DE10008299A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Generator/Motor-Systems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Drehstrommaschine mit mehrsträngiger Wicklungsanordnung in einem Fahrzeug, wobei die Stränge der Wicklungsanordnung mit Stromrichtern an ein Bordnetz verbunden werden, wobei die Wicklungsanordnungen bei motorischem Betrieb in einer ersten Schaltungsart und bei generatorischem Betrieb in einer zweiten Schaltungsart zusammengeschlatet werden, wobei das Umschalten von der einen Schaltungsart in die andere zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem die Drehstrommaschine vom Zustand Drehmomentaufnahme zu Drehmomentabgabe oder vom Zustand Drehmomentabgabe zu Drehmomentaufnahme wechselt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Drehstrommaschine in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Bei einem konzentrischen Triebstranggenerator wird zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe eine elektrische Maschine eingebaut, die sowohl den Verbrennungsmotor starten als auch die Stromversorgung des Fahrzeugs sicherstellen kann.

Bei gegebenem Bauraum und gegebener Batterieleistung reicht jedoch das bei Drehzahl Null abgegebene Moment der elektrischen Maschine häufig nicht aus, um großvolumige Otto- und speziell Dieselmotoren bei tiefen Temperaturen zu starten.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um dieses Problem zu lösen. So wurde vorgeschlagen, etwa eine von der elektrischen Maschine beschleunigte Schwungmasse bei einem Impulsstart schlagartig auf den Verbrennungsmotor zu kuppeln, um diesen loszureißen. Dafür ist eine Kupplung mit Aktuator und Steuerung notwendig, die zusätzlichen Bauraum benötigen. Bei einem System ohne Kupplung sind bei großen Motoren weiterhin konventionelle Anlasser mit Ansteuerung notwendig, die nur für den Kaltstartfall benötigt werden.

Bei elektrischen Maschinen, die gleichzeitig den Starter und den Generator bei einem Kraftfahrzeug bilden, sind zwei grundsätzlich gegenläufige Forderungen zu erfüllen. Zum einen muß zum Starten ein besonders hohes Losbrechmoment aufgebracht werden, welches je nach Hubraum bzw. Zylinderzahl und Typ der Brennkraftmaschine, etwa Otto-Motor oder Dieselmotor, nicht zuletzt aber auch bei entsprechend tiefen Temperaturen stark variieren kann, wobei darüber hinaus noch Drehmomentreserven für die Beschleunigung der Brennkraftmaschine auf Startdrehzahl aufgebracht werden müssen.

Zum anderen soll nach erfolgtem Start der Brennkraftmaschine die als Starter/Generator konzipierte elektrische Maschine als Generator arbeiten, um in das Bordnetz des Kraftfahrzeugs einzuspeisen. Dabei ergibt sich die Forderung nach möglichst konstanter Leistungsabgabe über dem von der Brennkraftmaschine vorgegebenen, üblicherweise stark gespreizten Drehzahlbereich von z. B. 600 bis 6000 min-1 bei möglichst hohem Wirkungsgrad.

Diese beiden Forderungen lassen sich mit einem Standardantrieb, z. B. bestehend aus dreisträngiger Drehfeldmaschine und spannungseinprägendem Pulswechselrichter in Drehstrombrückenschaltung wirtschaftlich schwer darstellen. Wird eine solche elektrische Kombinationsmaschine auf Drehmoment ausgelegt, enthalten die Statorspulen relativ viele Windungen. Eine solche Maschine ist aber bereits bei mittlerer Drehzahl in der Leistungsabgabe limitiert. Der Feldschwächbetrieb beginnt aufgrund der vielen Windungen relativ früh, so daß nicht genügend Stellreserve für den Pulswechselrichter zur Verfügung steht.

Wird die Maschine dagegen auf Generatorleistung ausgelegt, ist die Windungszahl entsprechend geringer. Dies läßt jedoch die zur Generierung des Startdrehmoments notwendigen Phasenströme der Maschine entsprechend anwachsen. Ein besonderes Problem liegt folglich in der Baugröße des Pulswechselrichters, welcher die Ströme dauerhaft beherrschen muß. Weiterhin wird die Batterie stärker belastet, da beim Starten hohe Ströme einzuspeisen sind. Zusätzlich tritt das Problem auf, auch im Leerlauf eine hinreichende elektrische Leistung zu erzeugen, also die sogenannte Angehdrehzahl oder Einsatzdrehzahl der Maschine so weit wie möglich in den Bereich niedriger Drehzahlen zu verlegen. Hierdurch ergibt sich eine Begrenzung der Leistungsabgabe bei höheren Drehzahlen. Zwar stellt sich theoretisch ein entsprechender Leistungsüberschuß ein, der jedoch wegen der auf eine festen Wert, z. B. 14 V, festgeklemmten Bordnetzspennung nicht ausnutzbar ist.

Eine andere Methode besteht darin, die Betriebsarten der elektrischen Maschine dahingehend zu optimieren, daß bei niedrigen Drehzahlen unterhalb der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors eine für die Momentenabgabe optimale Betriebsart gewählt wird, z. B. eine Sternschaltung, während für den generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine im restlichen Drehzahlband eine wirkungsgradoptimierte Betriebsweise gewählt wird, z. B. eine Dreieckschaltung. Dabei ist es für einen Traktionsantrieb unerläßlich, daß die Betriebsartenumschaltung ohne Momentensprung bei gleichzeitiger ununterbrochener Momentenabgabe erfolgt. Ein solches Verfahren ist aus der DE 197 33 208 C1 für eine Lichtmaschine vorgeschlagen worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren zum Betreiben einer Drehstrommaschine anzugeben, welches eine vereinfachte Betriebsartenumschaltung erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung erfolgt das Umschalten von der einen Schaltungsart in die andere zu einem Zeitpunkt, bei dem die Drehstrommaschine vom Zustand Drehmomentaufnahme zu Drehmomentabgabe oder vom Zustand Drehmomentabgabe zu Drehmomentaufnahme wechselt.

Der Vorteil ist darin zu sehen, daß sich Änderungen der Drehmoment/Strom-Kennlinie beim Umschalten nicht auswirken, da zu diesem Zeitpunkt das Drehmoment gleich Null ist. Zudem werden elektromechanische Schaltelemente im System, die zur Kurzschlußabsicherung vorgesehen sind, beim Umschalten nicht durch hohe Ströme belastet und können daher einfacher und billiger ausgeführt werden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und

Fig. 2 eine Drehmomentkennlinie, bei der das Umschaltkriterium verdeutlicht ist.

In Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung einer Anordnung für Betrieb und Ansteuerung einer als Triebstranggenerator eingesetzten Drehstrommaschine dargestellt, vorzugsweise wird die Drehstrommaschine als Starter-Generator verwendet. Die Drehstrommaschine weist eine mehrsträngige Wicklungsanordnung auf, wobei die Wicklungsstränge in unterschiedlicher Weise verschaltet sein können.

Eine Drehstrommaschine 1 ist mit einem Umschalter 2 verbunden, der die Wicklungsstränge der Maschine 1 in verschiedene Betriebsarten schalten kann. Der Umschalter 2 ist mit einer Batterie 3 verbunden, welche im generatorischen Betrieb von der Drehstrommaschine geladen werden kann. Der Umschalter 2 weist zumindest zwei Schaltpositionen für zwei verschiedene Betriebsarten der Drehstrommaschine auf. In einer bevorzugten Weiterbildung weist der Umschalter zumindest noch eine dritte Schaltposition 0 auf, bei der im Fehlerfall die Batterie 3 elektrisch von der Drehstrommaschine 1 getrennt werden kann. In der Prinzipdarstellung ist ein Verbrennungsmotor, der von der Drehstrommaschine 1 gestartet werden kann, wie auch Steuergeräte zur Steuerung der Drehstrommaschine und Mittel zur Detektion eines Fehlerfalls, z. B. Crashsensoren, nicht dargestellt.

In Fig. 2 ist das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht. Im motorischen Betrieb erfolgt eine positive Drehmomentabgabe. Hier wird etwa ein Verbrennungsmotor von der Drehstrommaschine gestartet. Im generatorischen Betrieb wird von der Drehstrommaschine abgegebene Energie gespeichert, z. B. indem eine Batterie, insbesondere eine Speicherbatterie, oder ein anderer Energiespeicher, geladen wird.

Beim Übergang vom motorischen Betrieb auf generatorischen Betrieb wird beim Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Drehmomentkennlinie die Betriebsart der Drehstrommaschine gewechselt. Vorzugsweise wird von einem Sternbetrieb bei motorischem Betrieb auf Dreiecksbetrieb bei generatorischem Betrieb umgeschaltet. Die Sternschaltung stellt eine günstige Betriebsart für die Drehmomentabgabe, die Dreieckschaltung einen günstigen Wirkungsgrad für den generatorischen Betrieb dar.

Bevorzugt wird die Drehstrommaschine durch ein übliches (nicht dargestelltes) Steuergerät durch Drehmomentvorgabe gesteuert, so daß das aktuelle Drehmoment der Drehstrommaschine in jedem Zeitpunkt bekannt ist. Damit ist auch der Zeitpunkt der Umschaltung genau bekannt. Das Steuergerät gibt beim Umschaltzeitpunkt (Drehmoment = 0) ein entsprechendes Schaltsignal an den Umschalter 2 ab. Wird durch eine etwaig vorhandene Sensorik ein Fehlerfall erkannt, d. h. ein Zustand, der für die Betriebssicherheit des Fahrzeugs gefährlich ist, wie etwa ein Crashfall, ein Kurzschluß im System, ein Schadensfall von Maschine oder Steuer- oder Regelungseinrichtung, kann das Steuergerät ebenfalls ein Signal an den Umschalter 2 geben, der dann die Batterie 3 von der Drehstrommaschine 1 trennt. Dazu ist beim Umschalter 2 eine dritte Schaltstellung 0 vorgesehen, bei der ein für die Drehstrommaschine 1 ungefährlicher Zustand eingeschaltet und die Drehstrommaschine 1 von der Batterie 3, bzw. vom Bordnetz, abgekoppelt wird.

Es ist jedoch auch möglich, durch Drehmomentsensoren den Zeitpunkt zu detektieren, bei dem die Drehstrommaschine vom Bereich der Drehmomentabgabe zur Drehmomentaufnahme oder vom Bereich der Drehmomentaufnahme zur Drehmomentabgabe übergeht.

Die Umschaltung zwischen einer ersten und einer zweiten Betriebsart der Drehstrommaschine 1, etwa zwischen einer bevorzugten Sternschaltung und einer bevorzugten Dreieckschaltung wird günstigerweise elektronisch vorgenommen. Es ist jedoch auch möglich, eine Umschaltung mechanisch zu bewirken. Dies kann in dem Fall günstig sein, wenn Sicherheitsaspekte in einem Fehlerfall die Trennung aller Stränge der Drehstrommaschine 1 nahelegen.

Zweckmäßigerweise wird bei abgestelltem Fahrzeug in Parkposition und/oder bei stehendem Verbrennungsmotor und/oder beim Start des Fahrzeugs die Drehstrommaschine in die für den motorischen Betrieb günstige Betriebsart geschaltet. Beim Starten des Fahrzeugs kann die Umschaltung in die günstige Betriebsart unmittelbar beim Start des Fahrzeugs erfolgen oder bereits vor dem Start eingeleitet werden, wenn etwa das Öffnen des Fahrzeugs und/oder die Absicht der Inbetriebnahme erkannt wird.

Für den Einsatz der Drehstrommaschine als Starter-Generator ist das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr einfache Regelstrategie dar. Der gesamte Startvorgang mit positiver Drehmomentabgabe kann in der dafür vorteilhaften Betriebsart erfolgen. Das Umstellen von "Starten" auf "Laden", d. h. beim Übergang zum generatorischen Betrieb mit negativer Drehmomentabgabe, erfolgt zu dem Zeitpunkt, bei dem keine Momente abgegeben oder aufgenommen werden, d. h. beim Nulldurchgang der Drehmomentkennlinie. Da das Moment Null ist, wirken sich Änderungen der Kennlinie nicht aus, das Umschalten erfolgt nahtlos.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Drehstrommaschine mit mehrsträngiger Wicklungsanordnung in einem Fahrzeug, wobei die Stränge der Wicklungsanordnung mit Stromrichtern an ein Bordnetz verbunden werden, wobei die Wicklungsanordnungen bei motorischem Betrieb in einer ersten Schaltungsart und bei generatorischem Betrieb in einer zweiten Schaltungsart zusammengeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten von der einen Schaltungsart in die andere zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem die Drehstrommaschine vom Zustand Drehmomentaufnahme zu Drehmomentabgabe oder vom Zustand Drehmomentabgabe zu Drehmomentaufnahme wechselt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstrommaschine im Bereich der Drehmomentabgabe in einer für die Drehmomentabgabe optimierten Schaltungsart und im Bereich der Drehmomentaufnahme in einer wirkungsgradoptimierten Schaltungsart betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstrommaschine im Bereich der Drehmomentabgabe in Sternschaltung und im Bereich der Drehmomentaufnahme in Dreieckschaltung betrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommaschine von einem Steuergerät zumindest mittelbar ein Drehmoment vorgegeben wird und daß beim Wechsel von Drehmomentabgabe zu Drehmomentaufnahme oder von Drehmomentaufnahme zu Drehmomentabgabe vom Steuergerät ein Schaltsignal an einen Umschalter abgegeben wird, der die Drehstrommaschine von der einen Schaltungsart in die andere Schaltungsart umschaltet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel von Drehmomentabgabe zu Drehmomentaufnahme oder von Drehmomentaufnahme zu Drehmomentabgabe von einem Sensor detektiert wird und beim Wechsel ein Schaltsignal an den Umschalter abgegeben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Parkposition des Fahrzeug und/oder bei oder vor Inbetriebnahme der Drehstrommaschine die Drehstrommaschine in Sternschaltung geschaltet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter in einem die Betriebssicherheit des Fahrzeugs gefährdenden Zustand die Drehstrommaschine vom Bordnetz und/oder einer Speicherbatterie zumindest elektrisch abtrennt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstrommaschine als Starter-Generator betrieben wird.