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Technisches Gebiet
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Der
aktuelle, zu verschiedenen Zeitpunkten unterschiedliche Werte annehmende
Generatorstrom ist für
die Erstellung von Momentenverläufen
in Kraftfahrzeugen oder zur Bestimmung der Ladebilanz eines Energiespeichers
wie zum Beispiel der Kfz-Batterie eine entscheidende Größe. Neben
dem aktuellen Wert des Generatorstromes geht in die Bestimmung der
Ladebilanz einer Kfz-Batterie auch die Außentemperatur ein, die ebenfalls
Schwankungen unterworfen sein kann, was unter Umständen zu
ungenauen Aussagen über
die Ladebilanz der Kfz-Batterie führen kann. Der Generator-Ausgangsstrom stellt
ebenfalls eine zeitlich schwankende Eingangsgröße für die Erstellung der Ladebilanz
einer Kfz-Batterie dar, der über
plausibel erscheinende Schätzwerte
in die Momentenmodelle eingeht und diese sowie auch die Ladebilanz
einer Batterie mit starken Unsicherheiten hinsichtlich der Aussagefähigkeit
der erhaltenen Ergebnisse behaftet.
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Stand der Technik
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DE 37 28 673 C2 hat
eine Anordnung zum Erfassen der Größe einer elektrischen Last
in einem Kraftfahrzeug zum Gegenstand. Die Anordnung umfasst eine
den Laststrom führende
erste Leitung und eine ebenfalls stromführende zweite Leitung. Die
Leitungen verlaufen innerhalb einer Sicherungseinheit des Fahrzeuges,
wobei die erste Leitung einen Abschnitt aufweist, welcher rechtwinklig
zur zweiten Leitung verlauft und der Abschnitt von einem mit einem magnetoelektrischen
Wandler versehenen Magnetkern umringt ist. Im Magnetkern ist ein
Spalt ausgebildet, wobei der magnetoelektrische Wandler ein in den
Spalt eingeführtes
magnetoelektrisches Wandlerelement umfasst. Die zweite elektrische
Leitung enthält
ein erstes Sicherungselement, wohingegen die erste elektrische Leitung
ein zweites Sicherungselement innerhalb der Sicherungseinheit umfasst.
Mit dieser Anordnung soll die Detektion des Laststromes in der Sicherungseinheit
mit hoher Genauigkeit erfolgen.
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DE 199 30 017 A1 bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Spannungserzeugung in einem Kraftfahrzeug.
Das Kraftfahrzeug umfasst einen vom Fahrzeugmotor angetriebenen
Generator mit einer Erregerwicklung sowie einen Stator mit zwei
galvanisch voneinander getrennten Wicklungen. Von diesen Wicklungen
werden zwei verschieden hohe Betriebsspannungen (12 Volt, 42 Volt)
abgeleitet. Die beiden Wicklungen liegen in den selben Nuten des Stators,
wobei die zweite Betriebsspannung (42 Volt) durch Steuerung des
Stromes in der Erregerwicklung und die erste Betriebsspannung (12
Volt) durch eine Pulsweitenmodulation von aktiv gesteuerten Gleichrichtern
in Form von Feldeffekttransistoren geregelt ist. Der Stromflusswinkel
der Feldeffekttransistoren ist innerhalb einer Periode der von der
Statorwicklung erzeugten Wechselspannung in Abhängigkeit von der Winkellage
des Rotors des Generators so gesteuert, dass der Stromflusswinkel
etwa phasengleich mit der von der Statorwicklung erzeugten Wechselspannung
ist und ein Cosinus φ in
der Nähe von
1 erziehlt wird.
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Mangels
schnell vorliegender, aussagekräftiger
Werte für
den Generatorstrom wurde dieser, je nach Anforderung, bestimmten
dazu geeigneten Kennfeldern entnommen, in denen Ersatzgrößen angegeben
sind. Geeignete Ersatzgrößen zur
Berechnung des Generator-Ausgangsstromes sind beispielsweise das
Tastverhältnis
einer Feldendstufe sowie hinsichtlich der Ladebilanz einer Fahrzeugbatterie
das Temperaturmodell. Da in den Kennfeldern jedoch keine Werte für den aktuellen
Wert des Generatorausgangsstromes abgelegt sind, ist man gezwungen,
diesen aus den Ersatzgrößen der
geeigneten Kennfelder zu berechnen oder plausibel zu schätzen.
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Geschätzten Werten
haftet per se ein höherer
Unsicherheitsfaktor an, so daß die
Aussagefähigkeit
der geschätzten
Größen mit
erheblichen Unsicherheiten behaftet sein kann. Auch durchaus plausibel
geschätzte
Größen, gehen
sie als Eingangsgrößen in Berechnungsalgorithmen
ein, können
zu ungenauen Ergebnissen führen.
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Werden
aus den in den Kennfeldern abgelegten Ersatzgrößen hingegen Werte für einen
aus den Ersatzgrößen berechenbaren
Wert für
den Generator-Ausgangsstrom berechnet, bedarf es oft des Durchlaufens
zahlreicher Verweisstufen und des Zugriffs auf eine Vielzahl von
Kennfeldern. So ist auch für
die Berechnung einer Momentenverlaufstendenz ein erheblicher Berechnungsaufwand
von Nöten,
der sich insbesondere hinsichtlich seines zeitlichen Verlaufes sehr
kritisch verhalten kann. Dadurch vergeht unter Umständen eine
erhebliche, zur Berechnung hingegen notwendige Zeitspanne. Ferner
sind die Prozessoren einer Kfz-Elektronik
durch die aus Ersatzgrößen abgeleitete
Berechnung der aktuellen Werte für
den Generator-Ausgangsstrom nicht unerheblich belastet. Der schließlich errechnete
Endwert für
den Generator-Ausgangsstrom gemäß den bisher üblichen
Verfahren unter Heranziehung von Ersatzgrößen aus Kennfeldern ist unter
Umständen
bei Erhalt des Endwertes gemäß dieser
Berechnungsroutine schon überholt,
so daß Ressourcen
und Zeit für die
Ermittlung eines schließlich
nicht mehr aktuellen Wertes eingesetzt wurden.
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Dieser
Zustand ist höchst
unbefriedigend.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine
Vorrichtung anzugeben, mittels derer eine zum Ausgangsstrom einer
einen Generator aufweisenden elektrischen Maschine proportionale
Größe möglichst
unter Vermeidung von Ersatzgrößen zeitnah
ermittelt werden kann.
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Vorteile der Erfindung
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Mit
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren
und der vorgeschlagenen Vorrichtung läßt sich der Spannungsabfall
in einer oder mehreren Phasen des Generators bestimmen, in welchem
zum Beispiel eine Diode oder ein anderes elektrisches Bauelement
enthalten sein kann. Neben dem Spannungsabfall an einem elektrischen
Bauelement wie einer Diode oder einem Transistor kann auch der Spannungsabfall über dem
Bahnwiderstand sowie an einem diskreten elektrischen Widerstand
erfaßt werden.
Damit steht zwar auch eine Ersatzgröße, nämlich der ermittelte Spannungswert
zur Ermittlung des Wertes für
den Generatorstrom zur Verfügung, jedoch
läßt sich
aus diesem in einfacher Bauweise und ohne Zugriff auf umständlich zu
handhabende Größen enthaltende
Kennfelder der aktuelle Wert des Generator-Ausgangsstroms besonders
zeitnah ermitteln.
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Mit
dieser Lösung
kann der organisatorische Aufwand herabgesetzt und das zeitraubende
Zugreifen auf in Kennfeldern abgelegte Ersatzgrößen vermieden werden. Die Belastung
der Hardware-Komponenten wird erheblich herabgesetzt, so daß Ressourcen
zur Ermittlung oder Berechnung anderer relevanter Größen in der
Kfz-Elektronik für
andere Zwecke zur Verfügung
stehen.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung zur
Erfassung eines Spannungsabfalls in einem mit einer Phase der elektrischen
Maschine gekoppelten Phase steht eine elektrische Größe zur Verfügung, die
direkt mit der Höhe
des Generator-Ausgangsstromes zusammenhängt, so daß sich der Generator-Ausgangsstrom
anhand der Messung in einer Phase bestimmen läßt.
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Jeder
ermittelten Spannung läßt sich
ein definierter Strom zuweisen. Durch die zeitnah erfolgende Messung
und einer Abfolge kurzzeitig hintereinander erfolgender Messungen
kann zudem eine Aussage über
eine fallende Tendenz oder eine steigende Tendenz des Generator-Ausgangsstroms
getroffen werden. Dies läßt Prognosen
hinsichtlich einer sich noch entwickelnden Ladebilanz und sich abzeichnenden
Momententendenz eines Energiespeichers im Kfz-Bordnetz zu.
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Die
Genauigkeit der Messung des Spannungsabfalls in einer oder mehrerer
Phasen des Generators kann durch geeignete Auswahl der Bauteile, einen
vor Beginn der Spannungsmessung vorgenommenen Abgleich mittels einer
Kalibriermessung zur Ermittlung des Offsets noch verbessert werden. Der
ermittelte Generator-Ausgangsstrom, bzw. eine daraus ermittelte
Größe (zum
Beispiel Leistung oder Moment) kann in weiterverarbeitbarer Form
zum Beispiel als Zahlenwert, als Spannungspegel, als PWM-Signal
einem Steuergerät
zur Weiterverarbeitung zur Verfügung
gestellt werden.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Wiedergabe der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 die
Einbindung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Vorrichtung in die Versorgung eines Kfz-Bordnetzes.
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Ausführungsvarianten
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Der
Darstellung gemäß 1 ist
eine schematische Wiedergabe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu entnehmen.
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Gemäß der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
wird der Spannungsabfall in einem Bahnabschnitt 3 zwischen
einer Phase 2 einer elektrischen Maschine und der Masse 1 ermittelt.
In Bahnabschnitt 3 können
elektrische Bauelemente 4 enthalten sein, so zum Beispiel
Dioden, Transistoren oder diskrete Widerstände 7. Daneben fließt in die Ermittlung
des Spannungsabfalls im ausgewählten Bahnabschnitt 3 der
dem Bahnabschnitt innewohnende Leitungswiderstand 5 ein.
Der ermittelte Spannungsabfall im Bahnabschnitt 3 wird
der Eingangsseite einer Auswertungsstufe 9 aufgegeben.
Die Auswertungsstufe 9 umfaßt ein Auswerteteil 9.1 sowie ein
Ausgabeteil 9.2. Eingangsseitig sind dem Auswerteteil 9.1 der
Auswertungsstufe 9 Eingänge 11, 12 und 13 zugeordnet,
so daß mittels
des Auswerteteiles 9.1 der Auswertungsstufe 9 drei
Phasen einer elektrischen Maschine parallel gemessen werden könnten. In
der Darstellung gemäß 1 ist
am Eingang 11 des Auswerteteiles 9.1 der Auswertungsstufe 9 lediglich
eine Phase 2 einer elektrischen Maschine angeschlossen.
An den Eingängen 12 und 13 können die
weiteren Phasen der elektrischen Maschine angeschlossen werden.
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Aus
dem Zusammenhang von Strom und Spannung läßt sich mittels des im Bahnabschnitt 3 gemessenen
Spannungsabfalls unmittelbar auf den im Bahnabschnitt 3 fließenden Strom,
d.h. den Phasenstrom 6 rückschließen. Diese Größe für den Ausgangsstrom
einer elektrischen Maschine kann zeitnah ermittelt werden, ohne
daß der
Zugriff auf Verweisstufen und in Kennfeldern gespeicherte Ersatzgrößen zur
Bestimmung des Ausgangsstromes einer elektrischen Maschine notwendig
wäre.
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Im
oberhalb des Auswerteteils 9.1 befindlichen Ausgabeteil 9.2 der
Auswertungsstufe 9 wird aus dem ermittelten Wert für den Phasenstrom 6 ein weiterverarbeitbarer
Ausgangswert 10 generiert. Dieser wird an ein hier nicht
dargestelltes Steuergerät 39 übertragen.
Im Ausgabeteil 9.2 der Auswertungsstufe 9 erfolgt
eine Umwandlung des ermittelten Wertes für den Phasenstrom 6 in
eine weiterverarbeitbare Größe wie zum
Beispiel Leistung oder Moment. Dieser weiterverarbeitbare Ausgangswert
wird in geeigneter Form zum Beispiel als Zahlenwert, Spannungspegel,
PWM-Signal einer externen Stelle zum Beispiel in Gestalt eines Steuergerätes 39 (vgl. 2) zur
weiteren Verarbeitung zur Verfügung
gestellt.
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Neben
den im Bahnabschnitt 3 aufgenommenen Komponenten Diode 4 und
Widerstand 7 können
in diesem natürlich
auch andere elektrische Komponenten, die in 1 nicht
dargestellt sind, enthalten sein, welche einen festzustellenden
Spannungsabfall verursachen.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht
die Einbindung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung
in die Versorgung eines Kfz-Bordnetzes näher hervor.
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Über eine
am 3-Phasen-System betreibbare elektrische Maschine 30 wird
mittels einer Versorgungsleitung 21 ein Bordnetz 20 eines
Kraftfahrzeuges mit elektrischer Energie versorgt. Im Bordnetz eines
Kraftfahrzeuges können
die verschiedensten Verbrauchsstellen vorgesehen sein. Von einem
Kreuzungspunkt des Leitungssystems des Bordnetzes 20 zweigt
ein Masseanschluß 22 ab.
Als Verbrauchsstellen kommen Widerstände 25 sowie Induktivitäten 26 in
Frage, welche bei Bedarf über
Schalter 24 mit dem Leitungssystem des Bordnetzes 20,
welches über
die Versorgungsleitung 21 vom Generator 30 gespeist
wird, versorgt werden können.
Aus Gründen der
darstellerischen Vereinfachung sind die Verbrauchsstellen 25, 26, 27 bzw. 23 jeweils
symbolisch belegt worden, wobei es sich bei dem Widerstand 25 beispielsweise
um eine Heckscheibenheizung handeln kann. Mit Bezugszeichen 27 ist
eine Beleuchtungsanlage symbolisiert. Bezugszeichen 26 steht stellvertretend
für eine
Hochspannungszündanlage und
die schematisch wiedergegebenen Kondensatoren 23 für andere
Teile einer Kfz-Bordelektrik.
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Der
Beleuchtungsanlage 27 – hier
nur schematisch wiedergegeben – ist
ein eigener Schalter 28 zugeordnet, der beispielsweise
mit einem akustischen Signal gekoppelt sein kann, um bei abgeschalteter
Zündung
auf die noch in Betrieb befindliche Beleuchtung hinzuweisen.
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In
einem Gehäuse 29 ist
der am 3-Phasen-System RST betriebene Generator 30 zugeordnet.
Die erste Phase (R) ist mit 30.1 bezeichnet, die zweite
Phase 30.2 des Generators 30 ist mit S belegt, während die
dritte Phase 30.3 des Generators 30 mit T belegt
ist. Dem Generator ist eine Diodenanordnung 31 zugeordnet,
wobei die Dioden als steuerbare Dioden ausgelegt werden können, so
daß die
Diodenanordnung im Sinne eines Wechselrichters betrieben werden
kann. Daneben sind der Einsatz einer aktiven sowie einer passiven
Gleichrichterbrücke möglich. Das
Gehäuse 29,
welches den Generator 30 umfaßt, ist mittels einer Masseleitung 22 mit
der Fahrzeugmasse verbunden. Am dem Masseanschluß 22 gegenüberliegenden
Gehäuseende
zweigt die Versorgungsleitung 21 zur Versorgung des Bordnetzes 20 mit
elektrischer Energie ab.
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Im
linken Teil eines Reglerschaltkreises 33 ist die in 1 bereits
erwähnte
Auswertestufe 9, einen Auswerteteil 9.1 und einen
Ausgabeteil 9.2 enthaltend, integriert. Vom Reglerschaltkreis 33 umfaßt, ist
der Auswertungsstufe 9 ein Diodenzweig 34 sowie ein
in diesen integrierter Transistor, der mit der Gehäusemasse
verbunden ist, parallel geschaltet. An der Eingangsseite 36 befindet
sich der Eingang 11, der mit der Phase 30.3 der
Drehstrommaschine 30, d.h. des Generators, verbunden ist.
Die Phase 30.3 entspricht der in 1 mit Bezugszeichen 2 identifizierten
Phase der Drehstrommaschine 30. Bei Belegung der an der
Eingangsseite 36 des Reglerschaltkreises 33 bzw.
der Auswertungsstufe 9 befindlichen weiteren Eingänge 12 und 13 (vgl.
Darstellung gemäß 1)
ließen
sich auch die verbleibenden Phasen 30.2 und 30.1 der
elektrischen Drehstrommaschine im Sinne eines Spannungsabfalls ausmessen,
so daß die
jeweiligen in den Phasen 30.1, 30.2 und 30.3 fließenden Phasenströme 6 im
Auswerteteil 9.1 der Auswertestufe 9 ermittelt
werden können.
Im Ausgabeteil 9.2 der Auswertestufe erfolgt eine Umwandlung
des ermittelten Stromes für
die eine Phase 30.3 oder die mehreren Phasen 30.1, 30.2, 30.3 der elektrischen
Maschine 30. Im Ausgabeteil 9.2 kann darüber hinaus
auch eine Umwandlung der Werte des ermittelten Stromes in Größen wie
zum Beispiel Leistung oder Moment erfolgen, welche in geeigneter Form
an der Ausgangsseite 37 des Reglerschaltkreises 33 über eine
Signalleitung an eine externe Steuereinheit 39 übermittelt
werden können.
Die Ausgangssignale 10, 40, die an der Ausgangsseite 37 des
Reglerschaltkreises 33 anstehen, können in geeigneter form, sei
es als Zahlenwert, sei es als ein Spannungspegel, sei es als ein
Pulsweiten moduliertes Signal oder in anderer Form dem externen
Steuergerät 39 zur
weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt
werden.
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Werden
die sich einstellenden Spannungsabfälle an einer der Phasen 30.1, 30.2 oder 30.3 oder der
Phase 2 (vgl. Darstellung in 1) hintereinander
zu diskreten Zeitpunkten ermittelt, läßt sich durch die in Echtzeit
arbeitende Auswertungsstufe 9 bzw. des Auswerteteiles 9.1 eine
Tendenz des ermittelten Generator-Ausgangsstroms, d.h. des Phasenstroms 6 in
der jeweiligen Phase 30.1, 30.2 und 30.3 der elektrischen
Maschine 30 ableiten. Damit läßt sich eine Aussage über eine
fallende Generator-Ausgangsstromentwicklung oder über eine
steigende Generator-Ausgangsstromtendenz vornehmen. Die Genauigkeit
der von der Ausgangsseite 37 an die Eingangsseite des externen
Steuerkreises 39 übermittelten
Werte für
den Generator-Ausgangsstrom kann durch geeignete Auswahl der Bauteile
sowie durch einen vor Beginn der Messung erfolgenden Abgleich zur
Ermittlung des Offsets bzw. durch eine vorgeschaltete Kalibriermessung
noch erhöht
werden.
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Dem
Reglerschaltkreis 33 ist parallel zum Diodenzweig 34 eine
an- bzw. abkoppelbare Induktivität 32 parallel
geschaltet. An den Verbindungsstellen bzw. den Eingangsklemmen auf
der Eingangsseite 36 des Reglerschaltkreises 33 läßt sich
diese parallel zum Diodenzweig 34 koppeln oder auskoppeln.
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An
der Ausgangsseite 37 des Reglerschaltkreises 33 stehen
die ermittelten Werte 10, 40 in einer oder mehrerer
Phasen 30.1, 30.2, 30.3 der elektrischen
Maschine 30 ermittelten Werte für den Generator-Ausgangsstrom
an. In geeigneter Form, d.h. als Zahlenwert, Spannungspegel, Pulsweiten
moduliertes Signal werden die ausgangsseitigen Werte an die Eingangsseite
eines externen Steuergerätes 39 übermittelt.
Das Steuergerät 39 wiederum
liefert rückgekoppelte
Steuersignale 41 über
die direktionale Datenleitung an die Aus gangsseite des Reglerschaltkreises 33 zurück, so daß der Reglerschaltkreis 33 einer
Steuerung durch das externe Steuergerät 39 unterworfen ist.
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Mit
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren
sowie der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Messung des Generatorstromes in solchen Bahnabschnitten 3 zwischen
Phase 2, 30.1, 30.2 bzw. 30.3 eines
Generators 30 und Masse 1, welche elektrische
Bauelemente 4, 5,7 sowie Kombinationen elektrischer
Bauelemente enthalten, kann unter Berücksichtigung des Leitungswiderstandes
eine in Echtzeit erfolgende Messung des Spannungsabfalls erfolgen,
der in einfacher Weise in den dem Bahnabschnitt 3 herrschenden
Phasenstrom 6 umrechenbar ist. Ausgangsseitig eines Reglerschaltkreises 33 stehen
somit stets aktuelle Werte über
den jeweiligen Wert des aktuellen Generator-Ausgangsstroms zur Verfügung, ohne
daß eine
Zugriff auf in Kennfeldern abgelegte Ersatzgrößen wie zum Beispiel Modelle oder
Temperaturverläufe
nötig wäre, um beispielsweise
Ladebilanzen einer Kfz-Batterie
zu erstellen oder zu prognostizieren. Durch den Verzicht auf in Kennfeldern
abgelegte Ersatzgrößen kann
zudem eine Entlastung des Speicherbereiches einer Kfz-Bordelektronik herbeigeführt werden.
Die Ermittlung des ausgangsseitigen Generatorstromes erfolgt weitestgehend
ohne Zugriff auf Verweisstufen bzw. ohne zeitraubende Zugriffsoperationen
auf in Kennfeldern abgelegte und noch zu verarbeitende Ersatzgrößen zur
Ermittlung des generatorseitigen Ausgangsstromes.
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- 1
- Masse
- 2
- Phase
- 3
- Bahnabschnitt
- 4
- elektrisches
Bauelement
- 5
- Leitungswiderstand
- 6
- Phasenstrom
- 7
- diskreter
Widerstand
- 8
- Kombination
Leitung/Komponente
- 9
- Auswertestufe
- 9.1
- Auswerteteil
- 9.2
- Ausgabeteil
- 10
- weiterverarbeitbarer
Ausgangswert
- 11
- Eingang
Auswertestufe
- 12
- weiterer
Eingang
- 13
- weiterer
Eingang
- 20
- Bordnetz
- 21
- Versorgungsleitung
- 22
- Masseanschluß
- 23
- Kondensator
- 24
- Schalter
- 25
- Widerstand
- 26
- Induktivität
- 27
- weiterer
Verbraucher
- 28
- Schalter
- 29
- Gehäuse
- 30
- 3-Phasen-Generator
- 30.1
- 1.
Phase R
- 30.2
- 2.
Phase S
- 30.3
- 3.
Phase T
- 31
- Diodenanordnung
- 31.1–31.6
- Einzel-Diode
- 32
- Parallelinduktivität
- 33
- Reglerschaltkreis
- 34
- Diodenzweig
- 35
- Transistor
- 36
- Eingangsseite
- 37
- Ausgangsseite
- 38
- Schnittstelle
- 39
- Steuergerät
- 40
- ermittelte
Werte
- 41
- rückgemeldete
Steuersignale