-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungseinheit für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs sowie einen Feldregler für einen Wechselstromgenerator einer solchen Energieversorgungseinheit.
-
Stand der Technik
-
Als Generatoren (Wechselstromgeneratoren) werden in Kraftfahrzeugen üblicherweise Klauenpolgeneratoren mit elektrischer Erregung eingesetzt. Der Strom durch die Läuferwicklung dient als Stellgröße zur Regelung der gleichgerichteten Ausgangsspannung (im Folgenden als Ausgangsgleichspannung bezeichnet) und wird von einem zugeordneten Feldregler vorgegeben. Die Regelung verhindert beispielsweise, dass durch die sehr unterschiedlichen Motordrehzahlen von dem Generator stark schwankende Spannungswerte geliefert würden, die gegebenenfalls die nachgeordnete Elektrik beschädigen könnten.
-
Die
DE 10 2005 046 342 A1 betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Ausgangsspannung eines Generators in einem Kraftfahrzeug, bei dem ein Ladezustand und eine Temperatur einer Kraftfahrzeugbatterie bestimmt werden und der bestimmte Ladezustand unter Berücksichtigung der Temperatur der Kraftfahrzeugbatterie mit einem von der Temperatur der Kraftfahrzeugbatterie abhängigen Ladezustands-Schwellenwert verglichen wird. Dabei wird die Ausgangsspannung des Generators in einem ersten Modus durch eine Regelung der an der Kraftfahrzeugbatterie anliegenden Ladespannung oder durch eine Regelung des Ladestroms der Kraftfahrzeugbatterie geregelt, wenn der bestimmte Ladezustand den Ladezustands-Schwellenwert unterschreitet, und die Ausgangsspannung des Generators wird in einem zweiten Modus durch eine Regelung eines Ladestroms der Kraftfahrzeugbatterie oder durch eine Regelung eines Endladestroms der Kraftfahrzeugbatterie geregelt, wenn der bestimmte Ladezustand den Ladezustands-Schwellenwert überschreitet.
-
Die
DE 10 2009 055 141 A1 betrifft ein Verfahren zur Beschränkung eines Abgabestroms, der von einer als Generator betriebenen elektrischen Maschine mit Erregerwicklung erzeugt wird, mittels einer Regelvorrichtung. Der durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstrom wird durch die Regelvorrichtung so beeinflusst und gegebenenfalls verringert, dass der maximale Abgabestrom nicht über eine Abgabestrom-Obergrenze steigt. Bei der Regelung des Erregerstroms wird ein maximal zulässiger Erregerstrom berücksichtigt. Dabei werden verschiedene Maschinenspezifikationen bzw. Reglerspezifikationen wie, vorgegebene Generatorspannung, Generatordrehzahl und vorgegebene Abgabestrom-Obergrenze berücksichtigt. Dabei wird die Abgabestrom-Obergrenze entweder als fester Wert hinterlegt oder als generatorspezifischer Wert beispielsweise am Bandende der Regler- oder Generatorfertigung programmiert.
-
Unter gewissen Fahrbedingungen ist eine Abschaltung des Generators (sog. Standby-Funktion) erwünscht, bspw. um den Triebstrang zu entlasten. In einem solchen Fall wird das Bordnetz üblicherweise von der Fahrzeugbatterie versorgt, bis der Generator wieder in Betrieb genommen wird. Die Abschaltung des Generators erfolgt im Stand der Technik durch Abschaltung des Erregerstroms.
-
Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass bei einem Absinken der Bordspannung (die währenddessen bspw. von der Batterie bereitgestellt wird) das Einschalten des Generators eine relativ lange Zeitspanne in Anspruch nimmt, da der Erregerstrom von Null hochgefahren werden muss. Daher kann es zu unerwünschten Spannungseinbrüchen im Bordnetz kommen.
-
Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit anzugeben, eine Energieversorgungseinheit so zu betreiben, dass möglichst schnell von einem ersten Zustand, in dem im Wesentlichen keine Leistung in das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs abgegeben wird („Standby“), in einen zweiten Zustand, in dem Leistung in das Bordnetz des Kraftfahrzeugs abgegeben wird, umgeschaltet werden kann.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungseinheit für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs sowie ein Feldregler für einen Wechselstromgenerator einer solchen Energieversorgungseinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann die Energieversorgungseinheit so betrieben werden, dass sehr schnell von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand umgeschaltet werden kann. Dies wird erreicht, indem in dem ersten Zustand („Standby“) eine Phasenwechselspannung des Wechselstromgenerators (also vor der Gleichrichtung) auf einen vorgebbaren Sollwert größer Null geregelt wird. Geregelt werden kann bspw. der Effektivwert oder die Amplitude der Phasenwechselspannung. Eine regelbare Phasenwechselspannung liegt zwischen einem Phasenanschluss des Generators und Masse an, eine andere regelbare Phasenwechselspannung liegt zwischen zwei Phasenanschlüssen einer Phase des Generators an.
-
Für den Standby-Betrieb wird der Sollwert so vorgegeben, dass im Wesentlichen kein Strom in das Bordnetz abgegeben wird. Die Bordspannung wird in diesem Betriebszustand allein durch Energiespeicher (hauptsächlich Kraftfahrzeugbatterie) im Bordnetz bereitgestellt. Dennoch ist ein signifikanter Erregerstrom weiter vorhanden, von dem aus ein üblicher Erregerstrom sehr schnell erreicht werden kann, so dass wieder eine Leistungsabgabe von der Energieversorgungseinheit in das Bordnetz erfolgt. Die Energieversorgungseinheit kann daher einerseits im Notfall rasch Leistung zur Verfügung stellen und andererseits auch kurzfristige Spannungseinbrüche puffern. Die Vorgabe erfolgt bspw. durch ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine, zweckmäßigerweise unter Berücksichtigung der momentanen Bordspannung. Keine Strom- oder Leistungsabgabe in das Bordnetz erfolgt bspw. dann, wenn die Leerlaufgleichspannung der Energieversorgungseinheit (d.h. nach der Gleichrichtung, jedoch im gedachten offenen Zustand ohne angeschlossenes Bordnetz) größer Null, jedoch kleiner als die Bordspannung ist.
-
Die Erfindung entfaltet besondere Vorteile in Energieversorgungseinheiten, die hohe Spannungen, bspw. im Bereich von 28V (LKW) oder 42V (Rekuperationssystem), oder variable Spannungen zwischen z.B. 14V und 42V bereitstellen, da bei Betrieb bei höheren Spannungen und niedrigen/mittleren Drehzahlen (bspw. 1500-6000 U/min) hohe Erregerströme benötigt werden, um einen Abgabestrom zu erhalten. Bei diesen Anwendungsfällen dauert es herkömmlich daher am längsten, die Energieversorgungseinheit wieder in den zweiten Zustand (Leistungsabgabe) zu schalten.
-
In bevorzugter Ausgestaltung wird der Feldregler zur Erreichung des ersten Zustands (bspw. über eine Schnittstelle/Ansteuerung bspw. durch das Steuergerät) von der ansonsten üblichen Regelung der Ausgangsgleichspannung der Energieversorgungseinheit auf eine Regelung einer Phasenwechselspannung des Generators umgeschaltet. Die Phasenwechselspannung ist durch den Gleichrichter von der Bordspannung entkoppelt.
-
In bevorzugter Ausgestaltung wird die Phasenwechselspannung so geregelt, dass sie kleiner ist als die Summe aus der momentanen Bordspannung und der Spannung, die an den Gleichrichterelementen der betreffenden Phase abfällt (bei einer Brückenschaltung z.B. die Flussspannung von zwei Dioden). Die so geregelte Phasenwechselspannung führt dann dazu , dass gerade noch keine Leistung an das Bordnetz abgegeben wird.
-
Zweckmäßigerweise wird die Energieversorgungseinheit so betrieben, dass ihre Phasenwechselspannung im ersten Zustand zwischen 50% und 100% der Bordspannung, vorzugsweise zwischen 50% und 80% der Bordspannung liegt. Es ist vorteilhaft, wenn hier ein Sollwert (z.B. 75% der Bordspannung) vorgegeben wird, auf den die Phasenwechselspannung geregelt wird. Um Fluktuationen zu vermeiden, sollte dieser Sollwert kurze Änderungen (kürzer als z.B. 100ms) der Bordspannung (bspw. einen kurzen Spannungseinbruch beim Einschalten eines Verbrauchers) ignorieren. Auf ein längerfristiges Absinken der Bordspannung hin (länger als z.B. 1s) sollte jedoch eine entsprechende Anpassung des Sollwerts erfolgen.
-
Der Sollwert kann auch während des Betriebs verändert werden, bspw. in Abhängigkeit von der Anzahl, Art (z.B. sicherheitskritisch oder nicht) und/oder vom Leistungsbedarf momentan aktiver Verbraucher. Beispielsweise kann der Sollwert bei großer Leistungsaufnahme bzw. bei vielen eingeschalteten Verbrauchern eher am unteren Ende (z.B. 50%) gesetzt werden, da hier die Fluktuationen erwartungsgemäß klein sein werden und so eine Absicherung vor Spannungseinbrüchen weniger relevant ist. Bei geringer Leistungsaufnahme bzw. bei wenigen eingeschalteten Verbrauchern kann der Sollwert bspw. eher am oberen Ende (z.B. 80%) liegen, da hier größere Fluktuationen zu erwarten sind und daher eine Absicherung vor Spannungseinbrüchen relevant ist. Das Ein- oder Ausschalten eines Verbrauchsers führt hier nämlich zu einer relativ großen Änderung der Leistung.
-
Sinkt die Bordspannung soweit ab, dass die Phasenwechselspannung dementsprechend einen vorgebbaren oder vorgegebenen Mindestwert unterschreiten müsste, um eine Leistungsabgabe zu vermeiden, wird wieder in den zweiten Zustand umgeschaltet und das Bordnetz auf bekannte Weise von der Energieversorgungseinheit versorgt. Der Mindestwert kann bspw. dem halben zulässigen Maximalwert der Phasenwechselspannung entsprechen.
-
Zweckmäßigerweise wird die Energieversorgungseinheit so betrieben, dass ihre Phasenwechselspannung nach dem Umschalten in den ersten Zustand stufenweise oder linear abgesenkt wird. So kann ein plötzlicher Spannungsabfall vermieden werden.
-
Das Umschalten zwischen den beiden Zuständen und die Vorgabe benötigter Parameter kann zweckmäßigerweise von einem Steuergerät (bspw. Motorsteuergerät oder Batteriesteuergerät) veranlasst werden. Vorzugsweise weist der Feldregler dafür eine passende Schnittstelle auf, bspw. eine Bus-Schnittstelle.
-
Es ist vorteilhaft, wenn in einem Rekuperationsbetrieb in den ersten Zustand umgeschaltet wird. Hier wird das Bordnetz nämlich zusätzlich durch eine Energiegewinnung aus der Fahrbewegung gespeist, so dass die zusätzliche Versorgung durch die Energieversorgungseinheit weniger relevant wird. Die Erfindung entfaltet daher bei einer Verwendung in Rekuperationssystemen besondere Vorteile.
-
Es ist vorteilhaft, wenn nur in den ersten Zustand (Standby) umgeschaltet wird, wenn der Ladezustand des Kraftfahrzeugenergiespeichers (z.B. Batterie) einen vorgegebenen oder vorgebbaren oberen Ladungsschwellenwert überschreitet und/oder immer in den zweiten Zustand (Leistungsabgabe) umgeschaltet wird, wenn der Ladezustand des Kraftfahrzeugenergiespeichers einen vorgegebenen oder vorgebbaren unteren Ladungsschwellenwert unterschreitet.
-
In der
GB 2 255 243 A ist eine Konfigurationen mit verschiedenen Spannungsniveaus in Teilbordnetzen beschrieben, wobei der Generator einzeln mit den Teilbordnetzen verbindbar ist. Bei einem solchen Umschalten von einem Teilbordnetz zu einem anderen können sowohl im Generator als auch in den Teilbordnetzen Überspannung auftreten. Diese können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft vermieden werden, wenn die Energieversorgungseinheit vor dem Umschalten in den ersten Zustand gebracht und so betrieben wird, dass die Phasenwechselspannung kleiner als die kleinste Teilbordspannung ist. Dies führt zu einer Erhöhung der Lebensdauer aller beteiligten Komponenten.
-
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
-
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
- 1 zeigt eine Ausführungsform eines Generators mit Gleichrichter und Feldregler, wie er der Erfindung zugrunde liegen kann.
- 2 zeigt Verläufe der beteiligten Spannungen bei einem bevorzugten Umschalten vom zweiten Zustand in den ersten Zustand.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
In 1 ist eine Energieversorgungseinheit, wie sie der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann, schaltplanartig dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Energieversorgungseinheit weist eine Generatorkomponente 10 und eine Gleichrichterkomponente 20 auf.
-
Die Generatorkomponente 10 ist lediglich schematisch in Form von drudenfußförmig verschalteten Ständerwicklungen 11 und einer Erreger- bzw. Läuferwicklung 12 dargestellt. Die Läuferwicklung wird von einem Feldregler 15 angesteuert.
-
Im Rahmen des vorliegenden Beispiels ist ein fünfphasiger Generator dargestellt. Im Prinzip ist die vorliegende Erfindung jedoch auch bei weniger- oder mehrphasigen Generatoren, beispielsweise dreiphasigen Generatoren einsetzbar.
-
Die Stromrichterkomponente 20 ist hier als Brückenschaltung ausgeführt und weist Dioden 21 auf. Diese sind, beispielsweise über Stromschienen, mit den jeweiligen Ständerwicklungen 11 des Generators verbunden. Ferner sind die Dioden mit Anschlüssen B+, B- verbunden, zwischen denen eine Ausgangsgleichspannung UB (Bordspannung) für ein Bordnetz inkl. Batterie 30 und Verbraucher 31 eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht.
-
Gleichspannungsseitig ist der Feldregler 15 parallel geschaltet, der durch Beeinflussung des Stromes durch die Erregerwicklung 12 die Ausgangsgleichspannung regelt. Der Feldregler weist zusätzlich noch eine Verbindung 16 zu einer Phase des Generators 10 auf, um eine Phasenwechselspannung UP zu messen. Es ist bekannt, die Frequenz der Phasenwechselspannung UP zu erfassen, um die Drehzahl des Generators abzuleiten.
-
Im Rahmen der Erfindung kann die Energieversorgungseinheit 100 in zwei Zuständen betrieben werden, einem ersten Zustand („Standby“), in dem im Wesentlichen keine Leistung in das Bordnetz abgegeben wird, und in einen zweiten Zustand („Leistungsabgabe“), in dem Leistung in das Bordnetz abgegeben wird. Zum Umschalten zwischen diesen Zuständen wird der Feldregler 15 angesteuert, um im ersten Zustand eine Phasenwechselspannung UP auf einen Wert unterhalb der momentanen Bordspannung UB zu regeln. Die Regelung erfolgt zweckmäßigerweise so, dass die Amplitude der Phasenwechselspannung unterhalb der Summe aus momentaner Bordspannung UB und der gesamten Flussspannung durch die beiden beteiligten Dioden (z.B. etwa 1,4 V bei Si-Dioden) liegt, vorzugsweise bei etwa 80% dieser Summe. Die Bordspannung UB wird in diesem Fall von der Batterie 30 und anderen Energiespeichern im Bordnetz erzeugt.
-
Ein beispielhafter zeitlicher Verlauf eines Umschaltens von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand wird nun unter Bezugnahme auf 2 erläutert.
-
In 2 ist in einem Diagramm 200 auf der Ordinate die jeweilige Spannung U gegen die Zeit t auf der Abszisse für ein Umschalten von dem zweiten Zustand (Leistungsabgabe) in den ersten Zustand (Standby) dargestellt. Ein Graph UB entspricht einer Bordspannung und ein Graph UP entspricht einer Amplitudenhöhe der Phasenwechselspannung zwischen einem Phasenanschluss des Generators und Masse. Im Rahmen der Erfindung kann äquivalent eine Regelung der Phasenwechselspannung Uw zwischen zwei Phasenanschlüssen einer Phase des Generators erfolgen. Diese Ausführungsform benötigt zwei Anschlüsse zu den Ständerwicklungen.
-
Für eine Zeitspanne t < to wird die Energieversorgungseinheit im zweiten Zustand betrieben, in dem das Bordnetz von der Energieversorgungseinheit 100 versorgt wird. Dazu wird die Bordspannung UB auf einen erwünschten Wert geregelt, bspw. etwa 14 Volt. Die Phasenwechselspannung UP liegt einen Betrag ΔU oberhalb der Bordspannung UB, wobei ΔU dem Spannungsabfall über den Gleichrichterelementen entspricht.
-
Zum Zeitpunkt to wird in den ersten Zustand umgeschaltet, d.h. statt der Bordspannung UB wird nun die Phasenwechselspannung UP geregelt. Dazu wird der Feldregler 15 so angesteuert, dass er die Phasenwechselspannung UP statt der Bordspannung UB regelt. Der Sollwert für die Phasenwechselspannung wird beim Umschalten zweckmäßigerweise so gewählt, dass sich die Bordspannung noch nicht ändert. Nach dem Umschalten wird die Phasenwechselspannung schrittweise oder kontinuierlich auf einen (insbesondere von einem Steuergerät vorgegebenen) Ziel-Sollwert UP0 abgesenkt, welcher zum Zeitpunkt t1 erreicht ist. Es wird nun keine Leistung mehr von der Energieversorgungseinheit in das Bordnetz abgegeben. Ein geeigneter Wert liegt beispielsweise bei UP0 < UB0+ΔU, bspw. bei 95%, 90%, 85% oder 80% des Werts UB0+ΔU.
-
Durch das Absenken der Phasenwechselspannung sinkt auch die Bordspannung UB. Zu einem Zeitpunkt t2 erreicht sie einen Wert UB0, der von der Batterie 30 und anderen Energiespeichern im Bordnetz bestimmt wird. Die Bordspannung kann nicht unter diesen Wert fallen, wohingegen die Phasenwechselspannung, die durch den Gleichrichter vom Bordnetz getrennt ist, weiter reduziert werden kann.
-
In diesem Betriebszustand wird keine Leistung von der Energieversorgungseinheit in das Bordnetz abgegeben, das Bordnetz wird nur von den Energiespeichern, wie z.B. der Batterie, versorgt.
-
Ein bevorzugtes Umschalten vom zweiten Zustand in den ersten Zustand erfolgt in entsprechender umgekehrter Weise, wobei eine schrittweise oder kontinuierliche Erhöhung der Phasenwechselspannung stattfindet und am Ende der Erhöhung dann wieder auf die Regelung der Bordspannung umgeschaltet wird.
