-
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem
mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine und
ein Verfahren zum Betreiben einer Ansteuereinheit für die elektrische
Maschine.
-
Aus der Offenlegungsschrift
DE 33 32 515 A1 ist
eine elektrische Maschine bekannt, der ein Stromrichtergerät zur Ansteuerung
zugeordnet ist. Das Stromrichtergerät ist in einem Klemmkasten
eingebaut, welcher in der Gehäusewand
der elektrischen Maschine vorgesehen ist.
-
In Antriebssystemen für Kraftfahrzeuge
steht üblicherweise
wenig Bauraum für
den Einbau von insbesondere fakultativen bzw. neuen Komponenten, wie
beispielsweise einer Leistungselektronikeinheit für elektrische
Maschinen, Starter/Generator-, Mildhybrid-, oder Hybrid-Maschinen,
zur Verfügung.
Ein zusätzlicher
Einbau erfordert oft teure Umkonstruktionen des ursprünglichen
Antriebssystems bestehend aus einer Brennkraftmaschine und einem
Getriebe. Soll eine als Starter/Generator fungierende elektrische
Maschine im Kraftfahrzeug vorgesehen sein, so muss neben dem Bauraum
für die
elektrische Maschine zusätzlicher
Bauraum für
eine, dieser zugeordneten Leistungselektronikeinheit vorgesehen sein.
Das gleiche gilt in verstärkter
Form für
Hybridsysteme. Leistungselektronikeinheiten sind oftmals schwer
unterbringbar, benötigen
eine aufwendige Verkabelung und weisen eine hohe Variantenvielfalt auf
je nach benötigter
Leistung.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein
Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen
Maschine mit möglichst
geringem Bauraumbedarf zu schaffen. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung
ein Verfahren zum Betreiben eines der elektrischen Maschine zugeordneten
Ansteuersystems von geringem Bauraumbedarf zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem
und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
-
Bei einem Antriebssystem mit einem
Verbrennungsmotors und einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung
ist an einer abtriebsseitigen Stirnseite des Motorgehäuses ein
Befestigungsmodul vorgesehen, welches zumindest mit einer Teilfläche in radialer
Richtung über
die abtriebsseitige Stirnseite des Motorgehäuses hinausragt. Die elektrische
Maschine ist beabstandet von der abtriebsseitigen Stirnfläche des
Verbrennungsmotors auf einer Antriebswelle bzw. Kurbelwelle des
Verbrennungsmotors angeordnet und als Starter/Generator betreibbar.
Der elektrischen Maschine ist eine Leistungselektronikeinheit zugeordnet,
mit der sie über Leitungen
verbunden ist. Die Leistungselektronikeinheit ist auf derjenigen
Teilfläche
des Befestigungsmoduls angeordnet, die in radialer Richtung über die
abtriebsseitige Stirnseite des Motorsgehäuses hinausragt.
-
Bei konventionellen Kraftfahrzeugen
mit einem Verbrennungsmotor ist auf einer solchen Teilfläche des
Befestigungsmoduls üblicherweise
ein Starter, bestehend aus einem Elektromotor, einem Einrückrelais
und einem Einspurgetriebe angeordnet. Gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird der für
den Starter vorgesehene Bauraum (auch Starterauge genannt) für die Integration
der Leistungselektronikeinheit für
die elektrische Maschine bzw. für
den Starter/Generator genutzt. Somit kann ein zusätzlicher
Träger
für die
Leistungselektronikein heit entfallen. Da die elektrische Maschine
abtriebsseitig vom Verbrennungsmotor auf der Antriebswelle angeordnet
ist, ergibt sich ein minimaler Verkabelungsaufwand. Ein aufwendiger
Kabelsatz für
die Stromverbindung von Leistungselektronikeinheit zu elektrischer
Maschine kann entfallen. Ein direktes Kontaktieren der Stromleitungen
bzw. der Stromschienen der Leistungselektronikeinheit mit den Wicklungen der
elektrischen Maschine wird ermöglicht.
Dies führt zu
Kosten- und Gewichtseinsparungen und zu verbessertem sog. EMV-Verhalten,
wobei EMV für
elektromagnetische Verträglichkeit
steht. Dank der Lage des Bauraums für die Leistungselektronikeinheit
auf einer Teilfläche
des Befestigungsmoduls des Verbrennungsmotors ergibt sich eine gute
Montierbarkeit.
-
In Ausgestaltung der Erfindung weist
das Befestigungsmodul eine zweite Teilfläche auf, welche ebenfalls in
radialer Richtung über
die abtriebsseitige Stirnseite des Motorgehäuses hinausragt. Auf dieser zweiten
Teilfläche
ist vorzugsweise eine zweite Leistungselektronikeinheit angeordnet.
-
Eine derartige zweite Teilfläche ist üblicherweise
bei einer Vielzahl von Verbrennungsmotoren, insbesondere V- und
Reihenmotoren bei Fahrzeugen mit beispielsweise Heckantrieb vorhanden,
da diese sowohl für
Rechtslenker als auch für
Linkslenker-Varianten eines Kraftfahrzeugs hergestellt werden und daher
das Befestigungsmodul zwei Teilflächen aufweist, welche für die Anbringung
eines Starters vorgesehen sind, wobei die eine Teilfläche in radialer Richtung
gesehen auf der rechten Seite über
die abtriebsseitige Stirnseite des Motorgehäuses hinausragt und die andere
Teilfläche
in radialer Richtung gesehen auf der linken Seite über die
abtriebsseitige Stirnseite des Motorgehäuses hinausragt. Blickrichtung
sei hierbei die Fahrtrichtung. Dieser auf dem Befestigungsmodul
vorgesehene Bauraum bzw. diese Teilflächen des Befestigungsmoduls
können
nun für die
Anbringung von mindestens zwei Leistungselektronikeinheiten verwendet
werden, wobei vorzugsweise je eine Leistungselektronikeinheit auf
je einer Teilfläche
ange ordnet ist. Dadurch dass bevorzugterweise mehrere Leistungselektronikeinheiten
auf dem Befestigungsmodul vorgesehen sind, ergibt sich ein skalierbares
System für
unterschiedliche Leistungsanforderungen an die elektrische Maschine.
Durch die Aufteilung des Ansteuersystems der elektrischen Maschine
in mehrere Leistungselektronikeinheiten erhält man ein modulares bzw. kaskadierbares
System, bei dem die Ansteuerung bei erhöhtem Leistungsbedarf, beispielsweise
für große Verbrennungsmotoren
(z.B. 6-,8-,10- und 12-Zylindermotoren), von zwei oder mehr Leistungselektronikeinheiten
erfolgt. Eine zweite Leistungselektronikeinheit wird vorzugsweise
auf dem zweiten, noch freien Bauraum für den Starter (auch Starterauge
genannt) angeordnet. Auf diese Weise brauchen für die Integration einer zweiten
Leistungselektronikeinheit vorteilhafterweise keine Änderungen
am Motorgehäuse
bzw. an einem Triebstranggehäuse
vorgenommen werden. Es kann somit beispielsweise eine kompakte Leistungselektronikeinheit
für den
Leistungsbedarf (insbesondere Startleistung) von Klein- und Mittelklassefahrzeugen mit
bis zu etwa 6-zylindrigen Verbrennungsmotoren dimensioniert werden
mit z. B. 2-4 kW. Für
die gehobenen Segmente bzw. Fahrzeuge mit größeren bzw. leistungsstärkeren Verbrennungsmotoren
mit entsprechend höherem
Leistungsbedarf wird eine zweite identische Leistungselektronik
hinzugefügt.
-
Es erfolgt eine Aufteilung der Erregerwicklungen
der elektrischen Maschine auf die Leistungselektronikeinheiten und
dadurch eine Verkleinerung der zu treibenden Ströme je Leistungselektronikeinheit.
Sind beispielsweise zwei Leistungselektronikeinheiten vorgesehen,
so erfolgt eine Halbierung der zu treibenden Ströme. Durch eine Reduzierung der
pro Leistungselektronikeinheit zu treibenden Ströme kann ggf. auf eine Kühlung, insbesondere eine
Flüssigkühlung, verzichtet
werden. Weiterhin kann durch die Kaskadierung des Ansteuersystems mittels
mehrerer Leistungselektronikeinheiten ein breites Spektrum an Leistungsanforderungen
abgedeckt werden.
-
Des weiteren ist durch eine gleichmäßige Verteilung
der Wicklungen der elektrischen Maschine auf die Leistungselektronikeinheiten
auch bei Ausfall einer Leistungselektronikeinheit ein Betrieb mit
reduzierter Leistung möglich.
Dies führt
zu einer Erhöhung
der Verfügbarkeit
des gesamten Antriebssystems.
-
Die Verwendung mehrerer Leistungselektronikeinheiten
gestaltet sich außerdem
kostengünstig aufgrund
des Gleichteilekonzepts und des Stückzahleffekts.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anhand der Zeichnung
nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
-
1 eine
Frontalansicht eines erfindungsgemäßen Antriebssystems mit Blickrichtung
in Richtung des Abtriebs,
-
2 eine
Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform einer Leistungselektronikeinheit,
-
3 eine
Seitenansicht einer bevorzugte Aufführungsform einer Leistungselektronikeinheit,
-
4 eine
schematische Schaltungsskizze einer bevorzugten Ausführungsform
einer ersten und einer zweiten Leistungselektronikeinheit in Verbindung
mit einer elektrischen Maschine,
-
5 eine
schematische Darstellung einer Starteranordnung einer elektrischen
Maschine mit einer Erregerwicklung und
-
6 eine
schematische Darstellung einer Starteranordnung einer elektrischen
Maschine mit einer Auftei lung der Erregerwicklung in eine Erregerwicklung
je Leistungseinheit.
-
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren
kennzeichnen funktionell gleiche Komponenten.
-
1 zeigt
eine Frontalansicht eines erfindungsgemäßen Antriebssystems mit Blickrichtung
in Richtung des Abtriebs. Es ist ein Verbrennungsmotor 1 in
Form eines V-Motors dargestellt, der an seiner abtriebsseitigen
nicht näher
bezeichneten Stirnseite ein Befestigungsmodul 2 aufweist.
Selbstverständlich
kann es sich bei dem Verbrennungsmotor auch um einen Reihenmotor
bzw. um eine andere Art von Verbrennungsmotor handeln. Der von dem
Verbrennungsmotor verdeckte Teil des Befestigungsmoduls ist gestrichelt
dargestellt. Eine als Starter/Generator betreibbare elektrische
Maschine, welche aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt ist, ist abtriebsseitig vom nicht näher bezeichneten
Verbrennungsmotorgehäuse
(auch als Motorgehäuse
bezeichnet) auf einer nicht dargestellten Antriebswelle des Verbrennungsmotors 1 angeordnet.
-
Das Befestigungsmodul 2 ist
vorzugsweise Bestandteil des Motorgehäuses bzw. eines Kurbelwellengehäuses des
Verbrennungsmotors. Das Befestigungsmodul 2 weist eine
Teilfläche 3 auf,
welche in radialer Richtung über
die nicht näher
nicht abtriebsseitige Stirnfläche
des Motorgehäuses
hinausragt. Das Befestigungsmodul 2 weist vorzugsweise eine
weitere, zweite Teilfläche 4 auf,
welche ebenfalls in radialer Richtung über die abtriebsseitige Stirnseite
des Motorgehäuses
hinausragt. Die zweite Teilfläche 4 ist
vorzugsweise in Bezug auf eine Seitenansichtsebene des Verbrennungsmotors 1 symmetrisch zur
ersten Teilfläche 3 auf
dem Befestigungsmodul 2 vorgesehen. Auf der Teilfläche 3 ist
eine Leistungselektronikeinheit 5 angeordnet. Die Leistungselektronikeinheit 5 kann
selbstverständlich
auch auf der Teilfläche 4 angeordnet
sein. Es können
auch eine erste Leistungselektronikeinheit 5 auf der Teilfläche 3 und eine
weitere, zweite, nicht dargestellte Leistungselektronikeinheit auf
der Teilfläche 4 angeordnet
sein.
-
Vorzugsweise weisen die erste Teilfläche 3 und/oder
die zweite Teilfläche 4 des
Befestigungsmoduls 2 je eine Öffnung 6 auf, welche
als Durchführung für Verbindungsleitungen
von der Leistungselektronikeinheit 5 zu der nicht dargestellten
elektrischen Maschine dienen kann. Die Öffnung 6 entspricht
vorzugsweise einem bei konventionellen Antriebssystemen bzw. Verbrennungsmotoren
vorgesehenen, sogenannten Starterauge. Des weiteren weist jede der Teilflächen 3, 4 Öffnungen 7 auf,
die der Verschraubung der Leistungselektronikeinheit 5 mit
der jeweiligen Teilfläche 3, 4 dienen
können.
Die Öffnungen 7 entsprechen
vorzugsweise den bei konventionellen Antriebssystemen bzw. Verbrennungsmotoren
vorgesehenen Befestigungsvorrichtungen für einen Starter.
-
Die erste und/oder die zweite Teilfläche 4 des Befestigungsmoduls 2 ist
vorzugsweise derart aufgeführt,
dass alternativ und/oder zusätzlich
zu einer Leistungselektronikeinheit 5 ein Starter für den Verbrennungsmotor 1 auf
ihr angeordnet werden kann. Ein derartiger Starter umfasst üblicherweise
einen Elektromotor und ein Einrückrelais.
-
Die erste und/oder die zweite Leistungselektronikeinheit 3, 4 sind
vorzugsweise nicht auf der abtriebsseitigen Fläche des Befestigungsmoduls 2 angeordnet,
d.h. die erste und/oder die zweite Leistungselektronikeinheit 5 ragen
in Richtung des Abtriebs nicht über
die abtriebsseitige Stirnseite des Verbrennungsmotors 1 hinaus.
-
Das nicht näher bezeichnete Gehäuse der Leistungselektronikeinheit 5 weist
vorzugsweise ein Form auf, welche der äußeren Kontur eines typischen
Startergehäuses,
bestehend aus einem Elektromotor und einem Einrückrelais, ähnelt. Selbstverständlich kann
auch ein alternative Form, beispielsweise eine quadratische oder
rechteckige Form, gewählt
werden. Gegenüber
der in 1 dargestellten Anordnung
der Leistungselektronikeinheit auf dem Befestigungsmodul 2 kann
die Leistungselektronikeinheit auch gekippt bzw. gedreht sein.
-
2 zeigt
eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform einer Leistungselektronikeinheit 5.
Die Leistungselektronikeinheit 5 weist eine Steuereinheit 8 und
eine Schalteinheit 9 auf. Weiterhin ist der Leistungselektronikeinheit 5 wenigstens ein
Kühlkörper 15 zugeordnet.
Dieser Kühlkörper 15 ist
vorzugsweise in der Schalteinheit 9 der Leistungselektronikeinheit 5 angeordnet.
-
Die Steuereinheit 8 weist
bevorzugterweise eine Steuerplatine bzw. eine Controllerplatine 10 auf, auf
welcher ein nicht nähe
dargestellter Mikrocontroller angeordnet und mit welchem ein Signalstecker 11 verbunden
ist, über
welchen der Steuerplatine beispielsweise über einen CAN-Bus, über einen A/D-Wandler bzw. über eine
serielle Schnittstelle Daten, insbesondere Meßdaten und/oder Steuerdaten zugeführt werden
können
und über
welchen beispielsweise Zustandsgrößen einem übergeordneten Steuergerät von der
Leistungselektronikeinheit 5 zugeführt werden können. Die
Stromschienen bzw. die Stromleitungen der Steuereinheit 8 sind
aus Gründen der Übersichtlichkeit
in der 2 nicht dargestellt.
-
Die Schalteinheit 9 weist
vorzugsweise zwei Leistungsplatinen 12 auf, auf denen Schaltelemente 13 und
Zwischenkreiskondensatoren 14 angeordnet sind. Bei den
Schaltelementen 13 handelt es sich bevorzugterweise um
Leistungstransistoren beispielsweise MOSFETs. Die Schalteinheit 9 weist
vorzugsweise eine Leistungsplatine 12 an einer Seite und eine
Leistungsplatine 12 an der jeweils gegenüberliegenden
Seite der Schalteinheit 9 auf. Zwischen den Leistungsplatinen
ist bevorzugterweise der Kühlkörper 15 angeordnet,
welcher Öffnungen 16 für den Zufluss
bzw. den Abfluss von Kühlmittel
aufweist. Der Kühlkörper 15 weist
vorzugsweise nicht näher
be zeichnete zylindrische Bohrungen für die Zwischenkreiskondensatoren 14 auf.
Der Kühlkörper 15 kann an
einen Kühlkreislauf
des Verbrennungsmotors, an einen Kühlkreislauf der elektrischen
Maschine und/oder an einen Niedertemperaturkreislauf angeschlossen
sein. Die Stromschienen bzw. Stromleitungen, welche die Leistungsplatinen 12 der
Schalteinheit 9 mit den Wicklungen bzw. Phasen der elektrischen
Maschine verbinden sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.
-
In der Draufsicht weist die Schalteinheit 9 eine
nahezu rechteckige Form auf. Die Steuereinheit 8 weist
vorzugsweise eine trapezförmige
Form auf, deren längere
von den parallelen Seiten mit einer Seite der Schalteinheit 9 abschließt. Beide
sind vorzugsweise in ein Gehäuse
untergebracht, das der Kontur eines konventionellen Starters bzw.
dem zur Verfügung
stehendem Bauraum für
einen konventionellen Starter entspricht.
-
In der 3 ist
eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Leistungselektronikeinheit 5 dargestellt.
Die Steuereinheit 8 schließt auf einer Seite mit der
Schalteinheit 9 ab. Auf dieser Seite sind Steuereinheit 8 und
Schalteinheit 9 mit dem Befestigungsmodul 2 verbunden.
Auf dieser Seite ist das Befestigungsmodul 2 ebenfalls
mit dem Verbrennungsmotor 1 bzw. dessen Gehäuse bzw.
Motorblock verbunden. In Blickrichtung liegt der Verbrennungsmotor 1 hinter
der Leistungselektronikeinheit 5.
-
Auf der der Leistungselektronikeinheit
gegenüberliegenden
Seite ist das Befestigungsmodul 2 mit einem Zwischenring 18 verbunden.
Abtriebsseitig des Zwischenrings 18 ist die nicht dargestellte
elektrische Maschine angeordnet, welche auf einer nicht dargestellten
Antriebswelle des Verbrennungsmotors 1 sitzt. Auf der von
der Abtriebsseite abgewandten Seite weist die Steuereinheit 8 vorzugsweise
den Signalstecker 11 auf, welcher über nicht näher bezeichnete Leitungen mit
der Steuerplatine bzw. der Controllerplatine 10 verbunden
ist.
-
Die Steuerplatine 10 ist
vorzugsweise über nicht
dargestellte Signalleitungen zur Ansteuerung der Leistungsschalter
bzw. Schaltelemente 13 mit diesen verbunden. Über eine
Stromschiene 17, welche aus der Steuereinheit 8 herausragt,
ist die Leistungselektronikeinheit 5 mit einer nicht dargestellten Strom-
bzw. Spannungsquelle, beispielsweise einem 14V-/28V- bzw. 42V-Bordnetz
bzw. einer 12V-/24V- bzw. 36V-Batterie verbunden. Der herausragende Teil
der Stromschiene 17 kann an seinem Ende verjüngt sein
und eine nicht dargestellte Bohrung für eine Befestigung an einem
Kabelschuh aufweisen oder mit einem Leistungskontakt eines entsprechenden
Steckers kontaktiert werden.
-
Die Stromschiene 17 ist
derart ausgeführt, dass
sie in die Schalteinheit 9 hinein ragt und mit den Leistungsplatinen 12 verbunden
ist. Auf den Leistungsplatinen 12 sind Schaltelemente 13 angeordnet.
Es können
noch mehr Schaltelemente 13 auf den Leistungsplatinen 12 angeordnet
sein, als in der 3 dargestellt.
Dies ist durch Punkte in der 3 angedeutet.
Der Schalteinheit 9 ist vorzugsweise ein Kühlmittelzu- bzw. Abfluss 16 zugeordnet,
welcher der Zufuhr bzw. der Abfuhr von Kühlmittel dient. Die Kühlmittelleitung 16 ist
vorzugsweise mit dem nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors 1 verbunden
und weist daher in Richtung Antrieb. Es kann jedoch auch eine nicht
dargestellte Kühlmittelleitung
in Richtung Abtrieb vorgesehen sein, welche die Schalteinheit 9 mit
einem nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf
der elektrischen Maschine verbindet. Alternativ bzw. zusätzlich zum
Motorkühlmittelkreislauf
bzw. zum Kühlmittelkreislauf der
elektrischen Maschine kann der Kühlkörper 15 der
Leistungselektronikeinheit 5 an einen nicht dargestellten
Niedertemperaturkreislauf des Kraftfahrzeugs angeschlossen sein.
An einen solchen Niedertemperaturkreislauf können beispielsweise eine Ladeluftkühlung und
Steuergeräte
angeschlossen sein.
-
Die Leistungsplatinen 12 sind
mit einer weiteren Stromschiene bzw. mit Stromleitungen 17 verbunden,
welche der Verbindung der Schalteinheit 9 mit der elektrischen
Maschine bzw. mit den Wicklungen/Phasen der elektrischen Maschine
dienen. Das aus der Schalteinheit 9 herausragende Ende
dieser Stromschiene 17 führt vorzugsweise durch das
Befestigungsmodul 2 durch eine vorgesehene Öffnung 6 (siehe 1) hindurch. Das Ende dieser
Stromschiene 17 ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass es
direkt als Stecker für
eine Leistungssteckverbindung fungiert. Es kann an seinem Ende auch
eine Verjüngung
und eine Bohrung aufweisen für
eine direkte Befestigung bzw. Verschraubung an einem Kabelschuh, über welchen
dann die Verbindung zur elektrischen Maschine hergestellt wird.
Die Leistungsschalter bzw. die Schaltelemente 13 sich vorzugsweise
als MOSFETs ausgeführt
und an die Stromschiene 17 angelötet bzw. angeschweißt.
-
Die Schalteinheit 9 ist
vorzugsweise in axialer Richtung länger als die Steuereinheit 8.
Die Länge der
Schalteinheit 9 entspricht vorzugsweise der typischen Länge eines
Elektromotors eines Starters für einen
Verbrennungsmotor. Die Länge
der Steuereinheit 8 entspricht bevorzugterweise der üblichen
Länge eines
Einrückrelais
eines Starters für
einen Verbrennungsmotor. Hierdurch ist vorteilhafterweise genügend Platz
für den
Signalstecker 11 und die Energieversorgungs- bzw. Batterieanschlüsse und
deren Kabelführung
vorhanden.
-
4 zeigt
eine schematische Schaltungsskizze einer bevorzugten Ausführungsform
einer ersten und einer zweiten Leistungselektronikeinheit 5.1 und 5.2 in
Verbindung mit einer elektrischen Maschine 19. Bei der
elektrischen Maschine handelt es sich vorzugsweise um eine dreiphasige
Drehstrommaschine, wobei die drei Phasen mit U, V, W bezeichnet sind.
Die Leistungselektronikeinheiten 5.1 und 5.2 sind
bevorzugterweise auf den Teilflächen 3, 4 des Befestigungsmoduls 2 angeordnet,
welche in radialer Richtung über
die abtriebssei tige Stirnseite des Verbrennungsmotorsgehäuses hinausragen
(siehe 1).
-
Die Leistungselektronikeinheiten 5.1 und 5.2 weisen
vorzugsweise je einen Mikrocontroller 20 auf. Diese Mikrocontroller 20 steuern
die nicht näher
bezeichneten Schaltelemente der Schaltelementeeinheiten 21,
von denen jede Leistungselektronikeinheit 5.1, 5.2 vorzugsweise
jeweils einer aufweist. Die Schaltelementeeinheiten 21 weisen
je Phase U, V, W eine nicht näher
bezeichnete Halbbrückenanordnung auf,
welche eine Serienschaltung von zwei Schaltelementen 13 aufweist,
denen je eine antiparallel geschaltete, nicht näher bezeichnete Freilaufdiode
zugeordnet ist. Bei den Schaltelementen handelt es sich vorzugsweise
um MOSFETs. Es kann sich auch um IGBTs oder andere Leistungsschalter
bzw. Leistungshalbleiter handeln.
-
Zwischen den Schaltelementen 13 einer
jeden Halbbrückenanordnung
befindet sich ein Abgriff für
den Strom der jeweiligen Phase der elektrischen Maschine 19.
Die einzelnen Halbbrückenanordnungen
der Schaltelementeeinheit 21 sind parallel zueinander verschaltet.
Die Schaltelemente 13 der Schaltelementeeinheit 21 werden
von dem Mikrocontroller 20 über nicht näher bezeichnete Leitungen angesteuert.
Auf diese Weise werden Phase, Frequenz und Amplitude des Erregerstroms
der elektrischen Maschine 19 eingestellt.
-
Zu den Halbbrückenanordnungen parallel geschaltet
ist vorzugsweise ein Zwischenkreiskonsensator 23. Der Zwischenkreiskondensator 23 kann aus
einer Parallel- bzw. Serienschaltung von mehreren Kapazitäten bzw.
Kondensatoren bestehen. Über einen
Stromsensor 25 kann der in die Schaltelementeeinheit 21 fließende Strom
bestimmt und über
eine nicht näher
bezeichnete Leitung dem Mikrocontroller 20 zugeführt werden.
Ebenso kann dem Mikrocontroller 20 über eine Leitung 24 die
an den Eingängen der
Schaltelementeeinheit 21 anliegende Spannung zugeführt werden.
Außerdem
kann einem jeden Mikrocontroller 20 über einen Temperatursensor 22 und eine
nicht näher
be zeichnete Leitung die Temperatur einer jeden Schaltelementeeinheit 21 zugeführt werden.
-
Der elektrischen Maschine 19 ist
vorzugsweise ein Temperatursensor 29 und ein Positions- bzw.
Drehzahlsensor 28 zugeordnet. Das Temperatursignal des
Temperatursensors 29 kann dem Mikrocontroller 20 einer
jeden Leistungselektronikeinheit 5.1, 5.2 über nicht
näher bezeichnete
Leitungen zugeführt
werden. Ebenso kann das Positions- bzw. Drehzahlsignal, welches über den
Sensor 28 ermittelt wird, dem Mikrocontroller 20 einer
jeden Leistungselektronikeinheit 5.1, 5.2 zugeführt werden. Dieses
Signal dient der Synchronisation der beiden Leistungselektronikeinheiten 5.1, 5.2.
-
Die Schaltelementeeinheiten 21 sind über nicht
näher bezeichnete
Leitungen mit einer nicht Strom- bzw. Spannungsversorgung verbunden.
Diese Strom- bzw. Spannungsversorgung kann in einem Fahrzeugnetz,
z.B. einem 14V-/28V- bzw. 42V-Bordnetz gegeben sein, welches bevorzugterweise
eine 12V-/24V- bzw. 36V-Batterie enthält. Höhere Spannungen sind insbesondere
für Hybridanwendungen ebenfalls
möglich.
Die Spannung für
die Energieversorgung der Leistungselektronikeinheiten 5.1 und 5.2 kann über eine
DC/DC-Wandler 31 von einer niedrigen Spannung in einem
Netz auf eine höhere
Spannung in einem zweiten Netz transformiert werden. Der DC/DC-Wandler 31 enthält vorzugsweise
sowohl einen Stromsensor als auch einen Spannungssensor. Das eine
Netz mit der niedrigen Spannung weist vorzugsweise eine Spannung
von 14V und ein Energiespeicher 32, vorzugsweise eine Batterie,
mit einer Nennspannung von 12V auf. Das zweite Netz mit der höheren Spannung
weist vorzugsweise eine Spannung von 28V oder 42V und einen Energiespeicher 30,
vorzugsweise in Form einer Batterie, mit einer Nennspannung von
24V bzw. 36V oder, insbesondere bei Hybrid-Systemen, auch höher auf.
-
Die Energieversorgung der Mikrocontroller 20 erfolgt
vorzugsweise ebenfalls über
die oben genannten Netze bzw. Energie speicher 30, 32.
Den Mikrocontrollern 20 ist vorzugsweise eine interne Energieversorgung 26 zugeordnet,
welche einen DC/DC-Wandler aufweist und die Netz- bzw. Energiespeicherspannung
auf ein für
den Mikrocontroller geeignetes Niveau, beispielsweise 5V transformiert.
-
Einem Mikrocontrollern 20 sind
Schnittstellen 27 zugeordnet, über welche bestimmte Größen vom
Mikrocontrollern 20 zu anderen Kraftfahrzeugsystemen, beispielsweise
Steuergeräten,
zugeführt werden
können
und über
welche bestimmte Signale dem Mikrocontrollern zugeführt werden
können.
Die Schnittstellen 27 umfassen vorzugsweise eine serielle
Schnittstelle und eine Schnittstelle zu einem Ausgang eines Digital/Analog-Wandlers.
Weiterhin umfassen die Schnittstellen 27 vorzugsweise eine Schnittstelle
zu einem im Fahrzeug integrierten Netzwerk, beispielsweise einem
CAN-Bus-System. Eine Schnittstelle 27 kann in Form eines
Signalsteckers 11, wie in den 2 und 3 dargestellt,
ausgeführt sein. Über diese
Schnittstelle können
einem Mikrocontroller 20 beispielsweise eine Kühlmitteltemperatur,
ein Startsignal, ein Drehzahlsensorwert, ein Bremspedalwert, ein
Kupplungspedalwert zugeführt werden.
Diese Aufzählung
ist nicht abschließend.
-
Über
eine nicht näher
bezeichnete Leitung kann der internen Spannungsversorgung 26 ein
Einschaltsignal übermittelt
werden, welches den Start des Systems vor dem eigentlichen Verbrennungsmotorstart
kennzeichnet. Eine interne Spannungsversorgung 26 kann
also mittels eines solchen Einschaltsignals und mittels eines Fahrzeugnetzes
bzw. eines in einem derartigen Netz angeordneten Energiespeichers
mit Strom- bzw. Spannung versorgt. Die Strom- bzw. Spannungsversorgung
der internen Energieversorgung 26 ist also bevorzugterweise
redundant ausgeführt.
-
Die Leistungselektronikeinheiten 5.1 und 5.2 sind
vorzugsweise baugleich ausgeführt.
Die Stromleitungen bzw. Stromschienen der Leistungselektronikeinheiten 5.1 und 5.2,
welche der Energieversorgung der Leistungselektronikeinheiten dienen,
und die Stromschienen welche der Ansteuerung bzw. der Stromversorgung
der elektrischen Maschine 19 bzw. von deren Wicklungen/Phasen
dienen, entsprechen den Stromschienen 17 der 2 und 3.
-
Durch den Einsatz von zwei Leistungselektronikeinheiten 5.1 und 5.2 anstelle
von einer Leistungselektronikeinheit 5 kann der Strom welcher
von jeder Leistungselektronikeinheit 5.1, 5.2 der
elektrischen Maschine 19 zur Verfügung gestellt werden soll,
halbiert werden. Hierzu werden die Erregerwicklungen der elektrischen
Maschine 19 aufgeteilt, d.h., die Erregerwicklungen der
elektrischen Maschine 19 werden den Leistungselektronikeinheiten 5.1 und 5.2 zugeordnet
bzw. zwischen diesen aufgeteilt. So werden beispielsweise über die
Leistungselektronikeinheit 5.1 die Wicklungen U1, V1 und
W1 mit Strom versorgt, während über die
Leistungselektronikeinheit 5.2 die Wicklungen U2, V2 und
W2 mit Strom versorgt werden. Durch den Einsatz von mehr als zwei
Leistungselektronikeinheiten kann der Strom, welcher von jeder einzelnen
Leistungselektronikeinheit zur Verfügung gestellt wird, noch weiter
reduziert werden.
-
Über
entsprechende, nicht näher
bezeichnete Stromsensoren werden den Mikrocontrollern 20 die
den Wicklungen der elektrischen Maschine 19 von den Schaltelementeeinheiten 21 zugeführten Ströme U1, V1
bzw. W1 bei der Leistungselektronikeinheit 5.1 und U2,
V2 bzw. W2 bei der Leistungselektronikeinheit 5.2 zugeführt. Für die Funktionalität der Leistungselektronikeinheiten 5.1, 5.2 reicht
die Messung von zwei der drei Wicklungsströme U1, V1, W1 bzw. U2, V2,
W2 aus. Diese zwei können
beliebig gewählt
werden. Die Messung der dritten Wicklungsstromgröße ist optional und erfolgt
aus Sicherheitsgründen.
-
5 zeigt
eine schematische Darstellung einer Starteranordnung einer elektrischen
Maschine mit einer Erregerwick lung. Beispielhaft ist eine 36-polige
Starteranordnung 33 einer permanenterregten Maschine mit
nicht dargestelltem permanenterregtem Rotor in „abgewickelter" Form dargestellt.
Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
der Darstellung ist nur bei einer der drei Phasen, nämlich der
Phase U, die eingelegte Wicklung 34 dargestellt. U, V,
W kennzeichnen die Phasen während
N und S die Pole bezeichnen. Das Beispiel kann auch auf eine Starterwicklung
bei einer Drehstrommaschine übertragen werden.
Wird nur eine Leistungselektronikeinheit 5 verwendet, so
kann jeder Phase auch nur eine Wicklung 34 zugeordnet werden.
-
6 zeigt
eine schematische Darstellung einer Starteranordnung 33 einer
elektrischen Maschine mit einer Aufteilung der Erregerwicklung.
Die Darstellung in der 6 entspricht
im wesentlichen der Darstellung in der 5, nur dass nun der Phase U zwei Wicklungen,
nämlich
eine erste Wicklung 35.1 für die erste Leistungselektronikeinheit 5.1 und
eine zweite Wicklung 35.2 für die zweite Leistungselektronikeinheit 5.2 zugeordnet
sind. Sind mehrere Leistungselektronikeinheiten 5.1-5.x vorgesehen,
so können
einer Phase U bis zu x Wicklungen zugeordnet werden. Das gleiche
gilt selbstverständlich
für die Phasen
V und W. Dadurch dass jeder Phase mehrere Wicklungen bzw. mehrere
Leistungselektronikeinheiten zugeordnet sind, ist auch bei Ausfall
einer Leistungselektronikeinheit ein Betrieb mit reduzierter Leistung
möglich.
-
Sollen mehrere Leistungselektronikeinheiten für die Ansteuerung
der elektrischen Maschine 19 eingesetzt werden, so müssen diese
miteinander synchronisiert werden. Die Synchronisation der Leistungselektronikeinheiten 5.1 und 5.2 kann über den Positionsgeber
bzw. Positionssensor bzw. den Drehzahlsensor 28 der elektrischen
Maschine 19 erfolgen. Handelt es sich bei der elektrischen
Maschine 19 um eine Asynchronmaschine so ist der Sensor 28 vorzugsweise
als Drehzahlsensor ausgeführt,
und die Synchronisation der Leistungselektronikeinheiten erfolgt
mittels eines Drehzahlsignals der elektrischen Maschine
19 und/oder
mittels eines Kurbelwellendrehzahlsensors des Verbrennungsmotors.
Handelt es sich bei der elektrischen Maschine 19 um eine Synchronmaschine,
so ist der Sensor 18 vorzugsweise als Position- bzw. Drehwinkelsensor
ausgeführt, und
die Synchronisation erfolgt über
das Positions- bzw. Drehwinkelsignal. Die Synchronisation der Leistungselektronikeinheiten 5.1 und 5.2 kann
auch mittels einer Drehzahlsensorik bzw. einer Drehwinkelsensorik
des Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Kurbelwellen-/Nockenwellengebers
erfolgen.
-
Die Synchronisation kann auch mittels
einer separaten, nicht dargestellten Synchronisationsleitung und/oder über einen
seriellen/parallelen Bus erfolgen. Synchronisationsleitung und/oder
serieller bzw. paralleler Bus stehen über die Schnittstellen 27 mit
den Mikrocontrollern 20 in Verbindung und werden beispielsweise
mittels eines übergeordneten Steuergeräts (sog.
Master) mit Signalen versorgt. Es kann auch eine der Leistungselektronikeinheiten 5.1, 5.2 die
Funktion einer Masterelektronik übernehmen, deren
Mikrocontroller bzw. Prozessor 20 über eine entsprechende Leitung
den Mikrocontroller 20 der zweiten Leistungselektronikeinheit 5.2, 5.1 ansteuert. Fungiert
eine Leistungselektronikeinheit 5 als Master bzw. fungiert
eine externe Steuereinheit bzw. ein externes Steuergerät als Master,
so berechnet der Master für
die elektrische Maschine 19 die gültigen Istgrößen bzw.
die gültigen
Istmomente. Über
die Polpaarzahl der elektrischen Maschine 19, die Anzahl
der vorgesehen Leistungselektronikeinheiten und bevorzugterweise
die Lage- bzw. Drehzahlinformation kann der Master dann entsprechende
Sollwerte für die
verbleibenden Leistungselektronikeinheiten (sog. Slaves) ermitteln,
so dass diese die entsprechenden Wicklungen der elektrischen Maschine 19 phasenrichtig
und mit entsprechender Frequenz und Amplitude bestromt werden können.