Titel

Verfahren zum Betreiben einer fremderregten elektrischen Maschine, entsprechend eingerichtete Recheneinheit und Bordnetz

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremderregten elektrischen Maschine, eine entsprechend eingerichtete Recheneinheit und ein Bordnetz mit einer solchen Recheneinheit.

Stand der Technik

Elektrische Maschinen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen sind seit langem in Form des Anlassers (Motor) und der Lichtmaschine (Generator) bekannt. Die Generatoren moderner Fahrzeuge sind üblicherweise als Drehstromgeneratoren in Klauenpolbauweise mit elektrischer (Fremd-)Erregung ausgebildet. Zur Gleichrichtung des erzeugten Drehstroms werden in der Regel Gleichrichter auf Basis von Halbleiterdioden verwendet.

Aufgrund des steigenden Bedarfs an elektrischer Energie im Fahrzeug, des Bemühens nach reduziertem Kraftstoffverbrauch und geringeren Emissionen sowie des Wunschs, die Vorteile eines Elektromotors mit jenen eines Verbrennungsmotors kombinieren zu können, werden jedoch auch zunehmend elektrische Maschinen mit Doppelfunktion, sogenannte Startergeneratoren, eingesetzt.

Startergeneratoren sind elektrische Maschinen, die in einem Fahrzeug je nach Bedarf als Elektromotoren oder als Generatoren betrieben werden können. Als Generatoren müssen Startergeneratoren alle Aufgaben übernehmen können, die herkömmlicherweise der Lichtmaschine zukommen, nämlich die elektrische Versorgung des Bordnetzes und das Laden der Fahrzeugbatterie. Als Elektromoto- ren müssen Startergeneratoren beim Start des Verbrennungsmotors dessen Kurbelwelle in kurzer Zeit auf die erforderliche Startdrehzahl bringen.

Der Einsatz der Startergeneratoren ist jedoch nicht auf die genannten Funktionen beschränkt. Bei entsprechend großer Nennleistung kann ein Startergenerator im motorischen Betrieb den Verbrennungsmotor beim Antreiben unterstützen, z.B. beim Beschleunigen im sogenannten Boostbetrieb und zur Turboloch-Kompensation. Beim Bremsen kann durch einen generatorischen Betrieb eines Startergenerators ein Teil der Bremsenergie zurückgewonnen (rekuperiert) werden. Entsprechende Antriebe werden als Hybridantriebe bezeichnet.

Insbesondere in Fahrzeugen mit Start-Stopp-Automatik ist ein möglichst schneller (Wieder-)Start der Brennkraftmaschine wünschenswert. Hierzu ist ein möglichst schneller Aufbau des Erregerstroms in der Erregerspule (Läufer) der jeweils verwendeten elektrischen Maschine (herkömmlicher Generator oder Startergenerator) erforderlich. Im generatorischen Betrieb soll der Erregerstrom möglichst schnell reduziert werden können, um in Lastabfallssituationen Spannungsspitzen im Bordnetz zu vermeiden.

Der Erregerstrom wird in entsprechenden elektrischen Maschinen in der Regel über ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal eingestellt, wobei bei dauerhafter Ansteuerung (also einem Tastverhältnis bzw. Tastgrad des Spannungssignals von 100% bzw. 1 ) ein Erregerstrom mit einer Nennstromstärke fließt. Hierbei handelt es sich um die Stromstärke, mit dem eine Erregerspule der Maschine im Regelbetrieb dauerhaft betrieben wird und für die diese ausgelegt ist.

Nach dem Einstellen des Tastverhältnisses von 100% wird aufgrund der hohen Induktivität der Erregerwicklung die Nennstromstärke erst mit einer gewissen Verzögerung, z.B. erst nach 300 ms, erreicht. Diese Verzögerung verlangsamt den Motorstart entsprechend und ist daher nicht zufriedenstellend.

Es besteht daher der Bedarf nach entsprechenden Verbesserungen, insbesondere in Fahrzeugen mit Start-Stopp-Automatik. Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer fremderregten elektrischen Maschine, insbesondere eines Generators eines Kraftfahrzeugs, ein für einen entsprechenden Betrieb eingerichtetes Bordnetz sowie eine zugehörige

Steuereinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Vorteile der Erfindung

Die vorliegende Erfindung geht von einem Verfahren zum Betreiben einer fremderregten elektrischen Maschine, insbesondere eines Generators eines Kraftfahrzeugs, aus, bei dem eine Erregerwicklung der elektrischen Maschine in einem Regelbetrieb während eines Regelbetriebszeitraums mit einem Erregerstrom mit einer Nennstromstärke beaufschlagt wird.

Ein "Regelbetrieb" sei im Rahmen dieser Anmeldung als Betriebsart verstanden, die in einer entsprechenden Maschine für einen längeren Zeitraum aufrecht er- halten wird, während dessen diese ihre jeweilige Aufgabe erfüllt. Beispielsweise handelt es sich hierbei um einen Zeitraum, während dessen ein Generator ein entsprechendes Drehmoment in eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine einleitet, um diese zu starten, oder während derer ein Startergenerator die Brennkraftmaschine, z.B. zur Überwindung eines Turbolochs, unterstützt. Ein entspre- chender "Regelbetriebszeitraum" ist ein Zeitraum, während dessen der Startergenerator im Regelbetrieb läuft.

Im Gegensatz dazu sei unter einer "Startphase" ein Zeitraum unmittelbar nach dem Einschalten eines Erregerstroms verstanden. Dieser Zeitraum liegt in der Regel nur so lange vor, bis der Erregerstrom, wie zuvor erläutert, einen gewünschten Wert (nachfolgend als "Nennstromstärke" bezeichnet) erreicht hat. Während des Regelbetriebszeitraums wird die Erregerspule dann mit einem Erregerstrom mit der Nennstromstärke beaufschlagt. Die entsprechende elektrische Maschine ist baulich für einen Dauerbetrieb in dieser Nennstromstärke ausgelegt und liefert bei dieser ein maximales Moment (im motorischen Betrieb) oder eine maximale Spannung (im generatorischen Betrieb), ohne dass die thermische Belastung der Erregerspule einen zulässigen Wert überschreitet. Bei einem Betrieb mit höherem Strom würde zwar gegebenenfalls (kurzzeitig) eine noch höhere Leistung erzielt, die Erregerspule jedoch überlastet und möglicherweise beschädigt.

Sowohl während des Regelbetriebszeitraums als auch während der Startphase wird durch Anlegen eines pulsweitenmodulierten Spannungssignals mit einem Tastverhältnis und einem Spannungswert an die Erregerwicklung der Maschine ein Stromfluss durch die Erregerwicklung induziert. Der Spannungswert des pulsweitenmodulierten Spannungssignals, also die Amplitude der Pulse, wird in der Regel durch die jeweils verwendete Spannungsquelle, z.B. eine Starterbatterie, fest vorgegeben. Gemäß dem Stand der Technik sind die elektrische Ma- schine und die Spannungsquelle so aufeinander abgestimmt, dass bei einem

Tastverhältnis des Spannungssignals von 100% (mit einer gewissen Verzögerung) ein Erregerstrom mit der Nennstromstärke durch die Erregerspule fließt.

Der Begriff "Tastverhältnis" wird im Rahmen dieser Anmeldung synonym zu ei- nem "Tastgrad" verwendet und gibt für die periodische Folge von Spannungsimpulsen des pulsweitenmodulierten Spannungssignals das Verhältnis der Impulsdauer zur Impulsperiodendauer an.

Der herkömmliche Betrieb eines Generators beim Start eines Verbrennungsmo- tors erfolgt, wie auch unten zu Figur 3A erläutert, derart, dass zum Startzeitpunkt das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Spannungssignals von 0% auf 100% gesetzt wird. Der Erregerstrom erreicht dann mit einer gewissen Verzögerung die Nennstromstärke. Erfindungsgemäß wird eine Kombination aus einer Spannungsquelle und einer

Erregerspule verwendet, die bewirkt, dass der Erregerstrom mit der Nennstromstärke bereits unterhalb des maximalen Tastverhältnisses fließt. In herkömmlicher Betrachtungsweise würde dies bedeuten, dass die eingesetzte Erregerspule für die verwendete Spannungsquelle "unterdimensioniert" (oder entsprechend die Spannungsquelle für die Erregerspule "überdimensioniert") wäre. Der Erregerstrom mit der Nennstromstärke fließt erfindungsgemäß daher bereits bei einem Tastverhältnis (im Rahmen der vorliegenden Anmeldung als "erstes" Tastverhältnis bezeichnet) von unter 100%.

Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass, wenn die Erregerspule für einen kurzen Zeitraum unmittelbar nach dem Beginn der Bestromung mit einem Spannungssignal mit einem Tastverhältnis (im Rahmen dieser Anmeldung als "zweites" Tastverhältnis bezeichnet) angesteuert wird, das in einem Dauerbetrieb zu einem Stromwert führen würde, der über der Nennstromstärke läge, die Nennstromstärke sehr viel schneller erreicht werden kann. Die Erregerspule muss dabei nicht für einen Dauerbetrieb mit dem zweiten Tastverhältnis ausgebildet sein. Eine thermische Zerstörung der Erregerspule lässt sich dadurch vermeiden, dass der entsprechende Ansteuerzeitraum ausreichend kurz gewählt wird. Wie erwähnt, kommt es beim Erreichen der jeweiligen Stromwerte in einer Erregerspule aufgrund der Spuleninduktivität stets zu gewissen Verzögerungen. Der Strom- fluss durch die Erregerspule baut sich also erst über einen bestimmten, feststellbaren Zeitraum (erfindungsgemäß z.B. in etwa 50 ms) auf. Eine Beaufschlagung der Erregerspule mit einem Überstrom kann daher dadurch vermieden werden, dass das Tastverhältnis nach kurzer Zeit wieder reduziert wird.

Um den Zeitraum, bis der Stromfluss mit der Nennstromstärke durch die Erregerspule fließt, möglichst kurz zu halten, wird als zweites Tastverhältnis vorzugsweise ein Tastverhältnis von 100% verwendet, die Erregerspule also dauerhaft mit Spannung beaufschlagt. Das erste Tastverhältnis, bei dem der Stromfluss die

Nennstromstärke aufweist, beträgt vorzugsweise z.B. 25 bis 40% des zweiten Tastverhältnisses oder weniger als 70%, weniger als 60%, weniger als 50%, weniger als 40%, weniger als 30%, weniger als 20% oder weniger als 10% absolut oder bezüglich des zweiten Tastverhältnisses. Werden die genannten Werte verwendet, lassen sich in einfacher und kostengünstiger Weise Standardbauteile für die Realisierung der Erfindung einsetzen.

Die bevorzugte Batteriespannung für das beschriebene Antriebssystem beträgt 48 V anstelle der 14 V einer konventionellen Batterie. Wird eine Erregerwicklung eingesetzt, die baugleich zu derjenigen eines 14 V-Generators ist, ergibt sich ein Tastverhältnis von ca. 30% (14/48). Die Batteriespannung variiert je nach Ladezustand und/oder Alter der Batterie sowie abhängig vom aktuellen Batteriestrom, so dass der Vorzugsbereich zwischen 25%-40% liegt. Wird das System mit einer anderen Spannung betrieben, z.B. 28 V wie derzeit im LKW-Bereich verbreitet, ergibt sich ein Tastverhältnis von 50%.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich also dadurch realisieren, dass zur Bereitstellung des pulsweitenmodulierten Spannungssignals eine zusätzliche Spannungsquelle in einem Bordnetz verwendet wird. Hierbei kann es sich z.B. um eine zusätzliche Batterie mit einer Spannung von 48 V (gegenüber der regulären Batterie mit 14 V) handeln.

Wird zur Beaufschlagung der Erregerwicklung der elektrischen Maschine mit dem Spannungssignal eine entsprechende weitere Spannungsquelle bereitgestellt, die eine höhere Spannung liefert, sind keine baulichen Anpassungen einer elektrischen Maschine erforderlich und das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich damit in einfacher und kostengünstiger Weise regelungstechnisch, z.B. in einem entsprechenden Steuergerät, implementieren.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen lässt sich der Zeitraum, bis der Erregerstrom die Nennstromstärke erreicht, und damit der Zeitraum für einen Motorstart, signifikant verringern, beispielsweise von herkömmlicherweise 300 ms auf weniger als 50 ms. Gleichzeitig ermöglichen die erfindungsgemäßen Maßnah- men eine Schnellabschaltung, so dass im generatorischen Betrieb einer entsprechenden elektrischen Maschine sehr schnell auf Lastabschaltungen reagiert werden kann. Hierdurch lassen sich durch sogenannte Lastabwürfe verursachte Spannungsspitzen reduzieren. Hierbei kann beispielsweise ein Verfahren zum Einsatz kommen, wie es in der DE 198 35 316 A1 beschrieben ist. Dort wird zur Schnellentregung vorgeschlagen, mit Hilfe eines aktiven Schaltelements, z.B. eines MOSFET, den Erregerstromkreis über das Bordnetz zu schließen. Wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Batteriespannung erhöht, wird die Entre- gungszeit analog zum Erregerstromaufbau deutlich reduziert. Die Erregerspule kann in diesem Zusammenhang als Stromquelle betrachtet werden, deren Ener- gie über ein angeschlossenes Bauteil, in der beschriebenen Ausgestaltung eine Batterie, abgebaut werden muss. Die in der Batterie umgesetzte Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom. Da der Strom von der Erregerspule eingeprägt wird, erhöht sich die Leistung, je höher die Batteriespannung ist. Insgesamt ergibt sich damit eine höhere Reglerdynamik im Erregerstromkreis.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. einer erläuterten Steuereinrichtung (insbesondere ein Feldregler für eine Läuferwicklung), ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, indem insbesondere eine Läuferwicklung entsprechend bestromt wird.

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. Die Software kann in einem Feldregler ausgeführt werden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt einen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung betreibbaren Startergenerator in Form eines Schaltbilds.

Figur 2 zeigt einen Feldregler, der zum Betrieb eines Startergenerators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden kann.

Figur 3A zeigt einen Stromverlauf beim Bestromen einer Erregerwicklung eines Startergenerators gemäß dem Stand der Technik.

Figur 3B zeigt einen Stromverlauf beim Bestromen einer Erregerwicklung eines Startergenerators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Ausführungsform(en) der Erfindung

Figur 1 zeigt einen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung betreibbaren Startergenerator in Form eines Schaltbilds. Der Startergenerator ist insgesamt mit 100 bezeichnet und weist einen Stator 2 mit drei Phasen 21 , 22, 23 auf.

Eine Feldwicklung 4 ist vorgesehen, die über Taktmittel 5, z.B. einem geeigneten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), mit einem pulsweiten- modulierten Spannungssignal einer Spannungsquelle 10, z.B. einer Batterie, beaufschlagt werden kann. Das Taktmittel 5 wird hierzu z.B. an einem Gate- Anschluss G über eine Steuereinheit 6 mit einem Ansteuersignal angesteuert.

Die Steuereinheit 6 kann über Schnittstellen 7, 8 mit einer Gleichrichtersteuerung 3 verbunden sein, die über Ausgänge 3' aktive Schaltelemente 1 eines Gleichrichters 9, der an die Phasen 21 , 22, 23 des Stators 2 angeschlossen ist, z.B. entsprechend einer Rotorlage, ansteuert. Bei den aktiven Schaltelementen 1 des Gleichrichters 9 kann es sich ebenfalls um entsprechende MOSFETs handeln, die für die jeweiligen Ströme bzw. Spannungen ausgelegt sind. Die Spannungsquelle 10 liefert zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhafterweise eine höhere Spannung (z.B. 48 V) als eine reguläre Bordnetzspannung (z.B. 14 V), die zur Speisung der regulären Verbraucher im Bordnetz bereitgestellt ist. Der Startergenerator 100 stellt vorteilhafterweise ebenfalls die höhere Spannung bereit. Diese kann z.B. mittels eines nicht dargestellten Gleichspannungswandlers auf eine geringere Bordnetzspannung gewandelt werden.

Die Feldwicklung 4 ihrerseits ist jedoch für einen Dauerbetrieb mit einer niedrigeren Spannung, z.B. der regulären Bordnetzspannung von 14 V bei einem Tastverhältnis von 100%, eingerichtet. Würde die Feldwicklung 4 in der dargestellten Anordnung daher mit dem Tastverhältnis von 100% betrieben, käme es gegebenenfalls zu einer thermischen Zerstörung.

Die Feldwicklung 4 wird daher während eines Regelbetriebszeitraums in einem Regelbetriebsmodus mit einem sehr viel geringeren Tastverhältnis betrieben und nur in einer Startphase mit einem Tastverhältnis von 100% angesteuert, so dass der Strom durch die Feldwicklung 4 den Sollstromwert sehr rasch erreicht.

Figur 2 zeigt, insgesamt mit 1 10 bezeichnet, eine Anordnung mit einem Feldregler, der zum Betrieb eines Startergenerators 100 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden kann.

Der Feldregler 1 10 weist, wie erläutert, ein beispielsweise als MOSFET ausgebildetes Taktmittel 5 auf, dessen Drain-Anschluss mit einem positiven Spannungspol B+ einer entsprechenden Spannungsquelle 10, z.B. einer 48 V liefernden Batterie, verbunden ist. Der Source-Anschluss des Taktmittels 5 ist, z.B. über eine erste Kohlebürste, mit dem positiven Anschluss F+ der Läuferwicklung 4 verbunden, der negative Anschluss F- der Läuferwicklung 4 ist, z.B. über eine zweite Kohlebürste, mit Masse GND verbunden. Parallel zur Lauferwicklung ist in Sperrrichtung eine Freilaufdiode geschaltet.

Das Taktmittel 5 wird, z.B. an seinem Gate-Anschluss G, mit einem getakteten Signal angesteuert, über dessen Tastverhältnis sich die Höhe des Erregerstroms einstellen lässt. Bei einem konventionellen Startergenerator gemäß dem Stand der Technik ist, wie mehrfach erläutert, die Läuferwicklung 4 so ausgelegt, dass bei dauerhaft angeschalteter Spannung (also einem Tastverhältnis von 100%) der Erregerstrom mit einer Nennstromstärke fließt. Diese Nennstromstärke ist so dimensioniert, dass ein entsprechender Strom im für den Generatorbetrieb relevanten Drehzahlbereich dauerhaft fließen kann, ohne dass sich die Erregerwicklung übermäßig stark erwärmt.

Erfindungsgemäß wird hingegen ein Startergenerator 100 so dimensioniert, dass durch seine Läuferwicklung 4 bereits bei einem Tastgrad von signifikant weniger als 100% der Erregerstrom mit einer Nennstromstärke fließt, bspw. bei einem Tastgrad von 30%.

Die Figuren 3A und 3B zeigen Stromverläufe beim Bestromen einer Erregerwicklung eines Startergenerators gemäß dem Stand der Technik und gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In den jeweiligen Diagrammen der Figuren 3A und 3B sind dabei Tastverhältnisse P und Stromsignale I über eine Zeit t in Sekunden auf der Abszisse aufgetragen. Eine erste Ordinate Y1 gibt jeweils die für die aufgetragenen Tastverhältnisse P relevante Skala in Prozent, eine zweite Ordinate Y2 jeweils die für die aufgetragenen Stromsignale I relevante Skala in Ampere an.

In dem in Figur 3A veranschaulichten Ansteuerverlauf gemäß dem Stand der Technik wird das Tastverhältnis P zu einem Startzeitpunkt von 0,0 Sekunden schlagartig von 0 auf 100% erhöht. Aufgrund der in einer entsprechenden Läuferwicklung 4 vorliegenenden hohen Induktivität stellt sich die Nennstromstärke N des Erregerstroms I jedoch erst mit einer gewissen Zeitverzögerung - vorliegend ca. 300 ms - ein. Die Läuferwicklung 4 ist für einen Dauerbetrieb mit einem Tastverhältnis von 100% eingerichtet.

Die erfindungsgemäße Ansteuerung ist in Figur 3B veranschaulicht. Es kann sich hierbei um dieselbe Läuferwicklung 4 wie in Figur 3A handeln, die jedoch mit einer Spannung von 48 V - anstatt, wie in Figur 3A, 14 V - beaufschlagt wird. Hierdurch wird erreicht, dass die Nennstromstärke N des Erregerstroms I bereits bei einem Tastverhältnis von ca. 30% erreicht wird.

Wird nun im während eines kurzen Zeitraums nach dem Einschalten, vorliegend für weniger als 50 ms, die Läuferwicklung 4 kurzzeitig mit einem Tastverhältnis von 100% angesteuert, wird ein sehr steiler Anstieg des Erregerstroms bis auf die Nennstromstärke N erzielt. Die Nennstromstärke N wird damit ebenfalls bereits nach ca. 50 ms erreicht.

Eine derartige Ansteuerung kann entweder gesteuert oder geregelt erfolgen. Im ersten Fall wird das Tastverhältnis für eine fest definierte Zeit auf 100% gesetzt und anschließend auf den für das Halten der Nennstromstärke N notwendigen Wert zurückgenommen.

Im zweiten Fall wird der Erregerstrom messtechnisch ermittelt. Hierzu kann z.B. über einen Pl-Regler der gewünschte Erregerstrom (also die Nennstromstärke N) eingestellt werden, wobei die Stellgröße des Pl-Reglers das Tastverhältnis ist.

Durch geeignete Wahl der Reglerparameter lässt sich die Ansteuerung so einstellen, dass die Nennstromstärke N in möglichst kurzer Zeit erreicht wird, ohne dass es zu einem übermäßigen Überschwingen des Erregerstroms kommt.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen, wie erwähnt, vorzugsweise bei Klauenpolgeneratoren in Kraftfahrzeugen anwenden, die neben dem Generatorbetrieb auch die Funktion des Motorstarts übernehmen (Startergeneratoren). Hierbei wird die Motorstartdauer deutlich reduziert.