DE102016113610A1 - Vereinfachter Starter oder Generator für zweispannungs-versorgte Fahrzeuge - Google Patents

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Abstract

Im Rahmen der Effizienzsteigerung von durch Verbrennungsmotoren angetriebenen Fahrzeugen werden Starter und Generator als Einheit zusammengeführt. Im Rekuperationsfall wird ein 48V Akku über den Motor und einen Umrichter geladen und dieser Akku lädt über einen DC/DC Wandler das 12V System mit einem weiteren Akku. Die Erfindung schlägt vor, dies effizienter zu gestalten und dennoch preiswerter. Eine solche Motor-Starteinrichtung für das Fahrzeug mit dem Verbrennungsmotor hat zwei Frequenzumrichter (U1, U2) und einen Drehstrommotor mit zumindest zwei Drehstrom-Statorteilen (S1, S2). Ein Stator des Drehstrommotors weist die zwei Statorteile (S1, S2) mit unterschiedlicher Wicklungsauslegung auf. Ein Umrichter (U1) ist mit dem einen der Statorteile (S1) und der zweite Umrichter (U2) mit dem anderen der Statorteile (S2) elektrisch mehrphasig verbunden. Die beiden Statorteile (S1, S2) in dem einen Drehstrommotor treiben gemeinschaftlich einen Rotor an, der mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist. Der erste Umrichter (U1) ist mit einer ersten Spannungsebene und der zweite Umrichter (U2) mit einer zweiten Spannungsebene elektrisch verbunden. Beide Spannungsebenen haben Gleichspannung, indes keine gleiche Spannung.

Description

  • Im Rahmen der Effizienzsteigerung von durch Verbrennungsmotoren angetriebenen Fahrzeugen werden seit einiger Zeit Konzepte entwickelt, die den Starter und Generator als Einheit zusammenführen.
  • Die Funktion soll ein verbessertes Startverhalten, die Rekuperation von Bremsenergie und die Ladung der elektrischen Speicher zusammenführen. Hiermit lassen sich, je nach Ausprägung 6% bis 20% CO2 einsparen. Die Entwicklung ist zwischen einem Hochvolt-Vollhybrid und einer einfachen Start/Stopp Elektrik angesiedelt.
  • In vielen Untersuchungen wurde gezeigt, dass erst mit einem 48V Bordnetz eine effiziente Lösung erreicht werden kann, da die Motorströme für eine effiziente Starter/Generator-Auslegung zu hoch werden.
  • Die bekannten Lösungen bestehen aus einem 12V Bordnetz mit einem 12V Akkumulator und einem zweiten Netz mit 48V und einem weiteren Akkumulator. Wegen der sehr hohen Drehmomente von ca. 300Nm für den effizienten und schnellen Start eines Verbrennungsmotors oder einer Boost Funktion zur kurzzeitigen Erhöhung des Drehmomentes ohne fühlbare Verzögerung sind hohe Ströme zur Ansteuerung der Motoren erforderlich, die nicht ausreichend aus 12V Systemen erzeugt werden können. Zur Effizienzsteigerung und auch zur kurzzeitigen Erhöhung des Drehmomentes (i.e. Boost) werden Systeme mit elektrischen Motoren in der Antriebskette zunehmend Bedeutung erlangen und auch erforderlich sein, um politische Vorgaben zu erfüllen.
  • Die maximale elektrische Leistung des Motor/Generators beträgt dabei typisch zwischen 7kW und 15kW.
  • Die Kopplung der elektrischen Netze erfolgt nach bekannter Architektur über einen DC/DC Wandler, der Energie in beide Richtungen zwischen dem 12V und dem 48V Netz überträgt. Der elektrische Motor wird dabei aus dem 48V Netz über einen Umrichter betrieben. Damit wird im Generatorbetrieb der Motor in das 48V Netz einspeisen und der DC/DC Wandler die weiteren elektrischen Aggregate aus dem 12V Netz über die Ladung des Akkumulators im 12V Netz aus dem 48V Netz versorgen. Andererseits wird der 48V Akkumulator auch aus dem 12V Netz über den DC/DC Wandler versorgt. Im Rekuperationsfall wird der 48V Akku über den Motor und Umrichter geladen und dieser lädt dann über den DC/DC Wandler das 12V System.
  • Das ist mit der Erfindung effizienter zu gestalten und insbesondere auch preiswerter. Darin sieht die Erfindung ihre technische Aufgabe.
  • Die Erfindung schlägt vor, den DC/ DC Wandler wegzulassen und stattdessen ein System mit zwei Umrichtern einzusetzen, bei dem die AC Maschine (der AC Motor/Generator) für zwei Spannungsebenen ausgelegt ist. Er ist mit unabhängigen AC-Motorsteuerungen ausgestattet. Die zumindest zwei Wicklungen des Stators sind so ausgelegt, dass das 12V Netz an der einen Statorwicklung und das 48V Netz an der anderen Statorwicklung des Motors über je einen Umrichter mit den mehreren Phasen eines Drehstromnetzes (elektrisch) verbunden ist.
  • Der hier zuständige Fachmann kann sich das so vorstellen, als säßen zwei Motoren in Reihe auf einer Welle (oder die Welle wird von zwei Motoren entlang ihrer Länge angetrieben). Da aber der Rotor und der Stator jeder der beiden Maschinen zusammen in einem Paket verbunden wird, wird die Maschine nur geringfügig größer als eine auf eine Spannungsebene (also 48V) optimierte Maschine.
  • Beide Maschinen können über eine feldorientierte Regelung einzeln in allen vier Quadranten geregelt werden, so dass in der Startphase beide Motorteile einen Beitrag zum Drehmoment und zur Beschleunigung liefern, der 12V Motor(an)teil kann das 12V Netz versorgen und der 48V Motor(an)teil die Rekuperation oder die Boost Funktion übernehmen. Natürlich kann damit auch, da beide Umrichter je einen Motorteil steuern, die maximale Antriebsleistung entsprechend erhöht werden. Selbst im Stillstand ohne Drehmoment kann Energie von einem Netz in das andere übertragen werden, um die Akkus in ihrer Ladungsbilanz zu optimieren. Der Doppelmotor wirkt wie ein stationärer Trafo. Energie wird über ihn verschoben (zwischen und zu den beiden Netzen mit unterschiedlicher Spannung), nicht über einen separaten Leistungs-Umrichter, der direkt die beiden Spannungsebenen koppelt.
  • Die Hardware Umsetzung erfolgt mit zwei Umrichtern, der DC/ DC Wandler entfällt. Dieser verursacht höhere Kosten als ein weiterer Umrichter, da er neben elektronischen Komponenten auch aufwendige induktive Komponenten (Transformatoren, Drosseln) enthält, die im Umrichter nicht erforderlich sind.
  • Hilfreich ist insbesondere der Parallelbetrieb der beiden Motoranteile, der gegenüber der Einfachspeisung das Startdrehmoment signifikant erhöhen wird.
  • Durch eine Feldschwächung werden beide Motorhälften (Motoranteile) optimal auf den Betriebspunkt mit bestem Wirkungsgrad gesteuert.
  • 1 veranschaulicht den Stand der Technik.
  • 2 veranschaulicht ein Beispiel der Erfindung.
  • Die Motor Starteinrichtung ist für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor. Zwei Frequenzumrichter U1, U2 und ein Drehstrommotor mit zumindest zwei Drehstrom-Statorteilen S1, S2 ist vorgesehen. Ein Stator des (mehrdimensionalen) Drehstrommotors hat die beiden Statorteile S1, S2. Sie haben eine unterschiedliche Wicklungsauslegung. Ein Umrichter U1 ist mit dem einen der Statorteile S1 und der zweite Umrichter U2 mit dem anderen der Statorteile S2 elektrisch mehrphasig verbunden.
  • Die beiden Statorteile S1, S2 sind in dem einen Drehstrommotor gemeinschaftlich gekoppelt, einen Rotor anzutreiben. Er kann mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt sein. Der erste Umrichter U1 ist mit einer ersten Spannungsebene (und Batterie) und der zweite Umrichter U2 mit einer zweiten Spannungsebene (und Batterie) elektrisch verbunden.
  • Beide Spannungsebenen haben nicht-gleiche Spannungen.

Claims (5)

  1. Motor Starter Generator für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der Generator mit zwei Frequenzumrichtern (U1, U2) und einem Drehstrommotor mit zumindest zwei Drehstrom-Statorteilen, wobei ein Stator des Drehstrommotors die zwei Statorteile (S1, S2) mit unterschiedlicher Wicklungsauslegung aufweist, und ein Umrichter (U1) mit dem einen der Statorteile (S1) und der zweite Umrichter (U2) mit dem anderen der Statorteile (S2) elektrisch verbunden ist; und die beiden Statorteile (S1, S2) in dem einen Drehstrommotor mit zwei Lagerschilden angeordnet sind und ein auf einer Welle angeordneter Rotor von beiden Statorteilen (S1, S2) gemeinschaftlich antreibbar ist; wobei der erste Umrichter (U1) mit einer ersten Spannungsebene und der zweite Umrichter (U2) mit einer zweiten Spannungsebene elektrisch verbunden ist, und beide Spannungsebenen nicht gleiche Spannungen haben.
  2. Motor Starter Generator für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei eine Steuerung vorgesehen ist, die jeden Statorteil (S1; S2) unabhängig voneinander so steuert, dass jeder Statorteil unabhängig voneinander eine Eigenschaften als Motor oder Generator erhält.
  3. Motor Starteinrichtung für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mit zwei Frequenzumrichtern (U1, U2) und einem Drehstrommotor mit zumindest zwei Drehstrom-Statorteilen (S1, S2), wobei ein Stator des Drehstrommotors die zwei Statorteile (S1, S2) mit unterschiedlicher Wicklungsauslegung aufweist, und ein Umrichter (U1) mit dem einen der Statorteile (S1) und der zweite Umrichter (U2) mit dem anderen der Statorteile (S2) elektrisch mehrphasig verbunden ist; die beiden Statorteile (S1, S2) in dem einen Drehstrommotor gemeinschaftlich einen Rotor antreiben, der mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist; wobei der erste Umrichter (U1) mit einer ersten Spannungsebene und der zweite Umrichter (U2) mit einer zweiten Spannungsebene elektrisch verbunden ist, und beide Spannungsebenen nicht-gleiche Spannungen haben.
  4. Motor-Starteinrichtung nach Anspruch 1 oder 3, wobei eine Spannungsebene oberhalb von 30V und eine unterhalb von 20V ist.
  5. Motor-Starteinrichtung nach Anspruch 4, wobei jede der Spannungsebenen von jeweils zumindest einer Batterie gespeist wird.
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