DE19538946C1 - Elektronisch kommutierter Elektromotor für Solaranwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Stromversorgung eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mittels eines Solargenerators

Die Verwendung eines vorzugsweise im Dachbereich angeordneten Solarmoduls zum batterieunabhängigen Betrieb elektrischer Verbraucher, wie z. B. Lüftermotoren, in Kraftfahrzeugen ist seit einiger Zeit bekannt. Bei den Verbrauchermotoren handelt es sich im allgemeinen um konventionelle Gleichstrommotoren mit Bürstenkommutierung. Die Strom-Spannungs-Kennlinie solcher Motoren weicht im allgemeinen stark von der Strom-Spannungs-Kennlinie des Solarmoduls ab. Die für eine gute Leistungsausnutzung notwendige Impedanzanpassung geschieht im allgemeinen über einen DC/DC- Wandler, wie z. B. einen Tiefsetzwandler. Es kann auch ein steuerbarer Gleichstromsteller zur jederzeitigen Leistungsoptimierung eingesetzt werden ("Maximum Power Point Tracking").

Nachteilig ist der zusätzliche Bauteilaufwand, wie z. B. für einen DC/DC-Wandler mit hohem Wirkungsgrad und für separate Schaltrelais. Wegen der geringen Leistung von Solargeneratoren kann sich ein schlechter Motorwirkungsgrad stark auswirken.

Eine Verbesserung stellt eine aus DE 39 38 259 C1 bekannte Anordnung dar, bei der ein bürstenloser elektronisch kommutierter Motor ohne zwischengeschalteten DC/DC- Wandler direkt an das Solarmodul angeschlossen ist und bei der eine Anordnung zum Erfassen der Motordrehzahl und der Winkelposition des Motorrotors vorgesehen ist. Ein bürstenloser Motor weist im allgemeinen einen höheren Wirkungsgrad als ein konventioneller bürstenkommutierter Motor auf, wodurch eine fehlende Impedanzanpassung weniger stark ins Gewicht fällt. Ein bürstenloser Motor bietet darüberhinaus andere Vorteile, wie z. B. eine bessere elektromagnetische Verträglichkeit und einen geringeren Verschleiß.

Ein aus dem Verzicht auf eine Impedanzwandlung bei der aus DE-PS-39 38 259 bekannten Anordnung resultierender Nachteil liegt jedoch darin, daß nicht gewährleistet ist, daß der Motor jederzeit die höchstmögliche Leistung aus dem Solarmodul entnimmt und damit das System jederzeit mit optimalem Wirkungsgrad betrieben wird.

Aus der DE 35 16 876 C2 ist eine Steuervorrichtung für einen von einer Solarbatterie angetriebenen, mit variabler Geschwindigkeit laufenden Motor bekannt, bei dem es sich unter anderem auch um einen bürstenlosen Gleichstrommotor handeln kann. Die bekannte Vorrichtung weist einen parallel zur Solarbatterie liegenden Kurzschlußschalter zum intermittierenden Kurzschließen der Solarbatterie und einen Stromwandler mit nachgeschalteter Umwandlungseinheit zum Ermitteln der einfallenden Lichteinstrahlung aus dem bei geschlossenem Kurzschlußschalter fließenden Kurzschlußstrom der Solarbatterie und zum Erzeugen eines von der Lichteinstrahlung abhängigen Stromsteuersignals auf. Zu der Steuervorrichtung gehören ferner ein zur Solarbatterie parallel geschalteter Spannungsdetektor zum Feststellen der Leerlaufspannung der Solarbatterie, ein Wandler, der den Temperatureinfluß auf die festgestellte Leerlaufspannung ermittelt, ein Kompensator, der das Stromsteuersignal zur Kompensation des Temperatureinflusses korrigiert, eine Einheit zum Erzeugen eines dem Motorstrom entsprechenden Arbeitsstromsignals und eine Betriebseinheit, die aus dem Arbeitsstromsignal und dem temperaturkompensierten Stromsteuersignal ein Motordrehzahlsignal errechnet, das einem Steuerkreis zugeht, der seinerseits den Motor mit einem Geschwindigkeitssteuersignal beaufschlagt, so daß sich ein dem temperaturkompensierten Stromsteuersignal entsprechendes Arbeitsstromsignal einstellt. Auf diese Weise soll dem Motor ein optimaler Arbeitsstrom entsprechend dem Ausgangszustand der Solarbatterie zugeführt werden. Auch diese bekannte Steuervorrichtung erfordert aber einen relativ hohen Aufwand an Bauteilen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung aus einem Solargenerator und einem Elektromotor zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und dennoch eine möglichst optimale Ausnutzung der aus dem Solargenerator zur Verfügung stehenden Leistung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anordnung nach Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung stellt sicher, daß es jederzeit möglich ist, dem Motor die maximale momentan mögliche Leistung aus dem Solargenerator zuzuführen. Der Motor befindet sich durch die Drehzahlregelung jederzeit in einem definierten Betriebszustand und die elektrischen Verluste können bei allen Drehzahlen gering gehalten werden, da keine Vorwiderstände nötig sind, wobei die Motordrehzahl in Abhängigkeit von der von dem Solargenerator jeweils zur Verfügung gestellten Leistung auf besonders einfache Weise maximiert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung aus Solargenerator und Elektromotor sind nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung;

Fig. 2a und b schematische Darstellungen zweier verschiedener Ausführungsformen des Motors und der Motorsteuerelektronik aus Fig. 1; und

Fig. 3 ein Flußdiagramm der Regelschleife einer erfindungsgemäßen Logikanordnung mit ständiger Suche nach dem Maximalwert der Motordrehzahl.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Die Wicklungen 1 eines Elektromotors 2 sind mit der Endstufe 3 einer Motorsteuerelektronik 4 verbunden. Der Motor 2 weist einen Drehzahlsensor, beispielsweise einen Hallsensor 5, auf, der mit dem Eingang einer Logikstufe 6 verbunden ist. Der Ausgang der Logikstufe 6 ist mit dem Eingang einer Drehzahlregelung 7 verbunden, deren Ausgang die Endstufe 3 steuert. Die Logikstufe 6 ist eingangsseitig mit einer Signalleitung von einem Klimagerät 8 verbunden. Zur Stromversorgung ist die Motorsteuerelektronik 4 mit einem Solarmodul 9 und dem Fahrzeugbordnetz 10, das üblicherweise von einer Batterie 11 bzw. einer Lichtmaschine gespeist wird, verbunden. Es ist ein Schalter 12 vorgesehen, mit dem zwischen den beiden Stromquellen umgeschaltet werden kann. Dies kann beispielsweise selbsttätig beim Ein- bzw. Ausschalten der Zündung geschehen, oder temperaturabhängig, oder es kann ein manueller Schalter vorgesehen sein, der ein beliebiges Umschalten gestattet. Der Rotor 13 des Motors 2 ist mit einer Welle 14 verbunden, die ihrerseits mit einem Lüfterrad 15 verbunden ist.

Das Solarmodul 9 ist vorzugsweise in an sich bekannter Weise in den Deckel einer im Fahrzeugdach angebrachten Dachöffnung integriert. Der Deckel kann dabei Teil einer Hebedach- oder Schiebe-Hebedachanordnung sein. Der Deckel kann aus Glas bestehen, wobei seine Unterseite eine photovoltaisch wirksame Dünnschicht mit Elektroden und Anschlüssen aufweist. Diese kann vorzugsweise aus amorphem Silizium oder aus monokristallinem Silizium bestehen, wobei ersteres billiger ist und letzteres einen etwa doppelt so hohen Wirkungsgrad aufweist. Die Verwendung metallischer Rückseitenelektroden führt zu einer undurchsichtigen Schicht. Eine undurchsichtige Schicht kann durch gezieltes teilweises Durchbrechen lichtdurchlässig gemacht werden. Die Undurchsichtigkeit kann aber auch gezielt ausgenutzt werden, um beispielsweise mechanische Verstellelemente des Deckels abzudecken.

Fig. 2a zeigt Motor 2 und Motorsteuerelektronik 4 aus Fig. 1 detaillierter. Der Motor 2 ist als bürstenloser elektrisch kommutierter Elektromotor ausgeführt. Die Statorwicklungen 16a-c des Motors 2 sind dreisträngig mit sternförmiger Verschaltung ausgebildet. Es sind drei Hallsensoren 17a-c vorgesehen, die jeweils die Position des Rotors 13 relativ zu den drei Statorwicklungen 16a-c erfassen. Bei dreipulsiger Ausführung des Motors wird jede Statorwicklung 16a-c separat von einem Leistungstransistor 18a-c angesteuert. Die Leistungstransistoren 18a-c werden in Abhängigkeit von den Signalen der Hallsensoren 17a-c jeweils für eine bestimmte Zeit durchgeschaltet, so daß die jeweilige Statorwicklung 16a-c zeitweilig mit Strom aus der Endstufe 3 versorgt wird (elektrische Kommutierung). Die Positionssensoren übernehmen im Zusammenspiel mit den Leistungstransistoren dabei die Funktion der mechanischen Bürsten konventioneller Elektromotoren.

Anstelle der Positionserfassung mittels Hallsensoren kann die Positionserfassung mit anderen magnetischen Sensoren oder auch nicht-magnetisch, z. B. auf optischem Wege, erfolgen. Dies ist als Abwandlung in Fig. 2b dargestellt. Hierzu wird ein mit dem Rotor 13 verbundenes Positionsrad 19 im Zusammenwirken mit einer Lichtschranke 20 verwendet.

Aufgrund der ausgeprägten Temperaturschwankungen in Kraftfahrzeugen und der starken Temperaturabhängigkeit von Halbleiterbauelementen ist zweckmäßigerweise ein Temperaturschutz 21 für die Leistungstransistoren 18a-c vorgesehen.

Der Motor 2 ist ferner mit der Drehzahlregelung 7 mit einer Impulsbreitenmodulatorschaltung versehen. Die Drehzahlregelung 7 erhält als Eingangssignal eine Drehzahlvorgabe und steuert die an die Statorwicklungen 16a-c abgegebene Leistung entsprechend, so daß die aus den Positionssensorsignalen erfaßte Drehzahl (Ist-Drehzahl) mit der Drehzahlvorgabe (Soll-Drehzahl) übereinstimmt. Die Leistungsregelung geschieht dabei weitgehend frei von ohmschen Verlusten, d. h. ohne Vorwiderstände.

Die Soll-Drehzahl wird von der Logikstufe 6 vorgegeben, d. h. sie wird von der Logikstufe 6 auf eine nachfolgend beschriebene Weise ermittelt und auf die Drehzahlregelung 7 ausgegeben.

Der Schalter 12 ist vorzugsweise so geschaltet, daß das Bordnetz 10 als Stromquelle verwendet wird, solange dieses von der Lichtmaschine gespeist wird, d. h. solange der Antriebsmotor des Fahrzeuges läuft, d. h. die Fahrzeugzündung eingeschaltet ist, während das Solarmodul 9 bei abgestelltem Antriebsmotor als alleinige Stromquelle dient, um ein Entladen der Batterie 11 zu verhindern.

Ist der Schalter 12 so geschaltet, daß das Solarmodul 9 die alleinige Stromversorgung übernimmt, versucht die Motorsteuerelektronik 4, die Drehzahl des Motors 2 auf den momentan möglichen Maximalwert zu regeln.

Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die in Fig. 3 dargestellte Befehlsschleife software- oder hardwaremäßig in der Logikstufe 6 implementiert wird. Es sind die Variablen f_Ist, f_Soll, Δf und f_Alt vorgesehen, welche die aktuelle Ist-Drehzahl, die Soll-Drehzahl, ein Drehzahlinkrement bzw. die alte Ist-Drehzahl bezeichnen. f_Soll und f_Alt werden vor Schleifenbeginn mit 0 initialisiert. Δf wird ein positiver Wert zugewiesen. Der erste Schritt in der Schleife besteht darin, die Ist-Drehzahl des Motors 2 aus den Signalen der Positionssensoren 17a-c zu bestimmen und den Wert der Variable f_Ist zuzuweisen. Sodann wird der Wert von f_Alt mit dem Wert von f_Ist verglichen. Falls f_Ist kleiner oder gleich ist als f_Alt, wird das Inkrement Δf invertiert, d. h. mit negativem Vorzeichen versehen. Ist f_Ist hingegen größer als f_Alt, so bleibt das Vorzeichen von Δf unverändert. Im nächsten Schritt wird das Inkrement Δf zu f_Soll hinzuaddiert. Anschließend wird f_Soll als Soll-Drehzahl an die Drehzahlregelung 7 ausgegeben. Im nächsten Schritt wird eine bestimmte Zeit gewartet, um die Zeitkonstante der Regelung bzw. die Systemträgheit zu berücksichtigen. Schließlich wird der Variablen f_Alt der Wert der Variablen f_Ist, d. h. die zu Beginn der Schleife gemessene Ist-Drehzahl, zugewiesen. Anschließend wird wieder zum ersten Schritt der Schleife gesprungen, d. h. die aktuelle Ist-Drehzahl des Motors 2 bestimmt und der Variablen f_Ist zugewiesen. Die Schleife wird im gezeigten Ausführungsbeispiel ständig, also ohne Abbruchkriterium durchlaufen.

Die dargestellte Ausbildung der Schleife bewirkt folgende Funktionen. Zum einen ist sichergestellt, daß der Motor selbsttätig anläuft, da der erste Schleifendurchlauf ein positives Inkrement ergibt und die Soll-Drehzahl auf einen von 0 verschiedenen Wert gesetzt wird. Andererseits ist sichergestellt, daß die Soll-Drehzahl nach einer Anzahl von Schleifendurchläufen auf einen Wert gesetzt wird, welcher der höchsten Drehzahl entspricht, die bei den momentan herrschenden Lasten wie Motorreibung, Lastdrehmoment usw. gerade noch durch die momentan z. B. aufgrund der Sonneneinstrahlung maximal zur Verfügung stehende elektrische Leistung erreicht werden kann.

Die in Fig. 3 gezeigte Schleife betrifft eine Ausführungsform, bei der kontinuierlich nach dem Maximalwert der Drehzahl gesucht wird. Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich und sinnvoll, bei denen die Suchschleife nach dem Drehzahl-Maximalwert erst gestartet wird, wenn die gemessene Ist-Drehzahl f_Ist ein vorgegebenes oder adaptiv ermitteltes Toleranzgebiet verlassen hat.

Falls der Schalter 12 so geschaltet ist, daß die Stromversorgung vom Bordnetz 10 übernommen wird, wird die beschriebene Regelschleife der Logikstufe 6 außer Kraft gesetzt. Die Drehzahlregelung 7 erhält nun über die Logikstufe 6 eine Drehzahl-Soll-Vorgabe direkt von dem Klimagerät 8, welches diese im wesentlichen aus der Temperatur im Fahrzeuginnenraum ermittelt. Die Drehzahl des Motors 2 wird also in diesem Fall von der Drehzahlregelung 7 auf einem konstanten, von dem Klimagerät 8 vorgegebenen Wert gehalten.

Die Steuerelektronik 4 an sich und insbesondere die Logikstufe 6 können auf verschiedene Arten aus bekannten Elementen aufgebaut sein. Vorstellbar sind rein analoge Lösungen mit Extremwertreglern mit Operationsverstärkern und Komperatoren, digitale Lösungen mit Logikbausteinen, digital/analoge Lösungen unter eventuellem Einsatz eines integrierten anwenderspezifischen Schaltkreises (ASIC) sowie eine microcontrollerunterstützte Lösung.

Bei dem von dem Solargenerator angetriebenen Motor kann es sich entweder um den Motor des normalen Serienlüfters im Kraftfahrzeug handeln, oder es kann sich um den Motor eines Zusatzlüfters handeln.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung liegt darin, daß durch den höheren Wirkungsgrad bürstenloser Elektromotoren und die selbsttätige Suche nach der Maximaldrehzahl auf einen Impedanzwandler (DC/DC-Wandler) verzichtet werden kann.

Die Suche nach der Maximaldrehzahl in Verbindung mit einer vorwiderstandslosen Drehzahlregelung gewährleistet also eine optimale Ausnutzung der vom Solarmodul zur Verfügung gestellten Leistung.

Claims (7)

1. Anordnung zur Stromversorgung eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (2) mittels eines Solargenerators in einem Fahrzeug, wobei der Gleichstrommotor (2) über eine Endstufe (3) in elektrischer Verbindung mit dem Solargenerator steht und eine Anordnung zum Erfassen der Motordrehzahl und der Winkelposition der Motorrotors vorgesehen ist, der bürstenlose elektronisch kommutierte Gleichstrommotor (2) eine Drehzahlregelung (7) aufweist, die die Kommutierungsfrequenz mittels Impulsbreitenmodulation in der Endstufe (3) des Motors regelt, eine mit der Drehzahlregelung verbundene und mit der Anordnung zum Erfassen der Motordrehzahl zusammenwirkende Logikanordnung (6) vorgesehen ist, welche im Zusammenspiel mit der Drehzahlregelung bewirkt, daß die Motordrehzahl mindestens zeitweise den jeweils in Abhängigkeit von Sonneneinstrahlung und Temperatur momentan möglichen Maximalwert erreicht, und die Logikanordnung (6) so ausgebildet ist, daß in einem Regelzyklus die aktuelle Ist-Drehzahl erfaßt und mit der im vorangegangenen Regelzyklus erfaßten Ist-Drehzahl verglichen wird, wobei im Falle, daß die aktuelle Ist-Drehzahl größer ist als die im vorangegangenen Regelzyklus erfaßte Ist-Drehzahl, die an die Drehzahlregelung (7) ausgegebene Soll-Drehzahl um ein vorgegebenes Inkrement erhöht wird, und im Falle, daß die aktuelle Ist-Drehzahl kleiner oder gleich der im vorangegangenen Regelzyklus erfaßten Ist-Drehzahl ist, die an die Drehzahlregelung ausgegebene Soll-Drehzahl um das vorgegebene Inkrement erniedrigt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Motor (2) einen Lüfter (15) antreibt.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrisch kommutierte Gleichstrommotor (2) als dreisträngiger, dreipulsiger Motor ausgeführt ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassung der Motordrehzahl und der Winkelposition des Motorrotors (13) magnetisch oder optisch erfolgt.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Solargenerator (9) ein in einen Dachdeckel des Fahrzeugs integriertes, mindestens teilweise lichtdurchlässiges Solarmodul aufweist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sieh bei dem Elektromotor (2) um den Motor eines serienmäßigen Kraftfahrzeuglüfters handelt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei es sich bei dem Elektromotor (2) um den Motor eines Zusatzlüfters handelt.