CN103648877B - 用于起动设置在车辆中的内燃机的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于起动一个设置在车辆内的内燃机(10)的装置和方法。为此设有：电机(24、24′)，该电机构成为用于至少暂时地驱动内燃机(10)，第一储能器单元(28、28′、50)，该第一储能器单元构成为用于储存电能。此外设有调整单元(26、26′)，电机(24、24′)能通过该调整单元与第一储能器单元(28、28′、50)连接，其中，所述调整单元(26、26′)构成为用于检测至少一个定义的内燃机运行状态和/或至少一个定义的车辆运行状态，并且至少根据所检测的内燃机运行状态和/或所检测的车辆运行状态来调整电参量，该电参量确定在驱动内燃机(10)时由电机(24、24′)从第一储能器单元(28、28′、50)取出的电功率，或者来调整所取出的电功率本身。

Description

用于起动设置在车辆中的内燃机的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于起动设置在车辆中的内燃机的装置和方法。为了起动内燃机设有：一个电机，该电机构成为用于至少暂时地驱动内燃机，以及一个第一储能器单元，该储能器单元构成为用于储存电能。
背景技术
目前在汽车制造中可以使用不同地构建的内燃机。内燃机在其结构上互相区分的一个特征是点火起动的种类。因此存在自行点火式内燃机(柴油机)和外源点火式内燃机，这里流行最广的外源点火式内燃机是汽油机。另一个不同特征是气缸的数量。在汽车制造中，主要使用具有三、四、六、八或者十二缸的内燃机。
到目前为止为每种类型的内燃机都研发或者说设有独特的起动机和所属的特有的能量供应系统；两个部件都根据点火起动的种类和气缸的数量独特地进行设计。为此原因如下：不同类型内燃机分别对在起动过程期间由起动机接收的理想电功率和/或对在起动过程期间流经起动机的理想电流有不同的要求。此外，对于内燃机的相应类型，理想电功率和理想电流都与内燃机的运行温度有关地变化。在冷起动时，由起动机接收的电功率与热起动时不同。
另一个方面如下：不仅在装备有所谓的起动停止自动装置的车辆中，而且在混合动力车辆中都需要相对于传统车辆经改进的起动性能。借助一个起动停止自动装置在车辆停止时关闭内燃机。在混合动力车辆中为了推进不仅设有一个内燃机，而且设有一个电机。已改进的起动性能与新的运行策略相关联，这些运行策略借助这种新型的车辆是有可能的或者说是需要的，并且这些运行策略导致对起动机在起动过程期间所接收的电功率以及对起动过程期间的舒适性的要改变的要求。
在一个传统的车辆中，起动机和所属的能量供应装置被设计为用于内燃机的第一次起动或者说初始起动，该第一次起动或者说首次起动在驾驶员进入车辆后在开始行驶时第一次触发。在第一次起动时不需要内燃机在短时间内提供定义的大的转矩。
在一辆具有起动停止自动装置的车辆中，除了第一次起动之外也进行内燃机的再起动和必要时的追加起动。不仅是在再起动时而且在追加起动时，内燃机与车辆的驱动轮首先都不存在有效技术上的连接，然而该连接紧接着即将存在。再起动和追加起动由安装车辆中的控制单元发起。当车辆静止状态中存在起动信号时，其中，在车辆静止状态中车辆静止并且内燃机静止或者具有处于切断转速与零值之间的发动机转速，则判断为应实施再起动。当车辆运动状态中存在发动机力矩需求时，其中，在车辆运动状态中车辆行驶并且内燃机静止或者具有处于切断转速与零值之间的发动机转速，则判断为应实施追加起动。不仅在车辆静止状态中而且车辆运动状态中都适合于，内燃机或者处于静止(发动机转速为零)或者实施衰减的发动机转动运动(发动机转速在切断转速与零之间)。在车辆静止状态中，车辆速度应优选具有零值。但是也可想到起动停止自动装置系统，在该起动停止自动装置系统中当车辆以不过大的速度、例如以3km/h或者以20km/h前进时能实施再起动。因此当在有条件的车辆运动状态中存在起动信号时，也可以判断为应实施再起动，其中，当车辆的速度小于一个阈值时，该阈值例如是3km/h或者20km/h，则存在有条件的车辆运动状态。在车辆运动状态中，车辆速度具有任意的不为零的值，该值优选明确大于20km/h并且例如处于50km/h或者70km/h或者明确更大的值。起动信号代表车辆紧接着即将起动，该起动应该从车辆静止状态开始。在此，优选是由驾驶员引起的起动。作为起动信号在此例如考虑一个代表驾驶员操纵离合器踏板的信号。但是备选地也可以是自动的、亦即与驾驶员无关地引入的起动。发动机力矩需求代表如下的转矩，该转矩可以由内燃机在当前的车辆运动状态中与驾驶员有关或者与驾驶员无关地进行调整。与驾驶员有关的要调整的转矩例如由于由驾驶员操纵油门踏板而产生。因此在这种情况下，发动机转矩需求可以是代表油门踏板操纵的参量。纵向调节系统例如可以产生与驾驶员无关的发动机转矩需求，其中，纵向调节系统例如可以是车距调节速度控制器(Abstandsregettempomaten)。该切断转速是内燃机的如下发动机转速，该发动机转速在内燃机脱开(ablegen)时、亦即例如通过操纵离合器与被驱动的车轮的有效连接中断时或者紧接其后地出现。切断转速在最开始可以等于空转转速，但是该切换转速根据运行状态也可以暂时处于空转转速之上。
内燃机的再起动和追加起动的区别于初始起动。在再起动时，例如在红绿灯处时，必须在最短时间之内通过发动机提供大的转矩，内燃机起动的比在初始起动时起动得更快。当内燃机在车辆运动状态中追加起动时，内燃机必须在最短时间之内提供与车辆运动状态相关的转矩，需要内燃机非常快的“猛增”到所期望的驱动转速(反射起动)。
在混合动力车辆中除了第一次起动之外也实施内燃机的追加起动。在此以相应的方式适用上述的实施方式，这些实施方式关于具有起动停止自动装置的车辆中被制造。
这些新的运行策略(追加起动和/或再起动)连同由此产生的经改进的起动性能要求与相应的内燃机相协调的起动机和所属的能量供应装置，所述起动机和能量供应装置相对于在传统车辆中使用的部件来说性能更好。因此在传统车辆中使用的部件不是无问题地能被使用在新型的车辆中。
另一个需要使用经改变地并且因此新型的起动机的方面如下：新的驱动结构，如这些驱动结构例如使用在例如轻混合或者中混合动力车辆中，为起动机预定了新的运行电压。在这些驱动构思中，通过一个单独的整车电源供给起动机，该整车电源的电压可以处于大于12V至60V的范围内，但是该电压也可以为大于300V。在每种情况下，该电压都处于传统的整车电源的、通常为12V的电压。
另一个需要研发新型的起动机的方面是使用电能储存器，这些电能储存器与传统的铅蓄电池相比能够提供高非常多的短路电流。作为例子提到所谓的超级电容，这些超级电容可以提供数量级高达1500V的短路电流。
如上所述，在考虑上述的方面，即，点火起动的种类、气缸的数量，包括考虑到内燃机的运行温度、新的运行策略、新的驱动结构和新的电能储存器的情况下，这些方面全部分别对起动机在起动过程期间所接受的理想电功率和/或在起动过程期间流经起动机的理想电流提出了独特的要求，并且需要大量独特设计的起动机和所属的能量供应装置。这点在如下的车辆中导致这样的车辆必须装备有多个鉴于各个方面个性化的起动系统(起动电机和整车电源)，在该车辆中，上述这些方面中的多个方面、特别是新的运行策略、新的驱动结构和新的储能器方面分别在考虑内燃机的运行温度的情况下起作用。情况可能如此的车辆的一个例子是混合动力车辆。
发明内容
因此本发明的任务是，进一步扩展开头所述类型的装置和方法，以便在如下的车辆中代替以多个个性化的起动机或者起动系统仅以一个唯一的起动机或者一个唯一的起动系统来应付，在该车辆中多个方面起作用，这些方面分别对起动机在内燃机起动过程期间所接受的理想电功率和/或在内燃机起动过程期间流经起动机的理想电流提出了独特的要求，特别是应能够使用已经供使用的、成本有利的直流起动电机成为可能。总的来说应该提供一种成本有利的、能容易操作的和需要少的结构空间的装置或者提供一种相应的方法。
这些任务将通过开头所述类型的一种装置得到解决，该装置具有下述的器件：调整单元，电机能通过该调整单元与第一储能器单元连接，其中，调整单元被设计用于检测至少一个定义的内燃机运行状态和/或至少一个定义的车辆运动状态，以及至少根据所检测的内燃机运行状态和/或所检测的车辆运动状态调整如下的电参量，该电参量确定在驱动内燃机时由电机从第一储能器单元取出的电功率，或者调整所取出的电功率本身。
此外，该任务通过一种开头所述类型的方法得到解决，在这种方法中将在调整单元中进行下述的步骤，电机能通过该调整单元与第一储能器单元连接：
-检测至少一个定义的内燃机运行状态和/或至少一个定义的车辆运动状态，以及
-至少根据所检测的内燃机运行状态和/或所检测的车辆运动状态调整电参量，该电参量确定在驱动内燃机时由电机从第一储能器单元取出的电功率，或者调整所取出的电功率本身。
按照本发明的装置和按照本发明的方法基于如下想法：将调整单元在电路技术上加入到电机与第一储能器单元之间。利用该调整单元能调整电参量(该电参量确定在内燃机由电机驱动时从第一储能器单元取出的电功率)，或者能调整所取出的电功率本身。在车辆中多个方面起作用，这些方面分别本身对起动机在内燃机起动过程期间所接受的理想电功率提出了独特的要求，在上述车辆中因此给出如下的可能性，即，直接或间接地调整所取出的并且因此所接受的电功率，亦即根据相应当前有效的或者相应要考虑的方面。所取出的电功率因此能够根据相应方面来调整并且因此能够匹配于与之伴随的起动要求。因此可能的是，利用一个唯一的起动电机或者利用一个唯一的起动系统来满足对所取出的电功率和因此内燃机的起动本身的所有要求，这些要求通过不同的起作用的以及对于相应车辆要考虑的方面定义或者说预定。调整单元可以调整或者说主动地改变对从第一储能器单元取出的以及由此由电机接受的电功率或者确定该功率的电参量。通过至少根据内燃机运行状态和/或车辆运动状态进行对所取出的电功率或者电参量进行调整，能够匹配于在冷起动和热起动时的不同给定条件以及匹配于相应新的运行策略的不同给定条件。这点在研发或者设计电机时能实现如下的步骤：在准备阶段中查明，在哪种内燃机运行状态或者车辆允许状态或者两种状态类型的组合时，电机接收在数值上最大的电功率。电机于是为该电功率所设计。利用调整单元于是能够对于不出现数值上最大电功率的内燃机运行状态或者车辆运行状态或者两种状态类型的组合而调整由电机从第一储能器单元取出的电功率。
调整单元是一个串联系统，借助该串联系统可以对从第一储能器单元取出以及由此由电机接收的电功率进行调节或者限制。
为了能实现上述匹配，所述调整单元优选具有至少一个查明单元和一个操控单元。该查明单元构成为用于检测至少一个定义的内燃机运行状态和/或至少一个定义的车辆运行状态。操控单元构成为用于根据所检测的内燃机运行状态和/或所检测的车辆运行状态来调整所取出的电功率或者调整确定所取出的电功率的电参量。
当在调整单元中对其他相关的参量和/或参数进行检测或者至少处理时，可以使所取出的电功率匹配于其他的方面，或者可以通过这些预定的要求匹配于例如点火起动的类型、气缸的数量、所使用的驱动结构的类型或者所使用的电能储存器的类型。
因此完全解决了上述任务。
前后一致地，所述调整单元构成为用于对由电机从第一储能器单元取出的电流进行限制。因此电流是要调整的电参量，该电参量确定所取出的电功率。调整单元在器功能上相当于可调整的或者可调节的阻抗。所取出的电流能够简单且精确地进行调整，这因此相应地适用于所取出的电功率。因此，电机可以为流经其的、最大可能的电流所设计，其中，对于该电流的内燃机运行状态或者车辆运行状态或者两种状态类型的组合不出出现该最大可能的电流，流经电机的电流限制到相应最小的值。
电机具有一定数量的定子绕组，从而在上述措施的另一种实施方案中，所述调整单元构成为用于为各个定子绕组限制电流。该措施具有如下优点，即，能够特别精确地调整由电机取出的电功率以及流经电机的电流。
在本发明的另一种实施方案中，所述调整单元至少部分构成为用于实现降压转换器功能性。该调整单元为此在其与功率件有关的范围内在输入端具有开关元件、特别是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)晶体管和一个空载二极管，其中，代替空载二极管可以使用另一个晶体管。所述定子绕组中的至少一个定子绕组被用作实现降压转换器功能性所必需的储能电感，电机具有一定数量的定子绕组。通过包括在调整单元内的部件(在此或者设计一个开关元件和一个空载二极管，或者设计两个开关元件)与电机的定子绕组的组合产生经改进的降压转换器(Tiefsetzsteller)，该降压转换器相对于经典的降压转换器不具有平滑电容器。降压转换器是一个具有非常简单且健壮的结构而非常可靠地运行的直流变压器。降压转换器的突出之处在于，在其输出侧提供的电压在数值上比输入在输入侧输送给其的电压更小。在输出端提供的电压值通过经开关元件的调节的打开和关闭来确定。
在车辆中用于推进而使用的电机中在推进情况下，一个数值上非常大的电流可能流过该电机。由于这个原因为了实现降压转换器功能性所必需的电感相应大地去顶。相应适合的电感的电感值在数量级上处于几个μH，优选是在5至6μH范围内或者甚至高于此。具有超过6μH的电感值的储能电感具有如下优点，即，可以减小用于降压转换器运行的时钟频率，从而可以减小在开关元件中的开关损失。这样的电感具有如下确定，即，这些电感不仅大而且贵。这里由发明者认识到，在电机中本来就存在的定子绕组中的至少一个定子绕组可以作为储能电感并且用于实现降压转换器功能性来使用。因此可以放弃一个独立的、要附加设置的、大而且贵的电感，这导致低的成本并减少空间需要。优选电机是齿轮起动电机，该电机的电枢电感被使用于实现降压转换器功能性。齿轮起动电机优选可以是永磁直流电机。优选可以是电子整流直流电机。
通过包含在调整单元内的部件与电机的部件的组合产生了降压转换器，通过该降压转换器可以调整所述电参量或者所取出的电功率本身。换句话说：与电机配合左右地可以通过调整单元对所述电参量或者电功率本身进行调整。经改进的降压转换器包括空间上分离的部件、包含在调整单元上的第一部件(开关元件和/或空载二极管)和包含在电机上的第二部件(定子绕组)。
在本发明的另一种实施方案中，所述调整单元此外构成为用于根据表征内燃机特性的参量来调整电参量或者所取出的电功率本身。表征性的参量优选是表征内燃机的起动性能、特别是内燃机在起动过程期间的时间上的性能的参量。这意味着，根据内燃机的起动特性对在起动过程期间由电机从第一储能器单元取出的电功率以及这里流经电机的电流进行调整或者限制。该调整或者限制优选这样进行，即，对于流经电机的各个定子绕组的电流，与接入电流峰值相邻的电流峰值具有这样足够高的值，使得在起动过程期间能够完全进行内燃机的第一次压缩，因为否则这点就不能起作用。据此表征性的参量是所述表征电流峰值的参量，优选是与上述的电流峰值相关的电流值和/或所属的时间值。
备选或者补充地，表征性的参量也可以是要遵守的起动时间，在该时间之内必须起动内燃机。自这个起动时间，查明并且调节或者说限制在驱动内燃机时对此由电机从第一储能器单元要取出的电功率和由此对于驱动内燃机所需的电功率或者流经电机的电流。备选地或者补充地，表征性的量也可以是内燃机的在起动过程中必须由电机克服的力矩。根据该力矩查明为此由电机要施加的电功率的值并且由此在起动过程期间流经电机的电流的值。
与从哪个参量出发来查明在驱动内燃机时由电机从第一储能器单元要取出的电功率的值或者在此流经电机的电流的值，根据该值查明键控情况的值，借助键控情况可以对在调整单元内存在的半导体元件进行操控，以便调整或者说限制所需的电动率或者所需的电流。
表征性的参量是在准备阶段中在应用的框架内查明的值，该值被储存或者说存放在调整单元中。优选可以在调整该电参量或者所取出的电功率本身时考虑到一个代表储能器单元的储能状态的参量，其中，该参量优选是施加在第一储能器单元上的电压。
在本发明的另一种实施方案中，设有能激活的桥接单元，在桥接单元激活时，电机在绕过调整单元是直接与第一储能器单元或者第二储能器单元连接。这个措施有以下优点：例如在冷起动时在起动过程期间极其高的电流流过电机，特别是当在非常低的环境温度下实施时。如果现在保持得到这种电路技术上的布置结构，按照该布置机构，电机通过调整单元与第一储能器单元连接，则由于调整单元的限制功能性导致不能出现对内燃机起动所需的极其高的电流。如果现在通过激活桥接单元这样触发电路技术上的布置结构，使得电机直接与第一储能器单元或者另一个第二储能器单元、优选是设置在12V的整车电源内的铅蓄电池，则可以实现特别高的电流，因为调整单元的限制功能性不再起作用。即使在第一次起动是在特定情况下也可能需要相应的步骤。
如已经设计的那样，电机具有一定数量定子绕组。调整单元以有利的方式为定子绕组中的每个定子绕组而具有一定数量的串联的第一半导体元件和第二半导体元件，其中，串联电路具有一个中间分接头，相应定子绕组连接到该中间分接头上。如果电机具有三个定子绕组，则调整单元在其最低配置中具有六个半导体元件。对于总共三个第一半导体元件和三个第二半导体元件都是晶体管、优选是MOSFET晶体管的情况，调整单元包括一个所谓的B6桥，通过该B6桥为所述三个定子绕组提供电流。为此所述调整单元构成为用于对为定子绕组串联的第一和第二晶体管按照一个预定的操控模型进行互补地操控。有利的是，所述调整单元对于定子绕组中每个定子绕组具有至少两个串联电路、优选是四个串联电路，其中，各个串联电路互相并联。由此可以实现所需的高的电流。
在本发明的另一种实施方案中，设有至少一个平滑滤波器。该平滑滤波器优选包含在调整单元中，例如构造成LC电路。通过使用一个平滑滤波器，调整单元在其与功率部件有关的范围内按照传统降压转换器的电路图。该平滑滤波器具有如下功能，即，衰减可能出现的电压峰值以及因此使施加在调整单元上在输出端的电压平滑化。由此可以避免外部的功率损失和降压转换器的输入端电压的干扰。此外可以通过使用平滑滤波器减少在起动齿轮电机的电刷上的摩擦。
在本发明的另一种实施方式中，所述调整单元此外构成为用于对施加在电机上的电压进行限制。这个措施具有以下优点：如果一个车辆装备有新的驱动结构，则该车辆具有独立的整车电源，该整车电源的电压比传统的整车电源的电压要大。现在可能的是，从独立的整车电源的电压触发产生一个12V的电压，该电压等于传统整车电源的值。由此存在以下可能性，即，通过独立的整车电源给为12V的整车电源而设计的电机提供电能。
可以理解的是，上文所述的和下文中还要阐述的特征不仅能以相应已给出的组合中，而且也能以其他的组合或者独有的组合来使用，而不超出本发明的范围。
附图说明
在附图中示出并且将在下面的描述中进一步的阐释本发明的实施例。图中：
图1示出一个用于阐述本发明的部分的车辆传动系的示意图；
图2以三个子图示出不同的整车电源结构，在这些整车电源结构中应用了本发明；
图3示出在起动过程器件流经电机的不同电流的电流变化曲线；
图4示出一个传统的降压转换器的电路图；
图5一个使用在调整单元中的、用于实现降压转换器功能性的电路的电路图；
图6示出调整单元的结构的示意图；
图7示出以该调整单元为基础的调节构思的图示。
具体实施方式
在图1中示出一个设置在一个车辆内的内燃机10。该内燃机通过双质量飞轮12和一个分离离合器14与一个变速器16有效连接，以便驱动未示出的驱动轮。此外不同的机组例如一个水泵18、一个制冷压缩机20和一个发电机22在连接技术上与内燃机10连接，以便由该内燃机来驱动。这点在结构上符合传统车辆。在混合动力车辆中、特别是在构造成并联混合动力的车辆中，为了进行推进除了内燃机10之外还附加地设有一个相应设计的电机。
为了起动内燃机10设有一个电机24，该电机通过一个调整单元26与一个第一储能器单元28连接。该第一储能器单元28是一个第一整车电源30的一部分，该第一整车电源被设置为用于供应电机24。第一储能器单元28可以是一个超级电容或者一个锂离子电池。
该车辆具有一个传统的第二整车电源32，该第二整车电源也被称为基本整车电源。第二整车电源32具有一个第二储能器单元34，该第二储能器单元例如构造成传统的铅蓄电池。从第二储能器单元34为第一用电器36供给电能。此外，从第二储能器单元34出发通过一个第一供给线路38提供对于在电路技术上的范围运行调整单元26所必需的供给电压。发电机22用于给第一储能器单元28和第二储能器单元34充电，其中，第二储能器单元34通过一个相应设计的直流变压器40与一个发电机22连接。
为了操控内燃机10设有一个发动机控制单元42，由传感器44给该发动机控制单元输送对此所需的参量或者说数据。此外发动机控制单元42与调整单元26连接，从而可以给调整单元26输送为其运行所需的数据或者参量。补充地或者备选地也可以由传感器44本身提供数据或者参量。
调整单元26构成为用于检测至少一个定义的内燃机运行状态和/或至少一个定义的车辆运动状态。根据所检测的状态然后调整电参量，该电参量确定在内燃机10起动过程期间由电机24从第一储能器单元28取出的电动率。优选对流经电机24的电流进行限制。备选地对可以调整从第一储能器单元28取出的电功率本身。
可选地可以设有一个能激活的桥接单元46，如在图1中通过虚线的图示所表示的那样。桥接单元46的在图1中所示的布置结构中，桥接单元的激活导致，电机24不通过由第一储能器单元28和调整单元26组成的电路，而是由第二储能器单元34供应对于驱动内燃机10所必需的电能。桥接单元46的激活可能例如在构造成锂离子蓄电池的第一储能器单元28中是需要的，也就是如果在环境温度非常低时应该进行内燃机10的冷起动，才是需要的。为此原因在于，在这样的蓄电池中内阻在冷的时候增加，并且因此由蓄电池可给出的功率减小。即使在第一次起动时也可能需要激活桥接装置46。第二储能器单元34应该提供12V的电压，而第一储能器单元28应该提供一个数量级从20V至50V的电压。
图1中所示的示意图应该不对整车电源结构或者说整车电源的拓扑图具有限制左右。还要描述的子图2a、2b和2c示出不同的整车电源结构，在这些整车电源结构中，使用了调整单元26。
部分图2a示出一个传统的整车电源48(标准整车电源)，该整车电源在功能方面相当于图1中所示的第二整车电源32。传统的整车电源48具有一个储能器单元50用于提供12V的电压U1，其中，按本发明的意义在此是第一储能器单元。此外传统的整车电源48具有第一用电器36′和第二用电器52。储能器单元50可以通过一个发电机22′进行充电，其中设计一个12V的发电机。一个电机24′通过一个调整单元26′与第一储能器单元50连接。借助一个桥接单元46′可以在环境温度低时而应实施的冷起动时和/或在第一次起动时将电机24′直接与储能器单元50连接。根据所需求的并且因此要调整的、在起动过程期间应流经电机24′的电流而相应操控调整单元26′。可选的可以在操控调整单元26′时附加地考虑到最小整车电压。利用调整单元26′可以限制流经电机24′的电流，由于该调整单元可以不放弃使用另外的储能器单元54，否则就要为了给电机24′供电而设有另外的储能器单元，以便在起动过程期间避免整车电压中的电压干扰。传统的整车电源48可以在传统的车辆(没有起动停止自动装置)中使用。
部分图2b示出一种传统的第二整车电源32′(基本整车电源)，该第二整车电源通过一个直流变压器40′与一个第一整车电源30′，即一个所谓的单独的追加起动整车电源连接。通过该直流变压器40′可以使两个整车电源分离。这样的一个扩展的的整车电源结构例如在一辆具有起动停止自动装置的车辆中使用，在起动停止自动装置中能实施内燃机的追加起动或者再起动。这种整车电源结构即使在混合动力车辆中也能使用，在混合动力车辆中应实施内燃机的再起动。第一整车电源30′具有一个第一储能器单元28′用于提供一个12V的电压U1和第三用电器56。一个电机24′通过一个调整单元26′与第一储能器单元28′连接。在这种情况下也设有一个桥接单元46′，利用该桥接元件按照子图2a的实施方式可以将电机24′直接与第一储能器单元28′连接。第二整车电源32′具有一个发电机22′、一个第二储能器单元34′和第一用电器36′。根据所需的并且因此要调整的电流相应地操控调整单元26′，从而该电流流动并为内燃机产生预定的转速变化曲线。可选的可以在操控调整单元26′时额外的考虑到最小整车电源电压。调整单元26′经过改进的实施方式可以从子图2a的描述得出。第一储能器单元28′和第二储能器单元34′可以通过发电机22′进行充电。
在子图2c中示出的整车电源结构符合在图1中所示的整车电源结构。一个传统的第二整车电源32′通过一个直流变压器40′与一个第一整车电源30′耦合。第一整车单元30′是一个所谓的追加起动整车电源。第二整车电源32′具有一个第二储能器单元34′和第一用电器36′。一个电机24′通过一个调整单元26′与一个包含在第一整车电源30′内的第一储能器单元28′连接。第一整车电源30′此外具有一个发电机22′和第三用电器56′。借助一个桥接单元46′可以将电机24′直接与第二储能器单元34′连接。第二储能装置34′优选构成为铅蓄电池，因此可以在环境温度低时而实施冷起动时和/或在第一次起动的情况下绕过调节装置26′而从第二储能器单元34′中为电机24′供给电能。在子图2c所示的整车电源结构可以例如使用在构建成轻混合动力车辆的车辆中。通过调节装置26′的使用能实现也可以通过第一储能器单元28′为电机24′供电，该第一储能器单元的电压(优选在20V和60V之间)明确比第二整车电源32′中提供的12V的整车电源电压要高。借助该整车电源结构可能的是，一个为12V的供给电压所设计的电机、即所谓的12V起动机以大于12V的供给电压驱动。
这里需要注意以下几个方面：在图1和2中桥接单元46或者46′分别用虚线示出。这应表示不是强制地要设有桥接单元。在相应地设计所使用的部件、特别是储能器单元28或者28′时可以放弃使用桥接单元。
图3示出在起动过程期间流经电机的不同电流的电流变化曲线。用附图标记58表示的第一电流变化曲线示出在没有装备有按照本发明的调整单元的整车电源中产生的电流变化。在一个达到最大短路电流Imax时的最初的初始峰值60之后出现基本上周期性的电流，它根据内燃机的气缸内的压缩比而交替。而利用附图标记62和64表示的第二和第三电流变化曲线示出在装备有按照本发明的调整单元的整车电源中产生的电流变化。使用调整单元能实现调整不同的、能参数化的流经电机的电流。在这种情况下，电流变化曲线62表示一个在冷起动时出现的电流。电流变化曲线64而表示一个在热起动时出现的电流。如一方面第二电流变化曲线62和第三电流变化曲线64的比较与另一方面与第一电流变化曲线58的比较示出，通过使用按照本发明的调整单元减小初始峰值60′和60″。由此避免了整车电源电压的干扰，并且同时提高了电机以及起动机的寿命。电机的电刷较不强烈地磨损，或者说将其磨损降低到最小程度。为了避免或者减小整车电源电压的干扰可以将额外的用电器、例如一个底盘系统集成到追加起动整车电源中。此外可以放弃用于稳定整车电源电压的措施。调整装置如下地构成，根据能由电机提供的用于起动内燃机的、所需的电功率来主动地调整或者调节对此理想的流经电机的电流。该理想的电流接着按照内燃机的压缩比在相应的初始峰值60′和60″处而具有交替的变化曲线。在查明理想电流时可以考虑在内燃机起动过程期间对电机的转速变化曲线提出的不同要求。作为例子这里提及热起动、冷起动，所谓的反射起动或者内燃机在第一储能装置的不同储能状态时的起动。
图4示出一个经典的降压转换器66的电路图，利用该降压转换器将输入电压U_In转换为输出电压U_Out，其中，输出电压的值比输入电压的值要小。降压转换器具有一个第一开关元件68和一个第二开关元件70，这些开关元件串联。串联电路72具有一个中间分接头74。在该中间分接头74上连接有一个储能电感76和一个平滑电容器78。如从在图4中所示的变化曲线一方面可以得到S_High和S_Low另一方面可以得到I_High和I_Low，对两个开关元件68和70互补地被操控或者被同步。已证实为有利的是，以数量级大约为25kHz的时钟频率驱动降压转换器。优选将两个开关元件68和70构造成晶体管，特别是MOSFET晶体管。
根据图4中的图示不应具有任何限制作用，按照该图示降压转换器具有平滑电容器78。当不对输出电压的波动性提出过大的要求时，于是也可以放弃平滑电容器。此外，两个开关元件的图示不应具有任何限制作用。也可以想到的是，通过一个空载二极管替代第二开关元件70。在这里需要提到的是，输入电压U_In、输出电压U_Out和电压U_TS全部参照接地线。
图5中示出一个按照本发明的调整单元的部分范围。电机24，更准确地说是起动机具有多个定子绕组。优选是具有三个定子绕组的电机，图4示出这些定子绕组之一并且用附图标记80表示。图5中表示的电压U_EMK代表与在定子绕组80有关的电动力，该电动力由于电机的轴82的转动运动而产生。
调整单元在图5中所示的部分范围84是调整单元的功率部件的如下部分区域，该部分范围提供了流经定子绕组80的电流并且出于这个目的与定子绕组80连接。调整单元构成为用于为电机的各个定子绕组调整或者说限制电流。部分区域84具有一个第一开关元件68和一个第二开关元件70，它们形成具有一个中间分接头74的串联电路72。在中间分接头74上连接有定子绕组80。在图5中所示的部分区域84构成为用于实现一个降压转换功能性。作为实现降压转换功能性所需的储能电感使用了定子绕组80。相应地也适用于电机的其他定子绕组。
通过连接所述两个开关元件68、70和定子绕组80而产生的电路是经改进的降压转换器。如同图5中通过虚线的图示所表示的，可以可选地设有一个平滑滤波器81，亦即当必须对输出电压U_VG进行平滑，以便避免过度磨损电机24的电刷时。通过使用平滑滤波器81得到了经典的降压转换器，该降压转换器包括下述部件：第一开关元件68、第二开关元件70以及是平滑滤波器81的一部分的线圈和电容。与是经典的(具有平滑滤波器81)还是已改进的降压转换器(没有平滑滤波器81)无关，由一个第一储能器单元28、28′或者50提供的电压都向下转换(wandeln)。电压U_VG代表由调整单元的部分范围84提供的电压。
调整单元26的结构从图6能得出。图6中的连接端以置于括号中的小写字母表示，其中，在图1中所示的分别与连接端对应的导线以相应的小写字母表示。调整单元的与图6中所示的、与导线部分有关的部分范围84所涉及的是为电机的定子绕组所示出的。
调整单元26具有一个第一电压供给单元86，利用该第一电压供给单元提供第一供给电压，其值为5V。此外，调整单元26具有一个第二电压供给单元88用于提供处于10V和13V之间第二供给电压。以附图标记90表示一个总线单元，借助该总线单元向控制单元92输送数据，这些数据通过连接端(d)和(e)输送。必要时这些数据事先在总线单元90内进行处理。此外向控制单元92输送一个电流值，该电流值借助一个电流传感器98检测。电流值代表流经连接到连接端(c)上的定子绕组的电流。通过考虑该电流值可以将流经定子绕组的电流调节到预定的额定值。备选于在图6中所示的输出侧的布置结构，也可以将电流传感器98设置在输入端，在这种情况下需要对所检测的电流值进行换算。
控制单元92具有一个检测装置94和一个分析单元96。借助检测单元94检测至少一个定义的内燃机运行状态和/或至少一个定义的车辆运行状态。分析单元96构成为用于根据所检测的内燃机运行状态和/或所检测的车辆运行状态来调整在起动内燃机10时由电机24从第一储能器单元28、28′或者50取出的电功率本身或者调整确定该电功率的参量。
根据内燃机运行状态和/或车辆运行状态可以使由电机从第一储能器单元取出的电功率或者确定该功率的参量、更确切的说流经相应定子绕组的电流至少匹配于在冷起动和热起动时的不同给定条件以及匹配于相应新的运行策略的不同给定条件。应实施热起动还是冷起动可以借助内燃机的温度进行确定。代表了内燃机温度的参量通过连接端(d)输送。应实施再起动还是追加起动，则如下所述地判断：当在车辆静止状态中存在起动信号时，则应实施再起动，其中，在车辆静止状态中车辆静止并且发动机静止或者具有位于处于切断转速和零值之间的发动机转速。当在车辆运动状态中存在发动机转矩需求，则应实施追加起动，其中，在车辆运动状态中车辆行驶并且发动机静止或者具有处于切断转速和零值之间的发动机转速。因此通过连接端(d)输送下述参量和/或信号和/或数据：代表发动机转速的参量、代表车辆速度的参量、起动信号和发动机转矩需求。通过连接端(d)输送的参量和/或信号和/或数据来自发动机控制单元42。例如鉴于代表车辆速度的参量也可想到下述的步骤：代替通过连接端(d)并且因此由发动机控制单元42出发输送该数值，也可以通过连接端(e)输送相应的利用相应的传感器检测到的参量。此外备选地也可以想到，通过连接端(e)输送借助车轮转速传感器检测到的、代表相应车轮转速的参量，其中，然后在控制单元92中进行代表车辆速度的参量的查明。另一个通过连接端(e)输送的参量是代表第一储能器单元的储能状态的参量。
除了所输送的参量、信号或者数据之外，在控制单元92中考虑在查明电功率或者电流时表征性的参量。在此涉及表征内燃机的起动性能的参量。该表征性的参量可以是一个与开头提及的电流峰值相关的电流值和/或所属的时间值。备选地或者补充地可以是一个要遵守的起动时间，在该起动时间之内内燃机必须作出反应。也可以是内燃机的在起动过程中要由电机克服的力矩。除了该表征性的参量之外可以在调整单元中储存其他的参量和/或数据，这些参量和/或数据要在查明电功率或者电流时被考虑。在此可以涉及内燃机的气缸的数量和/或是关于点火起动的类型的说明和/或关于驱动结构的类型的说明和/或关于第一储能器单元的构造形式的说明。
与最终由上面列举的参量中的哪些出发来查明数值无关地，对于在由电机驱动内燃机的时候从第一储能器单元要取出的电功率或者对于在此流经电机的电流的参量，根据该参量查明用于键控情况的值，利用这些值操控第一开关元件68和第二开关元件70。不仅第一开关元件68而且第二开关元件70都分别构造成半导体元件。在分析单元96中查明代表键控情况的参量，这些参量之后被输送给一个驱动单元100。在驱动单元100中然后查明用于操控第一开关元件68和第二开关元件70的驱动信号。
如同从图6中的图示中可得出，多个串联电路72、72′、72″和72″′并联地连接，以便能够实现对于在起动过程期间流经相应定子绕组的电流所必需的电流强度。
在一种第一实施方案中，调整单元26不仅从电压供给单元86和88而且从单元90、92和100分别获得样本。单元90、92和100在此形成调整单元26的电路技术上的范围。在这种实施方案中，借助单元90、92和100为电机的所有定子绕组查明分别流经这些定子绕组的电流。在一种备选的实施方案中，调整单元26应对于定子绕组中的每一个而具有单元90、92和100的独特分配的样本。
借助图7以下描述基于调整单元26的调节构思，该调节构思储存在控制单元92中、优选分析单元96中。这涉及电流调节，在该电流调节中，从对于在起动过程期间应流经电机的相应定子绕组的电流的额定值ISOLL和对于借助(在图7中未示出的)电流传感器98检测到的电流的实际值IIST出发，查明调节偏差IERROR。该调节偏差IERROR借助一个第一PI调节器102转换成控制电压UCTRL。在使用借助一个锯齿波发生器104得到的锯齿信号USAWTOOTH的情况下，将控制电压UCTRL转换成代表键控情况的参量。在一个第一查明单元106中查明代表用于第一开关元件68的键控情况的第一参量。在一个第二查明单元108中查明表示用于第二开关元件70的键控情况的第二参量。第一和第二参量在这里这样被查明，使得第一开关元件和第二开关元件68和70逆反地操控。第一和第二参量被输送给驱动单元100，然后在该驱动单元中查明用于操控第一和第二开关元件或者说半导体元件68、70的驱动信号。
补充地可以为额定值ISOLL进行额定值减小，这通过由虚线示出的额定值减小单元110表示。借助该额定值减小在查明调节偏差IERROR时并因此最后在查明要调整的键控情况时一同考虑第一储能器单元的储能状态。在额定值减小时查明代表电压偏差的偏差量，该偏差量处于电压实际值UIST与电压最大值UMAX之间。电压实际值UIST例如利用图7中未表示出的分流电阻查明。电压最大值UMAX代表了整车电源电压，该电压等于由第一储能器单元28提供的电压。这样查明的电压偏差首先在一个限制单元112中进行限制并且接着在一个第二PI调节器114中转换为一个电流修正值。
在图7中将第一开关元件68和第二开关元件70作为一个调节电路116的一部分示出。其他属于控制电路116的部件可以从图7得出。这些部件给出了第一储能器单元28、第一整车电源30和电机24的给定条件，因此在这里不涉及离散地构建的部件。详细涉及以下部件：第一储能器单元28的内阻118；第一整车电源30的导线电阻120；第一整车电源30的导线电感122；电机24的定子绕组的绕组电阻124；电机24的定子绕组的绕组电感126；代表电刷过渡电压的电压源128；和一个代表施加在定子绕组上的电压的电压源130。处于清楚性的原因，在图7中放弃示出一个平滑滤波器的图示。该平滑滤波器能加入在中间分接头74″′和导线电阻120之间。
调整单元优选这样设计，使得内燃机的再起动和/或追加起动能够利用第一整车电源，该利用第一整车电源的整车电源电压处于20V与50V之间的区域内，其中，在起动过程中电流强度限制在500A的电流应该能够对于大约0.5s的持续时间流过各个定子绕组。
使用按照本发明的调整单元具有以下优点：
-利用一个唯一的、包括起动电机和整车电源的起动系统在内燃机处于不同的运行温度时(冷起动，热起动)总是能够实现理想的且快速的起动时间，内燃机应在该起动时间之内起动。
-一个单元式的起动机可以被使用于不同的运行策略(再起动和/或追加起动)、不同的点火起动的类型、不同气缸数量的内燃机、不同的驱动结构(例如轻混合或者中混合动力车辆)、不同的储能器(例如超级电容)或者不同的取决于内燃机的运行温度的起动情况。
-通过主动地限制电流减少起动电机的碳刷的氧化，从而延长了其使用寿命。
-在追加起动整车电源或者起动整车电源中可以避免起动过程中非常显著的电压过低。由此可以一方面能将附加的用电器集成到附加的起动整车电源。另一方面可以放弃附加的稳定整车电源的直流变压器或者在追加起动整车电源中附加的储能器。
当如前所述电流流经电机时，则可以如此理解，即，电流流经电机的各定子绕组中的至少一个定子绕组。
附图标记单
10 内燃机
12 双质量飞轮
14 分离离合器
16 变速器
18 水泵
20 制冷压缩机
22 发电机
24 电机
26 调整单元
28 第一储能器单元
30 第一整车电源
32 第二整车电源
34 第二储能器单元
36 第一用电器
38 第一供电导线
40 直流变压器
42 发动机控制单元
44 传感器
46 可激活的桥接单元
48 传统的整车电源
50 储能器单元
52 第二用电器
54 另一个储能器单元
56 第三用电器
58 第一电流变化曲线
60 初始峰值
62 第二电流变化曲线
64 第三电流变化曲线
66 经典的降压转换器
68 第一开关元件
70 第二开关元件
72 串联电路
74 中间分接头
76 储能器电感
78 平滑电容器
80 定子绕组
81 平滑滤波器
82 轴
84 调整单元的部分范围
86 第一电压供给单元
88 第二电压供给单元
90 总线单元
92 控制单元
94 检测单元
96 分析单元
98 电流传感器
100 驱动单元
102 第一PI调节器
104 锯齿波发生器
106 第一查明单元
108 第二查明单元
110 额定值减小单元
112 限制单元
114 第二PI调节器
116 调节电路
118 内阻
120 导线电阻
122 导线电感
124 绕组电阻
126 绕组电感
128 电压源
130 电压源

Claims (10)

1.用于起动设置在车辆内的内燃机(10)的装置，包括：
电机(24、24′)，该电机构成为用于至少暂时地驱动内燃机(10)，
第一储能器单元(28、28′、50)，该第一储能器单元构成为用于储存电能，以及
调整单元(26、26′)，电机(24、24′)能通过该调整单元与第一储能器单元(28、28′、50)连接，其中，所述调整单元(26、26′)构成为用于检测至少一个定义的内燃机运行状态和至少一个定义的车辆运行状态，并且至少根据所检测的内燃机运行状态、所检测的车辆运行状态和表征内燃机(10)的参量来调整电参量或者来调整所取出的电功率本身，该电参量确定在驱动内燃机(10)时由电机(24、24′)从第一储能器单元(28、28′、50)取出的电功率，其中，表征内燃机(10)的参量涉及
—表征内燃机(10)的起动性能的参量，或者
—要遵守的起动时间，在该时间之内必须起动内燃机，或者
—内燃机(10)的在起动过程中必须由电机(24、24′)克服的力矩。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调整单元(26、26′)构成为用于对由电机(24、24′)从第一储能器单元(28、28′、50)取出的电流进行限制。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电机(24、24′)具有一定数量的定子绕组(80)，其中，所述调整单元(26、26′)构成为用于对各个定子绕组(80)限制电流。
4.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述调整单元(26、26′)至少部分范围地构成为用于实现降压转换器的功能。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电机(24、24′)具有一定数量的定子绕组(80)，其中，所述定子绕组(80)中的至少一个定子绕组被用作为实现降压转换器的功能所必需的储能电感。
6.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，设有能激活的桥接单元(46、46′)，在桥接单元激活时，电机(24、24′)在绕过调整单元(26、26′)的情况下直接与第一储能器单元(28、28′、50)或者第二储能器单元(34、34′)连接。
7.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述电机(24、24′)具有一定数量的定子绕组(80)，其中，所述调整单元(26、26′)为定子绕组(80)中的每个定子绕组而具有一定数量的串联的第一半导体元件(68)和第二半导体元件(70)，其中，串联电路(72)具有中间分接头(74)，相应的定子绕组(80)连接到该中间分接头上。
8.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，设有至少一个平滑滤波器(81)。
9.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述调整单元(26、26′)此外构成为用于对施加在电机(24、24′)上的电压进行限制。
10.用于起动设置在车辆内的内燃机(10)的方法，包括电机(24、24′)，该电机构成为用于至少暂时地驱动内燃机(10)；包括第一储能器单元(28、28′、50)，该第一储能器单元构成用于储存电能；以及包括调整单元(26、26′)，电机(24、24′)能通过该调整单元与第一储能器单元(28、28′、50)连接；所述方法包括如下的在调整单元(26、26′)中运行的步骤：
检测至少一个定义的内燃机运行状态和至少一个定义的车辆运行状态，以及
至少根据所检测的内燃机运行状态、所检测的车辆运行状态和表征内燃机(10)的参量调整电参量或者调整所取出的电功率本身，该电参量确定在驱动内燃机(10)时由电机(24、24′)从第一储能器单元(28、28′、50)取出的电功率，其中，表征内燃机(10)的参量涉及
—表征内燃机(10)的起动性能的参量，或者
—要遵守的起动时间，在该时间之内必须起动内燃机，或者
—内燃机(10)的在起动过程中必须由电机(24、24′)克服的力矩。
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