DE10317093A1

DE10317093A1 - Vorrichtung zur Verbesserung des Start-Stopp-Betriebes eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE10317093A1
Application number: DE10317093A
Authority: DE
Inventors: Klaus Beulich; Manfred Ackermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-04-14
Publication date: 2004-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung des Start-Stopp-Betriebes eines Fahrzeugs. Diese weist eine dem Startergenerator des Fahrzeugs zugeordnete und an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossene Erregerwicklung auf. Die Erregerwicklung ist über einen Schalter an eine Ladeschaltung angeschlossen. Die Ladeschaltung stellt eine Hilfsspannung bereit, die größer ist als die Bordnetzspannung. Diese Hilfsspannung wird im Start-Stopp-Betrieb in der Startphase kurzzeitig an die Erregerwicklung angelegt und bewirkt einen schnellen Anstieg des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung des Start-Stopp-Betriebes eines Fahrzeugs.
Stand der Technik
Zum Zwecke einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, einer Verbesserung der elektrischen Bordnetzleistung und einer Verbesserung des Start-Stopp-Betriebes eines Fahrzeugs wurden in den letzten Jahren Systeme entwickelt, die einen integrierten Startergenerator auf der Kurbelwelle aufweisen, sowie Systeme, die anstelle eines üblichen Startergenerators einen riemenbetriebenen Startergenerator aufweisen. Bei diesen bekannten Systemen liegt beim Startbetrieb im Start-Stopp-Betriebsfall insbesondere dann, wenn die vorhandene Bordnetzspannung 12 V beträgt, im Vergleich zu einem konventionellen Startsystem ein verhältnismäßig kleines Trägheitsmoment an der Kurbelwelle vor. Ferner ergibt sich bei einer stromminimierten Auslegung des riemenbetriebenen Startergenerators oder des integrierten Startergenerators im Vergleich zu einem konventionellen Startsystem ausgehend von der Drehzahl Null ein vergleichsweise kleines maximales Startmoment.
Diese Effekte führen zu einer starken Abhängigkeit der Starteigenschaften von der Auspendelposition des Verbrennungsmotors, die sich in unterschiedlichen Amplituden und Energien der zu überwindenden Momente bis zur ersten vollen Kompression ausdrückt. Insbesondere beim Vorliegen einer ursprünglich nur für einen Generatorbetrieb entwickelten Klauenpolmaschine wird die elektrische Erregung über Schleifringe zugeführt mit einer stromminimierten Auslegung unter Anwendung einer relativ großen Zeitkonstante, die beispielsweise bei etwa 100 ms liegt.
Bezüglich des Start-Stopp-Betriebes gibt es Forderungen der Fahrzeughersteller, gemäß welcher bei einem sogenannten Ampelstart die Zeit, bis das Fahrzeug in Vortrieb geht, im Bereich von 300 bis 500 ms liegen soll. Ein Erfüllen dieser Forderungen mit den bekannten Systemen ist insbesondere bei einer knappen Momentenauslegung und bei einer ungünstigen Auspendelstellung problematisch.
Aus der EP 0 825 700 A1 ist ein Spannungsversorgungssystem mit erhöhter Ausgangsleistung bekannt. Bei diesem bekannten System wird bei einer Zuschaltung eines starken Verbrauchers die an der Erregerwicklung liegende Spannung kurzzeitig gegenüber der Bordnetzspannung erhöht. Diese Spannungserhöhung wird entweder mittels zusätzlicher Wicklungen und Hilfsdioden im Generator oder mit Hilfe eines Spannungswandlers erhalten.
Aus der DE 197 21 386 A1 ist eine Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine bekannt. Diese bekannte Startvorrichtung weist einen Startermotor auf, der über ein Starterrelais mit einer Spannungsquelle verbindbar und mit der Brennkraftmaschine zum Andrehen in Eingriff bringbar ist. Die Ansteuerung des Starterrelais und/oder des Startermotors erfolgt über ein elektronisches Steuergerät. Dieses steuert dem Starterrelais und/oder dem Startermotor zugeordnete Halbleiter-Leistungsendstufen derart an, dass zumindest in einem Start-Stopp-Betrieb der Brennkraftmaschine das Starterrelais im Stopp-Zustand der Brennkraftmaschine seine Einspurstellung aufweist, d. h. den Ritzel des Startermotors in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine einspurt. Dadurch wird neben einer Zeiteinsparung beim Starten in der Stat-Stopp-Betriebsart ein sauberes, verschleißfreies Einspuren erreicht.
Vorteile der Erfindung
Eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass die geforderte Startdynamik ohne eine Vergrößerung der elektrischen Maschine und/oder der Phasenströme im Generator erreicht wird. Unter Verwendung der im Anspruch 1 angegebenen Ladeschaltung, die über einen Schalter an die Erregerwicklung angeschlossen ist, wird im Start-Stopp-Betriebsfall beim Starten der durch die Erregerwicklung fließende Erregerstrom sehr schnell erhöht. Beispielsweise kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Einstellung des Erregerstroms mittels der üblichen 12 V-Bordnetzspannung eine Beschleunigung um den Faktor 10 erreicht werden. Die genannte sehr schnelle Erhöhung des Erregerstromes beim Starten kann ohne Auftreten eines Überschwingens erfolgen oder alternativ dazu mit Auftreten eines Überschwingens im Sinne eines Übererregungsbetriebes. Im ersten Fall wird eine starke Zeitverkürzung bis zur vollen Erregung bei minimaler Ladeenergie erreicht. Im zweiten Fall wird die Zeit noch weiter verkürzt und die Startdynamik weiter erhöht.
Vorzugsweise weist die Ladeschaltung einen elektrischen Speicher auf, der auf den Wert der Hilfsspannung aufgeladen wird und diese dann bei Bedarf bereitstellt.
Zwischen der Ladeschaltung und der Erregerwicklung ist in vorteilhafter Weise ein Schalter vorgesehen, der normalerweise geöffnet ist und nur dann geschlossen wird, wenn im Start-Stopp-Betriebszustand ein Start erfolgt. Das Schließen des Schalters erfolgt vorzugsweise als Folge der Betätigung des Gaspedals des Fahrzeugs.
Durch eine zwischen das Bordnetz und die Erregerwicklung geschaltete Entkopplungsdiode, wie sie im Anspruch 8 an gegeben ist, werden unerwünschte Auswirkungen der Hilfsspannung auf das Bordnetz verhindert.
Die Vorteile der Verwendung eines Schalters, wie er Gegenstand der Ansprüche 9 bis 11 ist, bestehen darin, dass der Übererregungsbetrieb zeitlich beeinflusst, insbesondere verkürzt werden kann. Dies wirkt sich auf das Startverhalten des Fahrzeugs positiv aus und kann auch ein Auftreten unerwünschter thermischer Effekte, insbesondere eine Überhitzung im Erregerkreis und bezüglich stromführender Teile, vermeiden.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Zeichnung.
Zeichnung
Die 1 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Erfindung.
Beschreibung
Die 1 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die dargestellte Vorrichtung, mittels welcher ein im Vergleich zum Stand der Technik verbesserter Start-Stopp-Betrieb eines Fahrzeugs erreicht wird, weist eine dem Startergenerator des Fahrzeugs zugeordnete Erregerwicklung R, L auf. Dabei symbolisiert der Widerstand R den Ohmschen Widerstand der Erregerwicklung und die Spule L die Induktivität der Erregerwicklung. Beispielsweise gilt R = 0,75 Ohm und L = 50 mH.
Die Erregerwicklung R, L ist über einen Schalter S3 und eine Entkopplungsdiode D1 mit dem Bordnetz B verbunden, wobei am Bordnetz B eine Bordnetzspannung von 12 V anliegt. Die Anode der Entkopplungsdiode D1 ist mit dem massefernen Anschluss des Bordnetzes B und die Kathode der Entkopplungsdiode D1 mit einem Anschluss des Schalters S3 verbunden. Der andere Anschluss des Schalters S3 ist mit dem massefernen Anschluss der Erregerwicklung R, L verbunden. Parallel zur Erregerwicklung R, L ist eine Freilaufdiode D2 geschaltet.
Weiterhin weist die in der 1 gezeigte Vorrichtung eine Ladeschaltung auf, welche eine Spannungsquelle A, einen Schalter S1 und einen Hilfskondensator C enthält. Ist der Schalter S1 geöffnet, dann ist der Hilfskondensator C von der Spannungsquelle A abgetrennt. Ist der Schalter S1 geschlossen, dann wird der Hilfskondensator C von der Spannungsquelle A über den geschlossenen Schalter S1 auf einen Spannungswert aufgeladen, der größer ist als die Bordnetzspannung von 12 V. Beispielsweise liegt der Spannungswert, auf den der Hilfskondensator C aufgeladen wird, bei 100 V.
Die Ladeschaltung A, S1, C ist über einen Schalter S2 mit der Erregerwicklung R, L verbunden. Dieser Schalter S2 ist im Normalbetrieb des Fahrzeugs und auch in der Stopp-Phase des Start-Stopp-Betriebes geöffnet, so dass keine Verbindung zwischen dem massefernen Anschluss des Hilfskondensators C und dem massefernen Anschluss der Erregerwicklung R, L besteht. In diesen Zeiträumen erfolgt die Energieversorgung der Erregerwicklung über die Entkopplungsdiode D1 und den geschlossenen Schalter S3 aus dem Bordnetz.
Erfolgt im Start-Stopp-Betrieb in der Stopp-Phase zum Zwecke der Einleitung eines Startvorganges eine Betätigung des Gaspedals des Fahrzeugs, dann wird als Reaktion auf diese Betätigung des Gaspedals der Schalter S2 geschlossen und dadurch die von der Ladeschaltung bereitgestellte höhere Spannung an die Erregerwicklung R, L ange legt. Dies erfolgt beispielsweise für eine Zeitdauer zwischen etwa 60 ms und etwa 200 ms.
Je nach Dimensionierung der Schaltungselemente können dabei verschiedene Charakteristiken erzielt werden, wie nachfolgend anhand der 2 erläutert wird. Diese zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Erfindung.
In diesem Diagramm ist längs der Abszisse die Zeit und längs der Ordinate der Erregerstrom aufgetragen. Die Kurve k1 zeigt den Verlauf des durch die Erregerwicklung R, L fließenden Erregerstromes, wenn die Ladeschaltung A, S1, C nicht vorhanden ist bzw. wenn von dieser kein Gebrauch gemacht wird. Es ist ersichtlich, dass der Erregerstrom in diesem Fall langsam und stetig ansteigt und seinen Endwert, der in der gezeigten Darstellung bei etwa 16 A liegt, nach Ablauf von 100 ms noch nicht erreicht hat. Der genannte Endwert entspricht dem stationären Erregerstrom, der sich bei ausschließlicher Verwendung der Bordnetzspannung von 12 V einstellt.
Die Kurve k2 zeigt den Verlauf des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes, wenn von der Ladeschaltung Gebrauch gemacht wird und der Kapazitätswert des Hilfskondensators C bei 1,5 mF liegt. In diesem Fall hat der Erregerstrom einen steilen Anstieg und erreicht seinen bei etwa 16 A liegenden stationären Endwert bereits nach etwa 12 ms, ohne dass ein Überschwingen auftritt. Diesen Endwert behält er dann bei. Bei dieser Dimensionierung des Hilfskondensators wird eine schnelle Erhöhung des Erregerstromes bei kleinem Kapazitätswert des Hilfskondensators erreicht. Zu dieser schnellen Erhöhung des Erregerstroms ist im Unterschied zu den Kurven k3 und k4, die unten noch erläutert werden, nur eine reduzierte Ladeenergie notwendig. Dies erlaubt die Verwendung eines elektrischen Speichers mit reduzierter Kapazität. Die schnelle Erhöhung des Erregerstromes und damit eine schnelle Einstellung des Antriebsmoments sind zur Erzielung einer hohen Startdynamik insbesondere deshalb wichtig, weil bei diesen Betriebsbedingungen die Anfangsbeschleunigung beim Überfahren der Kompression mithilft.
Die Kurve k4 zeigt den Verlauf des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes, wenn von der Ladeschaltung Gebrauch gemacht wird und der Kapazitätswert des Hilfskondensators C bei 4 mF liegt. In diesem Fall hat der Erregerstrom einen noch steileren Anstieg und erreicht den Wert von 16 A bereits nach etwa 10 ms. Danach steigt der Erregerstrom im Unterschied zu k2 jedoch weiter an und erreicht nach ca. 20 ms einen Wert von etwa 24 A. Von diesem Wert aus nähert sich der Erregerstrom mit zunehmender Zeit dem gewünschten Endwert, der bei etwa 16 A liegt, von oben und erreicht diesen beispielsweise nach etwa 200 ms. Mit dieser Dimensionierung des Hilfskondensators wird eine noch höhere Startdynamik erreicht. Der transiente Erregerstrom überschwingt in der dynamikrelevanten Andrehphase den stationären Erregerstromwert bis zum Überschreiten der ersten vollen Kompression. Bei dieser Dimensionierung werden die durch die Übererregung bewirkten Effekte im Rahmen der thermischen und magnetischen Möglichkeiten noch gesteigert. Der stationäre Erregerstrom stellt sich nach Beendigung der Übererregungsphase bzw. nach Beendigung des Startvorganges automatisch ein.
Die Kurve k3 zeigt den Verlauf des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes, wenn von der Ladeschaltung Gebrauch gemacht wird und der Kapazitätswert des Hilfskondensators C ebenso wie bei der Kurve k4 bei 4 mF liegt. In diesem Fall stimmt der Verlauf des Erregerstromes bis zum Zeitpunkt t = 40 ms mit dem der Kurve k4 überein. Im Zeitintervall zwischen t = 40 ms und t = 80 ms wird jedoch der Schalter S3 geöffnet, so dass die Verbindung zwischen dem Bordnetz B und der Erregerwicklung R, L unterbrochen ist. Folglich leistet die Bordnetzspannung in diesem Zeitintervall keinen Beitrag zum Erregerstrom. Die Folge ist, dass der Erregerstrom bis zum Ende dieses Zeitintervalls auf den gewünschten Endwert von 16 A abfällt und danach konstant bleibt. Dies entspricht einer Verkürzung des Übererregungsbetriebes, welche starttechnisch und auch aufgrund thermischer und magnetischer Erfordernisse vorteilhaft ist. Insbesondere wird erreicht, dass die thermisch zulässigen Werte im Erregerkreis inklusive der stromzuführenden Teile nicht überschritten werden.
Aus einem Vergleich der Kurve k1 mit den Kurven k2, k3, und k4 ergibt sich, dass der Erregerstrom bei k2, k3 und k4 wesentlich schneller ansteigt als bei k1. Dies hat zur Folge, dass bei einem im Start-Stopp-Betrieb durchgeführten Startvorgang das Fahrzeug wesentlich schneller in Vortrieb geht als bei bekannten Vorrichtungen, so dass die entsprechenden Forderungen der Fahrzeughersteller erfüllt werden.
Die in der 1 gezeigten Schalter S1, S2 und S3 sind vorzugsweise als Halbleiterschalter realisiert. Der Hilfskondensator C kann alternativ zum oben beschriebenen Ausführungsbeispiel auf andere Spannungswerte dimensioniert werden, beispielsweise um einen kostengünstigen Kondensator einsetzen zu können. Es muss lediglich darauf geachtet werden, dass diese anderen Spannungswerte größer sind als der Wert der Bordnetzspannung. Als elektrischer Speicher kann auch ein Supercapacitor oder ein Ultracapacitor verwendet werden.

Claims

Vorrichtung zur Verbesserung des Start-Stopp-Betriebes eines Fahrzeugs, welche eine dem Startergenerator des Fahrzeugs zugeordnete und an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossene Erregerwicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklung (R, L) über einen Schalter (S2) an eine Ladeschaltung (A, S1, C) angeschlossen ist, welche eine Hilfsspannung bereitstellt, die größer ist als die Bordnetzspannung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschaltung einen elektrischen Speicher aufweist, an welchem die Hilfsspannung anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Speicher ein Kondensator (C), ein Supercapacitor oder ein Ultracapacitor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschaltung eine Spannungsquelle (A) aufweist, die über einen Schalter (S1) mit dem elektrischen Speicher verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Erregerwicklung (R, L) und der Ladeschaltung (A, S1, C) angeordnete Schalter (S2) beim Fahrzeugstart zum Zwecke einer beschleunigten Erhöhung des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes kurzzeitig geschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Erregerwicklung (R, L) und der Ladeschaltung (A, S1, C) angeordnete Schalter (S2) beim Fahrzeugstart zum Zwecke einer beschleunigten Erhöhung des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes für eine Dauer zwischen etwa 60 ms und etwa 200 ms geschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Erregerwicklung (R, L) und der Ladeschaltung (A, S1, C) angeordnete Schalter (S2) als Reaktion auf eine Betätigung des Gaspedals im Stopp-Betrieb des Fahrzeugs geschlossen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zwischen der Erregerwicklung (R, L) und dem Bordnetz (B) angeordnete Entkopplungsdiode (D1) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen weiteren Schalter (S3) aufweist, der zwischen der Erregerwicklung (R, L) und dem Bordnetz (B) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Schalter (S3) in dem Zeitraum, in dem der zwischen der Erregerwicklung (R, L) und der Ladeschaltung (A, S1, C) angeordnete Schalter (S2) geschlossen ist, für ein kurzes Zeitintervall geöffnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das kurze Zeitintervall eine Dauer zwischen etwa 20 ms und etwa 40 ms hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklung (R, L) und die Ladeschaltung (A, S1, C) derart di mensioniert sind, dass der durch die Erregerwicklung fließende Erregerstrom seinen stationären Endwert erreicht, ohne dass ein Überschwingen auftritt (2, Kurve k2).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklung (R, L) und die Ladeschaltung (A, S1, C) derart dimensioniert sind, dass der durch die Erregerwicklung fließende Erregerstrom seinen stationären Endwert im Sinne eines Übererregungsbetriebes zunächst überschwingt und sich dem stationären Endwert dann von oben her annähert (2, Kurven k3 und k4).
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Übererregungszeit und -amplitude zum Zwecke des Erzielens einer maximalen Startdynamik unter Einhaltung thermischer und magnetischer Erfordernisse einstellbar ist (2, Kurve k4).