WO2003094336A1 - Schaltungsanordnung zur versorgung der steuerelektronik bei elektrischen maschinen - Google Patents

Schaltungsanordnung zur versorgung der steuerelektronik bei elektrischen maschinen Download PDF

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Michael Pesch
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
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    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/14—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field
    • H02P9/26—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P9/30—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for supplying the control electronics of electrical machines according to the preamble of the main claim and relates in particular to supply circuits for starter generators in motor vehicles, which also function in battery-free operation.
  • Such starter generators are, for example, flywheel starter generators or crankshaft starter generators, which are directly connected to the crankshaft of the engine.
  • the starter generators used are three-phase machines that can be connected to the vehicle battery via power electronics that include a controlled rectifier bridge, in particular a pulse converter with a pulse inverter bridge.
  • the pulse inverters are controlled with the aid of control electronics.
  • the electrical machine is, for example, a permanently excited synchronous machine
  • a voltage is generated when the machine is rotating, regardless of whether the electronics are activated or not.
  • this can lead to the permitted voltage being exceeded and there is a risk that the electronics of the starter generator and the on-board electrical system electronics can be destroyed.
  • a vehicle electrical system with a starter generator and a method for controlling such a starter generator, which can be connected to the vehicle battery via a pulse inverter bridge, is described for example in DE 197 33 212 AI.
  • the pulse inverter elements of the converter bridge are controlled in a suitable manner with the aid of control electronics in such a way that optimal generator control takes place in generator operation and thus a maximum of electrical power is generated.
  • a suitable control of the pulse inverter elements ensures that the electrical machine is electrical when it starts
  • the object of the invention is therefore to ensure the supply of the electronics of an electrical machine, in particular a starter generator, in battery-free operation and short-circuited, rotating machine. This object is achieved with the aid of the circuit arrangement specified in claim 1.
  • the circuit arrangement according to the invention for supplying the control electronics of electrical machines, in particular for starter generators with the features of claim 1, has the advantage that the voltage supply for the control electronics is also ensured in battery-free operation and with a short-circuited, rotating machine.
  • This advantage is achieved by using a passive transformer circuit which is fed with the phase current of the electrical machine.
  • This passive transformer circuit also has the special advantages of a low circuitry and requires only a few components.
  • Figure 1 shows an electrical machine with a controlled
  • Figure 2 shows a circuit arrangement according to the invention
  • a voltage supply circuit for an electrical machine 10 is shown roughly schematically in FIG. 1, in which a direct voltage is supplied to the electrical machine 10 via a switchable bridge 11.
  • the switchable bridge comprises three high-side switching elements 12, 13, 14 and three low-side switching elements 15, 16, 17, for example field effect transistors (MOSFETs) or corresponding pulse inverter elements etc. and carries a voltage U of, for example, on the far side 42 volts.
  • the electrical machine 10 is connected to the controlled rectifier bridge in a conventional manner.
  • the Windings of the electrical machine 10 are not shown in FIG. 1.
  • the switching elements of the rectifier bridge are controlled in a suitable manner with the aid of control electronics 18.
  • the voltage supply for the control electronics 18 takes place in normal operation from the battery 19, if necessary via suitable voltage converters.
  • the low-side switching elements 15, 1.6, 17 are controlled (short-circuited) in such a way that they establish a conductive connection to ground. So that such control is possible, a voltage must be present at the gate of the low-side switch, which according to the invention is formed from the phase current of the electrical machine when the battery is missing.
  • This voltage is referred to as auxiliary voltage VH and is supplied to the switching elements 15, 16, 17 instead of the control voltage VS normally supplied by the control electronics 18.
  • the electrical machine 10 comprises three phase windings 22, 23, 24 and is connected to an output stage 21 via this transformer circuit 20.
  • the output stage 21 corresponds, for example, to the controlled bridge 11 according to FIG. 1, but only the two transistors T1 and T2 are shown for a phase winding of the electrical machine.
  • connection point between the two transistors T1 and T2 that is to say the phase connection Ph, is connected via the transformer U to the corresponding phase winding, for example the phase winding 23 of the electrical machine 10.
  • the transformer circuit 20 includes in addition to the galvanically isolated transformer Ü with the primary winding P and the secondary winding S also a diode D, a capacitor C and a transistor T3 and a linear regulator L.
  • the low side switch 15, 16 are, the transistor T2 driven 17 of Figure 1 or of Figure 2 so ', that is supplied with voltage, that the gate of the respective transistor, a voltage is applied.
  • the transistor in question is then in the conductive state.
  • An almost sinusoidal current IP flows over the primary side of the transformer Ü.
  • a corresponding AC voltage is thereby induced in the secondary side of the transformer Ü.
  • This AC voltage is rectified via the diode D and the capacitor C. The rectified
  • Voltage is supplied to the linear regulator L, of 'the voltage stabilized, and supplies the stabilized auxiliary voltage VH at its output.
  • the transformer circuit 20 can be switched off when it is not required, provided there are corresponding predeterminable requirements, and therefore no quiescent current flows.
  • the transformer U can, for example, be designed as a ring core RK.
  • the phase current IP of the primary side is then passed through the center hole of the ring core RK.
  • the windings W of the secondary side S are wound around the ring core RK.
  • FIG. 3 shows a possible embodiment of the transformer U.

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Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuer­elektronik bei einer elektrischen Maschine (10) angegeben, die eine passive Übertragerschaltung (20) umfasst, die mit einem Phasenstrom IP der elektrischen Maschine (10) gespeist wird und eine Hilfsspannung VH erzeugt, die zur Versorgung der Endstufe der elektrischen Maschine verwendet wird, sofern keine Batterie vorhanden ist oder die Batterie defekt oder entladen ist.

Description

Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuerelektronik bei elektrischen Maschinen
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuerelektronik von elektrischen Maschinen nach der Gattung des Hauptanspruchs und betrifft insbesondere Versorgungsschaltungen für Starter-Generatoren in Kraftfahrzeugen, die auch im batterielosen Betrieb funktionieren.
Stand der Technik
Üblicherweise werden in Kraftfahrzeugen zwei elektrische Maschinen eingesetzt, ein Generator, der vom Motor des Kraftfahrzeugs angetrieben wird und elektrische Energie zur Versorgung der Bordnetzverbraucher und zur Ladung der Batterie erzeugt und ein Starter, der als aus der Batterie gespeister Elektromotor arbeitet und im Startfall den Motor des Kraftfahrzeugs auf eine erforderliche Mindestdrehzahl bringt. Es sind aber auch Systeme bekannt, die eine einzige elektrische Maschine aufweisen, die als Starter-Generator ausgestaltet ist und sowohl den Motorstart als auch die Erzeugung der elektrischen Energie bewerkstelligt.
Solche Starter-Generatoren sind beispielsweise Schwungrad- Starter-Generatoren oder Kurbelwellen-Starter-Generatoren, die direkt mit der Kurbelwelle des Motors verbunden sind. Die eingesetzten Starter-Generatoren sind dabei Drehstrommaschinen, die über eine Leistungselektronik, die eine gesteuerte Gleichrichterbrücke, insbesondere einen Pulsumrichter mit einer Pulswechselrichterbrücke, umfasst, mit der Fahrzeugbatterie verbindbar sind. Die Ansteuerung der Pulswechselrichter erfolgt dabei mit Hilfe einer Steuerelektronik.
Ist die elektrische Maschine beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine, so wird bei sich drehender Maschine eine Spannung erzeugt, unabhängig davon, ob die Elektronik aktiviert ist oder nicht. Bei entsprechend hohen Drehzahlen der Synchronmaschine kann dies zu einer Überschreitung der erlaubten Spannung führen und es besteht die Gefahr, dass die Elektronik des Starter-Generators sowie die Bordnetzelektronik zerstört werden kann.
Ein Fahrzeugbordnetz mit einem Starter-Generator sowie ein Verfahren zur Regelung eines solchen Starter-Generators, der über eine Pulswechselrichterbrücke mit der Fahrzeugbatterie verbindbar ist, wird beispielsweise in der DE 197 33 212 AI beschrieben. Bei diesem bekannten System werden die Pulswechselrichterelemente der Umrichterbrücke mit Hilfe einer Regelelektronik in geeigneter Weise so angesteuert, dass im generatorischen Betrieb eine optimale Generatorregelung erfolgt und damit ein Maximum an elektrischer Leistung erzeugt wird. Gleichzeitig wird durch eine geeignete Ansteuerung der Pulswechselrichterelemente sichergestellt, dass im Startfall die elektrische Maschine elektrische
Energie aus der Batterie entnehmen kann und damit als Elektromotor arbeitet und den Fahrzeugmotor auf die 'Startdrehzahl beschleunigen kann. Da die Fahrzeugbatterie während des Betriebes des Fahrzeugs zerstört werden kann oder sich die Batterie durch ungünstige Umstände weitgehend entleeren kann, besteht die Gefahr, dass im dann vorliegenden sogenannten batterielosen Betrieb die Elektronik der elektrischen Maschine nicht mehr versorgt wird. In diesem Fall ist bei kurzgeschlossener, sich drehender Maschine keine Zwischenkreisspannung vorhanden, aus der sich die Steuerelektronik versorgen könnte. Es besteht daher die Gefahr, dass bei nicht versorgter Steuerelektronik das Kurzschließen der Maschine nicht aufrecht erhalten werden könnte. Die Folge wäre ein unkontrolliertes Ansteigen der Spannung. Dies könnte zu Zerstörungen an der Elektronik der elektrischen Maschine bzw. des Starter-Generators und im Bordnetz selbst führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Versorgung der Elektronik einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Starter-Generators, im batterielosen Betrieb und kurzgeschlossener, sich drehender Maschine sicherzustellen. Gelöst wird diese Aufgabe mit Hilfe der im Anspruch 1 angegebenen Schaltungsanordnung.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuerelektronik von elektrischen Maschinen, insbesondere bei Starter-Generatoren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Spannungsversorgung für die Steuerelektronik auch im batterielosen Betrieb und bei kurz- geschlossener, sich drehender Maschine sichergestellt wird. Erzielt wird dieser Vorteil, indem eine passive Übertragerschaltung, die mit dem Phasenstrom der elektrischen Maschine gespeist wird, eingesetzt wird. Diese passive Übertragerschaltung hat zusätzlich die besonderen Vorteile eines geringen Schaltungsaufwandes und benötigt nur wenige Bauteile .
Besonders vorteilhaft ist, dass prinzipiell kein Ruhestrom zur Versorgung der Schaltung fließt und dass die _ Schaltung abschaltbar ist. Diese weiteren Vorteile werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigt
Figur 1 eine elektrische Maschine mit einer gesteuerten
Brücke mit kurzgeschlossenen Low-Side-Schaltern, Figur 2 eine erfindungsgemäß Schaltungsanordnung zur
Versorgung der Steuerelektronik bei elektrischen Maschinen und Figur 3 ein Beispiel für eine Übertragerausführung.
Beschreibung
In Figur 1 ist grob schematisch eine Spannungsversorgungs- Schaltung für eine elektrische Maschine 10 dargestellt, bei der eine Gleichspannung über eine schaltbare Brücke 11 der elektrischen Maschine 10 zugeführt wird. Die schaltbare Brücke umfasst dabei drei High-Side-Schaltelemente 12, 13, 14 und drei Low-Side-Schaltelemente 15, 16, 17, beispielsweise Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder entsprechende Pulswechselrichterelemente usw. und führt auf der massefernen Seite eine Spannung U von beispielsweise 42 Volt. Die elektrische Maschine 10 ist in üblicher Weise an die gesteuerte Gleichrichterbrücke angeschlossen. Die Wicklungen der elektrischen Maschine 10 sind in der Figur 1 nicht dargestellt.
Die Schaltelemente der Gleichrichterbrücke werden mit Hilfe einer Steuerelektronik 18 in geeigneter Weise angesteuert. Die Spannungsversorgung für die Steuerelektronik 18 erfolgt im Normalbetrieb aus der Batterie 19, gegebenenfalls über geeignete Spannungswandler. In dem in Figur 1 dargestellten Kurzschlussfall sind die Low-Side-Schaltelemente 15, 1.6, 17 so angesteuert (kurzgeschlossen) , dass sie eine leitende Verbindung zur Masse herstellen. Damit eine solche Ansteuerung möglich ist, muss am Gate der Low-Side-Schalter eine Spannung anliegen, -die erfindungsgemäß bei fehlender Batterie aus dem Phasenstrom der elektrischen Maschine gebildet wird. Diese Spannung wird als Hilfsspannung VH bezeichnet und an Stelle der im Normalfall von der Steuerelektronik 18 gelieferten Steuerspannung VS den Schaltelementen 15, 16, 17 zugeführt.
In Figur 2 ist eine detaillierte Schaltungsanordnung zur
Versorgung der Steuerelektronik bei elektrischen Maschinen bzw. zur Bildung einer Hilfsspannung VH dargestellt, die als wesentliche Komponente eine Übertragerschaltung 20 aufweist. Die elektrische Maschine 10 umfaßt drei Phasenwicklungen 22, 23, 24 und ist über diese Übertragerschaltung 20 mit einer Endstufe 21 verbunden. Die Endstufe 21 entspricht beispielsweise der gesteuerten Brücke 11 nach Figur 1, wobei jedoch nur die beiden Transistoren Tl und T2 für eine Phasenwicklung der elektrischen Maschine dargestellt sind.
Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren Tl und T2, also der Phasenanschluß Ph ist über den Übertrager Ü mit der entsprechenden Phasenwicklung, beispielsweise der Phasenwicklung 23 der elektrischen Maschine 10 verbunden. Weiterhin umfasst die Übertragerschaltung 20 neben dem galvanisch getrennten Übertrager Ü mit der Primärwicklung P und der Sekundärwicklung S noch eine Diode D, einen Kondensator C und einen Transistor T3 sowie einen Linearregler L.
Im Kurzschlussfall werden die Low-Side-Schalter 15, 16, 17 nach Figur 1 bzw. der Transistor T2 nach Figur 2 so ' angesteuert, d.h. mit Spannung versorgt, dass am Gate des jeweiligen Transistors eine Spannung liegt. Der betreffende Transistor ist dann in leitendem Zustand. Über die Primärseite des Übertragers Ü fließt ein nahezu sinusförmiger Strom IP. Dadurch wird in die Sekundärseite des Übertragers Ü eine entsprechende Wechselspannung induziert. Diese Wechselspannung wird über die Diode D und den Kondensator C gleichgerichtet. Die gleichgerichtete
Spannung wird dem Linearregler L zugeführt, der 'die Spannung stabilisiert und an seinem Ausgang die stabilisierte Hilfsspannung VH liefert.
Mit dem Transistor T3, der normalerweise eingeschaltet ist (normally-on-Transistor) , kann die Übertragerschaltung 20 bei Nichtbedarf, sofern entsprechende vorgebbare Voraussetzungen vorliegen, abgeschaltet werden, es fließt daher kein Ruhestrom.
Der Übertrager Ü kann beispielsweise als Ringkern RK ausgeführt werden. Der Phasenstrom IP der Primärseite wird dann durch das Mittelloch des Ringkerns RK geführt. Die Wicklungen W der Sekundärseite S werden um den Ringkern RK gewickelt. Figur 3 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des Übertragers Ü.

Claims

Ansprüche
1. Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuerelektronik für eine elektrische Maschine, deren Phasenwicklungen mit einer Endstufe mit gesteuerten Schaltern in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Endstufe (21) und der elektrischen Maschine (10) eine
Übertragerschaltung (20) vorhanden ist, der ein Phasenstrom (IP) der elektrischen Maschine zugeführt wird, wodurch aus dem Phasenstrom. (IP) eine Hil sspannung (ÜH) erzeugt wird, die bei vorgebbaren Bedingungen zur Versorgung des oder der Low-Side-Schalter (15), (16), (17) der Endstufe (21) dient.
2. Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuerelektronik bei elektrischen Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärseite (P) des Übertragers (Ü) der Übertragerschaltung (21) mit einer Phasenwicklung (23) der elektrischen Maschine (10) in Verbindung steht.
3. Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuerelektronik bei elektrischen Maschinen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass und die Sekundärseite (S) des
Übertragers (Ü) bei vorgebbaren Bedingungen mittels eines steuerbaren Schaltelementes zu- oder abschaltbar ist.
4 Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuerelektronik bei elektrischen Maschinen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das steuerbare Schaltelement ein Norrαally-on-Transistor (T3) ist.
5 Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuerelektronik bei elektrischen Maschinen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Bedingungen wenigstens eine fehlende oder defekte oder entladene Batterie umfassen.
6. Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuerelektronik bei elektrischen Maschinen nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
"Übertragerschaltung (Ü) ein Linearregler (L) nachgeschaltet ist, dem die gleichgerichtete Spannung der Sekundärwicklung (S) zugeführt wird.
7. Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuerelektronik bei elektrischen Maschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärwicklung des Übertragers (Ü) eine Diode (D) und ein Kondensator C zugeordnet sind.
8. Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuerelektronik bei elektrischen Maschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertrager (Ü) als Ringkern (RK) ausgeführt ist und der Phasenstrom (IP) durch das Mittelloch geführt wird und die Wicklungen (W) der Sekundärseite (S) um den Ringkern (RK) gewickelt sind.
9. Schaltungsanordnung zur Versorgung der Steuerelektronik bei elektrischen Maschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (10) ein Starter-Generator ist.
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