(57)【要約】  本発明は、特に.自動車の搭載電源網（１３）で利用するためのジェネレータ（１２）と、ジェネレータ電圧の制御のためのレギュレータ（１２Ｂ）とを備えた電気装置に関している。この装置では、電圧制御（領域３０）が実施される制御のための領域と、トルク制御を実施する領域（３１，３２）が設けられている。さらに本発明はそのような装置の作動のための方法に関している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に.自動車の搭載電源網で利用するためのジェネレータと、ジェネレータ電圧の制御のためのレギュレータとを備えた電気的装置において、
電圧制御（領域３０）が実施される制御のための領域と、トルク制御を実施する領域（３１，３２）が設けられていることを特徴とする電気装置。
【請求項２】
.前記複数の領域（３０，３１，３２）の間の移行区間及び／又は前記複数の領域（３０，３１，３２）の幅は装置の作動特性量に依存している、請求項１記載の電気装置。
【請求項３】
電圧制御のための領域（３０）は、目標電圧（U_Soll）を中心にして所定の間隔だけ延在している、請求項１または２記載の電気装置。
【請求項４】
前記領域（３０）は、所定のトルク（余剰トルクM_Uberschuss）に依存している、請求項１から３いずれか１項記載の電気装置。
【請求項５】
トルク制御のための領域（３１，３２）は、電圧制御のための領域（３０）の両側で延在している、請求項１から４いずれか１項記載の電気装置。
【請求項６】
トルク制御のための領域（３１，３２）は、電圧限界値（U_H,U_L）によって制限された電圧領域内に存在する、請求項１から５いずれか１項記載の電気装置。
【請求項７】
トルク（Ｍ）がトルク制御のための領域（３１，３２）内で一次関数に従って変更可能である、請求項１から６いずれか１項記載の電気装置。
【請求項８】
トルク（Ｍ）がトルク制御のための領域（３１，３２）内で任意の所定の関数Ｆ＝Ｆ（Ｔ，Ｐ）に従って変更可能であり、前記Ｔは時間であり、前記Ｐは当該装置の作動パラメータである、請求項１から７いずれか１項記載の電気装置。
【請求項９】
トルク（Ｍ）がトルク制御のための領域（３１，３２）内で特性マップ（Ｋ）内で規定される関数依存性に従って変更可能である、請求項１から８いずれか１項記載の電気装置。
【請求項１０】
レギュレータ（１２Ｂ）を備えたジェネレータ（１２）を含んでいる電気装置を特に自動車の搭載電源網（１３）と連携させて作動させるための方法において、
搭載電源網（１２）の電圧ないしはジェネレータ電圧（U_Gen）を検出し、
検出された電圧が目標電圧（U_Soll）を中心とした所定の領域内に存在するか否かを検査し、
検出された電圧が目標電圧（U_Soll）を中心とした所定の領域内に存在する場合には、目標電圧（U_Soll）に向けた電圧制御を実施し、
検出された電圧が目標電圧（U_Soll）を中心とした所定の領域外に存在するがまだ電圧限界値（U_H,U_L）によって規定される電圧範囲内に存在する場合には、トルク（Ｍ）の制御を実施し、
検出された電圧が電圧限界値（U_H,U_L）によって規定される電圧範囲外に存在する場合には、電圧制御のための最大優先度を設定するようにしたことを特徴とする方法。
【請求項１１】
トルク（Ｍ）の制御の際に、トルクを一次関数に従って変更する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
トルク（Ｍ）の制御の際に、トルクを任意の関数Ｆ＝Ｆ（Ｔ，Ｐ）に従って変更し、前記Ｔは時間であり、前記Ｐは当該装置の所定の作動パラメータである、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
トルク（Ｍ）の制御の際に、トルクを特性マップ（Ｋ）内で規定される関数依存性に従って変更する、請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
電圧制御若しくはトルク制御が実施される複数の領域（３０，３１，３２）の幅及び／又は前記複数の領域間の移行箇所は、当該装置の適用の際に固定的に設定される、請求項１０から１３いずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
電圧制御若しくはトルク制御が実施される複数の領域（３０，３１，３２）の幅及び／又は前記複数の領域間の移行箇所は、当該装置を備えた車両の走行中に当該装置の作動パラメータに適合化される、請求項１０から１３いずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念による電気装置並びに請求項１０の上位概念によるその作動方法に関している。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置は、機械的エネルギを電気エネルギに変換する電気装置、例えば自動車の搭載電源網におけるジェネレータの組み合わされた電圧制御とトルク制御のために設けられている。
【０００３】
自動車の搭載電源網において大電力の電気的負荷をスイッチオンするとジェネレータに高い負荷をかけることになることは周知である。電気的な負荷のスイッチオンは、搭載電源網における電圧低下を引き起こすので、ジェネレータに対応付けられた電圧レギュレータはジェネレータの励磁電流の引き上げによってジェネレータから出力される電力を高めることを試みる。しかしながらそれによってジェネレータから引き起こされる制動トルクも、特に内燃機関の回転数が低い場合に障害的な回転数の落ち込みが現れるように高まる。そのような回転数の落ち込みをできるだけ小さく抑えるために、いわゆる負荷応答装置を有する装置のもとでは、ジェネレータが過度に強く負荷されることを避ける手段が講じられる。それにより内燃機関のもとで回転数低下の出現が回避される。しかしながら所要の電力はもはや提供することができないので、ここでは不所望な電圧低下が生じ得る。
【０００４】
この種の回転数変動は、少なくとも所定の作動状態において例えば十分な余剰トルクを保持することで対抗することが可能である。しかしながらこのことは不所望な燃費の高まりとなる。さらにジェネレータ補償制御は決定的に緩慢となる。但しこのことは搭載電源網電圧の不所望な変動の拡大につながる。この種の変動は望まれていない。なぜならそのような変動は、バッテリの寿命に悪影響を及ぼし、電圧に敏感な素子を損傷しかねないからである。さらに所定のランプを介して付加的な負荷をスイッチオンさせることも可能である。しかしながらこのことは回路技術的な複雑性を高め、ひいては製造コストも高める結果となる。前述してきた全ての代替案は、実際に得られる余剰トルクへの最適な適合化が容易ではない。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９３１８９７号明細書からは、自動車のジェネレータのための電圧制御方法が公知である。ここでは、最初の時間間隔においてジェネレータ出力電圧が最大値に設定され、それによって周辺温度に依存することのない車両バッテリの信頼性の高い充電が行われる。第２の時間間隔ではジェネレータ出力電圧が公知の手法に従って、通常はバッテリ温度に依存して制御される。この場合第１の時間間隔の確定はバッテリの充電状態に依存して行われる。
【０００６】
発明の開示
本発明による解決手段は、装置の稼働中に電圧状態の補償速度がトルク供給の実際の速度に適合化させる手段を提供する。それに対してはコーディネートされたユニットが設けられ、このユニットが最適な制御を維持するために、どのような形式で個々の特性量を設定し変更するかを決定している。本発明による制御構想は、このコーディネートされたユニットが、極端な状態、例えばトルク変化が激しい場合の電圧制御、あるいは電圧変動が激しい時のトルク制御、並びに任意の中間状態におけるそれぞれを設定することを可能にしている。最終的にこのことは、ジェネレータの動特性を実際に生じ得るエンジン動特性に適応化させることに結び付く。より大きな電圧とトルクは、並行して観察される。この場合ジェネレータ制御は３つの領域に分割される。
【０００７】
第１の領域は、目標電圧の直接のフィールドにおける電圧制御と設定された余剰トルクまでの制動トルク変動の際の電圧制御に関している。
【０００８】
第２の領域は、ジェネレータが負荷及び電圧変化を可用な余剰トルクで補償できないが、電圧変位はまだ許容限界内にあるような状況に関している。この場合限界値は任意の経過においてトルク形成手段の範囲内で変更可能である。この場合目標セッティングに応じて様々なストラテジが実現可能である。
【０００９】
第３の領域は、搭載電源網電圧が許容限界外にある状況に関している。このケースでは、電圧制御が最大の優先度を有する。当該領域の限界はこの場合合目的的に最適な適合化の方向で任意にシフトされ得る。
【００１０】
図面
以下の明細書では図面に基づいて本発明を詳細に説明する。この場合、
図１は、内燃機関の第１のブロック回路図とジェネレータ及び搭載電源網を含んだシステムを伴う電気装置を示した図であり、
図２は、ジェネレータの制御のための機能モジュールを伴う第２のブロック回路図であり、
図３は、制御領域の表示と共に第３のブロック回路図を示した図であり、
図４は、多種多様な特性曲線経過を示したダイヤグラムである。
【００１１】
実施例
図１には内燃機関と、ジェネレータ及び搭載電源網を備えた電気装置を含んだシステム１が示されている。ここではさらに様々な機能モジュールとこれらの機能モジュール間の機能的な関係も概略的に示されている。符号１０で示されているのは内燃機関であり、符号１１はこの内燃機関に対応付けられているエンジン電子制御部である。符号１２は電気的なジェネレータであり、このジェネレータは電気機器１２Ａとレギュレータ１２Ｂを含んでいる。電気機器１２Ａは内燃機関１０によって駆動されており、当該内燃機関１０によって生成された機械的エネルギーを電気的な搭載電源網のために必要とされる電気的エネルギーに変換している。概略的にのみ示されている搭載電源網は符号１３で表されている。さらにこのシステム１は、符号１４の付された機能モジュール、バッテリマネージメントを含んでいる。搭載電源網１３とジェネレータ１２は、負荷電流I_Lastを介して結び付けられている。搭載電源網１３に電気的に大きな負荷をスイッチオンした場合、例えば冬の時期に熱線リヤウインドウをスイッチオンした場合には、負荷電流I_Lastに大きな時間的変化dI_Last/dtが生じ、それによってジェネレータ１２に大きな負荷が引き起こされる。負荷電流の大きな時間的変化、この場合は負荷電流I_Lastの強い上昇は、電気機器１２Ａから出力される電圧U_Genの急落を引き起こす。電気機器１２Ａとレギュレータ１２Ｂは、特性量、電圧U_Genと励磁電流I_Errを介して相互に結合されている。レギュレータ１２Ｂは電圧U_Genの降下を検出すると直ちに、励磁電流I_Errの制御と相応の引き上げによってジェネレータ１２から送出される電力の増加を試みる。しかしながらそれによってジェネレータ１２に起因する制動トルクも増大されてしまう。内燃機関１０とジェネレータ１２は、特性量、トルクＭと回転数Ｎ、並びにそれらの時間的変化dM/dtないしdN/dtを介して相互に結び付けられている。レギュレータ１２Ｂによって引き起こされる励磁電流I_Errの上昇とそれに伴って作用するジェネレータ１２の制動トルクの上昇は、内燃機関１０の回転数Ｎに影響を及ぼす。特に内燃機関１０の回転数Ｎが低い場合には、不所望な回転数の急低下が引き起こされてしまう。本発明による解決手段は、次のような可能性を達成している。すなわち前述したようなシステム１の稼働中に電圧の補償調整速度を実際のトルク提供の速度に適合化することである。
【００１２】
図２には、第２のブロック回路図が示されており、この中にはジェネレータ１２の制御のための種々の機能モジュールとそれらの相互作用が概略的に示されている。ジェネレータ１２は、電気機器１２Ａとレギュレータ１２Ｂを含んでいる。符号１３で示されているのは、電気的な搭載電源網を表している機能モジュールである。機能モジュール２０は車両のドライブトレーンを表している。符号２１では、ジェネレータ１２の制御の際の機能的な経過をコーディネートしている少なくとも１つの制御機器が表されている。図２中に示されている片方向と双方向の矢印は、個々の構成グループと機能モジュールの間で成り立っている機能的な結合関係を表したものである。
【００１３】
本発明の核心は、可及的に高い電圧の安定性とできるだけ高い作動確実性を保証するために、ジェネレータの極めて融通性に富んだフレキシブルな制御を可能にするジェネレータを備えた電気装置を実現することにある。それに対して本発明によれば、最適な制御ストラテジを可能にする種々の制御領域が設けられている。これらの制御領域は図３に基づいて以下で説明する。これは複数の制御領域を表した第３のブロック回路図である。
【００１４】
この図３では、搭載電源網（図２の機能モジュール１３）とドライブトレーン（図２の機能モジュール２０）の間の相互作用の関係が表されている。総体的にこれらの複数の領域は実質的に３つのタイプで特徴付けられているが、それらは場合によってはさらに細分割されてもよい。第１の領域３０（これは目標電圧U_Sollを直接の取り囲む領域に存在している）では、電圧制御が行われている。この場合トルクＭの変化が発生する限り、これは所定の限界値、余剰トルクM_Uberschussまで許容され得る。この第１の制御領域（領域３０）には別の領域（領域３１，３２）が続いており、これらの領域では、ジェネレータ１２が発生した負荷及び電圧変化を使用可能な所定の余剰トルクM_Uberschussを用いて補償制御することはできないが、発生した電圧変位はまだ許容可能な電圧範囲内にある。この場合許容可能な電圧範囲は、所定の限界値U_H及びU_Lによって定められる。第３の制御領域（領域３３，３４）においては、専ら次のような状況が存在している。すなわち搭載電源網１３の電圧が許容可能な電圧範囲外にある、つまり上方の限界値U_Hを上回っているか若しくは下方の限界値U_Lを下回っている。
【００１５】
図４には、様々な特性経過曲線のダイヤグラムが示されており、以下ではそれらに基づいて電気的装置１の機能形態を説明する。時間軸４３上には所定の特性量を時間Ｔの関数として表した種々の特性曲線がプロットされている。特性曲線経過４２では、負荷電流I_Lastが時間Ｔの関数として表されている。さらに特性曲線経過４１では、トルクＭが時間Ｔの関数として表されている。最後に特性曲線経過４０では、ジェネレータ電圧U_Genが時間Ｔの関数として表されている。付加的に、ジェネレータ電圧U_Genを表している特性曲線経過の領域内ではさらに特別な電圧値が強調されている。すなわち目標値U_Soll、最小値U_L、最大値U_Hである。まず最初は時点Ｔ０と時点Ｔ１の間の時間間隔に着目する。特性曲線４２は負荷電流I_Lastが所定のレベルを有し、比較的狭い境界内でのみ変動しているようすが示されている。このことは搭載電源網１３の実質的に一定した負荷を意味している。ジェネレータ電圧U_Genを表している特性曲線４０はジェネレータ電圧U_Genが実質的に一定していることを表しており、この電圧は、着目中の時間間隔Ｔ０−Ｔ１間において目標値U_Sollに制御されている。トルクＭを表している特性曲線４１もトルクＭの比較的僅かな変動しか示していない。なぜなら負荷電流I_Lastの変動を補償するのに既に僅かなトルク変化で十分だからである。それによりこの時間間隔Ｔ０−Ｔ１は前述してきた第１の制御領域、すなわち電圧制御が目標値U_Sollの直接の周辺領域で行われ、所定の余剰トルクまでのトルクＭ変化が許容される領域に相当している。
【００１６】
特性曲線４２が示しているように、負荷電流I_Lastは時点Ｔ１において強く上昇している。なぜなら高い電力消費を伴う電気的な負荷がスイッチオンされ、搭載電源網１３が負荷されたからである。特性曲線４０が示しているように、この大きな負荷は電圧降下を引き起こす。ジェネレータ電圧U_Genは目標電圧U_Soll以下に低下し、下方の限界値U_Ｌ近傍に達する。ここでは制御の第２の領域が存在しており、この領域ではジェネレータ１２が負荷及び電圧変化を所定の使用可能な余剰トルクを用いてももはや補償制御することができない。但しジェネレータ電圧の変位は、まだ許容限界値U_HとU_Lの範囲内にある。負荷変化とそれに伴う電圧変位を補償するために、トルクＭの増加が実施され、それに伴って電圧制御からトルク制御への移行が行われる。トルクＭは時点Ｔ２までに、さらに高い値へ上昇し、トルクＭは負荷変化の補償に十分な値に達する。この時点Ｔ２においては、ジェネレータ電圧U_Genが再びその目標値U_Sollに達し、そこで再び電圧制御が実施される。本発明は一方ではできるだけ迅速に負荷変動を補償調整し、他方ではできるだけ高い安定性を保証するための困難な作動状況への極めて融通性に富んだ適合化を可能にするものである。本発明によれば搭載電源網の高い信頼性が達成され、さらに電圧に敏感な構成要素への最大限の保護が達成される。本発明の種々の変化実施例によれば、トルクの制御に対してトルク制御領域内で異なるストラテジを用いることが可能である。それにより第１の変化実施例においては、トルクＭが直線的に上昇される。この場合の上昇は、様々な勾配で実現可能である。さらに別の変化実施例によれば、トルクＭの上昇に対して複雑な非線形的依存性を設けることが可能である。その場合には最適な結果を得るために、そのつどの状況へのさらなる動的な適合化も可能である。例えばトルクＭは、関数Ｆ＝Ｆ（Ｔ，Ｐ）に従って変更することも可能である。この場合Ｔは時間であり、Ｐは当該装置の作動パラメータを意味する。さらなる変化実施例によれば、トルクＭの影響量に対する関数依存性が相応の特性マップＫによって実現され得る。その場合はトルクＭの所定の値が１つまたは複数の影響量の相応の値に対応付けられる。
【００１７】
図４において特性曲線４２による負荷電流I_Lastの経過が示されているように、負荷電流I_Lastは時点Ｔ３において降下している。例えばこれは消費電力の大きな電気的な負荷が搭載電源網からスイッチオフされた場合に生じ得る。特性曲線４０の経過からは、その結果としてジェネレータ電圧U_Genが強く上昇し、さらに最大値U_Hを上回る。ここでは前述した第３の領域が存在し、そこではジェネレータ電圧U_Genと共に搭載電源網電圧が許容限界値U_HとU_Lの範囲外に存在する。この状況のもとでは、電圧制御が最大の優先度を伴う。なぜなら電圧にに敏感な構成要素ないし構成グループが強く損なわれるからである。それゆえにまず最初は特性曲線４１で示されているように、非臨界値までのできるだけ迅速な電圧低下を達成するために、トルクＭが相応の低い値まで低減される。このことはほぼ時点Ｔ４のケースに相応し、そこでは電圧が再び最大値U_Hに到達するか若しくはそれを下回る。この時点Ｔ４で再びトルク制御が用いられ、過度に高いトルクは比較的低い電力要求に十分な低いレベルまで低減され、電圧はその目標値U_Sollに再び到達する。このことはほぼ時点Ｔ５からのケースに相応する。この時点からは再び電圧制御への移行が行われる。
【００１８】
これまでは図４に示された特性曲線に基づいて次のような状況、すなわち電圧の上昇が最大値を超えて生じている状況が説明されてきた。類似の制御過程は、電圧の最小値U_Lを下回るもとで行われる。
【００１９】
本発明の変化実施例によればU_Soll、U_H、U_Lの値、並びに２つの制御方式であるトルク制御と電圧制御の間の限界値と、それぞれの制御方式が優勢である領域の幅が適用ケース毎に特定的に与えられてもよい。
【００２０】
本発明の特に有利な変化実施例によれば、前述した特性量のうちの少なくともいくつかが当該電気装置を備えた車両の走行動作中であっても動的に適合化され得る。それにより例えば電圧制御とトルク制御の間で切換えられる限界（図３参照）が当該装置若しくは車両の作動特性量に依存して切換えられてもよい。この種の依存性は有利には、相応の特性マップによって実現され得る。相応に電圧制御若しくはトルク制御が行われるべき領域の幅やそれらの領域の間の移行箇所が可変に構成されていてもよい。本発明のこのような変化実施例は、特に融通性が大きな点で優れている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】内燃機関の第１のブロック回路図とジェネレータ及び搭載電源網を含んだシステムを伴う電気装置を示した図
【図２】ジェネレータの制御のための機能モジュールを伴う第２のブロック回路図
【図３】制御領域の表示と共に第３のブロック回路図を示した図
【図４】多種多様な特性曲線経過を示したダイヤグラム
【符号の説明】
【００２２】
１      システム
１０    内燃機関
１１    エンジン制御部
１２    ジェネレータ
１２Ａ  機器
１２Ｂ  レギュレータ
１３    搭載電源網
１４    バッテリ
２０    ドライブトレーン
２１    制御機器
３０    領域
３１    領域
３２    領域
３３    領域
３４    領域
４０    電圧特性曲線
４１    トルク特性曲線
４２    負荷電流特性曲線
４３    時間軸
Ｍ      トルク
M_Uberschuss 余剰トルク
ｎ      回転数
Ｔ      時間
Ｔ０    時間
Ｔ１    時間
Ｔ２    時間
Ｔ３    時間
Ｔ４    時間
Ｔ５    時間
dM/dt トルクＭの時間的変化
dn/dt  回転数ｎの時間的変化
U_Gen ジェネレータ電圧
U_Soll 目標電圧
U_H   電圧の最大値
U_L   電圧の最小値
I_Err  励磁電流
I_Last 負荷電流
dI_Last/dt 電流の時間的変化
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2007517487.tif 000007
2007517487.tif 000008
2007517487.tif 000009
2007517487.tif 000010
2007517487.tif 000011
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