DE102012206965A1

DE102012206965A1 - Generator mit Saugdrossel

Info

Publication number: DE102012206965A1
Application number: DE201210206965
Authority: DE
Inventors: Christoph Sudan
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-10-31

Abstract

Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (1) und einem Generator (3) für ein Fahrzeugbordnetz, wobei der Generator als 6-phasiger Wechselstromgenerator ausgebildet ist, der Generator ein erstes 3-phasiges Statorsystem (4) umfasst, der Generator ein zweites 3-phasiges Statorsystem (5) umfasst, der Generator eine erste 6-Puls-Gleichrichterbrücke (8) umfasst, die dem ersten Statorsystem zugeordnet ist, der Generator eine zweite 6-Puls-Gleichrichterbrücke (9) umfasst, die dem zweiten Statorsystem zugeordnet ist, und bei dem das Fahrzeugbordnetz eine Saugdrossel (10) umfasst, die dem Generator zugeordnet ist, oder der Generator eine Saugdrossel umfasst, ein erstes Ausgangspotential der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke eine erste Spule (11) der Saugdrossel elektrisch speist, ein zweites Ausgangspotential der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke eine zweite Spule (12) der Saugdrossel elektrisch speist, und ein drittes Ausgangspotential (F) der Saugdrossel das Fahrzeugbordnetz elektrisch speist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Generator für ein Fahrzeugbordnetz, wobei der Generator als 6-phasiger Wechselstromgenerator ausgebildet ist, der Generator ein erstes 3-phasiges Statorsystem umfasst, der Generator ein zweites 3-phasiges Statorsystem umfasst, der Generator eine erste 6-Puls-Gleichrichterbrücke umfasst, die dem ersten Statorsystem zugeordnet ist, und der Generator eine zweite 6-Puls-Gleichrichterbrücke umfasst, die dem zweiten Statorsystem zugeordnet ist.
Fahrzeuge mit einem 14 Volt-Bordnetz sind zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem Bordnetz des Fahrzeugs mit einem Wechselstromgenerator mit nachgeschaltetem Gleichrichtersystem ausgestattet. Der Wirkungsgrad eines Fahrzeuggenerators erreicht im Mittel etwa 70–75%. Verluste ergeben sich bei geringen Drehzahlen in erster Linie durch Wärmeentwicklung in den Ständerwicklungen des Generators. Die Wärme wird durch üblicherweise durch Luftkühlung abgeführt. Systemisch bedingt weist die an das Fahrzeugbordnetz abgegebene Generatorleistung eine bestimmte Welligkeit auf.
Im Stand der Technik, siehe EP 1 401 080 A1 , sind Maßnahmen beschrieben, um die Welligkeit der Ausgangsleistung des Generators zu reduzieren. Hierzu ist dem Gleichrichter des Generators eine RC-Schaltung mit einer parallelen Entstörkapazität nachgeschaltet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Generator für ein Fahrzeugbordnetz anzugeben, wobei der Generator als 6-phasiger Wechselstromgenerator ausgebildet ist, der Generator ein erstes 3-phasiges Statorsystem umfasst, der Generator ein zweites 3-phasiges Statorsystem umfasst, der Generator eine erste 6-Puls-Gleichrichterbrücke umfasst, die dem ersten Statorsystem zugeordnet ist, und der Generator eine zweite 6-Puls-Gleichrichterbrücke umfasst, die dem zweiten Statorsystem zugeordnet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß umfasst das Fahrzeugbordnetz eine Saugdrossel, die dem Generator zugeordnet ist, oder es umfasst der Generator eine Saugdrossel, wobei ein erstes Ausgangspotential der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke eine erste Spule der Saugdrossel elektrisch speist, ein zweites Ausgangspotential der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke eine zweite Spule der Saugdrossel elektrisch speist, und ein drittes Ausgangspotential der Saugdrossel das Fahrzeugbordnetz elektrisch speist.
Dies bedeutet, dass das Ausgangspotential der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke an der ersten Drosselspule der Saugdrossel anliegt und das Ausgangspotential der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke an der zweiten Spule der Drosselspule der Saugdrossel anliegt. Die Saugdrossel weist also zwei elektrische Eingänge und einen elektrischen Ausgang auf, der Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Leistung versorgt.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Fahrzeugbordnetz ein B⁺-Potential, auf dem das dritte Ausgangspotential liegt, und ein B^–-Potential auf. Es sind drei Plus-Gleichrichterschalter der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke einem ersten Plusanschluss der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke, drei Plus-Gleichrichterschalter der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke einem zweiten Plusanschluss der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke, drei Minus-Gleichrichterschalter der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke einem ersten Minusanschluss der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke und drei Minus-Gleichrichterschalter der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke einem zweiten Minusanschluss der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke zugeordnet, wobei der erste Plusanschluss mit der ersten Spule der Saugdrossel elektrisch verbunden ist, der zweite Plusanschluss mit der zweite Spule der Saugdrossel elektrisch verbunden ist, und der erste Minusanschluss auf dem B^–-Potential und der zweite Minusanschluss auf dem B^–-Potential liegt.
Die drei Phasen des jeweiligen Statorsystems liegen jeweils an einem Mittenabgriff der jeweiligen Brücke an. Die (technische) Stromrichtung, in welche der Gleichrichter durchschaltet, zeigt also in Richtung der Saugdrossel zugeordneten Seite des Gleichrichters. Die der Saugdrossel jeweils abgewandte Seite des Gleichrichters ist mit der B^–-Klemme des Fahrzeugs verbunden, d. h. sie liegt auf Masse.
Die Saugdrossel glättet die in das Fahrzeugbordnetz abgegebene Leistung und reduziert den Crest-Faktor des Stromes in den Ständerwicklungen. Dadurch ist maschinenseitig der Wirkungsgrad des Generators verbessert und bordnetzseitig die Versorgungsqualität von elektrischen Verbrauchern erhöht.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung, sind die drei Minus-Gleichrichterschalter der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke und die drei Minus-Gleichrichterschalter der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke auf einem gemeinsamen Schalterträger des Generators integriert.
Dies kann beispielsweise das Lagerschild des Generators sein.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die drei Plus-Gleichrichterschalter der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke in einem ersten B⁺-Träger integriert sind, die drei Plus-Gleichrichterschalter der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke in einem zweiten B⁺-Träger (20) integriert sind, der Generator den ersten B⁺-Träger und den zweiten B⁺-Träger umfasst, und der erste B⁺-Träger und der zweite B⁺-Träger voneinander galvanisch getrennt sind.
Auf diese Weise ist die Saugdrossel raumsparend, robust und mit geringem konstruktiven Aufwand innerhalb des Gehäuses eines Generators integrierbar.
Zusätzlich sind die Plus-Gleichrichterschalter und/oder Minus-Gleichrichterschalter als Zener-Dioden oder als MOSFETs ausgeführt.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Als moderne Fahrzeuggeneratoren werden 6-phasige Generatoren bei einer Spannungslage von 14 Volt eingesetzt mit einer doppelten 6-Puls-Dioden- oder 6-Puls-MOSFET-Gleichrichtung. Die Generatoren weisen zwei unabhängige 3-Phasensysteme auf, die um 30° elektrisch phasenverschoben sind.
Der Crest-Faktor, der dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist, ist pro Phase verhältnismäßig hoch. Somit sind auch die elektrischen Verluste in den Ständerwicklungen und die Spitzen-Strombelastung der Dioden verhältnismäßig hoch. Dadurch sinkt die Ausgangsleistung bzw. der Wirkungsgrad des Generators.
Als Verbesserung wird vorgeschlagen, anstelle einer zweifachen 6-Puls-Gleichrichtung eine 12-Puls-Gleichrichtung umzusetzen. Der B⁺-Diodenträger soll für beide 3-Phasensysteme aufgetrennt werden, so dass jeweils ein Plus-Abgriff für ein 3-Phasensystem existiert. Diese beiden Abgriffe werden für die Stromabgabe an den B⁺-Anschluss des Fahrzeugs über einen Saugkreise miteinander verschaltet. Idealerweise werden die Windungen der Induktivität direkt im Diodenträger integriert (Leadframe) und der magnetische Kern darüber gesteckt. Somit sind zu jedem Zeitpunkt mindestens 4 anstelle von 2 Dioden leitend und die gegenläufige Welligkeit der beiden 3-Phasen-Systeme gleicht sich über den Saugkreis aus.
Dies bedeutet, dass durch einen dadurch verbesserten Crest-Faktor in den Ständerwicklungen die elektrischen Verluste verringerbar sind. Also sind der Wirkungsgrad bzw. die Ausgangsleistung des Generators erhöht. Es ist auch die Benutzung von kleineren bzw. billigeren Dioden ermöglicht. Zudem ist die Welligkeit der abgegebenen Spannung reduziert, d. h. die Spannungsqualität ist verbessert. Es sind die Oberwellenverluste in der Ladeleitung deutlich reduziert und Zwischenkreiskondensatoren von zu versorgenden Komponenten im Bordnetz werden weniger belastet. Dies wirkt sich auf die Lebensdauer dieser Komponenten positiv aus.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Gleiche Bezugszeichen zeigen gleich technische Merkmale. Im Einzelnen zeigen schematisch
1 Fahrzeuggenerator und Saugdrossel
2 Erster B⁺-Träger und zweiter B⁺-Träger
1 zeigt einen Ausschnitt aus dem physikalischen Bordnetz und dem Datenbordnetz eines Fahrzeugs. Das Fahrzeug verfügt über einen Verbrennungsmotor (1), der über einen Riementrieb (2) mechanisch mit einem Wechselstromgenerator (3) gekoppelt ist und mechanische Leistung an den Generator übermittelt. Der Generator ist als fremderregter, 6-phasige Synchronmaschine ausgebildet. Er weist zwei um 30° gegeneinander phasenversetzte, 3-phasige Statorsysteme (4, 5) auf, d. h. der Generator umfasst sechs Ständerwicklungen. Der Rotor (6) weist eine Erregerwicklung auf, die über ein Bürsten-Schleifringsystem elektrisch gespeist wird.
Dem ersten Statorsystem (4) ist eine erste 6-Puls-Gleichrichterbrücke (8) zugeordnet. Dem zweiten Statorsystem (5) ist eine zweite 6-Puls-Gleichrichterbrücke (9) zugeordnet. Jede Gleichrichterbrücke umfasst jeweils 6 Gleichrichterschalter, wobei jeweils eine Phase auf den Mittelpunkt zwischen zwei Gleichrichterschaltern geschaltet ist.
Das physikalische Bordnetz des Fahrzeugs ist als Gleichspannungsbordnetz mit einem Nennpotential (Klemme B⁺) und einem Massepotential (Klemme B^–) ausgeführt. Das Nennpotential beträgt ohne Beschränkung der Allgemeinheit 14 Volt. Es kann beispielsweise auch 48 Volt betragen.
Ein Generatorregler (7) regelt den Erregerstrom in der Erregerwicklung (6) derart, dass bei sich änderndem Laststrom an der B⁺-Klemme und sich ändernder Motordrehzahl die Spannung zwischen der B⁺-Klemme und der B^–-Klemme auf einem konstanten Wert verbleibt bzw. auf einen von der Motorsteuerung (7a) vorgegebenen Sollspannungswert eingestellt wird. Die Motorsteuerung kommuniziert mit dem Generatorregler über LIN-Bus.
Nach 1 sind drei Plus-Gleichrichterschalter (P1, P2, P3) der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke einem ersten Plusanschluss (A) der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke zugeordnet und drei Plus-Gleichrichterschalter (P4, P5, P6) der zweiten Gleichrichterschalter einem zweiten Plusanschluss (C) der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke zugeordnet.
Der erste Plusanschluss und der zweite Plusanschluss sind elektrisch mit jeweils einem Eingang einer Saugdrossel (10) verbunden, deren Ausgang (13) auf der B⁺-Klemme des physikalischen Bordnetzes liegt.
Im Wesentlichen weist die Saugdrossel zwei Spulen auf. Die erste Drosselspule (11) ist mit dem ersten Plusanschluss elektrisch verbunden, die zweite Drosselspule (12) ist mit dem zweiten Plusanschluss elektrisch verbunden. Die beiden Drosselspulen sind gegensinnig gewickelt. Die beiden Drosselspulen sind magnetisch miteinander gekoppelt. Ihre gegensinnig orientierten Wicklungen werden von gleichgerichteten Strömen der parallel geschalteten Plusanschlüsse, deren Potentiallage um 30° phasenversetzt ist, durchflossen. Die Phasenversetzung des Potentials der beiden Plusanschlüsse um 30° führt zu einer Spannungsdifferenz zwischen den Punkten (A) und (C), die von der Saugdrossel aufgenommen wird.
Mit einer 12-Puls-Gleichrichtung ist der Vorteil verbunden, dass der Crest-Faktor der Ständerwicklungen, der das Verhältnis von Scheitelwert zu Effektivwert einer Wechselstromgröße beschreibt, erniedrigt wird. Dies kommt dadurch zustande, dass die Saugdrossel zu jedem Zeitpunkt den Generatorstrom annähernd hälftig auf die beiden 6-Puls-Gleichrichterbrücken verteilt. Ohne die Saugdrossel wird der Generatorstrom im zeitlichen Verlauf alternierend im Wesentlichen von der ersten oder von der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke getragen.
Durch die Reduzierung des Scheitelwerts bzw. durch die Senkung des Crest-Faktors wird die Verlustleistung einer Ständerwicklung im Scheitelwert und somit die Verlustenergie über eine Periode verringert. Die Verlustleistung einer Phase P_Ph(t) zu einem bestimmten Zeitpunkt t bemisst sich nach P(t) = I 2 / Ph (t)·R_Ph(t) mit dem Wicklungswiderstand R_Ph und dem Phasenstrom I_Ph und wird in den Ständerwicklungen als Wärme freigesetzt. Besonders hohe Scheitelwerte führen also zu besonders hohen Wärmeverlusten in den Ständerwicklungen. Der Verringerung von Wärmeverlusten ist eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Generators gleichzusetzen. Dies bedeutet, dass zur Erreichung einer gleichen elektrischen Ausgangsleistung eine verringerte mechanische Eingangsleistung ausreicht, so dass die Saugdrossel ein Kraftstoffeinsparpotential nach sich zieht.
Weiterhin glättet die Saugdrossel das Ausgangspotential des Generators an der B+-Klemme. Dies kommt dadurch zustande, dass aufgrund der Saugdrossel die Plus-Spannungen der beiden 6-Puls-Gleichrichterbrücken gegeneinander pendeln und deren Mittelwert an der B+-Klemme anliegt.
Da bei einer Saugdrossel das Magnetfeld des Gleichstromanteils zwischen den beiden Drosselspulen kompensiert wird, kann der Luftspalt zwischen den Spulen und die Baugröße der Saugdrossel (Drossel-Kerngröße und Windungszahl) konstruktiv klein gestaltet werden. Beispielsweise ist bei Minimaldrehzahl, d. h. bei Leerlauf des Verbrennungsmotors, einem modernen, 6-phasigen 14 Volt-Synchrongenerator mit 8 Polpaaren und einem Nennstrom von 180 Ampere mit einer Induktivität der Drosselspulen der Saugdrossel von je 10 μH eine Erniedrigung des Crest-Faktors von 20% erreichbar. Eine höhere Induktivität der Drosselspulen resultiert in einer Annäherung an den minimal möglichen Crest-Faktor. Bei einer geringeren Polpaarzahl und einer niedrigeren Leerlaufdrehzahl ist eine höhere Induktivität zur Erreichung derselben Wirkung erforderlich.
Moderne Saugdrosseln mit Drosselspulen und Drosselkern und mit einer Induktivität in der Größenordnung von etwa 10–20 μH weisen eine konstruktive Baugröße auf, die eine platzsparende Integration der Saugdrossel im Fahrzeugbauraum für den Generator oder in einem Gehäuse bekannter Generatorbauformen selbst ermöglicht. Generatoren für Kraftfahrzeuge weisen aufgrund der beengten Raumverhältnisse in Fahrzeugen eine ohnehin sehr kompakte Bauweise mit 2-flutiger Luftkühlung auf, die durch die beispielhafte Integration der Saugdrossel nach 2 minimal gestört wird. Für eine Ansicht der Wicklung bzw. Leitungsführung ist der magnetische Drosselkern (16) aufgebrochen dargestellt. Die schraffierten Flächen stellen die Bruchflächen dar. 2 zeigt eine erste Trägerplatte (18), welche die sechs Minus-Gleichrichterschalter (M1, M2, M3, M4, M5, M6) aufnimmt. Die erste Trägerplatte kann als Lagerschild des Generators ausgeführt sein. Bei im Fahrzeug montiertem Generator liegt das metallische Lagerschild elektrisch auf Fahrzeugmasse. Die drei Plus-Gleichrichterschalter (P1, P2, P3) sind in eine zweite Trägerplatte (19) des Generators und die drei Plus-Gleichrichterschalter (P4, P5, P6) sind in einer dritten Trägerplatte (20) des Generators integriert. Die beiden Trägerplatten sind galvanisch voneinander getrennt und sichelartige um die Saugdrossel angeordnet. Von der ersten Trägerplatte führt der Leiter (11') in einer ersten Richtung in den Spulenkern, von der zweiten Trägerplatte führt der Leiter (12') in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durch den Spulenkern und bildet so die Saugdrossel. Die Leiter (11') und (12') führen also gegenläufig durch den Drosselkern hindurch und sind an einem Anschlussbolzen (17) zusammengeführt. Perspektivisch ist dies durch einen schwarzen Hintergrund in 2, an welche die Schraffuren der Bruchflächen angrenzen, dargestellt.
Nach einer weiteren, die 1 und 2 abändernden Ausführungsform der Erfindung ist die Saugdrossel von den beiden Minusanschlüssen elektrisch gespeist und der Ausgang der Saugdrossel liegt auf dem B^–-Potential des Fahrzeugs. Dann sind die beiden Plusanschlüsse direkt mit der B⁺-Klemme des Fahrzeug verbunden. In diesem Fall ist die erste Trägerplatte des Generators zweiteilig gestaltet, wobei die beiden Teile auch bei montiertem Generator galvanisch voneinander getrennt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1401080 A1 [0003]

Claims

Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (1) und einem Generator (3) für ein Fahrzeugbordnetz, wobei der Generator als 6-phasiger Wechselstromgenerator ausgebildet ist, der Generator ein erstes 3-phasiges Statorsystem (4) umfasst, der Generator ein zweites 3-phasiges Statorsystem (5) umfasst, der Generator eine erste 6-Puls-Gleichrichterbrücke (8) umfasst, die dem ersten Statorsystem zugeordnet ist, der Generator eine zweite 6-Puls-Gleichrichterbrücke (9) umfasst, die dem zweiten Statorsystem zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Fahrzeugbordnetz eine Saugdrossel (10) umfasst, die dem Generator zugeordnet ist, oder der Generator eine Saugdrossel umfasst, – ein erstes Ausgangspotential der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke eine erste Spule (11) der Saugdrossel elektrisch speist, – ein zweites Ausgangspotential der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke eine zweite Spule (12) der Saugdrossel elektrisch speist, und – ein drittes Ausgangspotential (F) der Saugdrossel das Fahrzeugbordnetz elektrisch speist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Fahrzeugbordnetz ein B⁺-Potential und ein B^–-Potential aufweist, – das dritte Ausgangspotential auf dem B⁺-Potential liegt, – drei Plus-Gleichrichterschalter (P1, P2, P3) der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke einem ersten Plusanschluss (A) der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke zugeordnet sind, – der erste Plusanschluss mit der ersten Spule der Saugdrossel elektrisch verbunden ist, – drei Plus-Gleichrichterschalter (P4, P5, P6) der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke einem zweiten Plusanschluss (C) der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke zugeordnet sind, – der zweite Plusanschluss mit der zweite Spule der Saugdrossel elektrisch verbunden ist, – drei Minus-Gleichrichterschalter (M1, M2, M3) der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke einem ersten Minusanschluss (D) der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke zugeordnet sind, – der erste Minusanschluss auf dem B^–-Potential liegt, – drei Minus-Gleichrichterschalter (M4, M5, M6) der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke einem zweiten Minusanschluss (E) der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke zugeordnet sind, und – der zweite Minusanschluss auf dem B^–-Potential liegt.
Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die drei Minus-Gleichrichterschalter der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke und die drei Minus-Gleichrichterschalter der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke auf einem gemeinsamen Schalterträger (18) des Generators integriert sind.
Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die drei Plus-Gleichrichterschalter der ersten 6-Puls-Gleichrichterbrücke in einem ersten B⁺-Träger integriert (19) sind, – die drei Plus-Gleichrichterschalter der zweiten 6-Puls-Gleichrichterbrücke in einem zweiten B⁺-Träger (20) integriert sind, – der Generator den ersten B⁺-Träger und den zweiten B⁺-Träger umfasst, und – der erste B⁺-Träger und der zweite B⁺-Träger voneinander galvanisch getrennt sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – Plus-Gleichrichterschalter und/oder Minus-Gleichrichterschalter als Zener-Dioden oder als MOSFETs ausgeführt sind.