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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Starter für einen Verbrennungsmotor, ein Startersystem und eine Leistungsendstufe.
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Stand der Technik
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Zum Starten von Verbrennungsmotoren kann man elektrische Starter verwenden, die mit einer von der Kraftstoffversorgung getrennten Energieversorgung gespeist werden. Meistens kommen Gleichstrommotoren zum Einsatz, deren Antriebsritzel zunächst in einen Zahnkranz des Verbrennungsmotors einrückt, um danach den Verbrennungsmotor anzutreiben, beispielsweise nach dem Schub-Schraubtriebprinzip.
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Starter sind oftmals derart konstruiert, dass trotz einem Verkleben oder gegenseitigen Verschweißen von Schaltkontakten im Inneren des Starters, eine Trennung von Starterritzel und Zahnkranz sichergestellt werden kann und eine Schaltreserve gebildet wird. Eine weitere Möglichkeit ein Startsystem abzusichern, besteht in dem Einbau eines zusätzlichen Leistungsrelais zwischen einer Batteriehauptleitung und dem Starter. In diesem Fall ist sowohl eine zusätzliche Verdrahtung als auch eine Sensor- und Steuerlogik für das Leistungsrelais erforderlich.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 046 796 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung für eine Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Startermotor und mit einer Strombegrenzungsvorrichtung für eine Strombegrenzung der elektrischen Maschine. Eine Steuerung ist jeweils über eine Steuerleitung mit einem Starterrelais verbunden, um dieses anzusteuern. Außerdem umfasst Schaltungsanordnung eine zusätzliche Messleitung, die einen Schaltzustand des Starterrelais erfasst
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen Starter mit verbessertem Sicherheitskonzept und vereinfachter Schaltung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Figuren, der Beschreibung und der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch einen Starter für einen Verbrennungsmotor mit einer Leistungsendstufe gelöst, die einen Halbleiterschalter zum Schalten einer elektrischen Maschine über eine Steuerleitung und eine Zustandserfassungseinrichtung zum Erfassen eines Schadzustandes des Halbleiterschalters und zum Anzeigen des erfassten Schadzustands über die Steuerleitung umfasst. Ein Schadzustand des Halbleiterschalters ist beispielsweise dann gegeben, wenn der Halbleiterschalter durchlegiert ist und zwischen den zu schaltenden Anschlüssen des Halbleiterschalters ein Kurzschluss auftritt oder wenn trotz eines anliegenden Steuersignals keine Schaltung der zu schaltenden Anschlüsse bewirkt wird.
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Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass auf ein zusätzliches Sicherheitsrelais und einen zusätzlichen Verdrahtungsaufwand verzichtet werden kann, da die Steuerleitung des Halbleiterschalters gleichzeitig zur Schadzustandserkennung verwendet wird. Die Konstruktion des Starters wird vereinfacht und ein Startereinbau und ein Bauraum werden optimiert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Starters umfasst die Zustandserfassungseinrichtung einen Spannungsteiler mit einem ersten und einem zweiten Widerstand zum Teilen einer Spannung, die an einem mit der elektrischen Maschine verbundenen Anschluss des Halbleiters anliegt, dessen erster Anschluss mit dem Anschluss des Halbleiters verbunden ist und dessen zweiter Anschluss mit einem Massepotential verbunden ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Spannung zum Anzeigen des Schadzustands mittels des Spannungsteilers direkt an dem Anschluss des Halbleiters abgegriffen und angepasst werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Starters umfasst die Zustandserfassungseinrichtung einen Spannungsteiler mit einem ersten und einem zweiten Widerstand zum Teilen einer Spannung, die an einem Leistungseingang zum Versorgen der elektrischen Maschine mit einem Betriebsstrom anliegt, dessen erster Anschluss mit dem Leistungseingang verbunden ist und dessen zweiter Anschluss mit einem Massepotential verbunden ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Eingangsspannung direkt an der elektrischen Maschine abgegriffen wird und so ein Andrehen der elektrischen Maschine erfasst werden kann, ohne dass ein entsprechendes Steuersignal ausgegeben worden ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Starters umfasst die Zustandserfassungseinrichtung eine Diode zum Anlegen der geteilten Spannung an eine Steuerleitung. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die an der Steuerleitung anliegende Steuerspannung die Erfassung des Schadzustandes nicht beeinflusst.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Starters ist der Halbleiterschalter thermisch mit einem Befestigungsbolzen gekoppelt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Wärmeabfuhr erhöht wird und ein Durchlegieren des Halbleiterschalters vermindert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Starters ist der Halbleiterschalter an dem Befestigungsbolzen angeschweißt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich eine besonders effiziente thermische Kopplung ergibt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Startersystem mit einem Starter nach dem ersten Aspekt und einer Steuereinrichtung zum Steuern einer Starterfunktion in Abhängigkeit des über die Steuerleitung angezeigten Schadzustandes gelöst. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass unterschiedliche Sicherheitsmaßnahmen bei einer Durchlegierung des Halbleiterschalters eingeleitet werden können.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Startersystems ist die Starterfunktion ein Einspuren eines Starterritzels der elektrischen Maschine. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Steuergerät das Einspuren trotz Startwunsch bei Durchlegiertem Halbleiterschalter verhindern kann und so eine Beschädigung eines Zahnkranzes oder eines Starterritzels verhindert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Startersystems umfasst die Steuereinrichtung eine Spannungserfassungseinrichtung zum Erfassen der an der Steuerleitung anliegenden Spannung. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich der Schadzustand des Halbleiterschalters auf einfache Weise ermitteln lässt.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Leistungsendstufe für einen Starter gelöst, mit einem Halbleiterschalter zum Schalten einer elektrischen Maschine über eine Steuerleitung; und einer Zustandserfassungseinrichtung zum Erfassen eines Schadzustands des Halbleiterschalters und zum Anzeigen des erfassten Schadzustands über die Steuerleitung. Durch die Ansteuerschaltung werden die gleichen technischen Vorteile wie durch den Starter nach dem ersten Aspekt erreicht.
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Durch die Ansteuerschaltung lassen sich die gleichen Vorteile realisieren, wie durch den Starter nach dem ersten Aspekt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 einen schematisierten Aufbau eines Startsystems;
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2 einen schematischen Aufbau eines Leistungsmoduls mit einer Zustandserkennung und einer Steuereinrichtung;
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3 eine thermische Kopplung eines Leistungshalbleiters mit einem Bolzen;
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4a eine Darstellung von zwei Starterbolzen mit einer Halbleiterendstufe und einem Relaisdeckel;
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4b eine Darstellung der in den Relaisdeckel integrierten Halbleiterendstufe; und
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5 eine in einem Relaisgehäuse integrierte Halbleiterendstufe.
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1 zeigt einen schematisierten Aufbau eines Startsystems 10, beispielsweise in einem Start-Stopp-System, mit einer getrennten Ansteuerung, Verschaltung und einem Sicherheitskonzept. Das Startersystem 10 umfasst eine Leistungsendstufe 101 mit einem Halbleiterschalter 103 und einem ersten Anschlussbolzen 133 und einem zweiten Anschlussbolzen 135, eine elektrische Maschine 105, eine Steuereinrichtung 113, einen Zahnkranz 123, ein Starterritzel 125, ein Relais 127 mit Relaiswicklungen und einem Relaisanker 129, ein erstes Ansteuerrelais 137 (Klemme 50 – Startinformation am Starter) und ein zweites Ansteuerrelais 139 (Klemme 15 – geschaltetes Plus vom Zündstartschalter), und eine Batterie 121 mit einem Batteriesensor 131. Die elektrische Maschine ist beispielsweise ein Gleichstrommotor.
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Das Startersystem 10 dient zum Starten eines Verbrennungsmotors, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug. Zu diesem Zweck wird das Starterritzel 125 in einen Eingriff mit dem Zahnkranz 123 gebracht und daraufhin von der elektrischen Maschine 105 angetrieben. Das Einrücken des Starterritzels 125 in den Zahnkranz 123 geschieht, indem das Relais 127 bestromt wird und sich der Relaisanker 129 durch eine magnetische Kraft verschiebt. Dadurch wird über eine entsprechende Mechanik das Starterritzel 125 in den Zahnkranz 123 geschoben.
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Die Bestromung des Relais 127 erfolgt über ein Schließen des ersten Ansteuerrelais 137 und des zweiten Ansteuerrelais 139, so dass das Relais 127 mit der Batterie 121 verbunden wird. Das erste und das zweite Ansteuerrelais 137 und 139 werden von der Steuereinrichtung 113 geschaltet. Die Steuereinrichtung 113 implementiert eine Start-Stopp-Logik des Verbrennungsmotors.
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Zum Schalten der elektrischen Maschine 105, die das Starterritzel 125 antreibt, wird die Leistungsendstufe 101 verwendet. Die Leistungsendstufe 101 überbrückt bei Vorliegen eines entsprechenden Schaltsignals von der Steuereinrichtung 113, den ersten Kontaktbolzen 133 und den zweiten Kontaktbolzen 135 mithilfe des Halbleiterschalters 103. Sobald der Kontakt elektrisch geschlossen ist, ist die elektrische Maschine 105 mit der Batterie 121 verbunden und läuft an.
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Durch die Trennung eines Vorspurens des Starterritzels 125 und eines Andrehens des Starterritzels 125 durch die elektrische Maschine 105, ist das Vorspuren und Andrehen bereits im Auslauf des Verbrennungsmotors möglich.
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Beim Schalten der elektrischen Maschine 105 mittels eines Halbleiterschalters 103 kann es jedoch zum Durchlegieren der Halbleiterkontakte kommen, beispielsweise bei einer Überlastung. In diesem Fall wird der Halbleiterschalter 103 in seiner Funktion zerstört und es tritt ein Kurzschluss zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlussbolzen 133 und 135 auf. Die elektrische Maschine 105 dreht an, ohne dass ein entsprechendes Signal von der Steuereinrichtung 113 vorliegt.
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Das Startersystem 10 sollte daher derart konstruiert sein, dass trotz einer durchlegierten Halbleiterstufe eine mechanische Trennung von Starterritzel 125 und Zahnkranz 123 gewährleistet ist. Eine Möglichkeit dieses Ziel zu erreichen und das Startsystem 10 abzusichern, wäre der Einbau eines zusätzlichen Leistungsrelais zwischen Batteriehauptleitung und elektrischer Maschine 105. In diesem Fall wird eine zusätzlichen Verdrahtung und eine Sensor- und Steuerlogik verwendet.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Steuerleitung der Leistungsendstufe 101 gleichzeitig zur Erkennung des Schadzustands des Halbleiterschalters 103 verwendet wird. In diesem Fall kann auf den Einsatz eines zusätzlichen Sicherheitsrelais und eines zusätzlichen Verdrahtungsaufwands verzichtet werden.
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Daneben ist eine Auswertung eines Signals von dem Batteriesensor 131 durch das Steuergerät möglich, um ein Andrehen der elektrischen Maschine 105 ohne Vorliegen eines entsprechenden Steuersignals zu erkennen. Ein Durchlegieren des Halbleiterschalters 103 hätte ein Andrehen der elektrischen Maschine 105 und eine Erhöhung des Hauptstroms und einen Spannungsanstieg zur Folge. Die Steuereinrichtung 113 kann dann ein Einspuren des Starterritzels 125 trotz Vorliegen eines Startsignals verhindern. Die elektrische Maschine 105 dreht zwar an, wird aber nicht eingespurt.
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2 zeigt einen schematischen Aufbau des Leistungsmoduls 101 mit einem Zustandserkennungsmodul und eine Steuereinrichtung 113. Das Leitungsmodul 101 schaltet die elektrische Maschine 105 durch Ansteuerung über eine Steuerleitung 107.
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An dem ersten und dem zweiten Kontaktbolzen 133 und 135 ist der Halbleiterschalter 103 angeschlossen, beispielsweise ein oder mehrere High-Side-Leistungstransistoren. Der Halbleiterschalter 103 wird von einem Treibertransistor 117 angesteuert. Der Halbleiterschalter 103 kann somit anstelle eines mechanischen Schaltsystems einen Hauptstrom ein- oder ausschalten. Dabei wird der Halbleiterschalter 103 solange betätigt wie eine Spannung an der Steuerleitung 107 anliegt.
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Eine Zustandserfassungseinrichtung zum Erfassen eines Schadzustands des Halbleiterschalters 103 und zum Anzeigen des erfassten Schadzustands über die Steuerleitung 107 wird durch den Spannungsteiler 109 und eine Diode 111 gebildet. Der Spannungsteiler 109 umfasst einen ersten Widerstand 109-1 und einen zweiten Widerstand 109-2, die in Serie geschaltet sind und derart bemessen sind, dass sich zwischen dem ersten Widerstand 109-1 und dem zweiten Widerstand 109-2 ein gewünschtes Spannungsniveau einstellt. Der Spannungsteiler 109 ist elektrisch mit dem Anschlussbolzen 135 oder einem Ausgang des Halbleiterschalters 103 verbunden. Zwischen den beiden Widerständen 109-1 und 109-2 und der Steuerleitung 107 ist die Diode 111 angeschlossen.
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Findet ein Durchlegieren des Halbleiterschalters 103 statt, erhöht sich am Anschlussbolzen 135 die Spannung, ohne dass zuvor von der Steuereinrichtung 113 ein Signal zum Schalten des Halbleiterschalters 103 ausgegeben worden ist. Diese erhöhte Spannung wird von dem Spannungsteiler 109 über die Diode 111 auf die Steuerleitung 107 übertragen.
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Über die Erfassung dieser Spannung in der Steuereinrichtung 113 kann der Zustand des Halbeiterschalters 103 oder der jeweilige Schaltzustand der elektrischen Maschine 105 abgefragt werden. Die Steuereinrichtung 113 weist einen bidirektionalen Eingangs-/Ausgangsport (I/O-Port) auf. Der Eingangs-/Ausgangsport der Steuereinrichtung 113 kann durch Vorwahl über einer Steuersoftware sowohl als Ausgang zum Ausgeben eines Steuersignals als auch als ein Messeingang verwendet werden. Zu dem Zweck eines Messens umfasst die Steuereinrichtung 113 eine Spannungserfassungseinrichtung 115 zum Erfassen der an der Steuerleitung 113 anliegenden Spannung. Je nach erfasstem Schadzustand des Halbleiterschalters 103 können von der Steuereinrichtung unterschiedliche Funktionen ausgeführt werden.
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Beispielsweise kann das Einspuren eines Starterritzels 125 der elektrischen Maschine 105 bei durchlegierten Halbleiterschalter 103 verhindert werden. Grundsätzlich sind jedoch auch weitere Maßnahmen denkbar.
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Findet ein Durchlegieren des Halbleiterbschalters 103 statt, dreht die elektrische Maschine 105 solange im Leerlauf, bis der Hauptstrom über die serienmäßige Überlastsicherung abgeschaltet wird. Ein ungewolltes Bewegen des Fahrzeugs kann dadurch verhindert werden.
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3 zeigt eine thermische Kopplung eines Leistungshalbleiters mit einem Bolzen. Die thermische Anbindung von Halbleiterschaltern erfolgt am Bolzen für eine Plusleitung direkt von der Batterie 121 (Kl. 30-Bolzen). Als Halbleiterschalter 103 werden drei parallel geschaltete High-Side-Leistungstransistoren verwendet, die direkt an dem Bolzen 133 angeschraubt oder angeschweißt sind. Durch die thermische Anbindung am Bolzen 133 (Kl. 30-Bolzen) der elektrischen Maschine 105, d.h. an einer dicken Starterhauptleitung beispielsweise einer Kupferleitung mit einem Durchmesser von 16 bis 50mm, ist eine optimale Temperaturableitung für den Halbleiterschalter 103 gegeben.
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4a zeigt eine Darstellung eines ersten Anschlussbolzens 133 und eines zweiten Anschlussbolzens 135 mit der Leistungsendstufe 101 und einem Relaisdeckel 119.
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4b zeigt eine Darstellung der in den Relaisdeckel 119 integrierten Leistungsendstufe 101.
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5 zeigt eine in einem Gehäuse des Relais integrierte Leistungsendstufe 101 zum Schalten der elektrischen Maschine 105.
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Durch die vorliegende Erfindung wird die Konstruktion des Startsystems vereinfacht, ein Verdrahtungsaufwand reduziert, und der Bauraum für einen Startereinbau optimiert. Dadurch verbessern sich sowohl ein Komfort als auch eine Lebensdauer des Startsystems. Eine Vergrößerung des Bauraums kann trotz zusätzlicher Leistungsmerkmale verhindert werden. Daneben wird eine verbesserte Wärmeableitung des Halbleiterschalters 103 und ein verbessertes Sicherheitskonzept erreicht.
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Alle in den Zeichnungen gezeigten und in der Beschreibung beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung können in beliebiger, sinnvoller Art und Weise miteinander kombiniert werden, so dass deren vorteilhafte Wirkungen gleichzeitig realisiert werden können. Die Erfindung ist nicht auf die in Verbindung mit den Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch den Schutzbereich der Ansprüche gegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009046796 A1 [0004]
