EP2464855A1 - Schaltungsanordnung von einer startvorrichtung - Google Patents

Schaltungsanordnung von einer startvorrichtung

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EP2464855A1
EP2464855A1 EP10728228A EP10728228A EP2464855A1 EP 2464855 A1 EP2464855 A1 EP 2464855A1 EP 10728228 A EP10728228 A EP 10728228A EP 10728228 A EP10728228 A EP 10728228A EP 2464855 A1 EP2464855 A1 EP 2464855A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit arrangement
starting
current
bridging
electric machine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10728228A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roman Pirsch
Sven Hartmann
Balasubramaniam Venkatasubramaniam
Stefan Tumback
Falco Sengebusch
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2464855A1 publication Critical patent/EP2464855A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/08—Circuits or control means specially adapted for starting of engines
    • F02N11/0859—Circuits or control means specially adapted for starting of engines specially adapted to the type of the starter motor or integrated into it
    • 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
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/08—Circuits or control means specially adapted for starting of engines
    • F02N11/0862—Circuits or control means specially adapted for starting of engines characterised by the electrical power supply means, e.g. battery
    • 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
    • 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
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/08—Circuits or control means specially adapted for starting of engines
    • F02N11/0814—Circuits or control means specially adapted for starting of engines comprising means for controlling automatic idle-start-stop
    • 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
    • F02N2300/00—Control related aspects of engine starting
    • F02N2300/10—Control related aspects of engine starting characterised by the control output, i.e. means or parameters used as a control output or target
    • F02N2300/106—Control of starter current

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for an electric machine, in particular a starter motor for starting an internal combustion engine, in a motor vehicle, with a current limiting device for limiting an inrush current of the electric machine.
  • the invention also relates to a method for operating such a circuit arrangement.
  • the invention relates to a starting device for starting an internal combustion engine in a motor vehicle, with a, in particular the aforementioned, circuit arrangement and with a starter motor.
  • starting devices which are constructed with a starter motor on the principle of a DC machine with mechanical commutation, especially as pitchpol- machine.
  • the DC machine In order to achieve a required high torque and high performance of the starter with a comparatively low vehicle electrical system voltage of approximately 12 V to 14 V or 24 V to 28 V, the DC machine is equipped with a low number of windings and a large cable cross-section.
  • the power loss is reduced and achieved a high torque output with relatively good efficiency.
  • the low impedance in particular the low ohmic resistance, but also the low inductance, which leads to high inrush currents and a temporary voltage dip in a battery. powered electrical system. Only with the start of the starter motor is a voltage induced with increasing speed, which counteracts the voltage dip. Additional consumers that are connected elsewhere to the vehicle electrical system must be designed for this voltage dip or not be active at the time of the voltage dip.
  • DE 103 17 466 A1 describes a circuit arrangement with a starter motor of an internal combustion engine of a motor vehicle and with a series resistor connected in series to the starter resistor, namely an NTC series resistor whose resistance decreases with increasing temperature. When starting the starter motor, the NTC series resistor heats up and its resistance value decreases.
  • DE 102 31 088 A1 describes a circuit arrangement of a starting device for an internal combustion engine of a motor vehicle with two series-connected transistors, wherein two resistors are connected as a voltage division in each case parallel to a transistor to diagnose a short-circuit defect of the transistors in an off state of the transistors ,
  • the circuit arrangement for an electrical machine comprises a bridging device for bridging a current limiting device and that limits an inrush current of the electric machine when starting by means of the current limiting device and then the current limiting device is bridged with the bridging device.
  • the inrush current of the electric machine can be limited and, in particular after starting up, the electric machine can be operated at full power by bridging the current limiting device so that, in particular, maximum current is achieved.
  • the electric machine can be easily operated with a current limiting device by the current limiting device can be deactivated by mere bridging.
  • a resource-saving operation of the electric machine is possible because by reducing the voltage drop when starting the electric
  • the electrical machine is arranged in a motor vehicle and in particular is operated via a battery-powered vehicle electrical system.
  • the electrical load of the on-board network can be limited, and yet the electric machine is operated at maximum power by means of the bridging device, so that the battery of the on-board network can be dimensioned for lower power, thus saving resources.
  • the circuit arrangement for a starter motor for starting an internal combustion engine is formed in a motor vehicle, so that the electric machine is therefore a starter motor.
  • a high power is required, which is achieved in particular by a high current to the starter motor, resulting in a voltage dip of the Onboard network results.
  • further electrical system consumers are affected by such a voltage dip, so that the electrical system of the motor vehicle can be realized in a resource-friendly manner by limiting the inrush current of the starter motor when starting by means of the current limiting device and then the internal combustion engine is safely started by bypassing the current limiting device with the lock-up device at a full electric power.
  • the current-limiting device comprises a start-up resistor limiting the inrush current of the electrical machine, in particular an ohmic resistor.
  • the starting resistor can be connected in series with the electric machine and allows for low circuit complexity a resource-saving and cost-effective limitation of the current supply of the electric machine.
  • the starting resistance can be designed as a line resistance, in particular an electrical supply line of the electrical machine, wherein it can be defined by a suitable choice of the line material, the line length and / or the line cross-section. So can the cost and
  • the starting resistor is a discrete resistance element, in particular a metallic conductor.
  • Such resistance elements are available in numerous designs, in particular with respect to their resistance value and their
  • a thermal design of the resistance element is particularly important, since in particular a starter motor is subjected to high current and also in a motor vehicle, the resistance element is exposed to large temperature fluctuations.
  • the starting resistor may be arranged in an engine compartment of the motor vehicle, so that it is easily accessible and a simple assembly is possible.
  • the starting resistor is formed on the starter motor.
  • the starting resistor and the starter motor can thus be used as a prefabricated, in particular dere also coordinated, module manufactured inexpensively and resource-conserving and easily installed in a plurality of different motor vehicle platforms.
  • the bridging device is positively controlled, so that no additional control or regulation, in particular as an additional electronic assembly, is necessary.
  • the current limiting device can be forcibly controlled by a speed of the electric machine and that preferably so that when starting the electric machine, ie at low speeds, the current limiting device limits the energization of the electric machine and the current limit from a certain speed by bridging the current limiting device with the Bridging device is canceled.
  • a simple and cost-effective start-up current limit can be realized.
  • the bridging device can be switched by a voltage that drops, in particular, across the electric machine, wherein the voltage can be used as an electrical quantity simply and directly for switching the bridging device.
  • a voltage drop across the electrical machine is also due to a voltage induced in the electric machine which increases with increasing speed. Since the voltage drop across the electric machine thus depends on its speed, the aforesaid forced control, in particular also speed-controlled, can thus be realized simply and with low component expenditure.
  • a switch-on voltage the overwriting of which switches the bridging device from an off to a switched-on state, amounts to at least 30% and / or at most 70% of a rated voltage of the electrical machine. This ensures that the bridging device switches in a medium voltage range and in particular prevents contact flutter, ie unintentional switching in the case of low voltage fluctuations, with a nominal voltage switched on or off. Furthermore, it is ensured that the lock-up device remains switched off when the electric machine is turned on, namely only after a certain rotational speed of the electric machine has a certain tension is induced, which corresponds to the turn-on voltage of the lock-up device, in which the current limiting device is bridged.
  • Switch-on voltage may drop.
  • the turn-off voltage is thus significantly lower, for example, at least 30% of the rated voltage of the electric machine, as the turn-on, to ensure safe switching on and off of the lock-up device.
  • the lock-up device comprises an electromechanical switching relay, which in the circuit arrangement for switching a the
  • the current limiting device by simply switching the switching relay on or off.
  • the switching relay in particular also other components of the bridging device, can be arranged in the engine compartment and also on the starting device, in particular on the starter motor.
  • a switching relay also allows a long life of the lock-up device and it can be realized with little circuit complexity, the aforementioned hysteresis of the turn-on and turn-off, namely, for example, by a suitable sized iron and / or return springs of the switching relay.
  • the working current of the switching relay is a maximum of 5 A, so that the electrical system of the motor vehicle is only slightly loaded by the switching relay and a voltage drop is reduced due to the switching of the switching relay.
  • the lock-up device is switched by a voltage drop across the electric machine.
  • the bridging device can be set to an electrical potential on the electric machine, for example by the relay coil of the switching relay is connected via an electrical line to a terminal of the starter motor, so that the energization of the relay coil directly through the falling over the starter motor Tension is determined.
  • This circuit arrangement enables a simple, switchable bridging device which can be realized in particular without further electronic or electromechanical components.
  • the bridging device may have a series resistor connected in series with the switching relay, in particular with the relay coil, so that a switching point of the switching relay can be set via the setting resistor. If the bridging device is switched by a voltage, in particular by the voltage drop across the electric machine, the switching point of the bridging device can be tuned or defined by means of the adjusting resistor, in particular with respect to the rotational speed of the electric machine.
  • the adjustment resistor with the internal resistance of the relay coil acts as a voltage divider.
  • the adjustment resistor may have a fixed or variable resistance value.
  • the turn-on and / or the turn-off can be defined by a mechanical nature of the switching relay, in particular by a suitable design of the relay winding, an armature, a return spring or the switch contacts.
  • the bridging device is designed as a contact closer, namely for bridging the current limiting device in a switched, in particular energized, state of the bridging device. Then, the lock-up device must be turned on only after the inrush current of the electric machine has been limited, so that an additional voltage dip in the operation of the current limiting device is avoided by the energization of the lock-up device.
  • the bridging device is formed as a contact opener. Then, the circuit arrangement can be realized so that the lock-up device must be energized only during start-up of the electric machine. This makes it possible to use greater electrical power for operation of the electric machine after startup. Incidentally, in each case one of the two aforementioned alternative embodiments can be suitably selected for a respective speed-dependent course of a voltage.
  • the current limiting device is bridged with the bridging device, in particular when starting up the electrical machine.
  • the current-limiting device is already bridged when the electric machine starts up, that is to say if the electric machine is energized to a greater extent, a greater power or a higher torque is available when it starts up.
  • the current-limiting device only comprises a series resistor which can be short-circuited with the aid of a relay path of an additional relay.
  • the value of the series resistor is adapted to the requirements.
  • the optimum value for the series resistor RV can be determined, for example, depending on the characteristics of the additional switching relay, for example, its winding design or the electrical system design or by the battery or its state. Based on these quantities, the best selection for the value of the series resistor can be made.
  • the Period of time during which the series resistor is active, ie during which it is not bridged by the switching path of the relay can, if appropriate, be adapted to desired properties of the system in cooperation with the resistance value of the series resistor.
  • Start are set so that a lower limit for the voltage is not exceeded.
  • This embodiment of the invention has the significant advantage that it can be easily adapted to existing starting systems and so requires little effort if it is to replace a conventional system.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a further, alternative circuit arrangement
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of a third, alternative circuit arrangement
  • Circuit arrangement and Fig. 5 is a circuit diagram of a fourth, alternative circuit arrangement
  • FIG. 6 is a circuit diagram of the fourth, alternative circuit arrangement with closed contacts on the starter relay and 7 shows a circuit diagram of the fourth, alternative circuit arrangement with closed contacts on the starter relay and on the additional switching relay; and FIG. 8 shows different voltage or current profiles over time which reveal the advantages of the circuit arrangement according to the invention according to FIGS.
  • the circuit arrangement 1 shows a starting device 17 for starting an internal combustion engine 15 in a motor vehicle, not shown, with a circuit arrangement 1 and a starter motor 2.
  • the circuit arrangement 1 is for an electric machine 2, namely the starter motor 2 for starting the internal combustion engine 15 in the motor vehicle, with a current limiting device 3, namely a starting resistor, designed to limit an inrush current of the starter motor 2.
  • the circuit arrangement 1 further comprises a bridging device 4 for bridging the current limiting device 3, which comprises a switching relay 5 and a setting resistor 6.
  • the circuit arrangement 1 comprises a conventional starter relay 7, which is designed in particular for switching on and switching off an energization of the starter motor 2 with a starter relay contact 11.
  • the circuit arrangement 1 is controlled by a start-stop control 16, which ultimately controls the energization of the starter motor 2 for starting the internal combustion engine 15 via a switching device 8.
  • the switching device 8 can also be controlled via an ignition switch or a start button in an instrument panel of the motor vehicle.
  • the current limiting starting resistor 3 limits in the circuit 1 an inrush of the starter motor 2 by the starting resistor 3 is connected as a series resistor in series with the starter motor 2, in particular, only the inrush current is limited, as will be explained later.
  • Starting resistor 3 is designed as a commercially available discrete resistance element based on a metallic conductor.
  • the switching relay 5 of the bridging device 4 is designed as a contact closer, namely for bridging the starting resistor 3 in a switched, energized state of the switching relay 5, in which a switching relay contact 12 is closed.
  • the starter relay 7 is formed in a conventional construction with a retraction 14 and a holding winding 13 and arranged together with the starter motor 2 in an engine compartment of the motor vehicle, wherein the starting device 17 is designed as a thrust drive starter with permanent excitement.
  • the switching device 8 To start the internal combustion engine 15, the switching device 8 through the
  • Start-stop control 16 is actuated, so that from the battery 10, a current path with the pull-in winding 14, the starting resistor 3 and the starter motor 2 and a current path with the holding winding 13 are energized. Consequently, the starter relay 7 is energized and the starter relay contact 11 is closed.
  • the starter motor 2 is meshed with a starter pinion in a ring gear of the internal combustion engine 15 for a mechanical coupling. As soon as the starter relay contact 1 1 is closed, the pull-in winding 14 is bridged and the current consumption of the starter relay 7 is reduced, namely to the energization of the holding winding 13.
  • the starter motor 2 is energized via the starter relay contact 1 1 and the starting resistor 3 and rotates Consequently, wherein the inrush current is limited by means of the starting resistor 3 and thus a voltage dip is reduced.
  • the switched in series with the adjusting resistor 6 switching relay 5 is connected in parallel with the starter motor 2, so that about the switching relay 5 with the adjusting resistor 6 about the same voltage as applied to the starter motor 2.
  • Starter motor 2 is induced in this a voltage which rises so high that a turn-on voltage of the switching relay 5 is achieved. Consequently, the switching relay 5 switches increasingly energized and switches to an on state, so that the starting resistor 3 is bridged by means of the switching relay contact 12, the full available voltage during the energization is switched to the starter motor 2 with the battery 10 and thus also a maximum current for the full starter power is available.
  • the switching relay 5 is thus forcibly controlled by the voltage drop across the starter motor 2, to be precise in such a way that, starting from a certain rotational speed of the starter motor 2, the starting resistor 3 is bypassed.
  • a suitable speed at which the lock-up device 4, in particular the switching relay 5, is switched, can be adjusted via the adjusting resistor 6, since it forms a voltage streer of the voltage drop across the starter motor 2 with an internal resistance of the relay coil of the switching relay 5, so that the ratio of the turn-on voltage of the switching relay 5 can be set to the voltage induced in the starter motor 2 voltage.
  • the switching relay 5 has a switch-off voltage, which is significantly lower than the switch-on voltage, so that it does not release again in the event of a further voltage dip immediately after bridging the starting resistor 3, that is to say the bridging device 4 is switched off unintentionally.
  • Switching relay 5 with a certain delay from, since initially one of the outgoing, quasi-dynamically operated starter motor 2 induced voltage applied. Then the arrangement is ready for the next start.
  • a starter motor 2 with an electric power between 1 kW and 2.5 kW is preferred, in which case a starting resistor 3 between 2 mOhm and 20 mOhm is selected.
  • the turn-on voltage of the switching relay 5 is about 60% and the turn-off voltage about 30% of the rated voltage of the starter motor. 2
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a further, alternative circuit arrangement 1 of the starting device 17 according to FIG. 1, which, apart from a simpler starter relay 7 with only one winding, comprises the same components as the exemplary embodiment shown above.
  • a simplified starter relay 7 can be produced in a resource-saving and cost-effective manner.
  • the preceding explanation without limitation to this embodiment.
  • the switching relay 5 is designed as a contact opener, i. the switching relay contact 12 is closed in the de-energized state of the switching relay 5.
  • the switching relay 5 is initially energized via the setting resistor 6 and a diode 9 through the starter motor, which is still stationary at this point in time 2 energized, so that the switching relay contact 12 opens and a bridging of the starting resistor 3 is repealed.
  • a switching time of the switching relay 5 is formed significantly below a switching time of the starter relay 7, so that also at
  • Starter relay contact 11 is energized quasi backward and closes again.
  • the diode prevents 9 in this case that the starter relay 7 is energized via the relay winding of the switching relay 5 and thus goes into latching.
  • the circuit arrangement 1 has a temperature-dependent switch, which interrupts the bridging of the starting resistor 3 at a temperature below a certain limit, so that at temperatures below this limit already at start, ie of At the beginning, the full voltage for a maximum current, so also a maximum power of the starter motor 2 is available.
  • FIGS. 1 to 3 shows a flowchart with steps of a method for operating the circuit arrangement 1 or else the starting device 17 according to FIGS. 1 to 3.
  • a step 40 it is checked whether a temperature of the starting device 17 falls below a certain limit value. If this is the case, the bridging device 4 is switched on in a step 42, otherwise the bridging device 4 remains switched off in a step 41.
  • the starter motor 2 is energized by closing the switching device 8 to turn it, wherein in dependence of the preceding steps at a temperature of at least the limit of the inrush current of the current limiting device 3 is limited and at a temperature below the limit, the current limiting device 3 is bridged by the beginning of the energization of the starter motor 2 with the lock-up device 4, so that it is operated with a maximum power at the expense of a maximum voltage dip.
  • a step 44 it is virtually checked during start-up of the starter motor by means of a positive control, whether a certain speed of the starter motor 2 is reached by the lock-up device 4 is controlled by a voltage drop across the starter motor 2. If this is true, so that the starter motor 2 is turned on with the inrush current, in a step 45, the lock-up device 4 is turned on positively controlled, or remains turned on, if it was already turned on due to the temperature condition. Finally, in a step 46, the starter motor 2 with a bridged current limiting device 3 for a full power without
  • 5 shows a circuit diagram of a fourth, alternative circuit arrangement of a starting device for the starter motor 2 for starting the internal combustion engine not shown here.
  • the current limiting device 3 which is a switched series resistor RV
  • the switching path of an additional switching relay 5 can be connected in parallel with the switched series resistor RV.
  • the input E5 for the additional switching relay 5 is connected to the switching contact T45 of the starter relay 7. This connection is used to realize the voltage supply for the additional switching relay.
  • the other switching contact of the starter relay 7 is designated by T 30.
  • the switching device 8 is, for example, the ignition switch which actuates the starter relay 7.
  • the voltage dip during the starting process can be optimally reduced. In this case, no additional changes in the installation in conventional starting systems are required lent, so that an exchange is easily executed.
  • the switched series resistor RV of the current limiting device 3 is activated for a short time RVt. During the rest of the time it is bridged by the switching path of the switching relay 5.
  • the optimum value for the series resistor RV depends, for example, on the characteristics of the additional switching relay
  • the winding design or from the electrical system or electrical system design or from the battery or its state Based on these quantities, the best selection for the value of the series resistor can be made.
  • the desired voltage reduction or the desired reduction in the voltage drop during starting can thereby be varied by selecting the resistance value of RV and / or the time RVt during which the series resistor is not bridged.
  • FIGS. 6 and 7 show the circuit diagram of the fourth, alternative circuit arrangement in two different switching states.
  • the respective current flow is indicated by dashed lines.
  • the starter relay is activated, the Kon- T30 and T45 closed or interconnected.
  • the starter relay 7 has thus tightened and the starter pinion is meshed in the sprocket.
  • the additional relay 5 is open.
  • the main current flows through the series resistor RV and is limited by this.
  • FIG. 8 shows various voltage or current courses over time, which show the advantages of the circuit arrangement according to the invention according to FIGS. 5 to 7. Specifically, these are: Voltage U30 is the voltage that is at terminal 30. The voltage U1, which would occur after switching on the starter, if no series resistor RV was present. U2 is obtained with resistor RV. U50 is another voltage in the vehicle electrical system and I represents a current profile. The time RVt is the time in which the series resistor RV is not bridged and UD is the difference U2min - U1 min of the minimum voltages of U1 and U2 occurring during the starter process. According to the invention, the voltage drop with series resistor RV is improved by UD.
  • the duration RVt of the bypassing of the current limiting device 3 is adaptable to predefinable requirements.
  • the desired period of time can be determined by properties of the additional relay, for example its holding period or by external activation of the
  • Additional relays can be selected at predeterminable times or similar measures.

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung (1) für eine elektrische Maschine (2), insbesondere einen Startermotor zum Starten einer Brennkraftmaschine (15), in einem Kraftfahrzeug, mit einer Strombegrenzungsvorrichtung (3) zum Begrenzen eines Einschaltstroms der elektrische Maschine (2), beschrieben. Um die elektrische Maschine (2) möglichst einfach und ressourcenschonend zu betreiben, umfasst die Schaltungsanordnung (1) eine Überbrückungsvorrichtung (4) zum Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung (3).

Description

Beschreibung
Titel
Schaltunqsanordnunq von einer Startvorrichtunq Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Startermotor zum Starten einer Brennkraftmaschine, in einem Kraftfahrzeug, mit einer Strombegrenzungsvorrichtung zum Be- grenzen eines Einschaltstroms der elektrischen Maschine. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, mit einer, insbesondere der zuvor genannten, Schaltungsanordnung und mit einem Startermotor.
Zum Starten von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen werden Startvorrichtungen eingesetzt, die mit einem Startermotor nach dem Prinzip einer Gleichstrommaschine mit mechanischer Kommutierung, insbesondere als Außenpol- maschine, aufgebaut sind.
Um ein erforderliches hohes Drehmoment und eine hohe Leistung des Starters mit einer vergleichsweise niedrigen Bordnetzspannung von etwa 12 V bis 14 V, beziehungsweise 24 V bis 28 V, zu erzielen, ist die Gleichstrommaschine mit ei- ner geringen Windungszahl und einem großen Leitungsquerschnitt ausgestattet.
Durch die resultierende niedrige Impedanz, je nach Ausführungsform also etwa die eines Rotors oder auch eines Stators, wird die Verlustleistung gesenkt und eine hohe Drehmomentausbeute bei vergleichsweise gutem Wirkungsgrad erzielt. Andererseits führt gerade die geringe Impedanz, und zwar vor allem der ge- ringe ohmsche Widerstand, aber auch die niedrige Induktivität, zu hohen Einschaltströmen und einem vorübergehenden Spannungseinbruch in einem batte- riebetriebenen Bordnetz. Erst mit dem Anlaufen des Startermotors wird mit zunehmender Drehzahl eine Spannung induziert, die dem Spannungseinbruch entgegenwirkt. Zusatzverbraucher, die an anderer Stelle auf das Bordnetz geschaltet sind, müssen für diesen Spannungseinbruch ausgelegt oder dürfen zum Zeit- punkt des Spannungseinbruchs nicht aktiv sein.
Bei konventionellen Startsystemen ist der Spannungseinbruch beim Start meist unkritisch, da Zusatzverbraucher überwiegend noch nicht aktiv oder inaktiv geschaltet sind. Bei Starter-basierten Start-Stopp-Systemen, bei denen die Brenn- kraftmaschine durch den Startermotor auch bei aktiven Zusatzverbrauchern, beispielsweise nach einer kurzen Haltephase des Kraftfahrzeuges, gestartet wird, werden zunehmend höhere Anforderungen an eine Spannungshaltung im Bordnetz gestellt. Die DE 103 17 466 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einem Startermotor von einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges und mit einem zu dem Startermotor in Reihe geschalteten Vorwiderstand, nämlich einem NTC- Vorwiderstand, dessen Widerstandswert mit zunehmender Temperatur sinkt. Beim Anlaufen des Startermotors erwärmt sich der NTC-Vorwiderstand und sein Widerstandswert nimmt ab.
Die DE 102 31 088 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung von einer Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit zwei in Reihe geschalteten Transistoren, wobei zwei Widerstände als Spannungsteilung jeweils parallel zu einem Transistor geschaltet sind, um in einem ausgeschalteten Zustand der Transistoren einen Kurzschlussdefekt der Transistoren zu diagnostizieren.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung, ein Verfahren zum Be- treiben derselben und eine Startvorrichtung der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, dass eine elektrische Maschine möglichst einfach und ressourcenschonend betrieben wird. Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 , 12 und 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte Weiterbil- düngen der Erfindung.
Es ist ein Gedanke der Erfindung, dass die Schaltungsanordnung für eine elektrische Maschine eine Überbrückungsvorrichtung zum Überbrücken einer Strombegrenzungsvorrichtung umfasst und das ein Einschaltstrom der elektrischen Maschine beim Anlaufen mittels der Strombegrenzungsvorrichtung begrenzt und anschließend die Strombegrenzungsvorrichtung mit der Überbrückungsvorrichtung überbrückt wird. So lässt sich mit der Schaltungsanordnung der Einschaltstrom der elektrischen Maschine begrenzen und, insbesondere nach einem Anlaufen, die elektrische Maschine mit einer vollen Leistung betreiben, indem die Strombegrenzungsvorrichtung überbrückt wird, so dass insbesondere eine maximale Bestromung erzielt wird. So lässt sich die elektrische Maschine einfach mit einer Strombegrenzungsvorrichtung betreiben, indem die Strombegrenzungsvorrichtung durch bloßes Überbrücken deaktiviert werden kann. Ferner wird ein ressourcenschonender Betrieb der elektrischen Maschine möglich, da durch die Reduzierung des Spannungseinbruchs beim Anlaufen der elektrischen
Maschine eine stärker dimensionierte elektrische Versorgung oder auch Schutzmaßnahmen weiterer elektrischer Verbraucher vermieden werden.
Es ist bevorzugt, dass die elektrische Maschine in einem Kraftfahrzeug angeord- net ist und insbesondere über ein batteriegespeistes Bordnetz betrieben wird. Mit der Strombegrenzungsvorrichtung lässt sich die elektrische Belastung des Bordnetzes begrenzen und dennoch die elektrische Maschine mittels der Überbrückungsvorrichtung bei einer maximalen Leistung betrieben, sodass die Batterie des Bordnetzes für eine geringere Leistung, also ressourcenschonender, dimen- sionierbar ist.
Vorzugsweise ist die Schaltungsanordnung für einen Startermotor zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug ausgebildet, sodass die elektrische Maschine also ein Startermotor ist. Zum Starten einer Brennkraftmaschine wird eine hohe Leistung benötigt, die insbesondere durch eine hohe Bestromung des Startermotors erreicht wird, woraus jedoch ein Spannungseinbruch des Bordnetzes resultiert. Wie zuvor genannt, sind, insbesondere auch bei einem Start-Stopp-System, weitere Bordnetzverbraucher von einem solchen Spannungseinbruch betroffen, sodass sich das Bordnetz des Kraftfahrzeugs ressourcenschonend realisieren lässt, indem der Einschaltstrom des Startermotors beim Anlaufen mittels der Strombegrenzungsvorrichtung begrenzt wird und anschließend die Brennkraftmaschine durch Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung mit der Überbrückungsvorrichtung bei einer vollen elektrischen Leistung sicher gestartet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Strombegrenzungsvorrichtung einen den Einschaltstrom der elektrischen Maschine begrenzenden Anlaufwiderstand, und zwar insbesondere einen ohmschen Widerstand. Der Anlaufwiderstand kann dabei in Reihe zu der elektrischen Maschine geschaltet sein und ermöglicht bei geringem Schaltungsaufwand eine ressourcenschonende und kostengünstige Begrenzung der Bestromung der elektrischen Maschine.
Der Anlaufwiderstand kann als Leitungswiderstand, insbesondere einer elektrischen Versorgungsleitung der elektrischen Maschine, ausgebildet sein, wobei er durch eine geeignete Wahl des Leitungsmaterials, der Leitungslänge und/oder auch des Leitungsquerschnitts definierbar ist. So lassen sich der Kosten- und
Montageaufwand reduzieren.
Vorzugsweise ist der Anlaufwiderstand ein diskretes Widerstandselement, insbesondere ein metallischer Leiter. Solche Widerstandselemente sind in zahlreichen Ausführungen, insbesondere bezüglich ihres Widerstandswertes und ihrer
Strombelastbarkeit, verfügbar und gestatten eine kostengünstige und ressourcenschonende Realisierung der Schaltungsanordnung. Dabei ist besonders eine thermische Auslegung des Widerstandselements zu beachten, da insbesondere ein Startermotor mit hohem Strom beaufschlagt wird und außerdem in einem Kraftfahrzeug das Widerstandselement großen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.
Der Anlaufwiderstand kann in einem Motorraum des Kraftfahrzeuges angeordnet sein, so dass er leicht zugänglich ist und eine einfache Montage ermöglicht wird. Vorzugsweise ist der Anlaufwiderstand an dem Startermotor ausgebildet. Der Anlaufwiderstand und der Startermotor können so als eine vorgefertigte, insbeson- dere auch aufeinander abgestimmte, Baugruppe kostengünstig und ressourcenschonend hergestellt und einfach in einer Mehrzahl von unterschiedlichen Kraftfahrzeugplattformen eingebaut werden. Vorzugsweise ist die Überbrückungsvorrichtung zwangsgesteuert ausgebildet, so dass keine zusätzliche Steuerung oder auch Regelung, insbesondere als zusätzliche elektronische Baugruppe, notwendig ist. Die Strombegrenzungsvorrichtung kann dabei durch eine Drehzahl der elektrischen Maschine zwangsgesteuert sein und zwar vorzugsweise so, dass beim Anlaufen der elektrischen Maschine, also bei niedrigen Drehzahlen, die Strombegrenzungsvorrichtung die Bestromung der elektrischen Maschine begrenzt und die Strombegrenzung ab einer gewissen Drehzahl durch Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung mit der Überbrückungsvorrichtung aufgehoben wird. So ist eine einfache und kostengünstige Anlaufstrombegrenzung realisierbar.
Die Überbrückungsvorrichtung kann durch eine Spannung geschaltet werden, die insbesondere über der elektrischen Maschine abfällt, wobei die Spannung als e- lektrische Größe einfach und unmittelbar zum Schalten der Überbrückungsvorrichtung genutzt werden kann. Insbesondere eine über der elektrischen Maschi- ne abfallende Spannung ist auch durch eine in der elektrischen Maschine induzierte Spannung, die mit zunehmender Drehzahl ansteigt, bedingt. Da die über der elektrischen Maschine abfallende Spannung also von deren Drehzahl abhängt, kann so die zuvor genannte Zwangssteuerung, insbesondere auch drehzahlgesteuert, einfach und mit geringem Bauteilaufwand realisiert werden.
Es ist bevorzugt, dass eine Einschaltspannung, bei deren Überschreiben die Überbrückungsvorrichtung von einem ausgeschalteten in einen eingeschalteten Zustand wechselt, mindestens 30 % und/oder höchstens 70 % einer Nennspannung der elektrischen Maschine beträgt. So wird sichergestellt, dass die Über- brückungsvorrichtung in einem mittleren Spannungsbereich schaltet und besonders ein Kontaktflattern, also ein unbeabsichtigtes Schalten bei geringen Spannungsschwankungen, bei einer ein- oder ausgeschalteten Nennspannung verhindert wird. Ferner wird sichergestellt, dass die Überbrückungsvorrichtung beim Andrehen der elektrischen Maschine ausgeschaltet bleibt, und zwar indem erst ab einer gewissen Drehzahl der elektrischen Maschine eine gewisse Spannung induziert wird, die der Einschaltspannung der Überbrückungsvorrichtung entspricht, bei der die Strombegrenzungsvorrichtung überbrückt wird.
Ferner ist bevorzugt, dass eine Ausschaltspannung, bei deren Unterschreiten die Überbrückungsvorrichtung von einem eingeschalteten in einen ausgeschalteten
Zustand wechselt, höchstens 50 % einer Nennspannung der elektrischen Maschine beträgt. So wird verhindert, dass nach dem Einschalten der Überbrückungsvorrichtung diese unbeabsichtigt ausgeschaltet wird, da gerade aus der Überbrückung der Strombegrenzungsvorrichtung ein erhöhter Stromfluss und somit auch ein Spannungseinbruch resultiert, wobei die Spannung auch unter die
Einschaltspannung abfallen kann. Vorzugsweise ist die Ausschaltspannung also deutlich geringer, beispielsweise um mindestens 30 % der Nennspannung der elektrischen Maschine, als die Einschaltspannung, um ein sicheres Ein- und Ausschalten der Überbrückungsvorrichtung zu gewährleisten. So lässt sich, qua- si durch eine Hysterese bei der spannungsgesteuerten Zwangssteuerung der
Überbrückungsvorrichtung, ein zuverlässiges Schalten der Überbrückungsvorrichtung realisieren.
Es ist bevorzugt, dass die Überbrückungsvorrichtung ein elektromechanisches Schaltrelais aufweist, das in der Schaltungsanordnung zum Schalten eines die
Strombegrenzungsvorrichtung überbrückenden Strompfades angeordnet ist. So lässt sich ressourcenschonend, nämlich mit geringem Bauteilaufwand, die Strombegrenzungsvorrichtung durch einfaches Schalten des Schaltrelais ein- bzw. ausschalten. Analog zum Anlaufwiderstand kann das Schaltrelais, insbe- sondere auch weitere Bestandteile der Überbrückungsvorrichtung, im Motorraum und auch an der Startvorrichtung, insbesondere an dem Startermotor, angeordnet sein. Ein Schaltrelais ermöglicht ferner eine hohe Lebensdauer der Überbrückungsvorrichtung und es lässt sich auch mit geringem Schaltungsaufwand die zuvor genannte Hysterese der Einschalt- und Ausschaltspannung realisieren, nämlich beispielsweise durch einen geeigneten dimensionierten Eisenkreis und/oder Rückstellfedern des Schaltrelais.
Vorzugsweise beträgt der Arbeitsstrom des Schaltrelais maximal 5 A, so dass das Bordnetz des Kraftfahrzeugs durch das Schaltrelais nur gering belastet wird und ein Spannungseinbruch aufgrund des Schaltens des Schaltrelais verringert wird. Als eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung wird, wie zuvor genannt, die Überbrückungsvorrichtung durch eine über der elektrischen Maschine abfallende Spannung geschaltet. Dabei kann die Überbrückungsvorrichtung auf ein elektri- sches Potential an der elektrischen Maschine gelegt werden, und zwar beispielsweise indem die Relaisspule des Schaltrelais über eine elektrische Leitung mit einer Anschlussklemme des Startermotors verbunden wird, so dass die Bestromung der Relaisspule unmittelbar durch die über dem Startermotor abfallende Spannung bestimmt ist. Diese Schaltungsanordnung ermöglicht eine einfa- che, insbesondere ohne weitere elektronische oder elektromechanische Bauteile realisierbare, schaltbare Überbrückungsvorrichtung.
Die Überbrückungsvorrichtung kann einen in Reihe zu dem Schaltrelais, insbesondere zu der Relaisspule, geschalteten Einstellwiderstand, aufweisen, so dass ein Schaltpunkt des Schaltrelais über den Einstellwiderstand einstellbar ist. Wird die Überbrückungsvorrichtung durch eine Spannung, insbesondere durch die über der elektrischen Maschine abfallende Spannung, geschaltet, lässt sich der Schaltpunkt der Überbrückungsvorrichtung mittels des Einstellwiderstandes abstimmen bzw. definiert festlegen, und zwar insbesondere bezüglich der Drehzahl der elektrischen Maschine. Dabei wirkt der Einstellwiderstand mit dem Innenwiderstand der Relaisspule als Spannungsteiler. Der Einstellwiderstand kann einen festen oder auch variablen Widerstandswert aufweisen.
Die Einschalt- und/oder die Ausschaltspannung können durch eine mechanische Beschaffenheit des Schaltrelais definiert sein, insbesondere durch eine geeignete Ausbildung der Relaiswicklung, eines Ankers, einer Rückstellfeder oder auch der Schaltkontakte.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Überbrückungsvorrichtung als ein Kontaktschließer ausgebildet, und zwar zur Überbrückung der Strombegrenzungsvorrichtung in einem eingeschalteten, insbesondere bestromten, Zustand der Überbrückungsvorrichtung. Dann muss die Überbrückungsvorrichtung erst eingeschaltet werden, nachdem der Einschaltstrom der elektrischen Maschine begrenzt wurde, sodass ein zusätzlicher Spannungseinbruch beim Betrieb der Strombegrenzungsvorrichtung durch die Bestromung der Überbrückungsvorrichtung vermieden wird. Als eine alternative bevorzugte Ausführungsform ist die Überbrückungsvorrich- tung als ein Kontaktöffner ausgebildet. Dann lässt sich die Schaltungsanordnung so realisieren, dass die Überbrückungsvorrichtung nur während dem Anlaufen der elektrischen Maschine bestromt werden muss. So lässt sich eine größere elektrische Leistung für einen Betrieb der elektrischen Maschine nach dem Anlaufen nutzen. Im Übrigen kann jeweils eine der beiden zuvor genannten alternativen Ausführungsformen geeignet für einen jeweiligen drehzahlabhängigen Verlauf einer Spannung gewählt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird bei einer Temperatur unter einem Temperaturgrenzwert die Strombegrenzungsvorrichtung mit der Überbrückungsvorrichtung, insbesondere beim Anlaufen der elektrischen Maschine, überbrückt. Um beispielsweise eine Brennkraftmaschine bei abnehmender Temperatur zu starten, ist eine zunehmend höhere Leistung erforderlich, die mit dem Startmotor aufgebracht werden muss. Wird die Strombegrenzungsvorrichtung bereits beim Anlaufen der elektrischen Maschine überbrückt, also die elektrische Maschine stärker bestromt, so ist beim Anlaufen eine größere Leistung bzw. ein höheres Drehmoment verfügbar. So lässt sich in, insbesondere bei kalten Temperaturen, also zumindest unter dem gewählten Temperaturgrenzwert, der Startermotor von
Anfang an mit einem vollen Hauptstrom zum Losbrechen der Brennkraftmaschi- ne aus einer Stillstandsposition betreiben. Also lässt sich bei einem Kaltstart mit maximaler Leistung, nämlich ohne Strombegrenzung, jedoch bei einem erhöhten Spannungseinbruch, die elektrische Maschine, also insbesondere auch die Brennkraftmaschine, andrehen und bei einem Warmstart, bei dem insbesondere bei einem Start-Stopp-System weitere Bordnetzverbraucher eingeschaltet sind, eine Strombegrenzung zur Reduzierung eines Spannungseinbruchs realisieren.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Strombegren- zungsvorrichtung lediglich einen Vorwiderstand, der mit Hilfe einer Relaisstrecke eines Zusatzrelais kurzschließbar ist. Dabei wird der Wert des Vorwiderstands an die Erfordernisse angepasst. Der optimale Wert für den Vorwiderstand RV kann beispielsweise abhängig von den Eigenschaften des zusätzlichen Schaltrelais, beispielsweise dessen Wicklungsdesign oder vom Bordnetzdesign oder von der Batterie bzw. ihrem Zustand festgelegt werden. Ausgehend von diesen Größen kann die beste Auswahl für den Wert des Vorwiderstandes getroffen werden. Die Zeitspanne, während der der Vorwiderstand aktiv ist, d.h. während der er nicht durch die Schaltstrecke des Relais überbrückt wird, kann, gegebenenfalls im Zusammenwirken mit dem Widerstandswert der Vorwiderstandes an gewünschte Eigenschaften des Systems angepasst werden. Insbesondere kann bei dieser Ausführungsform der Erfindung das Minimum des Spannungseinbruchs beim
Start so eingestellt werden, dass eine untere Grenze für die Spannung nicht unterschritten wird. Diese erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel hat den wesentlichen Vorteil, dass es leicht an vorhandene Startsysteme angepasst werden kann und so nur einen geringen Aufwand erfordert, wenn es ein herkömmliches System ersetzen soll.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisch eine Startvorrichtung mit einer Schaltungsanordnung,
Fig. 2 einen Schaltplan einer weiteren, alternativen Schaltungsanordnung, Fig. 3 einen Schaltplan einer dritten, alternativen Schaltungsanordnung und
Fig. 4 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben einer solchen
Schaltungsanordnung und Fig. 5 einen Schaltplan einer vierten, alternativen Schaltungsanordnung und
Fig. 6 einen Schaltplan der vierten, alternativen Schaltungsanordnung mit geschlossenen Kontakten am Starterrelais und Fig. 7 einen Schaltplan der vierten, alternativen Schaltungsanordnung mit geschlossenen Kontakten am Starterrelais und am zusätzlichen Schaltrelais und Fig. 8 verschiedene Spannungs- bzw. Stromverläufe über der Zeit, die die Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach den Figuren 5 erkennen lassen.
Die Fig. 1 zeigt eine Startvorrichtung 17 zum Starten einer Brennkraftmaschine 15 in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug mit einer Schaltungsanordnung 1 und einem Startermotor 2. Die Schaltungsanordnung 1 ist für eine elektrische Maschine 2, nämlich den Startermotor 2 zum Starten der Brennkraftmaschine 15 in dem Kraftfahrzeug, mit einer Strombegrenzungsvorrichtung 3, nämlich einem Anlaufwiderstand, zum Begrenzen eines Einschaltstroms des Startermotors 2 ausgebildet. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst ferner eine Überbrückungsvor- richtung 4 zum Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung 3, die ein Schaltrelais 5 und einen Einstellwiderstand 6 umfasst. Darüber hinaus umfasst die Schaltungsanordnung 1 ein herkömmliches Starterrelais 7, das insbesondere zum Ein- und Ausschalten einer Bestromung des Startermotors 2 mit einem Star- terrelaiskontakt 11 ausgebildet ist. Dabei wird die Schaltungsanordnung 1 von einer Start-Stopp-Steuerung 16 gesteuert, die über eine Schaltvorrichtung 8 letztendlich die Bestromung des Startermotors 2 zum Andrehen der Brennkraftmaschine 15 steuert. Als alternative Ausführungsbeispiele kann die Schaltvorrichtung 8 auch über einen Zündschalter oder einen Startknopf in einer Instru- mententafel des Kraftfahrzeugs gesteuert werden.
Der strombegrenzende Anlaufwiderstand 3 begrenzt in der Schaltungsanordnung 1 einen Einschaltstrom des Startermotors 2, indem der Anlaufwiderstand 3 quasi als ein Vorwiderstand in Reihe zu dem Startermotor 2 geschaltet ist, wobei insbesondere nur der Einschaltstrom begrenzt wird, wie später erläutert wird. Der
Anlaufwiderstand 3 ist als ein handelsübliches diskretes Widerstandselement auf der Basis eines metallischen Leiters ausgebildet.
Das Schaltrelais 5 der Überbrückungsvorrichtung 4 ist als ein Kontaktschließer ausgebildet, und zwar zur Überbrückung des Anlaufwiderstands 3 in einem ein- geschalteten, bestromten Zustand des Schaltrelais 5, bei dem ein Schaltrelaiskontakt 12 geschlossen ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Starterrelais 7 in konventioneller Bauweise mit einer Einzugs- 14 und einer Haltewicklung 13 ausgebildet und gemeinsam mit dem Startermotor 2 in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet, wobei die Startvorrichtung 17 als Schubschraubtriebstarter mit permanenter Erregung ausgebildet ist. Zum Starten der Brennkraftmaschine 15 wird die Schaltvorrichtung 8 durch die
Start-Stopp-Steuerung 16 betätigt, so dass von der Batterie 10 ein Strompfad mit der Einzugswicklung 14, dem Anlaufwiderstand 3 und dem Startermotor 2 sowie ein Strompfad mit der Haltewicklung 13 bestromt werden. Folglich zieht das Starterrelais 7 an und der Starterrelaiskontakt 11 wird geschlossen. Durch ein Anzie- hen des Starterrelais 7 wird außerdem, nicht dargestellt, der Startermotor 2 mit einem Starterritzel in einem Zahnkranz der Brennkraftmaschine 15 für eine mechanische Kopplung eingespurt. Sobald der Starterrelaiskontakt 1 1 geschlossen ist, ist auch die Einzugswicklung 14 überbrückt und die Stromaufnahme des Starterrelais 7 reduziert sich, nämlich auf die Bestromung der Haltewicklung 13. Au- ßerdem wird der Startermotor 2 über den Starterrelaiskontakt 1 1 und den Anlaufwiderstand 3 bestromt und dreht folglich an, wobei der Einschaltstrom mittels des Anlaufwiderstands 3 begrenzt wird und so auch ein Spannungseinbruch reduziert wird. Das in Reihe mit dem Einstellwiderstand 6 geschaltete Schaltrelais 5 ist parallel zu dem Startermotor 2 geschaltet, so dass über dem Schaltrelais 5 mit dem Einstellwiderstand 6 etwa die gleiche Spannung wie an dem Startermotor 2 anliegt. Bei Andrehen des Startermotors 2 fällt nur eine geringe Spannung über diesem ab und das Schaltrelais 5 ist geöffnet, so dass die Bestromung des Startermotors 2 über den Anlaufwiderstand 3 begrenzt wird. Mit zunehmender Drehzahl des
Startermotors 2 wird in diesem eine Spannung induziert, die so weit ansteigt, dass eine Einschaltspannung des Schaltrelais 5 erreicht wird. Folglich schaltet das Schaltrelais 5 zunehmend bestromt und schaltet in einen eingeschalteten Zustand, so dass der Anlaufwiderstand 3 wird mittels des Schaltrelaiskontakts 12 überbrückt wird, die volle zur Verfügung stehende Spannung bei der Bestromung mit der Batterie 10 auf den Startermotor 2 geschaltet wird und somit auch eine maximale Bestromung für die volle Starterleistung zur Verfügung steht.
Das Schaltrelais 5 ist also durch die über dem Startermotor 2 abfallende Span- nung zwangsgesteuert, und zwar so, dass ab einer gewissen Drehzahl des Startermotors 2 der Anlaufwiderstand 3 überbrückt wird. Eine geeignete Drehzahl, bei der die Überbrückungsvorrichtung 4, insbesondere das Schaltrelais 5, geschaltet wird, lässt sich über den Einstellwiderstand 6 einstellen, da er mit einem Innenwiderstand der Relaisspule des Schaltrelais 5 einen Spannungstreiler der an dem Startermotor 2 abfallenden Spannung bildet, so dass sich das Verhältnis der Einschaltspannung des Schaltrelais 5 zu der in dem Startermotor 2 induzierten Spannung einstellen lässt. Dabei weist das Schaltrelais 5 eine gegenüber der Einschaltspannung deutlich niedrigere Ausschaltspannung auf, damit es nicht bei einem weiteren Spannungseinbruch unmittelbar nach dem Überbrücken des An- laufwiderstands 3 wieder loslässt, also die Überbrückungsvorrichtung 4 unbeabsichtigt ausgeschaltet wird.
Bei einem Beenden des Startvorgangs, also einem Öffnen der Schaltvorrichtung 8, wird die Bestromung des Starterrelais 7, insbesondere der Haltewicklung 13, unterbrochen und der Starterrelaiskontakt 11 geöffnet. Danach fällt das
Schaltrelais 5 mit einer gewissen Verzögerung ab, da vorerst noch eine von dem auslaufenden, quasi generatorisch betriebenen Startermotor 2 induzierte Spannung anliegt. Danach steht die Anordnung wieder für den nächsten Start bereit. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Startermotor 2 mit einer elektrischen Leistung zwischen 1 kW und 2,5 kW bevorzugt, wobei dann ein Anlaufwiderstand 3 zwischen 2 mOhm und 20 mOhm gewählt wird. Außerdem beträgt die Einschaltspannung des Schaltrelais 5 etwa 60% und die Ausschaltspannung etwa 30% der Nennspannung des Startermotors 2.
Die Fig. 2 zeigt einen Schaltplan einer weiteren, alternativen Schaltungsanordnung 1 der Startvorrichtung 17 gemäß der Fig. 1 , die bis auf ein einfacheres Starterrelais 7 mit nur einer Wicklung dieselben Komponenten wie das zuvor gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst. Ein solches vereinfachtes Starterrelais 7 lässt sich ressourcenschonender und kostengünstiger herstellen. Des Weiteren trifft, abgesehen von der Einzugswicklung 14, die vorangegangene Erläuterung uneingeschränkt auch auf dieses Ausführungsbeispiel zu.
Die Fig. 3 zeigt einen Schaltplan einer dritten, alternativen Schaltungsanordnung 1 der Startvorrichtung 17 gemäß der Fig. 1 für den Startermotor 2 zum Starten der Brennkraftmaschine 15. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Schaltrelais 5 als Kontaktöffner ausgelegt, d.h. der Schaltrelaiskontakt 12 ist im unbestromten Zustand des Schaltrelais 5 geschlossen. Nachfolgend werden nur die wesentlichen Unterschiede zu dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erläu- tert: Beim Schließen der Schaltvorrichtung 8 wird zunächst das Schaltrelais 5 über den Einstellwiderstand 6 und eine Diode 9 durch den zu diesem Zeitpunkt noch stillstehenden, bzw. dann anlaufenden Startermotor 2 hindurch bestromt, so dass sich der Schaltrelaiskontakt 12 öffnet und eine Überbrückung des Anlaufwiderstands 3 aufgehoben ist. Dabei ist eine Schaltzeit des Schaltrelais 5 deutlich unter einer Schaltzeit des Starterrelais 7 ausgebildet, so dass das ebenfalls beim
Schließen des Ansteuerschalters 8 bestromte Starterrelais 7 erst nach einem Öffnen des Schaltrelaiskontakts 12 den Starterrelaiskontakt 11 schließt und der Startermotor 2 über dem Anlaufwiderstand 3 von der Batterie 10 bestromt wird. Wie zuvor erläutert, wird mit zunehmender Drehzahl des Startermotors 2 eine zunehmende Spannung induziert, so dass bei dieser Schaltungsanordnung 1 zunehmend die Spannung an dem Schaltrelais 5 verringert wird, und zwar so, dass die Ausschaltspannung des Schaltrelais 5 unterschritten wird. Folglich wird der Schaltrelaiskontakt 12 geöffnet, die Überbrückung des Anlaufwiderstands 3 auf- gehoben und der Startermotor 2 bei der vollen verfügbaren Spannung bestromt, so dass die volle Starterleistung zur Verfügung steht. So wird eine Stromaufnahme des Schaltrelais 5 nach dem Andrehen des Startermotors 2 reduziert.
Bei einem Beenden des Startvorgangs durch Öffnen des Ansteuerschalters 8 verhindert die Diode 9, dass das Schaltrelais 5 über den noch geschlossenen
Starterrelaiskontakt 11 quasi rückwärts bestromt wird und wieder schließt. Außerdem verhindert die Diode 9 hierbei, dass das Starterrelais 7 über die Relaiswicklung des Schaltrelais 5 weiter bestromt wird und dadurch in Selbsthaltung geht. Weitere, nicht dargestellte Ausführungsbeispiele unterscheiden sich von den zuvor dargestellten dadurch, dass die Schaltungsanordnung 1 einen temperaturabhängigen Schalter aufweist, der bei einer Temperatur unter einem gewissen Grenzwert die Überbrückung des Anlaufwiderstand 3 unterbricht, so dass bei Temperaturen unter diesem Grenzwert bereits beim Anlaufen, also von Anfang an, die volle Spannung für eine maximale Bestromung, also auch eine maximale Leistung des Startermotors 2 zur Verfügung steht.
Die Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zum Betreiben der Schaltungsanordnung 1 beziehungsweise auch der Startvorrichtung 17 gemäß der Fig. 1 bis 3.
In einem Schritt 40 wird geprüft, ob eine Temperatur der Startvorrichtung 17 einen gewissen Grenzwert unterschreitet. Trifft dies zu, wird in einem Schritt 42, die Überbrückungsvorrichtung 4 eingeschaltet, andernfalls bleibt die Überbrü- ckungsvorrichtung 4 in einem Schritt 41 ausgeschaltet.
Anschließend wird in einem Schritt 43 der Startermotor 2 durch Schließen der Schaltvorrichtung 8 bestromt, um diesen anzudrehen, wobei in Abhängigkeit der vorhergehenden Schritte bei einer Temperatur von mindesten dem Grenzwert der Einschaltstrom von der Strombegrenzungsvorrichtung 3 begrenzt wird und bei einer Temperatur unterhalb des Grenzwertes die Strombegrenzungsvorrichtung 3 von Beginn der Bestromung des Startermotors 2 mit der Überbrückungsvorrichtung 4 überbrückt wird, so dass dieser mit einer maximalen Leistung unter Inkaufnahme eines maximalen Spannungseinbruchs betrieben wird.
In einem Schritt 44 wird während des Andrehens des Startermotors mittels einer Zwangssteuerung quasi geprüft, ob eine gewisse Drehzahl des Startermotors 2 erreicht ist, indem die Überbrückungsvorrichtung 4 von einer über dem Starter- motor 2 abfallenden Spannung gesteuert wird. Trifft dies zu, ist also das Andrehen des Startermotors 2 mit dem Einschaltstrom abgeschlossen, wird in einem Schritt 45 die Überbrückungsvorrichtung 4 zwangsgesteuert eingeschaltet, beziehungsweise bleibt eingeschaltet, falls sie aufgrund der Temperaturbedingung bereits eingeschaltet war. Schließlich wird in einem Schritt 46 der Startermotor 2 bei überbrückter Strombegrenzungsvorrichtung 3 für eine volle Leistung ohne
Strombegrenzung zum Starten der Brennkraftmaschine 15 betrieben. Alle Figu- ren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerischen Darstellungen für die Erfindung als wesentlich verwiesen. Die Fig. 5 zeigt einen Schaltplan einer vierten, alternativen Schaltungsanordnung einer Startvorrichtung für den Startermotor 2 zum Starten der hier nicht mehr dargestellten Brennkraftmaschine. Bei dieser Schaltungsanordnung liegt die Strombegrenzungsvorrichtung 3, die einen geschalteten Vorwiderstand RV darstellt, zwischen dem Starterrelais 7 und dem Startermotor 2. Zu dem geschalte- ten Vorwiderstand RV ist die Schaltstrecke eines zusätzliches Schaltrelais 5 parallel schaltbar. Der Eingang E5 für das zusätzliche Schaltrelais 5 ist mit dem Schaltkontakt T45 des Starterrelais 7 verbunden. Über diese Verbindung wird die Spannungsversorgung für das zusätzliche Schaltrelais realisiert. Der andere Schaltkontakt des Starterrelais 7 ist mit T 30 bezeichnet. Die Schaltvorrichtung 8 ist beispielsweise der Zündschalter, der das Starterrelais 7 betätigt.
Mit der Schaltungsanordnung nach Figur 5 kann der Spannungseinbruch während des Startvorgangs in optimaler Weise verringert werden. Dabei sind keine zusätzlichen Änderungen beim Einbau in herkömmliche Startsysteme erforder- lieh, so dass ein Austausch leicht ausführbar ist..
Der geschaltete Vorwiderstand RV der Strombegrenzungsvorrichtung 3 wird für eine kurze Zeit RVt aktiviert. Während der übrigen Zeit ist er durch die Schaltstrecke des Schaltrelais 5 überbrückt. Der optimale Wert für den Vorwiderstand RV hängt beispielsweise ab von den Eigenschaften des zusätzlichen Schaltrelais
5, beispielsweise dessen Wicklungsdesign oder vom Bordnetz bzw. Bordnetzdesign oder von der Batterie bzw. ihrem Zustand. Ausgehend von diesen Größen kann die beste Auswahl für den Wert des Vorwiderstandes getroffen werden. Die angestrebte Spannungsreduktion bzw. die angestrebte Verringerung des Span- nungseinbruchs beim Starten kann dabei durch Wahl des Widerstandswertes von RV und/oder der Zeit RVt , während der der Vorwiderstand nicht überbrückt ist, variiert werden.
Die Figuren 6 und 7 zeigen den Schaltplan der vierten, alternativen Schaltungs- anordnung in zwei unterschiedlichen Schaltzuständen. Dabei ist gestrichelt der jeweilige Stromfluss eingetragen. In Figur 6 ist das Starterrelais aktiviert, die Kon- takte T30 und T45 geschlossen bzw. miteinander verbunden. Das Starterrelais 7 hat also angezogen und das Starterritzel ist in den Zahnkranz eingespurt. Das Zusatzrelais 5 ist offen. Der Hauptstrom fließt dabei durch den Vorwiderstand RV und wird durch diesen begrenzt.
Wird über die Klemme T45 des Starterrelais Spannung an das Zusatzrelais 5 gelegt, zieht dieses an, die Kontakte werden geschlossen und überbrücken den Vorwiderstand RV. Der Strom durch den Vorwiderstand RV geht drastisch zurück und der Strom fließt direkt von Klemme T30 durch den Startermotor 2. Die Akti- vierung bzw. die Zeit RVt während der der Vorwiderstand RV aktiv ist, ist dabei nur von der Aktivierungszeit des Zusatzrelais 5 abhängig.
In Figur 8 sind verschiedene Spannungs- bzw. Stromverläufe über der Zeit, die die Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach den Figuren 5 bis 7 erkennen lassen, dargestellt. Im einzelnen sind dies: Die Spannung U30 ist die Spannung, die an Klemme 30 liegt. Die Spannung U1 , die nach dem Einschalten des Starters auftreten würde, sofern kein Vorwiderstand RV vorhanden wäre. U2 wird erhalten mit Vorwiderstand RV. U50 ist eine weitere Spannung im Bordnetz und I stellt einen Stromverlauf dar. Die Zeit RVt ist die Zeit, in der der Vorwiderstand RV nicht überbrückt ist und UD ist die Differenz U2min - U1 min der beim Starvorgang auftretenden Minimalspannungen von U1 und U2. Erfindungsgemäß wird der Spannungseinbruch mit Vorwiderstand RV um UD verbessert. Die Zeitdauer RVt der Überbrückung der Strombegrenzungsvorrichtung 3 ist an vorgebbare Erfordernisse anpassbar ist. Die Zeitdauer (RVt) der Überbrückung der Strombegrenzungsvorrichtung mittels des Zusatzrelais 5 beginnt beispielsweise kurz nach dem Einschalten des Startrelais 7 und endet etwa 10 bis 30 Millisekunden danach. Die gewünschte Zeitdauer kann über Eigenschaften des Zu- satzrelais, beispielsweise seine Haltedauer oder durch externe Ansteuerung des
Zusatzrelais zu vorgebbaren Zeiten oder ähnliche Maßnahmen ausgewählt werden.

Claims

Ansprüche
1. Schaltungsanordnung (1 ) für eine elektrische Maschine (2), insbesondere einen Startermotor (2) zum Starten einer Brennkraftmaschine (15), in einem Kraftfahrzeug, mit einer Strombegrenzungsvorrichtung (3) zum Begrenzen eines Einschaltstroms der elektrische Maschine (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1 ) eine Überbrückungsvorrichtung (4) zum Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung (3) umfasst.
2. Schaltungsanordnung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsvorrichtung (3) einen den Einschaltstrom der elektrische Maschine (2) strombegrenzenden Anlaufwiderstand oder einen Vorwiderstand umfasst.
3. Schaltungsanordnung (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlaufwiderstand oder Vorwiderstand (3) ein diskretes Widerstandselement, insbesondere ein metallischer Leiter, ist.
4. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Anlaufwiderstand oder Vorwiderstand (3) an der elektrischen Maschine (2) ausgebildet ist.
5. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückungsvorrichtung (4) zwangsgesteuert ausgebildet ist.
6. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückungsvorrichtung (4) durch eine Spannung schaltbar ist, die insbesondere über der elektrischen Maschine (2) abfällt.
7. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einschaltspannung, bei deren Überschreiten die Überbrückungsvorrichtung (4) von einem ausgeschalteten in einen eingeschalteten Zustand wechselt, mindestens 30 % und/oder höchstens 70 % ei- ner Nennspannung der elektrischen Maschine (2) beträgt.
8. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausschaltspannung, bei deren Unterschreiten die Überbrückungsvorrichtung (4) von einem eingeschalteten in einen ausgeschalteten Zustand wechselt, höchstens 50 % einer Nennspannung der elektrischen Maschine (2) beträgt.
9. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückungsvorrichtung (4) ein elektromechani- sches Schaltrelais (5, 12) und insbesondere einen in Reihe zu dem Schaltre- lais (5, 12) geschalteten Einstellwiderstand (6) aufweist.
10. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückungsvorrichtung (4) als Kontaktschließer ausgebildet ist.
1 1. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückungsvorrichtung (4) als Kontaktöffner ausgebildet ist.
12. Schaltungsanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwiderstand (3) mittels Zusatzrelais (5) überbrückbar ist.
13. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (1 ), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, für eine elektrische Maschine (2), insbesondere einen Startermotor (2) zum Starten einer Brennkraftmaschine (15), in einem Kraftfahrzeug, mit einer Strombegrenzungsvorrichtung (3) zum Begrenzen eines Einschaltstroms der elektrische Maschine (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1 ) eine Überbrü- ckungsvorrichtung (4) zum Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung
(3) umfasst und dass der Einschaltstrom der elektrische Maschine (2) beim Anlaufen mittels der Strombegrenzungsvorrichtung (3) begrenzt und anschließend die Strombegrenzungsvorrichtung (3) mit der Überbrückungsvorrichtung (4) überbrückt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Temperatur unter einem Temperaturgrenzwert die Strombegrenzungsvorrichtung (3) mit der Überbrückungsvorrichtung (4) überbrückt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Strombegrenzungsvorrichtung insbesondere der Vorwiderstand (3) während einer vorgebbaren Zeitdauer (RVt) mittels der Relaisstrecke des Zusatzrelais (5) überbrückt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer (RVt) der Überbrückung der Strombegrenzungsvorrichtung (3) an vorgebbare Erfordernisse anpassbar ist.
17. Verfahren nach Anspruch 13 bis 16 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer (RVt) der Überbrückung der Strombegrenzungsvorrichtung kurz nach dem Einschalten des Startrelais (7) beginnt und etwa 10 bis 30 Millisekunden andauert.
18. Startvorrichtung (17) zum Starten einer Brennkraftmaschine (15) in einem Kraftfahrzeug, mit einer Schaltungsanordnung (1 ), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 17 , und mit einem Startermotor (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1 ) eine Strombegrenzungsvorrichtung (3) zum Begrenzen eines Einschaltstroms des Startermotors (2) und eine Überbrückungsvorrichtung (4) zum Überbrücken der Strombegren- zungsvorrichtung (3) umfasst.
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