DE102004037584B4 - Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit für ein Hybridfahrzeug umfassend eine Synchronmaschine (6), eine Impulszählereinheit zur Erfassung der Rotorposition während des laufenden Betriebs der Synchronmaschine (6) sowie eine Steuereinheit (100) zur Steuerung der Antriebseinheit, mit folgenden aufeinander folgenden Verfahrensschritten:
– Erfassen eines Inbetriebnahmewunsches in Abhängigkeit vom über den Zündschlüssel veränderbaren Betriebszustand Zündung in einem ersten Schritt (S10),
– in einem zweiten Schritt (S20) Abfrage, ob eine definierte Rotorlage der Synchronmaschine (6) vorliegt, indem ein Speicher, in den aus dem vorangegangenen Betriebszyklus die aktuelle Rotorlage bei Betriebsende abgelegt wurde, ausgelesen wird, wobei bei Vorliegen der definierten Rotorlage zum Starten des Fahrzeugs zu einem letzten Schritt (S100) verzweigt wird, und wobei bei Nichtvorliegen einer definierten Rotorlage
– die Inbetriebsetzung des Fahrzeugs durch zeitweise Unterbrechung des Zündstromkreises in einem nachfolgenden Schritt (S30) ausgesetzt wird,
– in einem nachfolgenden Schritt (S35) eine Reduzierung der auf die Rotorwelle wirkenden Brems- und Schleppmomente...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit mit einer elektrischen Synchronmaschine (insbesondere einem als Synchronmaschine ausgebildeten Kurbelwellen-Starter-Generator eines Kraftfahrzeugs), einer Impulszählereinheit zur Erfassung der Rotorposition während des laufenden Betriebs der Synchronmaschine und eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Synchronmaschine. Unter Synchronmaschinen werden im Sinne der Erfindung alle elektrischen Maschinen verstanden, die aufgrund ihrer magnetischen Asymmetrie des Läufers (Rotors), im Hinblick auf den Ständer, bei erregter Ständerwicklung erzeugte Momente aufweisen und dadurch zumindest in Teilbetriebsbereichen eine zur Ständerfrequenz synchrone Läuferdrehzahl aufweisen. Insbesondere sind dies: permanentmagneterregte Synchronmotoren, elektrisch erregte Synchronmotoren, Reluktanzmotoren, Klauenpolmotoren und sogenannte Mischmotoren sowie entsprechende Generatortypen, die vorstehend genannte Motorprinzipien zumindest zum Teil in sich vereinen – beispielsweise auch mit dem asynchronen Maschinenprinzip eine Mischform bilden können.
  • Bei Hybrid-Kraftfahrzeugen werden Synchronmaschinen asynchroner (z.B. Kurzschlussläufer) und synchroner Bauart eingesetzt. Dabei zeichnen sich Asynchronmotoren dadurch aus, dass das Feld des Rotors durch den Magnetisierungsstrom vom Ständer ausgehend eingeprägt wird und deshalb die magnetische Orientierung des Rotors nicht sensorisch ermittelt werden muss. Bei Synchronmotoren ist eine magnetische Asymmetrie des Rotors konstruktionsbedingt vorgegeben. Es ist daher erforderlich, die Rotorlage eines Synchronmotors bei dessen Inbetriebnahme zu kennen. Hierfür kommen beispielsweise Systeme in Betracht, bei denen die genaue Rotorlage über sensorische Absolutwertlagegeber (z.B. sogenannte Resolver oder Hallgeber mit Sinus-/Cosinusauswertung) ermittelt wird. Eine derartige Sensorik ist zum einen aber sehr kostenintensiv und benötigt zum anderen einen erheblichen Bauraum. Bekannt sind ferner Verfahren mit sogenannter sensorloser Lageerkennung, bei denen für die Identifikation der Rotorlage die Wirkung der magnetischen Asymmetrie des Rotors mittels der daraus resultierenden elektrischen Wirkung in den Ständerwicklungen gemessen wird. Beide Verfahren setzen für die Rotorlageidentifikation während der Inbetriebnahme des Synchronmotors einen feststehenden Rotor voraus. Die Rotorlageidentifikation bei feststehendem Rotor ergibt sich dabei aus den Anwendungen industriell genutzter Antriebe, in welchen die Rotorwelle starr mit den Aktoren der Anwendung (z.B. Robotersysteme) verbunden ist.
  • Aus dem Fachartikel „Initial Rotor Position Estimation for an Integrated Starter Alternator IPM Synchronous Machine" (T.M. Jahns et al, EPE Conference Proceedings 2003, Topic 07d, pages 1–9) ist bereits eine Synchronmaschine bekannt, bei der in einer low-cost Variante eine definierte Ausgangslage des Rotors durch eine Bestromung mit Gleichstrom erreicht wird. Zum Zweck der genauen Erfassung bzw. Ermittlung der Rotor-Istposition (beim Start der Synchronmaschine) sind allerdings aufwändige Verfahren erforderlich.
  • Die EP 0 254 537 A2 beschreibt einen Gleichstrommotor eines Druckerkopfes eines PC-Druckers, der während des Startvorgangs zum Zwecke der Rotorpositionierung mit Wechsel- oder Drehstrom bestromt wird.
  • Zum weiteren technologischen Hintergrund wird auf die DE 199 17 665 A1 , die DE 44 07 390 A1 und die DE 197 04 153 A1 verwiesen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit für ein Hybridfahrzeug mit Synchronmaschine zu schaffen, so dass mit vereinfachten Mitteln eine jederzeit definierte Inbetriebnahme der Synchronmaschine gewährleistet ist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch die gezielte Bestromung des Stators, durch die der Rotor veranlasst wird, sich entsprechend einer magnetischen Vorzugsrichtung auszurichten wird eine definierte Rotorlage erreicht. Um im nachfolgenden Betrieb der Synchronmaschine deren Rotorlage bestimmen zu können, wird die Impulszählereinheit (die den Winkel zwischen Rotor und Stator durch Inkremente abbildet) auf einen definierten Startwert gesetzt. Dabei ist Voraussetzung, dass der Inkrementalgeber (Impulszähler) zumindest die magnetische Periodizität der elektrischen Synchronmaschine abbildet. Von dieser definierten Rotorlage ausgehend kann der Betrieb (Versorgung der Ständerwicklungen mit Betriebsstrom zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes für den kontinuierlichen Rotorantrieb) der Synchronmaschine mit stets gleichbleibendem Anlaufverhalten gewährleistet werden. Die magnetische Vorzugsrichtung des Rotors ist dabei diejenige, in der er derart ausgerichtet ist, dass sich für die Überlagerung von Stator- und Rotorfeld ein energetisches Minimum ergibt. Die Bestromung der Ständerwicklungen zur Ausrichtung des Rotors erfolgt vorzugsweise durch die Einprägung eines Gleichstroms oder eines Stromes kleiner Frequenz, wobei die Frequenz und die Amplitude derart bemessen sind, dass der Rotor trotz seiner Massenträgheit und der auf ihn einwirkenden äußeren Momente sicher in der Lage ist dem aufgrund der Frequenz eingeprägten Drehfeld zu folgen.
  • Der Synchronmotor mit Impulszähler und Steuereinheit ist dabei lediglich eine Komponente eines Antriebsstranges für ein Hybrid-Kraftfahrzeug. Der Antriebsstrang umfasst ferner eine Brennkraftmaschine und eine Getriebeeinheit sowie zumindest eine Kupplung mittels der die Kraftübertragung zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe unterbrochen werden kann. Vorzugsweise sind zwei Kupplungen vorhanden, wobei über die erste Kupplung die Kraftübertragung zwischen der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine und dem einen Ende der Antriebswelle des Synchronmotors unterbrochen werden kann und wobei über die zweite Kupplung die Kraftübertragung zwischen dem anderen Ende der Antriebswelle des Synchronmotors und der Eingangswelle der Getriebeeinheit unterbrochen werden kann. Brennkraftmaschine, Synchronmaschine und Getriebeeinheit sind demnach in Serie hintereinander im Antriebsstrang angeordnet und jeweils über eine, zwischen jeweils zwei der Komponenten angeordnete, Kupplung miteinander gekoppelt.
  • In einer alternativen Ausführung des Antriebsstranges kann der Synchronmotor mit seiner Antriebswelle auch parallel zur Eingangswelle der Getriebeeinheit angeordnet und an deren Eingangswelle über eine Zwischengetriebeeinheit mit integrierter Kupplung nur mit einem Antriebswellenende in den Antriebsstrang eingekoppelt sein. In diesem Fall ist eine kraftmäßige Entkopplung des Synchronmotors durch lediglich die Ansteuerung einer Kupplung möglich.
  • In einer möglichen Ausführung wird die mindestens eine Kupplung (je nach Ausführung-Synchronmotor in Serie oder parallel im Antriebsstrang angeordnet) bei Inbetriebnahme des Synchronmotors über die Steuereinheit derart angesteuert, dass der Synchronmotor quasi lastfrei geschaltet ist. Anschließend werden die Ständerwicklungen des Synchronmotors derart bestromt, dass der Rotor sich entsprechend einer magnetischen Vorzugsrichtung ausrichtet. Ferner wird die vorhandene Impulszählereinheit auf einen definierten Startwert (z.B. Startwert = 0) gesetzt. Bevorzugt erfolgt die Startwertsetzung der Impulszählereinheit zu einem Zeitpunkt, in dem der Rotor des Synchronmotors bereits gemäß seiner magnetischen Vorzugslage ausgerichtet ist. Ausgehend von dieser definierten Startposition erfolgt die Rotorlagebestimmung während des Betriebs des Synchronmotors durch die Impulszählung der Impulszählereinheit.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1a, 1b: in schematischer Darstellung den Antriebsstrang eines Hybrid-Kraftfahrzeugs umfassend eine Antriebseinheit mit Synchronmaschine, und
  • 2: ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Arbeitsweise der Antriebseinheit.
  • Die 1a zeigt eine in den Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs integrierte Antriebseinheit. Der Antriebsstrang umfasst eine Brennkraftmaschine 2 mit einer Abtriebswelle 2a, eine Kupplung 4, die mit einem ersten Kupplungsteil 4a mit der Abtriebswelle 2a verbunden ist und die mit einem zweiten Kupplungsteil 4b mit der Antriebswelle 6a eines Synchronmotors 6 verbunden ist. Der Synchronmotor 6 (Ständer 6S, Rotor 6R) ist mit dem anderen Ende seiner Antriebswelle 6a über das erste Kupplungsteil 8a mit einer zweiten Kupplung 8 verbunden. Über das zweite Kupplungsteil 8b der zweiten Kupplung 8 ist der Synchronmotor 6 mit der Eingangswelle 10a einer Getriebeeinheit 10 verbunden.
  • 1b zeigt eine zweite mögliche Ausführungsform eines Antriebsstranges für ein Hybrid-Kraftfahrzeug, wobei die Antriebseinheit mit der Rotorwelle 6a des Synchronmotors 6 parallel zur Getriebeeingangswelle 10a angeordnet und über lediglich eine Kupplung 8' kraftmäßig in den Antriebsstrang einkoppelbar ist.
  • Die Koordination der einzelnen Aggregate des Antriebsstranges erfolgt über eine übergeordnete und/oder mehrere gerätespezifische Steuereinheiten. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird hier, stellvertretend für andere Steuergerätekombinationen, nur eine einzige übergeordnete Steuereinheit 100 dargestellt.
  • Gemäß 2 wird die, durch die Steuereinheit 100 vorgegebene, Arbeitsweise der Antriebseinheit gemäß 1a, 1b durch ein Ablaufdiagramm veranschaulicht. Dabei wird in einem ersten Schritt S10 ein Inbetriebnahmewunsch für das Hybrid-Kraftfahrzeug, durch das Einstecken eines Zündschlüssels, erfasst. Anschließend wird in dem zweiten Schritt S20 abgefragt, ob eine definierte Rotorlage des Synchronmotors 6 vorliegt. Diese Abfrage erfolgt indem ein Speicher, in den aus dem vorangegangenen Betriebszyklus die aktuelle Rotorlage bei Betriebsende abgelegt wurde, ausgelesen wird. Liegt eine definierte Rotorlage bereits vor, kann zum letzten Schritt S100 zum Starten des Fahrzeugs verzweigt werden. Liegt keine definierte Rotorlage vor, wird in einem anschließenden Schritt S30 die Inbetriebsetzung des Fahrzeugs ausgesetzt, indem der Zündstromkreis unterbrochen wird. Es folgt in einem Schritt S35 die Reduzierung der auf die Rotorwelle wirkenden Brems- und Schleppmomente. Die Momentenreduzierung kann zum einen durch komplette Abkopplung der mit dem Synchronmotor über einzelne Kupplungen wirkverbundenen Aggregate erfolgen. Zum anderen ist eine Momentenreduzierung ebenfalls möglich, indem die angekoppelten Aggregate zumindest teilweise durch gezielte Ansteuerung in ihren bremsend auf die Rotorwelle wirkenden Momenten reduziert werden (z.B. durch Öffnung einzelner oder aller Gaswechselventile der angekoppelten Brennkraftmaschine). Auch eine Mischform der Momentenreduzierung ist vorstellbar in der manche Aggregate durch Öffnung von Kupplungen abgekoppelt und andere Aggregate durch gezielte Ansteuerung weniger bremsende Momente erzeugen. Daran anschließend erfolgt im Schritt S40 die Bestromung der Ständerwicklungen, die den Rotor veranlasst, sich in eine Rotorsolllage (magnetische Vorzugsrichtung) zu bewegen. Nach einer Wartezeit im Schritt S50, innerhalb der sich der Rotor in seine Solllage bewegt hat, wird die Rotorsolllage, die jetzt der Rotoristlage entspricht, in einem Speicher abgelegt (Schritt S60). Schließlich wird in einem Schritt S70 die Inbetriebsetzung des Fahrzeugs freigegeben (die Sperre aus Schritt S30 wird aufgehoben) und der Synchronmotor 6 bzw. das Fahrzeug gestartet (Schritt S100).

Claims (1)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit für ein Hybridfahrzeug umfassend eine Synchronmaschine (6), eine Impulszählereinheit zur Erfassung der Rotorposition während des laufenden Betriebs der Synchronmaschine (6) sowie eine Steuereinheit (100) zur Steuerung der Antriebseinheit, mit folgenden aufeinander folgenden Verfahrensschritten: – Erfassen eines Inbetriebnahmewunsches in Abhängigkeit vom über den Zündschlüssel veränderbaren Betriebszustand Zündung in einem ersten Schritt (S10), – in einem zweiten Schritt (S20) Abfrage, ob eine definierte Rotorlage der Synchronmaschine (6) vorliegt, indem ein Speicher, in den aus dem vorangegangenen Betriebszyklus die aktuelle Rotorlage bei Betriebsende abgelegt wurde, ausgelesen wird, wobei bei Vorliegen der definierten Rotorlage zum Starten des Fahrzeugs zu einem letzten Schritt (S100) verzweigt wird, und wobei bei Nichtvorliegen einer definierten Rotorlage – die Inbetriebsetzung des Fahrzeugs durch zeitweise Unterbrechung des Zündstromkreises in einem nachfolgenden Schritt (S30) ausgesetzt wird, – in einem nachfolgenden Schritt (S35) eine Reduzierung der auf die Rotorwelle wirkenden Brems- und Schleppmomente vorgenommen wird, indem zumindest einzelne Gaswechselventile der mit der Synchronmaschine (6) gekoppelten Brennkraftmaschine (2) geöffnet werden, – in einem nachfolgenden Schritt (S40) eine Bestromung der Ständerwicklungen erfolgt, die den Rotor veranlasst, sich in eine Rotorlage mit magnetischer Vorzugslage zu bewegen, – in einem nachfolgenden Schritt (S50) eine Wartezeit abläuft, innerhalb der sich der Rotor in seine Rotorsolllage bewegt hat, – in einem nachfolgenden Schritt (S60) die Rotorsolllage, die jetzt der Rotoristlage entspricht, in einem Speicher abgelegt wird, – in einem nachfolgenden Schritt (S70) die Inbetriebsetzung des Fahrzeugs durch Aufhebung der Aussetzung in Schritt (S30) freigegeben wird, und – die Synchronmaschine (6) im letzten Schritt (S100) gestartet wird.
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