DE102017222826A1

DE102017222826A1 - Vorrichtung zur Laderegelung für einen elektrischen Speicher in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017222826A1
Application number: DE102017222826.1A
Authority: DE
Inventors: Bastian Reineke; Jonathan Mueller; Wolfgang Fischer; Stefan Grodde
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-06-19
Also published as: CN109936205A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laderegelung eines elektrischen Speichers (S), insbesondere einer Batterie (B) eines Fahrzeugbordnetzes (100), welcher mit einer an eine Brennkraftmaschine (112) direkt oder übersetzt koppelbaren elektrischen Maschine (30), umfassend einen Rotor (32), einen Stator (33) mit zumindest einer Phasenwicklung (U, V, W), und einem der zumindest einen Phasenwicklung (U, V, W) zugeordneten Gleichrichter (36), mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist. Diese Vorrichtung weist eine Steuereinheit (40) auf, die eingerichtet ist eine Betriebsspannung (U) des elektrischen Speichers (S) zu ermitteln und bei Überschreiten eines ersten Sollwerts (U) des elektrischen Speichers (S) zumindest einen Schalter (42) derart anzusteuern, dass ein Stromfluss (I) von der elektrischen Maschine (30) in den elektrischen Speicher (S) unterbunden wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laderegelung eines elektrischen Speichers, insbesondere einer Batterie eines Fahrzeugbordnetzes welcher mit einer an eine Brennkraftmaschine direkt oder übersetzt koppelbaren elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor, einen Stator mit zumindest einer Phasenwicklung und einem der zumindest einen Phasenwicklung zugeordneten Gleichrichter, mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist.
Stand der Technik
Bei jedem modernen Fahrzeug mit Brennkraftmaschine, ist ein Generator verbaut, der durch die Drehung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird und elektrische Signale und elektrische Energie liefert, die zur Versorgung des Fahrzeugs und dem Aufladen der Fahrzeugbatterie dient.
Ein Betrieb eines Fahrzeugs ohne diesen Generator, ist nicht oder nur für sehr kurze Zeit möglich. Zur Regelung der Batteriespannung wird ein Regler verwendet, der die Betriebsspannung der Batterie auf einen Sollwert einregeln kann. Dieser hat jedoch den Nachteil, dass der Regler derart in den Betrieb des Gleichrichters der elektrischen Maschine eingreift, so dass etwaige Signale aus der elektrischen Maschine, die in Form von Phasensignalen zur Ermittlung einer Drehzahl bzw. Drehwinkelposition der Kurbelwelle herangezogen werden, beeinträchtig werden, so dass während einer Regelung der Batteriespannung die Erfassung von Drehwinkelposition und/oder einer Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine nicht möglich ist.
Es wäre daher wünschenswert einen verbesserten Regler zur Batteriespannungsregelung anzugeben, der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein die Vorrichtung aufweisendes Motorsteuergerät gemäß Anspruch 11 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Es wird eine Vorrichtung zur Laderegelung eines elektrischen Speichers, vorzugsweise einer Batterie eines Fahrzeugbordnetzes, welcher mit einer an eine Brennkraftmaschine direkt oder übersetzt koppelbaren elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor, einen Stator mit zumindest einer Phasenwicklung, und einem der zumindest einen Phasenwicklung zugeordneten Gleichrichter, mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist, vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist eine Steuereinheit auf, die eingerichtet ist, eine Betriebsspannung des elektrischen Speichers zu ermitteln und bei Überschreiten eines ersten Sollwerts der Spannung des elektrischen Speichers zumindest einen Schalter derart anzusteuern, dass ein Stromfluss von der elektrischen Maschine in den elektrischen Speicher unterbunden wird. Das Vorsehen einer Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, einen Schalter, der dem Gleichrichter der elektrischen Maschine unmittelbar nachgeordnet ist derart zu beaufschlagen, dass eine Spannungsregelung der Batteriespannung erfolgen kann, ist besonders vorteilhaft, da hierdurch eine Regelung der Batteriespannung auf besonders einfache Weise erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit zudem dazu eingerichtet, zumindest einen Wert, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors auftritt und mit zumindest einer aufsteigenden Flanke des Phasensignals oder abfallenden Flanke des Phasensignals assoziiert ist, zu erfassen, wobei nach dem Detektieren des Werts der Stromfluss von der elektrischen Maschine in den elektrischen Speicher unterbunden wird. Der Wert muss dabei nicht bei jedem Auftreten für einen Schaltvorgang verwendet werden, sondern kann auch nur jedes „n-te Mal“ als Schaltauslöser dienen. Die entsprechenden Werte sind mit Flanken des Phasensignals assoziiert, wobei die Flanken des Phasensignals ihrerseits zur Bestimmung der Drehzahl bzw. der Drehwinkelposition des Rotors herangezogen werden. Die Werte entsprechen somit einem Schwellwert, der herangezogen wird, um eine derartige Flanke sicher zu erkennen. Der Umstand, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Betriebsspannung des elektrischen Speichers erst dann zu regeln, wenn derartige Flanken sicher erkannt werden können, ist besonders vorteilhaft, da hierdurch eine Spannungsregelung der Betriebsspannung des elektrischen Speichers nicht in Konflikt steht mit einer Ermittlung der Flanken der Phasenspannung, welche insbesondere zur Ermittlung der Drehwinkelposition des Rotors bzw. der Drehzahl des Rotors herangezogen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schalter derart angeordnet, dass ein erster Pfad des Gleichrichters und ein zweiter Pfad des Gleichrichters bei einer Schließstellung des zumindest einen Schalters zum Unterbinden des Stromflusses in den elektrischen Speicher kurzgeschlossen ist.
Durch ein Kurzschließen des zumindest ersten und zweiten Pfades des Gleichrichters kann ein Unterbinden des Stromflusses auf besonders einfache und sichere Weise erfolgen, wobei der Gleichrichter geschont wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ferner ein den Stromfluss in zumindest eine Richtung begrenzendes Element derart angeordnet, dass in einer Schließstellung des zumindest einen Schalters ein Kurschließen des elektrischen Speichers verhindert wird. Durch die Anordnung eines derartigen, den Stromfluss in zumindest eine Richtung begrenzendes Element, kann bei einer Spannungsbegrenzung durch Kurzschließen des Gleichrichters sicher verhindert werden, dass zudem auch die Batterie kurzgeschlossen wird, was sehr vorteilhaft ist, da hierdurch eine Beschädigung der Batterie bzw. des elektrischen Speichers sicher verhindert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das den Stromfluss in zumindest eine Richtung begrenzende Element eine Diode oder ein Transistor, vorzugsweise ein Metalloxidfeldeffekttransistor (MOSFET). Die Verwendung einer Diode als den Stromfluss in zumindest eine Richtung begrenzendes Element ist besonders vorteilhaft, da eine Diode besonders günstig ist und im Rahmen einer entsprechenden Schaltung besonders preiswert umgesetzt werden kann. Die Verwendung eines Transistors, insbesondere eines MOSFET hat den Vorteil, dass es sich hierbei um ein aktives Bauelement handelt, das zum Schutz der Batterie seitens der Steuereinheit gezielt angesteuert werden kann, was sowohl eine Spannungsbegrenzung, als auch ein Schutz der Batterie noch weiter verbessert. Darüber hinaus ist die Verwendung eines MOSFET besonders vorteilhaft, da dieser besonders geringe Verlustleistung generiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Diode, die als ein den Stromfluss in zumindest eine Richtung begrenzendes Element verwendet wird, dem ersten Pfad des Gleichrichters oder dem zweiten Pfad des Gleichrichters in Richtung des Stromflusses zum elektrischen Speicher nachgelagert angeordnet. Hierdurch kann besonders einfach ein Schutz der Batterie gewährleistet werden. Hierbei ist es weiter bevorzugt, dass die Diode im Stromkreis derart orientiert ist, dass die Diode im eingebauten Zustand die gleiche Durchflussrichtung des Stromes hat, wie die vorgelagerten Gleichrichterelemente des Gleichrichters.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der erste Pfad des Gleichrichters und der zweite Pfad des Gleichrichters zumindest eine Diode zur Gleichrichtung der zumindest einen Phasenspannung auf. Die Verwendung von Dioden im Gleichrichter ist besonders vorteilhaft, da hierdurch eine Gleichrichtung besonders einfach und kostengünstig gewährleistet werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der ersten Pfad des Gleichrichters und/oder der zweite Pfad des Gleichrichters zumindest einen Transistor zur Gleichrichtung der zumindest einen Phasenspannungen auf. Die Verwendung eines Transistors zur Gleichrichtung ist besonders vorteilhaft, da ein Transistor, insbesondere ein Metalloxidfeldeffekttransistor (MOSFET) besonders wenig verlustbehaftet ist. Zudem kann durch die Verwendung eines Transistors im Gleichrichter je nach Verschaltung des Gleichrichters auch die Funktion des Schalters, der zum Kurzschließen der beiden Pfade des Gleichrichters vorgesehen ist, entsprechend ersetzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eine Phasenwicklungen, vorzugsweise jede der Phasenwicklungen über jeweils eine Diode mit dem Schalter verbunden. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da hierdurch der Generator bzw. die einzelnen Phasen des Generators phasenweise kurzgeschlossen werden können, um hierdurch ein Überladen des nachgelagerten elektrischen Speichers zu verhindern. Zudem verhindern die jeweiligen Dioden des Gleichrichters, dass sich bei einer derartigen Konstellation die Batterie bei einem Durchschalten des Schalters und beim Kurzschluss der jeweiligen Phasen über den Gleichrichter entlädt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der erste Pfad des Gleichrichters und/oder der zweite Pfad des Gleichrichters zumindest einen Transistor zur Gleichrichtung der zumindest einen Phasenspannung auf, wobei der zumindest eine Transistor bzw. zumindest einer der Transistoren, als Schalter zur Regelung der Betriebsspannung des elektrischen Speichers dient und entsprechend beaufschlagbar ist. Der zumindest eine Transistor, vorzugsweise alle der Transistoren, die im jeweiligen Pfad des Gleichrichters angeordnet sind, sind vorzugsweise von der Steuereinheit getrennt beaufschlagbar, derart, dass je nach Schalten des jeweiligen Transistors in eine Schließstellung die Pfade des Gleichrichters kurzgeschlossen werden. Ferner ist hierbei von Vorteil, dass die entsprechenden gleichrichtenden Elemente des jeweils anderen Pfades des Gleichrichters, die vorzugsweise in Form von Dioden ausgebildet sind, ein Kurzschluss der Batterie verhindert.
Für den Fall, dass beide Pfade des Gleichrichters Transistoren aufweisen, ist darauf zu achten, dass die Transistoren in den jeweiligen Pfaden bzw. in den jeweils zugeordneten Phasen in einem Pfad im Gegentakt zu den Transistoren im anderen Pfad geschaltet sind. D. h., wenn der Transistor im ersten Pfad für eine Phase durchgesteuert, also leitend geschaltet ist, muss der entsprechend korrespondierende Transistor des jeweils anderen Pfades, sprich des zweiten Pfades, in einer Offenstellung sein, so dass ein Kurzschließen der Batterie verhindert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung zur Ladereglung eines elektrischen Speichers mit einem Motorsteuergerät zur Steuerung der Brennkraftmaschine verbunden, wobei die Vorrichtung in baulicher Einheit mit dem Motorsteuergerät oder entsprechend baulich von diesem getrennt angeordnet ist, wobei die Vorrichtung Signale zur Steuerung der Betriebsspannung des elektrischen Speichers vom Motorsteuergerät empfängt. Je nach Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, die Vorrichtung zur Regelung der Betriebsspannung eines elektrischen Speichers bzw. die darin enthaltene Steuereinheit entweder in ein Motorsteuergerät zur Steuerung einer Brennkraftmaschine zu integrieren, insbesondere baulich zu integrieren.
Es kann auch vorgesehen sein diese vom Motorsteuergerät getrennt, jedoch in Verbindung zum Austausch von Signalen mit dem Motorsteuergerät, anzuordnen. Des Weiteren kann eine Integration der Vorrichtung zur Regelung der Betriebsspannung des elektrischen Speichers in das Motorsteuergerät vorteilhaft sein, da hier Synergieeffekte innerhalb des Motorsteuergeräts genutzt werden können. Eine bauliche Trennung der Vorrichtung sowie des Motorsteuergeräts kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn ein und dasselbe Motorsteuergerät für eine Vielzahl von elektrischen Maschinen und deren zugeordneten Ladereglern verwendbar ist, wodurch sich eine höhere Flexibilität in der Anpassung der jeweiligen Komponenten aufeinander ergibt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen.
Figurenliste

1a bis c zeigen eine schematische Darstellung einer an eine Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine (a), eine Vorrichtung zur Laderegelung eines elektrischen Speichers gemäß einer ersten Ausführungsform (b), und typische Signalverläufe (c) der Phasenspannungen;
2 zeigt schematisch eine elektrische Maschine, mit den entsprechenden zugehörigen Phasensignalen;
3a und 3b zeigen mögliche Spannungsverläufe der Phasen einer dreiphasigen elektrischen Maschine;
4a - 4e zeigt fünf weitere Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Laderegelung, die zur Regelung der Batteriespannung eingerichtet ist.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1a ist eine Brennkraftmaschine 112 abgebildet, an die direkt oder übersetzt gekoppelt eine elektrische Maschine 30 angebunden ist, wobei die elektrische Maschine 30 durch die Kurbelwelle 17' der Brennkraftmaschine 112 angetrieben wird. Somit weist die Drehzahl n_Gen der elektrischen Maschine 30 und die Drehzahl n_BKM der Kurbelwelle 17' sowie die Winkelposition α₁ des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30 und die Drehwinkelposition α der Kurbelwelle 17' ein festes Verhältnis zueinander auf. Der elektrischen Maschine 30 ist zudem ein Laderegler LR zugeordnet, der einen elektrischen Speicher S in Form einer Batterie B innerhalb des Bordnetzes 110, entsprechend der noch verbleibenden Kapazität der Batterie B bzw. anhand einer Sollspannungsvorgabe mit Energie versorgt.
Des Weiteren ist eine Recheneinheit, insbesondere ein Motorsteuergerät 122 vorgesehen, das Daten über eine Kommunikationsverbindung 124 mit der elektrischen Maschine 30 bzw. mit der Brennkraftmaschine 112 austauscht und dazu eingerichtet ist, die Brennkraftmaschine 112 und die elektrische Maschine 30 entsprechend anzusteuern. Zudem ist zwischen dem Laderegler LR und dem Motorsteuergerät eine Kommunikationsverbindung 125 vorgesehen, mittels derer ein Datenaustausch bzw. eine Ansteuerung des Ladereglers LR durch das Motorsteuergerät 122, oder umgekehrt, erfolgen kann. Auch eine bauliche Integration des Ladereglers LR in das Motorsteuergerät 122 kann vorteilhaft sein.
In 1b ist die elektrische Maschine 30 nochmals in vergrößerter Form schematisch dargestellt. Die elektrische Maschine 30 weist einen eine Welle 17 aufweisenden Rotor 32 mit einer Erregerwicklung und einem Stator 33 mit Ständerwicklung auf. Es handelt sich daher um eine fremderregte Maschine, wie sie insbesondere bei Kraftfahrzeugen üblich ist. Insbesondere für Krafträder, insbesondere bei Klein- und Leichtkrafträdern, werden jedoch meist Motoren mit Permanentmagneten, d. h. permanenterregte elektrische Maschine eingesetzt. Im Rahmen der Erfindung können grundsätzlich beide Arten von elektrischen Maschinen verwendet werden, wobei insbesondere der erfindungsgemäße Laderegler LR nicht von der Verwendung der jeweiligen Art der elektrischen Maschine - permanenterregte elektrische Maschine oder fremderregte elektrische Maschine - abhängt.
Beispielhaft ist die elektrische Maschine 30 als Drehstromgenerator ausgebildet, in welcher drei zueinander um 120° phasenverschobenen Phasenspannungssignale induziert werden. Derartige Drehstromlichtmaschinen werden üblicherweise als Generatoren in modernen Kraftfahrzeugen verwendet und sind für die Verwendung eines dem Generator nachgelagerten erfindungsgemäßen Ladereglers geeignet. Im Rahmen der Erfindung können grundsätzlich alle elektrischen Maschinen unabhängig von der Anzahl ihrer Phasen verwendet werden.
Die drei Phasen des Drehstromgenerators 30 sind mit U, V, W bezeichnet. Über das als Plusdioden D_H eines ersten Pfades 34a und Minusdioden D_L eines zweiten Pfads 35a ausgebildete Gleichrichtelement 36, werden die an den Phasen abfallenden Spannungen U_U , U_V , U_W gleichgerichtet. Zwischen den Polen B+ und B- liegt somit eine Generatorspannung U_G , bei welcher der Minuspol auf Masse liegt, an. Von einem derartigen Drehstromgenerator 30 werden beispielsweise eine Batterie B bzw. andere Verbraucher innerhalb des Bordnetzes 110 versorgt.
Zudem ist ein Laderegler LR mit einer Steuereinheit 40a vorgesehen, der von der Generatorspannung U_G gespeist ist und einen Schalter 42a für den Fall einer Spannungsregelung der Batterie B derart ansteuert, dass die Pfade 34a, 35a des Gleichrichters 36 kurzgeschlossen werden. Um ein paralleles Kurzschließen der Batterie B zu verhindern, ist eine weitere Diode D vorgesehen, die der Art hinter dem Gleichrichter 36 angeordnet ist, dass ebendies verhindert wird. Im offenen Zustand des Schalters 42a wird der Gleichrichter 36 normal betrieben und beaufschlagt somit die Batterie B bzw. den elektrischen Speicher S mit elektrischer Energie.
In 1c sind drei Diagramme dargestellt, die die zugehörigen Spannungsverläufe gegenüber dem Drehwinkel des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30 zeigen. Im oberen Diagramm sind die Spannungsverläufe an den Phasen U, V, W und die zugehörige Phasenspannung U_P eingetragen. Allgemein versteht sich, dass die in diesem Diagramm und in den nachfolgenden Diagrammen angegebenen Zahlen und Wertebereiche lediglich exemplarisch sind, und daher die Erfindung im Grundsatz nicht beschränken.
Im mittleren Diagramm ist die Generatorspannung U_G , die durch die Hüllkurven der positiven und negativen Halbwellen der Spannungsverläufe U, V, W gebildet wird, gezeigt.
Im unteren Diagramm ist schließlich die gleichgerichtete Generatorspannung U_G -(vgl. 1b), zusammen mit dem Effektivwert U_Geff dieser Generatorspannung U_G -, die zwischen B+ und B- anliegen, gezeigt.
In 2 ist schematisch der Stator 33 mit den Phasen U, V, W, sowie den Plusdioden 34a und Minusdioden 35a aus 1b gezeigt. Grundsätzlich versteht sich, dass die hier abgebildeten Gleichrichterelemente in Form von Plusdioden 34 und Minusdioden 35 im Falle eines aktiven Gleichrichters auch als Transistoren, insbesondere MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ausgebildet sein können (nicht dargestellt). Zudem ist die im Folgenden benutzte Nomenklatur der auftretenden Spannungen und Ströme dargestellt.
U_U , U_V , U_W bezeichnen alternativ die Phasenspannungen der zugehörigen Phasen U, V, W, wie sie zwischen einem Außenleiter und dem Sternpunkt des Stators 33 abfallen. U_UV , U_VW , U_WU , bezeichnen die Spannungen zwischen zwei Phasen bzw. deren zugehörigen Außenleitern.
I_U , I_V , I_W bezeichnen die Phasenströme vom jeweiligen Außenleiter einer Phase U, V, W zum Sternpunkt. I bezeichnet den Gesamtstrom aller Phasen nach der Gleichrichtung.
In 3a sind nun drei Phasenspannungen U_U , U_V , U_W mit Potentialbezug auf B- in drei Diagrammen gegenüber der Zeit dargestellt, wie sie in einem Generator mit einem Außenpolläufer mit sechs Permanentmagneten auftreten. Diese Darstellung einer elektrischen Maschine 30, mit einer dreiphasigen Statorwicklung 33 ist lediglich beispielhaft zu sehen, wobei grundsätzlich, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, die erfindungsgemäße Vorrichtung auch auf einem Generator mit einer entsprechend bedarfsgerechten Anzahl an Phasen oder Permanentmagneten oder Erreger-Spulen verwendbar ist. Ebenfalls können statt einer Stern-Verschaltung der Stator-Spulen auch eine Dreiecks-Verschaltung oder weitere Verschaltungsweisen gewählt werden.
Bei einer elektrischen Maschine 30 mit Stromabgabe, ist der Verlauf der Phasenspannungen U_U , U_V , U_W in erster Näherung rechteckförmig. Dies erklärt sich insbesondere dadurch, dass durch die Generatorspannung entweder die Plus- oder die Minusdioden in Flussrichtung leiten, und daher entweder in etwa 15-16 Volt (Batterieladespannung bei 12V Blei-Säure-Akkumulator und Spannung an Plusdioden), oder Minus 0,7-1 Volt (Spannung an Minusdioden), gemessen wird. Bezugspotential der Messung ist jeweils Masse. Es können auch andere Bezugspotentiale wie zum Beispiel der Sternpunkt des Stators gewählt werden. Diese ergeben abweichende Signalverläufe ändern jedoch nicht die auswertbaren Informationen, deren Gewinnung und Auswertung.
Grundsätzlich können die Phasensignale (U_U , U_V , U_W , I_U , I_V , I_W ) auf verschiedene Weise gewonnen werden. Möglich ist beispielsweise eine Ermittlung der Phasenspannungen gegeneinander (U_UV , U_UW , U_WU ), eine Ermittlung der Phasenspannungen über die Dioden eines angeschlossenen Gleichrichters gegen dessen Ausgangsklemmen (B+, B-), sofern der Stator der elektrischen Maschine in Sternschaltung mit abgreifbarem Sternpunkt ist, eine Betrachtung der Ausgangsspannung der Stränge gegen den Sternpunkt (U_U , U_V , U_W ) oder eine vergleichbare Auswertung der Phasenströme.
In 3b sind die Phasenspannungen U_U , U_V , U_W aus 3a in einem Diagramm zusammen aufgetragen. Hierbei ist deutlich der gleichmäßige Phasenversatz zu erkennen.
Während einer vollen Umdrehung des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30, werden die Spannungssignale durch sechs Magnete (insbesondere Permanentmagnete), die sogenannten Polpaare, sechs Mal wiederholt. Dementsprechend treten pro Phase, d. h. pro Phasenspannung U_U , U_V , U_W pro Umdrehung des Rotors 32 sechs fallende Flanken FL_D und sechs steigende Flanken FL_U (für die jeweiligen Phasen FL_UU , FL_VU , FL_WU und FL_UD , FL_VD , FL_WD ) auf.
Diese Flanken legen einen Winkelabschnitt fest, nämlich genau den Winkelabschnitt, der durch die Magnete entlang des radialen Umfangs des Stators abgedeckt ist. Demnach lässt sich bei Erkennen der jeweiligen Flanken FL_U , bzw. FL_D , bei Kenntnis eines absoluten Bezugspunkts pro Umlauf, der beispielsweise anhand eines Referenzmagneten mit von den sonstigen Magneten abweichender Charakteristik der Phasenspannung U_U , U_V , U_W gekennzeichnet ist, ermittelt werden.
Mit geeigneten Mitteln können nun sowohl die fallenden Flanken FL_D als auch die steigenden Flanken FL_U erkannt werden. Beispielsweise kann für jede Phasenspannung mittels eines sogenannten Schmitt-Triggers ein TTL-Signal generiert und an ein Steuergerät übermittelt werden. Die benötigten Schmitt-Trigger können entweder im Steuergerät oder in der Steuerelektronik, beispielsweise einem Steuergerät, einem Regler für die Batteriespannung und/oder im Fall eines aktiven Gleichrichters, im jeweiligen Generatorregler integriert oder diesen auch extern zugeordnet sein. Die einzelnen TTL-Signale können insbesondere für den Fall der Verwendung eines Steuergerät, insbesondere eines Motorsteuergeräts 122 (vgl. 1a), über je eine Leitung, oder durch eine vorgelagerte Kombinationselektronik oder anderes geeignet zusammengefasst, über nur eine Datenleitung 124 übermittelt werden.
In 3b sind den Enden der jeweiligen fallenden Flanken der Phasenspannung U_U , U_V , U_W jeweils Werte W_U , W_V , W_W zugeordnet, die auch als W_Ud , W_Vd , W_Wd bezeichnet werden. Gleichermaßen können auch den steigenden Flanken FL_U entsprechende Werte W_Uu , W_Vu , W_Wu zugeordnet werden. Diese Werte können der Erkennung einer Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 bzw. einem durch die Polpaare des Stators 33 festgelegten Winkelinkrements dienen. Auch eine Erkennung der Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 anhand der Plateaubereiche der Phasensignale oder anderen Bereichen dazwischen ist möglich. Gleichermaßen können die Werte auch dazu genutzt werden, anhand von Zeitdifferenzen Δt₁, Δt₂, Δt₃, die Drehzahl des Generators zu ermitteln.
Hierbei treten bei einer gleichmäßigen Anordnung der sechs Permanentmagnete in der elektrischen Maschine 30, insgesamt 18 fallende Flanken FLd und somit 18 zugehörige Werte pro Umdrehung in jeweils gleichen Abständen zueinander auf. Während eine Zeitdifferenz Δt₁, Δt₂, oder Δt₃ wird somit ein Winkel 360° / 18 = 20° überstrichen. Wie bereits eingangs erwähnt, kann dies auch zur Erkennung der Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 herangezogen werden, wobei die beispielhaft ermittelten 20° das detektierbare Winkelinkrement darstellt. Zudem lässt sich hieraus auch die Winkelgeschwindigkeit ω_i ermitteln. Diese ergibt sich aus ω_i = 20°/Δt_i und die dazugehörige Drehzahl n_i aus n_i = ω_i/360°·60s/min in Umdrehungen pro Minute.
Es versteht sich grundsätzlich, dass alternativ zu den fallenden Flanken FL_D auch die steigenden Flanken zur Ermittlung der Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 als auch zur Ermittlung der Momentandrehzahl n_Gen der elektrischen Maschine 30 verwendbar sind. Durch die doppelte Anzahl an Werten pro Umdrehung, ergibt sich dementsprechend eine höhere Auflösung, sowohl der Drehwinkellage α₁ des Rotors 32, als auch der Drehzahl n_Gen. Zudem können die Flanken der Phasen auf vielfältige weitere Art und Weise ausgewertet werden, beispielsweise durch die zeitlichen Abstände der steigenden Flanken FLu und fallenden Flanken FL_D jeweils der gleichen Phasen oder von den jeweiligen Phasen zueinander oder durch den zeitlichen Abstand von steigenden Flanken FL_U bzw. fallenden Flanken FL_D der gleich Phase, oder aller Phasen zusammen.
Neben den aufsteigenden Flanken FLu und abfallenden Flanken FL_D können für eine verbesserte Auflösung der Ermittlung der Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 bzw. einer Drehzahlerkennung n_Gen, auch die Nulldurchgänge der Phasensignale U_U , U_V , U_W herangezogen werden.
Die tatsächliche Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 und dessen Welle 17 und damit die Drehwinkelposition α der Kurbelwelle 17', lassen sich aus den elektrischen Signalen der elektrischen Maschine 30, insbesondere den Phasensignalen U_U , U_V , U_W , bzw. den dazugehörigen Phasenströmen I_U , I_V , I_W lediglich mit unzureichender Genauigkeit bestimmen, da im Falle einer belasteten elektrischen Maschine 30 infolge des Stromflusses, es zu einem systematischen Fehler in Form eines Winkelversatzes zwischen der Phasenlage der Phasensignale Uu, U_V , U_W , bzw. I_U , I_V , I_W und der tatsächlichen Drehwinkellage α₁ des Rotors 32 kommt. Dies wird in den nachfolgenden Abbildungen näher erläutert.
In 4a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ladereglers LR dargestellt. Gleiche bzw. gleichartige Elemente zum ersten Ausführungsbeispiel (vgl. 1 b) werden mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bezugszeichen ergänzt mit einem weiteren Buchstaben b dargestellt. Auf die grundsätzliche Beschreibung bereits bekannter Elemente wird in Bezug zu dieser Ausführungsform und in Bezug zu den weiteren, noch folgenden Ausführungsformen, grundsätzlich auf die jeweiligen Beschreibungen der Ausführungsformen Bezug genommen und es werden hinsichtlich der jeweiligen Beschreibung lediglich die Veränderungen gegenüber den weiteren Ausführungsbeispielen dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird vereinfacht von einer schematisch dargestellten, zweiphasigen elektrischen Maschine 30 mit den Phasen U und V ausgegangen, wobei an den Phasen jeweils Phasenspannungen Uu bzw. Uv anliegen. Genau genommen zeigt 4a eine einphasige Maschine mit beiden herausgeführten Spulenenden. Diese besteht aus zwei Spulen, deren eine Enden herausgeführt sind und deren andere Enden verbunden werden und damit vom Aufbau her eine einphasige Maschine darstellen. Die Besonderheit an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass die Steuereinheit 40b die den Schalter 42b zur Ladereglung und zum Kurzschluss des ersten Zweigs 34b bzw. zweiten Zweigs 35b des Gleichrichterst 36 beaufschlagt, in einem Motorsteuergerät 122 angeordnet ist. In diesem Motorsteuergerät 122 ist ferner eine Drehzahldetektionsvorrichtung 45 angeordnet. Diese weist eine Kommunikationsverbindung 46 zu einem Signalgenerator 47 auf, der mit zumindest einer der Phasen (V) verbunden ist, um die für eine Ermittlung der Drehzahl n der elektrischen Maschine 30 erforderlichen Flanken FL_U bzw. FL_V der Phasenspannung U_U , U_V zu ermitteln. Die grundsätzliche Ermittlung der Drehzahl n wurde Eingangs (insbesondere in Bezug zu 3b) bereits beschrieben.
In 4b ist eine weitere Ausführungsform des Ladereglers LR dargestellt. Auch hier wird der Schalter 42c wieder von der Steuereinheit 40c angesteuert, wobei bei einer Schließstellung des Schalters 42c der Schalter leitend ist und die Zweige 35c, beziehungsweise 34c (hier nicht abgebildet) des Gleichrichters 36 entsprechend kurzschließt. Dies geschieht in diesem Fall Phasenweise, entsprechend der Phase U, V, W, da hier bei jeder Phase eine Diode D1 bis D3 zugeordnet ist. Je nach Phasenlage wird die jeweilige Phase kurzgeschlossen und es wird ein Überladen der Batterie B verhindert. Dioden D_H des ersten Zweigs 34c des Gleichrichters 36 verhindern hierbei, dass bei einem Kurzschluss der jeweiligen Phase U, V, W auch die Batterie B kurzgeschlossen wird.
In 4c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ladereglers LR beschrieben. Hierbei weist der zweite Pfad 35d des Gleichrichters 36 pro Phase, U, V, W jeweils einen Schalter 42d in Form eines Transistors auf, der in Form eines MOSFET-Transistors dargestellt ist, als Transistor mit entsprechender Inversdiode. Der Transistor hat jeweils sowohl eine gleichrichtende Funktion im unteren Pfad 35d des Gleichrichters als auch eine kurzschließende Funktion der jeweiligen Phase, der der jeweilige Transistor zugeordnet ist. Hierdurch kann durch ein entsprechendes Ansteuern des jeweiligen Transistors 42d durch die Steuereinheit 40d der Gleichrichter 36 kurgeschlossen und somit der Stromfluss I in die Batterie B unterbunden werden. Ein Kurzschließen der Batterie B wird hierbei wieder durch die Dioden D_H im ersten Pfad 34d verhindert.
Ebenfalls können im oberen Pfad 34d Transistoren und dafür im unteren Pfad 35d Dioden verwendet werden. In diesem Fall erfolgt die Regelung des Stromflusses I durch Kurzschließen über den oberen Pfad 34d, während der untere Pfad 35d ein Kurzschließen der Batterie B vermeidet (entsprechende Vorrichtung nicht abgebildet).
In 4d ist eine weitere Ausführungsform des Ladereglers LR beschrieben. Hierbei ist sowohl der erste Pfad 34e mit Transistoren T_H als auch der zweite Pfad 35e mit Transistoren T_L bestückt, die den jeweiligen Phasen U, V, W zugeordnet sind. Die jeweiligen Transistoren T_H , T_L sind von der Steuereinheit 40e jeweils entsprechend beaufschlagbar, so dass sowohl eine Gleichrichtung der Phasenspannungen U_U , U_V , U_W als auch ein Kurzschließen der jeweiligen Pfade 34e, 35e zur Laderegelung der der Batterie B erfolgen kann.
Vorliegend ist die Steuereinheit 40e getrennt zum Motorsteuergerät 122 angeordnet, wobei beide miteinander mittels einer Datenverbindung 125e, zum Austausch von Daten bzw. zur Ansteuerung der Steuereinheit 40e durch das Motorsteuergerät 122 oder umgekehrt, verbunden sind. Für den Fall einer Laderegelung, wird jeweils in einem Pfad 35e, 34e die jeweiligen Transistoren T_H , T_L durchgesteuert, so dass diese leitend werden. Zum Schutz der Batterie B sollten jeweils die korrespondierenden Transistoren T_H , T_L des jeweils anderen Pfades in Sperrrichtung geschaltet sein, so dass ein Kurzschluss der Batterie B verhindert wird.
In 4e ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ladereglers LR dargestellt. Hierbei unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel gegenüber dem in 4d gezeigtes Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass das Motorsteuergerät 122 als auch die Steuereinheit 40f baulich in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, was synergetische Vorteile bietet, um entsprechend eine Brennkraftmaschine 112 bzw. die elektrische Maschine 30 anzusteuern.
Grundsätzlich versteht sich, dass die Recheneinheit 40 bzw. das Motorsteuergerät 122 entweder baulich getrennt oder gemeinsam in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein können.

Claims

Vorrichtung zur Laderegelung eines elektrischen Speichers (S), insbesondere einer Batterie (B) eines Fahrzeugbordnetzes (100), welcher mit einer an eine Brennkraftmaschine (112) direkt oder übersetzt koppelbaren elektrischen Maschine (30), umfassend einen Rotor (32), einen Stator (33) mit zumindest einer Phasenwicklung (U, V, W), und einem der zumindest einen Phasenwicklung (U, V, W) zugeordneten Gleichrichter (36), mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist, mit einer Steuereinheit (40), die eingerichtet ist eine Betriebsspannung (U_B) des elektrischen Speichers (S) zu ermitteln und bei Überschreiten eines ersten Sollwerts (U_soll1) des elektrischen Speichers (S) zumindest einen Schalter (42) derart anzusteuern, dass ein Stromfluss (I) von der elektrischen Maschine (30) in den elektrischen Speicher (S) unterbunden wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (40) dazu eingerichtet ist zumindest einen Wert (W_Uu, W_Ud, W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd), der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors (32) auftritt und mit zumindest einer aufsteigenden Flanke (Fl_Uu, Fl_Vu, Fl_Wu) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) oder abfallenden Flanke (Fl_Ud, Fl_Vd, Fl_Wd) des Phasensignals (U_U, U_V, U_W, I_U, I_V, I_W) assoziiert ist, zu erfassen, wobei nach dem Detektieren eines Werts (W_Uu, W_Ud, W_Vu, W_Vd, W_Wu, W_Wd) der Stromfluss (I) von der elektrischen Maschine (30) in den elektrischen Speicher (S) unterbunden wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schalter (42) derart angeordnet ist, dass ein erster Pfad (34) des Gleichrichters (36) und/oder ein zweiter Pfad (35) des Gleichrichters (36) bei einer Schließstellung des zumindest einen Schalters (42) zum Unterbinden des Stromflusses (I) in den elektrischen Speicher (S) kurzgeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein den Stromfluss (I) in zumindest eine Richtung begrenzendes Element (D,T) derart angeordnet ist, dass in einer Schließstellung des zumindest einen Schalters (42) ein Kurzschließen des elektrischen Speichers (S) verhindert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das den Stromfluss (I) in zumindest eine Richtung begrenzende Element (D,T) eine Diode (D) oder ein Transistor (T), vorzugsweise ein Metall-Oxid-Feldeffekttransistor, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Diode (D) dem ersten Pfad (34) des Gleichrichters (36) oder dem zweiten Pfad (35) des Gleichrichters (36) in Richtung des Stromflusses (I) zum elektrischen Speicher (S) nachgelagert angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Pfad (34) des Gleichrichters (36) und der zweite Pfad (35) des Gleichrichters (36) zumindest eine Diode (D_H, D_L) zur Gleichrichtung der zumindest einen Phasenspannung (U_U, U_V, U_W) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Pfad (34) des Gleichrichters (36) und/oder der zweite Pfad (35) des Gleichrichters (36) zumindest einen Transistor (T_H, T_L) zur Gleichrichtung der zumindest einen Phasenspannung (U_U, U_V, U_W) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Phasenwicklungen (U, V, W), vorzugsweise jede Phasenwicklungen (U, V, W), über jeweils eine Diode (D₁, D₂, D₃) mit dem Schalter (40b) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der erste Pfad (34) des Gleichrichters (36) und/oder der zweite Pfad (35) des Gleichrichters (36) zumindest einen Transistor (T_H, T_L) zur Gleichrichtung der zumindest einen Phasenspannung (U_U, U_V, U_W) aufweist, wobei zumindest einer der Transistoren (T_H, T_L) als Schalter (42c) zur Regelung der Betriebsspannung (U_B) des elektrischen Speichers (S) beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die mit einem Motorsteuergerät (122) zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (12) verbunden, jedoch in baulicher Einheit mit dem Motorsteuergerät (122) oder von diesem baulich getrennt angeordnet ist, wobei die Vorrichtung Regelsignale zur Regelung der Betriebsspannung (U_B) des elektrischen Speichers (S) vom Motorsteuergerät (122) empfängt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ein Erfassungselement (45) zur Erfassung der Drehzahl (n) des Rotors (32) oder dessen Drehwinkelposition (α₁) aufweist.
Motorsteuergerät (122) zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (12), die eine Vorrichtung zur Laderegelung eines elektrischen Speicher (S) nach einem der vorstehenden Ansprüche und ein Erfassungselement (45) zur Erfassung der Drehzahl (n) des Rotors (32) oder dessen Drehwinkelposition (α₁) aufweist.