Titel

Verfahren zum Betreiben einer Startersteuerunq, Computerproqrammprodukt und Startersteuerunq

Stand der Technik Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Startvorrichtung mit einem Startermotor zum Starten einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Fahrzeuges, wobei der Startermotor durch Beaufschlagung mit elektrischer Energie von einem elektrischen Energiespeicher über eine Startersteuerung mit einem Schaltrelais ein- und ausschaltbar ist. Die Erfindung bezieht sich auf ein Computerprogrammprodukt und auf eine Starvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges mit einem Startermotor, einem elektrischen E- nergiespeicher, einem Schaltrelais, das von einer Startersteuerung ansteuerbar ist und einen elektrischen Schaltkontakt zwischen dem Startermotor und dem e- lektrischen Energiespeicher ausbildet.

Es ist bekannt, eine Startvorrichtung mit einem Startermotor zum Starten einer Brennkraftmaschine über eine Zuleitung mit einem Pluspol einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einer Starterbatterie, direkt zu verbinden und eine Rückleitung mit dem Minuspol bei Kraftfahrzeugen herkömmlicherweise über die Karosserie zu verbinden. Die Verkabelung ist im Wesentlichen durch eine einzige pluspolseitige Leitung relativ günstig in der Fertigung und bei den Kosten. Die Startvorrichtung wird von einer mechanischen oder einer elektromechanischen Steuerung, die mit einer Steuerelektronik verknüpft sein kann, angesteuert. Ein derartiger Aufbau einer Startvorrichtung ist einfach. Die Startvorrichtung wird in einem Fahrzeug zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem zum Teil großen Temperaturbereich aufgrund von saisonalen Temperaturschwankungen be- trieben. Auch bei einem Betrieb mit einem Start-Stopp-System ist der Temperaturbetriebsbereich größer als bei einem reinen Start mit einer kalten Brennkraftmaschine. Die DE 102 31 088 A1 beschreibt eine Schalteinrichtung zum Einschalten eines

Startermotors mit zwei parallel geschalteten Transistoren als Schalteinrichtung, wobei grundsätzlich nur ein Transistor arbeitet und Mittel zur Überprüfung der Funktionstätigkeit von jedem Transistor ausgebildet sind. Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Startvorrichtung, ein Computerprogrammprodukt und eine Startvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, so dass die Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine eine höhere Lebensdauer auch bei einem intensiveren Einsatz aufweist.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 , 7 und 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Es ist ein Gedanke der Erfindung, das Anforderungsprofil eines Startermotors zu untersuchen und davon abhängig den Startermotor leistungsorientiert mit einer elektrischen Energie zu beaufschlagen. Es ist festgestellt worden, dass das An- forderungsprofil des Startermotors, d.h. die geforderte Leistung des Startermotors von der erforderlichen Durchdrehleistung der Brennkraftmaschinen abhängig ist. Das Durchdrehmoment der Brennkraftmaschine schwankt abhängig von der Temperatur des Motors hauptsächlich aufgrund der Viskosität des darin befindlichen Motoröls. Bei einer Normaltemperatur von beispielsweise um +20 ⁰ C, ist das Durchdrehmoment kleiner als bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine. Das herausgefundene Anforderungsprofil führt dazu, dass die erforderliche elektrische Drehmomentleistung des Startermotors bei niedrigen Temperaturen höher und bei höheren Temperaturen niedrig sein sollte. Ferner ist die elektrische Leistung einer elektrischen Batterie bei niedrigen Temperaturen herabgesetzt. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Startermotor im Startvorgang leis- tungsreguliert von der Startersteuerung angesteuert wird. Somit ist es möglich, die maximal zur Verfügung stehende Leistung des Startermotors zu variieren und einen Verschleiß an einem Starterritzel, an dem Zahnkranz von der Brennkraft- maschine, an schleifenden Kohlebürsten am Kommutator, an den Lagern sowie an den Kontaktstücken am Schaltrelais zu reduzieren. Außerdem kann eine höhere Schaltzahl vom Startermotor und der Startvorrichtung insgesamt erreicht werden, was insbesondere beim Einsatz vom Start- Stopp-Systemen vorteilhaft ist.

Zudem kann durch eine geeignet gewählte Leistungsaufteilung der Spannungseinbruch auf dem Bordnetz so beeinflusst werden, dass eine Mindestspannung für zu versorgende elektronische Komponenten nicht unterschritten wird.

Damit können zur Spannungsstabilisierung verwendete Hilfsmittel wie z. B. sogenannte DC/DC-Wandler eingespart werden.

Gemäß eines die Erfindung weiterbildenden Verfahrens wird der Startermotor in diskreten Leistungsstufen leistungsreguliert angesteuert. Möglich wäre es, den Startermotor variabel direkt abhängig von dem variabel sich veränderten Motordurchdrehmomenten angepasst anzusteuern. Eine solche variable Ansteuerung ist jedoch aufwendig. Gemäß einem einfachen Verfahren sind deshalb diskrete

Leistungsstufen vorgesehen. Eine Steuerung ist somit einfacher und kostengünstiger umsetzbar.

Um eine Haupteinflussgröße zu erfassen, die das Motordurchdrehmoment der Brennkraftmaschine bestimmt, werden von der Startersteuerung Informationen über die Temperatur der Brennkraftmaschine abgefragt und der Startermotor wird abhängig von einem bestimmten, erfassten aktuellen Temperaturbereich von der Brennkraftmaschine leistungsreguliert angesteuert. Gemäß einem vereinfachten Verfahren wird der Startermotor von der Startersteuerung in drei, bevorzugt vier, Stufen leistungsreguliert angesteuert. Drei bzw. vier Stufen reichen vorteilhafterweise aus, um die erforderliche Leistung bzw. das erforderliche Leistungsprofil des Startermotors in eine minimal erforderliche Leistung, eine erhöhte Leistung, eine stark erhöhte Leistung und eine maximale Leis- tung einzuteilen. Durch diese Einteilung kann der Verschleiß der beim Startvor- - A - gang involvierten Bauteile reduziert werden, sowie die erforderlichen Ressourcen an elektrischer Leistung sparsam und sorgfältig eingesetzt werden.

Vorzugsweise werden die Leistungsstufen zeitabhängig von der Steuerung oder Startersteuerung im Startvorgang geschaltet. Somit kann der Startermotor mit einer kleinen Leistung einspuren und die Brennkraftmaschine zum Start mit einer gestuften Leistung antreiben, wobei nach einer kurzen Anlaufzeit diese Leistung zeitgesteuert von der Startersteuerung erhöht werden kann. Die zeitabhängige Zuschaltung kann abhängig oder unabhängig von der Temperatur der Brenn- kraftmaschine erfolgen. Die zeitabhängige Steuerung kann auch typischspezifisch angepasst sein und mit einer Selbstlernfunktion der Startersteuerung gekoppelt sein, die Alterungsveränderungen der Startvorrichtung im Startvorgang berücksichtigt und detektiert. Die Aufgabe wird auch durch ein Computerprogrammprodukt dadurch gelöst, dass es in einem Programmspeicher mit Programmbefehlen ladbar ist, um alle Schritte eines oben beschriebenen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt in der Startersteuerung ausgeführt wird. Das Computerprogrammprodukt hat den Vorteil, dass es für eine Startvorrichtung zum Starten ei- ner Brennkraftmaschine typischspezifisch mit Parametern angepasst werden kann und somit eine sehr einfache und kostengünstige Anpassung möglich ist. Dabei können Messwerte von bereits vorhandenen Sensoren z.B. von einem o- der mehreren Temperatursensoren oder bereits vorhandenen Zeitschaltuhren bzw. bei Prozessorlösungen mittels Zählern berücksichtigt werden, um mittels der Startersteuerung den Startermotor abhängig von verschiedenen Parametern und leistungsreguliert anzusteuern.

Die Aufgabe wird durch eine Startvorrichtung dadurch gelöst, dass die Startvorrichtung mit einer Leistungsregulierungseinrichtung für den Startermotor ausge- bildet ist. Die Leistungsregulierungseinrichtung hat den Vorteil, dass die elektrische Leistung einer Batterie an den Durchdrehwiderstand der Brennkraftmaschine angepasst wird und somit der Verschleiß von für den Startvorgang involvierten Komponenten insgesamt reduziert und mit elektrischer Energie sparsam umgegangen wird. Die Lebensdauer der Startvorrichtung erhöht sich somit, insbe- sondere auch bei einer erhöhten Schalt- bzw. Zyklenzahl aufgrund eines Start-

Stopp-Betriebs des Fahrzeugs. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, um die Leistungsregulierungsein- richtung möglichst einfach auszubilden, weist die Leistungsregulierungseinrich- tung schaltbare Zuleitungen, mit definierten Widerständen auf, die über die Star- tersteuerung mittels Leistungsschaltern, insbesondere mit Schaltrelais ein- und abschaltbar sind. Es ist ein Gedanke der Erfindung, schaltbare Zuleitungen mit einem Widerstand z.B. Vorwiderstand vorzusehen, um die zur Verfügung zu stehenden Leistung anzupassen. Zum Einschalten und zum Abschalten der Zuleitungen können Hochleistungsschalter z.B. elektronische Schalter eingesetzt werden, bevorzugt werden elektromechanische Schaltrelais eingesetzt, da mit diesen hohe Ströme mit einer langen Lebensdauer problemlos schaltbar sind.

Der Widerstand kann in einem Teilabschnitt der Zuleitung integriert sein. Der Widerstand kann sich alternativ über die gesamte Zuleitung als erhöhter innoror Leistungswiderstand erstrecken.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind die schaltbaren Zuleitungen aus einem Werkstoff mit einem höheren Widerstand als Kupfer ausgebildet. Bevorzugt sind die schaltbaren Zuleitungen aus Stahl und / oder Aluminium her- gestellt.

Stahl und Aluminium haben einen höheren Widerstand als Kupfer und sind zudem ein kostengünstigerer Werkstoff als Kupfer. Stahl ist kostengünstiger als A- luminium und hat zudem einen höheren Widerstand. Beide Werkstoffe sind also insgesamt kostengünstig.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die schaltbaren Zuleitungen zwischen dem Startermotor und dem Energiespeicher, insbesondere der Batterie, pluspolseitig geschaltet. Somit kann die Rückleitung wie bei herkömmlichen Startvorrichtungen effizient kurz über die Fahrzeugkarosserie ausgebildet sein.

Die schaltbaren Zuleitungen sind als Vorwiderstand geschaltet. Durch Schließen von mehreren Zuleitungen erhöht sich die zur Verfügung stehende elektrische Leistung gegenüber einer einzigen Hinleitung deshalb, da die Größe des ohm- sehen Widerstandes in der effektiven Zuleitung sich durch eine Parallelschaltung von Widerständen insgesamt reduziert. Alternativ kann die Leistungsregulierungseinrichtung zwischen dem Startermotor und dem minuspolseitigen Energiespeicher geschaltet sein. Durch mehrere schaltbare Leitungen mit einem größeren Widerstand aus einem kostengünstige- ren Werkstoff als Kupfer, kann die Leistung zum Betreiben eines Startermotors variiert werden. Der masseseitige Anbau ist vorzugsweise einfacher zu realisieren, da diese Leitungen im Normalfall auch einfacher ausgeführt sind, d.h. es sind tatsächlich komplette Leitungen vom Starter zur Karosserie oder zur Batterie ohne Unterbrechungen. In den plusseitigen Anordnungen befinden sich eine Vielzahl zusätzlicher Unterbrechungen wie Sicherungen, Schalter, Wegfahrsperren und ähnliche Bauteile, die einen Einbau von mehreren parallelen Zuleitungen erschweren Außerdem können Halbleiterschaltelemente als sogenannte Low- side-Schalter im Massezweig etwas einfacher angesteuert werden als High-side- Schalter im Pluszweig. Prinzipiell ist aber auch hier kein Unterschied.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 einen schematischen Schaltplan einer Startvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen Schaltplan einer Startvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 einen Schaltplan einer Startvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform,

Fig. 4 einen schematischen Schaltplan einer Starvorrichtung gemäß einer vier- ten Ausführungsform, Fig. 5 eine Tabelle von Betriebszuständen der Startvorrichtung, Fig. 6 ein Flussdiagramm eines Ablaufs vom erfindungsgemäßen Verfahren. Ausführungsformen der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt eine Startvorrichtung 1 mit einem Startermotor 2 und mit einem zwischen einer Batterie 4 und dem Startermotor 2 über eine Hinleitung HO plus- polseitig geschalteten Schaltrelais 3 beim Starter wird dieses Relais Einrückrelais genannt, das sowohl die mechanische Einrückfuntkion des Ritzels als auch die

Schaltfunktion für den Hauptstrom übernimmt, wie folgend näher erläutert). Ein Starterrelais am Startermotor 2, das zum Einspuren eines nicht dargestellten Starterritzels dient, umfasst das Schaltrelais 3. Das Schaltrelais 3 ist aus dem Stand der Technik bekannt. Hinleitung HO hat einen ohmschen Widerstand R _H o und die minuspolseitige Rückleitung R vom Startermotor 2 zur Batterie 4 hat einen ohmschen Leitungswiderstand der vereinfacht mit R _L R bezeichnet ist. Die Batterie 4 besitzt einen inneren ohmschen Widerstand R, ₄ . Gemäß einer ersten besonderen Ausführungsform ist die Startvorrichtung 1 pluspolseitig mit einer Leistungsregulierungseinrichtung 20 ausgebildet. Die Leistungsregulierungsein- richtung 20 weist mindestens eine zur Hinleitung HO parallele, schaltbare Zuleitung 21 auf. Die parallele, schaltbare Zuleitung 21 hat einen definierten Leitungswiderstand Rι_m- Vorzugsweise ist der Widerstand R _L m der parallelen Zuleitung 21 nicht auf einen einzigen Widerstand räumlich beschränkt, sondern durch eine geeignete Werkstoffauswahl erstreckt er sich über die gesamte parallele Zu- leitung 21 . Bevorzugt ist die schaltbare Zuleitung 21 mit einem größeren Widerstand aus einem kostengünstigeren Werkstoff wie beispielsweise Stahl oder A- luminium als die herkömmliche Hinleitung HO hergestellt, die aus Kupfer hergestellt ist. Aluminium hat eine Leitfähigkeit von 37 m/Ω ^* mm ² und Stahl eine Leitfähigkeit von 10 m/Ω ^* mm ² im Gegensatz zur Leitfähigkeit von Kupfer mit 57 mm//ΩΩ ^** mmmm ²² .. DDiiee ppaarraalllleell sscchhaallttbbaaire Zuleitung 21 ist mittels eines Leistungsschal- ters 212 ein- und ausschaltbar.

Der Leistungsschalter 212 ist entweder ein elektronischer Leistungsschalter beispielweise ein MOSFET oder ein elektromechanisches Schaltrelais. Der Leis- tungsschalter 212 wird von einer Steuerung 5 mit einer CPU 6 angesteuert. Die

Steuerung 5 ist mit einem Programmspeicher 7 ausgebildet und steht mit einem Thermosensor 8 zur Detektierung der Temperatur einer nicht angestellten Brennkraftmaschine in Informationskontakt. Die CPU 6 ist ferner mit einer elektronischen Uhr 9 verbunden. Die Steuerung 5 bildet somit zusammen mit der CPU 6 und der Uhr 9 eine Zeitschaltuhr aus.

Nach Schließung eines Schaltkontaktes S1 durch den Leistungsschalter 212 wird über die Zuleitung 21 , die zur Verfügung stehende elektrische Leistung des Startmotors 2 erhöht. Somit kann die elektrische Leistung des Startermotors 2 mit der Leistungsregulierungseinrichtung 20 variiert werden. Der Startermotor 2 kann ein höheres Drehmoment abgeben, wenn zum Starten der Brennkraftmaschine eine erhöhte Motordurchdrehleistung erforderlich ist. Die Motordurchdrehleistung ist beispielsweise bei einer niedrigen Temperatur aufgrund der Viskosität des Motoröls erhöht. Die Fig. 2 zeigt eine Startvorrichtung 1 gemäß der Fig. 1 mit dem Unterschied, dass die Leistungsregulierungseinrichtung 20 nicht nur eine parallel schaltbare Zuleitung 21 umfasst, sondern mindestens drei parallele Zuleitungen 21 , 22, 23 vorgesehen sind. Alle parallelen Zuleitungen 21 , 22, 23 umfassen jeweils einen schaltbaren Leistungsschalter 212, 222, 232, die jeweils die Schaltkontakte S1 , S2, S3 schließen, wenn die Steuerung 5 dies vorgibt. Aufgrund von drei parallelen Zuleitungen 21 , 22, 23 ist es möglich, den Startermotor 2 in einem größeren differenzierten Bereich leistungsreguliert gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 anzusteuern. Somit wird ein Leistungsüberschuss beim Einspuren und Starten der Brennkraftmaschine vermieden. Ein unnötig hoher Verschleiß wird an dem Starterritzel, Zahnkranz, an den Lagern, sowie an Polen von Kontaktbolzen im Starterrelais aufgrund einer regulierten Leistung unterbunden.

Gemäß einer weiter bevorzugten besonderen Ausführungsform, sind die Zuleitungen 21 , 22, 23 mit verschiedenen ohmschen Widerständen ausgebildet, so dass durch eine bestimmte Auswahl der Hinzuschaltung der parallelen Zuleitungen 21 , 22, 23 eine definierte Leistungsregulierung 20, von der Steuerung 5 ausgeführt wird, um den Startermotor 2 definiert anzusteuern.

Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils eine alternative Ausführungsform zur Fig. 1 und 2 mit dem Unterschied, dass mindestens eine parallele Zuleitung 21 an der minus- polseitigen Rückleitung R vom Startermotor 2 und der Batterie 4 angeordnet ist. Der Widerstand der Zuleitungen 21 , 22, 23 als Rückleitungen, der sich vorzugsweise, wie oben beschrieben, über die gesamte Leitung erstreckt ist in der Fig. 4 vereinfacht mit R _LR1, R _LR2 und R|_ _R3 bezeichnet und dargestellt. Die Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes Diagramm in Form einer Tabelle mit vier Temperaturbereichen 1 , 2, 3, 4, in denen die Brennkraftmaschine von der Startvorrichtung 1 jeweils gestartet wird. Im ersten Temperaturbereich 1 ., der größer als +20 ⁰ C ist, sind alle Schaltkontakte S1 , S2, S3 von den Leistungsschaltern 212, 222, 232 offen. Der Startermotor 2 wird über die herkömmliche Zuleitung HO über ein Schaltrelais 3 angesteuert.

In einem zweiten Temperaturbereich 2. zwischen 0 ⁰ C und +20 ⁰ C ist von der Steuerung 5 ein definierter Leistungsschalter z.B. 212, 222 oder 232 geschlossen. Der Gesamtwiderstand des Stromkreises , also eines Stromnetzwerkes, in der Startvorrichtung 1 ist somit reduziert und die elektrische Starterleistung erhöht. Der Startermotor 2 bewältigt somit ein erhöhtes Motordurchdrehmoment an der Brennkraftmaschine.

Gemäß einem dritten Temperaturbereich 3., der zwischen -10 ⁰ C und 0 ⁰ C bei- spielsweise festgesetzt ist, sind die Schaltkontakte S1 und S2 geschlossen. Der

Schaltkontakt S3 vom Leistungsschalter 232 ist nicht geschlossen worden. Der Startermotor 2 hat in diesem Temperaturbereich 3. für einen optimalen Start der Brennkraftmaschine eine stark erhöhte Leistung. In einem vierten Temperaturbereich 4. ist die Temperatur kleiner als -10 ⁰ C. In diesem Temperaturbereich sind die Leistungsschalter 212, 222, 232 mit ihren Schaltkontakten S1 , S2 und S3 geschlossen, so dass eine maximale Leistung von der Batterie 4 abgeben wird und der Widerstand im Gesamtstromkreis der Startvorrichtung 1 am kleinsten ist, so dass am Startermotor 2 eine maximale e- lektrische Leistung zur Verfügung steht, um die Brennkraftmaschine mit einem erhöhten Motordurchdrehmoment zu starten.

Die Fig. 6 zeigt ein Flussdiagramm mit einem Ablauf von Verfahrensschritten, die die Startersteuerung 5 ausführt, um das erfindungsgemäße Verfahren auszufüh- ren. In einem ersten Schritt S10 wird ein Startimpuls beispielsweise durch Betätigung eines Startknopfes oder durch Betätigung des Zündschlüssels von der Steuerung 5 über ein Informationssystem beispielsweise über einen CAN-Bus erfasst. Bei einem Start-Stopp-System kann der Startimpuls durch das Lösen einer Fuß- bremse oder die Betätigung eines Gaspedals erfasst werden.

In einem zweiten Schritt S20 wird der Temperatursensor 8 nach der aktuellen Temperatur der Brennkraftmaschine befragt.

Darauf wird in einem dritten Schritt S30 die Temperatur ausgewertet und einem bestimmten Temperaturbereich 1., 2., 3. oder 4. zugeordnet.

In einem Schritt S40 wird bestimmt, welche Leistungsschalter 212, 222 und / o- der 232 in der Leistungsregulierungseinrichtung 20 geschlossen werden und welche offen bleiben.

Im Schritt S50 wird der Hauptstrompfad, also die Hinleitung HO, vom Schaltrelais 3 geschlossen, so dass der Startermotor 2 bestromt wird und die Brennkraftmaschine gestartet wird. Anschließend folgt eine Abfrage in einem Abfrageschritt A1 , ob innerhalb einer bestimmten Zeit t die Brennkraftmaschine gestartet ist. Ist dies der Fall, so wird das Schaltrelais 3 im Schritt S60 ausgeschaltet und die Startersteuerung 5 kehrt zum Ende des Verfahrensablaufs. Ist die Brennkraftmaschine nach einer bestimmten Zeit noch nicht gestartet, so wird in einem Schritt 70 die elektrische Leistung durch Zuschaltung einer weiteren Zuleitung 21 , 22 oder 23 über einen Leistungsschalter erhöht, sodass sich das Startverhalten der Brennkraftmaschine verbessert. In einem Schritt S80 wird als Selbstlernfunktion die neue Schaltkombination der

Startersteuerung 5 mit den tatsächlich gemessenen Parametern im Programmspeicher 7 gespeichert.

Alternativ können die Einzelschalter 212, 222 und 232 während eines Startvor- gsngs langsam hinzugeschaltet werden, so dass der Startermotor 2 das Bordnetz nicht mit einem plötzlich sehr hohen Anlaufstrom belastet. Der Starterstrom wird beim Starten somit gestuft erhöht. Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerische Darstellungen für die Erfindung als Wesentlich verwiesen.