DE19941004A1 - Verfahren zur Ermittlung von elektrischen Ausgangsgrößen eines mit einem Spannungsregler gekoppelten Bordgenerators in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Es wird an einem realen Bordgenerator mit Spannungsregler der Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung als Funktion der Reglerspannung, der Drehzahl der Generatorwelle und der Ansauglufttemperatur am Generatorlüfterflügelrad ermittelt und gespeichert. Anhand der gespeicherten Funktion wird eine der Größen Ausgangsstrom, Ausgangsspannung, Reglerspannung, Drehzahl oder Ansauglufttemperatur bei Vorgabe der übrigen Größen rechnerisch ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von elektrischen Ausgangsgrößen eines mit einem Spannungsregler gekoppelten Bordgenerators in einem Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kraftfahrzeuge einer Baureihe werden häufig in verschiedenen Ausstattungsvarianten angeboten, die auch unterschiedliche elektrische Verbraucher umfassen. Um für jede Ausstattungsvariante einerseits auch in extremen Fahrsituationen noch genügend elektrische Energiereserven bereitstellen zu können, andererseits aber eine Überdimensionierung der elektrischen Anlage verbunden mit einem erhöhten Kraftstoffverbrauch zu vermeiden, muß die elektrische Anlage sorgfältig dimensioniert werden.

Dies könnte geschehen, indem Testfahrzeuge unterschiedlicher Ausstattungsvarianten auf einem Prüfstand unterschiedlichen Fahrsituationen ausgesetzt werden und die elektrische Energiebilanz ermittelt wird. Dazu müssen diese Fahrsituationen mit unterschiedlichen Generatoren durchgeführt werden, damit derjenige Generator ausgewählt werden kann, der auch noch bei besonders energiezehrenden Fahrsituationen die nötige Energie liefert.

Es ist auf diese Weise zwar möglich, die elektrische Anlage unter echten Fahrsituationen zu testen und auf diese Weise empirisch den benötigten Generator aus einer Reihe von Generatortypen abgestufter Leistungsdaten auszuwählen, die Prozedur ist aber langwierig und auch sehr energieaufwendig, da neben dem Energieverbrauch für das Testfahrzeug selbst auch die klimatischen Verhältnisse für die Fahrsituationen hergestellt werden müssen. Dies ist innerhalb einer Testphase nur in Klimakammern möglich.

Im Gegensatz zu elektrischen Verbrauchern im Kraftfahrzeug, deren Energiebedarf durch relativ einfache Formeln beschrieben werden kann und dadurch eine rein rechnerische Simulation ermöglicht, sind die Eingangs- und Ausgangsgrößen eines Generators in einem Kraftfahrzeug von zahlreichen variierenden Einflüssen abhängig. Daher läßt sich ein Ersatzschaltbild für unterschiedliche Fahrsituationen nur unter sehr großem Aufwand realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung von elektrischen Ausgangsgrößen eines mit einem Spannungsregler gekoppelten Bordgenerators in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, welches bei vergleichsweise einfachen Maßnahmen zur Ermittlung der Einflußparameter eine den Praxisanforderungen ausreichende Genauigkeit liefert.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung geht davon aus, daß zur Abdeckung unterschiedlichen Energiebedarfs Generatoren in abgestuften Leistungen zur Verfügung stehen. Bei Auswahl eines Generators aus diesem Angebotsspektrum hat dann der Entwicklungsingenieur noch die Möglichkeit, das Übersetzungsverhältnis zwischen Kurbelwelle und Generatorwelle zu wählen, um die maximale Stromabgabe des Generators bei Leerlaufdrehzahl dimensionieren zu können.

Die verfügbaren Generatoren werden Messungen unterworfen, um alle praxisrelevanten Einflüsse zu berücksichtigen. Durch Ausmessen realer Generatoren werden Fehler vermieden, die bei rein rechnerischer Bestimmung der Kennwerte unzureichend berücksichtigt werden, wenn ihre Einflüsse nicht bekannt sind oder nicht lineare Auswirkungen haben. Die zu messenden Parameter können sich somit auf die Eingangsparameter Drehzahl, Ansauglufttemperatur und Reglerspannung beschränken.

Werden aus den Eingangsgrößen Kennlinien ermittelt, so können diese Kennlinien nun zur Berechnung der Ausgangsgrößen bei unterschiedlichen Eingangsgrößen verwendet werden. Auf diese Weise kann ein Generator dann mit relativ einfachen Mitteln rechnerisch simuliert werden, wobei aufgrund der Verwendung realer Meßwerte auch eine große Genauigkeit der Ergebnisse erwartet werden kann. Damit ist es dann möglich, in einem rechnerischen Simulationsmodell einen Generator einzusetzen, so daß dann die Fahrsituationen nicht mit einem kompletten Fahrzeug ausgeführt werden müssen, sondern ebenfalls simuliert werden können. Auf diese Weise lassen sich eine Vielzahl von Fahrsimulationen durchführen und so sehr genau abschätzen, welcher Generatortyp für eine Ausstattungsvariante eines Fahrzeugs bei den voraussichtlichen Einsatzbedingungen auszuwählen ist.

Gemäß einer Weiterbildung kann bei der Berechnung der Ausgangswerte eines Generators oberhalb des kritischen Spannungswertes eine lineare Kennlinie angesetzt werden und der Generatorstrom nach der Formel I_gen = (U_reg-U_gen)/R_i berechnet werden. Unterhalb des kritischen Generatorspannungswertes kann eine Funktion mit einem Polynom n-ten Grades angesetzt werden und der Generatorstrom nach der Formel: I_gen = m₀.U_gen ⁿ + m₁.U_gen ^n-1 + m₂.U_gen ^n-2 + . . . + m_n berechnet werden.

Dabei ist U_reg die temperaturabhängige Reglerspannung, U_gen die drehzahlabhängige und zusätzlich von der Reglerspannung und dem Innenwiderstand abhängige Generatorspannung, R_i der temperaturabhängige Innenwiderstand und m_o, m₁, m₂, und m_n temparaturabhängige, drehzahlabhängige, innenwiderstandsabhängige und maximalstromabhängige Koeffizienten. Bei der Berechnung wird hier also die Generatorkennlinie zwischen Generatorstrom und Generatorspannung in zwei Bereiche aufgeteilt, deren Unterscheidungspunkt die kritische Spannung ist. Diese Spannung ist diejenige Spannung, die bei maximaler Erregung und maximalem Generatorstrom erreicht wird und dann bei weiterer Belastung zusammenbricht.

Die Kennlinie oberhalb des kritischen Generatorspannungswertes wird als linear betrachtet. Dieser Betriebszustand liegt vor, wenn der von den Verbrauchern abgeforderte Strom ausschließlich durch den Generator geliefert werden kann. Der unterhalb des kritischen Generatorspannungswertes auftretende Kennlinienverlauf, für den eine Funktion mit einem Polynom n-ten Grades angenommen wird, kann mit guter Näherung als kubische Funktion nach der Formel I_gen = a.U_gen ³ + b.U_gen ² + c.U_gen + d dargestellt und berechnet werden. Für die Berechnung reichen lediglich vier Wertepaare für vier unterschiedliche Betriebszustände aus. Der Betriebszustand, der durch diese Kennlinie dargestellt werden kann, entspricht einer hohen Belastung der Verbraucher, der vom Generator alleine nicht mehr befriedigt werden kann, sondern zusätzlich von der Batterie durch Entladen gedeckt werden muß.

Auch dieser Zustand wird bewußt mit in die Dimensionierung einbezogen, damit der Generator nicht auf den maximal möglichen Verbrauch ausgelegt werden muß, sondern nur so bemessen werden muß, daß die Energiebilanz aus Ladung und Entladung der Batterie insgesamt ausgeglichen ist, aber eine zu starke Entladung nach dem üblichen Ansatz der Dauer extremer Fahrsituationen nicht zu erwarten ist.

Vorzugsweise wird bei der Ermittlung der gesuchten Funktionen so vorgegangen, daß ein erstes dreidimensionales Kennfeld mit Drehzahl und Ansauglufttemperatur als Argumenten und dem maximalen Generatorstrom als Funktionswert gemessen wird. Weiterhin wird ein zweites dreidimensionales Kennfeld bei einer konstanten mittleren Drehzahl mit Generatorstrom und Ansauglufttemperatur als Argumente und der Generatorspannung als Funktionswert gemessen. Schließlich wird der Zusammenbruch der Generatorspannung bei maximalem Generatorstrom als Funktionswert mit der Drehzahl als Argument bei konstanter mittlerer Ansauglufttemperatur gemessen.

Mit Hilfe der dreidimensionalen Kennfelder werden zwei unabhängige Einflußgrößen berücksichtigt. Die Ergebnisse können ermittelt werden, wenn dann eine Einflußgröße als konstant angesehen wird und die andere variiert wird.

Bei einer praktischen Anwendung des Verfahrens haben sich dabei folgende Werte als geeignet und ausreichend erwiesen, die Ermittlung der Ausgangsgrößen zu ermöglichen. Es wird als mittlere Drehzahl 6000 l/min angesetzt. Als Argumente für beide dreidimensionalen Kennfelder werden statt kontinuierlicher Werte mehrere diskrete Werte innerhalb des relevanten Temperaturbereichs der Ansauglufttemperatur eingesetzt. Vorzugsweise sind dies -20°C, +20°C, +60°C und +90°C.

Ferner wird als Argument für den Zusammenbruch der Generatorspannung bei maximalem Generatorstrom als Funktionswert mehrere diskrete Werte innerhalb des relevanten Drehzahlbereichs eingesetzt. Es handelt sich hierbei um 2000 1/min. 15000 1/min oder statt dessen 20000 1/min und als mittlere Ansauglufttemperatur wird +20°C angesetzt. Diese Werte werden zusätzlich zur mittleren Drehzahl angesetzt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine qualitative Darstellung der Generatorkennlinie der Generatorspannung über dem Generatorstrom,

Fig. 2 eine für Berechnungszwecke vereinfachte Darstellung der Generatorkennlinie mit unterschiedlichen Temperaturen als Parametern und

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Ermittlung der Ausgangswerte aus Eingangswerten.

Die Darstellung nach Fig. 1 zeigt den qualitativen Zusammenhang zwischen Generatorspannung und Generatorstrom bei konstanter Temperatur und konstanter Drehzahl.

Der Extremwert im rechten Teil der Darstellung ist die kritische Generatorspannung, die bei Erreichen des maximalen Generatorstroms auftritt. Ferner ist bei relativ geringen Strömen ein Kennwert eingesetzt, der der Reglerspannung entspricht. Der Spannungs-Strom-Verlauf zeigt zunächst eine relativ hohe Generatorspannung beim Strom 0, also in der Nähe der Y- Achse. Nach einem vorübergehenden Steilabfall der Spannung mit zunehmendem Strom geht die Kurve dann in einen relativ flachen Verlauf über. Kurz vor Erreichen der kritischen Generatorspannung fällt die Spannung gegenüber dem Strom dann erneut steil ab. Danach geht der Strom mit zunehmender Verringerung der Spannung zurück und schneidet schließlich im Ursprung oder in der Nähe des Ursprungs des Koordinatensystems die Y- Achse.

In der Praxis ist der erste Teil der beschriebenen Kennlinie irrelevant, da stets eine Grundlast herrscht, die nicht unterschritten wird. Daher bewegt sich der Arbeitspunkt des Generators zumeist im nahezu linearen Bereich oberhalb der kritischen Generatorspannung. Für eine Berechnung ist es daher ausreichend, wenn die Kennlinie bis I_max als linear angesetzt wird, denn der steile Bereich bei geringen Stromentnahmen tritt nie auf.

Fig. 2 zeigt die für Berechnungszwecke vereinfachte Kennlinie, hier allerdings für unterschiedliche Temperaturen der Ansauglufttemperatur. Oberhalb der kritischen Generatorspannung wird die Kennlinie als linear gewertet. Der Bereich unterhalb der kritischen Generatorspannung ist für den praktischen Betrieb ebenfalls wichtig, da er bei extrem hoher Belastung angibt, welchen Strom der Generator zusätzlich zu dem von der Batterie gelieferten Strom noch beisteuert. Hier wurde herausgefunden, daß bei dem allgemeinen Kurvenverlauf der Form einer Funktion mit einem Polynom n-ten Grades eine kubische Funktion eine ausreichend genaue Beschreibung des Zusammenhangs aus Strom und Spannung liefert.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild zur Realisierung der Berechnung der Generatorausgangsgrößen. Dabei können die einzelnen Blöcke als Module eines Analogrechners oder als Programmodule eines Digitalrechners realisiert sein.

Als Eingangsgrößen werden zur Verfügung gestellt: Die Generatorspannung U_gen, die Generatordrehzahl N_gen und die Ansauglufttemperatur T_ansaug. Zwischengrößen sind der maximale Generatorstrom Imax, die Reglerspannung U_reg, die kritische Generatorspannung U_krit und der Innenwiderstand R_I. Ausgangsgröße ist der Generatorstrom I_gen.

Befindet sich der Generator in einem Betriebszustand oberhalb der kritischen Spannung, so wird der Generatorstrom aus der Generatorspannung in Verbindung mit der Ansauglufttemperatur ermittelt. Dazu wird in einem Block 1, der den Regler symbolisiert, die Reglerspannung U_reg aus der Ansauglufttemperatur ermittelt. Dies geschieht nach der Formel U_reg = U_soll - U/T.(T_reg - T₀). Weist z. B. der Regler eine Spannungs- Temperaturkonstante von z. B. -0,01 V/°C auf und ist die Nenntemperatur des Reglers auf 25°C festgelegt, so wird für ΔU/T der Wert 0.01 V/°C eingesetzt und für die Nenntemperatur 25°C.

Im Block 2 wird der Innenwiderstand R_i des Generators berücksichtigt, der durch den Kupferwiderstand der Wicklungen sowie der Gleichrichterdioden zustandekommt. Dieser Wert ist allerdings nicht konstant, sondern ebenfalls temperaturabhängig.

Bezogen auf die Kennliniendarstellung in Fig. 2 betrifft der aus Block 1 resultierende Wert den Schnittpunkt des linearisierten Verlaufs der Kennlinie mit der Y-Achse und der aus Block 2 resultierende Wert die Neigung oder Steigung der linearisierten Funktion. Im Block 3 wird nun der Strom errechnet nach der Formel I_gen = (U_reg-U_gen)/RI, wobei R_i eine Funktion der Ansauglufttemperatur ist.

Um festzustellen, in welchem Bereich der Kennlinie der Arbeitspunkt des Generators liegt, ist zunächst die Bestimmung der kritischen Generatorspannung nötig. Dazu wird zusätzlich der maximale Generatorstrom I_max ermittelt, indem in einem Block 4 in Abhängigkeit der Drehzahl des Generators N_gen und der Ansauglufttemperatur in dem gemessenen dreidimensionalen Kennfeld der für den aktuellen Betriebspunkt maximal mögliche Generatorstrom bestimmt wird.

Im Block 5 wird nun dieses Kriterium ausgewertet, indem der maximal mögliche Generatorstrom mit der Neigung der Reglerkennlinie, also dem temperaturabhängigen Innenwiderstand, multipliziert wird und dieser Wert von der im Block 1 bestimmten Reglerspannung subtrahiert wird. Liegt dann der aktuelle Betriebspunkt der Generatorspannung bildlich über dem maximal möglichen Generatorstrom, bestimmt der Regler die Kennlinie, ansonsten liegt der Arbeitspunkt im Bereich der kubischen Funktion und der Arbeitspunkt wird in Verbindung mit der Bordbatterie bestimmt.

Das Kriterium, in welchem Bereich der Kennlinie der Arbeitspunkt liegt, wird durch Block 6 bestimmt und steuert einen Schalter 7.

Zur Ermittlung des Arbeitspunktes auf der kubischen Kennlinie muß deren Verlauf zunächst grundsätzlich ermittelt werden. Es wird hier eine kubische Gleichung mit vier Koeffizienten angesetzt. Diese Koeffizienten können durch vier Wertepaare aus der Messung ermittelt werden. Als erstes Wertepaar bietet sich wegen des gemeinsamen Extremwertes mit der linearen Funktion der maximal mögliche Strom und die zugehörige Spannung, also die kritische Spannung an. Ein zweites Wertepaar kann dadurch gewonnen werden, daß ein Schnittpunkt mit der Y-Achse betrachtet wird, der unabhängig von der Temperatur und der Drehzahl existiert. Dieser Schnittpunkt kann im Ursprung des Koordinatensystems liegen. Zulässig ist aber auch ein Schnittpunkt auf der Y-Achse oberhalb des Ursprungs. Dies wäre z. B. bei 0 A Generatorstrom eine Generatorspannung zwischen 0 V und 1,5 V.

Ein drittes Wertepaar ergibt sich durch die Steigung, mit der die Kennlinie die Y-Achse schneidet oder die Spannung bei einer minimalen Belastung von z. B. 1 A. Auch hier wurde festgestellt, daß dieser Wert nahezu temperatur- und drehzahlunabhängig ist. Für die Steigung im Schnittpunkt mit der Y-Achse kann der Wert Null eingesetzt werden, was auch dem Wert der ersten Ableitung der kubischen Funktion an derselben Stelle entspricht. Bei der alternativen Bestimmung eines Spannungswertes bei einem Strom von 1A kann eine um 0,05 V höhere Spannung als im Schnittpunkt mit der Y-Achse angesetzt werden, also z. B. bei einer Spannung von 1,4 V im Schnittpunkt mit der Y-Achse eine Spannung von 1,45 V bei 1 A.

Das vierte Wertepaar ist allerdings temperatur- und drehzahlabhängig und legt vereinfacht ausgedrückt die Steigung fest, mit der sich der Kennlinienverlauf wieder dem Ursprung des Koordinatensystems annähert. Die Temperaturabhängigkeit geht mit geringerer Wichtung ein. Um für alle Betriebsarten eine ausreichende Aussagekraft zu erzielen, werden zweckmäßig Messungen bei den auch schon vorher markanten Temperaturen durchgeführt, nämlich bei -20°C, +20°C, +60°C und +90°C. Die Messungen werden einmal bei der mittleren Drehzahl von 6000 1/min und zusätzlich bei 2000 1/min und 15000 1/min oder 20000 1/min durchgeführt. Dabei wird diese Messung für einen Spannungswert vorgenommen, der bei einem Strom unterhalb des Maximalstroms auftritt, vorzugsweise bei I_max-5 A. Auf diese Weise kann nun der Generatorstrom ermittelt werden, wobei sich natürlich für unterschiedliche Drehzahlen und Temperaturen auch unterschiedliche Koeffizienten ergeben. Ansonsten folgt aber die Berechnung des Stromes mit ausreichender Genauigkeit der kubischen Funktion, so daß der Strom ermittelt werden kann, der bei hoher Belastung noch vom Generator beigesteuert wird, während der Rest dann vom Fahrzeugakku übernommen wird.

Die Berechnung erfolgt hier im Block 8, dem als Eingangsgrößen die Generatordrehzahl N_gen, die Ansauglufttemperatur und die Generatorspannung U_gen zugeführt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Ermittlung von elektrischen Ausgangsgrößen eines mit einem Spannungsregler gekoppelten Bordgenerators in einem Kraftfahrzeug in Abhängigkeit von physikalischen Eingangsgrößen, dadurch gekennzeichnet, daß an einem realen Bordgenerator mit Spannungsregler der Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung als Funktion der Reglerspannung, der Drehzahl der Generatorwelle und der Ansauglufttemperatur am Generatorlüfterflügelrad ermittelt und gespeichert wird und anhand der gespeicherten Funktion eine der Größen Ausgangsstrom, Ausgangsspannung, Reglerspannung, Drehzahl oder Ansauglufttemperatur bei Vorgabe der übrigen Größen rechnerisch ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des kritischen Generatorspannungswertes eine lineare Kennlinie angesetzt wird und der Generatorstrom nach der Formel: I_gen = (U_reg-U_gen)/R_i berechnet wird und unterhalb des kritischen Generatorspannungswertes eine Funktion mit einem Polynom n-ten Grades angesetzt wird und der Generatorstrom nach der Formel: I_gen = m₀.U_gen ⁿ + m₁.U_gen ^n-1 + m₂.U_gen ^n-2 + . . . + m_n berechnet wird, wobei U_reg die temperaturabhängige Reglerspannung, U_gen die drehzahlabhängige und zusätzlich von der Reglerspannung und dem Innenwiderstand abhängige Generatorspannung, R_i der temperaturabhängige Innenwiderstand und m₀, m₁, m₂, und m_n temperaturabhängige, drehzahlabhängige, innenwiderstandsabhängige und maximalstromabhängige Koeffizienten sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Funktion mit einem Polynom n-ten Grades eine kubische Funktion der Form I_gen = a.U_gen ³ + b.U_gen ² + c.U_gen + d angesetzt wird, wobei a, b, c und d temperaturabhängige, drehzahlabhängige, innenwiderstandsabhängige und maximalstromabhängige Koeffizienten sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ermittlung der gesuchten Funktion

• a) ein erstes dreidimensionales Kennfeld mit Drehzahl und Ansauglufttemperatur als Argumente und dem maximalen Generatorstrom als Funktionswert gemessen wird,
• b) ein zweites dreidimensionales Kennfeld bei einer konstanten mittleren Drehzahl mit Generatorstrom und Ansauglufttemperatur als Argumente und der Generatorspannung als Funktionswert gemessen wird,
• c) der Zusammenbruch der Generatorspannung beim maximalen Generatorstrom als Funktionswert mit der Drehzahl als Argument bei konstanter mittlerer Ansauglufttemperatur gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als mittlere Drehzahl 6000 1/min angesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Argumente für beide dreidimensionalen Kennfelder nur mehrere diskrete Werte innerhalb des relevanten Temperaturbereichs der Ansauglufttemperatur eingesetzt werden, vorzugsweise -20°C, +20°C, +60°C, 90°C.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Argument für den Zusammenbruch der Generatorspannung beim maximalen Generatorstrom als Funktionswert mehrere diskrete Werte innerhalb des relevanten Drehzahlbereichs eingesetzt werden, vorzugsweise 2000 1/min und 15000 1/min oder 20000 1/min und als mittlere Ansauglufttemperatur +20°C angesetzt wird.