EP0808420B1 - Startvorrichtung zum starten einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP0808420B1
EP0808420B1 EP96900269A EP96900269A EP0808420B1 EP 0808420 B1 EP0808420 B1 EP 0808420B1 EP 96900269 A EP96900269 A EP 96900269A EP 96900269 A EP96900269 A EP 96900269A EP 0808420 B1 EP0808420 B1 EP 0808420B1
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EP
European Patent Office
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relay
starting device
starter
electronic
circuit
Prior art date
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Application number
EP96900269A
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English (en)
French (fr)
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EP0808420A1 (de
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Karlheinz Boegner
Stefan Renner
Martin Mayer
Claus Kramer
Rainer Topp
Volker Koelsch
Henning Stoecklein
Jochen Neumeister
Frank Kurfiss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/08—Circuits or control means specially adapted for starting of engines
    • F02N11/087—Details of the switching means in starting circuits, e.g. relays or electronic switches
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2400/00—Control systems adapted for specific engine types; Special features of engine control systems not otherwise provided for; Power supply, connectors or cabling for engine control systems
    • F02D2400/08—Redundant elements, e.g. two sensors for measuring the same parameter
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
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    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/08—Circuits or control means specially adapted for starting of engines
    • F02N11/087—Details of the switching means in starting circuits, e.g. relays or electronic switches
    • F02N2011/0874—Details of the switching means in starting circuits, e.g. relays or electronic switches characterised by said switch being an electronic switch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N2200/00—Parameters used for control of starting apparatus
    • F02N2200/06—Parameters used for control of starting apparatus said parameters being related to the power supply or driving circuits for the starter

Definitions

  • the invention relates to a starting device for Starting an internal combustion engine, especially one Motor vehicle, with in the preamble of the claim 1 mentioned features.
  • the starter relay uses this current to generate the force required to engage the starter and to close a contact bridge to the Connect the starter motor to the voltage source.
  • the starter relay has one Pull-in and a holding winding. After that Start is the starting process from the driver of the motor vehicle by disconnecting the voltage source from the Starter motor ended.
  • the aim is Security in the initiation or termination of the Improve startup process to malfunction the electronic control to control the starter relay prevent.
  • the starting device according to the invention with the in claim 1 mentioned features offers the advantage that the electronic relay is designed redundantly, i.e. for Increasing the security of initiation and termination of the start process are logical links between the Circuit parts provided that are present when No specific information is available Prevent malfunction of the electronic relay.
  • Over a Logic circuit are the power switching module of the monitors electronic relay-forming transistors. in the In the event of a fault on one of the two transistors the electronic relay is blocked by the logic circuit.
  • the electronic relay is designed is that it can be integrated with the starting device can, that is, the electronic relay formed as a modular unit that either on functional units or in functional units of Starter can be arranged.
  • the electronic relay formed as a modular unit that either on functional units or in functional units of Starter can be arranged.
  • the electronic relay formed as a modular unit that either on functional units or in functional units of Starter can be arranged.
  • there is additional wiring inside of the motor vehicle is not required.
  • FIG. 1 Using the block diagram shown in Figure 1 becomes the overall system for starting a motor vehicle explained.
  • Has a starting device 10 a starter motor 12 and a starter relay 14.
  • Das Starter relay 14 has a pull-in winding 16 and a holding winding 18.
  • One indicated here Switching axis 20 of the starter relay 14 carries one Switch bridge 22.
  • the starter motor 12 carries on his Drive axis 24 an axially displaceable pinion 26, via the switching axis 20 of the starter relay 14 (Engagement relay) with a gear indicated here 28 of an internal combustion engine, not shown in Intervention can be brought.
  • the starting device 10 is an electronic device 30 assigned, the following total as electronic Relay 32 is called and their redundancy circuit variants 9 to 15 are explained in more detail.
  • the electronic relay 32 has a power module 34 and a free-wheeling diode 36.
  • the power module 34 is connected to a connecting terminal 38, that with a voltage source of the motor vehicle connected is.
  • As the voltage source of the motor vehicle are generally an accumulator battery 40 and a generator 42 used.
  • the power module 34 also has a ground connection 43 provided and connected to a terminal 44, with the pull-in winding 16 and the holding winding 18 of the starter relay 14 is connected.
  • the power module 34 thus sets between the terminals 38 and 44 lying switching means.
  • the Terminal 44 is still with the cathode Free-wheeling diode 36 connected, the anode of which is grounded lies, so that the freewheeling diode 36 parallel to the holding winding 18 of the starter relay 14 is switched.
  • the terminal 38 is still with a first Contact of the switching bridge 22 connected, the second Contact is connected to a terminal 46.
  • the terminal 46 is with the winding of the starter motor 12 and the pull-in winding 16 of the starter relay 14 connected.
  • a logic signal input 47 of the power module 34 is via a terminal 48 with an electronic Engine control unit 50th connected to the motor vehicle.
  • the engine control unit 50 is still with the terminal 38 and a terminal 52 connected to an ignition lock 54 of the motor vehicle.
  • the electronic engine control unit 50 is activated. This then provides the electronic relay 32 a control signal ready at the logic signal input 47 of the power module 34 is present. This signal provides information that the startup process should be initiated.
  • the control signal present at the logic signal input 47 consists of, for example, a voltage, for example, a voltage greater than 8 V against Mass that is present during the entire starting process.
  • the electronic relay 32 can be constructed in this way be that the drive voltage during the starting process can drop, for example to a value less than 4 V without interrupting the starting process becomes.
  • the electronic relay has one high input resistance, so that over the logic signal input 47 flowing control current a low Current intensity of less than 0.1 A, for example. The low amperage can easily by an output stage of the engine control unit 50 is supplied become.
  • the power module 34 switches the supply voltage U bat present at the connecting terminal 38 to the pull-in winding 16 and the holding winding 18 of the starter relay 14.
  • the switching axis 20 of the starter relay 14 is moved axially in a generally known manner, so that on the one hand the pinion 26 of the starter motor 12 is brought into engagement with the ring gear 28 and on the other hand the switching bridge 22 is closed.
  • the supply voltage U bat is present at the connecting terminal 46, and the starter motor 12 is connected to a necessary operating voltage.
  • the pull-in winding 16 is de-energized, since the start of its winding via the terminal 44 and the end of the winding via terminal 46 are at the same potentials.
  • the starter relay 14 is only energized via the holding winding 18, which provides a sufficiently large holding force for the switching axis 20.
  • the power module 34 separates the Terminals 38 and 44 so that the holding winding 18 of the starter relay 14 is de-energized and thus that Starter relay 14 drops out. This will, on the one hand the pinion 26 disengaged and the switching bridge 22 opened. The start process is thus finished and the Internal combustion engine 28 turned on.
  • the free-wheeling diode 36 ensures that when the holding winding is switched off 18 resulting inductive overvoltages are reduced can.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of that shown in Figure 1 Arrangement.
  • the same parts as in Figure 1 are provided with the same reference numerals and not again explained.
  • the switching means 56 is a parallel Protection diode 58 switched.
  • the reverse polarity protection diode serves to protect the power module 34 against wrong connection.
  • the reverse polarity protection can but also through constructive measures that clear installation of the electronic relay 32 ensure, be ensured so that on the Arrangement of the polarity reversal protection diode 60 can be dispensed with can.
  • An overvoltage diode 62 is also provided, the power module 34 from overvoltages protect the vehicle electrical system should. Particularly when the generator 42 is operating ( Figure 1) there can be normal voltage fluctuations come. However, the generator 42 is so-called Load dump diodes equipped, which in itself Surge protection can ensure that Arrangement of the overvoltage diode 62 is also dispensed with become.
  • the power module 34 is a smart power MOSFET, which in addition to that realized by a power transistor Switching means 56 an integrated overvoltage protection, an overcurrent limit and one Has temperature shutdown, so that the Power module 34 itself against overload protects.
  • the MOSFET is included as a high-side switch integrated charge pump.
  • FIG 3 is a partially cut Side view of the starting device 10 shown.
  • a first one Possibility is the electronic relay 32 to integrate in the starter relay 14.
  • the electronic relay 32 has here one in more detail with reference to Figures 4 to 7 explained structure.
  • the location of the electronic Relay 32 in the starter relay 14 offers the advantage that close proximity to the starter terminals 10 and the holding winding 18 and the Pull-in winding 16 of the starter relay 14 is given.
  • the electronic Relay 32 at the position labeled 64 here to arrange.
  • the electronic relay 32 formed as a correspondingly encapsulated module 66 be connected to a pole housing 68 of the starter motor 12 attached, for example screwed.
  • the commutator bearing cap 70 would be the housing part surrounding the drive bearing 72 corresponding to the design of the electronic relay 32 adapt.
  • Within the scope of the present description should not refer to a specific installation space of the electronic relay 32 are set, rather The various options of space-saving Arrangement in combination with the whole Starting device 10 are shown.
  • Figure 6 shows a sectional view of the electronic Relay 32 corresponding to line I-I in Figure 4, while Figure 7 is a plan view of a Switch cover of the starter relay 14 shows.
  • FIGS 4 to 6 can be seen without further ado, that the electronic relay 32 as a compact unit 74 is formed.
  • the electronic relay 32 has the freewheeling diode 36 and the as the chip 76 trained power module 34.
  • the chip 76 carries the individual components of the Power module 34, such as the switching means 56, the overcurrent limitation, the temperature shutdown as well as the surge protector here are not shown in detail.
  • the power module 34 and the freewheeling diode 36 are in one housing 78 arranged, which is made of an insulating material consists.
  • the housing 78 can, for example be a plastic injection molded part. Inside the case 78 is an installation space 80 for the freewheeling diode 36 and an installation space 82 is formed for the power module 34.
  • a lead frame 84 is provided, which the corresponding trains electrical traces.
  • the Lead frame 84 is with power module 34, in particular with the chip 76, via a corresponding one Number of bond wires 86 connected.
  • Collar 88 from which the freewheeling diode 36 with its Base 90 is pressed.
  • Punching grid 84 is form-fitting with corresponding Isolation areas 92 of the housing 78 connected.
  • the lead frame 84 leads to the terminals 38, 48, 44 and to the ground connection 94 (see Figure 1).
  • the installation space 82 is by means of a cap 96 can be closed.
  • the cap is 96 by means of a snap connection 98 with the housing 78 releasably connectable. Through the releasable connection of the Cap 96 with the housing 78 can be removed 5, so that the installation space 82nd is accessible with the power module 34.
  • the Chip 76 of power module 34 is on a pad 100 on a heat sink 102, for example a copper block.
  • the housing 78 has an approximately centrally arranged through opening 102 through which the switching axis 20 of the starter relay 14 is feasible.
  • the electronic relay 32 very advantageously integrated into the starter relay 14 on both sides of the electronic relay 32 Functional elements of the starter relay 14 arranged can be. Furthermore, are designed as bores Openings 104 provided through the mounting screws led to attach the housing 78 can be.
  • FIG. 7 is a top view of a cover 106 the starter relay 14 shown.
  • the cover 106 has the main current contacts designated 108 and 110 here on by means of the switching bridge 22 can be connected. Furthermore are the terminals 38, 44, 48 and 94 led out, so that contacting corresponding to that in FIG. 1 shown interconnection can be performed. Consequently do not need any additional connections to the outside, be led out of the starter relay 14.
  • FIG 8 is a schematic overview via the electronic control system of a motor vehicle shown.
  • the overview clearly shows that the engine control unit 50 has a variety of functional elements of the motor vehicle is monitored or controls, with the detailed Function and mode of operation of engine control unit 50 not within the scope of the present description to be received.
  • the Engine control unit 50 has a variety of functional elements of the motor vehicle is monitored or controls, with the detailed Function and mode of operation of engine control unit 50 not within the scope of the present description to be received.
  • a Integration of the starting device 10 in the whole Control management of the motor vehicle in a simple manner is possible.
  • an operation or a decommissioning of the starting device 10 depending on other current conditions realized the other functional elements of the motor vehicle become. It will be a coordinated one Behavior possible, malfunctions excluded can be.
  • engine control unit 50 receives information or gives corresponding control signals, for example to a fuel tank 116, a Electric fuel pump 118, a fuel filter 120, a pressure regulator 122, injection valves 124, a high voltage distributor 126, an idle speed controller 128, an air temperature sensor 130, a throttle switch 132, a lambda probe 134, an ignition coil 136, an engine temperature sensor 138, a speed sensor 140, an air conditioning switch 142, the start ignition switch 54 and the starting device 10.
  • a battery 40 takes place Power supply to engine control unit 50.
  • the starting device 10 By integrating the starting device 10 in the Entire system is easier to control Possible way, with a drive voltage for example between 8 V and 24 V with a control current less than 2 A for a battery voltage of 12 V. or 24 V is possible. Thus, an overall low-power Activation of the starting device 10 possible.
  • the electronic relay 32 By means of the electronic relay 32 can in addition the function described as analog electronic, Low-energy interface between the starter 10 and the engine control unit 50 a number can be relayed by other functions.
  • the chip 76 of the power module 34 integrated circuits for temperature limitation, overcurrent limitation and Surge protection very advantageous in the control functions of the engine control unit 50 included become.
  • a shutdown of the starting device 10 when a starter limit temperature is exceeded can be realized by, for example, a Single temperature sensor assigned to the starter for example near the carbon brushes of the starter motor 12 is arranged Provides signal that a shutdown of the electronic Relay and thus a trace of the starter 10 causes. Furthermore, an integral Evaluation of the square of the motor current of the starter motor 12 can be made. This received The value is proportional to a loss integral in the starter motor and thus a measure of the warming of the Starter motor 12. When a certain one is exceeded selectable limit value, the start process is aborted.
  • the electronic Relay 32 offers the possibility of both functions, So applying the tightening force and that Applying the holding force with a winding realize. This is achieved by using the electronic relay 32 two different amperages through fixed cycle ratios for the engagement and holding the starter relay 14 provided become.
  • the switchover time can, for example by sensing the on the terminal 46 applied voltage can be determined. This will simplify production and achieved a material saving for the starter relay 14.
  • Another option is to use the electronic relay 32 the winding of the starter relay 14 as a series resistor for the starter motor 12 to switch to a slow spinning of the To enable starter motor 12 when engaging.
  • a relatively high relay current of approx. 200 A flows, a corresponding interpretation of the electronic Relay 32 for these currents. This can be done, for example, by means of a parallel connection done by two power modules 34.
  • the electronic Relay 32 automatically tracks the starting device 10 when a starter idling speed is reached to realize.
  • the speed of the starter motor 12 can, for example, via a speed sensor or by observing the starter current be determined. For example, this can be done at a Time at which the starter current has a minimum value (Idle current) falls below the starting device 10 can be switched off.
  • the electronic relay 32 It is also possible into the electronic relay 32 a microprocessor or to integrate programmable logic.
  • the question and answer code can be freely can be programmed and via the engine control unit 50 fixed or changed at regular intervals.
  • the electronic relay 32 As electronic immobilizer should be appropriate mechanical security or by choosing the Installation location of the electronic relay 32 manipulation to be excluded for bridging. Ultimately, this makes it possible to bridge the gap of the electronic relay 32 only through Destruction of the starter 10 to achieve so that an unauthorized driving away of the motor vehicle is excluded is.
  • the electronic relay 32 also from any other control units, so not to control the engine control unit 50. Is too direct actuation of the electronic relay 32, for example via the ignition lock 54, possible that in the chip 76 of the power module 34th integrated functions can be implemented.
  • FIGS of the electronic relay 32 Various equipment variants are shown on the basis of FIGS of the electronic relay 32, in particular of the power module 34 shown.
  • the electronic Relay 32 is designed redundantly, that is, to increase the security of the initiation and the
  • the end of the start process are logical links provided between circuit parts that in the presence or absence of one certain information a function of electronic Prevent relay 32.
  • Figures 9 to 15 are the same parts as in the previous figures provided with the same reference numerals and not again explained. In particular, only the specifics of the respective circuit variant.
  • the power module 34 consists of two power MOS chips connected in series 144.
  • the PMOS transistors 144 are via a logic circuit 146 linked together.
  • the logic circuit 146 - which may also be on the PMOS chips 144 is integrated - checks whether between the Transistors 144 in the off state, that means that there is no signal at terminal 48, on one between transistors 144 There is a voltage at terminal 148. In case that a voltage is present at terminal 148, is a Fault sensed and the logic circuit 146 die Transistors 144 blocked, so that initiation or a new initiation of a start process is prevented. In addition to blocking the electronic relay 32 can this error message Further processing also one not shown Evaluation unit are supplied.
  • the electronic relay 32 two parallel to each other switched PMOS transistors 144. This are in turn with each other via logic circuit 146 connected.
  • a first one - shown here on the left - Transistor 144 controls a first winding 150 and a second transistor 144 a second winding 152 of the starter relay 14.
  • the windings 150 and 152 are designed so that only when both are energized Windings a tightening of the starter relay 14 possible is. However, it is sufficient to apply the holding force energizing the winding 152.
  • the logic circuit 146 monitors transistors 144 to ensure that whether switching through without creating a Control signal at the terminal 48 takes place. For the case that one of the relays 144 switches through, an error is detected and the electronic Relay 32 blocked, so that further start attempts can be prevented.
  • the freewheeling diode 36 from FIG. 1 by a transistor 154 replaced by the logic circuit 146 with the Power module 34 is linked.
  • the logic circuit 146 monitors whether the power module 34 is switched through incorrectly. Is this the Case, the transistor 154 is driven so that the Windings 16 and 18 of the starter relay 14 over the Terminal 44 are short-circuited. Hereby the initiation of a start process is safely avoided.
  • transistor 154 is for higher ones Current levels designed as the transistor of the power module 34. This ensures that in the event of a fault, the bond connections 86 (FIG. 5) melt and thus act as a backup.
  • the power module 34 has a securing element 156 assigned.
  • the securing element 156 which as a separate Component can be formed or in a Connection line between the individual components can be integrated, takes over when it occurs of high currents occurring in the event of a fault the shutdown of the electronic relay 32.
  • Figure 13 shows an embodiment in which the electronic relay 32 instead of with the connecting terminal 38 is connected to the terminal 52, so that via the ignition lock 54 a Zu- or The electronic relay 32 is switched off can.
  • the connection shown in dashed lines in Figure 13 158 may be provided, which the engine control unit 50th bridged.
  • the connection between the engine control unit 50 and the terminal 48 can in this There are no traps so that an engine control unit 50 Independent control of the electronic relay 32 is possible.
  • the electronic relay 32 will then only controlled via the ignition lock 54 and connected to the voltage source. The redundancy results through the series connection of the ignition lock 54 and the electronic relay 32.
  • FIGS. 14 and 15 The mode of operation is illustrated in FIGS. 14 and 15 logic circuit 146 according to that shown in FIG Design variant according to which the electronic relay 32 two transistors 144 connected in series has, explained in more detail.
  • the transistors 144 are here for better differentiation with transistor 144 ' and transistor 144 ".
  • the logic circuit 146 from FIG. 9 here consists of two logic modules 158 and 160, with the logic chip 158 on the chip of PMOS transistor 144 'and logic device 160 integrated on the chip of the PMOS transistor 144 " is. It is clear from FIG. 14 that the logic modules 158 and 160 on the one hand each with the Terminal 48 and with ground and on the other hand with the gate, source or drain of the Transistors 144 are connected. Still done a coupling of the logic modules 158 and 160 via a cross connection 162.
  • the logic module 158 has a time delay element 164, which is connected on the one hand to the connecting terminal 48 and on the other hand to a first input of a NAND element 166.
  • the output of the NAND gate 166 is connected to a first input of an AND gate 168.
  • the second input of the AND gate 168 is connected to the terminal 48.
  • An output of the AND gate 168 is connected to a control logic 170 of the transistor 144 '.
  • a monitoring element 172 is also provided, the output of which is connected to a flip-flop 174. Of the Q Output of the flip-flop 174 is connected to the second input of the NAND gate 166.
  • the second logic module 160 has a second AND gate 176, the first input of which is connected via the cross connection 162 to the output of the time delay element 164 of the logic module 158.
  • the second input of the AND gate 176 is connected to the terminal 48.
  • An output of the AND gate 176 is connected to a first input of a third AND gate 178.
  • Terminal 48 is also connected to a first input of a comparator 180, the second input of which is connected to terminal 148.
  • An output of the comparator 180 is connected to a flip-flop 182, the Q Output is connected to the second input of the AND gate 178.
  • the output of the AND gate 178 is connected to a control logic 184 of the transistor 144 ".
  • FIGS. 14 and 15 performs the following function:
  • a control signal ie a high signal
  • the transistor 144 ' is switched on.
  • the transistor 144 "is initially not switched on, since the input AND gate 176 of the power module 160 is connected to the time delay element 164, and switching through occurs only when a signal is high at both the connection terminal 48 and the cross connection 162 It is detected whether a current flows through the transistor 144 'via the monitoring element 172. In the event that no current flows, a differential voltage AU between the source and the drain of the transistor 144' is equal to zero 144 "is still blocked, it means that there is no error if no current flows through transistor 144 '.
  • the transistor 144 ' In the OFF state, that is to say there is no signal at the terminal 48, so that the low state results, the transistor 144 'is not switched on, so that the transistor 144 "lying in series with it receives no supply voltage Transistor 144 'defective, that is to say short-circuited, there is a supply voltage at terminal 148, although no control signal is provided via terminal 148.
  • the transistor 144 'is thus virtually monitored with the logic module 160.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem über ein Starterrelais mit einer Spannungsquelle verbindbaren und der Brennkraftmaschine zum Andrehen in Eingriff bringbaren Startermotor, und einer elektronischen Einrichtung zum Ansteuern des Starterrelais. Es ist vorgesehen, daß die elektronische Einrichtung (30) von einem an oder in der Startvorrichtung (10) angeordneten elektronischen Relais (32) gebildet wird, das über einen Logiksignaleingang (48) von einem elektronischen Motor-Steuergerät (50) des Kraftfahrzeugs ansteuerbar ist.

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 üblicherweise Startermotoren eingesetzt, die über ein als sogenanntes 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 bekannt, dieses über einen externen Schalter, beispielsweise einem. Zündschalter oder Startschalter des Kraftfahrzeug oder ein externes Relais anzusteuern.
Hierdurch wird der relativ große Strom, der beim Betätigen des Starterrelais fließt, besser beherrschbar. Das Starterrelais erzeugt mit diesem Strom die erforderliche Kraft, um die Startvorrichtung einzuspuren 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 Kraftfahrzeugs 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 manuelle Fehlbedienung des Starterrelais, beispielsweise über einen Zündschalter, einen Anlaßschalter beziehungsweise einen kombinierten Zündanlaßschalter verhindert werden soll. Darüber hinaus sind beispielsweise aus der US-PS 4,739,736 elektronische Einrichtungen bekannt, die zum Ansteuern des Starter-relais einer Startvorrichtung eingesetzt werden.
Aus der US-PS 4,533,016 ist schließlich eine Startvorrichtung mit einem Starterrelais und einem elektronischen Leistungsschaltbaustein in Form eines Thyristors bekannt, der von einer elektronischen Steuerung des Kraftfahrzeugs in Form einer integrierten Schaltung über einen code-Eingang ansteuerbar ist. Mit dieser Elektronik soll eine Diebstahlsicherung erreicht werden derart, daß die Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs nur nach Eingabe des codes gestartet werden kann. Bei laufender Brennkraftmaschine werden außerdem die Zündimpulse detektiert und dadurch nach Anlauf der Maschine die Startervorrichtung abgeschaltet. Nachteilig hierbei ist jedoch die Verwendung eines Thyristors als Leistungssschaltbaustein der Startvorrrichtung, da dieser durch Störimpulse, Kurzschlüsse oder dergleichen einen ungewollten Startvorgang auslösen kann, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt.
Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, die Sicherheit bei der Einleitung oder Beendigung des Startvorganges zu verbessern, um Fehlfunktionen der elektronischen Steuerung zum Ansteuern des Starterrelais zu verhindern.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Startvorrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß das elektronische Relais redundant ausgelegt ist, d.h., zur Erhöhung der Sicherheit der Einleitung und der Beendigung des Startvorgangs sind logische Verknüpfungen zwischen den Schaltungsteilen vorgesehen, die beim Vorliegen bzw. Nichtvorliegen einer bestimmten Information eine Fehlfunktion des elektronischen Relais verhindern. Über eine Logikschaltung werden dabei den Leistungsschaltbaustein des elektronischen Relais bildende Transistoren überwacht. Im Falle eines Fehlers an einem der beiden Transistoren wird das elektronische Relais von der Logikschaltung blockiert.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es über die elektronische Steuerung des Kraftfahrzeugs möglich, daß der Startvorgang der Brennkraftmaschine automatisiert und gleichzeitig koordiniert in Abhängigkeit weiterer Funktionszustände des Kraftfahrzeugs ablaufen kann. Dadurch, daß die elektronische Einrichtung des Starterrelais von einem an oder in der Startvorrichtung angeordneten elektronischen Relais gebildet wird, das über einen Logiksignaleingang von einem elektronischen Motor-Steuergerät des Kraftfahrzeugs ansteuerbar ist, ist es vorteilhaft möglich, eine leistungs- und damit energiearme sowie verschleißfreie Einleitung beziehungsweise Beendigung des Startvorgangs zu erreichen. Durch die elektronische Ansteuerung über ein in der Regel im Kraftfahrzeug vorhandenes Motor-Steuergerät sind verschiedene Steuerfunktionen des Starterrelais in einfacher Weise erreichbar. So kann eine Versorgung des Starterrelais mit Einzugs- und Haltestrom beim Startvorgang, eine sichere Unterbrechung des Einzugs- und Haltestroms beziehungsweise gegebenenfalls nur des Haltestroms, bei Beendigung des Startvorgangs erreicht 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 Brennkraftmaschine, verhindert werden können. Darüber hinaus kann über das mit der Startvorrichtung kombinierte elektronische Relais gleichzeitig sehr vorteilhaft ein Selbstschutz gegen Überlastung, als Überspannungsschutz, als Überstromschutz und/oder als Übertemperaturschutz erreicht werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das elektronische Relais so ausgebildet ist, daß es mit der Startvorrichtung integriert werden 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 zusätzlicher Bauraum für das elektronische Relais benötigt. Darüber hinaus ist eine zusätzliche Verkabelung innerhalb des Kraftfahrzeugs nicht erforderlich. Durch den Austausch einer kompletten Startvorrichtung beziehungsweise 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 Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Startvorrichtung;
Figur 2
ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Startvorrichtung;
Figur 3
eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht einer Startvorrichtung;
Figur 4 bis 6
verschiedene Ansichten eines elektronischen Relais;
Figur 7
eine Außenansicht eines Schalterdeckels eines Starterrelais;
Figur 8
eine schematische Gesamtübersicht einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs;
Figur 9 bis 15
verschiedene Schaltungsanordnungen einer Verschaltung des elektronischen Relais.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Anhand des in Figur 1 gezeigten Blockschaltbildes wird das Gesamtsystem zum Starten eines Kraftfahrzeugs 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 Einrichtung 30 zugeordnet, die nachfolgend insgesamt als elektronisches Relais 32 bezeichnet wird und deren Redundanz-Schaltungsvarianten bei den Figuren 9 bis 15 näher erläutert werden. Das elektronische Relais 32 besitzt einen Leistungsbaustein 34 sowie eine Freilaufdiode 36. Der Leistungsbaustein 34 ist mit einer Anschlußklemme 38 verbunden, die mit einer Spannungquelle des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Als Spannungsquelle des Kraftfahrzeugs sind allgemein eine Akkumulatorenbatterie 40 und ein Generator 42 eingesetzt. Der Leistungsbaustein 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 Leistungsbaustein 34 stellt somit ein zwischen den Anschlußklemmen 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 Haltewicklung 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 Startermotors 12 und der Einzugswicklung 16 des Starterrelais 14 verbunden.
Ein Logiksignaleingang 47 des Leistungsbausteins 34 ist über eine Anschlußklemme 48 mit einem elektronischen Motor-Steuergerät 50. des Kraftfahrzeugs verbunden. 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 Figur 1 dargestellte Anordnung übt folgende 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 Ansteuersignal besteht beispielsweise aus einer Spannung, beispielsweise einer Spannung von größer 8 V gegen Masse, die während des gesamten Startvorgangs anliegt. Das elektronische Relais 32 kann so aufgebaut sein, daß die Ansteuerspannung während des Startvorgangs absinken kann, beispielsweise auf einen Wert von kleiner als 4 V, ohne daß der Startvorgang unterbrochen wird. Das elektronische Relais besitzt einen hohen Eingangswiderstand, so daß der über den Logiksignaleingang 47 fließende Steuerstrom eine geringe Stromstärke von beispielsweise kleiner 0,1 A aufweist. Die geringe Stromstärke kann problemlos von einer Endstufe des Motor-Steuergerätes 50 geliefert werden.
Durch das Anlegen des Einschaltsignals an den Logiksignaleingang 47 schaltet der Leistungsbaustein 34 die an der Anschlußklemme 38 anliegende Versorgungsspannung Ubat auf die Einzugswicklung 16 und die Haltewicklung 18 des Starterrelais 14 durch. Hierdurch wird in allgemein bekannter Weise die Schaltachse 20 des Starterrelais 14 axial bewegt, so daß einerseits das Ritzel 26 des Startermotors 12 mit dem Zahnkranz 28 in Eingriff gebracht wird und andererseits die Schaltbrücke 22 geschlossen wird. Hierdurch liegt an der Anschlußklemme 46 die Versorgungsspannung Ubat an, und der Startermotor 12 ist mit einer notwendigen Betriebsspannung verbunden. Gleichzeitig wird die Einzugswicklung 16 stromlos geschaltet, da deren Wicklungsanfang über die Anschlußklemme 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 Logiksignaleingang 46 anliegende Steuersignal so beeinflußt, daß es unter die Abschaltspannung des elektronischen 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 geöffnet. Der Startvorgang ist somit beendet und die Brennkraftmaschine 28 angedreht. Die Freilaufdiode 36 gewährleistet, daß beim Abschalten der Haltewicklung 18 entstehende induktive Überspannungen abgebaut werden können.
Figur 2 zeigt ein Schaltbild der in Figur 1 dargestellten Anordnung. Gleiche Teile wie in Figur 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals 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 Verpolschutzdiode 60 vorgesehen, deren Anode mit der Anschlußklemme 38 und deren Kathode mit dem Leistungsbaustein 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 vorgesehen, die den Leistungsbaustein 34 vor Überspannungen des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs schützen soll. Insbesondere bei Betrieb des Generators 42 (Figur 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 verzichtet werden.
Der Leistungsbaustein 34 ist ein smart-power-MOSFET, der neben dem durch einen Leistungstransistor realisierten Schaltmittel 56 einen integrierten Überspannungsschutz, 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 Figur 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 Figur 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 Figuren 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 Startvorrichtung 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 beziehungsweise 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 platzsparenden Anordnung in Kombination mit der gesamten Startvorrichtung 10 aufgezeigt werden. Insgesamt ist es also möglich, ohne daß die Startvorrichtung 10 einen größeren, gegebenenfalls nur einen geringfügig vergrößerten Einbauraum im Kraftfahrzeug benötigt, das elektronisch Relais 32 anzuordnen. Durch Kombination des elektronischen Relais 32 mit der Startvorrichtung 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 Figuren 4, 5, 6 und 7 wird eine konkrete konstruktive Ausgestaltung eines elektronischen Relais 32 erläutert, wobei hier davon ausgegangen wird, daß das elektronische Relais 32 in das Starterrelais 14 integriert wird. Die Figuren 4 und 5 zeigen hierbei eine Draufsicht auf das elektronische Relais 32, wobei in der Figur 5 eine Abdeckung abgenommen ist, so daß in das elektronische Relais 32 hineinbetrachtet werden kann.
Figur 6 zeigt eine Schnittdarstellung des elektronischen Relais 32 entsprechend der Linie I-I in Figur 4, während Figur 7 eine Draufsicht auf einen Schalterdeckel des Starterrelais 14 zeigt.
Den Figuren 4 bis 6 ist ohne weiteres zu entnehmen, daß das elektronische Relais 32 als kompakte Baueinheit 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 Schaltmittel 56, die Überstrombegrenzung, die Temperaturabschaltung sowie den Überspannungsschutz, die hier nicht detailliert dargestellt sind. Der Leistungsbaustein 34 und die Freilaufdiode 36 sind in einem Gehäuse 78 angeordnet, welches aus einem Isoliermaterial 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 ausgebildet. Zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse der Freilaufdiode 36 und des Leistungsbausteins 34 ist ein Stanzgitter 84 vorgesehen, das die entsprechenden 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 entsprechenden Isolierstoffbereichen 92 des Gehäuses 78 verbunden. Das Stanzgitter 84 führt zu den Anschlußklemmen 38, 48, 44 sowie zu dem Masseanschluß 94 (vergleiche Figur 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 Figur 5 zeigt, so daß der Einbauraum 82 mit dem Leistungsbaustein 34 zugänglich wird. Der Chip 76 des Leistungsbausteins 34 ist über eine Unterlage 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 Starterrelais 14 führbar ist. Durch Ausbildung der Durchgangsöffnung 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 Befestigungsschrauben zum Befestigen des Gehäuses 78 geführt werden können.
In Figur 7 ist eine Draufsicht auf einen Deckel 106 des Starterrelais 14 gezeigt. Der Deckel 106 weist die hier mit 108 und 110 bezeichneten Hauptstromkontakte 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 Figur 1 gezeigten Verschaltung durchgeführt werden kann. Somit müssen keine zusätzlichen Anschlüsse nach außen, aus dem Starterrelais 14 herausgeführt werden.
In der Figur 8 ist eine schematische Gesamtübersicht über das elektronische Steuersystem eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Anhand der Übersicht wird deutlich, daß das Motor-Steuergerät 50 eine Vielzahl von Funktionselementen des Kraftfahrzeugs überwacht beziehungsweise 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 elektronische Relais 32 mit dem Motor-Steuergerät 50 eine Einbindung der Startvorrichtung 10 in das gesamte Steuermanagement des Kraftfahrzeugs in einfacher Weise möglich ist. Somit kann eine Betätigung beziehungsweise eine Außerbetriebsetzung der Startvorrichtung 10 in Abhängigkeit weiterer momentaner Zustände der anderen Funktionselemente des Kraftfahrzeugs realisiert werden. Es wird ein aufeinander abgestimmtes Verhalten möglich, wobei Fehlfunktionen ausgeschlossen werden können.
Nachfolgend werden die einzelnen Elemente der System-konfiguration kurz benannt, ohne eine detaillierte Erläuterung zu geben. Über die dargestellten Steuerleitungen 114 erhält das Motor-Steuergerät 50 Informationen oder gibt entsprechende Steuersignale, beispielsweise an einen Kraftstoffbehälter 116, eine Elektrokraftstoffpumpe 118, einen Kraftstoffilter 120, einen Druckregler 122, Einspritzventile 124, einen Hochspannungsverteiler 126, einen Leerlaufdrehzahlsteller 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 Startvorrichtung 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 beispielsweise 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 leistungsarme Ansteuerung der Startvorrichtung 10 möglich. Mittels des elektronischen Relais 32 kann neben der beschriebenen Funktion als analoge elektronische, energiearme Schnittstellung zwischen der Startvorrichtung 10 und dem Motor-Steuergerät 50 eine Reihe von weiteren Funktionen relaisiert werden. Hierbei können unter anderem die in dem Chip 76 des Leistungsbaustein 34 integrierten Schaltungen der Temperaturbegrenzung, der Überstrombegrenzung und des Überspannungsschutzes sehr vorteilhaft mit in die Ansteuerfunktionen des Motor-Steuergerätes 50 einbezogen werden. So ist es beispielsweise möglich, eine Startwiederholfunktion zu realisieren, bei der mittels einer Grenztemperaturabschaltung des Leistungstransistors und deren Hysterese ein erneuter Startversuch nach Erreichen einer unteren Grenztemperatur eingeleitet werden kann. Eine weitere Möglichkeit der Realisierung der Startwiederholfunktion besteht darin, 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 Startvorrichtung 10 bei Überschreiten einer Startergrenztemperatur realisiert werden, indem beispielsweise ein Einfachtemperatursensor der Startvorrichtung zugeordnet wird, der beispielsweise in der Nähe der Kohlebürsten des Startermotors 12 angeordnet ist, ein Signal bereitstellt, das ein Abschalten des elektronischen Relais und damit ein Ausspuren der Startvorrichtung 10 bewirkt. Weiterhin kann eine integrale Auswertung des Quadrates des Motorstroms des Startermotors 12 vorgenommen werden. Dieser erhaltene Wert ist proportional einem Verlustintegral im Startermotor und damit ein Maß für die Erwärmung des Startermotors 12. Bei Überschreiten eines bestimmten wählbaren Grenzwertes wird der Startvorgang abgebrochen.
Es ist bekannt, zur Vermeidung von Relaisschäden des Starterrelais 14 durch Überhitzung die Wicklung in die Einzugswicklung 16 und die Haltewicklung 18 aufzuteilen, die einen unterschiedlichen Drahtquerschnitt aufweisen können. Die hohe Anzugskraft des Starterrelais 14 beim Einspuren wird durch kurzzeitiges Parallelschalten beider Wicklungen erzeugt. Die erforderliche kleinere Haltekraft während des Startens der Brennkraftmaschine, die für einen längeren 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 Funktionen, 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 Stromstärken durch feste Taktverhältnisse für das Einspuren und das Halten des Starterrelais 14 bereitgestellt werden. Der Umschaltzeitpunkt kann beispielsweise durch eine Sensierung der an der Anschlußklemme 46 anliegenden Spannung ermittelt werden. Hierdurch wird eine Fertigungsvereinfachung und eine Materialeinsparung für das Starterrelais 14 erzielt.
Darüber hinaus ist es mittels des elektronischen Relais möglich, über eine getaktete Ansteuerung beziehungsweise 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 Starterrelais 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 elektronischen 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 Startvorrichtung 10 bei Erreichen einer Starterleerlaufdrehzahl zu realisieren. Hier wird ein wirksamer Schutz der Startvorrichtung 10 gegen zu hohe Drehzahlen erreicht. Weiterhin ist eine zusätzliche Sicherheitsfunktion zu dem bereits bekannterweise realisierten Freilauf möglich. Aufrund der doppelten Sicherheit für den Startermotor 12 kann eine konstruktive Vereinfachung im Feld- und Ankerbereich des Startermotors 12 erfolgen. Die Drehzahl des Startermotors 12 kann beispielsweise über einen Drehzahlsensor 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 Wegfahrsperre für das Kraftfahrzeug zu realisieren. Über die Anschlußklemme 48 kann das Motor-Steuergerät 50 dem elektronischen Relais 32 vor jedem Startvorgang eine Impulsfolge übergeben, die das elektronische Relais 32 mit einer internen Impulsfolge vergleicht. Erst bei Übereinstimmen der beiden Impulsfolgen wird der Startvorgang eingeleitet. Stimmen die Impulsfolgen nicht überein, wird der Startvorgang über das elektronische Relais 32 gesperrt. Hierzu ist es möglich, 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 beispielsweise über die in dem Chip 76 vorhandene Hochtemperaturlogik, das heißt der Übertemperaturschutzschaltung, realisiert werden. Weiterhin ist es möglich, in das elektronische Relais 32 einen Mikroprozessor oder eine programmierbare Logik zu integrieren. Hier kann der Frage- und Antwortcode frei programmiert werden und über das Motor-Steuergerät 50 festgelegt beziehungsweise turnusmäßig verändert werden. Bei Einsatz des elektronischen Relais 32 als elektronische Wegfahrsperre sollte eine entsprechende mechanische Sicherung beziehungsweise durch Wahl des Einbauortes des elektronischen Relais 32 eine Manipulation zum Überbrücken ausgeschlossen werden. Letztendlich wird es hiermit möglich, eine Überbrückung des elektronischen Relais 32 nur durch Zerstörung der Startvorrichtung 10 zu erreichen, so daß ein unbefugtes Wegfahren des Kraftfahrzeugs ausgeschlossen ist.
Durch die Schnittstelle zwischen dem Motor-Steuergerät 50 und dem elektronischen Relais 32 kann für die Steuerung der Startvorrichtung 10 die Software des Motor-Steuergerätes 50 sehr vorteilhaft mit eingesetzt werden. So ist beispielsweise ein automatisches Beenden des Startvorgangs bei Lauf der Brennkraftmaschine möglich, und es ist ein Einspuren der Startvorrichtung 10 in eine laufende Brennkraftmaschine zu verhindern. Insgesamt ist also der Startvorgang 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 Figuren 9 bis 15 sind verschiedene Ausstattungsvarianten des elektronischen Relais 32, insbesondere des Leistungsbausteins 34, gezeigt. Hierbei wird dem Gedanken Rechnung getragen, daß das elektronische Relais 32 redundant ausgelegt ist, das heißt, zur Erhöhung der Sicherheit der Einleitung und der Beendigung des Startvorgangs sind logische Verknüpfungen zwischen Schaltungsteilen vorgesehen, die beim Vorliegen beziehungsweise Nichtvorliegen einer bestimmten Information eine Funktion des elektronischen Relais 32 verhindern. In den Figuren 9 bis 15 sind gleiche Teile wie in den vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Im einzelnen wird nur auf die Besonderheiten der jeweiligen Schaltungsvariante eingegangen.
In der Figur 9 besteht der Leistungsbaustein 34 aus zwei in Reihe zueinander geschalteten Power-MOS-Chips 144. Die PMOS-Transistoren 144 sind über eine Logikschaltung 146 miteinander verknüpft. Die Logikschaltung 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 beziehungsweise ein erneutes Einleiten eines Startvorgangs verhindert wird. Neben der Blockierung des elektronischen Relais 32 kann diese Fehlermeldung zur Weiterverarbeitung auch einer nicht dargestellten Auswerteeinheit zugeführt werden.
Bei der in Figur 10 gezeigten Schaltungsvariante besitzt das elektronische Relais 32 zwei parallel zueinander 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 Logikschaltung 146 überwacht die Transistoren 144 dahingehend, 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 Figur 11 gezeigten Variante wird die Freilaufdiode 36 aus Figur 1 durch einen Transistor 154 ersetzt, der über die Logikschaltung 146 mit dem Leistungsbaustein 34 verknüpft ist. Die Logikschaltung 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 vermieden. Weiterhin ist der Transistor 154 für höhere Stromstärken ausgelegt als der Transistor des Leistungsbausteins 34. Hierdurch wird gewährleistet, daß im Fehlerfall die Bondverbindungen 86 (Figur 5) schmelzen und somit als Sicherung wirken.
Bei der in Figur 12 dargestellten Schaltungsvariante ist zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 11 dem Leistungsbaustein 34 ein Sicherungselement 156 zugeordnet. Das Sicherungselement 156, das als gesondertes Bauteil ausgebildet sein kann oder in eine Verbindungsleitung zwischen den einzelnen Bauelmenten integriert sein kann, übernimmt hierbei beim Auftreten von im Fehlerfall auftretenden hohen Strömen die Abschaltung des elektronischen Relais 32.
Figur 13 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der das elektronische Relais 32 anstatt mit der Anschlußklemme 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 Figur 13 gestrichelt dargestellte Verbindung 158 vorgesehen sein, die das Motor-Steuergerät 50 überbrückt. Die Verbindung zwischen dem Motor-Steuergerät 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 ergibt sich hierbei durch die Reihenschaltung des Zündschlosses 54 und des elektronischen Relais 32.
Anhand der Figuren 14 und 15 wird die Funktionsweise der Logikschaltung 146 gemäß der in Figur 9 gezeigten Ausführungsvariante, nach der das elektronische Relais 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 Figur 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 Figur 14 wird deutlich, daß die Logikbausteine 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 Figur 15 ein Zeitverzögerungsglied 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 Anschlußklemme 48 verbunden. Ein Ausgang des UND-Gliedes 168 ist mit einer Kontrollogik 170 des Transistors 144' verbunden. Weiterhin ist ein Überwachungsglied 172 vorgesehen, dessen Ausgang mit einem Flipflop 174 verbunden ist. Der Q-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 Querverbindung 162 mit dem Ausgang des Zeitverzögerungsgliedes 164 des Logikbausteins 158 verbunden ist. Der zweite Eingang des UND-Gliedes 176 ist mit der Anschlußklemme 48 verbunden. Ein Ausgang des UND-Gliedes 176 ist mit einem ersten Eingang eines dritten UND-Gliedes 178 verbunden. Die Anschlußklemme 48 ist weiterhin 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 Q-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 Figuren 14 und 15 gezeigte Schaltungsanordnung übt folgende Funktion aus:
Liegt an der Anschlußklemme 48 über das Motor-Steuergerät 50 ein Steuersignal an, also ein high-Signal, wird der Transistor 144' eingeschaltet. Der Transistor 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 Überwachungsglied 172 wird detektiert, ob über den Transistor 144' ein Strom fließt. Für den Fall, daß kein Strom fließt, ist eine Differenzspannung AU zwischen 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 (Q=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 Verzögerungszeit des Zeitverzögerungsgliedes 164 abgelaufen 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 gesetzt wird (Q=high). Da nunmehr am zweiten Eingang des NAND-Gliedes 166 high-Signal anliegt, wird nach Ablauf der Verzögerungszeit des Zeitverzögerungsgliedes 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 ergibt, 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 (Q=low), so daß über die Verknüpfung mit dem UND-Glied 178 selbst bei nunmehr 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 (9)

  1. Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem über ein Startrelais (14) mit einer Spannungsquelle (40) verbindbaren und mit der Brennkraftmaschine zum Andrehen in Eingriff bringbaren Startermotor (12), und mit einer elektronischen Einrichtung (30) zum Ansteuern des Starterrelais, wobei die elektronische Einrichtung (30) von einem an oder in der Startvorrichtung (10) angeordneten, mit einem Leistungsschaltbaustein (34) versehenen elektronischen Relais (32) gebildet wird, das über einen Logiksignaleingang (47, 48) von einer elektronischen Steuerung (50) des Kraftfahrzeugs ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Relais (32) mit einer Redundanzschaltung versehen ist, wobei der Leistungsschaltbaustein (34) zwei Transistoren (144', 144") aufweist, die über eine Logikschaltung (146) redundant miteinander verknüpft sind.
  2. Startvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (144', 144") in Reihe geschaltet sind.
  3. Startvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (144', 144") parallel geschaltet sind.
  4. Startvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Leistungsschaltbaustein (34) eine Schutzdiode (36) geschaltet ist.
  5. Startvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsschaltbaustein (34) eine zu den Leistungstransistoren (56) in Reihe geschaltete Verpolschutzdiode (60) und/oder eine parallel zu den Leistungstransistoren (56) geschaltete Überspannungsschutzdiode (62) besitzt.
  6. Startvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsschaltbaustein (34) eine high-side-smart-power-MOSFET (57) mit intergrierter Überspannungsschutz-, Überstrom- und Temperaturschutzschaltung ist.
  7. Startvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Relais (32) als Modul (66) ausgebildet ist, das an oder in dem Startermotor (12) angeordnet ist.
  8. Startvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul (66) am Polgehäuse (68) des Startermotors (12) befestigt ist.
  9. Startvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul (66) an oder unter einer Kommutatorlagerkappe (70) des Startermotors (12) angeordnet ist.
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