DE102010003485A1 - Schaltvorrichtung, Startvorrichtung und Verfahren einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Schaltvorrichtung (KH, KA, ES) mit einem elektromagnetischen Schaltelement und einer Steuerung (4) beschrieben, wobei das Schaltelement zwei Spulen auf einem Kern mit Wirkung auf einen gemeinsamen Anker (A) umfasst. Um eine Betätigung des Ankers (A) möglichst schnell und einfach mit geringem Energieverbrauch ansteuerbar zu realisieren, ist zur Ansteuerung jeder Spule die Steuerung (4) mit jeweils einem Schalter (S1-6) im Strompfad der Spule ausgebildet ist.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltvorrichtung mit einem elektromagnetischen Schaltelement und einer Steuerung, wobei das Schaltelement zwei Spulen auf einem Kern mit der Wirkung auf einen gemeinsamen Anker umfasst. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Startermotor, einer Kopplungsvorrichtung zum zeitweisen Koppeln des Startermotors mit der Brennkraftmaschine und mit einer Startersteuerung. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung, mit einem Schaltelement und einer Steuerung, wobei zwei Spulen auf einem Kern mit Wirkung auf einen gemeinsamen Anker von der Steuerung angesteuert werden.
• Es sind Elektromagnete, Relais und Trafos oder ähnliche induktive Lasten bekannt, mit Wicklungen auf einem Kern, die als induktive Lasten geschaltet werden.
• Ferner ist ein Starterrelais mit der Doppelfunktion eines Schalt- und Einrückrelais in einer Startvorrichtung zum Einrücken eines Starterritzels in den Zahnkranz einer Brennkraftmaschine und zum Ansteuern eines Startermotors bekannt, um eine Brennkraftmaschine anzulassen.
• Es ist bei Startvorrichtungen ein Schaltprinzip bekannt, nach dem auf einem Kern eine Einzugs- und eine Haltewicklung angeordnet sind, um mit einer hohen Anzugskraft und einer hohen Anzugsgeschwindigkeit ein vom Startermotor angetriebenes Starterritzel in einen Zahnkranz der Brennkraftmaschine einzuspuren und den Startermotor mit einem maximalen Strom zu schalten. Mit der Haltewicklung wird das Starterrelais im geschlossenen Zustand gehalten, während der Strom für die Einzugswicklung reduziert ist. Die Haltewicklung ist direkt mit der Fahrzeugmasse verbunden. Die Einzugswicklung dagegen ist über den Startermotor mit der Fahrzeugmasse verbunden. Wenn der Schalter für den Startermotor am Starterrelais geschlossen wird und der Startermotor angelaufen ist, reduziert sich der Einzugsstrom, da der Startermotor nun direkt am Pluspolpotential der Starterbatterie anliegt. Bei diesem Schaltprinzip ist auch bei permanent erregten Startermotoren ein sofortiges Wiedereinschalten verhindert, da die induzierte Spannung des Startermotors einen vollen Einzugsstrom nicht zulässt.
• Als Alternative ist bekannt, das Relais mit einer Einfachwicklung zu realisieren und nach dem Einziehen den Haltestrom mittels einer Stromregelung bzw. -steuerung, beispielsweise einer Zweipunktregelung oder einer Pulsweitenmodulation, zu reduzieren. Ein solches Relais muss allerdings eine große Wicklung aufweisen, nämlich eine Wicklung mit hoher Windungszahl für den geringen Haltestrom und/oder aus einem dicken elektrischen Leitungsdraht für eine ausreichende Einzugskraft.
• Es gibt Bestrebungen Startsysteme in Fahrzeugen einzuführen, bei denen die Ansteuerung des Startermotors und die Ansteuerung des Einrückenmechanismus separat erfolgt, um Start-Stopp-Systeme mit einer hohen Verfügbarkeit der Brennkraftmaschine zu realisieren. Bei diesen Start-Stopp-Systemen gibt es Einspurstrategien, nach denen das vom Startermotor angetriebene Starterritzel zunächst beschleunigt wird und möglichst mit einer synchronen Umlaufgeschwindigkeit in den Zahnkranz einer auslaufenden Brennkraftmaschine eingespurt wird.
• Die EP 0 848 159 B1 beschreibt eine Startvorrichtung mit einer elektronischen Steuerung für einen Start-Stopp-Betrieb, wobei ein Startermotor und ein Starterrelais zum Einspuren eines Starterritzels in den Zahnkranz einer Brennkraftmaschine separat ansteuerbar sind.
• Die DE 10 2006 011 644 A1 beschreibt eine Startvorrichtung und ein Startverfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Start-Stopp-Betriebsmodus. Das Starterritzel ist gemäß eines besonderen Verfahrens bei ausreichend angenäherten Umfangsgeschwindigkeiten in einen sich drehenden Zahnkranz einer auslaufenden Brennkraftmaschine einspurbar. Das Einspurrelais mit einer Wicklung wird mit einem Strom zum Einspuren beaufschlagt, der Strom zum Halten des Starterritzels im eingespurten Zustand ist im Prinzip bis auf null Ampere reduzierbar.
• Dem Anmelder ist eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Schaltelements mit einer Doppelwicklung und drei Halbleiterschaltern bekannt. Es sind rasche Ein- und Abschaltvorgänge durch Erzwingen von gleich- und gegenläufiger Bestromung aufgrund bestimmter Schalterstellungen bei gleicher Windungszahl der Spulen realisierbar.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltvorrichtung, eine Startvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Schaltvorrichtung der eingangsgenannten Art derart weiterzubilden, dass eine Betätigung des Ankers möglichst schnell und einfach mit geringem Energieverbrauch ansteuerbar ist.
• Offenbarung der Erfindung
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1, 7 und 8 gelöst.
• Es ist ein Gedanke der Erfindung, eine Schaltvorrichtung möglichst effizient aufzubauen, indem ein transformatorischer Effekt mit der Schaltvorrichtung umgesetzt wird. Hierfür ist zur Ansteuerung jeder Spule die Steuerung mit jeweils einem Schalter im Strompfad ausgebildet. Somit sind die Spulen zumindest in bestimmten Grenzen unabhängig voneinander schaltbar. Vorteil hierfür ist, dass eine Energieübertragung zwischen den beiden Spulen gemäß des transformatorischen Effekts ausgenützt wird und somit der Einsatz der elektrischen Energie sinkt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Löschenergie gegenüber herkömmlichen, Eingangs beschriebenen Schaltvorrichtungen mit Einzugs- und Haltewicklung geringer ist und auch eine aufwändige Löschbeschaltung, z. B. eine Freilaufdiode am Einschalter der beispielsweise als Relais ausgebildeten Schaltvorrichtung in einer Startvorrichtung nicht erforderlich ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine erste Spule, eine Einzugswicklung und die zweite Spule eine Haltewicklung mit elektromagnetischer Wirkung auf den Anker. Dies hat den Vorteil, dass zum Einziehen des Ankers entweder eine oder beide Wicklungen bestromt werden können, so dass ein schneller Einzug mit einer hohen Anzugskraft und eine schnelle Schaltgeschwindigkeit erreicht wird. Zum Halten des Ankers in der eingezogenen Position reicht die Bestromung der Haltewicklung mit einem deutlich geringeren elektrischen Energieaufwand aus, so dass die Einzugswicklung abgeschaltet werden kann. Somit ergibt sich eine erhebliche Energieeinsparung.
• Um die Schaltvorrichtung noch deutlich effizienter auslegen zu können und eine höhere Stromsparfunktion zu erreichen, weisen bevorzugt die Spulen verschiedene Windungszahlen, insbesondere eine Differenz der Windungszahl größer 3, auf, wobei besonders bevorzugt die Windungszahl der Einzugswicklung größer als die Windungszahl der Haltewicklung ist. Somit wird eine besonders effiziente Einzugswicklung geschaffen und die Haltewicklung kann, auf die Anwendung bezogen, bedarfsgerecht ausgelegt werden.
• Um die Spulen völlig unabhängig voneinander zu schalten und den transformatorischen Effekt umzusetzen, sind die Spulen jeweils separat, also unabhängig voneinander, direkt am Massepotenzial schaltbar. Eine Zwischen- bzw. Reihenschaltung mit einer Spule und/oder dem Startermotor ist grundsätzlich nicht vorgesehen.
• Vorteile beim Schalten auf Massepotential sind unter anderem. die einfach und dadurch preisgünstig zu realisierenden elektronischen Schalter- sogenannte Lowside-Schalter. Nachteile beim Schalten auf Batteriepluspotential sind unter anderem. die aufwendig und dadurch teuer zu realisierenden elektronischen Schalter – sogenannte Highside-Schalter.
• Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen jeweils separat, also unabhängig voneinander, am Batteriepluspolpotenzial schaltbar. Schalter am Batteriepluspolpotential haben den Vorteil, dass die Masseverbindungen zwischen den Spulen relativ einfach realisierbar sind, da lediglich eine Verbindung zur Karosserie oder zur Brennkraftmaschine geschaffen werden, was in der Regel sehr einfach ist und somit den Verkabelungsaufwand deutlich minimiert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Fehleranfälligkeit bezüglich Kurzschlüssen um einen Faktor von ungefähr 10 vermieden werden kann, gegenüber Schaltern am Massepotential. Kurzschlüsse treten somit deutlich weniger auf.
• Gemäß einer bevorzugten alternativen Ausführungsform, um die Ansteuerleitungen der Schaltvorrichtung zu reduzieren, sind beide Spulen mit einem Schalter entweder am Batteriepluspolpotenzial oder am Massepotenzial gemeinsam ansteuerbar. Die Einzugswicklung hat einen separaten Schalter, der mit dem Anker zum Abschalten der Bestromung der Einzugswicklung zwangsgekoppelt ist. Somit wird aufgrund einer einfachen Mechanik das Bestromen der Einzugs- und Haltewicklung gesteuert. Eine aufwändige elektronische Schaltung zur Ansteuerung der Einzugswicklung ist nicht erforderlich. Die Deaktivierung der Einzugswicklung erfolgt, wenn der Anker vollständig eingezogen ist und beispielsweise einen Schaltkontakt geschlossen hat bzw. wenn das vollständige Einziehen oder das Schließen eines Schaltkontakts noch sicher verfolgen kann. Erst danach erfolgt das Umschalten auf die Haltewicklung. Die Einzugswicklung wird also mit einem Schalter ausgeschaltet, der vorzugsweise mechanisch mit dem Anker gekoppelt ist. Der Kabelbaum für eine solche Schaltvorrichtung und die Stecker sowie Schnittstellen sind somit vereinfacht und verkürzt.
• Der Einsatz von zwei Spulen in einer Schaltvorrichtung, die zur Ausführung eines transformatorischen Effekts ausgebildet ist, hat zudem den Vorteil, dass zum Ansteuern der Spulen Halbleiterschalter, wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransisoren, kurz: MOSFETs, eingesetzt werden können, ohne diese aufgrund zu hoher Löschenergie zu zerstören. Vorzugsweise ist die Einzugswicklung niederohmig für einen hohen Stromdurchfluß und die Haltewicklung hochohmig für eine kleine Stromaufnahme ausgebildet.
• Beim Einsatz einer einzigen Spule kann beim Abschalten dagegen eine erhöhte Temperatur am MOSFET erreicht werden, die mehrere hundert Grad C aus der Verlustleistung erreichen kann. Bei derartigen Temperaturen kann der MOSFET zerstört werden.
• Im Schalteinsatz von zwei Spulen mit einer Ansteuerung unter Ausnutzung des transformatorischen Effekts produziert eine Verlustleistung eine Endtemperatur vorteilhafterweise mit einer deutlich unter der maximal erlaubten Halbleiter-Temperatur. Somit wird der MOSFET in seiner Funktion nicht beeinträchtigt und erreicht eine hohe Lebensdauer.
• Die Erfindung wird auch durch eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gelöst, wobei mindestens eine oben beschriebene Schaltvorrichtung als Schalter für die Bestromung des Startermotors ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Startermotor unabhängig vom Einspurvorgang angesteuert werden kann. Das unabhängige Ansteuern des Startermotors ist wichtig, um gemäß einem besonderen Betriebsmodus während eines Start-Stopp-Betriebs in den sich drehenden Zahnkranz einer auslaufenden Brennkraftmaschine einzuspuren. Die Schaltvorrichtung als Schalter zur Ansteuerung des Startermotors einzusetzen hat den Vorteil, dass die Schaltvorrichtung einfach angesteuert werden kann, ohne eine aufwändige elektronische Startermotoransteuerung realisieren zu müssen, die beispielsweise auf einer Reduzierung oder einer gepulsten Bestromung der Startvorrichtung basiert. Solche Systeme sind beispielsweise aus der DE 10 2006 011 644 A1 bekannt. Es wird somit nur zum Einschalten des Schalters ein erhöhter Strombedarf für eine Einzugswicklung benötigt, während die Haltewicklung in der Regel einen geringen Strombedarf aufweist. Somit sind längere Laufzeiten des Startermotors mit wenig Verlustleistung für spezielle Start-Stopp-Strategien realisierbar.
• Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltvorrichtung als Kopplungsvorrichtung zum Ein- und Ausspuren eines vom Startermotor angetriebenen Starterritzels in einem Zahnkranz der Brennkraftmaschine vorgesehen. Dies hat aufgrund der Umsetzung des transformatorischen Effekts in der Schaltvorrichtung den Vorteil, dass das Ein- und Ausspuren mit hohen Schaltzeiten realisierbar ist und weniger Energie zum Einspuren und Halten des Starterritzels benötigt wird.
• Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltvorrichtung Teil einer Steuerung von einer Strombegrenzungsvorrichtung, um den Startermotor durch Varieren des Stroms anzusteuern. Über einen Strompfad mit der Strombegrenzungsvorrichtung wird der Startermotor angedreht. Somit erfolgt kein plötzlicher beziehungsweise ein deutlich reduzierter Spannungseinbruch an der Spannungsquelle, wie beispielsweise der Batterie. Der mögliche Spannungseinbruch wird also wirksam minimiert. Durch direktes Bestromen über einen zweiten Strompfad unter Umgehung der Strombegrenzungsvorrichtung und des Ausschaltens des Strompfads mit der Strombegrenzungsvorrichtung wird dem. Startermotor eine maximale, elektrische Energie zum Starten der Brennkraftmaschine zugeführt. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung als Teil der Ansteuerung im Strompfad mit der Strombegrenzungsvorrichtung hat ebenfalls den Vorteil, schnell und energieeffizient zu schalten und den Schaltzustand gegebenenfalls entsprechend lang zu halten.
• Die Erfindung wird auch durch ein Verfahren einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung dadurch gelöst, dass jede Spule in einem separaten Strompfad mit jeweils einem in der Steuerung ausgebildeten Schalter angesteuert wird. Somit kann ein transformatorischer Effekt an der elektromagnetischen Schaltvorrichtung umgesetzt werden. Es ist deshalb bzw. gegenüber einer herkömmlichen Schaltvorrichtung mit Einzugs- und Haltewicklung, bei der die Einzugswicklung vor dem Startermotor geschaltet ist, eine deutlich niedrigere Löschenergie erforderlich. Auch kann eine Löschbeschaltung, beispielsweise in Form einer Freilaufdiode, gemäß dem Stand der Technik weggelassen werden. Ferner können die Spulen deutlich unterschiedliche Windungszahlen aufweisen, da ein Löschen durch Gegenbestromung nicht vorgesehen ist, sondern lediglich eine Übertragung der Energie.
• Gemäß einem bevorzugten Verfahren, um insbesondere noch schnellere Schaltzeiten zu erreichen, werden die Spulen mit einer erhöhten Spannung beaufschlagt und eine Spule, insbesondere die Einzugsspule, zeitlich abhängig von dem Niveau der erhöhten Spannung bestromt. Dabei wird insbesondere ab einer Spannungsobergrenze nur eine Spule bestromt. Das heißt, dass das Spannungsniveau so erhöht ist, dass das Bestromen der zweiten Spule zeitlich auf Null reduziert ist. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn Spannungsquellen mit erhöhter Spannung vorhanden sind.
• Um eine einfache Fehlerdiagnose der Schaltvorrichtung ausführen zu können, wird eine erste Spule bestromt und mit der zweiten und/oder ersten Spule werden Spannungen und Ströme induktiv erfasst und ausgewertet. Somit kann festgestellt werden, wo beispielsweise der Anker sich befindet oder ob eine Spule defekt ist. Solche Verfahren sind leicht umsetzbar, da die Spulen von einer Steuerung angesteuert werden, die beispielsweise mit einem Mikrocomputer programmierbar ist. Erforderlich sind hierzu jeweils eine Strom- und Spannungsmessvorrichtung und eine entsprechende Auswertevorrichtung, die vom Mikrocomputer umgesetzt werden kann.
• Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläutern den Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 einen schematischen Schaltplan einer Startvorrichtung mit drei erfindungsgemäßen Schaltvorrichtungen,
• 2 einen schematischen Schaltplan einer alternativen erfindungsgemäßen Startvorrichtung,
• 3 ein Zeit-Strom-Drehzahl-Diagramm von einem Verfahrensablauf während eines Start-Stopp-Betriebs,
• 4 ein Diagramm mit Einschaltzeitpunkten für eine Einfach- und Doppelwicklung bezüglich verschiedener Temperaturen,
• 5 ein Diagramm von Abschaltzeiten mit Einfach- und Doppelwicklung bezüglich verschiedener Temperaturen,
• 6 einen Strom-Temperaturverlauf einer Ansteuerung mittels MOSFETs von einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung und
• 7 einen Strom-Temperaturverlauf einer Ansteuerung mit MOSFETs mit einer Doppelspule und einer Schaltung gemäß dem Stand der Technik.
• Ausführungsformen der Erfindung
• Die 1 zeigt einen Schaltplan einer Startvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Startvorrichtung 1 umfasst einen Startermotor 2 mit einer Kopplungsvorrichtung 3 und eine Steuerung 4, die den Startermotor 2 und die Kopplungsvorrichtung 3 ansteuert. Die Steuerung 4 umfasst einen nicht dargestellten Mikrocomputer mit Speicher, der vereinfacht dargestellte Schalter S₁–S₆, insbesondere Halbleiterschalter, vorzugsweise in Form von Metall-Oxid-Feldeffekttransistoren, kurz: MOSFETs, ansteuert und der in Informationskontakt beispielsweise über einen fahrzeuginternen Bus 5 mit der Motorsteuerung und einem Kontaktschalter am Zündschloss steht.
• Die Startvorrichtung 1 gemäß der 1 weist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform drei erfindungsgemäße Schaltvorrichtungen ES, KA und KH auf. Eine erste Schaltvorrichtung ES ist als Aktor 6 in der Kopplungseinrichtung 3 vorgesehen. Der Aktor 6 betätigt den Hebel 7, der ein Starterritzel 8 in einen Zahnkranz 9 der Brennkraftmaschine 10 einspurt.
• Jede erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ES, KA, KH umfasst zwei Spulen die mit Index₁ und ₂ bezeichnet sind. Die zwei Spulen₁ und ₂ wirken in jeder Schaltvorrichtung jeweils auf einen gemeinsamen Anker A₁, A₂ und A₃. Jede Spule_1,2 ist separat und direkt mit dem Massepotenzial einer Fahrzeugbatterie beispielsweise über die Karosserie verbunden. Jede Spule_1,2 ist mit einem Schalter S₁–S₆ separat zum Pluspol, dem Batteriepluspolpotenzial gemäß einer in 1 gezeigten bevorzugten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verdrahtet. In jedem Strompfad einer jeden Spule ist ein elektronisch ansteuerbarer Schalter S₁–S₆ angeordnet. Die Vorteile einer solchen Schaltungsanordnung mit den Schaltvorrichtungen ES, KA, KH sind, dass die Spulen_1,2 unabhängig voneinander bestrombar sind und somit ein transformatorischer Effekt an jeder Schaltvorrichtung ES, KA, KH ausgenützt werden kann. Weiterhin ist wichtig, dass eine erste Spule₁ niederohmig und eine zweite Spule₂ hochohmig ausgebildet ist. Somit ist eine Energieübertragung von einer Spule auf die andere aufgrund des transformatorischen Effekts möglich, wie es von einem Transformator bekannt ist, wenn die niederohmige Spule abgeschaltet wird. Dadurch muss die erste Spule und/oder zweite Spule nicht mehr in einer aufwändigen Schaltung gelöscht werden, um die magnetische Wirkung für neue Schaltvorgänge schnell aufzulösen. Es ist beispielsweise keine Freilaufdiode am Schalter erforderlich. Außerdem wird weniger Energie verbraucht. Bevorzugt ist die erste Spule eine sogenannte Einzugswicklung und die zweite Spule eine Haltewicklung, die auf den elektromagnetisch betätigbaren Anker A₁, A₂ und A₃ zur Bewegungsausführung wirken. Für einen Einzug wird viel Strom benötigt und eingesetzt, wohingegen zum Halten des Ankers im eingezogenen Zustand die Energie auf die Haltewicklung übertragen wird, die nur noch wenig zusätzliche Energie benötigt. Somit lässt sich die Schaltvorrichtung effizienter mit kurzen Einschalt- und Abschaltzeiten betreiben. Die Ströme an der Einzugswicklung sind für eine als Schaltaktuator ausgebildete Schaltvorrichtung KA und KH beispielsweise kleiner 25 A (Ampere) und die Ströme an der Haltewicklung kleiner 7 A (Ampere). Wird die Schaltvorrichtung ES als Einspuraktuator eingesetzt, so werden für die Einzugswicklung höher Ströme von bis zu 35 A benötigt.
• Aufgrund des transformatorischen Effekts wird die Energie beim Abschalten der Einzugswicklung auf die Haltewicklung transferiert und dort abgebaut. Beim Abschalten der Haltewicklung ist nur noch eine kleine elektrische Energie abzubauen. Dadurch ist eine Löschbeschaltung entweder überhaupt nicht mehr oder nur noch deutlich vereinfacht erforderlich.
• Aufgrund der zusammenwirkenden Spulen ist eine Diagnose durch Zustandsanalysen mittels des Erfassens und Auswertens von Strömen und Spannungen an einer Spule bei gleichzeitiger Bestromung der anderen Spule möglich. Es kann die Position oder Bewegung des Ankers oder ein Fehler an den Spulen festgestellt werden.
• Die Schaltvorrichtung KA schaltet elektromagnetisch eine Kontaktbrücke KAB und ist somit ein elektromagnetisches Relais, um den Startermotor 2 mit einem reduzierten Strom, der über eine Strombegrenzungseinrichtung R_v begrenzt ist, leicht anzudrehen, um beispielsweise eine Batterie bzw. ein Bordnetz vom Fahrzeug beim Anlaufen nicht zu stark zu belasten und einen Spannungseinbruch zu minimieren.
• Mit der Schaltvorrichtung KH wird durch elektromagnetisches Schließen einer Kontaktbrücke KHB der Startermotor 2 mit einem maximalen Strom beaufschlagt, nachdem er angelaufen ist. Dieser maximale Strom ist beispielsweise zum Starten der Brennkraftmaschine 10 erforderlich. Der sonst übliche, hohe, unerwünschte Spannungseinbruch ist minimiert, da der Startermotor 2 bereits auf eine vorbestimmte Drehzahl beschleunigt worden ist.
• Die 2 zeigt eine zur 1 modifizierte Ausführungsform, bei der jeder Schalter S₁, S₃, S₅ der Einzugswicklung ES₁, KA₁, KH₁, jeweils von der Schaltvorrichtung ES, KA, KH direkt am Massepotenzial der Batterie geschaltet ist. Zusätzlich ist jeder Schalter S₁, S₃, S₅ mit dem Anker A₁, A₂, A₃, zwangsgekoppelt, um die Bestromung der Einzugswicklung ES₁, KA₁, KH₁ abzuschalten. Somit ist der Verdrahtungsaufwand minimiert, da lediglich ein pluspolseitig angeordneter Schalter S₂, S₄, S₆ zum Einschalten beider Spulen erforderlich ist. Das Ausschalten der Einzugswicklung ES₁, KA₁, KH₁ erfolgt quasi automatisch durch Bewegung des jeweiligen Ankers A₁, A₂, A₃. Hierfür wird keine elektronische Steuerung benötigt. Diese Zwangssteuerung ist an der Kopplungsvorrichtung 3, an der Schaltvorrichtung KH zur direkten Bestromung des Startermotors 2 und an der Schaltvorrichtung KA ausgebildet, die den Startermotor 2 über einen Strompfad mit einer bestimmten Begrenzungsvorrichtung R_v andreht. Alle Schaltvorrichtungen ES, KA, KH sind über elektronisch ansteuerbare Schalter S₁, S₃ und S₅ in der Steuerung 4 ansteuerbar. Die Umfangsbegrenzung in Form eines Rechtecks von der Steuerung 4 ist in dieser 2 aus Gründen der Vereinfachung nicht eingezeichnet worden.
• Die 3 zeigt in einem Zeit-Strom-Drehzahl-Diagramm einen zeitlichen Verlauf eines besonderen Start-Stopp-Betriebsablaufs von der Brennkraftmaschine 10 und der Startvorrichtung 1. Die 3 zeigt dabei einen besonderen Betriebsmodus, gemäß dem das Starterritzel 8 auf eine bestimmte Umlaufgeschwindigkeit beschleunigt wird und in den sich drehenden, auslaufenden Zahnkranz 9 der Brennkraftmaschine 10 eingespurt wird. Beginnend von einem Zeitpunkt t₀ läuft die Drehzahl n_mot der Brennkraftmaschine 10 in einer charakteristischen Drehzahlwellenbewegung aufgrund des Kompressions- und Dekompressionsverhalten der einzelnen Zylinder mit Drehzahlwellentälern und -spitzen aus. Dies ist mit der Kennlinie n_mot dargestellt. Zu einem definierten Zeitpunkt, beispielsweise sofort, nachdem ein Ausschaltsignal für die Brennkraftmaschine 10 ausgesendet worden ist, wird die elektromagnetische Schaltvorrichtung KA betätigt, so dass der Startermotor 2 über die Strombegrenzungsvorrichtung R_v bestromt wird, und der Startermotor 2 bis zum Zeitpunkt t₂ auf eine festgelegte Drehzahl beschleunigt wird. Die Stromaufnahme der Schaltvorrichtung KA nimmt dabei vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₂ ständig ab. Die Stromaufnahme wird erheblich durch den Einsatz einer Einzugswicklung KA₁ und einer Haltewicklung KA₂ reduziert. Die Kontaktbrücke KAB der Schaltvorrichtung KA wird zum Zeitpunkt t₂ geöffnet, so dass der Startermotor 2 nicht mehr bestromt wird.
• Die Drehzahl n_St des Startermotors 2 nimmt langsam bis zu einem vorausberechneten Zeitpunkt t₃ ab, an dem die Umfangsgeschwindigkeiten des Starterritzels 8 mit der des Zahnkranzes 9 in einem gewissen Toleranzbereich ungefähr gleich sind. Zu einem definierten, vorausberechneten Zeitpunkt t₂₃ zwischen t₂ und t₃ wird die Schaltvorrichtung. ES bestromt, so dass das Starterritzel 8 in den auslaufenden Zahnkranz 9 ungefähr zum Zeitpunkt t₃ eingespurt wird. Gleichzeitig wird die Kontaktbrücke KAB von der Schaltvorrichtung KA durch Bestromen der Doppelspulen KA₁, KA₂ geschlossen. Zum Zeitpunkt t₄ wird der direkte Strompfad vom Pluspotenzial der Batterie des Startermotors 2 durch Schließen der Kontaktbrücke KHB mittels der Schaltvorrichtung KH geschlossen. Zum Zeitpunkt t₅ wird die Schaltvorrichtung KA nicht mehr bestromt. Der Startermotor 2 überträgt nun die maximale elektrische Leistung auf den Zahnkranz 9 der Brennkraftmaschine 10, um diese wieder zu starten. Ab einem Zeitpunkt t₆ läuft die Brennkraftmaschine 10 von allein und benötigt keinen Startermotor 2, so dass zum Zeitpunkt t₇ die Kontaktbrücke KHB an der Schaltvorrichtung KH wieder geöffnet wird. Die Haltewicklung ES₂ der Schaltvorrichtung ES wird nicht mehr bestromt, mit der Folge dass das Starterritzel 8 aus dem Zahnkranz 9 ausspurt. Der Startermotor 2 erreicht sein Drehzahlmaximum zum Zeitpunkt t₇ und läuft danach aus.
• Alle Doppelspulen in allen Schaltvorrichtungen ES, KA und KH werden nach folgendem Verfahren angesteuert. Zuerst werden Einzugs- und Haltewicklung bestromt. In einem zweiten Schritt wird die Einzugswicklung ausgeschaltet und die Energie auf die Haltewicklung über einen gemeinsamen Kern transferiert. Dadurch wird die Wirkung der Einzugswicklung im Wesentlichen gelöscht. In einem dritten Schritt wird die Haltewicklung ausgeschaltet, die Energie wird in Form von Wärme am Halbleiterschalter als Verlustenergie abgebaut.
• Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ES, KA und KH mit zwei Spulen_1,2 gegenüber einer Einfachwicklung ist, dass nach dem Einziehen des Ankers A₁, A₂, A₃ einen aufwändige Ansteuerung beispielsweise in Form einer Stromregelung oder einer Stromsteuerung, zum Beispiel über eine Zeitpunktregelung oder einer Pulsweitenmodulation, zur Erzeugung eines Haltestroms wegfällt. Außerdem ist, um eine hohe Einzugskraft zu erreichen, eine große Wicklung notwendig, die eine hohe Durchflutung mit einer hohen Windungszahl realisiert und gleichzeitig für geringe Halteströme ausgelegt ist. Das Ergebnis sind also typischerweise Wickeldrähte mit hoher Windungszahl. Damit sind hohe Induktivitäten verbunden, die zu einer hohen Belastung der Ansteuerung führen, insbesondere beim Anschalten und damit auch bei der Regelung mit vielen Schaltvorgängen.
• Das Eingangs beschriebene, aus dem Stand der Technik bekannte Doppelwicklungsprinzip mit einer Einzugsspule im Strompfad des Startermotors erfordert zwingend Windungsgleichheit von Einzugs- und Haltewicklung, da sonst wegen der an der sogenannten Klemme 45, d. h. am Startermotor, anliegenden induzierten Spannung, ein Abschalten nicht mehr erfolgen kann. Die Einzugs- und Haltewicklung löschen sich somit gegenseitig beim Abschalten durch kurzzeitige gegenläufige Bestromung.
• Demgegenüber hat die Schaltvorrichtung mit der Doppelwicklung in der erfingungsgemäßen Schaltungsanordnung mehrere Vorteile, die anhand der folgenden Figuren näher erläutert werden.
• Die 4 zeigt eine Gegenüberstellung einer Schaltvorrichtung einmal mit einer Einfach- und mit einer Doppelwicklung jeweils mit angelegten Batteriepotenzial, die der Standardapplikation entspricht, und mit einem beispielsweise doppelt so hohen Batteriepotenzial von beispielsweise 24 Volt in Abhängigkeit von tatsächlichen Temperaturen der Spulen. Die Einschaltzeiten einer Schaltvorrichtung mit einer Doppelwicklung mit dem gewöhnlichen Batteriepotenzial aus der Standardapplikation ist mit der Kennlinie DW1 dargestellt. Mit der Kennlinie DW2 sind die Einschaltzeiten bei einem hohen Batteriepotenzial, beispielsweise von ca. 20 Volt, dargestellt. Die Schaltzeit verändert sich nur minimal. Dagegen liegen bei einer Einfachwicklung, gezeigt mit den Kennlinien EW1 und EW2, die Einschaltzeiten deutlich höher, abhängig von der Temperatur der Wicklung, und bei einem höheren Batteriepotenzial reduzieren sich die Einschaltzeiten deutlich und zeigen damit eine größere Empfindlichkeit gegenüber der Varianz des Batteriepotenzials und somit größere Toleranzen.
• Die 5 zeigt die Abschaltzeiten wiederum von der Einfach- und von der Doppelwicklung in Abhängigkeit zur Temperatur der Wicklungen. Bei zunehmender Temperatur nimmt die Abschaltzeit grundsätzlich ab. Auch bei der Doppelwicklung ergeben sich deutlich kürzere Abschaltzeiten. Dabei ist die Abschaltzeit bei einem hohen Batteriepotenzial geringfügig kleiner. Dies wird mit den Kennlinien DWA1 und DWA2 gezeigt. Demgegenüber sind die Kennlinien EWA1 und EWA2 einer Schaltvorrichtung mit einer Einfachwicklung eingezeichnet. Diese Kennlinien zeigen deutlich längere Abschaltzeiten für ein hohes Batteriepotenzial, und gemäß Kennlinie EWA2 eine geringere Schaltzeit und damit eine größere Empfindlichkeit gegenüber der Varianz des Batteriepotenzials und somit deutlich höhere Toleranzen.
• Die 6A, B, C zeigen Strom-Spannung-Temperatur-Ankerweg-Diagramme über die Zeit bei einer Ansteuerung der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ES, KA und KH mittels MOSFETs. Die 6A zeigt über einen Zeitraum t im Millisekunden-Bereich den Stromverlauf der Einzugswicklung und der Haltewicklung über der Zeit t. Zum Zeitpunkt t₁ wird die Einzugswicklung mit einem Strom zwischen 8 bis 15 Ampere bis zum Zeitpunkt von t₂ beaufschlagt, da die Einzugswicklung niederohmig ausgelegt ist. Die Haltewicklung ist höherohmig ausgelegt und nimmt nur einen kleinen Strom, der zum Teil auch negativ ist, zwischen dem Zeitpunkt t₁ und t₂ auf. Die Haltewicklung hat einen deutlich höheren Innenwiderstand als die Einspurwicklung und somit geringere Ströme beispielsweise um einen Faktor ~4,5. Eine negative Spannung entsteht folgendermaßen. Feldänderungen, die einer Energieänderung entsprechen, hervorgerufen durch Stromänderungen in der einen Spule, werden in einem gekoppelten Magnetkreis durch die transformatorische Wirkung durch die 2-te Spule möglichst ausgeglichen. Das führt teils zu negativen Strömen in der Haltewicklung, die jedoch durch die unterschiedlichen Wicklungsverhältnisse der beiden Spulen die Feldänderungen nicht vollständig ausgleichen können. Umgekehrt wird beim Abschalten der Einzugswicklung durch Erhögung des Stromes in der Haltewicklung die Reduzierung des Magnetfeldes teils ausgeglichen.
• Zum Zeitpunkt t₂ wird die Einzugswicklung abgeschaltet und die elektrische Energie der Einzugswicklung wird aufgrund des transformatorischen Effekts auf die Haltewicklung übertragen, der mit einem geringen Haltestrom bis zu einem Zeitpunkt t₃ fließt. Zum Zeitpunkt t₃ wird die Haltewicklung über den elektronischen MOSFET-Schalter abgeschaltet und der Strom klingt bis zum Zeitpunkt t₄ vollständig ab, so dass kein Strom mehr durch die Haltewicklung fließt. 6A zeigt, dass die Halte- und die Einspurwicklung mit einem geringen Strom zum Schalten und Abschalten auskommt. Die elektrische Energie wird somit durch Umsetzung des transformatorischen Effekts effizienter eingesetzt als bisher im Stand der Technik bekannt. Die Schaltvorrichtung kann somit einfach angesteuert werden ohne eine komplizierte Regelung oder Taktung. Eine Löschbeschaltung ist nicht oder sehr stark vereinfacht aufgrund des transformatorischen Effekts ausgebildet. Wie in den 4 und 5 gezeigt, reduziert sich die Ein- und Abschaltzeit. Ein weiterer Vorteil der Schaltvorrichtung ist, dass eine deutlich geringere Stromaufnahme erforderlich ist, auch bei einer hohen Last des Startermotors 2, beispielsweise weil er im Start-Stopp-Betrieb auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt wurde und mit der Schaltvorrichtung ein Starterritzel 8 in den Zahnkranz 9 eingespurt wird. Die Schaltvorrichtung ES wird somit als Einspurrelais eingesetzt. Durch den Einsatz der doppelten Wicklung kann auch bei einer Starthilfe von beispielsweise 24 Volt, durch beispielsweise eine Serienschaltung von zwei herkömmlichen 12 Volt Batterien, in den sogenannten ”Jump-Start-Fällen”, eine Ansteuerung ohne einen hohen Strom und hoher Löschenergie erfolgen.
• Die 6B zeigt mit einer gestrichelten Linie den Weg des Ankers A₁, A₂, A₃ zeitlich zwischen den zur 6A beschriebenen Zeitpunkten t₁ bis t₄. Zu einem Zeitpunkt t₁₂ zwischen t₁ und t₂ ist der aktive Anker A₁, A₂, A₃, vollständig eingezogen. Etwas zeitlich versetzt nach dem Zeitpunkt t₃ zum Zeitpunkt t₃₁ verlässt der Anker A₁, A₂, A₃ die Position, so dass er sich zum Zeitpunkt t₅ wieder in der unbestromten Zustandsposition befindet.
• In der 6B ist zusätzlich die Spannung U eingezeichnet, die den grundsätzlichen Spannungsverlauf beim Starten einer Brennkraftmaschine zeigt. Ein Einbruch der Spannung U erfolgt durch das Einschalten des Startermotors über das Relais und die hohe Stromaufnahme des Startermotors im Kurzschlußbetrieb mit stehendem Rotor. Nachdem der Startermotor andreht reduziert sich dessen Stromaufnahme und die Spannung U steigt parallel damit an. Nach Abschalten des Relais und damit des Startermotors sinkt die Stromaufnahme aus der Spannungsquelle U erheblich und die Spannung U spring auf den ursprünglichen Ausgangswert zurück.
• Die 6C zeigt mit einer durchgängigen Linie EWT die Temperatur an der Sperrschicht, die sogenannte Junction-Temperatur, des jeweiligen elektronischen Schalters S₁–S₆ von der Einzugswicklung an. Mit der gestrichelten Linie HWT ist die Sperrschichttemperatur am MOSFET-Schalter der Haltewicklung dargestellt. Die 6C stellt klar, das zum Zeitpunkt t₂, an dem die Einzugswicklung ausgeschaltet wird, die Temperatur sich um wenige Kelvin aufgrund eines geringen Energieabbaus im MOSFET erhöht, da die meiste Energie der Einzugsspule in die Haltespule transferiert wird. Es tritt also praktisch keine Belastung der schaltenden MOSFETS auf. Zum Zeitpunkt t₃, wenn die Haltewicklung abgeschaltet wird, tritt eine Verlustleistung an der Sperrschicht auf, die den MOSFET-Schalter, hier beispielhaft um ca. 40 bis 50 Kelvin erhöht. Danach fällt die Temperatur schnell wieder ab. Ein derartiger Temperaturanstieg ist vom MOSFET-Schalter, ohne die Lebensdauer deutlich zu verschlechtern, verkraftbar.
• Die 7 zeigt in einer Gegenüberstellung zur 6 den Strom-Temperaturverlauf von MOSFETs beim Ein- und Ausschalten von einzelnen Wicklungen mit einer Schaltung gemäß dem Stand der Technik, wobei die durchgezogene Kennlinie die Kennlinie einer Haltewicklung ist und die von der gestrichelten Linie die einer Einzugswicklung ist. In diesem Beispiel sind die Magnetfelder der einzelnen Wicklungen nicht verkettet und somit nicht transformatorisch gekoppelt. Durch die fehlende transformatorische Kopplung kann die Energie beim Abschalten der Einzugsspule nicht auf die Haltespule übertragen werden. Deshalb sind Temperaturanstiege von mehreren 100°C zu verzeichnen, die die MOSFETs sehr schnell zerstören können. Die gestrichelte Linie entspricht auch dem Stromfluss einer Spule mit Einfachwicklung mit hohem Stromniveau und hoher Abschaltenergie, die wiederum eine hohe Halbleiter-Temperatur im MOSFETs verursacht.
• 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
• EP 0848159 B1 [0007]
• DE 102006011644 A1 [0008, 0022]

Claims (10)

1. Schaltvorrichtung (KH, KA, ES) mit einem elektromagnetischen Schaltelement und einer Steuerung (4), wobei das Schaltelement zwei Spulen auf einem Kern mit Wirkung auf einen gemeinsamen Anker (A₁, A₂, A₃) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung jeder Spule die Steuerung (4) mit jeweils einem Schalter (S_1-6) im Strompfad der Spule ausgebildet ist.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Spule eine Einzugswicklung und die zweite Spule eine Haltewicklung mit elektromagnetischer Wirkung auf den Anker (A₁, A₂, A₃) ist.
3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen verschiedene Windungszahlen aufweisen, wobei insbesondere die Windungszahldifferenz größer drei ist, besonders bevorzugt die Windungszahl der Einzugswicklung größer als die Windungszahl der Haltewicklung ist.
4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen jeweils separat am Massepotential schaltbar sind.
5. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen jeweils separat am Batteriepotential schaltbar sind.
6. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalter (S₁, S₃, S₅) der Einzugswicklung mit dem Anker (A₁, A₂, A₃) zum Abschalten der Bestromung der Einzugswicklung zwangsgekoppelt ist und insbesondere beide Spulen mit einem Schalter (S₂, S₄, S₆) ansteuerbar sind.
7. Startvorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Startermotor (2), einer Kopplungsvorrichtung (3) zum zeitweisen Koppeln des Startermotors (2) mit der Brennkraftmaschine (10) und mit einer Startersteuerung (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Startvorrichtung mindestens eine Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst, wobei zumindest eine Schaltvorrichtung (KH, ES, KA) als Schalter für die Bestromung des Startermotors und/oder als Kopplungsvorrichtung (3) zum Ein- uns Ausspuren eines vom Startermotor (2) angetriebenen Starterritzels (8) in einen Zahnkranz (9) der Brennkraftmaschine (10) und/oder als Schalter für eine den Startermotor (2) strombegrenzende Vorrichtung (R_v) ausgebildet ist.
8. Verfahren einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Schaltelement und einer Steuerung (4), wobei zwei Spulen auf einem Kern mit Wirkung auf einen gemeinsamen Anker (A) von der Steuerung (4) angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule in einem separaten Strompfad mit jeweils einem in der Steuerung (4) ausgebildeten Schalter angesteuert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen mit einer erhöhten Spannung beaufschlagt werden und eine Spule zeitlich abhängig von der erhöhten Spannung bestromt wird, insbesondere ab einer Spannungsobergrenze nur eine Spule bestromt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Spule bestromt wird und mit der zweiten und/oder ersten Spule Spannungen und Ströme erfasst und ausgewertet werden

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