DE69707171T2

DE69707171T2 - Kraftfahrzeuggenerator, arbeitend als Generator und als elektrischer Motor, und Regelverfahren für einen solchen Generator

Info

Publication number: DE69707171T2
Application number: DE69707171T
Authority: DE
Inventors: Alfred Permuy
Original assignee: Valeo Electronique SA
Current assignee: Valeo Electronique SA
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2017-02-27
Also published as: FR2745444A1; DE69707171D1; FR2745444B1; ES2163105T3; EP0792769A1; EP0792769B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge, der als Generator und als Elektromotor, zum Beispiel zum Starten des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs betrieben werden kann.
Sie betrifft auch ein Verfahren zur Steuerung eines derartigen Wechselstromgenerators.
Es ist seit langem bekannt, daß ein Stromgenerator - egal ob es sich um einen Dynamo oder einen Wechselstromgenerator handelt - als Elektromotor betrieben werden kann.
Insbesondere sind bereits aus dem Bereich der Kraftfahrzeuge Hybridantriebsanlagen bekannt, d. h. Anlagen, die sowohl einen Wärmekraftmotor als auch einen Elektromotor umfassen, bei denen der Elektromotor die Struktur eines Wechselstromgenerators aufweist und zum Wiederaufladen der Fahrzeugbatterien verwendet wird, wenn das Schwungrad des Fahrzeugs durch den Wärmekraftmotor angetrieben wird.
Im übrigen wurde bereits seit langem vorgeschlagen, an Stelle der Starter der Verbrennungsmotoren Stromgeneratoren im Motorbetrieb zu verwenden.
Zur Veranschaulichung kann auf die Patentanmeldung FR - 2.722.738 verwiesen werden, in der Hybridantriebe beschrieben sind, die ergänzend zum Elektromotor einen Wechselstromgenerator umfassen, der auf der Antriebswelle des Wärmekraftmotors angebracht ist. Dieser Wechselstromgenerator hat drei Aufgaben: Er dient zum Bremsen des Elektromotors durch Antrieb des Wärmekraftmotors in Phasen der Fahrzeugverzögerung; er erfüllt gleichfalls seine herkömmliche Aufgabe als Wechselstromgenerator und lädt die Fahrzeugbatterie, wenn er vom Verbrennungsmotor angetrieben wird; er dient schließlich zum Antrieb des Verbrennungsmotors, um diesen zu starten.
Hierbei dient die Gleichrichterbrücke am Ausgang des Ankers des Wechselstromgenerators auch als Brücke zur Steuerung der Phasen des Wechselstromgenerators, wobei jede Diode einem zwischen Kathode und Anode parallel geschalteten Transistor zugehörig ist, der einen Schalter bildet.
Die verschiedenen Transistoren der so gebildeten Brücke werden im Motorbetrieb in Sequenzen gesteuert, die den Betrieb des Wechselstromgenerators als Elektromotor ermöglichen.
Wird der Wechselstromgenerator als Generator verwendet, sind die Transistoren offen und der Strom wird am Ausgang des Wechselstromgenerators durch die Dioden gleichgerichtet.
Wird der Wechselstromgenerator als Generator betrieben, führt dies wie bei jeder Gleichrichterbrücke dazu, daß sich die Dioden erwärmen und einen Teil der sie durchlaufenden Energie verbrauchen.
Die Leistung des Generators ist dementsprechend verringert.
Es ist festzustellen, daß die verbrauchte Energie im allgemeinen einen beträchtlichen Teil der Generatorleistung ausmacht, und bei etwa 10 bis 20% liegt.
Ein Ziel der Erfindung ist es, zur Steuerung einer derartigen elektrischen Maschine, die sowohl einen Wechselstromgenerator als auch einen Elektromotor bildet, ein Verfahren vorzuschlagen, das beim Laden der Fahrzeugbatterie eine bessere Leistung ermöglicht, wenn die Maschine als Generator verwendet wird.
Insbesondere schlägt die Erfindung einen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge vor, der als Elektromotor, zum Beispiel zum Starten des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs, und als Generator betrieben werden kann, mit einem Schleifringläufer und einem Stator mit mehreren Phasen, die mit einer Brücke aus Dioden und Schaltern zur Gleichrichtung und Steuerung dieser Phasen verbunden sind, sowie mit einer Steuerungseinheit zur Steuerung dieser Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß im Generatorbetrieb die Steuerungseinheit die Schalter so steuert, daß die durchlassenden Dioden kurzgeschlossen werden, wobei der Wechselstromgenerator Mittel zur Synchronisierung der Steuerungseinheit in bezug auf die Zustandsänderungen der Dioden aufweist.
Die Erfindung schlägt gleichfalls ein Verfahren zur Steuerung eines derartigen Wechselstromgenerators vor.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Diese Beschreibung dient nur als Beispiel und ist in keiner Weise einschränkend. Sie nimmt auf die beigefügten Zeichnungen Bezug, in denen:
Fig. 1 ein Schaltplan ist, der einen erfindungsgemäßen Wechselstromgenerator zeigt,
Fig. 2a und 2d, eine Steuerungssequenz im Motorbetrieb des Wechselstromgenerators aus Fig. 1 zeigen.
In Fig. 1 ist eine dreiphasige rotierende Maschine dargestellt, die den eigentlichen Wechselstromgenerator bildet, eine Steuerungs- und Gleichrichtbrücke 2, sowie eine Einheit zur Steuerung dieser Brücke 2.
In bekannter Weise umfaßt die den Wechselstromgenerator bildende elektrische Maschine 1
- einen Schleifringläufer 4, der den Induktor bildet und zwei Ringen und zwei Bürsten zugehörig ist, durch die der Erregerstrom (in Höhe einiger Ampere) geleitet wird;
- einen Stator 5, der den Anker bildet und, mehrere Spulen trägt, die im Fall einer am häufigsten auftretenden Drehstromstruktur im Stern oder im Dreieck geschaltet sind und im Generatorbetrieb die umgewandelte elektrische Leistung zur Gleichrichterbrücke 2 transportieren (einige zehn Ampere bei einer Spannung in der Größenordnung der Batteriespannung).
Die Brücke 2 ist mit den verschiedenen Phasen des Ankers 5 verbunden und ist zwischen der Masse und einer Anschlussklemme der Batterie B des Fahrzeugs geschaltet. Sie besteht aus einer Vielzahl von Dioden 6, die eine Gleichrichterbrücke bilden, sowie aus einer Vielzahl von Schaltern, wie zum Beispiel Transistoren 7, die zu den Dioden 6 parallel geschaltet sind und die verschiedenen Phasen des Wechselstromgenerators regeln. Im Motorbetrieb arbeiten die Dioden als Freilaufdioden und im Generatorbetrieb als Gleichrichterbrücke.
Die Transistoren 7 sind vorteilhafterweise MOSFET-Transistoren. Es sei bemerkt, dass derartige Transistoren baulicherseits eine Diode zwischen "Drain" und "Source" enthalten. Sie können somit die Brücke 2 zur Gleichrichtung und Steuerung der Phasen alleine mit Transistorbauteilen ausführen, die sowohl als Schalter und als Freilaufdioden dienen.
Ein derartiger Wechselstromgenerator kann im Motorbetrieb dadurch betrieben werden, daß ein Gleichstrom in dem Induktor 4 erzeugt wird und zu den Phasen des Stators 5 Signale abgegeben werden, die um 120º phasenverschoben und idealerweise sinusförmig, eventuell aber auch trapezförmig oder rechteckig sind.
In Fig. 2a, 2b und 2c ist als Beispiel eine Steuerungssequenz der durch die Transistoren 7 gebildeten Schalter mit rechteckigen Signalen dargestellt, die von der Steuerungseinheit abgegeben werden. Die in diesen beiden Figuren dargestellten Signale A, B, C sind Signale zur Steuerung derjenigen Transistoren 7 der Brücke 2, die mit der Masse verbunden sind. Die Signale A', B', C', die die anderen, d. h. mit der Batterie verbundenen Transistoren steuern, sind in bezug auf diese Signale A, B, C entgegengerichtete Signale und decken sich nicht mit diesen.
Dies veranschaulicht Fig. 2d, in der das Signal C' dargestellt ist, das den Transistor steuert, der mit dem Transistor verbunden ist, der durch das Signal C gesteuert wird.
Mit einer derartigen Steuerung führt der Läufer 4 eine Umdrehung aus, wenn jede der Phasen eine Anzahl von Perioden beschreibt, die der Anzahl der Polpaare des Läufers entsprechen (zum Beispiel 8).
Dieser Motorbetrieb kann zum Beispiel verwendet werden, um den Wärmekraftmotor des Fahrzeugs beim Starten anzutreiben, wodurch gegenüber herkömmlichen Fahrzeugen der Starter und das Antriebskegelrad entfällt, sowie auch die allgemein zum Starter gehörende Verkabelung.
Um ein derartiges Starten des Verbrennungsmotors auszuführen, sind die Signale zur Steuerung der Transistoren 7 vorteilhafterweise Signale mit variabler Frequenz, deren Frequenz durch die Einheit 3 in zunehmendem Maße reguliert wird, um jedes "Kippen" des Läufers 4 bezüglich des durch den Stator 5 erzeugten rotierenden Magnetfeldes zu vermeiden.
Die Regulierung der Frequenz wird entweder durch den Einspritzrechner oder eine Vorrichtung bestimmt, die dem Wechselstromgenerator ein Geschwindigkeitsprofil gewährleistet, das das Starten des Wärmekraftmotors erlaubt.
Unmittelbar nach dem Starten des Motors steuert die Einheit 3 die Transistoren 7 so, daß dieser im Generatorbetrieb läuft.
Erfindungsgemäß werden die Transistoren 7 so geregelt, das die durchlassenden Dioden kurzgeschlossen werden. Sie sind nur an den Klemmen der nicht durchlassenden Dioden geöffnet.
In den durchlassenden Dioden fließt somit kein Strom mehr, so daß die so ausgeführten Kurzschlüsse dort eine Verringerung der Verluste ermöglichen.
Um die Steuerung der Transistoren T beim Übergang des durchlassenden Zustandes in einen nicht durchlassenden Zustand der Dioden 6 zu synchronisieren, wird die Einheit 3 mit Mitteln verbunden, um den Übergang der Dioden 6 von einem Zustand in einen anderen festzustellen. Diese Mittel sind zum Beispiel Mittel zum Messen der Ströme oder der elektromotorischen Gegenkräfte, die in den verschiedenen Phasen des Ankers 5 entstehen.
Alternativ können diese Mittel einen Sensor aufweisen, zum Beispiel eine Hall-Sonde, zum Messen der Winkelstellung des Läufers 4 in bezug auf den Stator 5.
Ein derartiger Sensor kann zudem verwendet werden, um die Geschwindigkeit des Läufers zu bestimmen, zum Beispiel durch Zählender Impulse innerhalb eines vorgegebenen Zeitrahmens, damit die Einheit 3 das Starten des Wärmekraftmotors feststellen und somit vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb wechseln kann.
Darüber hinaus sind gleichfalls in an und für sich bekannter Weise Mittel 9 zur Regulierung der Spannung vorgesehen, die die Batteriespannung auf einem geeigneten Niveau halten sollen.
Es ist gleichfalls ein Schalter 10 vorgesehen, zum Beispiel vom Typ MOSFET, dessen Durchlass- oder Sperrzustand durch die Steuerungseinheit 3 geregelt wird. Dieser Schalter 10 soll den Regler im Motorbetrieb kurzschließen, so daß der Anker 5 durch die Batteriespannung direkt erregt wird.
Die Steuerungseinheit 3 kann schließlich so ausgeführt sein, daß sie die Transistoren 7 zum Starten des Wärmekraftmotor nur steuert, wenn sie von Sendemitteln im Fahrzeuginneren ein kodiertes Signal zum Starten des Wärmekraftmotors empfängt.
Es wird dadurch eine Blockierung des Starters erreicht, und es wird insbesondere verhindert, daß der Motor durch einen einfachen Kurzschluss der Klemmen des Schaltschützes 11 des Fahrzeugs gestartet werden kann.

Claims

1. Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge, der als Elektromotor, zum Beispiel zum Startendes Verbrennungsmotors des Fahrzeugs, und als Generator betrieben werden kann, mit einem Schleifringläufer (4) und einem Stator (5) mit mehreren Phasen, die mit einer Brücke (2) aus Dioden (6) und Schaltern (7) zur Gleichrichtung und Steuerung dieser Phasen verkettet sind, sowie mit einer Steuerungseinheit (3) zur Steuerung dieser Schalter (7)

dadurch gekennzeichnet, daß im Generatorbetrieb die Steuerungseinheit (3) die Schalter (7) so steuert, daß die durchlassenden Dioden (6) kurzgeschlossen werden, wobei der Wechselstromgenerator Mittel zur Synchronisierung der Steuerungseinheit (3) in Bezug auf die Zustandsänderungen der Dioden (6) aufweist.

2. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter MDSFET-Transistoren sind, in die die Dioden integriert sind.

3. Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisiermittel Mittel zum Messen der Ströme oder der elektromotorischen Gegenkräfte umfassen, die in den verschiedenen Phasen des Stators (5) entstehen.

4. Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisiermittel einen Sensor zum Messen der Winkelstellung des Induktors des Wechselstromgenerators umfassen.

5. Wechselstromgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinheit (3) Mittel umfaßt, um die Anzahl der Umdrehungen des Induktors innerhalb eines vorgegebenen Zeitrahmens zu erfassen und hieraus das Starten des Wärmekraftmotors abzuleiten.

6. Wechselstromgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinheit (3) Mittel zur Erkennung eines kodierten Signals umfaßt, das durch Sendemittel im Fahrzeuginneren übertragen wird, wobei diese Einheit die Phasen des Wechselstromgenerators zum Starten des Verbrennungsmotors nur steuert, wenn sie von diesen Sendemitteln ein kodiertes Signal zum Starten empfängt.

7. Verfahren zur Steuerung eines Wechselstromgenerators für Kraftfahrzeuge, der als Elektromotor, zum Beispiel zum Starten des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs, und als Generator betrieben werden kann, wobei dieser Wechselstromgenerator einen Schleifringläufer (4) und einen Stator (5) mit mehreren Phasen umfaßt, die mit einer Brücke (2) aus Dioden (6) und Schaltern (7) zur Gleichrichtung und Steuerung der Phasen des Wechselstromgenerators verkettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromgenerator Mittel umfaßt, um den Zustand der Dioden und den Übergang von einem Zustand in einen anderen festzustellen, wobei die Schalter (7) im Generatorbetrieb so gesteuert werden, daß die durchlassenden Dioden (6) kurzgeschlossen werden.