DE102009047163A1 - Circuit arrangement for a starting device - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Schaltungsanordnung (1) für eine elektrische Maschine (2), insbesondere einen Startermotor zum Starten einer Brennkraftmaschine (15), in einem Kraftfahrzeug, mit einer Strombegrenzungsvorrichtung (3) zum Begrenzen eines Einschaltstroms der elektrischen Maschine (2), beschrieben. Um die elektrische Maschine (2) möglichst einfach und ressourcenschonend zu betreiben, umfasst die Schaltungsanordnung (1) eine Überbrückungsvorrichtung (4) mit einer steuerbaren Schaltvorrichtung (5) zum Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung (3).A circuit arrangement (1) for an electrical machine (2), in particular a starter motor for starting an internal combustion engine (15) in a motor vehicle, with a current limiting device (3) for limiting an inrush current of the electrical machine (2) is described. In order to operate the electrical machine (2) as simply and resource-efficiently as possible, the circuit arrangement (1) comprises a bridging device (4) with a controllable switching device (5) for bridging the current limiting device (3).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Startermotor zum Starten einer Brennkraftmaschine, in einem Kraftfahrzeug, mit einer Strombegrenzungsvorrichtung zum Begrenzen eines Einschaltstroms der elektrischen Maschine. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung.The invention relates to a circuit arrangement for an electric machine, in particular a starter motor for starting an internal combustion engine, in a motor vehicle, with a current limiting device for limiting an inrush current of the electric machine. The invention also relates to a method for operating such a circuit arrangement.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, mit einer, insbesondere der zuvor genannten, Schaltungsanordnung und mit einem Startermotor.Furthermore, the invention relates to a starting device for starting an internal combustion engine in a motor vehicle, with a, in particular the aforementioned, circuit arrangement and with a starter motor.
Zum Starten von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen werden Startvorrichtungen eingesetzt, die mit einem Startermotor nach dem Prinzip einer Gleichstrommaschine mit mechanischer Kommutierung, insbesondere als Außenpolmaschine, aufgebaut sind.For starting internal combustion engines in motor vehicles starting devices are used, which are constructed with a starter motor on the principle of a DC machine with mechanical commutation, in particular as Außenpolmaschine.
Um ein erforderliches hohes Drehmoment und eine hohe Leistung des Starters mit einer vergleichsweise niedrigen Bordnetzspannung von etwa 12 V bis 14 V, beziehungsweise 24 V bis 28 V, zu erzielen, ist die Gleichstrommaschine mit einer geringen Windungszahl und einem großen Leitungsquerschnitt ausgestattet. Durch die resultierende niedrige Impedanz, je nach Ausführungsform also etwa die eines Rotors oder auch eines Stators, wird die Verlustleistung gesenkt und eine hohe Drehmomentausbeute bei vergleichsweise gutem Wirkungsgrad erzielt. Andererseits führt gerade die geringe Impedanz, und zwar vor allem der geringe ohmsche Widerstand, aber auch die niedrige Induktivität, zu hohen Einschaltströmen und einem vorübergehenden Spannungseinbruch in einem batteriebetriebenen Bordnetz. Erst mit dem Anlaufen des Startermotors wird mit zunehmender Drehzahl eine Gegenspannung induziert, die den Strom begrenzt und damit dem Spannungseinbruch entgegenwirkt. Zusatzverbraucher, die an das Bordnetz geschaltet sind, müssen für diesen Spannungseinbruch ausgelegt, oder werden zum Zeitpunkt des Spannungseinbruchs deaktiviert.In order to achieve a required high torque and high performance of the starter with a comparatively low vehicle electrical system voltage of about 12 V to 14 V, or 24 V to 28 V, the DC machine is equipped with a low number of turns and a large cable cross-section. Due to the resulting low impedance, that is about as a rotor or a stator, depending on the embodiment, the power loss is reduced and achieved a high torque output with relatively good efficiency. On the other hand, just the low impedance, and especially the low ohmic resistance, but also the low inductance, leads to high inrush currents and a temporary voltage dip in a battery-powered vehicle electrical system. Only with the start of the starter motor, a counter voltage is induced with increasing speed, which limits the current and thus counteracts the voltage dip. Additional consumers that are connected to the vehicle electrical system must be designed for this voltage dip or are deactivated at the time of the voltage dip.
Bei konventionellen Startsystemen ist der Spannungseinbruch beim Start meist unkritisch, da Zusatzverbraucher überwiegend noch nicht aktiv oder inaktiv geschaltet sind bzw. das kurzzeitige Abschalten eines Verbrauchers akzeptiert wird. Bei Starter-basierten Start-Stopp-Systemen, bei denen die Brennkraftmaschine durch den Startermotor auch bei aktiven Zusatzverbrauchern, beispielsweise nach einer kurzen Haltephase des Kraftfahrzeuges, gestartet wird, werden zunehmend höhere Anforderungen an eine Spannungshaltung im Bordnetz gestellt. Um eine stabile Bordnetzspannung zur Verfügung zu stellen, wird eine zweite Batterie oder ein DC/DC-Wandler vorgesehen.In conventional starting systems, the voltage drop at the start is usually not critical, since additional consumers are mostly not yet active or inactive, or the temporary shutdown of a consumer is accepted. In starter-based start-stop systems in which the internal combustion engine is started by the starter motor even with additional active consumers, for example, after a short holding phase of the motor vehicle, increasingly higher demands are placed on a voltage maintenance in the electrical system. In order to provide a stable vehicle electrical system voltage, a second battery or a DC / DC converter is provided.
Die
Die
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung, ein Verfahren zum Betreiben derselben und eine Startvorrichtung der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, dass eine elektrische Maschine möglichst einfach, ressourcenschonend mit möglichst hoher Bordnetzstabilität betrieben wird.It is an object of the invention to provide a circuit arrangement, a method for operating the same and a starting device of the type described above in such a way that an electric machine is as simple as possible, resource-saving operation with the highest possible electrical system stability.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1, 6 und 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.According to the invention the object is achieved by the subject matter of
Es ist ein Gedanke der Erfindung, dass die Schaltungsanordnung für eine elektrische Maschine eine Überbrückungsvorrichtung mit einer steuerbaren Schaltvorrichtung zum Überbrücken einer Strombegrenzungsvorrichtung umfasst und das ein Einschaltstrom der elektrischen Maschine beim Anlaufen mittels der Strombegrenzungsvorrichtung begrenzt und anschließend die Strombegrenzungsvorrichtung mit der Überbrückungsvorrichtung überbrückt wird. So lässt sich mit der Schaltungsanordnung der Einschaltstrom der elektrischen Maschine begrenzen und, insbesondere nach einem Anlaufen, die elektrische Maschine mit einer vollen Leistung betreiben, indem die Strombegrenzungsvorrichtung überbrückt wird, so dass eine maximale Bestromung erzielt wird. Die elektrische Maschine einfach mit einer Strombegrenzungsvorrichtung betreiben, indem die Strombegrenzungsvorrichtung durch bloßes Überbrücken deaktiviert werden kann. Ferner ist ein ressourcenschonender Betrieb der elektrischen Maschine möglich, da durch die Reduzierung des Spannungseinbruchs beim Anlaufen der elektrischen Maschine die elektrische Maschine geschont wird und eine stärker dimensionierte elektrische Versorgung, oder auch Schutzmaßnahmen weiterer elektrischer Verbraucher vermieden werden.It is an idea of the invention that the circuit arrangement for an electrical machine comprises a bridging device with a controllable switching device for bypassing a current limiting device and which limits an inrush current of the electric machine when starting by means of the current limiting device and then the current limiting device is bridged with the bridging device. Thus, with the circuit arrangement, the inrush current of the electric machine can be limited and, in particular after a startup, the electric machine can be operated at full power by bridging the current limiting device so that a maximum current is achieved. Simply operate the electric machine with a current limiting device by the current limiting device can be deactivated by mere bridging. Furthermore, a resource-saving operation of the electrical machine is possible because of the Reduction of the voltage drop when starting the electric machine, the electrical machine is protected and a more dimensioned electrical supply, or even protective measures of other electrical consumers are avoided.
Die steuerbare Schaltvorrichtung kann auch als elektromechanisches Schaltrelais oder auch als elektronischer Schalter, beispielsweise mit einem Transistor, ausgebildet sein. So lässt sich das Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung und somit auch der Spannungseinbruch durch Schalten der Schaltvorrichtung definiert steuern. Außerdem ist eine solche Schaltvorrichtung einfach anzusteuern und kostengünstig realisierbar.The controllable switching device can also be designed as an electromechanical switching relay or as an electronic switch, for example with a transistor. Thus, the bridging of the current limiting device and thus also the voltage drop can be controlled defined by switching the switching device. In addition, such a switching device is easy to control and cost feasible.
Es ist bevorzugt, dass die elektrische Maschine in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist und insbesondere über ein batteriegespeistes Bordnetz betrieben wird. Mit der Strombegrenzungsvorrichtung lässt sich die elektrische Belastung des Bordnetzes begrenzen und dennoch die elektrische Maschine mittels der Überbrückungsvorrichtung mit einer maximalen Leistung betreiben, sodass die Batterie des Bordnetzes für eine geringere Leistung, also ressourcenschonender, dimensionierbar ist. It is preferred that the electric machine is arranged in a motor vehicle and in particular is operated via a battery-powered vehicle electrical system. With the current limiting device, the electrical load of the electrical system can limit and still operate the electric machine by means of the lock-up device with a maximum power, so that the battery of the electrical system for a lower power, so resource-saving, dimensioned.
Vorzugsweise ist die Schaltungsanordnung für einen Startermotor zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug ausgebildet, sodass die elektrische Maschine also ein Startermotor ist. Zum Starten einer Brennkraftmaschine wird eine hohe Leistung benötigt, die insbesondere durch eine hohe Bestromung des Startermotors erreicht wird, woraus jedoch ein Spannungseinbruch des Bordnetzes resultiert, der mittels der Strombegrenzungsvorrichtung reduzierbar ist. Ferner lässt sich mit der Überbrückungsvorrichtung die Strombegrenzungsvorrichtung überbrücken, um ein maximales Startermoment bei einem Kaltstart und/oder die Starterleistung nach einem Losbrechen des Motors nutzen zu können.Preferably, the circuit arrangement for a starter motor for starting an internal combustion engine is formed in a motor vehicle, so that the electric machine is therefore a starter motor. To start an internal combustion engine, a high power is required, which is achieved in particular by a high current to the starter motor, resulting in a voltage drop of the electrical system results, which can be reduced by means of the current limiting device. Furthermore, the current limiting device can be bridged with the bridging device in order to be able to use a maximum starting torque during a cold start and / or the starting power after a breakaway of the motor.
Ferner ist bevorzugt, dass die Schaltungsanordnung für einen Startermotor eines Start-Stopp-Systems ausgebildet ist, bei dem beispielsweise bei kurzen Haltephasen des Kraftfahrzeugs die Brennkraftmaschine ausgeschaltet wird und für eine Weiterfahrt wieder eingeschaltet wird, insbesondere um einen Kraftstoffverbrauch und/oder CO2-Emissionen zu reduzieren.Furthermore, it is preferred that the circuit arrangement is designed for a starter motor of a start-stop system, in which, for example, during short stop phases of the motor vehicle, the internal combustion engine is switched off and is switched on again for further travel, in particular fuel consumption and / or CO 2 emissions to reduce.
Bei einem Start-Stopp-System können bei einem kurzen Halt, also insbesondere auch bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine, ein Bordnetzverbraucher, beispielsweise ein Radio oder auch Steuergeräte des Kraftfahrzeugs, in Betrieb und von dem Spannungseinbruch, insbesondere bei einem Warmstart, betroffen sein. Durch den Spannungseinbruch kann ein kurzzeitiger Ausfall des Bordnetzverbrauchers auftreten, da dieser eine bestimmte Mindestspannung benötigt, um sicher zu funktionieren. Ein solcher Ausfall ist, beispielsweise bei einem Radio, zumindest unerwünscht oder stellt sogar ein Sicherheitsrisiko dar, insbesondere bei einem Steuergerät, das beispielsweise ein unbeabsichtigtes Wegrollen des Kraftfahrzeugs verhindert, nämlich einem sogenannten ESP-Steuergerät mit Hillhold-Funktion.In a start-stop system, with a short stop, so in particular when the engine is switched off, a vehicle electrical system consumers, such as a radio or control units of the motor vehicle, in operation and from the voltage dip, especially at a warm start, be affected. Due to the voltage dip, a short-term failure of the electrical system consumer can occur because it requires a certain minimum voltage in order to function safely. Such a failure is, for example, in a radio, at least undesirable or even represents a security risk, especially in a control device that prevents, for example, unintentional rolling away of the motor vehicle, namely a so-called ESP control unit with Hillhold function.
Konventionell ist eine zweite Batterie und/oder ein DC/DC-Wandler im Bordnetz eingebaut, um, zumindest ausgewählten Bordnetzverbrauchern eine stabilisierte Spannung zur Verfügung zu stellen. Durch die Strombegrenzungsvorrichtung kann der Einschaltstrom des Startermotors beim Anlaufen begrenzt und der resultierende Spannungseinbruch, zumindest auf ein unkritisches Maß, reduziert werden. Auf die zweite Batterie beziehungsweise den DC/DC-Wandler kann verzichtet werden, sodass das Bordnetz des Kraftfahrzeugs ressourcenschonend realisierbar ist. Dabei wird durch das Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung gewährleistet, dass die Brennkraftmaschine dennoch mit einer vollen elektrischen Leistung des Startermotors sicher gestartet werden kann.Conventionally, a second battery and / or a DC / DC converter installed in the electrical system to provide, at least selected electrical system consumers a stabilized voltage available. By the current limiting device, the inrush current of the starter motor can be limited during startup and the resulting voltage dip, at least to an uncritical level, can be reduced. On the second battery or the DC / DC converter can be omitted, so that the electrical system of the motor vehicle is resource-saving feasible. It is ensured by bridging the current limiting device that the engine can still be safely started with a full electrical power of the starter motor.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Strombegrenzungsvorrichtung einen den Einschaltstrom der elektrischen Maschine begrenzenden Anlaufwiderstand, und zwar insbesondere einen ohmschen Widerstand. Der Anlaufwiderstand kann dabei in Reihe zu der elektrischen Maschine geschaltet sein und ermöglicht bei geringem Schaltungsaufwand eine ressourcenschonende und kostengünstige Begrenzung der Bestromung der elektrischen Maschine.In a preferred embodiment, the current-limiting device comprises a start-up resistor limiting the inrush current of the electrical machine, in particular an ohmic resistor. The starting resistor can be connected in series with the electric machine and allows for low circuit complexity a resource-saving and cost-effective limitation of the current supply of the electric machine.
Der Anlaufwiderstand kann als Leitungswiderstand, insbesondere als elektrische Versorgungsleitung der elektrischen Maschine, ausgebildet sein, wobei er durch eine geeignete Wahl des Leitungsmaterials, der Leitungslänge und/oder auch des Leitungsquerschnitts definierbar ist. So lassen sich der Kosten- und Montageaufwand reduzieren.The starting resistance can be designed as a line resistance, in particular as an electrical supply line of the electrical machine, wherein it can be defined by a suitable choice of the line material, the line length and / or the line cross-section. This reduces the cost and assembly costs.
Vorzugsweise ist der Anlaufwiderstand ein diskretes Widerstandselement, insbesondere ein metallischer Leiter. Solche Widerstandselemente sind in zahlreichen Ausführungen, insbesondere bezüglich ihres Widerstandswertes und ihrer Strombelastbarkeit, verfügbar und gestatten eine kostengünstige und ressourcenschonende Realisierung der Schaltungsanordnung. Dabei ist besonders eine thermische Auslegung des Widerstandselements zu beachten, da insbesondere ein Startermotor mit hohem Strom beaufschlagt wird und außerdem in einem Kraftfahrzeug das Widerstandselement großen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.Preferably, the starting resistor is a discrete resistance element, in particular a metallic conductor. Such resistance elements are available in numerous designs, in particular with regard to their resistance value and their current carrying capacity, and permit a cost-effective and resource-saving realization of the circuit arrangement. In this case, a thermal design of the resistance element is particularly important, since in particular a starter motor is subjected to high current and also in a motor vehicle, the resistance element is exposed to large temperature fluctuations.
Der Anlaufwiderstand kann in einem Motorraum des Kraftfahrzeuges angeordnet sein, so dass er Leicht zugänglich ist und eine einfache Montage ermöglicht wird. Vorzugsweise ist der Anlaufwiderstand an dem Startermotor ausgebildet. Der Anlaufwiderstand und der Startermotor können so als eine vorgefertigte, insbesondere aufeinander abgestimmte, Baugruppe kostengünstig und ressourcenschonend hergestellt und einfach in einer Mehrzahl von unterschiedlichen Kraftfahrzeugplattformen eingebaut werden. In diesem Sinn können auch die steuerbare Schaltvorrichtung und/oder weitere Bestandteile der Überbrückungsvorrichtung im Motorraum und auch an der Startvorrichtung, insbesondere an dem Startermotor, angeordnet sein. The starting resistor may be arranged in an engine compartment of the motor vehicle, so that it is easily accessible and easy assembly is possible. Preferably, the starting resistor is formed on the starter motor. The starting resistor and the starter motor can thus be manufactured in a cost-effective and resource-saving manner as a prefabricated, in particular coordinated, module and simply installed in a plurality of different motor vehicle platforms. In this sense, the controllable switching device and / or other components of the lock-up device in the engine compartment and also on the starting device, in particular on the starter motor can be arranged.
Das Anlaufen der elektrischen Maschine nimmt eine Anlaufdauer in Anspruch, die insbesondere durch eine mechanische Realisierung der elektrischen Maschine, deren elektrische Leistung und/oder auch durch eine von der elektrischen Maschine angetriebene Vorrichtung, insbesondere die Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs, bestimmt ist. Während der Anlaufdauer fließt zur Bestromung der Einschaltstrom durch die elektrischen Maschine, der Ursache des Spannungseinbruchs ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Strombegrenzungsvorrichtung mit der Überbrückungsvorrichtung zeitgesteuert, insbesondere nach einer Strombegrenzungsdauer, überbrückt werden. Eine Zeitsteuerung ist einfach und kostengünstig, beispielsweise als Schaltverzögerung oder auch als entsprechend langsame Schaltzeit, insbesondere eines Relais, realisierbar.The starting of the electric machine takes a start-up period, which is determined in particular by a mechanical realization of the electric machine, the electric power and / or by a driven by the electric machine device, in particular the internal combustion engine of the motor vehicle. During the start-up period, the inrush current flowing through the electric machine, which causes the voltage drop, flows to the current supply. In a preferred embodiment, the current-limiting device can be bridged with the bridging device in a time-controlled manner, in particular after a current limiting period. A time control is simple and inexpensive, for example, as a switching delay or as a correspondingly slow switching time, in particular a relay feasible.
Vorzugsweise wird mit der Strombegrenzungsvorrichtung der Einschaltstrom im Wesentlichen während der Anlaufdauer begrenzt, wobei insbesondere die Anlaufdauer im Wesentlichen der Strombegrenzungsdauer entspricht. So kann der Spannungseinbruch zuverlässig reduziert und die elektrischen Maschine möglichst unmittelbar nach dem Anlaufen mit einer maximalen elektrischen Leistung betrieben werden, indem beim Anlaufen der Einschaltstrom begrenzt und die Überbrückungsvorrichtung, insbesondere synchron zum Ende der Anlaufdauer, zeitgesteuert aktiviert, also die Strombegrenzungsvorrichtung überbrückt wird.Preferably, with the current limiting device, the inrush current is essentially limited during the startup period, wherein, in particular, the startup duration essentially corresponds to the current limiting duration. Thus, the voltage drop can be reliably reduced and the electric machine operated as soon as possible after starting with a maximum electrical power by limited at startup of the inrush current and the lockup device, in particular synchronously to the end of the startup period, timed activated, so the current limiting device is bypassed.
Wie zuvor erläutert, ist der Spannungseinbruch beim Anlaufen der elektrischen Maschine besonders hoch und nimmt mit zunehmender Drehzahl der elektrischen Maschine ab. Vorzugsweise wird die Strombegrenzungsvorrichtung mit der Überbrückungsvorrichtung drehzahlgesteuert, insbesondere in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine, überbrückt, und zwar vorzugsweise so, dass beim Anlaufen der elektrischen Maschine, also bei niedrigen Drehzahlen, die Bestromung der elektrischen Maschine mit der Strombegrenzungsvorrichtung begrenzt wird und ab einer gewissen Drehzahl die Strombegrenzungsvorrichtung mit der Überbrückungsvorrichtung, insbesondere für eine maximale Bestromung, überbrückt wird. So ist eine einfache und kostengünstige Anlaufstrombegrenzung realisierbar. Dabei lässt sich die Strombegrenzungsvorrichtung besonders effektiv einsetzen, und zwar insbesondere nur solange, bis die elektrische Maschine eine gewisse Drehzahl erreicht hat, ab der der Spannungseinbruch unter einen kritischen Wert abgefallen ist. Im Übrigen kann die Strombegrenzungsvorrichtung auch in Abhängigkeit einer Drehzahl der Brennkraftmaschine überbrückt werden, da diese mit der elektrischen Maschine als Startermotor zumindest zum Starten gekoppelt ist.As explained above, the voltage drop at the start of the electric machine is particularly high and decreases with increasing speed of the electric machine. Preferably, the current limiting device with the lock-up device is speed-controlled, in particular as a function of the rotational speed of the electric machine bridged, preferably so that when starting the electric machine, ie at low speeds, the energization of the electric machine with the current limiting device is limited and from a certain speed, the current limiting device with the lock-up device, in particular for a maximum current, is bridged. Thus, a simple and cost-effective start-up current limit can be realized. In this case, the current limiting device can be used particularly effectively, and in particular only until the electric machine has reached a certain speed, from which the voltage drop has fallen below a critical value. Incidentally, the current limiting device can also be bridged as a function of a rotational speed of the internal combustion engine, since this is coupled to the electric machine as a starter motor at least for starting.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Überbrückungsvorrichtung, insbesondere die steuerbare Schaltvorrichtung, mit einem Steuergerät gesteuert, und zwar insbesondere zeitgesteuert und/oder drehzahlgesteuert. Dabei kann ein Steuergerät mit einem Taktgeber oder einem Timer, das heißt ein Zeitschalter als Zeit-Steuergerät für die Strombegrenzungsdauer ausgebildet sein, um die Überbrückungsvorrichtung zeitgesteuert zu betreiben, also die Strombegrenzungsvorrichtung zeitgesteuert zu überbrücken. Zusätzlich, vorzugsweise jedoch alternativ, kann das Steuergerät die Drehzahl der elektrischen Maschine, beispielsweise mittels eines Sensors oder als Information von einem weiteren Steuergerät, erfassen, um die Überbrückungsvorrichtung drehzahlgesteuert zu betreiben, also die Strombegrenzungsvorrichtung drehzahlgesteuert zu überbrücken.According to a preferred embodiment, the bridging device, in particular the controllable switching device, is controlled by a control device, in particular time-controlled and / or speed-controlled. In this case, a control unit with a timer or a timer, that is, a timer as a time-control device for the current limit duration be designed to operate the lock-up device time-controlled, so to bridge the current limiting device time-controlled. In addition, but preferably alternatively, the controller may detect the rotational speed of the electric machine, for example by means of a sensor or as information from another control device to operate the lockup device speed controlled, so to bypass the current limiting device speed controlled.
Das Steuergerät kann in der Schaltungsanordnung, insbesondere in der Überbrückungsvorrichtung integriert sein oder, alternativ, als ein, insbesondere ohnehin vorhandenes, Start-Stopp-Steuergerät, Motorsteuergerät, Bordnetzsteuergerät oder Steuergerät der elektrischen Maschine, insbesondere als Startersteuergerät, ausgebildet sein, und zwar gegebenenfalls unter Verwendung eines zusätzlichen Relais zum Ansteuern der Überbrückungsvorrichtung.The control unit may be integrated in the circuit arrangement, in particular in the lockup device, or, alternatively, as a, in any case already existing, start-stop control unit, engine control unit, on-board control unit or control unit of the electrical machine, in particular as a starter control unit, may be formed, optionally under Use of an additional relay for driving the lock-up device.
Ferner kann das Steuergerät mit einem Mikrocomputer und einem Computerprogrammprodukt ausgebildet sein, um beispielsweise die Strombegrenzungsdauer, während der die Strombegrenzungsvorrichtung überbrückt wird, flexibel an unterschiedliche Anlaufdauern anzupassen oder die Strombegrenzungsvorrichtung gemäß unterschiedlicher Drehzahlvorgaben zu überbrücken.Further, the controller may be formed with a microcomputer and a computer program product to flexibly adapt, for example, the current limiting period during which the current limiting device is bridged to different starting times or to bridge the current limiting device according to different speed specifications.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Überbrückungsvorrichtung zwangsgesteuert ausgebildet, sodass keine zusätzliche Steuerung oder auch Regelung, insbesondere als zusätzliche elektronische Baugruppe oder als Steuergerät, notwendig ist. Dadurch ist eine einfache und kostengünstige Anlaufstrombegrenzung realisierbar. Die Überbrückungsvorrichtung kann dabei auch, wie später erläutert, durch die Drehzahl der elektrischen Maschine zwangsgesteuert werden.In a further preferred embodiment, the bridging device is positively controlled, so that no additional control or regulation, in particular as an additional electronic module or as a control unit, is necessary. This is a simple and cost-effective start-up current limiting feasible. The bridging device can also be positively controlled by the speed of the electric machine, as explained later.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Überbrückungsvorrichtung durch eine Spannung, die insbesondere über der elektrischen Maschine abfällt, gesteuert, und zwar insbesondere indem die steuerbare Schaltvorrichtung durch die Spannung geschaltet wird. Eine Spannung als elektrische Größe kann mit geringem Bauteilaufwand einfach und unmittelbar zum Schalten der Überbrückungsvorrichtung genutzt werden. Dabei kann die Spannung mit einer Zusatzelektronik oder einem, insbesondere ohnehin vorhandenen, Steuergerät erfasst und ausgewertet werden, um die Überbrückungsvorrichtung spannungsabhängig zu steuern, also die Strombegrenzungsvorrichtung spannungsabhängig zu überbrücken. Alternativ kann die Überbrückungsvorrichtung durch die Spannung zwangsgesteuert werden, beispielsweise indem die steuerbare Schaltvorrichtung durch die Spannung geschaltet wird, und zwar vorzugsweise unmittelbar, also nicht mittels des Steuergeräts.In a further preferred embodiment, the bridging device is controlled by a voltage that drops in particular across the electric machine, in particular by the controllable switching device is switched by the voltage. A voltage as electrical variable can be used with little component effort easily and directly for switching the lock-up device. In this case, the voltage can be detected and evaluated with additional electronics or a control unit that is present in any case, in order to control the bridging device in a voltage-dependent manner, ie to bridge the current-limiting device in a voltage-dependent manner. Alternatively, the bridging device can be forcibly controlled by the voltage, for example by the controllable switching device being switched by the voltage, preferably directly, ie not by means of the control device.
Im Übrigen kann die über der elektrischen Maschine abfallende Spannung als Betriebsgröße auch durch eine in der elektrischen Maschine induzierten Spannung, die mit zunehmender Drehzahl ansteigt, bedingt sein. Da die über der elektrischen Maschine abfallende Spannung also von deren Drehzahl abhängt, kann so mit geringem Bauteilaufwand die Strombegrenzungsvorrichtung gleichzeitig zwangs- und drehzahlgesteuert überbrückt werden.Incidentally, the voltage drop across the electric machine as the operating variable may also be due to a voltage induced in the electric machine which increases with increasing speed. Since the voltage drop across the electric machine thus depends on its speed, the current limiting device can be bypassed simultaneously with forced and speed control with little component complexity.
Es ist bevorzugt, dass eine Einschaltspannung, bei deren Überschreiben die Überbrückungsvorrichtung von einem ausgeschalteten in einen eingeschalteten Zustand wechselt, mindestens 30% und/oder höchstens 70% einer Nennspannung der elektrischen Maschine beträgt. So wird sichergestellt, dass die Über brückungsvorrichtung in einem mittleren Spannungsbereich schaltet und besonders ein Kontaktflattern, also ein unbeabsichtigtes Schalten bei geringen Spannungsschwankungen, bei einer ein- oder ausgeschalteten Nennspannung verhindert wird. Ferner wird sichergestellt, dass die Überbrückungsvorrichtung beim Andrehen der elektrischen Maschine ausgeschaltet bleibt, und zwar indem erst ab einer gewissen Drehzahl der elektrischen Maschine eine gewisse Spannung induziert wird, die der Einschaltspannung der Überbrückungsvorrichtung entspricht, bei der die Strombegrenzungsvorrichtung überbrückt wird.It is preferred that a switch-on voltage, the overwriting of which switches the bridging device from an off to a switched-on state, amounts to at least 30% and / or at most 70% of a rated voltage of the electrical machine. This ensures that switches over the bridging device in a medium voltage range and especially a contact flutter, so unintentional switching at low voltage fluctuations, is prevented at a switched on or off rated voltage. Furthermore, it is ensured that the lock-up device remains switched off when the electric machine is turned on, and that a certain voltage is induced only at a certain rotational speed of the electric machine, which corresponds to the turn-on voltage of the lockup device, at which the current limiting device is bypassed.
Ferner ist bevorzugt, dass eine Ausschaltspannung, bei deren Unterschreiten die Überbrückungsvorrichtung von einem eingeschalteten in einen ausgeschalteten Zustand wechselt, höchstens 50% einer Nennspannung der elektrischen Maschine beträgt. So wird verhindert, dass nach dem Einschalten der Überbrückungsvorrichtung diese unbeabsichtigt ausgeschaltet wird, da gerade aus der Überbrückung der Strombegrenzungsvorrichtung ein erhöhter Stromfluss und somit auch ein Spannungseinbruch resultiert, wobei die Spannung auch unter die Einschaltspannung abfallen kann. Vorzugsweise ist die Ausschaltspannung also deutlich geringer, beispielsweise um mindestens 30% der Nennspannung der elektrischen Maschine, als die Einschaltspannung, um ein sicheres Ein- und Ausschalten der Überbrückungsvorrichtung zu gewährleisten. So lässt sich, quasi durch eine Hysterese bei der spannungsgesteuerten Zwangssteuerung der Überbrückungsvorrichtung, ein zuverlässiges Schalten der Überbrückungsvorrichtung realisieren.Furthermore, it is preferred that a turn-off voltage, below which the lock-up device changes from a switched to a switched-off state, is at most 50% of a rated voltage of the electrical machine. This prevents that after switching on the lock-up device it is switched off unintentionally, since just from the bridging of the current limiting device results in an increased current flow and thus a voltage dip, the voltage can also fall below the turn-on. Preferably, the turn-off voltage is thus significantly lower, for example, at least 30% of the rated voltage of the electric machine, as the turn-on, to ensure safe switching on and off of the lock-up device. Thus, a quasi hysteresis in the voltage-controlled positive control of the lock-up device, a reliable switching of the lock-up device can be realized.
Die Einschalt- und/oder die Ausschaltspannung können durch eine mechanische oder elektronische Beschaffenheit der Überbrückungsvorrichtung definiert sein, insbesondere bei einem Schaltrelais als steuerbare Schaltvorrichtung durch eine geeignete Ausbildung eines Eisenkreises, einer Relaiswicklung, eines Ankers, einer Rückstellfeder oder auch von Schaltkontakten.The turn-on and / or the turn-off can be defined by a mechanical or electronic nature of the lock-up device, especially in a switching relay as a controllable switching device by a suitable design of an iron circuit, a relay winding, an armature, a return spring or switching contacts.
Vorzugsweise beträgt ein Arbeitsstrom des Schaltrelais maximal 5 A, so dass das Bordnetz des Kraftfahrzeugs durch das Schaltrelais nur gering belastet wird und ein Spannungseinbruch aufgrund des Schaltens des Schaltrelais verringert wird.Preferably, a working current of the switching relay is a maximum of 5 A, so that the electrical system of the motor vehicle is only slightly loaded by the switching relay and a voltage drop is reduced due to the switching of the switching relay.
Als eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung wird, wie zuvor genannt, die Überbrückungsvorrichtung durch eine über der elektrischen Maschine abfallende Spannung geschaltet. Dabei kann die Überbrückungsvorrichtung, insbesondere die steuerbare Schaltvorrichtung, auf ein elektrisches Potential an der elektrischen Maschine gelegt werden, und zwar beispielsweise indem sie über eine elektrische Leitung mit einer Anschlussklemme des Startermotors verbunden wird, so dass die Bestromung der Schaltvorrichtung unmittelbar durch die über dem Startermotor abfallende Spannung gesteuert wird. Eine solche Schaltungsanordnung ermöglicht eine einfache, insbesondere ohne weitere elektronische oder elektromechanische Bauteile realisierbare, schaltbare Überbrückungsvorrichtung.As a preferred embodiment of the invention, as mentioned above, the lock-up device is switched by a voltage drop across the electric machine. In this case, the bridging device, in particular the controllable switching device can be set to an electrical potential on the electric machine, for example by being connected via an electrical line to a terminal of the starter motor, so that the energization of the switching device directly through the above the starter motor decreasing voltage is controlled. Such a circuit arrangement allows a simple, in particular without further electronic or electromechanical components realizable, switchable lock-up device.
Die Überbrückungsvorrichtung kann einen in Reihe zu der steuerbaren Schaltvorrichtung, insbesondere zu einer Relaisspule des Schaltrelais, geschalteten Einstellwiderstand, aufweisen, so dass ein Schaltpunkt der Schaltvorrichtung über den Einstellwiderstand justierbar ist. Wird die Überbrückungsvorrichtung durch eine Spannung, insbesondere durch die über der elektrischen Maschine abfallende Spannung, geschaltet, lässt sich der Schaltpunkt der Überbrückungsvorrichtung mittels des Einstellwiderstandes abstimmen bzw. definiert festlegen, und zwar insbesondere bezüglich der Drehzahl der elektrischen Maschine. Dabei wirkt der Einstellwiderstand mit der steuerbaren Schaltvorrichtung, insbesondere mit einem Innenwiderstand der Relaisspule, als Spannungsteiler. Der Einstellwiderstand kann einen festen oder auch variablen Widerstandswert aufweisen.The bridging device may have a series resistor connected in series with the controllable switching device, in particular with a relay coil of the switching relay, so that a switching point of the switching device can be adjusted via the setting resistor. If the bridging device is switched by a voltage, in particular by the voltage drop across the electric machine, the switching point of the bridging device can be switched by means of the Tuning adjustment defined or define defined, in particular with respect to the speed of the electric machine. In this case, the adjustment resistor with the controllable switching device, in particular with an internal resistance of the relay coil, acts as a voltage divider. The adjustment resistor may have a fixed or variable resistance value.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Überbrückungsvorrichtung als ein Kontaktschließer ausgebildet, und zwar zur Überbrückung der Strombegrenzungsvorrichtung in einem eingeschalteten, insbesondere bestromten, Zustand der Überbrückungsvorrichtung. Dann muss die Überbrückungsvorrichtung erst eingeschaltet werden, nachdem der Einschaltstrom der elektrischen Maschine begrenzt wurde, sodass ein zusätzlicher Spannungseinbruch beim Betrieb der Strombegrenzungsvorrichtung durch die Bestromung der Überbrückungsvorrichtung vermieden wird. Ein weiterer Vorteil der Überbrückungsvorrichtung als Kontaktschließer ist, dass während der Anlaufdauer lediglich der Kontakt offen bleiben muss, damit bei dem Spannungseinbruch die Strombegrenzungsvorrichtung nicht unbeabsichtigt überbrückt wird, beispielsweise indem ein Schaltrelais als steuerbare Schaltvorrichtung unbeabsichtigt aufgrund des Spannungsabfalls abfällt.In a preferred embodiment, the bridging device is designed as a contact closer, namely for bridging the current limiting device in a switched, in particular energized, state of the bridging device. Then, the lock-up device must be turned on only after the inrush current of the electric machine has been limited, so that an additional voltage dip in the operation of the current limiting device is avoided by the energization of the lock-up device. Another advantage of the lock-up device as a contact closure is that during the start-up period, only the contact must remain open, so that the voltage limiting the current limiting device is not accidentally bypassed, for example by a switching relay as a controllable switching device unintentionally drops due to the voltage drop.
Dabei weist die Überbrückungsvorrichtung, insbesondere die steuerbare Schaltvorrichtung, vorzugsweise eine Schaltverzögerung zum Schließen auf, die im Wesentlichen der Anlaufdauer entspricht. So lassen sich die Überbrückungsvorrichtung und die elektrische Maschine gleichzeitig ansteuern, insbesondere bestromen, wobei dann während der Anlaufdauer die Bestromung der elektrischen Maschine mit der Strombegrenzungsvorrichtung begrenzt wird und nach Ablauf der Schaltverzögerung die Strombegrenzungsvorrichtung durch die dann schaltende Überbrückungsvorrichtung überbrückt wird. Dadurch kann die Schaltungsanordnung ressourcenschonend, nämlich insbesondere ohne ein Zeitschalt-Steuergerät, realisiert werden.In this case, the bridging device, in particular the controllable switching device, preferably has a switching delay for closing, which essentially corresponds to the starting time. Thus, the lock-up device and the electric machine can simultaneously control, in particular energize, in which case the energization of the electric machine with the current limiting device is limited during the startup period and after the switching delay, the current limiting device is bridged by the then switching lockup device. As a result, the circuit arrangement resource-saving, namely, in particular without a timer control unit, can be realized.
Als eine alternative bevorzugte Ausführungsform ist die Überbrückungsvorrichtung als ein Kontaktöffner ausgebildet. Dann wird ein Kontakt der Überbrückungsvorrichtung vorzugsweise geöffnet, bevor die elektrische Maschine zum Anlaufen bestromt wird. Das kann beispielsweise realisiert werden, indem der Kontakt der Überbrückungsvorrichtung rechtzeitig vor dem Bestromen der elektrischen Maschine geöffnet wird oder auch indem der Kontakt der Überbrückungsvorrichtung schneller öffenbar, also mit einer kürzeren Schaltzeit, als eine Schalteinrichtung zum Bestromen der elektrischen Maschine ausgebildet ist, sodass die Überbrückungsvorrichtung gleichzeitig mit der elektrischen Maschine mit geringem Bauteilaufwand ansteuerbar ist.As an alternative preferred embodiment, the lockup device is configured as a contact opener. Then, a contact of the lock-up device is preferably opened before the electric machine is energized to start. This can for example be realized by the contact of the lock-up device is opened in good time before the energizing of the electric machine or by the contact of the lock-up device faster openable, ie with a shorter switching time, is designed as a switching device for energizing the electric machine, so that the lock-up device can be controlled simultaneously with the electrical machine with low component costs.
Ferner lässt sich die Schaltungsanordnung bei dieser Ausführungsform so realisieren, dass die Überbrückungsvorrichtung nur während des Anlaufens der elektrischen Maschine bestromt werden muss. Dann ist eine größere elektrische Leistung für einen Betrieb der elektrischen Maschine nach dem Anlaufen nutzbar. Im Übrigen kann jeweils eine der beiden zuvor genannten alternativen Ausführungsformen für eine, insbesondere drehzahlabhängig, durch eine Spannung gesteuerte Überbrückungsvorrichtung geeignet gewählt werden.Furthermore, the circuit arrangement can be realized in this embodiment so that the lock-up device must be energized only during start-up of the electric machine. Then, a larger electrical power is available for operation of the electric machine after startup. Incidentally, in each case one of the two aforementioned alternative embodiments for a, in particular speed-dependent, controlled by a voltage bridging device can be suitably selected.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird bei einer Temperatur unter einem Temperaturgrenzwert die Strombegrenzungsvorrichtung mit der Überbrückungsvorrichtung, insbesondere beim Anlaufen der elektrischen Maschine, überbrückt, denn die zum Starten der Brennkraftmaschine erforderliche Leistung steigt mit abnehmender Temperatur zunehmend an. Wird die Strombegrenzungsvorrichtung bereits beim Anlaufen der elektrischen Maschine überbrückt, also die elektrische Maschine stärker bestromt, so ist beim Anlaufen eine größere Leistung bzw. ein höheres Drehmoment verfügbar. Außerdem nimmt mit abnehmender Temperatur die Leistungsfähigkeit der Versorgungsbatterie ab. So lässt sich in, insbesondere bei kalten Temperaturen, also zumindest unter dem gewählten Temperaturgrenzwert, der Startermotor von Anfang an mit einem vollen Hauptstrom zum Losbrechen der Brennkraftmaschine aus einer Stillstandsposition betreiben. Also lässt sich bei einem Kaltstart mit maximaler Leistung, nämlich ohne Strombegrenzung, jedoch bei einem erhöhten Spannungseinbruch, die elektrische Maschine, also insbesondere auch die Brennkraftmaschine, andrehen und bei einem Warmstart, bei dem insbesondere bei einem Start-Stopp-System weitere Bordnetzverbraucher eingeschaltet sind, eine Strombegrenzung zur Reduzierung eines Spannungseinbruchs realisieren.According to a preferred embodiment, at a temperature below a temperature limit value, the current-limiting device is bridged with the bridging device, in particular when the electric machine starts, because the power required to start the internal combustion engine increases with increasing temperature. If the current-limiting device is already bridged when the electric machine starts up, that is to say if the electric machine is energized to a greater extent, a greater power or a higher torque is available when it starts up. In addition, as the temperature decreases, the performance of the supply battery decreases. Thus, in particular, at cold temperatures, ie at least below the selected temperature limit value, the starter motor can be operated from the beginning with a full main current for breaking the internal combustion engine from a standstill position. Thus, in a cold start with maximum power, namely without current limit, but at an increased voltage dip, the electric machine, so in particular the internal combustion engine, and turn on a warm start, in which in particular a start-stop system more electrical system consumers are turned on , realize a current limit to reduce a voltage dip.
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.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
Die
Die Schaltungsanordnung
Der Anlaufwiderstand
Das Schaltrelais
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Starterrelais
Zu Beginn eines Startvorgangs der Brennkraftmaschine
Mit Beginn der Bestromung, nämlich dem Beginn einer Anlaufdauer des Startermotors
Als alternative, nicht dargestellte, Ausführungsbeispiele kann das Steuergerät
Ein weiteres, nicht dargestelltes, Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der
Alternativ dazu kann bei einem weiteren, nicht dargestellten, Ausführungsbeispiel das Schaltrelais
Die
Der Anlaufwiderstand
Im Unterschied zu der
Zum Starten der Brennkraftmaschine
Das in Reihe mit dem Einstellwiderstand
Das Schaltrelais
Also ist in diesem Ausführungsbeispiel die Überbrückungsvorrichtung
Bei einem Beenden des Startvorgangs, also einem Öffnen der Schaltvorrichtung
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Startermotor
Die
Die
Beim Schließen der Schaltvorrichtung
When closing the switching device
Wie zuvor erläutert, wird mit zunehmender Drehzahl des Startermotors
Bei einem Beenden des Startvorgangs durch Öffnen der Schaltvorrichtung
Weitere, nicht dargestellte Ausführungsbeispiele unterscheiden sich von den zuvor dargestellten dadurch, dass die Schaltungsanordnung
Die
In einem Schritt
Anschließend wird in einem Schritt
In einem Schritt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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