DE102011078958B4 - Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine (100; 201) in einem Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Maschine eine Ständerwicklung (11), eine Läuferwicklung (12), einen der Läuferwicklung (12) zugeordneten Feldregler (15) und eine der Ständerwicklung (11) nachgeschaltete Stromrichterkomponente (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 eine dabei rückgewonnene Bremsenergie gespeichert wird,
wobei in einem zweiten Generatorbetriebsmodus (Mod 3) bei einer Drehzahl der elektrischen Maschine (100; 201) unterhalb eines Drehzahlschwellenwerts der Erregerstrom in Abhängigkeit vom Ladezustand einer zu ladenden Batterie (202, 205) so vorgegeben wird, dass die Batterie nicht über einen ersten Ladeschwellenwert hinaus aufgeladen wird,
wobei in einem dritten Generatorbetriebsmodus (Mod 4) bei der Drehzahl der elektrischen Maschine (100; 201) oberhalb des Drehzahlschwellenwerts der Erregerstrom in Abhängigkeit vom Ladezustand der zu ladenden Batterie (202, 205) so vorgegeben wird, dass die Batterie nicht über einen zweiten Ladeschwellenwert hinaus aufgeladen wird.

Description

• 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 Klauenpolgeneratoren 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 bezeichnet, bei denen eine elektrische Maschine als Generator mit möglichst gro-ßem 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.
• Die DE 44 30 670 A1 zeigt eine Steuervorrichtung für einen elektrischen Generator/Motor, die eine Überladung und einen unzureichenden Ladungszustand einer elektrischen Leistungsspeichereinrichtung verhindern kann. Eine Steuereinrichtung steuert den elektrischen Generator/Motor in der elektrischen Generatorbetriebsart, wenn ein Gesamtwert der rückspeicherbaren elektrischen Energie, die auf der Basis des Fahrzeugzustands berechnet wird, und eines momentanen Ladungszustands der elektrischen Speichereinrichtung kleiner als ein bestimmter Referenz-Ladungszustand ist. Die Steuereinrichtung führt die Motorbetriebsart des Generators/Motors, d.h. das Anlegen von Drehmoment, innerhalb eines Bereichs durch, in dem der Ladungszustand der elektrischen Speichereinrichtung nicht unterhalb eines bestimmten Minimal-Ladungszustands fällt, der zum Ansteuern der Fahrzeug-Hilfseinrichtungen benötigt wird. Die Steuereinrichtung bewirkt eine Motorbetriebsart des elektrischen Generators/Motors mit sich kontinuierlich ändernder rückspeicherbarer elektrischer Energie, die in einer positiven Korrelation zu einem effektiven Betätigungsmaß eines Bremspedals steht. Die Steuereinrichtung führt das Anlegen des Drehmoments durch, wenn ein Gesamtwert der rückspeicherbaren elektrischen Energie größer als ein bestimmter Minimal-Ladungszustandswert ist.
• Die DE 60 2004 012 838 T2 zeigt eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Verbrennungssteuereinheit, die den Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine bei einem Stoppen der Brennkraftmaschine steuert, einer Trägheitsenergie-Steuereinheit, die zu einem vorgegebenen Zeitpunkt einen vorgegebenen Zustand der Massenträgheitsenergie der Brennkraftmaschine einsteuert, und einer Stopp-Steuereinheit, die die Brennkraftmaschine unter Verwendung der Massenträgheitsenergie in einer vorgegebenen Kurbelwinkelstellung stoppt, wobei die Trägheitsenergie-Steuereinheit die Drehzahl der Brennkraftmaschine derart steuert, dass sie in einem Bereich einer vorgegebenen Maschinendrehzahl liegt, und die Massenträgheitsenergie durch einen zum Antrieb der Brennkraftmaschine vorgesehenen Motor steuert.
• Die AT 009 756 U1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Hybridantriebs eines Kraftfahrzeuges mit den Komponenten: Verbrennungskraftmaschine, Schaltgetriebe, mindestens eine elektrische Maschine, mindestens eine Kupplung und einen Energiespeicher, und mindestens eine angetriebene Achse, wobei ein maximaler Wirkungsgrad und Lebensdauer der Komponenten erreicht werden sollen. Dazu wird ausgehend von Fahrerwunsch und Betriebszustand entschieden, welche Betriebsmodi möglich sind, für die möglichen Betriebsmodi entschieden, welche Getriebegänge in Frage kommen, sodass eine größere Anzahl von Modi zur Auswahl steht. Für alle diese Modi werden dem Fahrerwunsch entsprechende Arbeitspunkte unter Berücksichtigung von Betriebszustand und Systemzustand ermittelt, die Modi bewertet und der am günstigsten bewertete Modus ausgewählt.
• Die DE 699 22 221 T2 zeigt ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln der Betätigung bzw. des Betriebs eines Hybridfahrzeugs, das in einer Mehrzahl von unterschiedlichen Arten bzw. Modi betreibbar bzw. betätigbar ist, wobei das Fahrzeug eine Verbrennungskraftmaschine zum Bereitstellen eines Drehmoments bis zu einer maximalen Drehmomentausgabe, eine Kupplungsvorrichtung zum selektiven Kuppeln oder Entkuppeln der Verbrennungskraftmaschine zu oder von den Rädern des Fahrzeugs, einen ersten Elektromotor, der als ein Generator betätigbar bzw. betreibbar ist und an die Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist, einen zweiten Elektromotor, der an Räder des Fahrzeugs gekoppelt ist, eine Batteriebank, um elektrische Energie von dem ersten Elektromotor zu akzeptieren und elektrische Energie dem zweiten Elektromotor zur Verfügung zu stellen, und eine Steuer- bzw. Regeleinheit zum Steuern bzw. Regeln der Tätigkeit bzw. des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine, des ersten und zweiten Elektromotors, der Kupplungsvorrichtung und des Flusses von elektrischer Energie zwischen den Elektromotoren und der Batteriebank aufweist, wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Arten zum Betätigen des Hybridfahrzeugs umfasst, wobei die Arten von Betriebs- bzw. Betätigungsparametern des Fahrzeugs und dem Betätigungsstatus von wenigstens einem Betätigungsglied abhängen, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu bestimmen: einen Autobahnfahrmodus bzw. Autobahncruisingmodus, in welchen eingetreten wird, wenn das Drehmoment, das durch das Fahrzeug gefordert wird, unter der maximalen Drehmomentausgabe der Verbrennungskraftmaschine ist und wobei die Verbrennungskraftmaschine mit den Rädern gekoppelt ist und das Fahrzeug durch das Drehmoment angetrieben wird, das durch diese Maschine zur Verfügung gestellt wird; und einen Beschleunigungsmodus, in welchen wenigstens eingetreten wird, wenn das Drehmoment, das durch das Fahrzeug gefordert wird, über der maximalen Drehmomentausgabe der Verbrennungskraftmaschine ist und wobei der zweite Elektromotor Drehmoment liefert, um das Fahrzeug anzutreiben. Es wird in einen Niedriggeschwindigkeitsmodus eingetreten, wenn das vom Fahrzeug benötigte Drehmoment unter einem festgelegten bzw. Einstellungspunkt ist, der als ein vorbestimmter Prozentsatz der maximalen Drehmomentausgabe vorbestimmt wird, wobei die Verbrennungskraftmaschine von den Rädern entkoppelt wird und die Maschine bzw. der Motor abgeschaltet wird und das Fahrzeug nur durch den zweiten Elektromotor angetrieben wird; es wird in einen Niedriggeschwindigkeits-Batterielademodus eingetreten, während das Hybridfahrzeug in dem Niedriglastmodus betrieben wird und der Zustand der Batteriebank sich unter einem vorbestimmten Niveau befindet, wobei die Verbrennungskraftmaschine den ersten Elektromotor antreibt, welcher elektrische Energie zu der Batteriebank zuführt; es wird in den Autobahnfahrmodus eingetreten, wenn das vom Fahrzeug benötigte Drehmoment über dem festgelegten Punkt liegt; und es wird in dem Beschleunigungsmodus die Verbrennungskraftmaschine mit den Rädern gekoppelt, so dass ihre maximale Drehmomentausgabe das Fahrzeug gemeinsam mit dem Drehmoment antreibt, das durch den zweiten Elektromotor zur Verfügung gestellt wird.
• Die DE 10 2010 029 299 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Systems für ein Kraftfahrzeug, wobei das System eine Steuerung, ein Hochspannungsbordnetz, ein Niederspannungsbordnetz, einen DC/DC-Wandler, der das Hochspannungsbordnetz und das Niederspannungsbordnetz verbindet, und eine elektrische Maschine, insbesondere einen Starter- oder Motorgenerator, umfasst. Um das System effizienter und mit einer höhere Funktionalität einsetzbar weiterzubilden, wird ein Betriebsmodus des Systems abhängig von Betriebsanforderungen, insbesondere eines Betriebszustands des Kraftfahrzeugs, variiert.
• Davon ausgehend stellt sich die Aufgabe, einen Hybrid- und/oder Rekuperationsbetrieb auch mit herkömmlichen elektrischen Maschinen wirtschaftlich möglich zu machen.
• Offenbarung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. 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 besondere 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 optimal 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 einem 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 Ansteuerung der Schaltelemente der Stromrichterkomponente 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 (IErr) 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 IErr 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 Ständerstromkomponenete 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: $$\left(\text{Id},\text{ Iq},\text{ IErr}\right)=\text{f}\left(\text{MWunsch},\text{ Drehzahl}\right).$$

  
• 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 die Stromrichterkomponente in diesem Betriebsmodus als Hochsetzsteller betrieben. Als Steuergrößen dienen wie im Modus 2 die Größen Id, Iq und IErr. Der Erregerstrom (IErr) 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: $$\left(\text{Id},\text{ Iq},\text{ IErr}\right)=\text{f}\left(\text{MSoll},\text{ Drehzahl}\right)$$

  
• Auch hier sollten eine maximale Ladespannung bzw. ein maximaler Ladestrom der Batterie nicht überschritten werden, so dass die Steuergrößen auch von diesen Batterieparametern abhängen können. Vorzugsweise erfolgt das Laden der Batterie nur bis zu einem ersten Ladeschwellenwert (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 Ansteuerung des Ständers über die natürliche Kommutierung vorgegeben ist. 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.
• Um die Batterie nach einer bestimmten Kennlinie zu laden, ist es möglich, Batteriestrom und/oder Batteriespannung als Sollgrößen vorzugeben: $$\text{IErr}=\text{f}\left(\text{USoll},\text{ Drehzahl}\right)\text{ bzw}.\text{ IErr}=\text{f}\left(\text{ISoll},\text{ Drehzahl}\right)$$

  
• Vorzugsweise erfolgt das Laden der Batterie nur bis zu einem zweiten Ladeschwellenwert. Weiter vorzugsweise ist der zweite Ladeschwellenwert höher als der erste Ladeschwellenwert.
• 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 IErr = 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 Ladeschwellenwert 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 Ladeschwellenwert aufgeladen. Der einzustellende Erregerstrom ergibt sich dann über ein Kennfeld der Form: IErr = 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 Ladeschwellenwert überschritten wird.
• Eine bevorzugte Auswahl der in einem jeweiligen Betriebsmodus relevanten Parameter ist in der Tabelle in 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 Segeln-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 deutlich 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.
• 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
• 1 zeigt eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einer Generatorkomponente und einer Stromrichterkomponente mit ansteuerbaren Schaltelementen, wie sie der Erfindung zugrunde liegen kann.
• 2 zeigt eine Ausführungsform eines Rekuperationssystems eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine, insbesondere gemäß 1.
• 3 zeigt einen Zusammenhang zwischen Betriebsmodus und Batterieladezustand gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
• 4 zeigt eine bevorzugte Auswahl der in einem jeweiligen Betriebsmodus relevanten Parameter für die oben beschriebenen acht Betriebsmodi.
• Ausführungsform(en) der Erfindung
• In 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 11 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 Leistungsschalters 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 11 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 ausgewertet 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 Ansteuereinrichtung 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 höhere 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 2 ist ein Rekuperationssystem eines Kraftfahrzeugs, wie es der vorliegenden 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 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 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 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 Schwellenwerten von Maschinendrehzahl, Wunschmoment, Temperatur und SOC. Der Erregerstrom wird dann dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechend vorgegeben.
• Aus 3 gehen auch die beschriebenen Ladeschwellenwerte hervor. Der erste Ladeschwellenwert 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 (14)

1. Verfahren zum Betreiben einer mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine (100; 201) in einem Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Maschine eine Ständerwicklung (11), eine Läuferwicklung (12), einen der Läuferwicklung (12) zugeordneten Feldregler (15) und eine der Ständerwicklung (11) nachgeschaltete Stromrichterkomponente (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 eine dabei rückgewonnene Bremsenergie gespeichert wird, wobei in einem zweiten Generatorbetriebsmodus (Mod 3) bei einer Drehzahl der elektrischen Maschine (100; 201) unterhalb eines Drehzahlschwellenwerts der Erregerstrom in Abhängigkeit vom Ladezustand einer zu ladenden Batterie (202, 205) so vorgegeben wird, dass die Batterie nicht über einen ersten Ladeschwellenwert hinaus aufgeladen wird, wobei in einem dritten Generatorbetriebsmodus (Mod 4) bei der Drehzahl der elektrischen Maschine (100; 201) oberhalb des Drehzahlschwellenwerts der Erregerstrom in Abhängigkeit vom Ladezustand der zu ladenden Batterie (202, 205) so vorgegeben wird, dass die Batterie nicht über einen zweiten Ladeschwellenwert hinaus aufgeladen 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 (100; 201) 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.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Ladeschwellenwert höher als der erste Ladeschwellenwert ist.
8. 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.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Erregerstrom so vorgegeben wird, dass ein oberer Temperaturschwellenwert der zu ladenden Batterie (202, 205) nicht überschritten wird.
10. 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 (11) induziert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die elektrische Maschine (100; 201) 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 Ladeschwellenwert überschreitet.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Erregerstrom in einem Abschaltbetriebsmodus (Mod 7) ausgeschaltet wird.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (100; 201) in einem Motorbetriebsmodus (Mod 1, Mod 2) mit einer Spannung oberhalb der üblichen Bordnetzspannung betrieben wird.
14. Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.

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