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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Heizleistung zum Aufheizen eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Durch das Verfahren kann der Verbrennungsmotor beispielsweise bei einem Kaltstart dabei unterstützt werden, in einen vorbestimmten Betriebstemperaturbereich zu gelangen. Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
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Ein Verbrennungsmotor kann wie jede andere Maschine nur mit festgelegten Toleranzen gefertigt werden. Da sich aber Bauteile eines Verbrennungsmotors mit der Temperatur dehnen oder stauchen, lassen sich die Toleranzen nur für ein vorbestimmtes Temperaturintervall einhalten. Dies ist bei einem Verbrennungsmotor in der Regel der Bereich der Betriebstemperaturen, die der Verbrennungsmotor während eines Normalbetriebs aufweist. Ist zum Beispiel bei einem Kaltstart oder Erststart der Betriebstemperaturbereich noch nicht erreicht, nutzen beispielsweise Lagerflächenpressungen sämtliche Bauteiltoleranzen. Hinzu kommt, dass auch größere Bauteile, wie zum Beispiel die Kurbelwelle oder die Nockenwelle, ebenfalls einer Temperaturausdehnung unterliegen. Alleine hier entstehen bereits nennenswerte Reibungsverluste innerhalb eines kalten Verbrennungsmotors, der noch nicht durchtemperiert ist, das heißt, dass er nicht seinen Betriebstemperaturbereich erreicht hat. Unterhalb einer vorbestimmten Mindesttemperatur ergibt somit der Betrieb des Verbrennungsmotors einen erhöhten Verschleiß desselben.
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Hinzu kommt, dass die Schmiereigenschaften von Motoröl oder Schmieröl, beispielsweise Mineralöl, das zur Schmierung des Verbrennungsmotors genutzt wird, ebenfalls temperaturabhängig ist. Man bezeichnet dies als Viskosität. Die Viskosität ist die bekannteste Eigenschaft von Schmieröl. Sie ist das Maß für die innere Reibung des Öles beim Fließen. Die Viskosität ist eine temperaturabhängige Größe. Ist die Temperatur des Motoröls niedrig, so ist die Viskosität hoch und damit die innere Reibung groß. Je wärmer das Motoröl ist, umso geringer wird die Viskosität und damit die innere Reibung niedriger. Der Kraftstoffbedarf ist bei geringer Temperatur des Verbrennungsmotors damit höher als im Betriebstemperaturbereich.
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Es ist das Ziel für jeden Verbrennungsmotor und dessen Betriebsstrategie, möglichst schnell in den Betriebstemperaturbereich zu kommen, da auch erst bei einem erwärmten oder aufgeheizten Verbrennungsmotor die Abgasnachbehandlung ausreichend funktioniert.
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Bei einem Kaltstart ergibt sich oftmals bei einem Verbrennungsmotor aber nur ein Teillastbetrieb, da das Kraftfahrzeug in der Regel zunächst nur von einem Wohnort durch Wohnstraßen hindurch bei geringer Geschwindigkeit gefahren wird. Da in einem solchen Teillastbetrieb der Verbrennungsmotor aber durch viele Maßnahmen sehr verbrauchsoptimiert ist (zum Beispiel mittels Abgasrückführung) und zusätzlich durch den Benutzer des Kraftfahrzeugs bei kalten Außentemperaturen die sowieso schon knappe Heizverlustleistung des Verbrennungsmotors zum Heizen des Innenraums verwendet wird, bleibt nicht genug Heizleistung übrig, mittels welcher der Verbrennungsmotor selbst innerhalb einer vorbestimmten Zeit über eine Mindesttemperatur, nämlich die untere Grenze des Betriebstemperaturbereichs, gebracht oder aufgeheizt werden könnte.
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Der niedrige Verlustenergieanteil im Teillastbetrieb, das heißt die Heizverlustleistung des Verbrennungsmotors, und die zusätzlichen Heizverbräuche im Kraftfahrzeug führen zu einer vergleichsweise langen Aufheizzeit des Verbrennungsmotors, die sowohl für den Benutzer Komfortnachteile (geringe Heizleistung für den Innenraum) als auch Kraftstoffnachteile bedeuten und zusätzlich die Umwelt belasten (späte Abgasnachbehandlung). Zudem unterliegt ein kalter Verbrennungsmotor einem erhöhten Verschleiß.
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Aus der
DE 10 2010 042 290 A1 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem ein kalter Verbrennungsmotor dadurch schneller erwärmt wird, dass er mit einer zusätzlichen Last beaufschlagt wird, die unabhängig von einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs zugeschaltet werden kann. Hierdurch muss der Verbrennungsmotor ein größeres Drehmoment erzeugen, was zu seiner schnelleren Erwärmung beiträgt.
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Aus der
DE 10 2015 008 006 B3 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem eine Kühleinrichtung sowohl einen Antriebsmotor als auch einen Wechselrichter einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs kühlt. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise eine Fluidkühlung vorsehen.
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Aus der
DE 10 2005 000 741 A1 ist eine Steuereinrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs bekannt, die zum Aufheizen des Verbrennungsmotors eine zusätzliche Last erzeugt, beispielsweise eine Generatorlast, mittels welcher der Verbrennungsmotor beaufschlagt wird, wodurch dieser mehr Leistung umsetzt und sich dabei aufheizt.
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In der
DE 10 2012 208 419 A1 ist ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei welchem ein Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine einen gemeinsamen Kühlkreislauf teilen. Für die elektrische Maschine kann eine feldorientierte Regelung vorgesehen sein, die die elektrische Maschine in einem ineffizienten Modus betreiben kann, wodurch Abwärme entsteht, die über den Kühlkreislauf in den Verbrennungsmotor gelangt, damit dieser aufgeheizt wird. Um zu erkennen, wann zusätzliche Heizleistung benötigt wird, ist vorgesehen, dass eine Kühlmittel- und/oder Umgebungstemperatur oder eine dazu proportionale Größe als Steuersignal verwendet werden.
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Aus der
DE 10 2008 037 820 A1 ist bekannt, dass in einem Kraftfahrzeug ein Motoröl eines Dieselmotors mittels der Abwärme einer elektrischen Maschine aufgeheizt werden kann. Hierzu können der Dieselmotor und die elektrische Maschine über einen Wärmetauscher gekoppelt sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Kraftfahrzeug Heizleistung zum Aufheizen eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figur beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Bereitstellen von Heizleistung zum Aufheizen eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Das Verfahren geht davon aus, dass in dem Kraftfahrzeug ein elektrischer Starter-Generator bereitgestellt ist und eine Steuervorrichtung des Kraftfahrzeugs bei einer elektrischen Maschine des Starter-Generators während eines Generatorbetriebs und/oder während eines Motorbetriebs jeweils eine so genannte feldorientierte Regelung oder Vektorregelung durchführt, das heißt eine d-Komponente und eine q-Komponente eines elektrischen Stroms mittels einer feldorientierten Regelung einstellt. Bei dem Strom handelt es sich insbesondere um den Statorstrom der elektrischen Maschine. Eine solche feldorientierte Regelung ist Stand der Technik. Mittels des Starter-Generators kann sowohl der Verbrennungsmotor gestartet (Motorbetrieb) als auch bei laufendem Verbrennungsmotor in dem besagten Generatorbetrieb elektrische Leistung für ein elektrisches Bordnetz des Kraftfahrzeugs erzeugt werden kann. Im Motorbetrieb kann der Verbrennungsmotor zusätzlich mit Antriebsleistung durch den Starter-Generator unterstützt werden. Eine Variante eines solchen Starter-Generators ist ein RSG (Riemen-Starter-Generator). Mittels der feldorientierten Regelung wird eine räumliche Lage eines Stromvektors des Stroms der elektrischen Maschine bezüglich einer Rotor-Flussachse eingestellt. Die q-Komponente stellt die Vektorkomponente des Stromvektors dar, die parallel zur Rotor-Flussachse ausgerichtet ist, die q-Komponente stellt diejenige Vektorkomponente des Stromvektors des Sstroms dar, die senkrecht zur Rotor-Flussachse ausgerichtet ist. Das Verhältnis aus d-Komponente und q-Komponente bestimmt einen Wechselstrom (Blindstrom), der zwischen der elektrischen Maschine einerseits und dem Bordnetz oder einem Zwischenkreises (z.B. einem Zwischenkreiskondensator) andererseits periodisch ausgetauscht wird oder hin und her pendelt.
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Um nun die angeforderte Heizleistung für den Verbrennungsmotor zu erzeugen, wird erfindungsgemäß durch die Steuervorrichtung in Abhängigkeit von zumindest einem vorbestimmten Anforderungssignal, durch welches die Heizleistung angefordert wird, mittels der feldorientierten Regelung die d-Komponente und/oder die q-Komponente des Stroms verändert. Hierdurch wird eine in dem Starter-Generator erzeugte thermische Verlustleistung vergrößert. Insbesondere ergibt sich zusätzliche Verlustleistung, wenn die d-Komponente reduziert und/oder die q-Komponente vergrößert wird. Die Verlustleistung kann in der elektrischen Maschine und/oder in einem Wandler und/oder in dem Zwischenkreis entstehen. Grund dafür ist, dass der besagte Blindstrom mit einer größeren Amplitude zwischen dem Stator einerseits und dem Bordnetz oder dem Zwischenkreis andererseits hin und her pendelt oder fließt. Hierdurch entstehen entsprechende ohmsche Verluste in den Wicklungen des Stators der elektrischen Maschine. Insbesondere gibt die elektrische Maschine höchstens genauso viel elektrische Leistung an das Bordnetz des Kraftfahrzeugs ab wie vor dem Verändern der d-Komponente und/oder der q-Komponente. Mit anderen Worten sinkt der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine. Der Starter-Generator kann also durchgehend im Generatorbetrieb (Erzeugung elektrischer Leistung) betrieben werden und wechselt dabei auf das zumindest eine Anforderungssignal hin in einen Niedereffizienzmodus, in welchem er mehr Verlustleistung erzeugt als während des Generatorbetriebs vor dem Empfangen des zumindest einen Anforderungssignals. Damit wird also die elektrische Maschine aufgeheizt. Andererseits kann der Starter-Generator durchgehend im Motorbetrieb (Erzeugung mechanischer Leistung) betrieben werden und wechselt dabei auf das zumindest eine Anforderungssignal hin in einen Niedereffizienzmodus, in welchem er mehr Verlustleistung erzeugt als während des Motorbetriebs vor dem Empfangen des zumindest einen Anforderungssignals. Damit wird die elektrische Maschine ebenfalls aufgeheizt. Die so gewonnene thermische Verlustleistung wird mittels einer thermischen Kopplungseinrichtung, die zwischen der elektrischen Maschine und dem Verbrennungsmotor bereitgestellt ist, zu dem Verbrennungsmotor hin als die angeforderte Heizleistung übertragen.
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Durch die Erfindung wird also zunächst die elektrische Maschine des Starter-Generators aufgeheizt, in dem die d-Komponente und/oder die q-Komponente des Stroms verändert wird. Dies kann gezielt mit der aus dem Stand der Technik bekannten feldorientierten Regelung erreicht werden. Sodann wird die so im Starter-Generator erzeugte thermische Verlustleistung mittels der thermischen Kopplungseinrichtung aus der elektrischen Maschine hin zu dem Verbrennungsmotor übertragen, wo sie dann den Verbrennungsmotor aufheizt, das heißt dessen Temperatur vergrößert.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Aufheizzeit des Verbrennungsmotors im Bedarfsfall, wenn also zumindest ein Anforderungssignal dies signalisiert, gezielt verkürzt werden kann, indem zusätzliche thermische Verlustleistung im Starter-Generator des Kraftfahrzeugs erzeugt und mittels der Kopplungseinrichtung zum Verbrennungsmotor transportiert oder übertragen werden kann. Hierdurch kann also der Verbrennungsmotor auf eine Temperatur größer als eine vorbestimmte Mindesttemperatur aufgeheizt werden. Damit kann also beispielsweise danach mittels des Verbrennungsmotors Abwärme für die Klimatisierung des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden und/oder eine Abgasnachbehandlung durchgeführt werden. Zudem werden Komponenten des Verbrennungsmotors in den Toleranzbereich geführt, wo sie verschleißarm betrieben werden können. Mittels der feldorientierten Regelung kann beispielsweise ein Pulswechselrichter, mittels welchem die elektrische Maschine betrieben wird, gesteuert oder gestellt werden. Hierbei kann zum Einstellen der d-Komponente und/der der q-Komponente eine Kennlinie oder eine Formel genutzt werden, die in Abhängigkeit von dem zumindest einen Anforderungssignal die Veränderung der d-Komponente und/oder der q-Komponente vorgibt. Es kann auch die d-Komponente und/oder die q-Komponente mittels der feldorientierten Regelung eingeregelt werden, indem beispielsweise eine Temperatur erfasst wird und die d-Komponente und/oder die q-Komponente in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur eingestellt wird.
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Die Erfindung sieht vor, dass von dem zumindest einen Anforderungssignal für die Heizleistung ein Anforderungssignal aus einer Rekuperationseinrichtung empfangen wird, durch welche ein rekuperativer Bremsbetrieb des Kraftfahrzeugs signalisiert wird. Mit anderen Worten wird durch die Rekuperationseinrichtung erkannt, dass das Kraftfahrzeug verzögert oder entschleunigt werden soll und hierzu ein Bremsmoment bereitgestellt werden soll, dass nicht mittels Reibbremsen erzeugt werden soll. Durch Verändern der d-Komponente und/oder der q-Komponente und damit der Vergrößerung der thermischen Verlustleistung im Starter-Generator kann entsprechend auch ein mechanisches Moment vergrößert werden, mittels welchem dann die Verzögerung oder Entschleunigung des Kraftfahrzeugs erreicht werden kann. Dies mittels des Starter-Generators durch Erzeugen der thermischen Verlustleistung zu bewirken, ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein elektrischer Energiespeicher des Kraftfahrzeugs, beispielsweise dessen Batterie, bereits vollgeladen ist, sodass die rekuperierte Energie nicht mehr als elektrische Energie zwischengespeichert werden kann.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Gemäß einer Ausführungsform wird als die thermische Kopplungseinrichtung ein gemeinsamer Kühlkreislauf der Verbrennungsmotors und des Starter-Generators genutzt. Mittels eines solchen Kühlkreislaufs kann zum einen die thermische Verlustleistung direkt aus dem Inneren des Starter-Generators abgeführt und in das Innere des Verbrennungsmotors übertragen werden. Zudem kann die Verlustleistung mittels eines Kühlmittels transportiert werden, beispielsweise mittels einer Flüssigkeit, die insbesondere Wasser oder Öl enthalten kann. Hierdurch kann eine größere Energiedichte zum Transportieren der Verlustleistung als beispielsweise bei Übertragen der Verlustleistung mittels eines Luftstroms ermöglicht werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass über die thermische Kopplungseinrichtung ein Schmieröl des Verbrennungsmotors geheizt wird. Mit anderen Worten wird das Motoröl mittels der Verlustleistung erwärmt. Hierdurch ergibt sich in der beschriebenen Weise die Verschleißminderung, wodurch der Verbrennungsmotor also zum Beispiel langlebiger wird. Zudem wird durch die Erwärmung des Schmieröls der Kraftstoffverbrauch vermindert.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass von dem zumindest einen Anforderungssignal, durch welches die Heizleistung angefordert wird, ein Anforderungssignal aus einer Temperaturerfassungseinrichtung empfangen wird, durch welche eine jeweilige Temperatur des Verbrennungsmotors selbst und/oder eines Kühlmittels und/oder Schmiermittels des Verbrennungsmotors ermittelt wird. Das Schmiermittel kann das besagte Schmieröl sein. Durch Erfassen der Temperatur des Verbrennungsmotors selbst ist in vorteilhafter Weise das Stellen der d-Komponente und/oder der q-Komponente in direkter Abhängigkeit von der einzustellenden Temperatur möglich. Wird die Temperatur eines Kühlmittels des Verbrennungsmotors ermittelt, so kann insbesondere bei dem besagten gemeinsamen Kühlkreislauf diese Temperatur auch im Starter-Generator selbst erfasst werden. Hierdurch kann dann auf eine signaltechnische Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und Starter-Generator verzichtet werden, da im Starter-Generator selbst die Temperatur ermittelt werden kann und daraufhin im Starter-Generator die d-Komponente und/oder die q-Komponente gestellt werden kann. Es muss also kein Temperatursignal vom Verbrennungsmotor hin zum Starter-Generator übertragen werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass von dem zumindest einen Anforderungssignal eines aus einer Motorüberwachungseinrichtung empfangen wird, durch welche z.B. ein Kaltstart des Verbrennungsmotors detektiert wird. Ein solcher Kaltstart kann z.B. als ein Bussignal eines Kommunikationsbusses, z.B. eines CAN-Busses (CAN - Controller Area Network), abgegriffen werden. Das Signalisieren eines Kaltstarts in einem Kraftfahrzeug ist aus dem Stand der Technik bekannt. Das Signalisieren eines Kaltstarts ist aber nur ein Beispiel. Das Anforderungssignal kann allgemein z.B. bei einem betriebskalten Verbrennungsmotor z.B. bei einer Umgebungstemperatur von 40°C erzeugt werden. „Betriebskalt“ meint hier, dass eine Temperatur des Verbrennungsmotors und/oder eines Kühlmittels des Verbrennungsmotors unterhalb eines vorbestimmten Betriebstemperaturbereichs liegt. Das Anforderungssignal muss auch nicht von einer Motorüberwachungseinrichtung erzeugt werden. Es kann auch von einer anderen Komponente des Kraftfahrzeugs erzeugt werden. Die Ausführungsform nutzt nun dieses Signal als Anforderungssignal, um pauschal, das heißt unabhängig von einer tatsächlich gemessenen Temperatur, die Heizleistung mittels des Starter-Generators bereit zu stellen. Hierdurch ergibt sich ein vereinfachter Aufbau der Steuereinrichtung der elektrischen Maschine.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass mittels eines thermischen Modells und/oder mittels eines Temperatursensors des Starter-Generators selbst eine jeweilige Temperatur zumindest eines durch die q-Komponente des Stroms thermisch belasteten Bauteils des Starter-Generators daraufhin überwacht wird, ob sie größer als ein vorbestimmter Höchstwert ist. In diesem Fall, wenn also die Temperatur des zumindest einen Bauteils größer als der Höchstwert ist, wird beschriebene Veränderung der d-Komponente und/oder der q-Komponente begrenzt oder reduziert. Mit anderen Worten wird die sich durch die Veränderung ergebende Abweichung vom optimalen oder verlustminierten Betrieb des Starter-Generators begrenzt oder reduziert. Durch die Begrenzung kann die d-Komponente und/oder die q-Komponente insbesondere nicht noch größer werden. Ein Bauteil, das durch den Stroms besonders belastet ist, kann beispielsweise ein Zwischenkreiskondensator sein, mittels welchem der Blindstrom gepuffert wird. Durch zusätzliches Überwachen eines solchen Bauteils des Starter-Generators wird trotz Veränderung der d-Komponente und/oder der q-Komponente eine Überhitzung des zumindest einen Bauteils vermieden. Diese zusätzliche Ausstattung des Starter-Generators in Bezug auf die Temperaturüberwachung eines durch den Blindstrom des Stroms thermisch belasteten Bauteils des Starter-Generators ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders vorteilhaft, da hier die d-Komponente und/oder die q-Komponente nicht auf ihrem jeweiligen optimalen, nämlich insbesondere minimalen Wert, eingestellt wird, sondern gezielt verändert wird, um eine zusätzliche thermische Verlustleistung in dem zumindest einen Bauteil bereit zu stellen. Die Verwendung eines Temperatursensors gibt dabei ein Temperatursignal, dass die Temperatur des zumindest einen Bauteils direkt anzeigt. Damit kann die Begrenzung der d-Komponente und/oder der q-Komponente sehr genau eingestellt werden. Die Verwendung eines thermischen Modells ergibt den Vorteil, dass die Temperatur des zumindest einen Bauteils indirekt durch eine Berechnungsvorschrift oder ein Kennfeld des Modells ermittelt wird. Hierdurch erspart man sich das Bereitstellen eines zusätzlichen Temperatursensors. Das Modell modelliert z.B. die Wärmeentstehung und/oder den Wärmefluss innerhalb des Starter-Generators. Das thermische Modell kann als digitales Modell realisiert sein.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass mit dem Verändern einer der d-Komponente und der q-Komponente ein Betrag der jeweils anderen Komponente (q-Komponente oder d-Komponente) oder ein Betrag eines Stromvektors des Stroms beibehalten wird. Hierdurch können eine momentneutrale Variante des Verfahrens, das heißt das Moment wird beibehalten, und eine stromneutrale Variante des Verfahrens, das heißt der im Stator der elektrischen Maschine fließende elektrische Strom bleibt vom Betrag her gleich, realisiert werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass zwischen der elektrischen Maschine und dem Verbrennungsmotor eine mechanische Kopplungseinrichtung bereitgestellt wird. Bei dem eingangs beschriebenen RSG (Riemen-Starter-Generator) kann diese Kopplungseinrichtung einen Riemen aufweisen, über welchen eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mit einer Welle des Rotors der elektrischen Maschine gekoppelt ist. Über die mechanische Kopplungseinrichtung wird also von dem Verbrennungsmotor ein Moment zum Antreiben der elektrische Maschine abgegeben oder übertragen. Das Moment wird durch die Steuervorrichtung auf einen Wert eingeregelt, bei welchem derjenige Teil des Stroms, der in das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeugs abgegeben wird, das heißt der Wirkstrom oder Wirkstromanteil des Stroms, einem vorgegebenen Soll-Wert entspricht. Mit anderen Worten wird die d-Komponente und/oder die q-Komponente des Stroms verändert (Wirkungsgrad der elektrischen Maschine sinkt) und anschließend das Moment soweit erhöht, bis sich wieder der vom elektrischen Bordnetz benötigte Wirkstrom ergibt. Durch Verändern der d-Komponente und/oder der q-Komponente des Stroms wird hierbei der Lastpunkt erhöht, das heißt es ergibt sich ein größeres Moment und damit auch eine vergrößerte mechanische Last. Damit wird aber auch der Verbrennungsmotor zusätzlich mechanisch belastet, wodurch er sich auch schneller erwärmt, weil er zusätzliche eigene Verlustleistung produziert. Diese Ausführungsform kann besonders einfach ausgestaltet werden, indem die d-Komponente und/oder die q-Komponente auf einen festen Wert eingestellt wird oder um einen vorgegebenen Wert verändert wird und anschließend durch Regelung des Wellendrehmoments, d.h. des Moments, die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors soweit vergrößert wird, bis sich wieder der vom elektrischen Bordnetz angeforderte Wirkstrom ergibt.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und mit einem Starter-Generator. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist eine Steuervorrichtung für eine feldorientierte Regelung der elektrischen Maschine auf, wobei der Starter-Generator und der Verbrennungsmotor über eine thermische Kopplungseinrichtung thermisch gekoppelt sind und das Kraftfahrzeug dazu eingerichtet ist, ein Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich insbesondere um einen Kraftwagen, bevorzugt einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, handeln.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der beschriebenen Ausführu ngsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und
- 2 eine Skizze zur Veranschaulichung einer feldorientierten Regelung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, handeln kann. Dargestellt sind ein Verbrennungsmotor 11, ein elektrischer Starter-Generator 12 und ein elektrisches Bordnetz 13. Der Starter-Generator 12 kann eine elektrische Maschine 14 aufweisen, in welcher ein Rotor 15 drehbar in einem Stator 16 gelagert sein kann. Der Stator 16 kann elektrische Wicklungen 17 aufweisen, in welche der Rotor 15 in einem Generatorbetrieb bei einer Rotation eine elektrische Spannung induzieren kann, wodurch sich ein elektrischer Strom 18 ergibt, der von einer Leistungselektronik 19 des Starter-Generators 12 in das Bordnetz 13 eingespeist werden kann. Die Leistungselektronik 19 kann mit dem Bordnetz 13 über einen Zwischenkreis des Starter-Generators 12 gekoppelt sein, in welchem mittels eines Zwischenkreiskondensators elektrische Energie eines Blindstroms der elektrischen Maschine 14 gepuffert werden kann. Der Starter-Generator 12 kann im Motorbetrieb andersherum mit elektrischer Energie aus dem Bordnetz 13, beispielsweise aus einer Batterie, die elektrische Maschine 14 auch für einen Start antreiben kann.
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Daher ist im Weiteren nur der Generatorbetrieb beschrieben. Für den Motorbetrieb des Starter-Generators 12 gilt in Bezug auf die Erläuterung der Erfindung entsprechendes wie beim Generatorbetrieb, wobei allerdings elektrische Leistung in der elektrischen Maschine 14 verbraucht und mechanische Leistung erzeugt wird. Die anderen Vorgänge sind aber äquivalent.
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Für den beschriebenen Generatorbetrieb kann eine Welle 20 des Rotors 15 über eine mechanische Kopplungseinrichtung 21 mit beispielsweise einer Kurbelwelle 22 des Verbrennungsmotors 11 gekoppelt sein. Die Kopplungseinrichtung 21 kann beispielsweise auf der Grundlage eines Riemens 23 gebildet sein. Die Kopplungseinrichtung 21 kann zusätzlich oder alternativ eine Kupplung und/oder Kette und/oder einen Zahnradtrieb vorsehen. Wenn der Verbrennungsmotor 11 läuft, kann er ein mechanisches Moment 24 auf die Welle 20 des Rotors 15 übertragen und hierdurch den Rotor drehen. Dann wird in der beschriebenen Weise der Strom 18 generiert. Die elektrische Maschine 14 kann auch Bestandteil eines Getriebeantriebs oder eines Achsantriebs sein. Im Folgenden wird beispielhaft und ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit von der Ausgestaltung als Riemen-Starter-Generator ausgegangen. Die Ausführungen gelten für die alternativen Ausgestaltungen entsprechend.
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Bei einem Start des Verbrennungsmotors 11 kann bei diesem eine Temperatur T unter einem vorgegebenen Mindestwert liegen, ab welchem mittels des Verbrennungsmotors 11 beispielsweise eine Abgasnachbehandlung wirkungsvoll ist und/oder eine Klimatisierung im Kraftfahrzeug 10 für einen Fahrzeuginsassen möglich ist. Genauso kann ein Betrieb unterhalb des Mindestwerts verschleißintensiver sein als oberhalb des Mindestwerts. Zudem ist bei einer niedrigen Temperatur T ein Schmiermittel 25 des Verbrennungsmotors 11 derart zäh oder dickflüssig, dass der Verbrauch an Kraftstoff bei dem Verbrennungsmotor 11 unerwünscht hoch ist.
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Eine Temperaturerfassungseinrichtung 26 kann deshalb einen Temperaturwert 27 der Temperatur T erfassen. Temperaturerfassungseinrichtung 26 kann dann in Abhängigkeit von dem Temperaturwert 27 der Temperatur T ein Anforderungssignal 28 erzeugen, durch welches einer Steuervorrichtung 31 signalisiert wird, dass mittels der elektrischen Maschine 14 eine zusätzliche Heizleistung 29 bereitgestellt werden soll, mittels welcher der Verbrennungsmotor 11 aufgeheizt werden kann, also die Temperatur T vergrößert werden kann. Die Heizleistung 29 kann über eine thermische Kopplungseinrichtung 30 von dem Starter-Generator 12 hin zu dem Verbrennungsmotor 11 übertragen werden. Die thermische Kopplungseinrichtung 30 kann beispielsweise ein gemeinsamer Kühlkreislauf sein, durch welchen eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise ein Öl oder Wasser, sowohl durch den Verbrennungsmotor 11 als auch durch den Starter-Generator 12 geführt ist. In dem Starter-Generator 12 kann die elektrischem Maschine 14 und/oder die Leistungselektronik 19 und/oder der Zwischenkreis von dem Kühlkreislauf der Kopplungseinrichtung 30 mit der Kühlflüssigkeit versorgt sein. Die Leistungselektronik 19 kann beispielsweise Transistoren umfassen, die sich erhitzen können.
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Anstelle des Temperaturwerts 27 der Temperatur T des Verbrennungsmotors 11 selbst, kann aufgrund der thermischen Kopplungseinrichtung 30 auch ein Temperaturwert einer Temperatur des Starter-Generators 12 selbst, beispielsweise der elektrischen Maschine 14 und/oder der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs ermittelt werden.
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Ein Anforderungssignal kann auch in Abhängigkeit von einem Erkennen eines Kaltstarts des Verbrennungsmotors 11 erzeugt werden. Der Kaltstart kann z.B. über einen Kommunikationsbus des Kraftfahrzeugs signalisiert werden. Ein Anforderungssignal kann auch signalisiert werden, falls rekuperiert wird, aber die Batterie des Bordnetzes 13 schon voll ist.
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Die Steuervorrichtung 31 kann zum Betreiben der elektrischen Maschine 14 im Generatorbetrieb eine feldorientierte Regelung oder FOR vorsehen. Auf Grundlage dieser FOR kann auch mittels der elektrischen Maschine 14 die Heizleistung 29 generiert werden.
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2 zeigt hierzu, wie mittels der FOR der Strom 18 derart eingestellt werden kann, dass sich im Vergleich zu einem optimalen Betrieb der elektrischen Maschine 14 eine zusätzliche thermische Verlustleistung ergibt, die als die Heizleistung 29 an den Verbrennungsmotor 11 abgegeben werden kann.
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2 zeigt symbolisch die Wicklungen 17 des Stators 16 und den Strom 18. Es ist einmal das statorfeste Koordinatensystem mit den üblichen Achsenbezeichnungen α und jβ angegeben und zum anderen das feldorientierte Koordinatensystem mit der üblichen d-Achse und der jq-Achse. Ein Stromvektor Is des Stroms 18 weist somit eine d-Komponente Isd und eine q-Komponente Isq auf.
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Des Weiteren dargestellt ist zum einen von dem Rotor 15 dessen Rotorachse 32, die mit einer Winkelgeschwindigkeit w in dem Stator 16 rotiert. Des Weiteren ist ein Flussvektor 33 des magnetischen Flusses des Rotors 15 angegeben. Zur Verdeutlichung ist noch die Flussachse 34 dargestellt.
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Ein optimaler, verlustminimierter Betrieb der elektrischen Maschine 14 ergibt sich, wenn ein Verhältnis aus der d-Komponente Isd und der q-Komponente Isq des Stroms 18 einen vorbestimmten Wert aufweist. Durch Vergrößern der q-Komponente Isq und Verringern der d-Kompoenten Isd bei Empfangen des Anforderungssignals 28 erhöht sich die Ineffizient des Generatorbetriebs, das heißt der Wirkungsgrad verringert sich. Hierdurch wird in der elektrischen Maschine 14 ein größerer Anteil an Verlustleistung als im optimalen Betrieb umgesetzt. Diese Verlustleistung ist thermische Verlustleistung, die den Starter-Generator 12 erwärmt. Sie kann als Heizleistung 29 über die thermische Kopplungseinrichtung 30 an den Verbrennungsmotor 11 übertragen werden.
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Der Starter-Generator 12 hat somit eine feldorientierte Regelung FOR als wesentlichen Bestandteil zur genauen Regelung des Wellendrehmoments oder Moments 24. In aller Regel ist diese feldorientierte Regelung FOR so ausgelegt, dass für alle Betriebspunkte des Starter-Generators 12 über die Drehzahl, Temperatur und elektrische Spannung ein optimaler, das heißt möglichst höher Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 14 vorgesehen ist. Der Starter-Generator 12 kann des Weiteren eine z.B. wassergekühlte elektrische Maschine 14 aufweisen und damit mit dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 11 über die Kopplungseinrichtung 30 gekoppelt werden.
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Es wird nun der optimale Betrieb der feldorientierten Regelung FOR unterbrochen, wenn das Anforderungssignal 28 zusätzliche Heizleistung 29 anfordert. Danach, falls also keine Heizleistung 29 mehr durch das Anforderungssignal 28 angefordert wird, kann wieder die aus dem Stand der Technik bekannte Variante der feldorientierten Regelung FOR aktiviert werden, das heißt der verlustminimierte Betrieb fortgesetzt werden.
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Bei kaltem Verbrennungsmotor 11 ist es allerdings Ziel für den Verbrennungsmotor 11 und dessen Betriebsstrategie, wie sie durch ein Motorsteuergerät, das beispielsweise durch die Steuervorrichtung 31 realisiert sein kann, umgesetzt wird, in dem Betriebstemperaturbereich oberhalb der beschriebenen Mindesttemperatur oder des beschriebenen Mindestwerts zu gelangen, da beispielsweise auch erst bei einem erwärmten oder aufgeheizten Verbrennungsmotor 11 eine Abgasnachbehandlung ausreichend gut funktioniert.
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In der beschriebenen Weise kann hierzu die feldorientierte Regelung FOR genutzt werden, gezielt den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 14 des Starter-Generators 12 zu steuern und gerade beispielsweise bei einem Hochlaufbetrieb oder nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 11 sowohl mehr Verlustleistung in den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 11 abzugeben (mittels der Kopplungseinrichtung 30) als auch die mechanische Last durch Erhöhen des Moments 24 am Verbrennungsmotor 11 zu erhöhen (wie dies mittels der Kopplungseinrichtung 21 möglich ist).
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Durch Verringern des Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 14 ergibt sich nämlich zum Erzeugen der gleichen elektrischen Ausgangsleistung oder des Gleichen Stroms 18, wie er durch das Bordnetz 13 angefordert werden kann, ein erhöhtes Moment 24.
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Der Vorteil dieser doppelten Aufheiztaktik (Heizleistung 29 und erhöhtes Moment 24) ist dass der Verbrennungsmotor 11 durch diese Maßnahme mit zusätzlicher Heizleistung sowie einer zusätzlichen Anforderung an mechanischem Motordrehmoment aufgeheizt wird, wodurch auch schneller beispielsweise Klimatisierungsleistung für einen Benutzer des Kraftfahrzeugs 10 verfügbar wird. Weiterhin sinken die Reibungsverluste im Verbrennungsmotor 11, was direkt eine Lebensdauerverlängerung und eine Kraftstoffeinsparung zur Folge hat. Weiterhin wirkt die Abgasnachbehandlung über die höheren Abgastemperaturen, was für die Umwelt Vorteile bringt.
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Bei der Realisierung kann man Grundsätzlich zwei Wege gehen: Die Wirkungsgradänderung der elektrischen Maschine 14 kann sich im Vergleich zum optimierten Wirkungsgrad entweder Momentneutral oder Stromneutral auswirken. Die Entscheidung für welche der beiden Neutralitäten man sich entscheidet ist grundsätzlich egal und kann im Rahmen der Fahrzeuganforderungen getroffen werden.
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Der Starter-Generator 12 kann die Temperatur des Kühlmittels direkt messen. Bekommt die elektrische Maschine 14 von dem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors 11 ein Kommando oder Anforderungssignal zur Kühlmittelerwärmung, schaltet sie z.B. in einen „Low efficiency mode“ oder Niedereffizienzmodus. Der Niedereffizienzmodus kann vorab fest per Kennlinie eingestellt werden oder das Motorsteuergerät steuert den Systemwirkungsgrad gezielt. Es kann auch vorgesehen sein, dass durch das Anforderungssignal direkt ein Leistungswert der Verlustleistung vorgegeben oder angefordert wird. Hierzu kann es den Modus wechseln und dann das Moment solange erhöhen, bis der Abgabestrom wieder einem Sollwert, z.B. dem Fahrzeugaufnahmestromwert des Bordnetzes 13 entspricht (wenn die elektrischen Maschine im momentenneutralen „Low Efficency Mode“ betrieben wird).
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Um den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 14 mittels Pulswechselrichter einer Leistungselektronik 19 zu steuern, wird z.B. das Feld und somit die d-Komponente Isd in der elektrischen Maschine 14 reduziert und die q-Komponente Isq erhöht. Dies sorgt für erhöhte Verluste in der elektrischen Maschine 14, was zu ihrer Erwärmung führt. Der Statorstromraumzeiger oder Stromvektor Is bleibt hierbei konstant, weil sich lediglich die Verteilung in den Achsen (d - jq) ändert und die vektorielle Summe gleich bleibt. Somit wird weiterhin das gleiche Moment abgegeben, jedoch zu einem geringem Wirkungsgrad.
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Die Maschinenregelung sollte zusätzlich zu dem Betriebsbereich mit schlechtem Wirkungsgrad auch die internen Bauteile bezüglich Überhitzung überwachen. Hierzu kann ein bestehendes Deratingmodel oder thermisches Modell der elektrischen Maschine weiterhin genutzt oder um kritische Bauteile ergänzt werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine bedarfsgerechte Steuerung eines Systemwirkungsgrades einer elektrischen Maschine bereitgestellt werden kann.
