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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Ritzelstarter für einen Verbrennungsmotor, welches ein Niedervoltbordnetz und ein Hochvoltbordnetz umfasst, und bei dem der Ritzelstarter einen Elektromotor und ein Einrückrelais aufweist.
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Die Anzahl von Startvorgängen des Verbrennungsmotors ist bei Fahrzeugen mit einer automatischen Motor-Stopp-Start-Funktion im Vergleich zu einem konventionellen Kraftfahrzeug, bei welchem ausschließlich Kaltstarts bei einem Fahrtantritt durchgeführt werden, deutlich erhöht. Dies gilt in besonderem Maße für Hybridfahrzeuge, bei denen der Verbrennungsmotor nach einem automatischen Stopp des Verbrennungsmotors und während elektrischen Fahrens zugestartet wird.
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Nach dem Stand der Technik sind Startvorrichtungen für Verbrennungsmotoren von Hybridfahrzeugen bekannt, die einen Hochvolt-Starter umfassen, siehe etwa
DE 10 2009 057 263 A1 .
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einem Ritzelstarter für einen Verbrennungsmotor, welches ein Niedervoltbordnetz und ein Hochvoltbordnetz umfasst, und bei dem der Ritzelstarter einen Elektromotor und ein Einrückrelais aufweist, zu beschreiben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist der Elektromotor als Drehfeldmaschine ausgeführt, die mit elektrischer Leistung aus dem Hochvoltbordnetz speisbar ist, und es ist das Einrückrelais von dem Niedervoltbordnetz elektrisch speisbar.
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Dies bedeutet, dass der Ritzelstarter derart in ein Fahrzeug mit einem Niedervoltbordnetz und mit einem Hochvoltbordnetz integrierbar ist, dass der Elektromotor hochvoltkompatibel gestaltet ist und mit elektrischer Leistung aus dem Hochvoltbordnetz versorgt wird und das Einrückrelais von dem Niedervoltbordnetz elektrisch versorgt wird.
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Erfindungsgemäß umfasst der Ritzelstarter eine Leistungselektronikeinheit, welche die Drehfeldmaschine und das Einrückrelais steuert, und welche von dem Hochvoltbordnetz elektrisch speisbar ist und elektrische Leistung aus dem Hochvoltbordnetz wechselrichtet.
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Dies bedeutet, dass der Ritzelstarter eine Leistungselektronikeinheit aufweist, die Regel- und Steuersignale bidirektional mit der Drehfeldmaschine austauscht. Die Leistungselektronik regelt die Drehfeldmaschine und speist die Drehfeldmaschine mit wechselgerichteter elektrischer Leistung aus dem Hochvoltbordnetz.
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Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn das Kraftfahrzeug ein Steuergerät umfasst und das Steuergerät mit der Leistungselektronikeinheit bidirektional kommuniziert.
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Die Leistungselektronikeinheit oder das Steuergerät tauscht unidirektional Steuersignal mit dem Einrückrelais aus und steuert das Einrückrelais.
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Demnach sind von dem Steuergerät an die Leistungselektronikeinheit Steuer- und Regelparameter für die Steuerung der Drehfeldmaschine und Steuerparameter für das Einrückrelais an das Einrückrelais oder die Leistungselektronikeinheit übermittelbar.
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Nach einer weiteren Variante der Erfindung ist das Fahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet und es sind von dem Ritzelstarter Kaltstarts, Warmstarts und Reflexstarts ausführbar.
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Unter Kaltstart wird ein Start beim Antritt einer Fahrt verstanden. Ein Warmstart ist ein Zustart des Verbrennungsmotors bei aktueller Fahrt, z.B. nach einem automatischen Motorstopp an einer roten Ampel oder ein Zustart des Verbrennungsmotors bei rein elektrischer Beschleunigung. Unter einem Reflexstart wird ein Start des Verbrennungsmotors bei auslaufendem, d.h. noch drehendem, Verbrennungsmotor verstanden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Steuergerät eine Drehzahlerkennung des Verbrennungsmotors und eine Drehzahlerkennung der Drehfeldmaschine aufweist sowie die Leistungselektronikeinheit das Einrückrelais bei einer mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors synchronisierten Drehzahl der Drehfeldmaschine das Ritzel in einen Motorzahnkranz einrückt.
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Bei einem Reflexstart ist es also möglich, dass die Drehzahl des auslaufenden Motors und somit des Motorzahnkranzes sowie die Drehzahl der Drehfeldmaschine und somit des Starterritzels überwacht werden und das Ritzel bei einer mit der Drehzahl des Motorzahnkranzes synchronen Drehzahl in den Motorzahnkranz einspurt.
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Weiterhin ist die Leistungselektronikeinheit mit einer galvanischen Trennung ausgeführt.
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Dies ist deshalb von besonderem Vorteil, da die Leistungselektronikeinheit sowohl mit dem Hochvoltbordnetz und als auch mit dem Niedervoltbordnetz elektrisch verbunden ist. Die galvanische Trennung führt dazu, dass das Niedervoltbordnetz frei von Potentiallagen aus dem Hochvoltbordnetz ist.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Leistungselektronikeinheit und die Drehfeldmaschine luftgekühlt ausgeführt.
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Die Drehfeldmaschine ist bevorzugt als Asynchronmaschine gestaltet. Dann können die Leistungselektronikeinheit und die Drehfeldmaschine besonders kostengünstig und robust ausgestaltet werden.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
- Bei Hybridfahrzeugen, bei Plug-In-Hybridfahrzeugen oder bei Fahrzeugen mit einer Motor-Stopp-Start-Funktion ist ein Start des abgestellten Verbrennungsmotors während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs durchführbar. Ein solcher Start wird als Zustart bezeichnet und wird mit einer Hochvoltantriebsmaschine oder mit einem Ritzelstarter aus einem separaten 12 Volt-Zustartbordnetz durchgeführt. Nachteilig daran ist, dass ein separates 12 V-Zustartbordnetz neben einem 12 V-Basisbordnetz in der Regel einen separaten 12 V-Zustartspeicher und ein Koppelelement zwischen dem 12 V-Basisbordnetz und dem 12 V-Zustartbordnetz zum Nachladen des Zustartspeichers erfordert.
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Ein Zustart über eine Hochvoltantriebsmaschine erfordert je nach Maschinenkonzept der Antriebsmaschine einen hohen Drehmomentvorhalt in der Antriebsmaschine für eine parallel zum elektrischen Fahren aufzubringende Startleistung. Dieses vorzuhaltende Moment ist für elektrisches Fahren nicht verfügbar.
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Es wird deshalb vorgeschlagen, einen Hochvoltritzelstarter als Startsystem für Kalt-, Warm- und Reflexstartvorgänge bei Hybridfahrzeugen zu integrieren. Der Vorteil eines Hochvoltritzelstarters besteht in der geometrischen und elektrischen Ähnlichkeit mit einem konventionellen Ritzelstarter. Dies betrifft die geometrische Gestaltung und die Schnittstellen eines Hochvoltritzelstarters. Ein Hochvoltritzelstarter mit einer hochvoltkompatiblen Antriebseinheit weist ein ähnliches Einspurverhalten mit einem 12 V-Einrückrelais und einem Rollenfreilauf wie ein konventioneller Ritzelstarter auf. Außerdem ist der Hochvoltritzelstarter in einem vergleichbaren Bauraum wie ein konventioneller Ritzelstarter integrierbar. Der Motorkern mit Primärwicklung und Sekundärwicklung ist hochvoltkompatibel ausgeführt unter Berücksichtigung von Berührspannungsvorgaben für Hochvoltsysteme.
Ein Hochvoltritzelstarter bietet mehrere Vorteile: Unter Nutzung von für konventionelle verbrennungsmotorische Fahrzeuge bekannten Bauräumen können bei Hybridfahrzeugen Zustartanforderungen umgesetzt werden, ohne eine Hochvoltantriebsmaschine für Zustarts zu befähigen und ohne ein Zusatzbordnetz mit Zusatzspeicher und Gleichstromsteller in das Fahrzeug zu integrieren.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematisch
- 1 Hochvoltritzelstarter in einem Fahrzeug
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1 zeigt ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (1), mit einem Niedervoltbordnetz (3) und einem Hochvoltbordnetz (4). Das Fahrzeug ist ein Hybridfahrzeug und weist im Antriebsstrang (13) eine elektrische Traktionsmaschine (14) auf, die aus dem Hochvoltbordnetz (4) mit elektrischer Leistung versorgbar ist. Ein Ritzelstarter (2) ist zum Starten des Verbrennungsmotors eingerichtet. Der Ritzelstarter entspricht einem dem Fachmann bekannten, jedoch in geschickter Weise modifizierten und in geschickter Weise in das Fahrzeug integrierten konventionellen 12 V-Ritzelstarter. Der Ritzelstarter weist ein Starterritzel (8) mit Ritzelzähnen (9) auf, die in einem eingespurten Zustand in Kranzzähne (11) eines Zahnkranzes (10) des Verbrennungsmotors greifen. Das Einspuren des Starterritzels erfolgt durch ein Einrückrelais (6). Das Einrückrelais wird von dem Niedervoltbordnetz des Fahrzeugs gespeist. Im eingespurten Zustand dreht eine elektrische Maschine (5) des Ritzelstarters den Verbrennungsmotor über den Zahnkranz an.
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Die elektrische Maschine des Ritzelstarters ist als asynchrone Drehfeldmaschine mit einem Käfigläufer ausgeführt. Die Drehfeldmaschine wird über das Hochvoltbordnetz des Fahrzeugs versorgt. Zwischen das Hochvoltbordnetz und die Drehfeldmaschine ist eine Leistungselektronik (7) geschaltet, die Bestandteil des Ritzelstarters ist. Die Leistungselektronik speist die Drehfeldmaschine mit wechselgerichtetem Strom aus dem Hochvoltbordnetz. Deshalb wird der Ritzelstarter auch als Hochvoltritzelstarter bezeichnet. Insbesondere erfasst die Leistungselektronik die Drehzahl des Läufers über einen Drehzahlgeber. Neben der Maschine steuert die Leistungselektronik das Einrückrelais. Die elektrische Versorgung des Einrückrelais, d.h. die z.B. zum Aufbau eines Magnetfeldes in einer Relaisspule nötige Energie wird vom Niedervoltbordnetz bereitgestellt. Dazu wird das Relais von der Leistungselektronikeinheit über einen Leistungsschalter, z.B. einen MOSFET, mit dem Niedervoltbordnetz verschaltet.
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Die Leistungselektronik kommuniziert bidirektional mit einem Steuergerät des Fahrzeugs. Das Steuergerät übermittelt der Leistungselektronik als ein Eingangssignal insbesondere die Drehzahl des Motors oder die Drehgeschwindigkeit der Kranzzähne. In Abhängigkeit von der Drehzahl des Ritzels und damit von der Drehgeschwindigkeit der Ritzelzähne steuert die Leistungselektronik das Einrückrelais. In dem Zeitraum, in welchem die Drehgeschwindigkeit der Ritzelzähne mit der Drehgeschwindigkeit der Kranzzähne im Wesentlichen synchron, d.h. gleich, sind, übermittelt die Leistungselektronik ein Einrücksignal an das Einrückrelais.
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Bei eingerücktem Ritzel triggert die Leistungselektronik das eigentliche Losbrechen des Starters. Die Drehfeldmaschine überträgt das zum Start des Verbrennungsmotors nötige Drehmoment auf den Zahnkranz. Nach dem Start des Motor kommt es zu einem Überholen des Käfigläufermotors durch den Verbrennungsmotor. In dieser Phase bewirkt die Lagerung des Starterritzels mit einem Rollenfreilauf eine Entkopplung des Starterritzels vom Startermotor. Diese von der Leistungselektronik erfassbare Drehzahlüberhöhung des Verbrennungsmotors triggert das Einrücken des Starterritzels durch das Einrückrelais.
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Dies bietet den besonderen Vorteil, dass bei einem Hybridfahrzeug auch bei auslaufendem Verbrennungsmotor, zum Beispiel in einer Rollphase des Fahrzeugs, ein Wiederstart erfolgen kann. Ein Stillstehen des Zahnkranzes ist nicht erforderlich, so dass der Wiederstart bei einer Startanforderung sofort erfolgen kann. Deshalb wird ein solcher Start auch als Reflexstart bezeichnet. Überdies erfolgt der Reflexstart aufgrund der Synchronität der Drehgeschwindigkeiten ohne Zahn-Zahn-Kollisionen zwischen Ritzelzähnen und Kranzzähnen. Somit ist ein Reflexstart nahezu geräuschlos und ruckelfrei durchführbar. Ein Reflexstart kann also für einen Insassen des Fahrzeugs kaum wahrnehmbar und somit sehr komfortabel erfolgen. Dies kann zusätzlich durch eine Schrägverzahnung der Zähne unterstützt werden.
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Das Einspuren des Starterritzels für einen Kaltstart und für einen Warmstart erfolgt bei dem Hochvoltstarter wie bei einem konventionellen Ritzelstarter. Dies bedeutet, dass von der Leistungselektronik des Hochvoltritzelstarters gesteuert bei einem Reflexstart zuerst die Drehfeldmaschine gedreht und das Ritzel danach eingerückt wird und bei einem Warmstart zuerst das Ritzel eingerückt wird und danach die Drehfeldmaschine angedreht wird.
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Die Leistungselektronik des Hochvoltritzelstarters weist zudem eine galvanische Trennung auf. Dies bedeutet, dass die Leistungselektronik eine elektrische Entkopplung des Hochvoltpotentials des Hochvoltbordnetzes von dem Niedervoltpotential des Niedervoltbordnetzes sicherstellt.
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Der Hochvoltritzelstarter bietet den Vorteil, dass bei einem Hybridfahrzeug Kaltstarts, Warmstarts und Reflexstarts mit einem einzigen Startsystem durchführbar sind. In dem Hybridfahrzeug sind für den Hochvoltritzelstarter die für einen konventionellen Ritzelstarter genutzten Bauräume nutzbar. Zudem erfolgt der Antrieb des Drehfeldmotors aus dem Hochvoltbordnetz. Somit ist gewährleistet, dass die für einen Start des Verbrennungsmotors notwendige hohe elektrische Leistung von dem Hochvoltbordnetz bereitgestellt wird. Die bei weitem geringere elektrische Leistung zum Schalten des Einrückrelais wird vom Niedervoltbordnetz bereitgestellt. Dies bedeutet, dass der bei einem Start infolge des Leistungsbedarfs des Starters typischerweise erfolgende Spannungseinbruch in einem Fahrzeugbordnetz in dem Niedervoltbordnetz ausbleibt. Dies führt zu einer hohen spannungsbezogenen Stabilität im Niedervoltbordnetz, so dass insbesondere unterspannungskritische Verbraucher im Niedervoltbordnetz während eines Starts zuverlässig elektrisch versorgbar sind.
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In besondere Weise vorteilhaft ist die galvanische Trennung des Hochvoltpotentials vom Niedervoltpotential über den Hochvoltritzelstarter. Die Versorgung des Einrückrelais durch das Niedervoltbordnetz und die galvanische Trennung der Leistungselektronik stellt sicher, dass das Hochvoltpotential, mit dem der Käfigläufermotor treibbar ist, nicht auf das Niedervoltbordnetz „durchgreifen“ kann.
