DE10232805B4 - Startergeneratorvorrichtung und Verfahren zum Steuern einer Startergeneratorvorrichtung bei einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Startergeneratorvorrichtung und Verfahren zum Steuern einer Startergeneratorvorrichtung bei einem Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Startergeneratorvorrichtung (6) für das Anlassen einer Brennkraftmaschine (1) und das Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie (und umgekehrt) bei einem Kraftfahrzeug, die mit einer Batterie (7) verbunden ist, wobei wenigstens ein Leistungsparameter der Brennkraftmaschine (1) durch eine Erfassungseinrichtung (1a) erfasst wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Steuervorrichtung (2) vorgesehen ist zum
• Berechnen eines momentan erzeugten Brennkraftmaschinendrehmoments (8a, 8b) aus dem wenigstens einen Leistungsparameter der Brennkraftmaschine,
• Berechnen eines gewünschten Drehmoments aus wenigstens einem Eingabeparameter (3),
• Vergleichen des erzeugten Brennkraftmaschinendrehmoments (8a, 8b) mit dem gewünschten Drehmoment und
• Steuern eines Startergeneratordrehmoments (9a, 9b) in Abhängigkeit von dem Vergleich bei Betrieb einer Brennkraftmaschine im Bereich zwischen einem befeuerten Schleppmoment und einem unbefeuerten Schleppmoment.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Startergeneratorvorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer Startergeneratorvorrichtung bei einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. Anspruch 2.
  • Ottomotoren weisen einen nicht steuerbaren Momentenbereich auf zwischen unbefeuertem Schleppbetrieb (mit Schubabschaltung) und befeuertem Schleppbetrieb (ohne Schubabschaltung), Momente dazwischen können nicht umgesetzt werden. Zur Überbrückung dieser Momentenlücke benötigen Fahrerassistenzsysteme wie Tempomat und Active Cruise Control (ACC), welche Antriebsmomentenanforderungen über eine geeignete Schnittstelle an den Motor bzw. die Motorsteuerung stellen, eine komplexe Ansteuerungslogik. Jedoch steht der Ansteuerungslogik nicht immer die Information zur Verfügung, mit der die Nichtlinearität des Motors umgangen werden kann. Dieses Problem macht sich insbesondere dann für den Fahrer bemerkbar, wenn eine Momentenanforderung innerhalb des nicht stellbaren Bereichs anliegt. Dann kann der Motor entweder das befeuerte Schleppmoment oder das unbefeuerte Schleppmoment stellen. Im ersten Fall ist die Verzögerung des Motors unzureichend, im zweiten Fall zu groß, in beiden Fällen muss jedoch nachgeregelt werden, um die Sollverzögerung zu erhalten. Dies kann im ungünstigen Fall dazu führen, dass zwischen beiden stellbaren Momenten hin und her gesprungen wird und es durch diese Unstetigkeit zu Komforteinbußen kommt.
  • Die DE 100 47 502 A1 bezieht sich auf einen Anlassvorgang, für den auch ein Startergenerator vorgesehen ist. Hier soll im Zusammenhang mit einer Drehzahlregelung ein schnellstmögliches Hochlaufen der Brennkraftmaschine beim Start ohne Überschwingen erreicht werden. Aus der DE 100 38 181 A1 und der DE 197 54 286 A1 sind Startergeneratorvorrichtungen bekannt, bei welchen abhängig vom Fahrerwunsch und den aktuell wirksamen Motorlastmomenten Sollwerte für Antriebsdrehmomente bestimmt werden, die dann von der Antriebseinheit bereitgestellt werden. Zum weiteren technischen Hintergrund wird auf die DE die DE 199 15 207 A1 hingewiesen.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Startergeneratorvorrichtung zu schaffen und ein Verfahren zum Steuern einer derartigen Startergeneratorvorrichtung anzugeben, so dass ein komfortabler Übergang zwischen befeuertem und unbefeuertem Schleppmoment ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Startergeneratorvorrichtung nach Anspruch 1 bzw. das Verfahren nach Anspruch 2.
  • Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, einen (Kurbelwellen-) Startergenerator (KSG) in Kombination mit einem Antriebsmanagement von Motor einzusetzen.
  • Die erfindungsgemäße Startergeneratorvorrichtung für das Anlassen einer Brennkraftmaschine und das Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie bei einem Kraftfahrzeug, die mit einer Batterie verbunden ist, wobei wenigstens ein Leistungsparameter der Brennkraftmaschine durch eine Erfassungseinrichtung erfasst wird, ist durch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung vorgesehen ist zum Berechnen eines momentan erzeugten Brennkraftmaschinendrehmoments aus dem wenigstens einen Leistungsparameter der Brennkraftmaschine, Berechnen eines gewünschten Drehmoments aus wenigstens einem Eingabeparameter, Vergleichen des erzeugten Brennkraftmaschinendrehmoments mit dem gewünschten Drehmoment und Ausgeben eines Laständerungssignals in Abhängigkeit von dem Vergleich und die Startergeneratorvorrichtung ein Startergeneratordrehmoment in Abhängigkeit von dem Laständerungssignal erzeugt, so dass bei stationärem Eingabeparameter sich das erzeugte Drehmoment stetig gegen das gewünschte Drehmoment ändert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern einer Startergeneratorvorrichtung für das Anlassen einer Brennkraftmaschine und das Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie bei einem Kraftfahrzeug, die mit einer Batterie verbunden ist, wobei wenigstens ein Leistungsparameter der Brennkraftmaschine durch eine Erfassungseinrichtung erfasst wird, ist gekennzeichnet durch die Schritte Berechnen eines momentan erzeugten Brennkraftmaschinendrehmoments aus dem wenigstens einen Leistungsparameter der Brennkraftmaschine durch eine Steuervorrichtung, Berechnen eines gewünschten Drehmoments aus wenigstens einem Eingabeparameter durch die Steuervorrichtung, Vergleichen des erzeugten Brennkraftmaschinendrehmoments mit dem gewünschten Drehmoment und Ausgeben eines Laständerungssignals in Abhängigkeit von dem Vergleich durch die Steuervorrichtung und Erzeugen eines Startergeneratordrehmoments durch die Startergeneratorvorrichtung in Abhängigkeit von dem Laständerungssignal, so dass bei stationärem Eingabeparameter sich das erzeugte Drehmoment stetig gegen das gewünschte Drehmoment ändert.
  • Insbesondere ist dabei der wenigstens eine Leistungsparameter eine Motordrehzahl und die Erfassungsvorrichtung ein Drehzahlmesser, oder der wenigstens eine Leistungsparameter ist ein Saugrohrdruck und die Erfassungsvorrichtung ein Manometer.
  • Vorzugsweise wird zum Erzeugen eines Bremsmoments durch die Startergeneratorvorrichtung ein Erregerstrom der Startergeneratorvorrichtung verändert.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kombination des KSG- Aggregats und des Motors dazu genutzt werden kann, den nicht stellbaren Motormomentenbereich (befeuerter/unbefeuerter Betrieb) gegenüber dem Antriebsmomentenanforderer stellbar zu machen. Der nicht stellbare Bereich kann vollständig oder zumindest teilweise vom KSG- Aggregat abgedeckt werden. Darüber hinaus kann das KSG- Aggregat auch als Zusatzantrieb ("Boosterbetrieb") zur Erzielung maximal möglicher Beschleunigung sowie im Generatorbetrieb als Zusatzverzögerungsmöglichkeit zum Motor genutzt werden. Der Generatorbetrieb kann zur Energiegewinnung sowie Energiespeicherung genutzt werden, die zu einem späteren Zeitpunkt durch das KSG- Aggregat als Antriebsmoment genutzt werden kann. Außerdem müssen Assistenzfunktionen keine aufwendige Logik für den Betrieb mit Ottomotoren mehr beinhalten und werden damit universeller einsetzbar. Eine derartige Eliminierung oder Verkleinerung des nicht stellbaren Bereichs beseitigt Komforteinbußen des Fahrers. Die Energieeinsparung kann so erweitert werden, der Bremsenverschleiß kann minimiert werden.
    •
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
  • 1A und 1B zeigen schematisch die erfindungsgemäße Drehmomentaufteilung ohne bzw. mit erhöhtem Bedarf an Antriebsmoment.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung.
  • In 3 zeigt zur Erläuterung den Drehmomentverlauf bei Volllast, befeuertem Schleppmoment und unbefeuertem Schleppmoment.
  • In 1A und 1B sind die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Elektrische Leitungen sind als durchgezogene Linien dargestellt, Steuerleitungen sind gestrichelt dargestellt.
  • Von einer Brennkraftmaschine 1 wird mechanische Leistung bereitgestellt. Die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 wird durch eine Drehzahlerfassungseinrichtung 1a überwacht. Die Brennkraftmaschine 1 wird von einer Steuervorrichtung 2 gesteuert, welche ihrerseits u.a. auf eine Lastvorgabeeinrichtung 3 sowie die Drehzahl reagiert, die ihr von der Drehzahlerfassungseinrichtung 1a mitgeteilt wird. Die Lastvorgabeeinrichtung 3 kann – wie in der Zeichnung angedeutet – ein Fahrpedal sein, bei dem beispielsweise der Anstellwinkel erfasst wird. Als Lastvorgaben können aber auch das Übersetzungsverhältnis eines (nicht dargestellten) Getriebes oder Steuergrößen eines "Tempomats" etc. in die Steuerung der Brennkraftmaschine 1 durch die Steuervorrichtung 2 mit einfließen. Durch die Lastvorgabeeinrichtung 3 wird ein Sollwert für einen Leistungsparameter der Brennkraftmaschine 1 vorgegeben, auf den sich die Steuerung im weiteren bezieht. Der Leistungsparameter ist beispielsweise eine Motordrehzahl, die durch einen Drehzahlmesser erfasst wird. Alternativ oder in Kombination dazu kann der Leistungsparameter ein Saugrohrdruck sein, der durch ein Manometer erfasst wird.
  • Die entsprechende Erfassungsvorrichtung ist in 1A und 1B mit 1a bezeichnet. Sie ist mit der Steuervorrichtung 2 verbunden, in der der Leistungsparameter bei der Steuerung des Motors berücksichtigt wird.
  • Die Leistung der Brennkraftmaschine 1, d.h. eine Drehzahl und ein Drehmoment 8a wird über eine Abtriebswelle 4 an die mechanischen Verbraucher im Kraftfahrzeug abgegeben, die symbolisch durch ein Antriebsrad 5 des Fahrzeugs angedeutet sind.
  • Eine weitere Komponente des Fahrzeugs ist eine Startergeneratorvorrichtung 6, die sowohl als Drehstrommotor u.a. für das Starten der Brennkraftmaschine 1 als auch als Drehstromgenerator (Lichtmaschine) für die Versorgung des Bordnetzes des Fahrzeugs bzw. die Aufladung einer Versorgungsbatterie 7 dienen kann. Die Startergeneratorvorrichtung 6 ist daher mit der wiederaufladbaren Versorgungsbatterie (Akkumulator) 7 verbunden, der sie je nach Betriebsart Leistung zuführt oder entnimmt. Die Startergeneratorvorrichtung 6 liefert als Drehstrommotor 6a in 1A ein zusätzliches Drehmoment 9a zum Antrieb des Fahrzeugs, als Generator 6b entzieht die Startergeneratorvorrichtung 6 dem Antriebsrad 5 ein Drehmoment 9b, d.h. sie wirkt als elektrische Bremse.
  • In 3 ist der Drehmomentverlauf bei einem Kraftfahrzeug gegenüber der Drehzahl n der Brennkraftmaschine in drei Lastbereichen qualitativ gezeigt. Bei Volllast ist der Drehmomentverlauf durch die Kurve 17 wiedergegeben. Das Drehmoment MBKM nimmt bei Volllast mit steigender Drehzahl n zu. Der Drehmomentverlauf bei befeuertem Schleppbetrieb ist durch die Kurve 18 dargestellt. Hier ist das Drehmoment MBKM negativ, d.h. es ist bei Schleppbetrieb ein Bremsmoment, das mit steigernder Drehzahl n abnimmt.
  • Der unbefeuerte Schleppbetrieb ist durch die Kurve 19 dargestellt. Wie bei 18 nimmt auch hier das Drehmoment (Bremsmoment) MBKM mit steigender Drehzahl n in ähnlichem Maß wie bei der Kurve 18 ab.
  • In dem durch einen Doppelpfeil markierten Bereich zwischen der Kurve 17 und 18 steht dem Fahrer des Fahrzeugs jedes Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl zur Verfügung. In dem Bereich zwischen dem befeuerten Schleppmoment 18 und dem unbefeuerten Schleppmoment 19 steht dagegen kein Drehmoment zur Verfügung, da die Brennkraftmaschine nur befeuert werden kann oder nicht befeuert werden kann, d.h. nur entlang der Kurve 18 oder 19 betrieben werden kann, nicht aber dazwischen.
  • Diese "Lücke" im Drehmoment MBKM wird erfindungsgemäß durch Zuschalten der Startergeneratorvorrichtung 6 überbrückt. Wenn ein Übergang von dem unbefeuerten Schleppmoment 19 zu dem befeuerten Schleppmoment 18 erfolgen soll, weil beispielsweise das Fahrzeug nach einer Bergabfahrt mit Motorbremsung bei Erreichen der Ebene wieder beschleunigt werden soll, wird erfindungsgemäß der Drehmomentbedarf zwischen den Kurven 18 und 19 durch ein von der Startergeneratorvorrichtung 6 dosierbar bereitgestelltes Drehmoment gedeckt. In diesem Fall arbeitet die Startergeneratorvorrichtung 6 also als Drehstrommotor, was in 1A durch das Motorsymbol 6a dargestellt ist. Entsprechend entzieht die Startergeneratorvorrichtung 6 als Drehstrommotor 6a der angeschlossenen Batterie 7 Leistung, was durch den von der Batterie zum Drehstrommotor 6a gerichteten Pfeil gezeigt ist. Das zusätzliche Antriebsmoment, das der Drehstrommotor 6a auf das Antriebsrad 5 bringt, ist mit 9a bezeichnet.
  • Bei einem Übergang von der Kurve 18 auf die Kurve 19, also bei Umschalten von befeuertem Betrieb der Brennkraftmaschine 1 auf einen unbefeuerten Betrieb "federt" die Startergeneratorvorrichtung 6 in 1B als Drehstromgenerator 6b die Drehmomentlücke ab. In diesem Fall entzieht die Startergeneratorvorrichtung 6 dem Antriebsrad 5 mechanische Energie und erzeugt so ein zusätzliches – dosierbares – Bremsmoment 9b. Die Startergeneratorvorrichtung 6 führt als Drehstromgenerator 6b der angeschlossenen Batterie 7 Leistung zu, was durch den von dem Drehstromgenerator 6b zu der Batterie gerichteten Pfeil gezeigt ist.
  • Die Aufteilung des von der Brennkraftmaschine 1 und der Startergeneratorvorrichtung 6 erzeugten bzw. verbrauchten Drehmoments 8a, 8b, 9a und 9b in der Darstellung durch Pfeile in 1A und 1B ist nicht maßstäblich.
  • In 2 ist eine Ausführungsform der Startergeneratorvorrichtung 6 gezeigt, mit der sich das Drehmoment als ein Antriebsmoment 9a bzw. ein Bremsmoment 9b einstellen lässt.
  • Sobald ein Übergang von der Kurve 19 zu der Kurve 18 in 3 erfolgen soll, wird geprüft, ob es notwendig ist, mit dem Startergenerator 6 Bremsmoment bereitzustellen, um den Übergang gleichmäßig zu gestalten. Dazu wird das erzeugte Brennkraftmaschinendrehmoment 8a bzw. 8b mit dem gewünschten Drehmoment verglichen, das sich aus dem Sollwert bzw. Eingabeparameter für einen Leistungsparameter der Brennkraftmaschine 1 ergibt, der von dem Fahrer über die Lastvorgabeeinrichtung 3 eingegeben wird. In Abhängigkeit von diesem Vergleich wird ein Laständerungssignal durch die Steuervorrichtung 2 ausgegeben. Von der Startergeneratorvorrichtung 6 wird in Abhängigkeit von dem Laständerungssignal ein Startergeneratordrehmoment erzeugt, also ein Antriebsmoment 9a oder ein Bremsmoment 9b. So wird sichergestellt, dass sich das erzeugte Drehmoment bei stationärem Eingabeparameter stetig gegen das gewünschte Drehmoment ändert.
  • Um das benötigte Bremsmoment 9b zu erzeugen, wird der Erregerstrom IErr der Startergeneratorvorrichtung 6 entsprechend erhöht. Die Startergeneratorvorrichtung 6 weist eine Erregerspule 10 auf, mit der ein Magnetfeld erzeugt wird, in dem sich ein Anker mit drei Generatorwicklungen 11 bewegt. Durch Erhöhen des Erregerstroms IErr wird das Magnetfeld größer, und die Bremswirkung nimmt zu. Die an den drei Generatorwicklungen 11 abgegriffene Spannung wird jeweils durch Gleichrichterschaltelemente 12 gleichgerichtet, die in 2 als Transistoren dargestellt sind. Die elektrische Leistung wird in das Bordnetz eingespeist bzw. zur Erzeugung des Erregerstroms IErr verwendet. In dem Bordnetz sind eine wiederaufladbare Versorgungsbatterie 13 (mit nicht dargestelltem Ladegerät) und mehrere Verbraucher 14 miteinander verbunden.
  • Der Erregerstrom durch die Erregerspule 10 wird durch eine Treiberschaltung 15 gesteuert, die hier schematisch durch einen Transistor dargestellt ist, in dessen Kollektorkreis eine Freilaufdiode 16 für die induktive Last geschaltet ist. Die Treiberschaltung wird durch die Steuervorrichtung 2 gesteuert.
  • Soll das Fahrzeug dagegen (sanft) beschleunigt werden, so arbeitet die Startergeneratorvorrichtung 6 als Motor 6a, und dazu wird der Gleichstrom der Batterie 13 durch die Gleichrichterschaltelemente 12 in Strompulse umgeformt, mit denen ein Drehstrommotor angetrieben werden kann. In diesem Fall arbeiten die Gleichrichterschaltelemente 12 als Zerhacker.
  • Mit diesem Aufbau der Startergeneratorvorrichtung 6 lässt sich ein gleichmäßigerer Lauf der Brennkraftmaschine und ein angepasster Übergang zwischen befeuertem und unbefeuertem Schleppmoment sicherstellen.
    • 1
    Brennkraftmaschine, 1a Leistungsparametererfassung (Drehzahl)
    2
    Motorsteuerung
    3
    Eingabeeinrichtung, Fahrpedal
    4
    Motorwelle
    5
    Antriebsrad
    6
    Startergenerator, 6a Drehstrommotor, 6b Drehstromgenerator
    7
    Batterie
    8
    Brennkraftmaschinendrehmoment, 8a Antriebsmoment, 8b Bremsmoment
    der Brennkraftmaschine
    9
    Startergeneratordrehmoment, 9a Antriebsmoment, 9b Bremsmoment des
    Startergenerators
    10
    Erregerspule
    11
    Generatorwicklungen
    12
    Gleichrichter
    13
    Versorgungsbatterie
    14
    Verbraucher
    15
    Treiberschaltung für Drehstromgenerator
    16
    Freilaufdiode
    17
    Momentverlauf bei Volllastbetrieb
    18
    Momentverlauf bei befeuertem Schleppmoment
    19
    Momentverlauf bei unbefeuertem Schleppmoment

Claims (5)

  1. Startergeneratorvorrichtung (6) für das Anlassen einer Brennkraftmaschine (1) und das Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie (und umgekehrt) bei einem Kraftfahrzeug, die mit einer Batterie (7) verbunden ist, wobei wenigstens ein Leistungsparameter der Brennkraftmaschine (1) durch eine Erfassungseinrichtung (1a) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung (2) vorgesehen ist zum • Berechnen eines momentan erzeugten Brennkraftmaschinendrehmoments (8a, 8b) aus dem wenigstens einen Leistungsparameter der Brennkraftmaschine, • Berechnen eines gewünschten Drehmoments aus wenigstens einem Eingabeparameter (3), • Vergleichen des erzeugten Brennkraftmaschinendrehmoments (8a, 8b) mit dem gewünschten Drehmoment und • Steuern eines Startergeneratordrehmoments (9a, 9b) in Abhängigkeit von dem Vergleich bei Betrieb einer Brennkraftmaschine im Bereich zwischen einem befeuerten Schleppmoment und einem unbefeuerten Schleppmoment.
  2. Verfahren zum Steuern einer Startergeneratorvorrichtung (6) für das Anlassen einer Brennkraftmaschine (1) und das Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie (und umgekehrt) bei einem Kraftfahrzeug, die mit einer Batterie (7) verbunden ist, wobei wenigstens ein Leistungsparameter der Brennkraftmaschine (1) durch eine Erfassungseinrichtung (1a) erfasst wird, gekennzeichnet durch die Schritte: • Berechnen eines momentan erzeugten Brennkraftmaschinendrehmoments (8a, 8b) aus dem wenigstens einen Leistungsparameter der Brennkraftmaschine durch eine Steuervorrichtung (2), • Berechnen eines gewünschten Drehmoments aus wenigstens einem Eingabeparameter (3) durch die Steuervorrichtung (2), • Vergleichen des erzeugten Brennkraftmaschinendrehmoments (8a, 8b) mit dem gewünschten Drehmoment durch die Steuervorrichtung (2) und • Steuern eines Startergeneratordrehmoments (9a, 9b) in Abhängigkeit von dem Vergleich bei Betrieb einer Brennkraftmaschine im Bereich zwischen einem befeuerten Schleppmoment und einem unbefeuerten Schleppmoment durch die Steuervorrichtung (2).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Leistungsparameter eine Motordrehzahl ist und die Erfassungsvorrichtung ein Drehzahlmesser ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Leistungsparameter ein Saugrohrdruck ist und die Erfassungsvorrichtung ein Manometer ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen eines Bremsmoments (9b) durch die Startergeneratorvorrichtung (6a, 6b) ein Erregerstrom der Startergeneratorvorrichtung verändert wird.
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