DE102006039112A1

DE102006039112A1 - Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl eines Starters

Info

Publication number: DE102006039112A1
Application number: DE102006039112A
Authority: DE
Inventors: Klaus Heyers; Jie Ge; Apostolos Tsakiris
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-02-28
Also published as: WO2008022841A2; CN101507098A; WO2008022841A3; EP2057734B1; US20100064786A1; CN101507098B; JP2010501056A; EP2057734A2; KR20090043524A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl (n) eines Starters (1) zum Starten von Verbrennungsmotoren. Die Starter-Drehzahl (n) kann besonders einfach und kostengünstig ermittelt werden, indem sie aus verschiedenen elektrischen Größen (U<SUB>45</SUB>, U<SUB>br</SUB>) berechnet wird und durch Vergleich mit der Verbrennungsmotordrehzahl kalibriert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl eines Starters zum Starten von Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Verbrennungsmotoren heutiger Kfz werden im Allgemeinen von einem so genannten Ritzelstarter gestartet. Dieser umfasst im Wesentlichen einen Gleichstrommotor mit einem vom Motor angetriebenen Ritzel, das in einen Zahnkranz der Kurbelwelle eingerückt wird und den Verbrennungsmotor beim Startwunsch andreht. Wird ein Startbefehl durch das Motorsteuergerät initiiert, bewirkt dieser, dass ein so genanntes Einrückrelais anzieht und das Ritzet in den Zahnkranz der Kurbelwelle einspurt. Wenn das Einrückrelais angezogen ist, wird automatisch ein Hauptstrompfad geschlossen, der den Starter mit elektrischer Leistung versorgt. Dadurch wird der eigentliche Andrehvorgang gestartet.
Bei Fahrzeugen, die für einen Start-Stopp-Betrieb ausgelegt sind, wird das Ritzel in manchen Fällen bereits vor dem Stillstand des Verbrennungsmotors in den Zahnkranz eingerückt. Der nachfolgende Startvorgang kann somit erheblich schneller durchgeführt werden, da das Ritzel beim Start bereits eingerückt ist. In diesem Fall wird der Starter, sobald ein Stopp-Signal erkannt wird, in Drehzahl versetzt und das Ritzel eingerückt, noch bevor der Verbrennungsmotor vollständig zum Stillstand gekommen ist. Um ein möglichst geräusch- und verschleißarmes Einspuren zu gewährleisten, muss das Starterritzel genau auf die Umfangsgeschwindigkeit der Kurbelwelle gebracht und synchron eingerückt werden. Die Drehzahl des Starters muss daher sehr genau bekannt sein.
Die Starter-Drehzahl könnte z. B. mittels eines Drehzahl-Sensors gemessen werden. Dies ist jedoch relativ aufwendig und teuer.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Starters zu schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die Starter-Drehzahl aus elektrischen Größen zu berechnen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Drehzahl-Bestimmung ohne einen speziellen Drehzahlsensor auskommt und somit besonders einfach und kostengünstig zu realisieren ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Starter-Drehzahl n aus der Klemmenspannung U₄₅ des Starters und/oder der Bürstenspannung U_br und ggf. dem Ankerstrom I des Starters berechnet. Zum Messen der einzelnen Größen sind vorzugsweise entsprechende Strom- bzw. Spannungssensoren vorgesehen. Die Bürstenspannung wird vorzugsweise mittels eines Algorithmus geschätzt.
Die Starter-Drehzahl kann beispielsweise aus folgender Beziehung berechnet werden:
Dabei ist:

U₄₅: die äußere Klemmenspannung des Starters
I: der Starterstrom,
R_statt: der Ankerwiderstand,
U_br: die Bürstenspannung, und
k: ein Maschinenparameter, der insbesondere die Konstruktion des Starters und die Magnetfeldstärke berücksichtigt.
kB: =Konstante für stromabhängigen Bürstenspannungsabfall

Die elektrischen Größen U₄₅, U_br und I werden vorzugsweise im Leerlauf, insbesondere beim Auslaufen des Starters gemessen. Im stromlosen Auslaufbetrieb des Starters (d.h. die Verbindung zur Versorgungsspannung ist unterbrochen) reduziert sich Gleichung (1) zu:
Die Spannungen U₄₅ und U_br sind dabei generatorische Größen.
Zu Beginn des Fahrbetriebs, insbesondere beim Kaltstart, wird die Starter-Drehzahl vorzugsweise nach Formel (1) oder (2) berechnet.
Der Berechnungs-Algorithmus wird vorzugsweise anhand einer gemessenen Drehzahl, insbesondere der Motor-Drehzahl, kalibriert. Im eingerückten Zustand des Starters entspricht die Motor-Drehzahl der Starter-Drehzahl (unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Starter-Ritzel und Zahnkranz bzw. Kurbelwelle). Die Motor-Drehzahl steht üblicherweise im Motor-Steuergerät zur Verfügung. Der Berechnungs-Algorithmus (z. B. (1) oder (2)) kann somit mittels der Motor-Drehzahl kalibriert werden. Zu diesem Zweck kann z. B. ein Korrekturparameter (k_korr) bestimmt werden.
Bei weiteren Starts heizt sich der Starter zunehmend auf. Wegen der Abhängigkeit der Größen U_br und k von der Startertemperatur und dem Alterungszustand des Starters, kann die gemäß Gleichung (1) oder (2) berechnete Starter-Drehzahl relativ stark vom tatsächlichen Wert abweichen. Es wird daher vorgeschlagen, die Drehzahl-Berechnung anzupassen und wenigstens den Temperaturgang zu kompensieren.
Zur Berechnung der Starter-Drehzahl n kann beispielsweise folgende Gleichung angesetzt werden:
Dabei ist ΔT eine Temperaturänderung des Starters gegenüber dem letzten Start, k_m und k_bb sind Temperaturkoeffizienten, die vorzugsweise linear und temperaturunabhängig sind, und k_korr ist ein Korrekturfaktor, der die Abweichung der Berechnung beim Kaltstart korrigiert.
Die Anfangstemperatur des Starters vor dem ersten Start wird als gleich angenommen, wie die Motortemperatur. Diese wird bei allen gängigen Motoren gemessen und der Wert liegt im Steuergerät vor.
Die Temperaturänderung ΔT ergibt sich vorzugsweise aus einem thermischen Modell, das die thermischen Vorgänge im Starter widerspiegelt. Zur Bestimmung der Starter-Temperatur bzw. dessen Temperaturänderung wird vorzugsweise die bei einem Startvorgang auftretende Verlustenergie geschätzt und die Temperatur bzw. Temperaturänderung anhand des thermischen Modells berechnet.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Verlustenergie basierend auf einem in einem Speicher hinterlegten Datensatz bestimmt. Der Datensatz umfasst beispielsweise die Verlustenergie bei einem Startvorgang in Abhängigkeit von einer Anfangstemperatur in Form einer Tabelle (Look-up-table). Die Startertemperatur bzw. dessen Temperaturänderung wird dann vorzugsweise anhand des thermischen Modells berechnet.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die bei einem Startvorgang auftretende Verlustenergie W_I aus einer elektrischen Energiebilanz ermittelt, für die beispielsweise: WI = I2·Rstat + Ubr·I (4)angesetzt werden kann. Dabei ist U_br die Bürstenspannung, I der Ankerstrom und R_stat der ohmsche Widerstand des Ankers. Die Bürstenspannung U_br wird hier als bekannt vorausgesetzt, d.h. abhängig vom Strom als Kennfeld hinterlegt oder als Konstante hinterlegt, der Ankerwiderstand R_stat ist bekannt.
Der Ankerstrom I von Gleichung (4) kann beispielsweise aus dem Drehzahlverlauf des Starters bei einem Startvorgang ermittelt werden. Hierzu wird die n = f(I) Kennlinie des Starters als Kennfeld hinterlegt. Diese Kennlinie wird dann auf die aktuelle Temperatur umgerechnet und liefert die zeitabhängigen Starterströme.
Zur Bestimmung der Starter-Drehzahl wird vorzugsweise die vom Motor-Steuergerät gelieferte Motor-Drehzahl während der Andrehphase herangezogen.
Alternativ könnte der Ankerstrom I auch während des Startvorgangs gemessen und basierend darauf die Verlustenergie W_I ermittelt werden. Die Startertemperatur bzw. dessen Temperaturänderung ergibt sich dann wiederum aus dem thermischen Modell für den Starter.
Die bezüglich der Temperatur kompensierte Starter-Drehzahl, z.B. gemäß Gleichung (3), kann bei einem nachfolgenden Start wiederum an den gemessenen, tatsächlichen Wert n angepasst werden. Zu diesem Zweck wird wiederum im eingerückten Zustand des Starters die Motordrehzahl n_mot gemessen, die Starter-Drehzahl n z. B. gemäß (3) berechnet, und der Berechnungs-Algorithmus im Falle einer Abweichung zwischen den beiden Drehzahlen n, n_mot korrigiert. Zum Zwecke der Korrektur kann z. B. eine korrigierte Temperatur bzw. Temperaturänderung ΔT eingeführt werden. Die vom thermischen Modell geschätzte Temperatur bzw. Temperaturänderung ΔT_est kann z. B. mittels eines Korrekturfaktors k_th korrigiert werden. Es kann z.B. folgende Beziehung angesetzt werden: ΔT = kth·ΔT (5)wobei ΔT_est die vom thermischen Modell geschätzte Temperatur ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Ritzelstarters;
2 ein Flussdiagramm zur Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Berechnen der Starter-Drehzahl n; und
3 ein thermisches Modell für den Starter zur Bestimmung einer Startertemperatur bzw. Temperaturänderung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Starters 1 für Verbrennungsmotoren, wie er insbesondere bei Kraftfahrzeugen zur Anwendung kommt. Der Starter 1 umfasst im Wesentlichen einen Gleichstrommotor 2, 3, bestehend aus einem Anker 2 mit Ankerwicklungen und einem Stator mit mehreren Permanentmagneten 3. Die im Anker 2 enthaltenen Ankerwicklungen werden über Bürsten 4 mit elektrischer Leistung versorgt. An der Motorwelle 5 ist ein Ritzel 7 befestigt, das bei einem Startvorgang in einen Zahnkranz 8 der Kurbelwelle 9 einrückt. Zum Ein- bzw. Ausrücken des Ritzels 7 ist ein Einrückmechanismus 6 vorgesehen, der üblicherweise einen Einrückhebel, sowie ein Einrückrelais umfasst, mittels dessen der Hauptstrompfad des Starters 1 geschaltet wird.
Der Starter 1 umfasst ein eigenes Starter-Steuergerät 10, das u. a. dazu genutzt wird, die Drehzahl n des Starters 1 zu berechnen und den Starter 1 entsprechend zu regeln. Der Starter 1 ist hier für den Einsatz in Fahrzeugen mit einem Start-Stopp-Betrieb ausgelegt. Bei einem Start-Stopp-Betrieb wird der Verbrennungsmotor in bestimmten Fahrsituationen, wie z.B. bei einem Halt vor einer Ampel, automatisch ausgeschaltet und dabei ein Stopp-Signal STOP erzeugt. Sobald der Fahrer wieder losfahren möchte und hierzu beispielsweise das Bremspedal loslässt, wird der Verbrennungsmotor neu gestartet. Wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors bereits so weit gesunken ist, dass ein Selbststart nicht mehr möglich ist, wird er mittels des Starters 1 neu gestartet. Das Ritzel wird dabei zunächst auf die Motor-Drehzahl gebracht, so dass es synchron zum Zahnkranz 8 läuft, und dann in den Zahnkranz 8 des auslaufenden Motors eingerückt. Die Starter-Drehzahl n wird mittels eines mathematischen Algorithmus berechnet, für den beispielsweise folgende Gleichung angesetzt werden kann:
Dabei ist

U₄₅: die äußere Klemmenspannung des Starters
I: der Starterstrom,
R_stat: der Ankerwiderstand,
U_br: die Bürstenspannung, und
k_n: ein Maschinenparameter, der insbesondere die Konstruktion des Starters und die Magnetfeldstärke berücksichtigt, und
k_korr, k_br und k_m: Korrekturfaktoren.

Beim Kaltstart des Verbrennungsmotors gilt ΔT = 0 und k_korr = 1. Als Starter-Temperatur wird die Umgebungstemperatur, wie z. B. die Öl-Temperatur herangezogen. Die Spannungen U₄₅ (Klemmenspannung) und U_br (Bürstenspannung) werden beim Hochfahren des Starters im Leerlauf gemessen und daraus die Drehzahl n berechnet.
2a zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Berechnen der Starter-Drehzahl n basierend auf Gleichung (3) für den Fall eines Kaltstarts. In Schritt 20 wird der Starter 1 zunächst hochgefahren und das Ritzel 7 mit dem Zahnkranz 8 synchronisiert. Die Drehzahl n des Starters 1 wird dabei in Schritt 21 anhand von Gleichung (3) berechnet, wobei ΔT = 0 und k_korr = 1 ist. Die Spannungen U₄₅ und U_br werden im Leerlauf gemessen. Sobald die gewünschte Drehzahl n erreicht ist, wird das Ritzel 7 in den Zahnkranz 8 des auslaufenden Verbrennungsmotors eingerückt (Schritt 22).
Da die Motordrehzahl im eingerückten Zustand der Starter-Drehzahl n entspricht (unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses), kann der Algorithmus kalibriert werden. Zu diesem Zweck wird in Schritt 23 die Motor-Drehzahl gemessen und in Schritt 24 ein Korrekturfaktor k_korr berechnet, mit dem der Algorithmus (3) angepasst wird.
Bei nachfolgenden Starts, bei denen die Starter-Temperatur höher ist als die Umgebungstemperatur, muss die Temperaturabhängigkeit der Bürstenspannung U_br und des Maschinenparameters k_n berücksichtigt werden. Die Temperatur bzw. Temperaturänderung des Starters wird dabei vorzugsweise mittels eines thermischen Modells des Starters bestimmt.
2b zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Berechnen der Starter-Drehzahl n basierend auf Gleichung (3) bei einem nachfolgenden Start-Vorgang (Warmstart). Dabei wird in einem ersten Schritt 30 zunächst ermittelt, ob ein Stopp-Signal STOP vorliegt. Falls ja (J), wird der Starter 1 hochgefahren und das Ritzel 7 mit dem Zahnkranz 8 synchronisiert. Die Drehzahl n des Starters 1 wird dabei gemäß Gleichung (3) berechnet. Die Temperaturänderung ΔT aus Gleichung (3) ergibt sich aus einem Temperaturmodell des Starters, wie es in 3 beispielhaft dargestellt ist. Das Temperaturmodell berechnet in Schritt 32 eine Temperatur bzw. Temperaturänderung des Starters 1 unter Berücksichtigung einer Anfangstemperatur, des Energieeintrags beim letzten Start und der Abkühl-Zeitdauer seit dem letzten Start. Der Energieeintrag kann z. B. mit Gleichung (4) berechnet werden.
Das Ergebnis der Drehzahl-Berechnung wird in Schritt 33 ausgegeben. Wenn die Starter-Drehzahl n gleich der Motordrehzahl ist, wird das Ritzel 7 in Schritt 34 eingerückt.
In den folgenden Schritten 35 und 36 wird der Berechnungs-Algorithmus wiederum kalibriert. Hierzu wird in Schritt 35 die Motor-Drehzahl n_mot gemessen und mit der zuvor berechneten Starter-Drehzahl n verglichen. Bei einer Abweichung wird in Schritt 36 ein Korrekturfaktor k_th für die vom thermischen Modell geschätzte Temperatur ermittelt.
3 zeigt die wesentlichen Elemente eines Temperaturmodells des Starters 1, das im vorliegenden Beispiel einen thermischen Widerstand R_Zul für die Zuleitungen des Starters 1, eine thermische Kapazität des Ankers C_Ank, einen thermischen Widerstand R_Luftsp des Luftspaltes zwischen Bürsten 4 und Anker 2, eine thermische Kapazität der Magneten 3 C_Mag, sowie einen thermischen Ableitwiderstand R_Abl parallel zur thermischen Kapazität C_Mag der Magneten 3 umfasst. Der in das thermische Netz hineinfließende Wärmestrom ist mit dem Bezugszeichen 11 angezeigt.
Der Wärmestrom kann beispielsweise aus einer im System hinterlegten Tabelle ausgelesen werden. Wahlweise könnte der Wärmestrom auch aus einer Energiebilanz berechnet werden, für die beispielsweise Gleichung (4) angesetzt werden kann.
Der Ankerstrom I kann dabei wahlweise gemessen oder aus der Drehzahlinformation des Motor-Steuergeräts n_mot ermittelt werden. Die Bürstenspannung U_br wird vorzugsweise geschätzt. Als Ergebnis liefert das thermische Modell eine Temperatur bzw. Temperaturänderung, die dann in Gleichung (3) eingesetzt wird.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl (n) eines Starters (1), insbesondere für Kfz-Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n) mittels eines Berechnungs-Algorithmus aus elektrischen Größen (U₄₅, U_br, I) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n) aus der Klemmenspannung (U₄₅) und/oder der Bürstenspannung (U_br) und/oder dem Ankerstrom (I) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der elektrischen Größen (U₄₅, U_br, I) im Leerlaufbetrieb des Starters (1) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Berechnungs-Algorithmus kalibriert wird, wobei die Verbrennungsmotor-Drehzahl (n_mot) gemessen und mit der berechneten Starter-Drehzahl (n) im eingespurten Zustand des Starters verglichen, und der Berechnungs-Algorithmus im Falle einer Abweichung entsprechend korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Korrekturfaktor (k_korr, k_br, k_m) zur Korrektur des Berechnungs-Algorithmus ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Berechnungs-Algorithmus die Starter-Temperatur oder dessen Temperaturänderung (ΔT) berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bei einem Startvorgang auftretende Verlustenergie (W_I) bestimmt und anhand eines thermischen Modells die Temperatur (T) bzw. Temperaturänderung (ΔT) des Starters (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergie (W_I) basierend auf einem in einem Speicher hinterlegten Datensatz, in Abhängigkeit von einer Anfangstemperatur, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustenergie (W_I) anhand einer elektrischen Energiebilanz ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlverlauf (n) des Starters (1) während eines Startvorgangs gemessen, anhand des Drehzahlverlaufs (n) ein Ankerstrom (I) ermittelt und basierend darauf die Verlustenergie (W_I) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerstrom (I) des Starters (1) während eines Startvorgangs gemessen und basierend darauf die Verlustenergie (W_I) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n) des Starters mit:
berechnet wird, wobei U₄₅ die äußere Klemmenspannung des Starters (1), U_br die Bürstenspannung, ΔT die Temperaturänderung des Starters (1), und k_korr, k_br und k_m verschiedene Korrekturfaktoren sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im eingerückten Zustand des Starters (1) die Motordrehzahl (n_mot) gemessen und mit der berechneten Starter-Drehzahl (n) verglichen, und die Temperaturänderung (ΔT) im Falle einer Abweichung korrigiert wird.