Farkas Diss Zusa

Zusammenfassung Dissertation Dr.-Ing. László Farkas:
Die sensorlose Regelung der Klauenpolmaschine im Starterbetrieb von Kraftfahrzeugen


Einleitend wird das ökonomische Umfeld für die Reduktion des Flottenverbrauches der Kraftfahrzeughersteller und die Minderung der CO2-Emissionen im Kfz vorgestellt. Anhand von Starter-Generator-Technologien wird erläutert, warum besonders das riemengetriebene Starter-Generator-System (rSG) zur Erfüllung dieser Ziele geeignet ist. Wird darüber hinaus in einem kostenoptimierten Massenprodukt wie dem Automobil die ausfallsichere Zuverlässigkeit im Fahrbetrieb angestrebt, so ergibt sich eine weitere Forderung in Form der Reduktion der teuren und kritischen Bauteile wie den Sensoren. Ein zentrales Ziel der Arbeit ist somit die Entwicklung eines neuen, sensorlosen Konzeptes für den rSG, bei dem auf mechanische Positions- oder Drehzahlsensoren verzichtet werden kann.

Hierfür wird zunächst die zentrale Komponente eines rSG, die Klauenpolmaschine (KPM), beschrieben und die Äquivalenz der oft als "Lichtmaschine" bezeichneten KPM zu der gut modellierbaren Schenkelpol-Synchronmaschine dargestellt. Die sättigungsabhängigen Parameter und die erzielbaren Drehmomente werden bestimmt. Anschließend erfolgt die Modellierung des hochzuschleppenden Verbrennungsmotors (VM) über einen vereinfachten, geschlossenen Ansatz.

Der sensorlose Starterbetrieb der KPM erfolgt in drei Schritten: Aufgrund des starken Temperatureinflusses auf die Maschine durch Umgebung und Eigenerwärmung muss der stark schwankende (Wicklungs-)Widerstand vor jedem Start bestimmt werden. Das dafür entwickelte Verfahren wird dargestellt und die Stabilität über die Variation der Wicklungs- und Regelkreisparameter praxisnah nachgewiesen. Für den zweiten Schritt des sensorlosen Regelungsalgorithmus wird ein bestehendes Verfahren zur Detektion der Rotoranfangslage einer permanentmagneterregten Synchronmaschine für die Anwendung auf die hier vorliegende elektrisch erregte KPM übertragen. Im letzten Schritt des Algorithmus wird der Rotorwinkel während des Hochschleppvorganges über einen vereinfachten Drehzahlbeobachter fortlaufend ermittelt.

Die Bewertung des sensorlosen Systems erfolgt über den Vergleich des Hochschleppvorganges des VM durch den rSG mit Polradlagegeber. In den Messkurven wird verdeutlicht, dass für das hier entwickelte, sensorlose Verfahren die genaue Kenntnis des Widerstandswertes unabdingbar für das Modell der Elektrischen Maschine in der Regelung und damit für den Hochschleppvorgang des VM durch die KPM ist. Darüber hinaus sind mit der Widerstandsermittlung unterschiedliche Batterieinnenwiderstände, hervorgerufen durch Alterung, verwendetem Spannungsniveau oder Batterietyp, ebenso berücksichtigt wie variierende Widerstände durch veränderte Kontaktierung und Leitungslängen, wie sie bei Fahrzeugen mit Batterien im Heck notwendig sind. Wird in der Bewertung weiterhin berücksichtigt, dass aufgrund des großen Kostendrucks im Automobilbau ein hochauflösender Sensor nicht zum Einsatz kommen kann, ist dieses sensorlose System zu einem System mit Polradlagegeber geringerer Auflösung nicht nur gleichwertig, sondern unter Zuverlässigkeitsaspekten durch die Bauteilreduktion vorzuziehen.