EP1112447B1 - Startersystem für einen verbrennungsmotor sowie verfahren zum starten eines verbrennungsmotors - Google Patents

Startersystem für einen verbrennungsmotor sowie verfahren zum starten eines verbrennungsmotors Download PDF

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EP1112447B1
EP1112447B1 EP99948744A EP99948744A EP1112447B1 EP 1112447 B1 EP1112447 B1 EP 1112447B1 EP 99948744 A EP99948744 A EP 99948744A EP 99948744 A EP99948744 A EP 99948744A EP 1112447 B1 EP1112447 B1 EP 1112447B1
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starter
battery
voltage
starting
discharge current
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Thomas Pels
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Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co OHG
ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
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Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co OHG
ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
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    • F02N2200/06Parameters used for control of starting apparatus said parameters being related to the power supply or driving circuits for the starter
    • F02N2200/064Battery temperature

Definitions

  • the present invention relates to a starter system for a Internal combustion engine and a method for starting an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine asserts the starter the very high shear forces of the engine oil a considerable moment counter, so that the starting current towards low temperatures increases sharply, for example with powerful starters for large-volume combustion engines to values up to several hundred A.
  • the internal resistance increases with decreasing temperature the starter battery, what the removable power or severely limits the discharge current. Because of these two - yourself in their effect-enhancing effects, it happens at low Temperatures not infrequently that the starter battery at one Desired cold start fails because the starter "requested" Discharge current is too large.
  • Step-up converter the energy required to start from the voltage level of the starter battery (12V or 24V) by a step-up DC-DC converter (so-called step-up converter) first brought to a higher level of tension and stored in the capacitor memory (SO 1265388 A1 (Mosc Automech) and EP 0 390 398 A1 (Isuzu)).
  • SO 1265388 A1 Mosc Automech
  • EP 0 390 398 A1 Isuzu
  • EP 0 533 037 B1 Magnetic Marelli
  • a capacitor storage for feeding an electrical To provide catalyst heating, the removal from the memory and thus the degree of heating controlled depending on the temperature are.
  • WO 97/08456 (Clouth et al.) Is a modern one Known high-performance starter based on a three-phase machine, whereby the DC voltage of the starter battery is redirected and as part of this reorganization to an increased level of tension a DC link is raised. Special measures to ensure a safe start at low temperatures are not mentioned there.
  • US-PS 5 325 042 is a starter system for an internal combustion engine known in the form of a turbine, with an electric Starter, a starter battery, a power electronic Functional unit in the form of a voltage source converter, the Value of that taken from the starter battery for the purpose of starting Current setting actively, and one based on pulse width modulation Control device that the power electronic functional unit specifies the charging current to be set.
  • P. 609-610 is a battery charging and discharging circuit for portable Devices known in which the temperature of the battery is detected and depending on this, the pulse-pause ratio of the Discharge current, i.e. its mean value is set. At deep Battery temperatures, this value is higher than at high ones.
  • the aim of the invention is a further solution to this problem specify.
  • the invention provides a starter system for one Internal combustion engine ready with an electric starter, one Starter battery, a device for measuring the temperature of the Starter battery, a power electronic functional unit, the the value of the starter battery for the purpose of starting or actively sets the discharge current taken from the start preparation, and a control device that the functional unit to be set Discharge current value specifies, at low battery temperatures the maximum discharge current value is lower than at high ones Temperatures. In other words, the temperature the battery - and thus indirectly its internal resistance - before Start detected and with the help of this value a temperature-dependent permissible discharge current determined. This measure avoids in the predominant number of battery failures at deep Temperatures and increases safety during cold starts.
  • the starter is limited electrical power available. In many cases, in those who have traditionally already suffered a failure will limited performance is still sufficient to start. In those Cases where the start due to the performance limitation the Internal combustion engine can no longer break, at least one Discharge of the battery avoided by the start attempt, so that starting possible at least after the battery has been heated is.
  • starter battery is not meant is that this must only be used for starting. she can rather, as usual with motor vehicles, in addition to the starter dine other consumers.
  • the starter from a higher voltage than that of the starter battery (usually 12V or 24V) fed. Operation at such a higher voltage (e.g. 48V) allows a more advantageous construction of the starter machine. There is a step-up converter between the two voltage levels switched, which also the task of actively setting the Discharge current takes over.
  • the starter is designed as a three-phase machine, whose supply voltage by alternating a DC voltage an intermediate circuit is obtained.
  • the above-mentioned increased voltage is the intermediate circuit voltage.
  • the mentioned boost converter is then between the starter battery and the intermediate circuit.
  • An increased DC link voltage has a three-phase starter the advantage that in the inverter inevitably occurring losses on the semiconductor elements turn out lower.
  • Claim 5 relates to the case that the starter battery during Starting process energy is withdrawn via the step-up converter.
  • An alternative describes claim 6, wherein in addition to the starter battery at least one short-term memory is available, which all or part of the starting energy during the starting process supplies the starter.
  • the short-term storage is charged as preparation for take-off by removing it from the starter battery.
  • the Power electronic functional unit is between the starter battery and short-term storage switched and provides that of the starter battery Current value taken for short-term storage charging is active on.
  • a combination of both alternatives is also possible at which of the short-term memories only has a supporting effect. This loads the starter battery first prepares the short-term memory on. When starting, both then supply energy to the starter.
  • short-term storage means a storage that deliver high power relative to the amount of energy that can be stored can, or in other words, quickly unloaded (in the Order of magnitude e.g. 0.1 to 5 minutes).
  • These include, for example High performance capacitors, fast galvanic Elements and mixed forms of these (e.g. so-called ultra-caps).
  • the Using a short-term memory has another advantage: in those cases where the electrical power that from the starter battery to the starter can, is no longer sufficient for the starting process, is in most If there is still enough energy in the starter battery, to sufficiently charge the short-term storage. Through the The effect of the power electronic functional unit takes place Charging process depending on the battery temperature, so that the Charging time is minimized. The short-term memory then gives way Charging with the energy required to start Performance from.
  • the short-term memory is at a higher voltage than that of the starter battery.
  • the short-term memory is at a higher voltage than that of the starter battery.
  • this higher voltage in a starter system according to claim 4 around the increased DC link voltage or one in the vicinity lying value increased. In this configuration, the feed Short-term storage without significant voltage conversion directly in the DC link one, which is in favor of security, speed and effectiveness of the startup process.
  • the between DC link and AC machine lying inverters like this controlled that no more than the predetermined discharge current from the DC link is converted into alternating current. So here is the one At the same time, the inverter is the power electronic functional unit for active setting of the discharge current.
  • the invention is also based on a method for starting an internal combustion engine directed which is an electric starter, a starter battery and a device for measuring the temperature the starter battery.
  • the procedure is that the temperature of the starter battery is measured depending on a maximum discharge current value from the measured battery temperature, which is lower at low temperatures than at high ones Temperatures is determined and that of the starter battery Purpose of starting or preparing to start discharging current value is actively set so that it has the maximum discharge current value does not exceed.
  • the starter system according to Fig. 2 is for a motor vehicle, e.g. a passenger car. It has an internal combustion engine 1, the torque via a drive shaft 2 (e.g. the Crankshaft of the internal combustion engine 1), a clutch 3 and others Parts (not shown) of a drive train on the drive wheels of the vehicle. With the starter function of interest here clutch 3 is open. Sitting on the drive shaft 2 an electrical machine 4 serving as a starter, here an asynchronous three-phase machine. It has a direct coaxial on the Drive shaft 2 seated and rotatably connected rotor 5 as well as e.g. supported on the housing of the internal combustion engine 1 Stand 6 on.
  • the starter 4 (as well as those described in more detail below Devices for its supply and for energy storage) are dimensioned so that the internal combustion engine 1 is preferred started directly (i.e. without flywheel function or similar) can be. There is also preferably no step-up or step-down arranged between starter 4 and internal combustion engine 1, so that both can run together permanently.
  • the stator 6 is wound by a converter 7 with electrical Currents and voltages practically freely adjustable Amplitude, phase and frequency fed. It is e.g. around a DC link converter, which consists of a essentially constant DC link voltage with help of electronic switches e.g.
  • the converter 7 is essentially a machine-side inverter 7a (a DC-AC converter), a DC link 7b and an on-board boost converter 7c (a DC-DC converter) built.
  • the step-up converter 7c is connected to a vehicle electrical system 8 and a starter battery 9 coupled.
  • the vehicle electrical system 8 and the starter battery 9 are at a low voltage level, e.g. 12 or 24V.
  • the intermediate circuit 7b is at an elevated level Voltage, which is advantageously in the range between 40 and 350V.
  • the step-up converter 7c is used for starting the starter battery 9 electrical energy taken from the low voltage level to the increased voltage level of the To raise intermediate circuit 7b. It also acts as Current limiter, according to the specification of a control device (explained below) prevents the boosted current (and thus the discharge current of the starter battery 9) a predetermined one Value exceeds.
  • the Starter battery 9 possibly also the consumers of the vehicle electrical system 8.
  • the electrical machine can 4 as a generator for charging the starter battery 9 and supply of the vehicle electrical system 8 act.
  • the step-up converter 7c is therefore designed as a bidirectional converter, on the one hand for the starting process (or its preparation, Fig.
  • the Sensor has, for example, a sensor element with electrical Resistance material with a positive or negative temperature coefficient (PTC or NTC), which is in thermal contact with one or more electrochemically active elements of the battery 9 stands.
  • a control unit 10 receives the temperature sensor 10 delivered temperature-related information, calculates the Discharge current, the maximum permissible, to an excessive decrease to avoid the battery voltage, and gives the step-up converter 7c corresponding instruction, no major current from the To raise the low voltage level in the intermediate circuit 7b.
  • the Control unit 11 also controls the amount of voltage step-up of the step-up converter 7c (and accordingly, with generator function, the amount of voltage reduction). It controls the inverter 7a by giving it amplitude, phase and Frequency of the three-phase current to be supplied to starter 4 pretends.
  • control unit 11 can perform all functions of a conventional internal combustion engine control unit (in particular Throttle valve control, fuel injection control, ignition control Etc.).
  • FIG. 3 largely agrees with that of Fig. 2 match, so that to avoid repetition regarding of the correspondences referenced above becomes.
  • a short-term memory 12 e.g. a capacitor store
  • Embodiments is between short-term memory 12 and Intermediate circuit 7b switched a current control device, which the active setting of the out of or into the memory 12 Electricity allowed.
  • Another difference to Fig. 2 is in How the startup process is performed. In fact charges the starter battery 9 as part of the preparation for the start the short-term memory 12.
  • the boost converter limits this 7c in the battery temperature dependent explained above Way the current drawn from the starter battery 9 (in the above mentioned embodiment with current control device between Short-term memory 12 and intermediate circuit 7b can of course the current control device perform this function).
  • the actual Start then takes place using the in the short-term memory 12 stored energy.
  • the starter battery 9 also makes a contribution during the starting process to supply starting energy, this contribution in the above battery temperature dependent way by the effect of the boost converter 7b is limited. It is understood that that 3 is designed and programmed in FIG. that it has the pre-charge charging functions described the short-term memory 12 and the others addressed Can control functions.
  • the starter system according to FIG. 4 represents a further treatise on Fig. 2, which corresponds in essential parts with this. Also, to avoid repetitions regarding the matches referred to the above explanations for Fig. 2.
  • the most obvious difference to Fig. 2 is that here with 9 'designated starter battery as a high-voltage battery is formed, which is voltage-wise at the increased voltage level of the intermediate circuit 7b or in the vicinity.
  • On Current control device 13 is between starter battery 9 'and intermediate circuit 7b switched and takes over in the above described depending on the battery temperature, the current limitation of the discharge current when starting.
  • the DC-DC converter referred to here with 7c ' only has the task here Energy from the intermediate circuit 7b with voltage reduction in to transfer the low-voltage electrical system 8.
  • FIG. 3 Another embodiment (not shown) corresponds a combination of Figures 3 and 4.
  • the short-term memory 12 is prepared to start the high-voltage battery 9 'with battery temperature-dependent Battery discharge current limit charged.
  • step S1 waited for a start command.
  • the short-term memory precharge can also be profiled before the arrival of a start command to shorten the short-term memory loading time.
  • step S2 the battery temperature is measured, e.g. by reading the Signals supplied by the battery temperature sensor 10 into the control unit 11.
  • step S3 control unit 11 determines the maximum Discharge current as a function of the battery temperature.
  • step S4 the control device 11 has the step-up converter 7c or the current control device 13 on, no higher discharge current than that in the previous Allow step certain maximum value.
  • the short-term memory 12 is started or charged, wherein the battery discharge current is below the predetermined limit remains.
  • the discharge current can be below the limit remain if no correspondingly high current flow is required is. This can e.g. be the case when the internal combustion engine 1 is still warm or the temporary storage 12 is still partially is charged.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Startersystem für einen Verbrennungsmotor (1), mit einem elektrischen Starter (4), einer Starterbatterie (9, 9'), einer Einrichtung (10) zur Messung der Temperatur der Starterbatterie (9, 9'), einer leistungselektronischen Funktionseinheit (7c; 13), die den Wert des der Starterbatterie (9, 9') zum Zweck des Startens oder der Startvorbereitung entnommenen Entladestroms aktiv einstellt; und einer Steuereinrichtung (11), die der Funktionseinheit (7c; 13) den einzustellenden Entladestromwert vorgibt, wobei bei tiefen Batterietemperaturen der maximale Entladestromwert niedriger als bei hohen Temperaturen liegt. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Startersystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors.
Herkömmliche Starter sind üblicherweise als Reihenschluß-Gleichstrommotoren ausgeführt. Ein Reihenschlußmotor wird üblicherweise deshalb gewählt, da diese Motorart ein relativ hohes Anzugsmoment zum "Losbrechen" des Verbrennungsmotors aufbringt. Dies hat allerdings zur Folge; daß bei aufzubringenden hohen Drehmomenten beträchtliche Ströme fließen.
Bei einem Kaltstart setzt der Verbrennungsmotor dem Starter durch die sehr hohen Scherkräfte des Motoröls ein beträchtliches Moment entgegen, so daß der Startstrom zu niedrigen Temperaturen hin stark ansteigt, so beispielsweise bei leistungsfähigen Startern für großvolumige Verbrennungsmotoren auf Werte bis zu mehreren 100 A. Gleichzeitig steigt mit abnehmender Temperatur der Innenwiderstand der Starterbatterie an, was die entnehmbare Leistung bzw. den Entladestrom stark einschränkt. Aufgrund dieser beiden - sich in ihrer Wirkung verstärkenden - Effekte passiert es bei niedrigen Temperaturen nicht selten, daß die Starterbatterie bei einem gewünschten Kaltstart versagt, weil der vom Starter "geforderte" Entladestrom zu groß ist.
Im Stand der Technik sind eine Reihe von Vorschlägen bekannt, die ein sicheres Starten bei tiefen Temperaturen ermöglichen sollen. Viele dieser Vorschläge sehen einen zusätzlichen Kurzzeitspeicher in Form eines Kondensatorspeichers vor, welcher vor dem Startvorgang langsam aufgeladen wird. Bei einigen dieser Vorschläge wird die Batterie und der vorgeladene Kondensator beim Starten parallelgeschaltet, so daß beide Energiespeicher zum Startvorgang beitragen (JP 02175350 A (Isuzu) und JP 02175351 A (Isuzu)). Bei anderen Vorschlägen wird der Kondensatorspeicher für den Startvorgang von der Starterbatterie getrennt, das Starten erfolgt also vollständig mit der in ihm gespeicherten Energie (DE 41 35 025 A1 (Magneti Marelli) und US-PS 5 051 776 (Isuzu)). Bei weiteren Vorschlägen dieser Art wird die zum Starten benötigte Energie von dem Spannungsniveau der Starterbatterie (12V oder 24V) durch einen hochsetzenden Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (sog. Hochsetzsteller) zunächst auf ein höheres Spannungsniveau gebracht und in dem Kondensatorspeicher gespeichert (SO 1265388 A1 (Mosc Automech) und EP 0 390 398 A1 (Isuzu)). Die höhere Spannung beim Starten bei gleichzeitig verringertem Entladestrom erlaubt, so die letztgenannten Vorschläge, ein sicheres Starten auch bei tiefen Temperaturen.
Aus der EP 0 403 051 A1 (Isuzu) ist es ferner bekannt, einen zum Speichern der Startenergie dienenden Kondensator nur bis zu einem bestimmten variablen Spannungspegel aufzuladen, der von der jeweils vorliegenden Temperatur des Motorkühlmittels abhängt.
Ferner gibt es eine Reihe von Vorschlägen, bei denen Temperaturen im Kraftfahrzeug erfaßt werden und die Steuerung elektrischer Vorgänge beeinflussen:
So ist es beispielsweise aus der EP 0 533 037 B1 (Magneti Marelli) bekannt, einen Kondensatorspeicher zur Speisung einer elektrischen Katalysatorheizung vorzusehen, wobei die Entnahme aus dem Speicher und damit der Grad der Beheizung temperaturabhängig gesteuert sind.
Auch wurde vorgeschlagen, die Temperatur der Fahrzeugbatterie zu messen und den Ladestrom mit Hilfe einer Änderung der Generatorerregung temperaturabhängig zu variieren; und zwar soll der Ladestrom zu tieferen Temperaturen hin erhöht werden. Dies soll offenbar dazu dienen, auch bei tiefen Temperaturen, wenn die Batterie "ladeunwilliger" ist, eine Erhöhung der Ladezeit zu vermeiden (DE 34 23 767 A1 (Bosch) und EP 0 621 990 B1 (Bosch)).
Um die Funktion anderer elektrischer Verbraucher - wie etwa der Zünd- und Einspritzanlage - trotz des starken Absinkens der elektrischen Versorgungsspannung beim Kaltstarten zu vermeiden, wurde ferner zur Konstanthaltung der Versorgungsspannung die Verwendung von Hochsetzstellern vorgeschlagen (EP 0 391 065 A2 (Bosch)).
Schließlich ist aus der WO 97/08456 (Clouth et al.) ein moderner Hochleistungsstarter auf der Basis einer Drehstrommaschine bekannt, wobei die Gleichspannung der Starterbatterie umgerichtet wird und im Rahmen dieser Umrichtung auf ein erhöhtes Spannungsniveau eines Gleichspannungs-Zwischenkreises hochgesetzt wird. Besondere Maßnahmen zur Gewährleistung eines sicheren Startens bei tiefen Temperaturen sind dort nicht erwähnt.
Aus der US-PS 5 325 042 ist ein Startersystem für eine Brennkraftmaschine in Form einer Turbine bekannt, mit einem elektrischen Starter, einer Starterbatterie, einer leistungselektronischen Funktionseinheit in Form eines Spannungsquellenumrichters, die den Wert des der Starterbatterie zum Zwecke des Startens entnommenen Stroms aktiv einstellt, und einer auf Pulsweitenmodulation beruhenden Steuereinrichtung, die der leistungselektronischen Funktionseinheit den einzustellenden Ladestrom vorgibt.
Aus der DE 43 41 826 A1 ist es bekannt, bei einem Verbrennungsmotor mit Abschaltautomatik die Temperatur einer Starterbatterie mittels eines Sensors zu erfassen und einer Steuereinrichtung zuzuführen. In Abhängigkeit von dem gemessenen Temperaturwert wird entschieden, ob bei einem Ampelstop eine automatische Abschaltung des Verbrennungsmotors erfolgen darf oder nicht.
Aus IBM Technical Disclosure Bulletin Band 37, Nr. 6A, Juni 1994, S. 609-610 ist eine Batterielade- und -entladeschaltung für tragbare Geräte bekannt, bei der die Temperatur der Batterie erfasst und abhängig hiervon beim Entladen das Puls-Pausen-Verhältnis des Entladestroms, also dessen Mittelwert eingestellt wird. Bei tiefen Batterietemperaturen liegt dieser Wert höher als bei hohen.
Manche der eingangs erwähnten Vorschläge, z.B. derjenige von Mosc Automech, können einen Ausfall der Batterie bei gewünschten Tieftemperaturstarts vermeiden.
Die Erfindung hat zum Ziel, eine weitere Lösung dieses Problems anzugeben.
Gemäß Anspruch 1 stellt die Erfindung ein Startersystem für einen Verbrennungsmotor bereit, mit einem elektrischen Starter, einer Starterbatterie, einer Einrichtung zur Messung der Temperatur der Starterbatterie, einer leistungselektronischen Funktionseinheit, die den Wert des der Starterbatterie zum Zweck des Startens oder der Startvorbereitung entnommenen Entladestroms aktiv einstellt, und einer Steuereinrichtung, die der Funktionseinheit den einzustellenden Entladestromwert vorgibt, wobei bei tiefen Batterietemperaturen der maximale Entladestromwert niedriger als bei hohen Temperaturen liegt. Mit anderen Worten wird also die Temperatur der Batterie - und damit indirekt deren Innenwiderstand - vor dem Start erfaßt und mit Hilfe dieses Wertes ein temperaturabhängiger zulässiger Entladestrom bestimmt. Diese Maßnahme vermeidet in der überwiegenden Zahl der Fälle einen Ausfall der Batterie bei tiefen Temperaturen und erhöht die Sicherheit beim Kaltstart. In denjenigen Fällen, in denen kein zusätzlicher Kurzzeitspeicher oder ähnliches vorgesehen ist, steht dem Starter zwar nur eine beschränkte elektrische Leistung zur Verfügung. In vielen Fällen, in denen herkömmlicherweise bereits ein Ausfall eintrat, wird diese beschränkte Leistung noch zum Starten ausreichen. In denjenigen Fällen, in denen der Start aufgrund der Leistungsbeschränkung den Verbrennungsmotor nicht mehr losbrechen kann, wird zumindest eine Entladung der Batterie durch den Startversuch vermieden, so daß wenigstens nach Aufheizen der Batterie noch ein Starten möglich ist.
Angemerkt sei noch, daß mit "Starterbatterie" nicht etwa gemeint ist, daß diese ausschließlich zum Starten dienen muß. Sie kann vielmehr, wie üblich bei Kraftfahrzeugen, neben dem Starter auch andere Verbraucher speisen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gemäß Anspruch 2 wird der Starter aus einer höheren Spannung als derjenigen der Starterbatterie (üblicherweise 12V oder 24V) gespeist. Ein Betrieb bei einer solchen höheren Spannung (z.B. 48V) erlaubt eine vorteilhaftere Konstruktion der Startermaschine. Zwischen den beiden Spannungsniveaus ist ein Hochsetzsteller geschaltet, welcher auch die Aufgabe der aktiven Einstellung des Entladestroms übernimmt.
Gemäß Anspruch 3 ist der Starter als Drehstrommaschine ausgebildet, deren Versorgungsspannung durch Wechselrichtung einer Gleichspannung eines Zwischenkreises gewonnen wird. Gemäß Anspruch 4 ist die oben erwähnte erhöhte Spannung die Zwischenkreisspannung. Der erwähnte Hochsetzsteller liegt dann zwischen der Starterbatterie und dem Zwischenkreis. Eine erhöhte Zwischenkreisspannung hat bei einem Drehstromstarter den Vorteil, daß die im Wechselrichter zwangsläufig auftretenden Verluste an den Halbleiterelementen geringer ausfallen.
Anspruch 5 betrifft den Fall, daß der Starterbatterie während des Startvorgangs Energie über den Hochsetzsteller entnommen wird. Eine Alternative beschreibt Anspruch 6, wobei neben der Starterbatterie wenigstens ein Kurzzeitspeicher vorhanden ist, welcher beim Startvorgang die gesamte oder einen Teil der Startenergie an den Starter liefert. Die Aufladung des Kurzzeitspeichers erfolgt als Startvorbereitung durch Entnahme aus der Starterbatterie. Die leistungselektronische Funktionseinheit ist zwischen Starterbatterie und Kurzzeitspeicher geschaltet und stellt den der Starterbatterie zwecks Kurzzeitspeicheraufladung entnommenen Stromwert aktiv ein. Auch eine Kombination beider Alternativen ist möglich, bei welcher der Kurzzeitspeicher nur unterstützend wirkt. Hierbei lädt die Starterbatterie zunächst startvorbereitend den Kurzzeitspeicher auf. Beim Startvorgang liefern dann beide Energie zum Starter. Unter Kurzzeitspeicher wird übrigens ein Speicher verstanden, der relativ zur speicherbaren Energiemenge hohe Leistungen abgeben kann, oder, anders ausgedrückt, schnell entladbar ist (in der Größenordnung von z.B. 0,1 bis 5 Minuten). Hierzu zählen beispielsweise Hochleistungskondensatoren, schnelle galvanische Elemente und Mischformen hiervon (z.B. sog. Ultra-Caps). Die Verwendung eines Kurzzeitspeichers hat noch einen weiteren Vorteil: in denjenigen Fällen, in denen die elektrische Leistung, die von der Starterbatterie an den Starter direkt abgegeben werden kann, für den Startvorgang nicht mehr ausreicht, ist in den meisten Fällen in der Starterbatterie noch genügend Energie vorhanden, um den Kurzzeitspeicher ausreichend aufzuladen. Durch die Wirkung der leistungselektronischen Funktionseinheit erfolgt der Ladevorgang in Abhängigkeit von der Batterietemperatur, so daß die Ladezeit minimiert wird. Der Kurzzeitspeicher gibt dann nach Aufladung mit der erforderlichen Energie die zum Starten benötigte Leistung ab.
Gemäß Anspruch 7 wird der Kurzzeitspeicher auf eine höhere Spannung als diejenige der Starterbatterie aufgeladen. Gemäß Anspruch 8 ist diese höhere Spannung bei einem Startersystem gemäß Anspruch 4 um die erhöhte Zwischenkreisspannung oder einen in deren Nähe liegenden Wert erhöht. Bei dieser Ausgestaltung speist also der Kurzzeitspeicher ohne wesentliche Spannungsumsetzung direkt in den Zwischenkreis ein, was sich zugunsten der Sicherheit, Schnelligkeit und Effektivität des Startvorgangs auswirkt.
Eine andere Ausgestaltungsmöglichkeit eines Startersystems mit Drehstrommaschine gemäß Anspruch 3 ist in Anspruch 9 angegeben. Hier liegt die Starterbatterie (oder - bei mehreren Starterbatterien - eine der Starterbatterien) nicht auf dem üblichen Niederspannungsniveau (12V oder 24V), sondern auf dem erhöhten Zwischenkreisniveau (z.B. 48V). Deshalb wird diese Starterbatterie der Einfachheit halber nachfolgend auch "Hochspannungsbatterie" genannt. Da verschiedene Verbraucher eines Kraftfahrzeugs, insbesondere die Beleuchtung, im allgemeinen bei niedrigeren Spannungen vorteilhafter arbeiten, ist ein Niederspannungsteil des Bordnetzes vorgesehen, welches niedriger als die Zwischenkreisspannung liegt. Dieser Niederspannungsteil wird z.B. durch Spannungsherabsetzung aus der Starterbatterie im Zwischenkreis gespeist. Die leistungselektronische Funktionseinheit zur Einstellung des Entladestroms liegt z.B. zwischen der Hochspannungsstarterbatterie und dem Zwischenkreis. Bei anderen Ausführungsformen wird der zwischen Zwischenkreis und Wechselstrommaschine liegende Wechselrichter so gesteuert, daß nicht mehr als der vorgegebene Entladestrom aus dem Zwischenkreis in Wechselstrom umgesetzt wird. Hier ist also der Wechselrichter gleichzeitig die leistungselektronische Funktionseinheit zur aktiven Einstellung des Entladestroms.
Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors gerichtet, welches einen elektrischen Starter, eine Starterbatterie und eine Einrichtung zur Messung der Temperatur der Starterbatterie aufweist. Das Verfahren besteht darin, daß die Temperatur der Starterbatterie gemessen wird, in Abhängigkeit von der gemessenen Batterietemperatur ein maximaler Entladestromwert, der bei niedrigen Temperaturen niedriger als bei hohen Temperaturen liegt, bestimmt wird und der der Starterbatterie zum Zweck des Startens oder der Startvorbereitung entnommene Entladestromwert aktiv so eingestellt wird, daß er den maximalen Entladestromwert nicht überschreitet.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der angefügten Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1
ein Diagramm des maximalen Entladestroms als Funktion der Batterietemperatur;
Fig. 2
eine Schemadarstellung der wichtigsten Funktionseinheiten eines ersten Ausführungsbeispiels eines Startersystems;
Fig. 3
eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels;
Fig. 4
eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels;
Fig. 5
ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Starten.
In den Figuren sind funktionsgleiche oder -ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig. 1 veranschaulicht die Abhängigkeit des Entladestroms von der Batterietemperatur, der bei den folgenden Ausführungsbeispielen der Starterbatterie durch entsprechende aktive Einstellung einer (unten noch näher erläuterten) leistungselektronischen Funktionseinheit beim Starten entnommen wird. Man erkennt, daß es sich um eine monoton steigende Funktion handelt, die also bei tiefen Temperaturen relativ niedrige Werte hat und mit steigender Temperatur zunimmt. Die mit "Tmin" und "Tmax" gekennzeichneten Temperaturwerte sind diejenigen Grenzen der Batterietemperatur, für welche die Batterie betriebsfähig ist (also z.B. -30°C und +80°C).
Das Startersystem gemäß Fig. 2 ist für ein Kraftfahrzeug, z.B. einen Personenkraftwagen, bestimmt. Es weist einen Verbrennungsmotor 1 auf, der Drehmoment über eine Antriebswelle 2 (z.B. die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1), eine Kupplung 3 und weitere (nicht gezeigte) Teile eines Antriebsstrangs auf die Antriebsräder des Fahrzeugs abgibt. Bei der hier interessierenden Starterfunktion ist die Kupplung 3 geöffnet. Auf der Antriebswelle 2 sitzt eine als Starter dienende elektrische Maschine 4, hier eine Asynchron-Drehstrommaschine. Sie weist einen direkt koaxial auf der Antriebswelle 2 sitzenden und drehfest mit ihr verbundenen Läufer 5 sowie einen z.B. am Gehäuse des Verbrennungsmotors 1 abgestützten Ständer 6 auf. Der Starter 4 (sowie die unten näher beschriebenen Einrichtungen zu seiner Speisung und zur Energiespeicherung) sind so dimensioniert, daß der Verbrennungsmotor 1 vorzugsweise direkt (d.h. ohne Schwungradfunktion oder ähnliches) gestartet werden kann. Vorzugsweise ist auch keine Über- oder Untersetzung zwischen Starter 4 und Verbrennungsmotor 1 angeordnet, so daß beide permanent zusammenlaufen können. Die (nicht dargestellte) Wicklung des Ständers 6 wird durch einen Umrichter 7 mit elektrischen Strömen und Spannungen praktisch frei einstellbarer Amplitude, Phase und Frequenz gespeist. Es handelt sich z.B. um einen Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter, welcher aus einer im wesentlichen konstanten Zwischenkreis-Gleichspannung mt Hilfe von elektronischen Schaltern z.B. sinusbewertete breitenmodulierte Pulse herausschneidet, die - gemittelt durch die Induktivität der elektrischen Maschine 4 - zu nahezu sinusförmigen Strömen der gewünschten Frequenz, Amplitude und Phase führen. Der Umrichter 7 ist im wesentlichen aus einem maschinenseitigen Wechselrichter 7a (einem Gleichspannungs-Wechselspannungs-Umrichter), einem Gleichspannungs-Zwischenkreis 7b und einem bordnetzseitigen Hochsetzsteller 7c (einem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler) aufgebaut. Der Hochsetzsteller 7c ist mit einem Fahrzeugbordnetz 8 und einer Starterbatterie 9 gekoppelt. Das Bordnetz 8 und die Starterbatterie 9 liegen auf einem niedrigen Spannungsniveau, z.B. 12 oder 24V. Der Zwischenkreis 7b liegt demgegenüber auf einer erhöhten Spannung, die vorteilhafterweise im Bereich zwischen 40 und 350V liegt. Der Hochsetzsteller 7c dient dazu, die beim Starten der Starterbatterie 9 entnommene elektrische Energie von dem niedrigen Spannungsniveau auf das erhöhte Spannungsniveau des Zwischenkreises 7b hochzusetzen. Er fungiert gleichzeitig als Strombegrenzer, der gemäß Vorgabe einer (unten erläuterten) Steuereinrichtung verhindert, daß der hochgesetzte Strom (und damit der Entladestrom der Starterbatterie 9) einen jeweils vorgegebenen Wert überschreitet. Bei stehendem Verbrennungsmotor 1 versorgt die Starterbatterie 9 ggf. auch die Verbraucher des Fahrzeugbordnetzes 8. Bei laufendem Verbrennungsmotor 1 kann die elektrische Maschine 4 als Generator zur Ladung der Starterbatterie 9 und Versorgung des Fahrzeugbordnetzes 8 fungieren. Der Hochsetzsteller 7c ist daher als bidirektionaler Wandler ausgebildet, um einerseits für den Startvorgang (bzw. dessen Vorbereitung, Fig. 3) elektrische Energie aus der Starterbatterie 9 in den Zwischenkreis 7b bringen zu können, und um andererseits beim Generatorbetrieb Energie aus dem Zwischenkreis 7b auf die Niederspannungsseite zu überführen. Im letzteren Fall arbeitet er also als Tiefsetzsteller. Der Wechselrichter 7a wandelt im Motorbetrieb die Gleichspannung des Zwischenkreises 7b in Wechselspannung um, im Generatorbetrieb speist er die von der elektrischen Maschine 4 gelieferte Energie nach Gleichrichtung in den Zwischenkreis 7b ein. Ein (nicht gezeigter) Stützkondensator im Zwischenkreis ist in der Lage, Spannungspulse mit einer hohen Pulsfrequenz (vorteilhaft im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz) mit der erforderlichen Flankensteilheit zu liefern. Die Starterbatterie 9, beispielsweise ein herkömmlicher Schwefelsäure-Blei-Akkumulator, ist mit einem Fühler 10 ausgerüstet, der die jeweils momentane Batterietemperatur mißt. Der Fühler weist beispielsweise ein Fühlerelement mit elektrischem Widerstandsmaterial mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten (PTC bzw. NTC) auf, welches in Wärmeleitungskontakt mit einem oder mehreren elektrochemisch aktiven Elementen der Batterie 9 steht. Ein Steuergerät 10 erhält die vom Temperaturfühler 10 gelieferte temperaturbezogene Information, berechnet hieraus den Entladestrom, der maximal zulässig ist, um ein übermäßiges Absinken der Batteriespanung zu vermeiden, und gibt dem Hochsetzsteller 7c entsprechende Anweisung, keinen größeren Strom aus dem Niederspannungsniveau in den Zwischenkreis 7b hochzusetzen. Das Steuergerät 11 steuert daneben auch den Betrag der Spannungsheraufsetzung des Hochsetzstellers 7c (und entsprechend, bei Generatorfunktion, den Betrag der Spannungsherabsetzung). Es steuert ferner den Wechselrichter 7a, indem es ihm Amplitude, Phase und Frequenz des an den Starter 4 zu liefernden Dreiphasenstroms vorgibt. Es kann hierzu Informationssignale von einem (nicht gezeigten) Drehwinkelgeber erhalten, aus denen es die momentane Winkelstellung und Drehzahl der Antriebswelle 2 ermitteln kann. Schließlich kann das Steuergerät 11 sämtliche Funktionen eines herkömmlichen Verbrennungsmotorsteuergeräts übernehmen (insbesondere Drosselklappensteuerung, Kraftstoffeinspritzsteuerung, Zündungssteuerung etc.).
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 stimmt weitgehend mit dem von Fig. 2 überein, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen hinsichtlich der Übereinstimmungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Der augenfälligste Unterschied besteht darin, daß bei Fig. 3 zusätzlich ein Kurzzeitspeicher 12, z.B. ein Kondensatorspeicher, vorgesehen ist, der - elektrisch gesehen - im Zwischenkreis 7b liegt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist er elektrisch direkt mit dem Zwischenkreis gekoppelt, bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsbeispielen ist zwischen Kurzzeitspeicher 12 und Zwischenkreis 7b ein Stromsteuergerät geschaltet, welches die aktive Einstellung des aus dem oder in den Speicher 12 geführten Stroms erlaubt. Ein weiterer Unterschied zur Fig. 2 besteht in der Art und Weise, wie der Startvorgang durchgeführt wird. Und zwar lädt die Starterbatterie 9 zunächst im Rahmen der Startvorbereitung den Kurzzeitspeicher 12 auf. Hierbei begrenzt der Hochsetzsteller 7c in der oben erläuterten batterietemperaturabhängigen Weise den der Starterbatterie 9 entnommenen Strom (bei der oben genannten Ausführungsform mit Stromsteuereinrichtung zwischen Kurzzeitspeicher 12 und Zwischenkreis 7b kann selbstverständlich die Stromsteuereinrichtung diese Funktion übernehmen) . Der eigentliche Start erfolgt dann unter Verwendung der im Kurzzeitspeicher 12 gespeicherten Energie. Bei vorteilhaften Ausführungsformen kann die Starterbatterie 9 auch während des Startvorgangs einen Beitrag zur Startenergie liefern, wobei dieser Beitrag in der oben geschilderten batterietemperaturabhängigen Weise durch die Wirkung des Hochsetzstellers 7b begrenzt wird. Es versteht sich, daß das Steuergerät 11 bei Fig. 3 so ausgestaltet und programmiert ist, daß es die beschriebenen Funktionen der startvorbereitenden Aufladung des Kurzzeitspeichers 12 und die übrigen angesprochenen Funktionen steuern kann.
Das Startersystem gemäß Fig. 4 stellt eine weitere Abhandlung von Fig. 2 dar, die in wesentlichen Teilen mit dieser übereinstimmt. Auch wird zur Vermeidung von Wiederholungen hinsichtlich der Übereinstimmungen auf die obigen Ausführungen zu Fig. 2 verwiesen. Der augenfälligste Unterschied zu Fig. 2 besteht darin, daß die hier mit 9' bezeichnete Starterbatterie als Hochspannungsbatterie ausgebildet ist, welche spannungsmäßig auf dem erhöhten Spannungsniveau des Zwischenkreises 7b oder in dessen Nähe liegt. Ein Stromsteuergerät 13 ist zwischen Starterbatterie 9' und Zwischenkreis 7b geschaltet und übernimmt in der oben beschriebenen, batterietemperaturabhängigen Weise die Strombegrenzung des Entladestroms beim Starten. Der hier mit 7c' bezeichnete Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler hat hier nur noch die Aufgabe, Energie aus dem Zwischenkreis 7b unter Spannungsherabsetzung in das Niederspannungsbordnetz 8 zu überführen. Er fungiert also als reiner Tiefsetzsteller. Der Startvorgang läuft wie bei Fig. 2 ab, mit dem Unterschied, daß die Starterbatterie 9' Strom auf dem erhöhten Spannungsniveau liefert. Bei gleicher Leistung sind damit vorteilhafterweise die erforderlichen Ströme kleiner. Ferner entfallen die mit der Spannungshochsetzung einhergehenden Verluste.
Ein weiteres (nicht gezeigtes) Ausführungsbeispiel entspricht einer Kombination der Figuren 3 und 4. Hierbei ist zusätzlich zu der im Zwischenkreis 7b angeordneten Hochspannungsbatterie 9' ein Kurzzeitspeicher 12 im Zwischenkreis angeordnet. Wie bei Fig. 3 beschrieben, wird der Kurzzeitspeicher 12 startvorbereitend aus der Hochspannungsbatterie 9' mit batterietemperaturabhängiger Begrenzung des Batterie-Entladestroms aufgeladen.
Das Flußdiagramm gemäß Fig. 5 veranschaulicht nochmals die Funktionsweise der genannten Ausführungsbeispiele: Im Schritt S1 wird auf ein Startkommando gewartet. Bei Ausführungsformen mit Kurzzeitspeichern kann die Kurzzeitspeichervorladung auch profilaktisch vor Eintreffen eines Startkommandos erfolgen, um den Startvorgang um die Kurzzeitspeicher-Ladezeit zu verkürzen. Im Schritt S2 wird die Batterietemperatur gemessen, z.B. durch Einlesen der vom Batterietemperaturfühler 10 gelieferten Signale in das Steuergerät 11. Im Schritt S3 bestimmt das Steuergerät 11 den maximalen Entladestrom als Funktion der Batterietemperatur. Im Schritt S4 weist das Steuergerät 11 den Hochsetzsteller 7c bzw. das Stromsteuergerät 13 an, keinen höheren Entladestrom als den im vorhergehenden Schritt bestimmten Maximalwert zuzulassen. Daraufhin erfolgt das Starten bzw. das Aufladen des Kurzzeitspeichers 12, wobei der Batterieentladestrom unter der vorgegebenen Grenze bleibt. Selbstverständlich kann der Entladestrom unter dem Grenzwert bleiben, wenn gar kein entsprechend hoher Stromfluß erforderlich ist. Dies kann z.B. der Fall sein, wenn der Verbrennungsmotor 1 noch warm ist oder der Kurzzeitspeicher 12 noch teilweise aufgeladen ist.

Claims (10)

  1. Startersystem für einen Verbrennungsmotor (1), mit:
    einem elektrischen Starter (4);
    einer Starterbatterie (9,9');
    einer Einrichtung (10) zur Messung der Temperatur der Starterbatterie (9,9');
    einer leistungselektronischen Funktionseinheit (7c; 13), die den Wert des der Starterbatterie (9,9') zum Zweck des Startens oder der Startvorbereitung entnommenen Entladestroms aktiv einstellt; und
    einer Steuereinrichtung (11), die der Funktionseinheit (7c; 13) den einzustellenden Entladestromwert vorgibt, wobei bei tiefen Batterietemperaturen der maximale Entladestromwert niedriger als bei hohen Temperaturen liegt.
  2. Startersystem nach Anspruch 1, bei welchem der Starter (4) auf einer höheren Spannung als derjenigen der Starterbatterie (9) gespeist wird, und die leistungselektronische Funktionseinheit (7c) zur aktiven Einstellung des Entladestroms auch die Funktion eines Hochsetzstellers hat.
  3. Startersystem nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Starter (4) eine Drehstrommaschine ist, deren Versorgungsspannung durch Wechselrichtung einer Gleichspannung eines Zwischenkreises (7b) gewonnen wird.
  4. Steuersystem nach Ansprüchen 2 und 3, bei welchem die Zwischenkreis-Gleichspannung höher als die Starterbatteriespannung ist, und der Hochsetzsteller (7c) zwischen der Starterbatterie (9) und dem Zwischenkreis (7b) liegt.
  5. Startersystem nach Anspruch 2 oder 4, bei welchem der Starterbatterie (9) zum Starten erforderliche Energie während des Startvorgangs über den Hochsetzsteller (7c) entnommen wird.
  6. Startersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem außerdem ein Kurzzeitspeicher (12) vorgesehen ist, welcher beim Startvorgang die gesamte oder einen Teil der Startenergie an den Starter (4) liefert, die Aufladung des Kurzzeitspeichers (12) als Startvorbereitung durch Entnahme aus der Starterbatterie (9,9') erfolgt, und die leistungselektronische Funktionseinheit (7c) zwischen Starterbatterie (9,9') und Kurzzeitspeicher (12) geschaltet ist.
  7. Startersystem nach Ansprüchen 2 und 6, bei welchem der Kurzzeitspeicher (12) auf eine höhere Spannung als diejenige der Starterbatterie (9) aufgeladen wird.
  8. Startersystem nach Anprüchen 4 und 7, bei welchem der Kurzzeitspeicher (12) auf oder nahe dem erhöhten Spannungsniveau des Zwischenkreises (7b) liegt.
  9. Startersystem nach Anspruch 3, bei welchem ein Niederspannungsteil (8) eines Bordnetzes vorgesehen ist, die Zwischenkreisspannung höher liegt als die Spannung des Niederspannungsteils (8), die Starterbatterie (9,9') oder - bei mehreren Starterbatterien - eine der Starterbatterien auf dem höheren Spannungsniveau des Zwischenkreises (7b) liegt, und die leistungselektronische Funktionseinheit (13) beim Starten die Größe des von der Starterbatterie (9,9') in den Zwischenkreis (7b) eingespeisten Stroms einstellt.
  10. Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (1) mit einem elektrischen Starter (4), einer Starterbatterie (9) und einer Einrichtung (10) zur Messung der Temperatur der Starterbatterie (9,9') mit folgenden Schritten:
    die Batterietemperatur wird gemessen;
    der maximale Entladestrom als Funktion der gemessenen Batterietemperatur wird bestimmt;
    der der Starterbatterie (9,9') zum Zweck des Startens oder der Startvorbereitung entnommene Entladestrom wird aktiv auf den ermittelten Maximalwert begrenzt.
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