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DE4307907A1 - Verfahren zur Regelung eines Generators in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zur Regelung eines Generators in einem Kraftfahrzeug

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Publication number
DE4307907A1
DE4307907A1 DE4307907A DE4307907A DE4307907A1 DE 4307907 A1 DE4307907 A1 DE 4307907A1 DE 4307907 A DE4307907 A DE 4307907A DE 4307907 A DE4307907 A DE 4307907A DE 4307907 A1 DE4307907 A1 DE 4307907A1
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DE
Germany
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battery
generator
voltage
batt
max
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DE4307907A
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English (en)
Inventor
Horst Dr Ing Brinkmeyer
Heinz-Georg Dr Ing Burghoff
Heinz Leiber
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Daimler Benz AG
Original Assignee
Daimler Benz AG
Mercedes Benz AG
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Publication date
Application filed by Daimler Benz AG, Mercedes Benz AG filed Critical Daimler Benz AG
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/14Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field
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    • H02P9/30Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
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    • HELECTRICITY
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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • HELECTRICITY
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung eines Generators in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei der heute gebräuchlichen Beschaltung von Drehstromgenera­ toren in Kraftfahrzeugen steuert ein Regler den Erregerstrom des Generators, wobei der Regler laufend die Bordnetzspannung UBatt mit einer festen, vorgebenen Sollspannung Usoll = Unom vergleicht und den Erregerstrom so nachregelt, daß UBatt den Sollwert Usoll erreicht. Bei 12-V-Bordnetzen liegt die Nominal­ spannung Unom zwischen 14 und 14,5 V. Die Nominalspannung muß so gewählt sein, daß auch bei langer Ladedauer das Risiko einer Überladung der Batterie gering ist. Daher folgen moderne elek­ tronische Regler einer temperaturabhängigen Regelcharakteristik, damit die Ladespannung bei Kälte höher als bei Wärme eingestellt wird.
Weiterhin ist aus der DE 28 48 556 C2 und der US 4 739 244 be­ kannt, bei Beschleunigungsvorgängen (Geschwindigkeitszunahme) die Erregung des Generators zu unterdrücken, um die volle Mo­ torleistung zum Antrieb des Fahrzeugs ausnutzen zu können. Das Bordnetz wird in dieser Phase allein aus der Batterie gespeist. Ein vergleichbares Regelungskonzept ist in der DE 31 04 864 C2 beschrieben, wo der Generator nur während einer Verzögerungs­ phase des Fahrzeugs erregt wird. Wenn die Aufladung der Batterie verstärkt aus der Rekuperation von Bremsenergie ge­ speist werden kann, wird Kraftstoff eingespart.
Da bei den heute typischen Lastströmen im Bordnetz die Batterie vergleichsweise schnell entladen aber viel Zeit zur Wiederauf­ ladung benötigen würde, ist bei den aufgeführten Verfahren eine ständige Überwachung des Batterieladezustands notwendig, die im Bedarfsfall den Generator ohne Rücksicht auf den Fahrzustand wieder einschaltet, um eine die Lebensdauer verkürzende Tief­ entladung der Batterie zu verhindern. Dieses Regelungskonzept bedingt also einen Mehraufwand zur Batterieüberwachung und hat den Nachteil, daß der Fahrzeugmotor - durch das Ein- und Aus­ schalten des Generators - einer schlagartig sich ändernden Last ausgesetzt ist, was zumindest dem Fahrkomfort abträglich ist.
Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, ein Regelungs­ konzept anzugeben, welches auf Verminderung des Kraftstoffver­ brauches, Unterstützung von Beschleunigungsvorgängen und Scho­ nung der Batterie ausgerichtet ist. Dabei sollen die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung macht von der Möglichkeit Gebrauch, die Bordnetzspannung innerhalb bestimmter Grenzen variieren zu können, ohne daß die einzelnen Komponenten des Bordnetzes in ihrer Funktion beeinträchtigt sind. Durch die Anpassung der Generatorspannung an den Fahrzustand kann auf einfache Weise der Leistungsfluß zwischen Generator, Batterie und Bordnetz so aufgeteilt werden, daß bei Beschleunigungsvor­ gängen der Fahrzeugmotor entlastet und bei Verzögerungsvorgän­ gen der Generator verstärkt Bremsenergie aufnehmen kann.
Weitere Vorteile der Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik bestehen darin, daß das Regelungsverfahren einfach und kostengünstig ist, zumal Maßnahmen zum Schutz vor einer Tiefentladung der Batterie nicht unbedingt benötigt werden.
Besondere vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet. Ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Der Schaltungsaufbau zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens,
Fig. 2a ein Flußdiagramm zu dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 2b ein Flußdiagramm zu einer Weiterbildung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens.
Die Fig. 1 zeigt den im wesentlichen bekannten Aufbau eines Bordnetzes, zusammengesetzt aus Verbrauchern 1, der Batterie 2, dem Drehstrom-Generator 3 mit Erregerwicklung 3.1, dem Span­ nungsregler 4 und dem Sollwertgeber 7. Beim Schließen des Fahrtschalters 5 fließt ein Vorerregerstrom über die Ladekon­ trollampe 6 durch den Regler 4 und verursacht in der Erreger­ wicklung 3.1 ein Magnetfeld, mit dem die Selbsterregung des Generators 3 eingeleitet wird. Für die Selbsterregung ist bei Generatorbetrieb keine fremde Stromquelle erforderlich, da der Erregerstrom dem induzierten Generatorstrom über eine eigene Anschlußklemme 3.2 entnommen wird. Gleichzeitig liegt zwischen einem Masseanschluß 3.3 und einem weiteren Anschluß 3.4 die (gleichgerichtete) Generatorspannung an, welche die Batterie 2 und die Verbraucher 1 speist. Wenn die Generatorspannung höher als die Batterie-Leerlaufspannung ist, fließt ein Strom vom Generator 3 zur Batterie 2 und lädt diese auf. Der am Innen­ widerstand der Batterie 2 anfallende Spannungsabfall addiert sich mit der Batterie-Leerlaufspannung zu der Batteriespannung UBatt, die mit Generatorspannung ausgeglichen ist. Um die Generatorspannung über den gesamten Drehzahlbereich und bei wechselnder Last konstant zu halten, ist ein Regler 4 erfor­ derlich, der den Erregerstrom in Abhängigkeit von der im Gene­ rator 3 induzierten Spannung so regelt, daß eine Spannung Usoll nicht überschritten wird.
Erfindungsgemäß ist dieser Sollwert Usoll nicht konstant son­ dern variiert zwischen einer unteren Grenze Umin einer oberen Grenze Umax und wird abhängig von Eingangsgrößen 7.1-7.n von einem Sollwertgeber 7 vorgegeben. Unter den Eingangs­ größen 7.1-7.n sind Betriebsparameter, die den Fahrzustand be­ treffen, wie z. B. Bremslichtschalter 7.1, Kick-Down-Schalter 7.2, Fahrpedalstellung, Bremsdruck, Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Betriebsparameter, die den Bordnetzzustand charakteri­ sieren, wie z. B. Batteriespannung UBatt 7.3, Batteriestrom IBatt 7.4, Batterietemperatur TBatt 7.5, Generatortemperatur. Die Betriebsparameter werden in an sich bekannter Weise mit­ einander verknüpft, um die Fahrzustände "Bremsen" und "Be­ schleunigen" und damit entsprechend dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren die Sollwertvorgabe Usoll zu ermitteln. In einfachster Ausführung, werden die entsprechenden Signale vom Bremslicht- 7.1 bzw. Kick-Down-Schalter 7.2 abgenommen. Die Betriebspara­ meter für den Bordnetzzustand können dazu herangezogen werden, die Lade- und Entladevorgänge der Batterie 2 so zu optimieren, daß die Batterie 2 geschont und ihre Lebensdauer verlängert wird.
Bei der Festlegung der Spannungsgrenzen Umin und Umax ist zu beachten, daß die Funktion der Verbraucher nicht beeinträchtigt wird. Auch muß die Batterie kurzzeitig - während der Fahrzu­ stände "Bremsen" und "Beschleunigen" - die überhöhte Ladespan­ nung bzw. stärkere Entladung tolerieren können, ohne daß ihre Lebensdauer stark verkürzt wird.
Die Fig. 2a stellt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens dar und wird im folgenden erläutert: Nach dem Start 101 wird im Fahrzeugbetrieb in einer Schleife laufend mit den Verzweigungen 102 und 104 der Fahrzustand ab­ gefragt. Die erste Verzweigung bedingt bei Vorliegen des Fahr­ zustandes "Beschleunigen", daß im Schritt 103 die Sollwert­ spannung Usoll den Wert Umin annimmt, womit der Leistungsfluß vom Generator in das Bordnetz reduziert wird und dem Fahrzeug­ motor dadurch mehr Leistung zur Verfügung steht. Das Bordnetz wird dabei überwiegend aus der Batterie gespeist.
Liegt kein Fahrzustand "Beschleunigen" vor, wird in der Ver­ zweigung 104 geprüft, ob der Fahrzeugstand "Bremsen" vorliegt. Trifft dieses zu, dann wird im Schritt 105 die Sollwertspannung Usoll auf Umax heraufgesetzt. Dadurch fließt ein erhöhter Ladestrom vom Generator zur Batterie und bewirkt aufgrund der größeren durch den Fahrzeugmotor anzutreibenden Last eine er­ höhte Bremswirkung. Die teilweise Rekuperation der kinetischen Energie des abzubremsenden Fahrzeug in elektrische Energie wird dadurch verbessert.
Liegt weder der Fahrzustand "Beschleunigen" noch "Bremsen" vor, bedingt die Verzweigung 104, daß im Schritt 106 Usoll die No­ minalspannung Unom vorgibt, was der herkömmlichen Spannungs­ vorgabe entspricht, wobei auch eine an sich bekannte Tempera­ turkompensation, welche die Nominalspannung auf die Umgebungs­ temperatur oder die Batterietemperatur anpaßt, vorgesehen kann.
Somit wird in jedem Abfragezyklus die Sollspannung Usoll auf den Fahrzustand angepaßt. Mit einer geeigneten Wahl der Schwell­ werte für die Erkennung der Fahrzustände "Beschleunigen", "Bremsen" und der Grenzspannungen Umin und Umax, kann bei ei­ nem typischen Fahrzyklus eine ausgewogene Ladungsbilanz der Batterie erreicht werden.
In der Ausgestaltung in Fig. 2b ist im Fahrzustand "Beschleu­ nigen" eine zeitliche Begrenzung der Sollwertvergabe Umin vorgesehen, um die Ladebilanz der Batterie während einer langen Beschleunigungsphase nicht zu sehr zu verschlechtern. Dazu wird nach dem Start 101 in einem Schritt 107 und nach jedem Schlei­ fendurchgang, in dem nicht ein Fahrzustand ",Beschleunigen" erkannt wurde im Schritt 109 eine Zeitmesser (Timer) auf t=0 zurückgesetzt (RESET). Der Zeitmesser kann im Sollwertgeber 7 in Fig. 1 integriert sein. Während einer Beschleunigungsphase wird in jedem Schleifendurchgang in der Verzweigung 108 geprüft, ob die gemessene Zeit t unterhalb einer charakteristischen Zeit tc liegt. Solange dies der Fall ist, bleibt es bei der Span­ nungsvorgabe Usoll = Umin und der Zeitmesser wird nicht zurück­ gesetzt. Wenn nach mehreren Schleifendurchgängen im Fahrzustand "Beschleunigen" die charakteristische Zeit tc überschritten wird, wird die Position 110 angesteuert und Spannungsvorgabe auf Usoll= Unom heraufgesetzt, womit der Generator die Batterie mit der Nominalspannung Unom wieder auflädt.
Das bisher geschilderte Verfahren trägt insbesondere zu einer Verbesserung der Fahrleistung während einer Beschleunigungs­ phase bei, indem der Bordnetzstrom vorwiegend aus der Batterie entnommen wird. Dies führt jedoch aufgrund von Lade- und Ent­ ladeverlusten zu einer gewissen Verschlechterung des Gesamt­ wirkungsgrades.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, in einer Beschleunigungsphase weniger die Fahrleistung als den Kraft­ stoffverbrauch zu optimieren. Hierbei ist Umin keine Konstant, sondern wird vom Batteriestrom IBatt abhängig geregelt und zwar so, daß dieser im Mittel verschwindet (IBatt = 0). Dazu nimmt der Sollwertgeber 7 in Fig. 1 den Batteriestrom IBatt 7.4 auf und verringert Umin bei IBatt < 0 (Aufladung) und erhöht Umin bei IBatt < 0 (Entladung). Mit diesem Regelungsverfahren wird wäh­ rend einer Beschleunigungsphase des Fahrzeugs die Batterie weder entladen noch geladen. Bei höchstem Wirkungsgrad (keine Ladeverluste) wird mit diesem Verfahren ein Maximum an Fahr­ leistung erreicht, da das Laden der Batterie in einem Moment verhindert wird, in dem die Motorleistung zur Beschleunigung des Fahrzeugs benötigt wird.
Die Überwachung des Batteriestromes IBatt ermöglicht in einer weiteren Ausgestaltung, auch den Ladevorgang während der Brems­ phase zu optimieren, indem Umax so geregelt wird, daß der Bat­ teriestrom IBatt den maximal zulässigen Ladestrom Imax (TBatt, UBatt) nicht überschreitet. Dies trägt zur Verlängerung der Lebensdauer der Batterie bei. Der Sollwertgeber 7 in Fig. 1 muß dafür neben IBatt 7.4 zusätzlich die Batteriespannung UBatt 7.3 und die Batterietemperatur TBatt 7.5 aufnehmen, aus denen er z. B. mittels eines Kennfeldes den maximal zulässigen Ladestrom Imax (TBatt, UBatt) bestimmt.
Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch begrenzt, daß manche Verbraucher nur relativ geringe Spannungs­ schwankungen zulassen. Diese Spanne läßt sich vergrößern, indem man Verbraucher in "spannungsunempfindliche Verbraucher" und "spannungsempfindliche Verbraucher" und letzteren einen Span­ nungsregler vorschaltet, der die Spannungsänderung vermindert.
Eine weitere Begrenzung der Wirksamkeit liegt im maximalen Strom, den die Batterie während einer Bremsphase aufnehmen kann. Um die Leistungsaufnahme durch den Generator zu vergrößern, kann die Zuschaltung von Verbrauchern sinnvoll sein, insbesondere von Verbrauchern mit hoher Leitungsaufnahme, die ihrerseits einen Energiespeicher aufladen (z. B. Druckluft oder Hydraulik). Dadurch wird zum einen die Generator-Brems­ wirkung erhöht, was zur Schonung von Bremsbelägen beiträgt, zum anderen kann in erhöhtem Maße Bremsenergie zurückgewonnen wer­ den. Dafür kann vorgesehen sein, daß vom Sollwertgeber 7 ein entsprechendes Steuersignal 9 für die Zuschaltung von Verbrau­ chern ausgegeben wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Regelung der Generatorspannung in einem Kraft­ fahrzeug in Abhängigkeit von Betriebszuständen,
  • - wobei der Generator von dem Fahrzeugmotor angetrieben wird und ein Bordnetz mit Verbrauchern und einer Batterie speist,
  • - wobei ein Regler die Generatorausgangsspannung auf den Wert einer Sollwertspannung Usoll einregelt,
  • - wobei Usoll von einem Sollwertgeber vorgegeben wird, welcher aus Eingangsgrößen die Fahrzustände "Beschleunigen" und "Brem­ sen" erkennt, dadurch gekennzeichnet, daß Usoll die Werte
  • - Usoll= Umin im Fahrzustand "Beschleunigen",
  • - Usoll= Umax im Fahrzustand "Bremsen" und
  • - Usoll= Unom sonst annimmt, wobei für die Spannungen Umin < Unom < Umax gilt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Umin auf Unom angehoben wird, wenn die Dauer der Beschleunigungs­ phase eine kritische Zeit tc überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Umax in Abhängigkeit von der Batterietemperatur TBatt und der Bat­ teriespannung UBatt so geregelt wird, daß der maximal zulässige Batterie-Ladestrom Imax (TBatt, UBatt) nicht überschritten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Umin in Abhängigkeit vom Batteriestrom IBatt so geregelt wird, daß im Fahrzustand "Beschleunigen" die Batterie weder geladen noch entladen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Fahrzustand "Bremsen" Verbraucher mit hoher Leistungsaufnahme zugeschaltet werden, die ihrerseits einen Energiespeicher aufladen können.
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