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Stand der Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Leistungsschalter, insbesondere für ein Kraftfahrzeug zum Schalten einer elektrischen Maschine, mit zwei Kontaktbolzen, einer Kontaktbrücke und einer Feder, die in einem Verfahrweg der Kontaktbrücke entgegenwirkbar angeordnet ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine mit einem Startermotor und einem Leistungsschalter zum Schalten der Bestromung für den Startermotor. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Schalten eines elektrischen Verbrauchers.
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Zum Schalten von hohen Leistungen sind Relais, insbesondere Tauchspulenrelais bekannt. Diese Relais haben den Vorteil, dass sie sehr schnell schalten. Die Relais sind temperaturabhängig. Bei hohen Temperaturen schalten sie langsam und gegebenenfalls unsicher. Bei niedrigen Temperaturen können erheblich höhere Schaltgeschwindigkeiten auftreten. Aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeit kann es zu Lichtbögen durch Kontaktpreller und somit zu einem erhöhten Verschleiß der Schaltkontakte kommen. Die Tauchspulenrelais sind dabei so ausgelegt, dass sie auch noch bei hohen Temperaturen zuverlässig schalten. Um die Schaltdynamik über einen großen Temperaturbereich von ca. –20° bis 120°C Temperaturunterschied im Wesentlichen konstant zu halten, ist eine aufwendige Ansteuerelektronik zum Beispiel mit einer Regelung, gegebenenfalls durch eine Pulsweitenmodulation, notwendig.
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Im Hochspannungsbereich für Schaltanlangen sind Leistungsschalter mit elektrischem Motor bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Leistungsschalter, eine Startvorrichtung, ein Fahrzeug und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine gleich bleibende, temperaturunabhängige Schaltdynamik durch einen möglichst einfachen Aufbau realisiert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1, 8, 9 und 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein Gedanke der Erfindung ist, den Aktor in Form eines Tauchspulenrelais durch einen Gleichspannungsmotor zu ersetzen, der über eine mechanische Vorrichtung die Kontaktbrücke bewegt. Der Gleichspannungssektor ist klein ausgebildet, so dass mit einer kleinen Ansteuerleistung ein Verbraucher mit einer hohen Leistung, wie beispielsweise ein Startermotor der 12 Volt und bis zu 1000 Ampere und mehr kurzzeitig verbraucht, schaltbar ist. Die Aufgabe wird also durch einen Gleichspannungsmotor und eine Linear-Wandlervorrichtung zum Wandeln einer Rotationsbewegung in eine Linear-Bewegung gelöst und die Kontaktbrücke ist von der Linear-Wandler-vorrichtung zwangsgeführt bewegbar ausgebildet. Somit wird die Schaltleistung durch einen einfachen Aufbau als Aktor substituiert. Es können somit temperaturunabhängige Schaltzeiten erreicht werden. Außerdem reduziert sich die Geräuschemulsion, die beim Tauchspulenrelais auftritt.
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Um einen möglichst kleinen Gleichspannungsmotor einzusetzen und ein hohes Drehmoment zu erzeugen, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zwischen dem Gleichspannungsmotor und der Linear-Wandlervorrichtung ein Getriebe ausgebildet. Somit kann eine hohe Drehzahl mit kleinem Drehmoment in eine niedrige Drehzahl mit einem höheren Drehmoment gewandelt werden.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst die Linear-Wandlervorrichtung eine Spindel auf der die Kontaktbrücke linear zum Kontaktbolzen verfahrbar ist. Eine Spindel ist ein einfaches mechanisches Bauteil, um eine Rotationsbewegung in eine Linearbewegung umzuwandeln.
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Weiter bevorzugt umfasst eine Steuerung zur Ansteuerung des Gleichspannungsmotors Halbleiterschalter. Somit kann der Gleichspannungsmotor elektronisch durch elektronische Steuerströme einfach aktiv geschaltet werden. Der Leistungsschalter kann durch einfache Drehrichtungsänderung der Spindel aufgrund einer Drehrichtungsänderung des Gleichspannungsmotors aktiv ein- und ausgeschaltet werden.
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Um einen Verschleiß der mechanischen und elektromechanischen Bauteile zu verringern, kann der Startermotor bevorzugt kurz vor dem Kontaktieren der Kontaktbrücke mit den zwei Kontaktbolzen mittels eines Widerstands abgebremst werden.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist somit ein Widerstand im Stromkreis des Gleichspannungsmotors schaltbar. Der Widerstand reduziert den Steuerstrom des Gleichspannungsmotors beispielsweise um die Hälfte, beispielsweise von 3 Ampere auf 1,5 Ampere.
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Um Fehlfunktionen und somit einen Verschleiß der elektromechanischen Komponenten zu vermeiden, sind vorzugsweise zwei Anschlagstopptaster angeordnet. Die Anschlagstopptaster verhindern, dass der Gleichspannungsmotor weiterdreht, obwohl die Kontaktbrücke bereits schon geschlossen ist. Alternativ kann dies auch durch einen Sensor erfolgen, der prüft, ob eine zu schaltende Hauptstromleitung von der Kontaktbrücke geschlossen ist. Ein zweiter Anschlagstopptaster ist vorgesehen, damit die Kontaktbrücke nicht über eine bestimmte Endstellung auf der Spindel ausgefahren wird.
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Vorzugsweise ist der Leistungsschalter zweistufig ausgebildet, mit einer ersten Kontaktbrücke, die einen Widerstand in den zu schaltenden Stromkreis schaltet und einer zweiten Kontaktbrücke, die den Stromkreis mit Widerstand überbrückt. Somit wird ein Spannungseinbruch durch Schalten von Verbrauchern mit hohen Lasten reduziert, da zuerst der Stromkreis über den Widerstand geschaltet wird und danach der Stromkreis vom Leistungsschalter überbrückt wird. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung sind vorzugsweise bei einer Startvorrichtung mit einem Startermotor, der von einer Batterie gespeist wird, bevorzugt verwendbar.
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Die Aufgabe wird auch durch eine Startvorrichtung gelöst, die zum Schalten der Bestromung eines Startermotors den oben beschriebenen Leistungsschalter umfasst. Dies hat den Vorteil, dass Schaltzeiten, die beispielsweise für einen Start-Stopp-Betrieb verzögert und/oder hochgenau ausgeführt werden müssen, gegenüber einem Tauchspulenrelais als Aktor einfach realisierbar sind. Dies ist beispielsweise insbesondere wichtig, wenn ein Starterritzel in eine auslaufende Brennkraftmaschine eingespurt werden soll, so dass eine exakte Ansteuerzeit für den Startermotor bekannt ist und mit dieser gearbeitet werden kann.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Fahrzeug mit zumindest einem Leistungsschalter mit oben beschriebenen Merkmalen zum Schalten eines elektrischen Verbrauchers mit hoher Last gelöst. Der Leistungsschalter ist insbesondere für Ströme bis zu 1500 Ampere bei ca. 12 bis 14 Volt oder vorzugsweise einer Spannung bis zu 800 Volt ausgelegt. Eine Spannung beispielsweise bis zu 800 Volt ist für elektrische Antriebsmaschinen im Kraftfahrzeug wichtig.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren dadurch gelöst, dass zum Schalten eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere in einem Fahrzeug, besonders bevorzugt zum Schalten von einem Startermotor zum Starten einer Brennkraftmaschine, ein elektrischer Leistungsschalter vorgesehen ist, wobei eine Kontaktbrücke eines Linearantriebs bewegt wird, die von einem Gleichspannungsmotor angetrieben wird, um einen Stromkreis mit zwei Kompaktbolzen zu schließen und zu öffnen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass exakte Schaltzeiten über einen weiten Temperaturbereich definiert erreichbar werden und somit Ansteuerzeiten von elektrischen Lasten, von insbesondere einer Startvorrichtung in einem Fahrzeug, genauer vorhersehbar sind. Die als Leistungsschalter ausgebildete Schaltvorrichtung kann an Startvorrichtungen, Vorglühanlagen, an einer Zusatzheizung, an Lüftermotoren oder an Seilwinden in einem Fahrzeug eingesetzt werden.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt eines elektrischen Leistungsschalters,
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2 eine schematische Stirnansicht des Leistungsschalters,
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3 einen schematischen Querschnitt eines Leistungsschalters gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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4 einen Schaltplan zur Ansteuerung des Leistungsschalters,
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5 einen Schaltplan zur Ansteuerung des Leistungsschalters gemäß 3 und
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6 einen Vergleich von Schaltzeiten des erfindungsgemäßen Leistungsschalters gegenüber herkömmlichen Leistungsschaltern.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines elektrischen Leistungsschalters 1. Der Leistungsschalter 1 weist zwei Kontaktbolzen 2, 3 auf, die mittels einer linear bewegbaren Kontaktbrücke 4 einen Leistungsstromkreis schließen bzw. unterbrechen. Die Kontaktspule 4 wird mittels einer Spindel 5 linear in dem Leistungsschalter 1 bewegt. Die Spindel 5 umfasst ferner ein Zahnrad 6, das von einem Antriebsritzel 7 angetrieben wird. Das Antriebsritzel 7 ist auf einer Abtriebsachse eines elektrischen Gleichspannungsmotors 8 angeordnet. Der Gleichspannungsmotor 8 verfährt die Kontaktbrücke 4 gegen die Kontaktbolzen 2, 3 und wieder davon weg. Die Kontaktbrücke 4 wird entgegen einem Druck einer Feder 9 gegen den Kontaktbolzen 2, 3 bewegt. Der Gleichspannungsmotor 8 verfährt die Kontaktbrücke 4 gegen die Kontaktbolzen 2, 3 soweit, dass ein leichter Kontaktdruck mit den Kontaktbolzen 2, 3 aufgebaut wird, so dass der Schalter sicher geschlossen bleibt und auch Rüttelbewegungen standhält. Die Feder 9 hilft, eine exaktere Trennung der Kontaktbrücke 4 von den Kontaktbolzen 2, 3 zu realisieren. Der Leistungsschalter 1 hat in der 1 stirnseitig dargestellt einen Steuer- und Signalanschluss.
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Die 2 zeigt den Leistungsschalter 1 schematisch in einer Stirnansicht. Zentriert sind die Kontaktbolzen 2, 3 angeordnet. Die Kontaktbrücke 4 ist als Scheibe ausgebildet, die die Kontaktbolzen 2, 3 zum Schalten einer elektrischen Last kontaktiert. Der Gleichspannungsmotor 8 ist klein ausgebildet. Das Antriebsritzel 7 mit dem Zahnrad 6 und der Spindel 5 bilden eine Linear-Wandlervorrichtung mit einem Getriebe aus.
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Die 3 zeigt den Leistungsschalter 1 in einer zweiten Ausführungsform mit zwei Stufen. Diese Ausführungsform umfasst gegenüber der Ausführungsform gemäß 1 eine erste Schaltstufe mit einer kleinen Kontaktbrücke 15, die zuerst auf einen Widerstandsbereich 11 trifft, wenn der Leistungsschalter 1 in der ersten Stufe geschlossen wird. Es fließt dann ein begrenzter Hauptstrom an der zu schaltenden Hauptlast bzw. an dem Verbraucher. In einer bevorzugten Anwendung ist der Verbraucher ein Startermotor in einer Startvorrichtung. Somit kann der Starter mit einem kleinen Strom angedreht werden, wenn die kleine Kontaktbrücke 15 den Widerstandsbereich 11 schließt. Der kleinen Kontaktbrücke 15 wirkt eine Feder 16 entgegen. Die Spindel 5 bewegt die Kontaktbrücke 4 in eine zweite Stufe, wie bei der Ausführungsform gemäß 1, auf die Kontaktbolzen 2, 3 zu und schließt hier den Schaltkontakt nach einer definierten Schaltzeit. Die Schaltzeit ist durch die Drehzahl des Gleichspannungsmotors 8 festgelegt. Der Widerstandsbereich 11 wird somit zeitlich verzögert von der Kontaktbrücke 4 überbrückt, so dass der Verbraucher, insbesondere der Startermotor seine maximale Leistung mit maximalem Hauptstrom abgibt. Der erfindungsgemäße Leistungsschalter 1 ist auch für Anwendungen außerhalb von Startervorrichtungen einsetzbar, überall dort, wo große Ströme zum Schalten sind, zum Beispiel bei Vorglühanlangen, in Zusatzheizungen, Lüftungsmotoren, Seilwinden usw.
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Die 4 zeigt einen schematischen Schaltplan mit elektronischen Steuerschaltern T1 bis T4. Die Steuerschalter T1 bis T4 sind Halbleiterschalter auf der Basis von Transistoren. Diese lassen sich durch eine elektronische Steuerung T4 ansteuern. Mit den Steuerschaltern T1 bis T4 lässt sich der Gleichspannungsmotor 8 in alle Richtungen betreiben. Die Kontaktbrücke 4 wird somit geschlossen und geöffnet. Zum Schließen des Schaltkontakts wird T1 und T4 von der Steuerung 14 angesteuert, so dass diese Steuerschalter T1 und T4 geschlossen sind. Ist der Schaltkontakt durch geschaltet, bleiben T1 und T4 eingeschaltet, um den Kontaktdruck aufrecht zu erhalten. Zum Ausschalten des Leistungsschalters werden die Transistoren T1 und T4 geöffnet und die Transistoren T3 und T2 eingeschaltet. Die Kontaktbrücke 4 wird somit aktiv in ihre Ausgangsposition zurück gefahren. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber passiv wirkenden Tauchspulenrelais. Statt den Transistoren T1 bis T4 sind auch kleine Schaltrelais einsetzbar.
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Die 5 zeigt den Schaltplan gemäß der 4 mit dem Unterschied, dass ein zusätzlicher Steuerschalter T5 mit dem Widerstand 17 vorgesehen ist. Mit dem Steuerschalter T5 wird der Widerstand 17 überbrückt, so dass der Gleichspannungsmotor 8 mit einem maximalen Strom beaufschlagt wird. Wird der Steuerschalter T5 geöffnet, und der Strom fließt über den Widerstand 17, so wird der Motor und damit die Kontaktbrücke 4 abgebremst, kurz bevor die Kontaktbrücke 4 die Kontaktbolzen 2, 3 berührt. Somit wird das Getriebe und die als Linear-Wandler-vorrichtung ausgebildete Spindel 5 geschont, der Verschleiß reduziert sich somit deutlich. Der Widerstand 17 bewirkt also, dass beispielsweise der Gleichspannungsmotor 8 mit dem halben Strom beaufschlagt wird, beispielsweise wenn der Gleichspannungsmotor 8 mit drei Ampere beaufschlagt wird, wird durch Schaltung des Widerstands 17 der Gleichspannungsmotor 8 nur noch mit einem Strom von 1,5 Ampere beaufschlagt. Je nach Auswahl des Motors kann auf eine Reduzierung des Motorstroms kurz vor Berührung des Schaltkontakts verzichtet werden.
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Die 6 zeigt ein Zeit t – Weg s – Diagramm mit vier verschiedenen Kennlinien A1, A2, A2C und A2H. Die Kennlinie A1 beschreibt den Zeit-Weg-Verlauf der Kontaktbrücke 4 im erfindungsgemäßen Leistungsschalter 1. Danach erreicht die Kontaktbrücke 4 proportional zum Weg s zum Schaltzeitpunkt t4 über einen sehr großen Temperaturbereich gleichbleibend die Kontaktbolzen 2 und 3. Die Schaltzeiten sind somit zur Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers in einem sehr hohen Maß exakt vorhersagbar und bevorzugt in einem Zeitfenster mit einer Toleranz von unter, insbesondere deutlich unter, 10 Millisekunden. Die Kennlinie A2 zeigt den Schaltzeitenverlauf eines herkömmlichen Tauchspulenrelais bei Raumtemperatur mit einem Schaltzeitpunkt t2. Das Tauchspulenrelais hat bei Raumtemperatur die Kontaktbrücke die zwei Kontaktbolzen 2, 3 zu diesem Zeitpunkt t2 geschlossen. Die Kennlinie A2C zeigt die Schaltzeit an, wenn das Tauchspulenrelais kalt ist. Insbesondere unter 0°C ist. Hier wird eine Schaltzeit t zu einem Zeitpunkt t1 erreicht, die ungefähr die Halbezeit ist im Vergleich zur Schaltzeitdauer der Kennlinie A2 mit einem Schaltzeitpunkt t2. Die Zeitfenstertoleranz ist also deutlich größer als 10 Millisekunden und somit für bestimmte Start-Stopp-Anwendungen, vor allem wenn in den Zahnkranz einer auslaufenden Brennkraftmaschine eingespurt werden soll, ein zusätzlicher Fehlertoleranzwert.
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Ist dagegen das Tauchspulenrelais sehr heiß, beispielsweise deutlich über der Raumtemperatur 50°C und höher, was beispielsweise aus dem Betrieb der Brennkraftmaschine resultiert und somit in Start-Stopp-Anwendungen einen Regelfall bildet, so verzögert sich die Schaltzeit erheblich, beispielsweise ungefähr um die doppelte Schaltdauer eines Tauchspulenrelais bei Raumtemperatur gemäß Kennlinie A2. Die Kennlinie A2H zeigt also die Schaltzeit des Tauchspulenrelais im heißen Zustand. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat somit den Vorteil, dass temperaturunabhängige Schaltzeiten in einem kleinen engen Schaltzeittoleranzfenster erreicht werden, eine aufwendige Ansteuerelektronik zum Beispiel durch Regelung einer Pulsweitenmodulation wie dies beispielsweise für ein Tauchspulenrelais notwendig wäre, entfällt somit. Die Ansteuerleistung kann deutlich geringer gehalten werden, als beim Tauchspulenrelais, die Geräuschentwicklung ist beim erfindungsgemäßen Leistungsschalter niedriger als bei einem herkömmlichen Tauchspulenrelais. Ferner sind auch Maßnahmen gegen Abschaltinduktivitäten, wie zum Beispiel eine Freilaufdiode nicht notwendig. Der Leistungsschalter kann aktiv, einfach durch eine Drehrichtungsänderung des Motors ausgeschaltet werden. Somit werden sogenannte Kontaktpreller mit Lichtbögen vermieden, der Verschleiß der Schaltkontakte ist deutlich reduziert. Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerische Darstellungen für die Erfindung als Wesentlich verwiesen.
