DE19532484A1 - Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß Brennkraftmaschinen mittels einer Startvorrichtung gestartet werden müssen, da diese nicht von alleine anlaufen. Hierzu werden üblicher­ weise Startermotoren eingesetzt, die über ein als so­ genanntes Einrückrelais ausgebildetes Starterrelais mit einer Spannungsquelle verbunden werden und gleichzeitig ein Ritzel des Startermotors mit der Brennkraftmaschine zum Andrehen in Eingriff gebracht wird. Zum Einschalten des Starterrelais ist es be­ kannt, dieses über einen externen Schalter, bei­ spielsweise einem Zündschalter oder Startschalter des Kraftfahrzeug oder ein externes Relais anzusteuern.

Hierdurch wird der relativ große Strom, der beim Be­ tätigen des Starterrelais fließt, besser beherrsch­ bar. Das Starterrelais erzeugt mit diesem Strom die erforderliche Kraft, um die Startvorrichtung einzu­ spuren und eine Kontaktbrücke zu schließen, um den Startermotor mit der Spannungsquelle zu verbinden. Das Starterrelais weist hierzu bekanntermaßen eine Einzugs- und eine Haltewicklung auf. Nach erfolgtem Start wird der Startvorgang vom Führer des Kraft­ fahrzeugs durch Trennen der Spannungsquelle von dem Startermotor beendet.

Aus der DE-OS 28 36 047 ist eine Steuerschaltung zum Ansteuern des Starterrelais bekannt, mit dem eine ma­ nuelle Fehlbedienung des Starterrelais, beispielswei­ se über einen Zündschalter, einen Anlaßschalter be­ ziehungsweise einen kombinierten Zündanlaßschalter verhindert werden soll. Darüber hinaus sind bei­ spielsweise aus dem US-PS 4,739,736 elektronische Ein­ richtungen bekannt, die zum Ansteuern des Starter­ relais einer Startvorrichtung eingesetzt werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Startvorrichtung mit den im An­ spruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß der Startvorgang der Brennkraftmaschine automatisiert und gleichzeitig koordiniert in Abhängigkeit weiterer Funktionszustände des Kraftfahrzeugs ablaufen kann. Dadurch, daß die elektronische Einrichtung von einem an oder in der Startvorrichtung angeordneten elektro­ nischen Relais gebildet wird, das über einen Logik­ signaleingang von einem elektronischen Motor-Steuer­ gerät des Kraftfahrzeugs ansteuerbar ist, ist es vor­ teilhaft möglich, eine leistungs- und damit energie­ arme sowie verschleißfreie Einleitung beziehungsweise Beendigung des Startvorgangs zu erreichen. Durch die elektronische Ansteuerung über ein in der Regel im Kraftfahrzeug vorhandenes Motor-Steuergerät sind ver­ schiedene Steuerfunktionen des Starterrelais in ein­ facher Weise erreichbar. So kann eine Versorgung des Starterrelais mit Einzugs- und Haltestrom beim Start­ vorgang, eine sichere Unterbrechung des Einzugs- und Haltestroms beziehungsweise gegebenenfalls nur des Haltestroms, bei Beendigung des Startvorgangs er­ reicht werden. Nach Beendigung eines Startvorgangs kann eine sichere Trennung der Startvorrichtung vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs realisiert werden, so daß Fehlbedienungen, insbesondere das Einleiten eines Startvorgangs während einer laufenden Brennkraft­ maschine, verhindert werden können. Darüber hinaus kann über das mit der Startvorrichtung kombinierte elektronische Relais gleichzeitig sehr vorteilhaft ein Selbstschutz gegen Überlastung, als Überspan­ nungsschutz, als Überstromschutz und/oder als Über­ temperaturschutz erreicht werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vor­ gesehen, daß das elektronische Relais so ausgebildet ist, daß es mit der Startvorrichtung integriert wer­ den kann, das heißt, das elektronische Relais ist als modulartige Baueinheit ausgebildet, die entweder an Funktionseinheiten oder in Funktionseinheiten der Startvorrichtung angeordnet werden kann. Hierdurch wird kein beziehungsweise nur sehr geringer zusätz­ licher Bauraum für das elektronische Relais benötigt. Darüber hinaus ist eine zusätzliche Verkabelung in­ nerhalb des Kraftfahrzeugs nicht erforderlich. Durch den Austausch einer kompletten Startvorrichtung be­ ziehungsweise von Teilen der Startvorrichtung, die das elektronische Relais aufweisen, können somit auch Kraftfahrzeuge nachgerüstet werden, die bisher nicht über eine entsprechende elektronische Einrichtung zum Steuern der Startvorrichtung verfügen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merk­ malen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei­ spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Startvorrichtung;

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Startvorrichtung;

Fig. 3 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht einer Startvorrichtung;

Fig. 4 bis 6 verschiedene Ansichten eines elektronischen Relais;

Fig. 7 eine Außenansicht eines Schalterdeckels eines Starterrelais;

Fig. 8 eine schematische Gesamtübersicht einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs;

Fig. 9 bis 15 verschiedene Schaltungsanordnungen einer Verschaltung des elektronischen Relais.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Anhand des in Fig. 1 gezeigten Blockschaltbildes wird das Gesamtsystem zum Starten eines Kraftfahr­ zeugs erläutert. Eine Startvorrichtung 10 besitzt einen Startermotor 12 und ein Starterrelais 14. Das Starterrelais 14 weist eine Einzugswicklung 16 und eine Haltewicklung 18 auf. Eine hier angedeutete Schaltachse 20 des Starterrelais 14 trägt eine Schaltbrücke 22. Der Startermotor 12 trägt auf seiner Antriebsachse 24 ein axial verschiebbares Ritzel 26, das über die Schaltachse 20 des Starterrelais 14 (Einrückrelais) mit einem hier angedeuteten Zahnrad 28 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine in Eingriff bringbar ist.

Der Startvorrichtung 10 ist eine elektronische Ein­ richtung 30, die nachfolgend insgesamt als elektro­ nisches Relais 32 bezeichnet wird, zugeordnet. Das elektronische Relais 32 besitzt einen Leistungsbau­ stein 34 sowie eine Freilaufdiode 36. Der Leistungs­ baustein 34 ist mit einer Anschlußklemme 38 ver­ bunden, die mit einer Spannungsquelle des Kraftfahr­ zeugs verbunden ist. Als Spannungsquelle des Kraft­ fahrzeugs sind allgemein eine Akkumulatorenbatterie 40 und ein Generator 42 eingesetzt. Der Leistungsbau­ stein 34 ist weiterhin mit einem Masseanschluß 43 versehen und mit einer Anschlußklemme 44 verbunden, die mit der Einzugswicklung 16 und der Haltewicklung 18 des Starterrelais 14 verbunden ist. Der Leistungs­ baustein 34 stellt somit ein zwischen den Anschluß­ klemmen 38 und 44 liegendes Schaltmittel dar. Die Anschlußklemme 44 ist weiterhin mit der Kathode der Freilaufdiode 36 verbunden, deren Anode an Masse liegt, so daß die Freilaufdiode 36 parallel zur Hal­ tewicklung 18 des Starterrelais 14 geschaltet ist. Die Anschlußklemme 38 ist weiterhin mit einem ersten Kontakt der Schaltbrücke 22 verbunden, deren zweiter Kontakt mit einer Anschlußklemme 46 verbunden ist. Die Anschlußklemme 46 ist mit der Wicklung des Star­ termotors 12 und der Einzugswicklung 16 des Starter­ relais 14 verbunden.

Ein Logiksignaleingang 47 des Leistungsbausteins 34 ist über eine Anschlußklemme 48 mit einem elektro­ nischen Motor-Steuergerät 50 des Kraftfahrzeugs ver­ bunden. Das Motor-Steuergerät 50 ist weiterhin mit der Anschlußklemme 38 und über eine Anschlußklemme 52 mit einem Zündschloß 54 des Kraftfahrzeugs verbunden.

Die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung übt folgen­ de Funktion aus:

Soll das nicht dargestellte Kraftfahrzeug gestartet werden, wird durch Betätigung des Zündschlosses 54 das elektronische Motor-Steuergerät 50 aktiviert. Dieses stellt daraufhin dem elektronischen Relais 32 ein Ansteuersignal bereit, das am Logiksignaleingang 47 des Leistungsbausteins 34 anliegt. Dieses Signal stellt eine Information bereit, daß der Startvorgang eingeleitet werden soll.

Das am Logiksignaleingang 47 anliegende Ansteuer­ signal besteht beispielsweise aus einer Spannung, beispielsweise einer Spannung von größer 8 V gegen Masse, die während des gesamten Startvorgangs an­ liegt. Das elektronische Relais 32 kann so aufgebaut sein, daß die Ansteuerspannung während des Start­ vorgangs absinken kann, beispielsweise auf einen Wert von kleiner als 4 V, ohne daß der Startvorgang unter­ brochen wird. Das elektronische Relais besitzt einen hohen Eingangswiderstand, so daß der über den Logik­ signaleingang 47 fließende Steuerstrom eine geringe Stromstärke von beispielsweise kleiner 0,1 A auf­ weist. Die geringe Stromstärke kann problemlos von einer Endstufe des Motor-Steuergerätes 50 geliefert werden.

Durch das Anlegen des Einschaltsignals an den Logik­ signaleingang 47 schaltet der Leistungsbaustein 34 die an der Anschlußklemme 38 anliegende Versorgungs­ spannung U_bat auf die Einzugswicklung 16 und die Haltewicklung 18 des Starterrelais 14 durch. Hier­ durch wird in allgemein bekannter Weise die Schalt­ achse 20 des Starterrelais 14 axial bewegt, so daß einerseits das Ritzel 26 des Startermotors 12 mit dem Zahnkranz 28 in Eingriff gebracht wird und anderer­ seits die Schaltbrücke 22 geschlossen wird. Hierdurch liegt an der Anschlußklemme 46 die Versorgungs­ spannung U_bat an, und der Startermotor 12 ist mit einer notwendigen Betriebsspannung verbunden. Gleich­ zeitig wird die Einzugswicklung 16 stromlos ge­ schaltet, da deren Wicklungsanfang über die Anschluß­ klemme 44 und Wicklungsende über Anschlußklemme 46 auf gleichen Potentialen liegen. Das Starterrelais 14 wird nur noch über die Haltewicklung 18 bestromt, die eine ausreichend große Haltekraft für die Schaltachse 20 bereitstellt.

Wird über das Motor-Steuergerät 50 das am Logik­ signaleingang 46 anliegende Steuersignal so beein­ flußt, daß es unter die Abschaltspannung des elektro­ nischen Relais 32 fällt oder wird der Eingang 46 auf Masse gelegt, trennt der Leistungsbaustein 34 die Anschlußklemmen 38 und 44, so daß die Haltewicklung 18 des Starterrelais 14 stromlos wird und somit das Starterrelais 14 abfällt. Hierdurch wird einerseits der Ritzel 26 ausgespurt und die Schaltbrücke 22 ge­ öffnet. Der Startvorgang ist somit beendet und die Brennkraftmaschine 28 angedreht. Die Freilaufdiode 36 gewährleistet, daß beim Abschalten der Haltewicklung 18 entstehende induktive Überspannungen abgebaut wer­ den können.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild der in Fig. 1 darge­ stellten Anordnung. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch­ mals erläutert. Anhand der Schaltungsanordnung wird deutlich, daß das elektronische Relais 32 einen als Schaltmittel 56 ausgebildetes Leistungsbaustein 34 besitzt. Dem Schaltmittel 56 ist parallel eine Schutzdiode 58 geschaltet. Ferner ist eine Verpol­ schutzdiode 60 vorgesehen, deren Anode mit der An­ schlußklemme 38 und deren Kathode mit dem Leistungs­ baustein 34 verbunden ist. Die Verpolschutzdiode dient dem Schutz des Leistungsbausteins 34 gegenüber einem falschen Anschließen. Der Verpolschutz kann jedoch auch durch konstruktive Maßnahmen, die einen eindeutigen Einbau des elektronischen Relais 32 gewährleisten, sichergestellt werden, so daß auf die Anordnung der Verpolschutzdiode 60 verzichtet werden kann. Weiterhin ist eine Überspannungsdiode 62 vor­ gesehen, die den Leistungsbaustein 34 vor Überspan­ nungen des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs schützen soll. Insbesondere bei Betrieb des Generators 42 (Fig. 1) kann es zu üblichen Spannungsschwankungen kommen. Ist jedoch der Generator 42 mit sogenannten Load-Dump-Dioden ausgestattet, die an sich schon einen Überspannungsschutz gewährleisten, kann auf die Anordnung der Überspannungsdiode 62 ebenfalls ver­ zichtet werden.

Der Leistungsbaustein 34 ist ein smart-power-MOSFET, der neben dem durch einen Leistungstransistor reali­ sierten Schaltmittel 56 einen integrierten Überspan­ nungsschutz, eine Überstrombegrenzung und eine Temperaturabschaltung besitzt, so daß sich der Leistungsbaustein 34 selbst gegen Überlastung schützt. Der MOSFET ist als high-side-Schalter mit integrierter Ladungspumpe ausgeführt.

In der Fig. 3 ist eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht der Startvorrichtung 10 gezeigt. Auf die Erläuterung von für die vorliegende Erfindung nicht relevanten Details wurde verzichtet, zumal der konstruktive Aufbau der Startvorrichtung 10 allgemein bekannt ist. Anhand der Fig. 3 sollen die möglichen Einbauorte des elektronischen Relais 32 innerhalb der Startvorrichtung 10 verdeutlicht werden. Eine erste Möglichkeit besteht darin, das elektronische Relais 32 in das Starterrelais 14 zu integrieren. Hierbei kann ein Einbauraum zwischen den Wicklungen 16 und 18 des Starterrelais und der Schaltbrücke 22 genutzt werden. Das elektronische Relais 32 besitzt hierbei einen anhand der Fig. 4 bis 7 noch detaillierter erläuterten Aufbau. Der Einbauort des elektronischen Relais 32 im Starterrelais 14 bietet den Vorteil, daß eine örtliche Nähe zu den Anschlußklemmen der Start­ vorrichtung 10 und der Haltewicklung 18 sowie der Einzugswicklung 16 des Starterrelais 14 gegeben ist.

Darüber hinaus ist es möglich, das elektronische Relais 32 an der hier mit 64 bezeichneten Position anzuordnen. Hierbei kann das elektronische Relais 32 als entsprechend gekapseltes Modul 66 ausgebildet sein, das an ein Polgehäuse 68 des Startermotors 12 angebracht, beispielsweise angeschraubt, ist. Als weiterer möglicher Einbauort kommt ein Raum unterhalb einer Kommutatorlagerkappe 70 oder im Bereich des Antriebslagers 72 des Startermotors 12 in Frage. Hierzu wäre die Kommutatorlagerkappe 70 beziehungs­ weise das das Antriebslager 72 umgebende Gehäuseteil der Bauform des elektronischen Relais 32 entsprechend anzupassen. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll sich nicht auf einen bestimmten Einbauraum des elektronischen Relais 32 festgelegt werden, vielmehr sollen die verschiedenen Möglichkeiten der platz­ sparenden Anordnung in Kombination mit der gesamten Startvorrichtung 10 aufgezeigt werden. Insgesamt ist es also möglich, ohne daß die Startvorrichtung 10 ei­ nen größeren, gegebenenfalls nur einen geringfügig vergrößerten Einbauraum im Kraftfahrzeug benötigt, das elektronisch Relais 32 anzuordnen. Durch Kombi­ nation des elektronischen Relais 32 mit der Startvor­ richtung 10 ist es darüber hinaus möglich, bereits in Kraftfahrzeugen eingebaute Startvorrichtungen 10 durch eine Startvorrichtung 10 zu ersetzen, die ein elektronisches Relais 32 aufweist.

Anhand der Fig. 4, 5, 6 und 7 wird eine konkrete konstruktive Ausgestaltung eines elektronischen Re­ lais 32 erläutert, wobei hier davon ausgegangen wird, daß das elektronische Relais 32 in das Starterrelais 14 integriert wird. Die Fig. 4 und 5 zeigen hier­ bei eine Draufsicht auf das elektronische Relais 32, wobei in der Fig. 5 eine Abdeckung abgenommen ist, so daß in das elektronische Relais 32 hineinbetrach­ tet werden kann.

Fig. 6 zeigt eine Schnittdarstellung des elektro­ nischen Relais 32 entsprechend der Linie I-I in Fig. 4, während Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Schalterdeckel des Starterrelais 14 zeigt.

Den Fig. 4 bis 6 ist ohne weiteres zu entnehmen, daß das elektronische Relais 32 als kompakte Bau­ einheit 74 ausgebildet ist. Das elektronische Relais 32 weist die Freilaufdiode 36 sowie den als den Chip 76 ausgebildeten Leistungsbaustein 34 auf. Der Chip 76 trägt hierbei die einzelnen Bestandteile des Leistungsbausteins 34, wie beispielsweise das Schalt­ mittel 56, die Überstrombegrenzung, die Temperaturab­ schaltung sowie den Überspannungsschutz, die hier nicht detailliert dargestellt sind. Der Leistungsbau­ stein 34 und die Freilaufdiode 36 sind in einem Ge­ häuse 78 angeordnet, welches aus einem Isolierma­ terial besteht. Das Gehäuse 78 kann beispielsweise ein Kunststoffspritzteil sein. Innerhalb des Gehäuses 78 ist ein Einbauraum 80 für die Freilaufdiode 36 und ein Einbauraum 82 für den Leistungsbaustein 34 aus­ gebildet. Zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse der Freilaufdiode 36 und des Leistungsbausteins 34 ist ein Stanzgitter 84 vorgesehen, das die entspre­ chenden elektrischen Leiterbahnen ausbildet. Das Stanzgitter 84 ist mit dem Leistungsbaustein 34, insbesondere mit dem Chip 76, über eine entsprechende Anzahl von Bonddrähten 86 verbunden. Zur Aufnahme der Freilaufdiode 36 bildet das Stanzgitter 84 einen Kragen 88 aus, in den die Freilaufdiode 36 mit ihrem Sockel 90 eingepreßt ist. Zur Stabilisierung des Stanzgitters 84 ist dieses formschlüssig mit ent­ sprechenden Isolierstoffbereichen 92 des Gehäuses 78 verbunden. Das Stanzgitter 84 führt zu den Anschluß­ klemmen 38, 48, 44 sowie zu dem Masseanschluß 94 (vergleiche Fig. 1). Der Einbauraum 82 ist mittels einer Kappe 96 verschließbar. Die Kappe 96 ist mittels einer Rastverbindung 98 mit dem Gehäuse 78 lösbar verbindbar. Durch die lösbare Verbindung der Kappe 96 mit dem Gehäuse 78 kann diese abgenommen werden, wie Fig. 5 zeigt, so daß der Einbauraum 82 mit dem Leistungsbaustein 34 zugänglich wird. Der Chip 76 des Leistungsbausteins 34 ist über eine Un­ terlage 100 auf einem Kühlkörper 102, beispielsweise einem Kupferblock, angeordnet. Das Gehäuse 78 weist eine in etwa zentral angeordnete Durchgangsöffnung 102 auf, durch die die Schaltachse 20 des Starter­ relais 14 führbar ist. Durch Ausbildung der Durch­ gangsöffnung 102 kann das elektronische Relais 32 sehr vorteilhaft in das Starterrelais 14 integriert werden, wobei beidseitig des elektronischen Relais 32 Funktionselemente des Starterrelais 14 angeordnet werden können. Ferner sind als Bohrungen ausgebildete Öffnungen 104 vorgesehen, durch die Befestigungs­ schrauben zum Befestigen des Gehäuses 78 geführt werden können.

In Fig. 7 ist eine Draufsicht auf einen Deckel 106 des Starterrelais 14 gezeigt. Der Deckel 106 weist die hier mit 108 und 110 bezeichneten Haupt­ stromkontakte auf, die mittels der Schaltbrücke 22 miteinander verbunden werden können. Weiterhin sind die Anschlußklemmen 38, 44, 48 und 94 herausgeführt, so daß eine Kontaktierung entsprechend der in Fig. 1 gezeigten Verschaltung durchgeführt werden kann. So­ mit müssen keine zusätzlichen Anschlüsse nach außen, aus dem Starterrelais 14 herausgeführt werden.

In der Fig. 8 ist eine schematische Gesamtübersicht über das elektronische Steuersystem eines Kraftfahr­ zeugs gezeigt. Anhand der Übersicht wird deutlich, daß das Motor-Steuergerät 50 eine Vielzahl von Funk­ tionselementen des Kraftfahrzeugs überwacht bezie­ hungsweise ansteuert, wobei auf die detaillierte Funktion und Wirkungsweise des Motor-Steuergerätes 50 im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden soll. Anhand der Übersicht soll lediglich deutlich gemacht werden, daß durch die Kopplung der Startvorrichtung 10 über das elektro­ nische Relais 32 mit dem Motor-Steuergerät 50 eine Einbindung der Startvorrichtung 10 in das gesamte Steuermanagement des Kraftfahrzeugs in einfacher Wei­ se möglich ist. Somit kann eine Betätigung bezie­ hungsweise eine Außerbetriebsetzung der Startvorrich­ tung 10 in Abhängigkeit weiterer momentaner Zustände der anderen Funktionselemente des Kraftfahrzeugs rea­ lisiert werden. Es wird ein aufeinander abgestimmtes Verhalten möglich, wobei Fehlfunktionen ausgeschlos­ sen werden können.

Nachfolgend werden die einzelnen Elemente der System­ konfiguration kurz benannt, ohne eine detaillierte Erläuterung zu geben. Über die dargestellten Steuer­ leitungen 114 erhält das Motor-Steuergerät 50 Infor­ mationen oder gibt entsprechende Steuersignale, bei­ spielsweise an einen Kraftstoffbehälter 116, eine Elektrokraftstoffpumpe 118, einen Kraftstoffilter 120, einen Druckregler 122, Einspritzventile 124, einen Hochspannungsverteiler 126, einen Leerlaufdreh­ zahlsteller 128, einen Lufttemperaturfühler 130, einen Drosselklappenschalter 132, eine Lambda-Sonde 134, eine Zündspule 136, einen Motortemperaturfühler 138, einen Drehzahlgeber 140, einen Klimaschalter 142, den Startzündschalter 54 sowie der Start­ vorrichtung 10. Über die Batterie 40 erfolgt eine Spannungsversorgung des Motor-Steuergerätes 50.

Durch die Einbindung der Startvorrichtung 10 in das Gesamtsystem wird dessen Ansteuerbarkeit in einfacher Weise möglich, wobei eine Ansteuerspannung beispiels­ weise zwischen 8 V und 24 V bei einem Ansteuerstrom kleiner als 2 A für eine Batteriespanung von 12 V oder 24 V möglich ist. Somit ist eine insgesamt lei­ stungsarme Ansteuerung der Startvorrichtung 10 mög­ lich. Mittels des elektronischen Relais 32 kann neben der beschriebenen Funktion als analoge elektronische, energiearme Schnittstellung zwischen der Startvor­ richtung 10 und dem Motor-Steuergerät 50 eine Reihe von weiteren Funktionen realisiert werden. Hierbei können unter anderem die in dem Chip 76 des Lei­ stungsbaustein 34 integrierten Schaltungen der Tempe­ raturbegrenzung, der Überstrombegrenzung und des Überspannungsschutzes sehr vorteilhaft mit in die An­ steuerfunktionen des Motor-Steuergerätes 50 einbezo­ gen werden. So ist es beispielsweise möglich, eine Startwiederholfunktion zu realisieren, bei der mit­ tels einer Grenztemperaturabschaltung des Leistungs­ transistors und deren Hysterese ein erneuter Start­ versuch nach Erreichen einer unteren Grenztemperatur eingeleitet werden kann. Eine weitere Möglichkeit der Realisierung der Startwiederholfunktion besteht dar­ in, die Spannung an der Schaltbrücke 22 zu messen und für den Fall, wenn nach einer bestimmten wählbaren Zeitspanne nach Einleitung des Startvorgangs keine Spannung vorhanden ist, der Startvorgang abgebrochen und/oder nach einer weiteren Zeitspanne wiederholt wird.

Darüber hinaus kann ein Abschalten der Startvorrich­ tung 10 bei Überschreiten einer Startergrenztempe­ ratur realisiert werden, indem beispielsweise ein Einfachtemperatursensor der Startvorrichtung zugeord­ net wird, der beispielsweise in der Nähe der Kohle­ bürsten des Startermotors 12 angeordnet ist, ein Signal bereitstellt, das ein Abschalten des elektro­ nischen Relais und damit ein Ausspuren der Start­ vorrichtung 10 bewirkt. Weiterhin kann eine integrale Auswertung des Quadrates des Motorstroms des Star­ termotors 12 vorgenommen werden. Dieser erhaltene Wert ist proportional einem Verlustintegral im Star­ termotor und damit ein Maß für die Erwärmung des Startermotors 12. Bei Überschreiten eines bestimmten wählbaren Grenzwertes wird der Startvorgang abge­ brochen.

Es ist bekannt, zur Vermeidung von Relaisschäden des Starterrelais 14 durch Überhitzung die Wicklung in die Einzugswicklung 16 und die Haltewicklung 18 auf­ zuteilen, die einen unterschiedlichen Drahtquer­ schnitt aufweisen können. Die hohe Anzugskraft des Starterrelais 14 beim Einspuren wird durch kurz­ zeitiges Parallelschalten beider Wicklungen erzeugt. Die erforderliche kleinere Haltekraft während des Startens der Brennkraftmaschine, die für einen län­ geren Zeitraum als die Anzugskraft benötigt wird, wird durch die Haltewicklung 18 bei kleinem Strom und geringen Verlusten alleine erzeugt. Das elektronische Relais 32 bietet hier die Möglichkeit, beide Funk­ tionen, also das Aufbringen der Anzugskraft und das Aufbringen der Haltekraft, mit einer Wicklung zu realisieren. Dies wird erreicht, indem mittels des elektronischen Relais 32 zwei unterschiedliche Strom­ stärken durch feste Taktverhältnisse für das Ein­ spuren und das Halten des Starterrelais 14 bereit­ gestellt werden. Der Umschaltzeitpunkt kann bei­ spielsweise durch eine Sensierung der an der An­ schlußklemme 46 anliegenden Spannung ermittelt wer­ den. Hierdurch wird eine Fertigungsvereinfachung und eine Materialeinsparung für das Starterrelais 14 er­ zielt.

Darüber hinaus ist es mittels des elektronischen Relais möglich, über eine getaktete Ansteuerung be­ ziehungsweise eine Stromregelung den Bewegungsablauf des Ankers des Starterrelais 14 beim Einspuren zu steuern, so daß ein sicheres, verschleiß- und geräuscharmes Einspuren möglich wird. Hierdurch kommt es neben einer deutlichen Komforterhöhung zu einer Vergrößerung der Standzeit des Starterrelais 14.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mittels des elektronischen Relais 32 die Wicklung des Starter­ relais 14 als Vorwiderstand für den Startermotor 12 zu schalten, um ein langsames Durchdrehen des Startermotors 12 beim Einspuren zu ermöglichen. Da hierbei ein relativ hoher Relaisstrom von ca. 200 A fließt, muß eine entsprechende Auslegung des elektro­ nischen Relais 32 für diese Stromstärken erfolgen. Dies kann beispielsweise durch eine Parallelschaltung von zwei Leistungsbausteinen 34 erfolgen.

Ferner ist es möglich, mittels des elektronischen Relais 32 ein automatisches Ausspuren der Start­ vorrichtung 10 bei Erreichen einer Starterleerlauf­ drehzahl zu realisieren. Hier wird ein wirksamer Schutz der Startvorrichtung 10 gegen zu hohe Dreh­ zahlen erreicht. Weiterhin ist eine zusätzliche Sicherheitsfunktion zu dem bereits bekannterweise realisierten Freilauf möglich. Aufrund der doppelten Sicherheit für den Startermotor 12 kann eine kon­ struktive Vereinfachung im Feld- und Ankerbereich des Startermotors 12 erfolgen. Die Drehzahl des Starter­ motors 12 kann beispielsweise über einen Drehzahl­ sensor oder über eine Beobachtung des Starterstroms ermittelt werden. Hierzu kann beispielsweise zu einem Zeitpunkt, zu dem der Starterstrom einen Minimalwert (Leerlaufstrom) unterschreitet, die Startvorrichtung 10 abgeschaltet werden.

Eine weitere sehr vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, über das elektronische Relais 32 in Verbindung mit dem Motor-Steuergerät 50 eine elektronische Weg­ fahrsperre für das Kraftfahrzeug zu realisieren. Über die Anschlußklemme 48 kann das Motor-Steuergerät 50 dem elektronischen Relais 32 vor jedem Startvorgang eine Impuls folge übergeben, die das elektronische Relais 32 mit einer internen Impulsfolge vergleicht. Erst bei Übereinstimmen der beiden Impuls folgen wird der Startvorgang eingeleitet. Stimmen die Impuls­ folgen nicht überein, wird der Startvorgang über das elektronische Relais 32 gesperrt. Hierzu ist es mög­ lich, daß jedes elektronische Relais 32 bei seiner Herstellung einen fest eingeprägten Code erhält, der beispielsweise an das Herstellungsdatum gekoppelt und monatlich gewechselt werden kann. Die Einprägung des Codes beim Herstellungsprozeß des Relais 32 kann bei­ spielsweise über die in dem Chip 76 vorhandene Hoch­ temperaturlogik, das heißt der Übertemperaturschutz­ schaltung, realisiert werden. Weiterhin ist es mög­ lich, in das elektronische Relais 32 einen Mikro­ prozessor oder eine programmierbare Logik zu inte­ grieren. Hier kann der Frage- und Antwortcode frei programmiert werden und über das Motor-Steuergerät 50 festgelegt beziehungsweise turnusmäßig verändert wer­ den. Bei Einsatz des elektronischen Relais 32 als elektronische Wegfahrsperre sollte eine entsprechende mechanische Sicherung beziehungsweise durch Wahl des Einbauortes des elektronischen Relais 32 eine Mani­ pulation zum Überbrücken ausgeschlossen werden. Letztendlich wird es hiermit möglich, eine Über­ brückung des elektronischen Relais 32 nur durch Zerstörung der Startvorrichtung 10 zu erreichen, so daß ein unbefugtes Weg fahren des Kraftfahrzeugs aus­ geschlossen ist.

Durch die Schnittstelle zwischen dem Motor-Steuer­ gerät 50 und dem elektronischen Relais 32 kann für die Steuerung der Startvorrichtung 10 die Software des Motor-Steuergerätes 50 sehr vorteilhaft mit ein­ gesetzt werden. So ist beispielsweise ein automa­ tisches Beenden des Startvorgangs bei Lauf der Brenn­ kraftmaschine möglich, und es ist ein Einspuren der Startvorrichtung 10 in eine laufende Brennkraftma­ schine zu verhindern. Insgesamt ist also der Start­ vorgang eines Kraftfahrzeugs sicherer zu beherrschen und weitgehend vor Fehlbedienungen geschützt.

Nach nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist es selbstverständlich möglich, das elektronische Relais 32 auch von beliebigen anderen Steuergeräten, also nicht dem Motor-Steuergerät 50, anzusteuern. Auch ist eine direkte Betätigung des elektronischen Relais 32, beispielsweise über das Zündschloß 54, möglich, so daß die in den Chip 76 des Leistungsbausteins 34 integrierten Funktionen realisierbar sind.

Anhand der Fig. 9 bis 15 sind verschiedene Aus­ stattungsvarianten des elektronischen Relais 32, ins­ besondere des Leistungsbausteins 34, gezeigt. Hierbei wird dem Gedanken Rechnung getragen, daß das elektro­ nische Relais 32 redundant ausgelegt ist, das heißt, zur Erhöhung der Sicherheit der Einleitung und der Beendigung des Startvorgangs sind logische Ver­ knüpfungen zwischen Schaltungsteilen vorgesehen, die beim Vorliegen beziehungsweise Nichtvorliegen einer bestimmten Information eine Funktion des elektro­ nischen Relais 32 verhindern. In den Fig. 9 bis 15 sind gleiche Teile wie in den vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch­ mals erläutert. Im einzelnen wird nur auf die Beson­ derheiten der jeweiligen Schaltungsvariante eingegan­ gen.

In der Fig. 9 besteht der Leistungsbaustein 34 aus zwei in Reihe zueinander geschalteten Power-MOS-Chips 144. Die PMOS-Transistoren 144 sind über eine Logik­ schaltung 146 miteinander verknüpft. Die Logikschal­ tung 146 - die gegebenenfalls auch auf den PMOS-Chips 144 mit integriert ist - überprüft, ob zwischen den Transistoren 144 im ausgeschalteten Zustand, das heißt, an der Anschlußklemme 48 liegt kein Signal an, an einer zwischen den Transistoren 144 liegenden Klemme 148 eine Spannung anliegt. Für den Fall, daß an der Klemme 148 eine Spannung anliegt, wird ein Fehler sensiert und über die Logikschaltung 146 die Transistoren 144 blockiert, so daß ein Einleiten be­ ziehungsweise ein erneutes Einleiten eines Startvor­ gangs verhindert wird. Neben der Blockierung des elektronischen Relais 32 kann diese Fehlermeldung zur Weiterverarbeitung auch einer nicht dargestellten Auswerteeinheit zugeführt werden.

Bei der in Fig. 10 gezeigten Schaltungsvariante be­ sitzt das elektronische Relais 32 zwei parallel zu­ einander geschaltete PMOS-Transistoren 144. Diese sind wiederum über die Logikschaltung 146 miteinander verknüpft. Ein erster - hier links dargestellter - Transistor 144 steuert eine erste Wicklung 150 und ein zweiter Transistor 144 eine zweite Wicklung 152 des Starterrelais 14 an. Die Wicklungen 150 und 152 sind so ausgelegt, daß nur beim Bestromen beider Wicklungen ein Anziehen des Starterrelais 14 möglich ist. Zum Aufbringen der Haltekraft hingegen reicht ein Bestromen der Wicklung 152 aus. Die Logik­ schaltung 146 überwacht die Transistoren 144 da­ hingehend, ob ein Durchschalten ohne Anlegen eines Steuersignals an der Anschlußklemme 48 erfolgt. Für den Fall, daß eines der Relais 144 durchschaltet, wird ein Fehler detektiert und das elektronische Relais 32 blockiert, so daß weitere Startversuche verhindert werden können.

Bei der in Fig. 11 gezeigten Variante wird die Frei­ laufdiode 36 aus Fig. 1 durch einen Transistor 154 ersetzt, der über die Logikschaltung 146 mit dem Leistungsbaustein 34 verknüpft ist. Die Logikschal­ tung 146 überwacht hierbei, ob der Leistungsbaustein 34 fehlerhaft durchgeschaltet wird. Ist dies der Fall, wird der Transistor 154 angesteuert, so daß die Wicklungen 16 und 18 des Starterrelais 14 über die Anschlußklemme 44 kurzgeschlossen werden. Hierdurch wird das Einleiten eines Startvorgangs sicher ver­ mieden. Weiterhin ist der Transistor 154 für höhere Stromstärken ausgelegt als der Transistor des Lei­ stungsbausteins 34. Hierdurch wird gewährleistet, daß im Fehlerfall die Bondverbindungen 86 (Fig. 5) schmelzen und somit als Sicherung wirken.

Bei der in Fig. 12 dargestellten Schaltungsvariante ist zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 dem Leistungsbaustein 34 ein Sicherungselement 156 zugeordnet. Das Sicherungselement 156, das als geson­ dertes Bauteil ausgebildet sein kann oder in eine Verbindungsleitung zwischen den einzelnen Bauelementen integriert sein kann, übernimmt hierbei beim Auf­ treten von im Fehlerfall auftretenden hohen Strömen die Abschaltung des elektronischen Relais 32.

Fig. 13 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der das elektronische Relais 32 anstatt mit der Anschluß­ klemme 38 mit der Anschlußklemme 52 verbunden ist, so daß über das Zündschloß 54 ein Zu- beziehungsweise Abschalten des elektronischen Relais 32 erfolgen kann. Hierdurch wird ein manueller Eingriff in die Abfolge des Startvorgangs der Startvorrichtung 10 möglich. Nach einer weiteren Ausführungsvariante kann die in Fig. 13 gestrichelt dargestellte Verbindung 158 vorgesehen sein, die das Motor-Steuergerät 50 überbrückt. Die Verbindung zwischen dem Motor-Steuer­ gerät 50 und der Anschlußklemme 48 kann in diesem Falle entfallen, so daß ein vom Motor-Steuergerät 50 unabhängiges Ansteuern des elektronischen Relais 32 möglich ist. Das elektronische Relais 32 wird dann ausschließlich über das Zündschloß 54 angesteuert und mit der Spannungsquelle verbunden. Die Redundanz er­ gibt sich hierbei durch die Reihenschaltung des Zünd­ schlosses 54 und des elektronischen Relais 32.

Anhand der Fig. 14 und 15 wird die Funktionsweise der Logikschaltung 146 gemäß der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsvariante, nach der das elektronische Re­ lais 32 zwei in Reihe geschaltete Transistoren 144 aufweist, näher erläutert. Die Transistoren 144 sind hier zur besseren Unterscheidung mit Transistor 144′ und Transistor 144′′ bezeichnet. Die Logikschaltung 146 aus Fig. 9 besteht hier aus zwei Logikbausteinen 158 und 160, wobei der Logikbaustein 158 auf dem Chip des PMOS-Transistors 144′ und der Logikbaustein 160 auf dem Chip des PMOS-Transistors 144′′ mit integriert ist. Anhand Fig. 14 wird deutlich, daß die Logik­ bausteine 158 und 160 einerseits jeweils mit der Anschlußklemme 48 und mit Masse und andererseits mit dem Gate, Source beziehungsweise Drain der Transistoren 144 verbunden sind. Weiterhin erfolgt eine Kopplung der Logikbausteine 158 und 160 über eine Querverbindung 162.

Der Logikbaustein 158 weist gemäß Fig. 15 ein Zeit­ verzögerungsglied 164 auf, das einerseits mit der Anschlußklemme 48 und andererseits mit einem ersten Eingang eines NAND-Gliedes 166 verbunden ist. Der Ausgang des NAND-Gliedes 166 ist mit einem ersten Eingang eines UND-Gliedes 168 verbunden. Der zweite Eingang des UND-Gliedes 168 ist mit der Anschlußklem­ me 48 verbunden. Ein Ausgang des UND-Gliedes 168 ist mit einer Kontrollogik 170 des Transistors 144′ ver­ bunden. Weiterhin ist ein Überwachungsglied 172 vor­ gesehen, dessen Ausgang mit einem Flipflop 174 ver­ bunden ist. Der -Ausgang des Flipflops 174 ist mit dem zweiten Eingang des NAND-Gliedes 166 verbunden.

Der zweite Logikbaustein 160 weist ein zweites UND- Glied 176, dessen erster Eingang über die Querverbin­ dung 162 mit dem Ausgang des Zeitverzögerungsgliedes 164 des Logikbausteins 158 verbunden ist. Der zweite Eingang des UND-Gliedes 176 ist mit der Anschluß­ klemme 48 verbunden. Ein Ausgang des UND-Gliedes 176 ist mit einem ersten Eingang eines dritten UND- Gliedes 178 verbunden. Die Anschlußklemme 48 ist wei­ terhin mit einem ersten Eingang eines Komparators 180 verbunden, dessen zweiter Eingang mit der Klemme 148 verbunden ist. Ein Ausgang des Komparators 180 ist mit einem Flipflop 182 verbunden, dessen -Ausgang mit dem zweiten Eingang des UND-Gliedes 178 verbunden ist. Der Ausgang des UND-Gliedes 178 ist mit einer Kontrollogik 184 des Transistors 144′′ verbunden.

Die in den Fig. 14 und 15 gezeigte Schaltungs­ anordnung übt folgende Funktion aus:

Liegt an der Anschlußklemme 48 über das Motor-Steuer­ gerät 50 ein Steuersignal an, also ein high-Signal, wird der Transistor 144′ eingeschaltet. Der Transi­ stor 144′′ wird zunächst nicht eingeschaltet, da das Eingangs-UND-Glied 176 des Leistungsbausteins 160 mit dem Zeitverzögerungsglied 164 verbunden ist, und ein Durchschalten erst dann erfolgt, wenn sowohl an der Anschlußklemme 48 als auch an der Querverbindung 162 ein Signal im high-Zustand anliegt. Über das Über­ wachungsglied 172 wird detektiert, ob über den Transistor 144′ ein Strom fließt. Für den Fall, daß kein Strom fließt, ist eine Differenzspannung ΔU zwi­ schen dem Source und der Drain des Transistors 144′ gleich Null. Da der Transistor 144′′ noch gesperrt ist, bedeutet es, daß kein Fehler vorliegt, wenn über den Transistor 144′ kein Strom fließt. Hierdurch wird das Flipflop 174 gesetzt (=Low), so daß über die Verkettung der UND-Glieder 166 und 168 in Verbindung mit dem Zeitverzögerungsglied 164 der Transistor 144′ auch dann eingeschaltet bleibt, wenn die Verzö­ gerungszeit des Zeitverzögerungsgliedes 164 abge­ laufen ist.

Für den Fall, daß der Transistor 144′′ im Fehlerfall kurzgeschlossen ist, erkennt das Überwachungsglied 172, indem ΔU größer 0 ist, einen Stromfluß durch den Transistor 144′. Hierdurch wird ein Signal für das Flipflop 174 bereitgestellt, so daß dieses nicht ge­ setzt wird (=high). Da nunmehr am zweiten Eingang des NAND-Gliedes 166 high-Signal anliegt, wird nach Ablauf der Verzögerungszeit des Zeitverzögerungs­ gliedes 164 der Transistor 144′ abgeschaltet. Somit kann über den Leistungsbaustein 158 eine Überwachung des Transistors 144′′ erfolgen.

Im AUS-Zustand, das heißt an der Anschlußklemme 48 liegt kein Signal an, so daß sich der low-Zustand er­ gibt, wird der Transistor 144′ nicht durchgeschaltet, so daß der in Reihe hierzu liegende Transistor 144′′ keine Versorgungsspannung erhält. Ist jedoch der Transistor 144′ defekt, das heißt kurzgeschlossen, liegt an der Klemme 148 eine Versorgungsspannung an, obwohl über die Anschlußklemme 148 kein Steuersignal bereitgestellt ist. Über den Komparator 180 wird hierauf das Flipflop 182 gesetzt (=low), so daß über die Verknüpfung mit dem UND-Glied 178 selbst bei nun­ mehr anliegendem Steuersignal an der Anschlußklemme 48 der Transistor 144′′ nicht durchgeschaltet werden kann. Hiermit erfolgt quasi mit dem Logikbaustein 160 eine Überwachung des Transistors 144′.

Claims (14)

1. Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftma­ schine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem über ein Starterrelais mit einer Spannungsquelle verbindbaren und der Brennkraftmaschine zum Andrehen in Eingriff bringbaren Startermotor, und einer elek­ tronischen Einrichtung zum Ansteuern des Starter­ relais, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (30) von einem an oder in der Start­ vorrichtung (10) angeordneten elektronischen Relais (32) gebildet wird, das über einen Logiksignaleingang (47, 48) von einem elektronischen Motor-Steuergerät (50) des Kraftfahrzeugs ansteuerbar ist.

2. Startvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elektronische Relais (32) einen Leistungsschaltbaustein (34) mit wenigstens einem Leistungstransistor (56, 144) aufweist.

3. Startvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Leistungsschaltbaustein (34) eine Schutzdiode (36) geschaltet ist.

4. Startvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungs­ schaltbaustein (34) eine zu dem Leistungstransistor (56) in Reihe geschaltete Verpolschutzdiode (60) und/oder eine parallel zu dem Leistungstransistor (56) geschaltete Überspannungsschutzdiode (62) be­ sitzt.

5. Startvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungs­ schaltbaustein (34) ein high-side-smart-power-MOSFET (57) mit integrierter Überspannungsschutz-, Über­ strom- und Temperaturschutzschaltung ist.

6. Startvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektro­ nische Relais (32) als Modul (66) ausgebildet ist, das in das Starterrelais (14) integriert ist.

7. Startvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Modul (66) zwischen der Einrück- beziehungsweise Haltewicklung (16, 18) und einer Schaltbrücke (22) des Starterrelais (14) angeordnet ist und eine Durchgangsöffnung (102) aufweist, die von einer Schaltachse (20) des Starterrelais (14) durchgriffen wird.

8. Startvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul (66) an oder in dem Startermotor (12) angeordnet ist.

9. Startvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Modul (66) am Polgehäuse (68) des Startermotors (12) befestigt ist.

10. Startvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Modul (66) an oder unter einer Kommutatorlagerkappe (70) des Startermotors (12) an­ geordnet ist.

11. Startvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektro­ nische Relais (32) Bestandteil einer Redundanz­ schaltung ist oder mit einer Redundanzschaltung zusammengeschaltet ist.

12. Startvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Leistungsschaltbaustein (34) zwei Transistoren (144′, 144′′) aufweist, die über eine Logikschaltung (146) miteinander verknüpft sind.

13. Startvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Transistoren (144′, 144′′) in Reihe geschaltet sind.

14. Startvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Transistoren (144′, 144′′) parallel geschaltet sind.