DE102017111771A1

DE102017111771A1 - Errergerstrombegrenzter Leistungsgenerator

Info

Publication number: DE102017111771A1
Application number: DE102017111771.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Auer; Cedric Angeray; Ludovic Doffe; Robert Hartmann; Christoph Seidl
Original assignee: Infineon Technologies AG; Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Infineon Technologies AG; Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2017-11-30
Also published as: CN107453656A; US20170346431A1; DE102017111771A8; CN107453656B; US9887655B2

Abstract

Ein erregerstrombegrenzter Leistungsgenerator enthält eine digitale Schnittstelle, die zur Kopplung mit einer Motorsteuereinheit (ECU) konfiguriert ist, einen Regler, der zur Kopplung mit einem Erregerstromeingang einer Lichtmaschine konfiguriert ist, wobei der Erregerstrom durch die Lichtmaschine erzeugten Strom steuert, einen Frequenzsensor, der zum Messen der Drehzahl der Lichtmaschine konfiguriert ist, und einen Speicher, der eine durch die digitale Schnittstelle kommunizierte Grenze und eine erste permanente Grenze speichert, wobei der Regler dazu konfiguriert ist, den Erregerstrom auf die jeweils niedrigere der ersten permanenten Grenze und der kommunizierten Grenze zu begrenzen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Leistungserzeugung und insbesondere Ausführungsformen, Techniken und Mechanismen für einen erregerstrombegrenzten Leistungsgenerator.
Hintergrund
Leistungsgeneratoren (z.B. Stromgeneratoren) enthalten in der Regel eine Drehspule in Statorspulen. Der Ausgangsstrom von Statorspulen kann durch Ändern eines durch die Drehspule fließenden Erregerstroms geändert werden. Einige Arten von Leistungsgeneratoren, wie zum Beispiel Stromgeneratoren wie Lichtmaschinen, werden in der Regel in Anwendungen verwendet, die Verbrennungsmotoren enthalten, zum Beispiel Personenkraftwagen, so dass der Leistungsgenerator mit dem Antriebsstrang des Verbrennungsmotors verbunden werden kann.
Leistungsgeneratoren können unter rauen Umgebungsbedingungen, zum Beispiel kalten Temperaturen und geringen Drehzahlen, eine beeinträchtigte Leistung erfahren. Schnelle Geschwindigkeitszyklen eines Motors, zum Beispiel Beschleunigen und Abbremsen, können dazu führen, dass ein Verbrennungsmotor periodisch mit geringeren Motordrehzahlen arbeitet. Ferner hat sich der Forschungsaufwand für Personenkraftwagen zunehmend auf das Verringern von Motordrehzahlen konzentriert, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Mit dem Betreiben von Leistungsgeneratoren bei geringeren Motordrehzahlen verbundene Probleme sind somit verstärkt worden. Die Leistung von Leistungsgeneratoren in modernen kraftstoffeffizienten Kraftfahrzeugen kann bei kälteren Klimabedingungen noch verschlechtert werden.
Eine verschlechterte Leistung eines Leistungsgenerators kann dazu führen, dass der Generator die maximale Nennleistung des Generators überschreitet, oder kann bewirken, dass der Generator Gegenmoment von dem Verbrennungsmotor erfährt. Solch eine verminderte Leistung kann im Laufe der Zeit den Leistungsgenerator beschädigen.
Es ist eine Aufgabe, Möglichkeiten bereitzustellen, derartige Probleme zu vermeiden oder zumindest abzumildern.
Kurzfassung der Erfindung
Es werden eine Vorrichtung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 11 und ein System nach Anspruch 17 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Technische Vorteile werden in der Regel durch Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung erzielt, die Techniken und Mechanismen für einen erregerstrombegrenzten Leistungsgenerator beschreiben.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird eine Vorrichtung bereitgestellt. Die Vorrichtung enthält eine digitale Schnittstelle, die zur Kopplung mit einer Motorsteuereinheit (ECU, vom Englischen „engine control unit“) konfiguriert ist, einen gekoppelten Regler, der zur Kopplung mit einem Erregerstromeingang eines Stromgenerators (englisch „alternator“, im Folgenden als Lichtmaschine bezeichnet, insbesondere Wechselstrom- oder Drehstromgenerator) konfiguriert ist, wobei der Erregerstrom durch die Lichtmaschine erzeugten Strom steuert, einen Frequenzsensor, der zum Messen der Drehzahl der Lichtmaschine konfiguriert ist, und einen Speicher, der eine durch die digitale Schnittstelle kommunizierte Grenze und eine erste permanente Grenze speichert, wobei der Regler dazu konfiguriert ist, den Erregerstrom auf die jeweils niedrigere der ersten permanenten Grenze und der kommunizierten Grenze zu begrenzen.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Regler ferner dazu konfiguriert, die erste kommunizierte Grenze mit einem Wert zu aktualisieren, der von der ECU empfangen wird. Bei einigen Ausführungsformen wird der von der ECU empfangene Wert dazu ausgewählt, die Grenze des von der Lichtmaschine erzeugten Stroms zu begrenzen. Bei einigen Ausführungsformen wird der von der ECU empfangene Wert dazu ausgewählt, das in der Lichtmaschine erzeugte Gegenmoment zu begrenzen. Bei einigen Ausführungsformen speichert der Speicher ferner eine zweite permanente Grenze und eine der zweiten permanenten Grenze zugeordnete Drehschwelle, wobei der Regler ferner dazu konfiguriert ist, den Erregerstrom auf die niedrigere der zweiten permanenten Grenze und der kommunizierten Grenze zu begrenzen, wenn die Drehzahl der Lichtmaschine größer als die Drehschwelle ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste permanente Grenze höher als die zweite permanente Grenze. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste permanente Grenze niedriger als die zweite permanente Grenze. Bei einigen Ausführungsformen ist der Regler ferner dazu konfiguriert, den Erregerstrom als Reaktion darauf, dass die digitale Schnittstelle Verbindung mit der ECU verliert, auf die erste permanente Grenze zu begrenzen. Bei einigen Ausführungsformen enthält die Vorrichtung ferner die Lichtmaschine. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Lichtmaschine eine Drehspule in Statorspulen.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Empfangen einer kommunizierten Grenze für Erregerstrom in einer Lichtmaschine über eine digitale Schnittstelle, Bestimmen einer permanenten Grenze für den Erregerstrom in der Lichtmaschine, Begrenzen des Erregerstroms auf die kommunizierte Grenze als Reaktion darauf, dass die kommunizierte Grenze niedriger als die permanente Grenze ist, und Begrenzen des Erregerstroms auf die permanente Grenze als Reaktion darauf, dass die kommunizierte Grenze höher als die permanente Grenze ist.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Bestimmen der permanenten Grenze Bestimmen einer Drehzahl der Lichtmaschine und Wählen einer permanenten Grenze aus einer oder mehreren permanenten Grenzen, wobei die eine oder die mehreren permanenten Grenzen jeweils einer unteren und oberen Drehzahlschwelle entsprechen, wobei die Drehzahl der Lichtmaschine zwischen der unteren und oberen Drehzahlschwelle der gewählten permanenten Grenze liegt. Bei einigen Ausführungsformen umfassen die eine oder die mehreren permanenten Grenzen eine erste permanente Grenze und eine zweite permanente Grenze, wobei die obere Drehzahlschwelle der ersten permanenten Grenze niedriger als die obere Drehzahlschwelle der zweiten permanenten Grenze ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste permanente Grenze höher als die zweite permanente Grenze. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste permanente Grenze niedriger als die zweite permanente Grenze. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner Empfangen einer aktualisierten permanenten Grenze über die digitale Schnittstelle und Speichern der aktualisierten permanenten Grenze im Speicher.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein System bereitgestellt. Das System enthält eine Motorsteuereinheit (ECU), eine mit der Motorsteuereinheit gekoppelte digitale Schnittstelle, eine mit der digitalen Schnittstelle gekoppelte Lichtmaschine, wobei die Lichtmaschine einen Speicher umfasst, der zum Speichern einer von der digitalen Schnittstelle empfangenen kommunizierten Grenze und einer ersten permanenten Grenze konfiguriert ist, einen Erregerstromeingang und einen mit dem Erregerstromeingang gekoppelten Regler, wobei der Regler dazu konfiguriert ist, Stromabgabe von der Lichtmaschine durch Variieren des Erregerstroms zu steuern, wobei der Regler dazu konfiguriert ist, den Erregerstrom auf die niedrigere der ersten permanenten Grenze und der kommunizierten Grenze zu begrenzen.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Lichtmaschine ferner einen Rotationssensor, der mit einem Ausgang der Lichtmaschine gekoppelt ist, wobei der Rotationssensor die Drehzahl der Lichtmaschine misst. Bei einigen Ausführungsformen ist der Speicher ferner dazu konfiguriert, eine zweite permanente Grenze zu speichern, wobei die erste permanente Grenze einer ersten Drehschwelle zugeordnet ist und die zweite permanente Grenze einer zweiten Drehschwelle zugeordnet ist, wobei die Lichtmaschine dazu konfiguriert ist, den Erregerstrom auf die erste permanente Grenze zu begrenzen, wenn die Drehzahl der Lichtmaschine niedriger als die erste Drehschwelle ist, wobei die Lichtmaschine dazu konfiguriert ist, den Erregerstrom auf die zweite permanente Grenze zu begrenzen, wenn die Drehzahl der Lichtmaschine niedriger als die zweite Drehschwelle ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Lichtmaschine dazu konfiguriert, die im Speicher gespeicherte erste permanente Grenze mit einer von der ECU über die digitale Schnittstelle empfangenen aktualisierten permanenten Grenze zu aktualisieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nunmehr auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung Bezug genommen, darin zeigen:
1 ein Kraftfahrzeugsystem;
2A und 2B beispielhafte Strom- und Drehmomentababekurven;
3 eine detaillierte Ansicht einer Leistungssteuerung;
4 Erregerstromkurven;
5 ein Lichtmaschinenüberstromschutzverfahren;
6 Ausgangsstromkurven; und
7A und 7B permanente Grenzen zum Schützen einer Lichtmaschine.
Einander entsprechende Zahlen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich allgemein auf einander entsprechende Teile, es sei denn, es ist etwas anderes angegeben. Die Figuren dienen der deutlichen Darstellung der relevanten Aspekte der Ausführungsformen und sind nicht zwangsweise maßstäblich gezeichnet.
Detaillierte Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen
Die Herstellung und Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung werden unten ausführlich besprochen. Es versteht sich jedoch, dass die hierin offenbarten Konzepte in einer breiten Vielfalt spezifischer Zusammenhänge ausgestaltet werden können und dass die hierin besprochenen speziellen Ausführungsformen nur der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche dienen. Ferner sollte auf der Hand liegen, dass verschiedene Änderungen, Substitutionen und Änderungen hierin durchgeführt werden können, ohne von dem Wesen und Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung, wie durch die angehängten Ansprüche definiert, abzuweichen.
Es werden hierin Techniken und Mechanismen für einen erregerstrombegrenzten Leistungsgenerator offenbart. Verschiedene Ausführungsformen enthalten Selbstschutzmechanismen in einem Leistungsgenerator, die den an die Drehspule des Leistungsgenerators angelegten Erregerstrom begrenzen. Der Erregerstrom kann basierend auf einer gemessenen Drehzahl des Leistungsgenerators begrenzt werden. Erregerstrombegrenzungsschwellen können dahingehend gewählt werden, maximale Stromausgabe, gemessen in Ampere (A), und/oder Gegenmoment, gemessen in Newton-Meter (N-m), zu begrenzen. Verschiedene Selbstschutzmechanismen können unabhängig von einer Motorsteuereinheit (ECU) angewandt werden, die auch den Erregerstrom oder das Versorgungsspannungniveau der Drehspule steuern können.
Verschiedene Ausführungsformen können Vorteile erreichen. Das Begrenzen der Stromabgabe des Leistungsgenerators kann dem Generator gestatten, in raueren Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel kaltem Klima, zu arbeiten, ohne die maximale Leistung des Generators zu überschreiten. Gewährleisten, dass der Generator die maximale Leistung nicht überschreitet, kann eine Beschädigung des Generators oder von durch den Generator angetriebenen Vorrichtungen, wie zum Beispiel Kraftfahrzeuglasten, vermeiden. Das Begrenzen der Drehmomenterzeugung des Leistungsgenerators kann dem Generator gestatten, bei niedrigeren Drehzahlen, wie zum Beispiel niedriger Motordrehzahl eines Personenkraftwagens, zu arbeiten, ohne den Generator zu beschädigen oder unerwünschte Nebeneffekte, wie zum Beispiel Brummen, im Motor des Kraftfahrzeugs zu erzeugen. Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Komfort und Lebensdauer von kraftstoffeffizienten Fahrzeugen können somit verbessert werden.
1 zeigt ein Kraftfahrzeugsystem 100, das in einem Kraftfahrzeug oder anderen Personenkraftwagen, wie zum Beispiel einem Auto oder Lastwagen, verwendet werden kann. Das Kraftfahrzeugsystem 100 enthält Fahrzeuglasten 102, eine Batterie 104, eine Lichtmaschine 106 und eine ECU 108. Obgleich die vorliegende Besprechung im Zusammenhang mit Personenwagen dargelegt wird, sollte auf der Hand liegen, dass hierin beschriebene Ausführungsformen auf irgendeinen Leistungsgenerator mit sich bewegenden Magneten angewandt werden können.
Die Fahrzeuglasten 102 enthalten zum Betreiben des Kraftfahrzeugsystems 100 erforderliche Vorrichtungen. Beispiele für Fahrzeuglasten 102 können die Zündung, Zündkerzen, Klimaregelung und Unterhaltungssysteme im Kraftfahrzeugsystem 100 enthalten. Die Batterie 104 stellt während der Zündung des Kraftfahrzeugsystems 100 eine Anfangsladung für die Fahrzeuglasten 102 bereit. Die Batterie 104 kann zum Beispiel eine 12V-Batterie sein. Darüber hinaus wirkt die Batterie 104 als ein elektrischer Puffer für die Ausgabe der Lichtmaschine 106.
Die Lichtmaschine 106 enthält eine Drehspule 110, Statorspulen 112, Gleichrichterdioden 114 und eine Leistungssteuerung 116. Die Drehspule 110 ist innerhalb der Statorspulen 112 positioniert und enthält ein sich drehendes Magnetfeld (nicht dargestellt). Ein Drehen des Magnetfelds, das durch die Drehspule 110 in den Statorspulen 112 erzeugt wird, erzeugt elektrischen Strom in Ausgängen der Statorspulen 112. Es können drei der Statorspulen 112 vorgesehen sein, so dass die erzeugte Leistung Drehstromleistung ist. Die Gleichrichterdioden 114 richten den erzeugten Dreiphasenwechselstrom gleich, um Gleichstromleistung zu erzeugen. Die Gleichstromleistung wird zum Antrieb der Fahrzeuglasten 102 und zum Laden der Batterie 104 zugeführt.
Die Leistungssteuerung 116 enthält einen Spannungspegeleingang 118, einen Drehzahleingang 120, einen Erregerstromausgang 122 und einen Digitaleingang/-ausgang (I/O) 124. Die Leistungssteuerung 116 ist mit verschiedenen Komponenten der Lichtmaschine 106 so gekoppelt, dass sie die durch die Lichtmaschine 106 erzeugte Strommenge steuern kann. Das Steuern der Stromabgabe kann durch Variieren des Erregerstroms der Drehspule 110 erreicht werden. Die Leistungssteuerung 116 kann zum Beispiel eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder ein Zustandsautomat sein.
Der Spannungspegeleingang 118 ist so mit den Gleichrichterdioden 114 gekoppelt, dass die Leistungssteuerung 116 Gleichstromleistungsabgabe durch die Lichtmaschine 106 messen kann. Der Spannungspegeleingang 118 kann der Leistungssteuerung 116 gestatten, zu bestimmen, ob die Abgabe der Lichtmaschine 106 überschritten worden ist. Solch ein Schutzmechanismus kann der Leistungssteuerung 116 gestatten, durch Reduzieren des Erregerstroms der Drehspule 110 Erzeugung zu reduzieren.
Der Drehzahleingang 120 ist mit einer der Statorspulen 112 gekoppelt. Wie oben besprochen, können mehrere Statorspulen 112 vorgesehen sein, so dass die Statorspulen 112 Drehstromleistung erzeugen. Durch die Kopplung des Drehzahleingangs 120 mit einer der Statorspulen 112 kann die Leistungssteuerung 116 die Frequenz eines der Dreiphasenwechselstromausgänge Messen. Die Frequenzabgabe jeder der Statorspulen 112 entspricht der Drehzahl der Lichtmaschine 106. Demgemäß kann die Leistungssteuerung 116 durch Messen der Frequenz eines der Signale von den Statorspulen 112 die Drehzahl (in RPM) der Lichtmaschine 106 bestimmen.
Der Erregerstromausgang 122 ist mit der Drehspule 110 gekoppelt. Wie oben besprochen, kann der Ausgangsstrom der Lichtmaschine 106 durch Variieren des Erregerstroms der Drehspule 110 gesteuert werden. Demgemäß kann die Leistungssteuerung 116 den Ausgangsstrom der Lichtmaschine 106 durch den Erregerstromausgang 122 steuern. Die Leistungssteuerung 116 kann den Erregerstrom der Drehspule 110 als Reaktion auf Kommunikation von der ECU 108 (unten besprochen) oder als Reaktion auf ein Selbstschutzmerkmal (auch unten besprochen) begrenzen.
Der Digital-I/O 124 gestattet der Lichtmaschine 106, mit anderen Vorrichtungen im Kraftfahrzeugsystem 100, wie zum Beispiel der ECU 108, zu kommunizieren. Der Digital-I/O 124 ist zu bidirektionaler digitaler Kommunikation fähig. Beispiele für solch ein Kommunikationssystem können ein LIN (Local Interconnect Network) enthalten. Kommunikation über den Digital-I/O 124 kann in festgelegten Zeitfenstern, wie zum Beispiel alle 100 Millisekunden (ms), durchgeführt werden. Der Digital-I/O 124 kann mit anderen Vorrichtungen im Kraftfahrzeugsystem 100 geteilt werden, so dass die Leistungssteuerung 116 während eines Teils der Zeitfenster nur mit der ECU 108 kommunizieren kann. Demgemäß kann Kommunikation mit der ECU 108 einen geringeren Durchsatz und eine hohe Latenz aufweisen.
Die ECU 108 ist mit der Lichtmaschine 106 und anderen Vorrichtungen (nicht abgebildet) im Kraftfahrzeugsystem 100 gekoppelt, so dass sie Parameter der Vorrichtungen steuern und überwachen kann. Die ECU 108 kommuniziert durch den Digital-I/O 124 mit der Lichtmaschine 106. Da die ECU 108 viele Parameter im Kraftfahrzeugsystem 100 messen kann, kann die ECU 108 auf mehr Informationen als die Leistungssteuerung 116 zugreifen und in einigen Situationen in der Lage sein, durch die Lichtmaschine 106 erzeugten Ausgangsstrom oder erzeugtes Gegenmoment genau zu steuern. Bei einigen Ausführungsformen kann die ECU 108 Erzeugung durch die Lichtmaschine 106 durch Kommunizieren einer Erregerstromgrenze zu der Leistungssteuerung 116 steuern.
Zum Steuern der Abgabe der Lichtmaschine 106 sollte die ECU 108 in der Lage sein, solch eine Funktionalität zu unterstützen. Wie oben besprochen, kann der Digital-I/O 124 zwischen der Lichtmaschine 106 und der ECU 108 langsam sein, so dass die ECU möglicherweise nicht in der Lage ist, auf sich plötzlich ändernde Bedingungen, wie zum Beispiel Drehzahl, zu reagieren. Demgemäß können kurze Stromabgabespitzen und/oder Gegendrehmoment in der Lichtmaschine 106 auftreten, bevor die ECU 108 der Leistungssteuerung 116 eine neue Erregerstromgrenze kommuniziert. Ferner kann der Digital-I/O 124 versagen, was zu einem temporären oder permanenten Kommunikationsverlust mit der Lichtmaschine 106 führt. Während dieser Zeiträume verlorener Kommunikation kann es zu einer Beschädigung der Lichtmaschine 106 kommen. Über ihre Lebensdauer können diese kurzen Strom- und/oder Gegenmomentspitzen zu Verschleiß an der Lichtmaschine 106 führen, was ihren Lebenszyklus reduziert. Ferner können solche Spitzen auch die Bordnetzversorgung des Kraftfahrzeugsystems 100, wie zum Beispiel der Fahrzeuglasten 102 und/oder der Batterie 104, schädigen.
Die 2A und 2B stellen beispielhafte Strom- bzw. Drehmomentabgabekurven für eine Lichtmaschine bei verschiedenen Erregerströmen dar. Wie in 2A zu sehen, beträgt die maximale Nennstromabgabe der Lichtmaschine ca. 315 [A], wie in 2A durch die Strichlinie dargestellt. Jede der Ausgangsstromkurven der Lichtmaschine nimmt mit RPM zu und konvergiert letztendlich zu einem Endausgangsstrom. Bei dem niedrigsten Erregerstrom nimmt der Ausgangsstrom beispielsweise allmählich zu, bis er ca. 75 [A] bei ca. 8000 RPM abgibt. Umgekehrt nimmt der Ausgangsstrom bei höchstem Erregerstrom steil zu, bis er ca. 350 [A] bei ca. 8000 RPM abgibt. Bei einigen Ausführungsformen kann die Lichtmaschine bei einem größeren Erregerstrom, wenn sie mit einer niedrigeren RPM angetrieben wird, betrieben werden, um schnell eine ausreichende Stromabgabe zu erreichen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Lichtmaschine bei einem niedrigeren Erregerstrom betrieben werden, wenn sie bei höherer RPM angetrieben wird, um eine übermäßige Stromabgabe zu vermeiden.
Wie in 2B zu sehen, beträgt die maximale Nenndrehmomentabgabe der Lichtmaschine ca. 20 [Nm], wie in 2B durch die Strichlinie dargestellt. Jede der Ausgangsdrehmomentkurven der Lichtmaschine weist bei niedrigerer RPM eine Spitze auf, deren Amplitude proportional zu dem Erregerstrom ist. Beim niedrigsten Erregerstrom weist das Ausgangsdrehmoment zum Beispiel bei ca. 2 [Nm] bei ca. 3000 RPM die Ausgangsdrehmomentspitze auf. Beim höchsten Erregerstrom weist das Ausgangsdrehmoment umgekehrt bei ca. 27 [Nm] bei ca. 3000 RPM die Spitze auf. Bei einigen Ausführungsformen kann die Lichtmaschine bei einem niedrigeren Erregerstrom betrieben werden, wenn sie bei einer niedrigeren RPM betrieben wird, um Drehmomentspitzen zu vermeiden, die die Lichtmaschine beschädigen können. Bei einigen Ausführungsformen kann die Lichtmaschine bei einem höheren Erregerstrom betrieben werden, wenn sie bei einer höheren RPM angetrieben wird, da ein vermindertes Risiko von Drehmomentspitzen bei einer höheren RPM besteht.
Die 2A und 2B stellen einen Kompromiss zwischen Strom- und Drehmomentspitzen, die bei höheren Erregerströmen auftreten können, und Erreichen einer ausreichenden Stromabgabe, die bei niedrigeren Erregerströmen schwer zu erreichen ist, dar. Diese Spitzen können über relativ kurze Zeiträume auftreten, so dass die ECU 108 möglicherweise nicht zeitgemäß auf die Spitzen reagiert. Demgemäß kann die Leistungssteuerung 116 bei einigen Ausführungsformen Selbstschutz der Lichtmaschine 106 unabhängig von der ECU 108 durchführen, um Strom- und/oder Drehmomentspitzen zu vermeiden, die eine Beschädigung verursachen können.
3 stellt eine Detailansicht der Leistungssteuerung 116 dar. Die Leistungssteuerung 116 enthält einen Bus 302, eine Kommunikationssteuerung 304, einen Batteriesensor 306, einen Frequenzsensor 308, einen Regler 310, einen Speicher 312 und eine Master-Logikeinheit 314. Vorrichtungen in der Leistungssteuerung 116 können gegebenenfalls mit dem Bus 302 verbunden sein.
Obgleich sie als Funktionsblöcke gezeigt werden, sollte auf der Hand liegen, dass der Batteriesensor 306, der Frequenzsensor 308 und der Regler 310 auch andere Komponenten zur Kopplung der Leistungssteuerung 116 mit Komponenten in der Lichtmaschine 106 enthalten können. Diese Vorrichtungen können zum Beispiel Wandler, Analof-Digital-Umsetzer, Digital-Analog-Umsetzer, Register, Verstärkungsschaltungen, Unterstützungsschaltungen und dergleichen enthalten.
Die Kommunikationssteuerung 304 ist mit dem Digital-I/O 124 gekoppelt und koppelt die Lichtmaschine 106 mit externen Vorrichtungen, wie zum Beispiel der ECU 108. Wie oben besprochen, kann der Digital-I/O 124 eine bidirektionale digitale Schnittstelle, wie zum Beispiel ein LIN, sein. Somit kann die Kommunikationssteuerung 304 zum Beispiel eine LIN-Steuerung sein.
Der Batteriesensor 306 ist mit dem Spannungspegeleingang 118 verbunden, so dass die Leistungssteuerung 116 den Ausgangsspannungspegel der Batterie 104 und den Gleichstromleistungsausgang von der Lichtmaschine 106 messen kann. Der Batteriesensor 306 kann zum Beispiel ein Analog-Digital-Umsetzer sein. Bei einigen Ausführungsformen kann der Analog-Digital-Umsetzer ein 10-Bit-ADC sein.
Der Frequenzsensor 308 ist mit dem Drehzahleingang 120 verbunden, so dass die Leistungssteuerung 116 die Frequenz des Ausgangswechselstromsignals von einer der Statorspulen 112 messen kann. Der Frequenzsensor 308 kann zum Beispiel einen Linearschwinger, wie zum Beispiel einen Widerstand-Kondensator-Oszillator, umfassen, der zum Detektieren der Frequenz der Wechselstromwellen verwendet wird. Die Drehzahl der Lichtmaschine 106 kann somit gemäß der gemessenen Frequenz und der Menge der durch die Gleichrichterdioden 114 gleichgerichteten Phasen bestimmt werden. Durch Inbeziehungbringen der Frequenz des Wechselstromsignals zur Motordrehzahl kann die Leistungssteuerung 116 die Drehzahl der Lichtmaschine 106 unabhängig von irgendwelchen Motordrehzahlparamentern bestimmen, die über die Kommunikationssteuerung 304 kommuniziert werden können.
Der Regler 310 ist mit dem Erregerstromausgang 122 gekoppelt, so dass die Leistungssteuerung 116 den Erregerstrom der Drehspule 110 variieren kann. Durch Variieren des Erregerstroms kann der Regler 310 somit einen Ausgangsstrom der Lichtmaschine 106 regeln und steuern. Der Regler 310 kann zum Beispiel ein Spannungsregler sein.
Der Speicher 312 kann ein flüchtiger Speicher, wie zum Beispiel ein Direktzugriffsspeicher (RAM – random access memory) oder ein nichtflüchtiger Speicher (NVRAM – non-volatile random access memory), wie zum Beispiel ein EEPROM, sein. Bei einigen Ausführungsformen enthält der Speicher 312 sowohl RAM als auch NVRAM. Der NVRAM kann durch Verwendung von Sicherungen, elektronischen Sicherungen (e-Sicherungen) oder OTP-Speichern (OTP – one-time programmable) implementiert werden. Der Speicher 312 wird zum Speichern von Begrenzungsparametern (manchmal als "Grenzen" bezeichnet) verwendet. Grenzen sind maximale Erregerstromwerte, die der Regler 310 beim Variieren des der Drehspule 110 zugeführten Erregerstroms beobachten sollte. Eine oder mehrere Grenzen können beim Speicher 312 enthalten sein, und die angewandte Grenze kann gemäß verschiedenen Zuständen der Lichtmaschine 106 bestimmt werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann eine erste Art von Stromgrenze (manchmal als eine "kommunizierte Grenze" bezeichnet) der Leistungssteuerung 116 über die Kommunikationssteuerung 304 kommuniziert und im Speicher 312 gespeichert werden. Eine kommunizierte Grenze kann unmittelbar dann in Betracht gezogen werden, wenn der der Drehspule 110 zugeführte Strom bestimmt wird. Eine kommunizierte Grenze kann in RAM- oder NVRAM-Teilen des Speichers 312 gespeichert sein.
Bei einigen Ausführungsformen kann eine zweite Art von Stromgrenze (manchmal als eine "permanente Grenze" bezeichnet) in Betracht gezogen werden, wenn der der Drehspule 110 zugeführte Strom bestimmt wird. Die permanente Grenze wird in NVRAM-Teilen des Speichers 312 gespeichert, so dass sie nach einem Leistungsverlust oder Kommunikationsverlust mit der ECU 108 in der Leistungssteuerung 116 fortbesteht. Demgemäß kann die Leistungssteuerung 116 in der Lage sein, die permanente Grenze aus dem NVRAM auszulesen und den Erregerstrom in Zeiträumen von verlorener oder fehlender Kommunikation auf die permanente Grenze zu begrenzen. Der Erregerstrom kann zum Beispiel während der Fahrzeugzündung begrenzt werden, bevor die ECU 108 der Leistungssteuerung 116 eine kommunizierte Grenze gesendet hat. Eine permanente Grenze kann im NVRAM vorprogrammiert sein. Bei einigen Ausführungsformen kann eine permanente Grenze der Leistungssteuerung 116 von Zeit zu Zeit über die Kommunikationssteuerung 304 kommuniziert werden, und die permanente Grenze kann im NVRAM gespeichert werden. Es sollte auf der Hand liegen, dass mehrere permanente Grenzen und/oder kommunizierte Grenzen im Speicher 312 gespeichert sein können.
Bei einigen Ausführungsformen kann jede der permanenten Grenzen, die im Speicher 312 gespeichert sind, einer Motordrehzahlschwelle, gemessen in RPM, zugeordnet werden. Der Regler 310 kann verschiedene permanente Grenzen zum Anlegen an den Erregerstrom gemäß der durch den Frequenzsensor 308 bestimmten Drehzahl auswählen. Zum Beispiel kann eine erste permanente Grenze einer ersten Drehzahlschwelle zugeordnet werden, und eine zweite permanente Grenze kann einer zweiten Drehzahlschwelle zugeordnet werden, die höher als die erste Drehzahlschwelle ist. Der Regler 310 kann die erste permanente Grenze anlegen, wenn die gemessene Drehzahl niedriger als die erste Drehzahlschwelle ist, und kann dann die zweite permanente Grenze anlegen, wenn die gemessene Drehzahl niedriger als die zweite Drehzahlschwelle ist. Bei jeder verschiedenen angelegten Drehzahlschwelle kann eine Hysterese enthalten sein.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Regler 310 beim Begrenzen des Erregerstroms sowohl eine permanente Grenze als auch eine kommunizierte Grenze in Betracht ziehen. Der Regler 310 kann die untere der permanenten Grenze und der kommunizierten Grenze bevorzugen, so dass die permanente Grenze nicht überschritten wird. Mit anderen Worten, wenn die kommunizierte Grenze niedriger als eine permanente Grenze ist, die derzeit angelegt wird, dann kann der Regler 310 gestatten, dass der Erregerstrom auf die kommunizierte Grenze gesenkt wird. Wenn die kommunizierte Grenze höher als die permanente Grenze ist, dann kann der Regler 310 jedoch keine Erhöhung des Erregerstroms über die permanente Grenze hinaus gestatten. Die ECU 108 kann somit eine untere kommunizierte Grenze anlegen, die der ECU 108 gestatten kann, Drehmomentmanagement für die Lichtmaschine 106 durchzuführen. Die ECU 108 kann jedoch die Lichtmaschine 106 nicht mit einer höheren permanenten Grenze übersteuern. Solch ein Schutzmechanismus kann die Lichtmaschine 106 schützen und schnellere Reaktionszeiten gestatten, wenn der Ausgangsstrom schnell erhöht wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die Abgabe der Lichtmaschine 106 ein- oder ausgeschaltet werden, wenn der durch den Batteriesensor 306 gemessene Spannungspegel unter der Grenze liegt, die der Regler 310 anlegt.
Die Master-Logikeinheit 314 ist die Hauptverarbeitungs-Pipeline für die Leistungssteuerung 116. Sie enthält Funktionseinheiten und/oder Schaltungsanordnungen zum Durchführen von Startsequenzen, Steuern des Reglers 310 und der Kommunikationssteuerung 304 und Optimieren, Testen und Fehlerbeheben bei der Leistungssteuerung 116. Die Master-Logikeinheit 314 kann auch Funktionalität zum Zusammenwirken mit dem Batteriesensor 306 und dem Frequenzsensor 308 enthalten. Die Master-Logikeinheit 314 kann eine permanente Grenze aus dem Speicher 312 basierend auf der gemessenen Drehzahl wählen und kann bestimmen, ob die permanente oder kommunizierte Grenze an der Regler 310 angelegt werden soll.
4 stellt den Erregerstrom dar, der zum Erreichen eines idealen Ausgangsstroms für eine Lichtmaschine bei verschiedenen Motordrehzahlen erforderlich ist. Ein idealer Ausgangsstrom kann ein Ausgangsstrom sein, der sich dem Spitzenausgangsstrom annähert. Wie durch die durchgezogene Linie dargestellt, überschreitet die Lichtmaschine bei geringeren Drehzahlen nicht den Spitzenausgangsstrom, selbst bei maximalem Erregerstrom, da geringere Motordrehzahlen möglicherweise nicht genug Leistung erzeugen, um die Spitzenabgabe zu überschreiten. Mit zunehmender Motordrehzahl wird die permanente Grenze für den Erregerstrom jedoch gesenkt, um zu verhindern, dass die Lichtmaschine die Spitzenabgabe überschreitet.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Speicher eine permanente Grenze für die Motordrehzahl enthalten, die jedem die durchgezogene Linie bildenden entsprechenden Datenpunkt entspricht. Die Leistungssteuerung kann somit ausreichende permanente Grenzen für den Erregerstrom enthalten, so dass die Lichtmaschine den Spitzenausgangsstrom bei beliebiger Motordrehzahl nicht überschreitet. Beispielsweise angenommen, die Lichtmaschine weist eine ähnliche Leistungscharakteristik wie das in 4 dargestellte Ansprechverhalten auf, dann würde der Lichtmaschinenspeicher sechs permanente Grenzen (von ca. 6 [A] bis ca. 4 [A]) bei einer jeweiligen Drehzahlschwelle (von ca. 0 RPM bis ca. 6500 RPM) enthalten, um zu gewährleisten, dass die Lichtmaschine die Spitzenstromabgabe nicht überschreitet.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Speicher eine im Verhältnis geringere Anzahl von permanenten Grenzen enthalten. Somit kann die Leistungssteuerung den Erregerstrom begrenzen, so dass die Lichtmaschine den Spitzenausgangsstrom bei den meisten Motordrehzahlen nicht überschreitet. Die gestrichelte Linie in 4 stellt zum Beispiel eine Ausführungsform dar, bei der nur zwei permanente Grenzen (PLIM₁ und PLIM₂) im Speicher enthalten sind. Wenn nur zwei permanente Grenzen verwendet werden, dann kann die Lichtmaschine infolgedessen die Spitzenstromabgabe bei einigen Motordrehzahlen (ein schmales Band zwischen ca. 2500 RPM und 3500 RPM) überschreiten oder darunter fallen, arbeitet aber im Allgemeinen bei oder nahe einer idealen Abgabe. Es könnten mehr oder weniger permanente Grenzen verwendet werden, so dass die Ansprechverhalten der Lichtmaschine eine engere oder weitere Annäherung an der idealen Abgabe sind.
5 stellt ein Lichtmaschinenüberstromschutzverfahren 500 dar. Das Lichtmaschinenüberstromschutzverfahren 500 kann Operationen anzeigen, die in der Leistungssteuerung 116 erfolgen, wenn eine permanente oder kommunizierte Grenze an den durch den Regler 310 erzeugten Erregerstrom angelegt wird.
Das Lichtmaschinenüberstromschutzverfahren 500 beginnt durch Festsetzen einer kommunizierten Grenze (CLIM – communicated limit) (Schritt 502). Die kommunizierte Grenze kann von einer ECU empfangen werden. Die kommunizierte Grenze kann durch die ECU periodisch aktualisiert werden. Als Nächstes wird eine permanente Grenze (PLIM – permanent limit) festgesetzt (Schritt 504). Das Festsetzen der permanenten Grenze kann Wählen einer permanenten Grenze gemäß einer gemessenen Drehzahl der Lichtmaschine umfassen. Wenn die permanente Grenze die kommunizierte Grenze überschreitet (Schritt 506), dann wird als Nächstes die permanente Grenze dazu verwendet, den Erregerstrom zu begrenzen (Schritt 508). Wenn die permanente Grenze die kommunizierte Grenze jedoch nicht überschreitet (Schritt 506), dann wird die kommunizierte Grenze dazu verwendet, den Erregerstrom zu begrenzen (Schritt 510). Wenn entweder die permanente oder die kommunizierte Grenze gewählt ist, dann wird der Wert zu dem Regler weitergeleitet (Schritt 512). Der Regler kann dann einen Erregerstrom für die Drehspulen wählen, der die gewählte Grenze nicht überschreitet.
6 stellt Ausgangsstromkurven dar, wenn eine von mehreren permanenten Abgabegrenzen an die Lichtmaschine angelegt wird. Wie gezeigt, wird eine erste permanente Grenze PLIM₁ für Drehzahlen angelegt, die niedriger als die Motordrehzahlschwelle s₁₂ sind. Eine zweite permanente Grenze (PLIM₂) wird für Drehzahlen angelegt, die höher als die Motordrehzahlschwelle s₁₂ sind. Demgemäß nähert sich der Ausgangsstrom der maximalen Soll-Stromabgabe, wenn die erste (höhere) permanente Grenze angelegt wird. Bevor der Ausgangsstrom die maximale Stromabgabe überschreitet, wird die zweite (niedrigere) permanente Grenze angelegt, so dass der Ausgangsstrom reduziert wird. Demgemäß kann der Ausgangsstrom der Lichtmaschine die maximale Stromabgabe nicht überschreiten, wodurch eine Beschädigung der Lichtmaschine vermieden wird.
Die 7A und 7B stellen permanente Grenzen zum Schutz einer Lichtmaschine vor übermäßiger Stromabgabe bzw. übermäßigem Drehmoment dar. 7A stellt das Anlegen von zwei permanenten Grenzen dar, wobei eine niedrigere permanente Grenze bei höheren Motordrehzahlen angelegt wird. Demgemäß stellt 7A Erregerströme für eine Leistungssteuerung dar, die in einem Überstromschutzmodus arbeitet.
7B stellt das Anlegen von zwei permanenten Grenzen dar, wobei eine höhere permanente Grenze bei höheren Motordrehzahlen angelegt wird. Demgemäß stellt 7B Erregerströme für eine Leistungssteuerung dar, die in einem Überdrehmomentschutzmodus arbeitet. Wie durch die gestrichelten Linien dargestellt, kann sowohl im Strombegrenzungs- als auch Drehmomentbegrenzungsbetriebsmodus eine Hysterese angelegt werden.
Obgleich die Beschreibung detailliert beschrieben worden ist, sollte auf der Hand liegen, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von dem Wesen und Umfang der vorliegenden Anmeldung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen. Des Weiteren soll der Umfang der Anmeldung nicht auf die konkreten hierin beschriebenen Ausführungsformen beschränkt werden, da für einen Durchschnittsfachmann aus dieser Anmeldung leicht hervorgeht, dass Prozesse, Maschinen, Herstellung, Materialzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte, die zurzeit vorliegen oder später zu entwickeln sind, im Wesentlichen dieselbe Funktion durchführen oder im Wesentlichen das gleiche Ergebnis erzielen können wie die hierin beschriebenen entsprechenden Ausführungsformen. Demzufolge sollen die beigefügten Ansprüche innerhalb ihres Umfangs solche Prozesse, Maschinen, Herstellung, Materialzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte mit umfassen.

Claims

Vorrichtung, umfassend: eine digitale Schnittstelle, die zur Kopplung mit einer Motorsteuereinheit ist; einen Regler, der zur Kopplung mit einem Erregerstromeingang eines Stromgenerators eingerichtet ist, wobei der Erregerstrom durch den Stromgenerator erzeugten Strom steuert; einen Frequenzsensor, der zum Messen der Drehzahl des Stromgenerators eingerichtet ist; und einen Speicher, der eine durch die digitale Schnittstelle kommunizierte Grenze und eine erste permanente Grenze speichert, wobei der Regler eingerichtet ist, den Erregerstrom auf die jeweils niedrigere der ersten permanenten Grenze und der kommunizierten Grenze zu begrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Regler ferner eingerichtet ist, die kommunizierte Grenze periodisch mit einem Wert zu aktualisieren, der von der Motorsteuereinheit erhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der von der Motorsteuereinheit empfangene Wert ausgewählt ist, um die Grenze des von dem Stromgenerator erzeugten Stroms zu begrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der von der Motorsteuereinheit empfangene Wert ausgewählt ist, um ein in dem Stromgenerator erzeugtes Gegenmoment zu begrenzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Speicher ferner eine zweite permanente Grenze und eine der zweiten permanenten Grenze zugeordnete Drehschwelle speichert, wobei der Regler ferner eingerichtet ist, den Erregerstrom auf die niedrigere der zweiten permanenten Grenze und der kommunizierten Grenze zu begrenzen, wenn die Drehzahl des Stromgenerators größer als die Drehschwelle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste permanente Grenze höher als die zweite permanente Grenze ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste permanente Grenze niedriger als die zweite permanente Grenze ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, wobei der Regler ferner eingerichtet ist, den Erregerstrom als Reaktion darauf, dass die digitale Schnittstelle eine Verbindung mit der Motorsteuereinheit verliert, auf die erste permanente Grenze zu begrenzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–8, die ferner den Stromgenerator umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Stromgenerator eine Drehspule in Statorspulen umfasst.
Verfahren, umfassend: Empfangen einer kommunizierten Grenze für Erregerstrom in einem Stromgenerator über eine digitale Schnittstelle; Bestimmen einer permanenten Grenze für den Erregerstrom in dem Stromgenerator; Begrenzen des Erregerstroms auf die kommunizierte Grenze als Reaktion darauf, dass die kommunizierte Grenze niedriger als die permanente Grenze ist; und Begrenzen des Erregerstroms auf die permanente Grenze als Reaktion darauf, dass die kommunizierte Grenze höher als die permanente Grenze ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen der permanenten Grenze Folgendes umfasst: Bestimmen einer Drehzahl des Stromgenerators; und Wählen einer permanenten Grenze aus mehreren permanenten Grenzen, wobei die eine oder die mehreren permanenten Grenzen jeweils einer unteren und oberen Drehzahlschwelle entsprechen, wobei die Drehzahl des Stromgenerators zwischen der unteren und oberen Drehzahlschwelle der gewählten permanenten Grenze liegt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die mehreren permanenten Grenzen eine erste permanente Grenze und eine zweite permanente Grenze umfassen, wobei die obere Drehzahlschwelle der ersten permanenten Grenze niedriger als die obere Drehzahlschwelle der zweiten permanenten Grenze ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste permanente Grenze höher als die zweite permanente Grenze ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste permanente Grenze niedriger als die zweite permanente Grenze ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–15, ferner umfassend: Empfangen einer aktualisierten permanenten Grenze über die digitale Schnittstelle; und Speichern der aktualisierten permanenten Grenze im Speicher.
System, umfassend: eine Motorsteuereinheit; eine mit der Motorsteuereinheit gekoppelte digitale Schnittstelle; einen mit der digitalen Schnittstelle gekoppelte Stromgenerator, wobei der Stromgenerator Folgendes umfasst: einen Speicher, der zum Speichern einer von der digitalen Schnittstelle kommunizierten Grenze und einer ersten permanenten Grenze eingerichtet ist; einen Erregerstromeingang; und einen mit dem Erregerstromeingang gekoppelten Regler, wobei der Regler eingerichtet ist, eine Stromabgabe von dem Stromgenerator durch Variieren des Erregerstroms zu steuern, wobei der Regler eingerichtet ist, den Erregerstrom auf die niedrigere der ersten permanenten Grenze und der kommunizierten Grenze zu begrenzen.
System nach Anspruch 17, wobei der Stromgenerator ferner einen Rotationssensor umfasst, der mit einem Ausgang des Stromgenerators gekoppelt ist, wobei der Rotationssensor eingerichtet ist, die Drehzahl des Stromgenerators zu messen.
System nach Anspruch 18, wobei der Speicher ferner eingerichtet ist, eine zweite permanente Grenze zu speichern, wobei die erste permanente Grenze einer ersten Drehschwelle zugeordnet ist und die zweite permanente Grenze einer zweiten Drehschwelle zugeordnet ist, wobei der Stromgenerator eingerichtet ist, den Erregerstrom auf die erste permanente Grenze zu begrenzen, wenn die Drehzahl des Stromgenerators niedriger als die erste Drehschwelle ist, wobei der Stromgenerator eingerichtet ist, den Erregerstrom auf die zweite permanente Grenze zu begrenzen, wenn die Drehzahl des Stromgenerators niedriger als die zweite permanente Grenze ist.
System nach einem der Ansprüche 17–19, wobei der Stromgenerator eingerichtet ist, die im Speicher gespeicherte erste permanente Grenze mit einer von der Motorsteuereinheit über die digitale Schnittstelle empfangenen aktualisierten permanenten Grenze zu aktualisieren.