EP2699461A2 - Vorrichtung und verfahren zum starten eines in einem fahrzeug angeordneten verbrennungsmotors - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum starten eines in einem fahrzeug angeordneten verbrennungsmotors

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EP2699461A2
EP2699461A2 EP12715972.1A EP12715972A EP2699461A2 EP 2699461 A2 EP2699461 A2 EP 2699461A2 EP 12715972 A EP12715972 A EP 12715972A EP 2699461 A2 EP2699461 A2 EP 2699461A2
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EP
European Patent Office
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unit
combustion engine
electric machine
electrical
vehicle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12715972.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard WOELFL
Daniel FINDEISEN
Michael DAURER
Hartmut PRÖBSTLE
Sherif MAHMOUD
Rupert Neudecker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for starting an internal combustion engine arranged in a vehicle.
  • an electrical machine which is adapted to drive the internal combustion engine at least temporarily,.
  • a first storage unit configured to store electrical energy.
  • Another aspect is the following both in vehicles that are equipped with a so-called start-stop system, as well as in hybrid vehicles modified compared to a conventional vehicle start-up required.
  • start-stop system With an automatic start-stop system, the internal combustion engine is switched off when the vehicle is at a standstill.
  • a hybrid vehicle both an internal combustion engine and an electric machine are provided for the propulsion.
  • the modified startup procedure is related to new operating strategies that. with these novel vehicles are possible or required, and lead to changes in the requirements of the recorded by the starter motor during the startup electric power and the comfort during the startup process.
  • a restart and possibly a start of the internal combustion engine are to be carried out.
  • a re-start as well as at a start, there is initially no technical connection between the combustion engine and the engine driven wheels of the vehicle, but it is imminent.
  • the re-start and the support are initiated by a control unit installed in the vehicle.
  • a restart to be performed is recognized when a start signal is present in a vehicle rest state, wherein in the vehicle idle state the vehicle is seen and the engine is stationary or has an engine speed that is between a stop speed and the value zero.
  • a status to be performed is recognized when there is an engine torque request in a vehicle movement condition, wherein the vehicle is in vehicle motion condition and the engine is stationary or has an engine speed that is between a shutdown speed and the value of zero.
  • Both in the vehicle resting state and in the vehicle moving state ensure that the combustion engine is either stationary (engine speed zero), or that there is a decaying engine rotation (engine speed between shutdown speed and the value zero).
  • the vehicle speed should preferably have the value zero.
  • start-stop automatic systems conceivable in which a restart is feasible if the vehicle moves at a not too high speed, for example, with 3km / h or mtt 20km / h.
  • a restart to be performed can be recognized even when there is a start signal in a conditional vehicle movement state, the conditional vehicle movement state exists when the speed of the vehicle is less than a threshold value, for example, 3km / h or 20km / h.
  • a threshold value for example, 3km / h or 20km / h.
  • the Fahrceug Anthony has any, nonzero Weit, which is preferably significantly greater than 20km / h and, for example, at 50km / h or 70km / h or significantly larger values
  • the starting signal represents an imminent start of the vehicle, which from the vehicle resting state to be started out. Preferably, this should be an approach initiated by the driver.
  • a start signal in this case, for example, a signal comes into question, which is the actuation of the clutch dais represented by the driver. Alternatively, it may also be an automated, so driver independently initiated starting.
  • the Motormomentanford tion represents a torque which is set by the engine in the present vehicle movement state driver-dependent or driver-independent.
  • a driver-dependent to be set torque results, for example, due to an operation of the accelerator pedal by the driver.
  • the engine torque request may be a quantity representative of accelerator pedal operation.
  • a longitudinal control system may generate a driver-independent engine torque request, wherein the longitudinal control system may be, for example, an adaptive cruise control system.
  • Abstellwidiere is that engine speed of the internal combustion engine, which adjusts when placing the engine, ie at or immediately after interrupting the operative connection to the driven wheels, for example, due to actuation of the clutch.
  • the AbsteUwindiere can at the first moment of Leer- ' laufd rehunter correspond, but it can be due to the operation also temporarily above the idle speed sword.
  • the restart and the start of the internal combustion engine differ from an initial start.
  • a large torque is to be provided by the internal combustion engine within a very short time, the internal combustion engine is started faster than at the initial start.
  • the internal combustion engine in a vehicle In the state of motion, the internal combustion engine must provide a torque that correlates with the vehicle movement state in a very short time. A very rapid "tearing" of the internal combustion engine to a desired drive speed is required (reflex start).
  • a start of the internal combustion engine is also to be carried out.
  • New drive architectures as used, for example, in micro or mild hybrid vehicles, provide new operating voltages for the starter motor.
  • the starter motor is powered by a separate on-board electrical system whose voltage can range from above 12V to 60V, but can also be over 300V. In any case, this voltage is above the voltage of a conventional electrical system, which is usually 12V.
  • the procedure is as above, taking into account the above aspects, namely the type of ignition initiation, the number of cylinders, including the consideration of the. Betnebstempera- of the combustion engine, the new operating strategies, the new drive architectures and the new electrical energy storage, all of which each have individual requirements for the ideal electrical power consumed by a starter motor during startup and / or the ideal electric current During the starting process flows through the starter motor, a large number of individually designed starter motors and associated power supplies required.
  • the electric machine has a number of stator windings, so that in a further embodiment of the aforementioned measure, the adjusting unit is designed to limit the electric current for the individual stator windings.
  • This measure has the advantage that the electric power drawn from the electric machine or the electric current flowing through it can be set particularly precisely.
  • the setting unit is at least partially formed for the realization of a Tlefsetzstellerfunktionlois Rund the egg steUeiriheit has for this purpose in its power part of the scope concerned on the input side a shading element, in particular one
  • MOSFET transistor and a freewheeling diode wherein instead of the freewheeling diode, a further transistor can be used.
  • at least one of the stator windings, of which the electric machine has a number is used as the storage inductivity required for realizing the buck function.
  • the combination of the components included in the setting unit is either a shadow element and a flywheel diode or the like
  • a step-down converter is a DC-DC converter with a very simple and robust design, which works very reliably.
  • the two-switching elements and the stator winding of the electrical machine produce a modified step-down converter which has no smoothing capacitor in contrast to a conventional step-down converter the voltage provided by the output side is smaller in value than the voltage supplied to it on the input side.
  • the value of the output provided voltage is determined by controlled switching on and off of the switching element In an electrical machine used for propulsion in a vehicle, very large electrical currents can flow through them in the drive-through case. For this reason, the realization of the
  • Buck converter functionality required inductance large enough.
  • the Induktlvft2011sonne a correspondingly suitable inductance Hegen on the order of several ⁇ , preferably in the range of 5 to 6 ⁇ or even more.
  • Memory inductances with inductance values above 6 ⁇ have the advantage that the clock frequency for the operation of the step-down converter can be reduced, whereby the switching losses in the switching elements can be reduced.
  • Such inductors have the disadvantage that they are not only large but also expensive.
  • the inventors now recognized that at least one of the already existing in the electrical machine stator windings can be used as a storage inductance and thus to implement the buck converter functionality.
  • the electric machine is a pinion starter motor whose
  • the pinion starter motor is designed as a permanent-magnet DC motor.
  • it may be an electronically commutated DC motor.
  • the modifying The step-down converter consists of spatially separated components, first components which are contained in the setting unit (switching elements and / or freewheeling diode) and second components which are contained in the electrical machine (stator winding).
  • the setting unit is further configured to set the electrical variable or the extracted electrical power itself depending on a characterizing the internal combustion engine size.
  • the characterizing variable is preferably a variable that characterizes the starting behavior of the internal combustion engine, in particular the chronological behavior of the internal combustion engine during the starting process. This means that, depending on the starting behavior of the internal combustion engine, the electric power removed during the starting process by the electric machine of the first storage unit or the electrical current flowing through the electric machine in this case is set or limited.
  • the characterizing quantity is a variable that characterizes a said current peak, in front of, for example, a current value correlated with said current peak and / or an associated time value.
  • the characterizing variable can also be a start time to be complied with, within which the internal combustion engine must have started. From this starting time, the electrical power to be taken from the first storage unit during the driving of the internal combustion engine by the electric machine, and thus the electric power required to drive the internal combustion engine, are removed. tion or the electric current flowing through the electric machine determined and set or limited.
  • the characterizing variable may also be a moment of the internal combustion engine which is to be overcome by the electric machine during the starting process. Depending on this torque, a value is determined for the electric power to be applied by the electric machine and thus for the current flowing through the electric machine during the starting process
  • variable characterizing a determined in advance as part of an application size, which is integrated in the stored or deposited Einstellein- '.
  • a variable representing the state of charge of the first storage unit can be taken into account, wherein this variable is preferably the voltage applied to the first storage unit.
  • an activatable bridging unit is provided, upon activation of which the electric machine is bypassed the setting unit and is connected directly to the first storage unit or to a second storage unit.
  • This measure has the following advantage: [For example, during a cold start during the starting process, extremely high currents flow through the electric machine, in particular when this is done at very low ambient temperature. If now the switching-technical arrangement is obtained according to which the electric machine is connected above the setting unit to the first storage unit, it may happen due to the limitation function of the setting unit that the extremely high currents required for starting the internal combustion engine can not be adjusted.
  • the circuit arrangement is now resolved by activating the bridging unit such that the electric machine is connected directly to the first memory unit or to another second memory unit, preferably a lead-acid battery arranged in a 12V vehicle electrical system, then the extremely high currents can be realized the limiter functionality of the setting unit does not work. An appropriate procedure may also be required at the first start in certain situations.
  • the electric machine has a number of stator windings.
  • the adjustment unit for each of the stator windings on a number of series-connected first and second semiconductor elements, wherein the series circuit has a center tap, to which the respective stator winding is connected.
  • the setting unit has six semiconductor elements in its minimum configuration.
  • the adjustment unit includes a so-called B6 bridge, via which the three stator windings are supplied with current.
  • the setting unit is designed to drive complementary to the first and second transistors connected in series for a stator winding according to a predetermined driving pattern.
  • the setting unit contains for each of the stator windings at least two series circuits, preferably four series circuits, the individual series circuits being mutually parallel. are connected in parallel. As a result, the required high electrical currents can be realized.
  • At least one smoothing filter is provided.
  • This smoothing fitter is preferably contained in the setting unit and embodied, for example, as an LC element
  • the setting unit corresponds in its scope to the power part to the circuit diagram of a conventional step-down converter
  • the purpose of the smoothing fitter is to dampen any voltage peaks which occur and thus smooth out the voltage applied to the setting unit, thereby avoiding external power losses and disturbances in the input voltage of the step-down converter reduced the brushes of the pinion starter motor
  • the setting unit is further designed to limit an electrical voltage applied to the electric machine.
  • This measure has the following advantage: If a vehicle is equipped with a new drive architecture, it has a separate vehicle electrical system whose voltage is greater than the voltage of a conventional vehicle electrical system. It is now possible, starting from the voltage of the separate electrical system to generate a voltage of 12V, - which corresponds to the value of a conventional electrical system Thus, there is the possibility of an electrical machine that is designed for a 12V electrical system, via the separate electrical system with to supply electrical energy.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a partially circumferential vehicle drive train for explaining the invention
  • FIG. 3 shows current profile curves of different currents flowing through the electrical machine during a starting process
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of a circuit used in the setting unit for implementing a buck converter functionality
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the configuration of the setting unit
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the control concept underlying the setting unit.
  • a arranged in a vehicle internal combustion engine 10 is shown This is about a dual mass nschwungrad 12 and a clutch 14 with a gear 16 in operative connection to drive drive wheels, not shown. Further, various units such as a water pump 18, a card compressor 20, and an electric generator 22 are operatively connected to the engine 10 to be driven thereby. This corresponds structurally to a conventional vehicle. In a hybrid vehicle, in particular in a vehicle designed as a parallel hybrid, an appropriately designed electric machine is additionally provided for the propulsion in addition to the internal combustion engine 10.
  • an electric machine 24 is provided which can be connected via a setting unit 26 to a first storage unit 28.
  • the first memory unit 28 is part of a first Bordnet-. Zes 30, which is provided for the supply of the elegiac machine 24
  • the first memory unit 28 may be a supercapacitor or a lithium-ion battery.
  • the vehicle has a second, conventional on-board network 32, which is also referred to as the base on-board network.
  • the second on-board network 32 has a second storage unit 34, which is embodied, for example, as a conventional lead-acid battery.
  • First consumers 36 are supplied with electrical energy from the second storage unit 34.
  • a first supply line 38 is provided for the operation of the circuit-breaker At the very beginning of the setting unit 26 requires supply voltage provided.
  • the electric generator 22 is used to charge the first memory unit 28 and the second memory unit 34, wherein the second memory unit 34 is connected to the generator 22 via a correspondingly designed DC-DC converter 40
  • the setting unit 26 is designed to detect at least one defined internal combustion engine service life and / or at least one defined vehicle operating state. Depending on the detected states, an electrical variable is then set which determines an electric power drawn from the first storage unit 28 during the starting process of the internal combustion engine 10. The current flowing through the electric machine 24 is preferably limited. Alternatively, the electric power taken out of the first storage unit 28 itself may be adjusted. Optionally, an activatableIneibrflungung 46 may be provided, which is indicated in Fig. 1 by the dashed line representation in the in Flg. The arrangement of the bridging unit 46 shown in FIG.
  • the activation of the bridging unit 46 may be necessary, for example, in the case of a first storage unit 28 embodied as a Uthium-ion accumulator, namely when a cold start of the internal combustion engine 10 is to take place at very low ambient temperatures. The reason for this is that in such accumulators, the internal resistance increases in the cold and thus decreases the deliverable from the accumulator power. Even with a first start, the activation of the bridging unit 46 may be required.
  • the second memory unit 34 is intended to provide a voltage of 12V, whereas the first memory unit 28 is to provide a voltage of the order of 20 to 50V.
  • FIG. 1 soH have no limiting effect on the electrical system architecture or topology of the electrical system.
  • Subfigures 2a, 2b and 2c to be described below show different on-board network architectures in which setting unit 26 is used.
  • Part 2a shows a conventional vehicle electrical system 48 (standard on-board network), which corresponds in terms of functionality to the second electrical system 32 shown in FIG. 1
  • the conventional vehicle electrical system 48 has a memory unit 50 for providing a 12V voltage U1. which is the first storage unit in the sense of the invention. Furthermore, the conventional vehicle electrical system 48 has first consumers 36 'and second consumers 52. , The memory unit 50 can be charged via a generator 22 ', which is a 12V generator. An electric machine 24 'is connected via an adjusting unit 26' with the. first storage unit 50 connected. With the aid of a bridging unit 46 ', the electric machine 24' can be connected directly to the storage unit 50 at a cold start to be performed at low ambient temperatures and / or in the case of a first start.
  • the setting unit 26' is driven accordingly.
  • the minimum vehicle electrical system voltage are taken into account. Due to the adjustment unit 26 '.
  • the conventional vehicle electrical system 48 can be used in a conventional vehicle (without start-stop automatic).
  • Part 2b shows a second, conventional on-board network 32 '(base on-board network), the upper a Glek ⁇ voltage converter ⁇ ff with a first board network 30'.
  • the two vehicle electrical systems are separated by the DC-DC converter 40 '.
  • Such an extended vehicle electrical system architecture is used, for example, in a vehicle with an automatic start-stop system in which a restart or restart of the internal combustion engine is to be carried out be used in a hybrid vehicle, in which a restart of the internal combustion engine is to perform the first
  • Vehicle electrical system 30 ' has a first memory unit 28' for providing a 12V voltage U1 and third consumer 56.
  • An electrical machine 24 ' is connected to the first storage unit 28' via an adjusting unit 26 ', and in this case too a bridging unit 46' is provided, with which the electrical machine is shown in the embodiments of FIG 24 'can be connected directly to the first memory unit 28'.
  • the second electrical system 32 ' has a generator 22'. a second storage unit 34 'and first consumers 36'.
  • the setting unit 26 ' is controlled accordingly, so that this current flows and results in a predetermined speed profile for the internal combustion engine.
  • the minimum vehicle electrical system voltage can be taken into account. Further explanations of the setting unit 26 'can be found in the description of the subfigure 2a.
  • the first memory unit 28 'and the second memory unit 34' may be charged via the generator 22 '.
  • the second storage unit 34 ' is preferably designed as a lead-acid battery, thus, at a cold start to be carried out at low ambient temperatures and / or in the case of a first start, the electrical machine 24' can be supplied with electrical energy, bypassing the setting unit 26 'from the second storage unit 34'.
  • the on-board network architecture shown in subfigure 2c can be, for example. be used in a vehicle which is constructed as a mild hybrid vehicle
  • the use of the setting unit 26 ' makes it possible to feed the electric machine 24' via the first memory unit 28 ', the voltage is significantly higher, preferably between 2QV and 60V, as the in the second board network 32 'provided 12-volt vehicle electrical system voltage.
  • this vehicle electrical system architecture it is possible to operate an electrical machine designed for a 12V supply voltage, a so-called 12V starter, with a supply voltage that is greater than 12V.
  • the bridging unit 46 or 46 ' is shown by dashed lines. This is intended to indicate that a bridging unit is not mandatory. With the appropriate design of the components used, in particular the memory units 28 or 28 ', the use of a bridging unit can be dispensed with.
  • the current curve 62 represents a current that occurs when a cold start is started.
  • the current curve 64 represents a current that occurs during a warm start.
  • the initial peaks 60 'and 60 " which avoids burglaries in the vehicle electrical system voltage and at the same time increases the service life of the electric machine or starter motor
  • the brushes of the electric machine are less worn, or their wear is reduced to a minimum, as a result of drops in the vehicle electrical system voltage
  • measures to stabilize the vehicle electrical system voltage can be dispensed with, in which the setting unit is designed in accordance with the required electrical power supplied to the electric machine for the vehicle To start the internal combustion engine is to actively set or regulate an ideal, flowing through the electric machine current This ideal current then has an alternating course, corresponding to the respective initial peak 60 'or 60 "
  • FIG. 4 shows a circuit diagram of a conventional buck converter 66, with which an input voltage UJn is converted into an output voltage U_Out, the magnitude of the output voltage being smaller than the magnitude of the input voltage.
  • the buck converter has a first shaft element 68 and a second switching element 70, which are connected in series.
  • This series circuit 72 has a center tap 74.
  • a memory inductor 76 and a Qlattungskondensator 78 is connected.
  • the two switching elements 68 and 70 are controlled complementary or clocked. It has proven to be advantageous to use the step-down converter with a clock frequency of the order of about 25kHz.
  • the two Schartieri 68 and 70 are designed as transistors, in particular as MOSFET transistors
  • FIG. 5 shows a partial circumference of the adjustment unit according to the invention.
  • the electric machine 24, more specifically the starter motor, has a number of stator windings. Preferably, it is an electrical machine with three stator windings, one of which
  • the voltage U_EMK indicated in FIG. 5 represents the electromotive force which is related to the stator winding 80 and which arises due to the rotational movement of the shaft 82 of the electric machine

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und- ein Verfahren zum Starten eines in einem Fahrzeug angeordneten Verbrennungsmotors (10). Hierfür sind vorgesehen: eine elektrische Maschine (24, 24'), die dazu ausgebildet ist, den Verbrennungsmotor (10) zumindest zeitweise anzutreiben, und eine erste Speichereinheit (28, 28', 50), die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie zu speichern. Außerdem ist eine Einstelleinheit (26, 26') vorgesehen, über die die elektrische Maschine (24, 24') mit der ersten Speichereinheit (28, 28', 50) verbindbar ist, wobei die Einstelleinheit (26, 26') dazu ausgebildet ist, zumindest einen definierten Verbrennungsmotorbetriebszustand und/oder zumindest einen definierten Fahrzeugbetriebszustand zu erfassen, und zumindest in Abhängigkeit des erfassten Verbrennungsmotorbetriebszustands und/oder des erfassten Fahrzeugbetriebszustands eine elektrische Größe einzustellen, die eine beim Antreiben des Verbrennungsmotors (10) von der elektrischen Maschine (24, 24') aus der ersten Speichereinheit (28, 28', 50) entnommene elektrische Leistung bestimmt, oder die entnommene elektrische Leistung selbst einzustellen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Starten eines in einem Fahrzeug angeordneten Verbrennungsmotors
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Starten eines in einem Fahrzeug angeordneten Verbrennungsmotors. Für das Starten des Verbrennungsmotors sind vorgesehen: eine elektrische Maschine, die dazu ausgebildet ist, den Verbrennungsmotor zumindest zeitweise anzutreiben, . und eine erste Speichereinheit, die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie zu speichern.
Heutzutage kommen im Automobilbau unterschiedlich aufgebaute Verbrennungsmotoren zum Einsatz. Ein Merkmal, in dem sich Verbrennungsmotoren in ihrem Aufbau unterscheiden, ist die Art der Zündungseinleitung. So gibt es selbstzündende Verbrennungsmotoren (Dieselmotoren) und frerndzündende Verbrennungsmotoren, wobei der am weitesten verbreitete frerndzündende Verbrennungsmotor der Ottomotor ist Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Anzahl der Zylinder. Im. Automobiibau kommen vorwiegend Verbrennungsmotoren zum Einsatz, die drei, vier, sechs, acht oder zwölf Zylinder aufweisen.
Bisher wurde für jeden Typ von Verbrennungsmotor ein individueller Startermotor und eine zugehörige individuelle Energieversorgung entwickelt bzw. konzipiert; beide Komponenten wurden in Abhängigkeit der Art der Zündungseinleitung und der Anzahl der Zylinder individuell ausgelegt. Gründe hierfür sind Folgende: Die unterschiedlichen Typen von Verbrennungsmoto- ΓΘΠ haben jeweils unterschiedliche Anforderungen an die ideale elektrische Leistung, die während des Startvorgangs von dem Startermotor aufgenommen wird und/oder an den idealen elektrischen Strom, der wahrend des Startvorgangs durch den Starlermotor fließt. Hinzu kommt, dass für den jeweiligen Typ von Verbrennungsmotor die ideale elektrische Leistung und der ideale elektrische Strom in Abhängigkeit der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors variieren. Bei einem Kaltstart wird von dem Startermotor eine andere elektrische Leistung aufgenommen als bei einem Wannstart.
Ein weiterer Aspekt ist folgender sowohl bei Fahrzeugen, die mit einer sogenannten Start-Stopp-Automatik ausgestattet sind, als auch bei Hybridfahrzeugen ist ein gegenüber einem konventionellen Fahrzeug modifiziertes Startverhatten erforderlich. Mit einer Start-Stopp-Automatik wird der Verbrennungsmotor bei einem Stillstand des Fahrzeugs abgeschaltet Bei einem Hybridfahrzeug ist für den Vortrieb sowohl ein Verbrennungsmotor als auch eine elektrische Maschine vorgesehen. Das modifizierte Startverhatten hängt mit neuen Betriebsstrategien zusammen, die. mit diesen neuartigen Fahrzeugen möglich sind bzw. erforderlich werden, und die zu veränderten Anforderungen an die vom Startermotor während des Startvorgangs aufgenommene elektrische Leistung und an den Komfort während des Startvorgangs fuhren.
Bei einem konventionellen Fahrzeug sind der Startermotor und die zugehörige Energieversorgung für den Erststart bzw. Initialstart des Verbrennungsmotors ausgelegt, der erstmals nach Betreten des Fahrzeugs vom Fahrer bei Fahrtantritt ausgelöst wird. Bei einem Erststart ist es nicht erforderlich, dass der Verbrennungsmotor innerhalb kürzester Zeit ein definiertes großes Drehmoment bereitstellt
Bei einem Fahrzeug mit Start-Stopp-Automatik sind neben dem Erststart auch ein Wiederstart und ggf. ein Zustart des Verbrennungsmotors durchzuführen. Sowohl bei einem Wiederstart als auch bei einem ZuStart existiert zunächst keine wirktechnischa Verbindung des Verbrennungsmotors mit den angetriebenen Rädern des Fahrzeugs, sie steht Jedoch unmittelbar bevor. Der Wiederstart und der Zustart werden von einer im Fahrzeug verbauten Steuereinheit veranlasst. Auf einen durchzuführenden Wiederstart wird erkannt, wenn in einem Fahrzeugruhezustand ein Anfahrsignal vorliegt, wobei in dem Fahrzeugruhezustand das Fahrzeug sieht und der Verbrennungsmotor steht oder eine Motordrehzahl aufweist, die zwischen einer Abstelldrehzahl und dem Wert Null Hegt. Auf einen durchzuführenden Zustart wird erkannt, wenn in einem Fahrzeugbewegungszustand eine Motormomentanforderung vorliegt, wobei in dem Fahrzeugbewegungszustand das Fahrzeug fahrt und der Verbrennungsmotor steht oder eine Motordrehzahl aufweist, die zwischen einer Abstelldrehzahl und dem Wert Null liegt Sowohl bei dem Fahrzeugruhezustand als auch bei dem Fahrzeugbewegungszustand wird darauf abgestellt, dass der Verbrennungsmotor entweder stiN steht (Motordrehzahl Null), oder eine abklingende Motordrehbewegung ausführt (Motordrehzahl zwischen Abstelldrehzahl und dem Wert Null). Bei dem Fahrzeugruhezustand soll die Fahrzeuggeschwindigkeit vorzugsweise den Wert Null aufweisen. Es sind aber auch Start-Stopp-Automatik-Systeme denkbar, bei denen ein Wiederstart durchführbar ist, wenn sich das Fahrzeug mit einer nicht allzu großen Geschwindigkeit fortbewegt, beispielsweise mit 3km/h oder mtt 20km/h. Demzufolge kann auch auf einen durchzuführenden Wiederstart erkannt werden, wenn in einem bedingten Fahrzeugbewegungszustand ein Anfahrsignal vorliegt, wobei der bedingte Fahrzeugbewegungszustand dann vorliegt, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs kleiner als ein Schwellenwert ist, der beispielsweise 3km/h oder 20km/h betragt Bei dem Fahrzeugbewegungszustand weist die Fahrceuggeschwindigkeit einen beliebigen, von Null verschiedenen Weit auf, der vorzugsweise deutlich größer als 20km/h ist und beispielsweise bei 50km/h oder 70km/h oder deutlich größeren Werten liegt Das Anfahrsignal repräsentiert ein unmittelbar bevorstehendes Anfahren des Fahrzeugs, welches aus dem Fahrzeugruhezustand heraus begonnen werden soll. Bevorzugt soll es sich dabei um ein durch den Fahrer eingeleitetes Anfahren handeln. Als Anfahrsignal kommt hierbei beispielsweise ein Signal in Frage, welches die Betätigung des Kupplungspe- dais durch den Fahrer repräsentiert. Alternativ kann es sich aber auch um ein automatisiertes, also fahrerunabhängig eingeleitetes Anfahren handeln. Die Motormomentanford erung repräsentiert ein Drehmoment, welches von dem Verbrennungsmotor im vorliegenden Fahrzeugbewegungszustand fahrerabhängig oder fahrerunabhängig einzustellen ist. Ein fahrerabhängig einzustellendes Drehmoment ergibt sich beispielsweise aufgrund einer Betätigung des Fahrpedals durch den Fahrer. Folglich kann es sich in diesem Fall bei der Motormomentanforderung um eine die Fahrpedalbetätigung repräsentierende Größe handeln. Beispielsweise kann ein Längsregelungssystern eine fah- rerunabhängige Motormomentanforderung erzeugen, wobei es sich bei dem Längsregelungssystem beispielsweise um einen Abstandsregettempomaten handeln kann. Bei der Abstelldrehzahl handelt es sich um diejenige Motordrehzahl des Verbrennungsmotors, die sich beim Ablegen des Verbrennungsmotors einstellt, d.h. bei oder unmittelbar nach Unterbrechen der Wirkverbindung zu den angetriebenen Rädern, beispielsweise, bedingt durch Betätigen der Kupplung. Die AbsteUdrehzahl kann im ersten Moment der Leer- ' laufd rehzahl entsprechen, sie kann aber betriebsbedingt auch zeitweise oberhalb der Leerlaufdrehzahl Degen.
Der Wiederstart und der Zustart des Verbrennungsmotors unterscheiden sich von einem Initialstart. Beim Wiederstart, beispielsweise an einer Ampel, ist innerhalb kürzester Zeit ein großes Drehmoment durch den Verbrennungsmotor bereitzustellen, der Verbrennungsmotor wird schneller gestartet als beim Initialstart. Beim Zustart des Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug- . bewegungszustand muss der Verbrennungsmotor innerhalb kürzester Zeit ein mit dem Fahrzeugbewegungszustand korrelierendes Drehmoment bereitstellen, es ist ein sehr schnelles .Hochreißen" des Verbrennungsmotors auf eine gewünschte Antriebsdrehzahl erforderlich (Reflexstart).
Bei einem Hybridfahrzeug ist neben dem Erststart auch ein Zustart des Verbrennungsmotors durchzuführen. Hierbei gelten die vorstehenden Ausfüh- rungen in entsprechender Weise, die bezüglich eines Fahrzeugs mit Start- Stopp-Automatik gemacht wurden.
Diese neuen Betriebsstrategien (Zustart und oder Wiederstart) mit dem sich daraus ergebenden modifizierten Startverhalten erfordern einen auf den Jeweiligen Verbrennungsmotor abgestimmten Startermotor und eine zugehörige Energieversorgung, die leistungsfähiger gegenüber denjenigen Komponenten sind, die in konventionellen Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Folglich können die bei konventionellen Fahrzeugen zum Einsatz kommenden Komponenten nicht ohne weiteres bei den neuartigen Fahrzeugen eingesetzt werden.
Ein weiterer Aspekt, der den Einsatz abgeänderter und somit neuartiger Startermotoren erfordert, ist Folgender: Neue Antriebsaichitekturen, wie sie beispielsweise bei Mikro- oder Mild-Hybrid-Fahrzeugen zum Einsatz kommen, geben neue Betriebsspannungen für den Startermotor vor. Bei diesen Antriebskonzepten wird der Startermotor Ober ein separates Bordnetz versorgt, dessen Spannung in einem Bereich von oberhalb 12V bis 60V liegen kann,, sie kann aber auch über 300V betragen. In Jedem Fall liegt diese Spannung oberhalb der Spannung eines konventionellen Bordnetzes, die üblicherweise 12V betragt.
Ein weiterer Aspekt, der die Entwicklung neuartiger Startermotoren eribrder- fich macht, ist der Einsatz von elektrischen Energiespeichern, die im Vergleich zu konventionellen Bielakkumulatoren sehr viel höhere Kurzschlussstrome liefern können. Als Beispiel sind sogenannte Superkondensatoren erwähnt, die Kurzschlussströme in der Größenordnung von bis zu 1500A bereitstellen können.
Wurde wie bisher vorgegangen werden, so wäre unter Berücksichtigung der vorstehend aufgeführten Aspekte, nämlich der Art der Zündungseinleitung, der Anzahl der Zylinder, inklusive der Berücksichtigung der. Betnebstempera- tur des Verbrennungsmotors, der neuen Betriebsstrategien, der neuen An- triebsarchitekturen und der neuen elektrischen Energiespeicher, die allesamt jeweils individuelle Anforderungen stellen an die ideale elektrische Leistung, die von einem Startermotor wahrend des Startvorgangs aufgenommen wird und/oder an den idealen elektrischen Strom, der wahrend des Startvorgangs durch den Startermotor fließt, eine große Anzahl individuell ausgelegter Startermotoren und zugehöriger Energieversorgungen erforderlich. Dies würde bei einem Fahrzeug dazu führen, bei dem mehrere dieser Aspekte zum Tragen kommen, insbesondere die Aspekte neue Betriebsstrategien, neue Antriebsarchitekturen und neue Energiespeicher, jeweils unter Berücksichtigung der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors, dass solch ein Fahrzeug mit einer Vielzahl, hinsichtlich der einzelnen Aspekte individualisierter Startsysteme (Startermotor und Bordnetz) ausgestattet sein müsste. Ein Beispiel für ein Fahrzeug, bei dem dies der Fan sein könnte, ist ein Hybridfahrzeug,
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art weiterzubilden, um bei einem Fahrzeug, bei dem mehrere Aspekte zum Tragen kommen, die jeweils individuelle Anforderungen stellen an die ideale elektrische Leistung, die von einem Startermotor während des Startens eines Verbrennungsmotors aufgenommen wird und/oder an den idealen elektrischen Strom, der während des Startens eines Verbrennungsmotors durch den Startermotor fließt, anstelle mit einer Vielzahl individualisierter Startermotoren bzw. Startsysteme lediglich mit einem einzigen Startermotor bzw. einem einzigen Startsystem auszukommen, insbesondere soll der Einsatz bereits verfügbarer, kostengünstiger Gleichstrom-Startermotoren möglich sein. Insgesamt soll eine kostengünstige, einfach zu handhabende und wenig Bauraum benötigende Vorrichtung bzw. ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die folgende Mittel aufweist: eine Einstelleinheit, über die die elektrische Maschine mit der ersten Speichereinheit verbindbar ist, wobei die Einstell- : eintieft dazu ausgebildet ist, zumindest einen definierten Verbrennungsmo- torbetriebszustand und/oder zumindest einen definierten Fahrzeugbetriebs- zustand zu erfassen, und zumindest in Abhängigkeit des erfassten Verbren- nungsmotorbetriebszustands und/oder des erfassten Fahrzeugbetriebszu- stands eine elektrische Größe einzustellen, die eine beim Antreiben des Verbrennungsmotors von der elektrischen Maschine aus der ersten Speichereinheit entnommene elektrische Leistung bestimmt, oder die entnommene elektrische Leistung selbst einzustellen.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem folgende Schritte in einer Einstelleinheit ablaufen, Ober die die elektrische Maschine mit der ersten Speichereinheit verbindbar ist:
- Erfassen zumindest eines definierten Vertjrennungsmotor etriebs- zustands und/oder zumindest eines definierten Fahrzeugbetriebs- zu8tand8, und
- Einstellen einer elektrischen Größe, die eine beim Antreiben des Verbrennungsmotors von der elektrischen Maschine aus der ersten Speichereinheit entnommene elektrische Leistung bestimmt oder der entnommenen elektrischen Leistung selbst zumindest in Ar> hangigkeit des erfassten Verbrennungsmotorbetriebszustands und/oder des erfassten Fahrzeugbetriebszustands.
Der erflndungsgem&Ben Vorrichtung und dem erfindungsgemfißen Verfahren liegt folgende Idee zugrunde: Schaltungstechnisch ist zwischen die elektrische Maschine und die erste Speichereinheit eine Einstelleinheit eingefügt.. Mit dieser Einstelleinheit ist eine elektrische Größe, die eine beim Antreiben des Verbrennungsmotors von der elektrischen Maschine aus der ersteh Speichereinheit entnommene elektrische Leistung bestimmt, oder di$ entnommene elektrische Leistung selbst einstellbar. Somit ist bei einem Fahrzeug, bei dem mehrere Aspekte zum Tragen kommen, die jeweils für sich individuelle Anforderungen an die ideale elektrische Leistung stellen, die von einem Starlermotor während des Startens eines Verbrenrturigsrnotors aufge- . nommen wird, die Möglichkeit gegeben, die entnommene und somit aufgenommene elektrische Leistung direkt oder indirekt einzustellen, und zwar gemäß dem jeweils zeitaktuell geltenden bzw. dem jeweils zu berücksichtigenden Aspekt Die entnommene elektrische Leistung kann somit entsprechend dem jeweiligen Aspekt eingestellt und folglich an die damit einhergehende Startanforderung angepasst werden. Somit ist es möglich, mit einem einzigen Startermotor bzw. mit einem einzigen Startsystem sämtliche Anforderungen an die entnommene elektrische Leistung und somit den Start des Verbrennungsmotors an sich zu erfüllen, die durch die unterschiedlichen zum Tragen kommenden bzw. für das jeweilige Fahrzeug zu berücksichtigen Aspekte definiert bzw. vorgegeben werden. Die EinsteHeinheit ermöglicht ein Einstellen bzw. aktives Variieren der aus der ersten Speichereinheit entnommenen und somit von der elektrischen Maschine aufgenommenen elektrischen Leistung, bzw. der elektrischen Größe, die diese Leistung bestimmt. Dadurch dass das Einstellen der entnommenen elektrischen. Leistung bzw. der elektrischen QröBe zumindest in Abhängigkeit eines Verbrennungsmo- torbetriebszustands und/oder eines Fahrzeugbetriebszustands erfolgt, ist eine Adaption zumindest an die unterschiedlichen Gegebenheiten bei Kaltstart und Warmstart sowie an die unterschiedlichen Gegebenheiten der jeweiligen neuen Betriebsstrategie möglich. Dies ermöglicht folgende Vorgehensweise bei der Entwicklung bzw. Konzipierung der elektrischen Maschine: im Vorfeld wird ermittelt, bei welchem Verbrennungsmotorbetriebszu- stand oder Fahrzeugbetriebszustand oder Kombination beider Zustandsarten die wertmäßig größte elektrische Leistung von der elektrischen Maschine aufgenommen wird. Die elektrische Maschine wird dann für diese elektrische Leistung ausgelegt Mit der Einstelleinheit kann dann für diejenigen Verbren- nungsnwtorbetriebszustande oder Fahrzeugbetriebszustände oder Kombinationen beider Zustandsarten, bei denen die wertmäßig größte elektrische Leistung nicht auftritt, die von der elektrischen Maschine aus der ersteh Speichereinheit entnommene elektrische Leistung eingestellt werden. Der Einstelleinheit stellt ein Vorschaltsystem dar, mit dem die aus der ersten Speichereinheit entnommene und somit von der elektrischen Maschine aufgenommene elektrische Leistung eingestellt bzw. begrenzt werden kann.
Um die vorgenannte Adaption zu ermöglichen weist die Einstelleinheit vorzugsweise zumindest eine Erfassungseinheit und eine Ansteuereinheit auf. Die Erfassungseinheit ist dazu ausgebildet, zumindest einen definierten Ver- bren nu ngsmotorbetriebszustand und/oder zumindest einen definierten Fahr- zeugbetriebszustand zu erfassen. Die Ansteuereinheit ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit des erfassten Verbrennurigsmotorbetriebszustands und/oder des erfassten Fahrzeugbetriebszustand die entnommene elektrische Leistung oder diejenige elektrische Größe, die die entnommene elektrische Leistung bestimmt, einzustellen.
Werden weitere einschlagige Größen und/oder Parameter in der EinsteJIein- heit erfasst oder zumindest verarbeitet, ist eine Adaption der entnommenen elektrischen Leistung an weitere Aspekte bzw. durch diese vorgegebene Anforderungen möglich, so zum Beispiel an die Art der ZOridungseinleitung, an die Zähl der Zylinder, an die Art der zum Einsatz kommenden Antriebsarchitektur oder an die Art der verwendeten elektrischen Energiespeicher.
Die obengenannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst
Konsequenterweise ist die Einstelleinheit dazu ausgebildet, einen von der elektrischen Maschine aus der ersteh Speichereinheit entnommenen elektrischen Strom zu begrenzen. Folglich ist der elektrische Strom die einzustellende elektrische Größe, die die entnommene elektrische Leistung bestimmt. Die Einstelleinheit entspricht in ihrer Funktionalität einer einstellbaren bzw. regelbaren Impedanz. Der entnommene Strom lässt sich einfach und präzise einstellen, was demzufolge für die entnommene elektrische Leistung entsprechend gilt. Somit kann die elektrische Maschine für den maximal möglichen durch sie fließenden elektrischen Strom ausgelegt werden, wobei für diejenigen Verbrennungsmotor etriebszustände oder Fahrzeugbetriebszu- stände oder Kombinationen beider Zustandsarten, bei denen dieser Strom nicht auftritt, der durch die elektrische Maschine fließende Strom auf einen entsprechend niedrigeren Wert begrenzt wird.
Die elektrische Maschine weist eine Anzahl von Statorwicklungen auf, so dass in einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme die Einstelleinheit dazu ausgebildet ist, für die einzelnen Statorwicklungen den elektrischen Strom zu begrenzen. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die von der elektrischen Maschine entnommene elektrische Leistung bzw. der durch sie fließende elektrische Strom besonders präzise eingestellt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Einstelleinheit zumindest teilumfänglich für die Realisierung einer Tlefsetzstellerfunktionalität ausgebildet Die Ei steUeiriheit weist hierfür in ihrem den Leistungsteil betreffenden Umfang eingangsseitig ein Schattelement, insbesondere einen
MOSFET-Transistor und eine Freilaufdiode auf, wobei anstelle der Freilaufdiode ein weiterer Transistor eingesetzt werden kann. Vorzugsweise wird als für die Realisierung der Tiefsetzstejterfunktionantat benöfjgte-Speicherinduk- tivität zumindest eine der Statorwicklungen verwendet, von denen die elektrische Maschine eine Anzahl aufweist Durch die Kombination der in der Einstelleinheit enthaltenen Komponenten, hierbei handelt es sich entweder um ein Schattelement und eine Freilaufdiode oder um zwei Schaltelemente, und der Statorwicklung der elektrischen Maschine, entsteht ein modifizierter Tiefsetzsteller, der gegenüber einem klassischen Tiefsetzsteller keinen Glät- tungskondensator aufweist Ein Tiefsetzsteller ist ein Gleichspannungswandler mit einem sehr einfachen und robusten Aufbau, der sehr zuverlässig arbeitet Er zeichnet sich dadurch aus, dass die von ihm ausgangsseitig bereitgestellte Spannung wertmäßig kleiner ist, als die ihm eingangsseitig zugeführte Spannung. Der Wert der ausgangsseitig bereitgestellten Spannung wird durch geregeltes Ein- und Ausschalten des Schaltelements festgeleg Bei einer in einem Fahrzeug für den Vortrieb eingesetzten elektrischen Maschine können im Vortriebsfall wertmäßig sehr große elektrische Ströme durch diese fließen. Aus diesem Grund muss die zur Realsierung der
Tiefsetzstellerfunktionalität benötigte Induktivität entsprechend groß dimensioniert werden. Die Induktlvftätswerte einer entsprechend geeigneten Induktivität Hegen in der Größenordnung mehrerer μΗ, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 6 μΗ oder gar darüber. Speicherinduktivitäten mit Induktivitätswerten über 6μΗ haben den Vorteil, dass die Taktfrequenz für den Betrieb des TiefsetzsteHers reduziert werden kann, wodurch sich die Schaltverluste in den Schaltelementen verringern lassen. Solche Induktivitäten haben den Nachteil, dass sie nicht nur groß, sondern auch teuer sind. Hier wurde von . den Erfindern nun erkannt, dass zumindest eine der in der elektrischen Maschine ohnehin vorhandenen Statorwicklungen als Speicherinduktivität und somit zur Realisierung der Tiefsetzstellerfunktionalitat eingesetzt werden kann. Somit kann auf eine eigenständige, zusätzlich vorzusehende, große und teure Induktivität verzichtet werden, was zu niedrigen Kosten führt und den Bedarf an Bauraum reduziert Vorzugsweise handelt es sich bei der elektrischen Maschine um einen Ritzelstartermotor, dessen
Ankerinduktivitäten zur Realisierung der Tiefsetzstelte rfunktionalität verwendet werden. Vorzugsweise ist der Ritzelstartermotor als permanenterregter Gleichstrommotor ausgebildet. Vorzugsweise kann es sich um einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor handeln.
Durch die Kombination der in der Einstelleinheit enthaltenen Komponenten mit den Komponenten der elektrischen Maschine entsteht ein Tiefeetzsteller, durch den sich besagte elektrische Größe oder die entnommene elektrische Leistung selbst einstellen lässt Mit arideren Worten: im Zusammenwirken mit der elektrischen Maschine kann durch die Einstelleinheit besagte elektrische Größe oder die elektrische Leistung selbst eingestellt werden. Der modifizier- te Tiefsetzsteller besteht aus räumlich getrennten Komponenten, ersten Komponenten, die in der Einstelleinheit enthalten sind (Schaltelemente . und/oder Freilaufdiode) und zweiten Komponenten, die in der elektrischen Maschine enthalten sind (Statorwicklung).
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Einstelleinheit ferner dazu ausgebildet, die elektrische Größe oder die entnommene elektrische Leistung selbst in Abhängigkeit einer den Verbrennungsmotor charakterisierenden Größe einzustellen. Vorzugsweise handelt es sich bei der charakterisierenden Größe um eine Größe, die das Startverhalten des- Verbrennungsmotors, charakterisiert, insbesondere das zeitliche Verhalten des Verbrennungsmotors während des Startvorgangs. Dies bedeutet, dass in Abhängigkeit des Startverhaltens des Verbrennungsmotors die wahrend des Startvorgangs von der elektrischen Maschine der ersten Speichereinheit entnommene elektrische Leistung bzw. der hierbei durch die elektrische Maschine fließende elektrische Strom eingestellt bzw. begrenzt wird. Vortellhaftarwelse erfolgt das Einstellen bzw. Begrenzen so, dass für den durch die jeweilige Statorwicklung der elektrischen Maschine fließenden Ström diejenige Stromspitze, die sich an die Einschaltstromspitze anschließt, solch einen ausreichend hohen Wert aufweist, dass innerhalb des Startvorgangs die erste Kompression des Verbrennungsmotors vollständig ablaufen kann, da dieser ansonsten nicht anspringt Demzufolge handelt es sich bei der charakterisierenden Größe um eine besagte Stromspitze charakterisierende Größe, vor-, zugeweise um einen mit besagter Stromspitze korrelierenden Stromwert und/oder einen zugehörigen Zeitwert.
Alternativ oder ergänzend kann es sich bei der charakterisierenden Größe auch um eine einzuhaltende Startzeit handeln, innerhalb der der Verbrennungsmotor angesprungen sein muss. Aus dieser Startzeit wird die hierfür beim Antreiben des Verbrennungsmotors von der elektrischen Maschine aus der ersten Speichereinheit zu entnehmende elektrische Leistung und somit die für das Antreiben des Verbrennungsmotors erforderliche elektrische Lete- tung bzw. der durch die elektrische Maschine fließende elektrische Strom ermittelt und eingestellt bzw. begrenzt. Alternativ oder ergänzend kann es sich bei der charakterisierenden Größe auch um ein Moment des Verbrennungsmotors handeln, welches beim Startvorgang von der elektrischen Maschine zu überwinden ist. In Abhängigkeit dieses Moments wird ein Wert für die hierfür von der elektrischen Maschine aufzubringende elektrische Leistung und somit für den während des Startvorgangs durch die elektrische Maschine fließenden Strom ermittelt
Unabhängig davon, von welcher Größe ausgegangen wird, um einen Wert zu ermitteln für die beim Antreiben des Verbrennungsmotors von der elektrischen Maschine aus der ersten Speichereinheit zu entnehmende elektrische Leistung oder für den dabei durch die elektrische Maschine fließenden Strom, in Abhängigkeit dieser Größe werden Werte für Tastverhärtnisse ermittelt, mit denen in der Einstelleinheit vorhandene Halbleiterelemente anzusteuern sind, um die geforderte elektrische Leistung bzw. den geforderten elektrischen Strom einzustellen bzw. zu begrenzen
Vorzugsweise handelt es sich bei der charakterisierenden Größe um eine im Vorfeld im Rahmen einer Applikation ermittelte Größe, die in der Einstellein- heit abgespeichert bzw. hinterlegt' ist. Vorteilhafterweise kann beim Einstellen der elektrischen Größe oder der entnommenen elektrischen Leistung selbst, eine den Ladezustand der ersten Speichereinheit repräsentierende Größe berücksichtigt werden, wobei es sich bei dieser Größe vorzugsweise um die an der ersten Speichereinheit anliegende Spannung handelt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine aktivierbare Überbrü- ckungseinheit vorgesehen, bei deren Aktivierung die elektrische Maschine unter Umgehung der Einstelleinheit direkt mit der ersten Speichereinheit oder einer zweiten Speichereinheit verbunden ist. Diese Maßnahme hat folgenden Vorteil: [Beispielsweise fließen bei einem Kaltstart während des Startvor- gangs extrem hohe Ströme durch die elektrische Maschine, insbesondere dann wenn dieser bei sehr niedriger Umgebungstemperatur durchgeführt wird. Bleibt nun die schaltüngstechnische Anordnung erhalten, gemäß der die elektrische Maschine Ober die Einstelleinheit mit der ersten Speichereinheit verbunden ist, so kann es aufgrund der Begrenzungsfunktionaftät der Einstelleinheit dazu kommen, dass steh die für das Starten des Verbrennungsmotors erforderlichen extrem hohen Ströme nicht einstellen können. Wird nun durch Aktivieren der Überbrückungseinheit die schaltungstechnische Anordnung derart aufgelöst, dass die elektrische Maschine direkt mit der ersten Speichereinheit oder einer weiteren zweiten Speichereinheit, vorzugsweise einem in einem 12V-Bordnetz angeordneten Bleiakkumulator, verbunden ist, so können die extrem hohen Ströme realisiert werden, da die Begrenzungsfunktionalitfit der Einstelleinheit nicht greift. Eine entsprechende Vorgehensweise kann auch beim Erststart in bestimmten Situationen erforderlich sein.
Wie bereits ausgeführt, weist die elektrische Maschine eine Anzahl von Statorwicklungen auf. Vorteilhafterweise weist die Einstelleinheit für jede der Statorwicklungen eine Anzahl von in Reihe geschalteter erster und zweiter Halbleiterelemente auf, wobei die Reihenschaltung einen Mittelabgriff aufweist, an den die jeweilige Statorwicklung angeschlossen ist. Weist die elektrische Maschine drei Statorwicklungen auf, so verfugt die Einstelleinheit in ihrer Minimalkönffguration Ober sechs Halbleiterelemente. Für den Fall, dass es sich bei sämtSchen drei ersten und drei zweiten Hableiterelementen um Transistoren handelt, vorzugsweise MOSFET-Transistoren, enthält die Einstelleinheit eine sogenannte B6-Brücke, über die die drei Statorwicklungen mit Strom versorgt werden. Hierfür ist die Einstelleinheit dazu ausgebildet, die für eine Statorwicklung in Reihe geschalteten ersten und zweiten Transistoren entsprechend einem vorgegebenen Ansteuermuster komplementär anzusteuern. Vorteilhafterweise enthält die Einstelleinheit für jede der Statorwicklungen mindestens zwei Reihenschaltungen, vorzugsweise vier Reihenschaltungen, wobei die einzelnen Reihenschaltungen zueinander pa- rallel geschaltet sind. Dadurch können die geforderten hohen elektrischen Ströme realisiert werden.
In einerweiteren Ausgestaltung der (Erfindung ist zumindest ein Glättungsfil- ter vorgesehen. Dieses Glättungsfitter ist vorzugsweise in der Einstelleinheit enthalten und beispielsweise, als LC-Glied ausgeführt. Durch den Einsatz eines Glättungsfilters entspricht die Einstelleinheit in ihrem den Leistungsteil betreffenden Umfang dem Schaltungsschema eines klassischen Tiefsetzstellers. Das Glättungsfitter hat die Funktion, eventuell auftretende Spannungsspitzen zu dampfen und somit die an der Einstelleinheit ausgangsseitig anliegende Spannung zu glätten. Dadurch können externe Leistungsverluste . und Störungen in der eingangsseltigen Spannung des Tiefsetzstellers vermieden werden. Femer wird durch den Einsatz des Glättungsfilters der Verschleiß an den Bürsten des Ritzelstartermotors reduziert
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Einstelleinheit femer dazu ausgebildet, eine an der elektrischen Maschine anliegende elektrische Spannung zu begrenzen. Diese Maßnahme hat folgenden Vorteil: Ist ein Fahrzeug mit einer neuen Antriebsarchitektur ausgerüstet, so verfügt es über ein separates Bordnetz, dessen Spannung größer ist, als die Spannung eines konventionellen Bordnetzes. Es ist nun möglich, ausgehend von der Spannung des separaten Bordnetzes eine Spannung von 12V zu generieren, - die dem Wert eines konventionellen Bordnetzes entspricht Somit besteht die Möglichkeit, eine elektrische Maschine, die für ein 12V-Bordnetz ausgelegt ist, über das separate Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines teilumfänglichen Fahrzeugantriebsstrangs zur Erläuterung der Erfindung,
Fig. 2 in drei Teilfiguren unterschiedliche Bordnetzarchitekturen, in denen die Erfindung zur Anwendung kommt,
Fig. 3 Stromverlaufskurven unterschiedlicher wahrend eines Startvorgangs durch die elektrische Maschine fließender Ströme,
Fig. 4 ein Schaltungsschema eines klassischen Tiefsetzstellers,
Fig. 5 ein Schaltungsschema einer in der Einstelleinheit zum Einsatz kommenden Schaltung für die Realisierung einer Tiefsetzstellerfunktionalität, Fig. 6 eine schematische Darstellung des Aufbaus der Einstelleinheit, Flg. 7 eine schematische Darstellung des der Einstelleinheit zugrundeliegenden Regelungskonzeptes.
In Fig. 1 ist ein in einem Fahrzeug angeordneter Verbrennungsmotor 10 dargestellt Dieser steht über ein Zweimasse nschwungrad 12 und eine Trennkupplung 14 mit einem Getriebe 16 in Wirkverbindung, um nicht dargestellte Antriebsräder anzutreiben. Femer sind verschiedene Aggregate, beispielsweise eine Wasserpumpe 18, ein Kartekompressor 20 und ein elektrischer Generator 22 wirktechnisch mit dem Verbrennungsmotor 10 verbunden, um von diesem angetrieben zu werden. Dies entspricht vom Aufbau her einem konventionellen Fahrzeug. Bei einem Hybridfahrzeug, insbesondere bei einem als Parallelhybrid ausgeführten Fahrzeug, ist für den Vortrieb neben dem Verbrennungsmotor 10 zusätzlich eine entsprechend ausgelegte elektrische Maschine vorgesehen.
Zum Starten des Verbrennungsmotors 10 ist eine elektrische Maschine 24 vorgesehen, die über eine Einstelleinheit 26 mit einer ersten Speichereinheit 28 verbindbar ist. Die erste Speichereinheit 28 ist Teil eines ersten Bordnet- . zes 30, das für die Versorgung der elegischen Maschine 24 vorgesehen ist Bei der ersten Speichereinheit 28 kann es sich um einen Superkondensator oder um einen Lithium-Ionen-Akkumulator handeln.
Das Fahrzeug weist ein zweites, konventionelles Bordnetz 32 auf, das auch als Basisbordnetz bezeichnet wird. Das zweite Bordnetz 32 weist eine zweite Speichereinheit 34 auf, die beispielsweise als konventioneller Bleiakkumulator ausgeführt ist Aus der zweiten Speichereinheit 34 werden erste Verbraucher 36 mit elektrischer Energie versorgt Zudem wird ausgehend von der zweiten Speichereinheit 34 Ober eine erste Versorgungsleitung 38 eine für den Betrieb des schaltungstechnischen Urnfangs der Einstelleinheit 26 benötigt Versorgungsspannung bereitgestellt. Der elektrische Generator 22 dient zum Laden der ersten Speichereinheit 28 und der zweiten Speichereinheit 34, wobei die zweite Speichereinheit 34 Ober einen entsprechend ausgelegten Gleichspannungswandler 40 mit dem Generator 22 verbunden ist
Zur Ansteuerung des Verbrennungsmotors 10 ist eine Motorsteuereinheit 42 vorgesehen, der ausgehend von Sensoren 44 die hierfür erforderlichen Größen bzw. Daten zugeführt werden. Femer ist die Motorsteuereinheit 42 mit der Einstelleinheit 26 verbunden, so dass der Einstelleinheit 26 für deren Betrieb benötigte Daten oder Größen zugeführt werden können. Ergänzend oder alternativ können Daten oder Größen auch von den Sensoren 44 selbst bereitgestellt werden-.
Die Einstelleinheit 26 ist dazu ausgebildet, zumindest einen definierten Ver- brennungsmotorbdnebszüstand und/oder zumindest einen definierten Fahr- zeugbetriebszustand zu erfassen. In Abhängigkeit der erfassten Zustande wird dann eine elektrische Größe eingestellt, die eine wahrend des Startvorgangs des Verbrennungsmotors 10 von der elektrischen Maschine 24 aus der ersten Speichereinheit 28 entnommene elektrische Leistung bestimmt Vorzugsweise wird der durch die elektrische Maschine 24 fließende Strom begrenzt. Alternativ kann die aus der ersten Speichereinheit 28 entnommene elektrische Leistung selbst eingestellt werden. Optional kann eine aktivierbare Übeibrflckungseinheit 46 vorgesehen sein, was in Fig. 1 durch die strichlinierte Darstellung angedeutet ist Bei der in Flg. 1 gezeigten Anordnung der Überbrückungseinheit 46 führt deren Aktivierung dazu, dass die elektrische Maschine 24 nicht über den aus der ersten Speichereinheit 28 und der Einstelleinheit 26 bestehenden Pfad, sondern aus der zweiten Speichereinheit 34 mit elektrischer Energie versorgt wird, die für das Antreiben des Verbrennungsmotors 10 benötigt wird. Die Aktivierung der Überbrückungseinheit 46 kann beispielsweise bei einer als Uthium-Ionen- Akkumulator ausgeführten ersten Speichereinheit 28 erforderlich sein, nämlich dann, wenn bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen ein Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 erfolgen soll. Der Grund hierfür ist, dass bei solchen Akkumulatoren der Innenwiderstand bei Kälte zunimmt und somit die von dem Akkumulator abgebbare Leistung abnimmt. Auch bei einem Erststart kann die Aktivierung der Überbrückungseinheit 46 erforderfleh sein. Die zweite Speichereinheit 34 soll eine Spannung von 12V bereitstellen, wohingegen die erste Speichereinheit 28 eine Spannung in- der Größenordnung von 20 bis 50V bereitstellen soll.
Die in Fig. 1 gezeigte schematische Darstellung soH keine einschränkende Wirkung auf die Bordnetzarchitektur bzw. Topologie des Bordnetzes haben. Die noch zu beschreibenden Teilfiguren 2a, 2b und 2c zeigen unterschiedliche Bordnetzarchitekturen, bei denen die Einstelleinheit 26 zum Einsatz kommt.
Teilfigur 2a zeigt ein konventionelles Bordnetz 48 (Standardbordnetz), das hinsichtlich der Funktionalität dem in Fig. 1 dargestellten zweiten Bordnetz 32 entspricht Das konventionelle Bordnetz 48 weist eine Speichereinheit 50 zum Bereitstellen einer 12V-Spannüng U1 auf. wobei es sich im Sinne der Erfindung hierbei um die erste Speichereinheit handelt. Ferner weist das konventionelle Bordnetz 48 erste Verbraucher 36' und zweite Verbraucher 52 auf.. Die Speichereinheit 50 kann über einen Generator 22' geladen werden, wobei es sich um .einen 12V-Generator handelt. Eine elektrische Maschine 24' ist über eine Einstelleinheit 26' mit der. ersten Speichereinheit 50 verbunden. Mit Hilfe einer Überbrückungseinheit 46' kann bei einem bei tiefen Umgebungstemperaturen durchzuführenden Kaltstart und/oder im Falle eines Erststarts die elektrische Maschine 24' direkt mit der Speichereinheit 50 verbunden werden. Abhängig von dem geforderten und somit einzustellenden elektrischen Strom, der wahrend des Startvorgangs durch die elektrische Maschine 24' fließen soll, wird die Einstelleinheit 26' entsprechend angesteuert. Optional kann bei der Ansteuerung der Einsterleinheit 26' zusätzlich die minimale Bordnetzspannung berücksichtigt werden. Aufgrund der Einstelleinheit 26'. mit der der durch die elektrische Maschine 24' fließende Strom begrenzt werden kann, kann auf den Einsatz einer werteren Speichereinheit 54 verzichtet werden, die ansonsten für die Speisung der elektrischen Maschine 24' vorzusehen wäre, um während des Startvorgangs Spannungseinbrüche in der Bordnetzspannung zu vermeiden. Das konventionele Bordnetz 48 kann bei einem konventionellen Fahrzeug (ohne Start-Stopp- Automatik) zum Einsatz kommen.
Teilfigur 2b zeigt ein zweites, konventionelles Bordnetz 32' (Basisbordnetz), das Ober einen Glek^spannungswandler Äff mit einem ersten Bordnetz 30'. einem sogenannten separaten Zustartbordnetz verbunden ist Durch den Gleichspannungswandler 40' sind die beiden Bordnetze getrennt Solch eine erweiterte Bordnetzarchitektur kommt beispielsweise bei einem Fahrzeug mit einer Start-Stopp-Automatik zum Einsatz, bei dem ein Zustarten oder Wiederstarten des Verbrennungsmotors durchzuführen ist Diese Bordnetzarchitektur kann auch bei einem Hybridfahrzeug eingesetzt werden, bei dem ein Wiederstarten des Verbrennungsmotors durchzuführen ist Das erste
Bordnetz 30' weist eine erste Speichereinheit 28' zum Bereitstellen einer 12V-Spannung U1 und dritte Verbraucher 56 auf. Eine elektrische Maschine 24' (st über eine Einstelleinheit 26' mit der ersten Speichereinheit 28' verbunden. Auch in diesem Fall ist eine Überbrückungseinheit 46' vorgesehen, mit der eritsp^BChend den Ausführungen zu Teilfigur 2a die elektrische Maschine 24' direkt mit der ersten Speichereinheit 28' verbunden werden kann..Das zweite Bordnetz 32' weist einen Generator 22'. eine zweite Speichereinheit 34' und erste Verbraucher 36' auf. Abhangig von dem geforderten und somit einzustellenden elektrischen Strom wird die Einstelleinheit 26' entsprechend angesteuert, so dass dieser Strom fließt und sich für den Verbrennungsmotor ein vorgegebener Drehzahlverlauf ergibt. Optional kann bei der Ansteuerung der Einstelleinheit 26' zusätzlich die minimale Bordnetzspannung berücksichtigt werden. Weitergehende Ausführungen zu der Einstelleinheit 26' können der Beschreibung der Teilfigur 2a entnommen werden. Die erste Speichereinheit 28' und die zweite Speichereinheit 34'können Ober den Generator 22' geladen werden.
Die in Teilfigur 20 gezeigte Bordnetzarchitektur entspricht der in Fig. 1 dargestellten Bordnetzarchitektur. Ein zweites, konventionelles Bordnetz 32' ist Ober einen Gleichspannungewandler 40' mit einem ersten Bord netz 30' gekoppelt Bei dem ersten Bordnetz 30' handelt es sich um ein sogenanntes Zustartbordnetz. Das zweite Bordnetz 32' weist eine zweite Speichereinheit 34' und erste Verbraucher 36' auf. Eine elektrische Maschine 24' ist Ober eine Einstelleinheit 26' mit einer in dem ersten Bordnetz 30' enthaltenen ersten Speichereinheit 28' verbunden. Das erste Bordnetz 30' weist ferner einen Generator 22' und dritte Verbraucher 56' auf. Mittels einer Überbrückungs- eihheit 46' kann die elektrische Maschine 24' direkt mit der zweiten Speichereinheit 34' verbunden werden. Die zweite Speichereinheit 34' ist vorzugsweise als Bleiakkumulator ausgebildet, somit kann bei einem bei tiefen Umgebungstemperaturen durchzuführenden Kaltstart und/oder im FaUe eines Erststarts die elektrische Maschine 24' unter Umgehung der Einstelleinheit 26' aus der zweiten Speichereinheit 34' mit elektrischer Energie versorgt werden. Die in Teilfigur 2c gezeigte Bordnetzarchitektur kann beispielsweise . bei einem Fahrzeug eingesetzt werden, welches als Mild-Hybrid-Fahrzeug aufgebaut ist Der Einsatz der EinsteUeinheit 26' ermöglicht es, die elektrische Maschine 24' auch über die erste Speichereinheit 28' speisten zu können, deren Spannung deutlich höher ist, vorzugsweise zwischen 2QV und 60V, als die in dem zweiten Bord netz 32' bereitgestellte 12-V Bordnetzspan- nung. Mit dieser Bordnetzarchitektur ist es möglich, eine elektrische Maschine, die für eine 12V- Versorgungsspannung ausgelegt ist, einen sogenannten 12V-Starter, mit einer Versorgungsspannung zu betreiben, die größer als 12V ist.
An dieser Stelle sei Folgendes angemerkt: In den Figuren 1 und 2 ist die ÜberbrOckungseinheit 46 bzw. 46' Jeweils strichliniert dargestellt. Dies soll andeuten, dass eine Überbrückungseinheit nicht zwingend vorzusehen ist. Auf den Einsatz einer ÜberbrOckungseinheit kann bei entsprechender Auslegung der verwendeten Komponenten, insbesondere der Speichereinheiten 28 bzw. 28', verzichtet werden.
Fig. 3 zeigt Stromverlaufskurven unterschiedlicher Ströme, die wahrend eines Startvorgangs durch die elektrische Maschine fließen. Die mit Bezugszff- fer 58 bezeichnete erste Stromvertaufekurve zeigt einen Stromverlauf, wie er sich bei einem Bordnetz ergibt, das nicht mit der erfindungsgemäßen Einstelleinheit ausgestattet ist Nach einem anfanglichen Initialpeak 60, bei dem der maximale Kurzschlussstrom Imax erreicht wird, stellt sich ein im Wesentlichen periodischer Strom ein, der entsprechend der Verdichtung in den Zylindern des Verbrennungsmotors alterniert. Wohingegen die mit den Bezugs- ziffem 62 und 64 bezeichneten zweiten und dritten Stromverlaufskurven Stromverläufe zeigen, wie sie sich bei einem Bordnetz ergeben, das mit der erfindungsgemäßen Einstelleinheit ausgestattet ist. Der Einsatz der Einstelleinheit ermöglicht das Einstellen unterschiedlicher, paramem'sierbarer elektrischer Ströme, die durch die elektrische Maschine fließen. Im vorliegenden Fall repräsentiert die Stromverlaufskurve 62 einen Strom, wie er sich bei ei- > nem Kaltstart einstellt Die Stromverlaufskurve 64 repräsentiert dagegen einen Strom, wie er sich bei einem Warmstart einstellt. Wie ein Vergleich der zweiten Stromveriaufskurve 62 und der dritten Stromverlaufskurve 64 einerseits mit der ersten Stromverlaufskurve 58 andererseits zeigt, werden durch den Einsatz, der erfindungsgemäßen Einstelleinheit die Initialpeaks 60' und 60" reduziert. Dadurch werden Einbrüche in der Bordnetzspannung vermieden und gleichzeitig die Lebensdauer der elektrischen Maschine bzw. des Startermotors erhöht Die Bürsten der elektrischen Maschine werden weniger stark abgenutzt, bzw. deren Abnutzung wird auf ein Mindestmaß reduziert. Dadurch, dass Einbrüche in der Bordnetzspannung vermieden oder reduziert werden, können zusatzliche Verbraucher, beispielsweise ein Fahrwerksystem, in das Zustartbordnetz integriert werden. Außerdem kann auf Maßnahmen zur Stabilisierung der Bordnetzspannung verzichtet werden. Die Einstelleinheit ist dabei so ausgebildet, in Abhängigkeit der geforderten elektrischen Leistung, die der elektrischen Maschine für das Starten des Verbrennungsmotors bereitzustellen ist, aktiv einen hierfür idealen, durch die elektrische Maschine fließenden Strom einzustellen bzw. zu regeln. Dieser ideale Strom hat anschließend an den jeweiligen Initialpeak 60' oder 60" einen alternierenden Verlauf, entsprechend der Kompression des Verbrennungsmotors. Beim Ermitteln des idealen Stroms können unterschiedliche Anforderungen, die an den Drehzahlverlauf der elektrischen Maschine wahrend des Startvorgangs des Verbrennungsmotors gestellt sind, berücksichtigt werden. Als Beispiele sei ein Warmstart, ein Kaltstart, ein sogenannter Reflexstart oder ein Start des Verbrennungsmotors bei unterschiedlichen Ladezustanden der ersten Speichereinheit genannt.
Fig. 4 zeigt ein SchaJtüngsschema eines klassischen Tiefsetzstellers 66, mit dem eine Eingangsspannung UJn in eine Ausgangsspannung U_Out gewandelt wird, wobei der Betrag der Ausgangsspannung kleiner ist als der Betrag der Eingangsspannung. Der Tiefsetzsteller weist ein erstes Schaftelement 68 und ein zweites Schaltelement 70 auf, die in Reihe geschaltet sind. Diese Reihenschaltung 72 weist einen Mittelabgriff 74 auf. An dem Mittelabgriff 74 ist eine Speicherinduktivität 76 und ein Qlattungskondensator 78 angeschlossen. Wie den in Fig. 4 dargestellten Verlaufen S_High und S_Low einerseits und l_High und. l_Low andererseits zu entnehmen ist, werden die beiden Schaltelemente 68 und 70 komplementär angesteuert bzw. getaktet. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, den Tiefsetzsteller mit einer Takt- frequenz in der Größenordnung von ungefähr 25kHz zu betreiben. Vorzugsweise sind die beiden Schartelemente 68 und 70 als Transistoren, insbesondere als MOSFET-Transistoren ausgeführt
Die Darstellung in Fig. 4, gemäß der der Tiefsetzsteller einen Glattungskon- densator 78 aufweist, soll keine einschränkende Wirkung haben. Auf den Glättungskondensator kann auch verzichtet werden, nämlich dann, wenn keine allzu großen Anforderungen an die Wenigkeit der Ausgangsspannung - gestellt werden. Femer soll die Darstellung zweier Schaltelemente keine einschränkende Wirkung haben. Es ist auch denkbar, das zweite Schaltelement 70 durch eine Freilaufdiode zu ersetzen. An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass die Eingangsspannung U_In, die Ausgangsspannung U_Out und die Spannung U_TS allesamt auf Masse bezogen sind.
In Fig. 5 ist ein Teilumfang der erfindungsgemäßen Einstelleinheit dargestellt. Die elektrische Maschine 24, genauer gesagt der Startermotor, weist eine Anzahl von Statorwicklungen auf. Vorzugsweise handelt es sich um eine elektrische Maschine mit drei Statorwicklungen, von denen eine
Statorwicklung in Flg. 4 dargestellt und mit der Bezugsziffer 80 bezeichnet ist. Die in Fig. 5 angegebene Spannung U_EMK repräsentiert die auf die Statorwicklung 80 bezogene elektromotorische Kraft, die aufgrund der Drehbewegung der Welle 82 der elektrischen Maschine entsteht
Bei dem In Fig. 5 dargestellten Teilumfang 84 der Einstelleinheit handelt es sich um denjenigen Teilumfang des Leistungsteils der Einstelleinheit, der den durch die Statorwicklung 80 fließenden Strom bereitstellt und zu diesem Zweck mit der Statorwicklung 80 verbunden ist Die Einstelleinheit ist dazu ausgebildet, für die einzelnen Statorwicklungen der elektrischen Maschine den elektrischen Strom einzustellen bzw. zu begrenzen. Der Teilumfang 84 weist ein erstes Schaltelement 68 und ein zweites Schaltetement 70 auf, die eine Reihenschaltung 72 mit einem Mittelabgriff 74 bilden. An den Mittelabriff 7 ist die Statorwicklung 80 angeschlossen. Der in Fig. 5 dargestellte Teilum- fang 84 ist für die Realisierung einer Tiefsetzstellerfunktionalrtät ausgebildet Als für die Realisierung der Tiefsetzsteilerfunktionalität benötigte Speicherinduktivität wird die Statorwicklung 80 verwendet. Entsprechendes gilt für die übrigen Statorwicklungen der elektrischen Maschine.
Bei der sich durch die Verknüpfung der beiden Schaltelemente 68, 70 und der Statorwicklung 80 ergebenden Schaltung handelt es sich um einen modifizierten Tiefsetzsteller. Wie in Fig. 5 durch die strichlinierte Darstellung angedeutet, kann optional ein Glättungsfilter 81 vorgesehen sein, nämlich dann, wenn die Ausgangsspannung U_VG geglättet werden muss, um eine übermäßige Abnutzung der Bürsten der elektrischen Maschine 24 zu vermeiden. Durch den Einsatz des Glattungsfilters 81 ergibt sich ein klassischer Tiefsetzsteller, der aus folgenden Komponenten besteht: erstes Schartelement 68, zweites Schaltelement 70, sowie die Spule und der Kondensator, die Teil des Glattungsfilters 81 sind. Unabhängig davon, ob es sich um einen klassischen (mit Glättungsfilter 81) oder um einen modifizierten TiefsetzsteHer (ohne Glättungsfilter 81) handelt, wird die von einer ersten Speichereinheit 28, 28' oder 50 bereitgestellte Spannung abwärts gewandelt. Die Spannung U_VG repräsentiert die von dem Teilumfang 84 der Einstelleinheit bereitgestellte Spannung.
Fig. 6 ist der Aufbau der Einstelleinheit 26 zu entnehmen. In Fig. 6 sind die Klemmen mit in Klammem gesetzten Kleinbuchstaben gekennzeichnet, wobei die in Fig. 1 dargestellten Leitungen, die mit den Klemmen Jeweils korrespondieren, mit dem entsprechenden Kleinbuchstaben gekennzeichnet sind. Was den in Fig. 6 dargestellten, den Leistungsteil betreffenden Teilumfang 84 der Einstelleinheit angeht, so ist dieser für eine Statorwicklung der elektrischen Maschine dargestellt.
Die Einstelleinheit 26 weist eine erste Spannungsversorgungseinheit 86 auf, mit der eine erste Versorgungsspannung bereitgestellt wird, deren Wert 5V beträgt Ferner weist die Einstelleinheit 26 eine zweite Spannungsversor- gungseinheit 88 auf, zum Bereitstellen einer zweiten Versorgungsspannung, die zwischen 10V und 13V liegt. Mit der Bezugsziffer 90 ist eine Buseinheit bezeichnet, mit der Daten, die über Klemmen (d) und (e) zugeführt werden, einer Steuereinheit 92 zugeführt werden. Ggf. werden diese Daten zuvor in der Buseinheit 90 aufbereitet. Femer wird der Steuereinheit 92 ein Stromwert zugeführt, der mittels eines Stromsensors 98 erfasst wird. Der Stromwert repräsentiert den elektrischen Strom, der durch die Statorwicklung fließt, die an die Klemme (c) angeschlossen ist. Durch die Berücksichtigung des Stromwerts kann der durch die Statorwicklung fließende elektrische Strom auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt werden. Alternativ zu der in Fig. 6 gezeigten ausgangsseitigen Anordnung kann der Stromsensor 98 auch ein- gangsseitig angeordnet sein, in diesem. Fall ist allerdings ein Umrechnen des erfassten Stromwerts erforderlich.
Die Steuereinheit 92 weist eine Erfassungseinheit 94 und eine Auswerteeinheit 96 auf. Mit der, Erfassungseinheit 94 wird zumindest ein definierter Ver- brefinungsrrtotorbetriebszustand und/oder zumindest ein definierter Fahr- zeugbetriebszustand erfasst Die AnSteuereinheit 96 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit des erfassten Verbrennungsmotorbetriebszustands und/oder des erfassten Fahrzeugbetriebszustand eine beim Starten des Verbrennungsmotors 10 durch die elektrische Maschine 24 aus der ersten Speichereinheit 28, 28' oder 50 entnommene elektrische Leistung selbst oder eine die elektrische Leistung bestimmende Größe einzustellen.
In Abhängigkeit des Verbrennungsnr otorbem'ebszustands und/oder des Fahrzeugbetriebszustands ist eine Adaption der von der elektrischen Maschine aÜ8 der ersten Speichereinheit entnommenen elektrischen Leistung oder einer diese Leistung bestimmenden Größe, genauer gesagt des durch die jeweilige Statorwicklung fließenden elektrischen Stroms, zumindest an die unterschiedlichen Gegebenheiten bei Kaltstart und Warmstart sowie an die unterschiedlichen Gegebenheiten der Jeweiligen neuen Betriebsstrategie möglich. Ob ein Warmstart oder ein Kaltstart durchzuführen ist kann anhand der Temperatur des Verbrennungsmotors festgestellt werden. Eine die Temperatur des Verbrennungsmotors repräsentierende Größe wird Ober die Klemme (d) zugeführt. Ob ein Wiederstart oder Zustart durchzuführen ist, wird wie folgt erkannt: Ein Wiederstart ist durchzuführen, wenn in einem Fahrzeugruhezustand ein Anfahrsignal vorliegt, wobei in dem Fahrzeugruhezustand das Fahrzeug steht und der Verbrennungsmotor steht oder eine Motordrehzahl aufweist, die zwischen einer Abstelldrehzahl und dem Wert Null Hegt. Ein Zustart ist durchzuführen, wenn in einem Fahrzeugbewegungszu- stand eine Motormomentanforderung vorliegt, wobei in dem Fahrzeugbewe- . gung&zustand das Fahrzeug fährt und der Verbrennungsmotor steht oder eine Motordrehzahl aufweist, die zwischen einer Abstelldrehzahl und dem Wert NuH liegt. Demzufolge werden folgende Größen und oder Signale . und/oder Daten über die Klemme (d) zugeführt: Eine die Motordrehzahl repräsentierende Größe, eine die Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentierende Größe, ein Anfahrsignal und eine Motormomentanforderung. Die über die Klemme (d) zugeführten Größen und/oder Signale und oder Daten stammen von der Motorsteuereinheit 42. (Beispielsweise mit Blick auf die die Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentierende Größe ist auch folgende Vorgehensweise denkbar: anstelle diese Größe über die Klemme (d) und somit ausge^ hend von der Motürsteuereinheit 42 zuzuführen, kann eine entsprechende, mit einem entsprechenden Sensor erfasste Größe auch über die Klemme (e) zugeführt werden. Weiter alternativ ist es denkbar, mittels Raddrehzahlsensoren ermittelte, die jeweiligen Raddrehzahlen repräsentierende Größen über die Klemme (e) zuzuführen, wobei dann die Ermittlung der die Fahr- zeuggesch windigkeit repräsentierenden Größe in der Steuereinheit 92 erfolgt Eine weitere Größe, die über die Klemme (e) zugeführt wird, ist eine den Ladezustand der ersten Speichereinheit repräsentierende Größe.
Neben den zugeführten Größen, Signalen oder Daten wird in der Steuereinheit 92. eine charakterisierende Größe bei der Ermittlung der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms berücksichtigt. Hierbei handelt es sich um eine Größe, die das Startverhalten des Verbrennung^motore^c^ siert. Bei der charakterisierenden Größe kann es sich um einen mit der eingangs erwähnten Stromspitze korrelierenden Stromwert und/oder einen zugehörigen Zeitwert handeln. Alternativ oder ergänzend kann es sich auch um eine einzuhaltende Startzeit handeln, innerhalb der der Verbrennungsmotor angesprungen sein muss. Es kann sich auch um ein Moment des Verbrennungsmotors handein, weiches beim Startvorgang von der elektrischen Maschine zu überwinden ist. Neben der charakterisierenden Größe können in der Einstelleinheit weitere Größen und/oder Daten hinterlegt sein, die bei der Ermittlung der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms zu berücksichtigen sind. Hierbei kann es sich um die Anzahl der Zylinder des Verbrennungsmotors und/oder um eine Angabe über die Art der Zündungseinleitung und/oder um eine Angabe über die Art der Antriebsarchitektur und/oder um eine Angabe Ober die Ausgestaltung der ersten Speichereinheit handeln.
Unabhängig davon, von welcher der vorstehend aufgeführten Größe letztlich ausgegangen wird, um einen Wert zu ermitteln für die beim Antreiben des Verbrennungsmotors von der elektrischen Maschine aus der ersten Speichereinheit zu entnehmenden elektrischen Leistung oder für den dabei durch die elektrische Maschine fließenden Strom, in Abhängigkeit dieser Größe werden Werte für Tastverhältnisse ermittelt, mit denen erste Schartelemente 68 und zweite Schaltelemente 70 angesteuert werden. Sowohl die ersten als auch die zweiten Schaltelemente 68, 70 sind jeweils als Halbieiterelemente ausgeführt. In der Auswerteeinheit 96 werden die Tastverhältnisse repräsentierende Größen ermittelt, die dann einer Trebereinheit 100 zugeführt werden, In der Treibereinheit 100 werden dann Treibersignale zum Ansteuern der ersten und zweiten Schattelemente 68, 70 ermittelt.
Wie der Darstellung in Fig. 6 zu entnehmen ist, sind mehrere Reihenschaltungen 72, 72'. 72" und 72" parallel geschaltet, um die benötigte Stromstärke für den während des Startvorgangs durch die jeweilige Statorwicklung fließenden elektrischen Strom realisieren zu können. In einer ersten Ausgestaltung soll die Einstelleinheit 26 sowohl von den Spannungsversorgungseinheiten 86 und 88, als auch von den Einheiten 90, 92 und 100, jeweils ein Exemplar enthalten. Die Einheiten 90, 92 und 100 bilden dabei den schaltungstechnischen Umfang der Bristeileinheit 26. Bei dieser Ausgestaltung werden mittels der Einheiten 90, 92 und 100 für sämtliche der Statorwicklungen der elektrischen Maschine die durch diese jeweils fließenden elektrischen Ströme ermittelt In einer alternativen Ausgestaltung soll die Einstelleinheit 26 für jede der Statorwicklungen ein individuell zugewiesenes Exemplar der Einheiten 90, 92 und 100 aufweisen.
Anhand von Fig. 7 wird nachfolgend des der Einstelleinheit 26 zugrundeliegende Regelungskonzept, beschrieben, welches in der Steuereinheit 92, vorzugsweise in der Auswerteeinheit 96 hinterlegt ist: Es handelt sich um eine Stromregelung, bei der eine Regelabweichung IERROR ermittelt wird, ausgehend von einem Sollwert ISOLL für den elektrischen Strom, der wahrend des Startvorgangs durch die jeweilige Statorwicklung der elektrischen Maschine fließen soll, und einem Istwert IIST für diesen Strom, der mit dem (in Fig. 7 nicht dargestellten) Stromsensor 98 erfasst wird. Die Regelabweichung IERROR wird mit einem ersten Pl-Regter 102 in eine Steuerspannung UCTRL umgesetzt. Unter Verwendung eines Sägezahnsignals USAWTOOTH, das mit einem Sägezahngenerator 104 ermittelt wird, wird die Steuerspannung UCTRL in Tastverhältnisse repräsentierende Größen umgesetzt. In einer ersten Ermittlungseinheit 106 werden erste Größen ermittelt, die die Tastverhältnisse für die ersten Schaltelemente 68 repräsentieren. In einer zweiten Ermittlungseinheit 108 werden zweite Größen ermittelt, die die Tastverhältnisse für die zweiten Schaltelemente 70 repräsentieren. Die ersten und zweiten Größen werden dabei so ermittelt, dass die ersten und zweiten Schaltelemente 68 und 70 invers angesteuert werden. Die ersten und zweiten Größen werden der Treibereinheit 100 zugeführt, in der dann Treibersignale zum Ansteuern der ersten und zweiten Schaltelemente bzw. Halbleiterelemente 68, 70 ermittelt werden. Ergänzend kann für den Sollwert Isou eine Sollwertreduktion vorgenommen werden, was durch eine strichliniert dargestellte Sollwertreduktionseinheit 110 angedeutet ist. Mit der Sollwertreduktion wird beim Ermitteln der Regelabweichung I ERROR und somit letztlich beim Ermitteln der einzustellenden Tastverhältnisse der Ladezustand der ersten Speichereinheit mit berücksichtigt Bei der Sollwertreduktion wird eine AbweichungsgröBe ermittelt, die eine Spannungsabweichung repräsentiert, die zwischen einem Spannungsistwert UIST und einem Spannungsmaximalwert UMAX vorliegt. Der Spannungsistwert UIST wird beispielsweise mit einem in Fig. 7 nicht dargestellten Shunt- Widerstand ermittelt Der Spannungsmaximalwert UMAX repräsentiert die Bordnetzspannung, die der von der ersten Speichereinheit 28 bereitgestellten Spannung entspricht. Die so ermittelte Spannungsabweichung wird zunächst in einer Begrenzungseinheit 112 begrenzt und anschließend in einem zweiten Pl-Regler 114 in einen Stromkorrekturwert umgesetzt
In Fig. 7 sind die ersten und zweiten Schaltelemente 68, 70 als Teil einer Regelstrecke 116 dargestellt. Fig. 7 sind weitere, der Regelstrecke 116 zugehörige Komponenten zu entnehmen. Diese Komponenten geben die Gegebenheiten der ersten Speichereinheit 28, des ersten Bordnetzes 30 und der elektrischen Maschine 24 wieder, weswegen es sich hierbei nicht um diskret aufgebaute Komponenten handelt. Im Einzelnen handelt es sich um folgende Komponenten: Innenwiederstand 118 der ersten Speichereinheit 28; Leitungswiderstand 120 des ersten Bordnetzes 30; Leitungsinduktivität 122 des ersten Bordnetzes 30; Wicklungswiderstand 124 einer
Statorwicklung der elektrischen Maschine 24; Wicklungsinduktivit&t 126 der Statorwicklung der elektrischen Maschine 24; eine die Bürstenübergangsspannung repr sentierende Spannungsquelle 128;und eine die an der Statorwicklung anliegende Spannung repräsentierende Spannungsquelle 130. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in Fig. 7 auf die Darstellung eines Glättungsfilters verzichtet Das Glättungsfilter wäre zwischen dem Mittelabgriff 74" und dem Leitungswiderstand 120 einzufügen. Die Einstelleinheit ist vorzugsweise so ausgelegt, dass ein Wiederstarten und oder Zustatten eines Verbrennungsmotors mit einem ersten Bord netz möglich ist, dessen Bordnetzspannung in dem Bereich zwischen 20V und 50V liegt, wobei, bei dem Startvorgang ein auf die Stromstärke 500A begrenzter elektrischer Strom für die Zeitdauer von ungefähr 0,5s durch die einzelnen Statorwicklungen fließen können soll.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Einstelleinheit hat folgende Vorteile:
- Mit einem einzigen, aus einem Startermotor und einem Bordnetz bestehenden Startsystem können bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen des Verbrennungsmotors (Kaltstart, Warmstart) stets ideale und schnelle Stertzeiten realisiert werden, innerhalb derer der Verbrennungsmotor gestartet sein soll:
- Ein einheitlicher Startermotor kann verwendet werden für unterschiedliche Betriebsstrategien (Wiederstart und oder Zustart), unterschiedliche Konzepte der Zündungseinleitung, Verbrennungsmotoren unterschiedlicher Zylinderzahl, unterschiedliche Antriebsarchitekturen (beispielsweise Mikro- oder Mild-Hybrid-Fahrzeuge), unterschiedlichste. Energiespeicher (beispielsweise Superkondensatoren) oder unterschiedliche, von der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors abhängige Startszenarien.
- Durch die aktive Strombegrenzung reduziert sich die OxRJation der Kohlebürsten des Startermotors, wodurch sich seine Lebensdauer erhöht
- In > einem Zustartbordnetz bzw. Starterbordnetz können signifikante Unterspannungen während des Startvorgangs vermieden werden. Dadurch ist es möglich, zum einen zusätzliche Verbraucher in das Zustartbordnetz zu integrieren. Zum anderen kann auf zusätzliche, bordnetzstabiHsierende Gleichspannungswandler oder zusätzliche Speicher im Zustartbordnetz verzichtet werden. Wenn vorstehend die Rede davon ist, dass ein elektrischer Strom durch die elektrische Maschine fließt, dann ist dies so zu verstehen, dass der Strom durch zumindest eine der Statorwicklungen der elektrischen Maschine fließt.

Claims
Patentansprüche 14. Vorrichtung zum Starten eines in einem Fahrzeug angeordneten Verbrennungsmotors (10), mit:
einer elektrischen Maschine (24, 24"), die dazu ausgebildet ist, den Verbrennungsmotor (10) zumindest zeitweise anzutreiben, einer ersten Speichereinheit (28, 28', 50), die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie zu speichern, und
einer Einsteileinheit (26, 26'), Ober die die elektrische Maschine (24, 24') mit der ersten Speichereinheit (28, 28', 50) verbindbar ist, wobei die Einstelleinheit (26, 26') dazu ausgebildet ist, zumindest einen definierten Verbrennungsmotorbetriebszustand und/oder zumindest einen definierten Fahrzeugbetriebszustand zu erfassen, und zumindest in Abhängigkeit des erfassten Verbrennungsrnotorbetriebszustands und/oder des erfassten Fahrzeugbetriebszustands eine elektrische Größe einzustellen, die eine beim Antreiben des Verbrennungsmotors (10) von der elektrischen Maschine (24, 24") aus der ersten Speicher- ' einhert (28, 28', 50) entnommene elektrische Leistung bestimmt, oder die entnommene elektrische Leistung sebst einzustellen. . Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (26, 26") dazu ausgebildet ist, einen von der elektrischen Maschine (24, 24') aus der ersten Speichereinheit (28, 28', 50) entnommenen elektrischen Strom zu begrenzen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (24, 24') eine Anzahl von Statorwicklungen (80) aufweist, wobei die Einstelleinheit (26, 26") dazu ausgebildet ist, für die einzelnen Statorwicklungen (80) den elektrischen Strom zu begrenzen. Vorrichtrung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (26, 26') zumindest teilumfänglich für die Realisierung einer TiefsetzstellerfunktionaJität ausgebildet ist. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (24, 24") eine Anzahl von Statorwicklungen (80) aufweist, wobei als für die Realisierung der Tiefsetzstellerfunktionalitfit benötigte Speicherinduktivität zumindest eine der Statorwicklungen (80) verwendet wird. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (26, 26") ferner dazu ausgebildet ist, die elektrische Größe oder die entnommene elektrische Leistung selbst in Abhängigkeit einer den Verbrennungsmotor (10) charakterisierenden Größe einzustellen. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktivierbare Überbrückungseinheit (46, 46 vorgesehen ist, bei deren Aktivierung die elektrische Maschine (24, 24) unter Umgehung der Einstelleinheit (26, 267 direkt mit der ersten Speichereinheit (28, 28', 50) oder einer zweiten Speichereinheit (34, 34') verbunden ist Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die elektrische Maschine (24, 24') eine Anzahl von Statorwicklungen (80) aufweist, wobei die Einstelleinheit (26, 26') für jede der Statorwicklungen (80) eine Anzahl von in Reihe geschalteter erster und zweiter Halbleiterelemente (68, 70) aufweist, wobei die Reihenschaltung (72) einen Mittelabgriff (74) aufweist, an den die jeweilige Statorwicklung (80) angeschlossen ist Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Glflttungsfilter (81) vorgesehen ist Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (26, 26") femer dazu ausgebildet ist, eine an der elektrischen Maschine (24, 24') anliegende elektrische Spannung zu begrenzen. Verfahren zum Starten eines in einem Fahrzeug angeordneten Verbrennungsmotors (10), mit einer elektrischen Maschine (24, 24'), die dazu ausgebildet ist, den Verbrennungsmotor (10) zumindest zeitweise anzutreiben, einer ersten Speichereinheit (28, 28', 50), die dazu ausgebildet ist, elektrische Energie zu speichern, und einer Einstelleinheit (26, 26'), Ober die die elektrische Maschine (24, 24') mit der ersten Speichereinheit (28, 28', 50) verbindbar ist, mit folgenden in der Einstellelhhelt (26, 26") ablaufenden Schritten:
- Erfassen zumindest eines definierten Verbrennungsmotorbetriebs- zu Stands und/oder zumindest eines definierten Fahrzeugbetriebs- zustands, und
- Einstellen einer elektrischen Größe, die eine beim Antreiben des Verbrennungsmotors (10) von der elektrischen Maschine (24, 24") aus der ersten Speichereinheit (28, 28', 50) entnommene elektrische Leistung bestimmt oder der entnommenen elektrischen Leistung selbst, zumindest in Abhängigkeit des erfassten Verbren- nungsmotorbetriebszustands und oder des erfassten Fahrzeugbe- triebszustands. Computerprogrammprodukt mit einem Datenträger mit Programmcode, der dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach Anspruch 11 durchzuführen, wenn der Programmcode in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ablauft.
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