EP2676028B1 - Schaltungsanordnung, verfahren zum betreiben dafür und startvorrichtung - Google Patents

Schaltungsanordnung, verfahren zum betreiben dafür und startvorrichtung Download PDF

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EP2676028B1
EP2676028B1 EP12702840.5A EP12702840A EP2676028B1 EP 2676028 B1 EP2676028 B1 EP 2676028B1 EP 12702840 A EP12702840 A EP 12702840A EP 2676028 B1 EP2676028 B1 EP 2676028B1
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EP
European Patent Office
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bridging
switching
electric machine
current path
current
Prior art date
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Not-in-force
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EP12702840.5A
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English (en)
French (fr)
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EP2676028A1 (de
Inventor
Karl-Otto Schmidt
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SEG Automotive Germany GmbH
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SEG Automotive Germany GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • 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
    • F02N2200/00—Parameters used for control of starting apparatus
    • F02N2200/04—Parameters used for control of starting apparatus said parameters being related to the starter motor
    • F02N2200/044—Starter current
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N2200/00—Parameters used for control of starting apparatus
    • F02N2200/06—Parameters used for control of starting apparatus said parameters being related to the power supply or driving circuits for the starter
    • F02N2200/063—Battery voltage
    • 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
    • F02N2250/00—Problems related to engine starting or engine's starting apparatus
    • F02N2250/02—Battery voltage drop at start, e.g. drops causing ECU reset
    • 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 electrical machine, in particular for a starting device with a starter motor for starting an internal combustion engine, in a motor vehicle, with a current limiting device for limiting an inrush of the electric machine, with a lock-up device for bypassing the current limiting device, wherein the lock-up device directly to a high potential of a voltage source is switchable.
  • the invention further relates to a method for operating a, in particular above-described, circuit arrangement for an electrical machine, in particular for a starting device with a starter motor for starting an internal combustion engine, in a motor vehicle, with a current limiting device for limiting an inrush of the electric machine and a Bridging device for temporary bridging of the current limiting device.
  • the invention relates to a starting device for starting an internal combustion engine in a motor vehicle with, in particular described above, with a starter motor and a current limiting device for limiting an inrush of the starter motor and with a lock-up device for bypassing the current limiting device, wherein the lock-up device means a high potential of a voltage source is switchable.
  • a starter pinion is meshed with a ring gear of the internal combustion engine by means of a starter relay designed as a single-track device.
  • a contact bridge between two contacts is closed by the relay, which closes a circuit for the electrical machine to a power source, the circuit is designed for high currents up to 1000 or 1500 amps at about 12 to 13 volts.
  • the starter pinion is meshed via a coarse thread so that the starter pinion meshes in the sprocket without any problems and a tooth-on-tooth position is avoided.
  • the electric machine is easily turned on, wherein the circuit is guided via a series resistor.
  • the high current decrease when starting an internal combustion engine causes the battery voltage from originally 12 volts to about 6 volts and possibly deeper breaks.
  • the burglary is dependent on environmental parameters such as temperature and battery state of charge, the size, the resistance of the armature, the voltage drop across the carbon brushes and the feeder cables.
  • Further electrical consumers such as control units, fuel pump and headlights may possibly not be sufficiently supplied with electrical energy, so that they are affected by the start. This is at a so-called cold start d. H. at a start of an internal combustion engine before operation of the vehicle is not critical. This is more critical or unsatisfactory for the vehicle occupants, in a start-stop operation of the motor vehicle. For example, electrical consumers are affected at the restart of the engine at a traffic light or in a traffic jam in such a way that they do not get the necessary battery power and thus at least temporarily suspend. This is undesirable.
  • a current limiting device can be used at least for a short time when starting the internal combustion engine to reduce the voltage drop by the electrical machine is subjected to a reduced current via a series resistor.
  • the series resistor is in the main current path The electrical machine is switched so that even high currents of up to 600 A and more amps can flow through this. If the internal combustion engine has started, the current limiting device is bypassed via a bridging device and the starter motor is subjected to a maximum current. A large voltage dip at this time overcame. Thus, an only acceptable small voltage dip occurs. For example, the voltage dip reduces to only a range of 10 to 20 percent of an area previously 50 to 60 percent.
  • the DE 10 2009 027 234 A1 discloses, for example, such a current limiting device with a plurality of parallel current paths.
  • the Applicant is also known to provide a series resistor in the main current path of the starter motor, which is bridged over a bridging device, which is designed as a contact closer, when the starter motor is already turned on and has reached a certain speed, so that the voltage dip, as described above, at most 10 to 20 percent. It is an object of the invention, a circuit arrangement, a method and a starting device of the type mentioned in such a way that the circuit arrangement and thus the starting device over the life as stable and safe works.
  • the contact opener thus separates the main current path quickly, so that the electronic machine must start via a current limiting device.
  • the current limiting device is constantly bridged. So it is the conventional current path with maximum current exposure enabled, as in a conventional cold start. The risk that the current limiting device suffers thermal damage in the event of a functional failure of the bridging device is thus virtually automatically or automatically avoided with the directly switched contact opener.
  • the lock-up device is released again by the voltage is applied to the starter motor or the electric machine and thus induces a voltage, so that a voltage drop across the electric machine leads to a reduction of the voltage at the lock-up device, which in turn leads to the switching contact of the Contact opener in the main circuit path is closed again.
  • This process preferably takes so long that a so-called short-circuit phase that is, the time duration in which a voltage dip could take place, so that as already described above, a voltage dip is significantly reduced.
  • a switching delay device is preferably arranged in a potential-ground current path direction in the current path behind the contact opener.
  • the switching delay device comprises a passive component, in particular a resistor.
  • a passive component in particular a resistor.
  • the passive component can be made significantly cheaper than a coil.
  • the stored energy of the coil in the contact opener, that is, the switching relay evenly loaded.
  • the switching delay means comprises a passive one Component, in particular a coil.
  • the turn-off time can be delayed or shortened compared to a current resistance of the coil compared to a comparable ohmic resistance.
  • the turn-off time is delayed when the energization direction and the winding direction in both coils are rectified.
  • the turn-off time is shortened when the additional coil is energized or wound in the opposite direction of the coil from the contact opener.
  • the circuit arrangement comprises a first switching device, via which the electrical machine can be acted upon by voltage and wherein in the current path a bridging device is a safety device, in particular in the form of a diode, connected downstream.
  • the switching device has the advantage that with the switching device high currents up to or over 1000 amps can be switched briefly and this switching device with small currents via the control switch is switchable.
  • the switching device is not of the lock-up device, which is preferably designed as a relay with a coil, this feeds the switching device with power due to inductive voltage, which could lead to malfunction and damage to the electrical machine, is preferably a diode for blocking downstream of the current in the opposite direction as a safety device.
  • the first switching device preferably comprises a pull-in winding and a holding winding, wherein the pull-in winding is connected on the ground side on the potential side of the electric machine, in particular at a current path node with the ground of the bridging device ,
  • the holding winding is connected directly to the ground side of the power source.
  • the object is also achieved by a method in that after switching on a control switch, the bridging device is subjected to voltage and as a result, a main current path of the starter motor of the lock-up device is interrupted as a contact opener, wherein the main current path is closed by a first switching device and the electric machine via the current limiting device with voltage is applied, whereby due to a voltage drop across the starter motor, the voltage of the electric machine connected in series bypass device drops, so that the main current path of the bypass device is closed again and the current limiting device is bridged, wherein the main current path is interrupted by the first switching device as soon as the energized first switching device is switched off by the control switch.
  • the bridging device in the form of an additional relay is, as in a mono-flop module, switched off with a delay and thus forms a monostable flip-flop in the form of a contact opener.
  • the object is also achieved by a starting device in that the bridging device can be switched by means of a high potential at a voltage source and the bridging device is designed as a contact opener, preferably as a switching relay.
  • the lockup device is switchable rather quickly, shift delay elements are not arranged in front of or in the lockup device.
  • the starting device is simple and thus achieves a long life.
  • the lock-up device is preferably designed as a separate component to the starter motor with a starter relay serving as a first switching device.
  • the lockup device can thus be arranged separately on the internal combustion engine or on the body.
  • the bridging devices are formed with the starter motor and the starter relay in a common housing or as a common assembly.
  • the bridging devices are formed with the starter motor and the starter relay in a common housing or as a common assembly.
  • the starter motor and the starter relay in a common housing or as a common assembly.
  • the bridging devices are preferred Used cables that transmit with very high currents. In terms of safety, the starting device is thus simple, safe and compact.
  • the Fig. 1 1 shows a schematic circuit diagram of a circuit arrangement 1 for an electric machine 2 according to the invention.
  • the electric machine 2 is part of a starting device 17.
  • the starting device 17 further comprises a first switching device 5, which is designed as a relay with a pull-in winding 13 and a holding winding 14 in order to one with the armature a starter pinion 25 in a sprocket 18 of an internal combustion engine 15 on and mecanicspuren and on the other a contact bridge with a switching contact 51 of a main current path 20 of the electric machine 2 between serving as a power source battery 10 and the starter motor 2 and close to open.
  • a first switching device 5 which is designed as a relay with a pull-in winding 13 and a holding winding 14 in order to one with the armature a starter pinion 25 in a sprocket 18 of an internal combustion engine 15 on and mecanicspuren and on the other a contact bridge with a switching contact 51 of a main current path 20 of the electric machine 2 between
  • a starting resistor 3 is connected upstream of the starter motor 2 as a series resistor as a current limiting device.
  • the switching contact 51 may be arranged in front of or behind the series resistor 3, it is preferred as in the Fig. 1 shown behind the switch contact 51 arranged.
  • the starting device 17 is controlled via a control switch 8 with a switching contact 81, which switches electrical energy from the battery 10, wherein the switching currents in a secondary flow path 30 are significantly lower than the switching currents in the main current path 20.
  • the switching currents in the main current path 20 can range from to about 1000 amps and more.
  • the secondary flow path 30, which primarily supplies the first switching device 5 and a bridging device 4, is designed for significantly lower currents.
  • the starting resistor 3 is bridged by a bridging device 4 according to the invention.
  • the bridging device 4 further includes a second switching device 7, which is also designed as a relay, with a second switching contact 71 in order to switch very high currents from the main current path 20.
  • the bridging device 4 is provided as a contact opener, so that in the unloaded state of the second switching device 7 of the lock-up device 4, the circuit is closed and the starting resistor 3 is bridged.
  • the bridging device 4 is connected directly to the high potential of the battery 10 and is also controlled by the control switch 8. For this purpose, the bridging device 4 is connected at the current path node 84 of the secondary current path 30 behind the control switch 8.
  • the Fig. 2 shows a further particular embodiment of the circuit arrangement 1 according to the invention, wherein the lock-up device 4 is merely modified.
  • a diode 9 is connected as a safety device in parallel to the switching delay device 60, so that when switching off the starter motor 2, the relay 7 is not energized vice versa and thus causes the first switching device 5 closes the switch contact 51 again, resulting in a malfunction of the starter motor 2 and thus to premature destruction or a Can cause wear.
  • the lock-up device 4 may be formed as a separate component and thus separately connected or mounted on a conventional starting device 17 or on the body or on the internal combustion engine 15.
  • the conventional starting device 17 is merely modified in that it is the starting resistor. 3 comprises and two current path nodes 32 and 34 in front of and behind the starting resistor 3, is connected to the lock-up device 4.
  • the Fig. 3 again shows a circuit diagram of a circuit arrangement 1 in which only the switching delay device 60 is modified to the effect that instead of the resistor 61, a coil 62 is arranged.
  • the coil 62 is thus connected in series with the additional relay 7 and is designed for a period of time as a switching delay from the contact opener 7 is predefined desired.
  • the so-called short-circuit point that is to say the undesired voltage drop, is bridged in time by the use of the starting resistor 3, the switching contact 71 being open.
  • the switching delay can be extended or shortened, depending on the direction in which the coil 62 is energized.
  • the coil 62 is wound on the same iron core as the coil of the contact opener 7.
  • the coil 62 is wound in the opposite direction to the coil of the contact opener 7 and if it is also energized in the opposite direction, a reverse effect is produced.
  • the effective flooding of the coil of the contact opener 7 is weakened by the flooding of the second coil 62, so that the turn-off time is shortened at a comparable ohmic resistance.
  • ⁇ total ⁇ 7 - ⁇ 62.
  • the Fig. 4 shows in a time-switching diagram various switching states of a control switch 8 on the switching contact 81, the additional relay as the second switching device 7 on the switching contact 41, the current I to the second switching contact 71 and the starter motor. 2
  • the method for operating the circuit arrangement 1 proceeds as follows. At a time T0, the circuit arrangement is at rest. At time T1, the control switch 8 is closed and the voltage Crowstrompfad 30 jumps to the potential voltage P at time T1. Shortly thereafter, at time T2, the voltage at the relay 7 jumps to the potential voltage P and thereby the switching contact 71 is opened, which is a change of state at time T2 in the Fig. 4 is shown. Just below, a time-current curve is shown in dashed line form, as can be measured on the coil of the relay 7. The current increases at time T2 until time T3. At time T3, the switching contact 51 of the first switching device 5 has been closed, so that the starter motor 2 via the main current path 20, the voltage applied.
  • the control switch 8 remains closed until the internal combustion engine 15 is started or another activation is necessary.
  • the control switch 8 is, for example, an ignition key switch or a pulse from the ignition key switch or is controlled by the engine control, for example, for a start-stop operation.
  • the main current path 20 is thus interrupted by the first switching device 5 only when the application of voltage from the control switch 8 is interrupted and thus switched off. Consequently is the starting resistor 3 only briefly charged in case of malfunction or non-functioning of the second switching device 7, the main current path 20, as conventional, closed.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine Startvorrichtung mit einem Startermotor zum Starten einer Brennkraftmaschine, in einem Kraftfahrzeug, mit einer Strombegrenzungsvorrichtung zum Begrenzen eines Einschaltstroms der elektrischen Maschine, mit einer Überbrückungsvorrichtung zum Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung, wobei die Überbrückungsvorrichtung direkt an ein hohes Potential einer Spannungsquelle schaltbar ist.
  • Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betreiben einer, insbesondere oben beschriebenen, Schaltungsanordnung für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine Startvorrichtung mit einem Startermotor zum Starten einer Brennkraftmaschine, in einem Kraftfahrzeug, mit einer Strombegrenzungsvorrichtung zum Begrenzen eines Einschaltstroms der elektrischen Maschine und einer Überbrückungsvorrichtung zum zeitweisen Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung.
  • Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug mit einer, insbesondere oben beschriebenen, Schaltungsanordnung, mit einem Startermotor und mit einer Strombegrenzungsvorrichtung zum Begrenzen eines Einschaltstroms des Startermotors und mit einer Überbrückungsvorrichtung zum Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung, wobei die Überbrückungsvorrichtung mittels eines hohen Potentials einer Spannungsquelle schaltbar ist.
  • Es sind Startvorrichtungen bekannt, die eine Brennkraftmaschine starten. Zum Starten der Brennkraftmaschine wird ein Starterritzel in einen Zahnkranz der Brennkraftmaschine mittels einem als Einspurvorrichtung ausgebildeten Starterrelais eingespurt. Dabei wird gleichzeitig von dem Relais eine Kontaktbrücke zwischen zwei Kontakten geschlossen, die einen Stromkreis für die elektrische Maschine zu einer Stromquelle schließt, wobei der Stromkreis auf hohe Ströme bis zu 1000 bzw. 1500 Ampere bei ca. 12 bis 13 Volt ausgelegt ist. Damit das Starterritzel den Zahnkranz problemlos einspurt und eine Zahn-auf-Zahn-Stellung vermieden wird, wird das Starterritzel über ein Steilgewinde eingespurt. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine leicht angedreht wird, wobei der Stromkreis über einen Vorwiderstand geführt ist. Sobald die Brennkraftmaschine gestartet ist, spurt das Starterritzel aus dem Zahnkranz durch das Starterrelais als Anker aus, und der Stromkreis der elektrischen Maschine wird von der Kontaktbrücke unterbrochen.
  • Die hohe Stromabnahme beim Starten einer Brennkraftmaschine führt dazu, dass die Batteriespannung von ursprünglich 12 Volt auf ca. 6 Volt und gegebenenfalls tiefer einbricht. Der Einbruch ist abhängig von Umgebungsparametern wie Temperatur und Batterieladezustand, der Baugröße, dem ohmschen Widerstand des Ankers, dem Spannungsabfall an den Kohlebürsten und den Zuleitungskablen. Weitere elektrische Verbraucher wie beispielsweise Steuergeräte, Kraftstoffpumpe und Scheinwerfer können gegebenenfalls nicht mehr ausreichend mit elektrischer Energie versorgt werden, so dass diese vom Starten beeinträchtigt werden. Dies ist bei einem sogenannten Kaltstart d. h. bei einem Start einer Brennkraftmaschine vor Betriebsbeginn des Fahrzeugs unkritisch. Kritischer ist dies beziehungsweise unbefriedigender für die Fahrzeuginsassen ist es, bei einem Start-Stopp-Betrieb des Kraftfahrzeugs. Beispielsweise werden elektrische Verbraucher beim Wiederstart der Brennkraftmaschine an einer Ampel oder im Stau derart beeinträchtigt, dass diese die nötige Batterieleistung nicht bekommen und somit zumindest kurzzeitig aussetzen. Dies ist unerwünscht.
  • Dem Anmelder ist bekannt, dass zur Begrenzung des Spannungseinbruchs eine Strombegrenzungsvorrichtung zumindest kurzzeitig beim Starten der Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann, um den Spannungseinbruch zu reduzieren, indem die elektrische Maschine mit einem reduzierten Strom über einen Vorwiderstand beaufschlagt wird. Der Vorwiderstand ist dabei im Hauptstrompfad der elektrischen Maschine so geschaltet, dass auch hierüber hohe Ströme bis zu 600 A und mehr Ampere fließen können. Ist die Brennkraftmaschine angelaufen, so wird über eine Überbrückungsvorrichtung die Strombegrenzungsvorrichtung überbrückt und der Startermotor mit einem maximalen Strom beaufschlagt. Ein großer Spannungseinbruch zu diesem Zeitpunkt überwunden. Somit tritt ein nur noch vertretbarer kleiner Spannungseinbruch auf. Der Spannungseinbruch reduziert sich beispielsweise auf nur noch einen Bereich von 10 bis 20 Prozent von einem Bereich vorher von 50 bis 60 Prozent. Die DE 10 2009 027 234 A1 offenbart beispielsweise eine solche Strombegrenzungsvorrichtung mit mehreren parallel geschalteten Strompfaden. Dem Anmelder ist ferner bekannt, einen Vorwiderstand im Hauptstrompfad des Startermotors vorzusehen, der über eine Überbrückungsvorrichtung, die als Kontaktschließer ausgebildet ist, zu überbrücken, wenn der Startermotor bereits angedreht ist und eine gewisse Drehzahl erreicht hat, so dass der Spannungseinbruch, wie oben beschrieben, höchstens 10 bis 20 Prozent beträgt.
    Es ist Aufgabe der Erfindung eine Schaltungsanordnung, ein Verfahren und eine Startvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Schaltungsanordnung und somit die Startvorrichtung über die Lebensdauer möglichst stabil und sicher arbeitet.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1, 7 und 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
    Es ist ein Gedanke der Erfindung, eine dem Anmelder bekannte Schaltungsanordnung derart weiterzubilden, so dass, falls die Überbrückungsvorrichtung fehlerhaft arbeitet oder ausfällt und somit der Vorwiderstand zerstört werden würde, eine Funktionsuntüchtigkeit der Startvorrichtung vermieden wird.
    Es ist somit ein Gedanke der Erfindung, aus diesem Grund die Überbrückungsvorrichtung als Kontaktöffner auszubilden, wobei der Kontaktöffner in dem Strompfad derart ausgebildet ist, so dass der Kontaktöffner direkt an einen Steuerschalter der elektrischen Maschine schaltbar ist. Somit wird der als Überbrückungsvorrichtung ausgebildete Kontaktöffner direkt ohne Verzögerung mit Spannung beaufschlagt, wenn der Steuerschalter zur Ansteuerung einer Startvorrichtung geschlossen wird. Der Kontaktöffner trennt somit den Hauptstrompfad schnell, so dass die elektronische Maschine über eine Strombegrenzungsvorrichtung anlaufen muss. Im Fehlerfall des Kontaktöffners ist dagegen die Strombegrenzungsvorrichtung ständig überbrückt. Es ist also der herkömmliche Strompfad mit maximaler Strombeaufschlagung freigeschaltet, wie bei einem konventionellen Kaltstart. Die Gefahr, dass bei einem Funktionsausfall der Überbrückungsvorrichtung die Strombegrenzungsvorrichtung einen thermischen Schaden erleidet, wird somit mit dem direkt geschalteten Kontaktöffner quasi selbsttätig oder automatisch vermieden.
  • Die Überbrückungsvorrichtung wird wieder gelöst, indem der Startermotor beziehungsweise die elektrische Maschine mit Spannung beaufschlagt wird und somit eine Spannung induziert, so dass ein Spannungsabfall an der elektrischen Maschine zu einer Reduktion der Spannung an der Überbrückungsvorrichtung führt, was wiederum dazu führt, dass der Schaltkontakt vom Kontaktöffner im Hauptstrompfad wieder geschlossen wird. Dieser Vorgang dauert bevorzugt solange, dass eine sogenannte Kurzschlussphase dass heißt, die Zeitdauer in dem ein Spannungseinbruch stattfinden könnte überwunden wird, so dass wie bereits oben beschrieben ein Spannungseinbruch deutlich reduziert wird.
  • Um noch definierter die zu überbrückende Zeitdauer typabhängig einzustellen, ist bevorzugt eine Schaltverzögerungseinrichtung in einer Potential-Masse-Strompfadrichtung im Strompfad hinter dem Kontaktöffner angeordnet. Somit wird bei Spannungsbeaufschlagung des Kontaktöffners dieser zuerst aktiviert und die Verzögerung zum Schließen des geöffneten Kontakts wird vorher durch die Schaltverzögerungseinrichtung festeingestellt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Schaltverzögerungseinrichtung ein passives Bauelement, insbesondere einen Widerstand. Dies hat den Vorteil, dass das passive Bauelement deutlich kostengünstiger ausgeführt sein kann, als eine Spule. Außerdem wird die gespeicherte Energie der Spule im Kontaktöffner, das heißt dem schaltenden Relais, gleichmäßig belastet.
  • Gemäß einer bevorzugten oder zusätzlichen Ausführungsform, um eine stabile Konstruktion zu erzielen, umfasst die Schaltverzögerungseinrichtung ein passives Bauelement, insbesondere eine Spule. Mit einer Spule, die auf dem Kern der Relaisspule vom Kontaktöffner angeordnet sein kann, lässt sich gegenüber einem vergleichbaren ohmschen Widerstand die Abschaltzeit je nach Bestromungsrichtung der Spule verzögern oder verkürzen. Die Abschaltzeit wird verzögert, wenn die Bestromungsrichtung und die Bewicklungsrichtung in beiden Spulen gleichgerichtet ist. Die Abschaltzeit wird verkürzt, wenn die zusätzliche Spule in entgegengesetzter Richtung der Spule vom Kontaktöffner bestromt beziehungsweise bewickelt ist.
  • Weiter bevorzugt umfasst die Schaltungsanordnung eine erste Schaltvorrichtung, über die die elektrische Maschine mit Spannung beaufschlagbar ist und wobei im Strompfad eine Überbrückungsvorrichtung eine Sicherheitseinrichtung, insbesondere in Form einer Diode, nachgeschaltet ist. Die Schaltvorrichtung hat den Vorteil, dass mit der Schaltvorrichtung hohe Ströme bis oder über 1000 Ampere kurzzeitig geschaltet werden können und diese Schaltvorrichtung mit kleinen Strömen über den Steuerschalter schaltbar ist. Damit beim Ausschalten der elektrischen Maschine die Schaltvorrichtung nicht von der Überbrückungsvorrichtung, die bevorzugt als Relais mit einer Spule ausgebildet ist, diese aufgrund induktiver Spannung die Schaltvorrichtung mit Strom speist, was zu Fehlfunktionen und Beschädigungen der elektrischen Maschine führen könnte, ist bevorzugt eine Diode zum Sperren des Stromes in entgegengesetzter Richtung als Sicherheitseinrichtung nachgeschaltet.
  • Um eine Startvorrichtung möglichst effizient auszubilden, so dass eine nicht allzu hohe thermische Belastung auftritt, umfasst die erste Schaltvorrichtung bevorzugt eine Einzugswicklung und eine Haltewicklung, wobei die Einzugswicklung masseseitig an der Potentialseite der elektrischen Maschine, insbesondere an einem Strompfadknoten mit der Masse der Überbrückungsvorrichtung geschaltet ist. Die Haltewicklung ist dagegen direkt mit der Masseseite der Stromquelle verbunden. Eine derartige Schaltung hat den Vorteil, dass die Einzugswicklung kurzzeitig bestromt wird, und diese niederohmig ist und die Haltewicklung hochohmig ist und somit einen geringeren Haltestrom benötigt.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren dadurch gelöst, dass nach einem Einschalten eines Steuerschalters die Überbrückungsvorrichtung mit Spannung beaufschlagt wird und in Folge dessen ein Hauptstrompfad des Startermotors von der Überbrückungsvorrichtung als Kontaktöffner unterbrochen wird, wobei der Hauptstrompfad von einer ersten Schaltvorrichtung geschlossen wird und die elektrische Maschine über die Strombegrenzungsvorrichtung mit Spannung beaufschlagt wird, wobei in Folge eines Spannungsabfalls am Startermotor die Spannung der zur elektrischen Maschine in Reihe geschalteten Überbrückungsvorrichtung abfällt, so dass der Hauptstrompfad von der Überbrückungsvorrichtung wieder geschlossen wird und die Strombegrenzungsvorrichtung überbrückt wird, wobei der Hauptstrompfad von der ersten Schaltvorrichtung unterbrochen wird, sobald die mit Spannung beaufschlagte erste Schaltvorrichtung vom Steuerschalter ausgeschaltet wird. Somit wird durch einen stabilen Aufbau und ein stabiles Verfahren verhindert, dass bei einer Fehlfunktion oder einem Funktionsausfall der Überbrückungsvorrichtung die Spannungsbegrenzungsvorrichtung unnötig hoch belastet wird, so dass eine Zerstörung der Starkstrombegrenzungsvorrichtung vermieden wird. Die Überbrückungsvorrichtung in Form eines zusätzlichen Relais wird, wie bei einem Mono-Flop-Baustein verzögert abgeschaltet und bildet somit eine monostabile Kippstufe in Form eines Kontaktöffners.
  • Die Aufgabe wird auch durch eine Startvorrichtung dadurch gelöst, dass die Überbrückungsvorrichtung mittels eines hohen Potentials an einer Spannungsquelle schaltbar ist und die Überbrückungsvorrichtung als Kontaktöffner, bevorzugt als Schaltrelais, ausgebildet ist. Somit ist die Überbrückungsvorrichtung ziemlich schnell schaltbar, Schaltverzögerungselemente sind vor oder in der Überbrückungsvorrichtung nicht angeordnet. Die Startvorrichtung ist einfach aufgebaut und erreicht somit eine lange Lebensdauer.
  • Um gegebenenfalls die Überbrückungsvorrichtung schnell und einfach auszutauschen oder um die Startvorrichtung an einen gegebenen Bauraum geometrisch effizient anzupassen, ist bevorzugt die Überbrückungsvorrichtung als separates Bauteil zum Startermotor mit einem als erste Schaltvorrichtung dienenden Starterrelais ausgebildet. Die Überbrückungsvorrichtung kann somit an der Brennkraftmaschine oder an der Karosserie separat angeordnet sein.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind die Überbrückungsvorrichtungen mit dem Startermotor und dem Starterrelais in einem gemeinsamen Gehäuse oder als gemeinsame Baugruppe ausgebildet. Bei einer solchen Ausführungsform sind bevorzugt Kabel eingesetzt, die mit unter sehr hohe Ströme übertragen. Sicherheitstechnisch ist somit die Startvorrichtung einfach, sicher und kompakt aufgebaut.
  • 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 Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine erste erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
    Fig. 2
    eine Schaltungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
    Fig. 3
    eine Schaltungsanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform und
    Fig. 4
    ein Zeit-Schalt-Diagramm.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 für eine elektrische Maschine 2. Die elektrische Maschine 2 ist Teil einer Startvorrichtung 17. Die Startvorrichtung 17 umfasst ferner eine erste Schaltvorrichtung 5, die als Relais mit einer Einzugswicklung 13 und einer Haltewicklung 14 ausgebildet ist, um zum einen mit dem Anker ein Starterritzel 25 in einen Zahnkranz 18 einer Brennkraftmaschine 15 ein- und auszuspuren und zum anderen eine Kontaktbrücke mit einem Schaltkontakt 51 von einem Hauptstrompfad 20 der elektrischen Maschine 2 zwischen einer als Energiequelle dienenden Batterie 10 und dem Startermotor 2 zu schließen und zu öffnen.
  • Ferner ist als Strombegrenzungseinrichtung ein Anlaufwiderstand 3 als Vorwiderstand dem Startermotor 2 vorgeschaltet. Der Schaltkontakt 51 kann vor oder hinter dem Vorwiderstand 3 angeordnet sein, bevorzugt ist er, wie in der Fig. 1 dargestellt, hinter dem Schaltkontakt 51 angeordnet. Die Startvorrichtung 17 wird über einen Steuerschalter 8 mit einem Schaltkontakt 81 angesteuert, der elektrische Energie von der Batterie 10 schaltet, wobei die Schaltströme in einem Nebenstrompfad 30 deutlich niedriger sind als die Schaltströme im Hauptstrompfad 20. Die Schaltströme im Hauptstrompfad 20 können im Bereich von bis ca. 1000 Ampere und mehr betragen. Der Nebenstrompfad 30, der primär die erste Schaltvorrichtung 5 und eine Überbrückungsvorrichtung 4 versorgt, ist für deutlich niedrigere Ströme ausgelegt. Der Anlaufwiderstand 3 wird von einer Überbrückungsvorrichtung 4 erfindungsgemäß überbrückt.
  • Die Überbrückungsvorrichtung 4 umfasst ferner eine zweite Schaltvorrichtung 7, die ebenfalls als Relais ausgebildet ist, mit einem zweiten Schaltkontakt 71, um sehr hohe Ströme vom Hauptstrompfad 20 zu schalten. Die Überbrückungsvorrichtung 4 ist als Kontaktöffner vorgesehen, so dass im unbelasteten Zustand der zweiten Schaltvorrichtung 7 von der Überbrückungsvorrichtung 4 der Stromkreis geschlossen ist und der Anlaufwiderstand 3 überbrückt wird. Die Überbrückungsvorrichtung 4 ist direkt am hohen Potential der Batterie 10 geschaltet und wird ebenfalls durch den Steuerschalter 8 angesteuert. Hierfür ist die Überbrückungsvorrichtung 4 am Strompfadknoten 84 des Nebenstrompfads 30 hinter dem Steuerschalter 8 geschaltet.
  • Die Fig. 2 zeigt eine weitere besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1, wobei die Überbrückungsvorrichtung 4 lediglich modifiziert ist. Zur Einstellung der Schaltverzögerung nach dem Öffnen des Kontaktöffners 7 ist eine Schaltverzögerungseinrichtung 60 vorgesehen, die in der Fig. 2 als Bauelement in Form eines Widerstands 61 nachgeschaltet ist. Mit dem ohmschen-Widerstand 61 in Reihe wird die gespeicherte Energie der Spule vom Kontaktöffner 7 linear gleichmäßig belastet, wobei die Abschaltzeit (tau) = der Induktivität (L) / Widerstand (R) ist.
  • Zusätzlich ist eine Diode 9 als Sicherheitseinrichtung parallel zur Schaltverzögerungseinrichtung 60 geschaltet, damit beim Ausschalten des Startermotors 2 das Relais 7 nicht umgekehrt bestromt wird und somit dazu führt, dass die erste Schaltvorrichtung 5 den Schaltkontakt 51 wieder schließt, was zu einer Fehlfunktion des Startermotors 2 und somit zu einer vorzeitigen Zerstörung bzw. einem Verschleiß führen könnte. Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, kann die Überbrückungsvorrichtung 4 als separates Bauteil ausgebildet sein und somit separat an einer herkömmlichen Startvorrichtung 17 angeschlossen bzw. montiert sein oder an der Karosserie oder an der Brennkraftmaschine 15. Die herkömmliche Startvorrichtung 17 ist lediglich in soweit modifiziert, dass sie den Anlaufwiderstand 3 umfasst und zwei Strompfadknoten 32 und 34 vor und hinter dem Anlaufwiderstand 3 aufweist, an die Überbrückungsvorrichtung 4 angeschlossen wird.
  • Die Fig. 3 zeigt wiederum einen Schaltplan einer Schaltungsanordnung 1 bei der lediglich die Schaltverzögerungseinrichtung 60 dahingehend modifiziert ist, dass statt dem Widerstand 61 eine Spule 62 angeordnet ist. Die Spule 62 ist also in Reihe zum zusätzlichen Relais 7 geschaltet und ist auf eine Zeitdauer so ausgelegt, wie eine Schaltverzögerung vom Kontaktöffner 7 vordefiniert erwünscht wird. Dadurch wird der sogenannte Kurzschlusspunkt, das heißt der unerwünschte Spannungseinbruch durch den Einsatz des Anlaufwiderstands 3 zeitlich überbrückt, wobei der Schaltkontakt 71 offen ist. Mit der Spule 62 kann die Schaltverzögerung verlängert oder verkürzt werden, je nach dem in welcher Richtung die Spule 62 bestromt wird. Bevorzugt ist die Spule 62 auf dem gleichen Eisenkern wie die Spule des Kontaktöffners 7 gewickelt. Ist die Spule 62 in gleicher Richtung gewickelt wie die Spule des Kontaktöffners 7 und wird sie auch in gleicher Richtung bestromt, wird die magnetische Durchflutung beim Abschalten auch verstärkt, so dass ein längeres Abschalten als bei einem vergleichbaren ohmschen Widerstand erfolgt. Θ Gesamt = Θ 7 + Θ 62, wobei Θ Gesamt = Φ * N 2 / L
    Figure imgb0001
  • Ist dagegen die Spule 62 in der Gegenrichtung zur Spule des Kontaktöffners 7 gewickelt und ist sie auch in der Gegenrichtung bestromt, so wird ein umgekehrter Effekt erzeugt. Die wirksame Durchflutung der Spule des Kontaktöffners 7 wird durch die Durchflutung der zweiten Spule 62 geschwächt, sodass die Abschaltzeit bei einem vergleichbaren ohmschen Widerstand verkürzt wird. Θ Gesamt = Θ7 - Θ62. Somit ist durch die zusätzlichen in Reihe geschaltete zweite Spule 62 eine effektive weitere Möglichkeit vorhanden, das Zeitverhalten des Begrenzungsmoduls 4 an die jeweilige Anwendungssituation und typspezifisch anzupassen.
  • Die Fig. 4 zeigt in einem Zeit-Schalt-Diagramm verschiedene Schaltzustände von einem Steuerschalter 8 am Schaltkontakt 81, dem zusätzlichen Relais als zweite Schaltvorrichtung 7 am Schaltkontakt 41, dem Strom I an dem zweiten Schaltkontakt 71 und dem Startermotor 2.
  • Das Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung 1 läuft wie folgt ab. Zu einem Zeitpunkt T0 ist die Schaltungsanordnung in Ruhestellung. Zum Zeitpunkt T1 wird der Steuerschalter 8 geschlossen und die Spannung Nebenstrompfad 30 springt auf die Potentialspannung P zum Zeitpunkt T1. Kurz danach zum Zeitpunkt T2 springt auch die Spannung am Relais 7 auf die Potentialspannung P und dabei wird der Schaltkontakt 71 geöffnet, was mit einer Zustandsänderung zum Zeitpunkt T2 in der Fig. 4 dargestellt ist. Genau darunter ist in gestrichelter Linienform eine Zeit-Stromkurve dargestellt, wie sie an der Spule des Relais 7 gemessen werden kann. Der Strom steigt zum Zeitpunkt T2 an bis zum Zeitpunkt T3. Zum Zeitpunkt T3 ist der Schaltkontakt 51 der ersten Schaltvorrichtung 5 geschlossen worden, sodass der Startermotor 2 über den Hauptstrompfad 20 die Spannung beaufschlagt.
  • Dadurch dass der Startermotor 2 andreht, sinkt der Strom I wie in der Fig. 4 dargestellt ab. Der Stromabfall folgt dabei folgender Formel i = I -t/tau wobei tau (eine Zeitkonstante) =L/R, wobei L gleich die Induktivität der Spule 7 ist und R der Widerstand der Spule ist.
  • Bis zum Zeitpunkt T4 ist der Strom soweit abgesunken, dass der Schaltkontakt 71 wieder schließt und der Startermotor M2 ab diesem Zeitpunkt über dem Hauptstrompfad 20 mit dem maximalen Strom und der maximalen Spannung beaufschlagt wird. Der Steuerschalter 8 bleibt solange geschlossen, bis die Brennkraftmaschine 15 gestartet ist oder eine andere Ansteuerung notwendig ist. Der Steuerschalter 8 ist beispielsweise ein Zündschlüsselschalter bzw. ein Impuls vom Zündschlüsselschalter oder wird von der Motorsteuerung, beispielsweise für einen Start-Stopp-Betrieb angesteuert. Der Hauptstrompfad 20 wird also von der ersten Schaltvorrichtung 5 erst dann unterbrochen, wenn die Beaufschlagung mit Spannung vom Steuerschalter 8 unterbrochen und somit ausgeschaltet ist. Somit ist der Anlaufwiderstand 3 nur kurzzeitig belastet bei Fehlfunktionen bzw. Nichtfunktionieren der zweiten Schaltvorrichtung 7 ist der Hauptstrompfad 20, wie herkömmlich, geschlossen. Somit ist eine stabile Startvorrichtung und Schaltungsanordnung geschaffen, die über die Lebensdauer hält und einen Spannungseinbruch wirksam im Start-Stopp-Betrieb eines Fahrzeugs verhindert. Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerische Darstellungen für die Erfindung verwiesen.

Claims (10)

  1. Schaltungsanordnung (1) für eine elektrische Maschine (2)- für eine Startvorrichtung mit einem Startermotor (2) zum Starten einer Brennkraftmaschine (15) in einem Kraftfahrzeug, mit einer Strombegrenzungsvorrichtung (3) zum Begrenzen eines Einschaltstroms der elektrischen Maschine (2), mit einer Überbrückungsvorrichtung (4) zum Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung (3), wobei die Überbrückungsvorrichtung (4) direkt an ein hohes Potential einer Spannungsquelle (10) und in Reihe zur elektrischen Maschine (2) schaltbar ist, die Überbrückungsvorrichtung (4) einen Kontaktöffner (7) umfasst und der Kontaktöffner (7) zum Schalten eines Hauptstrompfads (20) der elektrischen Maschine (2) in einem Strompfad (83) angeordnet ist, so dass der Kontaktöffner (7) direkt von einem Steuerschalter (8) der elektrischen Maschine (2) schaltbar ist, die Überbrückungsvorrichtung (4) mit Spannung beaufschlagt und in der Folge der Hauptstrompfad (20) des Startermotors (2) von der Überbrückungsvorrichtung (4) unterbrochen wird, wobei der Hauptstrompfad (20) von einer ersten Schaltvorrichtung (5), umfassend eine Einzugswicklung (13) und eine Haltewicklung (14), geschlossen wird, wobei die Einzugswicklung (13) masseseitig an der Potentialseite (21) der elektrischen Maschine (2) geschaltet ist.
  2. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltverzögerungseinrichtung (60) in einer Potential-Masse-Strompfadrichtung im Strompfad hinter dem Kontaktöffner (7) angeordnet ist.
  3. Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltverzögerungseinrichtung (60) ein passives Bauelement, insbesondere eine Spule (62), umfasst.
  4. Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltverzögerungseinrichtung (60) ein passives Bauelement, insbesondere einen Widerstand (61), umfasst.
  5. Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) eine erste Schaltvorrichtung (5) umfasst, über die die elektrische Maschine (2) mit Spannung beaufschlagbar ist und wobei der Strompfad (83) der Überbrückungsvorrichtung (4) eine Sicherheitseinrichtung (9), insbesondere eine Diode, nachgeschaltet ist.
  6. Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzugswicklung (13) masseseitig an der Potentialseite (21) der elektrischen Maschine (2), an einem Strompfadknoten (24) mit der Masse der Überbrückungsvorrichtung (4) geschaltet ist.
  7. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (1) für eine elektrische Maschine (2), insbesondere für eine Startvorrichtung (17) mit einem Startermotor (2) zum Starten einer Brennkraftmaschine (15), in einem Kraftfahrzeug, mit einer Strombegrenzungsvorrichtung (3) zum Begrenzen eines Einschaltstroms der elektrischen Maschine (2) und einer Überbrückungsvorrichtung (4) zum zeitweisen Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung (3), wobei nach einem Einschalten eines Steuerschalters (8) die Überbrückungsvorrichtung (4) mit einem Kontaktöffner (7) mit Spannung beaufschlagt wird und in Folge dessen ein Hauptstrompfad (20) des Startermotors (2) von der Überbrückungsvorrichtung (4) unterbrochen wird, wobei der Hauptstrompfad (20) von einer ersten Schaltvorrichtung (5) geschlossen wird und die elektrische Maschine (2) über die Strombegrenzungsvorrichtung (4) mit Spannung beaufschlagt wird, wobei in Folge eines Spannungsabfalls am Startermotor (2), die Spannung der zur elektrischen Maschine (2) in Reihe geschalteten Überbrückungsvorrichtung (4) abfällt, so dass der Hauptstrompfad (20) von der Überbrückungsvorrichtung (4) wieder geschlossen wird und die Strombegrenzungsvorrichtung (3) überbrückt wird, wobei der Hauptstrompfad (20) von der ersten Schaltvorrichtung (5) unterbrochen wird, sobald die Beaufschlagung mit Spannung vom Steuerschalter (8) ausgeschaltet wird, wobei die erste Schaltvorrichtung (5) eine Einzugswicklung (13) und eine Haltewicklung (14) umfasst, wobei die Einzugswicklung (13) masseseitig an der Potentialseite (21) der elektrischen Maschine (2) geschaltet wird.
  8. Startvorrichtung (17) zum Starten einer Brennkraftmaschine (15) in einem Kraftfahrzeug, mit einer Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Startermotor (2) und mit einer Strombegrenzungsvorrichtung (3) zum Begrenzen eines Einschaltstroms des Startermotors (2) und mit einer Überbrückungsvorrichtung (4) zum Überbrücken der Strombegrenzungsvorrichtung (3), wobei die Überbrückungsvorrichtung (4) mittels eines hohen Potentials einer Spannungsquelle schaltbar ist und die Überbrückungsvorrichtung (4) als Kontaktöffner (7), bevorzugt als Schaltrelais, ausgebildet ist.
  9. Startvorrichtung (17) nach Anspruch 8, wobei die Überbrückungsvorrichtung (4) als separates Bauteil zum Startermotor mit einem als erste Schaltvorrichtung dienenden Starterrelais ausgebildet ist.
  10. Startvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Überbrückungsvorrichtung mit dem Startmotor und dem Starterrelais in einem gemeinsamen Gehäuse oder als gemeinsame Baugruppe ausgebildet sind.
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