[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Startersystem für einen Verbrennungsmotor
sowie ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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 Startvorgang von der Starterbatterie getrennt,
das Starten erfolgt also vollständig mit der in ihm gespeicherten Energie (DE 41 35
025 A1 (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.
Hochsetzsteller) zunächst auf ein höheres Spannungsniveau gebracht und in dem Kondensatorspeicher
gespeichert (SO 1265388 A1 (Mosc Automech) und EP 0 390 398 A1 (Isuzu)). Die höhere
Spannung beim Starten bei gleichzeitig verringertem Entladestrom erlaubt, so die letztgenannten
Vorschläge, ein sicheres Starten auch bei tiefen Temperaturen.
[0005] Aus der EP 0 403 051 A1 (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.
[0006] Ferner gibt es eine Reihe von Vorschlägen, bei denen Temperaturen im Kraftfahrzeug
erfaßt werden und die Steuerung elektrischer Vorgänge beeinflussen:
[0007] So ist es beispielsweise aus der EP 0 533 037 B1 (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.
[0008] Auch wurde vorgeschlagen, die Temperatur der Fahrzeugbatterie zu messen und den Ladestrom
mit Hilfe einer Änderung der Generatorerregung temperaturabhängig 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 A1 (Bosch) und EP 0 621 990
B1 (Bosch)).
[0009] Um die Funktion anderer elektrischer Verbraucher - wie etwa der Zünd- und Einspritzanlage
- trotz des starken Absinkens der elektrischen Versorgungsspannung beim Kaltstarten
zu vermeiden, wurde ferner zur Konstanthaltung der Versorgungsspannung die Verwendung
von Hochsetzstellern vorgeschlagen (EP 0 391 065 A2 (Bosch)).
[0010] 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 Spannungsniveau
eines Gleichspannungs-Zwischenkreises hochgesetzt wird. Besondere Maßnahmen zur Gewährleistung
eines sicheren Startens bei tiefen Temperaturen sind dort nicht erwähnt.
[0011] 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 Funktionseinheit den einzustellenden Ladestrom vorgibt.
[0012] Aus der DE 43 41 826 A1 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.
[0013] 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.
[0014] Manche der eingangs erwähnten Vorschläge, z.B. derjenige von Mosc Automech, können
einen Ausfall der Batterie bei gewünschten Tieftemperaturstarts vermeiden.
[0015] Die Erfindung hat zum Ziel, eine weitere Lösung dieses Problems anzugeben.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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 Starterbatterie 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 Starter. 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.
[0021] 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.
[0022] 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 Zwischenkreisniveau
(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.
[0023] Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors 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 Entladestromwert, 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.
[0024] 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.
[0025] In den Figuren sind funktionsgleiche oder -ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
[0026] 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
min" und "T
max" gekennzeichneten Temperaturwerte sind diejenigen Grenzen der Batterietemperatur,
für welche die Batterie betriebsfähig ist (also z.B. -30°C und +80°C).
[0027] 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
Asynchron-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 elektrischen 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 Pulse 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 Gleichspannungs-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 Starterbatterie 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 Tiefsetzsteller. 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 Absinken 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 Spannungsheraufsetzung 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,
Zündungssteuerung etc.).
[0028] 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 gezeigten)
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 lädt 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.
[0029] 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 Gleichspannungs-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 Tiefsetzsteller.
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 Verluste.
[0030] 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.
[0031] Das Flußdiagramm gemäß Fig. 5 veranschaulicht nochmals die Funktionsweise der genannten
Ausführungsbeispiele: Im Schritt S1 wird auf ein Startkommando gewartet. Bei Ausführungsformen
mit Kurzzeitspeichern kann die Kurzzeitspeichervorladung auch profilaktisch 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.
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 Entladestromwert
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 Zwischenkreis-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 Starterbatterie (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 Kurzzeitspeichers (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 Kurzzeitspeicher (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 Zwischenkreisspannung 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.
1. A starter system for an internal combustion engine (1), having:
- an electric starter (4);
- a starter battery (9, 9' ) ;
- a device (10) for measuring the temperature of the starter battery (9, 9');
- a power electronics module (7c; 13), which actively varies the value of the discharge
current drawn from the starter battery (9, 9') for the purpose of starting or warming
up; and
- a control device (11) which predetermines the discharge current value to be adjusted
for the power electronics module (7c; 13), where at low battery temperatures the maximum
discharge current value is lower than at high temperatures.
2. A starter system according to Claim 1, in which the starter (4) is fed at a higher
voltage than that of the starter battery (9) and the power electronics module (7c
also has the function of a step-up device for the active setting of the discharge
current.
3. A starter system according to Claim 1 or 2, in which the starter (4) is an alternator,
the supply voltage of which is derived from an intermediate circuit (7b) by inversion
of a dc voltage.
4. A control system according to Claims 2 and 3, in which the intermediate circuit DC
voltage is higher than the starter battery voltage, and the step-up device (7c) lies
between the starter battery (9) and the intermediate circuit (7b).
5. A starter system according to Claim 2 or 4, in which energy required for starting
is taken from the starter battery (9) via the step-up device (7c).
6. A starter system according to one of Claims 1 to 5, in which a short-term energy store
(12) is also provided, which delivers all or part of the starting energy to the starter
(4) during the starting operation, the charging of the short-term energy store (12)
takes place as a warming-up process by current being removed from the starter battery
(9, 9'), and the power electronics module (7c) is switched between starter battery
(9, 9') and short-term energy store (12).
7. A starter according to Claims 2 and 6, in which the short-term energy store (12) is
charged to a higher voltage than that of the starter battery (9).
8. A starter system according to Claims 4 and 7, in which the short-term energy store
(12) is at or near the increased voltage level of the intermediate circuit (7b).
9. A starter system according to Claim 3, in which a low-voltage component (8) of a vehicle
electrical system is provided, the intermediate circuit voltage is higher than the
voltage of the low-voltage component (8), the starter battery (9, 9') or - in the
case of several starter batteries - one of the starter batteries is at the higher
voltage level of the intermediate circuit (7b), and the power electronics module (13)
varies the magnitude of the current fed from the starter battery (9, 9') into the
intermediate circuit (7b) during starting.
10. A method for starting an internal combustion engine (1) having an electric starter
(4), a starter battery (9) and a device (10) for measuring the temperature of the
starter battery (9, 9'), having the following steps:
- the battery temperature is measured;
- the maximum discharge current is determined as a function of the measured battery
temperature;
- the discharge current drawn from the starter battery (9, 9') for the purpose of
starting or warming-up is actively limited to the determined maximum value.
1. Système de démarrage pour un moteur à combustion interne (1), comprenant :
- un démarreur électrique (4) ;
- une batterie de démarrage (9, 9') ;
- un dispositif (10) servant à mesurer la température de la batterie de démarrage
(9, 9') ;
- une unité fonctionnelle (7c ; 13) à puissance électronique qui règle activement
la valeur du courant de décharge pris sur la batterie de démarrage (9, 9'), en vue
du démarrage ou de la préparation du démarrage ; et
- un dispositif de commande (11) qui fournit à l'unité fonctionnelle (7c ; 13), comme
valeur de consigne, la valeur du courant de décharge à régler où, à basses températures
de la batterie, la valeur maximale du courant de décharge est plus basse qu'à des
températures élevées.
2. Système de démarrage selon la revendication 1, dans lequel le démarreur (4) est alimenté
à une tension supérieure à celle de la batterie de démarrage (9), et l'unité fonctionnelle
(7c) à puissance électronique a aussi, pour le réglage actif du courant de décharge,
la fonction d'un régulateur à un haut niveau.
3. Système de démarrage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le démarreur (4) est
un alternateur dont la tension d'alimentation est obtenue par ondulation d'une tension
continue d'un circuit intermédiaire (7b).
4. Système de commande selon les revendications 2 et 3, dans lequel la tension continue
du circuit intermédiaire est plus élevée que la tension de la batterie de démarrage,
et le régulateur à un haut niveau (7c) est placé entre la batterie de démarrage (9)
et le circuit intermédiaire (7b).
5. Système de démarrage selon la revendication 2 ou 4, dans lequel l'énergie nécessaire
au démarrage est, pendant le démarrage effectué par le régulateur à un haut niveau
(7c), prise sur la batterie de démarrage (9).
6. Système de démarrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel
il est prévu en outre un accumulateur temporaire (12) qui, au moment du démarrage,
fournit au démarreur (4) la totalité ou une partie de l'énergie de démarrage, la charge
de l'accumulateur temporaire (12), servant de préparation au démarrage, a lieu en
étant prise sur la batterie de démarrage (9, 9'), et l'unité fonctionnelle (7c) à
puissance électronique est montée entre la batterie de démarrage (9, 9') et l'accumulateur
temporaire (12).
7. Système de démarrage selon les revendications 2 et 6, dans lequel l'accumulateur temporaire
(12) est chargé à une tension plus élevée que celle de la batterie de démarrage (9).
8. Système de démarrage selon les revendications 4 et 7, dans lequel l'accumulateur temporaire
(12) se trouve au niveau de tension élevé du circuit intermédiaire (7b) ou proche
de ce niveau de tension.
9. Système de démarrage selon la revendication 3, dans lequel il est prévu une partie
à basse tension (8) d'un réseau de bord, la tension du circuit intermédiaire est plus
élevée que la tension de la partie à basse tension (8), la batterie de démarrage (9,
9') ou l'une des batteries de démarrage - dans le cas de plusieurs batteries de démarrage
- se trouve au niveau de tension plus élevé du circuit intermédiaire (7b), et l'unité
fonctionnelle (13) à puissance électronique, au moment du démarrage, règle la variable
du courant fourni par la batterie de démarrage (9, 9'), dans le circuit intermédiaire
(7b).
10. Procédé de démarrage d'un moteur à combustion interne (1) comprenant un démarreur
électrique (4), une batterie de démarrage (9) et un dispositif (10) servant à mesurer
la température de la batterie de démarrage (9, 9'), comprenant les étapes suivantes
:
- la température de la batterie est mesurée ;
- le courant de décharge maximum est déterminé en fonction de la température de batterie
mesurée ;
- le courant de décharge servant au démarrage ou à la préparation du démarrage et
pris sur la batterie de démarrage (9, 9') est limité activement à la valeur maximale
calculée.