DE4307907A1 - Verfahren zur Regelung eines Generators in einem Kraftfahrzeug - Google Patents
Verfahren zur Regelung eines Generators in einem KraftfahrzeugInfo
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4307907A DE4307907A1 (de) | 1993-03-12 | 1993-03-12 | Verfahren zur Regelung eines Generators in einem Kraftfahrzeug |
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DE4307907A1 true DE4307907A1 (de) | 1994-05-05 |
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ID=6482644
Family Applications (1)
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