WO2000014402A1 - Startersystem für einen verbrennungsmotor sowie verfahren zum starten eines verbrennungsmotors - Google Patents

Startersystem für einen verbrennungsmotor sowie verfahren zum starten eines verbrennungsmotors Download PDF

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WO2000014402A1
WO2000014402A1 PCT/EP1999/006577 EP9906577W WO0014402A1 WO 2000014402 A1 WO2000014402 A1 WO 2000014402A1 EP 9906577 W EP9906577 W EP 9906577W WO 0014402 A1 WO0014402 A1 WO 0014402A1
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starter
battery
voltage
starting
intermediate circuit
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PCT/EP1999/006577
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Thomas Pels
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Continental Isad Electronic Systems Gmbh & Co. Ohg
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    • F02N2200/06—Parameters used for control of starting apparatus said parameters being related to the power supply or driving circuits for the starter
    • F02N2200/064—Battery temperature

Definitions

  • the present invention relates to a starter system for an internal combustion engine and a method for starting an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine opposes the starter due to the very high shear forces of the engine oil, so that the starting current rises sharply to low temperatures, for example with powerful starters for large-volume internal combustion engines to values up to several 100 A.
  • the internal resistance of the starter battery increases, which greatly limits the power or discharge current that can be removed. Because of these two effects, which increase in their effect, it is not uncommon for the starter battery to fail at a desired cold start at low temperatures, because the starter "required"
  • EP 0 533 037 B1 Magnetic Marelli
  • step-up converters To ensure the function of other electrical consumers - such as the ignition and injection system - despite the sharp drop in the electrical, the use of step-up converters has also been proposed to keep the supply voltage constant (EP 0 391 065 A2 (Bosch)).
  • WO 97/08456 Discloses a modern high-performance starter based on a three-phase machine, with the DC voltage of the starter battery being converted and being increased to an increased voltage level of a DC link in the course of this conversion. Special measures to ensure safe starting at low temperatures are not mentioned there.
  • a starter system for an internal combustion engine in the form of a turbine is known, with an electric starter, a starter battery, a power electronic functional unit in the form of a voltage source converter, which actively adjusts the value of the current drawn from the starter battery for the purpose of starting , and a control device based on pulse width modulation, which specifies the charging current to be set for the power electronic function unit.
  • the invention provides a starter system for an internal combustion engine, with an electric starter, a starter battery, a device for measuring the temperature of the starter battery, a power electronic functional unit that actively activates the value of the discharge current taken from the starter battery for the purpose of starting or preparing for starting and a control device which specifies the discharge current value to be set to the functional unit, the maximum discharge current value being lower at low battery temperatures than at high temperatures.
  • the temperature of the battery - and thus indirectly its internal resistance - is recorded before starting and a temperature-dependent permissible discharge current is determined with the aid of this value. In the vast majority of cases, this measure prevents the battery from failing at low temperatures and increases safety during a cold start.
  • the starter has only limited electrical power available. In many cases where failure has traditionally occurred, this limited performance will still be sufficient to start. In those cases in which the start can no longer start due to the power limitation, at least discharge of the battery is avoided by the start attempt, so that starting is still possible at least after the battery has been heated.
  • starter battery does not mean that this must only serve to start. Rather, as usual in motor vehicles, it can also feed other consumers in addition to the starter.
  • the starter is fed from a higher voltage than that of the starter battery (usually 12V or 24V). Operation at such a higher voltage (e.g. 48V) allows a more advantageous construction of the starter machine.
  • a step-up converter is connected between the two voltage levels, which also takes over the task of actively setting the discharge current.
  • the starter is designed as a three-phase machine, the supply voltage is obtained by alternating a DC voltage of an intermediate circuit.
  • the above-mentioned increased voltage is the intermediate circuit voltage.
  • the step-up converter mentioned is then between the starter battery and the intermediate circuit.
  • an increased intermediate circuit voltage has the advantage that the losses on the semiconductor elements which inevitably occur in the inverter are lower.
  • Claim 5 relates to the case that energy is removed from the starter battery during the starting process via the step-up converter.
  • An alternative is described in claim 6, wherein in addition to the starter battery there is at least one short-term storage device which supplies all or part of the starting energy to the starter during the starting process.
  • the short-term storage is charged as preparation for the start by removing it from the starter battery.
  • the power electronic functional unit is connected between the starter battery and the short-term storage device and actively adjusts the current value taken from the starter battery for the purpose of charging the short-term storage device.
  • a combination of both alternatives is also possible, in which the short-term storage only acts as a support.
  • the starter battery first charges the short-term storage in preparation for the start. During the start-up process, both energy then deliver to the starter.
  • short-term storage means a storage that can deliver high power relative to the amount of energy that can be stored or, in other words, can be quickly discharged (in the order of 0.1 to 5 minutes, for example).
  • These include, for example, high-performance capacitors, fast galvanic elements and mixed forms thereof (e.g. so-called ultra-caps).
  • the use of a short-term storage has another advantage: in those cases where the electrical power that is given directly from the starter battery to the starter can, is no longer sufficient for the starting process, in most cases there is still enough energy in the starter battery to sufficiently charge the short-term storage. Due to the effect of the power electronic functional unit, the charging process is dependent on the battery temperature, so that the charging time is minimized. The short-term storage then releases the power required for starting after charging with the required energy.
  • the short-term storage is charged to a higher voltage than that of the starter battery. According to claim 8, this higher voltage is increased in a starter system according to claim 4 by the increased intermediate circuit voltage or a value close to it. In this embodiment, the short-term storage device feeds directly into the intermediate circuit without any significant voltage conversion, which has an effect on the safety, speed and effectiveness of the starting process.
  • the starter battery (or - in the case of several starter batteries - one of the starter batteries) is not at the usual low voltage level (12V or 24V), but at the higher intermediate circuit level (eg 48V).
  • this starter battery is therefore also referred to below as "high-voltage battery”.
  • high-voltage battery Since " various consumers of a motor vehicle, in particular the lighting, generally work more advantageously at lower voltages, a low-voltage part of the vehicle electrical system is provided which is lower than the intermediate circuit voltage. This low-voltage part is fed, for example, by voltage reduction from the starter battery in the intermediate circuit.
  • the power electronic functional unit for Setting the discharge current lies, for example, between the high-voltage starter battery and the intermediate circuit.
  • the inverter located between the intermediate circuit and the alternator is controlled in such a way that no more than the predetermined discharge current from the intermediate circuit is converted into alternating current
  • the inverter is the power electronic functional unit for the active setting of the discharge current.
  • the invention is also directed to a method for starting an internal combustion engine which has an electric starter, a starter battery and a device for measuring the temperature of the starter battery.
  • the method consists in measuring the temperature of the starter battery, depending on the measured battery temperature, a maximum discharge current value, which is lower at low temperatures than at high temperatures, and which is taken from the starter battery for the purpose of starting or preparing for starting Discharge current value is set actively so that it does not exceed the maximum discharge current value.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the most important functional units of a first exemplary embodiment of a starter system
  • FIG. 3 shows a representation corresponding to FIG. 2 of a second exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a representation of a third exemplary embodiment corresponding to FIG. 2;
  • 5 is a flow diagram of a method for starting.
  • the starter system according to Fig. 2 is for a motor vehicle, e.g. a passenger car. It has an internal combustion engine 1, which delivers torque to the drive wheels of the vehicle via a drive shaft 2 (e.g. the crankshaft of the internal combustion engine 1), a clutch 3 and other parts (not shown) of a drive train. In the starter function of interest here, clutch 3 is open.
  • an electrical machine 4 serving as a starter, here an asynchronous three-phase machine. It has a rotor 5, which is seated directly coaxially on the drive shaft 2 and is connected to it in a rotationally fixed manner, and a e.g. supported on the housing of the internal combustion engine 1 stand 6.
  • the starter 4 (as well as the devices for feeding and storing energy described below) are dimensioned such that the internal combustion engine 1 can preferably be started directly (i.e. without a flywheel function or the like). Preferably there is also no step-up or step-down ratio between starter 4 and internal combustion engine 1, so that the two can run together permanently.
  • the winding (not shown) of the stator 6 is practically freely adjustable by a converter 7 with electrical currents and voltages
  • Amplitude, phase and frequency fed It is, for example, a DC link converter, which cuts out from a substantially constant DC link voltage with the help of electronic switches, for example, sinus-weighted, wide-modulated pulses, which - averaged by the inductance of the electrical machine 4 - produce almost sinusoidal currents of the desired frequency , Amplitude and phase.
  • the converter 7 is essentially constructed from a machine-side inverter 7a (a DC voltage-AC converter), a DC voltage intermediate circuit 7b and a boost converter 7c on the electrical system side (a DC-DC converter).
  • the step-up converter 7c is coupled to a vehicle electrical system 8 and a starter battery 9.
  • the electrical system 8 and the starter Battery 9 are at a low voltage level, e.g. 12 or 24V.
  • the intermediate circuit 7b is at an increased voltage, which is advantageously in the range between 40 and 350V.
  • the step-up converter 7c serves to step up the electrical energy drawn when the starter battery 9 is started from the low voltage level to the increased voltage level of the intermediate circuit 7b. At the same time, it functions as a current limiter which, in accordance with the specification of a control device (explained below), prevents the boosted current (and thus the discharge current of the starter battery 9) from exceeding a respectively predetermined value.
  • the starter battery 9 may also supply the consumers of the vehicle electrical system 8.
  • the electrical machine 4 can function as a generator for charging the starter battery 9 and supplying the vehicle electrical system 8.
  • the step-up converter 7c is therefore designed as a bidirectional converter, on the one hand to be able to bring electrical energy from the starter battery 9 into the intermediate circuit 7b for the starting process (or its preparation, FIG. 3), and on the other hand to generate energy from the intermediate circuit 7b during generator operation to transfer the low voltage side.
  • the inverter 7a converts the direct voltage of the intermediate circuit 7b into alternating voltage in motor operation, in generator operation it feeds the energy supplied by the electrical machine 4 into the intermediate circuit 7b after rectification.
  • a backup capacitor (not shown) in the intermediate circuit is able to supply voltage pulses with a high pulse frequency (advantageously in the range from 20 kHz to 100 kHz) with the required edge steepness.
  • the starter battery 9, for example a conventional sulfuric acid lead accumulator, is equipped with a sensor 10 which measures the current battery temperature.
  • the sensor has, for example, a sensor element with electrical resistance material with a positive or negative temperature coefficient (PTC or NTC), which is in thermal contact with one or more electrochemically active elements of the battery
  • a control unit 10 receives the temperature-related information supplied by the temperature sensor 10, calculates the maximum discharge current from this, in order to avoid excessive to avoid lowering the battery voltage, and gives the step-up converter 7c appropriate instructions not to step up a larger current from the low-voltage level into the intermediate circuit 7b.
  • the control unit 11 also controls the amount of voltage step-up of the step-up converter 7c (and correspondingly, in the case of a generator function, the amount of voltage step-down). It also controls the inverter 7a by specifying the amplitude, phase and frequency of the three-phase current to be supplied to the starter 4. For this purpose, it can receive information signals from a rotary angle encoder (not shown), from which it can determine the current angular position and speed of the drive shaft 2.
  • control unit 11 can take over all functions of a conventional internal combustion engine control unit (in particular throttle valve control, fuel injection control, ignition control, etc.).
  • FIG. 3 The exemplary embodiment according to FIG. 3 largely corresponds to that of FIG. 2, so that in order to avoid repetitions with regard to the matches, reference is made to the above statements.
  • an additional short-term memory 12 for example a capacitor memory
  • FIG. 3 an additional short-term memory 12, for example a capacitor memory
  • it is electrically coupled directly to the intermediate circuit; in other (not shown) exemplary embodiments, a current control device is connected between the short-term memory 12 and the intermediate circuit 7b, which permits the active setting of the current led from or into the memory 12.
  • the starter battery 9 initially charges the short-term memory 12 as part of the preparation for the start.
  • the step-up converter 7c limits the current drawn from the starter battery 9 in the battery temperature-dependent manner described above (in the above-mentioned embodiment with a current control device between the short-term memory 12 and the intermediate circuit 7b, the current control device can of course take over this function).
  • the actual start then takes place using the energy stored in the short-term storage 12.
  • the starter battery 9 also make a contribution to the starting energy during the starting process, this contribution being limited in the battery temperature-dependent manner described above by the action of the step-up converter 7b.
  • the control unit 11 in Fig. 3 is designed and programmed so that it can control the described functions of the pre-start charging of the short-term memory 12 and the other functions mentioned.
  • the starter system according to FIG. 4 represents a further treatise from FIG. 2, which essentially corresponds to this.
  • the starter battery designated here by 9 '
  • a current control device 13 is connected between starter battery 9 'and intermediate circuit 7b and takes over the current limitation of the discharge current when starting in the battery temperature-dependent manner described above.
  • the DC-DC converter designated here with 7c ' only has the task here of transferring energy from the intermediate circuit 7b to the low-voltage electrical system 8 while reducing the voltage.
  • FIGS. 3 and 4 Another exemplary embodiment (not shown) corresponds to a combination of FIGS. 3 and 4.
  • a short-term memory 12 is arranged in the intermediate circuit.
  • the short-term memory 12 is charged in preparation for starting from the high-voltage battery 9 'with limitation of the battery discharge current depending on the battery temperature.
  • the flow diagram according to FIG. 5 again illustrates the functioning of the exemplary embodiments mentioned: in step S1, a start command is waited for.
  • the short-term memory precharge can also be profile-specific before a start command arrives, in order to shorten the starting process by the short-term memory loading time.
  • step S2 the battery temperature is measured, for example by reading the signals supplied by the battery temperature sensor 10 into the control device 11.
  • the control device 11 determines the maximum discharge current as a function of the battery temperature.
  • step S4 the control unit 11 instructs the step-up converter 7c or the current control unit 13 not to allow a discharge current higher than the maximum value determined in the previous step.
  • the short-term memory 12 is then started or charged, the battery discharge current remaining below the predetermined limit.
  • the discharge current can remain below the limit if no correspondingly high current flow is required. This can be the case, for example, when the internal combustion engine 1 is still warm or the short-term memory 12 is still partially charged.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Startersystem für einen Verbrennungsmotor (1), mit einem elektrischen Starter (4), einer Starterbatterie (9, 9'), einer Einrichtung (10) zur Messung der Temperatur der Starterbatterie (9, 9'), einer leistungselektronischen Funktionseinheit (7c; 13), die den Wert des der Starterbatterie (9, 9') zum Zweck des Startens oder der Startvorbereitung entnommenen Entladestroms aktiv einstellt; und einer Steuereinrichtung (11), die der Funktionseinheit (7c; 13) den einzustellenden Entladestromwert vorgibt, wobei bei tiefen Batterietemperaturen der maximale Entladestromwert niedriger als bei hohen Temperaturen liegt. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (1).

Description

STARTERSYSTEM FÜR EINEN VERBRENNUNGSMOTOR SOWIE VERFAHREN ZUM STARTEN EINES VERBRENNUNGSMOTORS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Startersystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors .
Herkömmliche Starter sind üblicherweise als Reihenschluß-Gleichstrommotoren ausgeführt. Ein Reihenschlußmotor wird üblicherweise deshalb gewählt, da diese Motorart ein relativ hohes Anzugsmoment zum "Losbrechen" des Verbrennungsmotors aufbringt. Dies hat allerdings zur Folge, daß bei aufzubringenden hohen Drehmomenten beträchtliche Ströme fließen.
Bei einem Kaltstart setzt der Verbrennungsmotor dem Starter durch die sehr hohen Scherkräfte des Motoröls ein beträchtliches Moment entgegen, so daß der Startstrom zu niedrigen Temperaturen hin stark ansteigt, so beispielsweise bei leistungsfähigen Startern für großvolumige Verbrennungsmotoren auf Werte bis zu mehreren 100 A. Gleichzeitig steigt mit abnehmender Temperatur der Innenwiderstand der Starterbatterie an, was die entnehmbare Leistung bzw. den Entladestrom stark einschränkt. Aufgrund dieser beiden - sich in ihrer Wirkung verstärkenden - Effekte passiert es bei niedrigen Temperaturen nicht selten, daß die Starterbatterie bei einem gewünschten Kaltstart versagt, weil der vom Starter "geforderte"
Entladestrom zu groß ist.
Im Stand der Technik sind eine Reihe von Vorschlägen bekannt, die ein, sicheres Starten bei tiefen Temperaturen ermöglichen sollen. Viele dieser Vorschläge sehen einen zusätzlichen Kurzzeitspeicher in Form eines Kondensatorspeichers vor, welcher vor dem Startvorgang langsam aufgeladen wird. Bei einigen dieser Vorschläge wird die Batterie und der vorgeladene Kondensator beim Starten parallelgeschaltet, so daß beide Energiespeicher zum Startvorgang beitragen (JP 02175350 A (Isuzu) und JP 02175351 A (Isuzu)). Bei anderen Vorschlägen wird der Kondensatorspeicher für den Startvor- gang von der Starterbatterie getrennt, das Starten erfolgt also vollständig mit der in ihm gespeicherten Energie (DE 41 35 025 AI
(Magneti Marelli) und US-PS 5 051 776 (Isuzu)). Bei weiteren
Vorschlägen dieser Art wird die zum Starten benötigte Energie von dem Spannungsniveau der Starterbatterie (12V oder 24V) durch einen hochsetzenden Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (sog. Hoch- setzsteller) zunächst auf ein höheres Spannungsniveau gebracht und in dem Kondensatorspeicher gespeichert (SO 1265388 AI (Mose Auto- mech) und EP 0 390 398 AI (Isuzu)). Die höhere Spannung beim Starten bei gleichzeitig verringertem Entladestrom erlaubt, so die letztgenannten Vorschläge, ein sicheres Starten auch bei tiefen
Temperature .
Aus der EP 0 403 051 AI (Isuzu) ist es ferner bekannt, einen zum Speichern der Startenergie dienenden Kondensator nur bis zu einem bestimmten variablen Spannungspegel aufzuladen, der von der jeweils vorliegenden Temperatur des Motorkühlmittels abhängt.
Ferner gibt es eine Reihe von Vorschlägen, bei denen Temperaturen im Kraftfahrzeug erfaßt werden und die Steuerung elektrischer
Vorgänge beeinflussen:
So ist es beispielsweise aus der EP 0 533 037 Bl (Magneti Marelli) bekannt, einen Kondensatorspeicher zur Speisung einer elektrischen Katalysatorheizung vorzusehen, wobei die Entnahme aus dem Speicher und damit der Grad der Beheizung temperaturabhängig gesteuert sind.
Auch wurde vorgeschlagen, die Temperatur der Fahrzeugbatterie zu meseen und den Ladestrom mit Hilfe einer Änderung der Generatorerregung temperatu abhängig zu variieren; und zwar soll der Ladestrom zu tieferen Temperaturen hin erhöht werden. Dies soll offenbar dazu dienen, auch bei tiefen Temperaturen, wenn die Batterie "ladeunwilliger" ist, eine Erhöhung der Ladezeit zu vermeiden (DE 34 23 767 AI (Bosch) und EP 0 621 990 Bl (Bosch)).
Um die Funktion anderer elektrischer Verbraucher - wie etwa der Zünd- und Einspritzanlage - trotz des starken Absinkens der elek- trischen Versorgungsspannung beim Kaltstarten zu vermeiden, wurde ferner zur Konstanthaltung der VersorgungsSpannung die Verwendung von Hochsetzstellern vorgeschlagen (EP 0 391 065 A2 (Bosch) ) .
Schließlich ist aus der WO 97/08456 (Clouth et al . ) ein moderner Hochleistungsstarter auf der Basis einer Drehstrommaschine bekannt, wobei die Gleichspannung der Starterbatterie umgerichtet wird und im Rahmen dieser Umrichtung auf ein erhöhtes Spannungs- niveau eines Gleichspannungs-Zwischenkreises hochgesetzt wird. Besondere Maßnahmen zur Gewährleistung eines sicheren Startens bei tiefen Temperaturen sind dort nicht erwähnt.
Aus der US-PS 5 325 042 ist ein Startersystem für eine Brennkraftmaschine in Form einer Turbine bekannt, mit einem elektrischen Starter, einer Starterbatterie, einer leistungselektronischen Funktionseinheit in Form eines Spannungsquellenumrichters, die den Wert des der Starterbatterie zum Zwecke des Startens entnommenen Stroms aktiv einstellt, und einer auf Pulsweitenmodulation beruhenden Steuereinrichtung, die der leistungselektronischen Funk- tionseinheit den einzustellenden Ladestrom vorgibt.
Aus der DE 43 41 826 AI ist es bekannt, bei einem Verbrennungsmotor mit Abschaltautomatik die Temperatur einer Starterbatterie mittels eines Sensors zu erfassen und einer Steuereinrichtung zuzuführen. In Abhängigkeit von dem gemessenen Temperaturwert wird entschieden, ob bei einem Ampelstop eine automatische Abschaltung des Verbrennungsmotors erfolgen darf oder nicht .
Aus IBM Technical Disclosure Bulletin Band 37, Nr. 6A, Juni 1994, S. 609-610 ist eine Batterielade- und -entladeschaltung für tragbare Geräte bekannt, bei der die Temperatur der Batterie erfasst und abhängig hiervon beim Entladen das Puls-Pausen-Verhältnis des Entladestroms, also dessen Mittelwert eingestellt wird. Bei tiefen Batterietemperaturen liegt dieser Wert höher als bei hohen.
Manche der eingangs erwähnten Vorschläge, z.B. derjenige von Mose Automech, können einen Ausfall der Batterie bei gewünschten Tief- temperaturstarts vermeiden. Die Erfindung hat zum Ziel, eine weitere Lösung dieses Problems anzugeben.
Gemäß Anspruch 1 stellt die Erfindung ein Startersystem für einen Verbrennungsmotor bereit, mit einem elektrischen Starter, einer Starterbatterie, einer Einrichtung zur Messung der Temperatur der Starterbatterie, einer leistungselektronischen Funktionseinheit, die den Wert des der Starterbatterie zum Zweck des Startens oder der Startvorbereitung entnommenen Entladestroms aktiv einstellt, und einer Steuereinrichtung, die der Funktionseinheit den einzustellenden Entladestromwert vorgibt, wobei bei tiefen Batterietemperaturen der maximale Entladestromwert niedriger als bei hohen Temperaturen liegt. Mit anderen Worten wird also die Temperatur der Batterie - und damit indirekt deren Innenwiderstand - vor dem Start erfaßt und mit Hilfe dieses Wertes ein temperaturabhängiger zulässiger Entladestrom bestimmt. Diese Maßnahme vermeidet in der überwiegenden Zahl der Fälle einen Ausfall der Batterie bei tiefen Temperaturen und erhöht die Sicherheit beim Kaltstart. In denjenigen Fällen, in denen kein zusätzlicher Kurzzeitspeicher oder ähnliches vorgesehen ist, steht dem Starter zwar nur eine beschränkte elektrische Leistung zur Verfügung. In vielen Fällen, in denen herkömmlicherweise bereits ein Ausfall eintrat, wird diese beschränkte Leistung noch zum Starten ausreichen. In denjenigen Fällen, in denen der Start aufgrund der Leistungsbeschränkung den Verbrennungsmotor nicht mehr losbrechen kann, wird zumindest eine Entladung der Batterie durch den Startversuch vermieden, so daß wenigstens nach Aufheizen der Batterie noch ein Starten möglich ist .
Angemerkt sei noch, daß mit "Starterbatterie" nicht etwa gemeint ist, daß diese ausschließlich zum Starten dienen muß. Sie kann vielmehr, wie üblich bei Kraftfahrzeugen, neben dem Starter auch andere Verbraucher speisen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gemäß Anspruch 2 wird der Starter aus einer höheren Spannung als derjenigen der Starterbatterie (üblicherweise 12V oder 24V) gespeist. Ein Betrieb bei einer solchen höheren Spannung (z.B. 48V) erlaubt eine vorteilhaftere Konstruktion der Startermaschine. Zwischen den beiden Spannungsniveaus ist ein Hochsetzsteller geschaltet, welcher auch die Aufgabe der aktiven Einstellung des Entladestroms übernimmt.
Gemäß Anspruch 3 ist der Starter als Drehstrommaschine ausgebildet, deren VersorgungsSpannung durch Wechselrichtung einer Gleichspannung eines Zwischenkreises gewonnen wird. Gemäß Anspruch 4 ist die oben erwähnte erhöhte Spannung die ZwischenkreisSpannung. Der erwähnte Hochsetzsteller liegt dann zwischen der Starterbatterie und dem Zwischenkreis. Eine erhöhte ZwischenkreisSpannung hat bei einem Drehstromstarter den Vorteil, daß die im Wechselrichter zwangsläufig auftretenden Verluste an den Halbleiterelementen geringer ausfallen.
Anspruch 5 betrifft den Fall, daß der Starterbatterie während des Startvorgangs Energie über den Hochsetzsteller entnommen wird. Eine Alternative beschreibt Anspruch 6, wobei neben der Starterbatterie wenigstens ein Kurzzeitspeicher vorhanden ist, welcher beim Startvorgang die gesamte oder einen Teil der Startenergie an den Starter liefert. Die Aufladung des Kurzzeitspeichers erfolgt als Startvorbereitung durch Entnahme aus der Starterbatterie. Die leistungselektronische Funktionseinheit ist zwischen Starterbatterie und Kurzzeitspeicher geschaltet und stellt den der Starterbat- terie zwecks Kurzzeitspeicheraufladung entnommenen Stromwert aktiv ein. Auch eine Kombination beider Alternativen ist möglich, bei welcher der Kurzzeitspeicher nur unterstützend wirkt. Hierbei lädt die Starterbatterie zunächst startvorbereitend den Kurzzeitspeicher auf. Beim Startvorgang liefern dann beide Energie zum Star- ter Unter Kurzzeitspeicher wird übrigens ein Speicher verstanden, der relativ zur speicherbaren Energiemenge hohe Leistungen abgeben kann, oder, anders ausgedrückt, schnell entladbar ist (in der Größenordnung von z.B. 0,1 bis 5 Minuten) . Hierzu zählen beispielsweise Hochleistungskondensatoren, schnelle galvanische Elemente und Mischformen hiervon (z.B. sog. Ultra-Caps) . Die Verwendung eines Kurzzeitspeichers hat noch einen weiteren Vorteil: in denjenigen Fällen, in denen die elektrische Leistung, die von der Starterbatterie an den Starter direkt abgegeben werden kann, für den Startvorgang nicht mehr ausreicht, ist in den meisten Fällen in der Starterbatterie noch genügend Energie vorhanden, um den Kurzzeitspeicher ausreichend aufzuladen. Durch die Wirkung der leistungselektronischen Funktionseinheit erfolgt der Ladevorgang in Abhängigkeit von der Batterietemperatur, so daß die Ladezeit minimiert wird. Der Kurzzeitspeicher gibt dann nach Aufladung mit der erforderlichen Energie die zum Starten benötigte Leistung ab.
Gemäß Anspruch 7 wird der Kurzzeitspeicher auf eine höhere Spannung als diejenige der Starterbatterie aufgeladen. Gemäß Anspruch 8 ist diese höhere Spannung bei einem Startersystem gemäß Anspruch 4 um die erhöhte Zwischenkreisspannung oder einen in deren Nähe liegenden Wert erhöht. Bei dieser Ausgestaltung speist also der Kurzzeitspeicher ohne wesentliche Spannungsumsetzung direkt in den Zwischenkreis ein, was sich zugunsten der Sicherheit, Schnelligkeit und Effektivität des Startvorgangs auswirkt.
Eine andere Ausgestaltungsmöglichkeit eines Startersystems mit Drehstrommaschine gemäß Anspruch 3 ist in Anspruch 9 angegeben.
Hier liegt die Starterbatterie (oder - bei mehreren Starterbatterien - eine der Starterbatterien) nicht auf dem üblichen Niederspannungsniveau (12V oder 24V) , sondern auf dem erhöhten Zwischen- kreisniveau (z.B. 48V). Deshalb wird diese Starterbatterie der Einfachheit halber nachfolgend auch "Hochspannungsbatterie" genannt. Da" verschiedene Verbraucher eines Kraftfahrzeugs, insbesondere die Beleuchtung, im allgemeinen bei niedrigeren Spannungen vorteilhafter arbeiten, ist ein Niederspannungsteil des Bordnetzes vorgesehen, welches niedriger als die Zwischenkreisspannung liegt. Dieser Niederspannungsteil wird z.B. durch Spannungsherabsetzung aus der Starterbatterie im Zwischenkreis gespeist. Die leistungselektronische Funktionseinheit zur Einstellung des Entladestroms liegt z.B. zwischen der Hochspannungsstarterbatterie und dem Zwischenkreis. Bei anderen Ausführungsformen wird der zwischen Zwischenkreis und Wechselstrommaschine liegende Wechselrichter so gesteuert, daß nicht mehr als der vorgegebene Entladestrom aus dem Zwischenkreis in Wechselstrom umgesetzt wird. Hier ist also der Wechselrichter gleichzeitig die leistungselektronische Funktionseinheit zur aktiven Einstellung des Entladestroms .
Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Starten eines Ver- brennungsmotors gerichtet, welches einen elektrischen Starter, eine Starterbatterie und eine Einrichtung zur Messung der Temperatur der Starterbatterie aufweist. Das Verfahren besteht darin, daß die Temperatur der Starterbatterie gemessen wird, in Abhängigkeit von der gemessenen Batterietemperatur ein maximaler Entladestrom- wert, der bei niedrigen Temperaturen niedriger als bei hohen Temperaturen liegt, bestimmt wird und der der Starterbatterie zum Zweck des Startens oder der Startvorbereitung entnommene Entladestromwert aktiv so eingestellt wird, daß er den maximalen Entladestromwert nicht überschreitet .
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der angefügten Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm des maximalen Entladestroms als Funktion der Batterietemperatur;
Fig. 2 eine Schemadarstellung der wichtigsten Funktionseinheiten eines ersten Ausführungsbeispiels eines Startersystems;
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels;
Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels ;
Fig. 5 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Starten.
In den Figuren sind funktionsgleiche oder -ähnliche Teile mit gleichen Bezugszei-chen gekennzeichnet.
Fig. 1 veranschaulicht die Abhängigkeit des Entladestroms von der Batterietemperatur, der bei den folgenden Ausführungsbeispielen der Starterbatterie durch entsprechende aktive Einstellung einer (unten noch näher erläuterten) leistungselektronischen Funktionseinheit beim Starten entnommen wird. Man erkennt, daß es sich um eine monoton steigende Funktion handelt, die also bei tiefen Temperaturen relativ niedrige Werte hat und mit steigender Temperatur zunimmt. Die mit "T^-," und "T,-^" gekennzeichneten Temperaturwerte sind diejenigen Grenzen der Batterietemperatur, für welche die Batterie betriebsfähig ist (also z.B. -30°C und +80°C) .
Das Startersystem gemäß Fig. 2 ist für ein Kraftfahrzeug, z.B. einen Personenkraftwagen, bestimmt. Es weist einen Verbrennungsmotor 1 auf, der Drehmoment über eine Antriebswelle 2 (z.B. die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1) , eine Kupplung 3 und weitere (nicht gezeigte) Teile eines Antriebsstrangs auf die Antriebsräder des Fahrzeugs abgibt. Bei der hier interessierenden Starterfunktion ist die Kupplung 3 geöffnet. Auf der Antriebswelle 2 sitzt eine als Starter dienende elektrische Maschine 4, hier eine Asyn- chron-Drehstrommaschine . Sie weist einen direkt koaxial auf der Antriebswelle 2 sitzenden und drehfest mit ihr verbundenen Läufer 5 sowie einen z.B. am Gehäuse des Verbrennungsmotors 1 abgestützten Ständer 6 auf. Der Starter 4 (sowie die unten näher beschriebenen Einrichtungen zu seiner Speisung und zur Energiespeicherung) sind so dimensioniert, daß der Verbrennungsmotor 1 vorzugsweise direkt (d.h. ohne Schwungradfunktion oder ähnliches) gestartet werden kann. Vorzugsweise ist auch keine Über- oder Untersetzung zwischen Starter 4 und Verbrennungsmotor 1 angeordnet , so daß beide permanent zusammenlaufen können. Die (nicht dargestellte) Wicklung des Ständers 6 wird durch einen Umrichter 7 mit elek- trischen Strömen und Spannungen praktisch frei einstellbarer
Amplitude, Phase und Frequenz gespeist. Es handelt sich z.B. um einen Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter, welcher aus einer im wesentlichen konstanten Zwischenkreis-Gleichspannung mt Hilfe von elektronischen Schaltern z.B. sinusbewertete breitenmodulierte Pulβe herausschneidet, die - gemittelt durch die Induktivität der elektrischen Maschine 4 - zu nahezu sinusförmigen Strömen der gewünschten Frequenz, Amplitude und Phase führen. Der Umrichter 7 ist im wesentlichen aus einem maschinenseitigen Wechselrichter 7a (einem Gleichspannungs-Wechselspannungs-Umrichter) , einem Gleich- spannungs-Zwischenkreis 7b und einem bordnetzseitigen Hochsetzsteller 7c (einem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler) aufgebaut. Der Hochsetzsteller 7c ist mit einem Fahrzeugbordnetz 8 und einer Starterbatterie 9 gekoppelt. Das Bordnetz 8 und die Starter- batterie 9 liegen auf einem niedrigen Spannungsniveau, z.B. 12 oder 24V. Der Zwischenkreis 7b liegt demgegenüber auf einer erhöhten Spannung, die vorteilhafterweise im Bereich zwischen 40 und 350V liegt. Der Hochsetzsteller 7c dient dazu, die beim Starten der Starterbatterie 9 entnommene elektrische Energie von dem niedrigen Spannungsniveau auf das erhöhte Spannungsniveau des Zwischenkreises 7b hochzusetzen. Er fungiert gleichzeitig als Strombegrenzer, der gemäß Vorgabe einer (unten erläuterten) Steuereinrichtung verhindert, daß der hochgesetzte Strom (und damit der Entladestrom der Starterbatterie 9) einen jeweils vorgegebenen Wert überschreitet . Bei stehendem Verbrennungsmotor 1 versorgt die Starterbatterie 9 ggf. auch die Verbraucher des Fahrzeugbordnetzes 8. Bei laufendem Verbrennungsmotor 1 kann die elektrische Maschine 4 als Generator zur Ladung der Starterbatterie 9 und Versorgung des Fahrzeugbordnetzes 8 fungieren. Der Hochsetzsteller 7c ist daher als bidirektionaler Wandler ausgebildet, um einerseits für den Startvorgang (bzw. dessen Vorbereitung, Fig. 3) elektrische Energie aus der Starterbatterie 9 in den Zwischenkreis 7b bringen zu können, und um andererseits beim Generatorbetrieb Energie aus dem Zwischenkreis 7b auf die Niederspannungsseite zu überführen.
Im letzteren Fall arbeitet er also als Tiefsetzsteiler . Der Wechselrichter 7a wandelt im Motorbetrieb die Gleichspannung des Zwischenkreises 7b in WechselSpannung um, im Generatorbetrieb speist er die von der elektrischen Maschine 4 gelieferte Energie nach Gleichrichtung in den Zwischenkreis 7b ein. Ein (nicht gezeigter) Stützkondensator im Zwischenkreis ist in der Lage, Spannungspulse mit einer hohen Pulsfrequenz (vorteilhaft im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz) mit der erforderlichen Flankensteilheit zu liefern. Die Starterbatterie 9, beispielsweise ein herkömmlicher Schwefelsäure-Blei-Akkumulator, ist mit einem Fühler 10 ausgerüstet, der die jeweils momentane Batterietemperatur mißt. Der Fühler weist beispielsweise ein Fühlerelement mit elektrischem Widerstandsmaterial mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten (PTC bzw. NTC) auf, welches in Wärmeleitungskontakt mit einem oder mehreren elektrochemisch aktiven Elementen der Batterie
9 steht. Ein Steuergerät 10 erhält die vom Temperaturfühler 10 gelieferte temperaturbezogene Information, berechnet hieraus den Entladestrom, der maximal zulässig ist, um ein übermäßiges Ab- sinken der Batteriespanung zu vermeiden, und gibt dem Hochsetzsteller 7c entsprechende Anweisung, keinen größeren Strom aus dem Niederspannungsniveau in den Zwischenkreis 7b hochzusetzen. Das Steuergerät 11 steuert daneben auch den Betrag der Spannungsher- aufsetzung des Hochsetzstellers 7c (und entsprechend, bei Generatorfunktion, den Betrag der Spannungsherabsetzung) . Es steuert ferner den Wechselrichter 7a, indem es ihm Amplitude, Phase und Frequenz des an den Starter 4 zu liefernden Dreiphasenstroms vorgibt. Es kann hierzu Informationssignale von einem (nicht gezeigten) Drehwinkelgeber erhalten, aus denen es die momentane Winkelstellung und Drehzahl der Antriebswelle 2 ermitteln kann. Schließlich kann das Steuergerät 11 sämtliche Funktionen eines herkömmlichen Verbrennungsmotorsteuergeräts übernehmen (insbesondere Drosselklappensteuerung, Kraftstoffeinspritzsteuerung, Zün- dungsSteuerung etc.).
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 stimmt weitgehend mit dem von Fig. 2 überein, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen hinsichtlich der Übereinstimmungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Der augenfälligste Unterschied besteht darin, daß bei Fig. 3 zusätzlich ein Kurzzeitspeicher 12, z.B. ein Kondensatorspeicher, vorgesehen ist, der - elektrisch gesehen - im Zwischenkreis 7b liegt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist er elektrisch direkt mit dem Zwischenkreis gekoppelt, bei anderen (nicht gezeig- ten) Ausführungsbeispielen ist zwischen Kurzzeitspeicher 12 und Zwischenkreis 7b ein Stromsteuergerät geschaltet, welches die aktive Einstellung des aus dem oder in den Speicher 12 geführten Stroms erlaubt. Ein weiterer Unterschied zur Fig. 2 besteht in der Art und Weise, wie der Startvorgang durchgeführt wird. Und zwar läd die Starterbatterie 9 zunächst im Rahmen der Startvorbereitung den Kurzzeitspeicher 12 auf. Hierbei begrenzt der Hochsetzsteller 7c in der oben erläuterten batterietemperaturabhängigen Weise den der Starterbatterie 9 entnommenen Strom (bei der oben genannten Ausführungsform mit Stromsteuereinrichtung zwischen Kurzzeitspeicher 12 und Zwischenkreis 7b kann selbstverständlich die Stromsteuereinrichtung diese Funktion übernehmen) . Der eigentliche Start erfolgt dann unter Verwendung der im Kurzzeitspeicher 12 gespeicherten Energie. Bei vorteilhaften Ausführungsformen kann die Starterbatterie 9 auch während des Startvorgangs einen Beitrag zur Startenergie liefern, wobei dieser Beitrag in der oben geschilderten batterietemperaturabhängigen Weise durch die Wirkung des Hochsetzstellers 7b begrenzt wird. Es versteht sich, daß das Steuergerät 11 bei Fig. 3 so ausgestaltet und programmiert ist, daß es die beschriebenen Funktionen der startvorbereitenden Aufladung des Kurzzeitspeichers 12 und die übrigen angesprochenen Funktionen steuern kann.
Das Startersystem gemäß Fig. 4 stellt eine weitere Abhandlung von Fig. 2 dar, die in wesentlichen Teilen mit dieser übereinstimmt. Auch wird zur Vermeidung von Wiederholungen hinsichtlich der Übereinstimmungen auf die obigen Ausführungen zu Fig. 2 verwiesen. Der augenfälligste Unterschied zu Fig. 2 besteht darin, daß die hier mit 9' bezeichnete Starterbatterie als Hochspannungsbatterie ausgebildet ist, welche spannungsmäßig auf dem erhöhten Spannungsniveau des Zwischenkreises 7b oder in dessen Nähe liegt. Ein Stromsteuergerät 13 ist zwischen Starterbatterie 9' und Zwischenkreis 7b geschaltet und übernimmt in der oben beschriebenen, batterietemperaturabhängigen Weise die Strombegrenzung des Entladestroms beim Starten. Der hier mit 7c' bezeichnete Gleichspan- nungs-Gleichspannungs-Wandler hat hier nur noch die Aufgabe, Energie aus dem Zwischenkreis 7b unter Spannungsherabsetzung in das Niederspannungsbordnetz 8 zu überführen. Er fungiert also als reiner Tiefsetzsteiler . Der Startvorgang läuft wie bei Fig. 2 ab, mit dem Unterschied, daß die Starterbatterie 9' Strom auf dem erhöhten Spannungsniveau liefert. Bei gleicher Leistung sind damit vorteilhafterweise die erforderlichen Ströme kleiner. Ferner entfallen die mit der Spannungshochsetzung einhergehenden Ver- lusJte.
Ein weiteres (nicht gezeigtes) Ausführungsbeispiel entspricht einer Kombination der Figuren 3 und 4. Hierbei ist zusätzlich zu der im Zwischenkreis 7b angeordneten Hochspannungsbatterie 9' ein Kurzzeitspeicher 12 im Zwischenkreis angeordnet. Wie bei Fig. 3 beschrieben, wird der Kurzzeitspeicher 12 startvorbereitend aus der Hochspannungsbatterie 9' mit batterietemperaturabhängiger Begrenzung des Batterie-Entladestroms aufgeladen. Das Flußdiagramm gemäß Fig. 5 veranschaulicht nochmals die Funktionsweise der genannten Ausführungsbeispiele: Im Schritt Sl wird auf ein Startkommando gewartet. Bei Ausführungsformen mit Kurzzeitspeichern kann die Kurzzeitspeichervorladung auch profilak- tisch vor Eintreffen eines Startkommandos erfolgen, um den Startvorgang um die Kurzzeitspeicher-Ladezeit zu verkürzen. Im Schritt S2 wird die Batterietemperatur gemessen, z.B. durch Einlesen der vom Batterietemperaturfühler 10 gelieferten Signale in das Steuergerät 11. Im Schritt S3 bestimmt das Steuergerät 11 den maximalen Entladestrom als Funktion der Batterietemperatur. Im Schritt S4 weist das Steuergerät 11 den Hochsetzsteller 7c bzw. das Stromsteuergerät 13 an, keinen höheren Entladestrom als den im vorhergehenden Schritt bestimmten Maximalwert zuzulassen. Daraufhin erfolgt das Starten bzw. das Aufladen des Kurzzeitspeichers 12, wobei der Batterieentladestrom unter der vorgegebenen Grenze bleibt. Selbstverständlich kann der Entladestrom unter dem Grenzwert bleiben, wenn gar kein entsprechend hoher Stromfluß erforderlich ist. Dies kann z.B. der Fall sein, wenn der Verbrennungsmotor 1 noch warm ist oder der Kurzzeitspeicher 12 noch teilweise aufgeladen ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Startersystem für einen Verbrennungsmotor (1), mit: einem elektrischen Starter (4) ; - einer Starterbatterie (9,9'); einer Einrichtung (10) zur Messung der Temperatur der Starterbatterie (9,9') ; einer leistungselektronischen Funktionseinheit (7c; 13), die den Wert des der Starterbatterie (9,9') zum Zweck des Startens oder der Startvorbereitung entnommenen Entladestroms aktiv einstellt; und einer Steuereinrichtung (11) , die der Funktionseinheit
(7c; 13) den einzustellenden Entladestromwert vorgibt, wobei bei tiefen Batterietemperaturen der maximale Ent- ladestromwert niedriger als bei hohen Temperaturen liegt .
2. Startersystem nach Anspruch 1, bei welchem der Starter (4) auf einer höheren Spannung als derjenigen der Starterbatterie (9) gespeist wird, und die leistungselektronische Funktionseinheit (7c) zur aktiven Einstellung des Entladestroms auch die Funktion eines Hochsetzstellers hat.
3. Startersystem nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Starter (4) eine Drehstrommaschine ist, deren VersorgungsSpannung durch Wechselrichtung einer Gleichspannung eines Zwischenkreises (7b) gewonnen wird.
4. Steuersystem nach Ansprüchen 2 und 3, bei welchem die Zwi- schenkreis-Gleichspannung höher als die Starterbatteriespannung ist, und- der Hochsetzsteller (7c) zwischen der Starterbatterie (9) und dem Zwischenkreis (7b) liegt.
5. Startersystem nach Anspruch 2 oder 4, bei welchem der Star- terbatterie (9) zum Starten erforderliche Energie während des
Startvorgangs über den Hochsetzsteller (7c) entnommen wird.
6. Startersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem außerdem ein KurzzeitSpeicher (12) vorgesehen ist, welcher beim Startvorgang die gesamte oder einen Teil der Startenergie an den Starter (4) liefert, die Aufladung des Kurzzeit- Speichers (12) als Startvorbereitung durch Entnahme aus der Starterbatterie (9,9') erfolgt, und die leistungselektronische Funktionseinheit (7c) zwischen Starterbatterie (9,9') und Kurzzeitspeicher (12) geschaltet ist.
7. Startersystem nach Ansprüchen 2 und 6, bei welchem der Kurzzeitspeicher (12) auf eine höhere Spannung als diejenige der Starterbatterie (9) aufgeladen wird.
8. Startersystem nach Anprüchen 4 und 7, bei welchem der Kurz- zeitspeicher (12) auf oder nahe dem erhöhten Spannungsniveau des Zwischenkreises (7b) liegt.
9. Startersystem nach Anspruch 3, bei welchem ein Niederspannungsteil (8) eines Bordnetzes vorgesehen ist, die Zwi- schenkreisspannung höher liegt als die Spannung des
Niederspannungsteils (8), die Starterbatterie (9,9') oder - bei mehreren Starterbatterien - eine der Starterbatterien auf dem höheren Spannungsniveau des Zwischenkreises (7b) liegt, und die leistungselektronische Funktionseinheit (13) beim Starten die Größe des von der Starterbatterie (9,9') in den Zwischenkreis (7b) eingespeisten Stroms einstellt.
10. Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors (1) mit einem elektrischen Starter (4) , einer Starterbatterie (9) und einer Einrichtung (10) zur Messung der Temperatur der Starterbatterie (9,9') mit folgenden Schritten: die Batterietemperatur wird gemessen; der maximale Entladestrom als Funktion der gemessenen Batterietemperatur wird bestimmt; - der der Starterbatterie (9,9') zum Zweck des Startens oder der Startvorbereitung entnommene Entladestrom wird aktiv auf den ermittelten Maximalwert begrenzt.
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