DE102014017441B4

DE102014017441B4 - Kraftfahrzeug mit thermisch beanspruchter elektrischer Maschine

Info

Publication number: DE102014017441B4
Application number: DE102014017441.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gaßner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-11-22
Filing date: 2014-11-22
Publication date: 2017-05-11
Anticipated expiration: 2034-11-23
Also published as: DE102014017441A1

Abstract

Kraftfahrzeug (1), aufweisend: – einen Verbrennungsmotor (4) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (1), – eine elektrische Maschine (6), welche eine thermische Kapazität aufweist, durch welche in einem Volllastbetrieb der elektrischen Maschine (6), in welchem eine in der elektrischen Maschine (6) bereitgestellte Kühlleistung kleiner ist als eine in der elektrischen Maschine (6) erzeugte thermische Verlustleistung, eine Temperaturreserve bereitgestellt ist und hierdurch die elektrische Maschine (6) im Volllastbetrieb erst dann eine Übertemperatur aufweist, wenn die Temperaturreserve aufgebraucht ist, – eine Steuereinrichtung (12), die dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine (6) in einer Bremsphase des Kraftfahrzeugs (1) als Generator im Volllastbetrieb zu betreiben, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Überwachungseinrichtung (15) dazu ausgelegt ist, während der Bremsphase einen Restanteil der Temperaturreserve zu ermitteln, wobei die Überwachungseinrichtung (15) dazu ausgelegt ist, eine von der elektrischen Maschine (6) abgegebene elektrische Leistung und eine Zeitdauer seit Beginn des Volllastbetriebs zu ermitteln und auf Grundlage der abgegebenen elektrischen Leistung und der Zeitdauer seit Beginn des Volllastbetriebs zu ermitteln, wie viel elektrische Energie in der elektrischen Maschine (6) gewandelt worden ist, und auf der Grundlage eines Maschinenparameters zu ermitteln, wie viel thermische Energie sich in der elektrischen Maschine (6) befinden muss und welche Temperatur sie daher aufweist, und – die Steuereinrichtung (12) dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine (6) in Abhängigkeit von dem ermittelten Restanteil zu steuern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine, die als Generator zum Einspeisen von elektrischer Energie in ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs betrieben werden kann. Insbesondere ist vorgesehen, mittels der elektrischen Maschine während einer Bremsphase des Kraftfahrzeugs Energie zu rekuperieren. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine während der Bremsphase.
In heutigen Kraftfahrzeugen kommen vor allem 12 Volt-Generatoren als Klauenpolsynchronmaschinen zum Einsatz. Klauenpolsynchronmaschinen sind aktuell so ausgelegt, dass in allen möglichen Betriebspunkten keine thermische Überlastung durch die Abgabeleistung der Maschine auftreten kann.
Deshalb wird der Abgabestrom bei Rekuperation begrenzt, da keine Rückmeldung zur thermischen Kapazität der elektrischen Maschine besteht. Werden die elektrischen Maschinen thermisch nicht ausgelastet, wird dadurch also Rekuperationspotential verschenkt. Zusätzlich sind die elektrischen Maschinen aufgrund dieser Auslegungsprämisse für die meisten Betriebspunkte überdimensioniert, da sie hier in der Regel nicht voll ausgesteuert werden.
Aus der DE 101 11 518 A1 ist bekannt, zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs einen elektrischen Antrieb bereitzustellen, der auf einer elektrischen Asynchronmaschine beruht. Dieser elektrische Antrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass die Asynchronmaschine eine vierfache Überlastbarkeit aufweist.
Aus der EP 1 289 120 A1 ist bekannt, eine elektrische Asynchronmaschine als Kaltstarter zu verwenden, die direkt mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungsmaschine gekoppelt ist. Um zum Überwinden des Losbrechmoments beim Start der Verbrennungsmaschine eine impulsartige Erhöhung des Drehmoments der Asynchronmaschine zu erhalten, wird diese nicht mit betriebsoptimalem, sondern mit maximal möglichem Fluss bei gleichzeitig reduziertem drehmomentbildenden Ständerstrom vormagnetisiert.
Aus der US 2010/0031910 A1 ist bekannt, in einem Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine mit 42 Volt Versorgungsspannung zu betreiben und sie als Starter-Generator in dem Kraftfahrzeug zu nutzen. Diese elektrische Maschine kann auch zur Rekuperation genutzt werden. Um die sich hieraus ergebende breite Spannweite an Betriebspunkten abzudecken, wird eine robust ausgelegte Asynchronmaschine als elektrische Maschine empfohlen. Die elektrische Maschine ist über einen Riemen mit dem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs gekoppelt.
In der DE 199 27 261 A1 ist ein Antriebssystem mit Elektromaschine beschrieben, die eine Drehstrom-Asynchronmaschine sein kann. Die Elektromaschine kann als Starter-Generator-Maschine ausgestaltet sein. Als Asynchronmaschine weist die Elektromaschine ein Blechpaket auf, welches eine relativ hohe Wärmekapazität aufweist, sodass ein Teil einer Wärme im Überlastbetrieb darin absorbiert werden.
In der DE 10 2007 055 935 A1 ist elektrisch betriebenes Fahrzeug mit regenerativem Bremssystem beschrieben. Hierzu wird eine für den Antrieb vorgesehene elektrische Maschine in Form eines Motorgenerators zum Erzeugen eines Drehmoments genutzt. Um beim Erzeugen des Drehmoments den Motorgenerator nicht zu überlasten, wird dessen Temperatur gemessen und in Abhängigkeit von der Temperatur ein Begrenzungsgrad für das zu erzeugende Drehmoment eingestellt.
Aus der DE 10 2008 054 699 A1 ist ein Verfahren zur Reduktion einer Antriebsleistung eines Fahrzeugantriebs bekannt, das das Erfassen eines Temperaturunterschieds zwischen einer Temperatur einer Komponente des Fahrzeugantriebs und einen Temperaturschwellwert vorsieht. Die Leistungsreduktion findet zwecks Vermeidung von kritischen Komponententemperaturen statt, um eine vollständige Abschaltung der Komponente zu verhindern. Die Reduktion der Antriebsleistung kann beispielsweise während eines Rekuperationszustandes stattfinden. Durch die Reduktion soll erreicht werden, dass für kritische Fahrsituationen eine ausreichende Temperaturreserve vorliegt, damit in diesen kritischen Situationen gerade keine Reduktion der Antriebsleistung erforderlich wird. Um zu ermitteln, wie groß die Temperaturreserve sein muss, kann für eine Überholfahrt eine maximale Dauer des Überholvorgangs angenommen werden und dann auf der Grundlage der Wärmekapazität der Komponente und der während des Überholvorgangs erzeugten maximalen Beschleunigungsverlustleistung berechnet werden, welcher Temperaturunterschied zum Temperaturschwellwert vorliegen muss, damit eine ausreichende Temperaturreserve vorliegt.
In der DE 10 2005 036 462 A1 ist ein Starter-Generator beschrieben, der dazu geeignet ist, in bestimmten Betriebssituationen, beispielsweise im Ortsverkehr, abgeschaltet zu werden, um dann lediglich sekundenweise oder auch länger mit 100% Last zugeschaltet zu werden, um beispielsweise Bremsenergie zurückzugewinnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Kraftfahrzeug das Rekuperationspotential während einer Bremsphase effektiv auszunutzen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
Erfindungsgemäß bereitgestellt wird ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und mit einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine kann als Generator betrieben werden. Mit anderen Worten ist durch die elektrische Maschine eine so genannte Lichtmaschine in dem Kraftfahrzeug bereitgestellt. Als Generator kann die elektrische Maschine elektrische Energie erzeugen, die beispielsweise zum Aufladen eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines elektrischen Akkumulators, genutzt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug weist die elektrische Maschine eine thermische Kapazität auf, durch welche in der elektrischen Maschine eine Temperaturreserve bereitgestellt ist. Hierdurch weist die elektrische Maschine in einem Volllastbetrieb erst dann eine Übertemperatur auf, wenn die Temperaturreserve aufgebraucht ist. Unter Volllastbetrieb ist hier zu verstehen, dass eine in der elektrischen Maschine bereitgestellte Kühlleistung kleiner ist als eine in der elektrischen Maschine erzeugte thermische Verlustleistung. Die Kühlleistung kann beispielsweise durch Kühlrippen und/oder einen Kühlkreislauf bereitgestellt sein. Sie erreicht aber nicht sofort Übertemperatur, sondern es wird zunächst thermische Energie in der thermischen Kapazität gespeichert, beispielsweise in Bauteilen der elektrischen Maschine.
Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist des Weiteren eine Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die elektrische Maschine in einer Bremsphase des Kraftfahrzeugs als Generator im Volllastbetrieb zu betreiben. Im Volllastbetrieb erwärmt sich die elektrische Maschine. Als Steuereinrichtung kann beispielsweise ein Steuergerät bereitgestellt sein, durch welches beispielsweise eine Leistungselektronik der elektrischen Maschine gesteuert wird. Mittels der Steuereinrichtung kann also während der Bremsphase der Energiespeicher mit elektrischem Rekuperationsstrom aufgeladen werden. Die elektrische Maschine bremst hierbei als Generator den Antriebsstrang ab, wodurch das Kraftfahrzeug verlangsamt wird. Die elektrische Maschine ist hierzu beispielsweise mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder mit einer Antriebswelle des Kraftfahrzeugs gekoppelt.
Um in der Bremsphase das Rekuperationspotential besser auszunutzen, ist bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug folgendes vorgesehen. Eine Überwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, während der Bremsphase einen Restanteil der Temperaturreserve zu ermitteln. Es wird also überwacht, wie weit die elektrische Maschine noch von der Übertemperatur entfernt ist. Die Überwachungseinrichtung kann beispielsweise eine elektronische Schaltung mit zumindest einem Messsensor umfassen. Die Überwachungseinrichtung kann aber auch beispielsweise ein Programmmodul umfassen, durch welches der Restanteil z. B. rechnerisch ermittelt wird. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, die elektrische Maschine in Abhängigkeit von dem ermittelten Restanteil zu steuern.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die elektrische Maschine in der Bremsphase im Rekuperationsbetrieb, also hier als Generator im Volllastbetrieb, so lange betrieben werden kann, bis die Temperaturreserve aufgebraucht wird und die elektrische Maschine tatsächlich die Übertemperatur erreicht. Hierdurch kann die thermische Kapazität der elektrischen Maschine also voll ausgenutzt werden. Anders einem Stand der Technik muss nicht schon vorzeitig bei noch geringerer Betriebstemperatur der Rekuperationsbetrieb unterbrochen werden. Es muss kein Rekuperationspotential verschenkt werden.
Bei der Erfindung ist die Überwachungseinrichtung dazu ausgelegt, eine von der elektrischen Maschine abgegebene elektrische Leistung sowie eine Zeitdauer seit Beginn des Volllastbetriebs zu ermitteln. Die von der elektrischen Maschine abgegebene elektrische Leistung kann in vorteilhafter Weise auf Grundlage einer Sensorik ermittelt werden, die bereits für andere Funktionalitäten bereitstellt sein kann. Hierdurch ist das Ermitteln der Temperaturreserve besonders aufwandsarm realisierbar. Auf Grundlage der abgegebenen elektrischen Leistung und der Zeitdauer seit Beginn des Volllastbetriebs kann ermittelt werden, wie viel elektrische Energie in der elektrischen Maschine gewandelt worden ist. Auf der Grundlage eines Maschinenparameters, beispielsweise des Wirkungsgrads, kann ermittelt werden, wie viel thermische Energie sich in der elektrischen Maschine befinden muss und welche Temperatur sie daher aufweist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Überwachungseinrichtung zumindest einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur der elektrischen Maschine auf. Die Überwachungseinrichtung ist hierbei dazu ausgelegt, eine Differenz der ermittelten Temperatur und der Übertemperatur zu signalisieren. Mit anderen Worten steuert die Steuereinrichtung also die elektrische Maschine in Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz zwischen der aktuellen oder mittleren Temperatur der elektrischen Maschine einerseits und einem Übertemperaturgrenzwert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Steuereinrichtung die elektrische Maschine direkt in Abhängigkeit von der verbleibenden Temperaturreserve, nämlich der Temperaturdifferenz zwischen Maschinentemperatur und dem Übertemperaturgrenzwert, steuert.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, bei der elektrischen Maschine den Betrieb als Generator erst zu unterbrechen, falls der Restanteil der Temperaturreserve kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Beispielsweise kann der Schwellenwert in einem Bereich zwischen 0 Prozent und 15 Prozent des Übertemperaturgrenzwerts, insbesondere zwischen 0 Prozent und 5 Prozent des Übertemperaturgrenzwerts, liegen. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Betrieb als Generator erst unterbrochen wird, falls der Restanteil gleich Null ist. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass es bei der elektrischen Maschine zu keiner thermischen Überlastung kommt und dennoch die elektrische Maschine voll ausgesteuert oder voll ausgenutzt wird. Insbesondere ist das Kraftfahrzeug hierdurch in der Herstellung besonders günstig, da die elektrische Maschine passend dimensioniert werden kann, also nicht überdimensioniert sein muss.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist als elektrische Maschine eine Asynchronmaschine bereitgestellt. Eine Asynchronmaschine weist den Vorteil auf, dass sie länger als eine Synchronmaschine im Volllastbetrieb betrieben werden kann, weil eine Asynchronmaschine im Vergleich zu einer Synchronmaschine eine größere thermische Kapazität aufweist. Insbesondere ist eine Asynchronmaschine bereitgestellt, die bis zum Zweifachen ihrer Nennleistung überlastfähig ist. Mittels einer Asynchronmaschine kann in vorteilhafter Weise die in der Bremsphase kurzzeitig auftretende Rekuperationsleistung, also der Volllastbetrieb als Generator, effektiv genutzt werden. Dagegen sind heutige Synchronmaschinen, die als Generatoren verwendet werden, auf Dauerleistung ausgelegt und können nicht ausreichend lang genug im Volllastbetrieb betrieben werden, um während einer Bremsphase die Rekuperationsenergie in elektrische Energie umwandeln zu können.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt in einer der Bremsphase folgenden Antriebsphase, in welcher der Verbrennungsmotor das Kraftfahrzeug antreibt, die Generatorfunktion der elektrischen Maschine vollständig abzuschalten. Mit anderen Worten wird beispielsweise bei einer Konstantfahrt des Kraftfahrzeugs, während welcher im Stand der Technik die elektrische Maschine als Generator das Bordnetz stützt, die Generatorfunktion vollständig abgeschaltet. Da bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug mehr Rekuperationsenergie bereitsteht als im Stand der Technik, kann auch entsprechend mehr elektrische Energie aus dem Energiespeicher in das Bordnetz eingespeist werden. Durch Abschalten der Generatorfunktion wird hierbei Kraftstoff für den Verbrennungsmotor gesperrt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung sogar dazu ausgelegt in einer der Bremsphase folgenden Antriebsphase die elektrische Maschine als Motor zu betreiben und hierdurch den Verbrennungsmotor mit einem Antriebsmoment beim Antreiben des Kraftfahrzeugs zu unterstützten. Hierdurch kann die rekuperierte Energie wieder in Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs umgesetzt werden. Insbesondere kann auch wieder Kraftstoff gespart werden und/oder das Kraftfahrzeug mit einem größeren Antriebsmoment angetrieben werde als es mit dem Verbrennungsmotor allein möglich ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die elektrische Maschine als riemengetriebener Starter-Generator, RSG, ausgestaltet. Durch die Riemenübersetzung ergibt sich der Vorteil, dass zum Unterstützen des Verbrennungsmotors eine Übersetzung einer Drehzahl der elektrischen Maschine auf höhere Drehzahlen auch bei großer Fahrgeschwindigkeit möglich ist, wenn das Kraftfahrzeug beispielsweise schneller als 70 km/h oder schneller als 120 km/h fährt. Insbesondere bei Verwendung einer Asynchronmaschine ist dies vorteilhaft, da ansonsten die Asynchronmaschine mit einer Drehzahl betrieben werden müsste, bei welcher ein Drehmoment der Asynchronmaschine verhältnismäßig gering ist, da eine Drehmomentabgabe bei einer Asynchronmaschine reziprok zur Drehzahl abfällt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die elektrische Maschine eine Klauenpolmaschine, das heißt ein Stator der elektrischen Maschine weist Klauenpole auf. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Rotor der elektrischen Maschine eine größere Drehzahl aufweisen kann, als es beispielsweise mit einfachen Polschuhen möglich ist.
Durch die Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug während einer Bremsphase des Kraftfahrzeugs bereitgestellt. In der beschriebenen Weise wird die elektrische Maschine durch eine Steuereinrichtung als Generator im Volllastbetrieb betrieben. Eine Überwachungseinrichtung ermittelt einen Restanteil der Temperaturreserve der elektrischen Maschine, wobei die Überwachungseinrichtung eine von der elektrischen Maschine abgegebene elektrische Leistung und eine Zeitdauer seit Beginn des Volllastbetriebs ermittelt und auf Grundlage der abgegebenen elektrischen Leistung und der Zeitdauer seit Beginn des Volllastbetriebs ermittelt, wie viel elektrische Energie in der elektrischen Maschine gewandelt worden ist, und auf der Grundlage eines Maschinenparameters ermittelt, wie viel thermische Energie sich in der elektrischen Maschine befinden muss und welche Temperatur sie daher aufweist. Bei Übertemperatur muss die elektrische Maschine den Volllastbetrieb abbrechen. Durch eine Steuereinrichtung wird die elektrische Maschine in Abhängigkeit von dem ermittelten Restanteil gesteuert. Hierdurch kann die elektrische Maschine gezielt bis zum Erreichen der Übertemperatur, also bis zur Erschöpfung der Temperaturreserve, genutzt werden, ohne dass eine Beschädigung der elektrischen Maschine durch Übertemperatur droht. Beispielsweise kann durch die Steuereinrichtung im Volllastbetrieb die Leistungserzeugung gestellt oder geregelt werden, so dass die elektrische Maschine entweder für einen vorbestimmten Mindestzeitraum einen vorbestimmten Rekuperationsstrom oder eine vorbestimmte Stoßleistung abgibt, also insbesondere einen möglichst großen Rekuperationsstrom.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche Merkmale aufweisen, die bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs und
2 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen einer Drehmomentabgabe und einer Leistungsaufnahme von elektrischen Maschinen.
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, handeln kann. Dargestellt ist eine Fahrzeugfront 2 mit einem Motorraum 3. Das Kraftfahrzeug 1 kann eine Verbrennungsmaschine 4, beispielsweise einen Ottomotor oder einen Dieselmotor, aufweisen. Mit der Verbrennungsmaschine 4 kann ein Antriebstrang 5 mit (nicht dargestellten) Antriebsrädern für eine Fahrt des Kraftfahrzeugs 1 angetrieben werden.
Das Kraftfahrzeug 1 kann eine elektrische Maschine 6 aufweisen, bei der es sich um eine Asynchronmaschine handeln kann. Die elektrische Maschine 6 kann als Generator für ein elektrisches Bordnetz 7 bereitgestellt sein. Das Bordnetz 7 kann beispielsweise eine Versorgungsspannung in einem Bereich von 10 Volt bis 14 Volt oder in einem Bereich von 22 Volt bis 60 Volt für (nicht dargestellte) elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs 1 bereitstellen. Von dem Bordnetz 7 sind in 1 eine Plusleitung 8 und eine Minusleitung 9 dargestellt. Die elektrische Versorgungsspannung des Bordnetzes 7 kann einerseits durch eine Fahrzeugbatterie 10, also einen elektrischen Akkumulator, bereitgestellt sein. Andererseits kann die Versorgungsspannung durch die elektrische Maschine 6 bereitgestellt sein, wenn diese als Generator betrieben wird.
Die elektrische Maschine 6 kann eine Leistungselektronik 11 aufweisen, über welche der Austausch von elektrischer Energie zwischen dem Bordnetz 7 und (nicht genauer dargestellten) elektrischen Spulen der elektrischen Maschine 6 kontrolliert oder gesteuert werden kann. Die Leistungselektronik 11 kann beispielsweise Gleichrichterdioden oder einen Wechselrichter aufweisen. Die Leistungselektronik 11 kann durch eine Steuereinrichtung 12 gesteuert sein. Die Steuereinrichtung 12 kann beispielsweise ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs 1 sein. Zum Antreibend der elektrischen Maschine 6 für den Betrieb als Generator kann die elektrische Maschine 6 beispielsweise über einen Riementrieb 13, das heißt über einen Antriebsriemen oder Riemen, mit beispielsweise einer Kurbelwelle 14 des Verbrennungsmotors 4 gekoppelt sein. Der Riementrieb 13 kann die elektrische Maschine 6 auch mit einer Antriebswelle des Antriebsstrangs 5 koppeln.
Bei dem Kraftfahrzeug 1 kann eine Rekuperation von kinetischer Energie während einer Bremsphase oder Abbremsphase des Kraftfahrzeugs 1 ermöglicht sein. Dann treiben die Antriebsräder den Antriebsstrang 5 mit einem Drehmoment an, das über den Riementrieb 13 auf die elektrische Maschine 6 übertragen werden kann. Die elektrische Maschine 6 wird dann durch die Steuereinrichtung 12 als Generator betrieben, wodurch die elektrische Maschine 6 eine Versorgungsspannung erzeugt, durch welche ein elektrischer Rekuperationsstrom in das Bordnetz 7 fließt und beispielsweise den Energiespeicher 10 mit elektrischer Energie auflädt. Hierbei kann so viel elektrische Energie rekuperiert werden, dass in einer darauffolgenden Antriebsphase die elektrische Maschine 6 nicht mehr als Generator betrieben werden muss, weil in dem Energiespeicher 10 genug elektrische Energie zum Versorgen der elektrischen Verbraucher rekuperiert worden ist. Falls genug elektrische Energie in dem Energiespeicher 10 gespeichert ist, kann in der Antriebsphase mittels der elektrischen Maschine 6 durch Betreiben derselben als Motor auch ein mechanisches Unterstützungsmoment für die Verbrennungsmaschine 4 erzeugt werden. Das Unterstützungsmoment kann über den Riementrieb 13 auf den Verbrennungsmotor 4 beziehungsweise den Antriebsstrang 5 übertragen werden. Zum Betreiben der elektrischen Maschine als Motor kann wieder die Steuereinrichtung 12 die Leistungselektronik 11 ansteuern.
Im Rekuperationsbetrieb während der Bremsphase kann sich in der elektrischen Maschine 6 eine Stoßlast ergeben, durch welche die elektrische Maschine 6 im Volllastbetrieb betrieben wird, so dass sie sich aufheizt. Durch die Steuereinrichtung 12 kann hierbei die elektrische Maschine so lange betrieben werden, bis die elektrische Maschine 6 eine Übertemperatur erreicht, bei welcher der Generatorbetrieb abgebrochen oder gedrosselt werden muss. Hierzu kann eine Überwachungseinrichtung 15 bereitgestellt sein, beispielsweise ein Temperatursensor. In Abhängigkeit von einem Temperatursignal T des Temperatursensors 15 kann die Steuereinrichtung 12 die Leistungselektronik 11 steuern. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 12 von einem (nicht näher dargestellten) Batteriemanagement des Energiespeichers 10 ein Energiesignal E empfängt, welches angibt, wie viel elektrische Energie der Energiespeicher 10 während der Bremsphase empfangen hat. Hieraus kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 6 ermittelt werden, wie viel thermische Energie die elektrische Maschine 6 durch den Betrieb als Generator aufgenommen hat. Hieraus kann ebenfalls auf eine aktuelle Temperatur der elektrischen Maschine 6 rückgeschlossen werden.
Durch die Überwachungseinrichtung 15, insbesondere mindestens einen Temperatursensor, wird die Temperaturreserve der elektrischen Maschine 6 dargestellt. Wird als elektrische Maschine anstelle einer fremd erregten Synchronmaschine eine Asynchronmaschine verwendet, kann diese insbesondere während der Rekuperation kurzzeitig bis zu einem Vielfachen der Nennleistung überlastfähig sein. Mit einer stark überlastfähigen Maschine ist es möglich, die kurzzeitig auftretenden Rekuperationsleistungen effektiv zu nutzen, um im Teillastbetrieb in der Antriebsphase die Generatorfunktion komplett abzuschalten. Somit kann Kraftstoff gespart werden.
Insgesamt ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass die Temperatur- und Kühlungsreserven ausgeschöpft werden, die sonst zu dem beschriebenen Derating, also dem Abbruch der Rekuperation, führen. Es kann somit mehr Energie rekuperiert werden, wodurch die ansonsten in der Antriebsphase verbrennermotorisch gedeckte Bordnetzlast während Konstantfahrt reduziert wird, was zur Kraftstoffeinsparung führt. Damit in Bremsphasen verstärkt Bremsenergie zurückgewonnen werden kann, wird die elektrische Maschine in dieser Bremsphase stärker angesteuert als für einen Nennbetrieb nötig. So kann elektrische Energie in der Batterie zwischengespeichert werden, die in Konstantfahrten wieder ins Bordnetz abgegeben werden kann. Bei Asynchronmaschinen ist die elektrische Maschine nicht zwingend auf Dauerleistung ausgelegt, sondern kann eine Stoßlast in einen Rekuperationsstrom oder Abgabestrom umsetzen. Durch die thermische Rückmeldung der Überwachungseinrichtung 15 kann hierbei die thermische Kapazität der elektrischen Maschine voll ausgenutzt werden.
In 2 ist zur Veranschauung eines Unterschieds der Leistungsfähigkeit einer fremd erregten Synchronmaschine einerseits und einer Asynchronmaschine andererseits ein Drehmomentverlauf über dem Drehmoment n in Umdrehungen pro Minute (RPM – rounds per minute) für einen Motorbetrieb bei 40 Volt Versorgungsspannung und einem Versorgungsstrom von 250 Ampere für ein Drehmoment M in Newtonmetern (Nm) und eine abgegebene mechanische Leistung Pmech in Watt (W) angegeben. Die fremd erregte Synchronmaschine erzeugt ein Drehmoment Msyn und eine Leistung Psyn. Die Asynchronmaschine erzeugt ein Drehmoment Masyn und eine Leistung Pasyn. 2 zeigt den Drehzahlverlauf von typischen Maschinenauslegungen. Die fremd erregte Synchronmaschine zeigt hier im Leistungsverlauf eine gerade Kennlinie. Es ist zu erkennen, dass diese auch bei sehr hohen Drehzahlen konstant bleibt. Bei hohen Drehzahlen weist hier die Asynchronmaschine einen sehr starken Einbruch der Kennlinie auf. Dies ist auf den ersten Blick nachteilig. Legt man aber typische Drehzahlkollektive darüber, also eine Häufigkeitsverteilung der vorkommenden Drehzahlen, so treten solch hohe Drehzahlen nur während Beschleunigungszeiten auf, sind also zu vernachlässigen. In der Beschleunigungszeit wird die nötige mechanische Leistung durch die Verbrennungsmaschine 4 erzeugt. Für den typischen Betriebsfall im Kraftfahrzeug eignet sich also grundsätzlich der Leistungsverlauf der Asynchronmaschine besser, da die typischen Drehzahlhäufigkeiten gerade im Bereich des Maximums der Asynchronmaschine auftreten, also in einem Drehzahlbereich zwischen 1000 und 7000 Umdrehungen pro Minute.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung Asynchronmaschinen im Riementrieb vorteilsbringend eingesetzt werden können.

Claims

Kraftfahrzeug (1), aufweisend: – einen Verbrennungsmotor (4) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (1), – eine elektrische Maschine (6), welche eine thermische Kapazität aufweist, durch welche in einem Volllastbetrieb der elektrischen Maschine (6), in welchem eine in der elektrischen Maschine (6) bereitgestellte Kühlleistung kleiner ist als eine in der elektrischen Maschine (6) erzeugte thermische Verlustleistung, eine Temperaturreserve bereitgestellt ist und hierdurch die elektrische Maschine (6) im Volllastbetrieb erst dann eine Übertemperatur aufweist, wenn die Temperaturreserve aufgebraucht ist, – eine Steuereinrichtung (12), die dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine (6) in einer Bremsphase des Kraftfahrzeugs (1) als Generator im Volllastbetrieb zu betreiben, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Überwachungseinrichtung (15) dazu ausgelegt ist, während der Bremsphase einen Restanteil der Temperaturreserve zu ermitteln, wobei die Überwachungseinrichtung (15) dazu ausgelegt ist, eine von der elektrischen Maschine (6) abgegebene elektrische Leistung und eine Zeitdauer seit Beginn des Volllastbetriebs zu ermitteln und auf Grundlage der abgegebenen elektrischen Leistung und der Zeitdauer seit Beginn des Volllastbetriebs zu ermitteln, wie viel elektrische Energie in der elektrischen Maschine (6) gewandelt worden ist, und auf der Grundlage eines Maschinenparameters zu ermitteln, wie viel thermische Energie sich in der elektrischen Maschine (6) befinden muss und welche Temperatur sie daher aufweist, und – die Steuereinrichtung (12) dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine (6) in Abhängigkeit von dem ermittelten Restanteil zu steuern.
Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, wobei die Überwachungseinrichtung (15) zumindest einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur der elektrischen Maschine (6) aufweist und die Überwachungseinrichtung (15) dazu ausgelegt ist, eine Differenz der ermittelten Temperatur und der Übertemperatur zu signalisieren.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (12) dazu ausgelegt ist, bei der elektrischen Maschine (6) den Betrieb als Generator erst zu unterbrechen, falls der Restanteil kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, insbesondere falls der Restanteil gleich Null ist.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als die elektrische Maschine (6) eine Asynchronmaschine bereitgestellt ist.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (12) dazu ausgelegt ist, in einer der Bremsphase folgenden Antriebsphase, in welcher der Verbrennungsmotor (4) das Kraftfahrzeug (1) antreibt, die Generatorfunktion der elektrischen Maschine (6) vollständig abschalten.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (12) dazu ausgelegt ist, in einer der Bremsphase folgenden Antriebsphase, in welcher der Verbrennungsmotor (4) das Kraftfahrzeug (1) antreibt, die elektrische Maschine (6) als Motor zu betreiben und hierdurch den Verbrennungsmotor (4) mit einem Antriebsmoment beim Antreiben des Kraftfahrzeug (1) zu unterstützen.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (6) als riemengetriebener Starter-Generator, RSG, ausgestaltet ist.
Kraftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (4) Klauenpole aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (6) in einem Kraftfahrzeug (1) während einer Bremsphase des Kraftfahrzeugs (1), mit den Schritten: – Betreiben der elektrische Maschine (6) als Generator im Volllastbetrieb durch eine Steuereinrichtung (12), wobei im Volllastbetrieb eine in der elektrischen Maschine (6) bereitgestellte Kühlleistung kleiner ist als eine in der elektrischen Maschine (6) erzeugte thermische Verlustleistung, wobei die elektrische Maschine (6) im Volllastbetrieb erst dann eine Übertemperatur aufweist, wenn eine durch eine thermische Kapazität der elektrischen Maschine bereitgestellte Temperaturreserve aufgebraucht ist, – Ermitteln eines Restanteils der Temperaturreserve durch eine Überwachungseinrichtung (15), wobei die Überwachungseinrichtung (15) eine von der elektrischen Maschine (6) abgegebene elektrische Leistung und eine Zeitdauer seit Beginn des Volllastbetriebs ermittelt und auf Grundlage der abgegebenen elektrischen Leistung und der Zeitdauer seit Beginn des Volllastbetriebs ermittelt, wie viel elektrische Energie in der elektrischen Maschine (6) gewandelt worden ist, und auf der Grundlage eines Maschinenparameters ermittelt, wie viel thermische Energie sich in der elektrischen Maschine (6) befinden muss und welche Temperatur sie daher aufweist, und – Steuern der elektrischen Maschine (6) in Abhängigkeit von dem ermittelten Restanteil durch die Steuereinrichtung (12).