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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Range Extenders, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 11.
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Elektrofahrzeuge werden meist mit Elektromotoren angetrieben, bei welchen die Leistungszufuhr in den Motor ohne Kohlebürsten und Schleifringe erfolgt, da diese Elektromaschinenkonzepte bezüglich Verschleiß und Wirkungsgrad deutliche Vorteile bieten. Dies sind im Wesentlichen Drehstrommotoren in Synchron- und Asynchronbauweise. In derartigen Fahrzeugen ist grundsätzlich ein Wechselrichter vorhanden, der durch eine geeignete Ansteuerung einen für den momentanen Betriebspunkt der Antriebsmaschine passenden Drehstrom erzeugt.
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Elektrofahrzeuge haben jedoch durch die geringe Energiedichte in den mitgeführten Batterien den Nachteil einer im Vergleich zu verbrennungsmotorgetriebenen Fahrzeugen geringen Reichweite. Dieses Problem lässt sich durch die Installation eines zusätzlichen Generators lösen, der durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird – eine Anordnung, welche als Range Extender bekannt ist. Eine mögliche, kostengünstige Lösung stellt ein kondensatorerregter Asynchrongenerator zur Stromerzeugung im Fahrzeug dar. Dieser kommt mit einem einfachen Gleichrichter aus.
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Der kondensatorerregte Asynchrongenerator ist zwar kostengünstig, kann aber nicht als Anlasser des mechanisch angekoppelten Verbrennungsmotors genutzt werden, da seine Verschaltung nicht für motorischen Betrieb an einem Gleichstromnetz (Batterie des Elektrofahrzeugs) ausgelegt ist. Daher muss bei einer solchen Anordnung bisher ein extra Anlasser für den Verbrennungsmotor vorgesehen werden. Diese zusätzliche Baugruppe und weiterer damit verbundener Aufwand, wie z. B. eine 12 V-Batterie, ein Anlasserzahnkranz an der Schwungscheibe, Relais, etc. verursachen Kosten.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors sowie ein Antriebssystem vorzuschlagen, welche vorstehend geschilderte Nachteile des Standes der Technik überwinden.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Range Extenders in einem hybridgetriebenen Kraftfahrzeug, wobei der Verbrennungsmotor mit einem kondensatorerregten Asynchrongenerator, welcher mittels Erregerkondensatoren und einer Asynchronmaschine gebildet ist, gekoppelt und dazu vorgesehen ist, den Asynchrongenerator zur Bereitstellung elektrischer Energie für einen elektrischen Antriebsmotor anzutreiben, welcher mittels eines Wechselrichters betrieben wird, wobei in einem ersten Schritt die elektrische Verbindung der Asynchronmaschine mit den Erregerkondensatoren getrennt wird, in einem zweiten Schritt der Wechselrichter ausgangsseitig mit der Asynchronmaschine elektrisch verbunden wird, wobei die Asynchronmaschine mittels des Wechselrichters zur Beschleunigung des Verbrennungsmotors als Motor betrieben wird.
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Bei einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in dem ersten Schritt die Erregerkondensatoren mittels erster Schalter elektrisch von der Asynchronmaschine getrennt.
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Bei einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem zweiten Schritt der Wechselrichter ausgangsseitig mit den Wicklungssträngen der Statorwicklung der Asynchronmaschine elektrisch verbunden, insbesondere über zweite Schalter.
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Bei noch einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wechselrichter in einem dritten Schritt, welcher nach erfolgtem Start des Verbrennungsmotors im zweiten Schritt vorgesehen ist, ausgangsseitig von der Asynchronmaschine elektrisch getrennt, insbesondere durch Öffnen der zweiten Schalter.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch ein Verfahren, wobei die Erregerkondensatoren in einem vierten Schritt mit der Asynchronmaschine elektrisch verbunden werden.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, wobei die Auswahl der Betriebsbedingungen für den Betrieb der Asynchronmaschine am Wechselrichter bei einem Start des Verbrennungsmotors von der Temperatur des Verbrennungsmotors abhängt.
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Bei einem Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Wechselrichter während des ersten und/oder zweiten Schrittes ausgangsseitig zumindest zeitweilig vom Antriebsmotor elektrisch getrennt, insbesondere über dritte Schalter.
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Bei einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem zweiten Schritt die Asynchronmaschine am Wechselrichter derart gesteuert betrieben, dass Ströme und Frequenz ein optimiertes Anlaufen der Asynchronmaschine als Asynchronmotor ermöglichen, insbesondere mittels einer Frequenzrampe und/oder fester Vorgaben.
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Bei noch einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in dem zweiten Schritt sowohl der Antriebsmotor als auch die Asynchronmaschine an dem Wechselrichter betrieben, wobei die Asynchronmaschine als Motor betrieben wird.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch ein Verfahren, wobei in dem zweiten Schritt die Betriebsbedingungen der Asynchronmaschine am Wechselrichter, insbesondere Drehzahl und Phasenstrom, derart gewählt sind, dass die Rückwirkung auf den elektrischen Antriebsmotor optimiert, insbesondere minimiert ist.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß weiterhin ein Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor, sowie einem daran gekoppelten, von dem Verbrennungsmotor antreibbaren, kondensatorerregten Asynchrongenerator, welcher mittels Erregerkondensatoren sowie einer Asynchronmaschine gebildet und dazu vorgesehen ist, elektrische Energie zum Betrieb eines an einem Wechselrichter des Antriebssystems ausgangsseitig betriebenen elektrischen Antriebsmotors des Antriebssystems zur Verfügung zu stellen, wobei das Antriebssystem eine elektrische Trennung und eine elektrische Verbindung der Erregerkondensatoren von der bzw. mit der Asynchronmaschine ermöglicht, insbesondere mittels erster Schalter, sowie eine elektrische Trennung und Verbindung des Ausgangs des Wechselrichters mit der Asynchronmaschine, insbesondere mittels zweiter Schalter.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Antriebssystems ermöglicht das Antriebssystem ein elektrisches Trennen des Antriebsmotors vom Wechselrichter und ein Verbinden mit diesem, insbesondere mittels dritter Schalter, während die Asynchronmaschine zu deren Betrieb als Motor gleichzeitig elektrisch mit dem Ausgang des Wechselrichters verbunden bzw. verbindbar ist, insbesondere mittels der zweiten Schalter.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch ein Antriebssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; und
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2 exemplarisch ein Antriebssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt exemplarisch ein erfindungsgemäßes Antriebssystem 1, insbesondere ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, weiterhin insbesondere für ein hybridbetriebenes Kraftfahrzeug. Das Antriebssystem 1 weist einen elektrischen Antriebsmotor 2 auf, welcher als Fahrmotor ausgelegt ist, d. h. als Motor, welcher dazu vorgesehen ist, das zum Vortrieb eines Fahrzeugs erforderliche Drehmoment bzw. die Leistung zu erbringen. Mittels der erzeugten Leistung des elektrischen Antriebsmotors 2 kann z. B. ein Abtriebselement, z. B. Räder 3, eines Fahrzeugs angetrieben werden, z. B. über ein Getriebe 4.
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Der elektrische Antriebsmotor 2 ist zum Beispiel ein Drehstrommotor in Form eines Synchron- oder Asynchronmotors, z. B. ein Achsmotor, welcher an einer Leistungselektronik in Form eines Wechselrichters 5 des Antriebssystems 1 betrieben wird. Der Wechselrichter 5 ist dazu ausgangsseitig mit dem elektrischen Antriebsmotor 2 elektrisch verbunden, d. h. mit Wicklungssträngen der Erregerwicklung desselben, vorliegend mittels elektrischer Leitungen 6. „Elektrisch verbunden” bezeichnet eine Verbindung, über welche elektrischer Strom geleitet werden kann.
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Der Wechselrichter 5 ist dazu vorgesehen, den elektrischen Antriebsmotor 2 geeignet mit Energie, z. B. mit dreiphasigem Drehstrom geeigneter Frequenz, zu versorgen bzw. die Strangströme in den mit jeweils einer Leitung 6 verbundenen Wicklungssträngen des Antriebsmotors 2 geeignet einzustellen. Der Wechselrichter 5 bezieht die Energie zur Versorgung bzw. zum Betrieb des Antriebsmotors 2 aus wenigstens einer mit dem Wechselrichter 5 elektrisch verbundenen Energiespeichereinheit 7 des Antriebssystems 1, z. B. einer Batterie, z. B. einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs.
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Das Antriebssystem 1 weist ferner einen Verbrennungsmotor 8 auf, welcher dazu vorgesehen ist, in Verbindung mit einem kondensatorerregten Asynchrongenerator 9 des Antriebssystems 1 elektrische Energie insbesondere dann zu erzeugen bzw. zur Verfügung zu stellen, wenn der Energievorrat der Speichereinheit 7 erschöpft bzw. ein bestimmtes Niveau unterschritten ist. Der kondensatorerregte Asynchrongenerator 9 und der Verbrennungsmotor 8 sind Bestandteile eines so genannten Range Extenders, welcher dazu vorgesehen ist, die Reichweite eines Kraftfahrzeugs zu erhöhen, welches von einem wie oben geschilderten Antriebsmotor 2 elektrisch angetrieben wird.
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Der kondensatorerregte Asynchrongenerator 9 weist neben einer Asynchronmaschine 9a Erreger- bzw. Erregungskondensatoren 9b auf, welche die notwendige induktive Blindleistung für einen Generatorbetrieb der Asynchronmaschine 9a liefern. Die Erregerkondensatoren 9b sind auf an sich bekannte Weise parallel zur Statorwicklung der Asynchronmaschine 9a geschaltet, z. B. in einer Dreieckschaltung angeordnet. Alternativ sind die Erregerkondensatoren 9b z. B. in einer Sternschaltung angeordnet.
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Bei Betrieb bzw. infolge eines Startens des mechanisch mit dem kondensatorerregten Asynchrongenerator 9, insbesondere dessen Rotor, gekoppelten Verbrennungsmotors 8 wird durch den kondensatorerregten Asynchrongenerator 9 elektrische Energie erzeugt. Die erzeugte Energie wird einem mit dem kondensatorerregten Asynchrongenerator 9 mittels elektrischer Verbindungsleitungen 10 verbundenen Gleichrichter 11 des Antriebssystems 1 eingangsseitig zugeführt, um am Ausgang des Gleichrichters 11 eine Gleichspannung zum Antrieb des Fahrmotors bzw. elektrischen Antriebsmotors 2 zur Verfügung zu stellen, i. e. eine Reichweitenvergrößerung des Kraftfahrzeugs bei z. B. erschöpfter Energie der Energiespeichereinheit 7 zu ermöglichen.
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Je eine elektrische Verbindungsleitung 10 ist dabei z. B. jeweils mit einem Wicklungsstrang der z. B. dreisträngigen Wicklung des Stators der Asynchronmaschine 9a einerseits und mit einem Eingang des Gleichrichters 11 andererseits elektrisch verbunden. Nach Gleichrichtung im Gleichrichter 11 steht die elektrische Energie am Eingang des Wechselrichters 5, welcher mit dem Ausgang des Gleichrichters 11 elektrisch verbunden ist, zur Verfügung und kann zum Antrieb des elektrischen Antriebsmotors 2 genutzt werden, i. e. alternativ zur Energie der Speichereinheit 7 oder z. B. zusätzlich zu dieser.
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Der Gleichrichter 11 ist ausgangsseitig z. B. parallel zur Speichereinheit bzw. Batterie 7 an den Eingang des Wechselrichters 5 geschaltet, 1 oder 2.
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Erfindungsgemäß ist zum Starten des Verbrennungsmotors 8, welcher im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mit einem Anlasser zusammenwirkt, vorgesehen, in einem ersten Schritt die elektrische Verbindung zwischen den Erregerkondensatoren 9b und der Asynchronmaschine 9a zu trennen, i. e. vorzugsweise derart, dass die Erregerkondensatoren 9b gleichzeitig von der Asynchronmaschine 9a elektrisch getrennt werden. Dazu weist das Antriebssystem 1 insbesondere erste Schalter S1, S2, S3 auf, welche z. B. jeweils in einer elektrischen Verbindungsleitung 12 zwischen jeweils der Erregerkondensatorschaltung und jeweils einem Statorwicklungsstrang angeordnet sind. Die elektrische Trennung kann z. B. durch ein Steuersignal erfolgen, welches von einer elektronischen Steuerung (nicht dargestellt) erzeugt wird und an den Schaltern S1, S2, S3 anliegt, d. h. derart, dass diese Öffnen.
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In einem zweiten erfindungsgemäßen Schritt wird der Wechselrichter 5 ausgangsseitig mit der Asynchronmaschine 9a elektrisch verbunden, i. e. die Statorwicklungsstränge der Asynchronmaschine 9a mit jeweiligen Strangstromausgängen 5a, 5b, 5c des Wechselrichters 5. Dazu sind erfindungsgemäß zweite Schalter S4, S5, S6 vorgesehen, mittels derer eine elektrische Verbindung zwischen jeweils den Wicklungssträngen der Statorwicklung der Asynchronmaschine 9a und jeweils einem Strangstromausgang 5a, 5b, 5c des Wechselrichters 5 herstellbar ist, z. B. unter Verwendung geeigneter Verbindungsleitungen 13 für die Schalter S4, S5, S6, 1 und 2. Je eine Verbindungsleitung 13 mit je einem Schalter S4, S5, S6 verbindet bei geschlossenem Schalter S4 bzw. S5 oder S6 je einen Strangstromausgang 5a, 5b, 5c bzw. je eine Verbindungsleitung 6 elektrisch z. B. mit je einer Verbindungsleitung 10 und insofern mit je einem Wicklungsstrang der Statorwicklung der Asynchronmaschine 9a. Mittels der Schalter S4, S5, S6 kann der Asynchrongenerator 9 somit parallel zum elektrischen Fahrantrieb 2 an den Ausgang 5a, 5b, 5c des Wechselrichters 5 geschaltet werden bzw. von diesem getrennt werden.
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Die elektrische Verbindung der Asynchronmaschine 9a mit dem Ausgang 5a, 5b, 5c des Wechselrichters 5 erfolgt durch, vorzugsweise simultanes, Schließen der Schalter S4, S5, S6, wobei ein Schließen z. B. ebenfalls durch ein von einer elektronischen Steuerung des Antriebssystems 1 erzeugtes Signal veranlasst wird. Bei erfolgter Verbindung kann die Asynchronmaschine 9a erfindungsgemäß an dem Wechselrichter 5 zur Beschleunigung des Verbrennungsmotors 8 als Motor betrieben werden. Vorgesehen ist erfindungsgemäß, dass die Asynchronmaschine 9a in dem zweiten Schritt so lange als Motor betrieben wird, bis der Start des Verbrennungsmotors 8 erfolgt ist.
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Sobald der Verbrennungsmotor 8 die zum Starten vorgesehene Drehzahl erreicht hat bzw. gestartet ist, wird in einem dritten Schritt die elektrische Verbindung des Wechselrichters 5 mit der als Motor arbeitenden Asynchronmaschine 9a erfindungsgemäß wieder getrennt, insbesondere durch Öffnen der zweiten Schalter S4, S5, S6. Die Drehzahl bzw. der Start des Verbrennungsmotors 8 wird z. B. durch eine mit der Steuerung zusammenwirkende Sensorik überwacht, wobei die Steuerung nach einem erfolgten Start des Verbrennungsmotors 8 z. B. ein Signal zum Trennen der elektrischen Verbindung der Asynchronmaschine 9a vom Wechselrichter 5 erzeugt, i. e. zum Öffnen der Schalter S4, S5, S6.
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In einem vierten Schritt werden die Erregerkondensatoren 9b durch Schließen der zuvor geöffneten Schalter S1, S2, S3 wieder mit der Asynchronmaschine 9a zu deren Betrieb als kondensatorerregter Asynchrongenerator 9 elektrisch verbunden. Der Asynchrongenerator 9 ist in diesem Fall insbesondere auf Verbrennungsmotordrehzahl, welche in Abhängigkeit der gewünschten Asynchrongeneratorspannung gewählt ist, und gibt Leistung ab. Die Betätigung der ersten S1, S2, S3 Schalter erfolgt z. B. wiederum durch geeignete Steuersignale, welche auf ein Schließen der Schalter S1, S2, S3 hinwirken.
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Bei der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, im zweiten Schritt sowohl den Antriebsmotor 2 als auch die Asynchronmaschine 9a als Motor an dem Wechselrichter 5 zu betreiben, i. e. parallel und insbesondere z. B. gleichzeitig. Ein solcher Betrieb ist für die gesamte Dauer des zweiten Schrittes bis zu einem Start des Verbrennungsmotors 8, i. e. bis zu einem Öffnen der zweiten Schalter S4, S5, S6 im dritten Schritt vorgesehen. Erfindungsgemäß werden in dem zweiten Schritt die Betriebsbedingungen der am Wechselrichter 5 betriebenen Asynchronmaschine 9a, insbesondere Drehzahl und Phasen- bzw. Strangströme, dabei derart gewählt, dass die Rückwirkung auf den elektrischen Antriebsmotor 2 optimiert ist, insbesondere minimiert ist. Dies kann z. B. auf Basis von dem Fachmann bekannten mathematischen Methoden oder Versuchsreihen sowie Simulationen erfolgen. Die Betriebsbedingungen werden z. B. durch eine mit dem Wechselrichter 5 zusammenwirkende Steuerung eingestellt bzw. ausgewählt.
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Bei der in 2 gezeigten, insbesondere bevorzugten, erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, den elektrischen Antriebsmotor 2 zu einem Motorbetrieb der Asynchronmaschine 9a von dem Wechselrichter 5 trennen zu können. Eine Rückwirkung des Antriebsmotors 2 auf den Wechselrichter 5 und/oder die Asynchronmaschine 9a während eines Starts des Verbrennungsmotors 8 wird bei dieser Ausführungsform z. B. vermieden. Somit ist ein gesteuerter Betrieb der Asynchronmaschine 9a am Wechselrichter 5 zum Zwecke des insbesondere optimierten Anlaufens der Asynchronmaschine 9a als Motor und zum Beschleunigen des Verbrennungsmotors 8 bis auf Startdrehzahl ermöglicht, d. h. der Wechselrichter 5 kann Ströme und Frequenz für ein Drehfeld in den Statorwicklungssträngen der Asynchronmaschine 9a geeignet zur Verfügung stellen, z. B. gemäß fester Vorgaben. Eine elektrische Trennung des Antriebsmotors 2 vom Wechselrichter 5 erfolgt erfindungsgemäß zumindest zeitweilig während des ersten und/oder zweiten Schrittes, vorzugsweise über die gesamte Dauer des zweiten Schrittes bis der Verbrennungsmotor 8 gestartet ist.
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Zur elektrischen Trennung des Antriebsmotors 2 vom Wechselrichter 5 sind dritte Schalter S7, S8, S9 vorgesehen, welche in den jeweiligen Verbindungsleitungen 6 von den Strangstromausgängen 5a, 5b, 5c des Wechselrichters 5 zum elektrischen Antriebsmotor 2 angeordnet sind, und welche z. B. ebenfalls von einer Steuerung ansteuerbar sind. Die Schalter S7, S8, S9 sind derart angeordnet, dass bei einem Öffnen die elektrische Verbindung des Wechselrichters 5 mit dem elektrischen Antriebsmotor 2 unterbrochen wird, die elektrische Verbindung des Wechselrichters 5 mit der Asynchronmaschine 9a über die Schalter S4, S5, S6 jedoch herstellbar ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist, wie bereits erwähnt, vorgesehen, für den gesteuerten Betrieb des Wechselrichters 5 während des Anlaufens der Asynchronmaschine 9a als Motor feste Vorgaben bzw. Betriebsparameter zu wählen, z. B. ein Anlaufen mittels einer Frequenzrampe vorzusehen. Darüber hinaus ist im Rahmen der Erfindung allgemein vorgesehen, den Vorgabenverlauf einer Steuerung für den Betrieb der Asynchronmaschine 9a am Wechselrichter 5 für den Start des kalten Verbrennungsmotors 8, welcher ein höheres Startmoment erfordert, anders auszuwählen bzw. einzustellen, als für den betriebswarmen Verbrennungsmotor 8. Vorgaben können z. B. hinsichtlich der Ströme und Frequenz des einzustellenden Drehfelds erfolgen, sowie z. B. hinsichtlich der vorgesehenen Drehzahl, etc.
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Obwohl die Erfindung anhand eines Drei-Phasen-Drehstrom-Antriebssystems 1 erläutert wurde, dürfte für den Fachmann erkennbar sein, dass die Erfindung auch auf andere, von einem Drei-Phasen-System verschiedene Systeme übertragbar ist, welche vom Gedanken der Erfindung mit umfasst sind. Die Schalter S1 bis S9 gemäß der vorliegenden Erfindung sind z. B. Leistungsschalter, z. B. Transistorschalter, können jedoch z. B. auch mechanische Schalter zur elektrischen Trennung bzw. Verbindung sein. Anstelle jeweils der ersten S1, S2, S3, zweiten S4, S5, S6 oder dritten S7, S8, S9 Schalter ist z. B. jeweils eine Trennvorrichtung denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebssystem
- 2
- elektrischer Antriebsmotor
- 3
- Rad
- 4
- Getriebe
- 5
- Wechselrichter
- 5a, b, b
- Strangstromausgang Wechselrichter
- 6
- elektrische Verbindungsleitung
- 7
- Energiespeichereinheit
- 8
- Verbrennungsmotor
- 9
- kondensatorerregter Asynchrongenerator
- 9a
- Asynchronmaschine
- 9b
- Erregerkondensator
- 10
- elektrische Verbindungsleitung
- 11
- Gleichrichter
- 12
- elektrische Verbindungsleitung
- 13
- elektrische Verbindungsleitung
- S1, S2, S3
- erste Schalter
- S4, S5, S6
- zweite Schalter
- S7, S8, S9
- dritte Schalter
