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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Generators eines Fahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner ein elektrisches System für ein Fahrzeug und ein Computerprogramm.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, Generatoren zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, zu verwenden. In der Regel werden dazu Klauenpolgeneratoren verwendet, welche in der Regel meist mit elektrischer Erregung entsprechend ausgestattet werden. Da Klauenpolgeneratoren einen Drehstrom, insbesondere einen dreiphasigen Drehstrom, erzeugen, ist für übliche Gleichspannungs-Bordnetze eines Fahrzeugs eine Gleichrichtung erforderlich. Bekannt ist es, Gleichrichter auf Basis von Halbleiterdioden, beispielsweise Zenerdioden, einzusetzen.
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Solche Klauenpolgeneratoren weisen insbesondere eine Erregerwicklung auf. Der Erregerstrom dient hierbei als eine Stellgröße zur Regelung einer gewünschten Spannung oder eines geforderten Drehmomentes. Nachteilig hieran ist aber, dass die Erregerwicklung typischerweise eine Zeitkonstante von größer als 100 ms aufweist, so dass schnelle Regelvorgänge nicht möglich sind.
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Ferner ist es bekannt, Generatoren zum Starten eines Verbrennungsmotors zu verwenden. Solche Generatoren werden auch als Startergeneratoren bezeichnet. In der Regel wird ein solcher Startergenerator aber nur bei sehr kleinen Drehzahlen motorisch betrieben, da das erzeugbare Drehmoment über die Drehzahl schnell abnimmt.
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Weiterhin ist es bekannt, im Bereich der Hybrid-Fahrzeuge Generatoren auch zu einem Fahrzeug-Antrieb einzusetzen. Ziel ist es hierbei, den Verbrennungsmotor bei niedrigen Drehzahlen, bei denen dieser noch nicht sein volles Drehmoment liefert, zu unterstützen. Eine solche Unterstützung kann auch als ein Boost-Betrieb oder als eine Turboloch-Kompensation bezeichnet werden. Außerdem kann durch aktives elektrisches Bremsen, beispielsweise mittels einer elektrischen Generatorbremse, die Bremsenergie des Fahrzeuges in ein elektrisches Bordnetz zurückgespeist werden. Dieser Vorgang ist auch unter dem Namen Rekuperation bekannt.
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Üblicherweise werden hierbei permanent erregte Synchronmaschinen verwendet, die bei Spannungen von größer als 100 V betrieben werden. Nachteilig hieran ist aber, dass dies zu einem komplexen Systemaufbau führt, was mit großen Änderungen im Triebstrang sowie mit aufwendigen Schutzmaßnahmen aufgrund der hohen Spannung verbunden ist.
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In bestimmten Fahrzeugsituationen kann es notwendig sein, dass beispielsweise ein Antiblockiersystem (ABS) aktiv werden muss. Hierbei regelt das Antiblockiersystem die zu bremsenden Räder, beispielsweise mittels einer Reibungsbremse, derart, dass sich die Räder an der Blockiergrenze befinden. Wenn das Fahrzeug vor dem Eingriff des Antiblockiersystems mittels der elektrischen Generatorbremse gebremst wurde, so kann es passieren, dass das mittels der Generatorbremse und mittels der Reibungsbremse erzeugte Gesamtbremsmoment größer wird als ein Haftreibungsmoment der Fahrzeugreifen. Als Folge kann die ABS-Regelung überbremst werden oder der Antrieb des Fahrzeugs kann ausgehen. Das kann zu einer gefährlichen Fahrzeugsituation führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Generators eines Fahrzeugs anzugeben und ein elektrisches System für ein Fahrzeug anzugeben, welche eine elektrische Rekuperation ermöglichen, wobei auf aufwendige Schutzmaßnahmen verzichtet werden und wobei ferner gefährliche Fahrzeugsituationen verhindert werden, so dass ein sicherer Betrieb des Fahrzeugs gegeben ist.
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Die Aufgabe wird mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Generators eines Fahrzeugs angegeben. Der elektrische Generator weist eine Ständer- und eine Erregerwicklung auf. Zunächst wird in einem ersten Schritt der elektrische Generator elektrisch erregt, indem Energie elektrisch rekuperiert wird. Beispielsweise kann die elektrische Rekuperation während einer Bremsung des Fahrzeugs durchgeführt werden. Hierbei wird aber die elektrische Rekuperation unterbrochen, wenn ein Fahrzeugsystem des Fahrzeugs aktiviert wird. Ferner wird hierbei auch der elektrische Generator elektrisch entregt.
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Nach einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung den Gedanken, ein elektrisches System für ein Fahrzeug bereitzustellen, wobei ein elektrischer Generator vorgesehen ist. Der elektrische Generator weist eine Ständer- und eine Erregerwicklung auf. Ferner ist ein Steuergerät vorgesehen, welches ausgebildet ist, den Generator in einen Rekuperationsbetrieb zu schalten, in welchem der Generator Energie elektrisch rekuperiert, wobei das Steuergerät ferner ausgebildet ist, den Rekuperationsbetrieb des Generators zu unterbrechen, wenn ein Fahrzeugsystem des Fahrzeugs aktiviert wird.
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Die Erfindung bietet hier insbesondere den Vorteil, dass eine schnelle Reaktion des Generators auf Eingriffe durch Fahrzeugsysteme, beispielsweise Fahrzeugassistenzsysteme wie beispielsweise ein Antiblockiersystem (ABS) oder ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) stattfinden kann. Es ist hierbei insofern ermöglicht, dass bei einer Bremsung in vorteilhafter Weise die mechanische Energie in elektrische Energie rekuperiert wird und somit nicht verloren geht. Wenn allerdings ein Fahrzeugsystem aktiviert wird, dann wird die elektrische Rekuperation unterbrochen und die elektrische Erregung des Generators abgebaut. Somit wird insbesondere in vorteilhafter Weise vermieden, dass ein Gesamtbremsmoment größer wird als ein Haftreibungsmoment der Fahrzeugreifen. Dadurch wird weiterhin in vorteilhafter Weise vermieden, dass die ABS-Regelung überbremst wird und/oder ein Antrieb des Fahrzeugs ausgeht. Hierdurch wird insofern eine Erhöhung einer Fahrsicherheit bewirkt.
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Vorzugsweise wird die rekuperierte Energie einem Bordnetz des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt. Es kann anstelle oder zusätzlich auch vorgesehen sein, dass die rekuperierte Energie in einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie und/oder einem Kondensator, gespeichert wird. Somit kann die rekuperierte Energie auch zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Entregen des Generators ein Entregen der Ständerwicklung. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine besonders schnelle Entregung des Generators erreicht werden. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Entregen des Generators ein Abschalten des Erregerstroms durch die Läuferwicklung, insbesondere wird ein feldschwächender Strom in die Ständerwicklung für die Zeitdauer, bis der Erregerstrom abgeklungen ist, eingeprägt. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine besonders schnelle Reduktion des Generatormoments erreicht werden. Vorzugsweise umfasst das Entregen der Ständerwicklung ein Regeln eines Kommutierungswinkels, insbesondere eines Vorkommutierungswinkels. Vorzugsweise umfasst das Einprägen des feldschwächenden Stroms in der Ständerwicklung ein Regeln eines Kommutierungswinkels, insbesondere eines Vorkommutierungswinkels. Hierdurch kann insbesondere in vorteilhafter Weise ein Entregungsvorgang besonders empfindlich und genau geregelt werden.
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Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst das Entregen des Generators ein Kurzschließen der Ständerwicklung. Somit wird in vorteilhafter Weise eine besonders einfache elektrische Entregung erreicht. Insbesondere wird keine zusätzliche Lagesensorik benötigt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Generator mit einer elektrischen Größe betrieben, welche größer ist als eine vorbestimmte Minimalgröße und/oder kleiner ist als eine vorbestimmte Maximalgröße. Bei der elektrischen Größe kann es sich insbesondere um einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung handeln. Insbesondere kann über den elektrischen Strom, welcher auch als ein Generatorstrom bezeichnet werden kann, und der elektrischen Spannung, welche auch als eine Generatorspannung bezeichnet werden kann, ein Bremsmoment des Generators eingestellt werden. Vorzugsweise wird der Generator bei einer Spannung oberhalb einer Bordnetzspannung betrieben, insbesondere bei einer Spannung von größer als 14 V. Vorzugsweise wird der Generator unterhalb einer maximal zulässigen Berührungsspannung betrieben, beispielsweise bei einer Spannung von kleiner als 60 V. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine besonders stabile und schnelle elektrische Entregung des Generators ermöglicht. Weiterhin kann in diesen Spannungsbereichen insbesondere auf aufwendige Schutzmaßnahmen insbesondere gegen Spannungsschläge verzichtet werden. Hierdurch werden beispielsweise auch Kosten und Gewicht eingespart.
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Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist der Generator ein Klauenpolgenerator, insbesondere ein riemengetriebener Klauenpolgenerator, oder ein Startergenerator. Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der Generator einen Entreger, welcher ausgebildet ist, den im Rekuperationsbetrieb elektrisch erregten Generator bei Unterbrechung des Rekuperationsbetriebs elektrisch zu entregen. Insbesondere umfasst der Entreger einen oder mehrere Transistoren, vorzugsweise Feldeffekttransistoren (FET), beispielsweise Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET). Somit wird insbesondere in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass eine Unterbrechung des Rekuperationsbetriebs und eine elektrische Entregung besonders schnell und kostengünstig durchgeführt werden kann. Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der Generator anstelle des Entregers oder zusätzlich zum Entreger eine aktive Brückenschaltung, welche ausgebildet ist, das im Rekuperationsbetrieb erzeugte Generatormoment bei Unterbrechung des Rekuperationsbetriebs durch Feldschwächung zu reduzieren. Insbesondere umfasst die aktive Brückenschaltung einen oder mehrere Transistoren, vorzugsweise Feldeffekttransistoren (FET), beispielsweise Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET). Somit wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass eine Unterbrechung des Rekuperationsbetriebs und eine Abschaltung und/oder Reduktion des Generatormomentes besonders schnell und kostengünstig durchgeführt werden kann. Vorzugsweise ist eine MOSFET-Brücke, welche insbesondere einen oder mehrere MOSFETs umfasst, vorgesehen, welche ausgebildet ist, beim Abschalten eines Erregerstroms einen feldschwächenden Strom in der Ständerwicklung einzustellen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen
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1 einen Graphen, welcher ein Bremsmoment eines Klauenpolgenerators in Abhängigkeit von einer Kurbelwellendrehzahl zeigt,
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2 ein elektrisches System für ein Fahrzeug,
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Generators eines Fahrzeugs,
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4 ein Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Generators eines Fahrzeugs,
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5 eine Systemvernetzung, des elektrischen Systems aus 2 mit weiteren Fahrzeugsystemen und
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6 eine Schaltung zur Schnellentregung.
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1 zeigt einen Graphen, welcher ein Bremsmoment eines Klauenpolgenerators in Abhängigkeit von einer Kurbelwellendrehzahl zeigt. Aufgetragen ist das Bremsmoment in Nm über die Kurbelwellendrehzahl in min–1. Der Klauenpolgenerator wurde mit einer Spannung von 42 V und bei einer Temperatur von 25°C betrieben. Es zeigt sich, dass insbesondere bei Kurbelwellendrehzahlen um die 1500 Umdrehungen/Minute ein mittels des Klauenpolgenerators erzeugtes Bremsmoment (60–70 Nm) deutlich größer sein kann als ein Haftreibmoment bei glatten Fahrbahnen. Falls in einer solchen Fahrsituation, das heißt, wenn das mittels des Klauenpolgenerators erzeugte Bremsmoment größer ist als das Haftreibmoment der Fahrzeugreifen, ein Fahrzeugsystem, beispielsweise ein Fahrzeugassistenzsystem wie ein Antiblockiersystem und/oder ein elektronisches Stabilitätsprogramm, aktiv wird, wird erfindungsgemäß der elektrische Bremsvorgang abgebrochen und der Klauenpolgenerator elektrisch entregt, so dass nur noch eine Bremsung über eine Reibungsbremse, welche mittels des Fahrzeugsystems gesteuert wird, durchgeführt wird.
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2 zeigt ein elektrisches System 201 für ein Fahrzeug (nicht gezeigt). Das elektrische System 201 umfasst einen elektrischen Generator 203, welcher der Übersicht halber nur teilweise schematisch gezeichnet ist. Der Generator 203 umfasst eine Ständerwicklung 205 und eine Erregerwicklung 207, welche auch als eine Feldwicklung bezeichnet werden kann. Der Generator 203 ist als ein Klauenpolgenerator ausgebildet mit einer aktiven Elektronik in der Ständerwicklung 205. In anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann der Generator 203 auch als ein riemengetriebener Klauenpolgenerator, insbesondere mit einer aktiven Elektronik im Ständer bzw. in einer Ständerwicklung, gebildet sein. Es kann vorzugsweise auch vorgesehen sein, dass der Generator 203 als ein Startergenerator ausgebildet ist.
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Ferner sind drei Highside-MOSFET 209a, 209b und 209c vorgesehen. Des Weiteren sind drei Lowside-MOSFET 211a, 211b und 211c gebildet. Die MOSFETs 209a, 209b, 209c, 211a, 211b und 211c sind über Stromschienen mit der Ständerwicklung 205 einerseits und mit Gleichspannungsanschlüssen 213a und 213b des Generators 203 verbunden. Die Gleichspannungsanschlüsse 213a und 213b des Generators 203 sind ihrerseits mit einer Batterie 215 verbunden, welche eine höhere Spannung, beispielsweise 40 V, aufweist als eine übliche Bordnetzspannung von 12 V. Über den Gleichspannungsanschluss 213b ist der Generator 203 ferner auf Masse gelegt.
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Die Gate-Anschlüsse der MOSFETs 209a, b, c und 211a, b, c sind mit einer Ansteuerlogik 217 verbunden, die durch Auswertung einer Rotorlage des Generators 203 die Ein- und Ausschaltzeitpunkte der einzelnen MOSFETs 209a, b, c und 211a, b, c bestimmt. Die Erregerwicklung bzw. Feldwicklung 207 wird durch einen Leistungsschalter 219 getaktet ein- und ausgeschaltet. Hierbei erfolgt die Ansteuerung des Leistungsschalters 219 durch einen Feldregler 221. Der Feldregler 221 ist ferner mit der Ansteuerlogik 217 verbunden, so dass der Feldregler 221 und die Ansteuerlogik 217 beispielsweise Steuersignale miteinander austauschen können.
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In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel bilden der Feldregler 221, die Ansteuerlogik 217 und der Leistungsschalter 219 ein Steuergerät, welches ausgebildet ist, den Generator in einen Rekuperationsbetrieb zu schalten, in welchem der Generator Energie elektrisch rekuperiert. Hierbei ist es mittels des Leistungsschalters 219, der Ansteuerlogik 217 und des Feldreglers 221 ferner ermöglicht, den Rekuperationsbetrieb des Generators zu unterbrechen, wenn ein Fahrzeugsystem, beispielsweise ein Antiblockiersystem oder ein elektronisches Stabilitätsprogramm, des Fahrzeugs aktiviert wird.
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Die MOSFETs 209a, b, c und 211a, b, c bilden in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Entreger. Mittels der MOSEFTs 209a, b, c und 211a, b, c ist es insbesondere ermöglicht, den im Rekuperationsbetrieb elektrisch erregten Generator bei Unterbrechung des Rekuperationsbetriebs elektrisch zu entregen. Beispielsweise können entweder die drei Highside-MOSFETs 209a, b, c oder die drei Lowside-MOSFETs 211a, b, c gleichzeitig eingeschaltet werden. Hierdurch wird insbesondere in vorteilhafter Weise ein Kurzschließen der Ständerwicklung 205 erreicht, wodurch eine schnelle Entregung des Generators 203 und damit einhergehend eine schnelle Reduzierung des elektrischen Bremsmomentes erreicht wird. Die MOSFETs 209a, b, c und 211a, b, c bilden insbesondere eine MOSFET-Brücke, welche ausgebildet ist, beim Abschalten eines Erregerstroms einen feldschwächenden Strom in der Ständerwicklung 205 einzustellen.
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3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben des Generators 203 aus 2. In einem ersten Schritt 301 wird eine Bremsverzögerungsanforderung eines Fahrers erfasst. Über eine geeignete Systemvernetzung (vgl. 5) wird in einem Schritt 303 geprüft, ob ein Fahrzeugsystem, beispielsweise ein Antiblockiersystem oder ein elektronisches Stabilitätsprogramm, im Eingriff ist. Wenn im Schritt 303 festgestellt wird, dass ein Fahrzeugsystem im Eingriff bzw. aktiviert ist, wird im Schritt 305 ein elektrisches Bremsen unterbunden und das Fahrzeug wird mittels einer Reibungsbremse gebremst. Wird im Schritt 303 festgestellt, dass ein Fahrzeugsystem des Fahrzeugs nicht aktiviert ist, wird das Fahrzeug im Schritt 307 mittels des Generators 203 generatorisch gebremst, so dass elektrische Energie während des Bremsvorgangs rekuperiert wird und der Generator 203 elektrisch erregt wird. Während des generatorischen Bremsvorgangs wird überwacht, ob ein Fahrzeugsystem eingreift, beispielsweise weil ein Bremsmoment des Generators 203 größer wird als ein Haftreibmoment einer Fahrbahn. Wenn das Fahrzeugsystem aktiviert wird, so werden im Schritt 309 die elektrische Rekuperation unterbrochen und der Generator 203 elektrisch entregt. Das Fahrzeug wird dann mittels der Reibungsbremse gebremst. Der Generator 203 kann beispielsweise über eine ständerseitige Feldschwächung und/oder über eine läuferseitige Feldschwächung, insbesondere in Form einer Schnellentregung, entregt werden. Vorzugsweise wird ein Kommutierungswinkel, insbesondere ein Vorkommutierungswinkel, des Generators 203 so eingestellt, dass der Generator 203 keinen Strom und insofern kein Bremsmoment mehr abgibt bzw. bereitstellt.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens. In einem Schritt 401 wird eine Bremsverzögerungsanforderung eines Fahrers erfasst. In einem Schritt 403 wird beispielsweise über eine geeignete Systemvernetzung (vgl. 5) geprüft, ob ein Antiblockiersystem und/oder ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) im Eingriff ist. Ist das Antiblockiersystem und/oder das ESP während eines elektrischen bzw. generatorischen Bremsvorgangs im Eingriff bzw. aktiviert, so wird beispielsweise in einem Schritt 405 der Erregerstrom abgeschaltet. Gleichzeitig wird über eine ständerseitige Feldschwächung das Generatormoment reduziert. Insbesondere wird hierbei der Kommutierungswinkel so eingestellt, dass der Generator 203 keinen Strom und damit auch kein Bremsmoment mehr abgibt bzw. bereitstellt. Diese ständerseitige Feldschwächung wird solange aufrecht erhalten, bis der Erregerstrom entsprechend seiner Zeitkonstante auf einen Wert nahe Null abgeklungen ist. Über diese Maßnahme kann der elektrische Bremsvorgang wesentlich schneller abgebrochen werden, als wenn insbesondere ausschließlich erregerseitig entregt wird, da die Ständerzeitkonstante in der Regel kleiner ist als die Erregerzeitkonstanten. Falls im Schritt 403 festgestellt wird, dass kein Antiblockiersystem im Eingriff ist, wird im Schritt 407 mittels des Generators 203 elektrisch bzw. generatorisch gebremst.
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5 zeigt schematisch eine Systemvernetzung des Systems 201 mit einem Antiblockiersystem 501 und mit einem elektronischen Stabilitätsprogramm 503. Insbesondere können die Systeme 201, 501 und 503 über einen Feldbus 505 untereinander und/oder über weitere Elektroniken wie beispielsweise Gateways (nicht gezeigt) verbunden werden.
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6 zeigt einen Entreger 601 bzw. eine Schaltung zur Schnellentregung, welcher bzw. welche insbesondere mit der Erregerwicklung 207 elektrisch verbunden werden kann zwecks Reduzierung des Erregerstroms, wodurch der elektrische Generator 203 elektrisch entregt wird. Der Entreger 601 ist in Form einer H-Brücke aufgebaut, umfassend zwei Schalter 603a und 603b und zwei Dioden 605a und 605b. Bevorzugterweise sind die Schalter 603a und 603b Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, beispielsweise MOSFET. Über die beiden Schalter 603a und 603b ist der Entreger 601 mit einer Batterie 607 verbunden. Bei der Batterie 607 kann es sich beispielsweise auch um die Batterie 615 aus 2 handeln. Die Ansteuerung der Schalter 603a und 603b kann beispielsweise mittels des Steuergeräts aus 2 erfolgen.
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Zusammenfassend werden ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Generators eines Fahrzeugs und ein elektrisches System für ein Fahrzeug bereitgestellt, welche in vorteilhafter Weise erlauben, dass mechanische Energie elektrisch rekuperiert wird, wodurch das Fahrzeug besonders energieeffizient betrieben werden kann, ohne dass hierbei auf eine Fahrsicherheit verzichtet werden muss, da erfindungsgemäß die elektrische Rekuperation unterbrochen und der elektrische Generator elektrisch entregt werden, wenn das Fahrzeugsystem des Fahrzeugs aktiviert wird.
