DE19733208C1 - Schaltungsanordnung für eine Drehstrom-Lichtmaschine eines Kraftfahrzeuges und Verfahren zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung - Google Patents
Schaltungsanordnung für eine Drehstrom-Lichtmaschine eines Kraftfahrzeuges und Verfahren zur Ansteuerung der SchaltungsanordnungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Drehstrom-
Lichtmaschine eines Kraftfahrzeuges und ein Verfahren zur Ansteuerung der
Schaltungsanordnung nach den Patentansprüchen 1, 2, 3 und 6 sowie 7.
Aus der DE 32 27 602 C2 ist eine Schaltungsanordnung bekannt (dortige Fig. 3), bei der die
Lichtmaschine eines Kraftfahrzeuges in zwei Halbwicklungen unterteilt ist. Die Ausgänge
jeder Halbwicklung sind jeweils mit den Eingängen eines Gleichrichters verbunden. Jeder der
Ausgänge der einen Halbwicklung ist dort mit jeweils einem Ausgang der anderen
Halbwicklung über ein schaltbares Element verbunden. Dieses schaltbare Element ist dabei
jeweils ein Thyristor, der drehzahlabhängig angesteuert wird. Wenn die Drehzahl des Motors
des Kraftfahrzeuges unter einen bestimmten Wert fällt, werden die Thyristoren angesteuert, so
daß die beiden Halbwicklungen elektrisch in Reihe geschaltet sind. Oberhalb dieser Drehzahl
sind die beiden Halbwicklungen elektrisch parallel geschaltet. Eine ähnliche
Schaltungsanordnung ist auch aus der DE 23 52 227 A1 bekannt, wonach drehzahlabhängig
jeweils eine Wicklung der einen Halbwicklung mit jeweils einer Wicklung der anderen
Halbwicklung in Reihe schaltbar ist. Auch dort erfolgt die Schaltung drehzahlabhängig, wobei
über ein Relais eine zentrale Ansteuerung erfolgt, so daß sich entweder eine vollständige
Serienschaltung oder eine vollständige Parallelschaltung ergibt. Die beiden Halbwicklungen
weisen denselben Umlaufsinn und dieselbe Anschlußbelegung auf.
Dadurch soll dem Effekt Rechnung getragen werden, daß sich die Drehzahl des Motors des
Kraftfahrzeuges und damit die Drehzahl der Lichtmaschine und damit verbunden die in der
Lichtmaschine erzeugte Leistung im Betrieb stark ändert. Um auch bei einem stop-and-go
Verkehr in der Stadt hinreichend elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen, ohne die
Batterie zu belasten, muß die Lichtmaschine also darauf ausgelegt sein, bereits bei
Leerlaufdrehzahl des Motors eine hinreichende Leistung zu erzeugen.
Indem aber die Lichtmaschine so ausgestaltet wird, daß sich eine niedrigere Einsatzdrehzahl
ergibt, ist die Leistungsabgabe bei größeren Drehzahlen begrenzt. Wird die Lichtmaschine
umgekehrt nach einer maximalen Leistungsabgabe ausgelegt, bedingt dies eine höhere
Einsatzdrehzahl. Zwischen diesen beiden Kriterien muß also ein Kompromiß gefunden
werden. Die Verhältnisse sind beispielsweise in Fig. 2 der Entgegenhaltung dargestellt, bei
der die Kennlinie der Leistung der Lichtmaschine über der Drehzahl aufgetragen ist. Dabei ist
zu sehen, daß die Lichtmaschine eine sogenannte Einsatzdrehzahl aufweist, ab der die
Lichtmaschine erst Leistung erzeugt. Um auch im Leerlauf eine hinreichende elektrische
Leistung zu erzeugen, ist es notwendig, diese Einsatzdrehzahl so weit wie möglich nach unten
zu bringen. Bei höheren Drehzahlen stellt sich dann theoretisch ein entsprechender
Leistungsüberschuß ein, der jedoch nicht nutzbar ist. Bei einem Kraftfahrzeug wird die
Klemmenspannung nicht freigegeben sondern auf 14 V Bordnetzspannung festgeklemmt. Die
Lichtmaschine hat dann zwar beispielsweise bei 6000 U/min eine Leistung von 6 kW, man
bekommt jedoch nur 2 kW heraus. Es wird also unnötig viel Eisen mitgefahren, so daß die
Lichtmaschine überdimensioniert ist.
Indem bei niedrigen Drehzahlen des Kraftfahrzeuges die beiden Halbwicklungen bzw. die
einzelnen Wicklungen der Halbwicklungen jeweils paarweise in Reihe geschaltet werden,
wird bei niedrigen Drehzahlen des Motors die Ausgangsspannung der Lichtmaschine erhöht.
Die Lichtmaschine kann also so ausgelegt werden, daß bei gleicher Einsatzdrehzahl und
Leistung Pel die extreme Drehzahlspreizung von ca. 2.000 U/min bis zu 18.000 U/min nur
noch im Bereich von 1.000 U/min bis zu 9.000 U/min liegt. Das gibt erhebliche
Wirkungsgradverbesserungen vor allem im oberen Drehzahlbereich, die 15% betragen
können, und senkt weiterhin das Geräusch der Lichtmaschine.
Andere Lösungen dieses Problemes basieren auf einem sogenannten Hochtrieb oder einer
Stern-Dreieck-Umschaltung. Der Hochtrieb wird bei niedrigen Drehzahlen des
Verbrennungsmotors zugeschaltet und übersetzt die Drehzahl der Lichtmaschine noch einmal
um den Faktor 2. Bei diesem Übersetzungsverhältnis (Keilriemenscheibe 1 : 2 oder 1 : 2,7 +
Hochtrieb 1 : 1,7 = 1 : 4,59) ist die Generatordrehzahl auch bei Leerlauf des
Verbrennungsmotors hoch genug, um eine entsprechende Leistung bereitzustellen. Bei der
Stern-Dreieck-Umschaltung wird bei niedrigen Drehzahlen die Lichtmaschine im Stern
gefahren, da dann die Generatorspannung um den Faktor √3 größer ist als bei der
Dreieckschaltung. Die Lichtmaschine gibt also die Leistung bereits bei niedrigeren
Drehzahlen ab. Bei höheren Drehzahlen erfolgt eine Rückschaltung in die Dreieckschaltung,
um keine Leistungseinbußen zu erhalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung für eine Drehstrom-
Lichtmaschine für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Ansteuerung einer Drehstrom-
Lichtmaschine vorzuschlagen, so daß die Lichtmaschine bereits bei niedrigen Drehzahlen des
Motors hinreichend Leistung zur Verfügung stellt und die Abgabeleistung der Lichtmaschine
bei höheren Drehzahlen entsprechend dem Leistungsbedarf möglichst nicht beschränkt ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe zum einen durch eine Schaltungsanordnung nach
Anspruch 1 gelöst, bei der im Unterschied zum genannten Stand der Technik jeder Ausgang
der einen Halbwicklung über die Schaltstrecken zweier schaltbarer Elemente mit jeweils zwei
Ausgängen der anderen Halbwicklungen verbindbar ist derart, daß bei durchgeschalteten
Schaltstrecken die beiden Halbwicklungen elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Für die beiden Halbwicklungen kann dabei eine Stern-, Dreieck- oder Zickzackwicklung
verwendet werden.
Es zeigt sich dabei im Betrieb bei niedrigen Drehzahlen, daß die Verluste in den schaltbaren
Elementen minimiert werden können. Dies läßt sich beispielsweise zeigen, wenn die
schaltbaren Elemente durch Thyristoren gebildet werden, wie dies in der
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 beschrieben ist. Ebenso ergibt sich eine Minimierung
der Verluste, wenn die schaltbaren Elemente als MOS-Bauteile ausgebildet sind.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung nach Anspruch 2 ist zumindest ein Ausgang
der einen Halbwicklung über die Schaltstrecke bzw. Schaltstrecken zumindest eines
schaltbaren Elementes mit einer der Anzahl der schaltbaren Elemente entsprechenden Zahl
von Ausgängen der anderen Halbwicklung verbindbar derart, daß bei durchgeschalteten
Schaltstrecken einzelne Wicklungen der beiden Halbwicklungen elektrisch in Reihe geschaltet
sind.
Dabei bleiben also einige Wicklungen in jedem Falle parallel geschaltet. Bei dieser
Ausführungsform können Bauteile gespart werden. Bei niedrigeren Drehzahlen stellt diese
Schaltungsanordnung gegenüber der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 nur eine
geringere Leistung zur Verfügung, was aber unter Umständen - abhängig von den zu
versorgenden Verbrauchern - hinreichend sein kann. Eine Halbierung der Einsatzdrehzahl
wird durch die Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 ebenso erreicht.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung Anspruch 3 ist zumindest ein Ausgang der
einen Halbwicklung mittels zumindest einer Diode mit einer der Anzahl der Dioden
entsprechenden Zahl von Ausgängen der anderen Halbwicklung verbunden derart, daß
einzelne Wicklungen der beiden Halbwicklungen dauerhaft elektrisch in Reihe geschaltet
sind.
Im Unterschied zum Stand der Technik ergibt sich hier daß die einzelnen Wicklungen
dauerhaft elektrisch in Reihe geschaltet sind, ohne daß die Serienschaltung umschaltbar wäre
zu einer Parallelschaltung. Bei dieser Schaltungsanordnung wird die Beschaltung insofern
wesentlich vereinfacht, als keine Ansteuerung von schaltbaren Elementen erforderlich ist.
Diese Schaltungsanordnung bewirkt eine Kennlinie, bei der die von der Lichtmaschine bei
höheren Drehzahlen zur Verfügung gestellte Leistung begrenzt ist gegenüber der
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. In Abhängigkeit von den zu versorgenden
Verbrauchern kann diese reduzierte Leistung aber hinreichend sein. Wenn die aufgrund der
Kennlinie zur Verfügung gestellte Leistung auch bei niedrigeren Drehzahlen hinreichend ist,
kann somit eine Schaltungsanordnung realisiert werden, bei der keine Ansteuerung von
schaltbaren Elementen erforderlich ist. Der Schaltungsaufwand kann dann insgesamt
vereinfacht werden, wobei auch hier die Einsatzdrehzahl der Lichtmaschine halbiert ist.
Bei der Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 ist zumindest ein weiterer Ausgang der einen
Halbwicklung über die Schaltstrecke bzw. Schaltstrecken zumindest eines schaltbaren
Elementes mit einer der Anzahl der schaltbaren Elemente entsprechenden Zahl von Ausgängen
der anderen Halbwicklung verbindbar derart, daß bei durchgeschalteten Schaltstrecken
einzelne Wicklungen der beiden Halbwicklungen elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Vorteilhaft ergibt sich dadurch eine Kombination von dauerhaft (über die Dioden) in Reihe
geschalteten Wicklungen der beiden Halbwicklungen mit anderen Wicklungen, die (über die
schaltbaren Elemente) bei einer Ansteuerung der schaltbaren Elemente in Reihe geschaltet
werden und im übrigen parallel geschaltet sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe weiterhin gemäß Anspruch 6 durch ein Verfahren zur
Ansteuerung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5 gelöst, nach
dem die schaltbaren Elemente bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl des Motors des
Kraftfahrzeuges gleichzeitig angesteuert werden.
Dadurch wird von der Kennlinie der Parallelschaltung auf die Kennlinie der Reihenschaltung
gewechselt. Die Lichtmaschine kann dann entsprechend diesen beiden Schaltzuständen bei
jeder Drehzahl mit einer Leistung betrieben werden, welche der theoretisch erzielbaren
Maschinenleistung recht nahe kommt. Diese theoretisch erzielbare Maschinenleistung kann
folgendermaßen angegeben werden:
Ptheo = CEsson.D2.li.nsy.
Die einzelnen Größen sind dabei die Esson-Zahl CEsson der Bohrungsdurchmesser D, die
ideelle Blechpaketlänge li und die synchrone Drehzahl nsy.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 7 werden die schaltbaren Elemente nacheinander und/oder
nur einzelne der schaltbaren Elemente angesteuert.
Dadurch kann vorteilhaft der Knick in der Kennlinie der Leistung beim Umschaltvorgang
vermieden werden. Indem die Thyristoren nacheinander angesteuert werden, ergibt sich ein
sanfter Übergang. Es kommt also nicht zu Schwingungsanregungen des Keilriemens, die sich in
einer mechanischen Belastung ausdrücken können.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 8 erfolgt die Ansteuerung der schaltbaren Elemente bei
Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl des Motors des Kraftfahrzeuges.
Dabei werden vorteilhaft bei höheren Drehzahlen die beiden Halbwicklungen im Parallelbetrieb
betrieben, während beim Übergang zu niedrigen Drehzahlen nach und nach ein Übergang zu
einer Serienschaltung erfolgt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigt dabei:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung für eine Drehstrom-Lichtmaschine eines
Kraftfahrzeuges,
Fig. 2 eine Darstellung der Ausgangsleistung der Drehstrom-Lichtmaschine über der
Drehzahl,
Fig. 3 verschiedene Kennlinien bei der Ansteuerung verschiedener Gruppen von
Thyristoren,
Fig. 4 Generatorcharakteristiken für die Serien- und Parallelschaltung bei Nennerregung,
Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Vorgehensweise zur Detektion der
Umschaltanforderung,
Fig. 6 ein Blockschaltbild der Regelung und
Fig. 7 die Erläuterung des Umschaltverfahrens.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung für eine Drehstrom-Lichtmaschine eines
Kraftfahrzeuges. Die Wicklung der Drehstrom-Lichtmaschine besteht aus zwei
Halbwicklungen 1 und 2. Von jeder dieser beiden Halbwicklungen 1 und 2 gehen jeweils drei
Verbindungsleitungen zu den Eingängen jeweils eines Brückengleichrichters. Von der
Halbwicklung 1 gehen die drei Verbindungsleitungen 3, 4 und 5 zu den Eingängen des
Brückengleichrichters 15, von der Halbwicklung 2 gehen die drei Verbindungsleitungen 6, 7
und 8 zu den Eingängen des Brückengleichrichters 16. Die beiden Halbwicklungen sind
identisch und weisen denselben Umlaufsinn und dieselbe Anschlußbelegung auf, wie sich auch
aus den Anschlußbezeichnungen der Fig. 1 ergibt. Dabei spielt es keine Rolle, ob die beiden
Drehstromsysteme in Stern-, Dreieck- oder Zickzackschaltung geschaltet sind.
Die Verbindungsleitungen 3, 4, 5 sowie 6, 7, 8 sind jeweils durch Thyristoren 9, 10, 11, 12, 13
und 14 verbunden. Die Schaltstrecken der Thyristoren verbinden dabei die
Verbindungsleitungen der beiden Halbwicklungen derart, daß durch Thyristor 9 die
Verbindungsleitungen 5 und 6 verbunden werden, durch Thyristor 10 die
Verbindungsleitungen 4 und 6, durch Thyristor 11 die Verbindungsleitungen 5 und 7, durch
Thyristor 12 die Verbindungsleitungen 3 und 7, durch Thyristor 13 die Verbindungsleitungen 4
und 8 und durch Thyristor 14 die Verbindungsleitungen 3 und 8.
Die entsprechenden Verbindungsleitungen sind durch die Thyristoren dann verbunden, wenn
diese angesteuert werden.
Wenn die Thyristoren nicht angesteuert werden, ergibt sich aufgrund der Verschaltung der
beiden Brückengleichrichter 15 und 16 eine Parallelschaltung der beiden Halbwicklungen 1 und
2. Wenn die Thyristoren angesteuert werden, sind die beiden Halbwicklungen 1 und 2 in Serie
geschaltet. Die Triggerung der Thyristoren kann ohne zeitliche Synchronisierung erfolgen.
Dies geschieht mit Dauerzündimpulsen geringer Höhe. Aufgrund des relativ langsamen
Hauptstromanstieges sind keine "Steilimpulse" + Übersteuerung notwendig. Dadurch bereitet
auch der Transistoreffekt, welcher zur Zerstörung der Halbleiter führen kann, keine Probleme.
Im Falle der Serienschaltung verlieren die in der Darstellung der Fig. 1 unteren drei Dioden
(Anodenstern) des Brückengleichrichters 15 sowie die in der Darstellung der Fig. 1 oberen
drei Dioden (Kathodenstern) des Brückengleichrichters 16 die Stromführung und verlöschen
vollständig.
Gegenüber einer anderen, der Anmelderin bekannten Anordnung, bei der die
Brückengleichrichter an ihren jeweiligen Ausgängen in Serie geschaltet werden, ergibt sich bei
der erfindungsgemäßen Anordnung der Vorteil, daß bei der Serienschaltung nur 2
Spannungsabfälle an den Dioden sowie ein Spannungsabfall an einem Thyristor infolge der
Gleichrichtung auftreten gegenüber den Spannungsabfällen an den vier Dioden bei einer
Serienschaltung über die Ausgänge der Brückengleichrichter. Dadurch ergibt sich bei der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gerade im Bereich der Ausgangsspannungen, die bei
Kraftfahrzeugen üblich sind (14 V . . . 42 V) gegenüber der anderen beschriebenen
Schaltungsanordnung ein erheblich besserer Wirkungsgrad.
Durch diese Verschaltung der Thyristoren wird eine komplette Diodenstufe eingespart. Die
besondere Betriebsweise der Brückengleichrichter macht dies möglich durch den Betrieb an
der Grenze zur Doppelkommutierung.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung der Ausgangsleistung der Drehstrom-Lichtmaschine über der
Drehzahl anhand eines Modell es, das im Labor aufgebaut wurde. Es handelt sich dabei um eine
Lichtmaschine des Herstellers Bosch mit der Bezeichnung NC73/143A. Als
Versuchsbedingung wurde die Klemmenspannung auf 14 V festgeklemmt. Es galt weiterhin
I=IEN, d. h. es handelt sich um eine neuerregte Maschine. Die Beharrungstemperatur θ war die
Beharrungstemperatur bei einer Umgebungstemperatur von 21°C.
Es ist zu sehen, daß die Wicklungsumschaltung zu einer Halbierung der Einsatzdrehzahl bei der
Serienschaltung führt (die Thyristoren sind dann angesteuert). Die Einsatzdrehzahl liegt damit
bei ca. 650 Umdrehungen pro Minute, was 14 Leiter/Nut bedeutet. Wenn die Thyristoren nicht
mehr angesteuert werden, stelle sich die übliche Parallelschaltung ein, was 7 Leiter/Nut
bedeutet.
Es ist also mit Hilfe von 6 Thyristoren und gemeinsamer Triggerung der Thyristoren möglich,
zwei Lichtmaschinen-Kennlinien zu erzeugen. Damit läßt sich der Drehzahlbereich der
Lichtmaschine deutlich reduzieren, das heißt, die Überdimensionierung der Lichtmaschine
bezogen auf den oberen Drehzahlbereich reduzieren oder eine Mehrleistung der Lichtmaschine
herbeiführen, ohne das Rotorvolumen zu vergrößern. Durch eine permanente Ansteuerung
einzelner Thyristoren ist es auch möglich, die Phasen der einzelnen Wicklungen teilweise in
Serie und teilweise parallel zu schalten. Gegebenenfalls läßt sich dabei eine Kennlinie erzielen,
die bei hohen Drehzahlen eine hinreichende Leistung erbringt und deren Einsatzdrehzahl
ebenfalls zufriedenstellend ist. Mit einer solchen Schaltungsanordnung könnte die
Lichtmaschine dann ohne die Notwendigkeit einer Umschaltung betrieben werden.
Gegenüber der genannten Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik ergibt sich
außerdem eine Verringerung der Verlustleistung. Bei dem genannten Stand der Technik (DE 32 27 602 C2)
wird der aktuelle Gleichstrom Id während 3 der insgesamt 60° el Intervallen
pro Periode von einem einzigen Thyristor geführt. Es ergibt sich also als Verlustleistung
PVThy:
PVThy = (UTo.Id) + rdiff. Id 2.
Dabei ist UTo die Diffusionsspannung und rdiff der differentielle Widerstand. Der Strom Id ist
der Strom, der von den Ausgangsklemmen der Gleichrichter zur Batterie bzw. zum
Verbraucher im Kraftfahrzeug fließt.
Hingegen können die Thyristoren bei der Schaltungsanordnung nach dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 1 derart angesteuert werden, daß immer zwei Thyristoren stromführend sind, so daß
sich der Strom im zeitlichen Mittel auf Id/2 während aller 60°-Intervalle reduziert. Es ergibt
sich also hier als Verlustleistung PVThy:
PVThy = ((UTo.Id/2 ) + rdiff.(Id/2)2).2
Der letzte Faktor zwei resultiert daraus, daß immer jeweils zwei Thyristoren stromführend
sind. Durch Umformen ergibt sich:
PVThy = UTo.Id + 2.rdiff.Id 2/4 = UTo.Id + rdiff.Id 2/2.
Es ist also zu sehen, daß sich eine Verringerung der Verlustleistung ergibt in dem Term, der
den differentiellen Widerstand beinhaltet. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
ist dies insofern von Bedeutung als gerade bei den Thyristoren mit den relativ hohen
Durchlaßspannungen die meisten Verluste anfallen. Als weiterer Vorteil der Schaltung erweist
sich dabei, daß im Unterschied zum Stand der Technik, bei dem die Dioden als Einpreßdioden
auf der Diodenplatte realisiert sind, eine Realisierung als Power-Modul erfolgen kann. Im
Modul sind die Halbleiterchips auf einem Al2O3 oder AlN (Aluminiumnitrid) Substrat in
unmittelbarer Nähe angeordnet und entsprechend der Schaltung gebondet. Durch die
unmittelbare Nähe kommen Power Module schnell in Wärmenot, weil viel Verlustwärme auf
relativ engem Raum anfällt. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die
Stromführung auf 6 Thyristoren verteilt. Es gibt also eine große Chipfläche und es fallen
weniger Verluste an. Des weiteren ist bei der Serienschaltung ein kompletter Anodenstern
sowie ein Kathodenstern inaktiv. Durch diese Redundanz entsteht auch im Power Modul die
Verlustwärme an verschiedenen Stellen, was für die Wärmeabfuhr vorteilhaft ist. Der
anderweitig gegebene Hinweis in der DE 32 27 602 C2 betreffend die Verwendung von MOS-
Schaltern führt von dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die gerade auf der
Verwendung der Thyristoren beruht, weg. Dabei ist weiterhin zu bedenken, daß es sich bei
einem Stromrichter der vorliegenden Art um Schalter mit symmetrischer Sperrfähigkeit
handeln muß, so daß bei der Verwendung der MOS-Schalter noch weiterer Aufwand zu
betreiben wäre.
Wichtig für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug ist auch ein stoßfreies Umschalten.
Drehmomentenstöße können den mechanischen Verband am Riemen in Unordnung bringen, zu
Riemenschwingungen anregen und erhöhten Schlupf fördern. Dies kann Einfluß haben auf den
Fahrkomfort und die Lebensdauer des Riementriebes. Bei der Verwendung von 6 Thyristoren
und zwei identischen Wicklungssystemen ergibt sich eine große Vielfalt von
Ansteuerungsmöglichkeiten der Thyristoren. Fig. 3 zeigt in diesem Zusammenhang weitere
aufgenommene Kennlinien, bei denen verschiedene Thyristoren angesteuert wurden. Insgesamt
wird durch diese Kennlinienschar der Zwischenbereich zwischen den beiden Kennlinien der
Parallelschaltung 301 und der Serienschaltung 302 ausgefüllt. Im einzelnen zeigt die Kennlinie
303 eine Ansteuerung der Thyristoren 10, 12 sowie 14 der Darstellung der Fig. 1, die
Kennlinie 304 eine Ansteuerung der Thyristoren 9 und 10 der Darstellung der Fig. 1 und die
Kennlinie 305 eine Ansteuerung des Thyristors 9. Es ist ersichtlich, daß eine zyklische
Vertauschung der Thyristoren möglich ist. Ebenso sind auch andere Kombinationen der
Ansteuerung von Thyristoren denkbar. Dabei erfolgt bei einer Umschaltung ein Übergang von
einer der Kennlinien auf eine andere Kennlinie. Dabei ist in Abhängigkeit von den
Verbrauchern und deren Leistungsbedarf festzulegen, welche der Leistungskennlinien in Frage
kommt. Dabei liegt es gegebenenfalls auch im Rahmen der Erfindung, einzelne Thyristoren
durch Dioden zu ersetzen und so eine dauerhafte Reihenschaltung zumindest einiger
Wicklungen der beiden Halbwicklungen zu erreichen. Dadurch kann gegebenenfalls eine
Schaltungsanordnung realisiert werden, die keiner Ansteuerung bedarf. Es ist auch möglich,
eine Schaltungsanordnung zu realisieren, bei der die Verbindung teils mittels Dioden und teils
mittels ansteuerbarer Thyristoren realisiert wird. Es erfolgt dann wiederum ein Übergang
zwischen zwei Kennlinien bei einer Ansteuerung der Thyristoren.
Fig. 4 zeigt die Generatorcharakteristiken für Serien- und Parallelschaltung bei Nennerregung
(auch Generatorgrenzkurve) beispielsweise anhand einer Lichtmaschine des Herstellers Bosch
mit der Typenbezeichnung NC 14V73-143 A. Beide Charakteristiken definieren drei Bereiche.
Liegt die zu erzeugende elektrische Leistung in den Bereichen I und II, kommt als möglicher
Betriebszustand im Bereich I nur die Serienschaltung und im Bereich III nur die
Parallelschaltung in Frage.
Einzig der Bereich II kann mit beiden Schaltungen befriedigt werden und ist somit nicht
eindeutig. Zur Lösung dieses Entscheidungskonfliktes wird ein Gütekriterium als zusätzliches
Umschaltkriterium eingeführt: Als Gütekriterium dient der Wirkungsgrad η der Anordnung
(Maschine + Stromrichter). Deshalb ist, wenn immer möglich, auch im Bereich II die
Parallelschaltung zu wählen, da hier der Anlagenwirkungsgrad um durchschnittlich 10% höher
ist. Dies geht aus den bekannten Muschelkurven hervor.
Vorgeschlagen werden soll deshalb ein Verfahren, welches von kleinen Drehzahlen zu höheren
Drehzahlen hin die Umschaltung zeitoptimal (zum frühestmöglichen Zeitpunkt) möglichst
stoßfrei vornimmt. Bei Lastwechsel und ausgehend von höheren Drehzahlen hin zu niedrigen
soll die Serienschaltung möglichst spät eingeschaltet werden, wobei diese Einschaltung der
Serienschaltung ebenfalls möglichst stoßfrei erfolgen soll.
Das Umschalten von einer Kennlinie auf die andere ist nahezu stoßfrei möglich im
Schnittpunkt, den die beiden Kennlinien bei der jeweiligen Erregung miteinander bilden. Hier
befindet sich die Synchronmaschine vor und nach der Umschaltung im selben magnetischen
Gleichgewicht, d. h. selber Erregerstrom, selber Ausgangsstrom, gleiche Ausgangsleistung und
gleiche Drehmomentaufnahme. Geringfügige Unterschiede gibt es jedoch aufgrund der
Streureaktanzen Stator-Rotor, so daß der wirklich "ideale" Umschaltpunkt im Bereich des
Schnittpunktes liegt. Der Ab- bzw. Aufbau von magnetischer Energie bei der Umschaltung in
der Streureaktanz spielt sich aber im µ-Sekunden-Bereich ab und ist für die hier vorliegende
technische Anwendung nicht relevant.
Zunächst soll anhand Fig. 5 eine Vorgehensweise beschrieben werden, bei der die
Umschaltanforderung zu detektieren ist, die Maschine zum aktuellen Schnittpunkt der
symmetrischen Charakteristik zu führen ist und die Umschaltung ausgelöst werden soll. Es
handelt sich hierbei um ein "Trajektorie-orientiertes Verfahren". Ein dabei eventuell
auftretender Leistungsüberschuß bzw. ein Leistungsdefizit wird dabei kurzzeitig von der
Doppelschichtkapazität der Batterie gepuffert.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit soll bei der weiteren Erläuterung die Abgabeleistung als
konstant angenommen werden. Fig. 5 zeigt zunächst die beiden Grenzcharakteristiken bei
Nennerregung. Mit abnehmender Erregung des Generators wandern die Schnittpunkte, an
denen ein nahezu ein stoßfreies Umschalten möglich ist, nach unten rechts im Kennlinienfeld.
Alle Schnittpunkte zusammen bilden in erster Näherung als geometrischen Ort eine Kurve,
welche nachfolgend als "Schaltkurve" bezeichnet wird. Ausgehend von t1 dreht der Generator
mit einer Drehzahl n1 und gibt eine momentane Leistung von P1 ab (Arbeitsbereich I). Zum
Zeitpunkt t4 ist die nächste stationäre Endlage bei n4 erreicht und der betrachtete
Regelvorgang beendet.
Von der Anfangslage n1 an wird der Feldregler bekannter Bauart versuchen, die
Abgabeleistung konstant zu halten und idealerweise die Erregung reduzieren. Im
Kennlinienfeld bewegt man sich daher horizontal entlang der Trajektorie 1 gemäß der
Darstellung der Fig. 5. Zum Zeitpunkt t2, d. h. mit Schnitt der Grenzcharakteristik der
Parallelschaltung (ie= IEN) wäre ein Umschalten erstmals möglich, wenn auch mit einem
Drehmomentstoß. Die Grenzcharakteristik und die Schaltkurve sind dabei der Regelung
bekannt. Dies kann beispielsweise durch eine on-line Rechnung oder eine Tabelle realisiert
sein.
Bei t2 wird dann zum Feldregler ein erfindungsgemäßer "Trajektorie-Controller" überlagert,
welcher durch seinen Offset die Trajektorie von t2 an zeitoptimal an die "Schaltkurve"
heranführt. Beim Schnitt zum Zeitpunkt t3 wird der Stromrichter in die Parallelschaltung
umgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird die Beeinflussung des Feldreglers durch den
"Trajektorie-Controller" wieder zurückgenommen.
Es ergibt sich die Trajektorie t1-t4 von der Anfangs- bis zur Endlage. Die kurzzeitige Differenz
zwischen erzeugter Leistung und der von den elektrischen Verbrauchern aufgenommenen
Leistung wird von der Doppelschichtkapazität der Batterie absorbiert. Für die Lebensdauer der
Batterie ist dies nicht schädlich.
Durch den Regelverzug, d. h. die Zeitdauer zum Heranführen der Trajektorie an die
"Schaltkurve" entsteht gleichzeitig die praktisch notwendige Hysterese, welche andauerndes
Umschalten verhindert, falls die Generatordrehzahl beispielsweise um die Drehzahl n2
schwankt.
Das Verfahren schließt auch den Trivialfall mit ein, wenn die Abszisse der Darstellung der
Fig. 5 als Verlängerung der "Schaltkurve" betrachtet wird. Bei Überschreiten der
Grenzcharakteristik der Parallelschaltung wird der Generator entregt, der Stromrichter in
Abhängigkeit der Schnittrichtung bei zunehmender oder abnehmender Drehzahl
(Drehzahländerungsrichtung) umgeschaltet und wieder neu erregt. Für diesen Regelvorgang
sind ca. 400 msec Dauer zu veranschlagen. Das Leistungsdefizit wird ebenfalls wieder von der
Doppelschichtkapazität der Batterie gedeckt ohne sie zu schädigen.
Fig. 6 zeigt einen Blockschaltplan der Regelung. Der Feldregler 1 und der Feldsteller sind als
PI-Regler und Tiefsetzsteller bekannter Bauart ausgeführt. Hinzu kommt ein Beobachter 3, der
den momentanen Betriebspunkt im Kennfeld schätzt. Der Schätzung liegt folgende Berechnung
zugrunde:
P.ab(n+1) = A(R,θ,û) Pab(n) + B(R,θ,û)Û(n);
ñ = n
ñ = n
Das Drehzahlsignal wird aus der Frequenz der Phasenspannung generiert.
Die Trajektorie-Control prüft, ob die Grenzcharakteristik überschritten ist. Die
Grenzcharakteristik kann on-line gerechnet werden mit neuronalen Netzen, Langrangeschen
Näherungspolynomen oder ähnlichem oder auch in Tabellenform abgelegt sein. Wird ein
Schnitt detektiert, beginnt die Trajektorie-Control einen geeigneten Offset zur aktuellen
Stellgröße zu überlagern und zieht die Trajektorie zeitoptimal an die Schaltkurve. Bei
Erreichen werden Zündimpulse entweder unterdrückt oder zu den Thyristoren durchgeschaltet.
Bezüglich der Repräsentation der Schaltgeraden gelten dieselben Ausführungen wie zur
Grenzcharakteristik.
Die Beschreibung des Umschaltverfahrens erfolgt anhand der Darstellung der Fig. 7. Fig. 7
zeigt die Grenzkurve des Generators in Parallelschaltung bei Nennerregung (gestrichelte Linie)
und den Augenblickswert der Generatorleistung Pw(n1), weicher bereits auf der Grenzkurve
liegt. Die Vorgeschichte, bei der der Generator sowieso in Serienschaltung betrieben wird, ist
nicht relevant. Ausgehend von n1 soll sich die Drehzahl weiter erhöhen, so daß von der
Serienschaltung möglichst zeitoptimal in die Parallelschaltung übergegangen werden muß.
Drehmomentstöße sollen vermieden werden. Im Arbeitspunkt Pw(n1), d. h. der Anfangslage,
befindet sich der Generator noch in Serienschaltung und ist mit ierr = 0,8.IEN erregt. Der
Kennliniensatz bei dieser Erregung ist ebenfalls eingezeichnet. Die Unvollständigkeit der
Darstellung des Kennliniensatzes dient in der Darstellung der Fig. 7 der Übersichtlichkeit.
Gegenüber den Verhältnissen bei Fig. 6 erzeugt der Trajektorie-Controller jetzt den
vollständigen Satz an Kennlinien in Abhängigkeit der jeweiligen Erregung des Generators.
Zu Beginn des Regelvorganges bewegt sich der Arbeitspunkt auf der Charakteristik der
Serienschaltung mit anwachsender Drehzahl und Abgabeleistung. Der Feldregler ist zu träge,
um die punktierte Trajektorie zu realisieren. Sobald beim Erreichen der Drehzahl n2 die
Differenz zwischen der Verbraucherleistung Pw und der abgegebenen Leistung Pab(n2)
betragsmäßig gleich ist zur Differenz zwischen der Verbraucherleistung Pw und der
nächstliegenden Charakteristik, wird diese eingeschaltet. Wie Fig. 7 zeigt, wiederholt sich der
Schaltalgorithmus für alle verfügbaren Charakteristiken bis die Charakteristik der
Parallelschaltung bei n5 erreicht ist.
Wenn sich die Drehzahl während des Regelvorganges nicht so stark ändert bis bei n5 die
Parallelcharakteristik erreicht wird, kann der Trajektorie-Controller einen Offset zum Ausgang
des Feldreglers hinzufügen, um die nötigen ΔP's zu bewirken.
Da die Unstetigkeiten in der Regeltrajektorie von Anfangs- zur Endlage nur geringe
Sprunghöhen aufweisen, wird ein relativ sanfter Übergang von der Serien- auf die
Parallelschaltung und umgekehrt erreicht.
Es ergibt sich noch eine weiterführende Einsatzmöglichkeit, wenn die Thyristoren durch
bidirektionale Schalter ersetzt werden und die Brückengleichrichter durch MOS-FETs. Es
ergibt sich dann eine Anordnung, welche kurzzeitig extrem hohe Momente abgeben kann, so
daß sich sehr hohe Drehmomente ergeben. Mit dieser Anordnung ist es möglich, in Ausführung
mit selbstlöschenden Ventilen, einen "Warmstart" des Kraftfahrzeuges über die Lichtmaschine
zu ermöglichen. Es kann also ein verschleißfreier Start/Stop-Betrieb realisiert werden. Bei
Elektrofahrzeugen kann ebenfalls das bisher verwendete Getriebe entfallen.
Claims (8)
1. Schaltungsanordnung für eine Drehstrom-Lichtmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei die
Wicklung der Lichtmaschine aus zwei Halbwicklungen (1, 2) besteht, wobei eine
Gleichrichtung der Spannungen und Ströme der Ausgänge der beiden Halbwicklungen
(1, 2) erfolgt, wobei die Ausgänge der einen Halbwicklung (1) mit den Eingängen eines
ersten Gleichrichters (15) verbunden sind, wobei die Ausgänge der anderen Halbwicklung
(2) mit den Eingängen eines weiteren Gleichrichters (16) verbunden sind, wobei die
beiden Halbwicklungen denselben Umlaufsinn und dieselbe Anschlußbelegung aufweisen
und wobei jeder Ausgang (3, 4, 5) der einen Halbwicklung (1) über die Schaltstrecken
zweier schaltbarer Elemente (9, 10; 11, 12; 13, 14) mit jeweils zwei Ausgängen (7, 8; 6, 8;
6, 7) der anderen Halbwicklung (2) verbindbar ist derart, daß bei durchgeschalteten
Schaltstrecken die beiden Halbwicklungen (1, 2) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
2. Schaltungsanordnung für eine Drehstrom-Lichtmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei die
Wicklung der Lichtmaschine aus zwei Halbwicklungen (1, 2) besteht, wobei eine
Gleichrichtung der Spannungen und Ströme der Ausgänge der beiden Halbwicklungen
(1, 2) erfolgt, wobei die Ausgänge der einen Halbwicklung (1) mit den Eingängen eines
ersten Gleichrichters (15) verbunden sind, wobei die Ausgänge der anderen Halbwicklung
(2) mit den Eingängen eines weiteren Gleichrichters (16) verbunden sind, wobei die
beiden Halbwicklungen denselben Umlaufsinn und dieselbe Anschlußbelegung aufweisen
und wobei zumindest ein Ausgang (3, 4, 5) der einen Halbwicklung (1) über die
Schaltstrecke bzw. Schaltstrecken zumindest eines schaltbaren Elementes (9, 10; 11, 12;
13, 14) mit einer der Anzahl der schaltbaren Elemente entsprechenden Zahl von
Ausgängen (7, 8; 6, 8; 6, 7) der anderen Halbwicklung (2) verbindbar ist derart, daß bei
durchgeschalteten Schaltstrecken einzelne Wicklungen der beiden Halbwicklungen (1, 2)
elektrisch in Reihe geschaltet sind.
3. Schaltungsanordnung für eine Drehstrom-Lichtmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei die
Wicklung der Lichtmaschine aus zwei Halbwicklungen (1, 2) besteht, wobei eine
Gleichrichtung der Spannungen und Ströme der Ausgänge der beiden Halbwicklungen
(1, 2) erfolgt, wobei die Ausgänge der einen Halbwicklung (1) mit den Eingängen eines
ersten Gleichrichters (15) verbunden sind, wobei die Ausgänge der anderen Halbwicklung
(2) mit den Eingängen eines weiteren Gleichrichters (16) verbunden sind, wobei die
beiden Halbwicklungen denselben Umlaufsinn und dieselbe Anschlußbelegung aufweisen
und wobei zumindest ein Ausgang (3, 4, 5) der einen Halbwicklung (1) mittels zumindest
einer Diode mit einer der Anzahl der Dioden entsprechenden Zahl von Ausgängen (7, 8; 6,
8; 6, 7) der anderen Halbwicklung (2) verbunden ist derart, daß einzelne Wicklungen der
beiden Halbwicklungen (1, 2) dauerhaft elektrisch in Reihe geschaltet sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein weiterer Ausgang (3, 4, 5) der einen
Halbwicklung (1) über die Schaltstrecke bzw. Schaltstrecken zumindest eines schaltbaren
Elementes (9, 10; 11, 12; 13, 14) mit einer der Anzahl der schaltbaren Elemente
entsprechenden Zahl von Ausgängen (7, 8; 6, 8; 6, 7) der anderen Halbwicklung (2)
verbindbar ist derart, daß bei durchgeschalteten Schaltstrecken einzelne Wicklungen der
beiden Halbwicklungen (1, 2) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbaren Elemente Thyristoren (9, 10, 11, 12, 13, 14)
sind.
6. Verfahren zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbaren Elemente (9, 10, 11, 12, 13, 14) bei
Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl des Motors des Kraftfahrzeuges angesteuert
werden (301, 302).
7. Verfahren zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbaren Elemente (9, 10, 11, 12, 13, 14)
nacheinander und/oder nur einzelne der schaltbaren Elemente (9, 10, 11, 12, 13, 14)
angesteuert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der schaltbaren Elemente (9, 10, 11, 12, 13,
14) bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl des Motors des Kraftfahrzeuges erfolgt.
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