DE19639826B4

DE19639826B4 - Ladesystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE19639826B4
Application number: DE19639826A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1995-10-14
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2016-09-28
Also published as: DE19639826A1

Abstract

Ladesystem für ein Kraftfahrzeug mit einem von einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Generator, der eine Erregerwicklung aufweist, über die eine Generatorausgangsspannung einstellbar ist, einer aufladbaren Batterie, deren Aufladung mittels der Generatorausgangsspannung erfolgt, und einem Steuermittel, das mindestens eine Betriebskenngröße der Verbrennungskraftmaschine erfaßt und während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine unter bestimmten Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine die Erregerwicklung entregt, wobei das Steuermittel während einer Fahrt des Kraftfahrzeuges als Betriebskenngröße der Verbrennungskraftmaschine deren Kraftstoffeinspritzmenge und/oder deren Lastmoment und/oder deren Drosselklappenstellung und/oder deren Drehzahl und/oder die Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges erfaßt und oberhalb eines erhöhten Wertes dieser Betriebskenngrößen die Erregerwicklung entregt, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel einen Batterieladezustand erfaßt, und daß der erhöhte Wert abhängig ist von dem Batterieladezustand und bei einem hohen Batterieladezustand tief und bei einem niedrigen Batterieladezustand hoch liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladesystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Patentanspruch 1 der DE 195 34 902 .

Bei konventionellen Bordnetzen von Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen wird der benötigte Strom unabhängig vom momentanen Wirkungsgrad nach Möglichkeit vollständig vom Generator erzeugt. Eine mitgeführte Batterie dient im wesentlichen als Energiespeicher für den Startvorgang, zur Sicherung des Stromhaushaltes bei einer Bordnetzbelastung oberhalb des Generatorstroms sowie (kurzzeitig) der Versorgung des Bordnetzes bei Motorstillstand. Beim Betrieb des konventionellen Bordnetzes ist auf Grund des Dauerbetriebes des Generators die eingesetzte Energiemenge, d.h. die Kraftstoffmenge in g/kWh, gegenüber einer optimierten Stromerzeugung mittels eines separaten Stromgenerators hoch. Hinzu kommt, daß mit steigender Generatordrehzahl die Generatorantriebsleistung gegenüber der Generatorleistung steigt (1). Zur Reduzierung der mechanischen Verluste des Generators sind daher Vorrichtungen zur Regelung der Generatordrehzahl entwickelt worden ( DE 31 50 446 A ). Weiterhin wurde eine Regelung eines Ladesystems für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen ( DE 33 13 398 C ), bei dem die Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine zur Regelung des Ladesystems herangezogen werden. Hierbei wird auch die Regelung des Verbrennungsmotors durch den Ladevorgang beeinflußt. Aus der EP 0 139 429 B ist eine Lade system-Regelung bekannt, in der bei geladener Batterie eine Umschaltung der Generatorspannung auf Erhaltungsladung erfolgt. Hieraus sowie aus der DE 31 04 864 C ist außerdem ein Laden der Kraftfahrzeug-Batterie während einer Fahrzeugverzögerung bekannt, wobei in der letztgenannten Schrift der Generator ausschließlich bei einer Fahrzeugverzögerung elektrisch zugeschaltet ist. Ferner ist aus der DE 36 18 868 C ein Ladesystem für Kraftfahrzeuge bekannt, bei dem bei einer niedrigen Geschwindigkeit der Generator elektrisch entkoppelt wird, damit der Verlust an Ausgangsleistung des Motors bei niedriger Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges gering ist. Aus der DE 41 02 150 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Generator zur Stromerzeugung nur bei bestimmten Betriebszuständen im Motorverbrauchskennfeld, insbesondere bei einem schlechten Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, betrieben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes gattungsgemäßes Ladesystem für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, bei dem der Ladezustand der Batterie berücksichtigt wird.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Ladesystem mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Ladesystem wird berücksichtigt, daß bei Generatordrehzahlen bis ca. 8000 U/min die mechanischen Verluste (Lüfterverluste und Reibung) relativ gering sind, und daß die Generatorantriebsleistung bis zu dieser Drehzahl weitgehend drehzahlunabhängig proportional zum erzeugten Strom ist. Bei einer mechanischen Trennung des Generators von seinem Antrieb sind daher bis zu dieser Drehzahl. gegenüber einer elektrischen Entregung durch Unterbrechung des Erregerstroms keine wesentlichen Vorteile zu erwarten.

Mit einem Steuermittel wird der Ladezustand der Batterie erfasst und unterhalb eines Mindestladezustandes die Erregerwicklung des Generators nicht entregt. Der Ladezustand kann beispielsweise über die Batteriespannung erfasst werden, vorteilhaft werden jedoch die Lade- und Entladeströme der Batterie über die Zeit integriert.

Anders als beim Stand der Technik, gemäß dem der Generator ausschließlich bei einer Verzögerung das Kfz. aktiv ist – hier wird der Generatorstrom zum Null-Tarif erzeugt – berücksichtigt das erfindungsgemäße Ladesystem den spezifischen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine. So ist bei kleinen und mittleren Lasten der spezifische Kraftstoffverbrauch (in g/kWh) weitgehend unabhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und nahezu ausschließlich vom Motormoment abhängig (2). Während des Fahrzeugbetriebes sind die durch die Fahrwiderstände (Luft-, Roll- und Beschleunigungswiderstand) bedingten Betriebspunkte im Mitteldruck-Drehzahl-Kennfeld (Muschel-Diagramm, 2) vorgegeben. Die Erfindung macht sich insbesondere den unterschiedlichen Abstand der Linien gleichen spezifischen Kraftstoffverbrauchs zu Nutze. Dies wird anhand von 2 weiter unten näher beschrieben.

Da das Lastmoment von der Einspritzmenge, der Drosselklappenstellung, der Drehzahl und auch der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges abhängt, können all diese Betriebskenngrößen für das Entregen des Generators herangezogen werden. Besonders günstig, da einfach zu bewerkstelligen, kann die Motordrehzahl zusammen mit der Einspritzmenge oder die Motordrehzahl zusammen mit der Drosselklappenstellung (bei Ottomotoren) zur Bestimmung des Lastmomentes herangezogen werden. Die Einspritzmenge wird vorteilhaft einem Durchflußmesser in der Kraftstoffleitung abgenommen oder, besonders einfach, über die Einspritzdauer bestimmt. Der Wert der Betriebskenngröße, oberhalb dessen die Erregerwicklung, insbesondere die Feldwicklung des Generators, entregt wird, wird vorteilhaft so gewählt, daß der spezifische Kraftstoffverbrauch für die Stromerzeugung oberhalb des Wertes der Betriebskenngröße höher ist als unterhalb des Wertes, wobei hierbei insbesondere auch die mechanischen Verluste im Generator mit berücksichtigt werden.

Vorteilhaft wird von dem verwendeten Steuermittel, das die Betriebskenngrößen für das Entregen des Generators erfaßt, auch die Generatordrehzahl (beispielsweise über die Motorendrehzahl) erfaßt und die Entregung des Generators bei einem längeren Verweilen in einem Generatordrehzahlbereich oberhalb von 8000 U/min, insbesondere oberhalb von 12000 U/min, aufgehoben. Bei längerer Verweilzeit kommen Zeiten insbesondere zwischen 0,5 und 5 min. in Betracht. Bei diesen hohen Drehzahlen ist zwar der Kraftstoffverbrauch des Generators im Verhältnis zur Generatorleistung besonders hoch, das Entregen des Generators bringt aber nur einen geringen Gewinn, da die mechanische Verlustleistung des Generators bestehen bleibt. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn bei diesen dauerhaft hohen Drehzahlen und meist auch entsprechend hohen Geschwindigkeiten des Fahrzeuges die volle Generatorleistung zur Verfügung steht, um beispielsweise Lüfter und Lichtquellen ohne Batteriebelastung zu versorgen.

Zu Vermeidung einer zu hohen Batteriebelastung ist es außerdem vorteilhaft, wenn der Stromverbrauch des Kraftfahrzeuges und/oder einzelner Stromverbraucher, wie beispielsweise der Lüftung oder der Beleuchtung, erfaßt werden. Oberhalb eines vorbestimmten Stromverbrauches wird dann die Entregung außer Betrieb gesetzt.

Vorzugsweise haben der Mindestladezustand und der vorbestimmte Hochstromverbrauch, bei dessen Unter- bzw. Überschreiten die Entregung außer Betrieb gesetzt wird, einen variablen Einsatz, der abhängig ist beispielsweise von der jeweils anderen Größe (Ladezustand/Stromverbrauch). Hierdurch wird eine optimal häufige Entregung des Generators möglich.

Besonders günstig ist das Ladesystem mit einer Schuberkennung ausgerüstet, die bei einer Schuberkennung der Verbrennungskraftmaschine eine Entregung des Generators aufhebt. Da im Schubbetrieb kein oder nur wenig Kraftstoff verbraucht wird, ist hier die Gene ratorleistung besonders wirtschaftlich zu erhalten.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß der Generatorstrom mit möglichst gutem Gesamtwirkungsgrad gewonnen wird. Dazu wird die Erstdrosselung insbesondere des Ottomotors genutzt, indem bevorzugt im Leerlauf und unteren Teillastbereich der Generator erregt ist und in Bereichen hoher Last der Generator entregt ist, wobei der Schwellwert zur Generatorregelung dynamisch ist.

Um – als Folge eines Fahrbetriebs mit überwiegend hoher Last – ein Absinken des Batterieladezustandes unter einen wiederstartgefährdenden Mindestladezustand zu vermeiden, wird mit sinkendem Batterie-Ladezustand das Maximalmoment (der erhöhte Wert) der Generatorerregung angehoben. Diese Anhebung ist so auszulegen, daß bei einem Ladezustand der Batterie unterhalb des Mindestladezustandes das Maximalmoment der Generatorregung das maximale Motordrehmoment übertrifft, so daß der Generator in allen Betriebszuständen erregt ist.

vorzugsweise stellt die Kurve des Maximalmomentes der Generatorregung eine Hyperbel dar, die in der Nähe des Mindestladezustandes unendlich hohe Werte annimmt, in weiten Bereichen des Batterieladezustandes jedoch geringe Werte aufweist. Somit werden über eine weite Spanne des Batterieladezustandes ein niedriges Maximalmoment der Generatorregung und hohe Zeitanteile einer Fahrt mit entregtem Generator gewährleistet.

Im realen Fahrbetrieb sind bei normaler Strombelastung (ca. 30 A) bei einem Mittelklasse-Pkw (m = 1 500 kg) mit Ottomotor (2,0 ltr, 85 kW) im FTP-Zyklus Verbrauchseinsparungen von ca. 2 % zu erreichen. Der Batterieladezustand liegt dabei bei ca. 90 ± 2 %.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher beschrieben:
Es zeigen
1 ein Leistungsdiagramm eines Generators;
2 ein Muscheldiagramm;
3 ein Raumdiagramm des spezifischen Verbrauchs eines Generators;
4 ein Schaltdiagramm für die Generatorentregung; und
5 ein Diagramm für den Betriebbereich des Generators.
Aus 1 ist ersichtlich, daß bis zu einer Generatordrehzahl von ca. 8000 U/min. die mechanischen Verluste gering sind. Ein Punkt B steht für Generatorstrom von ca. 45 Ampere und eine Generatorantriebsleistung von 1 kW bei einer niedrigen Generatordrehzahl. Bei einer mittleren Generatordrehzahl ist für den gleichen Generatorstrom bereits eine Generatorantriebsleistung von 1,15 kW notwendig (Punkt D). Übertragen in ein Muscheldiagramm (2) liegt der Punkt B in einem ungünstigen Bereich des spezifischen Verbrauches des Motors (niedrige Motorlast), der Punkt D in einem günstigen Bereich. Eine Entlastung der Verbrennungskraftmaschine um die Generatorlast führt zu einer Verschiebung des Punktes B zum Punkt A und des Punktes D zum Punkt C. Da Punkt B auf einer Linie des spezifischen Verbrauches von 450 g/kWh und Punkt A von 700 g/kWh liegt, errechnet sich der spezifische Verbrauch für die Stromerzeugung zu (2 × 450 – 700) = 200 g/kWh. Die Punkte D und C liegen auf Linien spezifischen Verbrauches von 275 bzw. 278 g/kWh, entsprechend berechnet sich der spezifische Verbrauch für die Generatorantriebsleistung zu (18,65 × 275 – 17,5 × 278) = 263,75 g/kWh. Dies entspricht einem Verbrauchsunterschied von über 30 % gegenüber den Betriebspunkten A/B. In 3 ist der spezifische Verbrauch für eine Generatorantriebsleistung von 1 kW für die Hauptfahrbereiche aufgetragen, gegen die Motordrehzahl und das Lastmoment. Man erkennt, daß über weite Bereiche mit zunehmender Motorlast und/oder zunehmender Motordrehzahl der spezifische Verbrauch der Generatorantriebsleistung steigt. Durch geeignete Wahl der Entregungspunkte des Generators, insbesondere in den Bereichen höherer Lastmomente, läßt sich der Generator im Bereich niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauches betreiben. Während der Entregung des Generators wird das Bordnetz über die Batterie mit Strom versorgt.
Eine beispielhafte Funktion des Ladesystems wird im folgenden an Hand von 4 erläutert.
In einem Steuergerät werden in regelmäßigen Zeitabständen t die Drehzahl U einer (nicht dargestellten) Verbrennungskraftmaschine, deren Einspritzmenge m_e _in und (oder alternativ zur Einspritzmenge) eine Drosselklappenstellung a erfaßt. Aus diesen Eingangsdaten wird das Lastmoment Md der Verbrennungskraftmaschine bestimmt. An einer (nicht dargestellten) Batterie wird über einen weiteren Meßfühler in regelmäßigen Zeitabständen t_b der Lade-/Entladestrom I_Batt gemessen und der Ladezustand LZ durch Addition des Produktes aus Lade-/Entladestrom und dem Zeitabstand t_b ermittelt. Die Größe LZ beschreibt den aktuellen Ladezustand der Batterie als prozentuales Verhältnis der Rest-Kapazität zur Nenn-Kapazität. In dem Steuergerät wird weiterhin geprüft, ob die eingespritzte Kraftstoffmenge m_ein – o ist (Schub), oder ob das Lastmoment Md unter einem Wert a/LZ – b liegt, wobei a beispielsweise im Bereich 500 – 2000 und b für Blei-Batterien bevorzugt im Bereich 50 – 70 liegen kann. Falls eines dieser Kriterien erfüllt ist, bleibt der Generator erregt; wenn beide dieser Kriterien nicht erfüllt sind, wird mittels einer geeigneten Vorrichtung (z.B. Relais) der Erregerstrom des Generators unterbrochen, der Generator liefert keinen Strom mehr und das Bordnetz wird aus der Batterie versorgt. Durch entsprechende Wahl des Parameters b wird sichergestellt, daß bei Erreichen des kritischen Ladezustandes der Batterie der Schwellenwert für das Mindestdrehmoment zum Ausschalten des Erregerstroms so weit ansteigt, daß er im Betrieb nicht mehr erreicht wird.
In 5 ist der Schwellwert, oberhalb dessen der Generator entregt (4) ist, beispielhaft für die Auslegung
(? = Abfrage) in Abhängigkeit des Ladezustandes der Batterie und des Motor-Drehmoments dargestellt. Der Schwellwert bezieht sich auf das am Motor anliegende Drehmoment, kann aber auch auf andere der oben genannten Größen bezogen werden. Unterhalb der Kurve 1 ist der Generator erregt (5), darüber entregt (4). Bei etwa 57 % Batterieladezustand (Mindestladezustand 3) erreicht die Kurve 1 den Wert 2 des max. Drehmoments des Motors, so daß bei einem Batterieladezustand < 57 %keine erhöhten Werte (für das Drehmoment des Motors) mehr existieren bei denen der Generator entregt wird. Im normalen Fahrbetrieb erfolgt also die Häufigkeit der Generatorentregung in Abhängigkeit des Ladezustands der Batterie.

Claims

Ladesystem für ein Kraftfahrzeug mit einem von einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Generator, der eine Erregerwicklung aufweist, über die eine Generatorausgangsspannung einstellbar ist, einer aufladbaren Batterie, deren Aufladung mittels der Generatorausgangsspannung erfolgt, und einem Steuermittel, das mindestens eine Betriebskenngröße der Verbrennungskraftmaschine erfaßt und während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine unter bestimmten Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine die Erregerwicklung entregt, wobei das Steuermittel während einer Fahrt des Kraftfahrzeuges als Betriebskenngröße der Verbrennungskraftmaschine deren Kraftstoffeinspritzmenge und/oder deren Lastmoment und/oder deren Drosselklappenstellung und/oder deren Drehzahl und/oder die Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges erfaßt und oberhalb eines erhöhten Wertes dieser Betriebskenngrößen die Erregerwicklung entregt, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel einen Batterieladezustand erfaßt, und daß der erhöhte Wert abhängig ist von dem Batterieladezustand und bei einem hohen Batterieladezustand tief und bei einem niedrigen Batterieladezustand hoch liegt.
Ladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Betriebskenngröße derart ausgewählt ist, daß ein spezifischer Kraftstoffverbrauch für eine Generatorleistung oberhalb des Wertes höher ist als unterhalb des Wertes.
Ladesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel die Generatordrehzahl erfaßt und bei längerem Überschreiten einer Generatordrehzahl von 8000 U/min, insbesondere von 12000 U/min, die Erregerwicklung nicht entregt.
Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel unterhalb eines Mindestladezustandes die Erregerwicklung nicht entregt.
Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel einen Stromverbrauch des Kraftfahrzeuges und/oder einzelner Stromverbraucher eines Kraftfahrzeuges erfaßt und oberhalb eines Hochstromverbrauches und/oder beim Einsatz einzelner Stromverbraucher die Erregerwicklung nicht entregt.
Ladesystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestladezustand und/oder der Hochstromverbrauch einen variablen Einsatz haben.
Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel Mittel zum Erfassen einer Kraftfahrzeugverzögerung und/oder eines Schubbetriebes der Verbrennungskraftmaschine umfaßt und beim Erfassen einer Verzögerung und/oder eines Schubbetriebes die Erregerwicklung nicht entregt.
Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit zunehmendem Batterieladezustand der erhöhte Wert abnimmt.
Ladesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme des erhöhten Wertes hyperbolisch ist.