WO2017202530A1 - Startverfahren eines verbrennungsmotors durch einen riemengetriebenen startergenerator - Google Patents

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starter generator
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Martin Henger
Julian Roesner
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02P2101/25—Special adaptation of control arrangements for generators for combustion engines

Definitions

  • the present invention relates to a method for improving a starting operation of an internal combustion engine, in particular an internal combustion engine, by a belt-driven starter generator and a computing unit for its implementation.
  • Electric machines can be used in motor vehicles as so-called starter generators, on the one hand to start an internal combustion engine during engine operation of the electric machine and, on the other hand, to generate electricity for the vehicle electrical system and for charging the motor vehicle battery during generator operation of the electric machine.
  • Starter generators can be connected via a belt drive with the internal combustion engine or the crankshaft.
  • RSG belt-driven starter generators
  • a desired torque can be adjusted by appropriate control of the rotor winding (exciter coil) and / or the stator winding (usually, for example, three or five stator phases).
  • a temporal modulation of the torque may be preferred in order to achieve as low a noise and low-vibration starting operation as possible.
  • belt tensioners can be used, such as so-called pendulum tensioning systems.
  • pendulum tensioning belt tensioning is difficult due to the change of load span and slack at engine operation and regenerative operation. In particular, jerks, vibrations and noises when starting the internal combustion engine by a RSG occur, which should be avoided.
  • the invention proposes to operate a starter generator for generating a starting torque such that the stator winding and the rotor winding immediately after a start request of the starter generator substantially be energized at the same time.
  • This makes it possible to achieve that the internal combustion engine can be started by the electric machine without a corresponding delay, for example by waiting for a latency period which is brought about by a pre-excitation of the rotor winding.
  • a corresponding latency or dead time which elapses between a city request and the starting of the internal combustion engine without causing a torque, and which is perceived by the driver of a vehicle, in which the corresponding internal combustion engine can be recorded as disturbing, can be avoided.
  • a target torque is given and the stator winding and the rotor winding are energized so that the gradient of the torque increase in the time domain increases monotonically immediately after a start request and until reaching the target torque.
  • a target torque is given and the stator winding and the rotor winding are energized so that the gradient of the torque increase in the time domain increases monotonically immediately after a start request and until reaching the target torque.
  • the gradient of the torque increase is always kept in a band whose upper limit is approximately 2000 Nm / s and whose lower limit is approximately 300 Nm / s.
  • the torque increase is about 1000 Nm / s, more preferably about 330 Nm / s.
  • the invention is based on the finding that there are torque gradients greater than 2000 Nm / s, to overshoots to a chaotic dynamic excitation by means of the belt to the
  • Combustible engine coupled units or a belt tensioner can come.
  • the speed gradients are thus chosen such that under the proviso of the fastest possible and possibly smooth start of the engine just such a chaotic excitation is prevented.
  • the stator winding and the rotor winding are energized such that the resulting from a linear approximation of the torque increase gradient is always smaller than the upper limit of the torque increase.
  • a non-linear course of the torque increase is possible.
  • a non-linear course can be advantageous, in particular, when a desired start request of the internal combustion engine is to be implemented even more quickly.
  • the phase current load or the thermal load of the stator winding can be reduced. It should be noted, however, that the straight line resulting in a linear approximation over the duration of a start has a gradient which is smaller than the upper limit of the torque increase, which is about 2000 Nm / s. To achieve this, the stator winding and the
  • Rotor winding are energized so that the predetermined target torque is reached after about 30 ms at the earliest.
  • stator winding and the rotor winding are energized such that the current flowing through the stator winding is below a threshold value and the gradual increase of the excitation current through the rotor winding immediately after a start request and until reaching the desired torque monotonous increases.
  • a pulse-width-modulated supply voltage it may be particularly preferable for a pulse-width-modulated supply voltage to be applied to the stator winding for the energization.
  • An arithmetic unit according to the invention for example a control unit of a motor vehicle, is, in particular programmatically, adapted to carry out a method according to the invention.
  • a computer program for program-technical implementation of the method is preferably stored on a data carrier, in particular a memory.
  • 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.).
  • FIG. 1 shows schematically an arrangement of an internal combustion engine, a belt-driven starter generator and a vehicle electrical system, on which the invention can be based;
  • Figure 2 shows an embodiment of a starter generator with power converter and with controllable switching elements, as it may be based on the invention
  • FIG. 3 shows a schematic equivalent circuit diagram of a separately excited single-phase synchronous machine
  • FIG. 4 shows a representation of input and output variables produced by a method for switching on an electrical machine according to the prior art
  • FIG. 5a shows a representation of input and output variables produced by a method according to the invention for switching on an electrical machine according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 5b shows a representation of input and output variables produced by a method according to the invention for switching on an electrical machine according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a parameter study of a dynamic behavior of an elastically coupled system of masses caused by a primary excitation
  • FIG. 1 shows schematically an arrangement 200 of an internal combustion engine 300, a belt-driven starter generator 100 as an electrical machine and a vehicle electrical system 30, with reference to which the preferred embodiments (compare in particular FIG. 5) of the invention are explained.
  • the internal combustion engine 300 is connected to the starter generator 100 via a belt 310, wherein a belt tensioner designed as a pendulum belt tensioning system 320 is provided, which can tension the belt 310 independently of the torque direction during operation.
  • the belt 310 therein provides an elastic coupling between the starter generator 100, the crankshaft of the engine 300, and any other aggregates, such as an air conditioning compressor for an air conditioning system (not shown).
  • the starter generator 100 is schematically shown like a schematic diagram.
  • the starter generator 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 circuit breaker 13, which is connected to a terminal 24 of the power judge component 20 clocked.
  • the control of the circuit breaker 13 via a control line 14 in accordance with a field controller 15, wherein the power switch 13 and the parallel to the rotor winding 12 in parallel diode are usually integrated in an application-specific integrated circuit (ASIC) of the field controller.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the excitation current can be adjusted via a pulse width modulated voltage signal.
  • 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 embodied, 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. Furthermore, the MOSFETs are connected to terminals 24, 24 'and, with appropriate control, provide a direct current for a vehicle electrical system 30, including a battery of a motor vehicle.
  • the actuation of the switching elements 21 takes place 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 phase channels 27.
  • the starter generator 100 is used to start the engine 300.
  • the power converter component 20 is operated according to an embodiment of the invention, as described below using the example of a separately excited single-phase synchronous machine (see FIG. Of the
  • Starter generator is powered by the battery.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of a separately excited single-phase synchronous machine. To generate a torque is in the rotor winding (exciter winding) by the voltage U f , taking into account the resistance of the RF
  • Excitation current ⁇ ⁇ generated This induces when rotating electrical machine 100 in the stator winding 1 1, the Polradschreib U p .
  • the phase voltage U s generated by the converter 20 is applied (see Figure 2).
  • Amplitude and phase position of the voltage Us are set by means of pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • this voltage U s generates the corresponding phase current Iphase in the phase winding 11.
  • FIG. 4 shows the time profile of torque, excitation current IE x and phase current, which are known using a state-of-the-art technique
  • a method for initiating a startup of an internal combustion engine 300 by a belt-driven starter generator 100 shown.
  • a start request S occurs and a torque Dsoii of 50 Nm is requested.
  • the excitation current IE x is turned on.
  • the excitation current has reached its setpoint, and the phase currents are switched on with a time delay.
  • the phase currents Iphase are controlled with the aid of the field-oriented control in such a way that a ramp-shaped torque curve ⁇ D with the slope 1000Nm / s results.
  • FIG. 5 a and FIG. 5 b show the time profile of torque 120 a, b, excitation current ⁇ and phase current Iphase, which result when using a method according to the invention for improving a starting process of an internal combustion engine 300 by a belt-driven starter generator 100.
  • the generated torque 120a is smaller than the specification Dsoii, as long as the desired excitation current ⁇ ⁇ is not reached.
  • the maximum value lp ma x is given here by the envelope of the phase current curve Iphase.
  • the excitation current ⁇ ⁇ is controlled to a desired value, wherein the desired value for the excitation current is stored in a lookup table as a function of desired torque and speed. This setpoint is set via a PI controller.
  • the torque is controlled by the phase current, whereby the currently measured excitation current is included in the setpoint calculation for the phase currents. Nevertheless, the time required for the construction of the torque required for starting the internal combustion engine is shortened compared to the prior art - with comparable boundary conditions - from 250 ms (see FIG.
  • stator winding 1 1 and the rotor winding 12 can be energized such that the gradient of the torque increase 120a in a first, the start request S immediately temporally downstream time window Z1, compared to the gradient of the torque increase 120a in a the first time window Z1 temporally downstream further time window Z2 is reduced.
  • the gradient of the torque rise 120 a is adjusted such that the internal combustion engine 300 can not be jolted by the electric machine 100 jerkily but gently by a correspondingly adapted torque curve.
  • the gradient of the torque 120a is correspondingly increased in order to ensure the fastest possible starting of the internal combustion engine 300.
  • the time profile of the gradient in the further time window is linear, in particular ramp-shaped.
  • the flattening of the torque curve in the first time window Z1 can be determined, in particular, by the coil inductances, in particular the excitation coil 12, since the self-inductance of the coil results in a retardation in the exciter current run-up.
  • the embodiment shown in FIG. 5b differs from the embodiment shown in FIG. 5a in that the torque gradient AD
  • a ramp-up of the torque is preferably achieved, wherein the slope of the torque ramp can be predetermined as a function of the operating case and the ramps for both cases described may also be different.
  • FIG. 6 shows a parameter study of a dynamic behavior of a coupled-moses system caused by a primary excitation P, as illustrated, for example, in FIG.
  • a primary excitation P for example, in FIG.
  • the duration of the excitation t a which is a measure of the gradient of an excitation (analogous to the steepness in the course of the torque), was normalized with the period T, the vibration resulting from the excitation. Consequently, FIG.
  • the normalized excitation duration t a / T ⁇ 0.2.
  • the gradient of the excitation is therefore so great that this excitation can be called impulsive.
  • the resulting dynamics of the overall system is very large, since the amplitude has decayed to a low residual value only after eight oscillation amplitudes due to the presently constant intrinsic damping of the overall system.
  • Another case F3 describes an excitation in the open interval 5.0 ⁇ t a / T.
  • the constant intrinsic damping of the entire system is so large in this excitation duration compared to the excitation that the system does not even begin to oscillate.
  • an estimate of a maximum allowable torque gradient was derived, which allows the torque gradient just to be chosen so large that on the one hand as fast as possible starting the engine 300 is guaranteed and on the other hand too large dynamic loading of the entire system is avoided .
  • the modeled limit value or limit range is approximately 2000 Nm / s.
  • the energization of the stator winding 1 1 can in an untacted (so-called.
  • Block mode or clocked (so-called PWM operation, pulse width modulated) pulse inverter operation done.
  • the selected control pattern can be selected depending on the speed and the desired torque.
  • the semiconductor switches In block commutation, in contrast to the pulse-width modulated operation, the semiconductor switches remain for the period of a phase control switched on continuously.
  • the semiconductor switches In pulse-width modulated operation, the semiconductor switches are driven by a specific drive pattern, preferably with a high frequency (typically between 2 and 20 kHz), resulting in a harmonic course of the phase current, resulting in a reduced torque ripple and better efficiency. Both methods are known from the prior art.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern eines Startvorgangs eines Verbrennungsmotors (300) durch einen riemengetriebenen Startergenerator (100), der eine Ständerwicklung (11) und eine Läuferwicklung (12) aufweist, wobei der Startergenerator (100) zum Erzeugen eines Startmoments derart betrieben wird, dass die Ständerwicklung (11) und die Läuferwicklung (12) unverzüglich nach einer Startanforderung (S) des Startergenerators (100) im Wesentlichen gleichzeitig bestromt werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Recheneinheit, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.

Description

Beschreibung
Titel
STARTVERFAHREN EINES VERBRENNUNGSMOTORS DURCH EINEN RIEMENGETRIEBENEN STARTERGENERATOR
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern eines Startvorgangs einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors, durch einen riemengetriebenen Startergenerator sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen können in Kraftfahrzeugen als sog. Startergeneratoren eingesetzt werden, um einerseits einen Verbrennungsmotor im Motorbetrieb der elektrischen Maschine zu starten und andererseits Strom für das Bordnetz und zum Laden der Kraftfahrzeugbatterie im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine zu erzeugen. Startergeneratoren können über einen Riementrieb mit dem Verbrennungsmotor bzw. der Kurbelwelle verbunden sein.
Für den Einsatz als riemengetriebene Startergeneratoren (RSG) eignen sich besonders fremderregte elektrische Maschinen, insbesondere Drehstrom- Synchronmaschinen, da deren motorisches Moment besonders gut regelbar ist. Ein erwünschtes Drehmoment kann durch entsprechende Ansteuerung der Läuferwicklung (Erregerspule) und/oder der Ständerwicklung (üblich sind z.B. drei oder fünf Ständerphasen) eingestellt werden. Es kann eine zeitliche Modulation des Drehmoments bevorzugt sein, um einen möglichst geräusch- und vibrationsarmen Startvorgang zu erzielen. Um Schlupf im Riementrieb zu reduzieren, können Riemenspanner eingesetzt werden, wie z.B. sog. Pendelspannsysteme. Aufgrund des Wechsels von Lasttrum und Leertrum bei motorischem Betrieb und generatorischem Betrieb gestaltet sich das Spannen des Riemens jedoch schwierig. Insbesondere können Rucke, Vibrationen und Geräusche beim Starten des Verbrennungsmotors durch einen RSG auftreten, die vermieden werden sollen.
Aus der DE 10 2012 203374 A1 ist ein Verfahren zum sanften Andrehen eines Verbrennungsmotors durch einen riemengetriebenen Startergenerator beschrieben, dessen Läuferwicklungen vor einer Startanforderung mittels eines Erregerstroms vorerregt werden. Zum Aufbau des für den Startvorgang einer Brennkraftmaschine erforderlichen Drehmoments, werden die Ständerwicklungen zur Bestromung des Läufers zeitversetzt bestromt.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ergibt sich in der Regel ein Zielkonflikt, da durch eine Vorerregung der elektrischen Maschine zwar ein sanftes Andrehen der Brennkraftmaschine ermöglicht werden kann, jedoch die Latenzzeit zwischen Startanforderung und des Aufbaus eines zum Starten einer Brennkraftmaschine erforderlichen Drehmoments erhöht ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Verbessern eines Startvorgangs einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors, durch einen riemengetriebenen Startergenerator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schlägt vor, einen Startergenerator zum Erzeugen eines Startdrehmoments derart zu betreiben, dass die Ständerwicklung und die Läuferwicklung unverzüglich nach einer Startanforderung des Startergenerators im Wesent- liehen gleichzeitig bestromt werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Andrehen der Brennkraftmaschine durch die elektrische Maschine ohne entsprechende Verzögerung, beispielsweise durch das Abwarten einer Latenzzeit, die durch eine Vorerregung der Läuferwicklung bewirkt wird, erreicht werden kann. Eine entsprechende Latenzzeit bzw. Totzeit, die zwischen einer Stadtanforderung und des Startens der Brennkraftmaschine ohne ein Bewirken eines Drehmoments verstreicht, und die vom Führer eines Fahrzeugs, in das die entsprechende Brennkraftmaschine aufgenommen sein kann, als störend empfunden wird, kann dadurch vermieden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wird bei einem Drehmomentaufbau durch den Startergenerator ein Solldrehmoment vorgegeben und die Ständerwicklung und die Läuferwicklung werden derart bestromt, dass der Gradient des Drehmomentanstiegs im Zeitbereich unmittelbar nach einer Startanforderung und bis zum Erreichen des Solldrehmoments monoton ansteigt. Durch eine derartige Maßnahme kann bewirkt werden, dass unmittelbar im An- schluss an eine Startanforderung ein Andrehen der Brennkraftmaschine bewirkt wird. Durch den monotonen Verlauf des Drehmomentanstiegs ist zudem gewährleistet, dass ein ruckfreies Andrehen der Brennkraftmaschine gewährleistet ist und die Brennkraftmaschine ohne eine entsprechende Totzeit durch die elektrische Maschine angedreht wird. Eine derartige Wirkung ist insbesondere in Kombination mit der zuvor genannten bevorzugten Ausführungsform gegeben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wird der Gradient des Drehmomentanstiegs stets in einem Band gehalten, dessen obere Grenze in etwa 2000 Nm/s und dessen untere Grenze in etwa 300 Nm/s beträgt. Vorzugsweise beträgt der Drehmomentanstieg in etwa 1000 Nm/s, weiter vorzugsweise in etwa 330 Nm/s. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei Drehmomentgradienten die größer als 2000 Nm/s sind, zu Überschwingern bis hin zu einer chaotischen dynamischen Anregung der mittels des Riemens an die
Brennkraftmaschine gekoppelten Aggregate bzw. eines Riemenspanners kommen kann. Die Drehzahlgradienten sind somit derart gewählt, dass unter der Maßgabe eines möglichst schnellen und ggf. sanften Starts der Brennkraftmaschine gerade eine derart chaotische Anregung verhindert wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, werden die Ständerwicklung und die Läuferwicklung derart bestromt, dass der sich aus einer linearen Approximation des Drehmomentanstiegs ergebende Gradient stets klei- ner als die obere Grenze des Drehmomentanstiegs ist. Grundsätzlich kann der
Drehmomentanstieg linear, insbesondere Rampenförmig verlaufen. Jedoch auch ein nichtlinearer Verlauf des Drehmomentanstiegs ist möglich. Ein nichtlinearer Verlauf kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn eine gewünschte Startanforderung der Brennkraftmaschine noch schneller umgesetzt werden soll. Zudem kann durch eine derartige Maßnahme die Phasenstrombelastung bzw. die thermische Belastung der Ständerwicklung reduziert werden. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass die sich innerhalb einer linearen Approximation ergebende Ausgleichsgerade über die Zeitdauer eines Startvorgangs einen Gradienten aufweist, der kleiner ist als die obere Grenze des Drehmomentanstiegs, die etwa 2000 Nm/s beträgt. Um dies zu erreichen, können die Ständerwicklung und die
Läuferwicklung derart bestromt werden, dass das vorgegebene Solldrehmoment frühestens nach etwa 30 ms erreicht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, werden die Stän- derwicklung und die Läuferwicklung derart bestromt, dass der durch die Ständerwicklung fließende Strom unterhalb eines Schwellwerts liegt und der graduelle Anstieg des Erregerstrom durch die Läuferwicklung unmittelbar nach einer Startanforderung und bis zum Erreichen des Solldrehmoments monoton ansteigt. Hierbei kann es besonders bevorzugt sein, dass an die Ständerwicklung für die Bestromung eine pulsweitenmodulierte Versorgungsspannung angelegt wird.
Durch die Wahl einer pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung, können Amplitude und Phasenlage der Phasenspannung ohne weiteres festgelegt werden. Der Erregerstromaufbau sollte grundsätzlich so schnell wie möglich erfolgen, ist jedoch in der Praxis durch die hohe Zeitkonstante der Läuferwicklung deutlich langsamer als der Phasenstromaufbau. Grundsätzlich sind jedoch sowohl Phasenstrom als auch Erregerstrom innerhalb einer großen Bandbreite weitestgehend frei regelbar, weshalb auch beide Stellgrößen grundsätzlich zur Verfügung stehen, um einen entsprechenden Drehmomentgradienten einzuregeln. Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Hierbei wird ein Computerprogramm zur programmtechnischen Umsetzung des Verfahrens vorzugsweise auf einem Datenträger, insbesondere einem Speicher, gespeichert.
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.
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 schematisch eine Anordnung aus einem Verbrennungsmotor, einem riemengetriebenen Startergenerator und einem Bordnetz, wie sie der Erfindung zugrunde liegen kann;
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform eines Startergenerators mit Stromrichter und mit ansteuerbaren Schaltelementen, wie er der Erfindung zugrunde liegen kann;
Figur 3 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild einer fremderregten einphasigen Synchronmaschine; Figur 4 zeigt eine Darstellung von Eingangs- und Ausgangsgrößen bewirkt durch ein Verfahren zum Einschalten einer elektrischen Maschine gemäß dem Stand der Technik;
Figur 5a zeigt eine Darstellung von Eingangs- und Ausgangsgrößen bewirkt durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einschalten einer elektrischen Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur 5b zeigt eine Darstellung von Eingangs- und Ausgangsgrößen bewirkt durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einschalten einer elektrischen Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
Figur 6 zeigt eine Parameterstudie eines durch eine Primäranregung bewirkten dynamischen Verhaltens eines elastisch gekoppelten Systems an Massen;
Ausführungsform(en) der Erfindung
Der Erfindung liegt eine in den Figuren 1 und 2 dargestellte Anordnung zugrunde, in denen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
In Figur 1 ist schematisch eine Anordnung 200 aus einem Verbrennungsmotor 300, einem riemengetriebenen Startergenerator 100 als elektrische Maschine und einem Bordnetz 30 dargestellt, anhand derer die bevorzugten Ausführungsformen (vergleiche insbesondere Figur 5) der Erfindung erläutert werden.
Der Verbrennungsmotor 300 ist über einen Riemen 310 mit dem Startergenerator 100 verbunden, wobei ein als Pendelriemenspannsystem 320 ausgebildeter Riemenspanner vorgesehen ist, der den Riemen 310 im Betrieb unabhängig von der Momentenrichtung spannen kann. Der Riemen 310 stellt darin eine elastische Kopplung zwischen dem Startergenerator 100, der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 300 und etwaigen weiteren Aggregaten, wie zum Beispiel einem Klimakompressor für eine Klimaanlage (nicht dargestellt), dar. In Figur 2 ist der Startergenerator 100 schaltplanartig schematisch dargestellt. Der Startergenerator 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 Strom richterkompo- nente 20 verbunden ist, getaktet geschaltet. Die Ansteuerung des Leistungsschalters 13 erfolgt über eine Ansteuerleitung 14 nach Maßgabe eines Feldreglers 15, wobei der Leistungsschalter 13 ebenso wie die zur Läuferwicklung 12 parallel geschaltete Diode in der Regel in einer anwendungsspezifischen integrier- ten Schaltung (ASIC) des Feldreglers integriert sind. Der Erregerstrom kann über ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal eingestellt werden.
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 kön- nen. 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 einen Gleichstrom für ein Bordnetz 30 inkl. Batterie eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung. Die Ansteuerung der Schaltelemente 21 erfolgt durch eine Ansteuerein- richtung 25 über Ansteuerkanäle 26, von denen aus Gründen der Übersicht nicht alle mit Bezugszeichen versehen sind. Die Ansteuereinrichtung 25 erhält über 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. Im Motorbetrieb wird der Startergenerator 100 verwendet, um den Verbrennungsmotor 300 zu starten. Hier wird die Stromrichterkomponente 20 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, wie nachfolgend am Beispiel einer fremderreg- ten einphasigen Synchronmaschine (vgl. Figur 3) beschrieben, betrieben. Der
Startergenerator wird von der Batterie versorgt.
Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer fremderregten einphasigen Synchronmaschine. Zur Erzeugung eines Drehmoments wird in der Läuferwicklung (Erreger- Wicklung) durch die Spannung Uf unter Berücksichtigung des Widerstands RF der
Erregerstrom ΙΕγγ erzeugt. Dieser induziert bei drehender elektrischer Maschine 100 in der Ständerwicklung 1 1 die Polradspannung Up. An die Anschlüsse der Phasenwicklung 1 1 wird die vom Umrichter 20 erzeugte Phasenspannung Us angelegt (vgl. Figur 2). Amplitude und Phasenlage der Spannung Us werden mit Hil- fe der Pulsweitenmodulation (PWM) eingestellt. Diese Spannung Us erzeugt unter Berücksichtigung des Widerstands Rs und der Induktivität l_s den entsprechenden Phasenstrom Iphase in der Phasenwicklung 1 1 . Für die Erzeugung eines Drehmoments ist sowohl Erreger- ΙΕγγ als auch Phasenstrom Iphase erforderlich, wobei beide erfindungsgemäß unverzüglich nach einer Startanforderung (S) ei- ner Brennkraftmaschine 300 eingeschaltet und derart erhöht werden, dass die für einen Starten der Brennkraftmaschine 300 erforderliche Zeit möglichst gering gehalten werden kann.
In Figur 4 ist der zeitliche Verlauf von Drehmoment, Erregerstrom IEx und Pha- senstrom, der sich bei Anwendung eines aus dem Stand der Technik bekannten
Verfahren zum Einleiten eines Startvorgangs einer Brennkraftmaschine 300 durch einen riemengetriebenen Startergenerator 100 ergeben, dargestellt. Zum Zeitpunkt t=0.1 s erfolgt eine Startanforderung S und es wird ein Drehmoment Dsoii von 50 Nm angefordert. Daraufhin wird zunächst der Erregerstrom IEx einge- schaltet. Zum Zeitpunkt t=0.2s hat der Erregerstrom seinen Sollwert erreicht, und die Phasenströme werden zeitverzögert eingeschaltet. Die Phasenströme Iphase werden mit Hilfe der feldorientierten Regelung so geregelt, dass sich ein rampen- förmiger Drehmomentverlauf ÄD mit der Steilheit 1000Nm/s ergibt. Aufgrund des zeitlichen Auseinanderfallens der Bestromung der Ständerwicklung 1 1 und der Läuferwicklung 12 kommt es zu einer Latenzzeit, in der kein Drehmoment von der elektrischen Maschine 100 auf die Brennkraftmaschine 300 übertragen wird. Entsprechend verlangsamt sich auch die Gesamtzeit eines Startvorgangs durch einen derart angesteuerten riemengetriebenen Startergenerator 100.
In Figur 5a und Figur 5b ist der zeitliche Verlauf von Drehmoment 120a, b, Erregerstrom ΙΕΓΓ und Phasenstrom Iphase, der sich bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbessern eines Startvorgangs einer Brennkraftmaschine 300 durch einen riemengetriebenen Startergenerator 100 ergeben, darge- stellt. Gemäß des ersten Ausführungsbeispiels (Figur 5a) erfolgt zum Zeitpunkt t=0.1 s eine Startanforderung S und es werden unverzüglich im Anschluss darauf gleichzeitig Erregerstrom ΙΕγγ und Phasenstrom Iphase eingeschaltet. Es wird ein Sollmoment Dsoii von 50 Nm vorgegeben und der Erregerstrom ΙΕγγ und der Phasenstrom Iphase wird derart geregelt, dass ein Drehmomentgradient ÄD (Steilheit) 1000Nm/s vorgegeben wird.
Da der Phasenstrom IPhase einen bestimmten Maximalwert lpmax, typischerweise 200 Ampere, nicht überschreiten darf, ist das erzeugte Drehmoment 120a kleiner als die Vorgabe Dsoii, solange der gewünschte Erregerstrom ΙΕγγ nicht erreicht ist. Der Maximalwert lpmax ist vorliegend durch die Einhüllende des Phasenstromver- laufs Iphase gegeben. Der Erregerstrom ΙΕγγ wird auf einen Sollwert geregelt, wobei der Sollwert für den Erregerstrom in einer Lookup-Tabelle als Funktion von Sollmoment und Drehzahl hinterlegt ist. Dieser Sollwert wird über einen Pl-Regler eingestellt. Die Momentenregelung erfolgt über den Phasenstrom, wobei der ak- tuell gemessene Erregerstrom in die Sollwertberechnung für die Phasenströme mit eingeht. Trotzdem verkürzt sich die für den Aufbau des zum Andrehen der Brennkraftmaschine erforderlichen Drehmoments benötigte Zeit gegenüber dem Stand der Technik - bei vergleichbaren Randbedingungen - von 250ms (vgl. Figur 4) auf 190ms.
Zudem kann die Ständerwicklung 1 1 und die Läuferwicklung 12 derart bestromt werden, dass der Gradient des Drehmomentanstiegs 120a in einem ersten, der Startanforderung S unmittelbar zeitlich nachgelagerten Zeitfenster Z1 , gegenüber dem Gradient des Drehmomentanstiegs 120a in einem dem ersten Zeitfenster Z1 zeitlich nachgelagerten weiteren Zeitfenster Z2 reduziert ist. Hierdurch wird der Gradient des Drehmomentanstiegs 120a derart angepasst, dass die Brennkraftmaschine 300 durch die elektrische Maschine 100 nicht ruckartig, sondern durch einen entsprechend angepassten Drehmomentverlauf sanft angedreht werden kann. In einem sich an das erste Zeitfenster Z1 unmittelbar anschließenden zweiten Zeitfenster Z2, wird der Gradient des Drehmoments 120a entsprechend erhöht, um ein möglichst schnelles Starten der Brennkraftmaschine 300 zu gewährleisten. Hierbei ist der zeitliche Verlauf des Gradienten im weiteren Zeitfenster linear, insbesondere rampenförmig ausgebildet. Die Abflachung des Drehmo- mentverlaufs im ersten Zeitfenster Z1 kann insbesondere durch die Spuleninduktivitäten, insbesondere der Erregerspule 12, festgelegt werden, da sich durch die Eigeninduktivität der Spule eine Retardierung im Erregerstromanlauf ergibt.
Die in Figur 5b dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Figur 5a dargestellten Ausführungsform dadurch, dass der Drehmomentgradient ÄD
(Steilheit) lediglich 333 Nm/s beträgt. Mit dieser Vorgabe wird das Sollmoment Dsoii von 50Nm zum selben Zeitpunkt erreicht wie beim Stand der Technik (vergleiche Figur 4), allerdings geschieht dies gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren mit deutlich reduziertem Drehmomentgradient ÄD, was sich positiv auf die Belastung des Riementriebs auswirkt und zudem dynamische Überschwinger im Gesamtsystem der angetriebenen Aggregate reduziert.
In beiden beschriebenen Fällen wird vorzugsweise ein rampenförmiger Anstieg des Drehmoments erzielt, wobei die Steigung der Drehmomentenrampe in Abhängigkeit vom Betriebsfall vorgegeben werden kann und die Rampen für beide beschriebenen Fälle auch unterschiedlich sein können.
In Figur 6 ist eine Parameterstudie eines durch eine Primäranregung P bewirkten dynamischen Verhaltens eines Systems gekoppelter Masen, wie es zum Beispiel in Figur 1 dargestellt ist, dargestellt. Vorliegend werden drei verschiedene Formen einer Anregung und deren Wirkung auf ein elastisch gekoppeltes Systems, wie es beispielhaft in Figur 1 beschrieben ist, diskutiert. Die zeitliche Dauer der Anregung ta, die ein Maß für den Gradienten einer Anregung (analog zur Steilheit im Verlauf des Drehmoments) ist, wurde mit der Periodendauer T, der sich aus der Anregung ergebenden Schwingung, normiert. Folglich ist in Figur 6 die Amplitude der Anregung bzw. die Amplitude der sich aus der Anregung ergebenden Schwingung in willkürlichen Einheiten und die mit der Periodendauer nor- mierte Zeit ta/T dargestellt, die in Winkelfrequenzen ω ί3/2π entspricht.
Im ersten Fall F1 ist die normierte Anregungsdauer ta/T <=0,2. Der Gradient der Anregung ist daher so groß, dass diese Anregung als impulsartig bezeichnet werden kann. Die sich hieraus ergebende Dynamik des Gesamtsystems ist sehr groß, da die Amplitude aufgrund der vorliegend konstanten intrinsische Dämpfung des Gesamtsystems erst nach acht Schwingungsamplituden auf einen geringen Restwert abgeklungen ist. Im zweiten Fall F2 liegt die zeitliche Dauer der Anregung im Intervall 0,2< ta/T<=5,0. Die in diesem Intervall auftretenden Anregungen werden als zeitlich steuerbar bezeichnet. Hierbei ist deutlich zu erken- nen, dass die sich ergebenden Amplituden bereits nach kürzester Zeit nahezu vollständig abgeklungen sind.
Ein weiterer Fall F3 beschreibt eine Anregung im offenen Intervall 5,0< ta/T. Die Konstante intrinsische Dämpfung des Gesamtsystems ist bei dieser Anregungs- dauer im Vergleich zur Anregung so groß, dass das System erst gar nicht anfängt zu schwingen. Auf Basis dieses Modells wurde eine Abschätzung über einen maximal zulässigen Drehmomentgradienten abgeleitet, welche es erlaubt den Drehmomentgradienten gerade so groß zu wählen, dass einerseits ein möglichst schnelles Andrehen der Brennkraftmaschine 300 gewährleistet ist und auf der anderen Seite eine zu große dynamische Beaufschlagung des Gesamtsystems vermieden wird. Der modellhaft ermittelte Grenzwert bzw. Grenzbereich liegt in etwa bei 2000 Nm/s.
Die Bestromung der Ständerwicklung 1 1 kann in einem ungetakteten (sog.
Blockbetrieb) oder getakteten (sog. PWM-Betrieb, pulsweitenmoduliert) Pulswechselrichterbetrieb erfolgen. Das gewählte Ansteuermuster kann dabei abhängig von der Drehzahl und dem gewünschten Drehmoment gewählt werden. Bei der Blockkommutierung bleiben, im Gegensatz zu dem pulsweitenmodulier- ten Betrieb, die Halbleiterschalter für den Zeitraum einer Phasenansteuerung durchgängig eingeschaltet. Im pulsweitenmodulierten Betrieb werden durch ein bestimmtes Ansteuermuster die Halbleiterschalter mit vorzugsweise hoher Frequenz (typischerweise zw. 2 und 20 kHz) angesteuert, hierdurch entsteht ein harmonischer Verlauf des Phasenstroms, was in einer verringerten Drehmo- mentwelligkeit und besserem Wirkungsgrad resultiert. Beide Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Verbessern eines Startvorgangs einer Brennkraftmaschine (300) durch einen riemengetriebenen Startergenerator (100), der eine Ständerwicklung (11) und eine Läuferwicklung (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Startergenerator (100) zum Erzeugen eines Startmoments derart betrieben wird, dass die Ständerwicklung (1 1) und die Läuferwicklung (12) unverzüglich nach einer Startanforderung (S) des Startergenerators (100) im Wesentlichen gleichzeitig bestromt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei bei einem Drehmomentaufbau durch den Startergenerator (100) ein Solldrehmoment (Dsoii) vorgegeben wird und die Ständerwicklung (11) und die Läuferwicklung (12) derart bestromt werden, dass der Gradient des Drehmomentanstiegs ÄD im Zeitbereich unmittelbar nach einer Startanforderung (S) und bis zum Erreichen des Solldrehmoments (Dsoii) monoton ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gradient des Drehmomentanstiegs ÄD in einem Band verläuft, dessen obere Grenze in etwa 2000 Nm/s und dessen untere Grenze in etwa 300Nm/s beträgt, vorzugsweise in etwa 1000 Nm/s, weiter vorzugsweise in etwa 330 Nm/s beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Ständerwicklung (1 1) und die Läuferwicklung (12) derart bestromt werden, dass der sich aus einer linearen Approximation des Drehmomentanstiegs ÄD ergebende Gradient kleiner als die obere Grenze des Drehmomentanstiegs ist, wobei das Solldrehmoment (Dsoii) vorzugsweise frühestens nach etwa 30 ms erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der durch die Ständerwicklung (11 ) fließende Strom (I) unterhalb eines Schwellwerts (lpmax) liegt und der graduelle Anstieg des Erregerstrom (ΙΕΓΓ) durch die Läuferwicklung (12) unmittelbar nach einer Startanforderung (S) und bis zum Erreichen des Solldrehmoments (Dsoii) monoton ansteigt. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an die Ständerwicklung (1 1 ) für die Bestromung eine blockkommutierte und/oder pulswei- tenmodulierte Versorgungsspannung angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das für ein Starten des Verbrennungsmotors (300) erforderliche Drehmoment durch den riemengetriebenen Startergenerator (100) bewirkt wird.
Recheneinheit (25), die durch ein auf einem Speichermedium gespeicherten Computerprogramm dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die einen Computer oder eine entsprechenden Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn sie auf dem Computer bzw. der entsprechenden Recheneinheit, insbesondere nach Anspruch 8, ausgeführt werden.
10. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm, welches Programmcodemittel aufweist, die einen Computer oder eine entsprechende Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn sie auf dem Computer bzw. der entsprechenden Recheneinheit ausgeführt werden.
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