WO2023041397A1 - Kommunikation zwischen einem motorsteuergerät und einem inverter - Google Patents

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WO2023041397A1
WO2023041397A1 PCT/EP2022/074874 EP2022074874W WO2023041397A1 WO 2023041397 A1 WO2023041397 A1 WO 2023041397A1 EP 2022074874 W EP2022074874 W EP 2022074874W WO 2023041397 A1 WO2023041397 A1 WO 2023041397A1
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WO
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inverter
control unit
state
combustion engine
signal
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PCT/EP2022/074874
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Inventor
Wolfgang Fischer
Jonathan Mueller
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02N11/0862—Circuits or control means specially adapted for starting of engines characterised by the electrical power supply means, e.g. battery
    • F02N11/0866—Circuits or control means specially adapted for starting of engines characterised by the electrical power supply means, e.g. battery comprising several power sources, e.g. battery and capacitor or two batteries
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02N2011/0881—Components of the circuit not provided for by previous groups
    • F02N2011/0896—Inverters for electric machines, e.g. starter-generators

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for communication between a motor control unit and an inverter
  • An integrated starter generator is used for two-wheelers with a small cubic capacity, with which the engine can be conveniently controlled when idling.
  • an inverter circuit which is intended to control the generator, is required on the crankshaft.
  • the inverter can be integrated in an engine control unit for an internal combustion engine, with the control also being integrated in the engine control unit.
  • the inverter can also be installed in a separate housing. If the inverter is installed in a separate housing, a processor is required to control the inverter.
  • the processor is connected to the combustion engine control unit via a bus system such as the CAN. However, this bus system is very slow, so quick interventions (micro-hybrid) are not possible.
  • EP 1717945 Bl is a hybrid vehicle with an internal combustion engine, two motor generators, two inverters and a control unit with an external
  • US 5 786 640 A also shows a hybrid vehicle with an internal combustion engine, a motor generator, a battery, an inverter and a controller.
  • EP2 095 989 A1 relates to communication between a control unit and inverters.
  • a control unit 30 simultaneously controls all phases of an inverter 10, 20 by means of PWM signals.
  • An ISG system is proposed with an integrated starter generator (ISG), a control unit and a separate inverter, which is not integrated into the control unit but is installed in a separate housing and has its own processor. Furthermore, an interface and a communication protocol for the communication between the control device and the inverter are proposed.
  • ISG integrated starter generator
  • control unit control unit
  • inverter separate inverter
  • the communication between the control unit and the inverter takes place via two (digital)
  • the voltage level of the high level is defined on the inverter side.
  • a pull-up resistor pulls the signal input of the inverter to a defined positive potential (5V or 12V or battery voltage).
  • the output of the control unit is selected in such a way that no active output of a positive voltage is possible. Only active switching of the output to low level (0V, Gnd, vehicle ground) using a low-side switch (eg open collector MOSFET output) can be initiated on the engine control unit side. This means that there is always a high level at the input of the inverter as long as the engine control unit does not actively pull the level to low.
  • a low level can also be present only in the event of an error, for example in the event of a ground connection of the signal line to the vehicle body or the like.
  • the inverter is operated in different states.
  • a first, deactivated state the vehicle is parked.
  • the inverter is in energy-saving mode with reduced functions.
  • the machine In a second, activated state, the machine is stationary, the inverter is activated and awaiting the command to start the combustion engine. As soon as the control unit pulls the output low, the inverter activates and is fully functional.
  • a third state relates to the starting process for starting the internal combustion engine.
  • the control unit sends a corresponding command to the inverter to start the combustion engine.
  • a corresponding signal for encoding the command can be fast switching between high and low levels (PWM switching).
  • a fourth, normal operating state the internal combustion engine runs in normal combustion mode.
  • the electric machine can then also be operated in motor or generator mode by means of an inverter.
  • the control unit tells the inverter which electrical torque is currently required.
  • the control unit can switch to a different constant PWM frequency compared to the previous third state (eg 10 kHz; clear frequency differences are advantageous for better differentiation) and encode the desired torque via the duty cycle or duty cycle.
  • a duty cycle of 5% corresponds to the maximum generator torque and 95% to the maximum motor torque.
  • Intermediate moments are coded according to the duty cycle discretization with values between 5% and 95%.
  • a fifth operating state relates to the process of switching off the internal combustion engine.
  • the engine control unit can signal this condition with a permanent low or high level. If the engine control unit is switched off and can no longer set a low level, only a constant high level remains.
  • a sixth state relates to an error state in which the inverter has no information from the control unit, for example because the communication link between the inverter and the control unit has been severed.
  • the inverter when the internal combustion engine is rotating, the electrical energy generated by the electrical machine must be processed in a meaningful way without overcharging the vehicle battery.
  • the inverter When the engine is switched off, the inverter must not activate itself and carry out an unwanted starting process.
  • Figure 1 shows a vehicle 10, which is designed as a two-wheeler.
  • FIG. 2 shows an ISG system for a vehicle designed as a two-wheeler.
  • FIG. 3 shows a possible implementation of a PWM signal.
  • Figure 1 shows a vehicle 10, which is designed as a two-wheeler with an internal combustion engine 11.
  • the vehicle 10 has an ISG system, as shown in Figure 2, with an integrated starter generator (ISG) 12, an engine control unit 14 and a separate inverter 16.
  • ISG integrated starter generator
  • the inverter 16 is not integrated into the control unit 14, but installed in a separate housing 18.
  • the inverter 16 includes its own processor 20.
  • Communication between the control unit 14 and the inverter 16 takes place via two digital voltage levels on a signal line S1 at the output of the control unit 14 and at the input of the inverter 16.
  • the voltage level of the high level is defined on the side of the inverter 16 by a pull -Up resistor RL brings the signal input of the inverter 16 to a defined positive potential.
  • the positive signal can be 5V, 12V or battery voltage.
  • the exit of Control unit 14 is selected in such a way that no active output of a positive voltage is possible. Only active switching of the output of control unit 14 to low level is possible, with low level being OV or ground of vehicle 10 .
  • the switching takes place by means of a low-side switch 22.
  • the low-side switch 22 can be implemented, for example, as an open-collector MOSFET output.
  • a high level is therefore always present at the input of the inverter 16 when the low-side switch 22 of the output of the control unit 14 is not actively switching to the low level.
  • a low level can also be present in the event of an error.
  • a case of error is, for example, a ground connection of the signal line S1 to the body of the vehicle 10 or the like. According to the proposed communication protocol, the inverter 16 is operated in different states.
  • a first, deactivated state the vehicle 10 is parked.
  • the current in the electrical machine 12 has dropped to 0A after the last switch-off process.
  • inverter 16 is in an energy-saving mode with reduced functions. Only the input of the inverter 16 is monitored to detect a coming low level.
  • a signal can be applied to the input of the inverter 16 in such a way that the processor 20 is only activated upon ignition. It is also possible that when a low signal is present, the processor 20 is only supplied with voltage via an analog circuit. This can reduce the power consumption when switched off.
  • the electric machine 12 is at a standstill.
  • the inverter 16 is activated and waits for the command to start the electrical machine 12. As soon as the output of the control unit 14 is switched to low level, the inverter 16 is activated and is fully functional. In this way, the control unit 14 can begin a starting process as soon as it recognizes the start command.
  • this state can be omitted.
  • the inverter 16 waits in the deactivated state 1 for the start command.
  • a third state relates to the starting process for starting the internal combustion engine 11.
  • the control unit 14 sends a corresponding command to start the internal combustion engine 11 to the inverter 16.
  • a corresponding PWM signal for encoding the command can be a rapid switching between high and low levels.
  • the control device 14 clocks the PWM signal with a constant frequency and constant duty cycle.
  • the duty cycle is the ratio between the duration of the high level and the entire PWM period, consisting of one phase with a high level and one phase with a low level.
  • the frequency can be 20kHz.
  • the duty cycle is 50%
  • inverter 16 If the inverter 16 recognizes the PWM signal with this defined frequency, it carries out the starting process. As soon as control unit 14 outputs signals that correspond to a fourth state, state 4 is changed.
  • the control unit 14 must be able to determine the direction of rotation of the internal combustion engine 11 during the starting process.
  • a possible coding of the direction of rotation can be contained in the duty cycle of the PWM signal described in variant 1.
  • the reverse direction can be specified with a duty cycle of 33% and the forward direction with a duty cycle of 66% as the direction of rotation.
  • two different but constant frequencies can be used for the directions of rotation. For example 18 kHz for the forward direction and 22 kHz for the reverse direction.
  • internal combustion engine 11 runs in normal combustion mode.
  • the electric machine 12 can then also be operated in motor or generator mode by means of an inverter 16 .
  • control device 14 communicates to the inverter 16 which electrical moment is currently desired.
  • control unit 14 changes to a different constant PWM frequency, for example to 10 kHz, and encodes the desired torque via the duty cycle.
  • a duty cycle of 5% corresponds to the maximum generator torque and 95% to the maximum motor torque.
  • Intermediate moments are coded according to the duty cycle discretization with values between 5% and 95%.
  • a safety margin to 0% (permanently low level) and 100% (permanently high level) prevents the PWM frequency from being incorrectly no longer output.
  • the control unit 14 encodes the desired torque in the PWM frequency.
  • a frequency of 5 kHz corresponds to the maximum generator torque and 15 kHz to the maximum motor torque. Frequencies in between correspond to moments in between.
  • the drive method of the inverter can be implemented with a further signal pattern when using a pure block commutation without PWM.
  • the motor control unit changes from PWM operation from state 3 to a speed-synchronous signal with short pulses, in which each short pulse marks the switching to the next block of the block commutation for the inverter.
  • the electric machine can be set to the desired torque very quickly.
  • crankshaft-synchronous, high-frequency support of the combustion engine is possible.
  • a fifth operating state relates to the process of switching off the internal combustion engine 11.
  • the control unit 16 can signal this state by means of a permanent low or high level. If control unit 16 is switched off, it can no longer provide a low level. All that remains is a constant high level. If it is recognized in this state that there is only a constant level at the input of the inverter 16, the inverter 16 can operate the electric machine 12 in such a way that a suitable threshold of the battery voltage is not exceeded.
  • the inverter 16 can:
  • the control signal may be lost while the inverter is in operation.
  • the following scenarios are conceivable:
  • a sixth state relates to an error state in which the inverter 16 has no information from the control unit 14 because, for example, the communication link between the inverter 16 and the control unit 14 has been severed.
  • the inverter 16 when the internal combustion engine 11 is rotating, the electrical energy generated by the electrical machine 12 must be meaningfully processed without overcharging the vehicle battery.
  • the inverter 16 When the engine 11 is switched off, the inverter 16 must not activate itself and carry out an unwanted starting process.
  • the inverter 16 If there is no plausible input signal at the inverter 16, ie if there is a constant level or at least one fault, the inverter 16 cannot interpret the signals for the request from the control unit. Accordingly, the inverter 16 manages the generated energy as in state 5 while the electric machine 12 is still rotating renewed standstill of the engine 11, if by then could not be transferred to the combustion mode.
  • state 2 If state 2 is provided, a change is made to state 2 if the error leads to a permanent low level at the input of inverter 16. In this case, a maximum dwell time in state 2 can be provided in order to switch back to state 1 and save energy if there is no start command. If the start command comes afterwards, a longer start time must be accepted.
  • FIG. 1 A possible implementation of the signal is shown in FIG. 1
  • control unit 14 with a constant frequency and constant duty cycle (state 3, variant 1).
  • control unit 14 either adjusts the activation in order to signal a shutdown, or an error occurs with a constant signal level. In both cases, the behavior of state 5 is implemented until the electric machine 12 and the internal combustion engine 11 come to a standstill.
  • the inverter 16 In order to operate the electrical machine 12 in accordance with the respective torque requirement, the inverter 16 requires information about the position of the rotor in order to be able to set the stator voltages appropriately. If a rotor position sensor is dispensed with for cost reasons, algorithms for sensorless position estimation based on measurement of the phase currents can be used become. In this case, different algorithms and estimation methods usually have to be used depending on the speed of the rotor.
  • a second signal line between the control unit 14 of the internal combustion engine 11 and the inverter 16 can be used to connect to the inverter
  • inverter 16 to transmit the current crankshaft position corresponding to the rotor position. Specifically, if the desired torque is transmitted using PWM (state 4, variant 1 or 2) and not via switching pulses (variant 3) in the above method in combustion engine operation, inverter 16 requires the position information of the rotor over the entire speed range of combustion engine 11.
  • PWM state 4, variant 1 or 2
  • switching pulses variant 3
  • Information from controller 14 may be more robust than sensorless estimation and allow for more reliable operation of the electric machine.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kommunikation zwischen einem Motorsteuergerät (14) und einem Inverter (16). Es wird vorgeschlagen, dass die Kommunikation zwischen dem Steuergerät (14) und dem Inverter (16) über zwei digitale Spannungslevel auf einer Signalleitung (S1) am Ausgang des Steuergeräts (14) und am Eingang des Inverters (16) erfolgt.

Description

Beschreibung
Titel
Kommunikation zwischen einem Motorsteuergerät und einem Inverter
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kommunikation zwischen einem Motorsteuergerät und einem Inverter
Stand der Technik
Bei Zweirädern mit kleinem Hubraum wird ein Integrierter Starter Generator (ISG) eingesetzt, womit im Leerlauf der Motor komfortabel geregelt werden kann. Zur Realisierung eines ISG-Systems wird eine Inverter Schaltung, die zur Ansteuerung des Generators vorgesehen ist, an der Kurbelwelle benötigt. Der Inverter kann in einem Motorsteuergerät für einen Verbrennungsmotor integriert sein, wobei auch die Ansteuerung im Motorsteuergerät integriert ist. Der Inverter kann aber auch in einem separaten Gehäuse verbaut sein. Ist der Inverter in einem separaten Gehäuse verbaut, wird ein Prozessor benötigt, der den Inverter ansteuert. Der Prozessor ist über ein Bus- System, wie dem CAN mit dem Verbrennungsmotorsteuergerät verbunden. Dieses Bussystem ist jedoch sehr langsam, sodass schnelle Eingriffe (Micro-Hybrid) nicht möglich sind.
Aus der Dokument EP 1717945 Bl ist ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, zwei Motorgeneratoren, zwei Invertern und einer Steuereinheit mit einem externen
Steuergerät bekannt.
Die US 5 786 640 A zeigt ebenfalls ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Motorgenerator, einer Batterie, einem Inverter und einem Steuergerät. Die EP2 095 989 Al betrifft eine Kommunikation zwischen einem Steuergerät und Invertern.
Gemäß der Zusammenfassung steuert ein Steuergerät 30 simultan mittels PWM- Signalen alle Phasen eines Inverters 10, 20.
Offenbarung
Es wird ein ISG-System vorgeschlagen mit einem integrierten Starter Generator (ISG), einem Steuergerät und einem separaten Inverter, welcher nicht in das Steuergerät intergiert ist, sondern in einem separaten Gehäuse verbaut ist und einen eigenen Prozessor umfasst. Weiterhin werden eine Schnittstelle und ein Kommunikationsprotokoll für die Kommunikation zwischen dem Steuergerät und dem Inverter vorgeschlagen.
Vorteilhaft erfolgt die Kommunikation zwischen Steuergerät und Inverter über zwei (digitale)
Spannungslevel (High- und Low-Level) auf der Signalleitung (bzw. am Ausgang des Steuergeräts und Eingang des Inverters).
Das Spannungsniveau des High-Levels wird dabei auf Inverter-Seite definiert. Beispielsweise, indem ein Pull-Up-Widerstand den Signaleingang des Inverters auf ein definiertes positives Potential (5V oder 12V oder Batteriespannung) zieht. Der Ausgang des Steuergeräts wird so gewählt, dass keine aktive Ausgabe einer positiven Spannung möglich ist. Lediglich ein aktives Schalten des Ausgangs auf Low-Level (0V, Gnd, Fahrzeugmasse) mittels eines Low-Side-Schalters (z.B. Open Kollektor MOSFET Ausgang) kann auf Seite des Motor-Steuergeräts initiiert werden. Damit liegt am Eingang des Inverters immer ein High-Pegel vor, solange das Motor- Steuergerät nicht aktiv den Pegel auf Low zieht. Lediglich im Fehlerfall kann ebenfalls ein Low-Pegel vorliegen, beispielsweise bei einem Masseschluss der Signalleitung gegen die Fahrzeugkarosserie oder ähnliches. Gemäß dem vorgeschlagenen Kommunikationsprotokoll wird der Inverter in verschiedenen Zuständen betrieben. ln einem ersten, deaktivierten Zustand ist das Fahrzeug abgestellt. Solange kein aktives Low-Signal des Steuergeräts vorliegt und nach dem letzten Abschaltvorgang des Fahrzeugs der Strom in der elektrischen Maschine auf 0A abgesunken ist (Stillstand der Maschine), befindet sich der Inverter in einem Energiesparbetrieb mit reduzierten Funktionen.
In einem zweiten, aktivierten Zustand, befindet sich die Maschine im Stillstand, der Inverter ist aktiviert und wartet auf den Befehl zum Starten des Verbrennungsmotors. Sobald das Steuergerät den Ausgang auf Low- Pegel zieht, aktiviert sich der Inverter und ist voll funktionsbereit.
Ein dritter Zustand betrifft den Startvorgang zum Anlassen des Verbrennungsmotors. Das Steuergerät sendet einen entsprechenden Befehl zum Starten des Verbrennungsmotors an den Inverter. Ein entsprechendes Signal zum Kodieren des Befehls kann ein schnelles Schalten zwischen High- und Low-Pegel (PWM-Schalten) sein.
In einem vierten, normalen Betriebszustand läuft der Verbrennungsmotor im normalen Verbrennungsbetrieb. Die elektrische Maschine kann dann mittels Inverter auch im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden. Dafür teilt das Steuergerät dem Inverter mit, welches elektrische Moment gerade gewünscht. Zu diesem Zweck kann das Steuergerät gegenüber dem vorherigen dritten Zustand auf eine andere konstante PWM-Frequenz wechseln (z.B. 10 kHz; deutliche Frequenz-Unterschiede zur besseren Differenzierbarkeit vorteilhaft) und kodiert den Momentenwunsch über den Duty Cycle bzw. Tastgrad. Beispielsweise entspricht ein Duty Cycle von 5% dem maximal generatorischen Moment und 95% dem maximal motorischen Moment. Dazwischenliegende Momente werden entsprechend der Duty Cycle Diskretisierung mit Werten zwischen 5% und 95% kodiert. Durch einen Sicherheitsabstand zu 0% (dauerhaft Low-Pegel) und 100% (dauerhaft High-Pegel) wird vermieden, dass fälschlicherweise keine PWM-Frequenz mehr ausgegeben wird. www.dehns.com Ein fünfter Betriebszustand betrifft den Abschaltvorgang des Verbrennungsmotors. Diesen Zustand kann das Motor- Steuergerät durch einen dauerhaften Low- oder High- Pegel signalisieren. Wird das Motor- Steuergerät abgeschaltet und kann kein Low- Pegel mehr stellen, bleibt lediglich ein konstanter High-Pegel.
Ein sechster Zustand betrifft einen Fehlerzustand, bei welchem dem Inverter keine Informationen von dem Steuergerät vorliegen, beispielsweise, weil die Kommunikationsverbindung zwischen Inverter und Steuergerät getrennt wurde. In diesem Fall muss bei rotierendem Verbrennungsmotor die erzeugte elektrische Energie der elektrischen Maschine sinnvoll verarbeitet werden ohne die Fahrzeugbatterie zu überladen. Bei abgestelltem Motor darf sich der Inverter nicht selbstständig aktivieren und einen ungewollten Startvorgang durchführen.
Zeichnungen
Figur 1 zeigt ein Fahrzeug 10, das als ein Zweirad ausgebildet ist.
Figur 2 zeigt ein ISG System für ein Fahrzeug, das als Zweirad ausgebildet ist.
Figur 3 zeigt eine mögliche Realisierung eines PWM - Signals.
Beschreibung
Figur 1 zeigt ein Fahrzeug 10, das als ein Zweirad ausgebildet ist mit einem Verbrennungsmotor 11.
Das Fahrzeug 10 weist ein ISG-System auf, wie es in Figur 2 dargestellt ist, mit einem integrierten Starter Generator (ISG) 12, einem Motor- Steuergerät 14 und einem separaten Inverter 16. Der Inverter 16 ist nicht in das Steuergerät 14 intergiert, sondern in einem separaten Gehäuse 18 verbaut. Der Inverter 16 umfasst einen eigenen Prozessor 20.
Eine Kommunikation zwischen dem Steuergerät 14 und dem Inverter 16 erfolgt über zwei digitale Spannungslevel auf einer Signalleitung S1 am Ausgang des Steuergeräts 14 und am Eingang des Inverters 16. Das Spannungsniveau des High-Levels wird dabei auf der Seite des Inverters 16 definiert, indem ein Pull-Up-Widerstand RL den Signaleingang des Inverters 16 auf ein definiertes positives Potential bringt. Das positive Signal kann 5V, 12V oder Batteriespannung betragen. Der Ausgang des Steuergeräts 14 wird so gewählt, dass keine aktive Ausgabe einer positiven Spannung möglich ist. Lediglich ein aktives Schalten des Ausgangs des Steuergeräts 14 auf Low-Level ist möglich, wobei Low-Level OV bzw. Masse des Fahrzeugs 10 beträgt. Das Schalten erfolgt mittels eines Low-Side- Schalters 22. Der Low Side Schalter 22 kann beispielsweise als Open-Kollektor- MOSFET-Ausgang realisiert sein.
Damit liegt am Eingang des Inverters 16 immer ein High-Level vor, wenn der Low Side Schalter 22 nicht aktiv des Ausgangs des Steuergeräts 14 auf Low-Level schaltet. Es kann jedoch auch im Fehlerfall ein Low-Level vorliegen. Ein Fehlerfall ist beispielsweise ein Masseschluss der Signalleitung S1 gegen die Karosserie des Fahrzeugs 10 oder dergleichen. Gemäß dem vorgeschlagenen Kommunikationsprotokoll wird der Inverter 16 in verschiedenen Zuständen betrieben.
Für den Inverter lassen sich über den gesamten Betriebsbereich sechs Zustände definieren:
Zustand 1 - Deaktivierter Zustand:
In einem ersten, deaktivierten Zustand ist das Fahrzeug 10 abgestellt. Der Strom in der elektrischen Maschine 12 ist nach dem letzten Abschaltvorgang auf 0A abgesunken. Solange kein aktives Low-Signal am Ausgang des Steuergeräts 14 vorliegt, befindet sich der Inverter 16 in einem Energiesparbetrieb mit reduzierten Funktionen. Es erfolgt lediglich eine Überwachung des Eingangs des Inverters 16 zur Detektion eines kommenden Low-Levels.
Alternativ kann ein Signal am Eingang des Inverters 16 derart angelegt werden, dass der Prozessor 20 erst bei Zündung aktiviert wird. Außerdem ist es möglich, dass mit Anliegen eines Low-Signals der Prozessor 20 erst über eine analoge Schaltung mit Spannung versorgt wird. Damit kann der Stromverbrauch im ausgeschalteten Zustand reduziert werden.
Optionaler Zustand 2 - Aktivierter Zustand
In einem zweiten, aktivierten Zustand, befindet sich die elektrische Maschine 12 im Stillstand. Der Inverter 16 ist aktiviert und wartet auf den Befehl zum Starten der elektrischen Maschine 12. Sobald der Ausgang des Steuergerät 14 auf Low-Level geschaltet ist, aktiviert sich der Inverter 16 und ist vollumfänglich funktionsbereit. Somit kann das Steuergerät 14 sofort bei Erkennen des Startbefehls ein Startvorgang begonnen werden.
Alternativ kann auf diesen Zustand verzichtet werden. In diesem Fall wartet der Inverter 16 im deaktivierten Zustand 1 auf den Startbefehl.
Zustand 3 - Startvorgang:
Ein dritter Zustand betrifft den Startvorgang zum Anlassen des Verbrennungsmotors 11. Das Steuergerät 14 sendet einen entsprechenden Befehl zum Starten des Verbrennungsmotors 11 an den Inverter 16. Ein entsprechendes PWM Signal zum Kodieren des Befehls kann ein schnelles Schalten zwischen High- und Low-Pegel sein.
Hierbei sind verschiedene Varianten möglich:
Variante 1:
Das Steuergerät 14 taktet das PWM-Signal mit gleichbleibender Frequenz und konstantem Duty Cycle. Der Duty Cycle ist dabei das Verhältnis zwischen der Dauer des High-Levels zur gesamten PWM-Periodendauer bestehend aus je einer Phase mit High-Pegel und einer Phase mit Low-Pegel. Die Frequenz kann dabei 20kHz betragen. Der Duty Cycle beträgt hierbei 50%
Erkennt der Inverter 16 das PWM-Signal mit dieser definierten Frequenz, führt er den Startvorgang durch. Sobald das Steuergerät 14 Signale ausgibt, die einem vierten Zustand entsprechen, wird in Zustand 4 gewechselt.
Variante 2:
Unter Umständen ist es notwendig, während des Startvorgangs den Verbrennungsmotor 11 erst einmal entgegen der Laufrichtung zu drehen. Falls der Inverter 16 die dafür notwendige Logik mangels Informationen über den Zustand des Verbrennungsmotors 11 nicht selbstständig umsetzen kann, muss diese im Steuergerät 14 vorgesehen werden. Dafür muss das Steuergerät 14 die Drehrichtung des Verbrennungsmotors 11 während des Startvorgangs bestimmen können. Eine mögliche Kodierung der Drehrichtung kann im Duty Cycle des in Variante 1 beschriebenen PWM-Signals enthalten sein. Beispielsweise kann mit einem Duty Cycle von 33% die Rückwärtsrichtung und mit einem Duty Cycle von 66% die Vorwärtsrichtung als Drehrichtung vorgegeben werden.
Alternativ können zwei verschiedene, aber konstante Frequenzen für die Drehrichtungen verwendet werden. Beispielsweise 18 kHz für die Vorwärtsrichtung und 22 kHz für die Rückwärtsrichtung.
Zustand 4 - Normaler Betriebszustand:
In einem vierten, normalen Betriebszustand läuft der Verbrennungsmotor 11 im normalen Verbrennungsbetrieb. Die elektrische Maschine 12 kann dann mittels Inverter 16 auch im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden.
Dafür teilt das Steuergerät 14 dem Inverter 16 mit, welches elektrische Moment gerade Gewünscht ist.
Zur Übertragung dieser Information an den Inverter 16 können verschiedene Varianten eingesetzt werden.
Variante 1
Das Steuergerät 14 wechselt gegenüber dem vorherigen dritten Zustand auf eine andere konstante PWM- Frequenz, beispielsweise auf 10 kHz und kodiert den Momentenwunsch über den Duty Cycle. Zur besseren Differenzierbarkeit sind deutliche Frequenz-Unterschiede vorteilhaft. Beispielsweise entspricht ein Duty Cycle von 5% dem maximal generatorischen Moment und 95% dem maximal motorischen Moment. Dazwischenliegende Momente werden entsprechend der Duty Cycle Diskretisierung mit Werten zwischen 5% und 95% kodiert. Durch einen Sicherheitsabstand zu 0% (dauerhaft Low-Pegel) und 100% (dauerhaft High-Pegel) wird vermieden, dass fälschlicherweise keine PWM- Frequenz mehr ausgegeben wird. Variante 2
Das Steuergerät 14 kodiert den Momentenwunsch in der PWM- Frequenz.
Beispielsweise entspricht eine Frequenz von 5 kHz dem maximal generatorischen Moment und 15 kHz dem maximal motorischen Moment. Frequenzen dazwischen entsprechen dazwischenliegenden Momenten. Auch hier bietet sich eine deutliche Unterscheidung zu den Frequenzen aus Zustand 3 an, um den Umschaltvorgang von Zustand 3 nach 4 klar zu markieren.
Variante 3
Alternativ kann das Ansteuerverfahren des Inverters bei Verwendung einer reinen Block Kommutierung ohne PWM ein weiteres Signalpattern umgesetzt werden. Hierbei wechselt das Motor- Steuergerät vom PWM-Betrieb aus Zustand 3 auf ein drehzahlsynchrones Signal mit kurzen Pulsen, bei dem jeder kurze Puls für den Inverter das Umschalten in den nächsten Block der Block Kommutierung markiert.
Durch die Wahl entsprechend hoher PWM-Frequenzen in Variante 1 und 2, beziehungsweise der Möglichkeit in Variante 3 die Schaltvorgänge direkt zu triggern, kann ein sehr schnelles Einstellen der elektrischen Maschine auf das Wunschmoment erfolgen. Entsprechend sind kurbelwellensynchrone hochfrequente Unterstützungen des Verbrennungsmotors möglich.
Zustand 5 - Abschaltvorgang:
Ein fünfter Betriebszustand betrifft den Abschaltvorgang des Verbrennungsmotors 11.
Wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors 11 mit entsprechender Verzögerung bis zum Stillstand abfällt, erzeugt die elektrische Maschine 12 während dieser Zeit weiterhin Energie, die der Inverter 16 verarbeiten muss.
Diesen Zustand kann das Steuergerät 16 durch einen dauerhaften Low- oder High- Pegel signalisieren. Wird das Steuergerät 16 abgeschaltet, kann es keinen Low-Pegel mehr bereitstellen. Es bleibt lediglich ein konstanter High-Pegel. Wird in diesem Zustand erkannt, dass nur noch ein konstanter Pegel am Eingang des Inverters 16 vorliegt, kann der Inverter 16 die elektrische Maschine 12 derart betreiben, dass eine geeignete Schwelle der Batteriespannung nicht überschritten wird.
Sobald die elektrische Maschine 12 keine Energie mehr liefert, kann der Inverter 16:
• in Zustand 1 wechseln, falls ein High-Pegel am Eingang vorliegt,
• in Zustand 2 wechseln, solange ein Low-Pegel vom Steuergerät gehalten wird Entsprechend kann von Zustand 2 in 1 gewechselt werden, falls der Eingangspegel von konstant Low auf konstant High wechselt.
Während der Inverter in Betrieb ist, kann es zum Verlust des Steuersignals kommen. Folgende Szenarien sind dabei denkbar:
Ein Kurzschluss der Steuerleitung S1 gegen Fahrzeugmasse führt zu einem konstanten Low-Pegel am Eingang des Inverters 16.
Das Lösen eines Steckkontaktes führt zu einem dauerhaften High-Pegel am Eingang des Inverters 16.
Beide Fälle entsprechen dabei der Übergangsbedingung in Zustand 5. Alternativ können auch hochfrequente Signalstörungen auftreten.
Zustand 6 - Fehlerzustand:
Ein sechster Zustand betrifft einen Fehlerzustand, bei welchem dem Inverter 16 keine Informationen vom Steuergerät 14 vorliegen, weil beispielsweise die Kommunikationsverbindung zwischen Inverter 16 und Steuergerät 14 getrennt wurde. In diesem Fall muss bei rotierendem Verbrennungsmotor lldie erzeugte elektrische Energie der elektrischen Maschine 12 sinnvoll verarbeitet werden ohne die Fahrzeugbatterie zu überladen. Bei abgestelltem Motor 11 darf sich der Inverter 16 nicht selbstständig aktivieren und einen ungewollten Startvorgang durchführen.
Liegt kein plausibles Eingangssignal am Inverter 16 vor, sprich liegt ein konstanter Pegel oder mindestens eine Störung vor, kann der Inverter 16 die Signale für die Anforderung des Steuergeräts nicht interpretieren. Entsprechend verwaltet der Inverter 16 bei noch rotierender elektrischer Maschine 12 die erzeugte Energie wie in Zustand 5. Entsprechend führt ein Fehler während des Startvorgangs zu einem Abbruch und erneuten Stillstand des Motors 11, falls bis dahin nicht in den Verbrennungsbetrieb übergeleitet werden konnte.
Tritt der Fehler im Verbrennungsbetrieb und damit in Zustand 4 auf, wird die Batteriespannung auf einen zulässigen Wert eingeregelt, bis die elektrische Maschine 12 langsam genug rotiert, um keine Energie mehr liefern zu können. Ist das der Fall, kann in Zustand 1 gewechselt werden.
Ist Zustand 2 vorgesehen, wird in Zustand 2 gewechselt, falls der Fehlerfall zu einem dauerhaften Low-Pegel am Eingang des Inverters 16 führt. In diesem Fall kann eine maximale Verweildauer in Zustand 2 vorgesehen werden, um bei fehlendem Startbefehl in Zustand 1 zurück zu wechseln und Energie zu sparen. Kommt der Startbefehl erst im Anschluss, muss eine längere Startzeit in Kauf genommen werden.
Eine mögliche Realisierung des Signals ist in Figur 3 abgebildet.
Hierbei wird direkt aus Zustand 1 in Zustand 3 gewechselt und mit konstanter Frequenz und konstantem Duty Cycle ein Startvorgang ohne Richtungswechsel durch das Steuergerät 14 ausgeführt (Zustand 3, Variante 1).
Nach erfolgtem Start wird in Zustand 4 mit konstanter P WM- Frequenz und Kodierung des elektrischen Wunschmoments mittels Duty Cycle übergegangen (Zustand 4, Variante 1).
Am Ende stellt das Steuergerät 14 entweder die Ansteuerung ein um ein Abstellen zu signalisieren oder es tritt ein Fehlerfall mit konstantem Signalpegel auf. In beiden Fällen wird das Verhalten von Zustand 5 umgesetzt, bis die elektrische Maschine 12 und der Verbrennungsmotor 11 zum Stillstand kommen.
Es gibt eine zusätzliche Option mit zweiter Signalleitung zwischen dem Steuergerät 14 und dem Inverter 16.
Um die elektrische Maschine 12 entsprechend der jeweiligen Anforderung an das Moment zu betreiben, benötigt der Inverter 16 eine Information über die Position des Rotors, um die Statorspannungen geeignet einstellen zu können. Wird aus Kostengründen auf einen Rotor- Lagesensor verzichtet, können Algorithmen zur sensorlosen Lageschätzungen basierend auf Messung der Phasenströme angewandt werden. Hierbei müssen meist verschiedene Algorithmen und Schätzverfahren je nach Drehzahl des Rotors angewandt werden.
Um toleranter gegenüber Schätzfehlern zu werden, kann alternativ zu obigen Verfahren eine zweite Signalleitung zwischen das Steuergerät 14 des Verbrennungsmotors 11 und dem Inverter 16 dazu verwendet werden, an den Inverter
16 die aktuelle Kurbelwellenposition, die der Rotorposition entspricht, zu übertragen. Speziell, wenn in obigen Verfahren im Verbrennerbetrieb der Momentenwunsch mittels PWM (Zustand 4, Variante 1 oder 2) und nicht über Schaltpulse (Variante 3) übermittelt wird, benötigt der Inverter 16 über den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 11 die Positionsinformation des Rotors. Eine sensorbasierte
Information vom Steuergerät 14 kann gegebenenfalls robuster als eine sensorlose Schätzung sein und einen zuverlässigeren Betrieb der elektrischen Maschine ermöglichen.

Claims

Ansprüche
1. Fahrzeug (10), vorzugsweise Zweirad, mit einem Verbrennungsmotor (11), mit einem integrierten Starter Generator (12), einem Motorsteuergerät (14) und einem separaten Inverter (16), wobei der Inverter (16) in einem separaten Gehäuse (18) verbaut ist und wobei der Inverter (16) einen eigenen Prozessor (20) umfasst.
2. Verfahren zur Kommunikation zwischen einem Motorsteuergerät (14) und einem Inverter (16), wobei die Kommunikation zwischen dem Steuergerät (14) und dem Inverter (16) über zwei digitale Spannungslevel auf einer Signalleitung (Sl) am Ausgang des Steuergeräts (14) und am Eingang des Inverters (16) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Pull-Up-Widerstand (RL) den Signaleingang des Inverters (16) auf ein definiertes positives Potential bringt, wobei ein aktives Schalten des Ausgangs des Steuergeräts (14) mittels eines Low-Side-Schalters (22) auf Low-Level möglich ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei sich für den Inverter (16) sich über den gesamten Betriebsbereich sechs Zustände definieren lassen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei In einem ersten, deaktivierten Zustand der Strom in der elektrischen Maschine (12) auf 0A abgesunken ist, während sich der Inverter (16) in einem Energiesparbetrieb mit reduzierten Funktionen, solange kein aktives Low-Signal am Ausgang des Steuergeräts (14) vorliegt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei sich in einem zweiten, aktivierten Zustand, die elektrische Maschine (12) im Stillstand befindet, wobei der Inverter (16) aktiviert ist und somit das Steuergerät (14) sofort bei Erkennen des Startbefehls ein Startvorgang beginnen kann.
7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei in einem dritten Zustand das Steuergerät (14) einen entsprechenden Befehl zum Starten des Verbrennungsmotors (11) an den Inverter (16) sendet, wobei ein entsprechendes PWM Signal zum Kodieren des Befehls ein schnelles Schalten zwischen High- und Low-Pegel sein kann.
8. Verfahren nach Anspruch 4, wobei In einem vierten Betriebszustand der Verbrennungsmotor 11 in einem normalen Verbrennungsbetrieb läuft, wobei die elektrische Maschine 12 mittels Inverter 16 sowohl im Motorbetrieb, als auch im Generatorbetrieb betrieben werden kann.
9. Verfahren nach Anspruch 4, wobei Ein fünfter Betriebszustand den Abschaltvorgang des Verbrennungsmotors (11) betrifft, wobei diesen Zustand das Steuergerät 16 durch einen dauerhaften Low- oder High-Pegel signalisieren kann.
10. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein sechster Zustand einen
Fehlerzustand betrifft, bei welchem dem Inverter (16) keine Informationen vom Steuergerät (14) vorliegen.
11. Vorrichtung, insbesondere ein Integriertes Starter-Generator-System mit einem integrierten Starter Generator (12), einem Motorsteuergerät (14) und einem separaten Inverter (16), wobei der Inverter (16) in einem separaten Gehäuse (18) verbaut ist und wobei der Inverter (16) einen eigenen Prozessor (20) umfasst, zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 10.
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