-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kommunikation zwischen einem Motorsteuergerät und einem Inverter
-
Stand der Technik
-
Bei Zweirädern mit kleinem Hubraum wird ein Integrierter Starter Generator (ISG) eingesetzt, womit im Leerlauf der Motor komfortabel geregelt werden kann. Zur Realisierung eines ISG-Systems wird eine Inverter Schaltung, die zur Ansteuerung des Generators vorgesehen ist, an der Kurbelwelle benötigt. Der Inverter kann in einem Motorsteuergerät für einen Verbrennungsmotor integriert sein, wobei auch die Ansteuerung im Motorsteuergerät integriert ist. Der Inverter kann aber auch in einem separaten Gehäuse verbaut sein. Ist der Inverter in einem separaten Gehäuse verbaut, wird ein Prozessor benötigt, der den Inverter ansteuert. Der Prozessor ist über ein BusSystem, wie dem CAN mit dem Verbrennungsmotorsteuergerät verbunden. Dieses Bussystem ist jedoch sehr langsam, sodass schnelle Eingriffe (Micro-Hybrid) nicht möglich sind.
-
Aus der Dokument
EP 1717945 B1 ist ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, zwei Motorgeneratoren, zwei Invertern und einer Steuereinheit mit einem externen
-
Steuergerät bekannt.
-
Die
US 5 786 640 A zeigt ebenfalls ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Motorgenerator, einer Batterie, einem Inverter und einem Steuergerät.
-
Die
EP2 095 989 A1 betrifft eine Kommunikation zwischen einem Steuergerät und Invertern.
-
Gemäß der Zusammenfassung steuert ein Steuergerät 30 simultan mittels PWM-Signalen alle Phasen eines Inverters 10, 20.
-
Offenbarung
-
Es wird ein ISG-System vorgeschlagen mit einem integrierten Starter Generator (ISG), einem Steuergerät und einem separaten Inverter, welcher nicht in das Steuergerät intergiert ist, sondern in einem separaten Gehäuse verbaut ist und einen eigenen Prozessor
umfasst. Weiterhin werden eine Schnittstelle und ein Kommunikationsprotokoll für die Kommunikation zwischen dem Steuergerät und dem Inverter vorgeschlagen.
-
Vorteilhaft erfolgt die Kommunikation zwischen Steuergerät und Inverter über zwei (digitale)
-
Spannungslevel (High- und Low-Level) auf der Signalleitung (bzw. am Ausgang des Steuergeräts und Eingang des Inverters).
-
Das Spannungsniveau des High-Levels wird dabei auf Inverter-Seite definiert. Beispielsweise, indem ein Pull-Up-Widerstand den Signaleingang des Inverters auf ein definiertes positives Potential (5V oder 12V oder Batteriespannung) zieht. Der Ausgang des Steuergeräts wird so gewählt, dass keine aktive Ausgabe einer positiven Spannung möglich ist. Lediglich ein aktives Schalten des Ausgangs auf Low-Level (0V, Gnd, Fahrzeugmasse) mittels eines Low-Side-Schalters (z.B. Open Kollektor MOSFET Ausgang) kann auf Seite des Motor-Steuergeräts initiiert werden. Damit liegt am Eingang des Inverters immer ein High-Pegel vor, solange das Motor-Steuergerät nicht aktiv den Pegel auf Low zieht. Lediglich im Fehlerfall kann ebenfalls ein Low-Pegel vorliegen, beispielsweise bei einem Masseschluss der Signalleitung gegen die Fahrzeugkarosserie oder ähnliches. Gemäß dem vorgeschlagenen Kommunikationsprotokoll wird der Inverter in verschiedenen Zuständen
betrieben.
-
In einem ersten, deaktivierten Zustand ist das Fahrzeug abgestellt. Solange kein aktives Low-Signal des Steuergeräts vorliegt und nach dem letzten Abschaltvorgang des Fahrzeugs der Strom in der elektrischen Maschine auf 0A abgesunken ist (Stillstand der Maschine), befindet sich der Inverter in einem Energiesparbetrieb mit reduzierten Funktionen.
-
In einem zweiten, aktivierten Zustand, befindet sich die Maschine im Stillstand, der Inverter ist aktiviert und wartet auf den Befehl zum Starten des Verbrennungsmotors. Sobald das Steuergerät den Ausgang auf Low-Pegel zieht, aktiviert sich der Inverter und ist voll funktionsbereit.
-
Ein dritter Zustand betrifft den Startvorgang zum Anlassen des Verbrennungsmotors. Das Steuergerät sendet einen entsprechenden Befehl zum Starten des Verbrennungsmotors an den Inverter. Ein entsprechendes Signal zum Kodieren des Befehls kann ein schnelles Schalten zwischen High- und Low-Pegel (PWM-Schalten) sein.
-
In einem vierten, normalen Betriebszustand läuft der Verbrennungsmotor im normalen Verbrennungsbetrieb. Die elektrische Maschine kann dann mittels Inverter auch im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden. Dafür teilt das Steuergerät dem Inverter mit, welches elektrische Moment gerade gewünscht. Zu diesem Zweck kann das Steuergerät gegenüber dem vorherigen dritten Zustand auf eine andere konstante PWM-Frequenz wechseln (z.B. 10 kHz; deutliche Frequenz-Unterschiede zur besseren Differenzierbarkeit vorteilhaft) und kodiert den Momentenwunsch über den Duty Cycle bzw. Tastgrad. Beispielsweise entspricht ein Duty Cycle von 5% dem maximal generatorischen Moment
und 95% dem maximal motorischen Moment. Dazwischenliegende Momente werden entsprechend der Duty Cycle Diskretisierung mit Werten zwischen 5% und 95% kodiert. Durch einen Sicherheitsabstand zu 0% (dauerhaft Low-Pegel) und 100%
(dauerhaft High-Pegel) wird vermieden, dass fälschlicherweise keine PWM-Frequenz mehr ausgegeben wird.
www.dehns.com
-
Ein fünfter Betriebszustand betrifft den Abschaltvorgang des Verbrennungsmotors. Diesen Zustand kann das Motor-Steuergerät durch einen dauerhaften Low- oder High-Pegel signalisieren. Wird das Motor-Steuergerät abgeschaltet und kann kein Low-Pegel mehr stellen, bleibt lediglich ein konstanter High-Pegel.
-
Ein sechster Zustand betrifft einen Fehlerzustand, bei welchem dem Inverter keine Informationen von dem Steuergerät vorliegen, beispielsweise, weil die Kommunikationsverbindung zwischen Inverter und Steuergerät getrennt wurde. In diesem Fall muss bei rotierendem Verbrennungsmotor die erzeugte elektrische Energie der elektrischen Maschine sinnvoll verarbeitet werden ohne die Fahrzeugbatterie
zu überladen. Bei abgestelltem Motor darf sich der Inverter nicht selbstständig aktivieren und einen ungewollten Startvorgang durchführen.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt ein Fahrzeug 10, das als ein Zweirad ausgebildet ist.
- 2 zeigt ein ISG System für ein Fahrzeug, das als Zweirad ausgebildet ist.
- 3 zeigt eine mögliche Realisierung eines PWM - Signals.
-
Beschreibung
-
1 zeigt ein Fahrzeug 10, das als ein Zweirad ausgebildet ist mit einem Verbrennungsmotor 11.
-
Das Fahrzeug 10 weist ein ISG-System auf, wie es in 2 dargestellt ist, mit einem integrierten Starter Generator (ISG) 12, einem Motor-Steuergerät 14 und einem separaten Inverter 16. Der Inverter 16 ist nicht in das Steuergerät 14 intergiert, sondern in einem separaten Gehäuse 18 verbaut. Der Inverter 16 umfasst einen eigenen Prozessor 20.
-
Eine Kommunikation zwischen dem Steuergerät 14 und dem Inverter 16 erfolgt über zwei digitale Spannungslevel auf einer Signalleitung S1 am Ausgang des Steuergeräts 14 und am Eingang des Inverters 16. Das Spannungsniveau des High-Levels wird dabei auf der Seite des Inverters 16 definiert, indem ein Pull-Up-Widerstand RL den Signaleingang des Inverters 16 auf ein definiertes positives Potential bringt. Das positive Signal kann 5V, 12V oder Batteriespannung betragen. Der Ausgang des
-
Steuergeräts 14 wird so gewählt, dass keine aktive Ausgabe einer positiven Spannung möglich ist. Lediglich ein aktives Schalten
des Ausgangs des Steuergeräts 14 auf Low-Level ist möglich, wobei Low-Level 0V bzw. Masse des Fahrzeugs 10 beträgt. Das Schalten erfolgt mittels eines Low-Side-Schalters 22. Der Low Side Schalter 22 kann beispielsweise als Open-Kollektor-MOSFET-Ausgang realisiert sein.
-
Damit liegt am Eingang des Inverters 16 immer ein High-Level vor, wenn der Low Side Schalter 22 nicht aktiv des Ausgangs des Steuergeräts 14 auf Low-Level schaltet. Es kann jedoch auch im Fehlerfall ein Low-Level vorliegen. Ein Fehlerfall ist beispielsweise ein Masseschluss der Signalleitung S1 gegen die Karosserie des Fahrzeugs 10 oder dergleichen. Gemäß dem vorgeschlagenen Kommunikationsprotokoll wird der Inverter 16 in verschiedenen Zuständen betrieben.
-
Für den Inverter lassen sich über den gesamten Betriebsbereich sechs Zustände definieren:
-
Zustand 1 - Deaktivierter Zustand:
-
In einem ersten, deaktivierten Zustand ist das Fahrzeug 10 abgestellt. Der Strom in der elektrischen Maschine 12 ist nach dem letzten Abschaltvorgang auf 0A abgesunken. Solange kein aktives Low-Signal am Ausgang des Steuergeräts 14 vorliegt, befindet sich der Inverter 16 in einem Energiesparbetrieb mit reduzierten Funktionen. Es erfolgt lediglich eine Überwachung des Eingangs des Inverters 16 zur Detektion eines kommenden Low-Levels.
-
Alternativ kann ein Signal am Eingang des Inverters 16 derart angelegt werden, dass der Prozessor 20 erst bei Zündung aktiviert wird. Außerdem ist es möglich, dass mit Anliegen eines Low-Signals der Prozessor 20 erst über eine analoge Schaltung mit Spannung versorgt wird. Damit kann der Stromverbrauch im ausgeschalteten Zustand reduziert werden.
-
Optionaler Zustand 2 - Aktivierter Zustand
-
In einem zweiten, aktivierten Zustand, befindet sich die elektrische Maschine 12 im Stillstand. Der Inverter 16 ist aktiviert und wartet auf den Befehl zum Starten der elektrischen Maschine 12. Sobald der Ausgang des Steuergerät 14 auf Low-Level geschaltet ist, aktiviert sich der Inverter 16 und ist vollumfänglich funktionsbereit. Somit kann das Steuergerät 14 sofort bei Erkennen des Startbefehls ein Startvorgang begonnen werden.
-
Alternativ kann auf diesen Zustand verzichtet werden. In diesem Fall wartet der Inverter 16 im deaktivierten Zustand 1 auf den Startbefehl.
-
Zustand 3 - Startvorgang:
-
Ein dritter Zustand betrifft den Startvorgang zum Anlassen des Verbrennungsmotors 11. Das Steuergerät 14 sendet einen entsprechenden Befehl zum Starten des Verbrennungsmotors 11 an den Inverter 16. Ein entsprechendes PWM Signal zum Kodieren des Befehls kann ein schnelles Schalten zwischen High- und Low-Pegel sein.
-
Hierbei sind verschiedene Varianten möglich:
- Variante 1:
- Das Steuergerät 14 taktet das PWM-Signal mit gleichbleibender Frequenz und konstantem Duty Cycle. Der Duty Cycle ist dabei das Verhältnis zwischen der Dauer des High-Levels zur gesamten PWM-Periodendauer bestehend aus je einer Phase mit High-Pegel und einer Phase mit Low-Pegel. Die Frequenz kann dabei 20kHz betragen. Der Duty Cycle beträgt hierbei 50%
- Erkennt der Inverter 16 das PWM-Signal mit dieser definierten Frequenz, führt er den Startvorgang durch. Sobald das Steuergerät 14 Signale ausgibt, die einem vierten Zustand entsprechen, wird in Zustand 4 gewechselt.
- Variante 2:
- Unter Umständen ist es notwendig, während des Startvorgangs den Verbrennungsmotor 11 erst einmal entgegen der Laufrichtung zu drehen. Falls der Inverter 16 die dafür notwendige Logik mangels Informationen über den Zustand des Verbrennungsmotors 11 nicht selbstständig umsetzen kann, muss diese im Steuergerät 14 vorgesehen werden. Dafür muss das Steuergerät 14 die Drehrichtung des Verbrennungsmotors 11 während des Startvorgangs bestimmen können. Eine mögliche Kodierung der Drehrichtung kann im Duty Cycle des in Variante 1 beschriebenen PWM-Signals enthalten sein. Beispielsweise kann mit einem Duty Cycle von 33% die Rückwärtsrichtung und mit einem Duty Cycle von 66% die Vorwärtsrichtung als Drehrichtung vorgegeben werden.
-
Alternativ können zwei verschiedene, aber konstante Frequenzen für die Drehrichtungen verwendet werden. Beispielsweise 18 kHz für die Vorwärtsrichtung und 22 kHz für die Rückwärtsrichtung.
-
Zustand 4 - Normaler Betriebszustand:
-
In einem vierten, normalen Betriebszustand läuft der Verbrennungsmotor 11 im normalen Verbrennungsbetrieb. Die elektrische Maschine 12 kann dann mittels Inverter 16 auch im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden.
-
Dafür teilt das Steuergerät 14 dem Inverter 16 mit, welches elektrische Moment gerade Gewünscht ist.
-
Zur Übertragung dieser Information an den Inverter 16 können verschiedene Varianten eingesetzt werden.
- Variante 1
Das Steuergerät 14 wechselt gegenüber dem vorherigen dritten Zustand auf eine andere konstante PWM-Frequenz, beispielsweise auf 10 kHz und kodiert den Momentenwunsch über den Duty Cycle. Zur besseren Differenzierbarkeit sind deutliche Frequenz-Unterschiede vorteilhaft. Beispielsweise entspricht ein Duty Cycle von 5% dem maximal generatorischen Moment und 95% dem maximal motorischen Moment. Dazwischenliegende Momente werden entsprechend der Duty Cycle Diskretisierung mit Werten zwischen 5% und 95% kodiert. Durch einen Sicherheitsabstand zu 0% (dauerhaft Low-Pegel) und 100% (dauerhaft High-Pegel) wird vermieden, dass fälschlicherweise keine PWM-Frequenz mehr ausgegeben wird.
- Variante 2
Das Steuergerät 14 kodiert den Momentenwunsch in der PWM-Frequenz. Beispielsweise entspricht eine Frequenz von 5 kHz dem maximal generatorischen Moment und 15 kHz dem maximal motorischen Moment. Frequenzen dazwischen entsprechen dazwischenliegenden Momenten. Auch hier bietet sich eine deutliche Unterscheidung zu den Frequenzen aus Zustand 3 an, um den Umschaltvorgang von Zustand 3 nach 4 klar zu markieren.
- Variante 3
Alternativ kann das Ansteuerverfahren des Inverters bei Verwendung einer reinen Block Kommutierung ohne PWM ein weiteres Signalpattern umgesetzt werden. Hierbei wechselt das Motor-Steuergerät vom PWM-Betrieb aus Zustand 3 auf ein drehzahlsynchrones Signal mit kurzen Pulsen, bei dem jeder kurze Puls für den Inverter das Umschalten in den nächsten Block der Block Kommutierung markiert.
-
Durch die Wahl entsprechend hoher PWM-Frequenzen in Variante 1 und 2, beziehungsweise der Möglichkeit in Variante 3 die Schaltvorgänge direkt zu triggern, kann ein sehr schnelles Einstellen der elektrischen Maschine auf das Wunschmoment erfolgen. Entsprechend sind kurbelwellensynchrone hochfrequente Unterstützungen des Verbrennungsmotors möglich.
-
Zustand 5 - Abschaltvorgang:
-
Ein fünfter Betriebszustand betrifft den Abschaltvorgang des Verbrennungsmotors 11.
-
Wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors 11 mit entsprechender Verzögerung bis zum Stillstand abfällt, erzeugt die elektrische Maschine 12 während dieser Zeit weiterhin Energie, die der Inverter 16 verarbeiten muss.
-
Diesen Zustand kann das Steuergerät 16 durch einen dauerhaften Low- oder High-Pegel signalisieren. Wird das Steuergerät 16 abgeschaltet, kann es keinen Low-Pegel mehr bereitstellen. Es bleibt lediglich ein konstanter High-Pegel.
-
Wird in diesem Zustand erkannt, dass nur noch ein konstanter Pegel am Eingang des Inverters 16 vorliegt, kann der Inverter 16 die elektrische Maschine 12 derart betreiben, dass eine geeignete Schwelle der Batteriespannung nicht überschritten wird. Sobald die elektrische Maschine 12 keine Energie mehr liefert, kann der Inverter 16:
- • in Zustand 1 wechseln, falls ein High-Pegel am Eingang vorliegt,
- • in Zustand 2 wechseln, solange ein Low-Pegel vom Steuergerät gehalten wird Entsprechend kann von Zustand 2 in 1 gewechselt werden, falls der Eingangspegel von konstant Low auf konstant High wechselt.
-
Während der Inverter in Betrieb ist, kann es zum Verlust des Steuersignals kommen. Folgende Szenarien sind dabei denkbar:
- Ein Kurzschluss der Steuerleitung S1 gegen Fahrzeugmasse führt zu einem konstanten Low-Pegel am Eingang des Inverters 16.
- Das Lösen eines Steckkontaktes führt zu einem dauerhaften High-Pegel am Eingang des Inverters 16.
-
Beide Fälle entsprechen dabei der Übergangsbedingung in Zustand 5. Alternativ können auch hochfrequente Signalstörungen auftreten.
-
Zustand 6 - Fehlerzustand:
-
Ein sechster Zustand betrifft einen Fehlerzustand, bei welchem dem Inverter 16 keine Informationen vom Steuergerät 14 vorliegen, weil beispielsweise die Kommunikationsverbindung zwischen Inverter 16 und Steuergerät 14 getrennt wurde. In diesem Fall muss bei rotierendem Verbrennungsmotor 11die erzeugte elektrische Energie der elektrischen Maschine 12 sinnvoll verarbeitet werden ohne die Fahrzeugbatterie zu überladen. Bei abgestelltem Motor 11 darf sich der Inverter 16 nicht selbstständig aktivieren und einen ungewollten Startvorgang durchführen.
-
Liegt kein plausibles Eingangssignal am Inverter 16 vor, sprich liegt ein konstanter Pegel oder mindestens eine Störung vor, kann der Inverter 16 die Signale für die Anforderung des Steuergeräts nicht interpretieren. Entsprechend verwaltet der Inverter 16 bei noch rotierender elektrischer Maschine 12 die erzeugte Energie wie in Zustand 5. Entsprechend führt ein Fehler während des Startvorgangs zu einem Abbruch und erneuten Stillstand des Motors 11, falls bis dahin nicht in den Verbrennungsbetrieb übergeleitet werden konnte.
-
Tritt der Fehler im Verbrennungsbetrieb und damit in Zustand 4 auf, wird die Batteriespannung auf einen zulässigen Wert eingeregelt, bis die elektrische Maschine 12 langsam genug rotiert, um keine Energie mehr liefern zu können. Ist das der Fall, kann in Zustand 1 gewechselt werden.
Ist Zustand 2 vorgesehen, wird in Zustand 2 gewechselt, falls der Fehlerfall zu einem dauerhaften Low-Pegel am Eingang des Inverters 16 führt. In diesem Fall kann eine maximale Verweildauer in Zustand 2 vorgesehen werden, um bei fehlendem Startbefehl in Zustand 1 zurück zu wechseln und Energie zu sparen. Kommt der Startbefehl erst im Anschluss, muss eine längere Startzeit in Kauf genommen werden.
-
Eine mögliche Realisierung des Signals ist in 3 abgebildet.
Hierbei wird direkt aus Zustand 1 in Zustand 3 gewechselt und mit konstanter Frequenz und konstantem Duty Cycle ein Startvorgang ohne Richtungswechsel durch das Steuergerät 14 ausgeführt (Zustand 3, Variante 1).
Nach erfolgtem Start wird in Zustand 4 mit konstanter PWM-Frequenz und Kodierung des elektrischen Wunschmoments mittels Duty Cycle übergegangen (Zustand 4, Variante 1).
Am Ende stellt das Steuergerät 14 entweder die Ansteuerung ein um ein Abstellen zu signalisieren oder es tritt ein Fehlerfall mit konstantem Signalpegel auf. In beiden Fällen wird das Verhalten von Zustand 5 umgesetzt, bis die elektrische Maschine 12 und der Verbrennungsmotor 11 zum Stillstand kommen.
-
Es gibt eine zusätzliche Option mit zweiter Signalleitung zwischen dem Steuergerät 14 und dem Inverter 16.
Um die elektrische Maschine 12 entsprechend der jeweiligen Anforderung an das Moment zu betreiben, benötigt der Inverter 16 eine Information über die Position des Rotors, um die Statorspannungen geeignet einstellen zu können. Wird aus Kostengründen auf einen Rotor-Lagesensor verzichtet, können Algorithmen zur sensorlosen Lageschätzungen basierend auf Messung der Phasenströme angewandt werden. Hierbei müssen meist verschiedene Algorithmen und Schätzverfahren je nach Drehzahl des Rotors angewandt werden.
Um toleranter gegenüber Schätzfehlern zu werden, kann alternativ zu obigen Verfahren eine zweite Signalleitung zwischen das Steuergerät 14 des Verbrennungsmotors 11 und dem Inverter 16 dazu verwendet werden, an den Inverter 16 die aktuelle Kurbelwellenposition, die der Rotorposition entspricht, zu übertragen. Speziell, wenn in obigen Verfahren im Verbrennerbetrieb der Momentenwunsch mittels PWM (Zustand 4, Variante 1 oder 2) und nicht über Schaltpulse (Variante 3) übermittelt wird, benötigt der Inverter 16 über den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 11 die Positionsinformation des Rotors. Eine sensorbasierte Information vom Steuergerät 14 kann gegebenenfalls robuster als eine sensorlose Schätzung sein und einen zuverlässigeren Betrieb der elektrischen Maschine ermöglichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1717945 B1 [0003]
- US 5786640 A [0004]
- EP 2095989 A1 [0005]
