Titel

Verfahren zum Betreiben eines Ladereglers für einen elektrischen Speicher in ei nem Kraftfahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ladereglers für einen elektrischen Speicher, insbesondere einer Batterie eines Fahrzeugbord netzes, welcher mit einer an eine Brennkraftmaschine direkt oder übersetzt kop pelbaren elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor, ein Stator mit zumin dest einer Phasensignale erzeugenden Phasenwicklung, mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist.

Stand der Technik

Die Drehwinkelposition und die Drehzahl der Kurbelwelle einer Brennkraftma schine sind wesentliche Eingangsgrößen für viele Funktionen der elektronischen Motorsteuerung. Zu ihrer Ermittlung, können auf einem mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine rotierenden Körper in gleichen Winkelabständen Markierun gen vorgesehen sein. Das Vorbeistreichen einer Markierung infolge der Kurbel wellendrehung, kann durch einen Sensor erfasst und als elektrisches Signal an eine Auswertelektronik weitergegeben werden.

Diese Elektronik bestimmt für die jeweilige Drehwinkelposition der Kurbelwelle, das jeweils hierfür hinterlegte Signal für die Markierung bzw. misst eine Zeitdiffe renz zwischen zwei Markierungen und kann aufgrund des bekannten Winkelab stands zweier Markierungen zueinander, die Winkelgeschwindigkeit und daraus die Drehzahl ermitteln. Bei Kraftfahrzeugen, insbesondere Motorrädern, Mopeds oder Krafträdern, können die Markierungen beispielweise durch Zähne eines me tallischen Zahnrads, eines sogenannten Geberrads, bereitgestellt werden, wel che durch ihre Bewegung in dem Sensor eine Änderung des Magnetfelds bewir ken. Eine Lücke von einigen Zähnen kann als Bezugsmarke zur Erkennung der absoluten Position dienen. Während bei Pkws zumeist 60-2 Zähne verwendet werden (gleichmäßige Vertei lung von 60 Zähnen, wobei zwei ausgespart bleiben), kommt bei Motor- bzw. Krafträdern beispielweise auch 36-2, 24-2 oder 12-3 Zähne zum Einsatz. Bei die sem indirekten Prinzip der Drehgeschwindigkeitsbestimmung bzw. Drehwinkelpo sitionsbestimmung der Kurbelwelle, wird die Auflösung des Drehzahlsignals bzw. die absolute Erfassung der Drehwinkelposition durch die Anzahl der Zähne und durch eine sichere Erkennung der Bezugsmarke bestimmt.

Bei jedem modernen Fahrzeug mit Brennkraftmaschine, ist ein Generator ver baut, der durch die Drehung der Kurbelwelle angetrieben wird und elektrische Signale liefert, die zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und dem Aufladen der Fahrzeugbatterie dienen.

Die Auslegung des Generators erfolgt üblicherweise derart, dass der maximale Energiebedarf des Bordnetzes jederzeit bereitgestellt werden kann. Dies bedingt, dass in vielen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine mehr elektrische Energie durch den Generator bereitgestellt wird, als zum Aufladen der Batterie bzw. zur Versorgung der mit dem Bordnetz verbundenen Komponenten benötigt wird. Bei einem Überangebot elektrischer Energie in einem jeweiligen Betriebspunkt muss stets ein Überladen der Batterie verhindert werden, so dass eine Beschädigung der Batterie verhindert wird. Hierfür wird der Generator häufig von den anderen Komponenten des Bordnetzes entkoppelt, wobei ein entsprechender Laderegler verwendet wird, durch den zum Beispiel durch Kurzschließen der Phasen oder das Versetzen des Generators in einen Leerlaufzustand eine Energieabgabe in die Batterie unterbunden wird. Im Falle einer fremderregten elektrischen Ma schine kann mittels des Reglers auch eine Entregung der elektrischen Maschine erfolgen, wodurch diese in einen Leerlaufzustand versetzt werden kann. Insbe sondere im Fall der Kurzschlussregelung, bei dem die überschüssige elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, und der die häufigste Art der Regelung, insbesondere bei motorisierten Zweirädern oder sonstigen Leichtkrafträdern dar gestellt, belastet der Generator in diesem Fall die Brennkraftmaschine parasitär, da die in Wärme umgesetzte elektrische Energie nicht mehr als kinetische Ener gie für den Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung steht. Eine entsprechende Leerlaufregelung für eine elektrische Maschine wird in der Regel vermieden, da hierbei sehr hohe Spannungen auftreten können, welche zur Beschädigung von elektronischen Komponenten oder zur Gefährdung von Personen führen können. Deswegen wird häufig eine entsprechende Kurzschlussregelung, trotz der hierbei entstehenden Verlustleistung, in Kauf genommen.

Es wäre daher wünschenswert eine Möglichkeit einer Regelung der Batterie spannung anzugeben, bei der die Verlustleistung möglichst gering gehalten wird.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprü che sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Ladereglers für einen elektrischen Speicher, insbesondere eine Batterie eines Fahrzeugbordnetzes, welcher mit ei ner an eine Brennkraftmaschine direkt oder übersetzt koppelbaren oder gekop pelten elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor, einen Stator mit zumin dest einer Phasensignale erzeugenden Phasenwicklung, mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist, wird nach Erreichen oder Überschreiten eines ersten Soll werts des elektrischen Speichers die elektrische Maschine durch den Laderegler derart angesteuert, dass die elektrische Maschine motorisch betrieben wird. Be vorzugt weist die Brennkraftmaschine mit der Welle der elektrischen Maschine eine starre Kopplung auf. Dies ist besonders vorteilhaft, da zum einen bei Kennt nis der Position einer der Wellen auf die Position der jeweils anderen Welle zu rückgeschlossen werden kann. Darüber hinaus kann eine besonders gute Dreh momentübertragung gewährleistet werden. Beim Überschreiten eines ersten Sollwerts des elektrischen Speichers, der insbesondere ein erster Sollwert der Spannung des Speichers ist, wird die elektrische Maschine motorisch betrieben, wodurch die in der elektrischen Batterie gespeicherte elektrische Energie zumin- dest teilweise in kinetische Energie, insbesondere zur Unterstützung der Brenn kraftmaschine, umgewandelt wird, wodurch ein Überladen der Batterie durch die elektrische Maschine verhindert wird. Die Batteriespannung ist hierbei ein beson ders guter Indikator, da diese typischerweise beim Ausschöpfen der Kapazität der Batterie in eine Sättigung läuft und besonders sicher erkannt und gemessen werden kann. Der motorische Betrieb der elektrischen Maschine kann hierbei die Brennkraftmaschine entsprechend unterstützen, was den Vorteil hat, dass die für eine Spannungsregelung aus der Batterie abgeleitete Energie nicht in Wärme, sondern in kinetische Energie umgesetzt wird, wodurch entsprechend die Brenn kraftmaschine entlastet wird. Diese Maßnahme hat einen besonders vorteilhaften Einfluss auf die Energiebilanz des Systems aus Brennkraftmaschine und elektri scher Maschine und kann dabei helfen, den Kraftstoffverbrauch der Brennkraft maschine zu reduzieren.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird nach Erreichen oder Unterschreiten eines weiteren Sollwerts des elektrischen Speichers, der betrags mäßig kleiner als der erste Sollwert ist, die elektrische Maschine durch den Lade regler derart angesteuert, dass die elektrische Maschine generatorisch betrieben wird.

Der erste Schwellwert gibt hierbei vorzugsweise eine obere Schranke und der weitere Sollwert eine untere Schranke an, wobei durch den ersten und den zwei ten Sollwert, die vorzugsweise Spannungswerte des elektrischen Speichers dar stellen, ein Sollwertband definiert wird, innerhalb dem eine entsprechende Span nungsregelung des elektrischen Speichers stattfindet. Der weitere Schwellwert definiert hierbei eine untere Toleranzgrenze, bis zu dem der elektrische Speicher entweder mittels des motorischen Betriebs durch die elektrische Maschine entla den oder mittels weiterer Verbraucher aus dem Bordnetz entladen wird, bis er neut ein generatorischer Betrieb der elektrischen Maschine einsetzt. Hierbei wechselt die elektrische Maschine den Betriebsmodus, wobei im motorischen Betrieb, wie zuvor bereits beschrieben, Energie aus der Batterie entnommen, und im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine elektrische Energie dem elektrischen Speicher zugeführt wird. Ein abruptes Umschalten zwischen motorischem und generatorischem Betrieb der elektrischen Maschine kann je nach Zeitdauer der einzelnen Betriebszu stände spürbare Auswirkungen für den Fahrer haben, da die Kurbelwelle wech selnd ein zusätzliches beschleunigendes beziehungsweise bremsendes Moment erfährt. Um diese Auswirkungen zu minimieren und kein geändertes Gefühl für den Fahrer zu verursachen, kann durch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens statt eines plötzlichen Umschaltens der Betriebspunkte eine kon tinuierliche Veränderung des aufgebrachten beziehungsweise abgenommenen Drehmoments durch die elektrische Maschine erfolgen. Hierfür wird die Ansteue rung der elektrischen Maschine derart gewählt, dass die aufgenommene bezie hungsweise abgegebene elektrische Leistung kontinuierlich erhöht beziehungs weise gesenkt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird beziehungs weise werden der erste Sollwert und/oder der weitere Sollwert des elektrischen Speichers abhängig zur Drehzahl der elektrischen Maschine vorgegeben. Durch die Vorgabe von Maschinenparametern für die Einstellung der Sollwerte für den elektrischen Speicher, kann auf besonders einfache Weise die in der elektrischen Maschine zur Verfügung stehende Energie, die von der Drehzahl abhängt, bei dem Ladevorgang des elektrischen Speichers oder bei der motorischen Unter stützung der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden. Zudem kann verhindert werden, dass im Falle einer zu niedrigen Drehzahl der elektrischen Maschine und damit der Brennkraftmaschine durch eine etwaige Ladeanforderung der Bat terie, die Brennkraftmaschine durch die elektrische Maschine im generatorischen Betrieb zu stark mit einem Bremsmoment beaufschlagt wird, so dass der Betrieb der Brennkraftmaschine gestört werden kann oder sogar zum Erliegen kommt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens, wird beziehungs weise werden der erste Sollwert und/oder der weitere Sollwert des elektrischen Speichers abhängig von zumindest einem Arbeitspunkt und/oder einem Betriebs zustand und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine vorgegeben. Als Arbeitspunkt wird allgemein der Punkt innerhalb eines Arbeitsspiels insbe sondere eines Zylinders der Brennkraftmaschine umschrieben, wobei ein voll ständiges Arbeitsspiel je nach Brennkraftmaschine zumindest einen Kompressi- ons- und einen Expansionstakt umfassen. Ein Betriebszustand der Brennkraft maschine umfasst hierbei die typischen Fahrzustände einer Brennkraftmaschine. Diese umfassen insbesondere den Lastzustand, bei dem die Brennkraftmaschine permanent belastet wird, den Schubbetrieb, bei dem die Brennkraftmaschine durch den Schluss des Antriebsstrangs im Wesentlichen von einem äußeren Energieeintrag getrieben wird oder zum Beispiel den Leerlauf, bei dem die Brennkraftmaschine im Wesentlichen ohne Abgabe eines äußeren Drehmoments betrieben wird.

Bezüglich der Arbeitsspiele und der Drehzahl der elektrischen Maschine bzw. der Brennkraftmaschine kann der erste bzw. der zweite Sollwert entsprechend ge wählt werden, um einen besonders gleichförmigen Betrieb der Brennkraftma schine zu gewährleisten. Hierbei wird insbesondere der motorische bzw. genera torische Betrieb der elektrischen Maschine derart genutzt, um betriebsbedingte Schwankungen der Brennkraftmaschine entsprechend auszugleichen. Bedingt durch den Betrieb der Brennkraftmaschine gibt diese ihr Drehmoment immer im pulsartig ab, wobei eine entsprechende Drehzahlungleichförmigkeit im Betrieb der Brennkraftmaschine auftritt. Diese kann durch entsprechende Regelung und Wahl der Sollwerte des elektrischen Speichers entsprechend derart ausgeglichen werden, dass zum einen die Drehzahlschwankungen geglättet und zum anderen eine entsprechende Laderegelung eines elektrischen Speichers gewährleistet werden kann. Das Gleiche gilt für die Betriebszustände der Brennkraftmaschine, wobei insbesondere bei einem Lastbetrieb die elektrische Maschine vorzugs weise motorisch betrieben werden kann, wodurch die Brennkraftmaschine unter stützt wird. Zudem kann beispielsweise in einem Schubbetrieb, bei dem ein ex terner Drehmomenteintrag auf die Brennkraftmaschine wirkt, dieser genutzt wer den, um die hierdurch gewonnene kinetische Energie, sofern dies der Ladezu stand des elektrischen Speichers zulässt, mittels der elektrischen Maschine im generatorischen Betriebszustand in den elektrischen Speichers zu überführen.

Im Leerlauf kann die elektrische Maschine durch den Laderegler derart ange- steuert werden, dass im Arbeitsspiel des Kompressionstaktes der bzw. die Zylin der der Brennkraftmaschine entsprechend motorisch unterstützt werden, wobei nach der Zündung und Expansion des Brennstoff-Luftgemisches ein generatori scher Betrieb den impulsartigen Drehmoment- und Drehzahlanstieg der Brenn kraftmaschine entsprechend glätten kann, wodurch die hieraus gewonnene kine tische Energie in elektrische Energie gewandelt, und diese im elektrischen Spei cher gespeichert werden kann. Neben dem Vorteil der Glättung des Drehmomen ten- und/oder Drehzahlverlaufs, kann durch diesen Betrieb auch erreicht werden, dass das Umschalten zwischen motorischem und generatorischem Betrieb der elektrischen Maschinen ohne spürbaren Effekt für den Fahrer geschieht.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können neben der Minderung der Drehungleichförmigkeit innerhalb eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine durch eine geeignete Ansteuerung der elektrischen Maschine auch Unter schiede zwischen verschiedenen Arbeitsspielen ausgeglichen werden. Vor allem bei geringen Füllmengen des Zylinders, zum Beispiel im Leerlauf der Brennkraft maschine, können Schwankungen in der Qualität der Verbrennungen auftreten. Daraus resultieren unterschiedlich starke Drehzahlhübe für verschiedene Arbeits spiele. Um diese Schwankungen auszugleichen, kann die elektrische Maschine insbesondere bei unterdurchschnittlich schwachen Verbrennungen durch motori schen Betrieb die Drehzahl der Kurbelwelle erhöhen beziehungsweise bei über durchschnittlichen starken Verbrennungen durch generatorischen Betrieb die Kurbelwelle abbremsen. Somit kann eine Angleichung der verschiedenen Ar beitsspiele aneinander realisiert werden und ein ruhigerer Lauf des Gesamtsys tems ermöglicht werden. Vor dem Hintergrund dieser Zielvorgaben kann die elektrische Maschine entsprechend angesteuert werden, bzw. das Ansteuerver fahren für die elektrische Maschine entsprechend angepasst werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest ein Wert, der jeweils einmal pro Umdrehung des Rotors der elektrischen Maschine auftritt und mit zumindest einer aufsteigenden Flanke des Phasensignals, einer abfallenden Flanke des Phasensignals oder einem Nulldurchgang des Phasen signals assoziiert erfasst, wobei die elektrische Maschine durch den Laderegler nach dem Auftreten des zumindest einen Werts motorisch oder generatorisch be trieben wird. Durch ein Erfassen dieses Wertes, der mit einer aufsteigenden Flanke des Phasensignals oder einer abfallenden Flanke des Phasensignals mit einem Nulldurchgang des Phasensignals assoziiert ist, kann auf eine Drehwinkel position des Rotors der elektrischen Maschine bzw. dessen Drehzahl zurückge schlossen werden. Durch die feste Kopplung der elektrischen Maschine mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine lässt sich somit auch die Kurbelwellenposi tion aus der Drehwinkellage des Rotors bzw. die Drehzahl der Kurbelwelle aus der Drehzahl des Rotors bestimmen. Die exakte Drehwinkellage des Rotors bzw. dessen Drehzahl ist aus einer unbelasteten elektrischen Maschine direkt aus der Leerlaufspannung der elektrischen Maschine ablesbar, da die relative Phasen lage der Leerlaufspannung mit der Drehwinkellage des Rotors übereinstimmt. Bei einer belasteten elektrischen Maschine, insbesondere bei einer belastenden ge neratorisch betriebenen elektrischen Maschine, ist die exakte Drehwinkellage des Rotors durch zusätzliche Berücksichtigung des Polradwinkels ermittelbar. Es ist daher vorteilhaft, vor einer motorischen bzw. generatorischen Beaufschlagung der elektrischen Maschine, die jeweiligen Werte zu bestimmen, anhand derer die Kurbelwellenposition bzw. die Drehzahl der elektrischen Maschine ermittelt wird, ohne durch eine jeweilige Belastung der elektrischen Maschine, diese Ermitte lung nachteilig zu beeinflussen. Im Ergebnis kann somit verhindert werden, dass die charakteristischen Signale, die für eine Ermittlung der Drehzahl bzw. der Drehwinkellage des Rotors erforderlich sind, durch die Spannungsregelung des Speichers nachhaltig beeinträchtigt werden. Auf diese Weise lässt sich auf eine geschickte Art die Spannungsreglung von einer Ermittlung der charakteristischen Werte des Phasensignals, welche mit aufsteigenden und absteigenden Flanken oder Nulldurchgängen des Phasensignals assoziiert werden, zeitlich getrennt werden, wodurch eine Spannungsregelung als auch eine Ermittlung von Sekun därgrößen, wie der Drehwinkellage des Rotors als auch der Drehzahl des Rotors aus den Phasensignalen, woraus durch die direkte Kopplung mit der Brennkraft maschine auch die Drehzahl der Kurbelwelle sowie die Drehwinkelposition der Kurbelwelle ermittelbar sind, gewonnen werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der motori sche oder generatorische Betrieb der elektrischen Maschine abhängig von zu mindest einer Drehwinkellage des Rotors durchgeführt. Durch Kenntnis der abso luten Kurbelwelleninformation, kann der Laderegler in vorteilhafter Weise in ge wissen Kurbelwellenbereichen die elektrische Maschine motorisch bzw. genera torisch betreiben. Hierdurch können Funktionen, die insbesondere eine hoch auf gelöste Drehzahl in gewissen Kurbelwellenbereichen benötigen, hierzu gehören insbesondere die Einspritzung bzw. die Zündung der Brennkraftmaschine, eine noch bessere Qualität der hoch aufgelösten Drehzahl zur Verfügung gestellt wer den. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der motorische oder generatorische Betrieb der elektrischen Maschine nach Auftre ten des zumindest einen Werts solange aufrechterhalten, bis zumindest ein wei terer Wert, der mit einer nachfolgenden aufsteigenden Flanke des Phasensig nals, abfallenden Flanke des Phasensignals oder einem Nulldurchgang des Pha sensignals assoziiert ist, erkannt wird. Hierbei ist von Vorteil, dass durch das Er kennen eines ersten Werts, der mit einer aufsteigenden Flanke des Phasensig nals oder der abfallenden Flanke des Phasensignals bzw. eines Nulldurchgangs des Phasensignals assoziiert ist, ein entsprechender Trigger erfolgen kann, durch den die Bestimmung der Drehwinkellage bzw. der Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine ermittelt wird. Hierbei kann es weiter bevorzugt sein, den Regeleingriff der elektrischen Maschine zum generatorischen oder motorischen Regeln der elektrischen Maschine zwischen zwei benachbarte Werte, vorzugs weise zwischen zwei unmittelbar benachbarte Werte zu positionieren. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass zum Einen eine notwendige Laderegelung des elektrischen Speichers durch einen motorischen bzw. generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine erfolgen kann, als auch dass eine entsprechende Flanken bzw. Nulldurchgangerkennung, die mit den jeweiligen charakteristischen Werten assoziiert sind, nicht gestört wird. Hierdurch kann eine sichere Ermittlung der Drehwinkellage bzw. der Drehzahl des Rotors gewährleistet werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Schalt vorgang des Ladereglers zum motorischen oder generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine eingeleitet, wenn zumindest ein zeitlicher Mindestabstand zu zumindest einem Wert, der mit einer aufsteigenden Flanke des Phasensig nals, einer abfallenden Flanke des Phasensignals oder einem Nulldurchgang des Phasensignals assoziiert ist, besteht.

Durch die Einführung eines zeitlichen Mindestabstands zur nächstfolgenden Flanke, kann gewährleistet werden, dass sich das Gesamtsystem zum Zeitpunkt des Messeingriffs nicht mehr in einem transienten sondern in einem stationären Zustand befindet, wodurch die Messung der Flanken bzw. der Nulldurchgänge und hieraus die Ermittlung der Drehwinkellage des Rotors bzw. dessen Drehzahl mit einer noch höheren Präzision ermittelbar ist. Typische zeitliche Mindestab stände bewegen sich in einem Zeitintervall von ca. 100 ps bis 1 ms.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Schaltvor gang des Ladereglers zum motorischen oder generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine zeitverzögert nach Erkennen eines Wertes eingeleitet. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Zeitverzögerung dazu genutzt werden kann, um eine Plausibilisierung der mit den Flanken bzw. Nulldurchgängen assoziierten Werte vorzunehmen. Hierdurch können Artefakte im Signal, wie zum Beispiel das sogenannte Signalprellen ausgeschlossen werden. Die Zeitverzögerung kann ggf. mit der Drehzahl variiert werden, um ausreichend Rechenzeit zu ge währleisten. Typische zeitliche Verzögerungen bewegen sich in einem Zeitinter vall von ca. 100 ps bis 1 ms.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird auf einer Rechenein heit in einem ersten Modus das Auftreten eines ersten Wertes erkannt, wobei nach Erkennen des Werts aus dem ersten Modus in einen weiteren Modus ge wechselt wird, in dem ein motorischer oder generatorischer Betrieb der elektri schen Maschine eingeleitet wird. Ein direktes Springen von dem ersten Modus in den weiteren Modus, sogenannter Interrupt, bietet den Vorteil, dass ein mög lichst flankensynchrones Schalten ermöglicht wird. Damit ist die Einschwingzeit zur nächsten Flanke sicher gewährleistet und gleichzeitig die Implementierung in einer Recheneinheit sehr recheneffizient. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die elektrische Maschine durch den Laderegler zum motorischen oder generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine, vorzugsweise nach Auftreten des zumindest einen Werts, zeitlich getaktet, vorzugsweise mittels Puls-Weiten-Modulation (PWM) ge taktet, betrieben. Eine getaktete Regelung der elektrischen Maschine durch den Laderegler ist vorteilhaft, da hierdurch eine gewünschte Zielspannung des elektri schen Speichers sicher einstellbar ist. Durch eine entsprechende Anpassung der Pulsbreiten bzw. deren Zeitanfänge und deren Endpunkte kann bei einer Wahl der Ansteuermodi (generatorisch oder motorisch) die Zuführung bzw. die Ent nahme von Energie aus der Batterie bestmöglich auf die vorliegenden Gegeben heiten (Beladungszustand der Batterie, Betriebssituation der Brennkraftma schine, Verbrauch von elektrischen Komponenten im Bordnetz etc.) angepasst werden. Des Weiteren können die entsprechenden Takte einer generatorischen bzw. motorischen Beaufschlagung der elektrischen Maschine sicher zwischen den jeweiligen Triggerwerten zur Bestimmung der Drehwinkelposition bzw. der Drehzahl der elektrischen Maschine positioniert werden, wodurch einerseits eine sichere Laderegelung und andererseits eine exakte Erkennung der Flanken und hieraus eine sicher Ermittlung der Drehzahl bzw. der Drehwinkelposition der Ro tors stets gewährleistet werden kann.

In einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die zeitli che Taktung derart gewählt, dass die Betriebsspannung des elektrischen Spei chers zwischen dem ersten Sollwert und dem weiteren Sollwert liegt, vorzugs weise einen konstanten Wert annimmt. Durch eine entsprechende Wahl der Taktfrequenz, die typischerweise 10, 20 oder 100 kHZ beträgt, und einer Wahl der jeweiligen Pulsbreiten und/oder deren zeitlichen Anfängen und/oder End punkten des Regelsignals, insbesondere eines Signals einer Puls-Weiten-Modu- lation, kann die Betriebsspannung des elektrischen Speichers nahezu beliebig eingestellt werden. Andererseits kann die Lage der Pulse derart gewählt werden, dass keine zeitliche Überlappung mit den charakteristischen Werten des Phasen signals, die für eine Ermittlung der jeweilig aufsteigenden und abfallenden Flanke des jeweiligen Phasensignals erforderlich sind, besteht. Im Übrigen ist die Zeit konstante einer pulsweitenmodulierten Regelung in der Regel deutlich kleiner, als die Zeitkonstante einer elektrischen Maschine. Damit ist der Zeitpunkt des Schaltens in Relation zur Ermittlung der jeweiligen Werte nicht mehr von großer Bedeutung und es muss keine Beachtung des Phasensignals für die Schaltvor gänge erfolgen.

Es ist weiter vorteilhaft, wenn die Taktfrequenz der getakteten generatorischen und/oder motorischen Beaufschlagung der elektrischen Maschine außerhalb des menschlichen Hörspektrums liegt. Hierbei sind insbesondere Frequenzen von größer 50 kHz bevorzugt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das zumindest eine Phasensignal der elektrischen Maschine mittels einer elektronischen Schal tung, insbesondere einem Motorsteuergerät verarbeitet. Durch eine entspre chende Verarbeitung des Phasensignals beziehungsweise, der damit verbunde nen Werte und assoziierten aufsteigenden Flanken, absteigenden Flanken und Nulldurchgängen des Phasensignals sowie eine Regelung, insbesondere eine Laderegelung des elektrischen Speichers in einem Motorsteuergerät, kann auf zusätzliche Steuerkomponenten verzichtet werden, da das Motorsteuergerät oh nehin vorhanden ist, und auch für diesen Einsatz grundsätzlich nutzbar ist. Dies ist vorteilhaft, da hierdurch eine entsprechende Regelarchitektur vereinfacht wer den kann, wodurch zusätzliche Kosten eingespart werden können.

Grundsätzlich versteht sich, dass durch das zuvor beschriebene Verfahren so wohl eine energetisch besonders effiziente Spannungsregelung des elektrischen Speichers erfolgen kann, aber auch direkt aus den internen Signalen der elektri schen Maschine eine hoch aufgelöste Drehwinkelposition bzw. Drehzahl des Ro tors ermittelbar ist und aufgrund der festen Kopplung des Rotors der elektrischen Maschine mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine auch die Drehwinkelposi tion und Drehzahl der Kurbelwelle mit einer entsprechend hohen Genauigkeit er mittelbar ist. Somit kann grundsätzlich auf ein entsprechendes Geberrad und eine daran angeordnete Sensorik zur Bestimmung der Drehwinkellage bzw. der Drehzahl des Rotors verzichtet werden. Eine Ermittlung der Drehwinkelposition bzw. der Drehzahl des Rotors ist im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine bzw. der Brennkraftmaschine stets möglich, da eine entsprechende Laderege lung des elektrischen Speichers zeitlich von der Ermittlung der Flanken bzw. Nulldurchgänge des Phasensignals getrennt sind, welche für eine Ermittlung der Drehwinkelposition bzw. Drehzahl erforderlich sind. Hierdurch können Kosten eingespart werden, was insbesondere in Bezug auf kostengünstigere motorisch betriebene Zweiräder bzw. Leichtkrafträder von Vorteil ist. Zudem können Steu erfunktionen, wie zum Beispiel die Positionsberechnung der Einspritzung, Dreh momentberechnung bzw. Lernfunktion zur genauen Bestimmung der OT-Lage und dergleichen deutlich verbessert werden.

In einer weiteren bevorzugen Ausführungsform des Verfahrens wird die Drehwin kelposition bzw. die Drehzahl des Rotors bzw. der Kurbelwelle zur Steuerung der Brennkraftmaschine verwendet. Eine Erfassung und Verarbeitung der Phasen signale der elektrischen Maschine durch das Motorsteuergerät und eine entspre chende Ermittlung der Drehwinkelposition bzw. der Drehzahl der Kurbelwelle aus der Drehwinkellage des Rotors und einem etwaigen Winkelversatz, gegeben durch den Polradwinkel, kann entsprechend zur Steuerung des Zündzeitpunkts bzw. des Drehmoments der Brennkraftmaschine im Steuergerät der Brennkraft maschine herangezogen werden. Somit kann eine Laderegelung der Batterie, eine Steuerung der Brennkraftmaschine und eine verbesserte Ermittlung der Drehwinkellage bzw. Drehzahl der Kurbelwelle im Motorsteuergerät zusammen gefasst werden, wodurch sich weitere Synergieeffekte ergeben. Hierfür weist die verwendete Recheneinheit, die vorzugsweise als Motorsteuergerät für die Brenn kraftmaschine ausgebildet ist, eine entsprechende integrierte Schaltung und/oder ein auf einem Speicher gespeichertes Computerprogramm auf, die bzw. das zur Durchführung der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte eingerichtet ist bzw. sind.

Die Implementierung des Verfahrens in Form eine Computerprogramms, das vor zugsweise auf einem Datenträger, insbesondere einem Speicher in Form von Software gespeichert ist, und in der Recheneinheit zur Ausführung des Verfah rens zur Verfügung steht bzw. das Vorsehen einer integrierten Schaltung, insbe sondere eines ASIC (Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis), ist vorteil haft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere dann, wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher oh- nehin bereits vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Com puterprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Spei cher, wie sie vielfach aus dem Stand der Technik bekannt sind.

Eine bevorzugte elektrische Maschine, die mittels des zuvor beschriebenen Ver fahrens motorisch und/oder generatorisch angesteuert wird, weist einen Strom richter mit aktiven Schaltelementen, vorzugsweise Transistoren, insbesondere MOSFETS (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) auf, wodurch durch eine entsprechende Beschaltung der Transistoren sowohl ein motorischer bzw. ein generatorischer Betrieb der elektrischen Maschine, durch Ansteuerung durch den Laderegler bzw. durch eine sonstige übergeordnete Regeleinrichtung, erfolgen kann.

Durch die Möglichkeit, die elektrische Maschine auch motorisch betreiben zu können, lassen sich weitere Funktionen des Gesamtsystems realisieren.

Besonders bei kleinen Ein-Zylinder-Brennkraftmaschinen steht häufig ein gerin ges Drehmoment für niedrige Drehzahlen, speziell die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine, zur Verfügung. Unterstützt man die Brennkraftmaschine durch die elektrische Maschine im motorischen Betrieb beim Anfahren aus dem Stand, kann eine deutliche Verbesserung des Anfahrverhaltens erzielt und damit der Fahrkomfort bzw. Fahrspaß für den Fahrer erhöht werden.

Ist die elektrische Maschine für niedrige Drehzahlen in der Lage, ein ausreichend hohes Drehmoment zu stellen, kann die Funktion des Anlassers durch die elektri sche Maschine im motorischen Betrieb realisiert werden. Dadurch lässt sich die Anlasser- Komponente einsparen und damit die Systemkosten und der Bauraum reduzieren. Eine entsprechende Realisierung des Antriebstrangs vorausgesetzt, kann die elektrische Maschine im motorischen Betrieb dazu verwendet werden, den Fahrer beim Schieben des Fahrzeugs zu unterstützen.

Während eines Schaltvorgangs im Getriebe wird üblicherweise die Welle zur Brennkraftmaschine mit Hilfe einer Kupplung abgekoppelt. Nach Einlegen des neuen Gangs besteht üblicherweise vor dem Schließen der Kupplung ein Dreh zahlunterschied zwischen getriebeseitiger und motorseitiger Kupplungshälfte. Dieser wird während des Schließvorgangs durch die Reibung der beiden Kupp lungshälften aneinander angeglichen. Der damit verbundene Verschleiß der Kupplungsbeläge kann reduziert werden, wenn zur Synchronisierung der Dreh zahl eine Unterstützung der elektrischen Maschine die Drehzahl der Kurbelwelle und damit der motorseitigen Kupplungshälfte an die Getriebeseite angeglichen bzw. angenähert wird. Hierfür muss beim Schalten in einen höheren Gang die Motordrehzahl reduziert werden. Dies gilt in Relation zu dem Drehzahlniveau des vorherigen Gangs. Hierzu kann, soweit notwendig, die elektrische Maschine als Generator bremsend eingesetzt werden.

Umgekehrt muss die Motordrehzahl erhöht werden, wenn ein niedrigerer Gang eingelegt wird. Hierzu kann die elektrische Maschine als motorische Unterstüt zung eingesetzt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden für die Pla nung der Umschaltzeitpunkte zwischen motorischem und generatorischem Be trieb der elektrischen Maschine, sowie für die Planung des Ladezustandes des elektrischen Speichers Informationen über in naher Zukunft auftretende Ver kehrssituation und/oder Fahrprofile berücksichtigt. Diese Informationen können aus entsprechenden Karten und der Information über den aktuellen Ort, sowie aus aktuellen Verkehrsinformationen im näheren Umfeld, die über geeignete Kommunikationsmittel empfangen werden, gewonnen werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung sowie den beiliegenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)

Figur 1

zeigt schematisch ein Geberrad mit Sensor, insbesondere zur Drehzahlbestim mung gemäß dem Stand der Technik;

Figuren 2a bis c

zeigen eine schematische Darstellung einer an eine Brennkraftmaschine gekop pelten elektrischen Maschine (a, b), und die dazugehörigen Signalverläufe (c); Figur 3

zeigt schematisch eine elektrische Maschine, mit den entsprechenden zugehöri gen Phasensignalen;

Figur 4a und 4b

zeigen mögliche Spannungsverläufe der Phasen einer dreiphasigen elektrischen Maschine;

Figur 5a und 5b

zeigen ein einphasiges vereinfachtes Ersatzschaltbild einer elektrischen Ma schine (a), sowie das dazugehörige Zeigerdiagramm der Phasenspannungsvek toren (b); und

Figur 6a bis 6d

zeigen mögliche Schaltzustände der elektrischen Maschine sowie mehrere alter native Ansteuerverfahren zur generatorischen und/oder motorischen Ansteue rung der elektrischen Maschine.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1 sind schematisch ein Geberrad 20 und ein zugehöriger induktiver Sen sor 10 dargestellt, wie sie im Stand der Technik zur Drehzahlbestimmung bzw. zur näherungsweisen Ermittlung der Drehwinkelposition der Kurbelwelle benutzt werden. Das Geberrad 20 ist dabei fest mit einer Kurbelwelle einer Brennkraft maschine verbunden und der Sensor 10 ist ortsfest an einer geeigneten Stelle angebracht.

Das Geberrad 20, üblicherweise aus einem ferromagnetischen Material, weist Zähne 22 auf, die an der Außenseite mit einem Abstand 21 zwischen zwei Zäh nen 22 angeordnet sind. An einer Stelle auf der Außenseite weist das Geberrad 20 eine Lücke 23 in der Länge einer vorbestimmten Anzahl von Zähnen auf. Diese Lücke 23 dient als Bezugsmarke zur Erkennung einer absoluten Position des Geberrads 20.

Der Sensor 10 weist einen Stabmagnet 11 auf, an welchem ein weichmagneti scher Polstift 12 angebracht ist. Der Polstift 12 wiederum ist von einer Induktions spule 13 umgeben. Bei Rotation des Geberrads laufen abwechselnd Zähne 22 und zwischen jeweils zwei Zähnen liegende Leerräume an der Induktionsspule 13 des Sensors 10 vorbei. Da das Geberrad und somit auch die Zähne 22 aus einem ferromagnetischen Material sind, wird bei der Rotation in der Spule ein Signal induziert, womit zwischen einem Zahn 22 und einem Luftspalt unterschie den werden kann.

Durch Korrelation einer Zeitdifferenz zwischen zwei Zähnen mit einem Winkel, den diese zwei Zähne einschließen, können die Winkelgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl und darüber hinaus auch die entsprechende Winkelposition der Kurbel welle näherungsweise berechnet werden.

An der Lücke 23 weist das induzierte Signal in der Induktionsspule einen ande ren Verlauf auf, als bei den ansonsten sich mit Leerräumen abwechselnden Zäh nen 22. Auf diese Art ist eine absolute Positionsmarke, jedoch nur in Bezug auf eine volle Kurbelwellenumdrehung, möglich.

In Figur 2a ist eine Brennkraftmaschine 112 abgebildet, an die direkt oder über setzt gekoppelt eine elektrische Maschine 30 angebunden ist, wobei die elektri sche Maschine 30 durch die Kurbelwelle 17‘ der Brennkraftmaschine 112 ange trieben wird. Somit weist die Drehzahl n _Gen der elektrischen Maschine 130 und die Drehzahl PBKM der Kurbelwelle 17‘ sowie die Winkelposition oti des Rotors der elektrischen Maschine 30 und die Drehwinkelposition a der Kurbelwelle 17‘ ein festes Verhältnis zueinander auf. Der elektrischen Maschine 30 ist zudem ein La deregler LR zugeordnet, der die Batterie B innerhalb des Bordnetzes 110, ent sprechend der noch verbleibenden Kapazität der Batterie B, mit Energie versorgt. Des Weiteren ist eine Recheneinheit, insbesondere ein Motorsteuergerät 122 vorgesehen, das Daten über eine Kommunikationsverbindung 124 mit der elektri schen Maschine 30 bzw. mit der Brennkraftmaschine 112 austauscht und dazu eingerichtet ist, die Brennkraftmaschine 112 und die elektrische Maschine 30 ent sprechend anzusteuern.

In Figur 2b ist die elektrische Maschine 30 nochmals in vergrößerter Form sche matisch dargestellt. Die elektrische Maschine 30 weist einen eine Welle 17 auf weisenden Rotor 32 mit einer Erregerwicklung und einem Stator 33 mit Ständer wicklung auf. Es handelt sich daher um eine fremderregte Maschine, wie sie ins besondere bei Kraftfahrzeugen üblich ist. Insbesondere für Krafträder, insbeson dere bei Klein- und Leichtkrafträdern, werden jedoch meist Motoren mit Perma nentmagneten, d. h. permanenterregte elektrische Maschine eingesetzt. Im Rah men der Erfindung können grundsätzlich beide Arten von elektrischen Maschinen verwendet werden, wobei insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren nicht von der Verwendung der jeweiligen Art der elektrischen Maschine - permanent erregte elektrische Maschine oder fremderregte elektrische Maschine - abhängt.

Beispielhaft ist die elektrische Maschine 30 als Drehstromgenerator ausgebildet, in welcher drei zueinander um 120° phasenverschobenen Phasenspannungssig nale induziert werden. Derartige Drehstromlichtmaschinen werden üblicherweise als Generatoren in modernen Kraftfahrzeugen verwendet und sind für die Durch führung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Im Rahmen der Erfin dung können grundsätzlich alle elektrischen Maschinen unabhängig von der An zahl ihrer Phasen verwendet werden, wobei insbesondere das erfindungsge mäße Verfahren nicht von der Verwendung der jeweiligen Art der elektrischen Maschine abhängt.

Die drei Phasen des Drehstromgenerators 30 sind mit U, V, W bezeichnet. Die Phasen U, V, W sind mit einem ersten Pfad 34, der pro Phase U, V, W jeweils einen Transistoren TH aufweist und mit einem zweiten Pfad 35, der pro Phase U, V, W jeweils einen weiteren Transistor TL aufweist, verbunden. Die jeweiligen Transistoren TH, TL sind von der Steuereinheit 40 in Form eines Ladereglers LR jeweils entsprechend beaufschlagbar, so dass, in einer ersten Betriebssituation, eine Gleichrichtung der Phasenspannungen Uu, Uv, Uw bewirkt werden kann (generatorischer Betrieb) oder, in einer weiteren Betriebssituation, die elektrische Maschine motorisch betreibbar ist. Durch einen bedarfsgerechten Wechsel zwi schen dem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 30, in dem der Batterie B elektrische Energie zugeführt wird und dem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 30, in dem der Batterie B elektrische Energie entnommen wird, wird die Laderegelung der der Batterie B innerhalb des Bordnetzes 110 be wirkt.

In Figur 2c sind drei Diagramme dargestellt, die die zugehörigen Spannungsver läufe gegenüber dem Drehwinkel des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30 zeigen. Im oberen Diagramm sind die Spannungsverläufe an den Phasen U, V,

W und die zugehörige Phasenspannung UP eingetragen. Allgemein versteht sich, dass die in diesem Diagramm und in den nachfolgenden Diagrammen an gegebenen Zahlen und Wertebereiche lediglich exemplarisch sind, und daher die Erfindung im Grundsatz nicht beschränken. Ferner versteht sich, dass es sich bei einem Generator um die elektrische Maschine 30 handelt, die sich im generatori schen Betriebszustand befindet.

Im mittleren Diagramm ist die Generatorspannung UG, die durch die Hüllkurven der positiven und negativen Halbwellen der Spannungsverläufe U, V, W gebildet wird, gezeigt.

Im unteren Diagramm ist schließlich die gleichgerichtete Generatorspannung U _G - (vgl. Figur 2a), zusammen mit dem Effektivwert U _Geff dieser Generatorspannung U _G -, die zwischen B+ und B- anliegen, gezeigt.

In Figur 3 ist schematisch der Stator 33 mit den Phasen U, V, W, sowie den Transistoren TH, TL des ersten Pfads 34 und des weiteren Pfads 35 aus Figur 2b gezeigt. Die abgebildeten Stromrichterelemente in Form von Transistoren TH, TL sind bevorzugt als MOSFETs (Metall-Oxid- Halbleiter- Feldeffekttransistor) ausge bildet. Diese weisen eine besonders geringe Verlustleistung auf. Zudem ist die im Folgenden benutzte Nomenklatur der auftretenden Spannungen und Ströme dar gestellt. Uu, Uv, Uw bezeichnen alternativ die Phasenspannungen der zugehörigen Pha sen U, V, W, wie sie zwischen einem Außenleiter und dem Sternpunkt des Sta tors 33 abfallen. Uuv, Uvw, Uwu, bezeichnen die Spannungen zwischen zwei Pha sen bzw. deren zugehörigen Außenleitern. lu, lv, Iw bezeichnen die Phasenströme vom jeweiligen Außenleiter einer Phase U, V, W zum Sternpunkt. I bezeichnet den Gesamtstrom aller Phasen nach der Gleichrichtung.

In Figur 4a sind nun drei Phasenspannungen Uu, Uv, Uw mit Potentialbezug auf B- in drei Diagrammen gegenüber der Zeit dargestellt, wie sie in einem Genera tor mit einem Außenpolläufer mit sechs Permanentmagneten auftreten. Diese Darstellung einer elektrischen Maschine 30, mit einer dreiphasigen Statorwick lung 33 ist lediglich beispielhaft zu sehen, wobei grundsätzlich, ohne Beschrän kung der Allgemeinheit, das erfindungsgemäße Verfahren auch auf einem Gene rator mit einer entsprechend bedarfsgerechten Anzahl an Phasen oder Perma nentmagneten oder Erreger-Spulen ausführbar ist. Ebenfalls können statt einer Stern-Verschaltung der Stator-Spulen auch eine Dreiecks- Verschaltung oder wei tere Verschaltungsweisen gewählt werden.

Bei einer elektrischen Maschine 30 mit Stromabgabe, ist der Verlauf der Phasen spannungen Uu, Uv, Uw in erster Näherung rechteckförmig. Dies erklärt sich ins besondere dadurch, dass durch die Generatorspannung entweder die Plus- oder die Minusdioden in Flussrichtung leiten, und daher entweder in etwa 15-16 Volt (Batterieladespannung bei 12V Bleisäure-Akkumulator und Spannung an Plusdi oden), oder Minus 0,7-1 Volt (Spannung an Minusdioden), gemessen wird. Be zugspotential der Messung ist jeweils Masse. Es können auch andere Bezugspo tentiale wie zum Beispiel der Sternpunkt des Stators gewählt werden. Diese er geben abweichende Signalverläufe ändern jedoch nicht die auswertbaren Infor mationen, deren Gewinnung und Auswertung.

Grundsätzlich können die Phasensignale (Uu, Uv, Uw, lu, lv, Iw) auf verschiedene Weise gewonnen werden. Möglich ist beispielsweise eine Ermittlung der Phasen- Spannungen gegeneinander (Uuv, Uuw, Uwu), eine Ermittlung der Phasenspan nungen über die Dioden eines angeschlossenen Gleichrichters gegen dessen Ausgangsklemmen (B+, B-), sofern der Stator der elektrischen Maschine in Sternschaltung mit abgreifbarem Sternpunkt ist, eine Betrachtung der Ausgangs spannung der Stränge gegen den Sternpunkt (Uu, Uv, Uw) oder eine vergleich bare Auswertung der Phasenströme.

In Figur 4b sind die Phasenspannungen Uu, Uv, Uw aus Figur 4a in einem Dia gramm zusammen aufgetragen. Hierbei ist deutlich der gleichmäßige Phasenver satz zu erkennen.

Während einer vollen Umdrehung des Rotors 32 der elektrischen Maschine 30, werden die Spannungssignale durch sechs Magnete (insbesondere Permanent magnete), die sogenannten Polpaare, sechs Mal wiederholt. Dementsprechend treten pro Phase, d. h. pro Phasenspannung Uu, Uv, Uw pro Umdrehung des Ro tors 32 sechs fallende Flanken FLD und sechs steigende Flanken FLu (für die je weiligen Phasen FLuu, FLvu, FLwu und FLUD, FLVD, FLWD) auf.

Diese Flanken legen einen Winkelabschnitt fest, nämlich genau den Winkelab schnitt, der durch die Magnete entlang des radialen Umfangs des Stators abge deckt ist. Demnach lässt sich bei Erkennen der jeweiligen Flanken FLu, bzw. FL _D , bei Kenntnis eines absoluten Bezugspunkts pro Umlauf, der beispielsweise an hand eines Referenzmagneten mit von den sonstigen Magneten abweichender Charakteristik der Phasenspannung Uu, Uv, Uw gekennzeichnet ist, ermittelt wer den.

Mit geeigneten Mitteln können nun sowohl die fallenden Flanken FL _D als auch die steigenden Flanken FLu erkannt werden. Beispielsweise kann für jede Phasen spannung mittels eines sogenannten Schmitt-Triggers ein TTL-Signal generiert und an ein Steuergerät übermittelt werden. Die benötigten Schmitt-Trigger kön nen entweder im Steuergerät oder in der Steuerelektronik, beispielsweise einem Steuergerät, einem Regler für die Batteriespannung und/oder im Fall eines akti ven Gleichrichters, im jeweiligen Generatorregler integriert oder diesen auch ex tern zugeordnet sein. Die einzelnen TTL-Signale können insbesondere für den Fall der Verwendung eines Steuergerät, insbesondere eines Motorsteuergeräts 122 (vgl. Figur 2a), über je eine Leitung, oder durch eine vorgelagerte Kombina tionselektronik oder anderes geeignet zusammengefasst, über nur eine Datenlei tung 124 (vgl. Figur 2a) übermittelt werden.

In Figur 4b sind den Enden der jeweiligen fallenden Flanken der Phasenspan nung Uu, Uv, Uw jeweils Werte Wu, Wv, Ww zugeordnet, die auch als Wu _d , Wv _d , Ww _d bezeichnet werden. Gleichermaßen können auch den steigenden Flanken FLu entsprechende Werte Wu _u , Wv _u , Wwu zugeordnet werden. Auch den Null durchgängen der Phasenspannungen können entsprechende Werte Wuo, Wvo, Wwo zugeordnet sein. Diese Werte können der Erkennung einer Drehwinkellage oti des Rotors 32 bzw. einem durch die Polpaare des Stators 33 festgelegten Winkelinkrements dienen. Auch eine Erkennung der Drehwinkellage oti des Ro tors 32 anhand der Plateaubereiche der Phasensignale oder anderen Bereichen dazwischen ist möglich. Gleichermaßen können die Werte auch dazu genutzt werden, anhand von Zeitdifferenzen Ati, At ₂ , Ab, die Drehzahl des Generators zu ermitteln.

Hierbei treten bei einer gleichmäßigen Anordnung der sechs Permanentmagnete in der elektrischen Maschine 30, insgesamt 18 fallende Flanken FLd und somit 18 zugehörige Werte pro Umdrehung in jeweils gleichen Abständen zueinander auf. Während eine Zeitdifferenz Ati, At ₂ , oder Ab wird somit ein Winkel 360° / 18 = 20° überstrichen. Wie bereits eingangs erwähnt, kann dies auch zur Erkennung der Drehwinkellage oti des Rotors 32 herangezogen werden, wobei die beispiel haft ermittelten 20° das detektierbare Winkelinkrement darstellt. Zudem lässt sich hieraus auch die Winkelgeschwindigkeit w, ermitteln. Diese ergibt sich aus Go, = 20°/Ati und die dazugehörige Drehzahl n, aus n, = (Oj/360°-60s/min in Umdre hungen pro Minute.

Es versteht sich grundsätzlich, dass alternativ zu den fallenden Flanken FLD auch die steigenden Flanken zur Ermittlung der Drehwinkellage oti des Rotors 32 als auch zur Ermittlung der Momentandrehzahl n _Gen der elektrischen Maschine 30 verwendbar sind. Durch die doppelte Anzahl an Werten pro Umdrehung, ergibt sich dementsprechend eine höhere Auflösung, sowohl der Drehwinkellage oti des Rotors 32, als auch der Drehzahl ri _Gen . Zudem können die Flanken der Phasen auf vielfältige weitere Art und Weise ausgewertet werden, beispielsweise durch die zeitlichen Abstände der steigenden Flanken FLu und fallenden Flanken FLD jeweils der gleichen Phasen oder von den jeweiligen Phasen zueinander oder durch den zeitlichen Abstand von steigenden Flanken FLu bzw. fallenden Flan ken FLD der gleich Phase, oder aller Phasen zusammen.

Neben den aufsteigenden Flanken FLu und abfallenden Flanken FLD können für eine verbesserte Auflösung der Ermittlung der Drehwinkellage oti des Rotors 32 bzw. einer Drehzahlerkennung n _Gen , auch die Nulldurchgänge der Phasensignale Uu, Uv, Uw herangezogen werden.

Die tatsächliche Drehwinkellage oti des Rotors 32 und dessen Welle 17 und da mit die Drehwinkelposition ot der Kurbelwelle 17‘, lassen sich aus den elektri schen Signalen der elektrischen Maschine 30, insbesondere den Phasensignalen Uu, Uv, Uw, bzw. den dazugehörigen Phasenströmen lu, lv, Iw lediglich mit unzu reichender Genauigkeit bestimmen, da im Falle einer belasteten elektrischen Ma schine 30 infolge des Stromflusses, es zu einem systematischen Fehler in Form eines Winkelversatzes zwischen der Phasenlage der Phasensignale Uu, Uv, Uw, bzw. lu, lv, Iw und der tatsächlichen Drehwinkellage oti des Rotors 32 kommt.

Dies wird in den nachfolgenden Abbildungen näher erläutert.

In Figur 5a ist eine schematische Darstellung eines einphasigen vereinfachten Ersatzschaltbilds einer elektrischen Maschine gezeigt, und in Figur 5b ist ent sprechend die Beziehung zwischen den einzelnen Spannungen bzw. Strömen und deren relativer Phasenversatz zueinander in einem Zeigerdiagramm darge stellt. Die aus diesem Einphasenersatzschaltbild ermittelten Erkenntnisse lassen sich grundsätzlich auch auf eine mehrphasige elektrische Maschine, wie sie bei spielsweise in der vorangegangenen Beschreibung gezeigt ist, übertragen. Aus dem einphasigen Ersatzschaltbild der elektrischen Maschine aus Figur 5 a) und dem zugehörigen, in Figur 5 b) gezeigten Zeigerdiagramm, lässt sich eine Span nungsgleichung für eine belastete elektrische Maschine herleiten, diese lautet wie folgt: Up = jX * I + u, wobei U der Ausgangsspannung der elektrischen Maschine 30, UP der Leer laufspannung der elektrischen Maschine ohne Belastung und I * jX dem Span nungsabfall Ux, der aufgrund des Stromflusses durch die elektrische Maschine und aufgrund der Reaktanz X der elektrischen Maschine im Generator abfällt, entspricht.

Hierbei entspricht die Leerlaufspannung UP der elektrischen Maschine 30, der idealen induzierten Spannung, die mit der Drehwinkellage oti des Rotors 32 be züglich der Phase übereinstimmt. Hierbei ist entsprechend der Winkelversatz q, der dem Polradwinkel entspricht, gleich null. Somit spiegelt die Phasenbeziehung der Leerlaufspannung UP exakt der geometrischen Bewegung des Rotors 32 wieder und gibt somit dessen exakte Winkellage - im unbelasteten Zustand der elektrischen Maschine 30 - an.

Aufgrund der Belastung der elektrischen Maschine 30 und des daraus resultie renden Stromflusses I, eilt die Ausgangsspannung U des belasteten Generators 30 in Bezug auf deren Phase der induzierten Leerlaufspannung UP hinterher, wo bei sich der Winkelversatz zwischen U und UP durch den Winkelversatz q, dem sogenannten Polradwinkel ergibt. Dieser ist grundsätzlich abhängig vom Spulen strom I und ohne Kenntnis des Spulenstroms I nicht ohne weiteres berechenbar.

Zudem ergibt sich der Winkel zwischen Ausgangsspannung U und Strom I durch die angeschlossene Last und beträgt für einen rein ohmschen Verbraucher cp =

0°. Die ideale induzierte Spannung (Leerlaufspannung) UP der elektrischen Ma schine, ergibt sich als Produkt aus Maschinenkonstanten, der Erregung, und der Winkelgeschwindigkeit. Im Falle einer permanenterregten Maschine ergibt sich eine konstante Erregung durch die verwendeten Permanentmagnete und damit eine zur Winkelgeschwindigkeit proportionale ideale induzierte Spannung. Aus dem Zeigerdiagramm aus Figur 5 b) ergibt sich somit für den Winkelversatz q:

(cos (q) = (U + sin (f) * X * I) / Up. Bei Verwendung eines linear arbeitenden Spannungsreglers 40, wie z.B. in Figur 3 dargestellt, und einer Ansteuerung von zumindest einem der Transistoren TH,

TL im linearen Bereich (Triodenbereich), lässt sich die Ausgangsspannung U der elektrischen Maschine 30 nahezu konstant (in Bezug auf die Batteriespannung) einregeln. Weiterhin führt die Verwendung des Stromrichters im generatorischen

Betrieb der elektrischen Maschine 30 als Gleichrichters 34, 35 mit einem nachge schalteten elektrischen Speicher S in Form einer Batterie B am Ausgang des Ge nerators 30 näherungsweise zu einer rein ohmschen Last, auch wenn im Bord netz kleinere Kapazitäten auftreten können. Hiermit geht entsprechend der Win- kelversatz zwischen Ausgangsspannung U und Strom I, cp, gegen 0, wobei der

Summand aus der zuvor genannten Formel (sin (cp) * X * I) ebenfalls gegen 0 geht und damit verschwindet.

Die Leerlaufspannung U P ist grundsätzlich proportional zur Drehzahl n _G en der elektrischen Maschine 30. Somit vereinfacht sich die zuvor genannte Formel, un- ter der Annahme einer im Wesentlichen konstanten Amplitude der Ausgangs spannung U und der Annahme, dass cp gegen Null geht und somit der zweite Summand verschwindet, auf die Relation:

9aprox = COS ¹ (C0nSt./n _G en), wobei sich die Konstante const. im Wesentlichen aus der konstanten Ausgangs- Spannung U und dem konstanten und damit nicht von der Drehzahl n _Gen abhängi gen Anteil der Leerlaufspannung U P ergibt.

Wählt man eine Darstellung der Formel für q _3rG0C in Abhängigkeit der Flankenzeit t _Gen statt der Drehzahl n _Gen , ergibt sich folgender Zusammenhang von q _3rG0C und

9aprox = cos ¹ (const.“ * t _G en) _j wobei const.“ neben den konstanten Faktoren von oben noch den konstanten Faktor zur Berechnung der Flankenzeit t _Gen in Sekunden aus der Drehzahl n _Gen in Umdrehungen pro Minute (rpm) enthält. Im relevanten Zeitbereich für typische Verbrennungsmotoren von Leerlauf bis ca. 15000 rpm lässt sich diese Beziehung näherungsweise durch eine Geradenglei chung mit negativer Steigung beschreiben und ermöglicht damit eine hohe Re cheneffizienz in der Anwendung. Wie bereits eingangs dargestellt, haben die an gegebenen Wertebereiche lediglich erläuternden Charakter und sollen die Erfin dung nicht beschränken.

Bei einer derartigen Ausgestaltung der Batterieregelung bzw. einer

entsprechenden Regelung der Batteriespannung derart, dass das jeweilige Stellglied 42 im linearen Bereich betrieben wird, kann der Winkelversatz q in erster Näherung auch ohne Kenntnis des Stromflusses I hinreichend genau abgeschätzt werden, was eine sehr verlässliche Ermittlung des Winkelversatzes q zwischen der Phasenlage der Phasenspannungen Uu, Uv, Uw und der tatsächlichen Drehwinkellage oti des Rotors 32 zulässt.

Demnach kann eine aus den Phasenspannungen Uu, Uv, Uw ermittelte

Drehwinkellage ap _hase des Rotors 32 entsprechend durch den Winkelversatz q, der von der jeweiligen Drehzahl n _Gen abhängt, korrigiert werden. Hieraus kann entsprechend die tatsächliche Drehwinkelposition ot der Kurbelwelle 17 der Brennkraftmaschine bzw. der Drehwinkellage oti des Rotors 32, ermittelt werden. Diese stehen im Falle einer festen Kopplung zwischen der Welle des Rotors 32 und der Kurbelwelle 17 in einem festen Verhältnis zueinander. Es gilt daher ohne Beschränkung der Allgemeinheit ot = oti, aber oti ist in den Phasensignalen Uu, Uv, Uw, lu, lv, Iw nicht mehr sichtbar, sobald ein Strom fließt.

Durch entsprechende Ermittlung der unkorrigierten Drehwinkelposition otp _hase aus zumindest einem der Phasensignalen Uu, Uv, Uw, lu, lv, Iw und die zuvor be schriebene Ermittlung des Polradwinkels q, kann die tatsächliche Winkelposition oti durch: ai ^» aphase + q in besonders guter Näherung ermittelt werden. Die zuvor getroffenen Annahmen zur hochgenauen Ermittlung der

Drehwinkelposition oti bzw. der Drehzahl n des Rotor 32 setzt jedoch voraus, dass im Zeitbereich der Ermittlung der jeweiligen Phasensignale Uu, Uv, Uw, lu, lv, Iw kein Eingriff zur Regelung der Spannung des elektrischen Speichers S durch den Laderegler 40 erfolgt.

In Figur 6a sind die verschiedenen zulässigen Schaltzustände für die Ein- und/o der Ausgänge einer elektrischen Maschine 30 mit drei Phasen U, V, W zu sehen. Die Zustände VI bis V6 beschreiben Zustände, in denen ein Stromfluss zwi schen Maschine 30 und elektrischem Speicher B vorliegt, also der elektrische Speicher B im generatorischen Betrieb durch die elektrische Maschine 30 gela den wird beziehungsweise der elektrische Speicher B die elektrische Maschine 30 im motorischen Betrieb speist.

Die Zustände V7 und V8 beschreiben Zustände, in denen kein Stromfluss zwi schen elektrischer Maschine 30 und elektrischem Speicher B vorliegt. Stattdes- sen sind die drei Phasen gegeneinander kurzgeschlossen. Die drei Ziffern in Klammern hinter den Zustandsbezeichnungen, Einsen und Nullen, bezeichnen die Schaltzustände in dem sich die einzelnen Phasen befinden. Die erste Ziffer steht für die Phase U, die zweite für die Phase V und die dritte für die Phase W. Eine Eins drückt aus, dass die Phase über den entsprechenden Schalter des In verters mit dem positiven Ein-/Ausgang des elektrischen Speichers verbunden wird, eine Null, dass eine Verbindung zum negativen Ein-/Ausgang des elektri schen Speichers vorliegt.

Zustand VI beispielsweise liegt dann vor, wenn die Phasen U und W mit dem positiven Ein-/Ausgang und Phase V mit dem negativen Ein-/Ausgang des elektrischen Speichers verbunden werden. Entsprechendes gilt für die weiteren Zustände V2 bis V6. Zustand V7 bezeichnet den Zustand, der die elektrische Ma schine über die drei unteren Schalter des Inverters kurzschließt, V8 den Zustand, in dem die drei Phasen über die oberen Schalter des Inverters kurzgeschlossen sind. Die elektrische Maschine 30 wird motorisch betrieben, wenn die Zustände der Phasen so gewählt werden, dass die dargestellten Zustände VI bis V6 zyklisch aufeinander folgend in Drehrichtung vor dem Rotor (Rotorposition RP) positio niert geschaltet werden. Der Winkel zwischen dem eingestellten Schaltzustand und der Rotorposition RP wird als Polradwinkel oder Lastwinkel bezeichnet und ist als 8M eingezeichnet.

Ein generatorischer Betrieb liegt vor, wenn die Schaltzustände der Rotorposition RP in Drehrichtung zeitlich nacheilen. In diesem Fall stellt sich ein Polradwinkel mit umgekehrtem Vorzeichen ein, hier als 8 _G eingezeichnet.

Werden als Schaltzustände nur die Zustände VI bis V6 in zyklischer Reihenfolge gewählt, spricht man von Blockkommutierung bei dem gewählten Ansteuerver fahren. Dabei wird die Spannung an den Phasenanschlüssen durch die Span nung des elektrischen Speichers vorgegeben.

Figur 6b stellt eine Erweiterung des Ansteuerverfahrens zur Einstellung der elektrischen Leistung dar. Soll für den, über den Polradwinkel q und die Drehzahl (sowie bei fremderregten Maschinen über die Erregung), eingestellten Betriebs punkt nicht die maximale Leistung (motorisch oder generatorisch) abgerufen wer den, kann in schneller Folge zwischen dem gewünschten Schaltzustand VI bis V6, hier beispielhaft V2, und einem der beiden Kurzschlusszustände V7 oder V8, hier beispielhaft V7, gewechselt werden. Dabei wird im generatorischen Betrieb die elektrische Maschine 30 teilweise im Kurzschluss (Zustand V7) betrieben und so der Stromfluss in den elektrischen Speicher B in dieser Zeit unterbunden, im motorischen Betrieb wird während dieser Zeit der Stromfluss aus dem elektri schen Speicher B in die elektrische Maschine 30 verhindert.

Der resultierende Ansteuervektor V2PWM ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen der Zeit t _on , in der ein Stromfluss zwischen elektrischer Maschine und elektri schem Speicher vorliegt und der Summe der Zeitdauer beider Schaltzustände (ton + t _0ff ), sowie der Länge des Vektors des Schaltzustands V2, definiert über die verfügbare Spannung, in diesem Betriebspunkt der elektrischen Maschine zu:

Der schnelle Wechsel zwischen den beiden Schaltzuständen kann mittels Puls- Weiten-Modulation, PWM, erfolgen.

Die Entscheidung, ob der Schaltzustand V7 oder V8 zur Einstellung der Länge des resultierenden Schaltvektors gewählt wird, kann anhand der benötigten Schaltvorgänge der Schalter des Inverters getroffen werden. Für die Schaltzu stände V2, V4 und V6 bietet es sich an, eine Kombination mit Schaltzustand V7 zu wählen, da nur eine Phase von eins auf null und umgekehrt geschaltet werden muss.

Für die Schaltzustände VI, V3 und V5 dagegen bietet sich die Kombination mit Schaltzustand V8 an, da nur eine Phase von null auf eins und umgekehrt ge schaltet werden muss.

Es ist bevorzugt, möglichst wenige Schalter TH, TL des Inverters 34, 35 gleichzei tig betätigen zu müssen, um zum einen die auftretenden Schaltverluste in den Schaltern zeitlich zu verteilen und so eine kostengünstigere Kühlung zu ermögli chen. Zum anderen kann auf Grund von Bauteiltoleranzen und anderen Einflüs sen nicht gewährleistet werden, dass ein exakt gleichzeitiges Schalten aller Schalter TH, TL erfolgt. Eine geringe Anzahl gleichzeitiger Schaltvorgänge unter drückt daher hochfrequente Signalanteile, die durch hochfrequente Schaltwech sel durch unterschiedliche Schaltverzüge verursacht werden können.

Figur 6c zeigt ein weiteres Ansteuerverfahren, bezeichnet als Raumzeigermodu lation. Dieses ergibt sich, wenn nicht nur zyklisch zwischen den Schaltzuständen VI bis V6, hier beispielhaft V2 und V3, und den Kurzschlusszuständen V7 oder V8 gewechselt wird, sondern auch Zwischenzustände zwischen V2 und V3 ein gestellt werden können.

Während in den ersten beiden Verfahren die Position der möglichen Schaltzu stände, dargestellt durch die Pfeile zwischen dem Mittelpunkt (V7, V8) und den Punkten VI bis V6, begrenzt ist und damit einhergehend auch kein konstanter Polradwinkel (sondern ein zeitlich periodisch schwankender Polradwinkel) ge stellt werden kann, ermöglicht die Verwendung von Zwischenzuständen eine deutlich konstantere Einstellung des Polradwinkels q.

Ein Zwischenzustand kann eingestellt werden, in dem die Methode des PWM- Schaltens zwischen zwei Schaltzuständen, VI bis V6 beziehungsweise V7 oder V8, erweitert wird um einen dritten Schaltzustand, VI bis V6, wobei sich der erste Schaltzustand VI bis V6 und der dritte Schaltzustand VI bis V6 nicht gleichen und zyklisch nebeneinanderliegen.

Das Verhältnis zwischen der Zeit in der der erste Schaltzustand V2 und der Zeit in der der dritte Schaltzustand V3 vorliegt, definiert die Position des resultieren den mittleren Schaltzustands zwischen den beiden Schaltzuständen, V2 und V3. Über die Zeitdauer des zweiten Schaltzustands V7 oder V8 kann die Zeigerlänge und damit die Leistung in dem Betriebspunkt eingestellt werden.

Bei kontinuierlicher Veränderung der Zeitdauern der drei Schaltzustände kann ein resultierender Ansteuervektor SZ erzielt werden, dessen Spitze sich auf ei nem Kreis um den Mittelpunkt bewegt. Die Berechnung der entsprechenden Zeit dauern erfolgt mittels Vektoraddition der zwei Vektoren SZ _MI und SZ _M 2 der Schaltzustände und dem gewünschten resultierenden Schaltvektor.

Die Vektoren SZMI und SZM2 ergeben sich wie in Figur 6b gezeigt durch Wechsel zwischen V2 und V7 beziehungsweise durch Wechsel zwischen V3 und V8.

Die Positionierung des Zeigers gegenüber der Rotorposition in Drehrichtung vor beziehungsweise hinter der Rotorposition mit dem dazwischenliegenden Polrad winkel gibt, wie in den vorherigen Ansteuerverfahren, die Betriebsart, motorisch beziehungsweise generatorisch, sowie den Arbeitspunkt der elektrischen Ma schine für eine gewählte beziehungsweise vorliegende Drehzahl an.

Um möglichst wenig Schalter des Inverters gleichzeitig betätigen zu müssen und die oben aufgeführten dadurch bedingten Vorteile zu erzielen, bietet sich in die sem Beispiel die Schaltsequenz V7 - V2 - V3 - V8 - V8 - V3 - V2 - V7 an. In Figur 6d ist gezeigt, wie das effiziente Spannungsregler- Konzept, realisiert durch ein Wechseln zwischen motorischem und generatorischem Betrieb der elektrischen Maschine, durch das hochfrequente Schalten im Raumzeigerverfah ren unterstützt werden kann.

Anstatt für längere Zeiträume einen motorischen Zustand mit dem Polradwinkel 9M beziehungsweise einen generatorischen Zustand mit dem Polradwinkel 9 _G einzustellen, kann auch ein hochfrequenter Wechsel zwischen diesen Zuständen erfolgen. Das Verhältnis der beiden Zeitdauern der Zustände bleibt dabei gleich, lediglich die jeweilige Zeitdauer wird stark reduziert. Beispielhaft wird die einge zeichnete Rotorlage RP angenommen. Zur Realisierung des gewünschten Mo tor- beziehungsweise Generatorbetriebs werden die resultierenden Schaltvekto ren SZM für den Motorbetrieb beziehungsweise SZ _G für den Generatorbetrieb be nötigt. Die Drehrichtung des Rotors sei ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Uhrzeigersinn.

Berechnet man aus dem Verhältnis zwischen Zeitdauer für motorischen Betrieb und Zeitdauer für generatorischen Betrieb einen resultierenden mittleren Ansteu ervektor SZ _res kann der Spannungsregler-Betrieb vereinfacht werden auf einen motorischen Betrieb mit resultierendem Polradwinkel 9 _res .

Alternativ kann die Berechnung des resultierenden Zeigers aus der Zeigerlänge der Schaltvektoren SZM und SZ _G und der Addition der beiden Polradwinkel 9M und 9 _G unter Berücksichtigung der Vorzeichen erfolgen. Haben SZM und SZG unterschiedliche Zeigerlängen kann beispielsweise als Annährung an die resul tierende Zeigerlänge der Mittelwert der beiden Zeigerlängen gewählt werden.