
DE 102006049140 A1 [0060]

Claims

Verfahren zum Schutz eines Gleichrichters (1) eines Mehrphasenwechselstrom-Generators in einem Kraftfahrzeug, wobei der Gleichrichter (1) eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern aufweist, jeder Phase mindestens ein Halbleiterschalter zugeordnet ist und die gleichgerichtete Generatorspannung über einen Regler (4) geregelt wird, der den Erregerstrom (I_ERR) einer Erregerwicklung (5) des Generators beeinflusst und ein Phasensignal (U_PH) einer ersten Phase (U) der mehreren Phasen entgegennimmt, umfassend die Schritte: – Bestimmen einer Flussspannung (U_d,10,max, U_d,11,max) mindestens eines Halbleiterschalters (10, 11), welcher der ersten Phase (U) zugeordnet ist, unter Verwendung des Phasensignals (U_PH); und – Reduzieren oder Begrenzen des Erregerstroms (I_ERR) in Abhängigkeit der bestimmten Flussspannung (U_d,10,max, U_d,11,max).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Flussspannung (U_d,10,max, U_d,11,max) mit einem Schwellwert (U_S) für die Flussspannung verglichen wird und der Erregerstrom (I_ERR) reduziert bzw. begrenzt wird, wenn die Flussspannung (U_d,10,max, U_d,11,max) größer oder alternativ größer gleich als der Schwellwert (U_S) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schwellwert (U_S) temperaturabhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die zusätzlichen Schritte: – Bestimmen des Stroms des Generators (I_B+) oder eines zum Generatorstrom proportionalen Stroms (I_D; I_PH); und – Bestimmen der Temperatur des mindestens einen Halbleiterschalters (10, 11), welcher der ersten Phase (U) zugeordnet ist, in Abhängigkeit des Stroms und der Flussspannung, wobei die Temperatur mit einem Schwellwert für die Temperatur verglichen wird und der Erregerstrom reduziert bzw. begrenzt wird, wenn die Temperatur größer oder alternativ größer gleich als der Schwellwert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei – der Regler (4) die Flussspannung (U_d,10,max, U_d,11,max) bestimmt und an ein Motorsteuergerät überträgt, insbesondere über einen LIN-Bus, und – das Motorsteuergerät den Strom und die Temperatur bestimmt und den Vergleich der Temperatur mit dem Schwellwert durchführt und in Abhängigkeit des Vergleichs ein Signal zur Reduzierung bzw. Begrenzung des Erregerstroms an den Regler (4) überträgt, insbesondere über den LIN-Bus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–5, wobei – der Erregerstrom (I_ERR) begrenzt wird, indem das Tastverhältnis einer Stufe (6) zur Erzeugung des Erregerstroms (I_ERR) begrenzt wird, und – der Tastverhältnis bei Überschreiten des Schwellwerts (U_S) auf ein maximales Tastverhältnis kleiner 100% begrenzt wird, wobei mit Zunahme des Überschreitens des Schwellwerts das maximale Tastverhältnis abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei – der Regler (4) die Flussspannung (U_d,10,max, U_d,11,max) bestimmt und – der Regler (4) in Abhängigkeit der Flussspannung den Erregerstrom (I_ERR) reduziert bzw. begrenzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterschalter (10, 11), welcher der ersten Phase (U) zugeordnet ist, einer Diode entspricht.
Verfahren nach einem Ansprüche 1–7, wobei der Halbleiterschalter (10, 11), welcher der ersten Phase (U) zugeordnet ist, einem MOSFET entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gleichrichter (1) eine Brückenschaltung mit einem an die Bordnetzspannung angeschlossenen High-Side-Halbleiterschalter und einem an die Masse angeschlossenen Low-Side-Halbleiterschalter pro Phase umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei – die Flussspannung (U_d,10,max) des der ersten Phase zugeordneten High-Side-Halbleiterschalters (10) durch Bestimmen der Differenz zwischen dem sich zeitlich ändernden Phasensignal (U_PH) und der Bordnetzspannung (U_B+) bestimmt wird; und/oder – die Flussspannung (U_d,11,max) des der ersten Phase zugeordneten Low-Side-Halbleiterschalters (11) durch Bestimmen der Differenz zwischen dem Massepotential (U_B–) und dem sich zeitlich ändernden Phasensignal (U_PH) oder durch Umkehren des Vorzeichens des Phasensignals (U_PH) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bestimmen der Flussspannung (U_d,10,max, U_d,11,max) ein Maximalwert oder ein Minimalwert einer gemessenen Größe bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Erregerstrom (I_ERR) reduziert oder begrenzt wird, indem das Tastverhältnis begrenzt oder reduziert wird.
Regler (4) mit einer Funktion zum Schutz eines Gleichrichters (1) eines Mehrphasenwechselstrom-Generators für ein Kraftfahrzeug, wobei der Gleichrichter (1) eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern aufweist und jeder Phase mindestens ein Halbleiterschalter zugeordnet ist, wobei der Regler (4) eingerichtet ist, – die gleichgerichtete Generatorspannung (U_GEN) zu regeln, – den Erregerstroms (I_ERR) einer Erregerwicklung (5) des Generators zu beeinflussen, – ein Phasensignal (U_PH) einer ersten Phase (U) der mehreren Phasen entgegen zu nehmen, – eine Flussspannung (U_d,10,max, U_d,11,max) mindestens eines Halbleiterschalters (10, 11) unter Verwendung des Phasensignals (U_PH) zu bestimmen, welcher der ersten Phase (U) zugeordnet ist, und wobei der Regler (4) ferner eingerichtet ist, – den Erregerstrom (I_ERR) in Abhängigkeit der bestimmten Flussspannung (U_d,10,max, U_d,11,max) zu reduzieren oder zu begrenzen oder – die bestimmte Flussspannung (U_d,10,max, U_d,11,max) an ein Motorsteuergerät zu übertragen und ein Signal zur Reduzierung bzw. Begrenzung des Erregerstroms (I_ERR) von dem Motorsteuergerät zu empfangen.
Regler (4) nach Anspruch 14, wobei der Regler als ASIC implementiert ist und genau fünf Anschlüsse aufweist, nämlich – einen Masseanschluss (B–), – einen Stromversorgungsanschluss (B+), – einen Anschluss (LIN) einer LIN-BUS-Schnittstelle, – einen Anschluss (EXC) zum Einprägen des Erregerstromes (I_ERR) in die Erregerwicklung (5) und – einen Anschluss (PH) zum Entgegennehmen des Phasensignals (U_PH)