WO2013000676A2 - Verfahren zum betreiben einer mit einer brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen maschine in einem kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer mit einer brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen maschine in einem kraftfahrzeug Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an engine coupled to an internal combustion engine in a motor vehicle.
  • Claw pole generators with electrical excitation are frequently used as electric machines in motor vehicles.
  • the current through the rotor winding serves as a manipulated variable for controlling the desired output voltage and is specified by an assigned field controller.
  • the regulation prevents, for example, that due to the very different engine speeds the generator would deliver strongly fluctuating voltage values which could possibly damage the downstream electrical system.
  • Electric machines which are also used for vehicle propulsion, are known from the field of hybrid vehicles.
  • a goal here is to support the engine at low speeds at which it does not yet deliver its full torque (so-called boost mode, turbo lag compensation).
  • the term "recuperation system” is used to describe systems records, in which an electric machine is operated as a generator with the greatest possible torque to decelerate the vehicle and to temporarily store the recovered braking energy.
  • permanent magnet synchronous machines are used for these purposes, which are operated at higher voltages (usually> 100V). This leads to a complex system structure associated with major changes in the drive train and complex protective measures due to the high voltage. In addition to a high integration cost, such a system leads to high additional costs. It is desirable to make hybrid and / or recuperation operation economically possible even with conventional electric machines.
  • the invention makes it possible to make a conventional electric machine (for example a claw pole generator or belt-driven starter generator, etc.) also suitable for hybrid and / or recuperation purposes by providing a special type of exciting current specification.
  • a conventional electric machine for example a claw pole generator or belt-driven starter generator, etc.
  • a recuperation purposes by providing a special type of exciting current specification.
  • Exciter current provided differently depending on the operating mode of the electric machine, wherein in particular a plurality of generator operating modes and / or a plurality of engine operating modes are distinguished.
  • the excitation current is set so that it is as optimal as possible for the respective operating mode.
  • the exciter current bias is not the same for all modes of operation.
  • the exciter current is thus provided in at least two operating modes according to a different regulation, for example in the first generator operating mode as a function of a desired braking torque and in an another mode of operation depending on the desired generator voltage.
  • an operating mode can first be roughly distinguished between a motor operation and a generator operation of the electric machine.
  • the off-mode in which the excitation current is switched off, can be taken into account.
  • a motor operation expediently comprises a starting process ("starting"), a start / stop operation and / or an electrically assisted driving operation (so-called boost mode).
  • the type of generator operation is essentially controlled by appropriate control of the switching elements of the power converter.
  • the generator operation expediently includes operation as a boost converter (HSS) with charging of the battery, as an active rectifier (AGLR, in which case the switching elements are switched in the natural commutation time, the result is a similar behavior as in the conventional diode rectifier) with charging the battery, AGLR with zero electrical torque and / or AGLR with electric braking.
  • HSS boost converter
  • AGLR active rectifier
  • the specification of the excitation current is carried out in one embodiment, preferably in dependence on the IU characteristic of the motor vehicle battery.
  • the battery is first charged with a defined nominal current and then with a defined nominal voltage.
  • the specification of the excitation current (lErr) is also preferably carried out as a function of the speed (nG) and the required torque (MWunsch). It can depend on other variables, such as temperature (T), stator voltage (UG) and / or stator current (IG).
  • the specification of the excitation current is also preferably carried out as a function of consumer voltages and currents that are delivered to the electrical system. Preferably, the specification of the excitation current in dependence on one or more of the operating modes explained below.
  • the excitation current is expediently set to its maximum permissible value (IErr_Grenz) in order to obtain the largest possible magnetic flux, so that the electric machine provides the internal combustion engine with a maximum starting torque with minimum phase current.
  • the maximum phase current IPhase_Max is regulated.
  • the excitation current is expediently set to its maximum permissible value (IErr_Grenz) in order to obtain the largest possible magnetic flux, so that the electric machine provides the internal combustion engine with a maximum starting torque with minimum phase current.
  • the maximum phase current IPhase_Max
  • IPhase_Max is regulated.
  • 2nd mode (2nd engine operating mode): torque support of the internal combustion engine (hybrid operation, boost operation)
  • the control takes place via the stator as well as the exciting current as control variables in order to set a desired setpoint torque.
  • the stator current is described in the rotor-fixed dq coordinate system, so that the three control variables Id, Iq and Irrr result.
  • the maximum stator current (IG_Max) is regulated.
  • the field weakening is selected depending on the operating point so that the desired desired torque can be set with the optimum efficiency.
  • a dependence on the temperature (T) and / or the generator speed (nG) and / or the stator voltage (UG) can be provided.
  • control variables may additionally be dependent on the battery current.
  • 3rd mode (2nd generator operating mode): generator operation below a speed threshold of, for example, 3000 rpm (rpm)
  • the power converter is operated in this operating mode as a boost converter.
  • control variables serve as in the mode 2, the sizes Id, Iq and lErr.
  • the excitation current (lErr) is preferably set to its maximum permissible value, as in mode 1, and the regulation takes place via Id and Iq.
  • the maximum phase current (IPhase_Max), the stator current (IG) and the stator voltage (UG) are controlled.
  • low part loads can also be controlled with a lower exciter current.
  • the control variables are in turn suitably stored in the form of a characteristic field:
  • a maximum charging voltage or a maximum charging current of the battery should not be exceeded, so that the control variables of these- depend on battery parameters.
  • the charging of the battery takes place only up to a first charging threshold (state of charge - SOC).
  • 4th mode Regenerative operation above the speed threshold of, for example, 3000 rpm
  • the machine In this speed range, the machine is operated with active rectification (AGLR).
  • the control variable here is exclusively the excitation current, since the control of the stator is predetermined by the natural commutation.
  • a dependency on the temperature (T) and / or the generator speed (nG) and / or the stator current (IG) and / or the stator voltage (UG) can be provided.
  • the stator current (IG) and stator voltage (UG) are regulated.
  • battery current and / or battery voltage as nominal values:
  • the charging of the battery preferably takes place only up to a second charging threshold value. Further preferably, the second charging threshold is higher than the first charging threshold.
  • the excitation current is predetermined so that the maximum braking energy is collected. This is stored, used in particular for charging the battery. The battery is charged up to an upper charging threshold.
  • a dependency on the temperature (T) and / or the generator speed (nG) and / or the stator current (IG) and / or the stator voltage (UG) can be provided.
  • the stator current (IG) and stator voltage (UG) are regulated.
  • the excitation current can be switched off in this operating mode. Also, this state is expediently maintained only as long as the third or a fourth charging threshold is exceeded.
  • the engine management performs the control or regulation of the driver's desired torque with regard to drive and braking torque and the coordination of engine standstill requirements.
  • the charge management ensures that the battery is charged via a U-characteristic (I characteristic: constant braking torque, constant charging current U characteristic: constant voltage).
  • I characteristic constant braking torque
  • U characteristic constant voltage
  • the goal is to collect as much braking energy as possible and to start / stop and requirements with sufficient residual energy.
  • the request is controlled according to the priority and state of charge of the battery via the individual operating modes. If the electric machine is operated in motor operation with a voltage which is above the usual vehicle electrical system voltage of 12 V, but below a permissible contact voltage of 60 V, the torque output by the machine is increased, without particularly costly additional safety measures would be necessary. Due to the fact that the voltage is clearly higher than 12V, the additional mode 3 (boost converter) (not provided for in conventional generators) is used. Due to the fact that the voltage is significantly lower than in known hybrid systems, the machine reaches its voltage limit even at significantly lower speeds and is operated in field weakening (mode 2).
  • mode 3 boost converter
  • An arithmetic unit according to the invention e.g. a control device of a motor vehicle is, in particular programmatically, configured to perform a method according to the invention.
  • the implementation of the method in the form of software is also advantageous, since this causes particularly low costs, in particular if an executing control device is still used for further tasks and therefore exists anyway.
  • Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs and the like. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
  • Figure 1 shows an embodiment of an electric machine with power converter with controllable switching elements, as it may be based on the invention.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a recuperation system of a motor vehicle with an electric machine, in particular according to FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a relationship between operating mode and battery state of charge according to a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a preferred selection of the relevant parameters in a respective operating mode for the eight operating modes described above.
  • an electric machine which can form the basis of the present invention, is shown in the form of a circuit diagram and designated by 100 as a whole.
  • the electric machine has a generator component 10 and a power converter component 20.
  • the power converter component is usually operated as a rectifier in regenerative operation of the machine, and as an inverter in motor operation.
  • the generator component 10 is shown only schematically in the form of star-connected stator windings 1 1 and an exciter or rotor winding 12 connected in parallel with a diode.
  • the rotor winding is switched by a power switch 13 which is connected to a terminal 24 of the power converter component 20, clocked.
  • the activation of the power Switch 13 takes place in accordance with a field controller 15, wherein the power switch 13 as well as the parallel to the rotor winding 12 connected diode are usually integrated in an application-specific integrated circuit (ASIC) of the field controller.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • a three-phase generator is shown. In principle, however, the present invention can also be used with less-or multi-phase generators, for example five-phase generators.
  • the power converter component 20 is embodied here as a B6 circuit and has switching elements 21, which may be designed, for example, as a MOSFET 21.
  • the MOSFETs 21 are, for example via busbars, connected to the respective stator windings 1 1 of the generator. Further, the MOSFETs are connected to terminals 24, 24 'and provide with appropriate control in generator operation of the electric machine DC power for a vehicle electrical system including battery 30 of a motor vehicle available.
  • the control of the switching elements 21 is effected by a control device 25 via control channels 26, of which not all are provided with reference numerals for reasons of clarity.
  • the control device 25 receives the phase voltage of the individual stator windings via one or more phase channels 27.
  • control device 25 evaluates the phase voltages provided via the phase channels 27 and determines therefrom a respective ON and OFF time of a single MOSFET 21.
  • the control via control channels 26 has an effect on the gate terminals of the MOSFET 21 ,
  • Known field controllers such as the field controller 15 provided in the context of this embodiment, have a so-called terminal V connection 19, which is connected to a phase of the stator winding of the generator.
  • the frequency of the terminal V signal or of the phase input signal is output in the controller 15. and, depending on the characteristics of this signal, serves to activate or deactivate the controller operation and ultimately to actuate the power switch 13 via a drive line 14.
  • the phase signal for the phase signal input 19 can also be passed through the drive device 25, as shown.
  • the electric machine 100 is used to drive the vehicle alone or in combination with an internal combustion engine.
  • the voltage supply used is preferably a battery which has a higher voltage (for example 40 V) than the usual vehicle supply voltage of 12 V.
  • the electric machine 100 is used to generate energy and possibly decelerate the motor vehicle.
  • FIG. 2 a recuperation system of a motor vehicle, as may be the basis of the present invention, is shown in the form of a circuit diagram and designated by 200 as a whole.
  • the recuperation system 200 has an electric machine 201, in particular the electric machine 100 according to FIG.
  • the recuperation system 200 has a region A of higher voltage (e.g., 40V) than the usual onboard voltage and a region B of common on-board voltage (e.g., 12V).
  • the higher voltage is in any case below a permissible contact voltage (about 60 V), so that no costly protective measures are necessary, but the electric machine 201 can deliver an increased torque.
  • Areas A and B are coupled via a DC / DC converter 204.
  • a first battery designed as a "high-voltage" battery 202 is arranged, which, for example, supplies the engine 201 with engine operation.
  • Possible high-voltage consumers 203 are likewise arranged in the region A.
  • a second battery designed as a "normal voltage" battery 205 is arranged, which serves to supply the area B in phases in which the machine 201 is not operated as a generator.
  • Possible consumers 206, 207 are also arranged in the area B.
  • the engine 201 supplies the areas A and B and charges the batteries 202 and 205.
  • FIG. 3 shows a relationship between the operating modes Mod 1 to Mod 7 and the battery state of charge SOC in% according to a preferred embodiment of the invention for the operating modes listed at the front in the table. If several batteries are present, as shown for example in FIG. 2, the battery state of charge expediently refers to the respectively decisive battery, i. the one loaded or the one that powers electric machine.
  • the selection of the operating mode to be used is expediently such that the maximum braking energy can be collected.
  • the selection of the operating mode to be used is carried out in particular according to priority and defined thresholds of engine speed, desired torque, temperature and SOC.
  • the excitation current is then set according to the selected operating mode.
  • FIG. 3 also shows the charging threshold values described.
  • the first charging threshold is 40% (see lower limit Mod 3), the second 50% (see lower limit Mod 4) and the third approx. 37% (see lower limit Mod 5).

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Maschine eine Ständerwicklung, eine Läuferwicklung, einen der Läuferwicklung zugeordneten Feldregler und einen der Ständerwicklung nachgeschalteten Stromrichter mit ansteuerbaren Schaltelementen aufweist, wobei ein Erregerstrom durch die Läuferwicklung in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus der elektrischen Maschine vorgegeben wird, wobei die elektrische Maschine in einem ersten Generatorbetriebsmodus als Generator betrieben wird, um das Kraftfahrzeug abzubremsen, wobei die dabei rückgewonnene Bremsenergie gespeichert wird.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Als elektrische Maschinen werden in Kraftfahrzeugen häufig Klauenpolgenerato- ren mit elektrischer Erregung eingesetzt. Der Strom durch die Läuferwicklung dient als Stellgröße zur Regelung der gewünschten Ausgangsspannung und wird von einem zugeordneten Feldregler vorgegeben. Die Regelung verhindert beispielsweise, dass durch die sehr unterschiedlichen Motordrehzahlen von dem Generator stark schwankende Spannungswerte geliefert würden, die gegebenenfalls die nachgeordnete Elektrik beschädigen könnten.
Es ist auch bekannt, elektrische Maschinen als Startergeneratoren einzusetzen, um einerseits den Verbrennungsmotor im Motorbetrieb der elektrischen Maschine zu starten ("anzulassen") und andererseits Strom für das Bordnetz und zum Laden der Kraftfahrzeugbatterie im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine zu erzeugen.
Elektrische Maschinen, die auch zum Fahrzeug-Antrieb eingesetzt werden, sind aus dem Bereich der Hybrid-Fahrzeuge bekannt. Ein Ziel hierbei ist, den Verbrennungsmotor bei niedrigen Drehzahlen, bei denen dieser noch nicht sein volles Drehmoment liefert, zu unterstützen (sog. Boostbetrieb, Turboloch- Kompensation). Mit dem Begriff "Rekuperationssystem" werden Systeme be- zeichnet, bei denen eine elektrische Maschine als Generator mit möglichst großem Drehmoment betrieben wird, um das Fahrzeug abzubremsen und die dabei rückgewonnene Bremsenergie zwischenzuspeichern. Üblicherweise werden für diese Zwecke permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt, die bei höheren Spannungen (üblicherweise >100V) betrieben werden. Dies führt zu einem komplexen Systemaufbau verbunden mit großen Änderungen im Triebstrang sowie aufwendigen Schutzmaßnahmen aufgrund der hohen Spannung. Neben einem hohen Integrationsaufwand führt ein derartiges System zu hohen Mehrkosten. Es ist wünschenswert, einen Hybrid- und/oder Rekuperationsbetrieb auch mit herkömmlichen elektrischen Maschinen wirtschaftlich möglich zu machen.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Vorteile Erfindung
Die Erfindung macht es möglich, eine herkömmliche elektrische Maschine (bspw. einen Klauenpolgenerator oder riemengetriebenen Startergenerater etc.) auch für Hybrid- und/oder Rekuperationszwecke einsatzfähig zu machen, indem eine be- sondere Art der Erregerstromvorgabe bereitgestellt wird. Insbesondere wird der
Erregerstrom in Abhängigkeit vom Betriebsmodus der elektrischen Maschine unterschiedlich bereitgestellt, wobei insbesondere mehrere Generatorbetriebsmodi und/oder mehrere Motorbetriebsmodi unterschieden werden. Der Erregerstrom wird dabei so eingestellt, dass er für den jeweiligen Betriebsmodus möglichst op- timal ist. Insbesondere ist die Erregerstromvorgabe nicht für alle Betriebsmodi gleich. Der Erregerstrom wird somit in wenigstens zwei Betriebsmodi gemäß jeweils einer anderen Vorschrift bereitgestellt, bspw. in dem ersten Generatorbetriebsmodus in Abhängigkeit von einem erwünschten Bremsmoment und in ei- nem anderen Betriebsmodus in Abhängigkeit von der erwünschten Generatorspannung.
Durch den Einsatz herkömmlicher elektrischer Maschinen sind fast keine Modifikationen am Antriebsstrang notwendig. Der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine kann erhöht werden. Erfolgt die Vorgabe als Regelung, kann der gewünschte Erregerstrom ("lErr") besonders genau beibehalten werden.
Als Betriebsmodus kann zunächst grob zwischen einem Motorbetrieb und einem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine unterschieden werden. Daneben kann auch der Aus-Betrieb, in dem der Erregerstrom abgeschaltet ist, berücksichtigt werden.
Ein Motorbetrieb umfasst zweckmäßigerweise einen Startvorgang ("Anlassen"), einen Start/Stopp-Betrieb und/oder einen elektrisch unterstützten Fahrbetrieb (sog. Boostmodus).
Die Art des Generatorbetriebs wird im Wesentlichen durch entsprechende An- steuerung der Schaltelemente des Stromrichters gesteuert. Der Generatorbetrieb umfasst zweckmäßigerweise den Betrieb als Hochsetzsteller (HSS) mit Laden der Batterie, als Aktiver Gleichrichter (AGLR; hierbei werden die Schaltelemente im natürlichen Kommutierungszeitpunkt geschaltet, es ergibt sich ein ähnliches Verhalten wie beim konventionellen Dioden-Gleichrichter) mit Laden der Batterie, AGLR mit elektrischem Nullmoment und/oder AGLR mit elektrischem Bremsen.
Die Vorgabe des Erregerstroms erfolgt in einer Ausgestaltung vorzugsweise in Abhängigkeit von der I-U-Charakteristik der Kraftfahrzeugbatterie. Hierbei wird die Batterie zunächst mit einem definierten Sollstrom und anschließend mit einer definierten Sollspannung geladen. Die Vorgabe des Erregerstroms (lErr) erfolgt ebenso vorzugsweise in Abhängigkeit von Drehzahl (nG) und gefordertem Drehmoment (MWunsch). Sie kann von weiteren Größen abhängen, wie z.B. Temperatur (T), Ständerspannung (UG) und/oder Ständerstrom (IG). Die Vorgabe des Erregerstroms erfolgt ebenso vorzugsweise in Abhängigkeit von Verbraucherspannungen und -strömen, die in das Bordnetz abgegeben werden. Bevorzugterweise erfolgt die Vorgabe des Erregerstroms in Abhängigkeit von einem oder mehreren der nachfolgend erläuterten Betriebsmodi. Die hier gewählte Drehzahlschwelle von 3.000 rpm (=U/min) ist rein beispielhaft und abhängig von der sog. Angehdrehzahl der elektrischen Maschine.
0. Modus (1. Motorbetriebsmodus): Verbrennungsmotor starten
Der Erregerstrom wird hier zweckmäßigerweise auf seinen maximal zulässigen Wert (IErr_Grenz) eingestellt, um einen möglichst großen magnetischen Fluss zu erhalten, so dass die elektrische Maschine dem Verbrennungsmotor ein maximales Startmoment bei minimalem Phasenstrom zur Verfügung stellt. Es wird der maximale Phasenstrom (IPhase_Max) geregelt.
1 . Modus (1. Motorbetriebsmodus): Verbrennungsmotor starten (Start/Stopp)
Der Erregerstrom wird hier zweckmäßigerweise auf seinen maximal zulässigen Wert (IErr_Grenz) eingestellt, um einen möglichst großen magnetischen Fluss zu erhalten, so dass die elektrische Maschine dem Verbrennungsmotor ein maximales Startmoment bei minimalem Phasenstrom zur Verfügung stellt. Es wird der maximale Phasenstrom (IPhase_Max) geregelt. Im Start-/Stopp-Betrieb kann während der Stopp-Phase ein kleiner Erregerstrom gehalten werden. Die hat den Vorteil, dass der darauf folgende Motorstart verzögerungsfrei erfolgen kann.
2. Modus (2. Motorbetriebsmodus): Momenten-Unterstützung des Verbrennungsmotors (Hybridbetrieb, Boostbetrieb)
In diesem Betriebsmodus erfolgt die Regelung sowohl über den Ständer- als auch den Erregerstrom als Steuergrößen, um ein gewünschtes Sollmoment einzustellen. Der Ständerstrom wird wie in der Literatur bekannt im läuferfesten dq- Koordinatensystem beschrieben, so dass sich die drei Steuergrößen Id, Iq und lErr ergeben. Es wird der maximale Ständerstrom (IG_Max) geregelt. Bei höheren Drehzahlen erreicht die elektrische Maschine ihre Spannungsgrenze und wird in der Feldschwächung betrieben. Diese Feldschwächung lässt sich bei der vorliegenden fremderregten Maschine sowohl über die Ständerstrom- komponenete Id (Vorkommutierungswinkel alpha =Verschiebungswinkel zwischen Läufer- und Ständerfeld) als auch über den Erregerstrom im Läufer einstellen. Die Feldschwächung wird dabei betriebspunktabhängig so gewählt, dass das gewünschte Sollmoment mit dem optimalen Wirkungsgrad eingestellt werden kann. Der Zusammenhang zwischen den Steuergrößen und dem gewünschten Sollmoment (MWunsch) wird vorzugsweise in Form eines Kennfeldes hinterlegt: (Id, Iq, lErr) = f (MWunsch, Drehzahl).
Eine Abhängigkeit von der Temperatur (T) und/oder der Generatordrehzahl (nG) und/oder der Ständerspannung (UG) kann vorgesehen sein.
Um einen maximal zulässige Batteriestrom nicht zu überschreiten, können die Steuergrößen zusätzlich noch vom Batteriestrom abhängig sein.
3. Modus (2. Generatorbetriebsmodus): Generatorischer Betrieb unterhalb einer Drehzahlschwelle von bspw. 3000 U/min (rpm)
Da der Generator in diesem Drehzahlbereich bei konventioneller Gleichrichtung keine Leistung abgeben kann, wird der Stromrichter in diesem Betriebsmodus als Hochsetzsteller betrieben. Als Steuergrößen dienen wie im Modus 2 die Größen Id, Iq und lErr. Der Erregerstrom (lErr) wird dabei wie im Modus 1 vorzugsweise auf seinen maximal zulässigen Wert eingestellt, die Regelung erfolgt über Id und Iq. Es werden der maximale Phasenstrom (IPhase_Max), der Ständerstrom (IG) und die Ständerspannung (UG) geregelt.
In einer weiteren Ausführungsform können geringe Teillasten auch mit einem geringeren Erregerstrom angesteuert werden. Die Steuergrößen werden wiederum zweckmäßigerweise in Form eines Kennfeldes hinterlegt:
(Id, Iq, lErr) = f (MSoll, Drehzahl)
Auch hier sollten eine maximale Ladespannung bzw. ein maximaler Ladestrom der Batterie nicht überschritten werden, so dass die Steuergrößen auch von die- sen Batterieparametern abhängen können. Vorzugsweise erfolgt das Laden der Batterie nur bis zu einem ersten Ladeschwellwert (state of Charge - SOC).
4. Modus (3. Generatorbetriebsmodus): Generatorischer Betrieb oberhalb der Drehzahlschwelle von bspw. 3000 U/min
In diesem Drehzahlbereich wird die Maschine mit aktiver Gleichrichtung (AGLR) betrieben. Steuergröße ist hier ausschließlich der Erregerstrom, da die Ansteue- rung des Ständers über die natürliche Kommutierung vorgegeben ist. Eine Ab- hängigkeit von der Temperatur (T) und/oder der Generatordrehzahl (nG) und/oder dem Ständerstrom (IG) und/oder der Ständerspannung (UG) kann vorgesehen sein. Es werden Ständerstrom (IG) und Ständerspannung (UG) geregelt. Um die Batterie nach einer bestimmten Kennlinie zu laden, ist es möglich, Batteriestrom und/oder Batteriespannung als Sollgrößen vorzugeben:
lErr = f (USoll, Drehzahl) bzw. lErr = f (ISoll, Drehzahl)
Vorzugsweise erfolgt das Laden der Batterie nur bis zu einem zweiten Lade- schwellwert. Weiter vorzugsweise ist der zweite Ladeschwellwert höher als der erste Ladeschwellwert.
5. Modus (4. Generatorbetriebsmodus): Leerlauf In diesem Zustand wird kein Generatorstrom angefordert und der Erregerstrom wird so vorgegeben, dass der Ständerstrom Null ist. Dies ist insbesondere der Fall bei lErr = 0. Dieser Modus wird beispielsweise genutzt, um den Verbrennungsmotor beim Starten oder Beschleunigen vom Generatormoment zu entlasten oder nach einer Rekuperationsphase die rückgewonnene Energie an das Bordnetz abzugeben. Dieser Zustand wird zweckmäßigerweise beibehalten, bis ein dritter Ladeschwellwert erreicht oder unterschritten wird.
6. Modus (1. Generatorbetriebsmodus): Elektrisches Bremsen Hierbei wird abhängig vom gewünschten Bremsmoment des Motormanagements der Erregerstrom so vorgegeben, dass die maximale Bremsenergie eingesammelt wird. Diese wird gespeichert, insbesondere zum Laden der Batterie verwendet. Dabei wird die Batterie bis zu einem oberen Ladeschwellwert aufgeladen. Der einzustellende Erregerstrom ergibt sich dann über ein Kennfeld der Form: lErr = f (MSoll, Drehzahl). Eine Abhängigkeit von der Temperatur (T) und/oder der Generatordrehzahl (nG) und/oder dem Ständerstrom (IG) und/oder der Ständerspannung (UG) kann vorgesehen sein. Es werden Ständerstrom (IG) und Ständerspannung (UG) geregelt.
7. Modus: "Motor Aus"
Optional kann in diesem Betriebsmodus der Erregerstrom ausgeschaltet werden. Auch dieser Zustand wird zweckmäßigerweise nur beibehalten, solange der dritte oder ein vierter Ladeschwellwert überschritten wird.
Eine bevorzugte Auswahl der in einem jeweiligen Betriebsmodus relevanten Parameter ist in der Tabelle in Figur 4 zusammengefasst. In dieser sind die oben beschriebenen acht Betriebsmodi (Zeile "Modus") aufgelistet.
In der Zeile "Anforderung" ist aufgelistet, welches System den Modus anfordert und welche Bedingungen vorherrschen müssen. Werden unterschiedliche Modi angefordert, wird der Modus mit dem niedrigsten Zahlenwert im Feld "Priorität" ausgewählt.
Vom Motormanagement(system) wird die Regelung bzw. Steuerung des Fahrerwunschmoments bzgl. Antriebs- und Bremsmoment und die Koordination von Motorstillstandsanforderungen durchgeführt.
Das Lademanagement(system) sorgt dafür, dass die Batterie über eine Ul- Charakteristik geladen wird (I-Charakteristik: konstantes Bremsmoment, konstanter Ladestrom U-Charakteristik: konstante Spannung). Darüber hinaus ist das Ziel, möglichst viel Bremsenergie einzusammeln und die Start/Stopp- und Se- geln-Anforderungen bei genügend Restenergie zu ermöglichen. Dazu werden die Anforderung entsprechend Priorität und Ladezustand der Batterie über die einzelnen Betriebsmodi gesteuert. Wird die elektrische Maschine im motorischen Betrieb mit einer Spannung betrieben, die oberhalb der üblichen Bordnetzspannung von 12 V, jedoch unterhalb einer zulässigen Berührspannung von 60 V liegt, wird das von der Maschine abgegebene Drehmoment erhöht, ohne dass besonders aufwendige zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen notwendig würden. Dadurch, dass die Spannung deut- lieh höher ist als 12V, wird der zusätzliche (bei konventionellen Generatoren nicht vorgesehene) Modus 3 (Hochsetzsteller) verwendet. Dadurch, dass die Spannung deutlich geringer ist als bei bekannten Hybrid-Systemen, erreicht die Maschine bereits bei deutlich geringeren Drehzahlen ihre Spannungsgrenze und wird in Feldschwächung (Modus 2) betrieben.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit Stromrichter mit ansteuerbaren Schaltelementen, wie er der Erfindung zugrunde liegen kann.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform eines Rekuperationssystems eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine, insbesondere gemäß Figur 1.
Figur 3 zeigt einen Zusammenhang zwischen Betriebsmodus und Batterieladezustand gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 4 zeigt eine bevorzugte Auswahl der in einem jeweiligen Betriebsmodus relevanten Parameter für die oben beschriebenen acht Betriebsmodi.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist eine elektrische Maschine, wie sie der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann, schaltplanartig dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die elektrische Maschine weist eine Generatorkomponente 10 und eine Stromrichterkomponente 20 auf. Die Stromrichterkomponente wird im generatorischen Betrieb der Maschine üblicherweise als Gleichrichter, im motorischen Betrieb als Wechselrichter betrieben.
Die Generatorkomponente 10 ist lediglich schematisch in Form von sternförmig verschalteten Ständerwicklungen 1 1 und einer zu einer Diode parallel geschalteten Erreger- bzw. Läuferwicklung 12 dargestellt. Die Läuferwicklung wird durch einen Leistungsschalter 13, der mit einem Anschluss 24 der Stromrichterkomponente 20 verbunden ist, getaktet geschaltet. Die Ansteuerung des Leistungs- Schalters 13 erfolgt nach Maßgabe eines Feldreglers 15, wobei der Leistungsschalter 13 ebenso wie die zur Läuferwicklung 12 parallel geschaltete Diode in der Regel in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) des Feldreglers integriert sind.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ist ein dreiphasiger Generator dargestellt. Im Prinzip ist die vorliegende Erfindung jedoch auch bei weniger- oder mehrphasigen Generatoren, beispielsweise fünfphasigen Generatoren einsetzbar.
Die Stromrichterkomponente 20 ist hier als B6-Schaltung ausgeführt und weist Schaltelemente 21 auf, die beispielsweise als MOSFET 21 ausgeführt sein können. Die MOSFET 21 sind, beispielsweise über Stromschienen, mit den jeweiligen Ständerwicklungen 1 1 des Generators verbunden. Ferner sind die MOSFET mit Anschlüssen 24, 24' verbunden und stellen bei entsprechender Ansteuerung bei generatorischem Betrieb der elektrischen Maschine einen Gleichstrom für ein Bordnetz inkl. Batterie 30 eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung. Die Ansteuerung der Schaltelemente 21 erfolgt durch eine Ansteuereinrichtung 25 über Ansteuerkanäle 26, von denen aus Gründen der Übersicht nicht alle mit Bezugszeichen versehen sind. Die Ansteuereinrichtung 25 erhält über einen oder mehrere Phasenkanäle 27 jeweils die Phasenspannung der einzelnen Ständerwicklungen. Zur Bereitstellung dieser Phasenspannungen können weitere Einrichtungen vorgesehen sein, die jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Die Ansteuereinrichtung 25 nimmt im (Synchron-)Gleichrichterbetrieb eine Auswertung der über die Phasenkanäle 27 bereitgestellten Phasenspannungen vor und bestimmt hieraus einen jeweiligen Ein- und Ausschaltzeitpunkt eines einzelnen MOSFET 21. Die Steuerung über Ansteuerkanäle 26 wirkt sich auf die Gate- Anschlüsse der MOSFET 21 aus.
Bekannte Feldregler, wie der im Rahmen dieser Ausführungsform vorgesehene Feldregler 15, weisen einen sogenannten Klemme-V-Anschluss 19 auf, der mit einer Phase der Ständerwicklung des Generators verbunden ist. Die Frequenz des Klemme-V-Signals bzw. des Phaseneingangssignals wird im Regler 15 aus- gewertet und dient in Abhängigkeit von den Kenngrößen dieses Signals zur Aktivierung oder Deaktivierung des Reglerbetriebs und letztlich zur Ansteuerung des Leistungsschalters 13 über eine Ansteuerleitung 14. Das Phasensignal für den Phasensignaleingang 19 kann, wie dargestellt, auch durch die Ansteuereinrich- tung 25 geführt werden.
Im Motorbetrieb wird die elektrische Maschine 100 verwendet, um allein oder in Kombination mit einem Verbrennungsmotor das Kraftfahrzeug anzutreiben. Vorzugsweise wird als Spannungsversorgung eine Batterie verwendet, die eine hö- here Spannung (z.B. 40 V) aufweist als die übliche Bordnetzspannung von 12 V.
Im Generatorbetrieb wird die elektrische Maschine 100 verwendet, um Energie zu erzeugen und ggf. das Kraftfahrzeug abzubremsen.
In Figur 2 ist ein Rekuperationssystem eines Kraftfahrzeugs, wie es der vorlie- genden Erfindung zugrunde liegen kann, schaltplanartig dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet. Das Rekuperationssystem 200 weist eine elektrische Maschine 201 , insbesondere die elektrische Maschine 100 gemäß Figur 1 auf.
Das Rekuperationssystem 200 weist einen Bereich A mit höherer Spannung (z.B. 40 V) als die übliche Bordnetzspannung und einen Bereich B mit üblicher Bordnetzspannung (z.B. 12 V) auf. Die höhere Spannung liegt jedenfalls unter einer zulässigen Berührspannung (ca. 60 V), so dass keine aufwendigen Schutzmaßnahmen notwendig sind, die elektrische Maschine 201 jedoch ein erhöhtes Drehmoment abgeben kann. Die Bereiche A und B sind über einen DC/DC- Wandler 204 gekoppelt.
Im Bereich A ist eine erste als "Hochspannungs"-Batterie 202 ausgebildete Batterie angeordnet, die bspw. die Maschine 201 im Motorbetrieb versorgt. Mögliche Hochspannungsverbraucher 203 sind ebenfalls im Bereich A angeordnet.
Im Bereich B ist eine zweite als "Normalspannungs"-Batterie 205 ausgebildete Batterie angeordnet, die zur Versorgung des Bereichs B in Phasen dient, in denen die Maschine 201 nicht als Generator betrieben wird. Mögliche Verbraucher 206, 207 sind ebenfalls im Bereich B angeordnet. Im Generatorbetrieb versorgt die Maschine 201 die Bereiche A und B und lädt die Batterien 202 und 205.
In Abhängigkeit vom Betriebsmodus der elektrischen Maschine erfolgt im Rahmen der Erfindung die Vorgabe des Erregerstroms.
In Figur 3 ist ein Zusammenhang zwischen den Betriebsmodi Mod 1 bis Mod 7 und dem Batterieladezustand SOC in % gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für die vorne in der Tabelle aufgelisteten Betriebsmodi dargestellt. Sind mehrere Batterien vorhanden, wie bspw. in Figur 2 dargestellt, bezieht sich der Batterieladezustand zweckmäßigerweise auf die jeweils ausschlaggebende Batterie, d.h. die, die geladen wird, oder die, die elektrische Maschine antreibt.
Die Auswahl des zu verwendenden Betriebsmodus erfolgt zweckmäßigerweise so, dass die maximale Bremsenergie eingesammelt werden kann. Die Auswahl des zu verwendenden Betriebsmodus erfolgt insbesondere entsprechend Priorität und definierten Schwellwerten von Maschinendrehzahl, Wunschmoment, Temperatur und SOC. Der Erregerstrom wird dann dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechend vorgegeben.
Aus Figur 3 gehen auch die beschriebenen Ladeschwellwerte hervor. Der erste Ladeschwellwert beträgt bspw. hier 40% (siehe untere Grenze Mod 3), der zweite 50% (siehe untere Grenze Mod 4) und der dritte ca. 37% (siehe untere Grenze Mod 5).

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine (100; 201 ) in einem Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Maschine eine Ständerwicklung (1 1 ), eine Läuferwicklung (12), einen der Läuferwicklung (12) zugeordneten Feldregler (15) und einen der Ständerwicklung (1 1 ) nachgeschalteten Stromrichter (20) mit ansteuerbaren Schaltelementen (21 ) aufweist,
wobei ein Erregerstrom durch die Läuferwicklung (12) abhängig vom momentanen Betriebsmodus der elektrischen Maschine vorgegeben wird, wobei die elektrische Maschine (100; 201 ) in einem ersten Generatorbetriebsmodus (Mod 6) als Generator betrieben wird, um das Kraftfahrzeug abzubremsen, wobei die dabei rückgewonnene Bremsenergie gespeichert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Erregerstrom in dem ersten Generatorbetriebsmodus (Mod 6) in Abhängigkeit von einem angeforderten Bremsmoment und/oder der Drehzahl der elektrischen Maschine vorgegeben wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Betriebsmodus der elektrischen Maschine (100; 201 ) in Abhängigkeit vom Ladezustand einer zu ladenden Batterie (202, 205) vorgegeben wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (100; 201 ) als Motor betrieben wird, um ein Drehmoment an die Brennkraftmaschine abzugeben.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Erregerstrom in einem ersten Motorbetriebsmodus (Mod 1 ) maximiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Erregerstrom in einem zweiten Motorbetriebsmodus (Mod 2) in Abhängigkeit von mindestens einer der folgenden Größen vorgegeben wird: Drehzahl der elektrischen Maschine, Sollmomentenvorgabe, Ständerspannung, Ständerstrom, Temperatur in der elektrischen Maschine.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in einem zweiten Generatorbetriebsmodus (Mod 3) bei einer Drehzahl der elektrischen Maschine (100; 201 ) unterhalb eines Drehzahlschwellwerts der Erregerstrom in Abhängigkeit vom Ladezustand einer zu ladenden Batterie (202, 205) so vorgegeben wird, dass die Batterie nicht über einen ersten Ladeschwellwert hinaus aufgeladen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in einem dritten Generatorbetriebsmodus (Mod 4) bei einer Drehzahl der elektrischen Maschine (100; 201 ) oberhalb eines Drehzahlschwellwerts der Erregerstrom in Abhängigkeit vom Ladezustand einer zu ladenden Batterie (202, 205) so vorgegeben wird, dass die Batterie nicht über einen zweiten Ladeschwellwert hinaus aufgeladen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 und 8, wobei der zweite Ladeschwellwert höher als der erste Ladeschwellwert ist.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Erregerstrom in einem Generatorbetriebsmodus gemäß einer vorgegebenen I-U-Kennlinie einer zu ladenden Batterie (202, 205) vorgegeben wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Erregerstrom so vorgegeben wird, dass ein oberer Temperaturschwellwert der zu ladenden Batterie (202, 205) nicht überschritten wird.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Erregerstrom in einem vierten Generatorbetriebsmodus (Mod 5) so vorgegeben wird, dass bei Rotation der Läuferwicklung (12) kein Strom in die Ständerwicklung (1 1 ) induziert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die elektrische Maschine nur in dem vierten Generatorbetriebsmodus (Mod 5) betrieben wird, wenn ein Ladezustand einer Batterie (202) zur Versorgung der elektrischen Maschine (100; 201 ) einen dritten unteren Ladeschwellwert überschreitet.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Erregerstrom in einem Abschaltbetriebsmodus (Mod 7) ausgeschaltet wird.
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (10) in einem Motorbetriebsmodus (Mod 1 , Mod 2) mit einer Spannung oberhalb der üblichen Bordnetzspannung betrieben wird, vorzugsweise zwischen 12 V und 60 V, vorzugsweise mehr als 30 V.
16. Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
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