DE19811176A1 - Anordnung und Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfah­ ren zur Steuerung einer elektrischen Maschine ent­ sprechend den im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 24 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß Brennkraftmaschinen in Kraftfahr­ zeugen mittels einer Startvorrichtung gestartet wer­ den müssen, da sie nicht von alleine anlaufen. Zu diesem Zweck sind üblicherweise elektrisch betriebene Startermotoren vorgesehen, die über ein als sogenann­ tes Einrückrelais ausgebildetes Starterrelais mit ei­ ner Spannungsquelle verbunden werden. Gleichzeitig wird zur Herstellung einer Wirkverbindung ein Ritzel des Startermotors mit einem, üblicherweise auf einem Schwungrad der Brennkraftmaschine angebrachten, Zahn­ kranz in Eingriff gebracht. Unmittelbar nach Errei­ chen des Selbstlaufes der Brennkraftmaschine muß der Startermotor ausgespurt werden, um einem erhöhten Verschleiß und starker Geräuschentwicklung vorzubeu­ gen.

Die Herstellung der Wirkverbindung, das heißt das Einspuren des Starterritzels mit nahezu der Nenndreh­ zahl und unter Beaufschlagung des Startermotors mit seiner Nennspannung hat einen relativ starken Drehmo­ mentstoß sowie auf Dauer einen hohen Verschleiß des Zahnkranzes und des Startermotors zur Folge. Insbe­ sondere bei Startern für Nutzkraftfahrzeuge ist er­ höhten Anforderungen aufgrund beispielsweise über­ durchschnittlich häufiger Startvorgänge im überwie­ genden Kurzstreckenverkehr mit bekannten Startern nur schwer zu genügen.

Bei Startanlagen von Kraftomnibussen mit heckseitig angeordneter Brennkraftmaschine, bei denen der Start­ vorgang vom Fahrer akustisch nicht eindeutig wahrge­ nommen und verfolgt werden kann, sind zusätzliche Vorkehrungen unumgänglich, die für einen wirksamen Schutz für Starter und Zahnkranz sorgen können. Zu diesem Zweck werden üblicherweise sogenannte elektro­ nische Startsperrelais eingesetzt, durch welche die Startanlage in mehrfacher Hinsicht vor Beschädigungen geschützt werden kann. Nach erfolgtem Start der Brennkraftmaschine wird für ein verzögerungsfreies Abschalten des Starters gesorgt. Weiterhin verhindert das elektronische Startsperrelais ein Starten bei be­ reits laufender oder noch auslaufender Brennkraftma­ schine. Im Falle einer noch auslaufenden Brennkraft­ maschine oder eines Fehlstartes wird üblicherweise zudem eine Zeitschaltung ausgelöst, die einen zu frühzeitig unternommenen weiteren Startversuch ver­ hindert.

Zwar können derartige Startsperrelais Beschädigungen durch Fehlbedienungen des Fahrers verhindern, nicht jedoch einen erhöhten Verschleiß durch häufige Betä­ tigung und/oder durch langjährigen Betrieb. Um jedoch insgesamt eine höhere Lebensdauer zu erreichen bezie­ hungsweise um den Anforderungen einer überdurch­ schnittlich häufigen Betätigung zu genügen, ist bei den bekannten Startvorrichtungen eine Überdimensio­ nierung der elektrischen Starter und/oder der Wirk­ verbindung mit der Brennkraftmaschine unumgänglich, was sowohl die Herstellungskosten wie auch das Fahr­ zeuggewicht erhöht.

Vorteile der Erfindung

Die Vorrichtung und das Verfahren mit den im Patent­ anspruch 1 und im Patentanspruch 24 genannten Merkma­ len bietet den Vorteil, die Belastung eines Starter­ motors einer Brennkraftmaschine durch ein sanftes Vorspuren mit niedriger Drehzahl und reduziertem Mo­ tormoment und demzufolge den Verschleiß des Starter­ motors und der mit dessen Ritzel kämmenden Zahnräder im Antriebsstrang der Brennkraftmaschine stark redu­ zieren zu können. Durch eine geeignete Ansteuerung eines, in einer elektrischen Verbindung zwischen ei­ ner Spannungsquelle und elektrischem Starter befind­ lichen, Steuergerätes kann eine zweistufige Steuerung des elektrischen Starters und damit des Startvorgangs der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise reali­ siert werden. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise ein elektronisches Steuergerät zwischen der Spannungs­ quelle und dem elektrischen Starter angeordnet, das eine Steuerung einer Spannung und/oder eines Stromes für den elektrischen Starter erlaubt. Durch die elek­ tronische zweistufige Steuerung des Startvorgangs läßt sich der Startereinrückvorgang so steuern, daß der Verschleiß beim Vorspuren und beim nachfolgenden Einspuren des Starterritzels deutlich reduziert wird.

In einer ersten Stufe wird der Startermotor mit ge­ ringem Drehmoment betrieben und das Ritzel mit gerin­ ger Geschwindigkeit an einen, vorzugsweise an einem Schwungrad der Brennkraftmaschine vorgesehenem, Zahn­ kranz herangeführt. Die geringe Drehzahl des Starter­ motors erleichtert das Finden einer Zahnlücke, und der langsame Ritzelvorschub verringert den Verschleiß beim Auftreffen des Ritzels auf den Zahnkranz. In der zweiten Stufe wird das Einrückrelais dann mit Nenn­ spannung beaufschlagt, so daß das Ritzel vollständig in den Zahnkranz einrücken kann. Erst dann kann auch die Hauptbrücke schließen und der Starter dreht mit vollem Drehmoment. Ein "Ratschen" des Starters kann damit wirksam verhindert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das elek­ tronische Steuergerät, ein sogenanntes integriertes elektronisches Relais, eine zentrale Steuereinheit (CPU) auf, die es erlaubt, mit wenigen Anpassungen in seiner Programmierung eine große Vielzahl von ver­ schiedenen Startern jeweils optimal ansteuern zu kön­ nen. Vorzugsweise weist das elektronische Steuergerät weiterhin wenigstens zwei elektronische Leistungs­ schalter auf, beispielsweise in Form von Leistungs­ transistoren oder Leistungs-MOS-FETs, die mit sehr geringen Ansteuerspannungen und -strömen der CPU hohe Leistungen sicher schalten können. Durch eine Reihen­ schaltung von wenigstens zwei elektronischen Lei­ stungsschaltern kann zudem eine Redundanz erzielt werden, die bei auftretenden Fehlfunktionen Beschädi­ gungen des elektrischen Starters sowie die Gefahr ei­ nes ungewollten Starts sicher verhindern kann.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die wenigstens zwei elektronischen Leistungsschalter jeweils eine La­ dungspumpe zu ihrer Ansteuerung aufweisen sowie je­ weils über eine - Schutzelektronik verfügen, die eine Absicherung gegen Übertemperaturen und/oder Verpolun­ gen gewährleistet. Weiterhin kann jeder der elektro­ nischen Leistungsschalter einen Diagnoseausgang auf­ weisen, mit dessen Hilfe eine lückenlose Überwachung des aktuellen Schaltzustandes und damit der korrekten Ablaufsteuerung des zweistufigen Startvorgangs mit­ tels der CPU ermöglicht wird. In einer weiteren vor­ teilhaften Ausführungsform ist das integrierte elek­ tronische Relais (IER) mit zusätzlichen Kontrollfunk­ tionen und -eingängen versehen, die beispielsweise eine Überwachung der Versorgungsspannung, der auftre­ tenden Temperaturen im Startermotor und/oder etwaigen Überlastungszuständen der elektronischen Leistungs­ schalter erlauben.

Ein Schaltmittel zur Betätigung des elektrischen Starters kann beispielsweise ein manuell vom Fahrer betätigbarer Anlaßschalter oder auch ein elektronisch betätigbarer Anlaßschalter sein, der in vorteilhafter Weise auch von einer Motorelektronik ansteuerbar ist.

Dadurch kann beim Erreichen des Selbstlaufes der Brennkraftmaschine der Startvorgang automatisch been­ det werden, womit eine geringstmögliche Einschaltdau­ er und damit Belastung des Startermotors erzielbar ist.

Besonders vorteilhaft ist weiterhin, daß bei der be­ schriebenen zweistufigen Startersteuerung der Start­ ablauf durch rein elektronische Ansteuerungen vorge­ nommen wird. Der verwendete elektrische Starter kann somit weitgehend konventionell aufgebaut sein und be­ nötigt keinerlei weitere elektronische und/oder me­ chanische Zusatzbauteile. Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das Starterrelais in einer der Vorspurphase fol­ genden Haltephase getaktet angesteuert wird, da hier­ durch seine thermische Belastung reduziert werden kann. Die elektronischen Leistungsschalter können als sogenannte Leistungs-MOS-FETs mit Ansteuerungen, Schutzelektronik und Diagnosefunktion ausgeführt sein, wodurch sehr leistungsfähige und kompakte Bau­ teile entstehen. Mit entsprechend höherem Schaltungs­ aufwand sind jedoch ebenso diskrete Aufbauten mit MOS-FETs oder anderen Transistoren möglich.

Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Verschaltung ist die erhaltene Redundanz, welche bei einem Durchlegie­ ren eines der Leistungsschalter einen ungewollten Start und damit eine sicherheitskritische Situation vermeidet. Vorteilhaft können zusätzliche Funktionen wie Überwachungen der Starttemperatur über einen Tem­ peratursensor, eine Startzeitbegrenzung sowie ein Endstufentest und/oder eine Blindschaltungserkennung realisiert werden. Bei einer Blindschaltung bleibt das Starterritzel, beispielsweise aufgrund von Ver­ schmutzungen, in einer ersten Stufe stehen und wird nicht voll eingespurt. Der Startversuch muß hierbei abgebrochen werden, da die thermische Belastung der Einrückrelaiswicklungen zu groß werden könnte.

Der erste elektronische Leistungsschalter besitzt in einer vorteilhaften Weiterbildung einen sogenannten Sensausgang, welcher ein stromproportionales Aus­ gangssignal ausgibt. Beim Schließen der Hauptbrücke des Starterrelais muß der Strom durch den Vorwider­ stand zurückgehen, was über diesen Sensausgang gut erkannt werden kann. Ist diese Stromabnahme nach Ab­ lauf einer Überwachungszeit (beispielsweise 200 msec) nicht nachgewiesen beziehungsweise von der CPU er­ faßt, so wird eine Blindschaltung erkannt, und der Start wird abgebrochen. Ist die obere Endstufe durch­ legiert, so wird eine Spannung an dieser Klemme ge­ messen, auch wenn die Endstufe ausgeschaltet sein sollte. Der Starter würde in diesem Fall drehen, aber nicht vorspuren. Anstatt einer integrierten CPU wäre ebenso eine diskrete Ablaufsteuerung möglich, was je­ doch inklusive der vorteilhaften Zusatzfunktionen ei­ nen größeren Bauaufwand bedeuten würde.

Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen zweistufigen Startersteuerung ist weiterhin eine deutliche Ge­ räuschreduktion durch das sanfte Vorspuren. Zudem wird eine Lebensdauererhöhung des Zahnkranzes ermög­ licht. Der Starter kann leichter gebaut werden, da die thermische Belastung insgesamt geringer ist. Die Lebensdauer erhöht sich dennoch, da ein sicherer Überhitzungsschutz durch eine Temperaturüberwachung und eine Startzeitbegrenzung vorgesehen sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie­ len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer zweistufigen Startersteuerung;

Fig. 2 in drei qualitative Diagramme die Zusammen­ hänge von Startzeit und Spannungen be­ ziehungsweise Strömen;

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung eines Startvorganges und

Fig. 4 eine beispielhafte Ausführungsform der internen Verschaltung der zweistufigen Startersteuerung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur zweistufigen Steuerung eines elektrischen Star­ ters einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges. Die Anordnung umfaßt eine elektrische Energiequelle, eine Starterbatterie 4 mit einem Pluspol 5 und einem Minuspol 6 sowie einen elektrischen Startermotor 8 und den notwendigen elektrischen Verbindungen sowie weiteren zur Realisierung einer Zweistufigkeit des Startvorgangs, nachfolgend näher erläuterten, notwen­ digen Bauteilen. Der Startermotor 8 ist aus Vereinfa­ chungsgründen und zur besseren Übersichtlichkeit zu­ sammen mit den notwendigen Bauteilen zum Einspuren in eine Verzahnung im Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges lediglich als ein Symbol dargestellt, da gegenüber bekannten Systemen keinerlei Veränderungen vorgesehen sind. Vielmehr soll die erfindungsgemäße Anordnung zur Ansteuerung von bekannten Startermotoren geeignet sein, an denen selbst keinerlei Modifikationen erfor­ derlich sind. Erkennbar ist in Fig. 1 weiterhin ein zentrales Steuergerät, im folgenden als IER (integriertes, elektronisches Relais) 2 bezeichnet.

Das IER 2 weist mehrere Eingänge, davon Anschlüsse für die Spannungsversorgung aus der Starterbatterie 4, und mehrere gesteuerte Ausgänge auf. So ist zur Spannungsversorgung mit der Nennspannung (üblicherweise 12 oder 24 Volt) aus der Starterbatte­ rie 4 eine Klemme 30, von der aus eine Leitung zum Pluspol 5 der Starterbatterie 4 führt, sowie eine Klemme 31 vorgesehen, von der eine Leitung zu einem Masseanschluß 12 beziehungsweise zum Minuspol 6 der Starterbatterie 4 führt. Als weiterer Eingang ist ei­ ne Klemme 50e vorgesehen, die über einen Anlaßschal­ ter 24 mit der Spannungsquelle 4 verbindbar ist. Mög­ lich ist statt dessen auch eine Relaissteuerung, bei der ein weiter entfernt positionierter Schalter eine Relaisspule beaufschlagen kann, die für ein Schalten des Anlaßschalters 24 sorgen kann. Realisierungen mit elektronischer Startauslösung sind ebenso möglich, beispielsweise über ein Signal von einer Motorelek­ tronik.

Das IER 2 weist weiterhin als einen Steuerausgang ei­ ne Klemme 45r auf, von dem aus eine Leitung mit einem zwischengeschaltetem Vorwiderstand 34 zu einem Haupt­ anschluß des Startermotors 8 führt. Der Hauptanschluß wird im folgenden als Klemme 45 bezeichnet. Ein zwei­ ter Steuerausgang einer Klemme 50f stellt über eine Anschlußleitung eine Verbindung zu einem Starterre­ lais 36 dar. Dieses Starterrelais 36 besitzt eine Re­ laisspule 38 und einen von der Relaisspule 38 ansteu­ erbaren Schalter, im folgenden als Hauptbrücke 37 be­ zeichnet. Die Klemme 50f des IER 2 ist mit einem An­ schluß der Relaisspule 38 verbunden, der andere An­ schluß liegt über eine Leitung an Masse 12 des Kraft­ fahrzeugs, die mit dem Minuspol der Starterbatterie 4 verbunden ist.

Anhand des in Fig. 1 dargestellten schematischen Schaltbildes soll im folgenden ein zweistufiger Startvorgang skizziert werden. Dabei soll bereits ein Zustand mit eingeschalteter Zündung hergestellt sein, da die Verbindungen von der Klemme 30 des IER 2 zum Pluspol 5 der Starterbatterie 4 sowie von der Klemme 31 zur Masse 12 und damit zum Minuspol 6 der Starter­ batterie 4 bereits bestehen. Mittels Betätigung des Anlaßschalters 24 durch den Fahrer erhält die Klemme 50e die volle Nennspannung der Starterbatterie 4. Diese Spannung U_50e kann in IER 2 verarbeitet werden, wobei mit kurzer Verzögerung zunächst an Klemme 45r eine Ausgangsspannung U_45r angelegt wird, die betrags­ mäßig der Nennspannung der Starterbatterie 4 ent­ spricht und den Startermotor 8 in einer ersten Stufe sanft anlaufen läßt.

An der Klemme 45 des Startermotors 8 kommt nicht die volle Nennspannung der Starterbatterie 4 an, da über den Vorwiderstand 34 in der Leitung von der Klemme 45r zur Klemme 45 ein Teil der Nennspannung aus dem Fahrzeugbordnetz abfällt. Der Startermotor 8 läuft somit zunächst langsam an. Nach Verstreichen einer Zeitspanne, zur Überwindung einer Trägheit des Star­ termotors 8 beim Andrehen, wird an die Klemme 50f des IER 2 eine Steuerspannung U_50f angelegt, welche die Relaisspule 38 des Starterrelais 36 bestromt, das Starterritzel vorspurt und zum Schließen der Haupt­ brücke 37 führt. Sobald die Hauptbrücke 37 des Relais 36 geschlossen ist, besteht eine direkte elektrische Verbindung vom Pluspol 5 der Starterbatterie 4 zur Klemme 45 des Startermotors 8. Der Masseanschluß 10 des Startermotors 8 hat immer eine Verbindung zur Masse 12, so daß bei geschlossener Hauptbrücke 37 der Startermotor 8 die volle Nennspannung aus dem Bord­ netz erhält und entsprechend mit höherer Drehzahl in einer zweiten Stufe die Brennkraftmaschine durchdre­ hen kann, bis diese einen Zustand des Selbstlaufs er­ reicht.

Fig. 2 zeigt in drei übereinander angeordneten Dia­ grammen prinzipielle und qualitative Verläufe der Spannungen und Ströme an den Klemmen 50e, 50f und 45r des IER 2 über der Startzeit T_Start (t = 0. . .t₅). Auf den horizontalen Achsen aller drei Diagramme ist je­ weils die Zeit aufgetragen. Auf der vertikalen Achse des oberen Diagrammes ist die Spannung U_50e, auf der vertikalen Achse des mittleren Diagrammes die Span­ nung U_45r aufgetragen. Auf der vertikalen Achse des unteren Diagrammes ist ein Strom i_50f, der durch die Wicklung des Starterrelais 38 fließt, aufgetragen. Die Klemme 30 ist hierbei elektrisch mit dem Pluspol 5 und die Klemme 31 mit der Masse 12 beziehungsweise mit dem Minuspol 6 der Starterbatterie 4 verbunden. Die Start zeit 0 bis t₅ läßt sich in mehrere Phasen einteilen, die anhand der Diagramme in Fig. 2 im folgenden beschrieben werden.

Bei Betätigen des Anlaßschalters 24 durch den Fahrer wird die Klemme 50e mit einer Spannung U_50e beauf­ schlagt, wobei die Spannung U_50e der Bordspannung aus der Starterbatterie 4 entspricht oder auch kleiner sein kann. Wie im oberen Diagramm der Fig. 2 erkenn­ bar, wird die Spannung U_50e vom Zeitpunkt 0 an über den gesamten Zeitraum des Startvorgangs, das heißt bis zum Zeitpunkt t₅, in konstanter Höhe aufrechter­ halten. Durch eine Zeitsteuerung wird die Spannung U_45r an der Klemme 45r um einen bestimmten vorein­ stellbaren Initialisierungszeitraum T_Init verzögert geschaltet. Die Spannung U_45r wird normalerweise ihrem Betrag nach der Spannung U₃₀ entsprechen. Die Steue­ rung der Ausgänge an der Klemme 45r und an der Klemme 50f erfolgt somit nacheinander, wobei der Zeitraum T_Init in erster Linie zur Vermeidung von unkontrol­ lierten Spannungsspitzen durch den Einschaltvorgang dient.

Während des Intervalls vom Zeitpunkt t₀ bis zum Zeit­ punkt t₁ wird das Bordnetz weitgehend nur durch den Widerstand 34 belastet. Der Vorwiderstand 34 bestimmt damit den Batteriestrom. Über die an Klemme 45 anlie­ gende und über den Vorwiderstand 34 gegenüber der an Klemme 45r anliegenden Spannung U_45r reduzierte Span­ nung wird im Startermotor 8 ein Drehmoment erzeugt und der Anker beginnt sich zu drehen. Die durch die Zwischenschaltung des Vorwiderstandes 34 resultie­ rende geringe Ankerdrehzahl erleichtert das spätere vollständige Einspuren. Wegen eines Ankerträgheitsmo­ mentes erfolgt das eigentliche Vorspuren jedoch erst etwas verzögert, nämlich zu einem Zeitpunkt t₁. Zum Losbrechen eines Relaisankers im Startermotor 8 wird die Batteriespannung mittels eines elektronischen Schalters im IER 2 auf die Klemme 50f durchgeschal­ tet. Der hierbei fließende Strom ist abhängig vom Starterrelais 36 und von der Spannung der Starterbat­ terie 4. Die Zeitdauer zwischen t₀ und t₁, das heißt der Zeitraum zwischen dem Einleiten der Drehbewegung des Ankers des Startermotors 8 und dem Vorspuren, hängt ab von der Größe des Vorwiderstandes 34, dessen Wert wiederum von der für einen bestimmten Startermo­ tor 8 zweckmäßigen Drehzahl abhängt.

Ab einem Zeitpunkt t₂ wird der (Vorspur-)Strom an der Klemme 50f durch eine Taktung auf einen mittleren Wert I_VSP reduziert, erkennbar im unteren Diagramm der Fig. 2. Der überlagerte Wechselstromanteil ist zweckmäßigerweise so zu wählen, daß die resultierende Magnetkraft keine unerwünschte Auswirkung auf den Be­ wegungsablauf des Ankers ausübt. Dies gilt als er­ füllt, wenn die Periodendauer der Stromtaktung höch­ stens ein Fünftel der mechanischen Anker-Zeitkon­ stante (< 10 ms) beträgt. Die Stromamplitude I_VSP und die Zeitdauer von t₂ bis t₃ sind abhängig von der ge­ wählten Dimension des Startermotors 8. Dabei wird an­ genommen, daß das Anlasserritzel zum Zeitpunkt t₃ in jedem Fall am Zahnkranz anliegt und die Einrückfeder (falls vorhanden) schon leicht vorgespannt ist.

Nach Ablauf dieser Vorspurphase (t₂ bis t₃) erfolgt die Einspursteuerung (t₃ bis t₄), eingestellt durch die Zeit, bis zu der die Klemme 50f mit der Nennspan­ nung aus der Klemme 30 U_50f beaufschlagt wird. Die an­ liegende Spannung U_50f an der Klemme 50f sorgt für ein Schalten des Relais 36 und damit ein Anliegen der vollen Batteriespannung an Klemme 45 des Startermo­ tors 8. Die zum Ende der Vorspurphase typischerweise vorgespannte Einrückfeder im Starter wird voll ge­ spannt, und es kommt zum Schließen der Hauptbrücke 37. Bei geschlossener Hauptbrücke 37 im Relais 36 muß der Strom I_45r absinken. Ist dies während der Zeit­ dauer der Einspurphase (t₃ bis t₄) nicht der Fall, so liegt eine Blindschaltung vor und der Start wird durch eine im IER 2 entsprechend vorgesehene Logik abgebrochen.

Nach dem Schließen der Hauptbrücke 37, das heißt ab dem Zeitpunkt t₄₁ wird das Relais 36 weiter mit einem Haltestrom I_50fNenn versorgt. Der Startermotor 8 dreht jetzt mit vollem Drehmoment. Die Klemme 50e bleibt auf Klemme 50f durchgesteuert. Allerdings erfolgt die Einstellung des Haltestroms auf den mittleren Wert I_50fNenn durch Takten, um die thermische Belastung der Wicklung im Startermotor zu verringern. Dies ist er­ kennbar durch das gezackte Signal I_50fNenn in der Fig. 2 unten.

Die einzelnen Zeitintervalle (t_n. . .t_n+1; mit n = 0 . . .4) können unabhängig voneinander eingestellt werden und können beliebige positive Werte annehmen. Während des Zeitraumes von t₀ bis t₁ wird das Bordnetz weitgehend nur durch den Vorwiderstand 34 für die Ritzelverdre­ hung des Startermotors 8 belastet. Der Wert des Vor­ widerstandes 34 bestimmt damit den Batteriestrom. Zu­ sammen mit einer Messung der unbelasteten Batterie­ spannung vor dem Start, das heißt während dem Initia­ lisierungszeitraum T_init, ist eine Bestimmung des Bordnetzwiderstandes möglich. Eine Messung der Batte­ riespannung an der Klemme 30 im weiteren Verlauf des Startes (ab t₄) ergibt dann einen Wert für den Star­ terhauptstrom. Dieser kann als Maß für die interne Temperaturbelastung des Startermotors 8 verwendet werden. Über ein Erwärmungsmodell, das heißt den Zu­ sammenhang zwischen dem Stromfluß und der Dauer die­ ses Stromflusses im Startermotor 8, kann dann eine Temperaturüberwachung des Starters realisiert werden.

Fig. 3 verdeutlicht in einem Blockschaltbild die Funktionsabläufe während eines Startvorgangs in inte­ griertem elektronischen Relais IER 2. Gleiche Teile wie in den vorangegangenen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Beginnend mit einer Beaufschlagung der Klemme 50e mit der Spannung U_50e wird eine Zeitsteuerung 52 gestar­ tet, die nach der Initialisierungszeit T_Init ab dem Zeitpunkt t₀ für den zweistufigen Startvorgang sorgt. Die Einspursteuerung 64 sorgt für die entsprechenden Abläufe. Im folgenden wird für den allgemeiner ver­ wendeten Begriff eines elektronischen Leistungsschal­ ters der gebräuchlichere Begriff einer Endstufe ver­ wendet. Unter Endstufe wird somit allgemein jede Form eines elektronischen Leistungsschalters verstanden.

Von der Einspursteuerung 64 geht ein Pfeil zu einer ersten Endstufe 56, die ab dem Zeitpunkt t₁ durchge­ schaltet wird und für eine Beaufschlagung der Klemme 45r mit der Spannung U_45r sorgt. Es wird somit die an der Klemme 30 anliegende Batteriespannung U_Bat aus der Starterbatterie 4 auf die Klemme 45r durchgeschaltet. Die Einspursteuerung 64 sorgt im weiteren für die Taktung der Stromamplitude I_VSP während des Zeitraumes von t₂ bis t₃ durch entsprechende Ansteuerung einer zweiten Endstufe 58.

Zum Zeitpunkt t₃ sorgt die Einspursteuerung dann für die Durchschaltung der zweiten Endstufe 58, wodurch die Batteriespannung U_Bat = U_50f an die Klemme 50f ge­ legt wird. Die anliegende Spannung U_50f sorgt für das Vorspuren des Ritzels und für das Schalten des Relais 36 und damit ein Anliegen der vollen Batteriespannung U_Bat an der Klemme 45 des Startermotors 8. Dieser wird hierdurch voll eingespurt und mit Nenndrehzahl be­ trieben. Bei geschlossener Hauptbrücke 37 im Relais 36 muß der Strom I_45r absinken, was durch eine Blind­ schaltungserkennung 62 gemessen wird. Die erste End­ stufe 56 besitzt hierzu einen sogenannten Sense-Aus­ gang 57, der ein stromproportionales Ausgangssignal I_sense liefert. Ist diese Stromabnahme nach Ablauf ei­ ner bestimmten Überwachungszeit, beispielsweise nach 200 Millisekunden, nicht von der Blindschaltungser­ kennung nachgewiesen, so wird eine sogenannte Blind­ schaltung erkannt und ein Abbruchsignal 70 an einen Signalgeber 54 ausgegeben.

Eine Blindschaltung liegt vor, wenn das Starterrit­ zel, beispielsweise aufgrund von Verschmutzungen, in der ersten Stufe stehenbleibt und der Hauptstrom nicht geschaltet wird. Ein solcher Fall muß vom Fah­ rer beziehungsweise vom IER 2 erkannt und der Start­ versuch abgebrochen werden, da andernfalls die ther­ mische Belastung der Einrückrelaiswicklungen zu groß werden könnte. Der Signalgeber 54 sorgt für einen Startabbruch und öffnet die erste Endstufe 56 und die zweite Endstufe 58.

In einer vereinfachten Ausführung ohne Sense-Ausgang 57 wird die erste Endstufe 56 nach Ablauf der Überwa­ chungszeit (beispielsweise 200 ms) generell abge­ schaltet. Innerhalb dieser Zeit muß die Hauptbrücke 37 eingeschaltet sein. In diesem Fall fungiert Klemme 45r über den Widerstand 34 als Eingang zur Versorgung der zweiten Endstufe 58. Diese zweite Endstufe 58 steuert dann den Ausgang 50f in der bereits beschrie­ benen Weise. Im Falle einer Blindschaltung ist die Hauptbrücke 37 nicht geschlossen und die Versorgung der zweiten Endstufe 58 damit nicht gegeben. Der Aus­ gang 50f bleibt dann spannungslos und der Startver­ such wird selbständig unterbrochen.

Ist die erste Endstufe 56 durchlegiert (kurzgeschlossen), so wird auch im nicht durchge­ schalteten Zustand eine Spannung U_45r an der Klemme 45r gemessen. Der Startermotor 8 würde in diesem Fall drehen, jedoch nicht vorspuren, was somit kein si­ cherheitsrelevanter Fehler wäre. Ist die zweite End­ stufe 58 durchlegiert, so ist beim Einschalten der ersten Endstufe 56 auch bei nicht durchgeschalteter zweiten Endstufe 58 eine Spannung U_50f an der Klemme 50f meßbar. Die erste Endstufe 56 wird in diesem Fall sofort ausgeschaltet, bevor der Starter vorspuren kann. In beiden Fällen wird nicht gestartet und dem Fahrer zu erkennen gegeben, daß ein Fehler vorliegt. Durch die Reihenschaltung der beiden Endstufen 56 und 58 ist eine Redundanz gewährleistet, welche beim Durchlegieren einer der beiden als Leistungsschalter fungierenden Endstufen 56, 58 einen ungewollten Start und damit eine sicherheitskritische Situation vermei­ det.

Weiterhin ist von jeder der Endstufen 56, 58 eine Leitung zu einem Überlastschutz 66 vorgesehen, der bei Überlastung der Endstufe 56 und/oder der Endstufe 58 ein Abbruchsignal 70 an den Signalgeber 54 lie­ fert, so daß dieser wiederum für einen Startabbruch sorgen kann. Darüber hinaus ist ein Endstufentest 60 vorgesehen, der ebenfalls ein Abbruchsignal 70 an den Signalgeber 54 liefern kann.

Die Schaltung wird vervollständigt durch einen Tempe­ ratursensor 68, der einen Ausgang 69 mit einer Ver­ bindung zum Signalgeber 54 aufweist und diesem eben­ falls ein Abbruchsignal 70 liefern kann. Durch Mes­ sung der unbelasteten Batteriespannung U_Bat vor dem Start kann eine Bestimmung des Bordnetzwiderstandes vorgenommen werden. Eine Messung der Batteriespannung U_Bat an Klemme 30 im weiteren Verlauf des Startvorgan­ ges liefert dann einen Wert für den Starterhauptsrom. Dies kann als Maß für die interne Temperaturbelastung des Starters verwendet werden. Über ein Erwärmungsmo­ dell der Startermechanik kann dann eine Temperatur­ überwachung ohne Temperatursensor im oder am Starter realisiert werden. Der Signalgeber 54 weist schließ­ lich noch eine Verbindung zur Zeitsteuerung 52 auf, die bei zu lang andauerndem Startvorgang ein Abbruch­ signal 70 liefern kann.

Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des IER 2 mit zur erfindungsgemäßen Funktion notwendigen und zweckmäßigen Peripherieschaltungen. Gleiche Teile wie in den vorangegangenen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Das IER 2 weist eine zentrale Recheneinheit auf, die im folgenden als CPU 72 bezeichnet wird. In dieser CPU 72 werden die Signale der gesamten Peripherie, wie bereits zur Fig. 3 beschrieben, erfaßt und die Endstufen 56, 58 entsprechend abhängig davon gesteu­ ert. Zur besseren Verständlichkeit der Funktion sind alle Steuerleitungen als schwach ausgezogene Linien gezeichnet. Die mit hohen Strömen beaufschlagten Ein- und Ausgänge der Endstufen 56 und 58, das heißt deren elektrische Verbindungen zum Einrückrelais 36 bezie­ hungsweise zum Startermotor 8, sind mit stark ausge­ zogenen Linien gezeichnet.

Das IER 2 kann als Leistungsschalter wirkende Endstu­ fen 56 und 58 in Highside-Powerswitch-Technik enthal­ ten. Diese Bauelemente enthalten einen Leistungs-MOS- FET mit Ansteuerung (Ladungspumpe), eine Schutzelek­ tronik (Temperatur, Verpolung) und Diagnosefunktionen (Statusausgang und Stromsensor). Ebenso möglich ist ein diskreter Aufbau mit MOS-FETs oder anderen Tran­ sistoren mit entsprechend höherem Aufwand. Die Steue­ rung im IER 2 wird durch einen Mikrokontroller, mit internem ROM- und RAM-Speicher, Watchdog und AD-Wand­ ler, vorgenommen. Eine diskrete Ablaufsteuerung wäre für den reinen Startvorgang ebenfalls möglich. Die Zusatzfunktionen zur Überwachung ließen sich aber nur mit großem Aufwand hierbei integrieren.

Im folgenden wird detailliert die beispielhafte Ver­ schaltung der CPU 72 zur Erzielung einer einwand­ freien und störunempfindlichen Funktion im Kraftfahr­ zeug beschrieben. Dazu ist zunächst eine Pufferung der von der Starterbatterie 4 gelieferten Versor­ gungsspannung erforderlich, um bei Spannungsschwan­ kungen keine Fehlfunktionen der CPU 72 auszulösen. Aus diesem Grund ist keine direkte Verbindung von der Klemme 30 zur CPU 72 vorgesehen, sondern eine Schutz­ schaltung 84 zwischengeschaltet. Diese Schutzschal­ tung 84 weist somit eine Verbindung zur Klemme 30 des IER 2 und einen stabilisierten und gepufferten Aus­ gang 79 auf, der die CPU mit einer konstanten und von überlagerten Wechselstromanteilen befreiten Gleich­ spannung versorgt. Gleichzeitig kann die Schutzschal­ tung 84 für einen EMV-Schutz, das heißt für elektro­ magnetische Verträglichkeit beziehungsweise einen Schutz vor hochfrequenter Störstrahlung, sorgen.

Erkennbar ist weiterhin eine Verbindung der Schutz­ schaltung 84 zu einem Spannungsregler 76, der von der Schutzschaltung 84 mit einer stabilisierten 24-Volt- Spannung versorgt wird und die CPU 72 mit kleineren Spannungen (Spannungsversorgung 78) versorgen kann, wie sie beispielsweise zum permanenten "Refresh" von RAM-Speicherbausteinen notwendig sind.

Der das Signal vom Anlaßschalter 24 liefernde Steuer­ eingang an Klemme 50e des IER 2 ist mit einem Eingang 74 verbunden, der in Abhängigkeit vom empfangenen Si­ gnal ein Power-On-Signal 75 an die CPU 72 liefert. In Fig. 4 ist weiterhin eine Diagnoseschaltung 88 vor­ gesehen, mit der die einwandfreie Funktion der CPU 72 laufend überwacht werden kann und/oder die es ermög­ licht, bei Fehlfunktionen qualifizierte Fehlermeldun­ gen zu liefern. Der bereits beschriebene Temperatur­ sensor 68, der bei drohender Überhitzung des Starter­ motors 8 und/oder des Starterrelais 36 ein Abbruchsi­ gnal 70 zum Abbruch des Startvorganges liefert, weist eine direkte Verbindung zur CPU 72 auf.

Die Klemme 30 weist neben der Steuerleitung (dünn ge­ zeichnet) zur Schutzschaltung 84 eine Verbindung (stark gezeichnet) zum Eingang der ersten Endstufe 56 auf, deren Ausgang in Verbindung mit der Klemme 45r sowie dem Eingang der zweiten Endstufe 58 steht. De­ ren Ausgang steht über eine zwischengeschaltete Ver­ polschutzdiode 90 mit der Klemme 50f in Verbindung (stark gezeichnet) und liefert die zur Ansteuerung der Relaisspule 38 des Starterrelais 36 erforderliche Spannung U_50f. Die Verpolschutzdiode 90 ist in Durch­ laßrichtung in die Verbindungsleitung zur Klemme 50f eingesetzt. Weiterhin ist eine (stark gezeichnete) Verbindung vom n-Ausgang der Verpolschutzdiode 90 zum n-Ausgang, das heißt zu einer in Sperrichtung auf Masse 12 beziehungsweise auf Klemme 31 geschaltete Freilaufdiode 92 erkennbar. Diese Freilaufdiode 92 kann für einen Kurzschluß von Wechselstromanteilen in der Versorgungsspannung des Kraftfahrzeuges und damit für einen Schutz der CPU 72 gegen Beschädigung durch Spannungsspitzen beim Ausschalten der Relaisspule 38 sorgen. Vom Ausgang zur Klemme 50f ist eine (dünn ge­ zeichnete) Steuerleitung zur CPU 72 vorgesehen, die somit den aktuellen Status jeder einzelnen Eingangs- und Ausgangsleitung des IER 2 überwachen kann.

Schließlich sind die Verbindungsleitungen der CPU 72 zur Ansteuerung und Überwachung der beiden Endstufen 56, 58 erkennbar. Neben den beiden Eingängen zur An­ steuerung der ersten und der zweiten Endstufe 56, 58 sind dies der Sense-Ausgang 57 von der ersten Endstu­ fe 56 und ein Status-Ausgang 59 von der zweiten End­ stufe 58, der bei Fehlfunktionen das Abbruchsignal 70 für einen Startabbruch liefern kann.

Claims (29)

1. Anordnung zur Steuerung einer elektrischen Maschi­ ne, insbesondere zur Steuerung eines elektrischen Starters zum Andrehen einer Brennkraftmaschine, mit einem Schaltmittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer Spannungsquelle und dem elektrischen Starter, wobei der elektrische Starter bei einer Betätigung des Schaltmittels über eine ein­ spurbare Übersetzung mit einem Kurbeltrieb der Brenn­ kraftmaschine koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen der Spannungsquelle (4) und dem elektrischem Starter ein elektronisches Steuergerät angeordnet ist, über das eine Spannung und/oder ein Strom und/oder eine Einschaltzeit für den elektrischen Starter steuerbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Steuergerät ein integriertes elektronisches Relais (IER 2) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch das IER (2) eine zweistufige Steuerung des elektrischen Starters (8) bewirkbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das IER (2) eine zentrale Steuereinheit (CPU 72) aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das IER (2) wenigstens zwei elektronische Lei­ stungsschalter (56, 58) aufweist, die in Abhängigkeit von zeitlichen Parametern nacheinander ansteuerbar sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei elektronischen Leistungs­ schalter (56, 58) in Reihe geschaltet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei elektronischen Leistungs­ schalter (56, 58) jeweils einen Leistungstransistor aufweisen.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei elektronischen Leistungs­ schalter (56, 58) jeweils einen Leistungs-MOS-FET aufweisen.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei elektronischen Leistungs­ schalter (56, 58) jeweils eine Ladungspumpe zur An­ steuerung aufweisen.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die wenigstens zwei elektronischen Lei­ stungsschalter (56, 58) jeweils eine Schutzelektronik zur Absicherung gegen Übertemperatur und/oder Verpo­ lung aufweisen.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die wenigstens zwei elektronischen Lei­ stungsschalter (56, 58) jeweils einen Diagnoseausgang aufweisen.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste elektronische Leistungsschalter (56) einen Sense-Ausgang (57) aufweist, der ein - zum durch den elektronischen Leistungsschalter (56) flie­ ßenden Strom - proportionales Ausgangssignal liefern kann.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das IER (2) wenigstens zwei Anschlüsse (30, 31) für eine Spannungsversorgung durch die Starterbatterie (4), wenigstens einen Steu­ ereingang (50e) sowie wenigstens zwei Steuerausgänge (45r, 50f) aufweist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß ein erster elektronischer Leistungsschalter (56) mit dem ersten Steuerausgang (45r) gekoppelt ist und ein zweiter elektronischer Leistungsschalter (58) mit dem zweiten Steuerausgang (50f) gekoppelt ist.

15. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Durchschaltung des ersten elektronischen Leistungsschalters (56) der erste Steuerausgang (45r) mit einer Spannung (U_45r) beaufschlagbar ist.

16. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Durchschaltung des zweiten elektroni­ schen Leistungsschalters (58) der zweite Steueraus­ gang (50f) mit einer Spannung (U_50f) beaufschlagbar ist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste elektronischer Leistungsschalter (56) über einen Vorwiderstand (34) mit einem Hauptan­ schluß (Klemme 45) des Startermotors (8) koppelbar ist und den Startermotor (8) mit einem geringeren Strom als seinem Nennstrom versorgen kann.

18. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß der zweite elektronischer Leistungsschalter (58) eine Relaiswicklung (38) eines Starterrelais (36) mit der Spannung (U_50f) beaufschlagen kann.

19. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel ein manuell betätigbarer Anlaßschalter (24) ist.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel ein elek­ tronisch betätigbarer Anlaßschalter (24) ist.

21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß der Anlaßschalter (24) von einer Motorelek­ tronik ansteuerbar ist.

22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Steuerstrom (I_VSP) von der Zeitsteuerung (52) des elektrischen Starters beeinflußbar ist.

23. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zeitsteuerung (52) in Abhängigkeit von der Betätigungszeit des elektrischen Starters einen Steuerstrom (I_50fNenn) beeinflussen kann.

24. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Ma­ schine, insbesondere zur Steuerung eines elektrischen Starters zum Andrehen einer Brennkraftmaschine, mit einem Schaltmittel zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer Spannungsquelle und dem elektrischen Starter, wobei der elektrische Starter bei einer Betätigung des Schaltmittels über eine ein­ spurbare Übersetzung mit einem Kurbeltrieb der Brenn­ kraftmaschine koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines in der Verbindung zwischen der Spannungsquelle (4) und dem elektrischen Starter an­ geordnet es elektronisches Steuergerät durch stufen­ weise Steuerung eines Stromes und/oder einer Spannung und/oder einer Einschaltzeit der elektrische Starter in zwei Stufen betätigt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeich­ net, daß in der ersten Stufe das Starterritzel einge­ spurt wird und in der zweiten Stufe der Startermotor voll durchgedreht wird.

26. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß das IER (2) bei Betätigung des Anlaßschal­ ters (24) den elektrischen Starter zunächst mit einer Spannung beaufschlagt, die geringer ist als die Nenn­ spannung des elektrischen Starters, bis das Ritzel des Starters eingespurt ist.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeich­ net, daß während des Einspurvorganges der elektrische Starter mit geringem Drehmoment betrieben wird und daß der elektrische Starter nach erfolgter Einspurung mit seinem Nenndrehmoment die Brennkraftmaschine durchdreht.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zeitsteuerung (52) in Abhängigkeit von der Betätigungszeit des elektrischen Starters die Spannungen beeinflußt.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeich­ net, daß in Abhängigkeit von einer am elektrischen Starter gemessenen Temperatur die maximal mögliche Startzeit reduziert wird.