DE10047222A1

DE10047222A1 - Verbrennungsmaschine mit Generator als Zuheizer

Info

Publication number: DE10047222A1
Application number: DE2000147222
Authority: DE
Inventors: Reinhard Orthmann; Hans-Peter Schoener
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-09-23
Filing date: 2000-09-23
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2020-09-24
Also published as: DE10047222B4

Abstract

Bei einer Verbrennungsmaschine mit angekoppeltem Generator wird nach deren Start die Leistungselektronik des Generators, nämlich die Leistungshalbleiter der Stromventile in der Drehstrombrücke des Generators, mit hoher Verlustleistung betrieben und diese Verlustleistung zur Beheizung eingesetzt. Mit anderen Worten wird nach dem Start der Verbrennungsmaschine der Generator, respektive die Leistungshalbleiter der Stromventile oder die Strangwicklungen des Generators, bei Bedarf als elektrische Zuheizer betrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs.

In ATZ (1997) Nr. 11; Bernd Dienhart, Hans Kampf, Anja Kies: "Vergleich von Zuheizsy stemen in Automobilen mit geringem Kraftstoffverbrauch" wird ein Überblick über verschie dene Zuheizsysteme in Automobilen gegeben. Miteinander verglichen werden die in Kraft fahrzeugen bekannten Zuheizsysteme, nämlich Brennstoff-Zuheizer, PTC-Heizung, Abgas- Wärmeübertrager. Zuheizsysteme werden im wesentlichen aus zwei Gründen in die Kraft fahrzeuge eingebaut. Zum einen bedingen die strengen EURO-Abgasnormen, daß der Ver brennungsmotor möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreichen muß, um die höher wertigen Abgasnormen erfüllen zu können. Die höchste Schadstoffbelastung des Abgases tritt unmittelbar nach dem Start des noch kalten Verbrennungsmotors auf. Deshalb wird der Verbrennungsmotor während der Startphase unter Zuhilfenahme eines Zuheizer möglichst schnell auf Betriebstemperatur gebracht und so die emitierte Schadstoffmenge verringert. Ein zweiter Grund, Zuheizer einzusetzen, liegt im Komfort für die Insassen. Hier suchen die Au tomobilhersteller nach Lösungen, um trotz der geringen Wärmeabgabe von immer kraft stoffsparenderen Motoren eine schnelle Aufheizung des Fahrzeuginnenraums zu erreichen.

Alle diese Zuheizsysteme bedeuten einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand, auf den man gerne verzichten würde, natürlich ohne auf die erwähnten Vorteile hinsichtlich Schadstoffver ringerung und Komforterhöhung verzichten zu müssen.

Erfindungsgemäße Aufgabe ist es daher, mit einem neuen Leistungsmanagement der in ei nem Kraftfahrzeug-Antrieb ohnehin vorhandenen Komponenten den separaten Zuheizer zu ersetzen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen An spruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Lösung gelingt demnach, indem bei einer Verbrennungsmaschine mit angekoppeltem Generator nach deren Start die Leistungselektronik des Generators, nämlich die Leistungs halbleiter der Stromventile in der Drehstrombrücke des Generators, mit hoher Verlustleistung betrieben wird bzw. werden und diese Verlustleistung zur Beheizung eingesetzt wird. Mit anderen Worten werden nach dem Start der Verbrennungsmaschine die Leistungshalbleiter der Stromventile als elektrische Zuheizer betrieben.

Der mit der Erfindung hauptsächlich erzielbare Vorteil liegt in dem möglichen Verzicht eines separaten Zuheizers, ohne daß deswegen auf die Funktionalität eines Zuheizers verzichtet werden muß. Um in den Genuß dieses Vorteils zu gelangen, bedarf es lediglich Komponen ten, die in einem Antrieb eines Kraftfahzeuges mit Generator ohnehin vorhanden sind. Mit einer Veränderung der Ansteuerung der Stromventile des Generators wird ein komplettes Zuheizsystem geschaffen. Die Ansteuerung der Stromventile erfolgt beispielsweise mit dem Generatorregler, eventuell nach Ansteuerung des Generatorreglers durch ein übergeordnetes im Kraftfahrzeug angeordnetes Steuergerät. Die erfindungsgemäße Funktionalität wird durch eine Ergänzung der Steuerungssoftware für die Stromventile des Generators und durch die Nutzung der Verlustleistung zur Heizzwecken erzielt. Dies ist ein sehr geringer Aufwand, verglichen mit dem erzielten Vorteil, auf ein separates Zuheizersystem verzichten zu können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen darge stellt und näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Verbrennungsmotor und einen Generator mit zugehöriger Leistungselektronik, bei dem Leistungselektronik und Generator mit einem gemeinsamen Wärmeübertra ger an den Kühlmittelkreislauf im Kraftfahrzeug angeschlossen sind,

Fig. 2 einen Verbrennungsmotor und einen Generator mit zugehöriger Leistungselektronik, bei dem Leistungselektronik und Generator jeweils mit getrennten Wärmeübertragern an den Kühlmittelkreislauf im Kraftfahrzeug angeschlossen sind,

Fig. 3 einen Verbrennungsmotor und einen Generator mit zugehöriger Leistungselektronik, bei dem der Wärmeübertrager der Leistungselektronik an einen vom Kühlmittel kreislauf des Verbrennungsmotors getrennten Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist,

Fig. 4 zur Erläuterung der Erfindung ein an sich bekanntes Ersatzschaubild eines Generators mit Drehstrombrücke und Stromventilen aus n-Kanal MOSFET Leistungshalbleitern,

Fig. 5 ein an sich bekanntes Kennlinienfeld im ersten Quadranten eines MOSFET zur Er läuterung der erfindungsgemäßen Ansteuerung der MOSFET-Stromventile und der erzielbaren Verlustleistung,

Fig. 6 ein an sich bekanntes Schaltdiagramm eines MOSFET-Schalters zur Erläuterung einer alternativen erfindungsgemäßen Ansteuerung der MOSFET-Stromventile und der er zielbaren Verlustleistung,

Fig. 7 ein an sich bekanntes Ersatzschaltbild eines Generators mit Drehstrombrücke und Stromventilen aus Thyristoren,

Fig. 8 ein an sich bekanntes Ersatzschaltbild eines Generators mit Drehstrombrücke und Stromventilen aus IGBT's (Isolated Gate Bipolar Transistor)

Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Verbrennungmotor 1 und ein Generator 2 sind miteinander über die angedeutete Kurbelwelle 3 des Verbrennungsmo tors entweder direkt gekoppelt, oder über ein nicht dargestelltes Getriebe an die Kurbelwelle gekoppelt, oder über eine ebenfalls nicht dargestellte Kupplung in trennbarer Weise mit der Kurbelwelle gekoppelt. Dem Generator ist eine Leistungselektronik LE zugeordnet. Die Lei stungselektronik umfaßt hauptsächlich die Drehstrombrücke des Generators und die Mittel zu deren Ansteuerung. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Generator dreiphasig mit drei Leistungssträngen R, S, T aufgebaut. Prinzipiell ist die Anzahl der Phasen und damit der Lei stungsstränge variierbar. Die Struktur der zugeordneten Drehstrombrücke kann vom Fach mann auf die Anzahl der Leistungsstränge abgestimmt werden. Zum Zwecke einer verein fachten Darstellung sei die Ansteuerung der Drehstrombrücke gedanklich in die Leistungse lektronik integriert. Die Leistungselektronik LE und der Generator 2 sind beide thermisch an einen Wärmeübertrager 4 gekoppelt.

Der Wärmeübertrager 4 der Leistungselektronik ist über ein Dreiwegeventil 6, einen Durch flußbegrenzer. 7 und Kühlmittelleitungen 5 an den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungs motors angeschlossen. Der Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors besteht in üblicher Weise aus einem Wärmeübertrager 8 im Motorblock, einer Kühlmittelpumpe 9, einem Drei wege-Thermostatventil 10 und einem Kühler 11, der von einem Gebläse 12 mit Kühlluft an geströmt werden kann. Das Thermostatventil regelt den Kühlmittelfluß durch den Kühler in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels. Solange die Temperatur des Kühlmittels die vordefinierte Schalttemperatur des Thermostatventils nicht erreicht, wird der Kühler mit einem Kühlerbypass 13 überbrückt. Der exemplarisch dargestellte Kühlmittelkreislauf wird vervollständigt durch den Heizungswärmetauscher 14 zur Fahrgastraumbeheizung. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Heizungswärmetauscher 14 parallel zum Wärmeüber trager 4 der Leistungselektronik geschaltet. Andere Zuordnungen des Heizungswärmetau scher wie etwa parallel zum Kühler 11 sind auch möglich. Außerdem kann der Kühlmittel fluß durch den Heizungswärmetauscher 14 mit einer separaten Pumpe 15 unterstützt sein.

Die Erfindung besteht nun darin, die Verlustwärme der Leistungselektronik über den Wär meübertrager 4 in den exemplarisch gezeigten Kühlmittelkreislauf eines hier nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeuges einzuspeisen. Darstellungen der Leistungselektronik und deren Ansteuerung werden weiter unten in den Fig. 4 bis 8 noch erläutert. Laborsimulationen zur Wärmeleistung der Leistungselektronik haben ergeben, daß sich mit der Leistungselektronik eines Generators im kalten Zustand eine Verlustleistung von bis zu 5,4 kW problemlos er zeugen läßt, ohne daß hierbei die Leistungselektronik Schaden nimmt.

Hierzu weist der Generator und die Leistungselektronik folgende Kenndaten auf:
Nennspannung des Generators: 42 V
Nennstrom der Leistungselektronik: 400 A
Maximaler Kurzschlußstrom des Generators: 300 A
Wirkungsgrad des Generators: 80%
Startnenndrehzahl des Verbrennungsmotors: 300 Upm
Gleichrichterwert der EMK bei 330 Upm: 20 V
Stranginduktivität: 150 µH
Strangwiderstand: 5 mOhm
Generatorspeisefrequenz bei 300 Upm: 33 Hz

Regelt man die Durchlaßspannung der MOSFETs in der Drehstrombrücke der Fig. 6 über die Gatespannung auf 24 V, so entsteht in den 6 Stromventilen 19 bei einer Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors von 900 Upm eine Verlustleistung von insgesamt 5,4 kW. Die Am plitude der Ströme in den Leistungsschaltern liegt bei 190 A. Sind also bei einem Nennstrom der Leistungselektronik von 400 A für jeden Leistungsschalter harmlos. Diese Verlustlei stung wird in Wärme umgesetzt und über den Wärmeübertrager 4 zu Heizwecken abgegeben.

Eine Wärmeleistung von 5,4 kW ist auch im Vergleich mit den in der Beschreibungseinlei tung erwähnten Zuheizsystemen ein beachtlicher Wert. Die Nennleistung eines Brennstoffzu heizers, der ebenfalls an den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen wird, liegt beispielsweise bei 3 kW.

Die derart erzeugte Wärmeleistung in den Stromventilen 19 der Drehstrombrücke wird mit dem Wärmeübertrager 4 der Leistungselektronik in ein Kühlmittel abgegeben, das den Wär metransport an den gewünschten Einsatzort übernimmt.

Im in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Verbrennungsmotor 1 mit den Generator 2, der an ein von einer Batterie gespeistes Bordnetz angeschlossen ist, zunächst auf seine Startdrehzahl beschleunigt und gestartet. Hierbei werden die Stromventile der Drehstrom brücke mit möglichst geringer Verlustleistung betrieben, um möglichst viel der elektrischen Energie, die dem Bordnetz entnommen wird, in mechanische Energie zum Starten des Ver brennungsmotors umzusetzen. Nach dem Start des Verbrennungsmotors treibt dieser den Generator an. Die Leistungsschalter der Stromventile werden dann derart verändert angesteu ert, daß ein erheblicher Teil der Generatorleistung als Verlustleistung anfällt, die ihrerseits als Wärme in den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors abgegeben wird. Die Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie durch den Generators wird weiter aufrecht erhalten. Die als Wärmeleistung anfallende Verlustleistung wird dazu benutzt, über den Motorwärme übertrager 8 den Verbrennungsmotor in der Kaltstartphase aufzuwärmen, so daß der Ver brennungsmotor möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreicht. Das Thermostatventil ist in dieser Phase noch geschlossen, so daß nur der kleine Kühlmittelkreislauf über den Kühlerbypass 13 des Verbrennungsmotors aktiviert ist. Ist nach der Kaltstartphase eine Zu heizung in den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors nicht mehr notwendig, werden die Stromventile wieder auf minimale Verlustleistung umgesteuert und der Generator ver sorgt das Bordnetz des Kraftfahrzeuges mit elektrischer Leistung bei hohem elektrischem Wirkungsgrad. Hierzu kann der Wärmeübertrager 4 der Leistungselektronik vom Kühlmittel kreislauf des Verbrennungsmotors mit dem Dreiwegeventil 6 abgekoppelt werden. Alternativ kann nun der Heizungswärmetauscher 14 für die Fahrgastraumbeheizung an den Wärmetau scher 4 angekoppelt werden, so daß bei Bedarf der Wärmetauscher 4 auch als Zuheizer für die Fahrgastraumheizung eingesetzt werden kann, falls die Motorwärmeleistung des Ver brennungsmotors hierzu noch nicht ausreicht. Um eine vollständige Versorgung des Motor wärmetauschers 8 mit Kühlmittel gewährleisten zu können, ist im Kühlmittelkreislauf noch eine Drossel als Durchlaßbegrenzer 7 eingebaut. Mit dem Durchlaßbegrenzer 7 wird die Verteilung des Pumpenvolumenstromes der Kühlmittelpumpe 9 auf den Motorwärmetauscher einerseits und auf den Wärmeübertrager 4 der Leistungselekronik und den Heizungswärme tauscher 14 andererseits eingestellt. Erreicht das Kühlmittel seine maximale Betriebstempe ratur, wird über das Thermostatventil 10 der Kühler 11 in den Kühlmittelkreislauf zuge schaltet.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die sich von dem Ausführungs beispiel der Fig. 1 in der getrennten Anordnung der Leistungselektronik LE und der Maschi ne des Generators 2 unterscheidet. Eine getrennte Anordnung von Leistungselektronik LE und Generator 2 kann vorteilhaft sein, wenn der Generator permanent an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt ist und die Leistungselektronik von den Erschütterungen und Vibrationen, denen der Generator dann ausgesetzt ist, geschützt werden soll. Oft wird es ge nügen, lediglich die Leistungselektronik über einen Wärmetauscher 4 an den Kühlmittel kreislauf anzuschließen, da in der Generator Maschine selbst keine nennenswerte Verlustlei stung anfällt. Ein Kühlkörper zur Luftkühlung des Generators ist für die Kühlung des Gene rators meist ausreichend. Alternativ kann bei getrennter Anordnung auch der Generator mit einem weiteren Wärmeübertrager 15 ausgestattet sein, der ebenfalls an den Kühlmittelkreis lauf angeschlossen sei kann. Im übrigen arbeitet das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 in glei cher Weise, wie bereits bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beschrieben.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem im Unterschied zu den zuvor be schriebenen Ausführungsbeispielen der Wärmeübertrager 4 der Leistungselektronik und der Motorwärmetauscher 8 in getrennten Kühlmittelkreisläufen angeordnet sind. Dieses Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung hat den Vorteil, daß in bekannte und bewährte Kühlmittelkreis läufe für Verbrennungsmotoren überhaupt nicht eingegriffen werden muß. Dadurch eignet sich dieses Ausführungsbeispiel auch zum nachträglichen Einbau in Kraftfahrzeuge. Die Wärmeleistung wird wie bereits in Fig. 1 beschrieben in den Stromventilen der Leistungse lektronik LE erzeugt und über einen Wärmeübertrager 4 der Leistungselektronik an einen Kühlmittelkreislauf abgeführt. Mit einem zusätzlichen Zuheizwärmerübertrager 16 wird die Wärmeleistung der Leistungselektronik zur Aufheizung des Verbrennungsmotors auf diesen übertragen. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann auch der Wärmeübertrager 4 der Leistungselektronik direkt zur Wärmeübertragung auf den Verbrennungsmotor genutzt werden. Auch bei getrennter Ausführung der Kühlmittelkreisläufe kann die Leistungselektro nik als Zuheizer für den Heizungswärmetauscher 14 zur Fahrgastraumbeheizung genutzt werden. Hierzu ist der Kühlmittelkreislauf mit einem Dreiwegeventil 17 zwischen dem Zuheizwärmeübertrager 16 auf den Heizungswärmetauscher 14 umschaltbar. Der Generator ist beispielhaft mit einem Luftkühler 18 versehen.

In Fig. 4 ist ein an sich bekanntes Ersatzschaltbild eines Generators 2 mit zugehöriger Lei stungselektronik LE gezeigt. An dem Ersatzschaltbild soll im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 die Beschaltung der Leistungselektronik näher erläutert werden. Der Generator ist beispielhaft ein Drehstromgenerator mit den drei Strängen R, S, T, die jeweils eine Wech selspannung V_S, V_R, V_T liefern. Zusätzlich sind noch die Stranginduktivitäten L_R, L_S, L_T einge zeichnet. Die Wechselspannungen der drei Leistungszweige werden mit einer Drehstrom brücke aus 6 Stromventilen 19 in eine pulsierende Gleichspannung umgerichtet. Die Strom ventile bestehen aus Leistungshalbleiter, die von einer Steuerung angesteuert und in Abhän gigkeit der Phasenlage in den Leistungszweigen geschaltet werden. In dem gezeigten Ausfüh rungsbeispiel sind die Leistungshalbleiter dargestellt mit dem Schaltzeichen für einen n- Kanal MOSFET mit integrierter Inversdiode. Die Ansteuerung der MOSFET durch das Steu ergerät erfolgt über das jeweilige Gate der MOSFETs. Jeder der MOSFETs stellt im einge schalteten Zustand in Durchlaßrichtung eine Zenerdiode mit definierter Durchlaßspannung dar. Im ausgeschalteten Zustand ist der MOSFET in seiner Wirkung einer klassischen Diode gleich. Wird der MOSFET als Schalter betrieben, beträgt im Durchlaßfall die abfallende Drain-Source-Spannung typischer Weise bis zu 1 V.

In Fig. 5 ist ein typisches Kennlinienfeld eines MOSFET im ersten Quadranten dargestellt. Aufgetragen sind der Drainstrom I_D über der Drain-Source Spannung U_DS. Die Kennlinien haben die Gatespannung U_G als Paramter. Mit steigender Gatespannung nimmt der maximale Sättigungsstrom des MOSFET zu. Wird der MOSFET lediglich als Schalter betrieben, so wird man einen Arbeitspunkt möglich weit links im Diagramm wählen. Hier befindet man sich im Bereich großer Flankensteilheit der Kennlinie, so daß große Ströme ein und ausge schaltet werden können, ohne daß am MOSFET-Schalter eine nennenswerte Spannung ab fällt. Der Schalter also möglichst verlustfrei arbeitet.

Die Erfindung besteht nun darin, den MOSFET-Schalter als Bestandteil eines Stromventils 19 in einer Drehstrombrücke mit großer Verlustleistung zu betreiben. Hierzu muß man noch berücksichtigen, daß der Generator 2 an ein Bordnetz angeschlossen ist und das Steuergerät des Bordnetzes, z. B. der Generatorregler, den Spannungspegel am Generatorausgang auf ei nen möglichst konstanten Wert, beispielweise 42 V, regelt. Die Bordnetznennspannung wird von dem Generatorregler geregelt durch Veränderung der Schaltzeitpunkte der MOSFETs in Bezug auf die Phasenlage des eingeprägten Generatorstroms, der im Bordnetz benötigt wird. Dieser Generatorstrom I_G legt zusammen mit der Gatespannung U_G den Betriebspunkt des MOSFET fest. In Fig. 5 ist deshalb noch die Arbeitsgerade 20 einer Generatorwicklung ein gezeichnet, die aufgrund des geringen Wicklungswiderstandes sehr flach ist. Nach Zünden des MOSFET kann somit der Arbeitspunkt durch Absenken der Gatespannung U_G im Dia gramm der Fig. 5 immer weiter nach rechts verschoben werden, z. B. bis am MOSFET eine Spannung von 24 V abfällt. Die am Schalter abfallende Verlustleitung ergibt sich dann aus dem Produkt von Strom I_D und Spannung U_DS und ist im Diagramm mit einer schraffierten Fläche dargestellt. Die am MOSFET abfallende Verlustleistung läßt sich somit durch Varia tion der Gatespannung regeln und einstellen. Die Verlustleistung wird im MOSFET-Schalter in Wärme umgesetzt. Man hat also eine Möglichkeit gefunden, die Leistungshalbleiter der Stromventile 19 erfindungsgemäß als Zuheizer in einem System aus Verbrennungsmotor und angekoppeltem Generator zu betreiben. Vorzugsweise wird dieses System in Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Eine weitere Möglichkeit die Verlustleistung in den Leistungshalbleitern der Stromventile 19 zu regeln, wird in Fig. 6 verdeutlicht. Aufgezeigt ist in vereinfachter Darstellung ein kom pletter Schaltvorgang AUS-EIN-AUS eines MOSFET-Schalters. Aufgetragen sind jeweils der Drainstrom I_D und die Drain-Source Spannung U_DS über der Zeit. Die schraffierte Fläche im Diagramm entspricht der am Schalter pro Schaltvorgang Aus-Ein-Aus anfallenden Ver lustleistung.

Der MOSFET wird geschaltet, indem die Gatespannung ein- und ausgeschaltet wird. Im aus geschalteten Zustand t_off werde eine Gatespannung angelegt, dann steigt der Drainstrom I_D aufgrund der Flankensteilheit im Kennliniefeld der Fig. 5 sehr schnell an. Die am MOSFET anliegende Sperrspannung U_DS verharrt jedoch noch auf Ihrem Maximalwert, da die Gate spannung des MOSFET zunächst noch auf dem sogenannten Miller-Plateau verharrt, bevor der MOSFET vollständig durchgeschaltet ist. Nach Durchschalten des MOSFET fällt die Spannung U_DS auf die Durchlaßspannung des MOSFET ab, die üblicherweise bei 1 V liegt. Für die Zeitspanne t_on fällt deshalb nur noch eine geringe Verlustleistung an. Beim Aus schaltvorgang erhöht sich die Verlustleistung wieder. Diesmal steigt zunächst die Drain- Source Spannung auf den Maximalwert in Sperrrichtung an, bevor der Drainstrom tatsächlich abklingt.

Zur Spannungsglättung werden die Stromventile 19 in Drehstrombrücken üblicher Weise getaktet, z. B. mit der sogenannten Pulsweitenmodulation (PWM). Hierbei fällt bei jedem Vorgang die zuvor erläuterte Verlustleistung an. Die Verlustleistung P_VS ist hiebei proportio nal dem Produkt aus Schaltfrequenz f und Summe der Verlustleistungen pro Schaltvorgang (W_VE + W_VA)

P_VS ~ f.(W_VE + (W_VA)

Zum Zwecke der Erfindung ergibt sich durch Variation der Schaltfrequenz f, mit der die Lei stungshalbleiter der Stromventile 19 geschaltet werden, eine weitere Möglichkeit die Verlust spannung an den Stromventilen und damit die Wärmeleistung der Stromventile zu regeln und somit eine weitere Möglichkeit, die Leistungshalbleiter der Leistungselektronik als Zu heizer zu betreiben.

Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit die Leistungselektronik eines Generators als Zuheizer in einem Kraftfahrzeug zu betreiben, gibt sich aus der Kombination der beiden zu vor beschriebenen Verfahren der Frequenzvariation beim Schalten der Stromventile (nach Fig. 6) und der Variation der Gatespannung an den Leistungshalbleiterschaltern im einge schalteten Zustand (nach Fig. 5).

Eine weitere Möglichkeit den Generator und die zugehörige Leistungselektronik als Zuheizer in einem Kraftfahrzeug zu benutzen, ist die Möglichkeit mit der Drehstrombrücke einzelne Strangwicklungen, die jeweils zeitlich gerade nicht die Spannungsversorgung des Bordnetzes unterstützen, kurzzuschließen, indem beide Leistungsschalter in einem Brückenzweig durch geschaltet werden. Hierdurch fällt dann in der betreffenden Strangwicklung infolge des hohen Kurzschlußstromes eine zusätzliche Verlustleistung an, die ebenfalls im Sinne der Erfindung zur Zuheizung benutzt werden kann. Aufgrund der geringen Ohmschen Widerstände der Generatorwicklungen ist diese Art der Wärmeerzeugung aber nicht sehr ergiebig.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auch bei stillstehendem Generator 2, z. B. bei Stillstand des Verbrennungsmotors 1 oder wenn der Generator mit dem Verbren nungsmotor nicht kraftschlüssig verbunden ist, die Leistungselektronik LE des Generators zu Heizzwecken eingesetzt werden, z. B. als Standheizung oder zur Dieselkraftstoffvorwärmung in einem Kraftfahrzeug. Bei stillstehendem Generator müssen keine in den Strangwicklungen des Generators anfallenden Wechselspannungen durch die Drehstrombrücke des Generators gleichgerichtet werden. Daher kann die Drehstrombrücke bei stillstehendem Generator in anderer Weise beschaltet werden als bei drehendem Generator.

Der Heizbetreib der Leistungselektronik bei stehendem Generator erfolgt, indem jeweils bei de Leistungsschalter der Stromventile 19 in einem Brückenzweige oder auch in allen Brüc kenzweigen gleichzeitig eingeschaltet werden. Die Spannungsversorgung der Drehstrom brücke wird aus dem Bordnetz, respektive der Bordnetzbatterie entnommen. Einer der Lei stungsschalter pro Brückenzweig wird dann als Leistungshalbleiterheizelement betrieben, indem zum Beispiel nach dem Einschalten die Gatespannung abgesenkt wird, wie im Zu sammenhang mit Fig. 5 beschrieben, und der im Brückenzweig jeweils zweite Leistungs halbleiterschalter die Stromregelung durch Takten des Brückenstromes übernimmt. Aufgrund der in der Regel beschränkten Kapazität von Bordnetzbatterien sollte diese Art des Heizbe triebes jedoch nicht über längere Zeitangewandt werden.

Fig. 7 und Fig. 8 zeigen nochmals jeweils an sich bekannte alternative Ausführungen einer Drehstrombrücke, die im Zusammenhang mit der hier beschriebenen Erfindung ebenfalls eingesetzt werden können. In Fig. 7 sind die Stromventile 19 der Drehstrombrücke aus Thyri storen gebildet, während in Fig. 8 die Stromventile aus IGBT (Isolated Gate Bipolar Transi stor) gebildet sind. Die erfindungsgemäße Funktionalität bleibt bei der Verwendung einer der Drehstrombrücken aus Fig. 7 oder Fig. 8 im Wesentlichen die gleiche wie im Zusammenhang mit den MOSFETs beschrieben.

Vorzugsweise ist der Generator in Kombination mit der Verbrennungsmaschine ein Starter generator, d. h. ein Generator dessen Leistung im Vergleich zur Leistung der Verbrennungs maschine eine für den Antrieb der Kraftfahrzeuges untergeordnete Bedeutung hat. Der Gene rator ist also hauptsächlich zum Start des Verbrennungsmotors und zur Versorgung des Bordnetzes und im Sinne der Erfindung als Zuheizer ausgelegt. In dieser Auslegungvariante wird der Generator zu Antriebszwecken allenfalls kurzzeitig als Beschleunigungsbooster eingesetzt.

Die Erfindung findet aber auch Anwendung in an sich bekannten Hybridantrieben aus einem Verbrennungsmotor und einem Generator als elektrischer Antriebsmaschine nennenswerter Leistung. Die erfindungsgemäße Funktionalität wird in diesen Hybridantrieben erzielt, indem die Verfahren zur Ansteuerung der Leistungselektronik des Generators auf die Leistungse lektronik der elektrischen Antriebsmaschine angewandt werden.

Claims

1. Vorrichtung mit einem Verbrennungsmotor (1) hohen Wirkungsgrades und einem ange koppelten Generator (2) mit zugehöriger Leistungselektronik (LE), bei dem:

a) zumindest der Verbrennungsmotor (2) und die Leistungselektronik (LE) des Genera tors (2) jeweils mit einem Wärmeübertrager (4) an einen Kühlmittelkreislauf (5, 8, 11, 13) angeschlossen sind,
b) die Leistungselektronik (LE) des Generators (2) Stromventile (19) aus Leistungs halbleitern enthält,
c) die Leistungshalbleiter der Stromventile (19) oder die Strangwicklungen (R, S, T) des Generators von einer Steuerung zumindest zeitweise mit hoher Verlustleistung betreibbar sind und diese Verlustleistung über mindestens einen Wärmeübertrager (4, 15) an den an geschlossenen Kühlmittelkreislauf (5, 8, 11, 13) eingespeist wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (4) der Leistungselektronik an den Kühlmittelkreislauf (5, 8, 11, 13) des Verbrennungsmotors (1) angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (2) und die Leistungselektronik (LE) an einen gemeinsamen Wärmeübertrager (4) thermisch ge koppelt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungselektro nik (LE) und der Generator (2) jeweils an voneinander getrennte Wärmeübertrager (4, 15) thermisch gekoppelt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (4) der Leistungselektronik an einen vom Kühlmittelkreislauf (5, 8, 11, 13) des Verbrennungsmotors getrennten Kühlmittelkreislauf (14, 16, 17) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme übertrager (4) der Leistungselektronik an den Kühlmittelkreislauf (14, 17) zur Beheizung des Fahrgastraumes angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lei stungshalbleiter der Stromventile (19) MOSFETs sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lei stungshalbleiter der Stromventile (19) Thyristoren sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das die Lei stungshalbleiter der Stromventile (19) IGBT's sind.

10. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 1 als Zuheizer, bei dem:

a) in einem Verfahrensschritt der Generator (2) mit geregelten thermischen Verlusten ge neratorisch betrieben wird und die Leistung des Generators zum Teil als elektrische Lei stung in ein Bordnetz abgegeben wird und zum Teil als geregelte thermische Leistung der Leistungselektronik (LE) oder der Strangwicklungen (R, S, T) des Generators (2) abgege ben wird,
b) in einem weiteren Verfahrensschritt der Generator (2) generatorisch betrieben wird und die elektrische Leistung des Generators (2) mit minimalen thermischen Verlusten der Lei stungselektronik (LE) an das Bordnetz abgegeben wird.

11. Verfahren zum Aufheizen eines Verbrennungsmotors in der Kaltstartphase mit einer Vor richtung nach Anspruch 1, bei dem der Generator, dann Startergenerator genannt, auch motorisch betrieben werden kann und bei dem:

a) in einem ersten Verfahrensschritt der Startergenerator (2) mit optimaler, elektromechanischer Energieumsetzung motorisch betrieben wird und der Verbrennungsmotor (1) auf Startdrehzahl beschleunigt wird,
b) in einem weiteren Verfahrensschritt der Startergenerator (2) mit geregelten thermi schen Verlusten generatorisch betrieben wird und die Leistung des Generators zum Teil als elektrische Leistung in ein Bordnetz abgegeben wird und zum Teil als geregelte ther mische Leistung der Leistungselektronik (LE) oder der Strangwicklungen (R, S, T) des Generators (2) abgegeben wird,
c) in einem weiteren Verfahrensschritt der Startergenerator (2) generatorisch betrieben wird und die elektrische Leistung des Generators (2) mit minimalen thermischen Verlu sten der Leistungselektronik (LE) an das Bordnetz abgegeben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der thermischen Leistung der Leistungselektronik (LE) durch Variation der Gatespannung der Leistungshalbleiter in den Stromventilen (19) erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der thermischen Leistung der Leistungselektronik (LE) durch Variation der Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter in den Stromventilen (19) erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der thermischen Leistung der Leistungselektronik (LE) sowohl durch Variation der Gate spannung als auch durch Variation der Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter in den Stromventilen (19) erfolgt.

15. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 11 zur Aufheizung des Verbrennungsmotors in der Kaltstartphase.

16. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 10 zur Beheizung des Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges.

17. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 1 als Zuheizer, bei dem:

a) bei stillstehendem Generator (2) die Leistungshalbleiter der Stromventile (19) von ei ner Bordnetzbatterie mit Spannung beaufschlagt werden,
b) und die Leistungshalbleiter der Stromventile (19) als Heizelemente betrieben werden.