DE10204195A1

DE10204195A1 - Regelung der Ausgangsleistung eines Generators durch Änderung seines Wirkungsgrades

Info

Publication number: DE10204195A1
Application number: DE2002104195
Authority: DE
Inventors: Klaus Scherrbacher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2003-08-07
Also published as: JP2003264995A; FR2835663A1; FR2835663B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der von einem Generator (1) ausgegebenen Leistung sowie ein entsprechendes Verfahren. Um einen Generator-Antriebsmotor beim Zu- und Abschalten starker elektrischer Verbraucher (3) nicht sprungartig zu belasten, wird vorgeschlagen, Mittel (4) vorzusehen, mit denen der Wirkungsgrad des Generators (1) in Reaktion auf das Zu- oder Abschalten des Verbrauchers (3) sprungartig geändert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der von einem Generator abgegebenen Leistung, insbesondere für Kfz- Bordnetze, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein entsprechendes Verfahren nach der Gattung des Patentanspruches 5.
Kraftfahrzeug-Bordnetze werden üblicherweise von einer Batterie sowie von einem Generator (Lichtmaschine) versorgt. Ein typisches Kfz-Bordnetz ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Das Bordnetz umfaßt einen Generator 1, eine Batterie, mehrere Verbraucher, die hier als ein Verbraucher 3 dargestellt sind, sowie einen Generatorregler 5.
Beim Zuschalten eines neuen Verbrauchers 3 erhöht der Regler 5 die vom Generator 1 abgegebene Leistung über ein sogenanntes DF-Signal (Regelsignal, mit dem die Erregung des Generators 1 bestimmt wird). Dadurch erhöht sich das auf den Fahrzeugmotor wirkende bremsende Moment. Gerade bei niedrigen Drehzahlen, insbesondere im Leerlauf, kann dies zu Drehzahleinbrüchen bis hin zum Abwürgen des Motors führen.
Um solchen Drehzahleinbrüchen des Motors entgegen zu wirken, ist es bekannt, die Ausgangsleistung des Generators mit einer sogenannten Load-Response-Funktion zu regeln. Dabei wird der Erregerstrom, und damit die Generatorausgangsleistung, vom Regler 5 zunächst sprungartig reduziert, wobei die Versorgung des neu zugeschalteten Verbrauchers zunächst von der Batterie 2 übernommen wird (Pufferwirkung der Batterie). Danach wird die Erregung rampenartig (d. h. mit längerer Zeitkonstante) erhöht, um die Ausgangsleistung des Generators 1 auf das erforderliche Niveau anzuheben. Somit wird verhindert, dass die Bremswirkung des Generators auf den Motor zu stark ansteigt. Andererseits können wegen der geringeren Leistungsabgabe des Generators, insbesondere bei nicht ausreichender Leistungsfähigkeit der Batterie, Spannungseinbrüche im elektrischen Bordnetz auftreten.
Das Abschalten großer elektrischer Verbraucher führt in umgekehrter Weise zu einer Entlastung des Generators 1 und somit zu positiven Drehmomentsprüngen am Generator 1. Daraus ergibt sich wiederum ein Drehzahlanstieg des Motors und ein unruhiger Verbrennungsmotorlauf. Außerdem steigt die Generator-Ausgangsspannung an.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einfluß des Generators auf den Motor unter Gewährleistung einer stabilen Bordnetzspannung zu vermindern.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 bzw. 5 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, Mittel vorzusehen, mit denen der Wirkungsgrad des Generators in Reaktion auf das Zu- oder Abschalten von Verbrauchern sprungartig geändert werden kann.

Durch Erhöhen des Wirkungsgrades beim Zuschalten eines weiteren elektrischen Verbrauchers kann der dadurch bedingte zusätzliche Leistungsbedarf ohne sofortige Drehmomentänderung abgedeckt werden. Umgekehrt wird der Wirkungsgrad beim Abschalten eines Verbrauchers gesenkt, wodurch eine geringere Ausgangsleistung des Generators ohne sprungartige Drehmomentänderung bereit gestellt werden kann.

Als Mittel zur Änderung des Wirkungsgrades kann beispielsweise eine Steuerung, wie z. B. ein Pulswechselrichter, vorgesehen sein, die in der Lage ist, den Generatorwirkungsgrad vorzugsweise durch Verdrehen der Phasenlage zwischen Generatorstrom und -Spannung zu beeinflussen.

Die Regelung des Wirkungsgrades kann z. B. in Abhängigkeit von der aktuellen Generatorauslastung oder der Motordrehzahl erfolgen.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird der Wirkungsgrad bei niedriger Generatorauslastung auf einem niedrigen Niveau und bei hoher Generatorauslastung auf einem hohen Niveau gehalten. Schließlich ist das Zuschalten eines weiteren Verbrauchers bei niedriger Generatorauslastung wesentlich wahrscheinlicher als bei hoher Auslastung, Ist die Generatorauslastung beispielsweise gering, wird dadurch eine Wirkungsgradreserve vorgehalten, um positive Lastsprünge, d. h. das Zuschalten von Verbrauchern, ausregeln zu können. Bei hoher Generatorauslastung kann dagegen der eingestellte Wirkungsgrad höher gewählt werden, da dort eher negative Lastsprünge zu erwarten sind.

Daneben wird der Wirkungsgrad des Generators vorzugsweise bei niedriger Motordrehzahl auf einem niedrigen Niveau und bei hoher Motordrehzahl auf einem hohen Niveau gehalten, um bei niedrigen Motordrehzahlen eine genügend große Wirkungsgradreserve zu haben und bei hohen Motordrehzahlen, in denen der Motor ohnehin wesentlich stabiler läuft, nicht zu viel Verlustleistung zu erzeugen.

Diese Maßnahmen führen jedoch bei niedriger Generatorauslastung bzw. niedriger Drehzahl zu relativ hohen Verlustleistungen, da der Generator wegen des geringen Wirkungsgrades fast nur noch Blindleistung erzeugt.

Es ist daher von Vorteil, wenn die Regelung des Wirkungsgrades mit einem Verbrauchermanagement zusammenwirkt, welches das Einschalten eines Verbrauchers solange verzögert, bis das Generatordrehmoment auf einen vorgegebenen Wert angehoben wurde. Der Begriff "Verbrauchermanagement" bezeichnet in diesem Zusammenhang eine Steuerung, die das Zu- und Abschalten von Verbrauchern unter Berücksichtigung vorgegebener Bedingungen (Batteriezustand, Generatorleistung etc.) steuern, d. h. insbesondere zeitlich verzögern kann. Durch den Einsatz eines Verbrauchermanagements wird es möglich, den Generator-Wirkungsgrad bereits vor dem Eintritt eines zukünftigen Schaltvorgangs (Zu- oder Abschalten eines Verbrauchers) entsprechend anzupassen.

Die Regelung des Generator-Wirkungsgrades durch ein Verbrauchermanagement läuft im wesentlichen wie folgt ab: In einem ersten Schritt wird das Einschalten des Verbrauchers verzögert, in einem zweiten Schritt wird der Wirkungsgrad des Generators rampenartig (mit langer Zeitkonstante) gesenkt. Gleichzeitig wird die durch die Veränderung des Wirkungsgrades verursachte Abnahme der Generatorleistung durch andere Maßnahmen, wie z. B. durch stärkere Erregung des Generators, im wesentlichen kompensiert, und schließlich wird der Verbraucher unter sprungartiger Erhöhung (mit kurzer Zeitkonstante) des Wirkungsgrades zugeschaltet.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Wirkungsgrad auch unter Berücksichtigung einer Batteriezustandserkennung geregelt werden. Die Einstellung des Generator-Wirkungsgrades kann somit auf den aktuellen Batteriezustand (Ladezustand oder Leistungsfähigkeit) abgestimmt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kfz-Bordnetzes;
Fig. 2 den Verlauf verschiedener Generatorgrößen beim Zuschalten eines Verbrauchers;
Fig. 3 den Verlauf verschiedener Generatorgrößen beim Abschalten eines Verbrauchers; und
Fig. 4 den Verlauf verschiedener Generatorgrößen beim Zuschalten eines Verbrauchers unter Mitwirkung eines Verbrauchermanagements.
Fig. 1 zeigt ein Kfz-Bordnetz mit einem Generator 1, einer Batterie 2 und mehreren schaltbaren Verbrauchern, die schematisch als Last 3 dargestellt sind. Zur Regelung der Generator-Spannung bzw. -Leistung ist ein Regler 5 vorgesehen.
Beim Zuschalten eines elektrischen Verbrauchers ändert sich die elektrische Ausgangsleistung P2 des Generators um P. Zur Erzeugung dieser zusätzlichen Leistung P ist eine erhöhte Antriebsleistung P2' durch den Motor erforderlich. Es gilt:

P2 = P1.eta1

P2' = P2 + deltaP

P2' = P1.eta2
Dabei ist P2' die Generatorleistung nach dem Zuschalten eines Verbrauchers, eta1 ein niedriger Wirkungsgrad und eta2 ein höherer Wirkungsgrad. Wie bereits aus dem mathematischen Zusammenhang zu erkennen ist, kann durch die Erhöhung des Wirkungsgrades eta der zusätzliche elektrische Leistungsbedarf ohne Drehmomentänderung abgedeckt werden.
Fig. 1 zeigt ferner eine Einrichtung 4 zur Regelung des Generator-Wirkungsgrades eta, der ein df-Signal, die Motordrehzahl n oder äquivalente Größen, aus denen die zuvor genannten Größen ableitbar sind, zugeführt werden. Die Einrichtung 4 kann ferner mit einem Verbrauchermanagement VM in Verbindung stehen und den Generator in Abhängigkeit von einem Steuersignal des Verbrauchermanagements regeln. Die Einstellung des Generator-Wirkungsgrades erfolgt z. B. durch Verdrehen der Phasenlage zwischen Generatorstrom und -Spannung.
Fig. 2 zeigt den Verlauf verschiedener Generatorgrößen beim Zuschalten eines Verbrauchers (positiver Lastsprung). Im dargestellten Beispiel wird der Verbraucher zum Zeitpunkt t0 zugeschaltet. Gleichzeitig wird der Wirkungsgrad eta von einem niedrigen Niveau eta1 sprungartig auf ein hohes Niveau eta2 angehoben (Ast a). Dadurch steigt die Generatorausgangsleistung sprungartig um P von einer Leistung P2 auf eine neue Ausgangsleistung P2', ohne dabei ein zusätzliches bremsendes Moment auf den Motor auszuüben.
Zum Zeitpunkt t1 ist die neue Ausgangsleistung P2' erreicht, und der Wirkungsgrad eta2 kann nun rampenartig (siehe Ast b), d. h. mit einer längeren Zeitkonstante als im Ast a, auf einen niedrigeren Wert eta1 zurückgefahren werden. Dabei wird gleichzeitig das für die höhere Ausgangsleistung P2' erforderliche Drehmoment über eine Rampe eingestellt (durch stärkere Erregung).
Wie zu erkennen ist, kann die Generator-Ausgangsspannung während dieses Vorgangs konstant gehalten werden.
Fig. 3 zeigt den Verlauf der wesentlichen Generatorgrößen bei einem negativen Lastsprung. Beim Abschalten eines elektrischen Verbrauchers ändert sich die elektrische Ausgangsleistung P2 des Generators 1 um P. Daraus resultiert ein geringeres auf den Motor wirkendes Moment. Wird nun der Wirkungsgrad eta2 beim Ausschalten des Verbrauchers (Zeitpunkt t0) sprungartig reduziert (Ast a), und später rampenartig (Ast b) wieder auf den ursprünglichen Wert eta2 zurückgeführt, kann der Gradient des Drehmomentverlaufs wie gewünscht gesteuert werden (siehe eingekreister Bereich). Außerdem kann die Ausgangsspannung Ua konstant gehalten werden.
Beim Abschalten eines elektrischen Verbrauchers gelten folgende Beziehungen:

P2 = P1.eta2

P2' = P2 - deltaP

P2' = P1.eta1
Die Regelung der Generatorausgangsleistung P bei einem positiven Lastsprung in der in Fig. 2 gezeigten Weise hat aber auch Nachteile. Um ausreichend Spielraum für die sprungartige Erhöhung des Wirkungsgrades (Ast a) zu haben, muß in kritischeren Betriebsarten, insbesondere im Leerlauf des Motors oder bei sehr niedriger Generatorauslastung, der Wirkungsgrad eta ausreichend niedrig gehalten werden (z. B. 50-60% des max. Wertes). Bei einem solch niedrigen Wirkungsgrad erzeugt der Generator jedoch relativ viel Verlustleistung, die zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt.
Gemäß einer anderen, in Fig. 4 dargestellten Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass die Mittel 4 zur Änderung des Wirkungsgrades mit einem Verbrauchermanagement VM zusammenwirken, mit dem das Einschalten der Verbraucher 3 verzögert werden kann. Dies hat den Vorteil, dass das Drehmoment nach einer Einschalt-Anforderung zum Zeitpunkt te zunächst rampenartig auf ein höheres Niveau M2 eingestellt werden kann, wobei der Wirkungsgrad eta gleichzeitig rampenartig auf einen niedrigeren Wert eta1 gesenkt wird. Dadurch bleibt die Generatorausgangsleistung P nahezu unverändert auf dem Wert P1. Nach dieser kurzen Verzögerung wird der Verbraucher 3 schließlich zum Zeitpunkt t0 eingeschaltet und gleichzeitig der Wirkungsgrad eta sprungartig (Ast a) auf den Wert eta2 angehoben. Dadurch erhöht sich auch die Generatorausgangsleistung schlagartig um P, ohne den Drehmomentverlauf zu beeinflussen.
Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad auch im Leerlauf des Motors immer auf einem optimal hohen Niveau gehalten werden. Bezugszeichenliste 1 Generator
2 Batterie
3 Verbraucher
4 Mittel zur Änderung des Wirkungsgrades
5 Regler
ETA Wirkungsgrad
P Generatorausgangsleistung
M Drehmoment
t0, t1, t2 Zeitpunkte

Claims

1. Vorrichtung zur Regelung der von einem Generator (1), insbesondere an ein elektrisches Kfz-Bordnetz, abgegebenen Leistung, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (4) vorgesehen sind, mit denen der Wirkungsgrad (eta) des Generators (1) in Reaktion auf das Zu- oder Abschalten eines Verbrauchers (3) sprungartig geändert werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) derart ausgebildet sind, dass sie den Wirkungsgrad (eta) unter Berücksichtigung der Generatorauslastung (DF-Signal) oder der Motordrehzahl (n) regeln.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) mit einem Verbrauchermanagement (VM) in Verbindung stehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) mit einer Batteriezustandserkennung in Verbindung stehen und in der Lage sind, den Wirkungsgrad (eta) unter Berücksichtigung des aktuellen Batteriezustands zu regeln.

5. Verfahren zur Regelung der von einem Generator (1) insbesondere an ein elektrisches Kfz-Bordnetz, abgegebenen Leistung, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator- Wirkungsgrad (eta) beim Zu- oder Abschalten eines Verbrauchers (3) sprungartig geändert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad (eta) beim Zuschalten eines Verbrauchers (3) sprungartig erhöht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad (eta) beim Abschalten eines Verbrauchers (3) sprungartig gesenkt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad (eta) bei einer niedrigen Generatorauslastung (DF) auf einem niedrigen Niveau, und bei hoher Generatorauslastung auf einem hohen Niveau gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad (eta) bei niedriger Drehzahl (n) auf einem niedrigen Niveau und bei hoher Drehzahl (n) auf einem hohen Niveau gehalten wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Wirkungsgrades (eta) von einem Verbrauchermanagement (VM) gesteuert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
das Einschalten eines Verbrauchers (3) durch ein Verbrauchermanagement (VM) verzögert wird,
der Wirkungsgrad (eta) während der Verzögerungszeit rampenartig gesenkt und gleichzeitig das Drehmoment des Generators (1) erhöht wird, um der Leistungsänderung auf Grund der Verringerung des Wirkungsgrades (eta) entgegen zu wirken, und
der Verbraucher (3) schließlich bei gleichzeitigem, sprungartigen Erhöhen des Wirkungsgrades (eta) zugeschaltet wird.