DE102008040724A1

DE102008040724A1 - Schaltvorrichtung zum Begrenzen des Einschaltstroms eines elektrischen Verbrauchers

Info

Publication number: DE102008040724A1
Application number: DE200810040724
Authority: DE
Inventors: Gerhard Walter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2010-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Begrenzen des Einschaltstroms (Ibat) eines elektrischen Verbrauchers (2) mit Hilfe einer Schaltvorrichtung (5), die wenigstens einen ersten und wenigstens einen zweiten Schalter (S1x, S2x) umfasst, die seriell miteinander verbunden sind. Der Einschaltstrom (Ibat) kann wirksam begrenzt werden, wenn der wenigstens eine erste Schalter (S1x) in einer ersten Phase (t1) nach dem Einschalten des elektrischen Verbrauchers (2) linear geregelt und der wenigstens eine zweite Schalter (S2x) durchgeschaltet wird, und in einer nachfolgenden zweiten Phase (t2) der wenigstens eine erste Schalter (S1x) durchgeschaltet und der wenigstens eine zweite Schalter (S2x) getaktet betrieben wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Begrenzen des Einschaltstroms eines elektrischen Verbrauchers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine entsprechende Schaltvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Bei konventionellen Kfz-Startsystemen wird der Startermotor üblicherweise durch ein Relais eingeschaltet und niederohmig an die Fahrzeugbatterie gelegt. Eine solche Startanordnung ist in 1 schematisch dargestellt. Darin bezeichnet die Ziffer 1 die gesamte Starteranordnung, 2 den Startermotor, 3 ein Schaltrelais und 4 die Batterie des Bordnetzes.
Wenn der Startermotor 2 eingeschaltet wird, entsteht während des ”Losreißens” des Motors, d. h. während der Zeit, in der die Trägheitsmomente des Motors 2 überwunden werden, ein sehr hoher Stromimpuls, der teilweise mehr als 1000 A betragen kann. Sobald sich der Motor 2 dreht, entwickelt er eine generatorisch erzeugte elektromotorische Kraft (EMK), die den Einschaltstrom wieder reduziert. Dieser Stromimpuls erzeugt am Innenwiderstand der Batterie 4 einen entsprechenden Spannungseinbruch, den so genannten Startspannungsimpuls, der die Netzspannung je nach Zustand der Batterie bis auf Werte von 6 V, 5 V oder sogar 4 V einbrechen lassen kann.
Der Verlauf von Strom I und Spannung U beim Einschalten des Starters 2 ist in dem Diagramm von 2 gezeigt. Der Spannungseinbruch bzw. Stromimpuls dauert üblicherweise weniger als 1 ms. Der gesamte Einschaltvorgang, bis sich Strom I und Spannung U auf ihren Nennwert zurückbewegt haben, dauert etwa 10 ms.
Der vorstehend beschriebene Spannungseinbruch kann dazu führen, dass die im Fahrzeug vorgesehenen Komfortverbraucher, wie z. B. Audio-, Video- oder Navigationssysteme ausfallen, da diese üblicherweise nur bis zu einer minimalen Versorgungsspannung von etwa 9 V ausgelegt sind. Wenn die Netzspannung unter diesen Mindestwert fällt, setzt das entsprechende Gerät vorübergehend aus und wir danach neu gestartet. Gerade bei Fahrzeugen, die im Start-Stopp-Betrieb fahren und deswegen im Stadtbetrieb sehr häufig starten, ist der ständige Ausfall der Komfortsysteme für den Kunden nicht akzeptabel. Fahrzeuge mit einem Start-Stopp-System beinhalten daher in der Regel DC/DC-Wandler oder separate Stützbatterien, die die Komfortverbraucher während eines Startvorgangs versorgen. Derartige Absicherungen bedeuten jedoch einen erheblichen zusätzlichen Aufwand.
Offenbarung der Erfindung
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Höhe des Spannungseinbruchs, der beim Einschalten eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere eines Startermotors, im elektrischen Netz auftritt, zu verringern.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 sowie im Patentanspruch 6 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, den Einschaltstrom eines elektrischen Verbrauchers mit Hilfe einer Schaltvorrichtung zu begrenzen und somit den Spannungseinbruch im elektrischen Netz zu verringern. Hierzu wird in einer ersten Phase nach dem Einschalten des elektrischen Verbrauchers eine lineare Stromregelung durchgeführt, bei der ein erster Schalter der Schaltvorrichtung linear geregelt wird, während ein seriell angeordneter zweiter Schalter durchgeschaltet ist. In einer nachfolgenden zweiten Phase wird dann der erste Schalter durchgeschaltet und der Strom mit Hilfe des zweiten Schalters begrenzt. Der zweite Schalter wird in der zweiten Betriebsphase vorzugsweise mittels eines PWM-Signals angesteuert. Das erfindungsgemäße Verfahren hat somit den wesentlichen Vorteil, dass die Netzspannung nach dem Einschalten eines elektrischen Verbrauchers nicht mehr so stark einbricht und Verbraucher, die eine bestimmte Mindestversorgungsspannung benötigen, nicht ausfallen.
Die Dauer der ersten Phase ist vorzugsweise kürzer als diejenige der zweiten Phase.
In der zweiten Phase erfolgt vorzugsweise eine reine Steuerung, bei der der zweite Schalter getaktet betrieben wird. Eine Regelung des Stroms wäre in der zweiten Phase alternativ auch möglich.
Die Schalter werden vorzugsweise von einem Regler angesteuert, der in einem Steuergerät integriert ist.
Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung umfasst wenigstens einen ersten Schalter und wenigstens einen seriell angeordneten zweiten Schalter. Die Schalter können bei bestimmten Anwendungen auch abweichend vom vorstehend beschriebenen Verfahren betrieben werden. Bei elektrischen Verbrauchern mit geringer Leistungsaufnahme, und guter thermischer Kopplung der Schalter, ist beispielsweise ein Betrieb ausschließlich gemäß Phase 1 oder gemäß Phase 2 ausreichend. Die Schalter werden aber vorzugsweise gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren betrieben.
Die Schalter der Schaltvorrichtung sind vorzugsweise als Transistoren, insbesondere als MOS-Transistoren realisiert. Der elektrische Verbraucher, dessen Einschaltstrom begrenzt werden soll, ist vorzugsweise ein Startermotor für den Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung kann jedoch auch bei anderen Verbrauchern mit hoher Leistungsaufnahme eingesetzt werden.
Die Schaltvorrichtung umfasst vorzugsweise mehrere parallele Zweige, in denen jeweils wenigstens ein erster und ein zweiter Schalter in Serie angeordnet sind.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schaltvorrichtung einen oder mehrere Kondensatoren, der bzw. die jeweils an einem Knoten zwischen einem ersten und einem zweiten Schalter angeschlossen sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Starteranordnung gemäß dem Stand der Technik;
2 den Verlauf von Strom I und Spannung U nach dem Einschalten des Motors von 1;
3 ein Blockschaltbild einer Starteranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 ein Beispiel einer Schaltvorrichtung zum Begrenzen des Einschaltstromes; und
5 den Verlauf des Batteriestroms I und der Batteriespannung U nach dem Einschalten des Startermotors von 3.
Ausführungsformen der Erfindung
Bezüglich der Erläuterung von 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Starteranordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied zum Schaltbild von 1 umfasst die hier dargestellte Starteranordnung ein Steuergerät 5 mit einer Schaltvorrichtung 7 zum Regeln des Einschaltstroms des Startermotors 2. Das Starterrelais 3 ist hier zwar eingezeichnet, könnte alternativ aber auch weggelassen werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient das Startrelais 3 nur noch zum so genannten ”Schlüsselstart” und ggf. für Notlaufzwecke, falls das Steuergerät 5 ausfallen sollte.
4 zeigt die Schaltvorrichtung 7 im Detail. Wie zu erkennen ist, umfasst diese eine Reihe erster Schalter S1a–S1n (im folgenden S1x), an denen jeweils ein zweiter Schalter S2a–S2n (im folgenden S2x) in Serie angeschlossen ist. Die Schalter S1x und S2x sind hier als MOS-Transistoren realisiert. Die Schalter S1x und S2x sind jeweils paarweise, parallel an Klemme 30 angeschlossen und masseseitig mit Klemme KL45 verbunden. Durch die Parallelschaltung der Transistoren wird die erforderliche Stromtragfähigkeit und thermische Anbindung erreicht. An den Steuereingängen (Gate) der ersten Schalter S1x liegt ein Signal Vgate1, und an den Steuereingängen der zweiten Schalter S2x ein Signal Vgate2 an.
Zum Einschalten des Starters 2 – beispielsweise nach einem Startsignal eines Start-Stopp-Systems – werden die Schalter S2x zunächst voll durchgesteuert, indem eine Gate-Ansteuerspannung (Vgate2) größer als 10 V angelegt wird. Die Schalter S1x werden dagegen im linearen Bereich betrieben und eine lineare Stromregelung durchgeführt, die den Einschalt-Stromimpuls (siehe 5) auf einen gewünschten Wert, z. B. 500 A begrenzt. Die Stromregelung erfolgt mit Hilfe eines linearen Stromreglers (nicht gezeigt), der z. B. den Batteriestrom Ibat an Klemme KL30 misst und diesen Strom auf den gewünschten Sollwert regelt.
Wie in 5 zu sehen ist, wird der nach dem Einschalten des Starters 2 erzeugte Stromimpuls auf einen Wert von 500 A begrenzt. Dadurch wird auch der Spannungseinbruch der Spannung U auf Werte um 9 V begrenzt.
In der ersten Phase t₁ nach dem Einschalten wird insbesondere in den Transistoren S1x eine sehr hohe Verlustleistung erzeugt, die an einen geeigneten Kühlkörper abgeführt werden muss. Um die Transistoren S1x vor Überhitzung zu schützen, wird der Betrieb der Schalter S1x und S2x nach vorgegebener Zeit geändert. Wenn der Strom Ibat beispielsweise einen Wert von 300 A unterschreitet, werden die Schalter S1x und S2x in eine zweite Betriebsart umgeschaltet, in der die Schalter S1x nun voll durchgeschaltet und die Schalter S2x getaktet betrieben werden. In der zweiten Betriebsphase t₂ wird an den Gate-Anschlüssen der Transistoren S1x eine Steuerspannung von größer als 10 V und an den Gates der Schalter S2x ein PWM-Signal angelegt. Das Tastverhältnis des PWM-Signals bestimmt dabei die Höhe des Stromflusses. Die zweiten Schalter S2x werden in der zweiten Phase t₂ vorzugsweise rein gesteuert. Dadurch nimmt der Strom Ibat zweiter ab, bis der Nennwert erreicht ist; die Spannung Ubat steigt allmählich auf die Netzspannung.
In der ersten Betriebsphase t₁ ist es kritisch, dass die einzelnen, parallel geschalteten Zweige hinreichend gut symmetrisiert sind. Anderenfalls würde sich der Strom auf einen der Zweige besonders stark konzentrieren und somit zu einer thermischen Überlastung führen. Um dies zu verhindern, wird folgender Effekt von MOS-Transistoren genutzt.
Im Schalterbetrieb haben die Drain-Source-Widerstände der MOS-Transistoren einen positiven Temperaturkoeffizienten. Dieser Effekt begünstigt eine symmetrische Stromverteilung auf die einzelnen Zweige, da ein Transistor, der mehr Strom trägt und somit heißer wird, seinen Widerstand erhöht. Dadurch verringert sich wiederum sein Strom. Andererseits hat ein Transistor im linearen Bereich einen negativen Temperaturkoeffizienten. Ein Transistor, der mehr Strom führt und dadurch heißer wird, verringert also seinen Widerstand zusätzlich. Dem negativen Temperaturkoeffizient der im linearen Bereich betriebenen Transistoren S1x steht jedoch der positive Temperaturkoeffizient der im Schalterbetrieb betriebenen Transistoren S2x gegenüber. Ist der positive Temperaturkoeffizient ausreichend groß, kann er den negativen Temperaturkoeffizienten kompensieren.
Da der in der zweiten Betriebsphase t₂ fließende Strom Ibat deutlich geringer ist als in der ersten Phase t₁ können die hier auftretenden Stromimpulse mittels eines oder mehrerer Kondensatoren gedämpft werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist für jeden Zweig der Schaltvorrichtung 7 ein eigener Kondensator 6a–6n vorgesehen, um die Stromimpulse zu dämpfen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kondensatoren 6x jeweils an einen Knoten zwischen zwei Schaltern S1x und S2x gegen Masse angeschlossen. Wahlweise könnten eine oder mehrere Kondensatoren 6x auch batterieseitig, z. B. an Klemme KL30 vorgesehen sein. In diesem Fall würde der bzw. die Kondensatoren jedoch unmittelbar das Bordnetz Puffern und somit stark belastet werden. Die erste Variante ist daher vorzuziehen.

Claims

Verfahren zum Begrenzen des Einschaltstroms (Ibat) eines elektrischen Verbrauchers (2) mit Hilfe einer Schaltvorrichtung (5), die wenigstens einen ersten und wenigstens einen in Serie angeordneten zweiten Schalter (S1x, S2x) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – in einer ersten Phase (t₁) nach dem Einschalten des elektrischen Verbrauchers (2) der wenigstens eine erste Schalter (S1x) linear geregelt, und der wenigstens eine zweite Schalter (S2x) durchgeschaltet wird, und dass – in einer nachfolgenden zweiten Phase (t₂) der wenigstens eine erste Schalter (S1x) durchgeschaltet und der wenigstens eine zweite Schalter (S2x) getaktet betrieben wird, um den Einschaltstrom (Ibat) des elektrischen Verbrauchers (2) zu begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite Schalter (S2x) in der zweiten Phase (t₂) mittels eines PWM-Signals gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phase (t₁) kürzer als die zweite Phase (t₂) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (Ibat) in der zweiten Phase (t₂) des Einschaltvorgangs auf etwa die Hälfte des maximalen Stroms (Ibat) in der ersten Phase (t₁) begrenzt wird.
Schaltvorrichtung (5) mit wenigstens einem ersten Schalter (S1x) und wenigstens einem in Serie angeordneten zweiten Schalter (S2x), die zum Begrenzen des Einschaltstroms eines elektrischen Verbrauchers (2) vorgesehen sind.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1x, S2x) gemäß einem der vorstehend genannten Verfahren betrieben werden.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere parallele Zweige aufweist, in denen jeweils ein erster und zweiter Schalter (S1x, S2x) in Serie angeordnet sind.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S1x, S2x) als Transistoren, insbesondere MOS-Transistoren ausgebildet sind.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher (2) ein Startermotor für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges ist.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Knoten zwischen einem ersten Schalter (S1x) und einem zweiten Schalter (S2x) ein Kondensator (6) angeschlossen ist.