DE60019274T2

DE60019274T2 - Elektrisches System in einem Kraftfahrzeug mit einem Spannungsregler und Verfahren zur Regelung einer Spannung in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE60019274T2
Application number: DE60019274T
Authority: DE
Inventors: Giampietro Maggioni; Maurizio Gallinari; Claudio Serratoni; Marco Morelli
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: US20010050544A1; EP1164057A1; IT1318017B1; US6833688B2; JP2002027682A; ITMI20001321A0; ITMI20001321A1; EP1164057B1; DE60019274D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugsystem mit einer Spannungsregeleinrichtung.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Spannungsregelschleifeneinrichtung, speziell zum Regeln einer Spannung eines elektrischen Fahrzeugsystems, umfassend mindestens eine Wärmekraftmaschine, einen Spannungsregler und einen Generator, die betrieben werden, um ein systemgeregeltes Spannungssignal an den Spannungsregler zu liefern und von diesem ein Regelsignal zu empfangen.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Spannungsregelung.
Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung eine Spannungsregeleinrichtung für ein elektrisches Fahrzeugsystem, wobei die folgende Beschreibung dieses Anwendungsgebiet zur vereinfachten Darstellung betrifft.
Stand der Technik
Elektrische Fahrzeugsysteme beinhalten bekanntlich Maßnahmen zum Regeln der Systemspannung abhängig von der Drehzahl der Wärmekraftmaschine.
Bei niedriger Drehzahl UPM (Umdrehungen pro Minute) kann eine für Kraftfahrzeuge verwendete Wärmekraftmaschine nur ein geringes Antriebsmoment erzeugen. In diesem Zustand kann das Ankoppeln einer elektrischen Last beträchtlicher Größe, beispielsweise einer Klimaanlage, zu einem Absterben des Motors aufgrund des dann angekoppelten Generators kommen, da die Liefe rung der erhöhten Strommenge ein höheres Drehmoment erfordert, als es der Motor erbringen kann.
Bei 1 in 1 ist schematisch und allgemein eine herkömmliche Spannungsregeleinrichtung für ein elektrisches Fahrzeugsystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 dargestellt.
Die Regeleinrichtung 1 enthält im Wesentlichen einen Generator 2, eine Batterie 3 und einen Spannungsregler 4 in Parallelschaltung.
Der Spannungsregler 4 beinhaltet:
Einen ersten Anschluss TR'1, der an einen ersten Anschluss TA'1 des Generators angeschlossen ist und ein Phasensignal PH empfängt;
einen zweiten Anschluss TR'2, der an einen zweiten Anschluss TA'2 des Generators 2 und an eine Referenzspannung, insbesondere Masse GND, angeschlossen ist;
einen dritten Anschluss TR'3, der an einen dritten Anschluss TA'3 des Generators 2 angeschlossen ist und ein geregeltes Spannungssignal A+ empfängt; und
einen vierten Anschluss TR'4, der an einen vierten Anschluss TA'4 des Generators 2 angeschlossen ist und ein Regelsignal DF liefert.
Basierend auf dem Phasensignal PH vom Generator 2 überwacht der Spannungsregler 4 im Wesentlichen das geregelte Spannungssignal A+ und regelt es mit Hilfe des Regelsignals (oder des Feldtreibers) DF.
In der Regeleinrichtung 1 wird also das Phasensignal PH dazu verwendet, eine Anzeige des Motorbetriebszustands über den Betrieb des Generators 2 zu liefern. Wenn die Kurbelwelle des Motors mit der Generatorwelle über einen Riementrieb gekoppelt ist, ist die Generatordrehzahl proportional zur Motordrehzahl.
Ein derartiges Schema findet sich in zahlreichen, kommerziell eingesetzten Reglern, bei denen das von dem Generator kommende Phasensignal analysiert und unterschiedliche Strategien verwendet werden, abhängig von der Signalbreite und -frequenz, um das systemgeregelte Spannungssignal einzustellen.
2 zeigt einen Spannungsregler 4 eines derzeit in elektrischen Fahrzeugsystemen verwendeten Typs.
Der Spannungsregler 4 enthält einen Schwellenwertvergleicher 5, der zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss TR'1 und TR'2 des Spannungsreglers 4 liegt und an seinem Eingang von einer Spannungsquelle VB vorgespannt ist. Der Schwellenwertvergleicher 5 ist mit seinem Ausgang an mehrere Schalter SW1,...SWN angeschlossen, die von mehreren Puffern I1,...IN abhängig vom Frequenzwert fPH des Phasensignals PH an dem ersten Anschluss TR'1 sowie abhängig von Referenzwerten f1,...fN, die von den Puffer I1,...IN eingestellt werden, angesteuert werden.
Die gesteuerten Schalter SW1,...SWN sind direkt an den vierten Anschluss TR'4 des Spannungsreglers 4 sowie an den dritten Anschluss TR'3 über mehrere Rampenvergleicher oder -komperatoren CR1,...CRN angeschlossen.
Der Spannungsregler 4 nach 2 arbeitet folgendermaßen: Entsprechend der Frequenz fPH des Phasensignals PH an dem ersten Anschluss TR'1 regelt der Spannungsregler 4 die Systemspannung A+ unter Verwendung unterschiedlicher Zeitkonstanten, die von den Puffer I1,...IN abhängig vom Betriebszustand des Fahrzeugmotors eingestellt wurden. Insbesondere schließen die Puffer I1,...IN einen der Schalter SW1,...SWN, um über einen Rampenkomperator CR1,...CRN den dritten Anschluss TR'3 des Spannungsreglers 4 unter Beisein des geregelten Spannungssignals A+ mit dem vierten Anschluss TR'4 des Spannungsreglers zu verbinden, an welchem das Regelsignal DF ansteht.
Wenn von dem Generator 2 kein Signal empfangen wird, oder wenn dessen Frequenz kleiner als ein erster Referenzwert f1 ist, wird keiner der Schalter SW1,...SWN geschlossen, und der Spannungsregler 4 befindet sich im ausgeschalteten oder Bereitschaftszustand.
Bei einer vorhandenen starken elektrischen Last steuert, wenn der Motor bei niedriger Drehzahl arbeitet, der Spannungsregler 4 das Drehmoment des Generators 2 so, dass es proportional erhöht wird, demzufolge ein zu der Last passender Strom erzeugt werden kann. Auf diese Weise wird eine ECU (Motorsteuereinheit; Engine Control Unit) 6 einer Fahrzeug-Wärmekraftmaschine 7 in die Lage versetzt, mit sich erhöhender Motordrehzahl zu reagieren, ohne dass die Wärmekraftmaschine 7 abstirbt, wie schematisch in 3 gezeigt ist.
Insbesondere steuert der Spannungsregler 4 den Generator 2 mit Hilfe des Regelsignals DF und abhängig von der Information, die von dem Generator 2 selbst über das Phasensignal PH und das geregelte Spannungssignal A+ empfangen wird.
In ähnlicher Weise empfängt die Steuereinheit 6 von dem Motor 7 über mehrere Sensoren verschiedene Informationen INF betreffend den Motorzustand, um darauf durch mehrere Signale AP zu reagieren, allgemein als Aktuatoren bezeichnet.
Obschon in zahlreicher Hinsicht von Vorteil, hat ein solches herkömmliches Schema den Nachteil, dass der Spannungsregler 4 die Information über den Motorbetrieb aus der Drehzahl des Generators 2 gewinnt, so dass die Gleichzeitigkeit dieser Information verloren geht. Tatsächlich kann zu der Zeit, zu der die Motordrehzahl aus der Drehung des Generators abgeleitet wird, der Motor seinen Zustand geändert haben, so dass sich die Spannungsregelung für das System nicht als optimal erweist.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 196 45 944 A1 , eingereicht am 07. November 1996 von der Robert Bosch GmbH, ist eine Steuereinheit für ein Bordspannungsversorgungssystem mit mindestens zwei von einem Generator aufladbaren Batterien bekannt, welches dazu dient, unterschiedlichen Verbrauchern elektrische Leistung zuzuführen. Die Steuereinheit befindet sich zwischen den beiden Batterien und enthält eine Spannungsversorgungseinheit, einen Bus-Schnittstellen-Mikrocomputer, einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler und eine kurzschlusssichere Ausgangsstufe. Basierend auf Systeminformation schaltet die Steuereinheit die Verbindung zwischen den beiden Batterien ein oder aus, und nach Abschalten der Versorgungsspannung erfolgt ein Übergang in einen "Schlummermodus".
Außerdem ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 093 974 A2 , eingereicht am 14. September 2000 ebenfalls von der Robert Bosch GmbH, ein Verfahren zur Spannungsregelung bekannt, welches mit Hilfe einer Steuereinheit durchgeführt wird, die einen Timer enthält. Wie in dieser Schrift dargestellt ist, ist die bereits eingestellte Ladekapazität für die Batterie anpassbar in Abhängigkeit der Erfordernisse aufgrund schwankender Leistungsaufnahme der elektrischen Verbraucher und von Motordrehzahl abhängigen Ausgangs-Leistungsspannungen des Generators oder von der Generatorbelastung. Insbesondere dient die Batterie als Startbatterie für den Motor.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist die Schaffung einer Spannungsregeleinrichtung, insbesondere für elektrische Fahrzeugsysteme, die derartige bauliche und funktionelle Merkmale aufweisen, was die Systemspannungsregelung optimiert wird, und so die Beschränkungen bekannter Einrichtungen überwunden werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Lösungsidee, die durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird, basiert auf der Verwendung der Systemsteuereinheit, um einen Spannungsregler über den Betriebszustand des Motors im Echtzeitbetrieb in Kenntnis zu setzen.
Diese Lösungsidee des technischen Problems wird realisiert durch eine Spannungsregeleinrichtung der genannten Art mit der Definition gemäß Anspruch 1.
Das technische Problem wird weiterhin gelöst durch ein Spannungsregelverfahren der genannten Art, wie es in Anspruch 9 definiert ist.
Die Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Spannungsregeleinrichtung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, die sich ohne Beschränkung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen präsentiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 schematisch eine Spannungsregeleinrichtung eines bekannten elektrischen Fahrzeugsystems;
2 schematisch eine Einzelheit der Einrichtung nach 1;
3 schematisch das Arbeitsprinzip der in 1 gezeigten Einrichtung;
4 schematisch eine Spannungsregeleinrichtung für ein elektrisches Fahrzeugsystem gemäß der Erfindung;
5 schematisch das Arbeitsprinzip der in 4 gezeigten Einrichtung.
Detaillierte Beschreibung
Anhand der Zeichnungen, insbesondere in bezug auf 4, ist eine Spannungsregeleinrichtung für ein elektrisches Fahrzeugsystem gemäß der Erfindung allgemein in schematischer Form bei 10 dargestellt.
Die Spannungsregeleinrichtung 10 enthält im Wesentlichen einen Generator 11, eine Batterie 12 und einen Spannungsregler 13.
Der Spannungsregler 13 ist mit einem ersten Anschluss TR1 an einen ersten Anschluss TC1 einer Steuereinheit 14 angeschlossen und zum Empfangen eines Phasensignals PH ausgebildet.
Die Steuereinheit 14 selbst ist mit einem zweiten Anschluss TC2 an einen ersten Anschluss TR1 des Generators 11 angeschlossen und ausgebildet zum Empfangen eines geregelten Spannungssignals A+, und ist mit einem dritten Anschluss TC3 an einem zweiten Anschluss TA2 des Generators 11 angeschlossen, außerdem an einem zweiten Anschluss TR2 des Spannungsreglers 13, und ist insbesondere mit einer Massespannung GND als Spannungsreferenz verbunden.
Der Spannungsregler 13 ist mit einem dritten Anschluss TR3 an einen dritten Anschluss TA3 des Generators 11 angeschlossen und empfängt das geregelte Spannungssignal A+, weiterhin ist er mit einem vierten Anschluss TR4 an einem vierten Anschluss TA4 des Generators 11 angeschlossen und liefert ein Regelsignal DF.
Auf diese Weise dient die Steuereinheit 14 dazu, den Spannungsregler 13 über den Betriebszustand der Wärmekraftmaschine 15 auf dem Laufenden zu halten, wie schematisch in 5 dargestellt ist.
Insbesondere enthält die Spannungsregeleinrichtung 10 eine Regelschleife, bestehend aus der Wärmekraftmaschine 15, dem Generator 11, dem Spannungsregler 13 und der Steuereinheit 14, wobei Letztere den Spannungsregler 13 mittels des Phasensignals PH steuert.
Die Steuereinheit 14 ist normalerweise an mehrere (nicht dargestellte) Sensoren angeschlossen, die sie mit unterschiedlichen Variablen INF beliefert, die sich auf den Betriebszustand des Motors 15 beziehen. Unter anderen Parametern erhält die Steuereinheit 14 Kenntnis über das Antriebsmoment, die Motordrehzahl, die Motortemperatur und darüber, ob der Fahrer des Fahrzeugs beschleunigt. Darüber hinaus überwacht die Steuereinheit 14 die auf das elektrische System einwirkende Last.
All diese Information wird äußerst rasch verarbeitet, dank der hohen Rechenkapazität der Steuereinheit 14, um den Motor mit der richtigen Menge Kraft stoff/Luft zu versorgen, um die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile zu steuern, und um andere Funktionen bereitzustellen, die in 5 allgemein als Aktuatoren AT dargestellt sind.
In anderen Worten: Die Steuereinheit 14 und die darin verarbeitete und enthaltene Information liefern eine äußerst genaue Echtzeit-Einschätzung des Betriebszustands des Motors und ermöglichen eine Vorhersage nachfolgender Änderungen des Zustands.
Vorteilhaft bei der Erfindung ist, dass existierende Steuereinheiten 14 elektrischer Systeme in Kraftfahrzeugen dazu eingesetzt werden können, einen Spannungsregler 13 für optimale Systemspannung anzusteuern und damit die Lebensdauer der Systembatterie 12 des Systems zu verlängern.
Außerdem ist bei der Erfindung von Vorteil, dass die Motor-Minimumdrehzahl niedrig gehalten werden kann und damit auch der Ausstoß von verunreinigenden Abgasen.
Hinzuweisen ist auf den Umstand, dass die Spannungsregeleinrichtung 10 gemäß der Erfindung von einem herkömmlichen Spannungsregler 13 Gebrauch macht, wobei die Steuereinheit 14 an ihrem ersten Anschluss TC1 ein Phasensignal PH in Form eines Rechtecksignals liefert, welches eine ähnliche Charakteristik hat wie das von dem Generator 11 kommende Phasensignal, und von einem herkömmlichen Spannungsregler 13 verarbeitbar ist.
Im Folgenden wird die Arbeitsweise der Spannungsregeleinrichtung 10 gemäß der Erfindung erläutert.
Abhängig von der Frequenz fPH des Phasensignals PH von der Steuereinheit 14 arbeitet der Spannungsregler 13 so, dass er die Systemspannung A+ regelt durch Anwenden unterschiedlicher Zeitkonstanten abhängig vom Betriebszustand des Motors, wie oben in Verbindung mit dem Stand der Technik erläutert wurde. Insbesondere können diese Zeitkonstanten durch geeignete Puffer ein gestellt werden, die so ausgebildet sind, dass sie entsprechende Schalter innerhalb des Spannungsreglers 13 schließen.
Wenn die Steuereinheit 14 kein Signal erreicht oder dessen Frequenz kleiner als der Minimumwert f1 ist, werden keine Schalter geschlossen und der Spannungsregler 13 wird ausgeschaltet, um einen Bereitschaftszustand einzunehmen.
Kurzgesagt: Während herkömmliche Einrichtungen zum Regeln der Spannung in einem elektrischen Fahrzeugsystem eine Schleifenregelung durch die Kombination Motor/Generator/Regler ausführen unter Verwendung des Phasensignals von dem Generator, um den Systemspannungsregler zu betreiben, beinhaltet die Spannungsregeleinrichtung gemäß der Erfindung auch die Systemsteuereinheit mit der Regelschleife und verwendet das Phasensignal von der Steuereinheit, insbesondere ein Rechtecksignal, welches mit den derzeitigen in Betrieb befindlichen Spannungsreglern kompatibel ist.

Claims

Elektrisches Fahrzeugsystem, enthaltend mindestens eine Wärmekraftmaschine (15) und eine Spannungsregelschleife, wobei die Spannungsregelschleife aufweist: einen Spannungsregler (13) und einen von der Wärmekraftmaschine (15) angetriebenen Generator (11), von denen der Generator (11) so arbeitet, dass er ein systemgeregeltes Spannungssignal (A+) an den Spannungsregler (13) liefert und von diesem ein Regelsignal (DF) empfängt, wobei die Spannungsregelschleife einen ersten Anschluss (TC1) zum Empfangen eines Phasensignals von dem Generator (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Fahrzeugsystem außerdem aufweist: eine Steuereinheit (14), die zwischen der Wärmekraftmaschine (15) und dem ersten Anschluss (TC1) des Spannungsreglers (13) liegt, und dass die Steuereinheit (14) mindestens ein Maschinenbetriebsignal (INF) empfängt und ansprechend darauf an den Spannungsregler (13) ein Signal (PH) liefert, welches dem Maschinenbetrieb entspricht, wobei das von der Steuereinheit (14) an den ersten Anschluss (TC1) gelieferte Signal (PH) ein geeignetes Rechteckphasensignal zur Verarbeitung durch den Spannungsregler (13) ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) mindestens einen zweiten an den Generator (11) angeschlossenen Anschluss (TC2) zum Empfangen des systemgeregelten Spannungssignals (A+) aufweist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) an mehrere Sensoren angeschlossen ist, die sie mit einer Menge von Variablen beliefern, die in Beziehung zu dem Maschinenbetrieb stehen, darunter Antriebsmoment, Maschinendrehzahl, Maschinentemperatur, und Information darüber, ob ein Fahrer eines Fahrzeugs, welches mit der Spannungsregelschleife ausgestattet ist, beschleunigt.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungskapazität der Steuereinheit (14) geeignet ist, um – die ankommenden Variablen mit hoher Geschwindigkeit zu verarbeiten; – als Phasensignal (PH) eine exakte Abschätzung des Betriebszustands der Maschine in Echtzeit zu liefern; und – spätere Änderungen des Zustands vorherzusagen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) an ihrem ersten Anschluss (TC1) ein Phasensignal (PH) in Form eines Rechtecksignals mit einer ähnlichen Kennlinie wie das Phasensignal vom Generator (11) liefert, welches von einem herkömmlichen Spannungsregler (13) verarbeitbar ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (13) mehrere Puffer und Schalter aufweist, einsetzbar zum Regeln des Systemspannungssignals (A+) durch Anwenden unterschiedlicher Zeitkonstanten entsprechend dem Betriebszustand der Maschine und der Frequenz (fPH) des Phasensignals (PH) von der Steuereinheit (14).
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (13) dann ausgeschaltet und im Bereitschaftszustand gehalten wird, wenn an die Steuereinheit (14) kein Signal geliefert wird.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (13) ansprechend darauf ausgeschaltet und im Bereitschaftszustand gehalten wird, dass die Steuereinheit (14) ein Signal mit einer Frequenz unterhalb eines Minimumwerts (f1) erhält.
Verfahren zum Regeln einer Spannung eines elektrischen Fahrzeugsystems, welches mindestens eine Wärmekraftmaschine (15) und eine Spannungsregelschleife enthält, wobei die Spannungsregelschleife einen Spannungsregler (13) und einen von der Wärmekraftmaschine (15) angetriebenen Generator (11) aufweist, wobei der Generator (11) betrieben wird, um ein sy stemgeregeltes Spannungssignal (A+) an den Spannungsregler (13) zu liefern und von diesem ein Regelsignal (DF) zu empfangen, wobei die Spannungsregelschleife einen ersten Anschluss (TC1) zum Empfangen eines Signals von dem Generator (11) aufweist, umfassend folgende Schritte: – Detektieren von Variablen, die in Beziehung stehen zu dem Betrieb der Wärmekraftmaschine (15), indem eine Steuereinheit (14) zwischen die Wärmekraftmaschine (15) und den ersten Anschluss (TC1) des Spannungsreglers (13) geschaltet wird, wobei die Steuereinheit (14) mindestens ein Maschinenbetriebsignal (INF) empfängt und ansprechend darauf an den Spannungsregler (13) ein dem Maschinenbetrieb entsprechendes Signal (PH) zuführt; – Echtzeit-Verarbeitung der von der Steuereinheit (14) detektierten Variablen, um die aktuellen Bedingungen des Betriebs der Wärmekraftmaschine (15) abzuschätzen; – Regulieren des systemgeregelten Spannungssignals entsprechend den detektierten Betriebsbedingungen der Wärmekraftmaschine (15) unter Verwendung des Spannungsreglers (13), der von der Steuereinheit (14) mit einem geeigneten Rechteckphasensignal (PH) beliefert wird, welches dem Maschinenbetrieb entspricht, um von dem Spannungsregler (13) verarbeitet zu werden.