EP2553255A2 - Schaltvorrichtung, startvorrichtung und verfahren einer elektromagnetischen schaltvorrichtung - Google Patents

Schaltvorrichtung, startvorrichtung und verfahren einer elektromagnetischen schaltvorrichtung

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EP2553255A2
EP2553255A2 EP11708289A EP11708289A EP2553255A2 EP 2553255 A2 EP2553255 A2 EP 2553255A2 EP 11708289 A EP11708289 A EP 11708289A EP 11708289 A EP11708289 A EP 11708289A EP 2553255 A2 EP2553255 A2 EP 2553255A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
coil
switching device
switching
switch
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11708289A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Schueler
Simon Rentschler
Sven Hartmann
Duraisamy Sakthivadivel
Juergen Gross
Stefan Tumback
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01H47/08—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current by changing number of parallel-connected turns or windings
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    • H01H51/00—Electromagnetic relays
    • H01H51/02—Non-polarised relays
    • H01H51/04—Non-polarised relays with single armature; with single set of ganged armatures
    • H01H51/06—Armature is movable between two limit positions of rest and is moved in one direction due to energisation of an electromagnet and after the electromagnet is de-energised is returned by energy stored during the movement in the first direction, e.g. by using a spring, by using a permanent magnet, by gravity
    • H01H51/065—Relays having a pair of normally open contacts rigidly fixed to a magnetic core movable along the axis of a solenoid, e.g. relays for starting automobiles

Definitions

  • the invention relates to a switching device with an electromagnetic switching element and a controller, wherein the switching element has two coils on a
  • the invention further relates to a starting device for an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, with a starter motor, a coupling device for temporarily coupling the starter motor with the internal combustion engine and with a starter control. Furthermore, the invention relates to a method of an electromagnetic switching device, with a switching element and a controller, wherein two coils are driven on a core with effect on a common armature of the controller. Electromagnets, relays and transformers or similar inductive loads are known, with
  • Windings on a core which are switched as inductive loads.
  • a starter relay having the dual function of a shift and apply relay in a starting device for engaging a starter pinion in the ring gear of an internal combustion engine and for driving a starter motor is known to start an internal combustion engine.
  • Switch for the starter motor is closed at the starter relay and the starter motor is started, reduces the feed current, since the starter motor is now applied directly to the positive pole potential of the starter battery. With this switching principle, an immediate restart is prevented, even with permanently excited starter motors, since the induced voltage of the starter motor does not allow a full feed-in current.
  • EP 0 848 159 B1 describes a starting device with an electronic control for a start-stop operation, wherein a starter motor and a starter relay for engaging a starter pinion in the ring gear of an internal combustion engine are separately controlled.
  • DE 10 2006 01 1 644 A1 describes a starting device and a starting method for starting an internal combustion engine in a start-stop operating mode.
  • the starter pinion is, according to a particular method, at a sufficiently approximate peripheral speeds into a rotating ring gear of an outgoing one Internal combustion engine einspurbar.
  • the single-lane relay with one winding is supplied with a current for meshing, the current for holding the starter pinion in the engaged state can in principle be reduced to zero amperes.
  • the applicant is a device for driving an electromagnetic switching element with a double winding and three semiconductor switches known. There are rapid turn-on and turn-off by enforcing equal and opposite energization due to certain switch positions with the same number of turns coil can be realized.
  • the control is designed to control each coil, each with a switch in the current path.
  • the coils are independently switchable, at least within certain limits.
  • the advantage for this is that an energy transfer between the two coils is utilized according to the transformatory effect, and thus the use of the electrical energy decreases.
  • a further advantage is that the erasing power is lower than that of conventional input winding and holding winding switching devices described in the introduction, and also a complicated extinguishing circuit, e.g. a freewheeling diode on the power switch, for example, designed as a relay switching device in a starting device is not required.
  • a first coil, a pull-in winding and the second coil is a holding coil having an electromagnetic effect on the armature.
  • the coils preferably have different numbers of turns, in particular a difference in the number of turns greater than 3, wherein particularly preferably the number of turns of the pull-in winding is greater than the number of turns of the holding winding.
  • a particularly efficient pull-in winding is created and the holding winding, based on the application, can be designed as needed.
  • the coils are each separately, so independently, directly switchable to the ground potential. An intermediate or series connection with a coil and / or the starter motor is generally not provided.
  • Advantages of switching to ground potential include, among other things, the simple and thus low-cost to be realized electronic switch - so-called Lowside- switch. Disadvantages when switching to Batteriepluspotential include the costly and thus expensive to be realized electronic switch - so-called high-side switch.
  • the coils are each separately, so independently of each other, switchable at the battery plus potential.
  • Switches on the battery positive pole potential have the advantage that the ground connections between the coils are relatively easy to implement, since only a connection to the body or the internal combustion engine are created, which is usually very simple and thus significantly minimizes the cabling.
  • Another advantage is that the short circuit fault tolerance can be avoided by a factor of about 10, compared to switches at ground potential. Short circuits therefore occur significantly less.
  • both coils in order to reduce the drive lines of the switching device, both coils can be driven together by a switch either at the battery plus potential or at the ground potential.
  • the intake winding has a separate switch that can be used with the armature to switch off the
  • Energization of the pull-in winding is positively coupled.
  • the energizing of the pull-in and hold winding is controlled.
  • a complex electronic circuit for controlling the pull-in winding is not required. Deactivation of the pull-in winding takes place when the armature is fully retracted and, for example, has closed a switching contact or when the complete pulling in or closing of a switching contact can still safely track. Only then does the switching to the holding winding take place.
  • the pull-in winding is thus switched off with a switch, which is preferably mechanically coupled to the armature.
  • the wiring harness for such a switching device and the connector and interfaces are thus simplified and shortened.
  • the use of two coils in a switching device which is designed to perform a transforming effect, also has the advantage that for driving the coil semiconductor switches, such as metal oxide semiconductor field effect transistors, in short: MOSFETs, can be used without them due to destroy too high extinguishing energy.
  • MOSFETs metal oxide semiconductor field effect transistors
  • the pull-in winding is low-impedance for a high current flow and the holding winding is designed to be high-impedance for a small current consumption.
  • an increased temperature at the MOSFET can be achieved when switching off, which can reach several hundred degrees C from the power loss. At such temperatures, the MOSFET can be destroyed.
  • a power loss advantageously produces a final temperature at a significantly lower than the maximum permissible semiconductor temperature.
  • the MOSFET is not impaired in its function and achieves a long service life.
  • the invention is also achieved by a starting device for an internal combustion engine, wherein at least one switching device described above is designed as a switch for the energization of the starter motor. This has the advantage that the starter motor can be controlled independently of the meshing process. The independent driving of the starter motor is important in order to engage in the rotating ring gear of a leaking internal combustion engine according to a particular operating mode during a start-stop operation.
  • the advantage of using the switching device as a switch for activating the starter motor is that the switching device can be easily controlled without having to implement a complicated electronic starter motor control based, for example, on a reduction or pulsed energization of the starting device.
  • Such systems are known for example from DE 10 2006 01 1 644 A1. It is thus only required to turn on the switch, an increased power consumption for a pull-in winding, while the holding winding usually has a low power consumption.
  • the switching device is provided as a coupling device for input and output of a driven by the starter motor starter tread in a ring gear of the internal combustion engine. This has due to the implementation of the transforming effect in the switching device has the advantage that the input and output tracks with high switching times can be realized and less energy is required for meshing and holding the starter pinion. According to a further preferred embodiment, the switching device is part of a
  • Control of a current limiting device to control the starter motor by varying the current.
  • About a current path with the current limiting device of the starter motor is turned on.
  • the starter motor is supplied with a maximum electrical energy for starting the internal combustion engine.
  • the switching device according to the invention as part of the drive in the current path with the current limiting device also has the Advantage to switch quickly and energy-efficient and to keep the switching state correspondingly long if necessary.
  • the invention is also achieved by a method of an electromagnetic switching device in that each coil is driven in a separate current path, each with a formed in the control switch.
  • a transforming effect can be implemented on the electromagnetic switching device. It is therefore or compared to a conventional switching device with retraction and holding winding in which the pull-in winding is connected in front of the starter motor, a much lower erasing power required.
  • an erase circuit for example in the form of a freewheeling diode, according to the prior art can be omitted.
  • the coils can have significantly different numbers of turns, since a cancellation by counter-energization is not provided, but only a transmission of energy.
  • the coils are subjected to an increased voltage and a coil, in particular the feed coil, energized as a function of the level of the increased voltage.
  • a coil in particular the feed coil, energized as a function of the level of the increased voltage.
  • only one coil is energized, in particular from an upper voltage limit. This means that the voltage level is increased so that the current of the second coil is reduced to zero in time.
  • This embodiment is advantageous when voltage sources with increased voltage are present.
  • a first coil is energized and with the second and / or first coil voltages and currents are inductively detected and evaluated.
  • the anchor is or whether a coil is defective.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a starting device with three switching devices according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of an alternative starting device according to the invention
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a starting device with three switching devices according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of an alternative starting device according to the invention
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a starting device with three switching devices according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of an alternative starting device according to the invention
  • FIG. 6 shows a current-temperature profile of a control by means of MOSFETs of a switching device according to the invention
  • FIG. 7 shows a current-temperature profile of a control with MOSFETs with a
  • Double coil and a circuit according to the prior art Double coil and a circuit according to the prior art.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a starting device 1 for an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the starting device 1 comprises a starter motor 2 with a coupling device 3 and a controller 4, which drives the starter motor 2 and the coupling device 3.
  • the controller 4 comprises a microcomputer with memory, not shown, the switch SrS 6 shown in simplified form, in particular semiconductor switch, preferably in the form of metal-oxide field-effect transistors, in short: MOSFETs, which is in information contact, for example via an in-vehicle bus 5 with the engine control and a contact switch on the ignition.
  • the starting device 1 according to FIG. 1 has three switching devices ES, KA and KH according to the invention.
  • a first switching device ES is provided as an actuator 6 in the coupling device 3.
  • the actuator 6 actuates the lever 7, which latches a starter pinion 8 in a ring gear 9 of the internal combustion engine 10.
  • Each inventive switching device ES, KA, KH comprises two coils which are denoted by index 1 and 2 .
  • the two coils ⁇ and 2 act in each switching device in each case to a common armature Ai, A 2 and A 3 .
  • Each coil i, 2 is connected separately and directly to the ground potential of a vehicle battery, for example via the body.
  • Each coil 1 , 2 is connected to a switch Si - S 6 separately to the positive pole, the
  • an electronically controllable switch Si - S 6 is arranged in each current path of each coil.
  • the advantages of such a circuit arrangement with the switching devices ES, KA, KH are that the coils 1 , 2 can be supplied with current independently of each other and thus a transformer effect can be utilized at each switching device ES, KA, KH. Furthermore, it is important that a first coil ⁇ low impedance and a second coil 2 is formed high impedance. Thus, energy transfer from one coil to the other is possible due to the transformer effect, as is known by a transformer, when the low-resistance coil is turned off.
  • the first coil and / or second coil no longer need to be deleted in a complex circuit in order to quickly dissolve the magnetic effect for new switching operations. For example, no free-wheeling diode is required at the switch. In addition, less energy is consumed.
  • the first coil is a so-called pull-in winding and the second coil is a holding winding which is on the electromagnetically actuated
  • Anchor Ai, A 2 and A 3 act to perform movement. For a feeder much power is needed and used, whereas to hold the armature in the retracted state, the energy is transferred to the holding winding, which requires little additional energy.
  • the switching device can be operated more efficiently with short switch-on and switch-off times.
  • the currents at the pull-in winding are for one switching device KA and KH designed as a switching actuator, for example less than 25 A (amperes), and the currents at the holding winding are less than 7 A (amperes). If the switching device ES is used as a single-track actuator, higher currents of up to 35 A are required for the pull-in winding.
  • the switching device KA electromagnetically switches a contact bridge KAB and is thus an electromagnetic relay to the starter motor 2 with a reduced current, which is limited by a current limiting device R v , easy to turn, for example, a battery or an electrical system from the vehicle at startup not heavily loaded and to minimize a voltage dip.
  • FIG. 2 shows an embodiment modified to FIG. 1, in which each switch Si,
  • each switch Si, S 3 , S 5 with the armature A ⁇ A 2 , A 3 positively coupled to turn off the energization of the pull-in winding ESi, KA-i, KH-i.
  • the wiring effort is minimized, since only one plus pole side arranged switch S 2 , S 4 , S 6 to turn both coils is required.
  • FIG. 3 shows in a time-current-speed diagram a time course of a special start-stop operation of the internal combustion engine 10 and the starting device 1.
  • FIG. 3 shows a special operating mode according to which the starter pinion 8 to a certain circulating speed is accelerated and in the rotating, expiring sprocket 9 of the internal combustion engine 10 isIchspurt.
  • the speed n mot of the internal combustion engine 10 runs in a characteristic rotational speed shaft movement due to the compression and decompression behavior of the individual cylinders with speed wave troughs and tips. This is shown with the characteristic n mot .
  • the electromagnetic switching device KA is actuated, so that the starter motor 2 is energized via the current limiting device R v , and the starter motor 2 until the time t 2 to a fixed speed is accelerated.
  • the current consumption of the switching device KA decreases from the time t- ⁇ until the time t 2 constantly from.
  • the current consumption is considerably reduced by the use of a pull-in winding KA-i and a holding winding KA 2 .
  • the contact bridge KAB of the switching device KA is opened at time t 2 , so that the starter motor 2 is no longer energized.
  • the speed n S t of the starter motor 2 decreases slowly to a precalculated time t 3 , at which the peripheral speeds of the starter pinion 8 with the ring gear 9 in a certain tolerance range are approximately equal.
  • the switching device ES is energized, so that the starter pinion 8 in the outgoing sprocket 9 approximately at the time t 3 is caught.
  • the contact bridge KAB is closed by the switching device KA by energizing the double coils KA-i, KA 2 .
  • the direct current path is closed by the positive potential of the battery of the starter motor 2 by closing the contact bridge KH B by means of the switching device KH.
  • the switching device KA is no longer energized.
  • the starter motor 2 now transmits the maximum electric power to the sprocket 9 of the internal combustion engine 10 to start it again.
  • the internal combustion engine 10 runs by itself and does not require a starter motor 2, so that at the time t 7, the contact bridge KHB is opened again at the switching device KH.
  • the holding winding ES 2 of the switching device ES is no longer energized, with the result that the starter pinion 8 spouts out of the ring gear 9.
  • the starter motor 2 reaches its maximum speed at time t 7 and then expires.
  • All double coils in all switching devices ES, KA and KH are controlled by the following method.
  • the pull-in winding is switched off and the energy is transferred to the holding winding via a common core.
  • the effect of the pull-in winding is essentially deleted.
  • the holding winding is turned off, the energy is dissipated in the form of heat at the semiconductor switch as a loss energy.
  • the advantage of the inventive switching device ES, KA and KH with two coils compared to a single winding is that after retraction of the armature Ai, A 2 , A 3 a complex control, for example in the form of a current control o- a current control, for example via a timing control or a pulse width modulation, to generate a holding current is eliminated.
  • a complex control for example in the form of a current control o- a current control, for example via a timing control or a pulse width modulation, to generate a holding current is eliminated.
  • a complex control for example in the form of a current control o- a current control, for example via a timing control or a pulse width modulation
  • a complex control for example in the form of a current control o- a current control, for example via a timing control or a pulse width modulation
  • to generate a holding current is eliminated.
  • a large winding is necessary, which realizes a high flux with a high number of turns and
  • the switching device with the double winding in the circuit arrangement according to the invention has several advantages, which will be explained in more detail with reference to the following figures.
  • Fig. 4 shows a comparison of a switching device once with a single and a double winding respectively with applied battery potential, which corresponds to the standard application, and with an example twice as high battery potential, for example, 24 volts depending on actual temperatures of the coils.
  • the switch-on times of a switching device with a double winding with the usual battery potential from the standard application is shown with the characteristic curve DW1.
  • the characteristic DW2 shows the switch-on times at a high battery potential, for example of approx. 20 volts. The switching time changes only minimally.
  • FIG. 5 shows the turn-off times, in turn, of the single and double windings as a function of the temperature of the windings.
  • the turn-off time is slightly smaller with a high battery potential. This is shown with the characteristics DWA1 and DWA2.
  • the characteristics EWA1 and EWA2 a switching device are shown with a single winding. These characteristics show significantly longer shutdown times for a high battery potential, and according to characteristic EWA2 a shorter switching time and thus a greater sensitivity to the variance of the battery potential and thus significantly higher tolerances.
  • FIG. 6A, B, C show current-voltage-temperature-Ankerweg diagrams over time in a control of the switching device ES, KA and KH according to the invention by means of MOSFETs.
  • FIG. 6A shows, over a period of time t in the millisecond range, the current profile of the pull-in winding and the holding winding over time t. At the time t- ⁇ the pull-in winding with a current between 8 to 15 amps to the
  • the holding winding is designed with higher resistance and takes only a small current, which is also negative in part, between the time t- ⁇ and t 2 .
  • the holding winding has a significantly higher internal resistance than the Einspurwicklung and thus lower currents, for example, by a factor ⁇ 4.5.
  • a negative voltage arises as follows. Field changes that correspond to a change in energy caused by current changes in the one coil are compensated as possible in a coupled magnetic circuit by the transformer effect by the 2nd coil. This leads partly to negative currents in the holding winding, but can not completely compensate for the field changes due to the different winding ratios of the two coils.
  • the switching device can thus be easily controlled without complicated control or timing.
  • An erase circuit is not or very much simplified due to the transforming effect formed. As shown in Figs. 4 and 5, the turn-on and turn-off time is reduced.
  • Another advantage of the switching device is that a significantly lower power consumption is required, even at a high load of the starter motor 2, for example, because it was accelerated to a certain speed in start-stop operation and the starter pinion gear 8 in the ring gear 9th meshed becomes.
  • the switching device ES is thus used as Einspurrelais.
  • FIG. 6B shows with a dashed line the path of the armature Ai, A 2 , A 3 in time between the time points t-1 to t 4 described for FIG. 6A.
  • the active armature Ai, A 2 , A 3 completely retracted.
  • the armature Ai, A 2 , A 3 leaves the position, so that it is again in the non-energized state position at the time t 5 .
  • FIG. 6B additionally shows the voltage U, which shows the fundamental voltage curve when starting an internal combustion engine. A break in the
  • Voltage U is achieved by switching on the starter motor via the relay and the high current consumption of the starter motor in short-circuit operation with the rotor standing still. After the starter motor turns on reduces its current consumption and the voltage U rises parallel to it. After switching off the relay and thus the starter motor, the current consumption from the voltage source U drops considerably and the
  • FIG. 6C shows, with a continuous line EWT, the temperature at the barrier layer, the so-called junction temperature, of the respective electronic switch Si-S 6 from the pull-in winding.
  • the dashed line HWT shows the junction temperature at the MOSFET switch of the holding winding.
  • FIG. 6C clarifies that, at time t 2 at which the pull-in winding is turned off, the temperature drops by a few Kelvin due to low energy dissipation in the system
  • FIG. 7 shows in a comparison to FIG. 6, the current-temperature profile of MOSFETs when switching on and off of individual windings with a circuit according to the prior art, wherein the solid curve is the characteristic of a holding winding and the dashed line which is a pull-in winding.
  • the magnetic fields of the individual windings are not linked and thus not coupled in a transformer. Due to the lack of transformer coupling, the energy can not be transferred to the holding coil when switching off the feed coil. Therefore, temperature rises of several 100 ° C can be recorded, which can destroy the MOSFETs very quickly.
  • the dashed line also corresponds to the current flow of a single-winding coil with a high current level and high cut-off energy, which in turn causes a high semiconductor temperature in the MOSFETs.

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Abstract

Es wird eine Schaltvorrichtung (KH, KA, ES) mit einem elektromagnetischen Schaltelement und einer Steuerung (4) beschrieben, wobei das Schaltelement zwei Spulen auf einem Kern mit Wirkung auf einen gemeinsamen Anker (A) umfasst. Um eine Betätigung des Ankers (A) möglichst schnell und einfach mit geringem Energieverbrauch ansteuerbar zu realisieren, ist zur Ansteuerung jeder Spule die Steuerung (4) mit jeweils einem Schalter (S1-6) im Strompfad der Spule ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Schaltvorrichtung, Startvorrichtung und Verfahren einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltvorrichtung mit einem elektromagnetischen Schaltelement und einer Steuerung, wobei das Schaltelement zwei Spulen auf einem
Kern mit der Wirkung auf einen gemeinsamen Anker umfasst. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Startermotor, einer Kopplungsvorrichtung zum zeitweisen Koppeln des Startermotors mit der Brennkraftmaschine und mit einer Startersteuerung. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung, mit einem Schaltelement und einer Steuerung, wobei zwei Spulen auf einem Kern mit Wirkung auf einen gemeinsamen Anker von der Steuerung angesteuert werden. Es sind Elektromagnete, Relais und Trafos oder ähnliche induktive Lasten bekannt, mit
Wicklungen auf einem Kern, die als induktive Lasten geschaltet werden.
Ferner ist ein Starterrelais mit der Doppelfunktion eines Schalt- und Einrückrelais in einer Startvorrichtung zum Einrücken eines Starterritzels in den Zahnkranz einer Brenn- kraftmaschine und zum Ansteuern eines Startermotors bekannt, um eine Brennkraftmaschine anzulassen.
Es ist bei Startvorrichtungen ein Schaltprinzip bekannt, nach dem auf einem Kern eine Einzugs- und eine Haltewicklung angeordnet sind, um mit einer hohen Anzugskraft und einer hohen Anzugsgeschwindigkeit ein vom Startermotor angetriebenes Starterritzel in einen Zahnkranz der Brennkraftmaschine einzuspuren und den Startermotor mit einem maximalen Strom zu schalten. Mit der Haltewicklung wird das Starterrelais im geschlossenen Zustand gehalten, während der Strom für die Einzugswicklung reduziert ist. Die Haltewicklung ist direkt mit der Fahrzeugmasse verbunden. Die Einzugswick- lung dagegen ist über den Startermotor mit der Fahrzeugmasse verbunden. Wenn der
Schalter für den Startermotor am Starterrelais geschlossen wird und der Startermotor angelaufen ist, reduziert sich der Einzugsstrom, da der Startermotor nun direkt am Pluspolpotential der Starterbatterie anliegt. Bei diesem Schaltprinzip ist auch bei permanent erregten Startermotoren ein sofortiges Wiedereinschalten verhindert, da die in- duzierte Spannung des Startermotors einen vollen Einzugsstrom nicht zulässt.
Als Alternative ist bekannt, das Relais mit einer Einfachwicklung zu realisieren und nach dem Einziehen den Haltestrom mittels einer Stromregelung bzw. -Steuerung, beispielsweise einer Zweipunktregelung oder einer Pulsweitenmodulation, zu reduzieren. Ein solches Relais muss allerdings eine große Wicklung aufweisen, nämlich eine Wicklung mit hoher Windungszahl für den geringen Haltestrom und/oder aus einem dicken elektrischen Leitungsdraht für eine ausreichende Einzugskraft.
Es gibt Bestrebungen Startsysteme in Fahrzeugen einzuführen, bei denen die Ansteu- erung des Startermotors und die Ansteuerung des Einrückenmechanismus separat erfolgt, um Start-Stopp-Systeme mit einer hohen Verfügbarkeit der Brennkraftmaschine zu realisieren. Bei diesen Start-Stopp-Systemen gibt es Einspurstrategien, nach denen das vom Startermotor angetriebene Starterritzel zunächst beschleunigt wird und möglichst mit einer synchronen Umlaufgeschwindigkeit in den Zahnkranz einer auslaufen- den Brennkraftmaschine eingespurt wird.
Die EP 0 848 159 B1 beschreibt eine Startvorrichtung mit einer elektronischen Steuerung für einen Start-Stopp-Betrieb, wobei ein Startermotor und ein Starterrelais zum Einspuren eines Starterritzels in den Zahnkranz einer Brennkraftmaschine separat an- steuerbar sind.
Die DE 10 2006 01 1 644 A1 beschreibt eine Startvorrichtung und ein Startverfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Start-Stopp-Betriebsmodus. Das Starterritzel ist gemäß eines besonderen Verfahrens bei ausreichend angenäherten Um- fangsgeschwindigkeiten in einen sich drehenden Zahnkranz einer auslaufenden Brennkraftmaschine einspurbar. Das Einspurrelais mit einer Wicklung wird mit einem Strom zum Einspuren beaufschlagt, der Strom zum Halten des Starterritzels im einge- spurten Zustand ist im Prinzip bis auf null Ampere reduzierbar.
Dem Anmelder ist eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Schaltelements mit einer Doppelwicklung und drei Halbleiterschaltern bekannt. Es sind rasche Ein- und Abschaltvorgänge durch Erzwingen von gleich- und gegenläufiger Bestromung aufgrund bestimmter Schalterstellungen bei gleicher Windungszahl der Spulen realisierbar.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltvorrichtung, eine Startvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Schaltvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine Betätigung des Ankers möglichst schnell und einfach mit geringem Energieverbrauch ansteuerbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 , 7 und 8 gelöst.
Es ist ein Gedanke der Erfindung, eine Schaltvorrichtung möglichst effizient aufzubauen, indem ein transformatorischer Effekt mit der Schaltvorrichtung umgesetzt wird. Hierfür ist zur Ansteuerung jeder Spule die Steuerung mit jeweils einem Schalter im Strompfad ausgebildet. Somit sind die Spulen zumindest in bestimmten Grenzen unabhängig voneinander schaltbar. Vorteil hierfür ist, dass eine Energieübertragung zwischen den beiden Spulen gemäß des transformatorischen Effekts ausgenützt wird und somit der Einsatz der elektrischen Energie sinkt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Löschenergie gegenüber herkömmlichen, Eingangs beschriebenen Schaltvorrichtungen mit Einzugs- und Haltewicklung geringer ist und auch eine aufwändige Löschbe- schaltung, z.B. eine Freilaufdiode am Einschalter der beispielsweise als Relais ausgebildeten Schaltvorrichtung in einer Startvorrichtung nicht erforderlich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine erste Spule, eine Einzugswicklung und die zweite Spule eine Haltewicklung mit elektromagnetischer Wirkung auf den Anker. Dies hat den Vorteil, dass zum Einziehen des Ankers entweder eine oder beide Wicklungen bestromt werden können, so dass ein schneller Einzug mit einer hohen Anzugskraft und eine schnelle Schaltgeschwindigkeit erreicht wird. Zum Halten des Ankers in der eingezogenen Position reicht die Bestromung der Haltewicklung mit einem deutlich geringeren elektrischen Energieaufwand aus, so dass die Einzugswick- lung abgeschaltet werden kann. Somit ergibt sich eine erhebliche Energieeinsparung.
Um die Schaltvorrichtung noch deutlich effizienter auslegen zu können und eine höhere Stromsparfunktion zu erreichen, weisen bevorzugt die Spulen verschiedene Windungszahlen, insbesondere eine Differenz der Windungszahl größer 3, auf, wobei be- sonders bevorzugt die Windungszahl der Einzugswicklung größer als die Windungszahl der Haltewicklung ist. Somit wird eine besonders effiziente Einzugswicklung geschaffen und die Haltewicklung kann, auf die Anwendung bezogen, bedarfsgerecht ausgelegt werden. Um die Spulen völlig unabhängig voneinander zu schalten und den transformatorischen Effekt umzusetzen, sind die Spulen jeweils separat, also unabhängig voneinander, direkt am Massepotenzial schaltbar. Eine Zwischen- bzw. Reihenschaltung mit einer Spule und/oder dem Startermotor ist grundsätzlich nicht vorgesehen. Vorteile beim Schalten auf Massepotential sind unter anderem, die einfach und dadurch preisgünstig zu realisierenden elektronischen Schalter - sogenannte Lowside- Schalter. Nachteile beim Schalten auf Batteriepluspotential sind unter anderem, die aufwendig und dadurch teuer zu realisierenden elektronischen Schalter - sogenannte Highside-Schalter.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen jeweils separat, also unabhängig voneinander, am Batteriepluspolpotenzial schaltbar. Schalter am Batteriepluspolpotential haben den Vorteil, dass die Masseverbindungen zwischen den Spulen relativ einfach realisierbar sind, da lediglich eine Verbindung zur Karosserie oder zur Brennkraftmaschine geschaffen werden, was in der Regel sehr einfach ist und somit den Verkabelungsaufwand deutlich minimiert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Fehleranfälligkeit bezüglich Kurzschlüssen um einen Faktor von ungefähr 10 vermieden werden kann, gegenüber Schaltern am Massepotential. Kurzschlüsse treten somit deutlich weniger auf. Gemäß einer bevorzugten alternativen Ausführungsform, um die Ansteuerleitungen der Schaltvorrichtung zu reduzieren, sind beide Spulen mit einem Schalter entweder am Batteriepluspolpotenzial oder am Massepotenzial gemeinsam ansteuerbar. Die Ein- zugswicklung hat einen separaten Schalter, der mit dem Anker zum Abschalten der
Bestromung der Einzugswicklung zwangsgekoppelt ist. Somit wird aufgrund einer einfachen Mechanik das Bestromen der Einzugs- und Haltewicklung gesteuert. Eine aufwändige elektronische Schaltung zur Ansteuerung der Einzugswicklung ist nicht erforderlich. Die Deaktivierung der Einzugswicklung erfolgt, wenn der Anker vollständig ein- gezogen ist und beispielsweise einen Schaltkontakt geschlossen hat bzw. wenn das vollständige Einziehen oder das Schließen eines Schaltkontakts noch sicher verfolgen kann. Erst danach erfolgt das Umschalten auf die Haltewicklung. Die Einzugswicklung wird also mit einem Schalter ausgeschaltet, der vorzugsweise mechanisch mit dem Anker gekoppelt ist. Der Kabelbaum für eine solche Schaltvorrichtung und die Stecker sowie Schnittstellen sind somit vereinfacht und verkürzt.
Der Einsatz von zwei Spulen in einer Schaltvorrichtung, die zur Ausführung eines transformatorischen Effekts ausgebildet ist, hat zudem den Vorteil, dass zum Ansteuern der Spulen Halbleiterschalter, wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransisoren, kurz: MOSFETs, eingesetzt werden können, ohne diese aufgrund zu hoher Löschenergie zu zerstören. Vorzugsweise ist die Einzugswicklung niederohmig für einen hohen Stromdurchfluß und die Haltewicklung hochohmig für eine kleine Stromaufnahme ausgebildet. Beim Einsatz einer einzigen Spule kann beim Abschalten dagegen eine erhöhte Temperatur am MOSFET erreicht werden, die mehrere hundert Grad C aus der Verlustleistung erreichen kann. Bei derartigen Temperaturen kann der MOSFET zerstört werden.
Im Schalteinsatz von zwei Spulen mit einer Ansteuerung unter Ausnutzung des trans- formatorischen Effekts produziert eine Verlustleistung eine Endtemperatur vorteilhafterweise mit einer deutlich unter der maximal erlaubten Halbleiter-Temperatur. Somit wird der MOSFET in seiner Funktion nicht beeinträchtigt und erreicht eine hohe Lebensdauer. Die Erfindung wird auch durch eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gelöst, wobei mindestens eine oben beschriebene Schaltvorrichtung als Schalter für die Bestromung des Startermotors ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Startermotor unabhängig vom Einspurvorgang angesteuert werden kann. Das unabhängige Ansteuern des Startermotors ist wichtig, um gemäß einem besonderen Betriebsmodus während eines Start-Stopp-Betriebs in den sich drehenden Zahnkranz einer auslaufenden Brennkraftmaschine einzuspuren. Die Schaltvorrichtung als Schalter zur Ansteue- rung des Startermotors einzusetzen hat den Vorteil, dass die Schaltvorrichtung einfach angesteuert werden kann, ohne eine aufwändige elektronische Startermotoransteue- rung realisieren zu müssen, die beispielsweise auf einer Reduzierung oder einer gepulsten Bestromung der Startvorrichtung basiert. Solche Systeme sind beispielsweise aus der DE 10 2006 01 1 644 A1 bekannt. Es wird somit nur zum Einschalten des Schalters ein erhöhter Strombedarf für eine Einzugswicklung benötigt, während die Haltewicklung in der Regel einen geringen Strombedarf aufweist. Somit sind längere Laufzeiten des Startermotors mit wenig Verlustleistung für spezielle Start-Stopp-
Strategien realisierbar.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltvorrichtung als Kopplungsvorrichtung zum Ein- und Ausspuren eines vom Startermotor angetriebenen Star- territzels in einem Zahnkranz der Brennkraftmaschine vorgesehen. Dies hat aufgrund der Umsetzung des transformatorischen Effekts in der Schaltvorrichtung den Vorteil, dass das Ein- und Ausspuren mit hohen Schaltzeiten realisierbar ist und weniger Energie zum Einspuren und Halten des Starterritzels benötigt wird. Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Schaltvorrichtung Teil einer
Steuerung von einer Strombegrenzungsvorrichtung, um den Startermotor durch Varie- ren des Stroms anzusteuern. Über einen Strompfad mit der Strombegrenzungsvorrichtung wird der Startermotor angedreht. Somit erfolgt kein plötzlicher beziehungsweise ein deutlich reduzierter Spannungseinbruch an der Spannungsquelle, wie beispielswei- se der Batterie. Der mögliche Spannungseinbruch wird also wirksam minimiert. Durch direktes Bestromen über einen zweiten Strompfad unter Umgehung der Strombegrenzungsvorrichtung und des Ausschaltens des Strompfads mit der Strombegrenzungsvorrichtung wird dem Startermotor eine maximale, elektrische Energie zum Starten der Brennkraftmaschine zugeführt. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung als Teil der Ansteuerung im Strompfad mit der Strombegrenzungsvorrichtung hat ebenfalls den Vorteil, schnell und energieeffizient zu schalten und den Schaltzustand gegebenenfalls entsprechend lang zu halten.
Die Erfindung wird auch durch ein Verfahren einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung dadurch gelöst, dass jede Spule in einem separaten Strompfad mit jeweils einem in der Steuerung ausgebildeten Schalter angesteuert wird. Somit kann ein transformatorischer Effekt an der elektromagnetischen Schaltvorrichtung umgesetzt werden. Es ist deshalb bzw. gegenüber einer herkömmlichen Schaltvorrichtung mit Einzugs- und Haltewicklung, bei der die Einzugswicklung vor dem Startermotor geschaltet ist, eine deutlich niedrigere Löschenergie erforderlich. Auch kann eine Löschbeschaltung, beispielsweise in Form einer Freilaufdiode, gemäß dem Stand der Technik weggelassen werden. Ferner können die Spulen deutlich unterschiedliche Windungszahlen aufweisen, da ein Löschen durch Gegenbestromung nicht vorgesehen ist, sondern lediglich eine Übertragung der Energie.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren, um insbesondere noch schnellere Schaltzeiten zu erreichen, werden die Spulen mit einer erhöhten Spannung beaufschlagt und eine Spule, insbesondere die Einzugsspule, zeitlich abhängig von dem Niveau der erhöhten Spannung bestromt. Dabei wird insbesondere ab einer Spannungsobergrenze nur eine Spule bestromt. Das heißt, dass das Spannungsniveau so erhöht ist, dass das Bestromen der zweiten Spule zeitlich auf Null reduziert ist. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn Spannungsquellen mit erhöhter Spannung vorhanden sind.
Um eine einfache Fehlerdiagnose der Schaltvorrichtung ausführen zu können, wird eine erste Spule bestromt und mit der zweiten und/oder ersten Spule werden Spannungen und Ströme induktiv erfasst und ausgewertet. Somit kann festgestellt werden, wo beispielsweise der Anker sich befindet oder ob eine Spule defekt ist. Solche Verfahren sind leicht umsetzbar, da die Spulen von einer Steuerung angesteuert werden, die beispielsweise mit einem Mikrocomputer programmierbar ist. Erforderlich sind hierzu jeweils eine Strom- und Spannungsmessvorrichtung und eine entsprechende Auswertevorrichtung, die vom Mikrocomputer umgesetzt werden kann.
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 erläu- tert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schaltplan einer Startvorrichtung mit drei erfindungsgemäßen Schaltvorrichtungen, Fig. 2 einen schematischen Schaltplan einer alternativen erfindungsgemäßen Startvorrichtung,
Fig. 3 ein Zeit-Strom-Drehzahl-Diagramm von einem Verfahrensablauf während eines Start-Stopp-Betriebs,
Fig. 4 ein Diagramm mit Einschaltzeitpunkten für eine Einfach- und Doppelwicklung bezüglich verschiedener Temperaturen,
Fig. 5 ein Diagramm von Abschaltzeiten mit Einfach- und Doppelwicklung bezüglich verschiedener Temperaturen,
Fig. 6 einen Strom-Temperaturverlauf einer Ansteuerung mittels MOSFETs von einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung und Fig. 7 einen Strom-Temperaturverlauf einer Ansteuerung mit MOSFETs mit einer
Doppelspule und einer Schaltung gemäß dem Stand der Technik.
Ausführungsformen der Erfindung Die Fig. 1 zeigt einen Schaltplan einer Startvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Startvorrichtung 1 umfasst einen Startermotor 2 mit einer Kopplungsvorrichtung 3 und eine Steuerung 4, die den Startermotor 2 und die Kopplungsvorrichtung 3 ansteuert. Die Steuerung 4 umfasst einen nicht dargestellten Mikrocomputer mit Speicher, der vereinfacht dargestellte Schalter SrS6, insbesondere Halb- leiterschalter, vorzugsweise in Form von Metall-Oxid-Feldeffekttransistoren, kurz: MOSFETs, ansteuert und der in Informationskontakt beispielsweise über einen fahrzeuginternen Bus 5 mit der Motorsteuerung und einem Kontaktschalter am Zünd- schloss steht. Die Startvorrichtung 1 gemäß der Fig. 1 weist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform drei erfindungsgemäße Schaltvorrichtungen ES, KA und KH auf. Eine erste Schaltvorrichtung ES ist als Aktor 6 in der Kopplungseinrichtung 3 vorgesehen. Der Aktor 6 betätigt den Hebel 7, der ein Starterritzel 8 in einen Zahnkranz 9 der Brennkraftmaschine 10 einspurt.
Jede erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ES, KA, KH umfasst zwei Spulen die mit Index 1 und 2 bezeichnet sind. Die zwei Spulen ^ und 2 wirken in jeder Schaltvorrichtung jeweils auf einen gemeinsamen Anker A-i, A2 und A3. Jede Spule i,2 ist separat und direkt mit dem Massepotenzial einer Fahrzeugbatterie beispielsweise über die Karosse- rie verbunden. Jede Spule 1,2 ist mit einem Schalter Si - S6 separat zum Pluspol, dem
Batteriepluspolpotenzial gemäß einer in Fig. 1 gezeigten bevorzugten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verdrahtet. In jedem Strompfad einer jeden Spule ist ein elektronisch ansteuerbarer Schalter Si - S6 angeordnet. Die Vorteile einer solchen Schaltungsanordnung mit den Schaltvorrichtungen ES, KA, KH sind, dass die Spulen 1,2 unabhängig voneinander bestrombar sind und somit ein transformatorischer Effekt an jeder Schaltvorrichtung ES, KA, KH ausgenützt werden kann. Weiterhin ist wichtig, dass eine erste Spule■ niederohmig und eine zweite Spule 2 hochohmig ausgebildet ist. Somit ist eine Energieübertragung von einer Spule auf die andere aufgrund des transformatorischen Effekts möglich, wie es von einem Transformator bekannt ist, wenn die niederohmige Spule abgeschaltet wird. Dadurch muss die erste Spule und/oder zweite Spule nicht mehr in einer aufwändigen Schaltung gelöscht werden, um die magnetische Wirkung für neue Schaltvorgänge schnell aufzulösen. Es ist beispielsweise keine Freilaufdiode am Schalter erforderlich. Außerdem wird weniger Energie verbraucht. Bevorzugt ist die erste Spule eine sogenannte Einzugswicklung und die zweite Spule eine Haltewicklung, die auf den elektromagnetisch betätigbaren
Anker Ai, A2 und A3 zur Bewegungsausführung wirken. Für einen Einzug wird viel Strom benötigt und eingesetzt, wohingegen zum Halten des Ankers im eingezogenen Zustand die Energie auf die Haltewicklung übertragen wird, die nur noch wenig zusätzliche Energie benötigt. Somit lässt sich die Schaltvorrichtung effizienter mit kurzen Ein- schalt- und Abschaltzeiten betreiben. Die Ströme an der Einzugswicklung sind für eine als Schaltaktuator ausgebildete Schaltvorrichtung KA und KH beispielsweise kleiner 25 A (Ampere) und die Ströme an der Haltewicklung kleiner 7 A (Ampere). Wird die Schaltvorrichtung ES als Einspuraktuator eingesetzt, so werden für die Einzugswicklung höher Ströme von bis zu 35 A benötigt.
Aufgrund des transformatorischen Effekts wird die Energie beim Abschalten der Einzugswicklung auf die Haltewicklung transferiert und dort abgebaut. Beim Abschalten der Haltewicklung ist nur noch eine kleine elektrische Energie abzubauen. Dadurch ist eine Löschbeschaltung entweder überhaupt nicht mehr oder nur noch deutlich verein- facht erforderlich.
Aufgrund der zusammenwirkenden Spulen ist eine Diagnose durch Zustandsanalysen mittels des Erfassens und Auswertens von Strömen und Spannungen an einer Spule bei gleichzeitiger Bestromung der anderen Spule möglich. Es kann die Position oder Bewegung des Ankers oder ein Fehler an den Spulen festgestellt werden.
Die Schaltvorrichtung KA schaltet elektromagnetisch eine Kontaktbrücke KAB und ist somit ein elektromagnetisches Relais, um den Startermotor 2 mit einem reduzierten Strom, der über eine Strombegrenzungseinrichtung Rv begrenzt ist, leicht anzudrehen, um beispielsweise eine Batterie bzw. ein Bordnetz vom Fahrzeug beim Anlaufen nicht zu stark zu belasten und einen Spannungseinbruch zu minimieren.
Mit der Schaltvorrichtung KH wird durch elektromagnetisches Schließen einer Kontaktbrücke KHB der Startermotor 2 mit einem maximalen Strom beaufschlagt, nachdem er angelaufen ist. Dieser maximale Strom ist beispielsweise zum Starten der Brennkraftmaschine 10 erforderlich. Der sonst übliche, hohe, unerwünschte Spannungseinbruch ist minimiert, da der Startermotor 2 bereits auf eine vorbestimmte Drehzahl beschleunigt worden ist. Die Fig. 2 zeigt eine zur Fig. 1 modifizierte Ausführungsform, bei der jeder Schalter Si,
S3, S5 der Einzugswicklung ESi, ΚΑ-ι, KH-i, jeweils von der Schaltvorrichtung ES, KA, KH direkt am Massepotenzial der Batterie geschaltet ist. Zusätzlich ist jeder Schalter Si, S3, S5 mit dem Anker A^ A2, A3, zwangsgekoppelt, um die Bestromung der Einzugswicklung ESi, KA-i, KH-i abzuschalten. Somit ist der Verdrahtungsaufwand mini- miert, da lediglich ein pluspolseitig angeordneter Schalter S2, S4, S6 zum Einschalten beider Spulen erforderlich ist. Das Ausschalten der Einzugswicklung ESi, ΚΑ-ι, KH-i erfolgt quasi automatisch durch Bewegung des jeweiligen Ankers A-i, A2, A3. Hierfür wird keine elektronische Steuerung benötigt. Diese Zwangssteuerung ist an der Kopplungsvorrichtung 3, an der Schaltvorrichtung KH zur direkten Bestromung des Startermotors 2 und an der Schaltvorrichtung KA ausgebildet, die den Startermotor 2 über einen
Strompfad mit einer bestimmten Begrenzungsvorrichtung Rv andreht. Alle Schaltvorrichtungen ES, KA, KH sind über elektronisch ansteuerbare Schalter Si, S3 und S5 in der Steuerung 4 ansteuerbar. Die Umfangsbegrenzung in Form eines Rechtecks von der Steuerung 4 ist in dieser Fig. 2 aus Gründen der Vereinfachung nicht eingezeichnet worden.
Die Fig. 3 zeigt in einem Zeit-Strom-Drehzahl-Diagramm einen zeitlichen Verlauf eines besonderen Start-Stopp-Betriebsablaufs von der Brennkraftmaschine 10 und der Startvorrichtung 1. Die Fig. 3 zeigt dabei einen besonderen Betriebsmodus, gemäß dem das Starterritzel 8 auf eine bestimmte Umlaufgeschwindigkeit beschleunigt wird und in den sich drehenden, auslaufenden Zahnkranz 9 der Brennkraftmaschine 10 eingespurt wird. Beginnend von einem Zeitpunkt t0 läuft die Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine 10 in einer charakteristischen Drehzahlwellenbewegung aufgrund des Kompressionsund Dekompressionsverhalten der einzelnen Zylinder mit Drehzahlwellentälern und - spitzen aus. Dies ist mit der Kennlinie nmot dargestellt. Zu einem definierten Zeitpunkt, beispielsweise sofort, nachdem ein Ausschaltsignal für die Brennkraftmaschine 10 ausgesendet worden ist, wird die elektromagnetische Schaltvorrichtung KA betätigt, so dass der Startermotor 2 über die Strombegrenzungsvorrichtung Rv bestromt wird, und der Startermotor 2 bis zum Zeitpunkt t2 auf eine festgelegte Drehzahl beschleunigt wird. Die Stromaufnahme der Schaltvorrichtung KA nimmt dabei vom Zeitpunkt t-ι bis zum Zeitpunkt t2 ständig ab. Die Stromaufnahme wird erheblich durch den Einsatz einer Einzugswicklung KA-i und einer Haltewicklung KA2 reduziert. Die Kontaktbrücke KAB der Schaltvorrichtung KA wird zum Zeitpunkt t2 geöffnet, so dass der Startermotor 2 nicht mehr bestromt wird.
Die Drehzahl nSt des Startermotors 2 nimmt langsam bis zu einem vorausberechneten Zeitpunkt t3 ab, an dem die Umfangsgeschwindigkeiten des Starterritzels 8 mit der des Zahnkranzes 9 in einem gewissen Toleranzbereich ungefähr gleich sind. Zu einem definierten, vorausberechneten Zeitpunkt t23 zwischen t2 und t3 wird die Schaltvorrichtung ES bestromt, so dass das Starterritzel 8 in den auslaufenden Zahnkranz 9 ungefähr zum Zeitpunkt t3 eingespurt wird. Gleichzeitig wird die Kontaktbrücke KAB von der Schaltvorrichtung KA durch Bestromen der Doppelspulen KA-i , KA2 geschlossen. Zum Zeitpunkt t4 wird der direkte Strompfad vom Pluspotenzial der Batterie des Startermotors 2 durch Schließen der Kontaktbrücke KH B mittels der Schaltvorrichtung KH geschlossen. Zum Zeitpunkt t5 wird die Schaltvorrichtung KA nicht mehr bestromt. Der Startermotor 2 überträgt nun die maximale elektrische Leistung auf den Zahnkranz 9 der Brennkraftmaschine 10, um diese wieder zu starten. Ab einem Zeitpunkt t6 läuft die Brennkraftmaschine 10 von allein und benötigt keinen Startermotor 2, so dass zum Zeitpunkt t7 die Kontaktbrücke KHB an der Schaltvorrichtung KH wieder geöffnet wird. Die Haltewicklung ES2 der Schaltvorrichtung ES wird nicht mehr bestromt, mit der Folge dass das Starterritzel 8 aus dem Zahnkranz 9 ausspurt. Der Startermotor 2 erreicht sein Drehzahlmaximum zum Zeitpunkt t7 und läuft danach aus.
Alle Doppelspulen in allen Schaltvorrichtungen ES, KA und KH werden nach folgendem Verfahren angesteuert. Zuerst werden Einzugs- und Haltewicklung bestromt. In einem zweiten Schritt wird die Einzugswicklung ausgeschaltet und die Energie auf die Haltewicklung über einen gemeinsamen Kern transferiert. Dadurch wird die Wirkung der Einzugswicklung im Wesentlichen gelöscht. In einem dritten Schritt wird die Haltewicklung ausgeschaltet, die Energie wird in Form von Wärme am Halbleiterschalter als Verlustenergie abgebaut.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ES, KA und KH mit zwei Spulen-^ gegenüber einer Einfachwicklung ist, dass nach dem Einziehen des Ankers A-i , A2, A3 einen aufwändige Ansteuerung beispielsweise in Form einer Stromregelung o- der einer Stromsteuerung, zum Beispiel über eine Zeitpunktregelung oder einer Pulsweitenmodulation, zur Erzeugung eines Haltestroms wegfällt. Außerdem ist, um eine hohe Einzugskraft zu erreichen, eine große Wicklung notwendig, die eine hohe Durchflutung mit einer hohen Windungszahl realisiert und gleichzeitig für geringe Halteströme ausgelegt ist. Das Ergebnis sind also typischerweise Wickeldrähte mit hoher Windungszahl. Damit sind hohe Induktivitäten verbunden, die zu einer hohen Belastung der Ansteuerung führen, insbesondere beim Anschalten und damit auch bei der Regelung mit vielen Schaltvorgängen.
Das Eingangs beschriebene, aus dem Stand der Technik bekannte Doppelwicklungsprinzip mit einer Einzugsspule im Strompfad des Startermotors erfordert zwingend Windungsgleichheit von Einzugs- und Haltewicklung, da sonst wegen der an der sogenannten Klemme 45, d.h. am Startermotor, anliegenden induzierten Spannung, ein Abschalten nicht mehr erfolgen kann. Die Einzugs- und Haltewicklung löschen sich somit gegenseitig beim Abschalten durch kurzzeitige gegenläufige Bestromung.
Demgegenüber hat die Schaltvorrichtung mit der Doppelwicklung in der erfingungsge- mäßen Schaltungsanordnung mehrere Vorteile, die anhand der folgenden Figuren näher erläutert werden.
Die Fig. 4 zeigt eine Gegenüberstellung einer Schaltvorrichtung einmal mit einer Einfach- und mit einer Doppelwicklung jeweils mit angelegten Batteriepotenzial, die der Standardapplikation entspricht, und mit einem beispielsweise doppelt so hohen Batteriepotenzial von beispielsweise 24 Volt in Abhängigkeit von tatsächlichen Temperaturen der Spulen. Die Einschaltzeiten einer Schaltvorrichtung mit einer Doppelwicklung mit dem gewöhnlichen Batteriepotenzial aus der Standardapplikation ist mit der Kennlinie DW1 dargestellt. Mit der Kennlinie DW2 sind die Einschaltzeiten bei einem hohen Batteriepotenzial, beispielsweise von ca. 20 Volt, dargestellt. Die Schaltzeit verändert sich nur minimal. Dagegen liegen bei einer Einfachwicklung, gezeigt mit den Kennlinien EW1 und EW2, die Einschaltzeiten deutlich höher, abhängig von der Temperatur der Wicklung, und bei einem höheren Batteriepotenzial reduzieren sich die Einschaltzeiten deutlich und zeigen damit eine größere Empfindlichkeit gegenüber der Varianz des Batteriepotenzials und somit größere Toleranzen.
Die Fig. 5 zeigt die Abschaltzeiten wiederum von der Einfach- und von der Doppelwicklung in Abhängigkeit zur Temperatur der Wicklungen. Bei zunehmender Temperatur nimmt die Abschaltzeit grundsätzlich ab. Auch bei der Doppelwicklung ergeben sich deutlich kürzere Abschaltzeiten. Dabei ist die Abschaltzeit bei einem hohen Batteriepotenzial geringfügig kleiner. Dies wird mit den Kennlinien DWA1 und DWA2 gezeigt. Demgegenüber sind die Kennlinien EWA1 und EWA2 einer Schaltvorrichtung mit einer Einfachwicklung eingezeichnet. Diese Kennlinien zeigen deutlich längere Abschaltzeiten für ein hohes Batteriepotenzial, und gemäß Kennlinie EWA2 eine geringere Schaltzeit und damit eine größere Empfindlichkeit gegenüber der Varianz des Batteriepotenzials und somit deutlich höhere Toleranzen. Die Fig. 6A, B, C zeigen Strom-Spannung-Temperatur-Ankerweg-Diagramme über die Zeit bei einer Ansteuerung der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ES, KA und KH mittels MOSFETs. Die Fig. 6A zeigt über einen Zeitraum t im Millisekunden-Bereich den Stromverlauf der Einzugswicklung und der Haltewicklung über der Zeit t. Zum Zeit- punkt t-ι wird die Einzugswicklung mit einem Strom zwischen 8 bis 15 Ampere bis zum
Zeitpunkt von t2 beaufschlagt, da die Einzugswicklung niederohmig ausgelegt ist. Die Haltewicklung ist höherohmig ausgelegt und nimmt nur einen kleinen Strom, der zum Teil auch negativ ist, zwischen dem Zeitpunkt t-ι und t2 auf. Die Haltewicklung hat einen deutlich höheren Innenwiderstand als die Einspurwicklung und somit geringere Ströme beispielsweise um einen Faktor ~ 4,5. Eine negative Spannung entsteht folgendermaßen. Feldänderungen, die einer Energieänderung entsprechen, hervorgerufen durch Stromänderungen in der einen Spule, werden in einem gekoppelten Magnetkreis durch die transformatorische Wirkung durch die 2-te Spule möglichst ausgeglichen. Das führt teils zu negativen Strömen in der Haltewicklung, die jedoch durch die unterschiedlichen Wicklungsverhältnisse der beiden Spulen die Feldänderungen nicht vollständig ausgleichen können. Umgekehrt wird beim Abschalten der Einzugswicklung durch Erhö- gung des Stromes in der Haltewicklung die Reduzierung des Magnetfeldes teils ausgeglichen. Zum Zeitpunkt t2 wird die Einzugswicklung abgeschaltet und die elektrische Energie der Einzugswicklung wird aufgrund des transformatorischen Effekts auf die Haltewicklung übertragen, der mit einem geringen Haltestrom bis zu einem Zeitpunkt t3 fließt. Zum Zeitpunkt t3 wird die Haltewicklung über den elektronischen MOSFET-Schalter abgeschaltet und der Strom klingt bis zum Zeitpunkt t4 vollständig ab, so dass kein Strom mehr durch die Haltewicklung fließt. Fig. 6A zeigt, dass die Halte- und die Einspurwicklung mit einem geringen Strom zum Schalten und Abschalten auskommt. Die elektrische Energie wird somit durch Umsetzung des transformatorischen Effekts effizienter eingesetzt als bisher im Stand der Technik bekannt. Die Schaltvorrichtung kann somit einfach angesteuert werden ohne eine komplizierte Regelung oder Taktung. Eine Löschbeschaltung ist nicht oder sehr stark vereinfacht aufgrund des transformatorischen Effekts ausgebildet. Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, reduziert sich die Ein- und Abschaltzeit. Ein weiterer Vorteil der Schaltvorrichtung ist, dass eine deutlich geringere Stromaufnahme erforderlich ist, auch bei einer hohen Last des Startermotors 2, beispielsweise weil er im Start-Stopp-Betrieb auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt wurde und mit der Schaltvorrichtung ein Starterritzel 8 in den Zahnkranz 9 eingespurt wird. Die Schaltvorrichtung ES wird somit als Einspurrelais eingesetzt. Durch den Einsatz der doppelten Wicklung kann auch bei einer Starthilfe von beispielsweise 24 Volt, durch beispielsweise eine Serienschaltung von zwei herkömmlichen 12 Volt Batterien, in den sogenannten "Jump-Start-Fällen", eine Ansteuerung ohne einen hohen Strom und hoher Löschenergie erfolgen.
Die Fig. 6B zeigt mit einer gestrichelten Linie den Weg des Ankers A-i , A2, A3 zeitlich zwischen den zur Fig. 6A beschriebenen Zeitpunkten t-ι bis t4. Zu einem Zeitpunkt t12 zwischen t-ι und t2 ist der aktive Anker A-i , A2, A3, vollständig eingezogen. Etwas zeitlich versetzt nach dem Zeitpunkt t3 zum Zeitpunkt t31 verlässt der Anker A-i , A2, A3 die Position, so dass er sich zum Zeitpunkt t5 wieder in der unbestromten Zustandsposition befindet.
In der Fig. 6B ist zusätzlich die Spannung U eingezeichnet, die den grundsätzlichen Spannungsverlauf beim Starten einer Brennkraftmaschine zeigt. Ein Einbruch der
Spannung U erfolgt durch das Einschalten des Startermotors über das Relais und die hohe Stromaufnahme des Startermotors im Kurzschlußbetrieb mit stehendem Rotor. Nachdem der Startermotor andreht reduziert sich dessen Stromaufnahme und die Spannung U steigt parallel damit an. Nach Abschalten des Relais und damit des Star- termotors sinkt die Stromaufnahme aus der Spannungsquelle U erheblich und die
Spannung U spring auf den ursprünglichen Ausgangswert zurück.
Die Fig. 6C zeigt mit einer durchgängigen Linie EWT die Temperatur an der Sperrschicht, die sogenannte Junction-Temperatur, des jeweiligen elektronischen Schalters Si - S6 von der Einzugswicklung an. Mit der gestrichelten Linie HWT ist die Sperrschichttemperatur am MOSFET-Schalter der Haltewicklung dargestellt. Die Fig. 6C stellt klar, das zum Zeitpunkt t2, an dem die Einzugswicklung ausgeschaltet wird, die Temperatur sich um wenige Kelvin aufgrund eines geringen Energieabbaus im
MOSFET erhöht, da die meiste Energie der Einzugsspule in die Haltespule transferiert wird. Es tritt also praktisch keine Belastung der schaltenden MOSFETS auf. Zum Zeitpunkt t3, wenn die Haltewicklung abgeschaltet wird, tritt eine Verlustleistung an der Sperrschicht auf, die den MOSFET-Schalter, hier beispielhaft um ca. 40 bis 50 Kelvin erhöht. Danach fällt die Temperatur schnell wieder ab. Ein derartiger Temperaturanstieg ist vom MOSFET-Schalter, ohne die Lebensdauer deutlich zu verschlechtern, verkraftbar. Die Fig. 7 zeigt in einer Gegenüberstellung zur Fig. 6 den Strom-Temperaturverlauf von MOSFETs beim Ein- und Ausschalten von einzelnen Wicklungen mit einer Schaltung gemäß dem Stand der Technik, wobei die durchgezogene Kennlinie die Kennlinie einer Haltewicklung ist und die von der gestrichelten Linie die einer Einzugswicklung ist. In diesem Beispiel sind die Magnetfelder der einzelnen Wicklungen nicht verkettet und somit nicht transformatorisch gekoppelt. Durch die fehlende transformatorische Kopplung kann die Energie beim Abschalten der Einzugsspule nicht auf die Haltespule übertragen werden. Deshalb sind Temperaturanstiege von mehreren 100°C zu ver- zeichnen, die die MOSFETs sehr schnell zerstören können. Die gestrichelte Linie entspricht auch dem Stromfluss einer Spule mit Einfachwicklung mit hohem Stromniveau und hoher Abschaltenergie, die wiederum eine hohe Halbleiter-Temperatur im MOSFETs verursacht.
Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerische Darstellungen für die Erfindung als Wesentlich verwiesen.

Claims

Ansprüche
1 . Schaltvorrichtung (KH, KA, ES) mit einem elektromagnetischen Schaltelement und einer Steuerung (4), wobei das Schaltelement zwei Spulen auf einem Kern mit Wirkung auf einen gemeinsamen Anker (A-i, A2, A3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung jeder Spule die Steuerung (4) mit jeweils einem Schalter (Si-6) im Strompfad der Spule ausgebildet ist.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Spule eine Einzugswicklung und die zweite Spule eine Haltewicklung mit elektromagnetischer Wirkung auf den Anker (A-i , A2, A3) ist.
3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen verschiedene Windungszahlen aufweisen, wobei insbesondere die Windungszahldifferenz größer drei ist, besonders bevorzugt die Windungszahl der Einzugswicklung größer als die Windungszahl der Haltewicklung ist.
4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen jeweils separat am Massepotential schaltbar sind.
5. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen jeweils separat am Batteriepotential schaltbar sind.
6. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalter (Si, S3, S5) der Einzugswicklung mit dem Anker (A-i, A2, A3) zum Abschalten der Bestromung der Einzugswicklung zwangsgekoppelt ist und insbesondere beide Spulen mit einem Schalter (S2, S4, S6) ansteuerbar sind.
7. Startvorrichtung (1 ) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Startermotor (2), einer Kopplungsvorrichtung (3) zum zeitweisen Koppeln des Startermotors (2) mit der Brennkraftmaschine (10) und mit einer Startersteuerung (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Startvorrichtung mindestens eine Schaltvorrichtung nach einem der Ansprü- che 1 bis 6 umfasst, wobei zumindest eine Schaltvorrichtung (KH, ES, KA) als Schalter für die Bestromung des Startermotors und/oder als Kopplungsvorrichtung (3) zum Ein- uns Ausspuren eines vom Startermotor (2) angetriebenen Starterritzels (8) in einen Zahnkranz (9) der Brennkraftmaschine (10) und/oder als Schalter für eine den Startermotor (2) strombegrenzende Vorrichtung (Rv) ausgebildet ist.
8. Verfahren einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Schaltelement und einer Steuerung (4), wobei zwei Spulen auf einem Kern mit Wirkung auf einen gemeinsamen Anker (A) von der Steuerung (4) angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule in einem separaten Strompfad mit jeweils einem in der Steuerung (4) ausgebildeten Schalter angesteuert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen mit einer erhöhten Spannung beaufschlagt werden und eine Spule zeitlich abhängig von der erhöhten Spannung bestromt wird, insbesondere ab einer Spannungsobergrenze nur eine Spule bestromt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Spule bestromt wird und mit der zweiten und/ oder ersten Spule Spannungen und Ströme erfasst und ausgewertet werden
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