DE102019110417A1

DE102019110417A1 - Temperaturregelstrategie für ein elektrisches anlassersystem mit einem mehrphasigen, bürstenlosen anlassermotor

Info

Publication number: DE102019110417A1
Application number: DE102019110417.3A
Authority: DE
Inventors: Lei Hao; Suresh Gopalakrishnan; Chandra S. Namuduri
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-05-01
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2019-11-07
Also published as: US20190338745A1; CN110425073A; US10487791B1; CN110425073B

Abstract

Ein elektrisches Anlassersystem ist verwendbar mit einem Antriebsstrang, der einen Motor mit einem Schwungrad aufweist. Das Anlassersystem beinhaltet einen bürstenlosen Anlasser, der eine Maschinentemperatur aufweist, und einen Elektromagneten, der zum Übersetzen eines Ritzelzahnrads in Eingriff mit dem Schwungrad und dem Anlasser als Reaktion auf ein gewünschtes Motorstartereignis betrieben werden kann. Eine Steuerung weist eine Temperaturregellogik auf, die einen proportional-integralen Drehmomentregelkreis beinhaltet. Die Ausführung eines von der Logik ausgeführten Verfahrens als Reaktion auf das angeforderte Motorstartereignis, wenn die Maschinentemperatur eine erste Temperatur überschreitet, veranlasst die Steuerung, ein erforderliches Anlaufmoment des Anlassers über den Regelkreis zu bestimmen. Die Steuerung veranlasst den Anlasser, das erforderliche Anlaufmoment auf einen Wert zu übertragen, der die Maschinentemperatur unter die erste Temperatur absenkt.

Description

EINLEITUNG
Antriebsstränge, Kraftwerke und andere Systeme können einen Verbrennungsmotor beinhalten, der als Reaktion auf eine Beschleunigungsanforderung ein Motordrehmoment erzeugt. Das erzeugte Motordrehmoment wird über eine Kraftübertragungsanordnung, z. B. eine Planetengetriebeanordnung oder einen oder mehrere Planetenradsätze, auf einen gekoppelten Verbraucher übertragen. In einigen Antriebsstrangkonfigurationen kann eine elektrische Maschine, die als Anlasser bezeichnet wird, verwendet werden, um eine Anlass- und Startfunktion des Motors zu unterstützen, beispielsweise beim automatischen Neustart des Motors nach einem kraftstoffsparenden Motor-Auto-Stopp-Ereignis. Ein Rotor des Anlassers kann mit einer Motorkurbelwelle verbunden sein, beispielsweise durch ein ineinandergreifendes Zahnrad mit einem Schwungrad. Das Motordrehmoment des Anlassers wird anschließend verwendet, um den Motor auf eine Anfangsdrehzahl zu beschleunigen. Der Anlasser wird dann vom Motor getrennt, sobald der Motor gestartet ist, und ist in der Lage, einen Schwellenwert für die Leerlaufdrehzahl einzuhalten.
ZUSAMMENFASSUNG
Hierin ist ein elektrisches Anlassersystem offenbart. Das elektrische Anlassersystem, das zur Verwendung mit einem Antriebsstrang oder einem anderen System mit einem Verbrennungsmotor konfiguriert ist, beinhaltet einen Elektromagneten, ein übersetzbares Ritzelzahnrad und einen mehrphasigen bürstenlosen Anlasser mit einem Rotor und einem Hohlrad. Der bürstenlose Anlasser ist selektiv mit einem Schwungrad des Motors durch Betätigen des Elektromagneten als Reaktion auf ein gewünschtes Motorstartereignis verbindbar. Die Übersetzung des Ritzelzahnrads durch die Wirkung des Elektromagneten bringt das Ritzelzahnrad in Eingriff mit dem Hohlrad und dem Schwungrad. Auf diese Weise wird das Motordrehmoment des Anlassers über die Drehung des zwischengeschalteten Ritzelzahnrads an das Schwungrad abgegeben.
Das elektrische Anlassersystem beinhaltet zudem eine elektronische Steuerung. Ein oder mehrere Temperatursensoren können optional mit dem bürstenlosen Anlasser verbunden werden, wie beispielsweise mit einem Paar Phasenwicklungen und/oder einem Laminierungsschlitz oder einer anderen physikalischen Struktur des bürstenlosen Anlassers. Die Temperatursensoren geben elektronische Signale aus, die ein Temperaturniveau des bürstenlosen Anlassers anzeigen, wobei die Temperatur hierin als Maschinentemperatur bezeichnet wird. Alternativ kann ein Zustandsbeobachter, der sich innerhalb der Steuerung oder in einer separaten Steuervorrichtung befindet, verwendet werden, um die Maschinentemperatur in Echtzeit zu schätzen.
Die Steuerung ist konfiguriert, um die Temperatur des Anlassers zu regeln, indem sie die Ausgangsleistung des Anlassers und damit das Motordrehmoment basierend auf der Maschinentemperatur automatisch begrenzt. Zu diesem Zweck ist die Steuerung mit einer Proportional-Integral-(PI)-Steuerlogik programmiert, die einen Drehmomentregelkreis bildet. Die Wärme im Anlasser steigt tendenziell an, wenn der Anlasser mit einer Kombination aus niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment arbeitet. Die Betriebsart für niedrige Drehzahlen/hohes Drehmoment ist typischerweise während eines automatischen Neustarts des Motors vorhanden. Somit verwendet die Steuerung eine temperaturabhängige Methodik, um die Maschinentemperatur während einer derartigen Betriebsart mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment zu regeln.
Die Ausführung der Temperaturregellogik als Reaktion auf das angeforderte Motorstartereignis bewirkt letztlich, dass die Steuerung ein erforderliches Anlaufdrehmoment des Anlassers bestimmt und einen Drehmomentbefehl an den Anlasser überträgt, damit der Anlasser das erforderliche Anlaufdrehmoment an den Motor überträgt. Das erforderliche Anlaufdrehmoment weist einen Wert auf, der durch Betätigen der programmierten Logik die Ausgangsleistung des Anlassers in Abhängigkeit von der Maschinentemperatur automatisch begrenzt und so die Maschinentemperatur in einem zulässigen Bereich hält.
Innerhalb des offenbarten PI-Regelkreises wird die integrale Verstärkung von der Maschinentemperatur beeinflusst, weshalb die integrale Verstärkung im Regelkreis automatisch bei Maschinentemperaturänderungen geändert wird. Die integrale Verstärkung kann in verschiedenen Ausführungsformen eine 1. Ordnungsfunktion der Maschinentemperatur sein oder durch Zugriff auf eine Nachschlagetabelle bestimmt werden, die von der Maschinentemperatur gefüllt oder referenziert wird. Der Rotorfluss innerhalb des Anlassers ist ebenfalls eng mit der Maschinentemperatur verbunden und wird daher auch als Regelparameter innerhalb des Regelkreises betrachtet. Wie bei der integralen Verstärkung kann der Rotorfluss mathematisch oder über eine Nachschlagetabelle bestimmt werden. Da sich die Klemmenspannung des Anlassers mit der Temperatur der Maschine ändert, kann dieser Wert auch von der Steuerung in der Gesamtsteuerung des Anlassers verwendet werden.
In einer möglichen Ausführungsform beinhaltet ein elektrisches Startsystem einen bürstenlosen Anlasser mit einer Maschinentemperatur, einen Elektromagneten, der zum Umwandeln eines Ritzelzahnrads in einen Eingriff mit einem Schwungrad eines Motors betreibbar ist, um dadurch den bürstenlosen Anlasser mit dem Schwungrad als Reaktion auf ein gewünschtes Motorstartereignis zu verbinden, und
eine Steuerung. Die Steuerung ist mit einer Temperaturregellogik mit einem PI-Drehmomentregelkreis programmiert.
Die Ausführung der Temperaturregellogik durch die Steuerung als Reaktion auf das angeforderte Motorstartereignis, wenn die Maschinentemperatur größer als eine erste Temperatur ist, bewirkt, dass die Steuerung über den PI-Drehmomentregelkreis ein erforderliches Anlaufmoment des bürstenlosen Anlassers auf einem Niveau bestimmt, das die Maschinentemperatur unter die erste Temperatur senkt. Die Steuerung steuert auch das Magnetventil, um das Ritzelzahnrad zum Eingriff mit dem Schwungrad zu bewegen und das erforderliche Anlaufmoment durch den bürstenlosen Anlasser an den Motor zu liefern.
Die Steuerung kann das angeforderte Motorstartereignis über den PI-Drehmomentregelkreis abbrechen, wenn die Maschinentemperatur größer als eine zweite Temperatur ist, die die erste Temperatur überschreitet.
Der bürstenlose Anlasser kann elektrisch mit einem Wechselrichtermodul (PIM) verbunden werden. In einer derartigen Ausführungsform kann die Steuerung konfiguriert werden, um eine Pulsweitenmodulation des PIM zu erzeugen oder zu steuern, um das erforderliche Anlaufmoment auf dem Niveau bereitzustellen, das die Maschinentemperatur unter die erste Temperatur senkt.
Das elektrische Anlassersystem kann mindestens einen Temperatursensor beinhalten, der auf oder in dem bürstenlosen Anlassermotor positioniert und zum Messen der Maschinentemperatur konfiguriert ist. Alternativ kann die Steuerung auch einen Zustandsbeobachter beinhalten, der zum Schätzen der Maschinentemperatur in Echtzeit geeignet ist.
Die Steuerung kann über den PI-Drehmomentregelkreis einen q-Achsenstrombefehl, einen d-Achsenstrombefehl, einen q-Achsenrückführungsstrom und einen d-Achsenrückführungsstrom als Eingänge verwenden, eine integrale Verstärkung anlegen, die von der Maschinentemperatur indiziert oder referenziert wird, und einen q-Achsenspannungsbefehl und einen d-Achsenspannungsbefehl an den Anlasser als Ausgänge erzeugen.
Der PI-Drehmomentregelkreis kann auch einen Flussverkettungsblock beinhalten, der eine gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMF) des bürstenlosen Anlassers als Produkt aus einer Winkelgeschwindigkeit und einem Flussleckagewert des Anlassers berechnet, wobei der Flussleckagewert auf die Maschinentemperatur bezogen ist. Die Steuerung ist in einer derartigen Ausführungsform konfiguriert, um den Spannungsbefehl der q-Achse unter Verwendung des Gegen-EMF zu berechnen.
Ein Antriebsstrang wird hierin ebenfalls offenbart. Eine Ausführungsform des Antriebsstrangs beinhaltet einen Verbrennungsmotor mit einem Schwungrad, ein mit dem Motor gekoppeltes Getriebe, einen mit dem Getriebe gekoppelten Verbraucher und das elektrische Anlassersystem.
Ein Verfahren zum Regeln der Temperatur eines elektrischen Anlassersystems mit einem bürstenlosen Anlasser wird ebenfalls offenbart. Das Verfahren kann das Erfassen eines angeforderten Motorstartereignisses eines Verbrennungsmotors über eine Steuerung beinhalten, wobei ein Elektromagnet ein Ritzelzahnrad in einen Eingriff mit dem bürstenlosen Anlasser und dem Motor übersetzt. Das Verfahren kann auch das Bestimmen einer Maschinentemperatur des bürstenlosen Anlassers unter Verwendung der Steuerung beinhalten. Als Reaktion auf das angeforderte Motorstartereignis, wenn die Maschinentemperatur höher als die erste Temperatur ist, kann das Verfahren ferner das Bestimmen eines erforderlichen Anlaufmoments des Anlassers unter Verwendung eines PI-Drehmomentregelkreises der Steuerung beinhalten. Das erforderliche Anlaufdrehmoment ist ein Wert, der ein Ausgangsleistungsniveau des Anlassers auf ein Niveau begrenzt, das ausreicht, um die Maschinentemperatur unter eine erste Temperatur zu senken. Die Steuerung überträgt dann einen Drehmomentbefehl an den Anlasser, um den Anlasser zu veranlassen, das erforderliche Anlaufmoment über das Ritzelzahnrad auf das Schwungrad des Motors zu übertragen.
Die vorstehend beschriebene Zusammenfassung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Zusammenfassung lediglich einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, wie hierin dargelegt. Die vorstehend aufgeführten und andere Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Antriebsstrangs mit einem mehrphasigen bürstenlosen Anlasser, dessen Maschinentemperatur in einem Proportional-Integral-(PI)-Drehmomentregelungs-/Rückkopplungskreis während eines Motor-Auto-Startereignisses, wie hierin dargelegt, verwendet wird.
2 ist ein Diagramm der elektrischen Strom- und Drehzahlleistungswerte des in 1 dargestellten Anlassers, wobei der elektrische Strom und die Drehzahl auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse dargestellt sind.
3 ist ein schematisches Logik-Flussdiagramm, das eine exemplarische Implementierung der Temperaturregelungslogik beschreibt, die mit dem elektrischen Anlassersystem von 1 verwendbar ist.
4 ist ein Flussdiagramm, das eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens zum Regeln der Maschinentemperatur des in 1 dargestellten Anlassers beschreibt, insbesondere während eines Motorstartereignisses.

Für die vorliegende Offenbarung können Modifikationen und alternative Formen in Betracht gezogen werden, wobei repräsentative Ausführungsformen exemplarisch in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden ausführlich beschrieben werden. Erfindungsgemäße Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die besonderen Formen dieser Offenbarung beschränkt. Vielmehr zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, Änderungen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen abzudecken, die in den Schutzumfang der Offenbarung fallen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Die verschiedenen Ausführungsformen sind Beispiele für die vorliegende Offenbarung, wobei andere Ausführungsformen in alternativen Ausprägungen im Hinblick auf die Offenbarung von Fachleuten auf dem Gebiet denkbar sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Einige Merkmale können überbewertet oder minimiert werden, um Details der bestimmten Komponenten darzustellen. Daher sind die hierin offenbarten spezifischen aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern vielmehr als repräsentative Grundlage, um einem Fachmann die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Wie Fachleute ebenfalls verstehen, können Merkmale, die mit Bezug auf eine gegebene Figur veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Kombinationen von Merkmalen dienen somit als repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, worin gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Figuren verweisen, ist ein Antriebsstrang 10 in 1 schematisch dargestellt. Der Antriebsstrang 10 beinhaltet ein elektrisches Anlassersystem 12, das selektiv mit einem Verbrennungsmotor (E) 20 verbindbar ist. Das elektrische Anlassersystem 12 beinhaltet und/oder wird über eine Steuerung (C) 50 gesteuert. Die Steuerung 50 ist konfiguriert, um ein Temperaturregelungsverfahren 100 in der Gesamtsteuerung eines Drehmomentbetriebs einer mehrphasigen/Wechselstrom-(AC)-bürstenlosen elektrischen Maschine, nachstehend als bürstenloser Anlasser (M_BL) 18 bezeichnet, auszuführen. Somit wird die Drehmomentrückkopplungsregelung des Anlassers 18 automatisch von der Steuerung 50 durchgeführt, um die Temperatur des bürstenlosen Anlassers 18 wie nachstehend beschrieben zu regeln.
Der bürstenlose Anlasser 18 kann ohne Einschränkung als Oberflächen-Permanentmagnetmaschine, eine Innen-Permanentmagnetmaschine, eine Schleppinduktionsmaschine, eine geschaltete Reluktanzmaschine oder eine andere Art von bürstenlosem Motor konfiguriert werden. Wie hierin anerkannt, können bürstenlose Motoren wie der Anlasser 18 eine längere Lebensdauer mit einer verbesserten Genauigkeit der Drehzahlregelung im Vergleich zu bestimmten Bürstenmotoren und anderen möglichen Vorteilen aufweisen.
Der Motor 20, der als Benzin- oder Dieselmotor ausgeführt sein kann, gibt schließlich das Motordrehmoment an eine Abtriebswelle 24 ab. Die Abtriebswelle 24 kann mit einem Getriebe (T) 22 gekoppelt werden, beispielsweise über einen hydrodynamischen Drehmomentwandler oder eine Kupplung (nicht dargestellt). Das Getriebe 22 kann als ein oder mehrere Planetenradsätze, ein Getriebe oder eine stufenlos verstellbare Anordnung ausgeführt sein, die letztlich das Abtriebsdrehmoment in einem geeigneten Getriebe oder Übersetzungsverhältnis an ein Getriebeabtriebselement 25 abgibt. Das Abtriebselement 25 wiederum treibt einen gekoppelten Verbraucher über eine oder mehrere Antriebsachsen 28 an, wobei der in 1 dargestellte Verbraucher als Satz von Antriebsrädern 26 in einer exemplarischen Automobilanwendung dargestellt ist. Weitere nützliche Anwendungen für den Antriebsstrang 10 können vorgesehen werden, einschließlich Kraftwerke, Robotik, mobile Plattformen und Nicht-Kraftfahrzeug-Anwendungen, wie beispielsweise Wasserfahrzeuge, Marineschiffe, Schienenfahrzeuge und Flugzeuge, weshalb die Ausführungsform des Kraftfahrzeugs in 1 dazu vorgesehen ist, die offenbarten Konzepte uneingeschränkt zu veranschaulichen.
Der Motor 20 von 1 beinhaltet auch eine Kurbelwelle 31, die mechanisch mit einem Schwungrad 32 gekoppelt ist. Wenn der Motor 20 nicht läuft, wie beispielsweise nach einem kraftstoffsparenden Auto-Stopp-Ereignis des Motors 20 oder bei ausgeschaltetem Motor 20, kann das elektrische Anlassersystem 12 als Reaktion auf Anlassersteuersignale (Pfeil CCs) von der Steuerung 50 elektrisch aktiviert werden, um selektiv die Abgabe des Motordrehmoments (Pfeil T_M) an den Motor 20 über das Schwungrad 32 zu steuern.
Zu diesem Zweck kann ein Elektromagnet (S) 21 als Teil des elektrischen Anlassersystems 12 eingebaut werden. Der Elektromagnet 21 ist gemäß einer exemplarischen Ausführungsform zwischen einem Rotor 19 des bürstenlosen Anlassers 18 und einer Wellenverlängerung 190 angeordnet, möglicherweise mit einem Getriebeuntersetzungssatz (nicht dargestellt) zwischen dem Rotor 19 und dem Elektromagnet 21. Alternativ kann ein festes Hohlrad (nicht dargestellt) mit dem Rotor 19 gekoppelt werden, wobei der Elektromagnet 21 ein Ritzelzahnrad 33 in und aus dem Eingriff mit dem Schwungrad 32 und einem derartigen Hohlrad versetzt. Ein Positionssensor 36, z. B. ein Halleffekt-Sensor, ein multiplizierender Drehgeber, ein induktiver Sensor oder ein Reluktanzsensor, kann zum Messen und Ausgeben einer Winkelposition (Pfeil P₁₉) des Rotors 19 verwendet werden, mit der die Steuerung 50 eine Winkelposition und Drehzahl des Rotors 19 bestimmen kann.
In einer möglichen Ausführungsform, wenn der Elektromagnet 21 als Reaktion auf die Anlassersteuersignale (Pfeil CCs) bestromt wird, verschiebt der Elektromagnet 21 das Ritzelzahnrad 33 linear in die bei 33A angegebene Position und damit in direkten kämmenden Eingriff mit gegenläufigen Zähnen oder Verzahnungen auf dem Schwungrad 32 und/oder einem damit verbundenen Getriebeelement. Nachdem der Motor 20 gestartet wurde und mit einer Geschwindigkeit läuft, die ausreicht, um seinen Kraftstoffverbrauch und den Verbrennungsprozess aufrechtzuerhalten, werden die Steuersignale des Anlassers (Pfeil CCs) unterbrochen. Infolge dieser Aktion wird der Elektromagnet 21 spannungsfrei geschaltet. Das Ritzelzahnrad 33 wird dann aus dem Eingriff mit dem Schwungrad 32 durch eine Rückstellung des Elektromagneten 21 ausgerückt. Diese bidirektionale Übersetzungsfähigkeit des Ritzelzahnrads 33 wird in 1 durch einen Doppelpfeil SS dargestellt.
Das exemplarische elektrische Anlassersystem 12 von 1 kann ein Gleichstrom-(DC)-Batteriepack 14 beinhalten oder mit diesem verbunden sein, z. B. ein mehrzelliges Lithiumion-, Nickel-Metallhydrid- oder Bleisäure-Batteriepack mit positiven (+) und negativen (-) Polen. Das elektrische Anlassersystem 12 kann ein Wechselrichtermodul (PIM) 16 beinhalten, das über den DC-Spannungsbus 15 über die Plus- (+) und Minuspole (-) des Batteriepacks 14 elektrisch verbunden ist, z. B. einen 12-48 VDC-Bus in einer möglichen Ausführungsform, sowie einen Mehrphasen-/Wechselstrom-(AC)-Spannungsbus 17. Obwohl zur veranschaulichenden Einfachheit von 1 ausgenommen, beinhaltet das PIM 16 Halbleiterschaltpaare, z. B. MOSFETs, die über den DC-Spannungsbus 15 an positive (+) und negative (-) Pole angeschlossen sind, und Signalfilter-Schaltungskomponenten, die letztlich Gleichstrom aus dem Batteriepack 14 in Mehrphasenstrom auf dem AC-Spannungsbus 17 umwandeln.
Der Wechselspannungsbus 17 wiederum ist elektrisch mit einzelnen Phasenwicklungen innerhalb des bürstenlose Anlassers 18 verbunden. Die Phasenstromsensoren 13 können wie dargestellt an zwei oder mehreren Phasenwicklungen oder -leitungen des bürstenlosen Anlassermotors 18 positioniert werden, wobei gemessene Phasenströme (Pfeil I_PH) an die Steuerung 50 übertragen werden. Der Anlasser 18 kann so konfiguriert werden, dass eine kalibrierte gegenelektromotorische Kraft für einen gegebenen Leistungsbereich, z. B. 3-5 V bei 6000 U/min, oder andere Werte auftritt, die gewährleisten, dass ein ausreichendes Motordrehmoment (Pfeil T_M) zum Starten des Motors 20 zur Verfügung steht, z. B. 5-7 Nm innerhalb der Parameter des DC-Spannungsbusses 15.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die Steuerung 50 von 1 konfiguriert, um die Maschinentemperatur des bürstenlosen Anlassers 18 innerhalb eines zulässigen Temperaturbereichs während und nach der Durchführung eines automatischen Startereignisses des Motors 20 zu regeln. Zu diesem Zweck kann mindestens ein Temperatursensor 11 innerhalb des Anlassers 18 positioniert und konfiguriert werden, um ein Temperatursignal (Pfeil T₁₈) zu messen und zu übertragen, das die Maschinentemperatur anzeigt. Der Temperatursensor 11, beispielsweise ein Thermoelement oder ein Thermistor, kann an einer Endumdrehung einer bestimmten Phasenwicklung (nicht dargestellt) des Anlassers 18 positioniert werden. Ein weiterer Temperatursensor 11 kann in einem Laminierungsschlitz (nicht dargestellt) des Anlassers 18 positioniert werden. Alternativ können die Temperatursensoren 11 zugunsten einer Echtzeit-Schätztemperatur weggelassen werden, z. B. über einen Zustandsbeobachter der Steuerung 50. Jedoch wird die Maschinentemperatur letztendlich bestimmt, wobei die Maschinentemperatur als Teil eines Satzes von Eingangssignalen (Pfeil CCi) an die Steuerung 50 verwendet wird.
Die Steuerung 50 kann variabel als eine oder mehrere Steuervorrichtungen implementiert werden, die gemeinsam das Motordrehmoment (Pfeil T_M) des bürstenlosen Anlassers 18 innerhalb des exemplarischen elektrischen Anlassersystems 12 verwalten, wobei die Steuerung 50 diese Aufgabe unter Verwendung der Temperaturregellogik 150L gemäß einem Verfahren 100 erfüllt, für das ein Beispiel in 3 als 150L dargestellt ist. Mehrere Steuermodule können über einen seriellen Bus (z. B. ein CAN (Controller Area Network)) oder über separate Leiter verbunden sein. Die Steuerung 50 kann einen oder mehrere digitale Computer beinhalten, die jeweils einen Prozessor (P) aufweisen, z. B. einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, sowie einen Speicher (M) in Form eines Nur-Lesespeichers, eines Direktzugriffsspeichers, eines elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speichers usw., eines Hochgeschwindigkeits-Taktgebers, einer Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltung, einer Ein-/Ausgabeschaltung und Vorrichtungen sowie einer geeigneten Signalaufbereitung und Pufferschaltung. Die Steuerung 50 kann auch Algorithmen und/oder computerausführbare Anweisungen im Speicher (M) speichern, einschließlich der zugrundeliegenden Algorithmen oder des Codes, der das nachstehend beschriebene Verfahren 100 verkörpert, und Befehle an das elektrische Anlassersystem 12 übertragen, um die Durchführung bestimmter Steuerungsaktionen gemäß der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen.
Die Steuerung 50 steht in Verbindung mit dem Motor 20 und empfängt auch als Teil der Eingangssignale (Pfeil CCi) Signale, die eine Drehzahl und Temperatur des Motors 20 sowie andere mögliche Motorbetriebsbedingungen oder -parameter anzeigen. Diese Parameter beinhalten eine Startanforderung des Motors 20, unabhängig davon, ob sie vom Bediener eingeleitet oder autonom erzeugt wird. Die Steuerung 50 ist ebenfalls mit dem bürstenlosen Anlasser 18 verbunden und empfängt so Signale, welche die aktuelle Drehzahl, Stromaufnahme, Drehmoment, Temperatur und/oder andere Betriebsparameter anzeigen. Die Steuerung 50 kann auch mit dem Batteriepack 14 verbunden sein und Signale empfangen, die einen Ladezustand der Batterie, Temperatur und Stromaufnahme sowie eine Spannung über die jeweiligen Gleich- und Wechselspannungsbusse 15 und 17 anzeigen. Neben der Übertragung einer Drehmomentanforderung an den Anlasser 18 über die Anlassersteuersignale (Pfeil CCs) überträgt die Steuerung 50 auch Ausgangssignale (Pfeil CCo) an den Motor 20 und das Getriebe 22 und Motorsteuersignale (Pfeil CC_M) an den Anlasser 18 als Teil der Gesamtbetriebsfunktion der Steuerung 50.
Unter Bezugnahme auf 2 wird ein repräsentatives Zeitdiagramm 40 für die Drehzahl N₁₈ des bürstenlosen Anlassers 18, d. h. die Kurve 42, und für den Maschinenstrom I_DC, d. h. die Kurve 44 dargestellt. Die Drehzahl in U/min und der Strom in Ampere (A) werden auf der vertikalen Achse dargestellt, die Zeit in Sekunden, d. h. t(s), wird auf der horizontalen Achse dargestellt. Der bürstenlose Anlasser 18 von 1 befindet sich in der Nähe des Motors 20, sodass die Temperatur um den bürstenlosen Anlasser 18 unter normalen Betriebsbedingungen erheblichen Schwankungen unterliegt. Abhängig vom Schweregrad kann diese Temperaturschwankung, ohne das derzeitige Verfahren 100, zu einer inkonsistenten Leistung des bürstenlosen Anlassers 18 und/oder zu Schwierigkeiten beim Starten des Motors 20 führen.
Darüber hinaus neigt die Wärmeentwicklung zu einem frühen Zeitpunkt in einer Startsequenz, wenn der bürstenlose Anlasser 18 mit niedrigen Drehzahlen und hohem Drehmoment, z. B. 0-7000 U/MIN, arbeitet. Das heißt, von t₀ bis t₁ in 2 bewegt sich der Anlasser 18 bei einer Drehzahl von Null, sodass kein Strom durch den Anlasser 18 fließt und keine Wärme erzeugt wird. Das Anlassen des Motors 20 beginnt bei t₁ mit einem schnellen Anstieg der Stromeinspeisung zu den Phasenwicklungen des bürstenlosen Anlassers 18 von 1, wie die schnell ansteigende Trajektorie der Kurve 42 und der Spitzenstrom der Kurve 44 zeigen, wobei eine große Menge an Wärme erzeugt wird. Das Anlassen des Motors 20 von 1 wiederholt sich zwischen t₁ und t₂, bis der Motor 20 startet. Der Anlasser 18 wird dann bei t₂ mit der Drehzahl N₁₈ abgeschaltet. (Spur 42), die danach verfällt, wenn der Anlasser 18 ausgeschaltet wird und der Elektromagnet 21 das Ritzelzahnrad 33 von 1 ausrückt.
Die Steuerung 50 ist darauf programmiert, unerwünschte Temperatureinflüsse aufgrund der zunehmenden Maschinentemperatur innerhalb oder um den bürstenlosen Anlasser 18 von 1 zu berücksichtigen und zu kompensieren. Die Phasenwicklungen des Anlassers 18 sind typischerweise aus Kupfer hergestellt, das ein Element mit einem Temperaturkoeffizienten von 0,393 Prozent (%) pro Grad Celsius (°C) ist. Somit variiert der Innenwiderstand der leitenden Teile des Anlassers 18 um 0,393 % für jeweils 1 °C Änderung der Maschinentemperatur. Da die Maschinentemperatur während des normalen Betriebs des elektrischen Anlassersystems 12 von 1 leicht zwischen -40 °C und 180 °C schwanken kann, verwendet die Steuerung 50 die in 3 beschriebene Logik 150L, um diese Temperaturänderungen in Echtzeit zu kompensieren.
Wie in 3 kann die Temperaturregellogik 150L, als verschiedene Eingänge, einen vorgegebenen Quadraturachsen-/Q-Achsenstrom (I_q) und einen Direktachsen-/D-Achsenstrom (Id) aufweisen, der zum Erreichen eines erforderlichen Drehmoments und einer erforderlichen Drehzahl des bürstenlosen Anlassers 18, Rückkopplungsströme (I_q,FB) und (I_d,FB), sowie Integratorskalen (V_q,SC) und (V_d,SC) erforderlich ist. Wie in der Technik der elektrischen Synchronmaschinen bekannt, fällt die d-Achse in einem rotierenden d-q-Bezugsrahmen mit einer Achse des Rotors 19 zusammen. Die q-Achse verläuft senkrecht zur d-Achse. Die Steuerung 50 ist somit konfiguriert, um einen d-Achsen- und q-Achsenstrombefehl an den Anlasser 18 zu übertragen, um einen Drehmomentbetrieb des Anlasser 18 zu steuern.
Die Rückkopplungsströme (I_q,FB) und (I_d,FB) können von der Steuerung 50 in Echtzeit berechnet werden. So werden beispielsweise zwei Phasenströme, wie bei den Phasen A und B, über die in 1 dargestellten Stromsensoren 13 gemessen und an die Steuerung 50 übertragen. Die Steuerung 50 wandelt dann die gemessenen Phasenströme in den entsprechenden Rückkopplungsstrom (I_q,FB) oder (I_d,FB) um. So kann beispielsweise die Steuerung 50 eine stationäre-zu-synchrone Rahmentransformation durchführen, d. h. einen kartesische „ABC“-Rahmen zu einer „dq“-Rahmentransformation der rotierenden Maschine.
Die Integratorskalen (V_q,SC) und (V_d,SC) sind Werte, die auch von der Steuerung 50 von 1 berechnet werden können. Wenn beispielsweise eine maximale d-Achsen-Steuerspannung ein vorhergesagter Wert oder ein voreingestellter Wert zwischen 0,9 und 0,97 einer Spitzenphasenspannung ist, kann die maximale q-Achsen-Steuerspannung von der Steuerung 50 berechnet werden, d. h.: $V q = \sqrt{V_{S}^{2} - V_{d}^{2}}$
wobei V_q die maximale q-Achsen-Steuerspannung ist, V_d die maximale d-Achsen-Steuerspannung ist und V_S die Spitzenphasenspannung ist. Wenn die maximale d-Achsen-Steuerspannung (Vd) die Spitzenphasenspannung überschreitet, d. h. wenn V_d > V_S, dann ist die abgeleitete Skala $V_{d,sc} = \frac{V_{S}}{V_{d}} .$
Wenn jedoch die maximale q-Achsen-Steuerspannung V_q die Spitzenphasenspannung V_S überschreitet, dann ist die Integratorskala $V_{q,sc} = \frac{V_{S}}{V_{q}} .$
Andernfalls ist die Integratorskala V_q,SC gleich 1. Sowohl die Begrenzung der Ausgangsspannung als auch die Integratorskala (V_q,SC) verwenden die Spitzenphasenspannung (Vs). Die Spitzenphasenspannung (Vs) variiert jedoch mit der Maschinentemperatur. Bei einem Niederspannungsanlasser 18, wie beispielsweise einem 12 V-Anlasser, wirkt sich der Phasenspannungsabfall durch Kabel und Batterie, z. B. eine 1 V-Differenz zwischen einem kalten und einem heißen Motor 20, merklich aus. Die Steuerung 50 nutzt daher die folgende Kompensation, um die Temperaturauswirkung zu minimieren: $V_{S} = V_{B} - I_{P H} (R_{C} + R_{B})$
wobei V_B die Spannung des Batteriepacks 14 ist, I_PH der Phasenstrom auf dem Wechselspannungsbus 17 ist, Rc der Widerstand einer Kabellänge ist, die das Batteriepack 14 mit dem PIM 16 verbindet, und R_B der Innenwiderstand des Batteriepacks 14 ist, wobei Rc und R_B jeweils temperaturabhängige Werte sind.
Wie in 3 dargestellt, kann die veranschaulichte Logik 150L einen q-Achsenregelkreis 150q und einen d-Achsenregelkreis 150d beinhalten, wobei die Regelkreise 150q und 150d wie nachstehend dargelegt kreuzgekoppelt sind. Im q-Achsenregelkreis 150q wird ein q-Achsen-Rückkopplungsstrom (I_q,FB) von einem q-Achsenstrombefehl (I_q) am Knoten 45 abgezogen, um einen angepassten q-Achsenstrombefehl 46 zu erzeugen. Der angepasste q-Achsenstrombefehl 46 wird dann in einen temperaturunabhängigen Proportionalverstärkungsblock (Kpq) 54 und einen Integratorblock $(\frac{1}{S})$
52 eingespeist. Der Ausgang des Proportionalverstärkungsblocks 54 wird in einen Sättigungsblock 58 eingespeist, der wiederum kalibrierte obere und untere Grenzen für den Ausgang des Proportionalverstärkungsblocks 54 anwendet. Dieser begrenzte Spannungswert (Vi) wird in einen weiteren Summierungsblock 64 eingespeist.
Der Ausgang des Integratorblocks 52 wird zusammen mit der vorstehend genannten Integratorskala (V_q,SC) in einen Begrenzerblock 152 eingespeist. Wie der vorstehend beschriebene Sättigungsblock 58 wendet der Begrenzerblock 152 im Integralregelkreis des dargestellten q-Achsenregelkreises 150q obere und untere Grenzen für den Ausgang des Integratorblocks 52 an. Der Ausgang des Integratorblocks 52 wird zusammen mit der Integratorskala (V_q,SC) am Multiplikatorblock 55 multipliziert, wobei dieses Ergebnis durch eine separate integrale Verstärkung der Blöcke 56 und 57 verarbeitet wird. Der Integratorverstärkungsblock 57 ist ein kreuzgekoppelter Verstärkungsblock unabhängig von der Maschinentemperatur, während der Integratorblock 56 ein temperaturabhängiger Verstärkungswert ist, wobei beide Werte möglicherweise aus einer Nachschlagetabelle im Speicher (M) der Steuerung 50 extrahiert oder von der Steuerung 50 unter Verwendung des Prozessors (P) von 1 berechnet werden.
Der Ausgang (Kurve 60) des temperaturunabhängigen Integratorverstärkungsblocks 57 wird dem Knoten 161 als Kreuzkopplungsterm in den d-Achsenregelkreis 150d eingespeist. Gleichzeitig wird der Ausgang des Integratorverstärkungsblocks 56 zu einem weiteren kreuzgekoppelten Term hinzugefügt, der vom d-Achsenregelkreis 150d ausgegeben wird (Kurve 160), wie nachfolgend erläutert. Die Summe am Knoten 61 wird als weiterer Spannungswert V₂ in den Summierungsknoten 164 eingespeist und zum begrenzten Ausgang des Sättigungsblocks 58 addiert, d. h. zum vorstehend genannten Spannungswert V₁.
Ein zusätzlicher Eingang zum Summierungsblock 64 ist ein temperaturabhängiger Klemmenspannungswert, der von der Steuerung 50 berechnet wird, um Temperaturauswirkungen auf die magnetische Flussdichte des Anlassers 18 richtig zu kompensieren. Die magnetische Flussdichte variiert um etwa 30 % über einen typischen Betriebstemperaturbereich des Anlassers 18. So kann beispielsweise die Flussdichte bei - 40 °C etwa 1,29 betragen und bei etwa 180 °C auf 1 abfallen. Da die Flussverkettung in direktem Zusammenhang mit der magnetischen Flussdichte steht, ist die Steuerung 50 so konfiguriert, dass sie derartige temperaturbasierte Änderungen in der Flussverkettung direkt kompensiert, und zwar am Flussverkettungsblock 62.
Das heißt, unter Verwendung des Flussverkettungsblocks 62 multipliziert die Steuerung 50 das Produkt aus der Winkelgeschwindigkeit des Rotors 19 des bürstenlosen Anlassers 18 (siehe 1), d. h. N₁₈ von 1 und λ, d. h. eine Flussleckagekonstante, die aus einer Nachschlagetabelle basierend auf der Maschinentemperatur entnommen oder in Echtzeit basierend auf Änderungen der Maschinentemperatur berechnet wird. Somit bestimmt der Flussverkettungsblock 62 das Produkt aus Winkelgeschwindigkeit und Flussverkettung, um als dritter Spannungswert V₃ die gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMF) des Anlassers 18 zu erzeugen.
Die Endausgangsspannung des Summierungsblocks 64, d. h. V₁ + V₂+V₃, kann von der Steuerung 50 als synchrone q-Achsen-Steuerspannung (Vq) verwendet werden. Die Steuerung 50 kann den internen Schaltvorgang des PIM 16 von 1 steuern, um die synchrone q-Achsen-Steuerspannung (V_q) an den bürstenlosen Anlasser 18 anzulegen, wie es von einem Fachmann geschätzt wird.
3 zeigt auch die Implementierung für die d-Achse. Das heißt, der Rückkopplungsstrom (I_d,FB) wird vom d-Achsenstrombefehl (I_q) am Knoten 145 abgezogen, um einen angepassten d-Achsenstrombefehl 146 zu erzeugen. Der angepasste d-Achsenstrombefehl 146 wird in einen temperaturunabhängigen Proportionalverstärkungsblock (Kpd) 154 und einen Integratorblock $(\frac{1}{S})$
152 eingespeist. Der Ausgang des Proportionalverstärkungsblocks 154 wird dann in einen Sättigungsblock 158 eingespeist, der kalibrierte obere und untere Grenzen für den Ausgang des Proportionalverstärkungsblocks 154 anwendet. Dieser begrenzte Spannungswert (V₄) wird in einen Summierungsblock 164 eingespeist.
Der Ausgang des Integratorblocks 152 wird zusammen mit der vorstehend erwähnten Ableitungsskala (Vd,sc) in einen Begrenzerblock 252 eingespeist, der die Ober- und Untergrenzen für den Ausgang des Integratorblocks 152 anwendet. Der Ausgang des Integratorblocks 152 wird zusammen mit der Ableitungsskala (Vd,sc) am Multiplikatorblock (X) 155 multipliziert, wobei dieses Ergebnis durch separate integrale Verstärkungsblöcke 156 und 157 verarbeitet wird. Der Verstärkungsblock (Kidc) 157 ist, wie Block 57 im q-Achsenregelkreis 150q, ein kreuzgekoppelter Verstärkungsblock unabhängig von der Maschinentemperatur. Block 156 wendet einen temperaturabhängigen Verstärkungswert an, wobei die Verstärkungen der Blöcke 156 und 157 möglicherweise aus einer im Speicher (M) der Steuerung 50 gespeicherten oder von der Steuerung 50 berechneten Nachschlagetabelle extrahiert werden. Der Ausgang (Kurve 160) des Integratorverstärkungsblocks 157 wird dann in den Knoten 61 des q-Achsenregelkreises 150q eingespeist. Gleichzeitig wird der Ausgang (Kurve 60) von Block 57 innerhalb des q-Achsenregelkreises 150q vom Ausgang von Block 156 innerhalb des d-Achsenregelkreises 150d am Knoten 161 subtrahiert. Die Differenz am Knoten 161 wird dem Summierungsknoten 164 als weiterer Spannungswert V₅ zugeführt und am Summierungsknoten 164 zum begrenzten Ausgang des Sättigungsblocks 158, d. h. dem Spannungswert V₄, addiert.
Die endgültige Ausgangsspannung des Summierungsblocks 164 innerhalb des d-Achsenregelkreises 150d, d. h. V₄+ V₅, wird danach von der Steuerung 50 als synchrone d-Achsen-Steuerspannung (Vd) verwendet. Die Steuerung 50 kann den internen Schaltvorgang des PIM 16 von 1 steuern, um die synchrone d-Achsen-Steuerspannung (Vd) an den bürstenlosen Anlasser 18 anzulegen, wie es von einem Fachmann geschätzt wird.
4 ist ein Flussdiagramm, das eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens 100 zum Regeln der Maschinentemperatur des in 1 dargestellten bürstenlosen Anlassers 18 beschreibt. In der Regel beinhaltet der Anlasser 18 Statorwicklungen und einen Permanentmagneten oder eine leitfähige Stange innerhalb des Rotors 19. Die zulässige Betriebstemperatur des Anlassers 18 wird im Wesentlichen durch die Materialeigenschaften dieser Hardwarekomponenten bestimmt. Daher ist die in 1 dargestellte Steuerung 50 konfiguriert, um die Maschinentemperatur durch eine aktive Drehmomentsteuerung des Anlassers 18 automatisch zu begrenzen, um die Hardwarekomponenten des Anlassers 18 vor unerwünschten Temperaturauswirkungen zu schützen, insbesondere beim Betrieb unter Betriebsbedingungen mit niedriger Drehzahl/hohem Drehmoment.
Ab Schritt S102 von 4 bestimmt die Steuerung 50 nach der Initialisierung (**) der Steuerung 50 von 1 die Maschinentemperatur, z. B. durch direktes Messen mit den Temperatursensoren 11 zum Ausgeben des Temperatursignals (T₁₈) oder durch Schätzen mit einem Zustandsbeobachter. Das Verfahren 100 fährt nach dem Bestimmen der Maschinentemperatur mit Schritt S104 fort.
Schritt S104 beinhaltet das Vergleichen der in Schritt S102 bestimmten Maschinentemperatur mit einer ersten Temperatur, d. h. einem ersten kalibrierten Schwellenwert (CAL1). Die erste Temperatur kann eine maximale Betriebstemperatur kurz vor einer höheren Abschalttemperaturgrenze sein, wie in Schritt S106 beschrieben, z. B. am oberen Ende eines normal zulässigen Betriebstemperaturbereichs. Wenn die Maschinentemperatur die erste Temperatur überschreitet, fährt das Verfahren 100 mit Schritt S106 fort. Wenn die Maschinentemperatur niedriger als die erste Temperatur ist, ist das Verfahren 100 ansonsten beendet ***.
Bei Schritt S106 vergleicht die Steuerung 50 anschließend das Temperatursignal (T₁₈) oder eine geschätzte Variation desselben, die die Maschinentemperatur anzeigt, mit einer zweiten Temperatur, d. h. einem zweiten kalibrierten Schwellenwert (CAL2), entsprechend einer maximal zulässigen Maschinentemperatur. Die zweite Temperatur kann einer maximalen Temperatur entsprechen, oberhalb derer die Leistung und/oder strukturelle Integrität des Anlassers 18 wahrscheinlich beeinträchtigt wird. Wenn die Maschinentemperatur von Schritt S102 die zweite Temperatur überschreitet, fährt das Verfahren 100 mit Schritt S108 fort. Andernfalls fährt das Verfahren 100 mit Schritt S110 fort.
Bei Schritt S108 erzwingt die Steuerung 50 eine Bedingung, bei welcher das Motordrehmoment (T_M), das vom bürstenlosen Anlasser 18 gesteuert wird, auf null gesetzt wird. Die Ausführung von Schritt S108 bricht effektiv die weitere Ausführung eines Autostartereignisses des Motors 20 ab oder verhindert diese, um die Hardware des elektrischen Anlassersystems 12 von 1 zu schützen. In Verbindung mit dieser Steuerungsaktion kann die Steuerung 50 einen Diagnosecode in ihrem Speicher (M) aufzeichnen, der das abgebrochene Autostart-Ereignis anzeigt, und andere Maßnahmen ergreifen, wie beispielsweise die Benachrichtigung eines Bedieners des Antriebsstrangs 10 von 1 mit einer Textnachricht und/oder einem Indikatorsignal. Verfahren 100 ist damit abgeschlossen (***).
Schritt S110 beinhaltet das Steuern eines Niveaus der Maschinenleistung (P_M) vom Anlasser 18 von 1 auf einem begrenzten Niveau, d. h. P_M = LIM. Schritt S110 kann das Anwenden eines Multiplikators auf ein normales Leistungsniveau des bürstenlosen Anlassers 18 beinhalten, wobei der Multiplikator möglicherweise von der Steuerung 50 aus einer Nachschlagetabelle extrahiert wird, die anhand der Maschinentemperatur oder einer Deltatemperatur in Bezug auf eine Starttemperatur indiziert oder referenziert wird.
Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens 100 in Verbindung mit dem elektrischen Anlassersystem 12 von 1 kann die vorstehend beschriebene PI-Regelung durch einen Regelkreis realisiert werden, bei dem die Temperaturauswirkungen auf den bürstenlosen Anlassermotor 18 von 1 besonders berücksichtigt werden. Eine im Rahmen von 3 angewandte integrale Verstärkung ist temperaturabhängig, wobei auch Temperaturauswirkungen auf den Rotorfluss und den Maschinenwiderstand berücksichtigt werden. Letztlich begrenzt die Steuerung 50 selektiv die Ausgangsleistung des Anlassers 18 während eines Autostarts des Motors 20 unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Faktoren, um die Komponenten der Hardware des elektrischen Anlassersystems 12 zu schützen.
Während ein paar der besten Ausführungsformen und anderen Arten ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Teilkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale. Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, wobei der Geltungsbereich der vorliegenden Lehren ausschließlich durch die Patentansprüche definiert ist.

Claims

Elektrisches Anlassersystem zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor mit einem Schwungrad, wobei das elektrische Anlassersystem Folgendes umfasst: einen bürstenlosen Anlasser mit einer Maschinentemperatur; ein Ritzelzahnrad; einen Elektromagneten, der zum Übersetzen des Ritzels in einen Eingriff mit dem Schwungrad betreibbar ist, um dadurch den bürstenlosen Anlasser mit dem Schwungrad als Reaktion auf ein angefordertes Motorstartereignis zu verbinden; und eine Steuerung, die mit einer Temperaturregellogik programmiert ist, die einen Proportional-Integral-(PI)-Drehmomentregelkreis aufweist; worin die Ausführung der Temperaturregellogik durch die Steuerung als Reaktion auf das angeforderte Motorstartereignis, wenn die Maschinentemperatur größer als eine erste Temperatur ist, die Steuerung veranlasst, ein erforderliches Anlaufdrehmoment des bürstenlosen Anlassers über den PI-Drehmomentregelkreis auf einem Niveau zu bestimmen, das die Maschinentemperatur unter die erste Temperatur absenkt, den Elektromagneten zu steuern, das Ritzelzahnrad in den Eingriff mit dem Schwungrad zu verschieben und die Abgabe des erforderlichen Anlaufdrehmoments durch den bürstenlosen Anlasser zum Motor zu steuern.
Elektrisches Anlassersystem nach Anspruch 1, worin die Steuerung konfiguriert ist, um das angeforderte Motorstartereignis über den PI-Drehmomentregelkreis abzubrechen, wenn die Maschinentemperatur höher als eine zweite Temperatur ist, welche die erste Temperatur überschreitet.
Elektrisches Anlassersystem nach Anspruch 1, worin der bürstenlose Anlasser elektrisch mit einem Wechselrichtermodul (PIM) verbunden ist, und worin die Steuerung ferner konfiguriert ist, um eine Pulsweitenmodulation des PIM zu erzeugen oder zu steuern, um das erforderliche Anlaufmoment auf dem Niveau bereitzustellen, das die Maschinentemperatur unter die erste Temperatur absenkt.
Elektrisches Anlassersystem nach Anspruch 1, ferner umfassend mindestens einen Temperatursensor, der auf oder in dem bürstenlosen Anlasser angeordnet und zum Messen der Maschinentemperatur konfiguriert ist.
Elektrisches Anlassersystem nach Anspruch 1, worin in der Steuerung ein Zustandsbeobachter vorgesehen ist, der zum Schätzen der Maschinentemperatur in Echtzeit betreibbar ist.
Elektrisches Anlassersystem nach Anspruch 1, worin der PI-Drehmomentregelkreis einen q-Achsenstrombefehl, einen d-Achsenstrombefehl, einen q-Achsenrückkopplungsstromwert und einen d-Achsenrückkopplungsstrom als Eingänge verwendet, eine integrale Verstärkung anlegt, die durch die Maschinentemperatur indiziert oder referenziert wird, und einen q-Achsenspannungsbefehl und einen d-Achsenspannungsbefehl zum Anlasser als Ausgänge erzeugt.
Elektrisches Anlassersystem nach Anspruch 6, worin der PI-Drehmomentregelkreis auch einen Flussverkettungsblock beinhaltet, der eine gegenelektromotorische Kraft des Anlassers als Produkt aus einer Winkelgeschwindigkeit und einem Flussleckagewert des Anlassers berechnet, wobei der Flussleckagewert auf der Maschinentemperatur basiert, und worin die Steuerung konfiguriert ist, den q-Achsenspannungsbefehl unter Verwendung der gegenelektromotorischen Kraft zu berechnen.
Verfahren zum Regeln der Temperatur eines elektrischen Anlassersystems mit einem bürstenlosen Anlasser, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erfassen eines angeforderten Motorstartereignisses eines Verbrennungsmotors über eine Steuerung, wobei ein Elektromagnet ein Ritzelzahnrad in einen Eingriff mit dem bürstenlosen Anlasser und dem Motor übersetzt; Bestimmen einer Maschinentemperatur des bürstenlosen Anlassers unter Verwendung der Steuerung; als Reaktion auf das angeforderte Motorstartereignis, wenn die Maschinentemperatur größer als eine erste Temperatur ist, Bestimmen eines erforderlichen Startmoments des Anlassers unter Verwendung eines proportional-integralen Drehmomentregelkreises der Steuerung, wobei das erforderliche Startmoment ein Wert ist, der ein Ausgangsleistungsniveau des Anlassers auf ein Niveau begrenzt, das ausreichend ist, um die Maschinentemperatur unter die erste Temperatur abzusenken; und Übertragen eines Drehmomentbefehls an den Anlasser, um den Anlasser zu veranlassen, das erforderliche Anlaufmoment über das Ritzelzahnrad auf das Schwungrad des Motors zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend das Bestimmen eines q-Achsenstrombefehls, eines d-Achsenstrombefehls, eines q-Achsenrückkopplungsstromwerts und eines d-Achsenrückkopplungsstromwerts als Steuereingänge in den proportional-integralen Drehmomentregelkreis über die Steuerung, das Anlegen einer integralen Verstärkung, die durch die Maschinentemperatur indiziert oder referenziert ist, und das Erzeugen eines q-Achsenspannungsbefehls und eines d-Achsenspannungsbefehls an den Anlasser über die Steuerung als Steuerausgänge.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Verwenden eines Flussverkettungsblocks des PI-Regelkreises zum Berechnen einer gegenelektromotorischen Kraft des Anlassers als Produkt einer Winkelgeschwindigkeit und eines Flussleckagewerts des Anlassers, wobei der Flussleckagewert auf der Maschinentemperatur basiert; und Berechnen des q-Achsenspannungsbefehls unter Verwendung der gegenelektromotorischen Kraft.