DE102011078958B4 - Method for operating an electric machine coupled to an internal combustion engine in a motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine (100; 201) in einem Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Maschine eine Ständerwicklung (11), eine Läuferwicklung (12), einen der Läuferwicklung (12) zugeordneten Feldregler (15) und eine der Ständerwicklung (11) nachgeschaltete Stromrichterkomponente (20) mit ansteuerbaren Schaltelementen (21) aufweist,wobei ein Erregerstrom durch die Läuferwicklung (12) abhängig vom momentanen Betriebsmodus der elektrischen Maschine vorgegeben wird, wobei die elektrische Maschine (100; 201) in einem ersten Generatorbetriebsmodus (Mod 6) als Generator betrieben wird, um das Kraftfahrzeug abzubremsen, wobei eine dabei rückgewonnene Bremsenergie gespeichert wird,wobei in einem zweiten Generatorbetriebsmodus (Mod 3) bei einer Drehzahl der elektrischen Maschine (100; 201) unterhalb eines Drehzahlschwellenwerts der Erregerstrom in Abhängigkeit vom Ladezustand einer zu ladenden Batterie (202, 205) so vorgegeben wird, dass die Batterie nicht über einen ersten Ladeschwellenwert hinaus aufgeladen wird,wobei in einem dritten Generatorbetriebsmodus (Mod 4) bei der Drehzahl der elektrischen Maschine (100; 201) oberhalb des Drehzahlschwellenwerts der Erregerstrom in Abhängigkeit vom Ladezustand der zu ladenden Batterie (202, 205) so vorgegeben wird, dass die Batterie nicht über einen zweiten Ladeschwellenwert hinaus aufgeladen wird.Method for operating an electrical machine (100; 201) coupled to an internal combustion engine in a motor vehicle, wherein the electrical machine has a stator winding (11), a rotor winding (12), a field controller (15) associated with the rotor winding (12) and a converter component (20) connected downstream of the stator winding (11) with controllable switching elements (21), wherein an excitation current through the rotor winding (12) is predetermined depending on the current operating mode of the electrical machine, wherein the electrical machine (100; 201) is operated as a generator in a first generator operating mode (Mod 6) in order to brake the motor vehicle, wherein a braking energy recovered in the process is stored, wherein in a second generator operating mode (Mod 3) at a speed of the electrical machine (100; 201) below a speed threshold value, the excitation current is predetermined depending on the state of charge of a battery (202, 205) to be charged such that the battery does not exceed a first charging threshold value, wherein in a third generator operating mode (Mod 4) at the speed of the electric machine (100; 201) above the speed threshold value, the excitation current is predetermined depending on the state of charge of the battery to be charged (202, 205) such that the battery is not charged beyond a second charging threshold value.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug.The present invention relates to a method for operating an electrical machine coupled to an internal combustion engine in a motor vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Als elektrische Maschinen werden in Kraftfahrzeugen häufig Klauenpolgeneratoren mit elektrischer Erregung eingesetzt. Der Strom durch die Läuferwicklung dient als Stellgröße zur Regelung der gewünschten Ausgangsspannung und wird von einem zugeordneten Feldregler vorgegeben. Die Regelung verhindert beispielsweise, dass durch die sehr unterschiedlichen Motordrehzahlen von dem Generator stark schwankende Spannungswerte geliefert würden, die gegebenenfalls die nachgeordnete Elektrik beschädigen könnten.Claw pole generators with electrical excitation are often used as electrical machines in motor vehicles. The current through the rotor winding serves as a control variable for regulating the desired output voltage and is specified by an associated field controller. The control prevents, for example, the very different engine speeds from causing the generator to deliver strongly fluctuating voltage values, which could potentially damage the downstream electrical system.

Es ist auch bekannt, elektrische Maschinen als Startergeneratoren einzusetzen, um einerseits den Verbrennungsmotor im Motorbetrieb der elektrischen Maschine zu starten („anzulassen“) und andererseits Strom für das Bordnetz und zum Laden der Kraftfahrzeugbatterie im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine zu erzeugen.It is also known to use electric machines as starter generators, on the one hand to start (“crank”) the internal combustion engine in the motor mode of the electric machine and on the other hand to generate power for the on-board electrical system and to charge the vehicle battery in the generator mode of the electric machine.

Elektrische Maschinen, die auch zum Fahrzeug-Antrieb eingesetzt werden, sind aus dem Bereich der Hybrid-Fahrzeuge bekannt. Ein Ziel hierbei ist, den Verbrennungsmotor bei niedrigen Drehzahlen, bei denen dieser noch nicht sein volles Drehmoment liefert, zu unterstützen (sog. Boostbetrieb, Turboloch-Kompensation). Mit dem Begriff „Rekuperationssystem“ werden Systeme bezeichnet, bei denen eine elektrische Maschine als Generator mit möglichst gro-ßem Drehmoment betrieben wird, um das Fahrzeug abzubremsen und die dabei rückgewonnene Bremsenergie zwischenzuspeichern. Üblicherweise werden für diese Zwecke permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt, die bei höheren Spannungen (üblicherweise >100V) betrieben werden. Dies führt zu einem komplexen Systemaufbau verbunden mit großen Änderungen im Triebstrang sowie aufwendigen Schutzmaßnahmen aufgrund der hohen Spannung. Neben einem hohen Integrationsaufwand führt ein derartiges System zu hohen Mehrkosten.Electric machines that are also used to drive vehicles are known from the field of hybrid vehicles. One aim here is to support the combustion engine at low speeds, at which it does not yet deliver its full torque (so-called boost mode, turbo lag compensation). The term "recuperation system" refers to systems in which an electric machine is operated as a generator with the highest possible torque in order to brake the vehicle and temporarily store the recovered braking energy. Permanently excited synchronous machines are usually used for this purpose, which are operated at higher voltages (usually >100V). This leads to a complex system structure combined with major changes in the drive train and complex protective measures due to the high voltage. In addition to a high level of integration effort, such a system leads to high additional costs.

Die DE 44 30 670 A1 zeigt eine Steuervorrichtung für einen elektrischen Generator/Motor, die eine Überladung und einen unzureichenden Ladungszustand einer elektrischen Leistungsspeichereinrichtung verhindern kann. Eine Steuereinrichtung steuert den elektrischen Generator/Motor in der elektrischen Generatorbetriebsart, wenn ein Gesamtwert der rückspeicherbaren elektrischen Energie, die auf der Basis des Fahrzeugzustands berechnet wird, und eines momentanen Ladungszustands der elektrischen Speichereinrichtung kleiner als ein bestimmter Referenz-Ladungszustand ist. Die Steuereinrichtung führt die Motorbetriebsart des Generators/Motors, d.h. das Anlegen von Drehmoment, innerhalb eines Bereichs durch, in dem der Ladungszustand der elektrischen Speichereinrichtung nicht unterhalb eines bestimmten Minimal-Ladungszustands fällt, der zum Ansteuern der Fahrzeug-Hilfseinrichtungen benötigt wird. Die Steuereinrichtung bewirkt eine Motorbetriebsart des elektrischen Generators/Motors mit sich kontinuierlich ändernder rückspeicherbarer elektrischer Energie, die in einer positiven Korrelation zu einem effektiven Betätigungsmaß eines Bremspedals steht. Die Steuereinrichtung führt das Anlegen des Drehmoments durch, wenn ein Gesamtwert der rückspeicherbaren elektrischen Energie größer als ein bestimmter Minimal-Ladungszustandswert ist.The DE 44 30 670 A1 shows a control device for an electric generator/motor that can prevent overcharging and insufficient charge state of an electric power storage device. A control device controls the electric generator/motor in the electric generator mode when a total value of the reclaimable electric energy calculated on the basis of the vehicle state and a current charge state of the electric storage device is less than a certain reference charge state. The control device carries out the motor mode of the generator/motor, ie the application of torque, within a range in which the charge state of the electric storage device does not fall below a certain minimum charge state required to control the vehicle auxiliary devices. The control device effects a motor mode of the electric generator/motor with continuously changing reclaimable electric energy that is in a positive correlation with an effective amount of operation of a brake pedal. The control device carries out the application of torque when a total value of the reclaimable electric energy is greater than a certain minimum charge state value.

Die DE 60 2004 012 838 T2 zeigt eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Verbrennungssteuereinheit, die den Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine bei einem Stoppen der Brennkraftmaschine steuert, einer Trägheitsenergie-Steuereinheit, die zu einem vorgegebenen Zeitpunkt einen vorgegebenen Zustand der Massenträgheitsenergie der Brennkraftmaschine einsteuert, und einer Stopp-Steuereinheit, die die Brennkraftmaschine unter Verwendung der Massenträgheitsenergie in einer vorgegebenen Kurbelwinkelstellung stoppt, wobei die Trägheitsenergie-Steuereinheit die Drehzahl der Brennkraftmaschine derart steuert, dass sie in einem Bereich einer vorgegebenen Maschinendrehzahl liegt, und die Massenträgheitsenergie durch einen zum Antrieb der Brennkraftmaschine vorgesehenen Motor steuert.The EN 60 2004 012 838 T2 shows a control device for an internal combustion engine with a combustion control unit that controls the combustion process in the internal combustion engine when the internal combustion engine is stopped, an inertia energy control unit that controls a predetermined state of the mass inertia energy of the internal combustion engine at a predetermined time, and a stop control unit that stops the internal combustion engine using the mass inertia energy in a predetermined crank angle position, wherein the inertia energy control unit controls the speed of the internal combustion engine such that it lies in a range of a predetermined engine speed, and controls the mass inertia energy by a motor provided for driving the internal combustion engine.

Die AT 009 756 U1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Hybridantriebs eines Kraftfahrzeuges mit den Komponenten: Verbrennungskraftmaschine, Schaltgetriebe, mindestens eine elektrische Maschine, mindestens eine Kupplung und einen Energiespeicher, und mindestens eine angetriebene Achse, wobei ein maximaler Wirkungsgrad und Lebensdauer der Komponenten erreicht werden sollen. Dazu wird ausgehend von Fahrerwunsch und Betriebszustand entschieden, welche Betriebsmodi möglich sind, für die möglichen Betriebsmodi entschieden, welche Getriebegänge in Frage kommen, sodass eine größere Anzahl von Modi zur Auswahl steht. Für alle diese Modi werden dem Fahrerwunsch entsprechende Arbeitspunkte unter Berücksichtigung von Betriebszustand und Systemzustand ermittelt, die Modi bewertet und der am günstigsten bewertete Modus ausgewählt.The AT 009 756 U1 relates to a method and a device for controlling the hybrid drive of a motor vehicle with the components: internal combustion engine, manual transmission, at least one electric machine, at least one clutch and an energy storage device, and at least one driven axle, whereby maximum efficiency and service life of the components are to be achieved. To this end, based on the driver's wishes and operating state, a decision is made as to which operating modes are possible, and for the possible operating modes, a decision is made as to which transmission gears are possible, so that a larger number of modes are available to choose from. For all of these modes, operating points corresponding to the driver's wishes are determined taking into account the operating state and system state, the modes are evaluated, and the most favorable mode is selected.

Die DE 699 22 221 T2 zeigt ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln der Betätigung bzw. des Betriebs eines Hybridfahrzeugs, das in einer Mehrzahl von unterschiedlichen Arten bzw. Modi betreibbar bzw. betätigbar ist, wobei das Fahrzeug eine Verbrennungskraftmaschine zum Bereitstellen eines Drehmoments bis zu einer maximalen Drehmomentausgabe, eine Kupplungsvorrichtung zum selektiven Kuppeln oder Entkuppeln der Verbrennungskraftmaschine zu oder von den Rädern des Fahrzeugs, einen ersten Elektromotor, der als ein Generator betätigbar bzw. betreibbar ist und an die Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist, einen zweiten Elektromotor, der an Räder des Fahrzeugs gekoppelt ist, eine Batteriebank, um elektrische Energie von dem ersten Elektromotor zu akzeptieren und elektrische Energie dem zweiten Elektromotor zur Verfügung zu stellen, und eine Steuer- bzw. Regeleinheit zum Steuern bzw. Regeln der Tätigkeit bzw. des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine, des ersten und zweiten Elektromotors, der Kupplungsvorrichtung und des Flusses von elektrischer Energie zwischen den Elektromotoren und der Batteriebank aufweist, wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Arten zum Betätigen des Hybridfahrzeugs umfasst, wobei die Arten von Betriebs- bzw. Betätigungsparametern des Fahrzeugs und dem Betätigungsstatus von wenigstens einem Betätigungsglied abhängen, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu bestimmen: einen Autobahnfahrmodus bzw. Autobahncruisingmodus, in welchen eingetreten wird, wenn das Drehmoment, das durch das Fahrzeug gefordert wird, unter der maximalen Drehmomentausgabe der Verbrennungskraftmaschine ist und wobei die Verbrennungskraftmaschine mit den Rädern gekoppelt ist und das Fahrzeug durch das Drehmoment angetrieben wird, das durch diese Maschine zur Verfügung gestellt wird; und einen Beschleunigungsmodus, in welchen wenigstens eingetreten wird, wenn das Drehmoment, das durch das Fahrzeug gefordert wird, über der maximalen Drehmomentausgabe der Verbrennungskraftmaschine ist und wobei der zweite Elektromotor Drehmoment liefert, um das Fahrzeug anzutreiben. Es wird in einen Niedriggeschwindigkeitsmodus eingetreten, wenn das vom Fahrzeug benötigte Drehmoment unter einem festgelegten bzw. Einstellungspunkt ist, der als ein vorbestimmter Prozentsatz der maximalen Drehmomentausgabe vorbestimmt wird, wobei die Verbrennungskraftmaschine von den Rädern entkoppelt wird und die Maschine bzw. der Motor abgeschaltet wird und das Fahrzeug nur durch den zweiten Elektromotor angetrieben wird; es wird in einen Niedriggeschwindigkeits-Batterielademodus eingetreten, während das Hybridfahrzeug in dem Niedriglastmodus betrieben wird und der Zustand der Batteriebank sich unter einem vorbestimmten Niveau befindet, wobei die Verbrennungskraftmaschine den ersten Elektromotor antreibt, welcher elektrische Energie zu der Batteriebank zuführt; es wird in den Autobahnfahrmodus eingetreten, wenn das vom Fahrzeug benötigte Drehmoment über dem festgelegten Punkt liegt; und es wird in dem Beschleunigungsmodus die Verbrennungskraftmaschine mit den Rädern gekoppelt, so dass ihre maximale Drehmomentausgabe das Fahrzeug gemeinsam mit dem Drehmoment antreibt, das durch den zweiten Elektromotor zur Verfügung gestellt wird.The EN 699 22 221 T2 shows a method for controlling the operation of a hybrid vehicle which is in a more number of different modes, the vehicle having an internal combustion engine for providing torque up to a maximum torque output, a clutch device for selectively coupling or decoupling the internal combustion engine to or from the wheels of the vehicle, a first electric motor operable as a generator and coupled to the internal combustion engine, a second electric motor coupled to wheels of the vehicle, a battery bank for accepting electrical energy from the first electric motor and providing electrical energy to the second electric motor, and a control unit for controlling the operation of the internal combustion engine, the first and second electric motors, the clutch device and the flow of electrical energy between the electric motors and the battery bank, the method comprising at least the following modes for operating the hybrid vehicle, the modes depending on operating parameters of the vehicle and the actuation status of at least one actuator to control the speed of the vehicle: a highway cruising mode which is entered when the torque required by the vehicle is below the maximum torque output of the internal combustion engine and wherein the internal combustion engine is coupled to the wheels and the vehicle is propelled by the torque provided by that engine; and an acceleration mode which is entered at least when the torque required by the vehicle is above the maximum torque output of the internal combustion engine and wherein the second electric motor provides torque to propel the vehicle. A low speed mode is entered when the torque required by the vehicle is below a set point predetermined as a predetermined percentage of the maximum torque output wherein the internal combustion engine is decoupled from the wheels and the engine is turned off and the vehicle is propelled only by the second electric motor; entering a low speed battery charging mode while the hybrid vehicle is operating in the low load mode and the condition of the battery bank is below a predetermined level, the internal combustion engine driving the first electric motor which supplies electrical energy to the battery bank; entering the highway driving mode when the torque required by the vehicle is above the predetermined point; and coupling the internal combustion engine to the wheels in the acceleration mode so that its maximum torque output drives the vehicle together with the torque provided by the second electric motor.

Die DE 10 2010 029 299 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Systems für ein Kraftfahrzeug, wobei das System eine Steuerung, ein Hochspannungsbordnetz, ein Niederspannungsbordnetz, einen DC/DC-Wandler, der das Hochspannungsbordnetz und das Niederspannungsbordnetz verbindet, und eine elektrische Maschine, insbesondere einen Starter- oder Motorgenerator, umfasst. Um das System effizienter und mit einer höhere Funktionalität einsetzbar weiterzubilden, wird ein Betriebsmodus des Systems abhängig von Betriebsanforderungen, insbesondere eines Betriebszustands des Kraftfahrzeugs, variiert. The EN 10 2010 029 299 A1 shows a method for operating a system for a motor vehicle, the system comprising a controller, a high-voltage on-board network, a low-voltage on-board network, a DC/DC converter that connects the high-voltage on-board network and the low-voltage on-board network, and an electrical machine, in particular a starter or motor generator. In order to make the system more efficient and usable with greater functionality, an operating mode of the system is varied depending on operating requirements, in particular an operating state of the motor vehicle.

Davon ausgehend stellt sich die Aufgabe, einen Hybrid- und/oder Rekuperationsbetrieb auch mit herkömmlichen elektrischen Maschinen wirtschaftlich möglich zu machen.Based on this, the task is to make hybrid and/or recuperation operation economically possible even with conventional electric machines.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.This object is achieved by a method for operating an electrical machine coupled to an internal combustion engine in a motor vehicle with the features of patent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the subclaims and the following description.

Vorteile ErfindungAdvantages Invention

Die Erfindung macht es möglich, eine herkömmliche elektrische Maschine (bspw. einen Klauenpolgenerator oder riemengetriebenen Startergenerater etc.) auch für Hybrid- und/oder Rekuperationszwecke einsatzfähig zu machen, indem eine besondere Art der Erregerstromvorgabe bereitgestellt wird. Insbesondere wird der Erregerstrom in Abhängigkeit vom Betriebsmodus der elektrischen Maschine unterschiedlich bereitgestellt, wobei insbesondere mehrere Generatorbetriebsmodi und/oder mehrere Motorbetriebsmodi unterschieden werden. Der Erregerstrom wird dabei so eingestellt, dass er für den jeweiligen Betriebsmodus möglichst optimal ist. Insbesondere ist die Erregerstromvorgabe nicht für alle Betriebsmodi gleich. Der Erregerstrom wird somit in wenigstens zwei Betriebsmodi gemäß jeweils einer anderen Vorschrift bereitgestellt, bspw. in dem ersten Generatorbetriebsmodus in Abhängigkeit von einem erwünschten Bremsmoment und in einem anderen Betriebsmodus in Abhängigkeit von der erwünschten Generatorspannung.The invention makes it possible to make a conventional electrical machine (e.g. a claw pole generator or belt-driven starter generator, etc.) usable for hybrid and/or recuperation purposes by providing a special type of excitation current specification. In particular, the excitation current is provided differently depending on the operating mode of the electrical machine, with a distinction being made in particular between several generator operating modes and/or several motor operating modes. The excitation current is set so that it is as optimal as possible for the respective operating mode. In particular, the excitation current specification is not the same for all operating modes. The excitation current is thus provided in at least two operating modes in accordance with a different rule, for example in the first generator operating mode depending on a desired braking torque and in another operating mode depending on the desired generator voltage.

Durch den Einsatz herkömmlicher elektrischer Maschinen sind fast keine Modifikationen am Antriebsstrang notwendig. Der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine kann erhöht werden. Erfolgt die Vorgabe als Regelung, kann der gewünschte Erregerstrom („lErr“) besonders genau beibehalten werden.By using conventional electrical machines, almost no modifications to the drive train are necessary. The efficiency of the electrical machine can be increased. If the specification is made as a control, the desired excitation current ("lErr") can be maintained particularly precisely.

Als Betriebsmodus kann zunächst grob zwischen einem Motorbetrieb und einem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine unterschieden werden. Daneben kann auch der Aus-Betrieb, in dem der Erregerstrom abgeschaltet ist, berücksichtigt werden.As an operating mode, a rough distinction can be made between motor operation and generator operation of the electrical machine. In addition, the off mode, in which the excitation current is switched off, can also be taken into account.

Ein Motorbetrieb umfasst zweckmäßigerweise einen Startvorgang („Anlassen“), einen Start/Stopp-Betrieb und/oder einen elektrisch unterstützten Fahrbetrieb (sog. Boostmodus).Engine operation conveniently includes a starting process (“cranking”), a start/stop operation and/or an electrically assisted driving operation (so-called boost mode).

Die Art des Generatorbetriebs wird im Wesentlichen durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente der Stromrichterkomponente gesteuert. Der Generatorbetrieb umfasst zweckmäßigerweise den Betrieb als Hochsetzsteller (HSS) mit Laden der Batterie, als Aktiver Gleichrichter (AGLR; hierbei werden die Schaltelemente im natürlichen Kommutierungszeitpunkt geschaltet, es ergibt sich ein ähnliches Verhalten wie beim konventionellen Dioden-Gleichrichter) mit Laden der Batterie, AGLR mit elektrischem Nullmoment und/oder AGLR mit elektrischem Bremsen.The type of generator operation is essentially controlled by appropriate control of the switching elements of the power converter component. Generator operation conveniently includes operation as a boost converter (HSS) with charging of the battery, as an active rectifier (AGLR; here the switching elements are switched at the natural commutation time, resulting in a similar behavior to that of a conventional diode rectifier) with charging of the battery, AGLR with electrical zero torque and/or AGLR with electrical braking.

Die Vorgabe des Erregerstroms erfolgt in einer Ausgestaltung vorzugsweise in Abhängigkeit von der I-U-Charakteristik der Kraftfahrzeugbatterie. Hierbei wird die Batterie zunächst mit einem definierten Sollstrom und anschließend mit einer definierten Sollspannung geladen. Die Vorgabe des Erregerstroms (IErr) erfolgt ebenso vorzugsweise in Abhängigkeit von Drehzahl (nG) und gefordertem Drehmoment (MWunsch). Sie kann von weiteren Größen abhängen, wie z.B. Temperatur (T), Ständerspannung (UG) und/oder Ständerstrom (IG). Die Vorgabe des Erregerstroms erfolgt ebenso vorzugsweise in Abhängigkeit von Verbraucherspannungen und -strömen, die in das Bordnetz abgegeben werden.In one embodiment, the excitation current is preferably specified as a function of the I-U characteristics of the motor vehicle battery. The battery is first charged with a defined target current and then with a defined target voltage. The excitation current (IErr) is also preferably specified as a function of the speed (nG) and the required torque (MWunsch). It can depend on other variables, such as temperature (T), stator voltage (UG) and/or stator current (IG). The excitation current is also preferably specified as a function of consumer voltages and currents that are fed into the vehicle electrical system.

Bevorzugterweise erfolgt die Vorgabe des Erregerstroms in Abhängigkeit von einem oder mehreren der nachfolgend erläuterten Betriebsmodi. Die hier gewählte Drehzahlschwelle von 3.000 rpm (=U/min) ist rein beispielhaft und abhängig von der sog. Angehdrehzahl der elektrischen Maschine.Preferably, the excitation current is specified depending on one or more of the operating modes explained below. The speed threshold of 3,000 rpm (=rpm) selected here is purely exemplary and depends on the so-called starting speed of the electrical machine.

0. Modus (1. Motorbetriebsmodus): Verbrennungsmotor starten0. Mode (1. Engine operating mode): Start combustion engine

Der Erregerstrom wird hier zweckmäßigerweise auf seinen maximal zulässigen Wert (IErr_Grenz) eingestellt, um einen möglichst großen magnetischen Fluss zu erhalten, so dass die elektrische Maschine dem Verbrennungsmotor ein maximales Startmoment bei minimalem Phasenstrom zur Verfügung stellt. Es wird der maximale Phasenstrom (IPhase_Max) geregelt.The excitation current is set to its maximum permissible value (IErr_Grenz) in order to obtain the greatest possible magnetic flux so that the electric machine provides the combustion engine with maximum starting torque at minimum phase current. The maximum phase current (IPhase_Max) is regulated.

1. Modus (1. Motorbetriebsmodus): Verbrennungsmotor starten (Start/Stopp)1. Mode (1st engine operating mode): Start combustion engine (start/stop)

Der Erregerstrom wird hier zweckmäßigerweise auf seinen maximal zulässigen Wert (IErr_Grenz) eingestellt, um einen möglichst großen magnetischen Fluss zu erhalten, so dass die elektrische Maschine dem Verbrennungsmotor ein maximales Startmoment bei minimalem Phasenstrom zur Verfügung stellt. Es wird der maximale Phasenstrom (IPhase_Max) geregelt. Im Start-/Stopp-Betrieb kann während der Stopp-Phase ein kleiner Erregerstrom gehalten werden. Die hat den Vorteil, dass der darauf folgende Motorstart verzögerungsfrei erfolgen kann.The excitation current is set to its maximum permissible value (IErr_Grenz) in order to obtain the greatest possible magnetic flux, so that the electric machine provides the combustion engine with maximum starting torque at minimum phase current. The maximum phase current (IPhase_Max) is regulated. In start/stop operation, a small excitation current can be maintained during the stop phase. This has the advantage that the subsequent engine start can take place without delay.

2. Modus (2. Motorbetriebsmodus): Momenten-Unterstützung des Verbrennungsmotors (Hybridbetrieb, Boostbetrieb)2nd mode (2nd engine operating mode): torque support of the combustion engine (hybrid operation, boost operation)

In diesem Betriebsmodus erfolgt die Regelung sowohl über den Ständer- als auch den Erregerstrom als Steuergrößen, um ein gewünschtes Sollmoment einzustellen. Der Ständerstrom wird wie in der Literatur bekannt im läuferfesten dq-Koordinatensystem beschrieben, so dass sich die drei Steuergrößen Id, Iq und IErr ergeben. Es wird der maximale Ständerstrom (IG_Max) geregelt. Bei höheren Drehzahlen erreicht die elektrische Maschine ihre Spannungsgrenze und wird in der Feldschwächung betrieben. Diese Feldschwächung lässt sich bei der vorliegenden fremderregten Maschine sowohl über die Ständerstromkomponenete Id (Vorkommutierungswinkel alpha =Verschiebungswinkel zwischen Läufer- und Ständerfeld) als auch über den Erregerstrom im Läufer einstellen. Die Feldschwächung wird dabei betriebspunktabhängig so gewählt, dass das gewünschte Sollmoment mit dem optimalen Wirkungsgrad eingestellt werden kann. Der Zusammenhang zwischen den Steuergrößen und dem gewünschten Sollmoment (MWunsch) wird vorzugsweise in Form eines Kennfeldes hinterlegt: ( Id ,  Iq ,  IErr ) = f ( MWunsch ,  Drehzahl ) .

Figure DE102011078958B4_0001
In this operating mode, control is carried out using both the stator and excitation current as control variables in order to set a desired target torque. As is known from the literature, the stator current is described in the rotor-fixed dq coordinate system, resulting in the three control variables Id, Iq and IErr. The maximum stator current (IG_Max) is controlled. At higher speeds, the electrical machine reaches its voltage limit and is operated in field weakening. In the case of the separately excited machine in question, this field weakening can be set both via the stator current component Id (pre-commutation angle alpha = displacement angle between rotor and stator field) and via the excitation current in the rotor. The field weakening is selected depending on the operating point so that the desired target torque can be set with the optimum efficiency. The relationship between the control variables and the desired target torque (Mdesired) is preferably stored in the form of a characteristic map: ( ID , Iq , IErr ) = e ( MWish , number of revolutions ) .
Figure DE102011078958B4_0001

Eine Abhängigkeit von der Temperatur (T) und/oder der Generatordrehzahl (nG) und/oder der Ständerspannung (UG) kann vorgesehen sein.A dependency on the temperature (T) and/or the generator speed (nG) and/or the stator voltage (UG) can be provided.

Um einen maximal zulässige Batteriestrom nicht zu überschreiten, können die Steuergrößen zusätzlich noch vom Batteriestrom abhängig sein.In order not to exceed the maximum permissible battery current, the control variables can also depend on the battery current.

3. Modus (2. Generatorbetriebsmodus): Generatorischer Betrieb unterhalb einer Drehzahlschwelle von bspw. 3000 U/min (rpm)3. Mode (2nd generator operating mode): Generator operation below a speed threshold of e.g. 3000 rpm

Da der Generator in diesem Drehzahlbereich bei konventioneller Gleichrichtung keine Leistung abgeben kann, wird die Stromrichterkomponente in diesem Betriebsmodus als Hochsetzsteller betrieben. Als Steuergrößen dienen wie im Modus 2 die Größen Id, Iq und IErr. Der Erregerstrom (IErr) wird dabei wie im Modus 1 vorzugsweise auf seinen maximal zulässigen Wert eingestellt, die Regelung erfolgt über Id und Iq. Es werden der maximale Phasenstrom (IPhase_Max), der Ständerstrom (IG) und die Ständerspannung (UG) geregelt.Since the generator cannot deliver any power in this speed range with conventional rectification, the converter component is operated as a boost converter in this operating mode. As in mode 2, the control variables are Id, Iq and IErr. As in mode 1, the excitation current (IErr) is preferably set to its maximum permissible value; control is carried out via Id and Iq. The maximum phase current (IPhase_Max), the stator current (IG) and the stator voltage (UG) are controlled.

In einer weiteren Ausführungsform können geringe Teillasten auch mit einem geringeren Erregerstrom angesteuert werden. Die Steuergrößen werden wiederum zweckmäßigerweise in Form eines Kennfeldes hinterlegt: ( Id ,  Iq ,  IErr ) = f ( MSoll ,  Drehzahl )

Figure DE102011078958B4_0002
In another embodiment, small partial loads can also be controlled with a lower excitation current. The control variables are again conveniently stored in the form of a characteristic map: ( ID , Iq , IErr ) = e ( MSoll , number of revolutions )
Figure DE102011078958B4_0002

Auch hier sollten eine maximale Ladespannung bzw. ein maximaler Ladestrom der Batterie nicht überschritten werden, so dass die Steuergrößen auch von diesen Batterieparametern abhängen können. Vorzugsweise erfolgt das Laden der Batterie nur bis zu einem ersten Ladeschwellenwert (state of charge - SOC).Here, too, a maximum charging voltage or a maximum charging current of the battery should not be exceeded, so that the control variables can also depend on these battery parameters. Preferably, the battery is only charged up to a first charging threshold value (state of charge - SOC).

4. Modus (3. Generatorbetriebsmodus): Generatorischer Betrieb oberhalb der Drehzahlschwelle von bspw. 3000 U/min4th mode (3rd generator operating mode): Generator operation above the speed threshold of e.g. 3000 rpm

In diesem Drehzahlbereich wird die Maschine mit aktiver Gleichrichtung (AGLR) betrieben. Steuergröße ist hier ausschließlich der Erregerstrom, da die Ansteuerung des Ständers über die natürliche Kommutierung vorgegeben ist. Eine Abhängigkeit von der Temperatur (T) und/oder der Generatordrehzahl (nG) und/oder dem Ständerstrom (IG) und/oder der Ständerspannung (UG) kann vorgesehen sein. Es werden Ständerstrom (IG) und Ständerspannung (UG) geregelt.In this speed range, the machine is operated with active rectification (AGLR). The control variable here is exclusively the excitation current, since the control of the stator is predetermined via natural commutation. A dependency on the temperature (T) and/or the generator speed (nG) and/or the stator current (IG) and/or the stator voltage (UG) can be provided. The stator current (IG) and stator voltage (UG) are regulated.

Um die Batterie nach einer bestimmten Kennlinie zu laden, ist es möglich, Batteriestrom und/oder Batteriespannung als Sollgrößen vorzugeben: IErr = f ( USoll ,  Drehzahl )  bzw .  IErr = f ( ISoll ,  Drehzahl )

Figure DE102011078958B4_0003
In order to charge the battery according to a specific characteristic curve, it is possible to specify battery current and/or battery voltage as target values: IErr = e ( USoll , number of revolutions ) or . IErr = e ( ISoll , number of revolutions )
Figure DE102011078958B4_0003

Vorzugsweise erfolgt das Laden der Batterie nur bis zu einem zweiten Ladeschwellenwert. Weiter vorzugsweise ist der zweite Ladeschwellenwert höher als der erste Ladeschwellenwert.Preferably, the battery is only charged up to a second charging threshold. Further preferably, the second charging threshold is higher than the first charging threshold.

5. Modus (4. Generatorbetriebsmodus): Leerlauf5. Mode (4th generator operating mode): Idle

In diesem Zustand wird kein Generatorstrom angefordert und der Erregerstrom wird so vorgegeben, dass der Ständerstrom Null ist. Dies ist insbesondere der Fall bei IErr = 0. Dieser Modus wird beispielsweise genutzt, um den Verbrennungsmotor beim Starten oder Beschleunigen vom Generatormoment zu entlasten oder nach einer Rekuperationsphase die rückgewonnene Energie an das Bordnetz abzugeben. Dieser Zustand wird zweckmäßigerweise beibehalten, bis ein dritter Ladeschwellenwert erreicht oder unterschritten wird.In this state, no generator current is requested and the excitation current is set so that the stator current is zero. This is particularly the case when IErr = 0. This mode is used, for example, to relieve the combustion engine of the generator torque when starting or accelerating or to supply the recovered energy to the vehicle electrical system after a recuperation phase. This state is expediently maintained until a third charging threshold is reached or undercut.

6. Modus (1. Generatorbetriebsmodus): Elektrisches Bremsen6. Mode (1st generator operating mode): Electric braking

Hierbei wird abhängig vom gewünschten Bremsmoment des Motormanagements der Erregerstrom so vorgegeben, dass die maximale Bremsenergie eingesammelt wird. Diese wird gespeichert, insbesondere zum Laden der Batterie verwendet. Dabei wird die Batterie bis zu einem oberen Ladeschwellenwert aufgeladen. Der einzustellende Erregerstrom ergibt sich dann über ein Kennfeld der Form: IErr = f (MSoll, Drehzahl). Eine Abhängigkeit von der Temperatur (T) und/oder der Generatordrehzahl (nG) und/oder dem Ständerstrom (IG) und/oder der Ständerspannung (UG) kann vorgesehen sein.Depending on the desired braking torque of the engine management, the excitation current is set so that the maximum braking energy is collected. This is stored and used in particular to charge the battery. The battery is charged up to an upper charging threshold. The excitation current to be set is then determined using a characteristic map of the form: IErr = f (MSoll, speed). A dependency on the temperature (T) and/or the generator speed (nG) and/or the stator current (IG) and/or the stator voltage (UG) can be provided.

Es werden Ständerstrom (IG) und Ständerspannung (UG) geregelt.Stator current (IG) and stator voltage (UG) are regulated.

7. Modus: „Motor Aus“7. Mode: “Engine Off”

Optional kann in diesem Betriebsmodus der Erregerstrom ausgeschaltet werden. Auch dieser Zustand wird zweckmäßigerweise nur beibehalten, solange der dritte oder ein vierter Ladeschwellenwert überschritten wird.Optionally, the excitation current can be switched off in this operating mode. This state is also only maintained as long as the third or fourth charging threshold is exceeded.

Eine bevorzugte Auswahl der in einem jeweiligen Betriebsmodus relevanten Parameter ist in der Tabelle in 4 zusammengefasst. In dieser sind die oben beschriebenen acht Betriebsmodi (Zeile „Modus“) aufgelistet.A preferred selection of the parameters relevant in a particular operating mode is shown in the table in 4 This lists the eight operating modes described above (row “Mode”).

In der Zeile „Anforderung“ ist aufgelistet, welches System den Modus anfordert und welche Bedingungen vorherrschen müssen. Werden unterschiedliche Modi angefordert, wird der Modus mit dem niedrigsten Zahlenwert im Feld „Priorität“ ausgewählt.The "Requirement" line lists which system is requesting the mode and which conditions must prevail. If different modes are requested, the mode with the lowest numerical value in the "Priority" field is selected.

Vom Motormanagement(system) wird die Regelung bzw. Steuerung des Fahrerwunschmoments bzgl. Antriebs- und Bremsmoment und die Koordination von Motorstillstandsanforderungen durchgeführt.The engine management system regulates or controls the driver's desired torque with regard to drive and braking torque and coordinates engine standstill requests.

Das Lademanagement(system) sorgt dafür, dass die Batterie über eine Ul-Charakteristik geladen wird (I-Charakteristik: konstantes Bremsmoment, konstanter Ladestrom U-Charakteristik: konstante Spannung). Darüber hinaus ist das Ziel, möglichst viel Bremsenergie einzusammeln und die Start/Stopp- und Segeln-Anforderungen bei genügend Restenergie zu ermöglichen. Dazu werden die Anforderung entsprechend Priorität und Ladezustand der Batterie über die einzelnen Betriebsmodi gesteuert.The charging management system ensures that the battery is charged using a Ul characteristic (I characteristic: constant braking torque, constant charging current U characteristic: constant voltage). In addition, the aim is to collect as much braking energy as possible and to enable the start/stop and sailing requests when there is enough remaining energy. To do this, the request is controlled according to the priority and charge level of the battery via the individual operating modes.

Wird die elektrische Maschine im motorischen Betrieb mit einer Spannung betrieben, die oberhalb der üblichen Bordnetzspannung von 12 V, jedoch unterhalb einer zulässigen Berührspannung von 60 V liegt, wird das von der Maschine abgegebene Drehmoment erhöht, ohne dass besonders aufwendige zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen notwendig würden. Dadurch, dass die Spannung deutlich höher ist als 12V, wird der zusätzliche (bei konventionellen Generatoren nicht vorgesehene) Modus 3 (Hochsetzsteller) verwendet. Dadurch, dass die Spannung deutlich geringer ist als bei bekannten Hybrid-Systemen, erreicht die Maschine bereits bei deutlich geringeren Drehzahlen ihre Spannungsgrenze und wird in Feldschwächung (Modus 2) betrieben.If the electric machine is operated in motor mode with a voltage that is above the usual on-board voltage of 12 V, but below a permissible contact voltage of 60 V, the torque delivered by the machine is increased without particularly complex additional safety measures being necessary. Because the voltage is significantly higher than 12 V, the additional mode 3 (boost converter) (not provided for in conventional generators) is used. Because the voltage is significantly lower than in known hybrid systems, the machine reaches its voltage limit at significantly lower speeds and is operated in field weakening (mode 2).

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, e.g. a control unit of a motor vehicle, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.

Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.Implementing the process in the form of software is also advantageous, as this is particularly cost-effective, particularly if an executing control unit is used for other tasks and is therefore already available. Suitable data storage devices for providing the computer program are in particular floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawings.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically in the drawing using an embodiment and is described in detail below with reference to the drawing.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

  • 1 zeigt eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einer Generatorkomponente und einer Stromrichterkomponente mit ansteuerbaren Schaltelementen, wie sie der Erfindung zugrunde liegen kann. 1 shows an embodiment of an electrical machine with a generator component and a power converter component with controllable switching elements, as can form the basis of the invention.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform eines Rekuperationssystems eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine, insbesondere gemäß 1. 2 shows an embodiment of a recuperation system of a motor vehicle with an electric machine, in particular according to 1 .
  • 3 zeigt einen Zusammenhang zwischen Betriebsmodus und Batterieladezustand gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 3 shows a relationship between operating mode and battery charge state according to a preferred embodiment of the invention.
  • 4 zeigt eine bevorzugte Auswahl der in einem jeweiligen Betriebsmodus relevanten Parameter für die oben beschriebenen acht Betriebsmodi. 4 shows a preferred selection of the parameters relevant in a particular operating mode for the eight operating modes described above.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment(s) of the invention

In 1 ist eine elektrische Maschine, wie sie der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann, schaltplanartig dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die elektrische Maschine weist eine Generatorkomponente 10 und eine Stromrichterkomponente 20 auf. Die Stromrichterkomponente wird im generatorischen Betrieb der Maschine üblicherweise als Gleichrichter, im motorischen Betrieb als Wechselrichter betrieben.In 1 is an electrical machine, such as the one on which the present invention is based, shown in circuit diagram form and designated overall by 100. The electrical machine has a generator component 10 and a converter component 20. The converter component is usually operated as a rectifier in generator operation of the machine, and as an inverter in motor operation.

Die Generatorkomponente 10 ist lediglich schematisch in Form von sternförmig verschalteten Ständerwicklungen 11 und einer zu einer Diode parallel geschalteten Erreger- bzw. Läuferwicklung 12 dargestellt. Die Läuferwicklung wird durch einen Leistungsschalter 13, der mit einem Anschluss 24 der Stromrichterkomponente 20 verbunden ist, getaktet geschaltet. Die Ansteuerung des Leistungsschalters 13 erfolgt nach Maßgabe eines Feldreglers 15, wobei der Leistungsschalter 13 ebenso wie die zur Läuferwicklung 12 parallel geschaltete Diode in der Regel in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) des Feldreglers integriert sind.The generator component 10 is only shown schematically in the form of star-connected stator windings 11 and an excitation or rotor winding 12 connected in parallel to a diode. The rotor winding is switched in a clocked manner by a power switch 13, which is connected to a connection 24 of the converter component 20. The power switch 13 is controlled in accordance with a field controller 15, whereby the power switch 13 as well as the diode connected in parallel to the rotor winding 12 are generally integrated in an application-specific integrated circuit (ASIC) of the field controller.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ist ein dreiphasiger Generator dargestellt. Im Prinzip ist die vorliegende Erfindung jedoch auch bei weniger- oder mehrphasigen Generatoren, beispielsweise fünfphasigen Generatoren einsetzbar.In the context of the present application, a three-phase generator is shown. In principle, however, the present invention can also be used with fewer or more phase generators, for example five-phase generators.

Die Stromrichterkomponente 20 ist hier als B6-Schaltung ausgeführt und weist Schaltelemente 21 auf, die beispielsweise als MOSFET 21 ausgeführt sein können. Die MOSFET 21 sind, beispielsweise über Stromschienen, mit den jeweiligen Ständerwicklungen 11 des Generators verbunden. Ferner sind die MOSFET mit Anschlüssen 24, 24' verbunden und stellen bei entsprechender Ansteuerung bei generatorischem Betrieb der elektrischen Maschine einen Gleichstrom für ein Bordnetz inkl. Batterie 30 eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung. Die Ansteuerung der Schaltelemente 21 erfolgt durch eine Ansteuereinrichtung 25 über Ansteuerkanäle 26, von denen aus Gründen der Übersicht nicht alle mit Bezugszeichen versehen sind. Die Ansteuereinrichtung 25 erhält über einen oder mehrere Phasenkanäle 27 jeweils die Phasenspannung der einzelnen Ständerwicklungen. Zur Bereitstellung dieser Phasenspannungen können weitere Einrichtungen vorgesehen sein, die jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.The converter component 20 is designed here as a B6 circuit and has switching elements 21, which can be designed as MOSFETs 21, for example. The MOSFETs 21 are connected to the respective stator windings 11 of the generator, for example via busbars. The MOSFETs are also connected to connections 24, 24' and, when appropriately controlled, provide a direct current for an on-board network including battery 30 of a motor vehicle when the electric machine is in generator operation. The The switching elements 21 are controlled by a control device 25 via control channels 26, of which not all are provided with reference symbols for reasons of clarity. The control device 25 receives the phase voltage of the individual stator windings via one or more phase channels 27. Additional devices can be provided to provide these phase voltages, but these are not shown for the sake of clarity.

Die Ansteuereinrichtung 25 nimmt im (Synchron-)Gleichrichterbetrieb eine Auswertung der über die Phasenkanäle 27 bereitgestellten Phasenspannungen vor und bestimmt hieraus einen jeweiligen Ein- und Ausschaltzeitpunkt eines einzelnen MOSFET 21. Die Steuerung über Ansteuerkanäle 26 wirkt sich auf die Gate-Anschlüsse der MOSFET 21 aus.In (synchronous) rectifier operation, the control device 25 evaluates the phase voltages provided via the phase channels 27 and uses this to determine the respective switch-on and switch-off times of an individual MOSFET 21. The control via control channels 26 affects the gate connections of the MOSFET 21.

Bekannte Feldregler, wie der im Rahmen dieser Ausführungsform vorgesehene Feldregler 15, weisen einen sogenannten Klemme-V-Anschluss 19 auf, der mit einer Phase der Ständerwicklung des Generators verbunden ist. Die Frequenz des Klemme-V-Signals bzw. des Phaseneingangssignals wird im Regler 15 ausgewertet und dient in Abhängigkeit von den Kenngrößen dieses Signals zur Aktivierung oder Deaktivierung des Reglerbetriebs und letztlich zur Ansteuerung des Leistungsschalters 13 über eine Ansteuerleitung 14. Das Phasensignal für den Phasensignaleingang 19 kann, wie dargestellt, auch durch die Ansteuereinrichtung 25 geführt werden.Known field controllers, such as the field controller 15 provided in this embodiment, have a so-called terminal V connection 19, which is connected to a phase of the stator winding of the generator. The frequency of the terminal V signal or the phase input signal is evaluated in the controller 15 and, depending on the characteristics of this signal, is used to activate or deactivate the controller operation and ultimately to control the circuit breaker 13 via a control line 14. The phase signal for the phase signal input 19 can, as shown, also be passed through the control device 25.

Im Motorbetrieb wird die elektrische Maschine 100 verwendet, um allein oder in Kombination mit einem Verbrennungsmotor das Kraftfahrzeug anzutreiben. Vorzugsweise wird als Spannungsversorgung eine Batterie verwendet, die eine höhere Spannung (z.B. 40 V) aufweist als die übliche Bordnetzspannung von 12 V. Im Generatorbetrieb wird die elektrische Maschine 100 verwendet, um Energie zu erzeugen und ggf. das Kraftfahrzeug abzubremsen.In engine mode, the electric machine 100 is used to drive the motor vehicle alone or in combination with an internal combustion engine. Preferably, a battery is used as the power supply, which has a higher voltage (e.g. 40 V) than the usual vehicle electrical system voltage of 12 V. In generator mode, the electric machine 100 is used to generate energy and, if necessary, to brake the motor vehicle.

In 2 ist ein Rekuperationssystem eines Kraftfahrzeugs, wie es der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann, schaltplanartig dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet. Das Rekuperationssystem 200 weist eine elektrische Maschine 201, insbesondere die elektrische Maschine 100 gemäß 1 auf.In 2 a recuperation system of a motor vehicle, as may be the basis of the present invention, is shown in circuit diagram form and designated overall by 200. The recuperation system 200 has an electric machine 201, in particular the electric machine 100 according to 1 on.

Das Rekuperationssystem 200 weist einen Bereich A mit höherer Spannung (z.B. 40 V) als die übliche Bordnetzspannung und einen Bereich B mit üblicher Bordnetzspannung (z.B. 12 V) auf. Die höhere Spannung liegt jedenfalls unter einer zulässigen Berührspannung (ca. 60 V), so dass keine aufwendigen Schutzmaßnahmen notwendig sind, die elektrische Maschine 201 jedoch ein erhöhtes Drehmoment abgeben kann. Die Bereiche A und B sind über einen DC/DC-Wandler 204 gekoppelt.The recuperation system 200 has a region A with a higher voltage (e.g. 40 V) than the usual vehicle electrical system voltage and a region B with the usual vehicle electrical system voltage (e.g. 12 V). The higher voltage is in any case below a permissible contact voltage (approx. 60 V), so that no complex protective measures are necessary, but the electric machine 201 can deliver an increased torque. The regions A and B are coupled via a DC/DC converter 204.

Im Bereich A ist eine erste als „Hochspannungs“-Batterie 202 ausgebildete Batterie angeordnet, die bspw. die Maschine 201 im Motorbetrieb versorgt. Mögliche Hochspannungsverbraucher 203 sind ebenfalls im Bereich A angeordnet.In area A, a first battery designed as a “high-voltage” battery 202 is arranged, which supplies the machine 201 during engine operation, for example. Possible high-voltage consumers 203 are also arranged in area A.

Im Bereich B ist eine zweite als „Normalspannungs“-Batterie 205 ausgebildete Batterie angeordnet, die zur Versorgung des Bereichs B in Phasen dient, in denen die Maschine 201 nicht als Generator betrieben wird. Mögliche Verbraucher 206, 207 sind ebenfalls im Bereich B angeordnet.In area B, a second battery designed as a “normal voltage” battery 205 is arranged, which serves to supply area B in phases in which the machine 201 is not operated as a generator. Possible consumers 206, 207 are also arranged in area B.

Im Generatorbetrieb versorgt die Maschine 201 die Bereiche A und B und lädt die Batterien 202 und 205.In generator mode, machine 201 supplies areas A and B and charges batteries 202 and 205.

In Abhängigkeit vom Betriebsmodus der elektrischen Maschine erfolgt im Rahmen der Erfindung die Vorgabe des Erregerstroms.Depending on the operating mode of the electrical machine, the excitation current is specified within the scope of the invention.

In 3 ist ein Zusammenhang zwischen den Betriebsmodi Mod 1 bis Mod 7 und dem Batterieladezustand SOC in % gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für die vorne in der Tabelle aufgelisteten Betriebsmodi dargestellt. Sind mehrere Batterien vorhanden, wie bspw. in 2 dargestellt, bezieht sich der Batterieladezustand zweckmäßigerweise auf die jeweils ausschlaggebende Batterie, d.h. die, die geladen wird, oder die, die elektrische Maschine antreibt.In 3 a relationship between the operating modes Mod 1 to Mod 7 and the battery charge level SOC in % is shown according to a preferred embodiment of the invention for the operating modes listed in the table at the front. If several batteries are present, as for example in 2 As shown, the battery charge state conveniently refers to the relevant battery, ie the one being charged or the one driving the electric machine.

Die Auswahl des zu verwendenden Betriebsmodus erfolgt zweckmäßigerweise so, dass die maximale Bremsenergie eingesammelt werden kann. Die Auswahl des zu verwendenden Betriebsmodus erfolgt insbesondere entsprechend Priorität und definierten Schwellenwerten von Maschinendrehzahl, Wunschmoment, Temperatur und SOC. Der Erregerstrom wird dann dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechend vorgegeben.The operating mode to be used is selected in such a way that the maximum braking energy can be collected. The operating mode to be used is selected in particular according to priority and defined threshold values of machine speed, desired torque, temperature and SOC. The excitation current is then specified according to the selected operating mode.

Aus 3 gehen auch die beschriebenen Ladeschwellenwerte hervor. Der erste Ladeschwellenwert beträgt bspw. hier 40% (siehe untere Grenze Mod 3), der zweite 50% (siehe untere Grenze Mod 4) und der dritte ca. 37% (siehe untere Grenze Mod 5).Out of 3 The charging threshold values described are also shown. The first charging threshold is 40% (see lower limit Mod 3), the second 50% (see lower limit Mod 4) and the third approx. 37% (see lower limit Mod 5).

Claims (14)

Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine (100; 201) in einem Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Maschine eine Ständerwicklung (11), eine Läuferwicklung (12), einen der Läuferwicklung (12) zugeordneten Feldregler (15) und eine der Ständerwicklung (11) nachgeschaltete Stromrichterkomponente (20) mit ansteuerbaren Schaltelementen (21) aufweist, wobei ein Erregerstrom durch die Läuferwicklung (12) abhängig vom momentanen Betriebsmodus der elektrischen Maschine vorgegeben wird, wobei die elektrische Maschine (100; 201) in einem ersten Generatorbetriebsmodus (Mod 6) als Generator betrieben wird, um das Kraftfahrzeug abzubremsen, wobei eine dabei rückgewonnene Bremsenergie gespeichert wird, wobei in einem zweiten Generatorbetriebsmodus (Mod 3) bei einer Drehzahl der elektrischen Maschine (100; 201) unterhalb eines Drehzahlschwellenwerts der Erregerstrom in Abhängigkeit vom Ladezustand einer zu ladenden Batterie (202, 205) so vorgegeben wird, dass die Batterie nicht über einen ersten Ladeschwellenwert hinaus aufgeladen wird, wobei in einem dritten Generatorbetriebsmodus (Mod 4) bei der Drehzahl der elektrischen Maschine (100; 201) oberhalb des Drehzahlschwellenwerts der Erregerstrom in Abhängigkeit vom Ladezustand der zu ladenden Batterie (202, 205) so vorgegeben wird, dass die Batterie nicht über einen zweiten Ladeschwellenwert hinaus aufgeladen wird.Method for operating an electrical machine (100; 201) coupled to an internal combustion engine in a motor vehicle, wherein the electrical machine has a stator winding (11), a rotor winding (12), a rotor winding (12) associated field regulator (15) and a converter component (20) connected downstream of the stator winding (11) with controllable switching elements (21), wherein an excitation current through the rotor winding (12) is predetermined depending on the current operating mode of the electrical machine, wherein the electrical machine (100; 201) is operated as a generator in a first generator operating mode (Mod 6) in order to brake the motor vehicle, wherein a braking energy recovered in the process is stored, wherein in a second generator operating mode (Mod 3) at a speed of the electrical machine (100; 201) below a speed threshold value, the excitation current is predetermined depending on the state of charge of a battery (202, 205) to be charged such that the battery is not charged beyond a first charging threshold value, wherein in a third generator operating mode (Mod 4) at the speed of the electrical machine (100; 201) above the speed threshold value, the excitation current is predetermined depending on the The state of charge of the battery to be charged (202, 205) is specified such that the battery is not charged beyond a second charging threshold value. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Erregerstrom in dem ersten Generatorbetriebsmodus (Mod 6) in Abhängigkeit von einem angeforderten Bremsmoment und/oder der Drehzahl der elektrischen Maschine (100; 201) vorgegeben wird.Procedure according to Claim 1 , wherein the excitation current in the first generator operating mode (Mod 6) is predetermined as a function of a requested braking torque and/or the speed of the electric machine (100; 201). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Betriebsmodus der elektrischen Maschine (100; 201) in Abhängigkeit vom Ladezustand einer zu ladenden Batterie (202, 205) vorgegeben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the operating mode of the electric machine (100; 201) is predetermined depending on the state of charge of a battery (202, 205) to be charged. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (100; 201) als Motor betrieben wird, um ein Drehmoment an die Brennkraftmaschine abzugeben.Method according to one of the preceding claims, wherein the electric machine (100; 201) is operated as a motor in order to deliver a torque to the internal combustion engine. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Erregerstrom in einem ersten Motorbetriebsmodus (Mod 1) maximiert wird.Procedure according to Claim 4 , whereby the excitation current is maximized in a first motor operating mode (Mod 1). Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Erregerstrom in einem zweiten Motorbetriebsmodus (Mod 2) in Abhängigkeit von mindestens einer der folgenden Größen vorgegeben wird: Drehzahl der elektrischen Maschine, Sollmomentenvorgabe, Ständerspannung, Ständerstrom, Temperatur in der elektrischen Maschine.Procedure according to Claim 4 or 5 , wherein the excitation current in a second motor operating mode (Mod 2) is specified as a function of at least one of the following variables: speed of the electrical machine, target torque specification, stator voltage, stator current, temperature in the electrical machine. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Ladeschwellenwert höher als der erste Ladeschwellenwert ist.A method according to any preceding claim, wherein the second charging threshold is higher than the first charging threshold. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Erregerstrom in einem Generatorbetriebsmodus gemäß einer vorgegebenen I-U-Kennlinie einer zu ladenden Batterie (202, 205) vorgegeben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the excitation current in a generator operating mode is predetermined according to a predetermined I-U characteristic curve of a battery (202, 205) to be charged. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Erregerstrom so vorgegeben wird, dass ein oberer Temperaturschwellenwert der zu ladenden Batterie (202, 205) nicht überschritten wird.Procedure according to Claim 8 , wherein the excitation current is specified such that an upper temperature threshold value of the battery to be charged (202, 205) is not exceeded. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Erregerstrom in einem vierten Generatorbetriebsmodus (Mod 5) so vorgegeben wird, dass bei Rotation der Läuferwicklung (12) kein Strom in die Ständerwicklung (11) induziert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the excitation current in a fourth generator operating mode (Mod 5) is predetermined such that no current is induced in the stator winding (11) when the rotor winding (12) rotates. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die elektrische Maschine (100; 201) nur in dem vierten Generatorbetriebsmodus (Mod 5) betrieben wird, wenn ein Ladezustand einer Batterie (202) zur Versorgung der elektrischen Maschine (100; 201) einen dritten unteren Ladeschwellenwert überschreitet.Procedure according to Claim 10 , wherein the electric machine (100; 201) is only operated in the fourth generator operating mode (Mod 5) when a state of charge of a battery (202) for supplying the electric machine (100; 201) exceeds a third lower charging threshold value. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Erregerstrom in einem Abschaltbetriebsmodus (Mod 7) ausgeschaltet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the excitation current is switched off in a shutdown operating mode (Mod 7). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (100; 201) in einem Motorbetriebsmodus (Mod 1, Mod 2) mit einer Spannung oberhalb der üblichen Bordnetzspannung betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the electric machine (100; 201) is operated in an engine operating mode (Mod 1, Mod 2) with a voltage above the usual vehicle electrical system voltage. Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.Computing unit configured to carry out a method according to one of the preceding claims.
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