DE102011008058B4

DE102011008058B4 - Startervorrichtung mit Start-Stopp-Funktion für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011008058B4
Application number: DE201110008058
Authority: DE
Inventors: Gerhard Babiel; Michael Walter; Sebastian Forst; Franz-Josef Lietz
Original assignee: Auto Kabel Management GmbH
Current assignee: Auto Kabel Management GmbH
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2031-01-08
Also published as: DE102011008058A1

Abstract

Startervorrichtung (2, 2.1) mit Start-Stopp-Funktion für eine Brennkraftmaschine (4) eines Kraftfahrzeugs mit
– einer Energiequelle (6) und einer Schaltereinrichtung (8),
– wobei die Schaltereinrichtung (8) zwischen der Energiequelle (6) und einer Startereinrichtung (10) angeordnet ist,
– wobei die Schaltereinrichtung (8) zum Starten der Brennkraftmaschine (4) die Energiequelle (6) mit der Startereinrichtung (10) elektrisch verbindet, und
– einer Steuereinrichtung (12) zum Steuern der Schaltereinrichtung (8),
– wobei die Schaltereinrichtung (8) eine Halbleiterschaltereinrichtung (8) ist,
– wobei die Halbleiterschaltereinrichtung (8) zumindest zwei parallel geschaltete Halbleiterschalter (14.1, 14.2) aufweist, und
– wobei zumindest eine Symmetrieschaltung zwischen der Steuereinrichtung (12) und der Halbleiterschaltereinrichtung (8) für eine synchrone und im Wesentlichen zeitgleiche Ansteuerung der zumindest zwei Halbleiterschalter (14.1, 14.2) der Halbleiterschaltereinrichtung (8) mit einem Steuersignal (22) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Startervorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer zwischen der Brennkraftmaschine und einer Energiequelle angeordneten Schaltereinrichtung, wobei die Schaltereinrichtung zum Starten der Brennkraftmaschine die Energiequelle mit einer Startereinrichtung elektrisch verbindet, und einer Steuereinrichtung zum Steuern der Schaltereinrichtung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug umfassend diese Startervorrichtung.
Kraftfahrzeuge weisen eine Startervorrichtung zum Starten des Kraftfahrzeugs auf. Insbesondere werden die Brennkraftmaschinen im Allgemeinen über eine Startereinrichtung der Startervorrichtung gestartet. Beispielweise wird als Startereinrichtung ein Anlasser eingesetzt. Der Grund hierfür ist, dass eine Brennkraftmaschine bei Stillstand kein Drehmoment liefert und daher nicht selbst anlaufen kann.
Eine derartige Startereinrichtung kann beispielsweise ein Starterritzel aufweisen, welches auf einer Welle der Startereinrichtung axial stufenlos verschiebbar ist. Zum Antreiben der Welle kann die Startereinrichtung einen Elektromotor umfassen, wie zum Beispiel einen Reihenschlussmotor, einen Gleichstrommotor oder dergleichen.
Der Elektromotor wird beim Starten des Kraftfahrzeugs, beispielsweise durch Drehung eines Zündschlüssels, mit einer Energiequelle, wie z. B. die Batterie des Kraftfahrzeugs, verbunden. Da für den Startvorgang ein hoher Strom von ca. 1000 A erforderlich ist, wird gemäß dem Stand der Technik als zwischen der Startereinrichtung, insbesondere dem Elektromotor, und der Energiequelle angeordnete Schaltereinrichtung ein mechanischer Schalter eingesetzt. Beispielsweise kann eine Signaleinrichtung die Drehung des Zündschlüssels erfassen und ein Anlasssignal generieren, welches den mechanischen Schalter entsprechend ansteuert und ein Schließen des Schalters bewirken kann, um den Elektromotor mit einem Starterstrom zu versorgen.
Moderne Kraftfahrzeuge können zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eine sogenannte Start-Stopp-Funktion aufweisen. Eine Start-Stopp-Funktion kann durch einen Start-Stopp-Schalter realisiert werden und besitzt den Vorteil, dass die Brennkraftmaschine bzw. der Verbrennungsmotor im Stillstand des Kraftfahrzeugs abgeschaltet und beim Anfahren des Kraftfahrzeugs automatisch wieder gestartet wird. So ist es beispielweise möglich, dass aufgrund einer roten Ampel das Kraftfahrzeug stillsteht und der Verbrennungsmotor bei Detektion von zumindest einer vorgebbaren Stoppbedingung, wie beispielsweise einer Leerlaufbedingung, abgeschaltet wird. Bei Detektion zumindest einer vorgebbaren Startbedingung, wie dem Einlegen eines Ganges, kann der Verbrennungsmotor wieder automatisch gestartet werden.
Eine solche Start-Stopp-Funktion, realisiert mit einem mechanischen Schalter, weist jedoch den Nachteil auf, dass die Bordnetzspannung während eines Startvorgangs aufgrund des hohen Starterstroms einbrechen kann. Diese Einbrüche können zu einem Ausfall von Verbrauchern und/oder zu Beschädigungen dieser Verbraucher führen. Insbesondere wird bei einem Startvorgang über den mechanischen Schalter bzw. das Anlasserrelais der für den Startvorgang erforderliche Starterstrom von ca. 1000 A schlagartig zur Verfügung gestellt. Dadurch kommt es zu Einbrüchen in der Bordnetzspannung.
Als Lösung für dieses Problem ist es aus dem Stand der Technik bekannt, eine zusätzliche Stützbatterie oder ein oder mehrere Stützkondensatoren für die Aufrechterhaltung der Bordnetzspannung während eines Startvorgangs einzusetzen.
Beispielsweise offenbart die deutsche Offenlegungsschrift 10 2007 029 479 A1 , dass während des Startvorgangs das Bordnetz von der Fahrzeugbatterie getrennt und über eine Stützbatterie versorgt wird, um Einbrüche bei der Bordnetzspannung während des Startvorgangs zu vermeiden.
Nachteilig hieran ist jedoch, dass zusätzliche Elemente, wie eine Stützbatterie und/oder Stützkondensatoren benötigt werden. Diese bringen nicht nur einen höheren Installationsaufwand und Kosten mit sich, sondern auch den Nachteil, dass die zusätzlichen Elemente einen erheblichen Raum einnehmen und zu einem höheren Fahrzeuggewicht führen.
Darüber hinaus weisen mechanische Schalter den Nachteil von Prellvorgängen auf, die wiederum zu unerwünschten Störspannungen im Bordnetz führen.
Aus der DE 100 59 902 A1 ist eine Starteinrichtung für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen bekannt, bei der eine Zusatzschalteinrichtung Halbleiterschalter umfassen kann.
Darüber hinaus offenbart die DE 198 11 176 A1 eine Anordnung zur Steuerung eines elektrischen Starters zum Andrehen einer Brennkraftmaschine.
Die DE 10 2009 054 765 A1 offenbart eine elektronische Steuereinheit mit einer Start-Stopp-Funktion, welche in der Lage ist, den Motor auch dann problemlos anzulassen, wenn anormale Betriebszustände während einer Leerlaufstoppsteuerung auftreten.
Des Weiteren offenbart die EP 848 159 A1 eine Startervorrichtung mit Start-Stopp-Funktion, wobei eine Schaltereinrichtung mit einem Halbleiterschalter vorgesehen ist. Gemäß der EP 848 159 A1 kann ein Anlaufkurzschlussstrom des Startermotors begrenzt werden, so dass eine Belastung der Bordspannungsversorgung des Kraftfahrzeuges minimiert wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Startervorrichtung mit einer Start-Stopp-Funktion zur Verfügung zu stellen, welche Störspannungen im Bordnetz in einfacher Weise verhindert und ein verbessertes Starten ermöglicht.
Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Startervorrichtung mit einer Start-Stopp-Funktion für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Startervorrichtung umfasst eine Energiequelle und eine Schaltereinrichtung, wobei die Schaltereinrichtung zwischen der Energiequelle und einer Startereinrichtung angeordnet ist, wobei die Schaltereinrichtung zum Starten der Brennkraftmaschine die Energiequelle mit der Startereinrichtung elektrisch verbindet und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Schaltereinrichtung, wobei die Schaltereinrichtung eine Halbleiterschaltereinrichtung ist, wobei die Halbleiterschaltereinrichtung zumindest zwei parallel geschaltete Halbleiterschalter aufweist und wobei zumindest eine Symmetrieschaltung zwischen der Steuereinrichtung und der Halbleiterschaltereinrichtung für eine synchrone und im Wesentlichen zeitgleiche Ansteuerung der zumindest zwei Halbleiterschalter der Halbleiterschaltereinrichtung mit einem Steuersignal vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß wird als Schaltereinrichtung zwischen einer Energiequelle und einer Startereinrichtung, insbesondere eines Elektromotors der Startereinrichtung, anstatt eines mechanischen Schalters ein elektrisch betriebener Schalter eingesetzt. Insbesondere kann die Halbleiterschaltereinrichtung zum Schalten von Startströmen im 1000 A Bereich konfiguriert sein. Es ist erkannt worden, dass eine Halbleiterschaltereinrichtung, die beispielsweise einen oder mehrere Halbleiterschalter umfassen kann, unerwünschte Prellvorgänge verhindern kann. Eine Halbleiterschaltereinrichtung kann derart konfiguriert sein, dass ein langsames Hochfahren der Halbleiterschaltereinrichtung erfolgen kann. Hierdurch wird insbesondere ein abrupter, schlagartiger Stromanstieg verhindert. Es können die mit den Prellvorgängen einhergehenden Störspannungen im Bordnetz des Kraftfahrzeugs in einfacher Weise vermieden werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Startervorrichtung kann die Halbleiterschaltereinrichtung zumindest zwei parallel geschaltete Halbleiterschalter aufweisen. Beispielsweise können zwei Leistungstransistoren, wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), parallel zueinander verschaltet werden. Durch eine Parallelschaltung von zumindest zwei Halbleiterschaltern kann der Starterstrom auf die zumindest zwei Halbleiterschalter in vorteilhafter Weise aufgeteilt werden.
Es versteht sich, dass auch drei oder mehr Halbleiterschalter installiert werden können. Insbesondere können sämtliche Halbleiterschalter, wie die zuvor genannten Leistungstransistoren, parallel geschaltet werden, um den für den Startvorgang erforderlichen Starterstrom auf die entsprechenden Leistungstransistoren aufzuteilen. Es versteht sich ferner, dass auch andere Halbleiterschalter eingesetzt werden können.
Es sind keine zusätzlichen Stützelemente, wie beispielsweise Kondensatoren, oder Batterien, zur Stützung des Bordnetzes während eines Startvorgangs erforderlich. Entsprechend können sowohl Gewicht des Kraftfahrzeugs als auch Kosten für die Herstellung reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Startervorrichtung gemäß der Erfindung kann die Steuereinrichtung eine Signaleinrichtung zum Erzeugen eines Anlasssignals aufweisen. Die Signaleinrichtung kann insbesondere ein Starten und/oder Stoppen der Brennkraftmaschine veranlassen. Insbesondere kann ein entsprechendes Anlasssignal von der Signaleinrichtung erzeugt werden. Beispielsweise kann die Signaleinrichtung Detektionsmittel zur Erfassung zumindest einer Startbedingung und/oder Stoppbedingung umfassen oder mit diesen Detektionsmitteln in Kontakt stehen. In Abhängigkeit der erfassten Bedingung kann die Signaleinrichtung dann ein entsprechendes Anlasssignal erzeugen. Beispielsweise können zur Veranlassung des Startens oder Stoppens entsprechende Spannungssignale mit unterschiedlichem Potential generiert werden. In einfacher Weise kann ein Starten oder Stoppen der Brennkraftmaschine veranlasst werden.
Um die Schaltereinrichtung geeignet anzusteuern und insbesondere in Abhängigkeit des Anlasssignals ein Schließen bzw. Öffnen der Halbleiterschaltereinrichtung, wie beispielsweise den Halbleiterschaltern, zu veranlassen, kann die Steuereinrichtung gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine Treiberschaltung zum Generieren eines Steuersignals zum Ansteuern der Halbleiterschaltereinrichtung in Abhängigkeit des Anlasssignals aufweisen. Die Form des Steuersignals, beispielsweise dessen Spannungswert, kann insbesondere von der eingesetzten Halbleiterschaltereinrichtung, wie beispielsweise den Leistungstransistoren, abhängen. Beispielsweise kann an die Gate-Anschlüsse von Leistungstransistoren eine entsprechende Spannung angelegt werden, die entweder ein Sperren oder ein Durchschalten der Leistungstransistoren bewirken kann. Eine exakte Steuerung der Halbleiterschaltereinrichtung in Abhängigkeit des Anlasssignals ist möglich.
Ferner kann die Steuereinrichtung der Startervorrichtung gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine Kopplungseinrichtung für eine galvanische Entkopplung des Steuersignals von dem Anlasssignal aufweisen. Vorteilhafterweise kann hierdurch die Halbleiterschaltereinrichtung unabhängig von der absoluten Höhe der Anlasssignalspannung angesteuert werden.
Grundsätzlich können für eine galvanische Entkopplung verschiedene geeignete Bauteile eingesetzt werden, wie Transformatoren oder Kondensatoren. Bevorzugt kann gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Kopplungseinrichtung ein Optokoppler sein.
Darüber hinaus kann die Treiberschaltung gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine Ansteuerungsschaltung zum Erzeugen des Steuersignals umfassen. Die Ansteuerungsschaltung kann als Komplementärstufe gebildet sein. Die Ansteuerungsschaltung kann beispielsweise aus einem galvanisch von dem Anlasssignal getrennten Signal ein Steuersignal erzeugen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Komplementärstufe durch zwei Transistoren gebildet werden. Die zwei Transistoren können also komplementär verschaltet sein. Komplementär bedeutet, dass einer der zwei Transistoren sperrt und der andere Transistor leitet oder umgekehrt. Beispielsweise kann hierdurch ein Steuersignal erzeugt werden, dass die Halbleiterschaltereinrichtung mit zwei unterschiedlichen Spannungswerten ansteuert. Der jeweilige Spannungswert kann hierbei davon abhängen, welcher der beiden Transistoren durchschaltet und welcher sperrt. Die Halbleiterschalter können dann in Abhängigkeit des anliegenden Spannungspotentials, beispielsweise an den Gates der Leistungstransistoren, sperren oder durchschalten.
Um einen schlagartigen Startstromanstieg zu vermeiden und insbesondere einen Startstromanstieg in einer vorgebbaren Zeitspanne zu ermöglichen, kann beispielsweise ein RC-Glied der Leistungstransistoren entsprechend konfiguriert sein. Die Halbleiterschalter können gezielt hochgefahren werden.
Für eine zeitliche Synchronisation der Ansteuerung der zumindest zwei Halbleiterschalter einer Halbleiterschaltereinrichtung kann zumindest eine Symmetrieschaltung zwischen der Steuereinrichtung und der Halbleiterschaltereinrichtung für eine synchrone Ansteuerung der zumindest zwei Halbleiterschalter der Halbleiterschaltereinrichtung mit dem Steuersignal vorgesehen sein. Insbesondere können sämtliche Halbleiterschalter mit dem gleichen Steuersignal im Wesentlichen zeitgleich angesteuert werden. Ein gleichzeitiges Schalten sämtlicher Halbleiterschalter kann veranlasst werden. Eine Überbelastung eines Halbleiterschalters aufgrund eines zu hohen Stroms in Folge eines frühzeitigen Schaltens kann verhindert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Startervorrichtung kann die Symmetrieschaltung eine Leitungsstruktur in Form einer geometrischen Baumstruktur aufweisen. Eine solche Leitungsstruktur kann einen Anfangspunkt, wie beispielsweise den Ausgang der Steuereinrichtung, insbesondere der Ansteuerungsschaltung, wie dem Ausgang von komplementär geschalteten Transistoren, aufweisen. Von diesem Anfangspunkt können eine, insbesondere mehrere Kontaktleitungen zu jeweils einem Halbleiterschalter führen. Vorzugsweise weisen sämtliche Kontaktleitungen im Wesentlichen die gleiche Länge auf. Es versteht sich, dass zunächst zumindest für einen Teil der Kontaktleitungen eine gemeinsame Leitung vorgesehen sein kann, von der einzelne Leitungen zur Kontaktierung der Halbleiterschalter abzweigen können.
Alternativ oder zusätzlich kann die Symmetrieschaltung eine erste Kontaktleitung zum Kontaktieren des ersten Halbleiterschalters mit der Steuereinrichtung umfassen. Die erste Kontaktleitung kann einen ersten Widerstand aufweisen. Die Symmetrieschaltung kann zumindest eine zweite Kontaktleitung zum Kontaktieren des zweiten Halbleiterschalters mit der Steuereinrichtung umfassen. Die zweite Kontaktleitung kann einen zweiten Widerstand aufweisen. Der erste Widerstand und der zweite Widerstand können einen im Wesentlichen gleichen Widerstandswert aufweisen. Bevorzugt weisen sämtliche Kontaktleitungen jeweils einen Widerstand mit dem im Wesentlichen gleichen Widerstandswert auf. Der Widerstandswert kann zumindest größer als ein Innenwiderstand eines Halbleiterschalters sein. Beispielsweise kann hierdurch ein Ausgleich von inneren Gatewiderständen der Leistungstransistoren, die statistisch streuen können, erzielt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Startervorrichtung kann eine Spannungsreglerschaltung zum Erzeugen einer vorgebbaren Steuerspannung in Abhängigkeit einer Bordnetzspannung vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Halbleiterschaltereinrichtung für einen Schaltvorgang (Öffnen oder Schließen) mit unterschiedlichen Spannungswerten, insbesondere zwei unterschiedlichen Spannungswerten, angesteuert werden. Ein Spannungswert kann die Masse sein und der andere Spannungswert durch die erzeugte Steuerspannung zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann die Spannungsreglerschaltung konfiguriert sein, um eine (unter allen Betriebsbedingungen) konstante Steuerspannung, also eine Spannung mit einem konstanten Spannungswert, bereitzustellen. Eine fehlerfreie Ansteuerung und ein entsprechendes Schalten der Halbleiterschaltereinrichtung kann erzielt werden. Die Steuerspannung kann insbesondere der Komplementärstufe zur Verfügung gestellt werden. Dann kann die Komplementärstufe in Abhängigkeit des Anlasssignals entweder die Steuerspannung durchschalten oder diese sperren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Spannungsreglerschaltung einen ersten Gleichspannungswandler zum Erzeugen einer Betriebsspannung mit einem vorgebbaren Spannungswert in Abhängigkeit der Bordnetzspannung aufweisen. Die beispielsweise von der Fahrzeugbatterie bereitgestellte Bordnetzspannung kann beispielsweise abhängig vom Zustand der Fahrzeugbatterie und/oder des Bordnetzes Schwankungen unterliegen. Um diese zunächst auszugleichen kann ein erster Gleichspannungswandler die Bordnetzspannung auf einen vorgebaren Spannungswert von beispielsweise 5 V regeln. Diese Betriebsspannung kann dann anschließend in eine vorgebbare und beispielsweise in eine von dem Aufbau der Ansteuerungsschaltung und/oder Halbleiterschaltereinrichtung abhängende Steuerspannung umgewandelt werden.
Um die Betriebsspannung auf einen vorgebbaren Spannungswert, welcher für eine Ansteuerung der Halbleiterschaltereinrichtung erforderlich ist, zu regeln, kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel die Spannungsreglerschaltung einen zweiten Gleichspannungswandler zum Erzeugen der Steuerspannung mit einem vorgebbaren Spannungswert in Abhängigkeit der Betriebsspannung aufweisen. Beispielsweise kann eine Steuerspannung mit einem bevorzugt konstanten Spannungswert von z. B. 12 V generiert werden.
Ferner kann der zweite Gleichspannungswandler gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung eine Kopplungseinrichtung für eine galvanische Entkopplung der Steuerspannung von der Bordnetzspannung aufweisen. Zur galvanischen Trennung können verschiedene Bauteile, wie Transformatoren, Kondensatoren und/oder optische Bauelemente eingesetzt werden. Vorteilhafterweise kann hierdurch eine Steuerspannung unabhängig von dem absoluten Spannungswert der Bordnetzspannung zur Verfügung gestellt werden.
Darüber hinaus kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung in der Startervorrichtung eine Entstörschaltung zur elektromagnetischen Verträglichkeits-(EMV)Absicherung vorgesehen sein. Beispielsweise kann zumindest ein Halbleiterbauelement, wie eine Diode, zur EMV-Absicherung installiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Überspannungsschutzschaltung zum Schutz vor einer Überspannung vorgesehen sein. Insbesondere kann die Halbleiterschaltereinrichtung und/oder die Komplementärstufe geschützt werden. Eine Überspannungsschutzschaltung kann zumindest ein Halbleiterbauelement, wie eine Diode, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann darüber hinaus eine Verpolschutzschaltung vorgesehen sein. Auch bei einer Verpolschutzschaltung kann bevorzugt zumindest ein Halbleiterbauelement, wie eine Diode, eine Zenerdiode, oder dergleichen verwendet werden. Es versteht sich, dass die einzelnen Schutzschaltungen miteinander kombinierbar sind.
Ferner kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel die Halbleiterschaltereinrichtung Mehrfachsteuersignaleingänge aufweisen. Beispielsweise können die Mehrfachsteuersignaleingänge derart konfiguriert sein, dass verschiedene Einschalt- bzw. Stromanstiegzeiten realisierbar sind.
Darüber hinaus können Freilaufelemente zur Eliminierung möglicher Induktionsspannungen bei (zwingend erforderlichen) kleinen Ausschaltzeiten vorgesehen sein.
Die Startervorrichtung kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Start-Stopp-Schalter sein. Es ist erkannt worden, dass bei einem Start-Stopp-Betrieb eines Kraftfahrzeugs eine Aufrechterhaltung der Bordnetzspannung auch während eines Startvorgangs in einfacher Weise erzielt werden kann, wenn als Schaltereinrichtung eine Halbleiterschaltereinrichtung eingesetzt wird. Insbesondere kann dann auf Stützelemente verzichtet werden. Ein Einbruch der Bordnetzspannung kann insbesondere dadurch verhindert werden, dass ein gezieltes Hochfahren einer Halbleiterschaltereinrichtung möglich ist.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird auch bei einem Kraftfahrzeug umfassend die zuvor beschriebene Startervorrichtung gelöst.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Startervorrichtung und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu sei einerseits verwiesen auf die dem Hauptanspruch nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Startervorrichtung gemäß der Erfindung,
2 eine schematischen Schaltplan eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Startervorrichtung gemäß der Erfindung, und
3 ein schematische Ansicht eines Boardlayouts eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Startervorrichtung gemäß der Erfindung.
Die 1 zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Startervorrichtung 2 gemäß der Erfindung. Eine derartige Startervorrichtung 2 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Insbesondere kann die Startervorrichtung 2 als ein Start-Stopp-Schalter gebildet sein.
Die Startervorrichtung 2 umfasst zumindest eine Schaltereinrichtung 8. Die Schaltereinrichtung 8 ist zwischen einer Energiequelle 6, wie der Fahrzeugbatterie, und einer mit einer Brennkraftmaschine 4 verbundenen Startereinrichtung 10 angeordnet. Die Startereinrichtung 10 kann beispielsweise ein Starterritzel aufweisen, welches auf einer Welle der Startereinrichtung 10 axial stufenlos verschiebbar ist.
Zum Antreiben der Welle kann die Startereinrichtung 10 einen Elektromotor (nicht dargestellt) einsetzen, wie einen Reihenschlussmotor, Gleichstrommotor oder dergleichen. Die Startereinrichtung 10, insbesondere der Elektromotor der Startereinrichtung 10, kann mit der Energiequelle 6 durch ein Schalten, insbesondere Schließen, der Schaltereinrichtung 8 elektrisch verbunden werden.
Die Schaltereinrichtung 8 ist eine Halbleiterschaltereinrichtung 8. Die Halbleiterschaltereinrichtung 8 kann zumindest einen, bevorzugt mehrere geeignete Halbleiterschalter 14.1, 14.2 umfassen. Beispielsweise können zumindest zwei parallel geschaltete Leistungstransistoren 14.1, 14.2, insbesondere MOSFETs, vorgesehen sein.
Es versteht sich, dass die Halbleiterschaltereinrichtung 8 drei oder mehr Halbleiterschalter, insbesondere Leistungstransistoren umfassen kann, die bevorzugt (alle) parallel zueinander geschaltet sein können. Die Anzahl an implementierten Halbleiterschalter kann unter anderem von dem maximalen, bei einem Startvorgang fließenden, Starterstrom und/oder von dem maximal zulässigen Strom, der durch einen Halbleiterschaltern fließen darf ohne ihn zu beschädigen, abhängen. Bei einem Starterstrom von z. B. 1000 A und einem zulässigen Strom von 100 A pro Leistungstransistor sind zumindest zehn Leistungstransistoren erforderlich. Es versteht sich, dass die Anzahl an erforderlichen Halbleiterschaltern von weiteren Kriterien abhängen kann. Insbesondere kann ein Sicherheitspuffer vorgesehen sein, um Schwankungen des Starterstroms ausreichend Rechnung zu tragen.
Wie der 1 ferner zu entnehmen ist, kann eine Steuereinrichtung 12 zum Steuern der Halbleiterschaltereinrichtung 8 vorgesehen sein. Die Steuereinrichtung 12 kann eine Signaleinrichtung 16 zum Erzeugen eines Anlasssignals 18 aufweisen.
Die Signaleinrichtung 16 kann beispielsweise ein Spannungssignal mit zumindest zwei verschiedenen Spannungspotentialen erzeugen. Ferner kann die Signaleinrichtung 16 insbesondere Detektionsmittel umfassen oder mit Detektionsmitteln verbunden sein, um zu erfassen, ob beispielsweise die Brennkraftmaschine 4 gestartet oder gestoppt werden soll. Beispielsweise kann die Signaleinrichtung 16 die Drehung eines Zündschlüssels oder eine ähnliche Aktion, die zum Starten des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird, erfassen. In Abhängigkeit einer derartigen Aktion kann die Signaleinrichtung 16 ein entsprechendes Anlasssignal 18 generieren.
Bei Ausgestaltung der Startervorrichtung 2 als Start-Stoppschalter kann die Generierung eines Anlasssignals 18 von weiteren Bedingungen, wie Start- und Stoppbedingungen, abhängen. Beispielhafte nicht abschließende Stoppbedingungen sind, dass sich die Brennkraftmaschine im Leerlauf befindet (Drehzahl ca. 0), ein Stillstand des Kraftfahrzeugs, also eine Fahrzeuggeschwindigkeit von 0 km/h oder zumindest ca. 0 km/h, die Feststellbremse angezogen ist, kein Gang eingelegt ist, etc. Hierbei können die einzelnen Bedingungen in beliebiger Weise zu einer Stoppbedingung kombiniert werden. Beispielsweise kann ein Anlasssignal 18 mit einem vorgebbaren Spannungswert generiert werden.
In entsprechender Weise kann die Signaleinrichtung 16 bei Vorliegen einer Startbedingung, wie beispielsweise die Betätigung des Gaspedals und/oder das Lösen der Feststellbremse und/oder das Einlegen eines Ganges und dergleichen, die Generierung eines entsprechenden Anlasssignals 18 zum Starten der Brennkraftmaschine 4 veranlassen. Dieses Signal 18 kann insbesondere einen anderen Spannungswert aufweisen.
Des Weiteren kann die Steuereinrichtung 12 eine Treiberschaltung 20 aufweisen. Die Treiberschaltung 20 kann derart konfiguriert sein, dass sie in Abhängigkeit des von der Signaleinrichtung 16 erzeugten Anlasssignals 18 ein Steuersignal 22 erzeugt bzw. das Anlasssignal 18 in ein geeignetes Steuersignal 22 wandelt.
Die Treiberschaltung 20 kann eine Kopplungseinrichtung 24, konfiguriert zum galvanischen Entkoppeln des Steuersignals 22 von dem Anlasssignal 18, aufweisen. Beispielsweise kann als Kopplungseinrichtung 24 ein Optokoppler eingesetzt werden. Durch die galvanische Trennung können die Halbleiterschalter insbesondere unabhängig von der absoluten Spannung des Anlasssignals 18 geschaltet werden. Es versteht sich, dass auch andere Kopplungseinrichtungen Verwendung finden können.
Ferner kann eine Ansteuerungsschaltung 26 zum Erzeugen des Steuersignals 22 vorgesehen sein, wobei die Ansteuerungsschaltung 26 zumindest zwei Transistoren 28.1 und 28.2 umfassen kann. Die zumindest zwei Transistoren 28.1 und 28.2 können bevorzugt eine Komplementärstufe bilden, also komplementär geschaltet sein. Komplementär im Sinne der Erfindung bedeutet, dass einer der beiden Transistoren 28.1 und 28.2 sperrt und der andere der beiden Transistoren 28.1 und 28.2 durchschaltet. Bei der Verwendung von Leistungstransistoren können durch eine derartige komplementäre Gateansteuerung insbesondere getrennte Einschalt- und Ausschalt-Impedanzen, insbesondere Gate-Source-Impedanzen, realisiert werden.
Die Treiberschaltung 20, insbesondere die Ansteuerungsschaltung 26 umfassend die beiden komplementär geschalteten Transistoren 28.1 und 28.2 kann bevorzugt mit einer konstanten Spannung von z. B. 12 V versorgt werden, wie nachfolgend näher ausgeführt werden wird. Es versteht sich, dass auch andere Spannungswerte vorgegeben werden können.
Mit der Kraftfahrzeugbatterie 6 kann eine Spannungsreglerschaltung 30 elektrisch verbunden sein. Die Spannungsreglerschaltung 30 kann insbesondere die von der Kraftfahrzeugbatterie 6 bereitgestellte Bordnetzspannung in eine Steuerspannung wandeln. Die Steuerspannung kann insbesondere mit einem konstanten für die Ansteuerung der Halbleiterschaltereinrichtung 8 geeigneten Spannungswert von beispielsweise 12 V zur Verfügung gestellt werden.
Die Spannungsreglerschaltung 30 kann einen ersten Gleichspannungswandler 32 aufweisen. Der Gleichspannungswandler 32 ist derart gebildet, dass die von der Kraftfahrzeugbatterie 6 zur Verfügung gestellte Bordnetzspannung auf einen konstanten Spannungswert geregelt werden kann. Beispielsweise kann die Bordnetzspannung zwischen ca. 4,5 V und 16 V schwanken. Der Gleichspannungswandler 32 kann derart konfiguriert sein, dass beispielsweise die Bordnetzspannung (unter allen Betriebsbedingungen) auf eine konstante Betriebsspannung von z. B. 5 V geregelt werden kann.
Die Betriebsspannung kann dann durch einen weiteren Gleichspannungswandler 34 in die Steuerspannung gewandelt werden. Beispielsweise kann als Gleichspannungswandler 34 ein Spannungsregler mit einer Kopplungseinrichtung für eine galvanische Entkopplung der Steuerspannung von der Bordnetzspannung eingesetzt werden.
Darüber hinaus kann eine (nicht dargestellte) Symmetrieschaltung zwischen der Steuereinrichtung 12, insbesondere dem Ausgang der Ansteuerungsschaltung 26, und der Halbleiterschaltereinrichtung 8 vorgesehen sein. Insbesondere kann diese Symmetrieschaltung Kontaktleitungen von dem Ausgang der komplementär geschalteten Transistoren 28.1, 28.2 zu den zumindest zwei Leistungstransistoren 14.1, 14.2 der Halbleiterschaltereinrichtung 8 aufweisen. Der Ausgang der Ansteuerungsschaltung 26 und beispielsweise jedes Gate eines jeden Leistungstransistoren 14.1, 14.2 können über eine geometrische Baumstruktur verbunden sein. Hierdurch werden zu jedem Gate insbesondere gleich lange Kontaktleitungen gebildet. Dies erlaubt insbesondere eine zeitlich synchrone Ansteuerung sämtlicher Halbleiterschalter 14.1, 14.2.
Alternativ oder zusätzlich kann vor jedem Halbleiterschalter 14.1, 14.2, z. B. vor jedem Gate eines Leistungstransistors 14.1, 14.2, ein Widerstand angeordnet sein. Sämtliche Widerstände können bevorzugt den gleichen Widerstandswert aufweisen. Der Widerstandswert kann zumindest größer als ein innerer Widerstand eines Halbleiterschalters 14.1, 14.2, wie einem inneren Gatewiderstand, gewählt werden. Beispielsweise kann bei einem inneren Widerstand von ca. 1 Ohm, der statisch schwanken kann, der Widerstand einen Widerstandswert von zumindest 2 Ohm, vorzugsweise 5 Ohm, und besonders vorzugsweise 10 Ohm aufweisen. Eine zeitliche Symmetrierung ermöglicht insbesondere eine zeitgleiche Ansteuerung der Halbleiterschalter 14.1, 14.2. Eine nahezu gleichzeitige Schaltung sämtlicher Halbleiterschalter 14.1, 14.2 ist möglich.
2 zeigt einen schematischen Schaltplan eines weiteren Ausführungsbeispiels der Startervorrichtung 2.1 gemäß der Erfindung.
Die dargestellte Startervorrichtung 2.1 umfasst einen ersten Gleichspannungswandler 32. Dieser Gleichspannungswandler 32 kann aus einer schwankenden Bordnetzspannung eine Betriebsspannung mit einem bevorzugt konstanten Betriebsspannungswert erzeugen. Beispielsweise kann eine Betriebsspannung mit 5 V generiert werden.
Ein zweiter Gleichspannungswandler 34 kann die vorzugsweise konstante Betriebsspannung in eine insbesondere konstante Steuerspannung von beispielsweise 12 V wandeln. Gleichzeitig kann der zweite Gleichspannungswandler 34 konfiguriert sein, die Steuerspannung von der Betriebsspannung galvanisch zu trennen. Der erste Ausgang 36.1 des Gleichspannungswandlers 34 kann auf dem Potential 12 V liegen, während der zweite Ausgang 36.2 auf dem Sourcepotential 40, z. B. auf Masse, also insbesondere 0 V liegen kann. Es versteht sich, dass gemäß anderen Varianten der Erfindung die Potentiale auch unterschiedliche Werte und/oder Vorzeichen aufweisen können. Dies kann insbesondere von den in der nachfolgenden Komplementärstufe 26 eingesetzten Transistoren und/oder der eingesetzten Halbleiterschaltereinrichtung abhängen.
Um ein Schalten der Halbleiterschaltereinrichtung zu veranlassen, kann ein entsprechendes Anlasssignal 18 generiert und gemäß des dargestellten Ausführungsbeispiels einem Optokoppler 24 für eine galvanische Trennung zugeführt werden. Das resultierende Signal 38 wird zur Ansteuerung der Komplementärstufe, insbesondere der Gate-Kontakte der Transistoren 28.1 und 28.2, verwendet.
Aufgrund der komplementären Verschaltung der Transistoren 28.1, 28.2 kann ein Steuersignal mit einem Spannungswert entsprechend der von dem zweiten Gleichspannungswandler 34 zur Verfügung gestellten Steuerspannung von z. B. 12 V (in diesem Fall schaltet der Transistor 28.1 durch und der Transistor 28.2 sperrt) erzeugt oder mit einem Spannungswert von ca. 0 V (in diesem Fall schaltet der Transistor 28.2 durch und der Transistor 28.1 sperrt) erzeugt werden, wenn das Sourcepotential auf Masse liegt und ca. 0 V beträgt. Mit anderen Worten kann die Halbleiterschaltereinrichtung mit zwei unterschiedlichen, insbesondere jeweils konstanten Spannungswerten angesteuert werden, die je nach der eingesetzten Halbleiterschaltereinrichtung, wie z. B. den Leistungstransistoren, ein Schließen oder Öffnen der Halbleiterschaltereinrichtung veranlassen können.
Ferner ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine kombinierte Überspannungsschutz- und EMV-Absicherungsschaltung 42 vorgesehen. Die Dioden 46 können insbesondere die Drain-Source-Spannung begrenzen. Die Diode 48 kann das Gate 54 vor Überspannung schützen. Ferner kann die Diode 50 zu hohe Selbstinduktionsspannungen auf das Gate 54 koppeln und insbesondere ein zu schnelles Abschalten der Halbleiterschaltereinrichtung verhindern. Die übrigen in der 2 dargestellten Dioden (für eine bessere Übersicht nicht mit Bezugszeichen versehen) können insbesondere als Verpolschutz verwendet werden. Mit dem Bezugszeichen 52 wird ein Drain-Anschluss bezeichnet.
Die Startervorrichtung 2.1 umfasst ferner eine Symmetrieschaltung mit mehreren Kontaktleitungen, die jeweils einen Widerstand 44.1, 44.2 aufweisen. Für eine bessere Übersicht wurden nur zwei Widerstände mit Bezugszeichen versehen. Die Widerstände 44.1, 44.2 weisen insbesondere einen im Wesentlichen gleichen Widerstandswert auf, wie zuvor bereits beschrieben wurde.
Ferner sind Pufferelemente in Form von Kondensatoren in der dargestellten Schaltung vorgesehen. Die Kondensatoren können insbesondere die Versorgungsspannung Puffern und hochfrequente Störimpulse eliminieren.
Darüber hinaus zeigt die 3 ein schematisches Boardlayout eines weiteren Ausführungsbeispiels der Startervorrichtung gemäß der Erfindung.
Insbesondere kann dem dargestellten Boardlayout die Symmetrieschaltung in Form einer Baumstruktur entnommen werden. So können von einem Ausgangspunkt 56, beispielsweise dem Ausgang der Komplementärstufe, Kontaktleitungen 58 zu den einzelnen Halbleiterschaltern, wie Leistungstransistoren, führen. Durch die Baumstruktur können die Kontaktleitungen 58 jeweils eine gleiche Länge aufweisen.
Zudem sind Widerstände 44.1, 44.2 in den Kontaktleitungen 58 vorgesehen, welche bevorzugt nahezu unmittelbar vor den Gates der Leistungstransistoren 14.1, 14.2 (nicht dargestellt) angeordnet sein können.

Claims

Startervorrichtung (2, 2.1) mit Start-Stopp-Funktion für eine Brennkraftmaschine (4) eines Kraftfahrzeugs mit – einer Energiequelle (6) und einer Schaltereinrichtung (8), – wobei die Schaltereinrichtung (8) zwischen der Energiequelle (6) und einer Startereinrichtung (10) angeordnet ist, – wobei die Schaltereinrichtung (8) zum Starten der Brennkraftmaschine (4) die Energiequelle (6) mit der Startereinrichtung (10) elektrisch verbindet, und – einer Steuereinrichtung (12) zum Steuern der Schaltereinrichtung (8), – wobei die Schaltereinrichtung (8) eine Halbleiterschaltereinrichtung (8) ist, – wobei die Halbleiterschaltereinrichtung (8) zumindest zwei parallel geschaltete Halbleiterschalter (14.1, 14.2) aufweist, und – wobei zumindest eine Symmetrieschaltung zwischen der Steuereinrichtung (12) und der Halbleiterschaltereinrichtung (8) für eine synchrone und im Wesentlichen zeitgleiche Ansteuerung der zumindest zwei Halbleiterschalter (14.1, 14.2) der Halbleiterschaltereinrichtung (8) mit einem Steuersignal (22) vorgesehen ist.
Startervorrichtung (2, 2.1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) eine Signaleinrichtung (16) zum Erzeugen eines Anlasssignals (18) aufweist.
Startervorrichtung (2, 2.1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) eine Treiberschaltung (20) zum Generieren eines Steuersignals (22) zum Ansteuern der Halbleiterschaltereinrichtung (8) in Abhängigkeit des Anlasssignals (18) aufweist.
Startervorrichtung (2, 2.1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) eine Kopplungseinrichtung (24) für eine galvanische Entkopplung des Steuersignals (22) von dem Anlasssignal (18) aufweist.
Startervorrichtung (2, 2.1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (20) eine Ansteuerungsschaltung (26) zum Erzeugen des Steuersignals (22) umfasst, wobei die Ansteuerungsschaltung (26) in Form einer Komplementärstufe gebildet ist.
Startervorrichtung (2, 2.1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Symmetrieschaltung eine Leitungsstruktur in Form einer geometrischen Baumstruktur aufweist, und/oder – die Symmetrieschaltung eine erste Kontaktleitung (58) zum Kontaktieren des ersten Halbleiterschalters (14.1) mit der Steuereinrichtung (12) umfasst, wobei die erste Kontaktleitung (58) einen ersten Widerstand (44.1) aufweist, und – die Symmetrieschaltung zumindest eine zweite Kontaktleitung (58) zum Kontaktieren des zweiten Halbleiterschalters (14.2) mit der Steuereinrichtung (12) umfasst, wobei die zweite Kontaktleitung (58) einen zweiten Widerstand (44.2) aufweist, – wobei der erste Widerstand (44.1) und der zweite Widerstand (44.2) einen gleichen Widerstandswert aufweisen.
Startervorrichtung (2, 2.1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsreglerschaltung (30) zum Erzeugen einer vorgebbaren Steuerspannung in Abhängigkeit einer Bordnetzspannung vorgesehen ist.
Startervorrichtung (2, 2.1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsreglerschaltung (30) einen ersten Gleichspannungswandler (32) zum Erzeugen einer Betriebsspannung mit einem vorgebbaren Betriebspannungswert in Abhängigkeit der Bordnetzspannung aufweist.
Startervorrichtung (2, 2.1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsreglerschaltung (30) einen zweiten Gleichspannungswandler (34) zum Erzeugen der Steuerspannung mit einem vorgebbaren Steuerspannungswert in Abhängigkeit der Betriebsspannung aufweist.
Startervorrichtung (2, 2.1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gleichspannungswandler (34) eine Kopplungseinrichtung für eine galvanische Entkopplung der Steuerspannung von der Bordnetzspannung aufweist.
Startervorrichtung (2, 2.1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Entstörschaltung (42) zur elektromagnetischen Verträglichkeits-Absicherung vorgesehen ist, und/oder – eine Überspannungsschutzschaltung (42) zum Schutz vor einer Überspannung vorgesehen ist, und/oder – eine Verpolschutzschaltung vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug umfassend die Startervorrichtung (2, 2.1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.