Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Einrückrelais nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es ist bekannt, in Kraftfahrzeugen Einrückrelais für eine Andrehvorrichtung einer Brennkraftmaschine ein¬ zusetzen. Diese Einrückrelais dienen dazu, einen ho¬ hen Strom mit einem verhältnismäßig niedrigen Steuer¬ strom zu schalten. Der hohe Strom (Starterstrom, der für das Andrehen einer Brennkraftmaschine mittels Starter erforderlich ist), beträgt beispielsweise bei Personenkraftwagen bis zu ca. 1000 A. Der während des Startvorgangs über die Relaisspule des Einrückrelais fließende Strom beträgt demgegenüber beispielsweise ca. 80 bis 100 A. Dieser gegenüber dem Starterstrom relativ kleine Strom ist jedoch immer noch zu groß, um direkt über einen Startschalter (Zündschloß) oder

über ein elektronisches Steuergerät geschaltet zu werden. Hierzu ist unter anderem aus der DE 37 37 430 C bekannt, dem Einrückrelais ein Hilfsrelais zuzu¬ ordnen, das mittels des Starterschalters des Kraft¬ fahrzeugs betätigbar ist. Hierbei ist nachteilig, daß für das zusätzliche Hilfsrelais nicht nur ein zusätz¬ licher Bauraum im Kraftfahrzeug zur Verfügung ge¬ stellt werden muß, sondern daß dieses einen zusätz¬ lichen Verbraucher mit einer entsprechend großen Ver¬ lustleistung darstellt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß das Hilfsrelais optimiert, das heißt, insbeson¬ dere hinsichtlich seiner Baugröße verkleinert werden kann, so daß der zur Verfügung stehende Einbauraum ebenfalls verkleinerbar ist. Dadurch, daß eine den Betriebsstrom des Hilfsrelais beeinflussende Steuer- und/oder Regelschaltung vorgesehen ist, ist es vor¬ teilhaft möglich, den Betriebsstrom des Hilfsrelais in Abhängigkeit wählbarer Kriterien so zu beeinflus¬ sen, daß dieser für jeden Betriebszustand des Hilfs¬ relais nur die tatsächlich notwendige Größe annimmt, so daß die am Hilfsrelais auftretende Verlustleistung so stark wie möglich reduziert wird. Dadurch ist es möglich, das Hilfsrelais in das Einrückrelais zu in¬ tegrieren, so daß eine kompakte Baueinheit entsteht.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vor¬ gesehen, daß die Steuerschaltung eine getaktete

Steuer- bzw. Stromregelschaltung enthält, wobei über die Taktfrequenz und/oder über das Tastverhältnis die Höhe des Betriebsstromes in Abhängigkeit von be¬ stimmten Betriebszuständen des Hilfsrelais festlegbar ist. Hierdurch wird es vorteilhaft möglich, den Be¬ triebsstrom des Hilfsrelais sich ändernden Betriebs¬ bedingungen, beispielsweise einer Betriebstemperatur und/oder einer Ankerstellung des Hilfsrelais, anzu¬ passen. Mittels dieser jeweils optimalen Anpassung des Betriebsstroms an den Betriebszustand des Hilfs¬ relais wird die Verlustleistung des Hilfsrelais re¬ duziert. Dies ergibt sich insbesondere aus einer Ab¬ senkung des Betriebsstroms, nachdem der Anker des Hilfsrelais angezogen hat beziehungsweise dieser ge¬ rade seine Bewegung entlang des Bewegungsweges begon¬ nen hat. Weiterhin ist vorteilhaft, daß durch eine optimale, gesteuerte Taktung des Betriebsstroms des Hilfsrelais die Einstellung eines konstant großen Betriebsstrommittelwertes bei unterschiedlichen Be¬ triebsbedingungen, insbesondere unterschiedlichen Temperaturverhältnissen, möglich ist. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei unterschiedlichen Tempera¬ turen sich einerseits die Kennlinie einer Rückzugs¬ feder für den Anker des Hilfsrelais und andererseits das Magnetisierungsverhalten des Hilfsrelais sowie der ohmsche Widerstand der Spule ändern, mit der Folge, daß sich auch der Betriebsstrom des Hilfs¬ relais ändert. Die Spule des Hilfsrelais ist in der Regel nach dem maximal auftretenden Betriebsstrom zu dimensionieren. Durch die erfindungsgemäße Steuerung des Betriebsstroms des Hilfsrelais wird es jedoch möglich, das Hilfsrelais mit einem kleineren,

konstant großen getakteten Betriebsstroπunittel ert zu betreiben, so daß den unterschiedlichen Betriebsbedingungen über eine Wahl eines Stromsollwertes einer Taktfrequenz und/oder des Taktverhältnisses Rechnung getragen werden kann. Dadurch kann die Spule nunmehr für den Maximalstrom bei der höchsten Betriebstemperatur ausgelegt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausfuhrungsbei¬ spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er¬ läutert. Es zeigen:

Figur 1 schematisch ein Blockschaltbild einer erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung;

Figur 2 ein Diagramm des Verlaufs von

Soll- und Istwert des Betriebsstromes des Hilfsrelais;

Figur 3 einige Signalverläufe für verschiedene bis Figur 6 Tastverhältnisse des getakteten Betriebsstroms des Hilfsrelais;

Figur 7 und 8 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Schaltungsanordnung für eine Ar.drehvorrichtung einer Brennkraftmaschine. Die Schaltungsanordnung 10 weist ein Einschalteleme t 12, zum Eeispiel Zür-cschio oder Startschaiter auf, das mit einem elektronischer. Steu¬ ergerät 14 verbunden ist. Das elektronische Steuerge¬ rät 14 weist eine Steuerschaltur.g 16 für ein ir.i dem Steuergerat 14 verbundenes Hilfsrelais 15 auf. Der Steuerschaltung 16 ist weiterhin eine Terr.perεturer- fassungsschaltunc 20 zugeordnet, die π.i hier nic dargestellten Temperatursensoren, die in der Nahe des Hilfsrelais lc oder im Motorraum angeordnet sind, verbunden ist. Die Steuerschaltung 16 enthält eine als Schmitt-Trigger arbeitende Triggerstufe IS, deren Ansprechwerte a) und b) veränderbar sind und die der. Stromverlauf am Ausgang des Steuergerätes 14 ab¬ fühlen.

Das Steuergerät 14 besitzt weitere, hier nicht rele¬ vante Schaltungsteile, die für die Funktion des Kraftfahrzeugs notwendig sind. Hier nicht darge¬ stellte Schaltkontakte des Hilfsrelais 18 sind mit den Wicklungen eines Einrückrelais 22 verbunden, des¬ sen ebenfalls nicht dargestellte Schaltkontakte den Hauptstromkreis einer Andrehvorrichtung 24 ein- und ausschalten.

Anhand der lediglich schematischen Darstellung soll die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung 10 kurz er¬ läutert werden. Bei Betätigung des Einschaltelementes 12 wird die Spule des Hilfsrelais 18 über das elek¬ tronische Steuergerät 14 bestromt. Die Bestromung der Spule des Hilfsrelais 18 erfolgt in noch zu erläu¬ ternder Weise über die Steuerschaltung 16 für den Betriebsstrom des Hilfsrelais 18. Die Schaltkontakte des Hilfsrelais 18 verbinden die Relaisspule des Einrückrelais 22 mit einer Betriebsspannung, so daß der Anker des Einrückrelais 22 die Hauptstromkontakte der Andrehvorrichtung 24 schließt und diese mit einer Spannungsquelle, im Kraftfahrzeug in der Regel der Kraftfahrzeugbatterie, verbindet. Über die Haupt¬ stromkontakte der Andrehvorrichtung 24 fließt hierbei der relativ hohe Starterstrom, der ca. 1000 A be¬ tragen kann. Über die Schaltkontakte des Hilfsrelais 18, die die Relaisspule des Einrückrelais 22 mit der Spannungsquelle verbindet, fließt ein Schaltstrom in Höhe von ca. 80 bis 100 A. Über die Spule des Hilfsrelais 18 fließt der von der Steuerschaltung 16 des Steuergerätes 14 beeinflußte Betriebstrom I von bis zu 40 A.

In der Figur 2 ist der Sollwert und Istwert des Betriebsstromes im Ausführungsbeispiel für die Steu¬ erung des Betriebsstromes I nach Figur 1 dargestellt. Hierbei wird der Sollwert I _so ll ^des Betriebsstromes zum Zeitpunkt t2 von der Steuerschaltung 16 auf einen niedrigeren Wert abgesenkt. Hierdurch wird erreicht, daß sich der in der linken Darstellung vereinfacht wiedergegebene Istwert des Betriebsstrom I. _s t ein-

stellt. Hiermit wird den physikalischen Gegebenheiten Rechnung getragen, daß zum Kalten des Ankers des Hilfsrelais 18 eine geringere magnetische Flußeichte ausreichend ist, als für den Anzug des Ankers erfor¬ derlich ist. Durch die Absenkung des Eetriebs- stromes I um ca. 50 % läßt sich die Verlustleistung auf ca. 25 % reduzieren, da für den geschlossenen Magnetkreis ein geringerer Strom für die erforder¬ liche magnetische Flußdichte ausreichend ist. Dieser geringere Eetriebsstrom I fließt durch den Spulen¬ widerstand der Spule und erzeugt somit eine geringere Verlustleistung in Form von W rmeenergie gegenüber dem höherer. Eetriebsstrom I vor dem Zeitpunkt t2.

Der konkrete Aufbau der Steuerscnaltur.g 16, die ei¬ nerseits die Taktung des Betriebsstrc s : im Steu¬ ergerät 14 und andererseits die Absenkung des Ee- triebsstro s I durchführt, soll hier nicht näher betrachtet werden. Sie enthält jedoch außer der Triggerstufe 19 noch eine Zεitstufe f r d e Zeit t∑ zum umschalten der Triggerstufe von den höheren An¬ sprechwerten ai und bl zum Ausschalten (al) und Ein¬ schalten (bl) des Eetriebstro es Ij. _s t ^ε - -- ¹ - nie ^¬ deren Ansprechwerte a2 und b2. Im Beispielsfalle wird der Sollwert des Betriebsstromes I nach t2~30 ms von 25 A auf 12 A abgesenkt. Für die Steuerschaltung 16 bietet sich der Einsatz allgemein bekannter Multivi- bratoren, Präzisions-Schmitt-Trigger oder andere ge¬ eignete Oszillatorschaltungen, vorzugsweise auch Microprozessoren an. Die Zeitspanne t2 bis zur Strom-

absenkung ist so vorgegeben, daß der Relaisanker mit Sicherheit zu einem früheren Zeitpunkt tl von seiner Ruhelage abhebt. Über die Temperaturerfassungsschal¬ tung 20 ist es möglich, die Grenzwerte des Betriebs¬ stromes Ii _s über die veränderbaren Ansprechwerte a und b der Triggerstufe 19 mit steigender Temperatur abzusenken. Außerdem kann damit auch die Zeitspanne t2 bis zum Absenken des Betriebsstromes mit zu¬ nehmender Temperatur verkürzt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die temperaturabhängige Reibung des bewegten Relaisankers sowie gegebenenfalls eine temperaturabhängige Federkraft der Ankerrückstellfe¬ der zu kompensieren.

In den Figuren 3 bis 6 sind Signalverläufe für die Taktung des Betriebsstromes I dargestellt. Der Si¬ gnalverlauf ist hier durch exakte Rechtecksignale mit einem genauen Tastverhältnis, also der Taktfrequenz, darstellbar. Für die Bereitstellung der Rechteck¬ signale - kann die Steuerschaltung 16 beispielsweise entsprechend ausgelegte Funktionsgeneratoren enthal¬ ten. In Figur 3 ist beispielsweise bei einer Taktfrequenz von 2 kHz der Signalverlauf mit einem 30%igen Tastverhältnis dargestellt, das heißt, bezo¬ gen auf eine Zeiteinheit (Periode) ist der Betriebs¬ strom I in 30 % dieser Zeiteinheit eingeschaltet, während er für die übrigen 70 % ausgeschaltet ist. Entsprechend ist in Figur 4 ein Signalverlauf mit einem 60%igen Tastverhältnis, in Figur 5 ein Signal¬ verlauf mit einem _. 90%igen Tastverhältnis und in Figur 6 ein Signalverlauf mit einem 100%igen Tastverhältnis dargestellt. Entsprechend dem gewählten Tastverhält-

nis ergibt sich eine von der Linienführung des Be¬ triebsstroms I übergriffene Fläche und damit be¬ kannterweise die der Spule zugeführte Energie. Je kleiner die Taktung, das heißt das Tastverhältnis Ein/Aus, gewählt ist, um so kleiner ist die zugeführ¬ te Energie und damit die in der Spule auftretende Verlustleistung.

Damit ist es mittels der Taktung des Betriebsstroms I auch möglich, das Tastverhältnis in Abhängigkeit von bestimmten Betriebsparametern des Hilfsrelais 18 zu verändern. So kann beispielsweise das Tastverhältnis in Abhängigkeit einer Betriebstemperatur des Hilfs¬ relais 18 zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Be¬ triebsstromstärke verändert werden. Gleichzeitig kann die Absenkung des Betriebsstroms I über eine Ver¬ kleinerung des Tastverhältnisses realisiert sowie temperaturabhängig verändert werden.

So kann von einer Triggerstufe 19 der Steuerschaltung 16 in lediglich beispielhaft herausgegriffenen Tast¬ verhältnissen der Betriebsstrom I bei einem Hilfs¬ relais 18 im Einschaltmoment für ca. 30 sec mit ei¬ ner 60%igen Taktung beaufschlagt werden, während zum Zeitpunkt t2 (Figur 2) das Tastverhältnis auf 30 % umgestellt wird. Somit läßt sich durch einfache Ge¬ nerierung der Rechtecksignale der Triggerstufe 19 der Energiebedarf der Spule des Hilfsrelais 18 drastisch verringern. Durch eine Kopplung der Steuerschaltung 16 mit der Temperaturerfassungsschaltung 20 kann die Taktung des Betriebsstroms I in einfacher Weise an die jeweils vorliegenden Betriebsbedingungen angepaßt

werden. So ist es beispielsweise zweckmäßig, bei einem kalten Relais im Einschaltmoment den Betriebs¬ strom I mit einer 60%igen Taktung und zum Zeitpunkt t2 mit einer 30%igen Taktung bereitzustellen. Bei einem sich in normaler Betriebstemperatur befindenden Hilfsrelais 18 kann das Tastverhältnis im Einschalt¬ moment 90 % betragen, während es zum Zeitpunkt t2 auf 50 % umgeschaltet wird. Bei einem beispielsweise erwärmten Hilfsrelais 18 kann im Einschaltmoment die Taktung mit 100 % erfolgen, während zum Zeitpunkt t2 auf eine 60lige Taktung umgeschaltet wird. Mittels der Steuerschaltung 16 und der Temperaturerfassungs- schaltung 20 kann darüber hinaus der Zeitpunkt t2 für die Umschaltung der Tastverhältnisse beeinflußt wer¬ den. So kann beispielsweise für ein kaltes Hilfs¬ relais 18 der Zeitpunkt t2 bei 30 msec, für ein nor¬ mal erwärmtes Hilfsrelais 18 der Zeitpunkt t2 bei 25 msec und für ein erwärmtes Hilfsrelais 18 der Zeit¬ punkt t2 bei 15 msec liegen.

Es wird also klar, daß durch das Tastverhältnis und den Umschaltzeitpunkt des Tastverhältnisses zwischen dem Anzugsbereich und dem Haltebereich des Hilfs¬ relais 18 eine Ansteuerung des Hilfsrelais 18 möglich ist, die eine drastische Energieeinsparung ermög¬ licht.

Insgesamt wird somit ein Betrieb des Hilfsrelais 18 trotz unterschiedlicher Betriebszustände, insbeson¬ dere unterschiedlicher Beriebstemperaturen, mit einem konstanten Betriebsstrommittelwert einstellbar. Durch die Taktung des Betriebsstroms I wird darüber hinaus

- wie erwähnt - eine Reduzierung der Verlustleistung des Hilfsrelais 18 bewirkt.

Durch den konstanten Betriebsstrommittelwert bei un¬ terschiedlichen Temperaturverhältnissen ergibt sich die Möglichkeit, auf die konstruktive Gestaltung des Hilfsrelais 18 Einfluß zu nehmen. Einerseits ergibt sich die Möglichkeit, die Federkraft der Rückstell¬ feder für den Anker des Hilfsrelais 18 zu erhöhen, da das Hilfsrelais 18 nicht mehr auf den ungünstigst an¬ zunehmenden Betriebsfall, nämlich auf den maximalen Betriebsstrom I bei höchster Temperatur ausgelegt zu werden braucht. Durch Erhöhung der Federkraft für den Anker des Hilfsrelais 18 läßt sich die Prellneigung der Schaltkontakte verringern, so daß hiermit eine Erhöhung der Lebensdauer der Kontakte erreichbar ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, daß durch diese Erhöhung der Federkraft und damit Verringerung der Prellneigung ein Einbau des Hilfsrelais 18 in ein Gehäuse des Einrückrelais 22 möglich wird. Die wäh¬ rend der Schaltvorgänge des Einrückrelais 22 auf¬ tretenden Beschleunigungen beziehungsweise Stöße an der Startvorrichtung, die in Bereichen bis zu 5000 bis 10000 g liegen können, können somit von der stär¬ keren Federkraft der Rückstellfeder des Hilfsrelais 18 besser abgefangen werden.

Darüber hinaus ist es auch möglich, für den Fall, daß keine größeren Federkräfte überwunden werden sollen, die Spulenwicklung des Hilfsrelais 18 zu verringern, da insgesamt ein geringerer Energieeintrag zur Funk¬ tion notwendig ist. Durch den sich hieraus ergebenden geringeren Einbauraum ist ebenfalls eine bessere Integration des Hilfsrelais 18 in das Einrückrelais 22 möglich.

Die Taktung eines Starterhilfsrelais ist nicht nur mit Hilfe der in Fig. 1 und 2 erläuterten Steuerschaltung möglich, sondern läßt sich auch mit einer Steuer- und RegelSchaltung gemäß Figuren 7 und 8 realisieren. Dort wird der Betriebs- ström des Steuerrelais von einem Regler 17 über eine Takt¬ stufe im Steuergerät 14' derart getaktet, daß der sich im Verhältnis der Taktung einstellende Strommittelwert auf ei¬ nen vorgegebenen Sollwert _so n geregelt wird. Dazu wird am Hilfsrelais 18 der durch die Taktung sich ständig ändernde Istwert des Betriebsstromes I _j . _s t abgefühlt. Die Absenkung des Sollwertes kann nun zeitabhängig nach dem Einschalten des Relais erfolgen oder mit Kilfe eines weiteren Sensors 21 abhängig von der Lage des Hilfsrelais-An ers .

Nach dem beigefügten Diagramm (Figur 8) ist vorgesehen, daß vor Bewegungsbeginn des Relaisankers auf den Sollstrom Isl, bei bewegtem Anker auf den kleineren Sollstrom Is2 und bei vollständig eingespurtem Relaisanker auf den nochmals klei¬ neren Sollstrom Is3 geregelt wird.

Die Wicklung ist so ausgelegt, daß z. B. bei 0 C und Rege¬ lung auf Isl ein Tastverhältnis von 60 % sicher für eine Re- laiSankerbewegung ausreicht {Tastverhältnisse bei gleicher Relaisankerlage und Is2 z. B. 40 %, bei Is3 z. B. 20 %) . Bei der maximalen Wicklungstemperatur (z. B. + 100 C) ergibt sich dann bei den wie oben geregelten Relaisströmen aufgrund des höheren Wicklungswiderstandes ein Tastverhältnis von 100 % bei Isl (66 % bei Is2, 33 % bei Is3) .

Der Relaisstrom wird also grundsätzlich unabhängig von Stör¬ größen (wie z. B. Temperatur, Batteriespannung etc.) , aber abhängig vom Zustand des Relaisankers (z. B. Position, Ge¬ schwindigkeit) und vom Magnetkraftbedarf geregelt. Das Tast- verhältnis wird hierbei vom Regler automatisch richtig ein¬ gestellt.

Insgesamt ergibt sich eine vom Relaisanker-Kraftbedarf ab¬ hängige Relaisstromregelung insbesondere mit den Vorteilen

- thermische Entlastung

- verkleinerte Stöße beim Ankerauf rall, verringertes Prel¬ len

- erhöhte Funktionssicherheit (höhere Ankeranzugskraft)

- vergrößerte Relaislebensdauer