CN103975520A - 用于运行机动车中外激励的电机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行外激励的电机、尤其机动车的发电机的方法，其中电机的动子绕组在以额定电流强度（N）的激励电流正常运行时并且在以保持电流强度（H）的激励电流待机运行时得到加载，其中所述保持电流强度大于零并且小于所述额定电流强度。

Description

用于运行机动车中外激励的电机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行机动车中外激励的电机的方法以及用于实施该方法的计算单元。

背景技术

用在机动车中的电机很久以来以起动器（电动机）以及发电机器（发电机）的形式公开。作为发电机能够在现代车辆中使用带有（外）电激励的以齿形电极构造方式构造的交流发电机。为了对所产生的交流进行整流，通常能够使用基于半导体二极管的整流器。

然而由于对车辆中电能提高的要求、对燃料消耗降低并且排放减少的期望以及能够将电动机的优点与内燃机的优点进行组合的期望，也越来越多地使用具有双功能的电机，所谓的起动发电机。

起动发电机是能够在车辆中根据作为电动机或者作为发电机的需求来运行的电机。作为发电机，起动发电机必须能够承担发电机器通常所要实现的所有任务，也就是给车载电网供电并且对车辆电池进行充电。作为电动机，起动发电机必须在起动内燃机时在较短时间内将其曲轴置于所要求的起动转速上。

然而起动发电机的使用不限制在所述功能上。在相当大的额定功率下，起动发电机在电动机运行中能够在驱动时、例如在所谓的加速运行中加速时辅助内燃机并且用于涡轮隙补偿。在制动时能够通过起动发电机的发电机运行获得（回收）部分制动能量。相应的驱动装置称作混合驱动装置。

尤其在具有起停自动设备的车辆中，内燃机的尽可能快的（再）起动是值得期望的。为此，需要在相应所使用的电机（常规的发电机或者起动发电机）的激励线圈（动子）中尽可能快地形成激励电流。

激励电流在相应的电机中通常能够通过脉宽调制的电压信号进行调整，其中在持续操控（也就是占空比或者说电压信号的占空比为100%或者说1）时具有额定电流强度的激励电流流过。在此涉及机器的激励线圈在正常运行中持续运行所用的并且为此设计的电流强度。在将占空比调整为100%之后，由于动子绕组的高电感只有随着一定延迟、例如只有在300ms之后才实现额定电流强度。该延迟相应地放慢了电动机起动并且因此不令人满意。

因此存在对尤其在带有起停自动设备的车辆中作相应改善的需求。

发明内容

按本发明提出了具有独立权利要求所述特征的用于运行外激励的电机、尤其机动车的发电机的方法以及用于执行该方法的计算单元。有利的设计方案是从属权利要求以及下面描述的主题。

本发明提出，在待机运行（Ruhebetrieb）中（也就是不要求发电机模式或电动机模式的运行的阶段中）将流经机动车中电机的动子绕组的激励电流保持在大于零的保持电流强度上并且不完全回到零。与从零开始相比，从保持电流强度开始能够更快地实现用于发电机模式或电动机模式运行（“正常运行”）的额定电流强度。所述保持电流强度优选小于额定电流强度的50%。所述保持电流强度能够在开环的调节回路中进行调整或者在闭环的调节回路中进行调节。

在电动机模式的运行中，由此例如有利地缩短对于起动内燃机所需的时间。本发明在发电机模式的运行中也展现出特别的优势。即使在发电机运行中，在特定的行驶条件下也会期望断开发电机（所谓的待机功能），从而例如对传动系进行卸载。在这种情况下通常由车辆电池供给车载电网，直到发电机再次运行。在现有技术中同样通过断开激励电流来实现发电机的断开。然而这使得车载电压下降（在此期间例如由电池提供）时发电机的接通要较长的时间段，因为零激励电流需要高负荷运行。因此在车载电网中会出现不期望的电压扰动。在此，本发明也实现了一种可行方案，即如此运行电机从而能够尽可能快地从基本上不将功率输出到机动车的车载电网中的第一状态（“待机”）切换到将功率输出到车辆的车载电网中的第二状态中。

在作为电动机的运行中，电机的动子绕组在正常运行中用具有额定电流强度的激励电流进行加载。“正常运行”理解为在相应的机器中维持较长时间段的运行模式，期间其完成其相应的任务。在此例如涉及一种时间段，期间电机将相应的转矩导入内燃机的曲轴中从而起动内燃机，或者期间该电机辅助内燃机例如用于克服涡轮隙（Turboloch）。相应的电机在结构上设计用于以该额定电流强度进行持续运行并且在该额定电流强度中提供最大的力矩（在电动机模式的运行中）或者最大的电压（在发电机模式的运行中），而动子绕组的热载荷不超过允许值。不能够以更高的电流进行持续使用，因为动子绕组会过载并且可能受到损害。

“起动阶段”理解为就在接通激励电流之后的时间段。该时间段通常仅存在如此长，直到激励电流如前面所解释的那样达到所期望的值（尤其额定电流强度）。

不仅在正常运行期间而且在起动阶段中通过将具有占空比和电压值的脉宽调制的电压信号施加到机器的动子绕组上来产生流经动子绕组的电流。脉宽调制的电压信号的电压值、也就是脉冲的振幅通常通过相应使用的电源、例如起动电池固定地预先给定。根据现有技术，电机和电源相互协调，从而在电压信号的占空比为100%时（具有一定延迟）使具有额定电流强度的激励电流流过动子绕组。

“占空比”这个概念对于脉宽调制的电压信号的电压脉冲的周期性的顺序来说说明了脉冲持续时间相对于脉冲周期持续时间的比例。

如下面也在图3A中解释的那样，如此在起动内燃机时实现发电机的常规运行，即在起动时刻将脉宽调制的电压信号的占空比从0%置于100%。激励电流则以一定延迟达到额定电流强度。

优选使用电源和动子绕组的组合，其使得具有额定电流强度的激励电流在最大占空比之下已经流过。以通常的思考方式，这意味着所使用的动子绕组对于所使用的电源来说可能“设计过低”（或者相应地电源对于动子绕组来说可能“设计过高”）。在该实施方式中在占空比（在本申请的范围内称作“第一占空比”）低于100%、优选低于90%、70%、50%或40%时已经流过具有额定电流强度的激励电流。

用于调整保持电流强度的占空比（在本申请的范围内称作“第二占空比”）小于第一占空比并且优选小于90%、70%、50%、40%、20%或10%。

根据本发明的另一优选实施方式，就在开始进行通电之后用具有占空比（在本申请的范围内称作“第三占空比”）的电压信号操控动子绕组持续短的时间段，该占空比在持续运行中可能会引起超过额定电流强度的电流值。以这种方式能够进一步缩短用于达到额定电流强度的时间段，例如从图3B中获知的那样。在此，所述动子绕组不必为具有第三占空比的持续运行而构造。通过以下方法能够避免动子绕组的热损坏，即将相应的操控时间段选择得足够短。如所提到的那样，在达到动子绕组中相应的电流值时由于线圈电感而始终出现一定的延迟。也就是说流经动子绕组的电流只有经过确定的可设定的时间段（按本发明在例如大约50ms内）才会形成。因此通过以下方法能够避免用过电流加载动子绕组，即在短时间后再降低占空比。这种降低尤其能够逐步地在相同或者不同的持续时间阶梯中实现。将占空比预先规定从用于保持电流强度的第二占空比经过用于过高情况的第三占空比直到用于额定电流强度的第一占空比这一过程能够在开环的调节回路中进行调整，其中在运行期间能够由计算单元（场调节器）计算或者预先确定操作参量并且将其保存在查询表中。

为了使直到带有额定电流强度的电流流过动子绕组的时间段保持得尽可能短，作为第三占空比优选使用100%的占空比，也就是持续地用电压对动子绕组进行加载。使电流具有额定电流强度的第一占空比优选例如为第三占空比的25%到40%或者小于第三占空比的70%、小于60%、小于50%、小于40%、小于30%、小于20%或者小于10%。如果使用所述值，那么能够以简单并且成本低廉的方式使用用于实现本发明的标准构件。

如果电机在通电期间以保持电流强度旋转，就会感应出电压，即使不要求发电机模式的运行。因此，为了避免过压有针对性地如此调整所述保持电流强度，使得在动子的预先确定的通常在0U/min到22000U/min之间的转速范围内经过整流的电压（能够在整流器之后截取的电压）小于车辆电池的充电短路电压。如果动子除了动子绕组还包含永磁体，那么相应更小的保持电流强度就足够了。

用于动子绕组的优选的电池电压在24V到60V（允许的接触电压）之间、优选为48V并且尤其明显大于常规的14V的车载电压。通过提高的电压更快地实现额定电流强度。如果使用与14V发电机相同结构的动子绕组，那么在48V的情况下获得了对于额定电流强度来说大约30%（14/48）的占空比。电池电压根据充电状态和/或电池的老化以及根据当前的电池电流而改变，使得用于额定电流强度的占空比的优选区域位于25%到40%之间。如果用其他电压运行所述系统，例如当前在载重车辆领域所推广的28V，则获得了对于额定电流强度而言50%的占空比。例如能够通过以下方法实现该措施，即为了提供脉宽调制的电压信号而在车载电网中使用额外的电源。在此例如能够涉及具有48V电压的额外的电池（相对于常规的具有14V的电池）。如果为了用电压信号对电机的动子绕组进行加载而提供相应其他的电源，其提供了更高的电压，那么不需要在结构上调整电机，并且由此能够以简单并且成本低廉的方式通过调节技术例如在相应的控制器中执行按本发明的方法。

按本发明的计算单元、例如机动车的场调节器尤其通过编程技术设置用于实施按本发明的方法。

以软件的形式执行所述方法也是有利的，因为这产生了特别低的成本，尤其在用于执行的控制设备还用于其他任务并且因此反正都要存在的情况下。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是软盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD-ROM、DVD以及其他载体。也能够通过计算机网络（因特网、局域网等）下载程序。

本发明的其他优点以及设计方案从说明书以及附图中获得。

当然，前面所述的以及后面还要解释的特征不仅能够以相应所说明的组合进行使用，而且也能够以其他组合或者单个地使用，而不离开本发明的保护范围。

附图说明

根据附图中的实施例示意性地示出本发明并且下面参照附图对其进行详细描述。

图1以线路图的形式示出按本发明的一种实施方式可运行的起动发电机；

图2示出能够用于运行按本发明的一种实施方式的起动发电机的场调节器；

图3A示出在给按现有技术的起动发电机的动子绕组通电时的电流曲线；

图3B示出在给按本发明的一种实施方式的起动发电机的动子绕组通电时的电流曲线。

具体实施方式

图1以线路图的形式示出了机动车的按本发明的一种实施方式可运行的起动发电机。该起动发电机整体上用100表示并且具有带有三相21、22、23的定子2。

设置了动子绕组4，该动子绕组能够经由节拍器件5、例如合适的金属氧化半导体场效应管（MOSFET）以电源10、例如电池的脉宽调制的电压信号进行加载。为此，例如在门极G处经由控制单元6以操控信号操控所述节拍器件5。

控制单元6能够经由接口7、8与整流器控制装置3连接，该整流器控制装置通过输出端3’例如根据动子位置操控连接到定子2的相位21、22、23上的整流器9的激活的开关元件1。整流器9的激活的开关元件1同样能够是相应的MOSFET，其设计用于相应的电流或者说电压。

所述电源10为了实施按本发明的方法有利地提供比常规的车载电压（例如14V）更高的电压（例如48V），其被提供用于供给车载电网中常规的负载。起动发电机100同样有利地提供更高的电压。所述更高的电压例如能够借助于没有示出的直流变压器转换成更低的车载电压。

然而动子绕组4本身设置用于具有较低电压、例如在占空比为100%的情况下14V的常规车载电压的持续运行。如果动子绕组4在所示出的布置结构中以较高的电压并且以100%的占空比运行，那么必要时会出现热损坏。

所述动子绕组4在正常运行中以小很多的占空比运行并且仅在起动阶段中以100%的占空比被操控，使得流经动子绕组4的电流非常快地达到额定电流值（参见图3A）。

图2整体上以110表示出具有场调节器的布置结构，该场调节器能够用于运行按本发明的特别优选的实施方式所述的起动发电机100。

所述场调节器110如所述的那样具有例如构造成MOSFET的节拍器件5，该节拍器件的漏极与相应的电源10的正电压极B+、例如所提供的电池的48V连接。节拍器件5的源极例如通过第一碳刷与动子绕组4的正极F+连接，而动子绕组4的负极F-例如通过第二碳刷与地GND连接。平行于动子绕组朝锁止方向接有空载二极管。

节拍器件5例如在其门极G处利用节拍信号来操控，通过该节拍信号的占空比能够调整激励电流的大小。在按现有技术的传统的起动发电机中，如多次解释的那样，如此构造所述动子绕组4，从而在持久接通电压（也就占空比为100%）时使得具有额定电流强度的激励电流流过。如此设计该额定电流强度，使得相应的电流能够在对发电机运行而言重要的转速区域中持久地流过，而不会过度强烈地加热动子绕组。

相反，在所描述的实施例中如此设计起动发电机100，从而在占空度显著小于100%时、例如在占空度为30%时已经有具有额定电流强度的激励电流流过所述起动发电机的动子绕组4。

图3A和3B示出了在给按现有技术和按本发明的一种实施方式的起动发电机的动子绕组通电时的电流曲线。

在图3A和3B的相应的图表中，在此在横坐标上画出了占空比P以及电流信号I关于以秒为单位的时间t的曲线。第一纵坐标Y1相应给出了以百分比为单位的对所画出的占空比P而言重要的刻度，第二纵坐标Y2相应给出了以安培为单位的对所画出的电流信号I重要的刻度。

在图3A中所说明的、按现有技术的操控曲线中，占空比P在0.0秒的起动时刻突然从0提高到100%。然而由于在相应的动子绕组4中存在的高电感，激励电流I的额定电流强度N从零开始仅以确定的时间延迟、这里大约为300ms进行调整。所述动子绕组4设置用于具有100%占空比的持续运行。

在图3B中说明了按本发明的操控（Ansteuerung）。在此能够是与图3A中相同的动子绕组4，然而用48V电压代替如图3A中所示的14V加载该动子绕组。由此实现了在占空比为大约30%时已经达到了激励电流I的额定电流强度N。此外，动子绕组在没有要求电动机模式的运行或者发电机模式的运行的时间段中、在此尤其对于t<0时以保持电流强度H进行加载。

如果现在在接通之后短时间段中、在此对于小于50ms时，短暂地用100%的占空比操控动子绕组4，那么实现了激励电流非常陡峭地上升到额定电流强度N。由此，同样在大约150ms之后已经达到额定电流强度N。

这种操控能够要么以控制的方式实现要么以调节的方式实现。在第一种情况下，占空比置于100%长达固定确定的时间，并且随后尤其如图3B中逐步地或者一次性回到为了保持额定电流强度N所需的值上。

在第二种情况下，以测试技术求得激励电流。为此，例如能够通过PI调节器调整所期望的激励电流（也就是额定电流强度N），其中所述PI调节器的操作参量是占空比。

通过合适地选择调节器参数能够如此调整所述操控，从而在尽可能短的时间内实现额定电流强度N，而不会引起激励电流的过度振荡。

如所提到的那样，按本发明的措施优选能够用在机动车中的齿形电极发电机中，该齿形电极发电机除了发电机模式的运行之外也承担了电动机起动的功能（起动发电机）。在此明显降低了电动机起动时间。

Claims (15)

1. 用于运行外激励的电机（100）、尤其机动车的发电机的方法，其中所述电机（100）的动子绕组（4）在以额定电流强度（N）的激励电流正常运行时并且在以保持电流强度（H）的激励电流待机运行时得到加载，其中所述保持电流强度大于零并且小于所述额定电流强度。

2. 按权利要求1所述的方法，其中所述保持电流强度最高为所述额定电流强度的50%。

3. 按权利要求1或2所述的方法，其中如此预先给定所述保持电流强度，使得由所述电机在待机运行中感应的电压小于车辆电池的充电短路电压、优选最高为所述充电短路电压的95%。

4. 按上述权利要求中任一项所述的方法，其中通过将具有第一占空比和电压值的脉宽调制的电压信号施加到所述电机（100）的动子绕组（4）上来提供所述具有额定电流强度（N）的激励电流，并且通过施加具有第二占空比和电压值的脉宽调制的电压信号来提供所述具有保持电流强度（H）的激励电流。

5. 按权利要求4所述的方法，其中所述电压值大于24V并且小于60V、优选48V。

6. 按权利要求4或5所述的方法，其中所述第一占空比为100%、小于100%、小于90%、小于70%、小于50%或者小于40%。

7. 按权利要求4、5或6所述的方法，其中所述第二占空比小于90%、小于70%、小于50%、小于40%、小于20%或者小于10%。

8. 按权利要求4到7中任一项所述的方法，其中在所述电机（100）的起动阶段中将具有电压值和第三占空比的脉宽调制的电压信号施加到所述动子绕组（4）上，其中所述第三占空比大于所述第一占空比，其中所述第三占空比优选为100%。

9. 按权利要求8所述的方法，其中基于调节将所述具有第三占空比的电压信号一直施加到所述动子绕组（4）上，直到流过所述动子绕组（4）的激励电流具有所述额定电流强度（N）。

10. 按权利要求9所述的方法，其中所述具有第三占空比的电压信号在预先确定的时间段内施加到所述动子绕组（4）上。

11. 按权利要求8、9或10所述的方法，其中在所述起动阶段中将占空比逐步从所述第三占空比降低到所述第一占空比。

12. 按权利要求4到11中任一项所述的方法，其中所述流过动子绕组（4）的激励电流基于对激励电流的测量并且通过对所述第二占空比的调节而调节到所述保持电流（H）上。

13. 按权利要求4到11中任一项所述的方法，其中所述流过动子绕组（4）的激励电流通过提供固定的第二占空比而调整到额定保持电流强度（H）上。

14. 计算单元（6），其设置用于实施按上述权利要求中任一项所述的方法。

15. 具有保存在计算机可读的数据载体上的程序代码段的计算机程序产品，所述程序代码段促使计算机或者相应的计算单元当其在所述计算机或者相应的计算单元、尤其按权利要求14所述的计算单元上运行时实施按权利要求1到13中任一项所述的方法。