Integrierter Startergenerator, Kurzbeschreibung mit Anordnung Bauteile

Aufbau und Bauteile

Das 48-V-Bordnetz setzt sich aus diversen 48-V-Komponenten und 48­V­Leitungen zusammen.

Die maßgebenden Komponenten des 48-V-Bordnetzes sind dabei der integrierte Startergenerator und die 48-V-Bordnetzbatterie. Über den DC/DC-Wandler versorgt das 48-V-Bordnetz das 12-V-Bordnetz während der Fahrt und bei Bedarf auch im Stand mit Energie.

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Die Topologie des 48-V-Bordnetzes

Das Powerpack sowie die 12-V-Batterie sitzen im Heck. Der integrierte Startergenerator und die 48-V-Verbraucher - elektrischer Kältemittelkompressor, elektrischer Zusatzkompressor, elektrische Kühlmittelpumpe und die Frontscheibenheizung - sind in Fahrtrichtung vorne angeordnet. Die Leitungen der Verbraucher und des ISG werden über eine Vorsicherungsdose gebündelt und mit einer Leitung auf der Fahrerseite des Fahrzeugs mit dem 48-V-Powerpack verbunden.

Integrierter Startergenerator (ISG)

Der integrierte Startergenerator wird in der so genannten "P1-Konfiguration" fest mit der Kurbelwelle verschraubt und ist zwischen Motor und dem Automatikgetriebe 9G-TRONIC angeordnet. Die Leistungselektronik befindet sich im Bauraum des nicht mehr notwendigen Ritzelstarters.

Der integrierte Startergenerator erzeugt in Verbindung mit dem 48­V­Teil des Bordnetzes eine maximale Leistung von 16 kW und ein Drehmoment von 220 Nm. Die Energie liefert eine separate 48­V­Bordnetzbatterie.

Beschreibung ISG

Der integrierte Startergenerator ist starr mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt. Bei Parameteränderungen des Verbrennungsmotors kann durch den ISG ein Drehmoment an die Kurbelwelle übertragen oder ein Drehmoment von der Kurbelwelle aufgenommen werden, sodass die Änderungsrate des von der Kurbelwelle abgegebenen Drehmoments innerhalb vorgegebener Grenzen liegt.

Vom ISG können auch weitere Drehmomenteingriffe auf die Kurbelwelle erfolgen, z. B. alle Drehmomenteingriffe, welche ohne ISG durch die Verschiebung des Zündwinkels erfolgen. Es sind zusätzlich nicht nur negative Drehmomenteingriffe möglich – wie bei der Zündwinkeleinstellung – sondern auch positive Drehmomenteingriffe einstellbar. Dies erweitert die Möglichkeiten der Umsetzung von Umschaltstrategien ungemein.

Somit können insbesondere Umschaltungen zwischen verschiedenen Betriebsarten des Verbrennungsmotors drehmomentneutral durchgeführt werden.

Die Umschaltungen erfolgen, ohne von Drehmomentsprüngen innerhalb des Motors hervorgerufenen Drehmomentschlägen. Momente aus Ungleichgewichten und Scherkräften auf der Kurbelwelle werden signifikant verringert.

Die von Lastwechseln, Betriebspunktänderungen und Drehzahländerungen hervorgerufenen Schwingungen im Verbrennungsmotor werden verringert oder vermieden. Dadurch wird der Fahrkomfort signifikant gesteigert.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch Vermeidung von Zündwinkelrückzügen der Verbrennungsmotor stets mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Dies spiegelt sich positiv im Kraftstoffverbrauch wider.

Der integrierte Startergenerator eignet aufgrund seiner Eigenschaften als elektrische Maschine besonders gut zur Übertragung und Aufnahme von Drehmomenten, da mittels einer solchen elektrischen Maschine bei besonders einfacher Ansteuerung Drehmomente präzise und sehr schnell erzeugbar und aufnehmbar sind.

Hierbei sind auch in schneller Abfolge auftretende Drehmomentsprünge ausgleichbar oder zumindest verringerbar.

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Das Funktionsschema stellt den an den Verbrennungsmotor (2) gekoppelten integrierten Startergenerator (1) dar. Der Verbrennungsmotor umfasst in diesem Ausführungsbeispiel sechs Brennräume (2.1 bis 2.6) und eine Kurbelwelle (2.7). Vom Fahrer wird über das Fahrpedal (3) ein Wunschdrehmoment vorgegeben und von dem Steuergerät ME (4) interpretiert. Der ISG wird weitestgehend unabhängig von dem Verbrennungsmotor betrieben und vom Steuergerät Startergenerator (5) gesteuert. Somit ist eine Kommunikation zwischen der Motorsteuerung und der Steuereinheit erforderlich, welche über eine Kommunikationsverbindung, beispielsweise einen CAN-Bus (6), erfolgt.

Zündwinkeleingriffe

Die wesentliche Führungsgröße für die modellbasierte Motorsteuerung ist das Fahrerwunschmoment, aus dem mittels Momentenmodell eine Sollfüllung - Luftmenge pro Zylinder und Arbeitsspiel - berechnet wird. Basierend hierauf werden weitere Parameter zum Betrieb des Verbrennungsmotors ermittelt, um das gewünschte Moment einzustellen. Diese weiteren Parameter umfassen beispielsweise den Drosselklappenwinkel, die Nockenwellenposition, den Zündwinkel, die Einspritzmenge und -Zeitpunkte.

So kann es bei bestimmten Fahrzuständen oder bei Betriebsartenumschaltungen wie einer CAMTRONIC Schaltung vorkommen, dass der Motor bei optimaler Betriebsweise mehr Moment abgeben würde als vom Fahrer, der Betriebsstrategie etc. gefordert. Beim konventionellen Motor erfolgt die Kompensation des überschüssigen Moments durch eine Verschiebung des Zündwinkels und die damit einhergehende Verschlechterung des Wirkungsgrads.

Segmentsynchrone Eingriffe

Bei den segmentsynchronen Eingriffen – ein Segment bezeichnet dabei ein Arbeitsspiel eines Zylinders – übernimmt der ISG die Kompensation des überschüssigen Moments. Dies ist möglich, da der ISG eine feste Kopplung zur Kurbelwelle des Motors besitzt und dadurch mit dem Motor synchron dreht.

Zur Ermittlung des Sollmoments für den ISG wird zunächst eine prädizierte Füllung bestimmt, woraus ein prädiziertes optimales Drehmoment bei optimalem Zündwinkel resultiert. Die Differenz aus dem prädizieren Moment und dem Fahrerwunsch ergibt dann das segmentsynchrone Sollmoment für den ISG. Die Prädiktion ist notwendig, um die Signallaufzeit von Motor zum ISG zu überwinden, sodass der ISG dann das gewünschte Moment zeitgleich zur zugehörigen Verbrennung stellen kann.

Je nach Betriebspunkt von ISG und Ladezustand der Batterie ist das minimal und maximal stellbare Moment des ISG begrenzt. Wenn das zu kompensierende Moment größer ist als dieser Stellbereich, wird das verbleibende Moment anhand der beschriebenen Zündwinkeleingriffe ausgeglichen.

Während der Motor nur Wirkungsgradverschlechterungen und dadurch Drehmomentreduzierung arbeitsspielsynchron vornehmen kann, kann der ISG auch positives Moment stellen. Weiterhin basiert die Momentenabgabe des Motors auf Modellwerten in der Motorsteuerung, die gewissen Modellabweichungen und Serientoleranzen unterliegen. Bei dem ISG lässt sich das gewünschte Moment wesentlich präziser einstellen, wodurch ein Komfortgewinn erzielt werden soll. Zuletzt hat dieses Feature den Vorteil, dass der Motor während des Eingriffs weiterhin bei nahezu optimalen Bedingungen betrieben werden kann und das überschüssige Moment rekuperiert wird, was zu Ersparnissen von Kohlendioxid (CO2) führt.

Leerlaufdrehzahlregelung

Die Leerlaufdrehzahlregelung der Motoren mit ISG ist durch den Einsatz des ISG ebenfalls verbrauchsoptimiert umgesetzt.

Die herkömmliche Drehzahlregelung über Leerlaufdrehzahlregelung entfällt hierbei nicht, sondern diese übernimmt die Regelung, sofern nicht alle Bedingungen für eine korrekte Arbeitsweise des ISG gegeben sind.

Je nach Betriebsart wird die Leerlaufdrehzahl auf einen bestimmten Sollwert eingestellt. Der Energiebedarf des Bordnetzes wird über die Generatoreigenschaft des ISG gedeckt. Dem Motor wird ein zu lieferndes Drehmoment vorgegeben, hiervon greift der ISG den benötigten Anteil ab und speist das Bordnetz und die Bordnetzbatterie mit Energie.

Somit kann mehr Energie durch den ISG generiert und der Bedarf des Bordnetzes gedeckt werden.

Sollte es zu einer Verbrauchserhöhung durch z. B. das Einschalten der Klimaanlage kommen, puffert die 48-V-Bordnetzbatterie den Verbrauch. Wenn das 48-V-Bordnetz bei der aktuellen Drehzahl überlastet ist, wird die Motorsolldrehzahl erhöht. Durch die positiven Eigenschaften des ISG ist diese Drehzahlerhöhung für den Kunden nur am Drehzahlmesser festzustellen.

Die Bedingungen, unter denen der ISG die Leerlaufdrehzahlregelung übernimmt, sind in der Tabelle am Dokumentende aufgeführt. Wird eine der Bedingungen nicht erfüllt, wird die Leerlaufdrehzahlregelung vom klassischen Leerlaufdrehzahlregler übernommen. Ein Übergang von der Regelung durch den ISG zu der durch den klassischen Leerlaufdrehzahlregler ist für den Fahrer nicht feststellbar.