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Die
Erfindung betrifft eine Generatoreinheit für die Spannnungsversorgung
eines Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Aus
DE 103 21 872 A1 ist
eine Generatoreinheit für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz bekannt,
bei der zwei Reglermodule zum Regeln des Betriebs eines Generators
zusammenwirken. Ein erstes dieser Reglermodule ist mit dem Generator
in einer Generatoreinheit zusammengefasst und empfängt
Steuerinformation von dem baulich getrennten zweiten Generatormodul über
eine digitale Schnittstelle. Das zweite Reglermodul ist in einem
Steuergerät durch Software implementiert. Im Normalbetrieb
steuert das zweite Reglermodul einen Schalttransistor zur Einstellung des
Erregerstroms des Generators an. Wenn die von dem zweiten Reglermodul
ausgegebene Stellgröße nicht plausibel ist, etwa
weil ihr Wert oder ihre Änderungsgeschwindigkeit außerhalb
eines zulässigen Bereichs liegt, und auf eine Störung
des zweiten Reglermoduls hinweist, übernimmt das erste
Reglermodul die Regelung des Generators.
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Die
Implementierung des zweiten Reglermoduls in Softwareform ermöglicht
die Umsetzung komplexer, unter vielen Gesichtspunkten optimierter
Regelungsgstrategien. Ein Problem dieser bekannten Generatoreinheit
liegt jedoch in der Sicherstellung reibungsloser Kommunikation zwischen
der Generatoreinheit und dem externen zweiten Reglermodul. Wenn
an der Generatoreinheit Anpassungen oder Weiterentwicklungen vorgenommen
werden, ist es in der Regel erforderlich, dass diese in der Software des
zweiten Reglermoduls berücksichtigt werden, um eine reibungslose
Zusammenarbeit zu gewährleisten. Wenn in wirtschaftlich
an sich sinnvoller Weise das zweite Reglermodul in ein Motorsteuerge rät integriert
ist, und Motorsteuergerät und Generatoreinheit eines Fahrzeugs
von verschiedenen Herstellern geliefert werden, so müssen
diese sich bei jeder Weiterentwicklung koordinieren. Dies macht
die Weiterentwicklung beschwerlich und kostspielig.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand
der Erfindung ist eine Generatoreinheit für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz,
mit einem Generator, einem ersten Reglermodul zum Regeln des Betriebs
des Generators und einer digitalen Schnittstelle, die mit dem ersten
Reglermodul in einer Baueinheit zusammengefasst ist, und mit einem
programmgesteuerten zweiten Reglermodul, bei der das zweite Reglermodul
in die Baueinheit integriert ist und Steuerinformation über
die digitale Schnittstelle empfängt. Eine solche Generatoreinheit
ist flexibel an verschiedene Einsatzumgebungen anpassbar, ohne ihrerseits
aufwändige Anpassungen außerhalb der Generatoreinheit
notwendig zu machen, da allen Änderungen, die ggf. im Generator
oder dem ersten Reglermodul vorgenommen werden, um z. B. die Generatoreinheit
an einen bestimmten Fahrzeugtyp anzupassen, in der Programmierung
des zweiten Reglermoduls so Rechnung getragen werden kann, dass Anpassungen
in externen Einheiten, die Steuerinformation über die digitale
Schnittstelle liefern, wie etwa einem Motorsteuergerät,
unterbleiben können.
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Im
einfachsten Fall kann das zweite Reglermodul lediglich die Funktion
eines Protokollwandlers haben, der von einer externen Einheit gelieferte
Steuerinformation in ein von dem ersten Reglermodul verarbeitbares
Format umsetzt. Vorzugsweise ist jedoch das zweite Reglermodul eingerichtet,
in einem Normalbetriebszustand selber den Generator zu regeln, während
das erste Reglermodul die Regelung des Generators nur in einem Störungsbetriebszustand übernimmt.
Dies erlaubt die Implementierung komplexer Regelstrategien in dem
zweiten Reglermodul; während die Funktionalitäten
des ersten Reglermoduls auf die für die Spannungsversorgung
des Bordnetzes unbedingt notwendigen Elementarfunktionen beschränkt
sein können und das erste Reglermodul dementsprechend einfach
und robust aufgebaut sein kann.
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Vorzugsweise
ist das zweite Reglermodul ausgelegt, die Regelung des Generators
wenigstens zum Teil anhand von originalen Messwerten von Sensoren
vorzunehmen. Dies entlastet eine externe Quelle von Steuerinformation
wie etwa ein Motorsteuergerät von der Notwendigkeit, diese
Messwerte für die Generatorsteuerung aufzuarbeiten. Dadurch vereinfacht
sich die Betriebssoftware des Motorsteuergeräts. Sofern
das Motorsteuergerät Steuerinformation für den
Generator liefert, kann dies in einer vom Typ des Generators unabhängigen
Form erfolgen. Folglich werden keine je nach Typ des Generators
unterschiedlichen Versionen der Betriebssoftware des Steuergeräts
benötigt.
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Die
Regelung des Generators im Störungsbetriebszustand erfolgt
vorzugsweise ohne Rückgriff auf über die digitale
Schnittstelle empfangene Steuerinformation. Die Regelung durch das
erste Reglermodul kann dann zwar nicht optimal sein, doch besteht
keine Gefahr, dass das erste Reglermodul aufgrund von fehlerhafter
oder fehlender Steuerinformation völlig ungeeignet regelt.
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Über
das Vorliegen des Normalbetriebszustands oder des Störungsbetriebszustand
kann ein Kontrollmodul unter anderem anhand des Werts wenigstens
einer Betriebszustandsgröße des Bordnetzes entscheiden.
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Wenn
das Kontrollmodul eingerichtet ist, die Entscheidung über
das Vorliegen des Normalbetriebszustands oder des Störungsbetriebszustand
in Abhängigkeit von der Überschreitung oder Nichtüberschreitung
eines Grenzwerts der Betriebszustandsgröße zu
treffen, kann der Grenzwert durch das zweite Reglermodul festlegbar
sein. Eine Anpassung des Kontrollmoduls an eine Anwendungsumgebung,
in der die Generatoreinheit verwendet wird, ist daher vor dem Einbau
der Einheit nicht nötig; sie wird automatisch von dem zweiten
Reglermodul vorgenommen. In dem zweiten Reglermodul sind die hierfür
erforderlichen Maßnahmen leicht in Form von Programmschritten
implementierbar.
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Um
Fehlfunktionen vorzubeugen, kann die Möglichkeit, den Grenzwert
festzulegen, auf die Zeit beschränkt sein, in der die Generatoreinheit
sich im Normalbetriebsmodus befindet.
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Dadurch,
dass das erste Reglermodul als ASIC realisiert ist, ist es insbesondere
geeignet, Standard-Reglerfunktionen aufzunehmen, welche keinen Änderungen in
Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendungsumgebung unterliegen.
Somit kann das erste Reglermodul als gleichbleibender Standardbaustein
in erfindungsgemäßen Generatoreinheiten in Kombination
mit dem zweiten Reglermodul für viele verschiedene Fahrzeugtypen
eingesetzt werden, was vorteilhaft hinsichtlich der vorzuhaltenden
Bauteile ist.
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Insbesondere
wenn das erste Reglermodul mit dem Kontrollmodul in einem Halbleiterbaustein zusammengefasst
ist, ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich des Raumbedarfs
der Generatoreinheit und hinsichtlich der Anzahl der verwendeten
Bauteile.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten Figur. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einem Bordnetz für
ein Kraftfahrzeug mit einer Generatoreinheit gemäß der
Erfindung.
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In 1 ist
ein Ausschnitt aus einem Bordnetz 2 für ein Kraftfahrzeug
schematisch dargestellt. Das Bordnetz 2 umfasst einen Generatorregler 1,
der einen Generator 5 durch die Ausgabe einer Stellgröße
zur Erzeugung einer Ausgangsspannung veranlasst, welche über
einen an den Generator 5 angeschlossenen Gleichrichter 51 in
das Bordnetz 2 eingespeist wird. Das Bordnetz 2 umfasst
weiter eine Batterie 21 und eine Mehrzahl von elektrischen
Verbrauchern 22. Der Generatorregler 1 ist über
einen Stecker 9 und einen digitalen Bus mit einem Steuergerät 8 des
Bordnetzes verbunden, wobei der Stecker 8 Verbindungsleitungen
einer digitale Schnittstelle 81 und analoge Verbindungsleitungen
DFM (Generatorauslastung), Kl15 (Klemme 15, Fahrschalter ein), S
(Sense, Batterieklemmenspannung) und W (Generatorphase) umfasst.
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Der
Generatorregler 1 umfasst ein in einem ASIC realisiertes
elementares Reglermodul 4, ein höheres Reglermodul 3,
das als programmierbare digitale Schaltung, insbesondere als Mikrocontroller,
FPGA- oder CPLD-Baustein realisiert ist, und ein Kontrollmodul 6.
Das elementare Reglermodul 4 und das Kontrollmodul 6 sind
in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in einem gemeinsamen
Halbleiterbaustein 7 zusammengefasst.
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Das
elementare Reglermodul 4 umfasst eine mit einem PWM-Steuersignal
ansteuerbare Endstufe, die einen zum Tastverhältnis des
PWM-Steuersignals proportionalen Erregerstrom an eine Erregerspule 52 des
Generator 5 ausgibt. Einem Steuereingang der Endstufe 42 ist
ein Umschalter 41 vorgeschaltet, der es erlaubt, das PWM-Steuersignal
wahlweise von einer internen Regelschaltung des elementaren Reglermoduls 4 oder
von dem höheren Reglermodul 3 zu beziehen.
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Die
interne Regelschaltung leitet das PWM-Steuersignal gemäß einem
fest verdrahteten Zusammenhang von der Klemmenspannung der Batterie
oder einer Ausgangsspannung des Generators 5 und ggf. anderen
Steuerparametern wie etwa den Signalen Kl15, W, einer von einem
Sensor erfassten Betriebstemperatur des Generators 5 etc.
ab.
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Das
elementare Reglermodul 4 kann die Steuerparameter über
den Stecker 9 und den digitalen Bus beziehen. Zu diesem
Zweck nutzen in der Ausgestaltung der 1 das elementare
Reglermodul 4 und das Kontrollmodul 6 eine gemeinsame
Busschnittstelle. An dem Generator gemessene Steuerparameter können
auch über direkte Leitungen, insbesondere als Analogsignale,
dem elementaren Reglermodul 4 zugeführt werden,
um die Möglichkeit auszuschließen, dass aufgrund
einer Störung des Busses die Steuerparameter das elementare
Reglermodul 4 nicht erreichen.
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Das
Kontrollmodul 6 empfängt die Signale Kl15, S und
W über den Stecker 9. Um festzustellen, ob eine
Störung in der Spannungsversorgung des Bordnetzes vorliegt,
vergleicht die Kontrolleinheit 6 z. B. den Pegel von S
oder die Geschwindigkeit einer Änderung dieses Pegels mit
einem zuvor durch das höhere Steuermodul 3 spezifizierten
Grenzwert. Eine Störung der Spannungsversorgung wird festgestellt, wenn
der Pegel von S außerhalb eines Intervalls zwischen zwei
solchen Grenzwerten liegt, oder wenn die Änderungsgeschwindigkeit
einen Grenzwert übersteigt. Solange keine Störung
vorliegt, steuert das Kontrollmodul 6 den Umschalter 41,
um das PWM-Signal des höhere Steuermodul 3 an
die Endstufe 42 anzulegen. Im Störungsfall wird
das PWM-Signal der internen Regelschaltung des elementaren Reglermoduls 4 an
die Endstufe 42 durchgeschaltet. Wenn die Bordnetzspannung
außerhalb des zulässigen Intervalls liegt, muss
eine Korrektur so schnell wie möglich erfolgen, um die
Gefahr einer Schädigung oder des Datenverlusts bei an das
Bordnetz angeschlossenen Verbrauchern zu minimieren. Für
eine solche schnelle Korrektur ist das elementare Reglermodul 4 aufgrund
der schnelleren Reaktionszeiten des ASIC-Bausteins besser geeignet
als das programmgesteuerte höhere Reglermodul 3.
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Zudem
ist das Kontrollmodul 6 über eine Signalleitung 12 mit
dem höheren Reglermodul 3 verbunden. Das höhere
Reglermodul 3 ist programmiert, um im Normalbetrieb in
festgelegten Zeitintervallen, normalerweise alle 100 ms, eine Stellgröße
an den Generator 5 auszugeben und diese Aktivität
durch die Ausgabe eines Totmann-Signals auf die Signalleitung 12 anzuzeigen.
Die Ausgabe der Stellgröße kann z. B. in der Aktualisierung
des Tastverhältnisses des PWM-Signalas liegen. Das Totmann-Signal
kann z. B. eine Pegelumkehr einer Spannung auf der Signalleitung 12 sein,
die nach jedem Ausgeben der Stellgröße stattfindet,
oder ein nach jeder Ausgabe der Stellgröße ausgegebener
Impuls. Bleibt das Totmann-Signal aus, so deutet dies auf eine Störung
des Programmablaufs im höheren Reglermodul 3 hin.
Da in einem solchen Fall nicht davon ausgegangen werden kann, dass
die an den Generator 5 ausgegebene Stellgröße
korrekt ist, betätigt das Kontrollmodul 6 den
Umschalter 41, so dass der Generator 5 von dem elementaren
Steuermodul 4 angesteuert wird.
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Ein
Signal des Kontrollmoduls, mit dem dieses den Umschalter 41 ansteuert,
wird auch dem höheren Reglermodul 3 zugeführt.
So ist das höhere Reglermodul 3 in der Lage, zu
erkennen, wenn die Generatoreinheit im Störungsbetrieb
läuft und der Generator 5 auf die ausgegebene
Stellgröße nicht reagiert. In diesem Fall wird
eine Nachführung interner Regelkreise des höheren
Reglermodul 3 gestoppt, um zu verhindern, dass gespeicherte
Parameter des höheren Reglermoduls 3 in dem vergeblichen
Versuch, den Generator 5 zu beeinflussen, auf Werte verstellt
werden, die, wenn die Kontrolleinheit 6 später
zum Normalbetrieb zurückkehrt, zu völlig ungeeigneten
Ausgabewerten der Stellgröße führen.
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Eine
Rückkehr zum Normalbetrieb findet statt, wenn die von der
Kontrolleinheit überwachten Signalpegel wieder im zulässigen
Bereich liegen.
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Die
Funktion des höheren Reglermoduls 3 kann darauf
beschränkt sein, in beliebiger Form kodierte, über
den Bus empfangene und direkt eine gewünschte Ge neratorleistung
repräsentierende Steuerbefehle für den Generator 5 in
ein PWM-Signal von für den Generator 5 und die
Endstufe 41 angepasster Form umzusetzen, so dass eine externe
Steuereinheit wie etwa ein Bordcomputer, das diese Steuerbefehle
liefert, keinerlei Anpassung an die Komponenten der Generatoreinheit
mehr bedarf. Diese Anpassungen können auf seiten des höheren
Reglermoduls 3 durch eine Anpassung seiner Software leicht vorgenommen
werden.
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Vorzugsweise übernimmt
das höhere Reglermodul 3 darüber hinaus
noch mit der Festlegung der gewünschten Generatorleistung
zusammenhängende Aufgaben. Dadurch kann die externe Steuereinheit
entlastet werden; ihre Betriebssoftware wird einfacher und wird,
da sie von den technischen Einzelheiten der Generatoreinheit weitgehend
unabhängig ist, nur in einer kleinen Zahl verschiedener
Versionen benötigt, und die Reaktionszeiten der externen Steuereinheit
bei bei ihr verbleibenden Steueraufgaben können verkürzt
werden. Um die zur Festlegung der Stellgröße für
den Generator 5 erforderlichen Berechnungen durchzuführen,
empfängt das höhere Reglermodul 3 Messwerte
von Sensoren direkt oder über den Bus, wie etwa Messwerte
der Batterieklemmenspannung und/oder der Generatortemperatur. So
können sich die Angaben, die das höhere Reglermodul
vom Bordcomputer empfängt, z. B. auf eine Angabe der in
Betrieb befindlichen Verbraucher oder ihrer Gesamtleistungsaufnahme
beschränken; eine Ansteuerung des Generators, die den Leistungsbedarf
langfristig befriedigen kann und Randbedingungen wie etwa die Vermeidung
einer zu hohen Betriebstemperatur des Generators erfüllt,
wird anhand dieser Vorgabe von dem höheren Reglermodul 3 festgelegt,
ohne Rechenleistung des Bordcomputers in Anspruch zu nehmen.
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Wenn
oben von Normal- und Störungsbetriebsmodus die Rede ist,
so ist dies nicht dahingehend zu verstehen, dass jede Umschaltung
in den Störungsbetriebsmodus mit einer behebungsbedürftigen
technischen Störung zusammenhängt. Kurze Phasen
im Störungsbetriebsmodus können auch bei einer
völlig intakten Generatoreinheit, insbesondere aufgrund
kurzfristiger Schwankungen der Leistung der angeschlossenen Verbraucher,
auftreten. Nur wenn der Störungsbetriebsmodus über
eine vorgegebene Maximalzeitspanne anhält oder wiederholt auftritt,
wird dem Fahrer eine Meldung angezeigt, die auf die Störung
und die Notwendigkeit ihrer Behebung sowie ggf. auf den Grenzwert
hinweist, dessen Überschreitung zur Feststellung der Störung
durch das Kontrollmodul 6 geführt hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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