AT512849B1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Drehstellung einer Stromerzeugungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromerzeugungsvorrichtung, insbesondere Range-Extender (1) für ein Kraftfahrzeug (12), aufweisend: - einen ersten elektromechanischen Energiewandler (2); - eine Verbrennungskraftmaschine (3), welche mit dem ersten elektromechanischen Energiewandler (2) zur Leistungsübertragung koppelbar ist; - eine Leistungselektronik (18a), insbesondere einen Umrichter, um elektrische Energie aus einem Stromkreis (5), insbesondere einem Gleichstromzwischenkreis, zu beziehen und darin einzuspeisen; - eine Steuerelektronik (17a) zur Steuerung der Leistungselektronik (18a); wobei die Steuerelektronik (17a) in der Weise eingerichtet ist, um die Drehstellung des Rotors (15) des ersten elektromechanischen Energiewandlers (2) mittels einer Beobachtervorrichtung (6) zu bestimmen.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER DREHSTELLUNG EINER STROMERZEUGUNGSEINRICHTUNG

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromerzeugungseinrichtung, insbesondere einen Range-Extender für ein Kraftfahrzeug, weiches einen ersten elektromechanischen Energiewandler, eine Verbrennungskraftmaschine, welche mit dem ersten elektromechanischen Energiewandler zur Leistungsübertragung koppelbar ist, eine Leistungselektronik, insbesondere ein Umrichter, um elektrische Energie aus einem Stromkreis, insbesondere einem Gleichstromzwi-schenkreis, zu beziehen und/oder darin einzuspeisen und eine Steuerelektronik zur Steuerung der Leistungselektronik aufweist.

[0002] Als Range-Extender bezeichnet man zusätzliche Aggregate in einem Kraftfahrzeug, üblicherweise einem Elektrokraftfahrzeug, die in der Regel aus einem Verbrennungsmotor bestehen, welcher einen Generator antreibt, um eine Energiespeichereinrichtung bzw. einen Elektromotor mit elektrischer Energie zu versorgen. Range-Extender können jedoch auch in Häusern als Blockheizkraftwerke oder als Generatoreinheiten bei mobilen Anwendungen dienen.

[0003] Elektrokraftfahrzeuge sind elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge. Zur Energieversorgung werden üblicherweise Akkumulatoren als Energiespeichereinrichtung eingesetzt, welche ortsgebunden über das Stromnetz oder mobil über einen Range-Extender oder Solarmodu-le aufgeladen werden können, um die Reichweite des Elektrokraftfahrzeugs auszuweiten.

[0004] In der Regel sind die Stromverbraucher (Elektromotoren, Klimaanlage, etc.), die Stromversorger (Generatoren, Solarmodule, etc.) und die Energiespeichereinrichtung des Elektrokraftfahrzeugs jeweils über eine Leistungselektronik, insbesondere einen Umrichter, an einen Stromkreis, in der Regel ein Gleichspannungszwischenkreis, angeschlossen, der die unterschiedlichen Stromsysteme der Versorgerseite von der Verbraucherseite entkoppelt.

[0005] Bei Elektrokraftfahrzeugen mit einem Range-Extender wird die Verbrennungskraftmaschine des Range-Extenders in der Rege! während der Fahrt ohne unmittelbare Einwirkung des Fahrers, insbesondere in Abhängigkeit vom Ladezustand der Energiespeichereinrichtung, gestartet und abgestellt. Der erste elektromechanische Energiewandler, welcher in der Regel eine permanenterregte Synchronmaschine ist, weist üblicherweise wenigstens zwei Betriebsmodi auf, welche durch eine entsprechende Steuerungselektronik gesteuert werden: Der Generatormodus ist der Normalbetrieb des Range- Extenders. Umgekehrt kann dieser aber auch im Motormodus betrieben werden. Dieser Motormodus wird üblicherweise genutzt, um die Verbrennungskraftmaschine zu starten.

[0006] Der Antrieb eines Elektrokraftfahrzeugs mit einem Range-Extender erfolgt über mindestens einen zusätzlichen zweiten elektromechanischen Energiewandler, in der Regel auch eine permanenterregte Synchronmaschine, welcher ebenfalls über eine Leistungselektronik, in der Regel über einen Umrichter, an den Gleichstromzwischenkreis zur Versorgung angeschlossen ist. Im Betrieb treibt dieser im Motormodus das Elektrokraftfahrzeug an oder rekuperiert Energie im Generatormodus, z. B. bei der Bremsverzögerung oder beim Bergabfahren.

[0007] Daher sind Für die Steuerung eines Range-Extenders sind verschiedene Regelsysteme notwendig.

[0008] Das US-Patent 5,264,764 offenbart ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Range-Extenders für ein hybrid-elektrisches Fahrzeug, welches ein Batteriesystem aufweist, das elektrische Energie an ein elektrisches Antriebssystem abgibt. Dieses Verfahren weist unter anderem die Schritte auf des Erfassens eines Ladezustands des Batteriesystems, des Erfassens der elektrischen Energie, welche von dem elektrischen Antriebssystem verbraucht wird und des Erzeugens eines Signals der benötigen Leistung, um den Range-Extender dazu zu bringen, genügend elektrische Energie für das elektrische Antriebssystem und das Batteriesys tem zu liefern, auf. Der Ladungszustand des Batteriesystems wird auf diese Weise in einem vorbestimmten Ladungszustandbereich gehalten.

[0009] So muss einerseits die Drehzahl des Range-Extenders und somit der Verbrennungskraftmaschine in der Weise geregelt werden, dass einerseits genügend elektrische Energie, wie im Vorhergehenden beschrieben, bereitgestellt wird, andererseits müssen andere Kriterien, wie Geräuschentwicklung und Vibrationsentwicklung der Verbrennungskraftmaschine beachtet werden.

[0010] Die Drehzahlregelung erfolgt dabei üblicherweise über einen Drehgeber. Wie in Figur 1 dargestellt ist dieser in der Regel ein Inkrementalgeber 108, 109, welcher die Drehlage einer Maßverkörperung 109 mit einem optischen oder magnetischen Geber bzw. Sensor 108 erfasst. Auf diese Weise kann der Zündungstakt der Verbrennungskraftmaschine 103 durch eine Steuerelektronik 117 so gesteuert werden, dass die gewünschte Drehzahl erreicht wird.

[0011] Die dargestellte Verbrennungskraftmaschine 103 ist dabei eine Rotationskolbenmaschine, welche in der Weise dargestellt ist, dass die Scheibe der Rotationskolbenmaschine in die Bildebene gedreht ist, wodurch sowohl die Dreiecksform des Rotationskolbens bzw. Rotors als auch die Trochoidenform des Motorsblocks sichtbar werden.

[0012] Andererseits verfügt in der Regel auch der elektromechanische Energiewandler 102 über einen Inkrementalgeber 106 zur Leistungsregelung desselbigen. Mit der von diesem erfasste Drehlageinformation wird die Leistungselektronik 118, welche zwischen dem elektromechanischen Energiewandler 102 des Range-Extenders 101 und den Stromkreis bzw. Gleich-stromzwischenkreis 105a, 105b geschaltet ist, so gesteuert, dass die Energiespeichereinrichtung aufgeladen werden kann und die Spannung in dem Stromkreis konstant bleibt.

[0013] Aufgrund der notwendigen Regelung des elektromechanischen Energiewandlers sowie der Verbrennungskraftmaschine weist ein Range-Extender daher eine Vielzahl an Regelungssystemen auf.

[0014] Die Anzahl der potentiellen Fehlerquellen wird somit vervielfacht, wodurch einerseits mehr Defekte entstehen und andererseits aufgetretene Defekte schwieriger zu finden sind.

[0015] Ferner verursacht die Vielzahl an Systemen erhebliche Kosten, die zu den hohen Anschaffungspreisen von Elektrokraftfahrzeugen mit Range-Extender gegenüber herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschine beitragen.

[0016] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrund, einen verbesserten Range- Extender zu schaffen, weicher die oben genannten Probleme eines Range-Extenders verringert.

[0017] Diese Aufgabe wird durch eine Stromerzeugungseinrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Betrieb der Stromerzeugungseinrichtung gemäß Anspruch 9, ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 17, eine elektronische Steuerung gemäß Anspruch 18 und ein Computerprogramm gemäss Anspruch 19 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.

[0018] Bei dem Range-Extender gemäß der Erfindung ist die Steuerelektronik in der Weise eingerichtet, um die Drehstellung des ersten elektromechanischen Energiewandlers mittels einer Beobachtervorrichtung zu bestimmen.

[0019] Eine Beobachtervorrichtung ist erfindungsgemäß ein System, das aus Eingangsgrößen eines beobachteten Referenzsystems unter Verwendung eines Modells des Referenzsystems nicht messbare Größen rekonstruiert. Eine Beobachtervorrichtung bildet dabei das System in einem Modell nach und beinhaltet einen Regler, der die messbaren Eingangsgrößen nachführt. Voraussetzung hierfür ist, dass das Referenzsystem vollständig beobachtbar ist.

[0020] In der vorliegenden Erfindung ist das beobachtete Referenzsystem der erste elektromechanische Energiewandler, welcher bevorzugterweise über die Stromstärke und/oder die Spannung beobachtbar ist.

[0021] Ein elektromechanischer Energiewandler im Sinne der Erfindung dient zur Umformung von elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt. Zu diesen zählen insbesondere Elektromotoren und elektrische Generatoren. Je nach Richtung der übertragenden Leistung wird bei den elektromechanischen Energiewandlern zwischen Motormodus, dabei wird Leistung von der elektrischen Seite zu der mechanischen Seite übertragen, und Generatormodus mit umgekehrten Leistungsfluss unterschieden.

[0022] Unter einer Verbrennungskraftmaschine im Sinne der Erfindung sind Wärmekraftmaschinen zu verstehen, die über einen Verbrennungsvorgang chemische Energie eines Kraftstoffs in mechanische Energie umwandeln. Beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine wird gewöhnlich durch die Expansion eines Luftbrennstoffgemischs bei der Verbrennung in eine Arbeitskammer ein üblicherweise als Kolben bezeichnetes Antriebselement aus dem Brennraumbereich verdrängt, wodurch dieser eine Antriebswelle in Bewegung, vorzugsweise in Rotation, versetzt wird.

[0023] Ein Kraftfahrzeug im Sinne der Erfindung ist ein mobiles Verkehrsmittel, das dem Transport von Gütern, Werkzeugen oder Personen dient und maschinell angetrieben wird.

[0024] Unter einem Elektrokraftfahrzeug im Sinne der Erfindung ist bevorzugt ein Kraftfahrzeug zu verstehen, welches mit elektrischer Energie aus einer Energiespeichereinrichtung, vorzugsweise ein elektrochemischer Energiespeicher, ein Akkumulator bzw. eine Batterie, betrieben wird. Ist der Akku bzw. die Batterie entleert, muss er entweder über das öffentliche Stromnetz oder eine mobile Versorgungseinrichtung, vorzugsweise ein Range-Extender oder Solarzellen, wieder aufgeladen werden. Im Falle eines Elektrokraftfahrzeugs mit Range-Extender umfasst das Fahrzeug in der Regel einen ersten elektromechanischen Energiewandler, welcher Teil des Range-Extenders ist und entsprechend als Generator dient und einen zweiten elektromechanischen Energiewandler, der Teil des Antriebsstrangs ist und überwiegend als Motor dient.

[0025] Unter Steuerungselektronik im Sinne der Erfindung ist eine Elektronik zur Steuerung von Komponenten des Range-Extenders zu verstehen. So setzt die Steuerungselektronik Befehle zum Betrieb des Range-Extenders und Messwerte von Sensoren in Vorgaben für eine Leistungselektronik um.

[0026] Die Leistungselektronik im Sinne der Erfindung setzt die Vorgaben der Steuerelektronik um. Sie schaltet die elektrische Energie und wandelt sie, je nach Erfordernissen, bezüglich Polarität, Spannung, Frequenz und Phasenlage, insbesondere führt sie das Umrichten aus.

[0027] Unter Stromkreis im Sinne der Erfindung ist eine Zusammenschaltung einer oder mehrerer elektrischer Energiequellen und verschiedener Bauteile zu verstehen, wobei bei geschlossenem Stromkreis die Bauelemente so miteinander verbunden, dass ein Ladungstransport (elektrischer Strom) ermöglicht wird. Der Stromkreis dient zum Versorgen der elektrischen Verbraucher und zum Einspeisen von elektrischer Energie durch Stromerzeuger. Bevorzugterweise ist der Stromkreis ein Gleichstromzwischenkreis, der von einer Energiespeichereinrichtung, versorgt wird.

[0028] Durch das Bestimmen der Drehsteilung des Rotors des ersten elektromechanischen Energiewandlers mittels einer Beobachtervorrichtung braucht an dem elektromechanischen Energiewandler kein Geber bzw. Sensor zum Erfassen der Drehstellung des Rotors angebracht werden. Es handelt sich daher um ein geberloses Verfahren. Die Drehstellung des Rotors kann über vorhandene Signale, die messbar sind, wie die Eingangs- oder Ausgangsspannung des ersten elektromechanischen Energiewandlers bzw. die Eingangs- oder Ausgangsstromstärke des ersten elektromechanischen Energiewandlers oder jedes andere dazu geeignete Signal bestimmt werden. Hierdurch wird einerseits eine Platzersparnis erreicht, da weder eine Maßverkörperung noch ein Geber untergebracht werden müssen. Ferner ergibt sich eine Kostenersparnis durch das Entfallen der Elemente, Schließlich wird die Störanfälligkeit der Steuerung des Range-Extenders wesentlich reduziert, da einerseits mit dem Wegfall des Gebers eine störanfällige Komponente der Steuerung entfällt und andererseits der Geber auch nicht mehr durch Schmutz gestört werden kann. Auch Ungenauigkeiten durch Probleme beim Erfassen durch einen mechanischen, optischen oder magnetischen Geber stellen kein Problem mehr dar.

[0029] Die Störanfälligkeit eines solchen Range-Extenders wird daher durch den Einsatz einer Beobachtervorrichtung zur Bestimmung der Drehstellung des Rotors des ersten elektromechanischen Energiewandlers wesentlich reduziert.

[0030] Die Erfindung ist bei allen Arten von Range-Extendern anwendbar, welche aus einer Verbrennungskraftmaschine, bei welcher sich ein Kolben in einem Arbeitsraum bewegt, und einem elektromechanischen Energiewandler, welcher sowohl als elektrischer Motor als auch ein elektrischer Generator einsetzbar ist, bestehen.

[0031] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungselektronik des Weiteren eingerichtet, um den Ladezustand einer Energiespeichereinrichtung und die geforderte Traktionsleistung eines zweiten elektromechanischen Energiewandlers zu messen.

[0032] Unter Energiespeichereinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zum Speichern von Energie, insbesondere elektrischer Energie, zu verstehen, insbesondere ein elektrochemischer Energiespeicher oder Akkumulator.

[0033] Der zweite elektromechanische Energiewandler dient vorzugsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrokraftfahrzeugs.

[0034] Durch das Erfassen des Ladezustandes der Energiespeichereinrichtung sowie der geforderten Traktionsleistung des Antriebs kann die Steuerungselektronik des Range- Extenders diesen noch gezielter zum Abdecken von Energielücken einsetzen. So wird der Range-Extender dann gestartet, wenn der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung einen gewissen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet oder die geforderte Traktionsleistung dauerhaft einen Schwellenwert überschreitet, was zu einer schnellen Entladung der Energiespeichereinrichtung führen würde. Ferner kann aber auch festgelegt werden, dass der elektromechanische Energiewandler nicht dann die Verbrennungskraftmaschine des Range-Extenders startet, wenn eine besonders hohe Traktionsleistung, die mit einer hohen Entnahme aus der Energieeinspeichereinrichtung einhergeht, gefordert ist, um die Energiespeichereinrichtung nicht zu überlasten.

[0035] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungselektronik des Weiteren eingerichtet, um den Betrieb des ersten elektromechanischen Energiewandlers in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors, dem Ladezustand der Energiespeichereinrichtung und/oder der geforderten Traktionsleistung zu regeln.

[0036] Durch das Regeln des Steuersignals für den Betrieb des ersten elektromechanischen Energiewandlers in Abhängigkeit von der Drehsteilung des Rotors des ersten elektromechanischen Energiewandlers kann beim Start des Range-Extenders ein rascherer Startvorgang erreicht werden, insbesondere weil der erste elektromechanische Energiewandler sich nicht erst auf das Steuersignal einstellen bzw. synchronisieren muss, sondern in seiner Ruhelage von dem Steuersignal abgeholt wird. Der Startvorgang kann also durch die Kenntnis der Ruhelage des Rotors des ersten elektromechanischen Energiewandlers beschleunigt werden. Außerdem ist die Kenntnis der Drehstellung notwendig, wenn der erste elektromechanische Energiewandler eine Synchronmaschine ist.

[0037] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbrennungskraftmaschine eine Rotationskolbenmaschine.

[0038] Unter einer Rotationskolbenmaschine im Sinne der Erfindung ist bevorzugt eine Einrichtung zu verstehen, bei welcher ein vorzugsweise im Wesentlichen dreieckiger Kolben während des Betriebs der Brennkraftmaschine in deren Gehäuse eine Rotation um eine Hauptachse ausführt, wobei sich der Kolben um seine eigene Achse dreht, welche sich aber auch zusätzlich auf einer bevorzugt eigenen Kreisbahn bewegt. Anders ausgedrückt, führt der Kolben eine planetenartige Bewegung um die Hauptachse aus.

[0039] Vorteilhaft an der Verwendung einer Rotationskolbenmaschine als Verbrennungskraftmaschine ist eine höhere Laufruhe einer solchen Maschine im Vergleich mit einer Hubkolbenmaschine. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine solche Rotationskolbenmaschine ein

Wankelmotor. Die Erfindung kann auch bei der Rotationskolbenmaschine mit mehreren nebeneinander angeordneten Kolben eingesetzt werden. Ferner kann die Erfindung auch mit jeder anderen Art von Verbrennungskraftmaschine, wie vorzugsweise einer Hubkolbenmaschine, verwendet werden.

[0040] Die Rotationskolbenmaschine weist in besonders vorteilhafter Weise im Betrieb eine hohe Laufruhe auf, so dass die Insassen eines Kraftfahrzeugs nicht durch Vibrationen gestört werden. Ferner weist die Rotationskolbenmaschine gegenüber einem herkömmlichen Otto-oder Dieselmotor eine wesentlich geringere Geräuschentwicklung auf. Schließlich können wesentlich höhere Drehzahlen als mit einem Hubkolbenmotor erreicht werden.

[0041] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerelektronik eingerichtet, um die Drehstellung des Rotors der Rotationskolbenmaschine über die Drehstellung des Rotors des ersten elektromechanischen Energiewandlers zu bestimmen.

[0042] Hierdurch kann ein Rotorlagegeber an der Rotationskolbenmaschine entfallen. Durch die Kenntnis der Drehstellung des Rotors der Rotationskolbenmaschine kann ebenfalls eine Beschleunigung des Startvorgangs des Range-Extenders erreicht werden, da der erste Zündzeitpunkt exakt ermittelt werden kann.

[0043] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Range-Extender einen weiteren Sensor zur Bestimmung des Nullpunkts der Drehstellung des Rotors des ersten elektromechanischen Energiewandlers und/oder des Rotors der Rotationskolbenmaschine auf.

[0044] Sofern die Nullpunktinformation der Rotationskolbenmaschine nicht schon über die Drehstellung des Rotors des ersten elektromechanischen Energiewandlers bestimmt werden kann, wird hierfür bevorzugterweise noch ein zusätzlicher einfacher Sensor an der Rotationskolbenmaschine vorgesehen. Ferner könnte auch eine Ungleichförmigkeit zur Nullpunkterkennung eingesetzt werden. So weist der Rotor des ersten elektromechanischen Energiewandlers, der mit der Welle der Rotationskolbenmaschine gekoppelt ist, bevorzugterweise einen stärker ausgeprägten Pol, einen Zusatzmagneten, eine ungleichförmige Anordnung der Magnete oder eine Unregelmäßigkeit in einem Magneten, z. B. einen Schütz. Eine solche Ungleichförmigkeit führt zu einer Veränderung des gemessenen Parameters, welche dann als Nullpunkt identifiziert werden kann.

[0045] Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Range-Extender gemachten Ausführungen zu den Merkmalen, Vorteilen und Begriffsdefinitionen gelten für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Range-Extenders, das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug, die erfindungsgemäße elektronische Steuerung und das erfindungsgemäße Computerprogramm entsprechend.

[0046] Obige sowie weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigt: [0047] Figur 1 eine schematische Darstellung eines Range-Extenders gemäß dem Stand der

Technik; [0048] Figur 2 eine schematische Darstellung eines Range-Extenders gemäß einer ersten

Ausführungsform der Erfindung; [0049] Figur 3 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem erfindungsge mäßen Range-Extender gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung; [0050] Figur 4 eine schematische Darstellung eines Range-Extenders gemäß einer zweiten

Ausführungsform der Erfindung; [0051] Figur 5 eine schematische Darstellung eines Range-Extenders gemäß einer dritten

Ausführungsform der Erfindung.

[0052] Bezug nehmend auf Figur 2 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Die Erfindung wird dabei am Beispiel eines Range-Extenders 1 mit einer Rotationskolben- maschine mit einem im Wesentlichen dreieckigen Rotationskolben bzw. Rotor als Verbrennungskraftmaschine 3 beschrieben. Der erfindungsgemäße Range-Extender 1 könnte jedoch auch mit jeder anderen Art von Verbrennungskraftmaschine 3, insbesondere einer Hubkolbenmaschine, betrieben werden.

[0053] Die Rotationskolbenmaschine 3 ist dabei im Querschnitt dargestellt, wobei der Rotor 10 sowie der trochoidenförmige Motorblock der Scheibe der Rotationskolbenmaschine 3 in die Bildebene gedreht wurde. Die Welle 14 des Exzenters der Rotationskolbenmaschine 3 ist daher als Punkt dargestellt, setzt sich aber in der Bildebene zu dem ersten elektromechanischen Energiewandler fort.

[0054] Der Range-Extender 1 weist eine Rotationskolbenmaschine 3 und einen elektromechanischen Energiewandler 2 auf, der mit der Welle 14 der Rotationskolbenmaschine 3 koppelbar ist. Die Kopplung ist in jeder geeigneten Weise ausgeführt, um ein Drehmoment der Welle 14 der Rotationskolbenmaschine 3 auf einen Rotor 15 des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2 zu übertragen. Vorzugsweise wird eine mechanische Verbindung eingesetzt, insbesondere eine starre Verlängerung der Welle 14, wobei dann der Rotor 15 des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2 und der Exzenter der Rotationskolbenmaschine 3 auf derselben Welle 14 liegen, also wellengleich sind.

[0055] Der elektromechanische Energiewandler 2 kann als reiner Generator und/oder als Gene-rator/Motor ausgebildet sein. Im Generatormodus erzeugt dieser elektrische Energie durch ein Drehmoment, welches diesem über die Welle 14 der Rotationskolbenmaschine 3 bereitgestellt wird. Die elektrische Energie entsteht dabei durch elektromagnetische Induktion, die der Rotor 15 in einem Stator 16a, 16b des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2 erzeugt. Diese Energie wird über die Leistungselektronik 18a in einen Stromkreis 5a, 5b eingespeist. Die dargestellten Stromleitungen 5a und 5b sind jeweils die Pluspol-Zuführung bzw. Minuspol-Zuführung des Stromkreises. Dieser ist vorzugsweise ein Gleichstromzwischenkreis.

[0056] Die Drehstellung des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2 wird über eine Beobachtervorrichtung 6 bestimmt.

[0057] Die Beobachtervorrichtung 6 ist bevorzugterweise eingerichtet, um aus mindestens einer Eingangsgröße unter Verwendung eines Modells des ersten elektromechanischen Ener- gie-wandlers 2 die Drehstellung desselbigen zu rekonstruieren. Die Drehstellung wird von der Beobachtervorrichtung 6 aus mindestens einer Eingangsgröße mittels mathematischer Methoden berechnet. Die Berechnung der Drehstellung in der Beobachtervorrichtung 6 erfolgt dabei anhand bekannter Theorien aus der Regelungstechnik. Solche Verfahren können unter anderem folgender Literatur entnommen werden: S.D.G. Kamming: Design of observers of reduced dynamics, Electronic Letters 5, 1969, S. 213 - 214; D.G. Luenberger: Observing the state of a linear system; TEEE transaction on military electronics (8), 1964, S. 74 - 80; R.E. Kaiman and B. Bucy: New results in linear filtering and prediction theory, TransASME, Series D, Journal of basic engineering (ASME), 83D, 1961, S. 98 - 108; A. Gelb: Applied Optimal Estimation, the MIT Press, Massachusetts Institut of Technologie, Massachusetts 1974; Otto Föllinger: Regelungstechnik, Einführung in die Methoden und ihre Anwendung, ISBN 3-7785-2336-8.

[0058] Da bevorzugt kein weiterer Sensor zum Erfassen der Drehstellung benötigt wird, handelt sich hierbei um ein geberloses Verfahren.

[0059] Bevorzugterweise ist die mindestens eine Eingangsgröße dabei die Stromstärke und/oder Spannung, die an dem ersten elektromechanischen Energiewandler 2 anliegt. Diese Eingangsgröße kann bevorzugt an den Stromzuführungen 22a, 22b, 22c des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2, welche von der Leistungselektronik 18a zu dem elektromechanischen Energiewandler 2 führen, abgegriffen werden, Wie in den Figuren angedeutet, sind dies bevorzugt drei Stromleitungen bei einer Drehstromversorgung des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2, es können aber auch zwei Stromleitungen zum Führen von Gleichstrom oder Wechselstrom sein. Die Beobachtervorrichtung 6 rekonstruiert unter Verwendung eines Modells des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2 die Drehstellung des ersten elekt- romechanischen Energiewandlers 2 und gibt diese an die Steuerelektronik 17a weiter.

[0060] Die Drehstellung geht, wie in der Figur 2 durch einen Pfeil zwischen der Beobachtervorrichtung 6 und der Steuerelektronik 17a angedeutet, in die Berechnung des Steuerungssignals ein, welches in der Steuerelektronik 17a des Range-Extenders 1 berechnet wird. Hierfür übermittelt die Beobachtervorrichtung 6 die Drehstellung an Steuerungselektronik 17a bevorzugterweise mittels eines Signals. Die Steuerungselektronik 17a erfasst bevorzugterweise als weitere Eingangsgrößen den Ladezustand der Energiespeichereinrichtung 7, die Spannung in dem Stromkreis 5a, 5b und/oder die geforderte Traktionsleistung eines zweiten elektromechanischen Energiewandlers 4, welcher in Figur 3 dargestellt ist. Bevorzugterweise bezieht die Steuerelektronik 17a noch andere Eingangsgrößen in die Berechnung des Steuersignals ein. Das Steuersignal ist dabei bevorzugt pulsweitenmoduliert (PWM).

[0061] Die Beobachtervorrichtung 6 kann bevorzugterweise eine eigene Vorrichtung sein oder auch in die Steuerelektronik (17a, 17b, 17c) integriert sein. Dabei kann er sowohl als eigene Hardwarekomponente mit Mikroprozessor und/oder Speicher als auch als Software, insbesondere als Computerprogramm, ausgeführt sein.

[0062] Bezug nehmend auf Figur 3 wird nun ein Kraftfahrzeug mit einem Range-Extender gemäß der ersten Ausführungsform nach Figur 2 beschrieben.

[0063] In dem Kraftfahrzeug 12 ist ein Range-Extender 1 gemäß der ersten Ausführungsform nach Figur 2 angeordnet. Dieser ist über den Stromkreis 5a, 5b an die beiden Pole der Energiespeichereinrichtung 7, bevorzugt ein elektrochemischer Energiespeicher, besonders bevorzugt ein Akkumulator, angeschlossen. Ferner sind an den Stromkreis 5a, 5b bevorzugt auch der zweite elektromechanischer Energiewandler 4, weitere Energieverbraucher und/oder Energieerzeuger angeschlossen.

[0064] Im Generatorbetrieb des Range-Extenders 1 speist der elektromechanische Energiewandler 2 als Generator elektrische Energie in den Stromkreis 5a, 5b ein. im Motorbetrieb bezieht der elektromechanische Energiewandler 2 elektrische Energie aus dem Stromkreis 5a, 5b und startet mit dieser Energie die Rotationskolbenmaschine 3.

[0065] Die Drehstellung des elektromechanischen Energiewandlers 2 wird dabei über die Beobachtervorrichtung 6 bestimmt. Über die Drehstellung des Rotors 15 des elektromechanischen Energiewandlers 2 kann auch die Drehstellung des Rotors 10 der Rotationskolbenmaschine 3 bestimmt werden. Durch die Kenntnis der Drehstellung des Rotors 10 der Rotationskolbenmaschine 3 kann bevorzugterweise der Startvorgang der Rotationskolbenmaschine 3 beschleunigt werden, da die Kolben 10 der Rotationskolbenmaschine 3 schon vor dem Start der Rotationskolbenmaschine 3 in eine Lage gebracht werden kann, in welcher eine möglichst kleiner Winkel bis zur ersten Zündung bzw. bis zum Startvorgang der Rotationskolbenmaschine 3 durchlaufen werden muss. Weiterhin kann zur Beschleunigung des Startvorgangs der Rotationskolbenmaschine 3 bevorzugt ein leistungsstarker erster elektromechanischer Energiewandler 2 vorgesehen sein.

[0066] Im Generatormodus des Range-Extenders 1 speist dieser elektrische Energie in den Stromkreis 5a, 5b ein, welche entweder in der Energiespeichereinrichtung 7 gespeichert wird oder von dem zweiten elektromechanischen Energiewandler 4 wiederum in mechanische Energie umgewandelt wird, bevorzugterweise zum Traktionsantrieb des Kraftfahrzeugs 12.

[0067] Der zweite elektromechanische Energiewandler 4 bezieht seine benötigte Energie aus dem Stromkreis 5a, 5b und wird dabei entweder von der Energiespeichereinrichtung 7 oder direkt von dem Range-Extender 1 versorgt. Der zweite elektromechanische Energiewandler 4 wandelt diese Energie wiederum in ein mechanisches Drehmoment um, welches über die Antriebswelle 19 auf das Differenzial 20 und von diesem über die Achse 21 auf die Räder 11a, 11b übertragen wird. Umgekehrt kann der zweite elektromechanische Energiewandler 4 auch im Generatormodus betrieben werden um elektrische Energie zu erzeugen, beispielsweise bei einer Bergabfahrt oder der Bremsverzögerung des Kraftfahrzeugs 12.

[0068] Die Räder 11c und 11 d des Kraftfahrzeugs 12 sind in der Ausführungsform gemäß Figur 3 nicht traktionsbetrieben. Bevorzugterweise wäre es auch möglich, dass alle vier Räder 11a, 11b, 11c, 11 d traktionsbetrieben sind. Dies könnte bevorzugt auch durch mehrere Motoren, besonders bevorzugt durch gekrümmte Linearmotoren als zweiter elektromechanische Energiewandler 4 geschehen, die direkt an den Rädern angeordnet sind, so dass die Antriebswelle 19 sowie das Differenzial 20 entfallen könnten.

[0069] Bezug nehmend auf Figur 4 wird eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Range-Extenders 1 beschrieben.

[0070] Diese zweite Ausführungsform ist in vorteilhafter Weise mit der vorhergehenden ersten Ausführungsform gemäß der Figur 2 kombinierbar.

[0071] Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass zusätzlich zur Beobachtervorrichtung 6 zur Bestimmung der Drehstellung des Rotors 15 des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2 bzw. des Rotors 10 der Rotationskolbenmaschine 3 ein Geber bzw. Sensor 8 vorhanden ist, der über eine Maßverkörperung 9, welche drehfest mit der Weile 14 verbunden ist, eine Nullpunktinformation des Range-Extenders 1 erkennen kann. Dadurch kann bevorzugt die absolute Drehstellung der Rotationskolbenmaschine 3 und/oder des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2 ermittelt werden.

[0072] Die Nullpunkterkennung kann dadurch erfolgen, dass die Maßverkörperung 9 eine optische oder magnetische Markierung enthält. Ferner könnte die Nullpunkterkennung aber auch bevorzugt dadurch erfolgen, dass der die Maßverkörperung in den Rotor 15 des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2 integriert ist und die Erkennung über eine Ungleichförmigkeit eines gemessenen Parameters erfolgt. Bevorzugt könnte ein Pol des Rotors 15 des ersten elektromechanischen Energiewandlers 2 stärker ausgeprägt, ein Zusatzmagnet angeordnet sein oder die Anordnung der Magnete eine Nullpunkterkennung zulassen, z. B. durch eine asymmetrische Anordnung. Bevorzugterweise kann dann durch die Ungleichförmigkeit eines von dem Geber erfassten Signals, welches einen Parameter, bevorzugt die Feldstärke des Magnetfeldes des Rotors 15, darstellt, die Nullpunktstellung bestimmt werden, insofern die Position der derselbigen in Bezug auf die Ungleichförmigkeit bekannt ist. Die Nullpunktinformation wird in der Steuerelektronik 17c, wie in Figur 5 durch einen Pfeil angedeutet, genauso wie die Drehzahl n des Range-Extenders 1 und/oder die relative Drehstellung, welche die Beobachtervorrichtung 6 ermittelt, bevorzugterweise dazu benutzt, um die Verbrennungskraftmaschine 3 optimal zu steuern. Dies umfasst bevorzugt die Steuerung der Komponenten Rotor 10, Zündkerze 13, Einspritzpumpe, Drossel und/oder Ventile.

[0073] Die Information über die Drehstellung der Rotationskolbenmaschine 3 kann vorzugsweise dazu verwendet werden, die Rotationskolbenmaschine 3 über den ersten elektromechanischen Energiewandler 2 abzubremsen und in einer Lage abzulegen, die zum Starten der Rotationskolbenmaschine 3 besonders vorteilhaft ist. Die beim Abbremsen der Verbrennungskraftmaschine 3 durch den ersten elektromechanischen Energiewandler 2 erzeugte elektrische Energie kann dabei vorteilhaft über die Leistungselektronik 18a in den Stromkreis 5a, 5b eingespeist werden, wie dies in Figur 5 durch einen Pfeil dargestellt ist.

[0074] Besonders bevorzugt sind in allen Ausführungsformen die Steuerelektronik 17a, 17b des ersten und/oder zweiten elektromechanischen Energiewandlers 2, 4 und die Steuerelektronik 17c der Verbrennungskraftmaschine 3 in einer gemeinsamen Steuervorrichtung integriert. Dies trägt zur Reduktion von Bauteilkosten durch die Einsparung von einer oder mehreren Vorrichtungen sowie zur Reduktion der Störanfälligkeiten bei, da der Signalaustausch zwischen den einzelnen Vorrichtungen bevorzugterweise entfällt.

[0075] Die elektromechanischen Energiewandler 2, 4 sind bevorzugt Polmaschinen, bevorzugter Innen- oder Außenpolmaschinen, noch bevorzugter Asynchronmaschinen, besonders bevorzugt selbsterregte Asynchronmaschinen und am bevorzugtesten Reluktanzmaschinen.

[0076] Die Erfindung erstreckt sich auch auf die elektronische Steuerung, welche den Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs 12 und/oder den Betrieb des Range-Extenders 1 in Abhängigkeit von den Fahrzuständen sowie der Fahrbahnbeschaffenheit betreibt. Diese elektronische Steuerung führt ein Verfahren zum Betrieb eines Range-Extenders aus, welches ebenfalls beansprucht wird. Mit dem Verfahren werden die einzelnen Elemente des vorgestellten Range-Extenders 1 bevorzugt in der Weise gesteuert, dass dieser möglichst energieeffizient betrieben wird. Hierfür werden die im Vorhergehenden beschriebenen Komponenten ausgenutzt, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und überschüssige kinetische Energie möglichst nicht über die Bremsen des Fahrzeugs, sondern über das Kraftfahrzeug 12, sondern über den mechanischen Widerstand der Rotationskolbenmaschine 3 im Generatorbetrieb abzubauen.

[0077] Bevorzugt besteht die elektronische Steuerung aus einem Computer mit einem Mikroprozessor. Dieser kann ein in einem elektronischen Speicher gespeichertes Computerprogramm ausführen. Das Computerprogramm umfasst dabei Anweisungen, welche wenn sie über den Computer bzw. Mikroprozessor ausgeführt werden, die Schritte des Verfahrens zum Betrieb eines Range-Extenders 1 ausführen.

BEZUGSZEICHENLISTE

Range-Extender 1 erster elektromechanischer Energiewandler 2

Verbrennungskraftmaschine 3 zweiter elektromechanischer Energiewandler 4

Stromkreis 5a, 5b

Beobachtervorrichtung 6

Energiespeichereinrichtung 7

Geber 8

Maßverkörperung 9

Rotor der Verbrennungskraftmaschine 10 Räder 11a, 11b, 11c, 11 d

Kraftfahrzeug 12 Zündkerze 13

Welle 14

Rotor des ersten elektromechanischen Energiewandlers 15

Stator des ersten elektromechanischen Energiewandlers 16a, 16b

Steuerelektronik 17a, 17b, 17c

Leistungselektronik 18a, 18b

Antriebswelle 19

Differenzial 20

Achse 21

Stromzuführung 22a, 22b, 22c

Claims (19)

1. Patentansprüche 1. Stromerzeugungsvorrichtung, insbesondere Range-Extender (1) für ein Kraftfahrzeug (12), dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Merkmale aufweist: • einen ersten elektromechanischen Energiewandler (2); • eine Verbrennungskraftmaschine (3), welche mit dem ersten elektromechanischen Energiewandler (2) zur Leistungsübertragung koppelbar ist; • eine Leistungselektronik (18a), insbesondere einen Umrichter, um elektrische Energie aus einem Stromkreis (5), insbesondere einem Gleichstromzwischenkreis, zu beziehen und darin einzuspeisen; • eine Steuerelektronik (17a) zur Steuerung der Leistungselektronik (18a); wobei die Steuerelektronik (17a) in der Weise eingerichtet ist, um die Drehstellung des Rotors (15) des ersten elektromechanischen Energiewandlers (2) mittels einer Beobachtervorrichtung (6) zu bestimmen.
2. 2. Range-Extender (1) nach Anspruch 1, wobei die Beobachtervorrichtung (6) eingerichtet ist, um aus mindestens einer Eingangsgröße unter Verwendung eines Modells des ersten elektromechanischen Energiewandlers (2) die Drehstellung desselbigen zu rekonstruieren.
3. 3. Range-Extender (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beobachtervorrichtung (6) des Weiteren eingerichtet ist, um mindestens eine Stromstärke und/oder Spannung, die an dem ersten elektromechanischen Energiewandler (2) anliegt, als Eingangsgrößen zu messen.
4. 4. Range-Extender (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerungselektronik (17a) des Weiteren eingerichtet ist, um den Ladezustand einer Energiespeichereinrichtung (7), die Spannung in dem Stromkreis (5a, 5b) und/oder die geforderte Traktionsleistung eines zweiten elektromechanischen Energiewandlers (4) zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs (12), insbesondere eines Elektrokraftfahrzeugs, zu messen.
5. 5. Range-Extender (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerelektronik (17a) des Weiteren eingerichtet ist, um den Betrieb des ersten elektromechanischen Energiewandlers (3) in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors (15) des ersten elektromagnetischen Energiewandlers (2), dem Ladezustand der Energiespeichereinrichtung (7) und/oder der geforderten Traktionsleistung des zweiten elektromechanischen Energiewandlers (4) zu regeln.
6. 6. Range-Extender (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbrennungskraftmaschine (3) eine Rotationskolbenmaschine ist.
7. 7. Range-Extender (1) nach Anspruch 6, wobei die Steuerelektronik (17a) eingerichtet ist, die Drehstellung des Rotors (10) der Rotationskolbenmaschine (2) über die Drehstellung des Rotors (15) des ersten elektromechanischen Energiewandlers (2) zu bestimmen.
8. 8. Range-Extender (1) nach Anspruch 6 oder 7, des Weiteren einen Geber (8) zur Bestimmung des Nullpunkts der Drehstellung des Rotors (15) des ersten elektromechanischen Energiewandlers (2) und/oder des Rotors (10) der Rotationskolbenmaschine (3) aufweisend.
9. 9. Verfahren zum Betrieb eines Range-Extenders (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte aufweist: • Messen von mindestens einer Eingangsgröße; • Bestimmen der Drehstellung des Rotors (15) des ersten elektromechanischen Energiewandlers (2) mittels der Beobachtervorrichtung (6).
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bestimmen der Drehstellung die Rekonstruktion der Drehstellung aus der mindestens einen Eingangsgröße unter Verwendung eines Modells des ersten elektromechanischen Energiewandlers (2) umfasst.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die mindestens eine Eingangsgröße eine Stromstärke und/oder Spannung, die an dem ersten elektromechanischen Energiewandler (2) anliegt, ist.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, des Weiteren folgenden Schritt umfassend: Steuern des ersten elektromechanischen Energiewandlers (2), wenn dieser im Motormodus ist.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, des Weiteren folgenden Schritt aufweisend: • Bestimmen der Drehstellung des Rotors (10) der Verbrennungskraftmaschine (3) anhand der Drehstellung des Rotors (15) des ersten elektromechanischen Energiewandlers (2).
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, des Weiteren folgenden Schritt aufweisend: • Bestimmen des Nullpunkts der Drehstellung des Rotors (15) des ersten elektromechanischen Energiewandlers (2) und/oder des Rotors (10) der Verbrennungskraftmaschine (3) mit einem Geber (8).
15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, des Weiteren folgenden Schritt aufweisend: • Starten der Verbrennungskraftmaschine (3) unter Einbeziehung der Information über die Drehstellung des Rotors (15) des ersten elektromechanischen Energiewandlers (2) und/oder des Rotors (10) der Verbrennungskraftmaschine (3).
16. 16. Verfahren nach einem Ansprüche 9 bis 15, des Weiteren folgenden Schritt aufweisend: • Abbremsen der Verbrennungskraftmaschine (3) durch den ersten elektromechanischen Energiewandler (2) unter Einbeziehung der Information über die Drehstellung des Rotors (15) des ersten elektromechanischen Energiewandlers (2) und/oder des Rotors (10) der Verbrennungskraftmaschine (3).
17. 17. Kraftfahrzeug (12), insbesondere ein Elektrokraftfahrzeug, mit einem Range- Extender-System (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
18. 18. Elektronische Steuerung (17a, 17b, 17c), die vorzugsweise einen Speicher und einen Mikroprozessor umfasst, welche eingerichtet ist, um ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16 auszuführen.
19. 19. Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, welche, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, diesen dazu veranlassen, die Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16 auszuführen. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen