EP2148084A2 - Method and start controller for starting a combustion engine using a starter - Google Patents
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Definitions
- the invention further relates to a vehicle electrical system module device for a motor vehicle with a DC / DC converter, a controller for a multi-voltage generator and an electrical energy store with a high voltage.
- the starter is conventionally designed as a direct current machine and is directly connected to the battery with a voltage between 12 and 14 V, depending on the state of charge.
- the starter is manually operated by a simple switch by means of a control relay either by turning the ignition key controlled or electronically by a start button control.
- start-stop and recuperation systems are known from hybrid vehicles, which include at least one multi-voltage generator, double-layer capacitors (DLC) and a DC / DC converter (DC / DC converter).
- the starter is an electric machine that can also work as a generator and can be used as an integrated starter generator.
- the integrated starter generator is in a subnet with a higher voltage z. B. 14 - 32 V for motor vehicles and 14 - 42 V arranged for commercial vehicles.
- Such a multi-voltage electrical system for example, in the DE 103 30 703 A1 described.
- the following prior art is known.
- the object is achieved by means of a starter control for a starter for starting an internal combustion engine in a vehicle in that the starter control comprises a current control device with which the starter current can be regulated by a defined current value.
- the starter control comprises a current control device with which the starter current can be regulated by a defined current value.
- the starting speed of the internal combustion engine at a start-stop operation with energization of the starter to a defined current value over a longer period in the starting process improves because the power strokes are achieved earlier with top dead centers in the engine by a faster crank movement.
- the starter current is clocked by the starter control of the starter, so that the starter is operated by a defined current value during the starting process.
- the starter current drives the starter in the first fractions of a second in the starting process, for example, with a nearly constant current value between 400 and 600 amperes. By reducing the starter current, the wear on the brushes and on the commutator decreases. The noise of the starter is also lower.
- the starter current is passed clocked to the starter, so that the starter current is operated within a tolerance band by the predetermined current value. If the current consumption of the starter exceeds a specified current value of the tolerance band, then the timing starts to interrupt the current. If a current drop at the lower threshold of the tolerance band is detected at the starter current, the interruption is canceled and the starter is re-energized.
- the starter is defined by the starter control with a variable adjustable starter voltage defined.
- the voltage at the starter can thus be significantly higher than the usual battery voltage of 12 to 14 V.
- the power output for starting the starter is regulated by means of the starter control from at least two energy stores, in particular technically differently constructed energy stores, particularly preferably a battery and / or at least a capacitor, taken.
- the starter control can thus control the electrical energy of two different energy stores and supply them to the starter.
- the starter control decides depending on the state of charge from which energy storage electrical energy is removed. For example, the one energy storage of the battery with a voltage between 12 and 14 V and the second energy storage at least one capacitor, more preferably a double-layer capacitor with a voltage of, for example, up to 42 V. Should the capacitor have sufficient electrical energy to use the starter to start the engine, the starter control will only discharge the capacitor.
- the charge states and the temperatures are different in a warm start, as in a cold start, so that the required amount of electrical energy is different.
- the starter control can be formed by exclusively electronic components.
- the starter control preferably has a microprocessor with a program memory.
- the current control device in the starter control comprises a DC / DC converter.
- the object is achieved by an electrical system in that at least one third independent, variable subnet is designed to control at least one consumer and / or energy storage. Because of that Starter can be switched as a consumer in a third independent variable subnet, the starter can be used efficiently, it can voltage dips are avoided and the starter can be from both an energy storage of a high voltage ie greater than 14 volts and an energy storage with a between 12 and 14 V can be variably and combined fed with electrical energy. Thus, the power loss of a vehicle electrical system is reduced, since the electrical energy can be highly efficient as a high voltage in energy storage, such as double-layer capacitors buffered for a certain time.
- At least one fourth independent subnetwork is formed with at least one consumer and / or energy store.
- a double-layer capacitor can be embodied as a separate energy store with a greater voltage or high voltage in an independent subnetwork and a controller can supply energy from both the fourth subnetwork and the first subnetwork to at least one consumer in the third or first subnetwork can.
- the battery is designed for a low-voltage power grid in the first sub-network and a consumer for low-voltage in a fifth sub-network.
- the DC / DC converter can take over the function of delivering a variable voltage to the starter to increase the starter power, with the starter current defined by a given current value is regulated, thereby accelerating the crankshaft of an internal combustion engine performs faster in time, so that the ignitable top dead center (TDC) in cylinders of the internal combustion engine are reached earlier than a conventional starter without a regulated ie an unregulated starter current.
- the starter and the at least one energy storage are less burdened by the defined control of the starter current than in a conventional manner.
- the lifetime of both components increases.
- the DC / DC converter only needs to be slightly modified and extended to control the starter current.
- Essential parts of the DC / DC converter can be advantageously used both for controlling the starter current and for regulating charging currents for at least one energy store in this dual function.
- the method according to the invention can likewise be used advantageously in a hybrid vehicle in which, for example, the starter and the multi-voltage generator are designed as an electric machine.
- the Fig. 1 shows schematically and abstracted the electrical circuit diagram of a starter 1 for starting an internal combustion engine 5.
- the starter 1 is powered by a battery 2 and is switched on and off by a switch 3.
- the switch 3 is a button in conventional vehicles, which is installed in the ignition and is operated by turning the ignition key to ignition.
- the pushbutton 3 can activate a starter control 4 and be designed, for example, as a separate start button.
- the starter control 4 has a current regulating device with which a starter current I can be regulated by a defined current value I W.
- a starter current I can be regulated by a defined current value I W.
- the Fig. 2 shows a schematic circuit diagram of a vehicle electrical system according to the invention 7 with a vehicle electrical system module device 8.
- the electrical system module device 8 can also be referred to as a vehicle electrical system management module that supplies electrical energy consumers from energy storage and electrical energy from at least one electric generator in the energy storage again supplies.
- the electrical system 7 has a first sub-network 9 with a constant voltage of 12 to about 14 volts, which depends on the state of charge of a battery 2. In the electrical system 7, a plurality of consumers are arranged. In the first subnet 9, consumers 16 are connected in parallel with the battery 2, which are designed for a constant, low voltage between 12 and 14 volts.
- the electrical system 7 comprises a second subnetwork 10 which is provided for a variable voltage, greater than 14 volts. The voltage is generated by a multi-voltage generator 11, also called multi-voltage generator.
- the onboard power supply module device 8 comprises a DC / DC converter 6, which converts the variable voltage of over 14 volts to the constant voltage of the first subnet 9.
- the starter 1 is connected in a third subnetwork 12. This has the advantage that the starter 1 can be operated both with a constant voltage of up to 14 volts from the battery 2 from the first subnet 9, as well as the energy with a higher voltage from a capacitor, in particular a double-layer capacitor (DLC ) 13, which is connected in a fourth subnetwork 12 to the electrical system module device 8.
- the DC / DC converter 6 with an extended circuit has the additional advantageous function of how to Fig. 1 described, integrated starter control 4 represent.
- the electrical system module device 8 also has interfaces 15 in order to process signals in the form of information about temperatures and state variables of components, such as the crankshaft speed, and accordingly to take over the regulation of the charge states but also the control of the starter 1.
- the electrical system module device 8 is thus informed via the interface 15, which may be, for example, a bus interface such as LIN or CAN or the terminal 50, whether the starter 1 must perform a cold start, because the vehicle was parked for a long time or if a warm start is imminent because a start-stop operating strategy has been executed.
- the supply of the starter current I can be adjusted and different. In a memory stored characteristics support the control of the starter current I.
- On-board network module device 8 also assumes the task of estimating the state of charge, the performance and the aging of the energy store, on the basis of measured variables of current I, voltage U on double-layer capacitor 13 and battery 2 and with the aid of a temperature measurement. Thus, the control of consumers and energy storage in the at least four different subnets can be efficiently implemented.
- the life of the starter 1 is extended, since the starter 1 is applied during start-up of the starter 1 with a lower average starting current and lower pulse-shaped mechanical loads. Therefore, the starter 1 can be less expensive, simpler and possibly smaller.
- the third subnetwork 12 with the starter 1 is decoupled from the first subnetwork 9, on which the consumer 16 is arranged with a constant low voltage of the battery 2, by the installation and interposition of the DC / DC converter 6 in the onboard power supply module device 8. Thus, even with frequent start-stop operating strategies, the driver no longer recognizes voltage dips.
- a multi-voltage generator 11 over a high variable voltage range, for example between 14 to 42 volts and more and at least one double-layer capacitor 13 or similar high-performance capacitors Rekuperationspotential over conventional wiring systems with a conventional generator in a significantly smaller and constant voltage range is significantly improved.
- the efficiency of the multi-voltage generator is significantly increased to over 80%.
- Another advantage is that the battery 2 is reduced in the electrical system 7 by the controlled start of the starter 1 and the reduced starter currents I in size compared to conventional automotive electrical systems, since a battery 2 conventionally to the requirements of a start of the engine at low temperatures is designed and usually has to provide a correspondingly large starter current.
- the life of the battery 2 is significantly extended by supporting at least one double-layer capacitor 13, since the battery 2 is exposed to a much lower load.
- the starter current I Due to the starter control 4, which is integrated in the electrical system module device 8, the starter current I by a defined current value I W , for example, at 600 amps, on the first ignitable dead center, 1st TDC at least until shortly after the second upper ignitable dead center, 2nd OT, the internal combustion engine 5 regulated.
- This is represented by the time-current characteristic E with a solid solid line.
- the starter current I is clocked to control the current value of 600 amps.
- a current I is supplied to the starter 1 in a certain bandwidth around the current value I W to be regulated.
- the time-current characteristic curve By changing the time-current characteristic curve from H to E, an increased power can be achieved from the starter 1, which is represented by the hatched area 18 between the characteristic curves E and H.
- the starter 1 thus has a higher torque and reaches the first and second and all other top dead centers 1 OT, 2 OT of the internal combustion engine 5 earlier.
- emissions are reduced because a shorter start-up time avoids stopping and hindering other traffic.
- the time-current characteristic E can be realized on the basis of the DC / DC converter 6, which can supply the current I with a higher voltage in the starter 1.
- the energy is supplied exclusively from the battery 2 to the starter 1 when, for example, the vehicle has been switched off for a longer time and the double-layer capacitor 13 has not yet been charged.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs mittels eines Starters und einer daran angeschlossenen Startersteuerung. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Computerprogrammprodukt, auf eine Startersteuerung mit einer Steuerelektronik für einen Starter zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug, wobei insbesondere in der Startersteuerung ein erfindungsgemäßes Verfahren, bevorzugt mittels eines Computerprogrammprodukts ausgeführt wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten konstanten niederen Spannungsteilnetz für einen Verbraucher und/oder Energiespeicher und einem zweiten variablen Hochspannungsteilnetz für zumindest einen Mehrspannungsgenerator.The invention relates to a method for starting an internal combustion engine of a vehicle by means of a starter and a starter control connected thereto. The invention further relates to a computer program product on a starter control with control electronics for a starter for starting an internal combustion engine in a vehicle, wherein in particular in the starter control method according to the invention, preferably by means of a computer program product is executed. Furthermore, the invention relates to a vehicle electrical system for a motor vehicle with a first constant lower voltage sub-network for a consumer and / or energy storage and a second variable high voltage sub-network for at least one multi-voltage generator.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Bordnetzmodulvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem DC/DC-Wandler, einer Steuerung für einen Mehrspannungsgenerator und einem elektrischen Energiespeicher mit einer Hochspannung.The invention further relates to a vehicle electrical system module device for a motor vehicle with a DC / DC converter, a controller for a multi-voltage generator and an electrical energy store with a high voltage.
Es ist bekannt, eine Brennkraftmaschine mittels eines Starters zu starten. Der Starter ist herkömmlicher Weise als Gleichstrommaschine ausgebildet und liegt direkt an der Batterie mit einer Spannung zwischen 12 und 14 V, je nach Ladungszustand, an. Der Starter wird durch einen einfachen Schalter mittels eines Steuerrelais entweder durch Drehen des Zündschlüssels manuell gesteuert oder elektronisch durch eine Startknopfsteuerung.It is known to start an internal combustion engine by means of a starter. The starter is conventionally designed as a direct current machine and is directly connected to the battery with a voltage between 12 and 14 V, depending on the state of charge. The starter is manually operated by a simple switch by means of a control relay either by turning the ignition key controlled or electronically by a start button control.
Es ist bekannt, insbesondere bei Hybridfahrzeugen, Starter in einem Bordnetz mit einer Spannung größer als 14 V zu betreiben. Ferner sind Start-Stopp- und Rekuperationssysteme aus Hybridfahrzeugen bekannt, die mindestens einen Mehrspannungsgenerator (Multi-Voltage-Generator), Doppelschichtkondensatoren (DLC) und einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (DC/DC-Wandler) umfassen. Der Starter ist eine elektrische Maschine, der auch als Generator arbeiten kann und als integrierter Startergenerator einsetzbar ist. Der integrierte Startergenerator ist in einem Teilnetz mit einer höheren Spannung z. B. 14 - 32 V für Kraftfahrzeuge und 14 - 42 V für Nutzfahrzeuge angeordnet. Ein solches Mehrspannungsbordnetz wird beispielsweise in der
Die
Die
Die
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt, eine Startersteuerung, ein Bordnetz und eine Bordnetzmodulvorrichtung der eingangsgenannten Art derart weiterzubilden, um einen Starter mit hoher Leistung und mit einer geringen mechanischen elektrischen Belastung effizienter beim Start einer Brennkraftmaschine einzusetzen.It is an object of the present invention, a method, a computer program product, a starter control, a vehicle electrical system and a vehicle electrical system module of the type mentioned in such a way to use a starter with high power and with a low mechanical electrical load more efficient when starting an internal combustion engine.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Ansprüche 1, 6, 7, 8 und 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.According to the invention the object is achieved by the subject matter of
Ein Erfindungsgedanke ist, den Starterstrom im Startvorgang zu steuern und nicht direkt an die Batterie oder an einen Energiespeicher anzuschließen. Es wird stattdessen im Gegensatz zum Stand der Technik eine Startersteuerung zwischen Batterie und Starter geschaltet.An idea of the invention is to control the starter current in the starting process and not directly connect to the battery or to an energy storage. Instead, in contrast to the prior art, a starter control between battery and starter is switched.
Die Aufgabe wird mittels des Verfahrens dadurch gelöst, dass ein Starterstrom im Startvorgang von der Startersteuerung, die elektronische Bauteile umfasst, definiert geregelt wird. Somit wird vermieden, dass Starter mit einem sehr hohen Starterstrom, der beispielsweise 800 bis 1000 Ampere groß ist, im Startvorgang belastet wird. Der Starterstrom wird vorzugsweise durch die Startersteuerung auf einen kleineren Starterstrom reduziert.The object is achieved by means of the method in that a starter current is controlled in the starting process of the starter control, which includes electronic components defined. This avoids that starter with a very high starter current, which is for example 800 to 1000 amps, is charged in the starting process. The starter current is preferably reduced by the starter control to a smaller starter current.
Die Aufgabe wird mittels einer Startersteuerung für einen Starter zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug dadurch gelöst, dass die Startersteuerung eine Stromregelungseinrichtung umfasst mit der der Starterstrom um einen definierten Stromwert regelbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die Lebensdauer des Starters durch die Stromregelung und eventuell durch eine zusätzliche Spannungsregelung sich deutlich erhöht. Der Startkomfort ist durch eine Stromspannungsregelung verbessert, da Geräusche des Starters und Vibrationen reduziert werden. Außerdem wird ein Spannungseinbruch beim Bordnetz während eines Warmstarts beispielsweise bei einem Start-Stopp-Betrieb besser vermieden. Außerdem verbessert sich die Startgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine bei einem Start-Stopp-Betrieb bei einer Bestromung des Starters um einen definierten Stromwert über einen längeren Zeitraum im Startvorgang, da die Arbeitstakte mit oberen Totpunkten in der Brennkraftmaschine durch eine schnellere Kurbelbewegung früher erreicht werden.The object is achieved by means of a starter control for a starter for starting an internal combustion engine in a vehicle in that the starter control comprises a current control device with which the starter current can be regulated by a defined current value. This has the advantage that the life of the starter by the current control and possibly by an additional voltage regulation increases significantly. The starting comfort is improved by a voltage regulation, since noises the starter and vibrations are reduced. In addition, a voltage dip in the electrical system during a warm start, for example, in a start-stop operation better avoided. In addition, the starting speed of the internal combustion engine at a start-stop operation with energization of the starter to a defined current value over a longer period in the starting process improves because the power strokes are achieved earlier with top dead centers in the engine by a faster crank movement.
Gemäß einem die Erfindung weiterbildenden Verfahren wird der Starterstrom von der Startersteuerung des Starters getaktet, so dass der Starter um einen definierten Stromwert beim Startvorgang betrieben wird. Der Starterstrom treibt den Starter in den ersten Bruchteilen einer Sekunde im Startvorgang beispielsweise mit einem nahezu konstanten Stromwert zwischen 400 und 600 Ampere an. Durch die Reduktion des Starterstroms sinkt der Verschleiß an den Bürsten und am Kommutator. Das Geräusch des Starters ist auch niedriger. Der Starterstrom wird getaktet an den Starter geleitet, so dass der Starterstrom in einem Toleranzband um den vorher festgelegten Stromwert betrieben wird. Übersteigt die Stromaufnahme des Starters einen festgelegten Stromwert des Toleranzbands, so setzt die Taktung ein, den Strom zu unterbrechen. Wird ein Stromabfall an der unteren Schwelle des Toleranzbandes beim Starterstrom detektiert, so wird die Unterbrechung aufgehoben und der Starter wieder mit Strom beaufschlagt.According to a further development of the invention, the starter current is clocked by the starter control of the starter, so that the starter is operated by a defined current value during the starting process. The starter current drives the starter in the first fractions of a second in the starting process, for example, with a nearly constant current value between 400 and 600 amperes. By reducing the starter current, the wear on the brushes and on the commutator decreases. The noise of the starter is also lower. The starter current is passed clocked to the starter, so that the starter current is operated within a tolerance band by the predetermined current value. If the current consumption of the starter exceeds a specified current value of the tolerance band, then the timing starts to interrupt the current. If a current drop at the lower threshold of the tolerance band is detected at the starter current, the interruption is canceled and the starter is re-energized.
Um aus einem herkömmlichen Starter einen Leistungsgewinn zu erzielen, wird der Starter von der Startersteuerung mit einer variablen einstellbaren Starterspannung definiert beaufschlagt. Die Spannung am Starter kann somit deutlich höher als die übliche Batteriespannung von 12 bis 14 V liegen.To achieve a performance gain from a conventional starter, the starter is defined by the starter control with a variable adjustable starter voltage defined. The voltage at the starter can thus be significantly higher than the usual battery voltage of 12 to 14 V.
Gemäß einem weiter bevorzugten Verfahren wird die Stromleistung zum Start des Starters durch Regelung mittels der Startersteuerung aus mindestens zwei Energiespeichern, insbesondere technisch verschieden aufgebauten Energiespeichern, besonders bevorzugt einer Batterie und/oder mindestens einem Kondensator, entnommen. Erfindungsgemäß kann somit die Startersteuerung die elektrische Energie von zwei verschiedenen Energiespeichern steuern und diese dem Starter zuführen. Die Startersteuerung entscheidet dabei je nach Ladungszustand aus welchem Energiespeicher elektrische Energie entnommen wird. Beispielsweise ist der eine Energiespeicher der Batterie mit einer Spannung zwischen 12 und 14 V und der zweite Energiespeicher mindestens ein Kondensator, besonders bevorzugt ein Doppelschichtkondensator mit einer Spannung von beispielsweise bis zu 42 V. Sollte der Kondensator genügend elektrische Energie aufweisen, um mit Hilfe des Starters die Brennkraftmaschine zu starten, so wird die Startersteuerung nur den Kondensator entladen. Wenn ein Fahrzeug nach einem längeren Stillstand gestartet werden soll, weist der Kondensator häufig eine nicht ausreichende Energie auf, so dass entweder der Starter direkt von der Batterie gespeist wird, was die Startersteuerung regelt. In einem alternativen Verfahren lädt die Batterie erst den Kondensator auf, so dass der Starter wieder mit der Energie des Kondensators die Brennkraftmaschine startet. Die Energiezufuhr im Starter steuert erfindungsgemäß die Startersteuerung. Es kann auch vorkommen, dass die elektrische Energie für den Startvorgang aus dem Kondensator und der Batterie kombiniert wird. Beispielsweise wird zum Anlauf des Starters die Energie zuerst dem Kondensator entzogen und anschließend, wenn der Kondensator geleert ist, wird die Energie aus der Batterie zugeführt.According to a further preferred method, the power output for starting the starter is regulated by means of the starter control from at least two energy stores, in particular technically differently constructed energy stores, particularly preferably a battery and / or at least a capacitor, taken. According to the invention, the starter control can thus control the electrical energy of two different energy stores and supply them to the starter. The starter control decides depending on the state of charge from which energy storage electrical energy is removed. For example, the one energy storage of the battery with a voltage between 12 and 14 V and the second energy storage at least one capacitor, more preferably a double-layer capacitor with a voltage of, for example, up to 42 V. Should the capacitor have sufficient electrical energy to use the starter to start the engine, the starter control will only discharge the capacitor. When a vehicle is to be started after a long standstill, the capacitor often has insufficient energy so that either the starter is powered directly by the battery, which controls the starter control. In an alternative method, the battery first charges the capacitor so that the starter restarts the engine with the energy of the capacitor. The energy supply in the starter controls the starter control according to the invention. It can also happen that the electrical energy for the starting process from the capacitor and the battery is combined. For example, to start the starter, the energy is first removed from the capacitor and then, when the capacitor is depleted, the energy is supplied from the battery.
Um die elektrische Energie für den Starter möglichst effizient einzusetzen, werden nach einem bevorzugten Verfahren von der Startersteuerung Informationen an Schnittstellen aufgenommen und verarbeitet, so dass mindestens der Starterstrom und/oder die Starterspannung in Abhängigkeit der Informationen geregelt wird. Es können beispielsweise Signale über ein Bussystem wie beispielsweise den LIN-Bus oder an Klemme 50 Informationen über die Temperaturen, Zustandsgrößen von Komponenten, beispielsweise die Kurbelwellendrehzahl und von einer Schnittstelle mit der Motorsteuerung aufgenommen werden, so dass der Starterstrom in Abhängigkeit dieser Parameter entsprechend angesteuert wird. Hierfür sind beispielsweise Kennlinien in der Startersteuerung hinterlegt, gemäß denen der Starter mittels der Startersteuerung betrieben wird.In order to use the electrical energy for the starter as efficiently as possible, information is received at interfaces and processed by the starter control according to a preferred method, so that at least the starter current and / or the starter voltage is regulated as a function of the information. By way of example, signals can be recorded via a bus system, such as the LIN bus, or at terminal 50, for example, about the temperatures, state variables of components, for example the crankshaft speed and of an interface with the engine control, so that the starter current is correspondingly activated in dependence on these parameters , For this example, characteristics stored in the starter control, according to which the starter is operated by means of the starter control.
Beispielsweise sind bei einem Warmstart die Ladezustände und die Temperaturen anders, als bei einem Kaltstart, so dass auch die benötigte elektrische Energiemenge verschieden ist.For example, the charge states and the temperatures are different in a warm start, as in a cold start, so that the required amount of electrical energy is different.
Die Startersteuerung kann durch ausschließlich elektronische Bauteile ausgebildet sein. Bevorzugt weist die Startersteuerung einen Mikroprozessor mit einem Programmspeicher auf.The starter control can be formed by exclusively electronic components. The starter control preferably has a microprocessor with a program memory.
Der Aufgabe wird mittels eines Computerprogrammprodukts dadurch gelöst, dass sie in einen Programmspeicher mit Programmbefehlen ladbar ist, um alle Schritte des oben beschriebenen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in einer Startersteuerung ausgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Startersteuerung an verschiedene Starter bzw. Brennkraftmaschinen variabel anpassbar ist. Ferner ist eine Feineinstellung bzw. nachträgliche Verbesserung des Verfahrens durch verbesserte, beispielsweise empirisch ermittelte Parameterwerte leicht möglich.The object is solved by means of a computer program product in that it can be loaded into a program memory with program instructions in order to execute all the steps of the method described above, when the program is executed in a starter control. This has the advantage that the starter control is variably adaptable to different starters and internal combustion engines. Furthermore, a fine adjustment or subsequent improvement of the method by means of improved, for example, empirically determined parameter values is easily possible.
Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform umfasst die Stromregelungsvorrichtung in der Startersteuerung einen DC/DC-Wandler. Dies hat den Vorteil, dass der Starter auch mit höheren Spannungen als die übliche Batteriespannung betrieben werden kann, so dass die Startgeschwindigkeit im Start-Stopp-Betrieb sich aufgrund einer solchen Spannungserhöhung in einer Leistungssteigerung des Starters auswirkt. Somit werden obere Totpunkte an zündbaren Zylindern der Brennkraftmaschine früher erreicht, so dass die Brennkraftmaschine schneller gestartet werden kann.According to an embodiment further developing the invention, the current control device in the starter control comprises a DC / DC converter. This has the advantage that the starter can also be operated at higher voltages than the usual battery voltage, so that the starting speed in the start-stop operation due to such a voltage increase in a performance increase of the starter. Thus, top dead centers of ignitable cylinders of the internal combustion engine are reached earlier, so that the internal combustion engine can be started faster.
Die Aufgabe wird durch ein Bordnetz dadurch gelöst, dass mindestens ein Drittes unabhängiges, variables Teilnetz zur Regelung mindestens eines Verbrauchers und/oder Energiespeichers ausgebildet ist. Dadurch, dass der Starter als Verbraucher in einem dritten unabhängigen variablen Teilnetz geschaltet werden kann, kann der Starter effizient eingesetzt werden, es können Spannungseinbrüche vermieden werden und der Starter kann sowohl von einem Energiespeicher einer Hochspannung d. h. größer 14 Volt als auch von einem Energiespeicher mit einer zwischen 12 und 14 V variabel und kombinierbar mit elektrischer Energie gespeist werden. Somit reduziert sich die Verlustleistung eines Bordnetzes, da die elektrische Energie hocheffizient als Hochspannung in Energiespeichern, wie beispielsweise Doppelschichtkondensatoren eine bestimmte Zeit gepuffert werden kann.The object is achieved by an electrical system in that at least one third independent, variable subnet is designed to control at least one consumer and / or energy storage. Because of that Starter can be switched as a consumer in a third independent variable subnet, the starter can be used efficiently, it can voltage dips are avoided and the starter can be from both an energy storage of a high voltage ie greater than 14 volts and an energy storage with a between 12 and 14 V can be variably and combined fed with electrical energy. Thus, the power loss of a vehicle electrical system is reduced, since the electrical energy can be highly efficient as a high voltage in energy storage, such as double-layer capacitors buffered for a certain time.
Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist mindestens ein Viertes unabhängiges Teilnetz mit mindestens einem Verbraucher und/oder Energiespeicher ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise ein Doppelschichtkondensator als separater Energiespeicher mit einer größeren Spannung bzw. Hochspannung in einem unabhängigen Teilnetz ausgebildet sein kann und eine Steuerung Energie aus sowohl dem vierten Teilnetz als auch dem ersten Teilnetz mindestens einem Verbraucher in dem dritten oder ersten Teilnetz zuführen kann.According to an embodiment further developing the invention, at least one fourth independent subnetwork is formed with at least one consumer and / or energy store. This has the advantage that, for example, a double-layer capacitor can be embodied as a separate energy store with a greater voltage or high voltage in an independent subnetwork and a controller can supply energy from both the fourth subnetwork and the first subnetwork to at least one consumer in the third or first subnetwork can.
Um Spannungseinbrüche noch besser zu vermeiden, ist gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform die Batterie für ein Niederenergievoltnetz im ersten Teilnetz und ein Verbraucher für Niedervolt in einem fünften Teilnetz ausgebildet.In order to avoid voltage dips even better, according to a further preferred embodiment, the battery is designed for a low-voltage power grid in the first sub-network and a consumer for low-voltage in a fifth sub-network.
Die Aufgabe wird mittels einer Bordnetzmodulvorrichtung für ein Fahrzeug danach gelöst, dass der DC/DC-Wandler, als Teil einer insbesondere oben beschriebenen Startersteuerung ausgebildet ist, um mindestens zwei verschiedene Teilnetze, ein erstes Teilnetz für den Mehrspannungsgenerator mit einer Mehrspannung und mindestens ein zweites Teilnetz für einen Starter unabhängig voneinander zu regeln. Dies hat den Vorteil, dass ein DC/DC-Wandler, der in der Bordnetzmodulvorrichtung aufgrund des Mehrspannungsgenerators in Kombination mit zwei elektrischen Energiespeichern, einmal für eine Hochspannung und einmal für eine niedrige, konstante Spannung von 12 Volt bis 14 Volt, angeordnet ist mit einer zweiten Funktion ausgefüllt werden kann. Wenn der DC/DC-Wandler im Startvorgang der Brennkraftmaschine sowieso nicht arbeitet, kann der DC/DC-Wandler die Funktion übernehmen, eine variable Spannung an den Starter abzugeben, um die Leistung des Starters zu erhöhen, wobei der Starterstrom um einen bestimmten Stromwert definiert geregelt wird und dadurch eine Beschleunigung der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zeitlich schneller ausführt, so dass die zündbaren oberen Totpunkte (OT) in Zylindern der Brennkraftmaschine früher erreicht werden, als ein herkömmlicher Starter ohne einen geregelten d. h. einen ungeregelten Starterstrom. Der Starter und der mindestens eine Energiespeicher sind durch die definierte Regelung des Starterstroms weniger als in herkömmlicher Weise belastet. Die Lebensdauer beider Komponenten steigt. Der DC/DC-Wandler muss zur Regelung des Starterstroms nur geringfügig modifiziert und erweitert werden. Wesentliche Teile des DC/DC-Wandlers können sowohl zur Regelung des Starterstroms als auch zur Regelung von Ladeströmen für mindestens einen Energiespeicher in dieser Doppelfunktion vorteilhaft eingesetzt werden.The object is achieved by means of a vehicle power supply module device for a vehicle that the DC / DC converter is designed as part of a particular starter control described above, at least two different subnets, a first subnetwork for the multi-voltage generator with a multiple voltage and at least a second subnet for a starter independently of each other. This has the advantage that a DC / DC converter, which in the vehicle power supply module device due to the multi-voltage generator in combination with two electrical energy storage, once for a high voltage and even for a low, constant Voltage of 12 volts to 14 volts, arranged can be filled with a second function. If the DC / DC converter does not work anyway in the starting process of the internal combustion engine, the DC / DC converter can take over the function of delivering a variable voltage to the starter to increase the starter power, with the starter current defined by a given current value is regulated, thereby accelerating the crankshaft of an internal combustion engine performs faster in time, so that the ignitable top dead center (TDC) in cylinders of the internal combustion engine are reached earlier than a conventional starter without a regulated ie an unregulated starter current. The starter and the at least one energy storage are less burdened by the defined control of the starter current than in a conventional manner. The lifetime of both components increases. The DC / DC converter only needs to be slightly modified and extended to control the starter current. Essential parts of the DC / DC converter can be advantageously used both for controlling the starter current and for regulating charging currents for at least one energy store in this dual function.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich entsprechend ebenso vorteilhaft bei einem Hybridfahrzeug einsetzen, bei dem beispielsweise der Starter und der Mehrspannungsgenerator als eine elektrische Maschine ausgebildet sind.The method according to the invention can likewise be used advantageously in a hybrid vehicle in which, for example, the starter and the multi-voltage generator are designed as an electric machine.
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.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen schematischen Schaltplan eines Starters mit einer Startersteuerung,
- Fig. 2
- einen schematischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Bordnetzes gemäß einer ersten Ausführungsform,
- Fig. 3
- einen Schaltplan des Bordnetzes gemäß einer zweiten Ausführungsform und
- Fig. 4
- ein Zeit-Strom-Diagramm.
- Fig. 1
- a schematic circuit diagram of a starter with a starter control,
- Fig. 2
- a schematic circuit diagram of a vehicle electrical system according to the invention according to a first embodiment,
- Fig. 3
- a circuit diagram of the electrical system according to a second embodiment and
- Fig. 4
- a time-current diagram.
Die
Erfindungsgemäß weist die Startersteuerung 4 eine Stromreglungseinrichtung auf, mit der ein Starterstrom I um einen definierten Stromwert IW regelbar ist. Somit wird der Starter 1 nicht mehr mit der vollständigen Ladung der Batterie 2 beaufschlagt, sondern der Strom I am Starter 1 wird definiert in einem Toleranzband um den Stromwert IW geregelt. Dies hat den Vorteil, dass der Starter 1 elektrisch und mechanisch weniger beansprucht wird und die Starterleistung zunimmt, so dass die mit dem Starter 1 in mechanischer Wirkverbindung stehende Brennkraftmaschine 5 schneller angedreht werden kann, wie zur
Um am Starter 1 die Leistung zu erhöhen, umfasst die Stromregelungseinrichtung in der Startersteuerung 4 bevorzugt einen DC/DC-Wandler 6, der einen definierten, geregelten Starterstrom I mit einer variablen und höheren Starterspannung Us bereitstellen kann. Hierfür ist der DC/DC-Wandler 6 mit einer entsprechenden Elektronik erweitert ausgebildet.In order to increase the power at the starter 1, the current control device in the
Die
Die Bordnetzmodulvorrichtung 8 umfasst einen DC/DC-Wandler 6, der die variable Spannung von über 14 Volt auf die konstante Spannung des ersten Teilnetzes 9 umwandelt. An der Bordnetzmodulvorrichtung 8 ist in einem dritten Teilnetz 12 der Starter 1 geschaltet. Dies hat den Vorteil, dass der Starter 1 sowohl mit einer konstanten Spannung von bis zu 14 Volt von der Batterie 2 aus dem ersten Teilnetz 9 betrieben werden kann, als auch mit der Energie mit einer höheren Spannung aus einem Kondensator, insbesondere einem Doppelschichtkondensator (DLC) 13, der in einem vierten Teilnetz 12 an der Bordnetzmodulvorrichtung 8 angeschlossen ist. Der DC/DC-Wandler 6 mit einer erweiterten Schaltung hat die zusätzliche vorteilhafte Funktion eine, wie zur
Der Starter 1 wird mittels des DC/DC-Wandlers 6 mit einem geregelten Starterstrom I um einen definierten Stromwert IW beaufschlagt. Die dafür notwendige Energie wird primär dem Doppelschichtkondensator 13 entzogen, der eine höhere Spannung als 14 Volt aufweist. Der Doppelschichtkondensator 13 wird durch eine entsprechende Steuerung von der Bordnetzmodulvorrichtung 8 direkt vom Mehrspannungsgenerator 11 aus dem zweiten Teilnetz 10 geladen. Ist der Doppelschichtkondensator 13 aufgeladen, so kann anschließend, oder gegebenenfalls parallel getaktet die Batterie 2 durch den Mehrspannungsgenerator 11 aufgeladen werden, wobei die Spannung des Mehrspannungsgenerators 11 in eine konstante Spannung für die Batterie 2 durch den DC/DC-Wandler 6 umgewandelt wird. Die Bordnetzmodulvorrichtung 8 übernimmt somit die Regelung der Ladezustände von der Batterie 2 und dem Doppelschichtkondensator 13.The starter 1 is acted upon by the DC /
Die Bordnetzmodulvorrichtung 8 weist ferner Schnittstellen 15 auf, um Signale in Form von Informationen über Temperaturen und Zustandsgrößen von Komponenten, wie beispielsweise die Kurbelwellendrehzahl aufzunehmen, zu verarbeiten und dementsprechend die Regelung der Ladezustände aber auch die Ansteuerung des Starters 1 angepasst zu übernehmen. Die Bordnetzmodulvorrichtung 8 ist somit über die Schnittstelle 15, die beispielsweise eine Bus-Schnittstelle wie LIN oder CAN oder die Klemme 50 sein kann, informiert, ob der Starter 1 einen Kaltstart ausführen muss, weil das Fahrzeug längere Zeit abgestellt war oder ob ein Warmstart bevorsteht, da eine Start-Stopp-Betriebsstrategie ausgeführt wurde. Je nach Situation kann die Zuführung des Starterstroms I angepasst werden und verschieden sein. In einem Speicher unterstützen niedergelegte Kennlinien die Steuerung des Starterstroms I.The electrical
Die Bordnetzmodulvorrichtung 8 übernimmt ferner auf Basis von Messgrößen des Stroms I, der Spannung U am Doppelschichtkondensator 13 und der Batterie 2 sowie unter zu Hilfenahme einer Temperaturmessung die Aufgabe der Schätzung des Ladezustands, der Leistungsfähigkeit wie der Alterung der Energiespeicher. Damit kann die Steuerung der Verbraucher und Energiespeicher in den mindestens vier verschiedenen Teilnetzen effizient umgesetzt werden.On-board
Aufgrund des erfindungsgemäßen Bordnetzes 7 mit der Bordnetzmodulvorrichtung 8 ergeben sich viele Vorteile. Die Lebensdauer des Starters 1 ist verlängert, da der Starter 1 beim Anlauf des Starters 1 mit einem geringeren mittleren Anlaufstrom und geringeren impulsförmigen mechanischen Belastungen beaufschlagt wird. Deshalb kann der Starter 1 kostengünstiger, einfacher und gegebenenfalls kleiner ausgebildet sein. Das dritte Teilnetz 12 mit dem Starter 1 ist vom ersten Teilnetz 9, an dem Verbraucher 16 mit einer konstanten niedrigen Spannung der Batterie 2 angeordnet sind, durch den Einbau und Zwischenschaltung des DC/DC-Wandlers 6 in der Bordnetzmodulvorrichtung 8 entkoppelt. Somit erkennt der Fahrer auch bei häufigen Start-Stopp-Betriebs-Strategien Spannungseinbrüche nicht mehr.Due to the vehicle electrical system 7 according to the invention with the electrical
Durch den Einsatz eines Mehrspannungsgenerators 11 über einen hohen variablen Spannungsbereich beispielsweise zwischen 14 bis 42 Volt und mehr und mindestens eines Doppelschichtkondensators 13 oder ähnlichen Hochleistungskondensatoren ist das Rekuperationspotential gegenüber herkömmlichen Bordnetzsystemen mit einem herkömmlichen Generator in einem deutlich kleineren und konstantem Spannungsbereich deutlich verbessert. Der Wirkungsgrad des Mehrspannungsgenerators ist signifikant auf über 80% erhöht.By using a
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Batterie 2 im Bordnetz 7 durch den gesteuerten Anlauf des Starters 1 und der reduzierten Starterströme I in der Größe gegenüber herkömmlichen Kfz-Bordnetzen reduziert ist, da eine Batterie 2 herkömmlicherweise auf die Anforderungen eines Starts der Brennkraftmaschine bei tiefen Temperaturen ausgelegt ist und einen entsprechend großen Starterstrom gewöhnlich bereitstellen muss.Another advantage is that the
Somit ergeben sich Kostenvorteile durch eine Größenreduktion der Batterie 2 und aufgrund eines geringeren Verschleißes, beispielsweise der Bürsten oder des Kommutators beim Starter 1 aufgrund von geringeren Starterströmen I beim Anlauf. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass Schaltelemente, wie der DC/DC-Wandler 6, der wegen einem Mehrspannungsgenerator 11 und dazugehörigen Doppelschichtkondensatoren 13 in der Bordnetzmodulvorrichtung 8 integriert ist, mitgenutzt und in geeigneter Weise erweitert eingesetzt ist, um den Starterstrom I im Startvorgang der Brennkraftmaschine 5 um einen definierten Stromwert IW zu regeln, in dem der Starterstrom I getaktet wird. Somit ist keine zusätzliche separate Leistungselektronik zur Steuerung des Starterstroms I für den Starter 1 erforderlich. Die Bordnetzmodulvorrichtung 8 umfasst die Startersteuerung 4 und hat zusätzlich wichtige Schalt- und Ladefunktionen.Thus, there are cost advantages through a reduction in size of the
Außerdem ist die Lebensdauer der Batterie 2 durch Unterstützung von mindestens einem Doppelschichtkondensator 13 deutlich verlängert, da die Batterie 2 einer deutlich geringeren Belastung ausgesetzt ist.In addition, the life of the
Die
Die
Aufgrund der Startersteuerung 4, die in der Bordnetzmodulvorrichtung 8 integriert ist, wird der Starterstrom I um einen definierten Stromwert IW, beispielsweise bei 600 Ampere, über den ersten zündbaren Totpunkt, 1. OT zumindest bis kurz nach dem zweiten oberen zündbaren Totpunkt, 2. OT, der Brennkraftmaschine 5 geregelt. Dies ist durch die Zeit-Strom-Kennlinie E mit einer durchgezogenen vollen Linie dargestellt. Der Starterstrom I wird zur Regelung um den Stromwert von 600 Ampere getaktet. Es wird also in einer bestimmten Bandbreite um den zu regelnden Stromwert IW ein Strom I dem Starter 1 zugeführt. Übersteigt der Strom I am Starter 1 einen bestimmten ersten Wert IW1, so wird die Stromzuführung so lang unterbrochen, bis der Strom I unter einen bestimmten zweiten Wert IW2 fällt, so dass dem Starter 1 wieder Strom I zugeführt wird. Die
Durch die Änderung der Zeit-Strom-Kennlinie von H zu E ist eine erhöhte Leistung aus dem Starter 1 erzielbar, was durch die schraffierte Fläche 18 zwischen der Kennlinie E und H dargestellt ist. Der Starter 1 hat somit ein höheres Drehmoment und erreicht den ersten und zweiten und alle weiteren oberen Totpunkte 1. OT, 2. OT der Brennkraftmaschine 5 früher. Es ergibt sich somit eine Startzeitverkürzung t der Brennkraftmaschine 5, was insbesondere bei einer Start-Stopp-Strategie von Vorteil ist und von dem Fahrer als positiv empfunden wird. Außerdem werden die Emissionen gesenkt, da aufgrund einer kürzeren Startzeit vermieden wird, den übrigen Verkehr aufzuhalten und zu behindern. Die Zeit-Strom-Kennlinie E ist aufgrund des DC/DC-Wandlers 6 realisierbar, der im Starter 1 den Strom I mit einer höheren Spannung zuführen kann.By changing the time-current characteristic curve from H to E, an increased power can be achieved from the starter 1, which is represented by the hatched
Um den Energieverlust möglichst gering zu halten, wird der Starter 1 deshalb bevorzugt gemäß eines ersten Startverfahrens mittels eines Kondensators, insbesondere dem Doppelschichtkondensator 13, in der ersten Startphase und mit einem geregelten Starterstrom I und einer höheren Spannung, die über 14 Volt ist, beaufschlagt und in einer zweiten Phase, sollte die Energie vom Doppelschichtkondensator 13 zum vollständigen Start der Brennkraftmaschine nicht ausreichen, von der Batterie 2 gespeist.In order to keep the energy loss as low as possible, the starter 1 is therefore preferably according to a first start method by means of a capacitor, in particular the double-
Gemäß einem zweiten Betriebsmodus wird gemäß der Kennlinie E die Energie ausschließlich aus der Batterie 2 dem Starter 1 zugeführt, wenn beispielsweise das Fahrzeug länger abgestellt wurde und der Doppelschichtkondensator 13 noch nicht aufgeladen wurde.According to a second operating mode, according to the characteristic curve E, the energy is supplied exclusively from the
Gemäß einem weiteren, dritten Startverfahren wird der Doppelschichtkondensator 13 kurz vor dem Start der Brennkraftmaschine 5 mittels der Bordnetzmodulvorrichtung 8 von der Batterie 2 aufgeladen, so dass der Starter 1 wiederum mit der Energie des Doppelschichtkondensators 13 in der ersten Startphase versorgt wird. Die Bordnetzmodulvorrichtung 8 regelt somit mit integrierter Startersteuerung 4 die Energiezufuhr aus zwei technisch verschieden aufgebauten Energiespeichern, der Batterie 2 und dem Doppelschichtkondensator 13 zum Start des Starters 1. Aufgrund der Doppelfunktion des DC/DC-Wandlers 6 und der Aufspaltung des Bordnetzes 7 in mehrere, mindestens drei Teilnetze, werden elektrische Komponenten effizient, insbesondere die elektrische Maschine 1 als Starter mit verlängerter Lebensdauer eingesetzt.According to a further, third starting method, the double-
Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerischen Darstellungen für die Erfindung als wesentlich verwiesen.All figures show only schematic not to scale representations. Incidentally, reference is made in particular to the drawings for the invention as essential.
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