ES2284799T3 - Circuito de control electronico de un estarter de un vehiculo automovil. - Google Patents

Abstract

Circuito de control electrónico de un estárter de un vehículo automóvil, que comprende un contactor (CT) electromagnético para la alimentación del motor eléctrico (M) del estárter a partir de la energía de la batería (3), y unos medios de control que constan de: un conmutador electrónico insertado eléctricamente en serie en la etapa de potencia (10) con la bobina (L) del contactor (CT), - una unidad de gestión (G) que actúa de forma complementaria con el conmutador electrónico para la regulación de la corriente de excitación de la bobina (L), - y un diodo de rueda libre (D2) conectado en paralelo a los terminales de dicha bobina (L), caracterizado por el hecho de que la etapa de potencia (10) consta además de un elemento semiconductor unidireccional destinado a impedir el paso de la corriente en caso de inversión de polaridad de la batería (B) y por el hecho de que el conmutador electrónico consta de un primer transistor (T1) controlado por la unidad de gestión (G), y de un segundo transistor (T2) dispuesto en serie con el primer transistor (T1) y controlado en una modalidad de todo o nada por una puerta lógica (ET) sensible al estado de abertura o cierre del interruptor de arranque K.

Description

Circuito de control electrónico de un estárter de un vehículo automóvil.

La presente invención se refiere a un circuito de control electrónico de un estárter de un vehículo automóvil.

Un estárter de este tipo, descrito por ejemplo en el documento FR A 2 795 884, consta de un motor eléctrico rotativo conectado a un árbol de salida equipado de un arrancador dotado de un cubo y de un piñón móvil destinado a colaborar con una corona dentada de arranque para garantizar el arranque del motor de combustión interna del vehículo automóvil. En general, el piñón está montado de forma deslizante en el árbol de salida entre una posición de reposo, en la cual está desacoplado con respecto a la corona dentada, y una posición activa de trabajo en la cual se engrana con dicha
corona, la cual está unida en acoplamiento rotativo de manera rígida o elástica al cigüeñal del motor del vehículo.

En una forma de realización, el árbol de salida se identifica con el árbol de salida del motor eléctrico. En una de las variantes, hay dispuesto un reductor de tren epicicloidal entre estos dos árboles de salida (ver figura 1 del documento FR A 2 795 884).

El motor eléctrico está asociado a un contactor de electroimán dispuesto por encima del motor y que consta de una bobina de accionamiento de un núcleo móvil adecuado para actuar sobre un contacto de potencia para cerrar este último y alimentar eléctricamente el motor eléctrico. Este contactor tiene una doble función de alimentación del motor eléctrico con corriente y de desplazamiento del piñón móvil entre las dos posiciones de reposo y de trabajo.

El núcleo móvil está conectado mecánicamente por medio de una palanca, tal como una horquilla, al arrancador que consta de una rueda libre, en una de las variantes un embrague cónico descrito por ejemplo en el documento FR A 2 826 696, intercalado axialmente entre el piñón y el cubo del arrancador. La palanca está montada de forma pivotante y el cubo del arrancador está provisto interiormente de acanaladuras helicoidales en acoplamiento con un dentado complementario portado por el árbol de salida. De este modo, al conjunto de arrancador y piñón se le comunica un movimiento helicoidal durante el desplazamiento de la palanca para que acabe acoplándose a la corona dentada de arranque. La excitación del contactor es gobernada por el accionamiento de la llave de contacto, la cual cierra el circuito eléctrico hacia la batería.

En la figura 1, un dispositivo de control electrónico de un contactor CT electromagnético de arranque consta, de una manera bien conocida, de una unidad de gestión G formada un microcontrolador que funciona de forma complementaria con un conmutador electrónico, por ejemplo, un transistor T1 del tipo MOSFET, conectado eléctricamente en serie con la bobina L de accionamiento del contactor electromagnético CT. Un diodo de rueda libre D2 está conectado en paralelo con los terminales de la bobina L, estando conectado el cátodo al polo positivo de la batería B, y el ánodo al transistor T1.

El contacto C de potencia del contactor CT, cuando está cerrado, conecta el motor eléctrico M del estárter con el polo positivo de la batería B. La unidad de gestión G gobierna la puerta del transistor T1 en un modo por impulsos, por ejemplo, mediante una modulación por anchura de impulsos PWM, permitiendo obtener una variación del factor de trabajo de los impulsos de control para regular la corriente eficaz en la bobina L del contactor CT en función de diferentes parámetros.

La unidad de gestión G sirve también para administrar otras funciones, especialmente la parada automática del estárter después del arranque, la protección contra las sobreintensidades, el sobrecalentamiento en caso de intentos de arranque repetidos, y la protección anti-arranque durante falsas maniobras. Dicha unidad está o bien integrada en el estárter, o bien alojada fuera del estárter en una caja específica. En el documento FR-A-2 770 349 se describe un dispositivo de este tipo.

En caso de tener que actuar sobre la batería del vehículo durante una revisión o una reparación, por ejemplo, durante la colocación de la batería o durante su sustitución, o durante un arranque por medio de una batería auxiliar de emergencia, una conexión errónea de los terminales de la batería puede generar una inversión de polaridad sobre el estárter. En la figura 1, dicha inversión de polaridad provoca una circulación de una primera corriente inversa Ic en la etapa de potencia del transistor T1 a través de la bobina L, y de una segunda corriente inversa Im en el motor M.

El inconveniente de una conexión eléctrica defectuosa (inversión de polaridad) es doble:

- por una parte, problemas de calidad y de fiabilidad, puesto que la corriente inversa Ic de varios cientos de amperios circula por el diodo de rueda libre D2, y provoca su destrucción. En este caso, la bobina L del contactor CT es excitada con una corriente de 50A, lo cual conlleva el cierre del contacto de potencia C y la alimentación del motor M eléctrico. El sentido de rotación se invierte para un motor M que tenga un inductor de imán permanente. El sentido de rotación es normal para un inductor bobinado.

- por otra parte, problemas de seguridad, puesto que para un estárter de inductor bobinado, la rotación del estárter provoca el accionamiento de la corona dentada por el piñón. Si queda una velocidad engranada en la caja de cambios, en ese caso será posible desplazar el vehículo con el riesgo de accidente o de colisión, y el riesgo de incendio del estárter si se mantiene la inversión de polaridad.

Las patentes US 4 209 816 y US 4 490 620 describen un sistema de control eléctrico de protección para el estárter de un vehículo automóvil.

El objetivo de la invención consiste en realizar un circuito de control electrónico de un contactor de un estárter de un vehículo automóvil el cual esté protegido contra los riesgos de inversión de polaridad, susceptibles de ser provocados por conexiones erróneas de la batería.

La solución a este problema se obtiene, según la invención, por medio de la parte caracterizadora de la reivindicación 1.

En el caso de una conexión defectuosa de la batería en la que el polo positivo se conectara por error a masa, la presencia del elemento semiconductor unidireccional bloquea el paso de la corriente en la etapa de potencia cuando el interruptor de arranque está cerrado. De este modo se consigue que resulte imposible toda inversión de la corriente, y no se excita la bobina. El contactor queda abierto impidiendo la rotación del motor eléctrico del estárter de modo que el vehículo no se puede desplazar ni siquiera si una de las velocidades queda engranada. Se evita todo riesgo de incendio.

De forma ventajosa, un segundo transistor de seguridad está dispuesto en serie con el primer transistor y es controlado en una modalidad de todo o nada por una puerta lógica Et sensible al estado de abertura o de cierre del interruptor de arranque.

Se apreciará que el segundo transistor es un transistor de seguridad que permite evitar todo riesgo de incendio del contactor especialmente cuando el primer transistor se encuentra en cortocircuito.

El elemento semiconductor unidireccional de protección de inversión de polaridad está formado de forma ventajosa por un diodo.

El primer transistor y el segundo transistor del conmutador están formados de forma ventajosa por unos transistores de potencia del tipo MOSFET. Estos transistores pueden funcionar en caso de inversión de polaridad de la batería, aunque en este caso se calientan de forma extraordinaria lo cual puede suponer una destrucción del estárter. Gracias a la invención, estos transistores quedan protegidos en caso de inversión de polaridad de la batería.

En uno de los modos de realización, el primer transistor es controlado en un modo de impulsos por la unidad de gestión lo cual permite gobernar adecuadamente la alimentación de la bobina y por lo tanto el desplazamiento, de forma no ruidosa, del núcleo móvil del contactor, y permite especialmente alimentar la bobina del contactor según dos fases tal como se describe en el documento FR A 2 795 884 citado anteriormente al cual se hará referencia para obtener más detalles.

En uno de los modos de realización, un transistor del tipo TOPFET garantiza el control de la polaridad y permite una protección combinada térmica de sobreintensidad y de sobretensión.

Este transistor se controla por medio de una puerta ET tal como el transistor de seguridad.

Se pondrán de manifiesto más claramente otras ventajas y características a partir de la descripción, que se ofrece a continuación, de un modo de realización de la invención proporcionada a título de ejemplo no limitativo, y representada en los dibujos adjuntos en los cuales:

- la figura 1 representa esquemáticamente el circuito de control electrónico de un estárter según el estado de la técnica;

- la figura 2 muestra el circuito de control electrónico de un estárter según la invención;

- las figuras 3 a 9 ilustran diferentes variantes de realización del circuito de control según la invención.

En la figura 2, la etapa de potencia 10 del circuito de control electrónico de la bobina L de accionamiento del contactor CT electromagnético consta de un primer transistor T1 controlado por modulación PWM por la unidad de gestión G, en este caso formada por un microcontrolador que genera otras funciones tal como en el caso de la figura 1. La salida S1 de la unidad de gestión G está conectada a la puerta del transistor T1 por un divisor resistivo R1-R2. Un diodo de rueda libre D2 está conectado en paralelo a los terminales de la bobina L y en serie con el transistor T1.

Un segundo transistor T2 de seguridad está insertado entre el primer transistor T1 y masa, y es controlado en una modalidad de todo o nada por una puerta lógica ET que recibe en una primera entrada una primera señal de control emitida desde la salida S2 de la unidad de gestión G, y en una segunda entrada una segunda señal representativa del estado de abertura o cierre del interruptor K de la llave de contacto. El potencial de la puerta del transistor T2 queda fijado por una resistencia R3 conectada entre la salida de la puerta ET y masa. La unidad G supervisa el estado de los transistores.

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Los dos transistores T1 y T2 son transistores de potencia y están conectados en serie. Los mismos están constituidos, a título de ejemplo, por unos transistores de potencia del tipo MOSFET de canal N lógico, los cuales son fiables en el tiempo y no penalizan el rendimiento del estárter. Un montaje de este tipo permite un control seguro de arranque con baja corriente. Los transistores MOSFET tienen la particularidad de poseer un diodo en paralelo entre el drenador y la fuente, estando polarizado inversamente dicho diodo, es decir, el cátodo en conexión eléctrica con el terminal positivo de la batería B.

Según la invención, un elemento semiconductor unidireccional designado por la referencia general 12, está conectado en el circuito eléctrico de la etapa de potencia 10 para impedir el paso de la corriente cuando se ha invertido la polaridad de la batería B. Este elemento 12 está constituido de forma ventajosa por un diodo D1 montado en serie con el transistor T1 y conectado entre la batería y el diodo de rueda libre D2. El ánodo del diodo D1 se encuentra en conexión eléctrica con el terminal positivo de la batería, mientras que su cátodo está conectado al cátodo del diodo D2.

Los dos diodos D1 y D2, para obtener una integración satisfactoria, están alojados de forma ventajosa en una misma caja de doble diodo Schottky con cátodos comunes, gracias a la cual el diodo D1 garantiza la protección de inversión de polaridad, y el diodo D2 garantiza la función de rueda libre de la corriente en la bobina L del contactor CT. La utilización de un único componente que incorpora los dos diodos D1 y D2 permite obtener una reducción de la aglomeración y de los costes de la placa electrónica de soporte, de forma ventajosa en el contactor, los diodos, los transistores y la unidad de gestión.

El funcionamiento de la etapa de potencia 10 del circuito de control electrónico del estárter se deduce a partir de la descripción anterior:

- En el caso de una polaridad correcta de la batería B tal como se ha representado en la figura 2, como consecuencia del cierre del interruptor K de la llave de contacto actúa una orden de arranque normal. Los dos transistores T1 y T2 están conmutados en el estado de conducción permitiendo la circulación de la corriente desde el polo positivo de la batería B hacia masa a través respectivamente del diodo D1, la bobina L, el primer transistor T1, y el segundo transistor T2. La excitación de la bobina L provoca el cierre del contacto de potencia C del contactor CT, y la alimentación del motor eléctrico M del estárter.

- En el caso de una conexión defectuosa de la batería B en la que el polo positivo se habrá conectado por error a masa (inversión de polaridad), la presencia del diodo D1 bloquea el paso de la corriente en la etapa de potencia 10 cuando el interruptor K está cerrado. De este modo se consigue que resulte imposible toda inversión de la corriente, y la bobina L no se excita. El contactor CT queda abierto impidiendo la rotación del motor M.

Por simplicidad, en las otras figuras 3 a 9 no se ha representado el contacto de potencia C del contactor electromagnético CT ni el motor eléctrico visibles en las figuras 1 y 2. La conexión de los terminales del contacto C en la bobina y en el motor eléctrico conectado a masa se realiza de la misma manera.

En la variante de la figura 3, el diodo D1 que garantiza la protección de inversión de polaridad, está insertado, en este caso conectado, entre la bobina L y el primer transistor T1. El ánodo del diodo D1 está conectado con este fin al ánodo del diodo D2 de rueda libre, y el cátodo de D1 está conectado al drenador del transistor T1. Con respecto al circuito de la figura 2, se simplifica el conexionado interno del contactor, puesto que los polos positivos de la bobina L y de la batería B son comunes, lo cual requiere una sola conexión en este punto en la placa electrónica. Los diodos D1 y D2 están constituidos en este caso por componentes individuales, puesto que en la versión del ánodo común no existe ninguna caja integrada de doble diodo.

En el esquema de la figura 4, la etapa de potencia 10 está en conformidad con la correspondiente a la figura 2, aunque el diodo D1 que garantiza la protección de inversión de polaridad, está posicionado, es decir, conectado, entre el transistor T2 y masa. El ánodo del diodo D1 está conectado eléctricamente a la fuente del transistor T2, y el cátodo a masa. El funcionamiento es idéntico al correspondiente al esquema de la figura 2, aunque la referencia de masa en la fuente del transistor T2 es flotante por causa de la tensión de umbral (del orden de 1V) del diodo D1.

En la otra variante de la figura 5, el diodo D1 que garantiza la protección de inversión de polaridad está conectado entre la batería B y la bobina L, estando conectado eléctricamente el ánodo de D1 al cátodo del diodo D2 de rueda libre, y al terminal positivo de la batería B. La protección de inversión de polaridad procurada por el diodo D1 impide únicamente la circulación de la corriente en la bobina L.

En referencia a la figura 6, el circuito de control está en conformidad con el correspondiente al montaje de la figura 4, aunque el diodo D1 de protección contra la inversión de polaridad se ha sustituido por un transistor T3 auxiliar del tipo MOSFET de canal N. El potencial de puerta del transistor T3 se ajusta por medio de un puente que comprende un diodo Zener D5 cuyo ánodo está conectado a masa, y una resistencia R4 conectada eléctricamente al terminal positivo de la batería B. La caída de tensión en el transistor T3 será más débil que en el caso del diodo D1, aunque sin embargo la referencia de masa quedará desplazada en un valor del orden de entre 0,1V y 0,3V.

En la figura 7, el transistor T3 auxiliar del tipo MOSFET de canal P está conectado entre el terminal positivo de la batería B y el cátodo del diodo de rueda libre D2. En este caso, el transistor T2 está conectado directamente a masa, así como a la puerta del transistor T3 auxiliar. La caída de tensión en el transistor T3 será también más débil que en el caso del diodo D1 de la figura 2.

En la figura 8, el transistor T1 está formado por un transistor IGBT dispuesto entre la bobina L y el transistor T2. Este transistor está conectado entre el ánodo del diodo D2 y el transistor T2. El transistor T1 IGBT no posee ningún diodo en paralelo entre el drenador y la fuente, y permitirá de esta manera el bloqueo de la corriente en caso de inversión de la polaridad. El diodo D1 de la figura 2 no es necesario, aunque la caída de tensión en el transistor IGBT será más importante que en un MOSFET. Además, el control del transistor T1 IGBT requiere la inserción de una etapa amplificadora 14 para suministrar una corriente de control suficiente. La etapa amplificadora 14 es de un tipo conocido de por sí, por ejemplo con dos etapas de amplificadores de transistores Q1 y Q2 y un diodo Zener Z1 cuyo ánodo está conectado a masa y el cátodo está conectado al colector del transistor Q2 y a la puerta del transistor T1 IGBT.

En la figura 9, el transistor T1 está constituido por un transistor TOPFET conectado entre el terminal positivo de la batería B y el diodo de rueda libre D2 en paralelo sobre la bobina L. Este transistor T1 está conectado entre la batería y el cátodo del diodo D2. El transistor TOPFET, por una parte está controlado en una modalidad de todo o nada por una puerta lógica ET que recibe en una primera entrada una primera señal de control emitida desde la salida S2 de la unidad de gestión G y en una segunda entrada una segunda señal representativa del estado de abertura o cierre del interruptor K de la llave de contacto tal como el transistor T2 de la figura 2, y por otra parte, no presenta ningún diodo en paralelo entre el drenador y la fuente, y tal como en el montaje de la figura 8, no se produce ningún problema potencial durante la inversión de polaridad. El número de componentes es reducido y el transistor TOPFET, además de su función de control de polaridad, permite una protección combinada térmica, de sobreintensidad y sobretensión. El potencial de la puerta de este transistor TOPET queda fijado por una resistencia R3 conectada entre la segunda entrada de la puerta ET y masa y por una resistencia R2 conectada entre esta segunda entrada de la puerta ET y el interruptor K. Las resistencias R1, R2 forman tal como en la figura 1 un divisor resistivo.

Es evidente que en el dispositivo de control electrónico del contactor CT de arranque se puede utilizar cualquier otro medio de protección contra la inversión de polaridad.

Se apreciará que la unidad de gestión G está bien protegida.

De este modo, en las figuras 2 a 9 se prevé una puerta ET de seguridad de manera que el transistor T1 no se encuentra en estado de conducción más que cuando el interruptor de la llave de contacto está cerrado. De este modo, el vehículo no puede arrancar de manera no deseada ni siquiera en caso de inversión de la polaridad.

Claims (19)

1. Circuito de control electrónico de un estárter de un vehículo automóvil, que comprende un contactor (CT) electromagnético para la alimentación del motor eléctrico (M) del estárter a partir de la energía de la batería (3), y unos medios de control que constan de:

un conmutador electrónico insertado eléctricamente en serie en la etapa de potencia (10) con la bobina (L) del contactor (CT),

- una unidad de gestión (G) que actúa de forma complementaria con el conmutador electrónico para la regulación de la corriente de excitación de la bobina (L),

- y un diodo de rueda libre (D2) conectado en paralelo a los terminales de dicha bobina (L),

caracterizado por el hecho de que la etapa de potencia (10) consta además de un elemento semiconductor unidireccional destinado a impedir el paso de la corriente en caso de inversión de polaridad de la batería (B) y por el hecho de que el conmutador electrónico consta de un primer transistor (T1) controlado por la unidad de gestión (G), y de un segundo transistor (T2) dispuesto en serie con el primer transistor (T1) y controlado en una modalidad de todo o nada por una puerta lógica (ET) sensible al estado de abertura o cierre del interruptor de arranque K.

2. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el elemento semiconductor unidireccional de protección de inversión de polaridad está formado por un diodo (D1).

3. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el diodo (D1) de protección está conectado entre la batería (B) y el diodo (D2) de rueda libre, siendo comunes los cátodos de los dos diodos (D1, D2).

4. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que los dos diodos están alojados en una misma caja de doble diodo Schottky con cátodos comunes.

5. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el diodo (D1) de protección está conectado entre la bobina (L) y el primer transistor (T1), siendo comunes los ánodos de los dos diodos (D1, D2).

6. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el diodo (D1) de protección está conectado entre el segundo transistor (T2) y masa.

7. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el diodo (D1) de protección está conectado entre la batería (B) y la bobina (L), estando el ánodo del diodo (D1) de protección en conexión eléctrica con el cátodo del diodo (D2) de rueda libre.

8. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el elemento semiconductor unidireccional está formado por un transistor auxiliar (T3) del tipo MOSFET.

9. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que el transistor auxiliar (T3) está conectado entre el segundo transistor (T2) y masa.

10. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que el potencial de la puerta del transistor auxiliar (T3) se ajusta por medio de un puente que comprende un diodo Zener (D5), cuyo ánodo está conectado a masa, y una resistencia (R4) conectada eléctricamente al terminal positivo de la batería.

11. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que el transistor auxiliar (T3) está conectado entre la batería (B), y el cátodo del diodo (D2) de rueda libre.

12. Circuito de control electrónico de un estárter según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por el hecho de que el primer transistor (T1) y el segundo transistor (T2) del conmutador electrónico están formados por transistores MOSFET.

13. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 12, caracterizado por el hecho de que la salida de la unidad de gestión está conectada a la puerta del primer transistor (T1) por un divisor resistivo (R1-R2).

14. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el primer transistor (T1) está constituido por un transistor IGBT conectado entre el ánodo del diodo (D2) de rueda libre, y el segundo transistor (T2).

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15. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 14, caracterizado por el hecho de que el control del primer transistor (T1) se realiza a través de una etapa amplificadora (14).

16. Circuito de control electrónico de un estárter según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado por el hecho de que el segundo transistor (T2) es un transistor MOSFET y por el hecho de que el potencial de la puerta del segundo transistor (T2) se fija por medio de una resistencia (R3) conectada entre la salida de la puerta ET y masa.

17. Circuito de control electrónico de un estárter según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado por el hecho de que el primer transistor (T1) está controlado en un modo por impulsos por la unidad de gestión (G).

18. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el conmutador electrónico está constituido por un transistor TOPFET conectado entre la batería (B) y el cátodo del diodo (D2) de rueda libre.

19. Circuito de control electrónico de un estárter según la reivindicación 18, caracterizado por el hecho de que el transistor está controlado en una modalidad de todo o nada por una puerta lógica (ET) sensible al estado de abertura o cierre del interruptor de arranque K.