EP2720901A2 - Verfahren zum betreiben einer elektrischen energieversorgungsanordnung - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer elektrischen energieversorgungsanordnung

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EP2720901A2
EP2720901A2 EP12718147.7A EP12718147A EP2720901A2 EP 2720901 A2 EP2720901 A2 EP 2720901A2 EP 12718147 A EP12718147 A EP 12718147A EP 2720901 A2 EP2720901 A2 EP 2720901A2
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EP
European Patent Office
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rectifier
generator
drive unit
current
torque
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12718147.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Zott
Philipp Morrison
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2720901A2 publication Critical patent/EP2720901A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates generally to a method for operating an electrical
  • Energy supply arrangement in particular in a motor vehicle.
  • Electric vehicles driven by an electric machine are known in the art.
  • the electric machine draws its energy from a vehicle battery, the DC voltage taken from the vehicle battery is converted by a pulse inverter into an AC voltage, which is supplied to the electric machine.
  • the range of known electric vehicles is limited by the capacity of the vehicle battery. There are several approaches to increase the limited range. A concept for increasing the range of a
  • Range Extender Electric vehicle consists of Range Extender.
  • a range extender is usually an internal combustion engine that drives a generator. This additionally provided by the range extender electrical energy can be used depending on the strategy of the vehicle operation for charging the vehicle battery or can be fed directly to the engine circuit of the vehicle.
  • IGBT active power electronic components
  • thyristors such as pulse inverter / inverter
  • Power electronics devices e.g., diodes in a B6 bridge
  • Internal combustion engine generator unit generated direct current, e.g. by
  • the range extender generator must completely compensate for the retrieved battery power, ie the attack moment of the internal combustion engine must be the change of the retrieved Battery power to follow. For larger changes in the retrieved battery power (eg significant vehicle accelerations) thereby the engine operating point is significantly shifted with negative consequences for fuel efficiency. This operation is difficult to achieve due to the limited compared to the generator dynamics of the internal combustion engine.
  • the target size for the power to be generated must be determined consuming from the current state of the high-voltage network and the maximum generative power of the generator.
  • a fixed value system would also lead to significant shifts in the
  • Internal combustion engine driven generator induced AC voltages These AC voltages generate currents which are conducted via a rectifier to at least one electrical load and / or an electrical storage.
  • a torque of the drive unit is kept substantially constant. It varies a speed of the internal combustion engine in response to a load torque generated by the generator to the internal combustion engine.
  • the generator may be an electric machine of basically any kind that can be operated as a generator.
  • the invention is fundamentally independent of the type of internal combustion engine used (for example Otto, Diesel, Wankel, Turbine, Watt, etc.) or of the medium to be combusted (liquid, gas, solid). Advantages of the invention
  • the essence of the invention is the operation of the internal combustion engine in uncontrolled operation under specification of a constant torque. According to the invention, there is no control of the engine speed.
  • the internal combustion engine runs with constant torque, regardless of the currently applied vehicle electrical system voltage or the output power. This allows the use of a cost-effective
  • the generator supplies an electrical system of the motor vehicle with a number of consumers and / or a battery with electrical energy.
  • a generator voltage is applied to the generator.
  • the torque is constant regardless of a current value of the vehicle electrical system voltage.
  • Generator electrical energy to an electric drive of the motor vehicle and / or the generator charges a battery.
  • a power surplus of the drive unit can be converted via the generator into electrical energy.
  • This electrical energy can be stored in the vehicle battery and is available thus at a subsequent higher load request for the electric drive of the motor vehicle available.
  • the drive unit is operated without regulating the speed.
  • the rectifier is designed as a passive rectifier.
  • PSM permanent magnet synchronous machine
  • the rectifier is designed such that a current flow through the rectifier is blocked when a difference U A - U B between a vehicle electrical system voltage U B and an output voltage U A of the rectifier is negative.
  • the rectifier is designed such that the current flow is conducted through the rectifier at a positive difference between the vehicle electrical system voltage U B and the output voltage U A.
  • a constant current is set when the load torque corresponds to the torque.
  • the rectifier has diodes which, with a negative difference, block the current via the rectifier and otherwise pass the current.
  • Diodes are particularly reliable and at the same time inexpensive electrical components.
  • the rectifier is designed as a B6 diode bridge circuit.
  • Fig. 1 shows in schematic form a motor vehicle with a drive train having an electric induction machine and a device for driving this machine;
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an inventive
  • Fig. 3a shows a first graph, the time course of the speed of
  • Piston internal combustion engine represents
  • FIG. 3b shows a second graph which shows the time profile of the electric machine supplied in generator operation and subsequently
  • FIG. 3 c shows a third graph which represents the time profile of the current supplied by the electric machine in generator operation and subsequently rectified.
  • a motor vehicle is shown schematically and generally designated 10.
  • the motor vehicle 10 has a drive train 12, which in the present case includes an electric drive machine 14 for the provision of drive power.
  • the power train 12 is used to drive driven wheels 16L, 16R of the
  • the electric drive machine 14 provides a torque Dm at an output shaft and rotates at an adjustable speed.
  • the powertrain 12 may be configured to drive the motor vehicle 10 solely by means of the electric drive machine 14 (electric vehicle).
  • the electric drive machine 14 may be part of a hybrid drive train 12, wherein the drive train 12 may include a further, unspecified in Fig. 1 drive motor such as an internal combustion engine or the like.
  • the drive train 12 may include a further, unspecified in Fig. 1 drive motor such as an internal combustion engine or the like.
  • Drive train 12 in this case have a transmission and the like.
  • the electric drive machine 14 is multi-phase (in the present case with three phases) and is controlled by means of power electronics 18.
  • the electric drive machine 14 is multi-phase (in the present case with three phases) and is controlled by means of power electronics 18.
  • Power electronics 18 are connected to a power supply such as a DC power supply (e.g., accumulator) 20 of the motor vehicle 10 and serve to convert a DC voltage provided by the accumulator 20 into three AC currents for the three phases of the AC induction machine.
  • the power electronics 18 has for this purpose a plurality of circuit breakers and is controlled by a control unit 22.
  • the control unit 22 may also be connected to the electric drive machine 14 in order to obtain, for example, actual values of the rotational speed and / or rotational position of a rotor of the electric drive machine 14.
  • the controller 22 may be connected to the accumulator 20.
  • the control unit 22 may be connected to a higher-level or equal control device 24 for controlling further components of the drive train 12.
  • Represented inventive power supply assembly 46 has a power or drive unit, here as a conventional one-cylinder
  • Piston engine 32 is formed.
  • the in a cylinder 48 reciprocable piston 50 of the reciprocating internal combustion engine 32 is connected via a connecting rod 54 with a crankshaft 30 connected.
  • the piston 50 has the task of introducing the combustion forces in the connecting rod 54.
  • the reciprocating internal combustion engine 32 is drivingly coupled to an electric machine 28 for driving the latter.
  • the connection of the electric machine 28 to the crankshaft 30 can be done in various ways.
  • the electric machine 28 may be connected directly or via a coupling with the crankshaft 30 or via a transmission or another force and / or positive connection.
  • the piston internal combustion engine 32 is connected directly to the electric machine 28 without the interposition of a transmission.
  • the electric machine 28 is designed here as a permanent magnet synchronous machine (PSM).
  • PSM permanent magnet synchronous machine
  • a rectifier 52 is connected, which is designed here as a B6 diode bridge circuit 52.
  • the three phases U, V, W of the electric machine 28 are connected in the B6 diode bridge circuit 52.
  • the B6 diode bridge circuit 52 is followed by a DC link circuit 58 with an inductor 60 and a capacitor 62 for smoothing the rectified via the B6 diode bridge circuit 52 voltage.
  • the terminals of the accumulator 20, which is designed here as a traction battery 20, and a high-voltage on-board network 38 are connected via connecting lines L1, L2, L3, L4 to the terminals of the DC link circuit 58.
  • High voltage electrical system 38 has a plurality of electrical consumers and the electric drive machine 14.
  • the PSM machine 28 converts in regenerative mode by passing through the
  • Piston engine 32 which it assumes from the crankshaft 30, into electrical power. This electrical power is used to charge the accumulator 20 and / or to supply a high-voltage on-board network 38 of the motor vehicle 10.
  • the reciprocating internal combustion engine 32 is thus a range extender that, unlike an internal combustion engine in a hybrid vehicle, or unlike a fueled internal combustion engine, is not designed to mechanically drive the automotive vehicle 10. Rather, the driving of the motor vehicle 10 is performed solely by the electric drive machine 14.
  • the piston internal combustion engine 32 is therefore not mechanically coupled to the wheels 16 L, 16 R of the motor vehicle 10.
  • Motor vehicle 10 is formed by the output power increase of the electric power-assisted machine 28, a retroactive on the piston internal combustion engine 32 braking torque.
  • a control device 56 is designed to be independent of a current value of the torque output by the piston internal combustion engine 32 t
  • Table 1 shows examples of different operating points, resulting in the typical operation of the power supply arrangement 46 according to the invention.
  • the rows of Table 1 contain the different steady state speed values for the
  • Piston internal combustion engine 32 include.
  • Torque of 40 Nm operated sets in the unloaded case (1, 3 kW) a speed of 7530 1 / min. If, based on this situation, the on-board network load is reduced to e.g. Increases 13 kW (for example, because the driver accelerates the vehicle), the speed drops to 7470 1 / min. The voltage dip thus leads to a speed reduction of 60 1 / min (corresponds to about 1%).
  • the rotational speed d of the reciprocating internal combustion engine 32 and the electric machine 28 are identical.
  • a gear ratio stage is in adapted training of
  • the absolute speed ratios depend on the selected engine topology and dimensioning. The Values assumed here are only exemplary of the one-cylinder piston internal combustion engine 32.
  • the implementation of the torque-controlled operation is basically always possible, even and especially when the electric machine 28 can not apply the power of the electric drive machine 14.
  • an accumulator 20 for an electric vehicle is typically operated in the range of 20 to 80% state of charge. This results in a method according to the invention to a voltage fluctuation of about 0.4 V. Based on the voltage at maximum state of charge (SoC, State of Charge), this corresponds to a change of about 10%.
  • SoC State of Charge
  • FIGS. 3a to 3 c a typical scenario for the use of the inventive energy supply arrangement 46 is illustrated.
  • the peak section 80 shows a local maximum 82, which in other words means that the current I initially rises sharply, with the rise gradually weakening until the current I reaches its maximum value. After passing through the maximum 82, the current I decreases until a constant value is reached.
  • the increased current I has an increased braking torque result, which in turn leads to lowering the speed d of the reciprocating internal combustion engine 32 to a new stationary operating point. This lowering of the speed d is described by the sloping portion 84 in the first graph.
  • the overshoot in stream I depends on the system parameters (such as rotational inertia and the like). Whether the accumulator 20 in the respective
  • the diodes of the B6 diode bridge circuit 52 can again switch to blocking operation, ie, no machine current is flowing any more.
  • no braking torque is built up and there is a through the first Right slope section 86 illustrated increase in the speed d of
  • Piston engine 32 similar to their retraction.
  • the diodes of the B6 diode bridge circuit 52 between the time t 2 and a later time t 3 disable
  • the accumulator 20 is charged while the latter is discharged in the period between t-1 and t 3 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energieversorgungsanordnung (46) insbesondere in einem Kraftfahrzeug (10). Die elektrische Energieversorgungsanordnung (46) weist einen von einer Antriebseinheit (32) insbesondere einer Brennkraftmaschine (32) angetriebenen Generator (28) auf, in dem Wechselspannungen induziert werden, die Ströme erzeugen. Die Ströme werden über einen Gleichrichter (52) zu wenigstens einem elektrischen Verbraucher (38) und/oder einen elektrischen Speicher (34') geleitet: Das Drehmoment (t) der Antriebseinheit (32) wird im Wesentlichen konstant gehalten. Die Drehzahl (d) der Antriebseinheit (32) variiert in Abhängigkeit eines durch den Generator (28) erzeugten Lastmoments auf die Antriebseinheit (32).

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energieversorgungsanordnung
Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen
Energieversorgungsanordnung insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Elektrofahrzeuge, die von einer elektrischen Maschine angetrieben werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die elektrische Maschine bezieht ihre Energie aus einer Fahrzeugbatterie, die von der Fahrzeugbatterie entnommene Gleichspannung wird durch eine Pulswechselrichter in eine Wechselspannung umgewandelt, die der elektrischen Maschine zugeführt wird. Die Reichweite bekannter Elektrofahrzeuge wird durch die Kapazität der Fahrzeugbatterie beschränkt. Es gibt verschiedene Ansätze, die begrenzte Reichweite zu steigern. Ein Konzept zur Steigerung der Reichweite eines
Elektrofahrzeugs besteht durch Range Extender (Reichweitenverlängerer). Bei einem Range Extender handelt es sich üblicherweise um eine Brennkraftmaschine, die einen Generator antreibt. Diese zusätzlich vom Range Extender zur Verfügung gestellte elektrische Energie kann in Abhängigkeit von der Strategie des Fahrzeugbetriebs zur Ladung der Fahrzeugbatterie verwendet werden oder auch direkt dem Motorkreislauf des Fahrzeugs zugeführt werden.
Aus dem Stand der Technik ist die Gleichrichtung des von einer derartigen
Brennkraftmaschine-Generator-Einheit mittels aktiven Leistungselektronik-Bauelementen (IGBT, Thyristoren, z.B. Impulswechselrichter/Inverter) oder mit passiven
Leistungselektronikbauelementen (z.B. Dioden in einer B6-Brücke) bekannt.
Aus dem Stand der Technik ist ferner eine Regelung der Spannung des von der
Brennkraftmaschine-Generator-Einheit erzeugten Gleichstroms, z.B. durch
Steuerung/Regelung der Drehzahl der Brennkraftmaschine bekannt. Diese bekannte Lösung hat den Nachteil, dass die Sollgröße der Spannung bzw. der Drehzahl aufwendig aus dem aktuellen Zustand des Hochvolt-Netzes (Batterie-Spannung, Stromstärke zu Verbrauchern oder abgegebener Leistung, SOC, etc.) und der maximal erzeugbaren Leistung des Generators ermittelt werden muss. So ist beispielsweise die Vorgabe einer stets konstanten Soll-Drehzahl oder Spannung (Festwertregelung) dann nicht sinnvoll, wenn die aktuell abgerufene Leistung aus der Fahrzeugbatterie die maximale Leistung der Brennkraftmaschine-Generator-Einheit übersteigt und somit ein Abfall der Generator- Drehzahl unvermeidlich ist. Dieser Fall ist insbesondere deshalb relevant, weil gängige Range-Extender-Konzepte häufig vorsehen, die Range-Extener-Generatoren mit deutlich kleinerer Leistung im Vergleich zur Traktions-Motorleistung auszubilden. Wird in den Fällen, wo dies möglich ist, bei gestiegener abgerufener Batterieleistung die Drehzahl (oder Spannung) per Regelung konstant gehalten, muss der Range-Extender-Generator die abgerufene Batterieleistung vollständig kompensieren, d.h. dass Angriffs-Moment der Brennkraftmaschine muss der Veränderung der abgerufenen Batterieleistung folgen. Bei größeren Änderungen der abgerufenen Batterieleistung (z.B. bei deutlichen Fahrzeug- Beschleunigungen) wird dadurch der Brennkraftmaschinen-Betriebspunkt erheblich verschoben mit negativen Folgen für die Kraftstoffeffizienz. Dieser Betrieb ist aufgrund der im Vergleich zum Generator eingeschränkten Dynamik der Brennkraftmaschine nur schwer erreichbar.
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, die abgegebene Leistung der
Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit zu regeln. Auch bei dieser Lösung muss die Sollgröße für die zu erzeugende Leistung aufwendig aus dem aktuellen Zustand des Hochvolt-Netzes und der maximal erzeugbaren Leistung des Generators ermittelt werden. Eine Festwertregelung würde ebenfalls zu signifikanten Verschiebungen des
Brennkraftmaschinen-Betriebspunkts führen.
Offenbarung der Erfindung
Die zuvor beschriebenen Nachteile des Standes der Technik lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren vermeiden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energieversorgungsanordnung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug werden in einem von einer Antriebseinheit, insbesondere einer
Brennkraftmaschine angetriebenen Generator Wechselspannungen induziert. Diese Wechselspannungen erzeugen Ströme, die über einen Gleichrichter zu wenigstens einem elektrischen Verbraucher und/oder einen elektrischen Speicher geleitet werden. Ein Drehmoment der Antriebseinheit wird im Wesentlichen konstant gehalten. Dabei variiert eine Drehzahl der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit eines durch den Generator erzeugten Lastmoments auf die Brennkraftmaschine.
Es versteht sich, dass es sich bei dem Generator um eine elektrische Maschine grundsätzlich beliebiger Art handeln kann, die generatorisch betreibbar ist. Die Erfindung ist grundsätzlich unabhängig von der Art der verwendeten Brennkraftmaschine (z.B. Otto, Diesel, Wankel, Turbine, Watt, .... etc.) oder des zu verbrennenden Mediums (Flüssigkeit, Gas, Feststoff). Vorteile der Erfindung
Der Kern der Erfindung ist mit anderen Worten der Betrieb der Brennkraftmaschine im ungeregelten Betrieb unter Vorgabe eines konstanten Drehmomentes. Erfindungsgemäß erfolgt keine Regelung der Motordrehzahl. Die Brennkraftmaschine läuft mit konstantem Drehmoment, unabhängig von der aktuell anliegenden Bordnetzspannung bzw. der abgegebenen Leistung. Dies ermöglicht die Verwendung eines kostengünstigen
Diodengleichrichters und den Verzicht auf eine Regelung mit entsprechend aufwendigen messtechnischen Erfassungen der Regelgrößen. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens versorgt der Generator ein Bordnetz des Kraftfahrzeuges mit einer Anzahl von Verbrauchern und/oder eine Batterie mit elektrischer Energie. Dabei liegt am Generator eine Bordnetzspannung an. Das Drehmoment ist unabhängig von einem aktuellen Wert der Bordnetzspannung konstant.
Gerade im Bereich elektrischer Fahrzeug-Bordnetze treten bisher die zuvor
beschriebenen Nachteile auf. Deshalb eröffnet sich hier ein wesentlicher Einsatzbereich für die vorliegende Erfindung. Gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens liefert der
Generator elektrische Energie an einen elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeuges und/oder der Generator lädt eine Batterie.
Auf diese Weise kann z.B. bei einer niedrigen Lastanforderung ein Leistungsüberschuss der Antriebseinheit über den Generator in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese elektrische Energie kann in der Fahrzeugbatterie gespeichert werden und steht somit bei einer nachfolgenden höheren Lastanforderung für den elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs zur Verfügung.
Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Antriebseinheit ohne Regelung der Drehzahl betrieben.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Antriebseinheit im Open-Loop-Modus betrieben wird und nicht als wesentlich teureres rückgekoppeltes Regelsystem ausgeführt ist. So kann eine kostspielige Regelungselektronik vermieden werden.
Beispielsweise ist der Gleichrichter als passiver Gleichrichter ausgebildet.
Bei einem passiven Gleichrichter besteht keinerlei Ansteuer- und Regelaufwand. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die elektrische
Maschine eine PSM-(Permanent erregte Synchronmaschine)-Maschine, die aufgrund der wegfallenden Erregerverluste sehr hohe Wirkungsgrade aufweist.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Gleichrichter derart ausgebildet, dass ein Stromfluss über den Gleichrichter gesperrt wird, wenn eine Differenz UA - UB zwischen einer Bordnetzspannung UB und einer Ausgangsspannung UA des Gleichrichters negativ ist. Dadurch kann zum Beispiel in einer Anlaufphase des Generators, in der die Differenz in der Regel negativ ist, die Drehzahl des Generators schnell gesteigert werden, weil nur die Massenträgheiten von der Antriebseinheit zu beschleunigen sind.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Gleichrichter derart ausgebildet, dass der Stromfluss über den Gleichrichter bei einer positiven Differenz zwischen der Bordnetzspannung UB und der Ausgangsspannung UA durchgeleitet wird.
Dadurch kann die Stromstärke z.B. in Reaktion auf einen Lastsprung variieren.
Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein konstanter Strom eingestellt, wenn das Lastmoment dem Drehmoment entspricht.
Durch diese Gleichgewichtsbedingung zwischen Lastmoment und Drehmoment kann der Maximalstrom ohne irgendwelchen aparativen Mehraufwand begrenzt werden. Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Gleichrichter Dioden auf, die bei negativer Differenz den Strom über den Gleichrichter sperren und andernfalls den Strom durchlassen.
Dioden sind besonders zuverlässige und gleichzeitig kostengünstige elektrische Bauelemente.
Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Gleichrichter als B6-Diodenbrückenschaltung ausgebildet.
B6-Diodenbrückenschaltungen sind in sehr großen Stückzahlen hergestellte, kostengünstige Massenartikel. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt in schematischer Form ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang, der eine elektrische Drehfeldmaschine sowie eine Vorrichtung zum Ansteuern dieser Maschine aufweist;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Energieversorgungsanordnung;
Fig. 3a zeigt einen ersten Graf, der den zeitlichen Verlauf der Drehzahl der
Kolbenbrennkraftmaschine darstellt;
Fig. 3b zeigt einen zweiten Grafen, der den zeitlichen Verlauf der von der elektrischen Maschine in einem generatorischen Betrieb gelieferten und anschließend
gleichgerichteten Spannung darstellt; und
Fig. 3c zeigt einen dritten Grafen, der den zeitlichen Verlauf des von der elektrischen Maschine im generatorischen Betrieb gelieferten und anschließend gleichgerichteten Stroms darstellt.
Ausführungsbeispiel ln Fig. 1 ist ein Kraftfahrzeug schematisch dargestellt und generell mit 10 bezeichnet. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Antriebsstrang 12 auf, der im vorliegenden Fall eine elektrische Antriebsmaschine 14 zur Bereitstellung von Antriebsleistung beinhaltet. Der Antriebsstrang 12 dient zum Antreiben von angetriebenen Rädern 16L, 16R des
Kraftfahrzeugs 10.
Die elektrische Antriebsmaschine 14 stellt an einer Abtriebswelle ein Drehmoment Dm bereit und dreht mit einer einstellbaren Drehzahl. Der Antriebsstrang 12 kann dazu eingerichtet sein, das Kraftfahrzeug 10 alleine mittels der elektrischen Antriebsmaschine 14 anzutreiben (Elektrofahrzeug). Alternativ kann die elektrische Antriebsmaschine 14 Teil eines Hybrid-Antriebsstranges 12 sein, wobei der Antriebsstrang 12 einen weiteren, in Fig. 1 nicht näher bezeichneten Antriebsmotor wie einen Verbrennungsmotor oder dergleichen beinhalten kann. Ferner kann der
Antriebsstrang 12 in diesem Fall ein Getriebe und dergleichen aufweisen.
Die elektrische Antriebsmaschine 14 ist mehrphasig ausgebildet (im vorliegenden Fall mit drei Phasen) und wird mittels einer Leistungselektronik 18 angesteuert. Die
Leistungselektronik 18 ist mit einer Energieversorgung wie einer Gleichspannungs- Versorgung (z.B. Akkumulator) 20 des Kraftfahrzeugs 10 verbunden und dient dazu, eine von dem Akkumulator 20 bereitgestellte Gleichspannung in drei Wechselströme für die drei Phasen der elektrischen Drehfeldmaschine umzurichten. Die Leistungselektronik 18 weist zu diesem Zweck eine Mehrzahl von Leistungsschaltern auf und wird mittels eines Steuergerätes 22 angesteuert. Das Steuergerät 22 kann ferner mit der elektrischen Antriebsmaschine 14 verbunden sein, um beispielsweise Istwerte der Drehzahl und/oder Drehstellung eines Rotors der elektrischen Antriebsmaschine 14 zu erhalten. Ferner kann das Steuergerät 22 mit dem Akkumulator 20 verbunden sein. Schließlich kann das Steuergerät 22 mit einer übergeordneten oder gleichberechtigten Steuereinrichtung 24 zur Ansteuerung von weiteren Komponenten des Antriebsstranges 12 verbunden sein.
In der folgenden Fig. 2 werden die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet, um gleiche oder äquivalente Bauteile zu bezeichnen. Die in Fig. 2 in schematischer
Darstellung gezeigte erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung 46 weist eine Kraft- oder Antriebseinheit auf, die hier als herkömmliche einzylindrige
Kolbenbrennkraftmaschine 32 ausgebildet ist. Der in einem Zylinder 48 hin- und herbewegbare Kolben 50 der Kolbenbrennkraftmaschine 32 ist über ein Pleuel 54 mit einer Kurbelwelle 30 verbunden. Der Kolben 50 hat die Aufgabe, die Verbrennungskräfte in das Pleuel 54 einzuleiten.
Die Kolbenbrennkraftmaschine 32 ist antriebsmäßig mit einer elektrischen Maschine 28 gekoppelt, um Letztere anzutreiben. Die Anbindung der elektrischen Maschine 28 an die Kurbelwelle 30 kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann die elektrische Maschine 28 direkt oder über eine Kupplung mit der Kurbelwelle 30 verbunden sein oder über ein Getriebe oder eine andere Kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung. Im vorliegenden Fall ist die Kolbenbrennkraftmaschine 32 ohne Zwischenschaltung eines Getriebes direkt mit der elektrischen Maschine 28 verbunden. Die elektrische Maschine 28 ist hier als permanenterregte Synchronmaschine (PSM) ausgebildet. An die elektrische Maschine 28 ist ein Gleichrichter 52 angeschlossen, der hier als B6-Diodenbrückenschaltung 52 ausgeführt ist. Die drei Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 28 sind in der B6- Diodenbrückenschaltung 52 verschaltet. Der B6-Diodenbrückenschaltung 52 ist eine Zwischenkreisschaltung 58 mit einer Induktivität 60 und einer Kapazität 62 zur Glättung der über die B6-Diodenbrückenschaltung 52 gleichgerichteten Spannung nachgeschaltet.
Die Anschlüsse des Akkumulators 20, der hier als Traktionsbatterie 20 ausgebildet ist, und eines Hochspannungsbordnetzes 38 sind über Anschlussleitungen L1 , L2, L3, L4 mit den Anschlüssen der Zwischenkreisschaltung 58 verbunden. Das
Hochspannungsbordnetz 38 weist eine Vielzahl elektrischer Verbraucher sowie die elektrische Antriebsmaschine 14 auf.
Die PSM-Maschine 28 wandelt im generatorischen Betrieb, indem sie durch die
Kolbenbrennkraftmaschine 32 angetrieben wird, das Drehmoment der
Kolbenbrennkraftmaschine 32, das sie von der Kurbelwelle 30 annimmt, in elektrische Leistung um. Diese elektrische Leistung wird zur Aufladung des Akkumulators20 und/oder zur Versorgung eines Hochspannungsbordnetzes 38 des Kraftfahrzeugs 10 verwendet. Die Kolbenbrennkraftmaschine 32 ist somit ein Range Extender, der im Gegensatz zu einer Brennkraftmaschine bei einem Hybridfahrzeug, oder im Gegensatz zu einer kraftstoffversorgten Brennkraftmaschine, nicht dazu ausgelegt ist, das Kraftfahrzeug 10 mechanisch anzutreiben. Vielmehr erfolgt das Antreiben des Kraftfahrzeugs 10 alleine durch die elektrische Antriebsmaschine 14. Die Kolbenbrennkraftmaschine 32 ist daher auch nicht mit den Rädern 16L, 16R des Kraftfahrzeugs 10 mechanisch gekoppelt. Bei Zuschaltung elektrischer Verbraucher im Hochspannungsbordnetz 38 des
Kraftfahrzeuges 10 entsteht durch die Ausgangsleistungserhöhung der elektrischen PSM- Maschine 28 ein auf die Kolbenbrennkraftmaschine 32 rückwirkendes Bremsmoment. Eine Steuereinrichtung 56 ist dazu ausgebildet, das von der Kolbenbrennkraftmaschine 32 abgegebene Drehmoment t unabhängig von einem aktuellen Wert der
Ausgangsleistung der elektrischen PSM-Maschine 28 konstant zu halten.
Die Tabelle 1 zeigt exemplarisch verschiedene Betriebspunkte, die sich im typischen Betrieb der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung 46 ergeben. Die Zeilen der Tabelle 1 beinhalten die verschiedenen stationären Drehzahlwerte für die
angegebenen elektrischen Bordnetzlasten, während die Spalten der Tabelle 1 die stationären Drehzahlen für die angegebenen Drehmomente t der
Kolbenbrennkraftmaschine 32 beinhalten.
Tabelle 1
Wird also beispielsweise die Kolbenbrennkraftmaschine 32 mit einem konstanten
Drehmoment von 40 Nm betrieben, stellt sich im unbelasteten Fall (1 ,3 kW) eine Drehzahl von 7530 1/min ein. Wird nun ausgehend von dieser Situation die Bordnetzlast auf z.B. 13 kW erhöht (etwa weil der Fahrer das Kraftfahrzeug beschleunigt), sinkt die Drehzahl auf 7470 1/min ab. Der Spannungseinbruch führt also zu einer Drehzahlabsenkung von 60 1/min (entspricht ca. 1 %).
Dieser geringe Hub der Drehzahl über der Last ist ein wichtiger Punkt für die Erfindung.
Die Drehzahl d der Kolbenbrennkraftmaschine 32 und der elektrischen Maschine 28 sind identisch. Eine Getriebeübersetzungsstufe ist bei angepasster Ausbildung der
elektrischen Maschine 28 nicht notwendig. Die absoluten Drehzahlverhältnisse sind abhängig von der gewählten Brennkraftmaschinentopologie und - dimensionierung. Die hier angenommenen Werte sind nur beispielhaft für die Ein-Zylinder- Kolbenbrennkraftmaschine 32.
Die Umsetzung des drehmomentgeregelten Betriebes ist grundsätzlich immer möglich, auch und gerade besonders wenn die elektrische Maschine 28 nicht die Leistung der elektrischen Antriebsmaschine 14 aufbringen kann.
Hinsichtlich des Einflusses des Ladezustandes des Akkumulators 20 ist anzumerken, dass ein Akkumulator 20 für ein Elektrofahrzeug typischerweise im Bereich von 20 bis 80% Ladezustand betrieben wird. Dies führt bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Spannungsschwankung von ca. 0,4 V. Bezogen auf die Spannung bei maximalem Ladezustand (SoC, State of Charge) entspricht dies einer Änderung von ca. 10%.
Während eines Ladevorgangs von 20% SoC auf 80% SoC wird die Drehzahl der
Brennkraftmaschine entsprechend um ca. 10% steigen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3a bis 3c ein typisches Szenario für den Einsatz der erfindungsgemäß ausgebildeten Energieversorgungsanordnung 46 verdeutlicht. Den Fig. 3a bis 3c liegt jeweils der gleiche Zeitmaßstab zugrunde. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst zum Zeitpunkt t = 0 die
Kolbenbrennkraftmaschine 32 mit konstantem Drehmoment t angefahren. Anfangs sperren die Dioden der B6-Diodenbrückenschaltung 52 gegen die Bordnetzspannung. Es fließt daher zunächst kein Strom I. Entsprechend hat der Strom I im dritten Graphen gemäß Fig.3c zum Zeitpunkt t = 0 den Wert von 0. Da zum Zeitpunkt t = 0 kein Strom fließt, liegt auch kein Lastmoment an der elektrischen PSM-Maschine 28 an. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Kolbenbrennkraftmaschine 32 mit konstantem Drehmoment t nur die Massenträgheiten beschleunigt. Die Drehzahl d der
Kolbenbrennkraftmaschine 32 beginnt vom Zeitpunkt t = 0 an steil zu steigen, wie durch den ersten linken Steigungsabschnitt 68 in Fig. 3a beschrieben.
Zum Zeitpunkt t = t0 erreicht die von der elektrischen Maschine 28 gelieferte und über die B6-Diodenbrückenschaltung 52 gleichgerichtete Spannung U das Niveau des elektrischen Hochspannungsbordnetzes 38. In der Folge beginnen die Dioden der B6- Diodenbrückenschaltung 52 zu leiten und der Strom I beginnt zum Zeitpunkt tO ausgehend vom Wert 0 anzusteigen. Dieser Anstieg des Stromes I ist im dritten Graphen durch den dritten linken Anstiegsabschnitt 70 wiedergegeben. Die Drehzahl d der Kolbenbrennkraftmaschine 32 steigt nach dem Zeitpunkt t0 zunächst weiter an, bis der Stromfluss zu einem Lastmoment führt, das das antreibende Drehmoment t ausgleicht. Damit ist ein stationärer Betriebspunkt erreicht. Nach dem Erreichen des stationären Betriebspunktes bleibt die Spannung U zunächst über einen Zeitabschnitt konstant, wie es durch den zweiten, linken Parallelabschnitt 72 in Fig. 3b wiedergegeben ist. Ebenso bleibt in diesem Zeitabschnitt die Drehzahl d der Kolbenbrennkraftmaschine 32 (wie durch den ersten linken Parallelabschnitt 74 in Fig. 3a beschrieben) sowie der Strom I (wie durch den dritten linken Parallelabschnitt 76 in Fig. 3c beschrieben) zeitlich konstant. Zum Zeitpunkt t-ι führt ein Lastsprung im Hochspannungsbordnetz 38 zum Absenken der Bordnetzspannung U. Das sprunghafte Absinken der Bordnetzspannung U ist durch den fallenden Abschnitt 78 des zweiten Graphen in Fig. 3b beschrieben. Da die Drehzahl d der Kolbenbrennkraftmaschine 32 bzw. der elektrischen Maschine 28 zu diesem Zeitpunkt konstant ist, steigt die Differenz zwischen der von der elektrischen Maschine 28 erzeugten Spannung U und der Bordnetzspannung an, woraus eine Erhöhung des von der elektrischen Maschine 28 gelieferten Stroms I erfolgt. Diese plötzliche Erhöhung des Stroms ist durch den wellenbergartigen Peakabschnitt 80 im dritten Graphen beschrieben. Der Peakabschnitt 80 zeigt ein lokales Maximum 82, was mit andern Worten heißt, dass der Strom I zunächst stark ansteigt, wobei sich der Anstieg allmählich abschwächt bis der Strom I seinen Maximalwert erreicht. Nach dem Durchlaufen des Maximums 82 fällt der Strom I ab, bis ein konstanter Wert erreicht wird.
Der erhöhte Strom I hat ein erhöhtes Bremsmoment zur Folge, was wiederum zum Absenken der Drehzahl d der Kolbenbrennkraftmaschine 32 auf einen neuen stationären Arbeitspunkt führt. Dieses Absenken der Drehzahl d wird durch den abfallenden Abschnitt 84 im ersten Graphen beschrieben.
Der Überschwinger im Strom I hängt von den Systemparametern ab (wie z.B. von der Rotationsträgheit und dergleichen). Ob der Akkumulator 20 in den jeweiligen
Betriebszuständen entladen oder geladen wird, ist nicht weiter relevant.
Zum Zeitpunkt t2 erfolgt eine sprunghafte Absenkung der Bordnetzlast. Durch den damit verbundenen Spannungsanstieg im Bordnetz (der durch den ersten rechten
Steigungsabschnitt dargestellt ist) können die Dioden der B6-Diodenbrückenschaltung 52 wieder in den sperrenden Betrieb übergehen, d.h., dass kein Maschinenstrom mehr fließt. In der Folge wird kein Bremsmoment aufgebaut und es erfolgt ein durch den ersten rechten Steigungsabschnitt 86 veranschaulichter Anstieg der Drehzahl d der
Kolbenbrennkraftmaschine 32 ähnlich wie bei deren Einfahren.
Die drei Funktionen der Spannung U, der Drehzahl d und des Stroms I steigen in
Reaktion auf die Spannungsabsenkung erneut an und erreichen nach einer Zeit einen maximalen Wert, der über eine Zeit konstant beibehalten wird. Ob die Dioden der B6- Diodenbrückenschaltung 52 wieder in den sperrenden Zustand übergehen, hängt von der Höhe des Spannungseinbruches zum Zeitpunkt t2 und den Parametern ab. Im
vorliegenden Fall sperren die Dioden der B6-Diodenbrückenschaltung 52 zwischen dem Zeitpunk t2 und einem späteren Zeitpunkt t3
Zwischen den Zeitpunkten t0 und t-ι wird der Akkumulator 20 geladen, während Letztere in dem Zeitabschnitt zwischen t-ι und t3 entladen wird.
Die Dioden der B6- Diodenbrückenschaltung 52 sperren zwischen den Zeitpunkten 0 und t0 sowie zwischen den Zeitpunkten t2 und t3.

Claims

Ansprüche 1 . Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energieversorgungsanordnung (46) insbesondere in einem Kraftfahrzeug (10) mit einem von einer Antriebseinheit (32), insbesondere einer Brennkraftmaschine (32), angetriebenen Generator (28), in dem Wechselspannungen induziert werden, die Ströme erzeugen, wobei die Ströme über einen Gleichrichter (52) zu wenigstens einem elektrischen Verbraucher (38) und/oder einem elektrischen Speicher (20) geleitet werden, wobei ein Drehmoment (t) der
Antriebseinheit (32) wenigstens zeitweise im Wesentlichen konstant gehalten wird und eine Drehzahl (d) der Antriebseinheit (32) in Abhängigkeit eines durch den Generator (28) erzeugten Lastmoments auf die Antriebseinheit (32) variiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Generator (28) eine Traktionsbatterie (34') und/oder ein Bordnetz (36') des Kraftfahrzeuges (10) mit wenigstens einem Verbraucher versorgt, wobei am Generator (28) eine Bordnetzspannung (U) anliegt und wobei das Drehmoment (t) unabhängig vom aktuellen Wert der Bordnetzspannung (U) konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Generator (28) elektrische Energie an einen elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeuges liefert und/oder der eine Batterie, lädt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Antriebseinheit (32) ohne Regelung der Drehzahl (d) betrieben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gleichrichter (52) als passiver Gleichrichter (52) ausgebildet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Generator (28) eine permanent erregte Synchronmaschine (PSM) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Gleichrichter (52) derart ausgebildet ist, dass ein Stromfluss über den Gleichrichter (52) gesperrt wird, wenn eine Differenz UA - UB zwischen einer Bordnetzspannung UB und einer Ausgangsspannung UA des Gleichrichters (14) negativ ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Stromfluss über den Gleichrichter (52) bei einer positiven Differenz zwischen der Bordnetzspannung UB und der Ausgangsspannung UA durchgeleitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein konstanter Strom eingestellt wird, wenn das Lastmoment dem Drehmoment (t) entspricht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Gleichrichter (52) Dioden aufweist, die bei negativer Differenz den Strom über den Gleichrichter (52) sperren und andernfalls den Strom durchlassen.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Gleichrichter (52) als B6- Brücke (52) ausgebildet ist.
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