DE102011077718A1 - Method for operating an electrical power supply arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energieversorgungsanordnung (46) insbesondere in einem Kraftfahrzeug (10). Die elektrische Energieversorgungsanordnung (46) weist einen von einer Antriebseinheit (32) insbesondere einer Brennkraftmaschine (32) angetriebenen Generator (28) auf, in dem Wechselspannungen induziert werden, die Ströme erzeugen. Die Ströme werden über einen Gleichrichter (52) zu wenigstens einem elektrischen Verbraucher (38) und/oder einen elektrischen Speicher (34’) geleitet: Das Drehmoment (t) der Antriebseinheit (32) wird im Wesentlichen konstant gehalten. Die Drehzahl (d) der Antriebseinheit (32) variiert in Abhängigkeit eines durch den Generator (28) erzeugten Lastmoments auf die Antriebseinheit (32).The invention relates to a method for operating an electrical energy supply arrangement (46), in particular in a motor vehicle (10). The electrical energy supply arrangement (46) has a generator (28) driven by a drive unit (32), in particular an internal combustion engine (32), in which alternating voltages are induced which generate currents. The currents are passed via a rectifier (52) to at least one electrical consumer (38) and / or an electrical storage device (34 '): The torque (t) of the drive unit (32) is kept essentially constant. The speed (d) of the drive unit (32) varies as a function of a load torque generated by the generator (28) on the drive unit (32).
Description
Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energieversorgungsanordnung insbesondere in einem Kraftfahrzeug.The invention generally relates to a method for operating an electrical power supply arrangement, in particular in a motor vehicle.
Stand der TechnikState of the art
Elektrofahrzeuge, die von einer elektrischen Maschine angetrieben werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die elektrische Maschine bezieht ihre Energie aus einer Fahrzeugbatterie, die von der Fahrzeugbatterie entnommene Gleichspannung wird durch eine Pulswechselrichter in eine Wechselspannung umgewandelt, die der elektrischen Maschine zugeführt wird. Die Reichweite bekannter Elektrofahrzeuge wird durch die Kapazität der Fahrzeugbatterie beschränkt. Es gibt verschiedene Ansätze, die begrenzte Reichweite zu steigern. Ein Konzept zur Steigerung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs besteht durch Range Extender (Reichweitenverlängerer). Bei einem Range Extender handelt es sich üblicherweise um eine Brennkraftmaschine, die einen Generator antreibt. Diese zusätzlich vom Range Extender zur Verfügung gestellte elektrische Energie kann in Abhängigkeit von der Strategie des Fahrzeugbetriebs zur Ladung der Fahrzeugbatterie verwendet werden oder auch direkt dem Motorkreislauf des Fahrzeugs zugeführt werden.Electric vehicles driven by an electric machine are known in the art. The electric machine draws its energy from a vehicle battery, the DC voltage taken from the vehicle battery is converted by a pulse inverter into an AC voltage, which is supplied to the electric machine. The range of known electric vehicles is limited by the capacity of the vehicle battery. There are several approaches to increase the limited range. A concept for increasing the range of an electric vehicle consists of range extenders. A range extender is usually an internal combustion engine that drives a generator. This additionally provided by the range extender electrical energy can be used depending on the strategy of the vehicle operation to charge the vehicle battery or be supplied directly to the engine circuit of the vehicle.
Aus dem Stand der Technik ist die Gleichrichtung des von einer derartigen Brennkraftmaschine-Generator-Einheit mittels aktiven Leistungselektronik-Bauelementen (IGBT, Thyristoren, z.B. Impulswechselrichter/Inverter) oder mit passiven Leistungselektronikbauelementen (z.B. Dioden in einer B6-Brücke) bekannt.From the prior art, the rectification of that of such an internal combustion engine-generator unit is known by means of active power electronics components (IGBT, thyristors, e.g., pulse inverters) or passive power electronics devices (e.g., diodes in a B6 bridge).
Aus dem Stand der Technik ist ferner eine Regelung der Spannung des von der Brennkraftmaschine-Generator-Einheit erzeugten Gleichstroms, z.B. durch Steuerung/Regelung der Drehzahl der Brennkraftmaschine bekannt. Diese bekannte Lösung hat den Nachteil, dass die Sollgröße der Spannung bzw. der Drehzahl aufwendig aus dem aktuellen Zustand des Hochvolt-Netzes (Batterie-Spannung, Stromstärke zu Verbrauchern oder abgegebener Leistung, SOC, etc.) und der maximal erzeugbaren Leistung des Generators ermittelt werden muss. So ist beispielsweise die Vorgabe einer stets konstanten Soll-Drehzahl oder Spannung (Festwertregelung) dann nicht sinnvoll, wenn die aktuell abgerufene Leistung aus der Fahrzeugbatterie die maximale Leistung der Brennkraftmaschine-Generator-Einheit übersteigt und somit ein Abfall der Generator-Drehzahl unvermeidlich ist. Dieser Fall ist insbesondere deshalb relevant, weil gängige Range-Extender-Konzepte häufig vorsehen, die Range-Extener-Generatoren mit deutlich kleinerer Leistung im Vergleich zur Traktions-Motorleistung auszubilden. Wird in den Fällen, wo dies möglich ist, bei gestiegener abgerufener Batterieleistung die Drehzahl (oder Spannung) per Regelung konstant gehalten, muss der Range-Extender-Generator die abgerufene Batterieleistung vollständig kompensieren, d.h. dass Angriffs-Moment der Brennkraftmaschine muss der Veränderung der abgerufenen Batterieleistung folgen. Bei größeren Änderungen der abgerufenen Batterieleistung (z.B. bei deutlichen Fahrzeug-Beschleunigungen) wird dadurch der Brennkraftmaschinen-Betriebspunkt erheblich verschoben mit negativen Folgen für die Kraftstoffeffizienz. Dieser Betrieb ist aufgrund der im Vergleich zum Generator eingeschränkten Dynamik der Brennkraftmaschine nur schwer erreichbar.Furthermore, the prior art regulates the voltage of the direct current generated by the engine-generator unit, e.g. by controlling the speed of the internal combustion engine known. This known solution has the disadvantage that the desired size of the voltage or the speed determined consuming from the current state of the high-voltage network (battery voltage, current to consumers or output power, SOC, etc.) and the maximum generatable power of the generator must become. Thus, for example, the specification of an always constant setpoint speed or voltage (fixed value control) is not meaningful if the current retrieved power from the vehicle battery exceeds the maximum power of the internal combustion engine-generator unit and thus a drop in the generator speed is inevitable. This case is particularly relevant because common range extender concepts often provide for designing the Range Extener generators with significantly lower horsepower compared to traction engine performance. If the speed (or voltage) is held constant by regulation when, where possible, increased battery power has been obtained, the range extender generator must fully compensate for the recalled battery power, i.e., the range extender generator. that attack moment of the internal combustion engine must follow the change of the retrieved battery power. With larger changes in the retrieved battery power (e.g., at significant vehicle accelerations), this significantly shifts the engine operating point with negative consequences for fuel efficiency. This operation is difficult to achieve due to the limited compared to the generator dynamics of the internal combustion engine.
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, die abgegebene Leistung der Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit zu regeln. Auch bei dieser Lösung muss die Sollgröße für die zu erzeugende Leistung aufwendig aus dem aktuellen Zustand des Hochvolt-Netzes und der maximal erzeugbaren Leistung des Generators ermittelt werden. Eine Festwertregelung würde ebenfalls zu signifikanten Verschiebungen des Brennkraftmaschinen-Betriebspunkts führen.From the prior art, it is also known to regulate the output power of the engine-generator unit. Also in this solution, the target size for the power to be generated must be determined consuming from the current state of the high-voltage network and the maximum generative power of the generator. A fixed value control would also lead to significant shifts in the engine operating point.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die zuvor beschriebenen Nachteile des Standes der Technik lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren vermeiden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energieversorgungsanordnung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug werden in einem von einer Antriebseinheit, insbesondere einer Brennkraftmaschine angetriebenen Generator Wechselspannungen induziert. Diese Wechselspannungen erzeugen Ströme, die über einen Gleichrichter zu wenigstens einem elektrischen Verbraucher und/oder einen elektrischen Speicher geleitet werden. Ein Drehmoment der Antriebseinheit wird im Wesentlichen konstant gehalten. Dabei variiert eine Drehzahl der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit eines durch den Generator erzeugten Lastmoments auf die Brennkraftmaschine. The disadvantages of the prior art described above can be avoided by the method according to the invention. In the method according to the invention for operating an electrical energy supply arrangement, in particular in a motor vehicle, alternating voltages are induced in a generator driven by a drive unit, in particular an internal combustion engine. These AC voltages generate currents which are conducted via a rectifier to at least one electrical load and / or an electrical storage. A torque of the drive unit is kept substantially constant. In this case, a rotational speed of the internal combustion engine varies depending on a load torque generated by the generator to the internal combustion engine.
Es versteht sich, dass es sich bei dem Generator um eine elektrische Maschine grundsätzlich beliebiger Art handeln kann, die generatorisch betreibbar ist. Die Erfindung ist grundsätzlich unabhängig von der Art der verwendeten Brennkraftmaschine (z.B. Otto, Diesel, Wankel, Turbine, Watt, .... etc.) oder des zu verbrennenden Mediums (Flüssigkeit, Gas, Feststoff).It is understood that the generator may be an electric machine of basically any kind that can be operated as a generator. The invention is basically independent of the type the internal combustion engine used (eg Otto, Diesel, Wankel, turbine, watts, .... etc.) or of the medium to be burned (liquid, gas, solid).
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der Kern der Erfindung ist mit anderen Worten der Betrieb der Brennkraftmaschine im ungeregelten Betrieb unter Vorgabe eines konstanten Drehmomentes. Erfindungsgemäß erfolgt keine Regelung der Motordrehzahl. Die Brennkraftmaschine läuft mit konstantem Drehmoment, unabhängig von der aktuell anliegenden Bordnetzspannung bzw. der abgegebenen Leistung. Dies ermöglicht die Verwendung eines kostengünstigen Diodengleichrichters und den Verzicht auf eine Regelung mit entsprechend aufwendigen messtechnischen Erfassungen der Regelgrößen.In other words, the essence of the invention is the operation of the internal combustion engine in uncontrolled operation under specification of a constant torque. According to the invention, there is no control of the engine speed. The internal combustion engine runs with constant torque, regardless of the currently applied vehicle electrical system voltage or the output power. This allows the use of a cost-effective diode rectifier and the absence of a control with correspondingly complex metrological observations of the controlled variables.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens versorgt der Generator ein Bordnetz des Kraftfahrzeuges mit einer Anzahl von Verbrauchern und/oder eine Batterie mit elektrischer Energie. Dabei liegt am Generator eine Bordnetzspannung an. Das Drehmoment ist unabhängig von einem aktuellen Wert der Bordnetzspannung konstant.In one embodiment of the method according to the invention, the generator supplies an electrical system of the motor vehicle with a number of consumers and / or a battery with electrical energy. In this case, a generator voltage is applied to the generator. The torque is constant regardless of a current value of the vehicle electrical system voltage.
Gerade im Bereich elektrischer Fahrzeug-Bordnetze treten bisher die zuvor beschriebenen Nachteile auf. Deshalb eröffnet sich hier ein wesentlicher Einsatzbereich für die vorliegende Erfindung.Especially in the field of electrical vehicle electrical systems so far occur on the disadvantages described above. Therefore, this opens up an essential area of application for the present invention.
Gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens liefert der Generator elektrische Energie an einen elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeuges und/oder der Generator lädt eine Batterie.According to one embodiment variant of the method according to the invention, the generator supplies electrical energy to an electric drive of the motor vehicle and / or the generator charges a battery.
Auf diese Weise kann z.B. bei einer niedrigen Lastanforderung ein Leistungsüberschuss der Antriebseinheit über den Generator in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese elektrische Energie kann in der Fahrzeugbatterie gespeichert werden und steht somit bei einer nachfolgenden höheren Lastanforderung für den elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs zur Verfügung.In this way, e.g. at a low load request, a power surplus of the drive unit via the generator into electrical energy to be converted. This electrical energy can be stored in the vehicle battery and is thus available for a subsequent higher load requirement for the electric drive of the motor vehicle.
Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Antriebseinheit ohne Regelung der Drehzahl betrieben.In one embodiment of the method according to the invention, the drive unit is operated without regulating the speed.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Antriebseinheit im Open-Loop-Modus betrieben wird und nicht als wesentlich teureres rückgekoppeltes Regelsystem ausgeführt ist. So kann eine kostspielige Regelungselektronik vermieden werden.This means in other words that the drive unit is operated in open-loop mode and is not designed as a much more expensive feedback control system. Thus, a costly control electronics can be avoided.
Beispielsweise ist der Gleichrichter als passiver Gleichrichter ausgebildet. Bei einem passiven Gleichrichter besteht keinerlei Ansteuer- und Regelaufwand. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die elektrische Maschine eine PSM-(Permanent erregte Synchronmaschine)-Maschine, die aufgrund der wegfallenden Erregerverluste sehr hohe Wirkungsgrade aufweist.For example, the rectifier is designed as a passive rectifier. In a passive rectifier, there is no drive and control effort. In one embodiment of the method according to the invention, the electric machine is a PSM (permanent-magnet synchronous machine) machine, which has very high efficiencies due to the loss of exciter pathways.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Gleichrichter derart ausgebildet, dass ein Stromfluss über den Gleichrichter gesperrt wird, wenn eine Differenz UA – UB zwischen einer Bordnetzspannung UB und einer Ausgangsspannung UA des Gleichrichters negativ ist. Dadurch kann zum Beispiel in einer Anlaufphase des Generators, in der die Differenz in der Regel negativ ist, die Drehzahl des Generators schnell gesteigert werden, weil nur die Massenträgheiten von der Antriebseinheit zu beschleunigen sind.According to one embodiment of the method according to the invention, the rectifier is designed such that a current flow through the rectifier is blocked when a difference U A - U B between a vehicle electrical system voltage U B and an output voltage U A of the rectifier is negative. As a result, for example, in a start-up phase of the generator in which the difference is generally negative, the speed of the generator can be increased rapidly, because only the inertia of the drive unit to be accelerated.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Gleichrichter derart ausgebildet, dass der Stromfluss über den Gleichrichter bei einer positiven Differenz zwischen der Bordnetzspannung UB und der Ausgangsspannung UA durchgeleitet wird.In one embodiment of the method according to the invention, the rectifier is designed such that the current flow is conducted through the rectifier at a positive difference between the vehicle electrical system voltage U B and the output voltage U A.
Dadurch kann die Stromstärke z.B. in Reaktion auf einen Lastsprung variieren.This allows the current, e.g. vary in response to a load jump.
Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein konstanter Strom eingestellt, wenn das Lastmoment dem Drehmoment entspricht.In one embodiment of the method according to the invention, a constant current is set when the load torque corresponds to the torque.
Durch diese Gleichgewichtsbedingung zwischen Lastmoment und Drehmoment kann der Maximalstrom ohne irgendwelchen aparativen Mehraufwand begrenzt werden.Due to this equilibrium condition between load torque and torque, the maximum current can be limited without any additional expense.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Gleichrichter Dioden auf, die bei negativer Differenz den Strom über den Gleichrichter sperren und andernfalls den Strom durchlassen.According to one embodiment of the method according to the invention, the rectifier has diodes which, with a negative difference, block the current via the rectifier and otherwise pass the current.
Dioden sind besonders zuverlässige und gleichzeitig kostengünstige elektrische Bauelemente. Diodes are particularly reliable and at the same time inexpensive electrical components.
Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Gleichrichter als B6-Diodenbrückenschaltung ausgebildet.In one embodiment of the method according to the invention, the rectifier is designed as a B6 diode bridge circuit.
B6-Diodenbrückenschaltungen sind in sehr großen Stückzahlen hergestellte, kostengünstige Massenartikel.B6 diode bridge circuits are mass-produced, low-cost mass-produced items.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispieleembodiments
In
Die elektrische Antriebsmaschine
Der Antriebsstrang
Die elektrische Antriebsmaschine
In der folgenden
Die Kolbenbrennkraftmaschine
Die Anschlüsse des Akkumulators
Die PSM-Maschine
Bei Zuschaltung elektrischer Verbraucher im Hochspannungsbordnetz
Die Tabelle 1 zeigt exemplarisch verschiedene Betriebspunkte, die sich im typischen Betrieb der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung
Wird also beispielsweise die Kolbenbrennkraftmaschine
Dieser geringe Hub der Drehzahl über der Last ist ein wichtiger Punkt für die Erfindung.This small stroke of speed over the load is an important point for the invention.
Die Drehzahl d der Kolbenbrennkraftmaschine
Die Umsetzung des drehmomentgeregelten Betriebes ist grundsätzlich immer möglich, auch und gerade besonders wenn die elektrische Maschine
Hinsichtlich des Einflusses des Ladezustandes des Akkumulators
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst zum Zeitpunkt t = 0 die Kolbenbrennkraftmaschine
Zum Zeitpunkt t = t0 erreicht die von der elektrischen Maschine
Zum Zeitpunkt t1 führt ein Lastsprung im Hochspannungsbordnetz
Der erhöhte Strom I hat ein erhöhtes Bremsmoment zur Folge, was wiederum zum Absenken der Drehzahl d der Kolbenbrennkraftmaschine
Der Überschwinger im Strom I hängt von den Systemparametern ab (wie z.B. von der Rotationsträgheit und dergleichen). Ob der Akkumulator
Zum Zeitpunkt t2 erfolgt eine sprunghafte Absenkung der Bordnetzlast. Durch den damit verbundenen Spannungsanstieg im Bordnetz (der durch den ersten rechten Steigungsabschnitt dargestellt ist) können die Dioden der B6-Diodenbrückenschaltung
Zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 wird der Akkumulator
Die Dioden der B6-Diodenbrückenschaltung
Claims (11)
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