CN109312705A - 内燃机通过带传动式起动器发电机来起动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于改进内燃机（300）通过带传动式起动器发电机（100）的起动过程的方法，该起动器发电机具有定子绕组（11）和转子绕组（12），其中：如此运行所述起动器发电机（100）来生成起动扭矩：所述定子绕组（11）和所述转子绕组（12）在所述起动器发电机（100）的起动请求（S）之后立即基本上同时通电。此外，本发明涉及一种计算单元，该计算单元被设置用于实施所述方法。

Description

内燃机通过带传动式起动器发电机来起动的方法

本发明涉及一种用于改进内燃机、尤其是发动机通过带传动式起动器发电机的起动过程的方法，以及用于实施该方法的计算单元。

背景技术

电机可以在机动车中被用作所谓的起动器发电机，以便一方面在电机的马达式运行中起动内燃机，并且另一方面在电机的发电机式运行中生成用于车载电网的并且用于为机动车电池充电的电流。所述起动器发电机可以通过带传动装置与内燃机或者曲轴连接。

特别是他激式电机、尤其是三相同步电机适合用作带传动式起动器发电机（RSG），因为能够特别良好地控制它们的马达扭矩。期望的扭矩可以通过相应地操控转子绕组（励磁线圈）和/或定子绕组（通常例如三个或五个定子相位）来调节。扭矩的时间调制可以是优选的，以便实现尽可能低噪声和少振动的起动过程。

为了减少带传动装置中的滑动，可以使用带张紧器、例如所谓的摆动张紧系统（Pendelspannsystem）。然而，由于在马达式运行和发电机式运行中负载回行段和空载回行段的交替，带的张紧是困难的。尤其是，在通过RSG起动内燃机时会出现冲击（Ruck）、振动和噪音，它们本应被避免。

DE 10 2012 203374 A1描述了一种通过带传动式起动器发电机来柔和地起动内燃机的方法，其转子绕组在起动请求之前借助于励磁电流被预励磁。为了建立对于内燃机的起动过程所需的扭矩，定子绕组相对于转子的通电在时间上错开地被通电。

以由上述背景技术出发已知的解决方案为出发点，通常会得到一相互冲突的目标，因为通过电机的预励磁虽然可以实现内燃机的柔和的起动，但是在起动请求和建立对于内燃机的起动所需的扭矩之间的等待时间变长了。

发明内容

根据本发明，提出了一种具有权利要求1的特征的、用于改进内燃机、尤其是发动机通过带传动式起动器发电机的起动过程的方法，以及用于实施该方法的计算单元。有利的实施例是从属权利要求和以下描述的主题。

发明优点

本发明提出，如此运行所述起动器发电机来生成起动扭矩：所述定子绕组和所述转子绕组在所述起动器发电机的起动请求之后立即基本上同时通电。由此能够实现的是，内燃机通过电机的、没有相应的延迟的起动能够被实现，该延迟例如是由于等待所述等待时间而引起，该等待时间由于所述转子绕组的预励磁而产生。相应的等待时间或者死区时间由此可以被避免，该等待时间或者死区时间在起动请求和内燃机的起动之间，在此期间不产生扭矩，并且该等待时间或者死区时间被车辆（在该车辆中容纳有所述对应的内燃机）的驾驶员感受为干扰。

在本发明的一个进一步优选的实施方式中，在通过所述起动器发电机进行扭矩建立时，预先给定一额定扭矩，并且所述定子绕组和转子绕组如此被通电，使得扭矩提升在时域中的梯度直接在起动请求之后单调提升，直至达到所述额定扭矩。通过这种措施能够导致：直接在起动请求之后引起所述内燃机的起动。由于扭矩提升的单调的变化过程，还确保了内燃机的无冲击的起动，并且确保了内燃机在没有相应的死区时间的情况下通过所述电机被起动。这种效果尤其是结合前述优选实施方式被给出。

在本发明的另一优选实施方式中，所述扭矩提升的梯度始终保持在一带中，其上限是大约2000Nm/s，并且其下限是大约300Nm/s。优选所述扭矩提升为约1000Nm / s，更优选约330Nm / s。本发明基于以下认知：在扭矩梯度大于2000Nm / s时，可能出现过调（Überschwinger）直至出现下述机组或者带张紧器的、混乱的、动态的激励，该机组借助于所述带与内燃机耦接。因此如此选择转速梯度，使得在内燃机尽可能快速地并且必要时柔和地起动的条件下，刚好阻止这种混乱的激励。

在本发明的一个进一步优选的实施方式中，所述定子绕组和转子绕组如此通电，使得由扭矩提升的线性近似得出的梯度始终小于扭矩提升的上限。原则上，所述扭矩提升能够线性地、尤其是斜坡形地延伸。然而，扭矩提升的非线性的延伸也是可能的。非线性的延伸尤其能够是有利的，当内燃机的期望的起动请求应当更快速地被实施时。此外这种措施能够降低所述定子绕组的相电流负载或者热负载。然而在此应当注意，在线性近似内得到的拟合直线（Ausgleichsgerade）在起动过程的持续时间上具有一梯度，该梯度小于扭矩提升的上限，该上限约为2000Nm/s。为实现这一目标，所述定子绕组和转子绕组能够如此通电，使得最早在约30ms后达到所述预先给定的额定扭矩。

在本发明的一个进一步优选的实施方式中，所述定子绕组和转子绕组如此通电，使得流过所述定子绕组的电流低于一阈值，并且穿过所述转子绕组的励磁电流的逐渐提升直接在起动请求之后单调提升，直至达到所述额定扭矩。在此能够特别优选的是，脉冲宽度调制的供电电压施加到定子绕组上以进行通电。通过选择脉冲宽度调制的供电电压，能够容易地确定相位电压的振幅和相位位置。励磁电流的建立原则上应尽可能快速地进行，但是在实践中由于转子绕组较高的时间常数而要明显比相电流建立得慢。然而，原则上，相电流和励磁电流能够在一较大的带宽内在很大程度上自由地进行调节，因此原则上也能够使用所述两个控制量（Stellgröße）来调节相应的扭矩梯度。

根据本发明的计算单元、例如机动车的控制器尤其是在程序技术上被设置用于：执行根据本发明的方法。在此，用于在程序技术上实施所述方法的计算机程序优选存储在数据载体上、尤其是存储器上。

以软件形式实施该方法也是有利的，因为这导致特别低的成本，尤其是如果进行执行的控制器还用于其他的任务，并且因此本来就已经存在。用于提供计算机程序的、合适的数据载体尤其是软盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD-ROM、DVD等。还可以通过计算机网络（因特网、内联网等）下载程序。

由说明书和附图得到本发明的其他优点和实施例。

本发明参考在附图中的实施例示意性地被示出，并且将在下面参考附图详细描述本发明。

附图说明

图1示意性地示出了由内燃机，带传动式起动器发电机和车载电网组成的系统，该系统是本发明的基础。

图2示出了具有变流器和可控开关元件的起动器发电机的一种实施方式，该起动器发电机是本发明的基础;

图3示出了他激式单相同步电机的示意性等效电路图;

图4示出了通过根据背景技术的、用于接通电机的方法产生的输入和输出量的图示。

图5a示出了通过根据本发明的、根据第一实施例的、用于接通电机的方法产生的输入和输出量的图示;

图5b示出了通过根据本发明的、根据第二实施例的、用于接通电机的方法产生的输入和输出量的图示;和

图6示出了由初级激励（Primäranregung）引起的、弹性耦合质量系统的动态特性的参数研究。

具体实施方式

本发明基于在图1和2中所示的系统，其中相同的元件具有相同的附图标记。

图1示出了由内燃机300、带传动式起动器发电机100（作为电机）和车载电网30组成的系统200，借助于该系统来阐述本发明的优选实施方式（尤其是参见图5）。

内燃机300经由带310与起动器发电机100连接，其中设置有构造为摆动张紧系统320的带张紧器，其在运行中可以与扭矩方向无关地张紧所述带310。带310在其中提供了在起动器发电机100、内燃机300的曲轴与可能的其它机组（例如用于未示出的空调设备的空调压缩机）之间的弹性耦接。

在图2中，起动器发电机100被电路图式地示意性示出。起动器发电机具有发电机部件10和变流器部件20。变流器部件通常在机器的发电机式运行中作为整流器来运行，并且在马达式运行中作为逆变器来运行。

发电机组件10仅示意性地以星形连接的定子绕组11和与二极管并联连接的励磁或转子绕组12的形式示出。转子绕组被功率开关13脉冲激发地（getaktet）开闭，该功率开关13与变流器部件20的连接端24连接。功率开关13的操控通过控制线14按照场控制器15的要求（maßgabe）进行，其中功率开关13以及与所述转子绕组12并联连接的二极管通常被集成在场控制器的、专用集成电路（ASIC）中。可以通过脉冲宽度调制的电压信号来调节所述励磁电流。

在本申请的范畴中，示出了三相发电机。然而，原则上，本发明也可用于更少相位的或者更多相位的发电机、例如五相发电机。

变流器部件20在此实施为B6电路，并且具有开关元件21，其可以例如设计为MOSFET 21。MOSFET 21例如通过汇流排与发电机的、相应的定子绕组11连接。此外，MOSFET与连接端24、24'连接，并且在相应的操控时能够为车载电网30（包括机动车的电池）提供直流电。开关元件21的操控通过操控装置25经由操控通道26进行，为清楚起见，并非所有操控通道都设有附图标记。操控装置25经由相位通道27分别获取各个定子绕组的相位电压。为了提供这些相位电压，可以设置其他的装置，但是为了清楚起见未示出它们。

在马达式运行中，起动器发电机100用于起动内燃机300。在此，变流器部件20根据本发明的实施例来运行，如下面借助他激式单相同步电机（参见图3）描述的那样。起动器发电机由电池供电。

图3示出了他激式单相同步电机的等效电路图。在考虑到电阻R_F的情况下，在转子绕组（励磁绕组）中通过电压U_f来生成励磁电流I_Err以产生扭矩。在电机100旋转时，这在定子绕组11中感应出磁极转子电压U_p。在相绕组11的连接端处，施加由变流器20生成的相位电压U_s（参见图2）。借助于脉冲宽度调制（PWM）来调节电压U_s的振幅和相位位置。在考虑到电阻R_s和电感L_s的情况下，该电压U_s在相绕组11中生成相应的相电流I_phase。为了生成扭矩，既需要励磁电流I_Err又需要相电流I_phase，其中二者根据本发明在内燃机300的起动请求（S）之后立即被接通，并且如此被提高，使得对于起动所述内燃机300所需的时间被保持得尽可能低。

图4示出了扭矩、励磁电流I_Ex和相电流的时间变化过程，该变化过程在使用由背景技术已知的、用于开始所述内燃机300通过带传动式起动器发电机100的起动过程的方法时得到。在时刻t = 0.1s时，进行起动请求S，并且请求50Nm的扭矩D_soll。此后，首先接通励磁电流I_Ex。在时刻t = 0.2s时，励磁电流达到其额定值，并且相电流被时间延迟地接通。借助于场定向的控制来如此控制所述相电流I_phase，使得产生具有斜率1000Nm / s的、斜坡形的扭矩曲线ΔD。定子绕组11和转子绕组12的通电的、时间上的散开（auseinanderfallen）会导致等待时间，在该等待时间中没有扭矩从电机100传递到内燃机300。因此，通过这样地操控的带传动式起动器发电机100进行的起动过程的总时间减慢。

在图5a和图5b中示出了扭矩120a、120b、励磁电流I_Err和相电流I_phase的时间变化过程，该变化过程在根据本发明的、用于改进内燃机300通过带传动式起动器发电机100的起动过程的方法时得到。根据第一实施例（图5A），在时刻t = 0.1s时，进行起动请求S并且立即在此之后同时接通励磁电流I_Err和相电流I_phase。预先给定了50Nm的额定扭矩D_Soll，并且励磁电流I_Err和相电流I_phase被如此控制，使得扭矩梯度ΔD（斜率）1000Nm / s被预先给定。

由于相电流I_phase通常不能超过一定的最大值I_Pmax、通常为200安培，所以生成的扭矩120a小于预设值D_Soll，只要没有达到所需的励磁电流I_Err。当前，最大值I_Pmax由相电流曲线I_phase的包络线给出。励磁电流I_Err被调节到额定值，其中用于所述励磁电流的额定值作为额定扭矩和转速的函数存储在查找表中。该额定值通过PI控制器来设置。扭矩控制通过相电流来进行，其中当前测量的励磁电流进入到用于相电流的额定值计算中。尽管如此，建立对于起动所述内燃机所需的扭矩而言必要的时间相对于背景技术（在类似的边界调节下为250ms，参见图4）缩短到了190ms。

此外，定子绕组11和转子绕组12如此被通电，使得扭矩提升120a的梯度在第一时间窗口Z1中（该时间窗口在时间上直接在所述起动请求S之后）相对于在另外的时间窗口Z2（该时间窗口在时间上在所述第一时间窗口Z1之后）中的扭矩提升120a的梯度被减小了。由此，扭矩提升120a的梯度被如此调节，使得所述内燃机300不是通过电机100被冲击式地起动，而是通过经相应地适配的扭矩变化过程被柔和地起动。在紧接在第一时间窗口Z1之后的第二时间窗口Z2中，扭矩120a的梯度相应地增加，以确保内燃机300的尽可能快的起动。在此，在另一时间窗口中的梯度的时间变化过程是线性的、尤其是斜坡形的。扭矩变化过程在第一时间窗口Z1中的平滑化（Abflachung）尤其可以通过线圈电感、尤其是励磁线圈12的线圈电感来确定，因为由于线圈的自感在励磁电流起步（Erregerstromanlauf）中出现了延迟（Retardierung）。

图5b中所示的实施方式与图5a中所示的实施方式的不同之处在于：扭矩梯度ΔD（斜率）仅为333 Nm / s。利用这个设置，50Nm的额定扭矩D_Soll在与背景技术（参见图4）中相同的时刻被达到，但是相对于由背景技术已知的方法，这种情况具有显著降低的扭矩梯度ΔD，这对于带传动器的负载有积极的影响，并且此外减小在被驱动的组件的整个系统中的动态过调（Überschwinger）。

在所描述的这两种情况下，优选地实现了扭矩的斜坡形提升，其中扭矩斜坡的斜率可以取决于运行状况地被预先给定，并且用于所描述的这两种情况的斜坡也可以是不同的。

在图6中是一个由初级激励P引起的、耦合质量系统（如它例如在图1中示出的那样）的动态特性的参数研究。当前讨论三种不同形式的激励和它们对于一弹性耦合系统（如它示例性地在图1中描述的那样）的影响。激励t_a的持续时间利用周期时间T进行标准化，该持续时间是用于激励的梯度的尺度（类似于在转矩的变化过程中的斜度），该周期时间由所述激励引起的振动得出。因此，在图6中，所述激励的振幅或者由该激励引起的振动的振幅被以任意单位和利用周期时间进行标准化的时间t_a/T示出，该时间对应于角频率ωt_a/2π。

在第一种情况F1中是标准化的激励持续时间t_a/T <= 0.2。因此，所述激励的梯度如此得大，使得该激励可以被称为脉冲式的。整个系统的、由此得到的动态是非常大的，因为振幅由于整体系统的、当前恒定的固有阻尼在八个振动振幅（Schwingungsamplituden）之后才为衰减到较小的剩余值。在第二种情况F2中，激励的持续时间在0.2 <t_a/T<= 5.0的区间内。在该区间中出现的激励被称为时间可控的。在此，可以清楚地看到，在极短的时间之后，所产生的振幅几乎已经完全消退。

另一种情况F3描述了在开放区间5.0 <t_a/T中的激励。与所述激励相比，整个系统的恒定固有阻尼在这种激励持续时间的情况下是如此大的，使得所述系统甚至不开始振动。基于该模型来推导关于最大允许的扭矩梯度的估计值，该估计值允许所述扭矩梯度刚好被选择得如此大，以致一方面保证了内燃机300尽可能快速地起动，并且另一方面避免了整个系统的过大的动态负载，典型地（modellhaft）确定的极限值或极限范围大约为2000Nm/s。

定子绕组11的通电可以在非脉冲激发的（所谓的块运行：Blockbetrieb）或脉冲激发的（所谓的PWM运行、脉冲宽度调制的）脉冲逆变器运行中进行。在此，可以根据转速和期望的扭矩来选择所选择的操控模式。在块换向的情况下，与脉冲宽度调制运行相反，半导体开关在相位控制期间保持连续接通。在脉冲宽度调制运行中，半导体开关通过一定的操控模式利用优选较高的频率（典型地在2和20kHz之间）进行操控，由此产生相电流的、协调的变化过程，这导致减小的扭矩波动和改善的效率。两种方法都是在现有技术中已知的。

Claims (10)

1.用于改进内燃机（300）通过带传动式起动器发电机（100）的起动过程的方法，该起动器发电机具有定子绕组（11）和转子绕组（12），其特征在于：如此运行所述起动器发电机（100）来生成起动扭矩：所述定子绕组（11）和所述转子绕组（12）在所述起动器发电机（100）的起动请求（S）之后立即基本上同时通电。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在通过所述起动器发电机（100）进行扭矩建立时，预先给定一额定扭矩（D_Soll），并且所述定子绕组（11）和转子绕组（12）如此被通电，使得扭矩提升ΔD在时域中的梯度在起动请求（S）之后直接单调提升，直至达到所述额定扭矩（D_Soll）。

3. 根据权利要求1或2的方法，其中所述扭矩提升ΔD的梯度在一带中延伸，其上限是大约2000Nm/s，并且其下限是大约300Nm/s，优选约1000Nm / s，更优选约330Nm / s。

4.根据权利要求2或3的方法，其中所述定子绕组（11）和转子绕组（12）如此通电，使得由扭矩提升ΔD的线性近似得出的梯度小于扭矩提升的上限，其中优选最早在约30ms后达到所述额定扭矩（D_Soll）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中流过所述定子绕组（11）的电流（I）低于阈值（I_Pmax），并且穿过所述转子绕组（12）的励磁电流（I_Err）的逐渐提升直接在起动请求（S）之后单调提升，直至达到所述额定扭矩（D_Soll）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将块换向的和/或脉冲宽度调制的供电电压施加到所述定子绕组（11）上以进行通电。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对于起动所述内燃机（300）所需的扭矩由带传动式起动器发电机（100）来产生。

8.计算单元（25），该计算单元通过存储在存储介质上的计算机程序被设置用于：执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

9.具有下述程序代码的计算机程序，该程序代码促使计算机或对应的计算单元执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法，当该程序代码在计算机或者相应的计算单元、尤其是根据权利要求8所述的计算单元上执行时。

10.机器可读的存储介质，具有存储于其上的计算机程序，该计算机程序具有下述程序代码，该程序代码促使计算机或对应的计算单元执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法，当该程序代码在计算机或者相应的计算单元上执行时。