DE102010041976B4

DE102010041976B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, elektrische Maschine einer Brennkraftmaschine und Motorsteuergerät zum Steuern und/oder Regeln einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010041976B4
Application number: DE201010041976
Authority: DE
Inventors: Andreas Schmidt; Karthik Rai; Burkhard Hiller; Udo Sieber; Elias Calva; Christoph Gerstlauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2030-10-06
Also published as: CN102536575A; DE102010041976A1; CN102536575B

Abstract

Verfahren (55) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (11) mit einem Verbrennungsmotor (13) und einer elektrischen Maschine (16), die mit einer Welle (27) des Verbrennungsmotors (13) gekoppelt ist, wobei das Verfahren (55) umfasst: Empfangen von Steuerinformationen und Schalten der elektrischen Maschine (17) in einen Motorbetrieb (MR, MF) in Abhängigkeit von den Steuerinformationen, wobei die Steuerinformationen ein einziges Steuerbit (gs) umfassen und dass die elektrische Maschine (17) in den Motorbetrieb (MR, MF) geschaltet wird, wenn ein Wert des Steuerbits (gs) auf einen ersten vorbestimmten Binärwert wechselt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehrichtung (MR, MF) eines im Motorbetrieb von der elektrischen Maschine (16) erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von einem Betriebszustand (dr) der elektrischen Maschine (17) festgelegt wird, wenn das Steuerbit (gs) auf den ersten vorbestimmten Binärwert wechselt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine, die mit einer Welle des Verbrennungsmotors gekoppelt ist, wobei das Verfahren umfasst:
Empfangen von Steuerinformationen, insbesondere von einem Motorsteuergerät zum Steuern und/oder Regeln des Verbrennungsmotors, und Schalten der elektrischen Maschine in einen Motorbetrieb in Abhängigkeit von den Steuerinformationen.
Aus der DE 197 41 294 A1 ist ein Antrieb eines Kraftfahrzeugs bekannt, der einen Verbrennungsmotor und eine mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelte elektrische Maschine aufweist. Diese elektrische Maschine ist in einen Motor- oder einen Generatorbetrieb schaltbar. Mithilfe der in den Motorbetrieb geschalteten elektrischen Maschine kann die Kurbelwelle in eine vorgebbare Startposition gebracht werden, in welcher die Brennkraftmaschine durch Direkteinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum und durch Zündung des Kraftstoffs relativ leicht gestartet werden kann. Zwischen der elektrischen Maschine und einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine ist eine Verbindungsleitung vorgesehen, so dass das Motorsteuergerät die elektrische Maschine ansteuern kann.
Aus der DE 103 28 123 A1 ist eine Ansteuerung einer elektrischen Maschine, die mit einem Verbrennugnsmotor gekoppelt ist, bekannt, bei der neben einer Signalleitung, die die elektrische Maschine an- bzw. ausschaltet auch eine zweite Leitung zur Richtungssteuerung erforderlich ist.
Offenbarung der Erfindung
Das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. die Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 6 oder 10 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Vereinfachung dieser Ansteuerung ermöglicht wird.
Hierbei wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, Gemäß diesem Verfahren ist eine Schnittstelle zum Übertragen der Steuerinformationen besonders schlank ausgebildet. Sie umfasst das Steuerbit, wobei ein Wechsel des Steuerbits, d. h. eine Flanke eines entsprechenden Steuersignals, bewirkt, dass die elektrische Maschine in den Motorbetrieb geschaltet wird. Möchte das Motorsteuergerät die elektrische Maschine in den Motorbetrieb schalten, dann muss es lediglich dieses Bit auf den ersten vorbestimmten Binärwert umschalten. Vorzugsweise umfassen die Steuerinformationen ausschließlich das Steuerbit.
Hierbei ist vorgesehen, dass eine Drehrichtung eines im Motorbetrieb von der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der elektrischen Maschine festgelegt wird, wenn das Steuerbit auf den ersten vorbestimmten Binärwert wechselt. Es wurde erkannt, dass Informationen über die vom Motorsteuergerät gewünschte Richtung des im Motorbetrieb von der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments nicht explizit vom Motorsteuergerät zu der elektrischen Maschine übertragen werden müssen. Denn die elektrische Maschine kann sich diese Richtungsinformation aus ihrem eigenen Betriebszustand, insbesondere einem Bewegungszustand eines Rotors der elektrischen Maschine, selbst herleiten.
Es kann vorgesehen sein, dass als Drehrichtung eine Vorwärtsrichtung festgelegt wird, wenn der Rotor der elektrischen Maschine sich, insbesondere beim Wechsel des Steuerbits auf den ersten vorbestimmten Wert, bereits in der Vorwärtsrichtung bewegt, wobei die Vorwärtsrichtung einer Drehrichtung des Rotors bei laufendem Verbrennungsmotor entspricht. Hierdurch wird bewirkt, dass die in den Motorbetrieb geschaltete elektrische Maschine den bereits laufenden Verbrennungsmotor antreibt. Vorzugsweise steuert das Motorsteuergerät die elektrische Maschine während eines Startvorgangs des Verbrennungsmotor so an, dass sie in den Motorbetrieb schaltet, um den Hochlauf des Verbrennungsmotors zu unterstützen, so dass zum Beispiel eine Nennleerlaufdrehzahl schneller erreicht wird bzw. ein Startvorgang des Verbrennungsmotors zuverlässig, schnell und/oder mit geringen Schadstoffemissionen abläuft. Das Unterstützen der Vorwärtsbewegung der Welle des Verbrennungsmotors während des Startvorgangs wird auch als „Booster-Betriebsart” bezeichnet.
Ergänzend oder alternativ hierzu kann vorgesehen werden, dass als Drehrichtung eine der Vorwärtsrichtung entgegengesetzte Rückwärtsrichtung festgelegt wird, wenn der Rotor zum Umschaltzeitpunkt stillsteht. Da die elektrische Maschine mit der Welle des Verbrennungsmotors gekoppelt ist, entspricht ein Stillstand der Welle des Verbrennungsmotors einem Stillstand des Rotors. Erkennt die elektrische Maschine zum Zeitpunkt, zu dem ein Umschalten in den Motorbetrieb angefordert wird, dass der Rotor stillsteht, dann dreht sie die Welle des Verbrennungsmotors entgegen ihrer für den laufenden Verbrennungsmotor vorgesehenen Laufrichtung, so dass eine für den Start des Verbrennungsmotors optimale Lage (Drehwinkel) der Welle mit Hilfe der elektrischen Maschine eingestellt werden kann.
Vorzugsweise wird die elektrische Maschine in einen Generatorbetrieb geschaltet, wenn der Wert des Steuerbits auf einen zweiten vorbestimmten Binärwert wechselt. Beim Schalten der elektrischen Maschine in den Generatorbetrieb kann eine Leistungselektronikschaltung zum Ansteuern mindestens einer Wicklung der elektrischen Maschine, vorzugsweise einer Statorwicklung, deaktiviert werden, so dass diese Wicklung nicht mehr bestromt wird und die elektrische Maschine kein Drehmoment mehr erzeugt. Es kann vorgesehen sein, dass das Motorsteuergerät die elektrische Maschine in den Generatorbetrieb schaltet, sobald beim Drehen in der Rückwärtsrichtung die optimale Startposition erreicht ist und/oder sobald eine Unterstützung des Startvorgangs (Booster-Betriebsart) durch die elektrische Maschine nicht mehr erforderlich ist.
Das Verfahren kann mit besonders geringem Aufwand realisiert werden, wenn das Steuerbit über eine elektrische Leitung übertragen wird, die zwischen einem Steuerausgang eines Motorsteuergeräts des Verbrennungsmotors und einem Steuereingang der elektrischen Maschine angeordnet ist. Bei dem Steuerausgang kann es sich um einen Digitalausgang des Motorsteuergeräts und bei dem Steuereingang um einen Digitaleingang einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der elektrischen Maschine handeln. Dem Digitalausgang kann ein Leitungstreiber nachgeschaltet sein. Der Steuereingang kann eine entsprechende Empfängerschaltung aufweisen. Der Leitungstreiber und/oder die Empfängerschaltung können Verstärker, Pegelwandler und dergleichen aufweisen. Vorzugsweise charakterisiert ein momentaner Pegel einer elektrischen Größe auf der Signalleitung einen momentanen Binärwert des Steuerbits. Ein niedriger Pegel (Low) kann einem momentanen Binärwert von 0 und hoher Pegel (High) kann einem momentanen Binärwert von 1 entsprechen, oder umgekehrt. Alternativ oder ergänzend kann das Steuerbit auch über eine optische Leitung oder eine Funkverbindung übertragen werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Mit Hilfe einer solchen elektrischen Maschine können die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden. Hierbei ist bevorzugt, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung einen Steuereingang aufweist, der zum Anschluss einer elektrischen Leitung zum Übertragen des Steuerbits von einem Steuerausgang des Motorsteuergeräts eingerichtet ist.
Ferner ist bevorzugt, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung in die elektrische Maschine integriert, vorzugsweise in ein Gehäuse der elektrischen Maschine eingebaut oder an dem Gehäuse angeordnet ist. Hierdurch wird ein kompakter Aufbau der elektrischen Maschine erreicht.
Vorzugsweise ist die Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 eingerichtet. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann beispielsweise ein ASIC, einen Mikrocontroller, oder einen programmierten Logikbaustein (PLD) aufweisen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Motorsteuergerät zum Steuern und/oder Regeln einer Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen. Auch mit dem Motorsteuergerät können die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist es, sowohl ein erfindungsgemäßes Motorsteuergerät als eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einer Brennkraftmaschine vorzusehen.
Hierbei ist besonders bevorzugt, dass das Motorsteuergerät einen Steuerausgang aufweist, der zum Anschluss einer elektrischen Leitung zum Übertragen des Steuerbits an einen Steuereingang der Steuer- und/oder Regeleinrichtung aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
2 einen zeitlichen Verlauf einer Drehzahl einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine aus 1 sowie von Signalen einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer elektrischen Maschine der Brennkraftmaschine bei einem Startvorgang eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine;
3 ein Zustandsübergangsdiagramm eines Steuerelements der Steuer- und/oder Regeleinrichtung; und
4 ein Prinzipschaltbild einer Endstufe eines Stromrichters der elektrischen Maschine.
Eine in 1 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 11 weist einen Verbrennungsmotor 13 mit einem Motorblock 15 und einem Motorsteuergerät 16 zum Steuern und/oder Regeln der Brennkraftmaschine 11 auf. Die Brennkraftmaschine 11 weist außerdem eine elektrische Maschine 17 auf, die eine Maschinenanordnung 19 und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 umfasst. In der gezeigten Ausführungsform sind die Maschinenanordnung 19 und die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 in ein gemeinsames Gehäuse 23 der elektrischen Maschine 17 integriert. Abweichend hiervon kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 auch beispielsweise von außen an dem Gehäuse 23 angeordnet sein oder auf sonstige Weise mit dem Gehäuse 23 mechanisch verbunden sein.
Bei der elektrischen Maschine 17 handelt es sich um einen Generator der Brennkraftmaschine 11, der zum Starten des Verbrennungsmotors 13 in einen Motorbetrieb geschaltet werden kann. Da die elektrische Maschine 17 sowohl als Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine 11 eingebaut ist, als auch zum Starten des Verbrennungsmotors 13 genutzt wird, wird sie auch als „Startergenerator” bezeichnet.
Ein Rotor 25 der Maschinenanordnung 19 ist beispielsweise über einen Keilriemen mit einer Welle, vorzugsweise einer Kurbelwelle 27, des Verbrennungsmotors 13 derart mechanisch gekoppelt, dass eine Drehbewegung der Kurbelwelle 27 zu einer Drehbewegung des Rotors 25 führt und umgekehrt.
Bei der Maschinenanordnung 19 handelt es sich um eine dreiphasige fremderregte Synchronmaschine. Statorwicklungen 29 der Maschinenanordnung 19 bilden eine Dreiecksschaltung. Drei Anschlüsse U, V, W dieser Dreiecksschaltung sind mit einem Stromrichter 31 der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 verbunden. Eine Erregerwicklung 33, die vorzugsweise an dem Rotor 25 angeordnet ist, ist zwischen einem Ausgang einer Erregerschaltung 35 der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 und einer Messeleitung 37 des Bordnetzes geschaltet.
Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 weist außerdem eine Schaltung 39 zum Erkennen eines Drehzustands des Rotors 25 auf. Die Schaltung 39 kann beispielsweise mit einer oder mehreren Leitungen U, V, W der Sternschaltung der Statorwicklungen 29 verbunden sein, so dass sie den Drehzustand des Rotors 25 anhand aufgrund von Drehbewegungen des Rotors 25 in die Statorwicklungen 29 induzierten Spannungen (Gegeninduktionsspannungen) ermitteln kann. Beispielsweise kann die Schaltung 39 eine Gegeninduktionsspannung zumindest einer Statorwicklung 29 erfassen und anhand der mindestens einen erfassten Gegeninduktionsspannung den Drehzustand des Rotors 25 ermitteln. Der Drehzustand des Rotors 25 umfasst Informationen darüber, ob der Rotor 25 stillsteht, sich in eine Vorwärtsrichtung bewegt oder sich in eine der Vorwärtsrichtung entgegengesetzten Rückwärtsrichtung bewegt. Unter der Vorwärtsrichtung soll eine Drehrichtung des Rotors 25 verstanden werden, die sich ergibt, wenn der Verbrennungsmotor 13 läuft und an seiner rotierenden Kurbelwelle 27 ein Drehmoment erzeugt.
Ein Ausgang der Schaltung 39 ist mit einem ersten Eingang eines Steuerelements 41 der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 verbunden, so dass die Schaltung 39 ein von ihr erzeugtes Drehzustandssignal dr an das Steuerelement 41 übertragen kann. Das Drehzustandssignal dr charakterisiert den Drehzustand des Rotors 25 und umfasst somit die Information, ob sich der Rotor dreht oder stillsteht bzw. ob der Rotor 25 in Vorwärtsrichtung oder Rückwärtsrichtung rotiert.
Ferner weist die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 einen Steuereingang 43 zum Empfangen eines Steuersignals gs auf. Das Steuersignal gs umfasst in der gezeigten Ausführungsform ein Steuerbit, das im Folgenden ebenfalls mit gs bezeichnet wird. Obwohl das Steuersignal als Steuerinformationen außer dem Steuerbit gs prinzipiell noch weitere Informationen oder Bits umfassen kann, enthält bei der gezeigten Ausführungsform das Steuersignal als Steuerinformation ausschließlich das Steuerbit gs. Der Steuereingang 43 ist über eine Steuerleitung 45 mit einem Steuerausgang 47 des Motorsteuergeräts 16 verbunden, so dass das Motorsteuergerät 16 das Steuersignal bzw. das Steuerbit gs an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 der elektrischen Maschine 17 übermitteln kann.
Das Steuerbit gs gibt an, ob die elektrische Maschine 17 im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb betrieben werden soll. Weist das Steuerbit gs einen ersten Binärwert, beispielsweise gs = 0, auf, dann soll die elektrische Maschine 17 im Motorbetrieb betrieben werden. Weist das Steuerbit gs einen vom ersten Binärwert verschiedenen zweiten Binärwert (beispielsweise gs = 1) auf, dann soll die elektrische Maschine 17 im Motorbetrieb betrieben werden. Abweichend hiervon bedeutet in einer nicht gezeigten Ausführungsform ein Binärwert gs = 1, dass die elektrische Maschine 17 im Motorbetrieb betrieben werden soll und gs = 0, dass die elektrische Maschine 17 im Generatorbetrieb betrieben werden soll.
Bei der Steuerleitung 45 kann es sich beispielsweise um eine elektrische Leitung, insbesondere ein Kabel handeln, die den Steuerausgang 47 mit dem Steuereingang 43 verbindet. Eine an der Steuerleitung 45 vorhandenen elektrische Größe (beispielsweise eine Spannung oder ein Strom an der Steuerleitung 45) charakterisiert in diesem Fall den Wert des Steuerbits gs. Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass ein hoher Pegel (High, H) der elektrischen Größe den Binärwert 1 und ein niedriger Pegel (Low, L) den Binärwert 0 des Steuerbits gs charakterisiert. Zur Übertragung des Steuerbits gs braucht also kein aufwendiges Kommunikationsprotokoll oder Bussystem auf der Steuerleitung 45 vorgesehen zu werden.
Das Motorsteuergerät 16 weist eine Steuereinheit, die beispielsweise als ein programmierbarer Rechner, insbesondere ein Mikrocontroller 49 ausgebildet sein kann. Ein Digitalausgang 51 des Mikrocontrollers 49 ist mit dem Steuerausgang 47 des Motorsteuergeräts 17 verbunden, so dass der Mikrocontroller 49 den Wert des Steuerbits gs festlegen kann. Der Steuerausgang 47 kann einen Leitungstreiber, der Steuereingang 43 einen entsprechenden Empfänger aufweisen.
Sowohl das Motorsteuergerät 16 als auch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 der elektrischen Maschine 17 sind mit einer Versorgungsspannungsleitung 53 des Bordnetzes und der Masseleitung 37 des Bordnetzes verbunden.
Im Folgenden wird anhand der 2 die Funktionsweise der Brennkraftmaschine 11 näher erläutert. Die Diagramme der 2 zeigen den zeitlichen Verlauf einer Drehzahl n der Kurbelwelle 27 sowie einen zeitlichen Verlauf des Drehzustandssignals dr und des Steuerbits gs. Die drei in 2 gezeigten Diagramme weisen jeweils dieselbe Zeitachse auf.
Die Brennkraftmaschine 11 wird im sog. Start/Stop-Betrieb betrieben. Wird die Brennkraftmaschine 11 für eine kurze Zeit nicht benötigt, beispielsweise wenn ein Kraftfahrzeug, das die Brennkraftmaschine 11 aufweist, vor einer roten Ampel steht, dann schaltet das Motorsteuergerät 16 den Verbrennungsmotor 13 ab, und die Kurbelwelle 27 kommt zum Stillstand. Auf diese Weise kann Kraftstoff gespart werden. Sobald die Brennkraftmaschine 11 wieder benötigt wird, beispielsweise weil der Fahrer des Kraftfahrzeugs weiterfahren möchte, wird der Verbrennungsmotor 13 wieder gestartet.
Der Zeitpunkt t = 0 entspricht dem Augenblick, an dem das Motorsteuergerät 16 einen Startvorgang zum Starten des Verbrennungsmotors 13 beginnt. Die Kurbelwelle 27 steht still (Drehzahl n = 0) und das Drehzustandssignal dr hat einen Wert 0, der anzeigt, dass der Rotor 25 ebenfalls stillsteht. Zum Zeitpunkt t = 0 setzt das Motorsteuergerät 16 das Steuerbit gs vom Wert 0 auf den Wert 1. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 21 erkennt den Wechsel des Werts des Steuerbits gs von 0 auf 1 und schaltet deshalb die elektrische Maschine in den Motorbetrieb um. Anhand des Drehzustandssignals dr entscheidet das Steuerelement 41, welche Drehrichtung ein von der Maschinenanordnung 19 erzeugtes Drehmoment aufweisen soll. Das Steuerelement 41 ist so eingerichtet, dass es den Stromrichter 31 veranlasst, das Drehmoment in Rückwärtsrichtung zu erzeugen, falls das Drehzustandssignal dr einem Stillstand des Rotors 25 entspricht. Dementsprechend steuert die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ab dem Zeitpunkt t = 0 die Maschinenanordnung 19 zum Rückwärtsdrehen der Kurbelwelle 27 an. Abweichend hiervon kann auch vorgesehen sein, dass das Steuerelement 41 so eingerichtet ist, dass es den Stromrichter 31 veranlasst, das Drehmoment in Rückwärtsrichtung zu erzeugen, falls das Drehzustandssignal dr einem Stillstand des Rotors 25 oder einer Rückwärtsdrehrichtung des Rotors 25 entspricht.
Dieses motorische Rückdrehen (Drehzahl n < 0) der Kurbelwelle 27 durch die elektrische Maschine 17 bewirkt, dass die Kurbelwelle 27 in Rückwärtsrichtung in eine gewünschte Startposition bewegt wird. Sobald das Motorsteuergerät 16 erkennt, dass die Startposition der Kurbelwelle 27 erreicht ist, setzt sie das Steuerbit gs zum Zeitpunkt t = t₁ wieder auf 0 zurück. Das Steuerelement 41 erkennt den Wechsel des Steuerbits von 1 zu 0 und beendet den Motorbetrieb der Maschinenanordnung 19, indem es den Stromrichter 31 deaktiviert.
Es kann vorgesehen sein, dass das Motorsteuergerät 16 beispielsweise anhand eines Drehzahlsensors oder Drehwinkelsensors zum Erfassen der Drehzahl und/oder des Drehwinkels der Kurbelwelle 27 erkennt, wann die Kurbelwelle 27 die Startposition erreicht hat. Üblicherweise wird im Zeitraum zwischen t = 0 und t = t₁ die Kurbelwelle 27 um einen Winkel von etwa 10° bis 80° in Rückwärtsrichtung gedreht.
Ab dem Zeitpunkt t₁ bleibt die Kurbelwelle 27 entweder stehen oder dreht sich aufgrund eines Kompressionsdrucks in einem Brennraum des Motorblocks 15 etwas in Vorwärtsrichtung. Zu einem Zeitpunkt t₂ veranlasst das Motorsteuergerät 16 eine Zündung eines in einen zum Start des Verbrennungsmotor 13 ausgewählten Startbrennraums eingebrachten Kraftstoff-Luftgemischs. Folglich erhöht sich die Drehzahl n der Kurbelwelle 27, was von der Schaltung 39 erkannt wird. Deshalb wechselt das Drehzustandssignal dr zum Zeitpunkt t₃ auf einen Wert v, der anzeigt, dass sich die Kurbelwelle 27 in die Vorwärtsrichtung dreht. Die Schaltung 39 erkennt diese Drehbewegung anhand einer in mindestens einer der Statorwicklungen 29 induzierten Spannung.
Eine Zeitspanne tv nach dem Zeitpunkt t₃ schaltet das Motorsteuergerät 16 das Steuerbit gs erneut vom Wert 0 auf den Wert 1 (Zeitpunkt t₄). Das Steuerelement 41 erkennt diesen Zustandswechsel des Bits gs und schaltet die elektrische Maschine erneut vom Generatorbetrieb in den Motorbetrieb um. Hierbei legt das Steuerelement 41 die Drehrichtung weiterhin in Abhängigkeit von dem Drehzustandssignal dr fest. Das Steuerelement 41 steuert den Stromrichter 31 so an, dass er die Statorwicklungen 29 zum Erzeugen des Drehmoments in Vorwärtsrichtung bestromt, falls zum Zeitpunkt des Wechsels des Steuersignals von 0 auf 1 das Drehzustandssignal dr anzeigt, dass der Rotor 25 bereits in Vorwärtsrichtung rotiert. Folglich wird der Verbrennungsmotor 13 ab dem Zeitpunkt t₄ von der elektrischen Maschine beim Hochlauf unterstützt.
Sobald die Drehzahl n einen Mindestwert n_SE erreicht hat, schaltet das Motorsteuergerät 16 das Steuerbit gs zum Zeitpunkt t₅ wieder auf den Wert 0 um. Dieser Wechsel des Zustands des Steuersignals gs wird vom Steuerelement 41 erkannt. Deshalb deaktiviert das Steuerelement 41 den Stromrichter 31, so dass die elektrische Maschine 17 wieder im Generatorbetrieb läuft. Zum Erkennen, dass die Kurbelwelle 27 die Mindestdrehzahl n_SE erreicht hat, kann das Motorsteuergerät 16 auf den Drehzahlsensor bzw. Drehwinkelsensor zugreifen.
Ab dem Zeitpunkt t₅ wird die elektrische Maschine als Generator betrieben und erzeugt elektrische Energie, die in das Bordnetz des Kraftfahrzeugs eingespeist wird.
3 zeigt ein Zustandsübergangsdiagramm eines Verfahrens 55, das vom Steuerelement 41 ausgeführt wird. Knoten 57 des Zustandsübergangsdiagramms entsprechen unterschiedlichen Zuständen des Verfahrens 55, die beim Betrieb des Steuerelements 41 auftreten können. Kanten (ohne Bezugszeichen) des Zustandsübergangsdiagramms sind mit Zuständen des Drehzustandssignal dr und des Steuersignals gs beschriftet, die zur entsprechenden Zustandsübergängen zwischen den Zuständen 57 führen.
Ein mit M0 bezeichneter Zustand 57 wird angenommen, wenn der Rotor 25 stillsteht oder sich ohne von der elektrischen Maschine 17 angetrieben zu werden rückwärts dreht. Wechselt in diesem Zustand M0 das Steuerbit von 0 auf 1, dann wird in einen Zustand MR gewechselt, bei dem der Stromrichter 31 die Statorwicklungen 29 so bestromt, dass die elektrische Maschine 17 ein Drehmoment in Rückwärtsrichtung erzeugt. Solange das Steuerbit gs den Wert 1 beibehält, wird auch der Zustand MR beibehalten. Wechselt das Steuerbit gs auf den Wert 0 zurück, dann wird wieder in den Zustand M0 zurückgekehrt. Befindet sich das Verfahren 55 im Zustand M0 und beginnt der Rotor 25 sich angetrieben von dem Verbrennungsmotor 13 in die Vorwärtsrichtung zu drehen, dann wird in einen Zustand G gewechselt, in welchem die elektrische Maschine 17 sich im Generatorbetrieb befindet. Wechselt in dem Zustand G das Steuerbit gs von 0 auf 1, dann nimmt das Verfahren 55 einen Zustand MF an, bei dem das Steuerelement 41 den Stromrichter 31 so ansteuert, dass er die Statorwicklungen 29 so bestromt, dass die elektrische Maschine 17 ein Drehmoment in Vorwärtsrichtung auf die Kurbelwelle 27 ausübt. Der Zustand MF wird solange beibehalten, bis das Steuerbit gs wieder auf den Wert 0 wechselt. Dann wird in den Zustand G zurückgekehrt. Kommt die Kurbelwelle 27 bzw. der Rotor 25 zum Stillstand, dann wird vom Zustand G zurück in den Zustand M0 gewechselt.
4 zeigt unter Anderem eine Endstufe 59 des Stromrichters 31. Die Endstufe 59 umfasst sechs Leistungsschalter 61, die zu einer B6-Brücke zusammengeschaltet sind, wobei die B6-Brücke zwischen der Versorgungsspannungsleitung 53 und der Masseleitung 37 angeordnet ist. Die B6-Brücke weist drei Paare von Leistungsschaltern 61 auf, wobei die Leistungsschalter 61 eines jeden Paars in Serie geschaltet sind und diese entsprechende Serienschaltung zwischen der Versorgungsspannungsleitung 53 und der Masseleitung 37 angeordnet ist. Ein Zweig, der zwei Leistungsschalter 61 eines Paars von Leistungsschalter 61 miteinander verbindet, ist jeweils mit einem Anschluss U, V, W der Dreiecksschaltung der Statorwicklungen 29 verbunden.
Die Anschlüsse U, V, W der Dreiecksschaltung der Statorwicklungen 29 sind außerdem an Eingänge eines ebenfalls als B6-Brücke ausgebildeten Gleichrichters 63 angeschlossen. Ausgänge des Gleichrichters 63 sind an die Versorgungsspannungsleitung 53 und an die Masseleitung 37 angeschlossen.
Ferner ist in 4 die Erregerschaltung 35 und die an ihr Erregerwicklung 33 dargestellt.
Befindet sich das Verfahren 55 in dem Zustand M0 oder G, bei dem die elektrische Maschine 17 sich im Generatorbetrieb befindet, steuert das Steuerelement 41 den Stromrichter 31 so an, dass keiner der Leistungsschalter 61 durchgeschaltet ist. Das heißt, der Stromrichter 31 erzeugt Steuersignale U_H, U_L, V_H, V_L, W_H und W_L derart, dass alle Leistungsschalter 61 gesperrt sind. Die Endstufe 59 des Stromrichters 31 ist somit deaktiviert.
Die Erregerschaltung 35 bestromt die Erregerwicklung 33, so dass bei einer Rotation des Rotors 25 an der Dreiecksschaltung der Statorwicklungen 29 Drehstrom erzeugt wird. Der Gleichrichter 63 richtet den Drehstrom gleich und speist ihn über die Versorgungsspannungsleitung 53 und die Masseleitung 37 in das Bordnetz ein.
Befindet sich das Verfahren in einem Zustand, bei dem sich die elektrische Maschine 17 im Motorbetrieb befindet (Zustände MR, MF), dann steuert der Stromrichter 31 die einzelnen Leistungsschalter 61 so an, dass die einzelnen Statorwicklungen 29 zyklisch nacheinander bestromt werden, so dass sie ein magnetisches Drehfeld erzeugen und die elektrische Maschine ein Drehmoment an der Kurbelwelle 27 erzeugt Hierbei legt der Stromrichter 31 in Abhängigkeit von der vom Steuerelement 41 vorgegebenen Drehrichtung des von der elektrischen Maschine 17 zu erzeugenden Drehmoments die Reihenfolge der Bestromung der einzelnen Statorwicklungen 29 fest. Bei dieser Art der Ansteuerung der Statorwicklungen 29 handelt es sich um eine Blockkommutierung, die in ähnlicher oder identischer Form auch bei bürstenlosen Gleichstrommaschinen Verwendung findet.
In 4 ist ein Strompfad hervorgehoben dargestellt, der sich ergibt, wenn die zwischen den Anschlüssen V und W angeordnete Statorwicklung 29 bestromt wird.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Leistungsschalter 61 als selbstsperrende p-Kanal-MOSFETS ausgebildet. Abweichend hiervon können auch n-Kanal-MOSFETS vorgesehen sein. Es kann sich auch um selbstleitende MOSFETS handeln. Anstelle der MOSFETS können auch bipolare Transistoren vorgesehen werden. Darüber hinaus können auch andere Arten von Schaltelementen, insbesondere Halbleiterschaltelemente, eingesetzt werden.
Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung eine besonders einfache Ansteuerung der elektrischen Maschine mittels des Steuersignals gs. Das Steuersignal gs braucht nur Informationen darüber zu umfassen, ob das Motorsteuergerät 16 einen Generatorbetrieb oder einen Motorbetrieb der elektrischen Maschine wünscht. Eine Drehrichtung eines von der elektrischen Maschine im Motorbetrieb erzeugten Drehmoments ermittelt die elektrische Maschine anhand des Drehzustands des Rotors 25. Folglich muss eine Information über die Drehrichtung des Drehmoments im Motorbetrieb nicht vom Motorsteuergerät 16 an die elektrische Maschine 17 explizit übermittelt werden.

Claims

Verfahren (55) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (11) mit einem Verbrennungsmotor (13) und einer elektrischen Maschine (16), die mit einer Welle (27) des Verbrennungsmotors (13) gekoppelt ist, wobei das Verfahren (55) umfasst: Empfangen von Steuerinformationen und Schalten der elektrischen Maschine (17) in einen Motorbetrieb (MR, MF) in Abhängigkeit von den Steuerinformationen, wobei die Steuerinformationen ein einziges Steuerbit (gs) umfassen und dass die elektrische Maschine (17) in den Motorbetrieb (MR, MF) geschaltet wird, wenn ein Wert des Steuerbits (gs) auf einen ersten vorbestimmten Binärwert wechselt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehrichtung (MR, MF) eines im Motorbetrieb von der elektrischen Maschine (16) erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von einem Betriebszustand (dr) der elektrischen Maschine (17) festgelegt wird, wenn das Steuerbit (gs) auf den ersten vorbestimmten Binärwert wechselt.
Verfahren (55) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Drehrichtung eine Vorwärtsrichtung festgelegt wird, wenn ein Rotor (25) der elektrischen Maschine (17) sich bereits in der Vorwärtsrichtung bewegt, wobei die Vorwärtsrichtung einer Drehrichtung des Rotors (25) bei laufendem Verbrennungsmotor (13) entspricht.
Verfahren (55) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Drehrichtung eine der Vorwärtsrichtung entgegengesetzte Rückwärtsrichtung festgelegt wird, wenn der Rotor (25) zum Umschaltzeitpunkt stillsteht.
Verfahren (55) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (17) in einem Generatorbetrieb (G) geschaltet wird, wenn der Wert des Steuerbits (gs) auf einen zweiten vorbestimmten Binärwert wechselt.
Verfahren (55) nach einem der vorhergehendes Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerbit (gs) über eine elektrische Leitung (45), eine optische Leitung oder Funk übertragen wird, die zwischen einem Steuerausgang (47) eines Motorsteuergeräts (17) der Brennkraftmaschine (11) und einem Steuereingang (43) der elektrischen Maschine (16) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (16) einer Brennkraftmaschine (11), die mit einerWelle (27) eines Verbrennungsmotors (13) der Brennkraftmaschine (11) koppelbar ist, wobei eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (21) derelektrischen Maschine zum Empfangen von Steuerinformationen undzum Schalten der elektrischen Maschine (16) in einen Motorbetrieb (MR, MF) in Abhängigkeit von den Steuerinformationen eingerichtet ist, wobei die Steuerinformationen ein einziges Steuerbit (gs) umfassen und die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (21) derart ausgebildet ist, dass die elektrische Maschine (16) in den Motorbetrieb (MR, MF) geschaltet wird, wenn ein Wert des Steuerbits (gs) auf einen ersten vorbestimmten Binärwert wechselt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (21) derart ausgebildet ist, dass eine Drehrichtung (MR, MF) eines im Motorbetrieb von der elektrischen Maschine (16) erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von einem Betriebszustand (dr) der elektrischen Maschine (17) festgelegt wird, wenn das Steuerbit (gs) auf den ersten vorbestimmten Binärwert wechselt.
Elektrische Maschine (16) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (21) einen Steuereingang (43) aufweist, der zum Anschluss einer elektrischen Leitung (45) zum Übertragen des Steuerbits (gs) von einem Steuerausgang eines Motorsteuergeräts (17) zum Steuern und/oder Regeln der Brennkraftmaschine (11) eingerichtet ist.
Elektrische Maschine (16) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (21) in die elektrische Maschine integriert ist, vorzugsweise in ein Gehäuse (23) der elektrischen Maschine (16) eingebaut oder an dem Gehäuse (23) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (16) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (21) zum Ausführen eines Verfahrens (55) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 eingerichtet ist.
Motorsteuergerät (17) zum Steuern und/oder Regeln einer Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (13) und einer elektrischen Maschine (16), die mit einer Welle (27) des Verbrennungsmotors (13) gekoppelt ist, wobei das Motorsteuergerät (17) zum Senden von Steuerinformationen zu einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (21) der elektrischen Maschine (16), um die elektrische Maschine (16) in einen Motorbetrieb (MR, MF) zu schalten, eingerichtet ist, wobei die Steuerinformationen ein einziges Steuerbit (gs) umfassen, sodass die elektrische Maschine (16) durch Setzen eines Werts des Steuerbits (gs) auf einen ersten vorbestimmten Binärwert in den Motorbetrieb (MR, MF) geschaltet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsteuergerät (17) so eingerichtet ist, dass eine Drehrichtung (MR, MF) eines im Motorbetrieb von der elektrischen Maschine (16) erzeugten Drehmoments in Abhängigkeit von einem Betriebszustand (dr) der elektrischen Maschine (17) festgelegt wird, wenn das Steuerbit (gs) auf den ersten vorbestimmten Binärwert wechselt.
Motorsteuergerät (71) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorsteuergerät (17) einen Steuerausgang (47) aufweist, der zum Anschluss einer elektrischen Leitung (45) zum Übertragen des Steuerbits (gs) an einen Steuereingang (43) der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (21) aufweist.