DE102008043574A1

DE102008043574A1 - Verfahren zum Betreiben einer Steuervorrichtung für eine Hochstromanwendung und Steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102008043574A1
Application number: DE102008043574A
Authority: DE
Inventors: Achim Herzog; Wolfgang Haas
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2010-05-12

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Steuervorrichtung (1) für eine Hochstromanwendung beschrieben, wobei ein elektrischer Verbraucher (9) mit einer Induktivität von der Steuervorrichtung (1) angesteuert wird. Um eine sichere Arbeitsweise der Steuervorrichtung (1) über die Lebensdauer des elektrischen Verbrauchers (9) sicherzustellen und eine Impulsbelastbarkeit möglichst gut zu erfüllen, wird der elektrische Verbraucher (9) von der Steuervorrichtung (1) mit mindestens einer Strombegrenzungsvorrichtung (R1, R2, R3) und einem Leistungsschalter (S1, S2, S3) angesteuert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Steuervorrichtung für eine Hochstromanwendung, wobei ein elektrischer Verbraucher mit einer Induktivität, von der Steuervorrichtung angesteuert wird. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Steuervorrichtung für einen elektrischen Verbraucher mit einer Induktivität und ein Computerprogrammprodukt.
Es sind Metalloxidfeldeffekttransitoren, so genannte MOSFETs, als Leistungs-MOSFETs in Schaltnetzteilen und Schaltreglern bekannt.
Es ist bekannt, Brennkraftmaschinen mittels eines von einem Startermotor angetriebenen Starterritzels zu starten, das in den Zahnkranz einer Brennkraftmaschine eingespurt wird. Herkömmlicherweise wird das Starterritzel von einem Starterrelais eingespurt, wobei das Starterrelais zwei Funktionen übernimmt. Das Starterrelais spurt das Starterritzel in den Zahnkranz ein, und schaltet durch Erreichen des Einspurvorgangs einen am Anker des Starterrelais angeordneten Schaltkontakt, um den Startermotor mit einem maximalen Strom von der Batterie zu bestromen.
Es ist ferner eine Startvorrichtung, insbesondere für Nutzfahrzeuge, mit einem Starterrelais, das eine Einzugswicklung und eine sogenannte Haltewicklung umfasst, bekannt. Die Einzugswicklung spurt das Starterritzel in den Zahnkranz ein und schließt einen Schalter zum maximalen Bestromen des Startermotors. Die Haltewicklung hält den Anker des Starterrelais in der eingespurten und den Schalter in der geschlossenen Position. Die Haltewicklung wird mit einem kleineren Haltestrom beaufschlagt, während die Einzugswicklung einen kurzen hohen Anzugsstrom benötigt. Die Einzugswicklung ist im Strompfad vor der Erregerwicklung des Startermotors geschaltet und liegt somit im Strompfad am Massepotential der Brennkraftmaschine an. Die Einzugswicklung wird durch Schließen des Schalters für den Startermotor stromlos. Gewöhnlich werden Haltewicklung und Einzugswicklung beispielsweise bei einem Starter mit einem Zündschlüssel gleichzeitig bestromt.
Um den Start-Stopp-Betrieb für ein Kraftfahrzeug zu realisieren ist es bekannt, eine Steuerung zur Ansteuerung der Startvorrichtung, die einen Startermotor und ein Starterrelais einschließt, vorzusehen. Die Steuerung kommuniziert mit der Motorsteuerung, um einen Start-Stopp-Betrieb auszuführen.
Die DE 10 2005 021 227 A1 beschreibt eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen mit einer Steuereinheit, einem Starterrelais, einem Starterritzel und einem Startermotor. Das Starterrelais spurt in einer ersten Stufe das Starterritzel in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine ein, wobei das Starterrelais für eine reduzierte Kraft mit einem reduzierten Strom bestromt wird und in einer zweiten Stufe das Starterrelais mit einem erhöhten Strom bestromt wird, damit ein Anker des Starterrelais einen Schaltkontakt mit den Startermotoren mit voller Kraft schließt. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Steuervorrichtung, eine Steuerung sowie ein Computerprogrammprodukt der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine sichere Arbeitsweise der Steuervorrichtung über die Lebensdauer des elektrischen Verbrauchers sichergestellt ist und eine Impulsbelastbarkeit möglichst gut erfüllt wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1, 10 und 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein, der Erfindung zugrunde liegender Gedanke ist, in Hochstromanwendungen die Impulsbelastung durch einen Einsatz von mindestens einer Strombegrenzungsvorrichtung zu reduzieren und somit Spannungsspitzen abzubauen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der elektrische Verbraucher von der Steuervorrichtung und einem dazugehörigen Leitungsschalter mit mindestens einer Strombegrenzungsvorrichtung angesteuert wird. Die Strombegrenzungsvorrichtung hat somit den Vorteil, dass ein Strom in Hochstromanwendungen für einen elektrischen Verbraucher gezielter erzeugbar ist.
Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform wird für ein definiertes Bestromen des elektrischen Verbrauchers durch eine Steuervorrichtung mit mehreren Strompfaden mit jeweils einer Strombegrenzungsvorrichtung pro Strompfad jede einzelne Strombegrenzung zeitlich gesehen in Stufen zugeschaltet oder abgeschaltet. Vorzugsweise erfolgt die Abschaltung in der gleichen Reihenfolge wie die Zuschaltung von den Stufen. Somit werden Stromspitzen aufgrund einer Induktivität im Strompfad des elektrischen Verbrauchers vermieden, in dem der Strom für Hochstromanwendungen von elektrischen Verbrauchern verzögert zugeschaltet und danach ebenso verzögert abgeschaltet wird.
Um Stromspitzen beispielsweise bei einer parallelen Schaltung von Feldeffekttransistoren in einer Hochstromanwendung in einem Bereich von beispielsweise 700 bis 1000 Ampere zu vermeiden, wird bevorzugt jeder einzelne Strompfad mit einer Strombegrenzungseinrichtung mit einer zeitlichen Überlappung von zumindest einem weiteren Strompfad zu- oder abgeschaltet.
Um eine Verlustleistung von länger bestromten Hochstrompfaden gleichmäßig auf alle Leistungsteile der Steuerung zu verteilen, wird bevorzugt der elektrische Verbraucher von der Steuerung mit einem definierten Strom über eine bestimmte Zeitdauer angesteuert, wobei zwischen verschiedenen Strompfaden mit jeweils einer Strombegrenzungsvorrichtung innerhalb der Steuerung zum im Wesentlichen gleichmäßigen Bestromen des elektrischen Verbrauchers abgewechselt wird.
Um einen elektrischen Verbraucher eine längere Zeitdauer mit einem definierten Hochstrom zu betreiben und dabei gleichzeitig eine Spitzentemperatur in jeder Strombegrenzungsvorrichtung zu vermeiden, wird zum Bestromen des elektrischen Verbrauchers eine erste Strombegrenzungsvorrichtung in einem ersten Strompfad durch eine Steuervorrichtung eine erste definierte Zeit eingeschaltet und nach einer definierten zweiten Zeit wird eine zweite Strombegrenzungsvorrichtung in einem zweiten paralle len Strompfad eingeschaltet, wobei die erste Strombegrenzungsvorrichtung mit einer Verzögerungszeit abgeschaltet wird. Somit ist eine länger andauernde Hochstromphase für einen elektrischen Verbraucher realisierbar, wobei auf alle Leistungsteile eine Verlustleistung und eine Stromaufteilung gleichmäßig verteilt sind.
Um einen elektrischen Verbraucher mit einem höheren Strom aus zwei parallelen Strompfaden definiert zu bestromen, wird der elektrische Verbraucher aus zwei Strompfaden mit jeweils einer Strombegrenzungsvorrichtung bestromt, wobei eine erste Strombegrenzungsvorrichtung eingeschaltet wird, nach einer definierten Verzögerungszeit eine zweite Strombegrenzungsvorrichtung eingeschaltet wird, und nach einer zweiten definierten Verzögerungszeit eine dritte Strombegrenzungsvorrichtung eingeschaltet wird, die erste Strombegrenzungsvorrichtung nach einer definierten dritten Verzögerungszeit ausgeschaltet wird und ein Wechsel der Bestromung durch die Strombegrenzungsvorrichtung in einzelnen, parallelen Strompfaden einer Steuervorrichtung zur Ansteuerung des elektrischen Verbrauchers solange wiederholt wird, wie es von der Steuervorrichtung vorgegeben wird.
Somit wird durch eine intelligente Schaltstrategie von parallel geschalteten Hochleistungsschaltern, in Form von Hochleistungs-Feldeffekttransistoren ein Verfahren für eine leistungsfähige Steuervorrichtung für eine Hochstromanwendung geschaffen, mit einer gleichmäßigen Verteilung der Verlustleistung auf einzelne Strompfade, die eine erhöhte Leistungsfähigkeit der Steuervorrichtung realisieren. Zu dem ist die Strom- und Impulsbelastbarkeit verbessert. Durch Reduktion der Spitzentemperatur wird in einzelnen Stromzweigen eine Erhöhung der Lebensdauer in Bezug auf die möglichen Schaltzyklen der Steuervorrichtung geschaffen. Für eine möglicherweise kurzzeitige maximale Bestromung des elektrischen Verbrauchers können über eine definierte Zeitdauer die Leistungsschalter in der Steuervorrichtung so geschaltet sein, dass alle Strompfade eine elektrische Leistung über Strombegrenzungsvorrichtungen zur Verfügung stellen. Somit wird eine sichere, maximal schaltbare Leistung für einen elektrischen Verbraucher geschaffen.
Gemäß einem weiterbildenden Verfahren, um ein Summenstrom und insbesondere eine induktive Abschaltenergie auf alle Strompfade gleichmäßig zu verteilen, wird die Steuervorrichtung zum Abschalten des elektrischen Verbrauchers mit einer Strombegrenzungsvorrichtung in einem Strompfad mit einer Abschaltstrategie abgeschaltet, gemäß der zum Abschalten des letzten Strompfads mehrere, bevorzugt alle Strompfade, kurzzeitig vor dem Abschaltzeitpunkt des letzten Strompfads angeschaltet und zeitlich gemeinsam zum gleichen Zeitpunkt alle Strompfade mit Strombegrenzungsvorrichtungen über Leistungsschalter ausgeschaltet werden.
Dieses Verfahren wird unabhängig davon ausgeführt, ob vorher ein oder mehrere Strompfade elektrische Energie bereitgestellt haben und nachdem alle aktiven Strompfade gestuft abgeschaltet worden sind, so dass nur noch ein Strompfad durch einen Leistungsschalter aktiv ist.
Gemäß einem besonders bevorzugten Verfahren, wird das oben beschriebene Verfahren in einer Startersteuerung von einer Startvorrichtung für einen Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine ausgeführt, wobei die Startvorrichtung einen Startermotor mit einem Starterrelais umfasst. Dies hat den Vorteil, dass ein Startermotor für Start-Stopp-Betriebsstrategien einsetzbar ist, in denen der Startermotor erst definiert beschleunigt wird und dann in den Zahnkranz einer auslaufenden Brennkraftmaschine mit einem Starterritzel durch Betätigung vom Starterrelais eingespurt wird. Somit ist der Startermotor auch mit hohen Strömen im Bereich von 700–1000 Ampere ansteuerbar. Die Strom- und Impulsbelastbarkeit der Startersteuerung ist verbessert.
Die Aufgabe wird auch durch eine Steuervorrichtung für einen elektrischen Verbraucher mit einer Induktivität dadurch gelöst, dass die Steuervorrichtung parallel geschaltete Strompfade mit jeweils einer Strombegrenzungsvorrichtung aufweist und die Strompfade mittels von einem Mikrocomputer mit einem Programmspeicher angesteuerter Leistungsschalter zum Bestromen eines elektrischen Verbrauchers zu- und abschaltbar sind. Somit können aus parallelen Strompfaden die erforderlichen Stromdichten im Bereich von 700 Ampere durch Schaltung einzelner Leistungsschalter mit Strombegrenzungsvorrichtungen erzielt werden, die standardmäßig als kleinere Leistungsschalter verfügbar sind. Die Leistungsschalter sind vorteilhafterweise als vom Mikrocomputer schaltbare Leistungs-MOSFETs ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Strombegrenzungsvorrichtung und der Leistungsschalter in jedem Strompfad mit im Wesentlichen gleichen elektrischen Kennwerten ausgebildet.
Die Strombegrenzungsvorrichtung, die als Leistungswiderstand ausgebildet ist, weist somit in allen Strompfaden im Wesentlichen den gleichen ohmschen Widerstand auf. Die Leistungsschalter sind ebenfalls in jedem Strompfad mit der gleichen elektrischen Verlustleistung ausgebildet. Somit können die einzelnen Strompfade abwechselnd geschaltet werden, ohne dass dies äußerlich im Betrieb des elektrischen Verbrauchers, insbesondere einer elektrischen Maschine, registriert wird.
Die Aufgabe wird auch durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, dass mit Programmbefehlen in einen Programmspeicher von einer Steuervorrichtung, insbesondere einer oben beschriebenen Steuervorrichtung, ladbar ist, um alle Schritte des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen, wenn dass Programm in der Steuervorrichtung ausgeführt wird.
Das Computerprogrammprodukt erfordert keine zusätzlichen Bauteile im Fahrzeug, sondern lässt sich als Modul in bereits vorhandene Steuerungen im Fahrzeug implementieren. Das Computerprogrammprodukt ist beispielsweise in der Startersteuerung als körperliches Medium in Form eines Halbleiterspeichers vorgesehen. Das Computerprogrammprodukt hat den Vorteil, dass leicht individuelle Parameter zur Verbesserung einer Betriebsstrategie aufgrund, verbesserter, empirisch ermittelter Werte anpassbar sind. Somit ist die Betriebstrategie in einer laufenden Serie oder durch eine Wartungsarbeit in einer Steuervorrichtung, wie beispielsweise einer Startersteuerung optimierbar.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Schaltplan einer Startersteuerung mit einer Startvorrichtung,
2 eine Tabelle mit einer Gegenüberstellung der Anzahl der aktiven Strompfade zu den in Bezug auf die Zeit aktiven Leistungsschaltern,
3 ein Zeit-Schalt-Diagramm mit einer Bestromung aus einem aktiven Strompfad,
4 ein Zeit-Schalt-Diagramm mit zwei aktiven Strompfaden,
5 ein Zeit-Schalt-Diagramm mit drei aktiven Strompfaden,
6 ein Zeit-Schalt-Diagramm eines Abschaltvorgangs.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt einen schematischen Schaltplan mit wesentlichen Komponenten zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Anwendungsbeispiel einer als Startersteuerung ausgebildeten Steuervorrichtung 1. Die Startersteuerung steuert eine Startvorrichtung 2 sowohl bei einem Start mit einem Zündschlüssel, das heißt einem sogenannten Schlüsselstart, als auch für einen Start-Stopp-Betrieb für eine Brennkraftmaschine 3 an. Die Startvorrichtung 2 umfasst ein Starterrelais 4 mit einer ersten Wicklung als Einspurwicklung 6 zum Einspuren eines Starterritzels 7 in einen Zahnkranz 8 der Brennkraftmaschine 3. Das Starterritzel 7 wird von einem Startermotor als elektrischer Verbraucher 9 mit einer Induktivität angetrieben. Das Starterrelais 4 weist ferner eine zweite Wicklung als Schaltwicklung 5 auf, die einen Schaltkontakt 10 schließt, um den Startermotor mit einem maximalen Andrehstrom von einer Batterie 11 zu bestromen. Zum Starten der Brennkraftmaschine 3 wird von einer Motorsteuerung 12 ein Einschaltrelais 22 aktiviert, dass die Einspurwicklung 6 und nach zusätzlichem Schalten des Leistungsschalters S5 die Schaltwicklung 5 für einen sogenannten Schlüsselstart bestromt.
Um den Startermotor für einen Start-Stopp-Betrieb beziehungsweise für eine Positionierung für eine Kurbelwelle definiert zu bestromen, umfasst die Startersteuerung eine Steuereinheit 30, die drei parallele Strompfade 31, 32, 33 mit jeweils einem Widerstand als Strombegrenzungseinrichtung R1, R2, R3 und einem Leistungsschalter S1, S2, S3 aufweist. Für den Start-Stopp-Betrieb wird die Einspurwicklung 6 über einen Leistungsschalter 54 definiert angesteuert. Die Schaltwicklung 5 wird durch den Leistungsschal ter S5 sowohl für den Start-Stopp-Betrieb als auch für den Schlüsselstart angesteuert.
Die Leistungsschalter S1 bis S5 sind Leistungs-Metalloxidfeldeffekttransistoren, sogenannte MOSFETs. Die MOSFETs werden von einem Mikrocomputer 14 mit einem Programmspeicher 15 angesteuert. Der Mikrocomputer 14 von der Startersteuerung steht entweder über ein Bussystem oder eine direkte elektrische Informationsleitung 13 mit der Motorsteuerung 12 in Verbindung, um die Startvorrichtung 2 definiert anzusteuern.
Die 2 zeigt eine schematische Tabelle, wie die Lastaufteilung innerhalb der Strompfade 31, 32, 33 in der Steuereinheit 30 bezüglich der Zeit erfolgt, wenn eine elektrische Leistung aus keinen, einem, zwei oder drei offenen Strompfaden für den Startermotor bereitgestellt wird. In der ersten Spalte sind die Anzahl N der offenen Strompfade über die Zeit dargestellt. In der zweiten Spalte ist der zeitliche Verlauf der aktiven Strompfade und der geöffneten Leistungsschaltern S1–S3 vereinfacht mit einer einfachen Auflösung gezeigt. „0” steht für einen offenen, nicht leitenden Leistungsschalter und „1” für einen geschlossenen, leitenden Leistungsschalter.
Gemäß der ersten Zeile sind alle Leistungsschalter S1 bis S3 geschlossen, wenn der Startermotor nicht bestromt werden soll.
Wenn der Startermotor mit einem kleinen Strom nur aus einem einzigen Strompfad 31 bestromt wird, wird der erste Leistungsschalter S1 geschlossen. Dies ist durch die Zahlenfolge „100” angezeigt. Nach einer definierten Zeit, die vom Mikrocomputer 14 bestimmt wird und beispielsweise im Programmspeicher 15 niedergelegt ist, oder durch Auswertung einer Temperatur von einem Temperatursensor, wird der erste Leistungsschalter S1 geöffnet und der zweite Leistungsschalter S2 geschlossen. Dafür steht in der zweiten Spalte und der zweiten Zeile der Tabelle „010”. In einem letzten Schritt mit zeitlichem Abstand erfolgt die Bestromung eines Startermotors aus einem dritten Strompfad 33 durch Schließen eines Leistungsschalters S3 durch den Mikrocomputer 14 und zwei offenen Leistungsschaltern S1 und S2, was in der Tabelle durch „001” symbolisiert ist. Die Bestromung verläuft wieder wie eingangs beschrieben, so lange keine neue Anweisung kommt.
In der dritten Zeile ist dargestellt, wie zeitlich zwei Strompfade beispielsweise gleichzeitig bestromt werden, wenn der Startermotor mit einer elektrischen Leistung von zwei Strompfaden beaufschlagt wird. Gestartet wird beispielsweise mit geschlossenen Leistungsschaltern S2 und S3 mit der abstrakten Ziffernfolge „011”. Wieder nach einem definierten Ereigniseintritt, z. B. einem Zeitablauf, erfolgt die Bestromung durch Schließen der Leistungsschalter S1 und S3 mit der dargestellten Ziffernfolge „101”. Wieder nach dem nächsten Ereigniseintritt erfolgt die Bestromung durch Schließen der Leistungsschalter S1 und S2 mit der dafür gezeigten Ziffernfolge „110”. Dieser Ablauf wiederholt sich von Anfang an, solange bis ein anderes Steuersignal zur Startersteuerung kommt, die in Kommunikation mit der Motorsteuerung 12 steht.
In der vierten Zeile wird durch die Darstellung von „111” gezeigt, dass alle Leistungsschalter S1 bis S3 geschlossen und damit alle Strompfade offen sind, um den Startermotor mit einem maximalen Strom mittels der Steuereinheit 30 zu beaufschlagen.
Die 3 zeigt weitere besondere Merkmale der Erfindung mit einer großen Auflösung über die Zeit gemäß der zweiten Zeile der Tabelle aus 2 für eine längere Bestromung des elektrischen Verbrauchers 9 aus einem aktiven Strompfad. Im Zeit-Schalt-Diagramm sind auf einer x-Achse der Zeitverlauf von den Leistungsschaltern S1, S2 und S3 dargestellt, wobei die Einschaltzeiten mit einem hohen Potential gleich „1” und die Ausschaltzeiten als niedriges Potential gleich „0” dargestellt sind. Auf der Abszisse ist deshalb zu jedem Leistungsschalter S1, S2, S3, in den Figuren mit „0” der Ausschaltzustand des jeweiligen Leistungsschalters und, mit „1” der Einschaltzustand des jeweiligen Leistungsschalters dargestellt.
Zu einem Zeitpunkt t₁ wird der Leistungsschalter S1 von 0 auf 1 geschaltet. Zu einem bestimmten Zeitpunkt t₂ wird der Leistungsschalter S2 von 0 auf 1 eingeschaltet. Nach einer definierten Überlappungszeit t₃–t₂, die vom Mikrocomputer 14 gesteuert wird und vorher durch ein Computerprogrammprodukt vorgegeben ist, wird zeitlich nach dem Zeitpunkt t₂ zu einem Zeitpunkt t₃ der Leistungsschalter S1 auf 0 wieder ausgeschaltet. Zum Zeitpunkt t₄ wird der Leistungsschalter S3 von 0 auf 1 eingeschaltet. Nach einer definierten Überlappungszeit t₅–t₄ zeitlich nach dem Zeitpunkt t₄ wird der Leistungsschalter S2 zu dem Zeitpunkt t₅ ausgeschaltet. Zum Zeitpunkt t₆ wird der Leistungsschalter S1 von 0 auf 1 geschaltet. Zum Zeitpunkt t₇ wird der Leistungsschalter von 1 auf 0 ausgeschaltet. Der Leistungsschalter S3 wird nach einer gleich langen definierten Überlappungszeit t_7-6 abgeschaltet. Somit wiederholt sich der Durchgang der aktiven Strompfade immer wieder, bis die Motorsteuerung 12 eine neue Information an den Mikrocomputer 14 gibt, um eine andere Bestromung an dem Startermotor herbeizuführen. Um eine gleichmäßige Erwärmung bzw. eine gleichmäßige Verlustleistung zu erzeugen, sind die Leistungsschalter S1 bis S3 zeitlich gleichlang eingeschaltet bzw. ausgeschaltet. Es ergibt sich für eine Periode, d. h. jeweils einen Einschaltzustand der Leistungsschalter S1 bis S3 eine Gesamtzeit, die sich aus den einzelnen Einschaltzeiten, also S1, S2, S3 summiert abzüglich zwei Überlappungszeiten, d. h. von t₃–t₂ und t₅–t₄.
Durch die zeitlich definierte Überlappung der einzelnen Strompfade 31, 32, 33 wird sichergestellt, dass der Strom von einem Strompfad zum nachfolgenden Strompfad übernommen wird, ohne dass der Gesamtstrom merklich ansteigt bzw. abfällt. Hierbei wird zu Grunde gelegt, dass die Strompfadinduktivität der Startersteuerung wesentlich kleiner als die summare Schwingkreisinduktivität mit Startermotor ist.
Der Startermotor kann durch das in 3 dargestellte Verfahren in einer Start-Stopp-Betriebstrategie somit mit einem gleichmäßigen Strom über eine längere Zeitdauer definiert beaufschlagt werden, um beispielsweise das Starterritzel 7 in einem nicht eingespurtem Zustand zu beschleunigen und zu einem definierten Zeitpunkt mit einer definierten Drehzahl in den Zahnkranz 8 einer auslaufenden Brennkraftmaschine 3 einzuspuren. Somit ist Verfügbarkeit zum Starten der Brennkraftmaschine 3 im Start-Stopp-Betrieb wesentlich verkürzt.
Die 4 zeigt den zeitlichen Verlauf in einem Zeit-Schalt-Diagramm zum Bestromen des Startermotors als elektrischer Verbraucher 9 aus gleichzeitig zwei, von der Steuereinheit 30 eingeschalteten, Strompfaden. Die 4 verdeutlicht, dass die Strompfade 31, 32, 33 auch bei zwei aktiven Strompfaden gestuft eingeschaltet und gestuft ausgeschaltet werden. Das Bordnetz des Fahrzeugs wird somit nur in Stufen belastet. Stromspitzen im Bordnetz und am elektrischen Verbraucher 9 sind somit deutlich reduziert.
Zu einem Zeitpunkt t₁ wird der Leistungsschalter S3 von einem Zustand „0” auf „1” eingeschaltet. Nach einer definierten Verzögerungszeit wird zum Zeitpunkt t₂ der Leistungsschalter S1 vom Zustand 0 in den eingeschalteten Zustand 1 geschaltet. Somit sind ab dem Zeitpunkt t₂ zwei Strompfade aktiv, die den Startermotor mit Strom beaufschlagen. Zum Zeitpunkt t₃ wird der Leistungsschalter S2 vom ausgeschalteten Zu stand 0 in den eingeschalteten Zustand 1 durch eine Ansteuerung vom Mirkocomputer 14 übergeführt. Zu einem Zeitpunkt t₄, der mit einer definierten Überlappungszeit t₄–t₅ nach dem Zeitpunkt t₃ angesetzt ist, wird der Leistungsschalter S3 von dem eingeschalteten Zustand 1 in den ausgeschalteten Zustand 0 geschaltet.
Nach einer definierten Schaltzeit t₅–t₄, in der sich der als Strombegrenzungsvorrichtung R3 angeordnete Widerstand abkühlen konnte, wird zum Zeitpunkt t₅ der Leistungsschalter S3 wieder von 0 auf 1 eingeschaltet. Nach der definierten Überlappungszeit t₆–t₅ wird zum Zeitpunkt t₆ der Leistungsschalter S1 ausgeschaltet. Zum Zeitpunkt t₇, der zum Zeitpunkt t₆ die gleiche Länge wie die Zeitdauer von t₅–t₄ aufweist, ist der Leistungsschalter S1 wieder eingeschaltet und wiederum nach einer definierten Überlappungszeit t₈–t₁ wird vom Mikrocomputer 14 der als MOSFET ausgebildete Leistungsschalter S2 vom eingeschalteten Zustand „1” in den ausgeschalteten Zustand „0” übergeführt. Zum Zeitpunkt t₉ wird der Leistungsschalter S2 wieder eingeschaltet und zum Zeitpunkt t₁₀ wird der Leistungsschalter S3 ausgeschaltet. Nach dem gleichen Prinzip wiederholt sich die Schaltung der Leistungsschalter S1 bis S3 so lange, bis der Mikrocomputer 14 eine andere Anweisung zur Ansteuerung aufgrund beispielsweise einer programmierten Betriebsstrategie zum Start-Stopp-Betrieb oder durch ein Informationssignal von der Motorsteuerung 12 erhält. Um weitere Stromspitzen beim Ausschalten zu vermeiden, werden die Strompfade 31, 32, 33 in einer Reihenfolge in Stufen ausgeschaltet. Sie werden also nicht gleichzeitig ausgeschaltet, sondern zuerst wird der Leistungsschalter S1 zum Zeitpunkt t₂₄ ausgeschaltet, nach einer definierten Verzögerungszeit t₂₅–t₂₄ wird zum Zeitpunkt t₂₅ der Leistungsschalter S2 ausgeschaltet und nach einer weiteren Verzögerungszeit t₂₆–t₂₅ wird der Leistungsschalter S3 zum Zeitpunkt t₂₆ ausgeschaltet. Somit geht der Abschaltstrom immer von einem reduzierten Wert durch eine schrittweise Reduktion des Hauptstroms aus.
Die 5 zeigt ein Zeit-Schalt-Diagramm der Leistungsschalter S1 bis S3, wenn alle Strompfade aktiv sind, um den Startermotor zu bestromen. Der Leistungsschalter S1 wird zu einem Zeitpunkt t₁ eingeschaltet, nach einer definierten Verzögerungszeit wird der Leistungsschalter S2 zum Zeitpunkt t₂ eingeschaltet und nach einer weiteren gewissen Verzögerungszeit t₃–t₂ wird der Leistungsschalter S3 zum Zeitpunkt t₃ eingeschaltet. Soll nun der Startermotor nicht mehr über die Steuereinheit 30 von allen drei Strompfaden bestromt werden, so erfolgt eine Reduktion des Stroms durch die Strompfade 31, 32, 33 zeitverzögert in Stufen, wie das Einschalten mit einer zeitversetzten Verzögerung. Zum Zeitpunkt t₄ wird der Leistungsschalter S1 auf „0” ausgeschaltet. Nach einer weiteren definierten Verzögerungszeit t₅–t₄ zum Zeitpunkt t₅ wird der Leistungsschalter S2 ausgeschaltet und der Leistungsschalter S3 zum Zeitpunkt t₅ ausgeschaltet.
Die 6 zeigt ein weiteres Zeit-Schalt-Diagramm mit weiteren besonderen Merkmalen der Erfindung. Erfindungsgemäß wird eine spezifische Schaltstrategie eingesetzt, egal ob vorher ein, zwei oder drei Strompfade 31, 32, 33 aktiv waren. Nach der stufenweisen Abschaltung beispielsweise der Leistungsschalter S1 und S2, gemäß der Darstellung in der 4 und 5, werden zu einem Zeitpunkt t₁₀₀ gemäß der 6 alle weiteren ausgeschalteten Leistungsschalter, in diesem Fall S1 und S2, gleichzeitig eingeschaltet und zu einem Zeitpunkt t₂₀₀ gleichzeitig ausgeschaltet. Hierdurch wird ein Summenstrom und insbesondere eine induktive Abschaltenergie auf alle drei Strompfade 31, 32, 33 gleichmäßig verteilt. Nicht so wirkungsvoll, aber dennoch möglich ist es, beispielsweise nur ein zusätzlichen Leistungsschalter kurz, für eine bestimmte Zeitdauer t_200-100 zum gleichzeitigen Abschalten hinzu zuschalten.
Die in den 2 bis 6 beschriebenen Verfahren haben den Vorteil, dass die Verlustleistung auf die einzelnen Strompfade 31, 32, 33 gleichmäßig verteilt wird, und somit eine erhöhte Leistungsfähigkeit erzeugt wird, da eine zu starke Erwärmung durch temporäres Ausschalten von den Strombegrenzungsvorrichtungen R1, R2, R3 vermieden wird. Somit erhöhen sich die Lebensdauer und die möglichen Schaltzyklen. Ferner verbessert sich die Strom- und Impulsbelastbarkeit einer Steuereinheit. Es lassen sich standardmäßig verfügbare Hochleistungsfeldeffekttransistoren für diese Schaltstrategie einsetzen. Das Verfahren und die Steuervorrichtung ist für alle Verbraucher mit einer Induktivität, insbesondere bei Hochstromanwendungen, einsetzbar und wurde beispielhaft an einer Startersteuerung dargestellt. Ein Computerprogrammprodukt steuert durch Ausführung von Programmbefehlen in einem Mikrocomputer 14 in der Startersteuerung die Leistungsschalter S1, S2, S3, um die oben beschrieben Schaltstrategien zu realisieren. Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerische Darstellungen für die Erfindung als Wesentlich verwiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005021227 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Steuervorrichtung (1) für eine Hochstromanwendung, wobei ein elektrischer Verbraucher (9) mit einer Induktivität von der Steuervorrichtung (1) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher (9) von der Steuervorrichtung (1) mit mindestens einer Strombegrenzungsvorrichtung (R1, R2, R3) und einem Leistungsschalter (S1, S2, S3) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für ein definiertes Bestromen des elektrischen Verbrauchers (9) durch eine Steuervorrichtung (1) mit mehreren Strompfaden (31, 32, 33) mit jeweils einer Strombegrenzungsvorrichtung (R1, R2, R3) pro Strompfad, jede einzelne Strombegrenzungsvorrichtung (R1, R2, R3) von der Steuervorrichtung (1) zeitlich gesehen in Stufen zugeschaltet bzw. abgeschaltet wird und vorzugsweise die Abschaltung in der gleichen Reihenfolge der Stufen wie die Zuschaltung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einzelne Strompfad (31, 32, 33) mit einer Strombegrenzungsvorrichtung (R1, R2, R3) mit einer zeitlichen Überlappung von zumindest einem weiteren Strompfad zu- oder abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher (9) von der Steuervorrichtung (1) mit einem definierten Strom über eine bestimmte Zeitdauer angesteuert wird, wobei zwischen verschiedenen Strompfaden (31, 32, 33) mit jeweils einer Strombegrenzungsvorrichtung (R1, R2, R3) innerhalb der Steuervorrichtung (1) zum im Wesentlichen gleichmäßigen Bestromen des elektrischen Verbrauchers (9) abgewechselt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestromen des elektrischen Verbrauchers (9) von einer Steuervorrichtung (1) eine erste Strombegrenzungsvorrichtung (R1), eine erste definierte Zeit eingeschaltet wird und nach einer definierten zweiten Zeit eine zweite Strombegrenzungsvorrichtung (R2) in einem zweiten parallelen Strompfad (32) eingeschaltet wird, wobei die erste aktive Strombegrenzungsvorrichtung (R1) mit einer Verzögerungszeit abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher (9) aus zwei Strompfaden (31, 32) mit jeweils einer Strombegrenzungsvorrichtung (R1, R2) bestromt wird, wobei eine erste Strombegrenzungsvorrichtung (R1) eingeschaltet wird, nach einer definierten ersten Verzögerung eine zweite Strombegrenzungsvorrichtung (R2) eingeschaltet wird, nach einer definierten zweiten Verzögerung eine dritte Strombegrenzungsvorrichtung (R3) eingeschaltet wird, die erste Strombegrenzungsvorrichtung (R1) nach einer definierten dritten Verzögerungszeit ausgeschaltet wird und ein Wechsel der Bestromung aus den Strombegrenzungsvorrichtungen (R1, R2, R3) in den einzelnen parallelen Strompfaden einer Steuervorrichtung (1) zur Ansteuerung des elektrischen Verbrauchers (9) solange wiederholt wird, wie es von der Steuervorrichtung (1) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (1) zum Abschalten des elektrischen Verbrauchers (9) mit einer Strombegrenzungsvorrichtung (R1) in einem Strompfad (31) mit einer Abschaltstrategie abgeschaltet wird, gemäß der zum Abschalten des letzten Strompfads (31) mehrere, bevorzugt alle Strompfade (31, 32, 33) kurzzeitig vor dem Abschaltzeitpunkt des letzten Strompfads (31) angeschaltet werden und zeitlich gemeinsam zum gleichen Zeitpunkt alle Strompfade (31, 32, 33) mit Strombegrenzungsvorrichtungen (R1, R2, R3) über Leistungsschalter (S1, S2, S3) ausgeschaltet werden.
Verfahren, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Startersteuerung von einer Startvorrichtung (2) für einen Start-Stopp-Betrieb einer Brennkraftmaschine (3) ausgeführt wird, wobei die Startvorrichtung (2) einen Startermotor mit einem Starterrelais (4) umfasst.
Steuervorrichtung (1), für einen elektrischen Verbraucher (9) mit einer Induktivität dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (1) parallel geschaltete Strompfade (31, 32, 33) mit jeweils einer Strombegrenzungsvorrichtung (R1, R2, R3) aufweist und die Strompfade (31, 32, 33) mittels von einem Mikrocomputer (14) mit Programmspeicher (15) angesteuerter Leistungsschalter (S1, S2, S3) zum Bestromen eines elektrischen Verbrauchers (9) zu- und abschaltbar sind.
Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsvorrichtung (R1, R2, R3) und der Leistungsschalter (S1, S2, S3) in jedem Strompfad (31, 32, 33) mit im Wesentlichen gleichen elektrischen Kennwerten ausgebildet sind.
Computerprogrammprodukt, das in einen Programmspeicher (15) mit Programmbefehlen von einer Steuervorrichtung (1), insbesondere nach Anspruch 8 oder 9 ladbar ist, um alle Schritte eines Verfahrens nach zu mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen, wenn das Programm in der Steuervorrichtung (1) ausgeführt wird.