Titel

ERMITTELN VON BETRIEBSZUSTÄNDEN EINER BRENNKRAFTMASCHINE DURCH EINEN GENERATORREGLER EINER MIT DER BRENNKRAFTMASCHINE GEKOPPELTEN ELEKTRISCHEN MASCHINE

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebszustands einer Brennkraftmaschine, sowie einer Recheneinheit, vorzugsweise einen Regler für eine elektrische Maschine und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Stand der Technik

Zur Regelung der Bordnetzspannung in Fahrzeugen, können elektrische Maschinen, insbesondere fremderregte elektrische Maschinen, verwendet werden. Diese weisen einen Regler auf, der in Abhängigkeit von der Bordnetzspannung den Erregerstrom der elektrischen Maschine regelt. Eine derartige Maschine ist aus der DE 10 2012 204 751 AI bekannt.

Zudem ist es auch möglich, sogenannte intelligente Regler zu verwenden, die zum Beispiel im Betriebszustand„Schubbetrieb" einen höheren Erregerstrom an der elektrischen Maschine einstellen, um elektrische Energie rückzugewinnen o- der im Falle des Betriebszustands„Beschleunigung" durch die Brennkraftmaschine, die Abgabeströme der elektrischen Maschine reduziert, um mehr Antriebsdrehmoment zur Beschleunigung des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen.

Ist nachfolgend allgemein von einer elektrischen Maschine die Rede, kann es sich hierbei auch um eine generatorisch und/oder motorisch betreibbare elektrische Maschine handeln, beispielsweise um einen sogenannten Startergenerator. Die Erkennung der Betriebszustände der Brennkraftmaschine obliegt derzeit dem Motorsteuergerät, das diese Betriebszustände auf Basis der eigenen Regelvorgaben erkennt und mittels geeigneter Schnittstellen entsprechende Vorgaben bezüglich des jeweiligen Betriebszustands der Brennkraftmaschine an den Regler der elektrischen Maschine macht. Infolgedessen steuert der Regler über eine Sollspannungsvorgabe der Bordnetzspannung die Stromabgabe des Generators.

Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig, da die jeweiligen Betriebszustände der Brennkraftmaschine erst extern im Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine ermittelt werden, die ermittelten Betriebszustände an den Regler der elektrischen Maschine übermittelt werden und anschließend, sofern erforderlich, der Regler die für den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine entsprechenden Regelvorgaben an die elektrische Maschine macht.

Darüber hinaus muss eine Kommunikationsverbindung zwischen Regler und Motorsteuergerät vorhanden und stets aufrechterhalten werden, um eine entsprechende Regelung der elektrischen Maschine zu ermöglichen.

Es wäre daher wünschenswert, dass die Betriebszustandserkennung der Brennkraftmaschine nicht auf Regelvorgaben des Motorsteuergeräts, sondern auf objektiven Zustandsgrößen bzw. daraus direkt basierenden Messgrößen der elektrischen Maschine beruhen, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine wiedergeben.

Offenbarung der Erfindung

Es werden ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebszustands einer Brennkraftmaschine, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung Das Verfahren dient zum Ermitteln eines Betriebszustands einer Brennkraftmaschine mittels einer Steuereinheit, wobei vorzugsweise die Steuereinheit als Regler einer mit der Brennkraftmaschine gekoppelten elektrischen Maschine ausgebildet ist.

Die elektrische Maschine kann durch die Brennkraftmaschine angetrieben werden, wobei die elektrische Maschine mit der Brennkraftmaschine fest verbunden und an deren Kurbelwelle, beispielsweise mittels eines Riementriebs, gekoppelt sein kann. Innerhalb des Reglers wird in einem ersten Verfahrensschritt der zeitli- che Verlauf einer Drehzahl der elektrischen Maschine ermittelt. Die Drehzahl der elektrischen Maschine kann vorzugsweise aus dem zeitlichen Verlauf zumindest eines Phasensignals der elektrischen Maschine ermittelt werden. Bei einem Phasensignal handelt es sich vorliegend um zumindest eine der Phasenspannungen und/oder einen der Phasenströme, zumindest einer der ständerseitigen Phasen- Wicklungen der elektrischen Maschine, insbesondere gegen ein festes Bezugspotential, wie z. B. Masse, gemessen. Zudem kann es bevorzugt sein, alternativ oder kumulativ, den Verlauf der Drehzahl der elektrischen Maschine mittels eines Drehzahlsensors zu ermitteln, der mit der elektrischen Maschine in Wirkverbindung steht oder an dieser vorgesehen werden kann.

In einem weiteren Verfahrensschritt, wird ein Mittelwert der Drehzahl aus dem zeitlichen Verlauf der Drehzahl und zumindest ein durch die Brennkraftmaschine bewirktes Drehzahlmuster aus dem zeitlichen Verlauf der Drehzahl ermittelt. Das durch die Brennkraftmaschine bewirkte Drehzahlmuster weist eine dem zeitlichen Verlauf des Mittelwerts der Drehzahl überlagerte Oszillationen auf, die sich im zeitlichen Verlauf der Drehzahl der elektrischen Maschine wiederspiegelt. Der Mittelwert der Drehzahl wird über ein festlegbares Zeitintervall ermittelt, das typischerweise mehrere Perioden der Oszillation umfasst. Das festlegbare Zeitintervall kann sich aus einer bestimmten Anzahl Schwingungsperioden der Momen- tandrehzahl ergeben, sollte jedoch zumindest eine Schwingungsperiode, verursacht durch Kompression und Dekompression und/oder einen Arbeitstakt des Zylinders, aufweisen. In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird der Betriebszustand der Brennkraftmaschine durch Vergleich des Mittelwerts der Drehzahl mit einem ersten Schwellwert und Vergleich einer Welligkeit einer dem zeitlichen Verlauf des Mittelwerts der Drehzahl überlagerten Oszillation mit einem Drehzahlband ermittelt. Vorzugsweise ist das Drehzahlband betragsmäßig durch den ersten Schwellwert und einen weiteren Schwellwert festgelegt, wobei der erste Schwellwert und der weitere Schwellwert einen Drehzahlbereich festlegen, in dem der Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine stattfindet.

Durch einen derartigen Schwellwertvergleich des Mittelwerts der Drehzahl und des Vergleichs der Welligkeit der dem zeitlichen Verlauf des Mittelwerts der Drehzahl überlagerte Oszillationen mit einem Drehzahlband, kann auf sehr einfacher Art und Weise und mit sehr geringem Rechen- und Speicheraufwand durch den Regler der elektrischen Maschine, eine Betriebszustandsermittlung der Brennkraftmaschine bewirkt werden.

Bei den bevorzugten zu erkennenden Betriebszuständen handelt es sich um den Betriebszustand der Brennkraftmaschine, Verdichtungstakt und/oder Arbeitstakt, vorzugsweise Zündung eines Kraftstoff-Luftgemisches, insbesondere Leerlaufbetrieb und Betrieb außerhalb des Leerlaufbetriebs (Nicht-Leerlaufbetrieb), z.B. im Teillastbetrieb und/oder Vollastbetrieb. Insbesondere die zuvor genannten Be- triebszustände der Brennkraftmaschine lassen sich durch das eingangs beschriebene Verfahren besonders einfach und effizient ermitteln und entsprechend unterscheiden.

Hierbei ist es ferner bevorzugt, dass der Betriebszustand Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine derart erkannt wird, dass der Mittelwert der Drehzahl größer als der erste Schwellwert ist, besonders bevorzugt, größer als der erste Schwellwert und kleiner als ein weiterer Schwellwert ist, und die Welligkeit der dem zeitlichen Verlauf des Mittelwerts der Drehzahl überlagerten Oszillation innerhalb des Drehzahlbands verläuft und betragsmäßig kleiner als das Drehzahlband ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Erkennung des Leerlaufbetriebs, wird somit ein Schwellwertband bzw. Drehzahlband zwischen einem ersten Schwellwert und einem im Vergleich zum ersten Schwellwert vergleichsweise größeren weiteren Schwellwert der Drehzahl ermittelt, wobei dann auf den Betriebszustand Leerlaufbetrieb geschlossen wird, wenn sich der Mittelwert der Drehzahl innerhalb des Schwellwertbands befindet, und die Welligkeit der Oszillation innerhalb des Drehzahlbands verläuft. Als Amplitude bzw. mittlere Amplitude wird vorlie- gend die Differenz zwischen den Maxima der Oszillation und dem Mittelwert, bzw. den Minima der Oszillation und dem Mittelwert bezeichnet, wobei die Welligkeit in etwa dem Doppelten der Amplitude entspricht. Somit ist es vorliegend besonders bevorzugt, wenn die Maxima der Oszillation im Leerlaufbetrieb stets unterhalb des weiteren Schwellwerts liegen und somit kleiner sind als der weitere Schwellwert. Entsprechendes gilt auch für die Erkennung weiterer Betriebszu- stände, wie nachfolgend beschrieben.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wird der Betriebszustand Nicht-Leerlaufbetrieb, insbesondere Teillastbetrieb, der Brennkraftmaschine derart erkannt, dass der Mittelwert der Drehzahl größer als der erste Schwellwert ist, vorzugsweise größer als der weitere Schwellwert ist, und die Welligkeit der dem zeitlichen Verlauf des Mittelwerts der Drehzahl überlagerten Oszillation zumindest teilweise innerhalb des Drehzahlbands verläuft und betragsmäßig größer als das Drehzahlband ist. Dies bedeutet, dass zumindest die Bereiche der Oszillation, die ein lokales Maximum der Drehzahl aufweisen (positive Oszillationen), Zeitbereiche aufweisen, die außerhalb des Drehzahlbands verlaufen. Durch das erste Kriterium, das der Mittelwert der Drehzahl oberhalb des ersten Schwellwerts verläuft, kann der Drehzahlbereich erfasst werden, der zwischen dem Mittelwert im Leerlaufbetrieb und dem weiteren Schwellwert liegt. Durch die weitere Forderung, dass der Mittelwert der Drehzahl größer als der weitere Schwellwert ist, können alle weiteren Drehzahlen für einen Nicht-Leerlaufbetrieb erfasst werden, die außerhalb des Drehzahlbands des Leerlaufbetriebes liegen. Es wurde erkannt, dass durch die Abgabe von Drehmoment durch die Brennkraftmaschine, sich die Amplitude bzw. die Welligkeit der Oszillation abhängig von der Abgabe von Drehmoment durch die Brennkraftmaschine vergrößert. Dieser Effekt kann dazu genutzt werden, um anhand der Amplitudenhöhe bzw. der Welligkeit mit dem Vergleich mit einem Drehzahlband und dem Vergleich des Mittelwerts der Drehzahl den jeweils vorliegenden Betriebszustand zu ermitteln. Somit kann aus einer Kombination eines Vergleichs des Mittelwerts der Drehzahl mit zumindest einem der Schwellwerte und der Feststellung, dass die Amplituden bzw. die Welligkeit der Oszillationen betragsmäßig das zur Definition des Leerlaufbetriebs herangezogene Drehzahlband übersteigen, geschlossen werden, dass ein Nicht-Leerlauf Betriebszustand, insbesondere ein Teillastbetrieb vorliegt. Ein betragsmäßiges Übersteigen des Drehzahlbands bedeutet, dass die Bereiche der Oszillation, die insbesondere ein lokales Maximum der Drehzahl aufweisen (positive Oszillationen), Zeitbereiche aufweisen, die außerhalb des Drehzahlbands verlaufen.

Grundsätzlich ist es bevorzugt, dass der erste Schwellwert eine untere Drehzahlgrenze und der weitere Schwellwert eine obere Drehzahlgrenze für einen Leerlaufbetrieb festlegen. Hierbei versteht sich, dass die jeweiligen Drehzahlgrenzen entsprechend auf die verwendete Brennkraftmaschine angepasst werden können. Der Leerlaufbetrieb kann somit in gewisser Weise als Referenzbetriebszu- stand verwendet werden, insbesondere die zu erwartenden Drehzahlen können als Referenz für die Schwellwerte bzw. das Drehzahlband zur Erkennung der Be- triebszustände herangezogen werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, dass bei einem sich ändernden Mittelwert der Drehzahl der Mittelwert der Drehzahl im Wesentlichen mittig im Drehzahlband verläuft. Das Drehzahlband wird durch den ersten Schwellwert und den weiteren Schwellwert lediglich betragsmäßig festgelegt. Hierdurch ist es möglich, dass beispielsweise das Drehzahlband an einen sich zeitlich verändernden Mittelwert derart angepasst werden kann, dass das Drehzahlband dem Gradienten des zeitlichen Verlaufs des Mittelwerts der Drehzahl folgt. Somit kann auch während einer Drehzahlerhöhung, beispielsweise während eines Beschleunigungsvorgangs im Teillastbetrieb, eine entsprechende Differenzierung der Betriebszustände vorgenommen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, weist das Verfahren einen weiteren Verfahrensschritt zur Regelung der elektrischen Maschine auf, indem der Erregerstrom der elektrischen Maschine, in einem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine derart geregelt wird, dass das Bremsmoment der elektrischen Maschine vergrößert oder verkleinert wird.

Eine entsprechende Regelung der elektrischen Maschine auf Basis des jeweils ermittelten Betriebszustands (insbesondere der Betriebszustände Teillastbetrieb und/oder Leerlauf) der Brennkraftmaschine ist vorteilhaft, da hierdurch im Fall eines Beschleunigungsvorgangs (z.B. Teillastbetrieb oder Vollastbetrieb), indem beispielsweise möglichst das gesamte von der Brennkraftmaschine geforderte und abgegebene Drehmoment in Vortrieb umgesetzt werden soll (Vollastbetrieb), das Bremsmoment der elektrischen Maschine verkleinert, sogar bis auf null abgesenkt werden kann, um den Beschleunigungsvorgang nicht zu beeinträchtigen. Eine entsprechend angepasste Regelung kann auch während eines Teillastbetriebs der Brennkraftmaschine vorteilhaft genutzt werden. Entsprechendes gilt auch für das Bremsmoment der elektrischen Maschine während eines Leerlaufbetriebs einer Brennkraftmaschine, da während des Leerlaufbetriebs der Brennkraftmaschine diese besonders sensibel auf das Einwirken eines äußeren Bremsmoments reagiert, was im schlimmsten Fall eine Reduzierung der Drehzahl der Brennkraftmaschine unter einen kritischen Schwellwert bedeuten kann, so dass die Brennkraftmaschine abgewürgt wird. Durch eine sichere Erkennung des Leerlaufzustands der Brennkraftmaschine mittels des Reglers der elektrischen Maschine, kann somit die Regelvorgabe des Erregerstroms und damit des Bremsmoments der elektrischen Maschine derart vorgegeben werden, dass die kritische Drehzahlschwelle der Brennkraftmaschine nicht erreicht, bzw. unterschritten wird.

Zudem ist besonders bevorzugt, dass der Erregerstrom unter Vorgabe einer Sollspannung und/oder eines Sollstroms des Kraftfahrzeugbordnetzes oder unter Vorgabe einer Maximalstromabgabe, wobei die Maximalstromabgabe und/oder der maximale Erregerstrom, vorzugsweise nach Betriebszuständen der Brennkraftmaschine parametrisiert wird, geregelt wird.

Durch eine derartige Erregerstromregelung, die auf einer Vorgabe der Sollspannung bzw. des Sollstroms des Kraftfahrzeugbordnetzes beruht, kann eine entsprechende Regelung der elektrischen Maschine, insbesondere ein nahezu bremsmomentfreies Mitlaufen der elektrischen Maschine im Beschleunigungsbetrieb der Brennkraftmaschine oder eine entsprechend reduzierte Bremsmomentbeaufschlagung während des Leerlaufbetriebs, umgesetzt werden. Alternativ kann eine derartige Regelung auch über eine Regelung eines in das Kraftfahrzeugbordnetz abzugebenden Maximalstrom geregelt werden, wobei dieser Maximalstrom wiederum abhängig von den jeweiligen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine parametrisiert werden kann. Eine derartige Parametrisierung kann entweder numerisch erfolgen oder durch Abfrage der in einem hinterlegten Kennfeld gespeicherte Parameter umgesetzt werden.

Die Verwendung einer Recheneinheit, insbesondere eines Reglers für eine elektrische Maschine, der vorzugsweise in der elektrischen Maschine angeordnet ist, aber auch extern zur elektrischen Maschine anordenbar sein kann, ist für die Ermittlung der Betriebszustände Leerlaufbetrieb und Nicht-Leerlaufbetrieb, insbesondere Teillastbetrieb, und für eine etwaige sich daraus ergebende Regelung des Bremsmoments der elektrischen Maschine besonders vorteilhaft, da hierdurch auf besonders einfache Art und Weise das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.

Die Recheneinheit ist daher entsprechend eingerichtet das Verfahren auszuführen, was bedeutet, dass die Recheneinheit einen entsprechenden Rechenprozessor und/oder einen entsprechenden Datenspeicher mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm aufweist und/oder durch eine entsprechende integrierte Schaltung dazu eingerichtet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Das Ausführen des Verfahrens in einem Regler der elektrischen Maschine ist überdies vorteilhaft, da sowohl die Auswertung der Signale, das Ermitteln der jeweiligen Betriebszustände und das Einregeln der elektrischen Maschine auf Basis der ermittelten Betriebszustände ohne zusätzliche externe Kommunikationsverbindungen und unabhängig von einer externen Rechen-, Speicher- und/oder Regelarchitektur erfolgen kann.

Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms, das vorzugsweise auf einem Datenträger, insbesondere einem Speicher, in der Recheneinheit zur Ausführung des Verfahrens zur Verfügung steht, ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergeräts noch für weitere Aufgaben genutzt wird, und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie sie vielfach aus dem Stand der Technik bekannt sind.

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

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer betriebszustandsbasierten Regelung einer elektrischen Maschine durch die Motorsteuerung mittels einer Kommunikationsverbindung gemäß dem Stand der Technik;

Figur 2a zeigt eine Brennkraftmaschine, sowie eine an die Brennkraftmaschine gekoppelte erfindungsgemäße elektrische Maschine in einer ersten schematischen Darstellung;

Figur 2b zeigt eine Brennkraftmaschine, sowie eine an die Brennkraftmaschine gekoppelte elektrische Maschine, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in schematischer Darstellung;

Figur 2c zeigt eine an ein Bordnetz angekoppelte elektrische Maschine in vergrößerter schematischer Darstellung;

Figur 3 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Phasenspannung der elektrischen Maschine, sowie die hieraus abgeleitete Drehzahl;

Figur 4 zeigt einen Drehzahlverlauf der Brennkraftmaschine, in dem mehrere Betriebszustände einer Brennkraftmaschine exemplarisch durchlaufen werden;

Figuren 5 a, b zeigen zwei exemplarisch ausgewählte Betriebszustände der Brennkraftmaschine, die mittels des Verfahrens ermittelt werden. In Figur 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Steuerung zur Regelung der Spannung in einem Kraftfahrzeugbordnetz 10 gezeigt. Das Kraftfahrzeugbordnetz 10 wird mittels einer an eine Brennkraftmaschine 12 gekoppelten elektrischen Maschine 14 gespeist, wobei die elektrische Maschine 14 mittels eines Kopplungselements 16, typischerweise ein Riementrieb, durch die Brennkraftmaschine 12 angetrieben wird. Zur Regelung der Bordnetzspannung 10 ist eine Recheneinheit 18 in Form eines Reglers 20 vorgesehen, der in Abhängigkeit von der Bordnetzspannung 10 den Erregerstrom der elektrischen Maschine entsprechend einregelt.

Um die Regelung bzw. das Einspeisen elektrischer Energie in das Fahrzeugbordnetz 10 abhängig von den jeweiligen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 12 regeln zu können, werden typischerweise die entsprechenden Betriebszu- stände der Brennkraftmaschine 12 durch ein der Brennkraftmaschine 12 zugeordnetes Steuergerät 22 ermittelt, woraufhin das Steuergerät 22 über eine Kommunikationsverbindung 24 Steuersignale an den Regler 20 übermittelt, um einen Erregerstrom der elektrischen Maschine 14 entsprechend zu einem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 12 einzustellen. Hierbei ist der Regler 20 der elektrischen Maschine 14 bzw. eine entsprechende extern zur elektrischen Maschine 14 angeordnete Recheneinheit (nicht abgebildet) hinsichtlich einer Ermittlung der jeweiligen Betriebszustände der Brennkraftmaschine 12 stets passiv und lediglich dafür eingerichtet, auf Basis einer Ansteuerung durch das Steuergerät 22 den Erregerstrom der elektrischen Maschine 14 entsprechend des jeweiligen Betriebszustandes zu erhöhen bzw. zu verringern.

In Figur 2 a) ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Aufbaus einer Brennkraftmaschine 112 und einer mit der Brennkraftmaschine 112 verbundenen elektrischen Maschine 114 gezeigt, wobei die elektrische Maschine 114 mittels eines Riemens 116 von der Brennkraftmaschine 112 angetrieben wird. Der Riemen 116 ist motorseitig mit der Kurbelwelle 117 der Brennkraftmaschine 112 wirkverbunden. Die Brennkraftmaschine 112 gibt bedingt durch die Arbeitstakte und/oder die Verdichtung der jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine 112 das Drehmoment impulsartig an die Kurbelwelle 117 ab. Die Frequenz der Drehmomentabgabe wird durch die aktuelle Drehzahl der Brennkraftmaschine 112 und die Zylinderzahl der Brennkraftmaschine 112 bestimmt. Bei einem Viertaktmotor bestimmt sich die Frequenz der Drehmomentabgabe nach der Formel: fmoment = n _K w/60 * ZyNnderzahl/2, wobei nKw die Drehzahl der Brennkraftmaschine 112, bzw. der Kurbelwelle in

Umdrehungen pro Minute ist.

Diese ungleichförmige Drehmomentabgabe erzeugt ein entsprechendes Schwingungsverhalten der Brennkraftmaschine 112. Durch die feste Kopplung der elektrischen Maschine 114 mit der Brennkraftmaschine 112 durch das Kopp- lungselement 116 in Form eines Riemens bzw. einer starren Verbindung der elektrischen Maschine 114 und der Brennkraftmaschine 112 (nicht dargestellt), wird die entsprechende Oszillation, die durch die impulsartige Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine 112 verursacht wird, auf die elektrische Maschine 114 und deren Drehzahl 122 übertragen.

Diese Oszillationen sind in Folge der festen Kopplung zwischen der elektrischen Maschine 114 und der Brennkraftmaschine 112 aus dem Phasensignal 120a (vergleiche Figur 3) der elektrischen Maschine 114 entnehmbar. Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand einer Recheneinheit 118 beschrieben, auf der das Verfahren ausgeführt wird. Zur Steuerung und Auswertung weist die elektrische Maschine 114 die erfindungsgemäße Recheneinheit 118 in Form eines Reglers 120 auf, die dazu eingerichtet ist, aus dem Phasensignal 121 einen zeitlichen Verlauf einer Drehzahl 122 zu ermitteln. Der zeitliche Verlauf der Drehzahl 122 wird durch die Recheneinheit 118 analysiert und aus dem zeitlichen Verlauf der Drehzahl 122 wird ein Drehzahlmuster 128, 132 (vgl. Figuren 4 und 5) abgeleitet, das von den charakteristischen impulsartigen Schwingungen der Brennkraftmaschine 112 herrührt. Insbesondere weisen die Drehzahlmuster 128, 132 charakteristische Oszillationen O mit entsprechenden Amplituden A bzw. Welligkeit W auf (vgl. Figur 4 und 5). Zudem ist die Recheneinheit 118 dazu ausgebildet, einen Mittelwert DMD der Drehzahl 122 zu ermitteln, und diesen, sofern erforderlich, entsprechend zu speichern.

Der Mittelwert DMD der Drehzahl 122, wird innerhalb eines festlegbaren Zeitintervalls ermittelt, wobei das Zeitintervall zur Ermittlung des Mittelwerts DMD der Drehzahl 122 mehrere Oszillationen O, zumindest jedoch eine Oszillation O, aufweisen sollte. Des Weiteren kann die Amplitude A der Oszillation O bzw. deren Welligkeit W ermittelt werden. Die Amplitude A (vgl. Figur 5), ist die betragsmäßige Differenz der Maxima der Oszillation O zum Mittelwert DMD der Drehzahl 122 und die Welligkeit W entspricht etwa dem Doppelten der Amplitude A. Durch Vergleich des Mittelwerts DMD der Drehzahl 122 mit einem ersten Schwellwert Thi und Vergleich der Welligkeit W, der dem zeitlichen Verlauf des Mittelwerts DMD der Drehzahl 122 überlagerten Oszillation O, mit einem Drehzahlband B, können die Betriebszustände 128a und 132a der Brennkraftmaschine 112 ermittelt werden. Die Betriebszustände der Brennkraftmaschine umfassen hierbei, den Betriebszustand Teillastbetrieb 128a und Leerlaufbetrieb 132a. Zur Ermittlung der zuvor genannten Betriebszustände kann zudem noch ein weiterer Schwellwert Thi2 zum Abgleich mit dem Mittelwert DMD der Drehzahl 122 herangezogen werden.

Die Recheneinheit 118 in Form eines Reglers 120, ist somit dazu eingerichtet, auf Basis des Mittelwerts DMD der Drehzahl und der Welligkeit W, der dem zeitlichen Verlaufs des Mittelwerts DMD der Drehzahl überlagerten Oszillation O bei Vergleich mit einem ersten Schwellwert Thi und/oder zweiten Schwellwerts Thi2 und dem daraus betragsmäßig abgeleiteten Drehzahlband B, die Betriebszustände 128a und 132a zu ermitteln (vgl. Figuren 4 und 5), ohne das hierfür ein entsprechendes externes Steuergerät erforderlich ist. Die elektrische Maschine 114 bzw. die dieser zugeordneten Recheneinheit 118, ist daher dazu eingerichtet, die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte und die nachfolgend noch zu beschreibenden Verfahrensschritte, völlig eigenständig von einer externen Analyse und/oder externen Steuereinheit durchzuführen. Die Schwellwerte Thi und Thi2 legen das Drehzahlband B betragsmäßig fest, in dem typischerweise die Welligkeit W der Oszillation O im Leerlaufbetrieb 132a verläuft. Der Leerlaufbetrieb 132a der Brennkraftmaschine 112 kann somit besonders einfach dadurch erkannt werden, dass der Mittelwert DMD der Drehzahl 122, größer als der erste Schwellwert Thi ist, und kleiner als der weitere Schwellwert Thi2, und dass die Welligkeit W innerhalb des Drehzahlbands B verläuft. Gleichermaßen kann der Betriebszustand Nicht-Leerlaufbetrieb, inbesondere Teillastbetrieb 128a der Brennkraftmaschine 112 erkannt werden. Beim Teillastbetrieb 128a ist entsprechend der Mittelwert DMD der Drehzahl 122 größer als der erste Schwellwert Thi und die Welligkeit W, der dem zeitlichen Verlauf des Mittelwerts DMD der Drehzahl 122 überlagerten Oszillation O, verläuft zumindest teilweise innerhalb des Drehzahlbands B und ist betragsmäßig größer als das Drehzahlband B.

Somit kann durch Abgleich des Mittelwerts DMD der Drehzahl 122 in einem festlegbaren Zeitintervall, und der Amplitude A bzw. der Welligkeit W der der Drehzahl 122 überlagerten Oszillation O mit dem Drehzahlband B, eine sichere und besonders einfache Ermittlung der jeweiligen Betriebszustände 128a und/oder 132a, bewirkt werden.

In Figur 2b ist ein weiteres, Figur 2a ähnlichen Ausführungsbeispiels, beschrieben. Gleich oder vergleichbare Merkmale zu Figur 2a, wurden hierbei mit der gleichen Bezugsziffern, jedoch mit einem weiteren Buchstaben (b), gekennzeichnet. Die elektrische Maschine 114b weist einen Drehzahlsensor 115b auf, der mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Der Drehzahlsensor 115b ist derart an der elektrischen Maschine 114b festgelegt, dass dieser die Drehzahl des Läufers der elektrischen Maschine 114b ermitteln kann. Die mittels des Drehzahlsensors 115b ermittelten Drehzahl 122, können gleichermaßen wie die mittels eines Phasensignals 121 ermittelten Drehzahlwerte 122 herangezogen werden, um die Betriebszustände 128a und/oder 132a der Brennkraftmaschine 112b zu ermitteln. Hierdurch ergibt sich eine alternative Bezugsquelle des Drehzahlsignals 122, die entweder alternativ oder kumulativ zur Ermittlung der Drehzahl 122 aus dem Phasensignal 121 herangezogen werden kann.

In Figur 2c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gleiche oder vergleichbare Merkmale zu Figur 2a bzw. 2b, wurden hierbei mit der gleich Bezugsziffer, jedoch mit einem weiteren Buchstaben c gekennzeichnet. Weiter wird vereinfacht davon ausgegangen, dass im Falle einer kumulativen Ermittlung der Drehzahl 122 durch das Phasensignal 122 und dem Drehzahlsensor 115b (Figur 2b), der jeweilige Betriebszustand 128a und 132a durch die Recheneinheit 118c ermittelt wird.

Die Recheneinheit 118c, die in Form eines Reglers 120c einer elektrischen Maschine 114c ausgebildet ist, ist zudem dazu eingerichtet, den jeweiligen Betriebszustand 128a und/oder 132a (vgl. Figur 5) zu erkennen, und auf Basis des erkannten Betriebszustands 128a und 132a der Brennkraftmaschine 112, einen Erregerstrom I E _IT derart auf einen jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 112 anzupassen, dass das Bremsmoment der elektrischen Maschine 112 je nach Betriebszustand vergrößert oder verkleinert werden kann. Bei den vorliegend zu erkennenden Betriebszuständen, Teillastbetrieb 128a, bzw. Leerlaufbetrieb 132a, ist in der Regel eine Verringerung des Bremsmoments der elektrischen Maschine 114 und damit auch eine Reduzierung des Erregerstroms I E _IT erforderlich, um entweder ein möglichst großes Abgabedrehmoment der Brennkraftmaschine 112, oder einen störungsfreien Betrieb der Brennkraftmaschine 112 im Leerlaufbetreib zu gewährleisten.

Hierbei kann der Erregerstrom unter Vorgabe einer Sollspannung Usoii bzw. eines Isoii des Kraftfahrzeugbordnetzes 110c oder unter Vorgabe einer Maximalstromabgabe i Max, wobei die Maximalstromabgabe ΙΜ _3Χ nach Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 112 parametrisiert werden kann, geregelt werden.

Durch eine derartige Regelung des Erregerstroms \ E„, die auf einer Vorgabe der Sollspannung Usoii bzw. des Sollstroms Isoii des Kraftfahrzeugbordnetzes 110c beruht, kann ein nahezu bremsmomentfreies bzw. Schleppmomentfreies Mitlaufen der elektrischen Maschine 114a im Beschleunigungsbetrieb der Brennkraftmaschine aus dem Leerlauf- oder bei Teillastbetrieb 128a entsprechend einfach umgesetzt werden (vgl. Figur 5). Das gleiche gilt für einen störungsfreien Betrieb der Brennkraftmaschine im Leerlaufzustand 132a. Alternativ kann eine derartige Regelung auch über eine Regelung eines in das Kraftfahrzeugbornetz abzugebenden Maximalstroms ΙΜ _3Χ geregelt werden, wobei dieser Maximalstrom ΙΜ _3Χ wiederum abhängig von den jeweiligen Betriebszuständen 128a und 132a der Brennkraftmaschine 112 parametrisiert werden kann (vgl. Figur 5). Eine derartige Parametrisierung kann entweder numerisch erfolgen oder durch Abfrage der in einem hinterlegten Kennfeld gespeicherten Parameter umgesetzt werden (nicht dargestellt).

Die Ermittlung des Drehzahlsignals 122 aus einem Phasensignal 121 der elektrischen Maschine 114 ist in Figur 3 näher beschrieben. Bei dem Phasensignal 121 handelt es sich vorliegend um eine der Phasenspannungen 121a der elektrischen Maschine. Es versteht sich, dass hierzu grundsätzlich jede beliebige Phasenspannung einer oder mehrerer Phasen der elektrischen Maschine 114, aber auch die jeweiligen Phasenströme verwendbar sind, um hieraus das Drehzahlsignal der elektrischen Maschine 114 sowie das Drehzahlsignal und die Drehzahlmuster 128, 132 der an diese gekoppelten Brennkraftmaschine 112 zu ermitteln (nicht dargestellt). Bei Verwendung von mehr als einer Phasenspannung kann eine entsprechend höhere zeitlich Auflösung des Drehzahlsignals erreicht werden (nicht dargestellt).

Die Phasenspannung 121a verläuft bei einem Generator mit Stromabgabe in erster Näherung rechteckförmig. An diesem Signal der Phasenspannung 121a kann eine mittlere Phasenzeit Tphase erfasst werden, wobei diese sich am besten an den steilen Flanken der Phasenspannung 121a ermitteln lässt. Die Phasenzeit Tphase wird durch die Drehzahlschwankung in Form eines für die jeweiligen Be- triebszustände der Brennkraftmaschine 112 charakteristischen Drehzahlmusters 128, 132 moduliert und bildet die aktuelle Drehzahl ab über die Formel: n _KW = 60/(TPHASE * PPZ * Üb), wobei rikw die Kurbelwellendrehzahl in Umdrehungen pro Minute ist, Üb das Übertragungsverhältnis zwischen Kurbelwelle und Generatorwelle und PPZ die Polpaarzahl des Generators. Die hierzu korrespondierenden Werte der Drehzahl 122 und einer mittleren Drehzahl 122a, die dem Mittelwert DMD der Drehzahl 122 innerhalb eines Zeitintervalls entspricht, sind in Figur 3 ebenfalls als Punkte bzw. als Linie dargestellt. Das Zeitintervall kann insbesondere derart gewählt werden, dass über mehrere Oszillationen gemittelt wird.

Die Drehzahl kann vorzugsweise digital ermittelt werden. Mittels einer Messung der zeitlichen Abstände Tphase der Amplituden in dem Phasensignal 121 der elektrischen Maschine 114, kann, wie bereits beschrieben, die Momentandrehzahl ηκνν ermittelt werden. Sofern Parameter wie Zylinderzahl, Übertragungsverhältnis Üb und Polpaarzahl PPZ der elektrischen Maschine 114 im erfassten Zeitraum bekannt sind, kann der Regler 118 eine feste Anzahl von Drehzahlwerten in einem Speicher, zum Beispiel in einem Schieberegister, (nicht dargestellt) einspeichern und zumindest innerhalb eines Schwingungszykluses jeweils eine maximale und eine minimale Momentandrehzahl ermitteln. Bei den maximalen und minimalen Momentandrehzahlen handelt es sich vorzugsweise um die Peakdreh- zahlen im jeweils erfassten Zeitbereich. Die Differenz zwischen diesen Drehzahlen ist ein Maß für das durch die Brennkraftmaschine 112 abgegebene Drehmoment. Zur genauen Ermittlung von Tphase ist es vorteilhaft, eine hohe zeitliche Auflösung um den Mittelwert von Tphase zu gewährleisten. Hierbei kann für eine bessere Auflösung die Drehzahl 122, diese auf Basis der ansteigenden und abfallenden Flanken der Phasenspannung 121 a ermittelt werden. Im Speicher können grundsätzlich beliebig viele Drehzahlwerte erfasst werden, wobei jedoch etwa ein ganzer Zyklus einer Schwingung für eine Auswertung erfasst werden sollte.

Um darzustellen, dass die Abtastrate des Generators ausreichend ist, um die Drehzahl 122 und insbesondere die der Drehzahl überlagerten Oszillationen entsprechend aufzulösen, sollen nachfolgend die Verhältnisse der entsprechenden Frequenzen betrachtet und mit dem Nyquist-Kriterium abgeglichen werden. Das Nyquist-Kriterium fordert, dass f _e /fmoment >= 2. Bezogen auf die Motordrehzahl ergibt sich die Generatorfrequenz bzw. die Frequenz der elektrischen Maschine mit wobei ηκνν die Drehzahl der Brennkraftmaschine ist. In Kombination mit der Gleichung für fmoment ergibt sich fe/f moment- 2 * Ub * PPZ / Zylinderzahl.

Damit ergibt sich beispielsweise für Üb = 3, PPZ = 6, Zylinderzahl = 4, dass der Quotient f _e /fmoment = 9 ist. Selbst bei sehr großen hochzylindrigen Motoren, beispielsweise eines 12-Zylinder-Motors, beträgt das Verhältnis fe/fmoment = 3, wobei auch hier das Nyquist-Abtastkriterium stets erfüllt ist.

In Figur 4 ist der Drehzahlverlauf 122 einer Brennkraftmaschine 112 über einen längeren Zeitraum dargestellt. Dieser Drehzahlverlauf 122 weist entsprechende Drehzahlmuster 128, 132 auf, die exemplarisch für zwei verschiedene Betriebs- zustände einer Brennkraftmaschine 112, nämlich Leerlauf 132a und Teillastbetrieb 128a, charakteristisch sind. Die jeweiligen Drehzahlmuster 128 und 132 sind in Figur 5a und 5b noch einmal vergrößert dargestellt. In den Figuren 5a und 5b ist jeweils die Drehzahl 122 über die Zeit dargestellt.

In Figur 5a ist der Betriebszustand Leerlaufbetrieb 132a der Brennkraftmaschine 112 gezeigt. Ein Charakteristikum für diesen Betriebszustand ist, dass der Mittelwert der Drehzahl DMD im zeitlichen Verlauf im Wesentlichen konstant ist. Es wird vorliegend ein Drehzahlband B gewählt, das durch einen unteren Schwellwert Thi und einen Schwellwert Thi2 festgelegt ist. Innerhalb dieser Schwellwerte bewegt sich der zeitliche Drehzahlverlauf 122 im Leerlaufbetrieb 132a, d.h. die Welligkeit W des Drehzahlverlaufs 122 ist innerhalb des Drehzahlbands B. Das Drehzahlband B hingegen, kann lediglich auch betragsmäßig durch die Schwellwerte Thi und Thi2 festgelegt werden (vgl. hierzu Figur 5b). Auf den Leerlaufbetrieb 132a der Brennkraftmaschine 112 wird dann geschlossen, wenn der Mittelwert DMD der Drehzahl 122, größer als der erste Schwellwert Thi ist, und kleiner als der weitere Schwellwert Thi2 ist, und/oder die Welligkeit W der Oszillation O, die in etwa dem doppelten der Amplitude der Oszillation entspricht, betragsmäßig kleiner als das Drehzahlband B ist.

In Figur 5b weist das Drehzahlsignal 122 im ersten zeitlichen Abschnitt AI in etwa das Drehzahlmuster 128a im Leerlaufzustand 132a auf. Der zeitliche Bereich in dem der Mittelwert DMD der Drehzahl 122 einen im Wesentlichen konstanten Verlauf aufweist, geht in einen konstant ansteigenden Bereich im zweiten zeitlichen Abschnitt A2 über. Auch hier ist dem Mittelwert DMD der Drehzahl die Oszillation O mit einer Welligkeit Wieiiiast überlagert.

Das Drehzahlband B ist betragsmäßig festgelegt durch die Schwellwerte Thi und Thi2 (vgl. Figur 5a), wobei dieses Drehzahlband B die Welligkeit Wi_eeriauf der Oszillation O im Leerlaufzustand 132a der Brennkraftmaschine 112 umfasst. Im Zeitbereich des sich ändernden Mittelwerts DMD der Drehzahl (Übergang von Abschnitt AI zu Abschnitt A2 und der Verlauf des Abschnitt A2), wird das Drehzahlband B derart an den zeitlichen Anstieg des Mittelwerts DMD der Drehzahl 122 angepasst, dass der Mittelwert DMD der Drehzahl 122 in etwa mittig im Drehzahlband B verläuft bzw. dem Gradienten des Mittelwerts DMD der Drehzahl 122 folgt. Somit kann auf einen Teillastbetrieb 128a der Brennkraftmaschine dann geschlossen werden, wenn der Mittelwert DMD der Drehzahl 122 größer als der erste Schwellwert Thi und/oder größer als der weitere Schwellwert Thi2 ist und die Welligkeit Wieiiiast, der den zeitlichen Verlauf des Mittelwerts DMD der Drehzahl 122 überlagerten Oszillation O, zumindest teilweise innerhalb des Drehzahlbands B verläuft und betragsmäßig größer als das Drehzahlband B ist.

Hierbei ist charakteristisch, dass sich bei einer Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine 112, die Amplitude A bzw. die Welligkeit W der Oszillation O, gegenüber der Amplitude bzw. Welligkeit W im Leerlaufbetrieb, vergrößert. Dies kann als hinreichendes Kriterium zur Erkennung eines Nicht -Leerlaufbetriebs z.B. Teillastbetriebs 128a herangezogen werden. Als notwendiges Kriterium für einen Teillastbetrieb 128a kann das übersteigen der Schwelle Thi herangezogen werden. Zudem könnte auf Basis des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Erkennung eines Nicht-Leerlaufbetriebs auch ein Volllastbetrieb entsprechend erkannt werden, wobei sich der Volllastbetrieb von einem Teillastbetrieb insbesondere dadurch unterscheidet, dass sich der Betrag der Amplituden A bzw. der Welligkeit W im Volllastbetrieb gegenüber dem Teillastbetrieb entsprechend vergrößert.