Beschreibung

Titel Vorrichtung und Verfahren zur Generatorsteuerung sowie Generator mit entsprechender Vorrichtung

Die Erfindung betrifft einerseits eine Vorrichtung zur Steuerung eines Generators, insbesondere Starter-Generator, eines Kraftfahrzeugs mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen und einen Generator mit einer entsprechenden Vorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 8 genannten Merkmalen. Andererseits betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Steuerung eines Generators, insbesondere Starter-Generator, eines Kraftfahrzeugs mit den im Oberbegriff des Anspruchs 9 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Generators der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der US 6,166,523 A bekannt. Dabei wird in Abhängigkeit des Ladezustandes der Fahrzeugbatterie und des Betriebszustandes des Fahrzeugs der Generator eingeschaltet oder abgeschaltet. Dadurch, dass die Batterie des Fahrzeuges basierend auf ihrem Ladezustand geladen und entladen wird, kann eine durch den Generator verursachte Last reduziert werden, wodurch einerseits Energie eingespart und die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs optimiert wird. Anhand festgesetzter Grenzwerte des Ladezustandes der Fahrzeugbatterie kann der Generator abhängig davon eingeschaltet oder ausgeschaltet werden, ob sich der Ladezustand der Fahrzeugbatterie innerhalb der Grenzwerte befindet. Folglich wird der Generator nur bei Bedarf eingeschaltet, wodurch unnötiges Laden vermieden und die Batterie des Fahrzeugs möglichst effizient betrieben werden kann.

Der Wirkungsgrad des Generators ist jedoch nicht über alle Betriebszustände konstant. Er ist vielmehr abhängig von seiner konstruktiven Auslegung und

ändert sich beispielsweise mit Drehzahl und Auslastung sowie mit der Temperatur. Der optimale Wirkungsgrad des Generators liegt bei einer Auslastung von circa 70% vor. Bei einem Betrieb nahe der Vollauslastung oder bei niedriger Auslastung ist der Wirkungsgrad geringer. Ein in diesem Zusammenhang zum Einsatz kommendes Steuergerät dient dazu, den jeweiligen Betriebszustand des Generators mit dem Gesamtfahrzeug abzustimmen. Hierbei kann typischerweise ein Anwendungsfall berücksichtigt werden, der als Rekuperationsmodus bezeichnet wird. Im Rekuperationsmodus wird im Schubbetrieb des Fahrzeugs, das heißt in einem durch die Hangabtriebskraft und/oder durch die Massenträgheitskraft bedingten Betrieb, eine auftretende Bremsenergie durch eine Erhöhung der Generatorspannung in elektrische Energie gewandelt und beispielsweise in der Fahrzeugbatterie zwischengespeichert. Beim Beschleunigen des Fahrzeugs wird dann die Generator-Ausgangsleistung des Generators bis hin zu dessen Entregung reduziert, um das Generator-Schleppmoment auf einen Antriebsstrang des Fahrzeugs zu verringern und somit mehr Drehmoment für die Beschleunigung zur Verfügung zu stellen. Während dieser Zeit wird das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs aus dem Energiespeicher, zum Beispiel einer Batterie, versorgt. Im Nachgang daran, also beispielsweise nach Abschluss des Beschleunigungsvorgangs, übernimmt der Generator wieder die Versorgung des elektrischen Bordnetzes sowie das Nachladen der Batterie. In einem typischen Fahrzeugzyklus wechselt der Generator nach seinem Entregungszustand zunächst für eine endliche Zeit in seinen Volllastzustand, wodurch der Generator seltener im Bereich des optimalen Wirkungsgrades betrieben wird. Im Extremfall wechselt der Generator sogar zwischen den Zuständen Entregung und Volllast, so dass ein Betrieb des Generators seltener oder nie im Bereich des optimalen Wirkungsgrades erfolgt.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung eines Generators mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass sich die Zeitdauer, während der Generator im Bereich des höchsten Wirkungsgrades betrieben wird, vergrößert, wodurch letztlich sowohl der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs als auch dessen Emissionswerte verbessert

werden können. Dabei erfolgt eine planmäßige Begrenzung der Leistung des Generators, der durch eine externe Vorgabe Erregungsphasen und Entregungsphasen erfährt, während der Erregungsphase. Solange es die Ladebilanz der Batterie und andere Randbedingungen zulassen, wird somit die Leistung des Generators nach dem Betriebszustand Entregung begrenzt. Die Begrenzung erfolgt derart, dass ein höherer Wirkungsgrad des Generators erzielt wird. Gleiches gilt in analoger Weise für den Generator mit einer entsprechenden Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie für das Verfahren zur Steuerung des Generators mit den Merkmalen des Anspruchs 9.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.

Mit Vorteil erfolgt die Begrenzung der Leistung des Generators unmittelbar nach der Entregungsphase. Die Begrenzung erfolgt hierbei beispielsweise auf einen Wert, der den höchsten Wirkungsgrad aufweist.

Vorteilhafterweise erfolgt die Begrenzung der Leistung des Generators in Abhängigkeit von Randbedingungen, insbesondere Ladebilanz einer Fahrzeugbatterie, so dass die Leistungsbegrenzung des Generators nur dann erfolgt, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Hierbei steht bei einem Elektro- oder auch Hybridfahrzeug insbesondere die Fahrzeugbatterie im Blickfeld.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die

Begrenzung der Leistung des Generators auf einen Wert vorgesehen ist, für den eine Generatorspannung in einem für ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs geeigneten Bereich liegt. Die Leistung des Generators kann nicht beliebig gewählt werden. Vielmehr muss bei der Wahl der Leistung darauf geachtet werden, dass die Generatorspannung nur in einem begrenzten Bereich verändert werden darf, um einen ordnungsgemäßen Betrieb des Bordnetzes sicherzustellen. Die Größe des Bereichs und eine Nominalspannung sind durch Eigenschaften des Bordnetzes vorgegeben. Eine Veränderung der Leistung erfolgt also derart, dass zum Einen die Generatorspannung in dem

vorgegebenen Bereich liegt und zum Anderen der Wirkungsgrad des Generators maximiert ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Begrenzung der Leistung des Generators auf einen dem höchsten Wirkungsgrad des Generators entsprechenden Wert erfolgt, wodurch der Generator deutlich häufiger im Bereich seiner optimalen Betriebsphase zum Einsatz kommt. Hierdurch verzögert sich zwar die Nachladung der Batterie, was sich allerdings auf die Ladebilanz nicht auswirkt, sofern die Häufigkeit dieser Bethebszustände entsprechend gesteuert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die gesteuerte Begrenzung der Ausgangsleistung des Generators anhand einer Vorgabe eines maximal zulässigen Erregerstromes erfolgt, so dass der Generator in verschiedene Zustände jeweils mit einem vergleichsweise höheren Wirkungsgrad gebracht werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die gesteuerte Begrenzung der Leistung des Generators anhand eines maximal zulässigen Einschaltverhältnisses einer

Erregerkreisendstufe erfolgt. Hierbei kann beispielsweise mittels einer digitalen Reglerschnittstelle eines separaten Steuergerätes der Generator mit einem entsprechenden Signal versorgt werden.

Die Vorteile der abhängigen Vorrichtungsansprüche 2 bis 7 gelten in analoger Weise auch für die Merkmale der abhängigen Verfahrensansprüche 9 bis 14.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass insoweit eine Beschränkung der Erfindung erfolgt; diese umfasst vielmehr alle Abwandlungen, änderungen und äquivalente, die im Rahmen der Ansprüche möglich sind. Es zeigen:

Figur 1 ein Wirkungsgradkennfeld eines Generators mit beispielhaft aufgezeigten Betriebszuständen desselben;

Figur 2 ein weiteres Wirkungsgradkennfeld des Generators unter

Berücksichtigung einer Lastpunktverschiebung; und

Figur 3 ein Kennfeld einer Brennkraftmaschine, insbesondere

Verbrennungsmotor, zur Darstellung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs unter Einbeziehung der spezifischen Arbeit und der Maschinen- beziehungsweise Motordrehzahl.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1 ist ein Diagramm 10 mit einem Wirkungsgradkennfeld 11 eines nicht dargestellten Generators gezeigt, bei dem der Generatorstrom I _G über der Generatordrehzahl n _G aufgetragen ist. Hierbei können für eine gegebene erste Drehzahl, gekennzeichnet durch die Linie 12, je nach Ausgangsleistung des Generators beispielhaft drei unterschiedliche Betriebszustände 13, 14 und 15 eingestellt werden, wobei der Wirkungsgrad des Generators jedoch nicht über alle Betriebszustände konstant ist. Der Wirkungsgrad ist vielmehr abhängig von der konstruktiven Auslegung des Generators und ändert sich beispielsweise mit der Generatordrehzahl, der Generatorauslastung sowie der Generatortemperatur. Der optimale Wirkungsgrad des Generators liegt bei einer Auslastung von circa 70% vor. Ein in diesem Zusammenhang zum Einsatz kommendes Steuergerät dient dazu, den jeweiligen Betriebszustand des Generators mit dem Gesamtfahrzeug abzustimmen.

Hierbei kann typischerweise ein Anwendungsfall berücksichtigt werden, der als Rekuperationsmodus bezeichnet wird. Im Rekuperationsmodus wird im Schubbetrieb des Fahrzeugs eine auftretende Bremsenergie durch eine Erhöhung der Generatorspannung in elektrische Energie gewandelt und beispielsweise in einem Energiespeicher, beispielsweise der Fahrzeugbatterie, zwischengespeichert. Beim Beschleunigen des Fahrzeugs wird dann die Generator-Ausgangsleistung des Generators bis hin zu dessen Entregung

reduziert, um ein Generator-Schleppmoment auf den Antriebsstrang des Fahrzeugs zu verringern. Während dieser Zeit wird ein elektrisches Bordnetz des Fahrzeugs aus dem Energiespeicher, zum Beispiel der Fahrzeugbatterie, versorgt. Im Nachgang daran, also üblicherweise bei abgeschlossenem Beschleunigungsvorgang, übernimmt der Generator wieder die Versorgung des elektrischen Bordnetzes sowie das Nachladen der Batterie.

Im Rekuperationsmodus, also bei Rückgewinnung elektrischer Energie, beispielsweise während eines Bremsvorgangs des Fahrzeugs, wird der Betriebszustand des Generators beim Laden der Batterie den Betriebszustand 13 gemäß Figur 1 einnehmen. Durch eine gesteuerte Begrenzung der Ausgangsleistung kann der Generator in die weiteren Betriebszustände 14 und 15 gemäß Figur 1 mit höheren Wirkungsgraden gebracht werden. Dabei entspricht ein Unterbereich 15.1 des Betriebszustands 15 einem Maximum des Wirkungsgrades des Generators. Mittels eines Pfeils 16 ist eine Tendenz des Wirkungsgrades des Generators innerhalb des Wirkungsgradkennfeldes 11 nach Figur 1 aufgezeigt, welche bei höher werdendem Generatorstrom I _G und zunehmender Generatordrehzahl n _G abnehmend ist. Die gesteuerte Begrenzung kann beispielsweise durch die Vorgabe eines maximal zulässigen Erregerstroms oder eines maximal zulässigen Einschaltverhältnisses einer

Erregerkreisendstufe erfolgen, wobei mittels einer digitalen Reglerschnittstelle eines separaten Steuergerätes der Generator mit einem entsprechenden Signal versorgt werden kann.

Gemäß Figur 2 ist ein weiteres Wirkungsgradkennfeld 17 eines Generators gezeigt, bei dem der Generatorstrom I _G über der Generatordrehzahl n _G aufgetragen ist. Das weitere Wirkungsgradkennfeld 17 steht hierbei stellvertretend für ein Prinzip, bei dem eine Lastpunktverschiebung abgebildet wird. Das Wirkungsgradkennfeld 17 ist mit einer Reihe von Feldsegmenten 18 bis 22 versehen, wobei das dem Nullpunkt des dargestellten

Koordinatensystems naheliegendste Feldsegment 18 einem Wirkungsgrad von >70% entspricht. Die weiteren Feldsegmente 19, 20, 21 und 22 entsprechen in der angegebenen Reihenfolge einem Wirkungsgrad von > 65%, > 60%, > 55% beziehungsweise von > 50%. Ein erster Feldbereich 23, der mit einer nach links ausgerichteten Flächenschraffur gekennzeichnet ist, bildet in diesem

Zusammenhang einen relevanten ersten Bereich für die Lastpunktverschiebung. Ein unterhalb des ersten Feldbereichs 23 angrenzender zweiter Feldbereich 24 bildet folglich den Bereich ab, in welchen der Lastpunkt zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Generators zu verschieben ist. Entsprechend dem ersten Feldbereich 23 befindet sich unterhalb des zweiten Feldbereichs 24 ein dritter Feldbereich 25, der mit einer nach rechts ausgerichteten Flächenschraffur gekennzeichnet ist. Der dritte Feldbereich 25 bildet in diesem Zusammenhang einen relevanten weiteren Bereich für die Lastpunktverschiebung. Beispielhaft ist innerhalb des dritten Feldbereichs 25 ein Lastpunkt 26 eingetragen, der in Pfeilrichtung 34 in den zweiten Feldbereich 24 auf den neuen Lastpunkt 26' zur Wirkungsgradsteigerung des Generators verschoben wird, wobei zum Beispiel die Differenz des Generatorstroms +20A und die Differenz der Generatordrehzahl +10% betragen kann. In dem dargestellten Beispiel wird der Generatorstrom um 2OA angehoben, wodurch der Wirkungsgrad um 10% ansteigt.

In Figur 3 ein Kennfeld 27 einer Brennkraftmaschine, insbesondere Verbrennungsmotor, zur Darstellung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (g/kWh) unter Einbeziehung der spezifischen Arbeit und der Maschinen- beziehungsweise Motordrehzahl dargestellt. Die spezifische Arbeit w _e ist hierbei über der Motordrehzahl n _M abgebildet. Die spezifische Arbeit ist die Arbeit, die ein Motor verrichtet, bezogen auf das Hubvolumen, zum Beispiel in der Dimension kJ/dnrA Sie stellt eine Vergleichsgröße verschiedener Motoren unabhängig vom Hubvolumen des Motors dar. Man unterscheidet zwischen indizierter und effektiver spezifischer Arbeit. Während die indizierte spezifische Arbeit aus dem Druckverlauf im Brennraum resultiert, bezieht sich die effektive spezifische Arbeit gemäß Figur 3 auf die an der Welle abgegebene Arbeit.

Entsprechend der Figur 2 sind auch in Figur 3 drei Feldbereiche definiert. Ein erster Feldbereich 28, der mit einer nach links ausgerichteten Flächenschraffur gekennzeichnet ist, bildet in diesem Zusammenhang einen relevanten ersten Bereich für die Lastpunktverschiebung. Ein unterhalb des ersten Feldbereichs 28 angrenzender zweiter Feldbereich 29 bildet folglich den Bereich ab, in welchen der Lastpunkt zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Generators zu verschieben ist. Entsprechend dem ersten Feldbereich 28 befindet sich

unterhalb des zweiten Feldbereichs 29 ein dritter Feldbereich 30, der mit einer nach rechts ausgerichteten Flächenschraffur gekennzeichnet ist. Innerhalb des dritten Feldbereichs 30 ist beispielhaft ein Lastpunkt 31 dargestellt, der einer niedrigen spezifischen Arbeit entspricht und gemäß der Pfeilrichtung 35 in den zweiten Feldbereich 29 zu verschieben ist um eine Wirkungsgraderhöhung zu erzielen, womit sich ein (beispielhafter) Lastpunkt 31 ' ergibt. Weiterhin ist innerhalb des zweiten Feldbereichs 29 ein Lastpunkt 32 gezeigt, der bei hoher spezifischer Arbeit erreichbar ist. Insofern verdeutlicht das Kennfeld 27 die Tendenzrichtung 33 für die Lastpunktverschiebung bei einem Generator aus Sicht der Brennkraftmaschine, insbesondere Verbrennungsmotor.

Eine mögliche funktionale Umsetzung der Lastpunktverschiebung umfasst im Wesentlichen einerseits eine Grundfunktion, welche Gültigkeit für die Betriebszustände Beschleunigung, Konstantfahrt oder Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine hat. Andererseits kann durch besagte funktionale Umsetzung auch ein Sonderfall, insbesondere ein Schubbetrieb, berücksichtigt werden. Bei der Grundfunktion befinden sich der Generator beziehungsweise die Verbrennungskraftmaschine in einem Funktionsbereich gemäß Figur 2 beziehungsweise in einem Funktionsbereich gemäß Figur 3. Hierzu lassen sich entsprechend eines Zustandsautomaten, insbesondere gemäß nachstehender Zuordnungstabelle, folgende Fälle abbilden:

Betriebszustand Betriebszustand Steuerung

Generator Verbrennungsmotor Generatorspannung U _{G SOII}

Feldbereich 23 Feldbereich 28 U _G soii = U _G normal - delta U _h

Feldbereich 23 Feldbereich 28 UG soii = UG normal - delta Uk

Feldbereich 23 Feldbereich 28 UG soii = UG normal

Feldbereich 24 Feldbereich 29 U _{G s} oiι = U _G normal - delta U _k

Feldbereich 24 Feldbereich 29 U _G soii = U _G normal

Feldbereich 24 Feldbereich 29 U _{G s} oiι = U _G normal + delta U _k

Feldbereich 25 Feldbereich 30 UG soii = UG normal

Feldbereich 25 Feldbereich 30 UG soii = UG normal + delta Uk

Feldbereich 25 Feldbereich 30 U _{G s} oiι = U _G normal + delta U _n

Für den Sonderfall des Schubbetriebes kommt eine generelle Anhebung der zu erreichenden Generatorspannung U _G zum tragen, wonach UG SOII = U _G normal + delta U _h gilt.

Bei den vorgenannten Fällen werden nachstehende Zuordnungen verwendet: U _G soii = Vorgabewert/Sollwert der Betriebsspannung, U _G normal = Normale Betriebsspannung (temperaturkompensiert), delta U _h = Hohe Spannungsänderung (im zulässigen Bereich) und delta Uk = Kleinere Spannungsänderung als delta Uh

Eine Lastpunktverschiebung darf ausschließlich in der Art erfolgen, dass die Ausgangsspannung des Generators in den in der Zuordnungstabelle angegebenen Spannungsbereichen liegt. Dabei gibt U _G normal die Spannung an, die üblicherweise für das Bordnetz des Kraftfahrzeugs verwendet wird, während delta Uh eine maximal zulässige Spannungsabweichung und delta Uk eine kleinere Abweichung spezifiziert. Im Normalbetrieb des Fahrzeugs (in den Feldbereichen 24 und 29) sollte die tatsächliche Generatorspannung U _{G SOII} im Bereich von U _G normal - delta U _k bis U _G normal + delta U _k liegen. Bei ungünstigen Fahrzuständen (beispielsweise in einem der Feldbereiche 23, 25, 28 oder 30) darf die Abweichung größer sein, so dass die Generatorspannung U _G soii im Bereich von UG normal - delta Uh bis UG normal + delta Uh liegen kann. Diese Eingrenzung des zulässigen Generatorspannungsbereichs begrenzt somit das mögliche Ausmaß einer Lastpunktverschiebung. Die Größen U _G normal, delta Uh, und delta Uk sind durch die Anforderungen des Bordnetzes festgelegt. Die Spannung U _{G SOII} kann im Zuge der Lastpunktverschiebung derart angepasst werden, dass ein möglichst idealer Wirkungsgrad des Generators vorliegt.

Eine Regelung der Generatorspannung U _{G s} oiι kann beispielsweise über eine Anpassung der Fremderregung erfolgen.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende technische Lösung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Generators, insbesondere Starter- Generator, eines Kraftfahrzeugs, bei dem mittels eines Steuergerätes die jeweilige Betriebsphase des Generators gesteuert wird. Hierbei wird die Leistung des Generators, der durch eine externe Vorgabe Erregungsphasen und

Entregungsphasen erfährt, während der Erregungsphase des Generators gezielt und planmäßig begrenzt. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Generator mit einer entsprechenden Vorrichtung. Die Leistungsbegrenzung des Generators erfolgt zur Erhöhung dessen Wirkungsgrades, insbesondere im Zuge einer Lastpunktverschiebung.