專利名稱：用于確定起動電動機狀態(tài)的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于確定起動電動機狀態(tài)的方法及裝置。
背景技術：
為了發(fā)動或起動內燃機，通常使用具有直流電動機的起動系統(tǒng)，該直流電動機包括定子和轉子。在此處，通過碳刷-換向器裝置來確保對轉子的供電，在該裝置中碳刷被具有彈簧系統(tǒng)的碳刷保持件壓在換向器薄片上并且在電樞運動時在換向器薄片上滑動，其中電流在碳刷與換向器薄片之間流動。在起動系統(tǒng)的起動電動機的使用壽命期間，會產(chǎn)生與工作相關的碳刷磨損和換向器薄片磨損。在換向器薄片上形成銅銹層和在碳刷上形成氧化層對磨損起積極的作用。然而，這兩種作用都會增大碳刷與換向器薄片間的過渡電阻并降低起動系統(tǒng)的功率輸出。下面不對這兩種作用分開進行考慮，而是概括為也包括氧化層的概念銅銹。即使在碳刷中加入用于潤滑和清潔換向器薄片表面的物質，在工作期間也可與應用相關地造成形成過多銅銹。在優(yōu)先權日尚未公開的德國專利申請DE 10 2009 045沈5. 6描述了一種用于操作直流電動機，特別是用于內燃機的起動機的直流電動機的方法，該直流電動機具有由直流電源通過電刷和換向器供電的電樞。在此處，通過監(jiān)控電機專用的起動電流查明換向器的銅銹并通過改變直流電動機的工作參數(shù)進行校正。通過在此處描述的手段可以減小過度銅銹或消除銅銹不足。

發(fā)明內容
在此背景下，提出一種具有獨立權利要求特征的方法和裝置。本發(fā)明的其它設計方案由從屬權利要求及說明書給出。通過此方法，尤其是可以檢測銅銹的程度并由此可以例如驗證被構造為直流電動機的起動電動機的碳刷-換向器系統(tǒng)或碳刷-換向器裝置的過度銅銹或銅銹不足。起動電動機可以被構造為用于起動機動車輛的內燃機的起動系統(tǒng)的一部分。此方法實現(xiàn)了例如在車輛行駛期間也能對起動電動機的電刷-換向器裝置的電阻變化的進行檢測，所述電阻變化除了常見的老化作用之外還可能由過度銅銹或銅銹不足而引起。通過在檢測循環(huán)的不同的(通常為兩個)工作點對電阻進行測量，可以間接求得電刷-換向器裝置的電阻。通過在這些工作點多次確定電阻以及通過形成如此確定的電阻的差，可以求得用于電刷-換向器裝置的待檢測電阻的至少一個定向值 (Orientierungswert)。通過所述的差的形成可以確定電阻變化，即從第一工作點到至少一個第二工作點的電阻的變化。此外，根據(jù)通過檢查在至少兩個不同工作點之間的電阻變化而求得的電阻的值， 還可以求得在此時是否存在過度銅銹或銅銹不足。作為補充，可以在更長的時間段中進行更多的檢測循環(huán)，通過所述更多的檢測循環(huán)可以對電阻的變化趨勢進行觀察。在此處，在其它不變的工作參數(shù)下，例如在起動電動機的溫度不變的情況下進行一系列的檢測循環(huán)，其中在各檢測循環(huán)中在至少兩個工作點求得電阻并確定至少一個電阻變化。在本發(fā)明的設計方案中規(guī)定，通過在確定的工作點在給起動電動機供電的電池上進行電流測量和電壓測量來在車輛行駛期間檢測在碳刷與換向器薄片之間，進而在換向器的薄片之間的過度銅銹或銅銹不足。電池是機動車輛的整車電路的電池。在此處，為了確定電阻不需要了解電池的狀態(tài)。如果通過此方法確定了過度銅銹或銅銹不足，則可以通過適當?shù)氖侄?，即通過對換向器薄片和/或碳刷的處理，通常為清潔或額外的涂層，來降低起動電動機的功率損失或起動機磨損。通過此方法也可以檢測所述采用的手段的效果。在此方法中，通常間接地確定碳刷與換向器薄片之間的過渡電阻。仍然可以通過在至少一個檢測循環(huán)期間在所選的工作點的電流測量和電壓測量，通過對檢測結果的評估，識別出由于感應電壓、變化的溫度和老化而產(chǎn)生的影響，并使其最小化。根據(jù)本發(fā)明的裝置被構造用于執(zhí)行前面所述方法的全部步驟。在此，該方法的單個步驟也可以由此裝置的單個部件來執(zhí)行。此外，此裝置的功能和此裝置的單個部件的功能可以作為所述方法的步驟而付諸實施。此外，所述方法的步驟還可以作為此裝置的至少一個部件的或整個裝置的功能而得以實現(xiàn)。在本發(fā)明的一種設計方案中，在確定的工作點對起動電動機的電阻進行確定。這例如可以意味著，在至少兩個工作點進行電流測量和電壓測量?；跍y量的電流和測量的電壓針對各工作點求得電阻。對所有求得的電阻進行比較并由此得到關于電刷-換向器裝置的銅銹程度的結論。通過在不同的工作點測量電池的電流和電壓，可以確定起動系統(tǒng)的總電阻。起動系統(tǒng)的電阻通常由多個部分組成。它們是導線電阻、接觸電阻、繼電器電阻、電刷電阻、碳刷與換向器薄片之間的過渡部分上的電阻、歐姆電樞電阻和接地過渡電阻。通過例如在起動之前的第一工作點及在起動期間的第二工作點進行的電流測量和電壓測量，可以將電刷-換向器裝置的電阻與起動系統(tǒng)的其它部件的電阻分開。為此，在此設計方案中基于如下情況在不同工作點之間，其它部件的電阻僅微小變化，與此相反的是，電刷-換向器裝置的電阻與工作點相關，這可能是由于對于起動電動機的轉子相對于定子的一個轉動轉速各不相同且與工作點相關而引起的。為了避免在起動期間感應地影響電阻的確定，可以代替地或作為補充地在轉子相對于定子沒有相對運動的工作點，即在轉子的靜止狀態(tài)(零轉速)下的工作點，以及必要時在起動電動機電流很大時(例如在達到電流的頂點值或峰值時)進行測量。為了使溫度影響最小化，在相同溫度的檢測循環(huán)中(例如始終在冷的起動電動機中)執(zhí)行針對將起動電動機起動的電阻確定。因此，當已知通過其它組件產(chǎn)生的其余電阻的腐蝕及老化作用時，通過電刷-換向器裝置中的過度銅銹可以估計電阻變化?？梢酝ㄟ^電池傳感器以高采樣率(小于等于 5毫秒)或者通過在起動電動機的發(fā)動機控制裝置內的傳感器電路執(zhí)行電流測量和電壓測量。通過對存在最大電流和最大電壓時的工作點進行考慮可以提高電阻確定的精度。 因此，電池的狀態(tài)不用計入對電阻的確定中并且不必進行考慮。為此，在存在最大電流和最小電壓的工作點執(zhí)行電流測量以及電壓測量時，對于這種情況的電流測量和電壓測量設有小于等于5毫秒的高采樣率。為此，可以觀察在一個時間間隔中的電流和電壓的走勢并確定所述工作點。通常電刷-換向器裝置的過渡電阻僅與起動系統(tǒng)的其它電阻組合地進行測量和估計。為了確定電阻，在其它設計方案中考慮對起動系統(tǒng)的其它部件的電阻的腐蝕及老化作用。結果是，在多個檢測循環(huán)中通過驗證電阻變化而檢測銅銹的變化在低成本的情況下(例如通過在沒有用于控制起動電動機的傳感器電路的情況下實施檢測)提供了高的精度。然而也可以提供其它可以對所述方法進行補充的手段。本發(fā)明的其它優(yōu)點和設計方案由說明及附圖給出。易于理解的是，前面所述和以下要說明的特征并非僅以相應給出的組合得以應用，而是也可以以其它組合或單獨地應用，而不會超出本發(fā)明的范圍。


圖1以示意圖示出了電刷-換向器裝置的一個示例；圖2示出了用在根據(jù)本發(fā)明的方法的不同實施方式中的工作參數(shù)的圖表；圖3以示意圖示出了機動車輛第一整車電路的第一等效電路圖的一個示例，所述機動車輛具有起動電動機；圖4以示意圖示出了具有起動電動機的起動系統(tǒng)的第二等效電路圖的一個示例； 以及圖5以示意圖示出了第二整車電路的等效電路圖以及圖2的帶有工作參數(shù)的圖表的細節(jié)，這些參數(shù)在根據(jù)本發(fā)明的方法的第一實施方式中被應用。
具體實施例方式在附圖中借助于實施方式示意性地示出了本發(fā)明，下面將參照附圖對本發(fā)明進行詳細描述。附圖是連貫地整體地進行描述的，相同的附圖標記表示相同的部件或工作參數(shù)。在圖1中示意性地示出的起動電動機的電刷-換向器裝置1的示例包括多個電刷以及換向器5的換向器薄片7，其中電刷為碳刷3，在圖1中僅示出了所述多個電刷中的一個。起動電動機的碳刷3 —般由石墨和銅構成，其中可以混合有潤滑劑和清潔劑。在起動電動機在機動車輛中工作期間，通過碳刷3上的磨損(Abrieb)以及通過電化學過程， 而在換向器薄片7上形成銅銹層9和/或在碳刷3的表面上形成絕緣層。這兩種作用增大了碳刷3與換向器薄片7之間的過渡電阻，但減小了換向器薄片7和碳刷3的磨損。一定的銅銹對于低磨損的工作是必需的。然而需避免過度的銅銹，因為這可以導致起動電動機的功率損失增加。在碳刷3相對于換向器薄片7相對運動時，在碳刷3與換向器薄片7之間產(chǎn)生的可能的化學過程是Cu2+離子11通過電場從碳刷3逸出，銅由于空氣濕氣而在碳刷3的表面上氧化13形成Cu2O,由于擊穿形成穿過氧化層15 (沉積部)的金屬通道以及由于空氣濕
5氣發(fā)生電化學的氧化及還原(H2O — H++0H—)，并且隨后在電場中在碳刷3和換向器薄片7之間進行離子交換17。這種化學過程以不同的方式改變了電刷-換向器裝置1的過渡電阻及其與溫度的關系。由于該過程的復雜性，本發(fā)明規(guī)定，根據(jù)特定的應用情況對相關的部分進行分析。為此需檢驗，銅銹的產(chǎn)生是否會因碳刷3的成分改變而變化或者是否可以通過適當?shù)氖侄螠p少在起動電動機的工作期間銅銹的產(chǎn)生。因此可以考慮對銅銹包括在碳刷3表面上的氧化層進行影響。如果在以下提出的方法中確定了過度的銅銹，則起動電動機的轉子可以在高轉速下沒有負載地旋轉，由此實現(xiàn)對電刷-換向器裝置1的清潔效果。下面以銅銹表示在換向器薄片7上的材料膜即銅銹層9以及在碳刷3的表面上的氧化層。在圖2中以起動電動機的工作參數(shù)示出了三個圖表21、23、25，所述工作參數(shù)是在起動電動機的工作中產(chǎn)生的并且用在根據(jù)本發(fā)明的方法的不同實施方式中。在此處，在所有圖表21、23、25中沿橫坐標27的是時間。沿第一圖表21的縱坐標四的是以安培為單位的電池的電流強度IBat (t)，該電池給起動電動機供電。此外，第一圖表21示出了流過電池的電流的曲線31。沿第二圖表23的縱坐標33的是電池上的電壓UBat(t)。此外，第二圖表 23示出了電池上的電壓走勢的第一曲線35和第二曲線37。沿第三圖表25的縱坐標39的是機動車輛的內燃機起動狀態(tài)的轉速η (t)，該內燃機由起動電動機來起動。此外，在第三圖表25中示出了起動狀態(tài)的曲線41。此外，對于所有三個圖表21、23、25都示出了 第一時間點43，在此時間點進行點火；在將起動電動機起動之前的第二時間點45，在此時間點對起動電動機通電；第三時間點47，在此時間點起動電動機起動并且流過起動電動機的電流最大；以及第四時間點49，在此時間點起動電動機卸載。為了執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的用于檢測起動電動機的電刷-換向器裝置的銅銹的方法可以提供不同的實施方式。在第一種實施方式中，基于在確定的工作點51、53(在此處為第一工作點51和第二工作點53)的電流測量和電壓測量實現(xiàn)對電池的電阻變化的測量。在第一工作點51，電池的電流強度達到為50A的值曲線31)，而電壓達到為12V的值56(曲線35)。根據(jù)本發(fā)明的方法的第一實施方式的細節(jié)參照圖5中的圖表和電路圖進行了描述。在第二種實施方式中，對電壓降落55進行測量。在根據(jù)本發(fā)明的方法的第三種實施方式中，在起動電動機所謂的卸載時在起動電動機的端子45處發(fā)生電壓變化 AU45 57。在第四實施方式中，對由于過度銅銹導致的功率損失進行檢測。該功率損失是通過在起動過程期間測量內燃機的起動狀態(tài)(曲線41)求得的。第二、第三和/或第四種實施方式可以對所述方法的第一種實施方式進行補充。在圖3中示意性示出的機動車輛的整車電路71的等效電路圖顯示了構造為電池的電源73U。、電池電阻75RB，以及用于電流79IV流過的其它負載的第二電阻77RV。電流 83130流過第三電阻SlR3tl，即通向起動電動機的端子30的輸入電阻，電流87I5Q流過第四電阻851 5(|，在此處為具有吸引線圈和保持線圈的起動繼電器的電阻。此外，等效電路圖還示出了作為第五電阻89 的接地導線的電阻。在起動電動機91上存在感應電壓93^。此外， 等效電路圖還示出了起動電動機91的電壓95 和卸載電壓97U45。該等效電路圖還示出了保持線圈(冊)99和吸引線圈(EW) 101。在圖4的起動系統(tǒng)103的等效電路圖中，除了起動電動機91和第五電阻89R31、起動電動機的卸載電壓97U45和電壓93 之外，還示意性示出了導線電阻105，電刷電阻107， 碳刷3與換向器薄片7之間的過渡部的電阻109，進而示出了電刷-換向器裝置1的電阻， 電樞電阻111和電樞線圈的電感113。在圖5中又示出了圖2中的具有曲線31、35的兩個圖表21、23。此外，圖5還以示意圖示出了第二整車電路121的等效電路圖和根據(jù)本發(fā)明的裝置123的實施方式的等效電路圖。如已經(jīng)根據(jù)圖3和圖4顯示的，示出了整車電路121的電源73U0及其電阻75RB， 其它負載的電阻77RV，起動電動機126的起動機電阻125I st和起動電動機126的導線電阻 105&。在此處，如已經(jīng)參照圖4顯示的，起動機電阻125Rst包括電刷電阻107、碳刷與換向器薄片之間過渡部的電阻109、電樞電阻111和電樞線圈的電感113Lffitt。作為根據(jù)本發(fā)明的裝置123的實施方式的部件，在圖5中示出了作為測量器的電流測量器127、電壓測量器129以及評估模塊131。在此處，電流測量器127和電壓測量器 1 是所謂的電池傳感器的部件。在圖5中進一步示出的整車電路121的第一局部等效電路圖133示出了在第一工作點51需考慮到的那些部件。第二局部等效電路圖135示出了在第二工作點53需考慮到的那些部件。在將起動電動機起動之前通過對其它負載的最大消耗電流的電流測量和電壓測量確定其它負載的電阻77RV。這例如適用于具有柴油車輛的最大點火電流(GlUhstrom)的時間點。對于第一工作點51可得KiO = Y2t
丄bat在此方法的第一種實施方式中，電池狀態(tài)并不計入負載電阻的計算中?？傠娮鐸iges包括其它負載的電阻77RV，導線電阻105 和起動電動機126的起動機電阻125I st。通過在起動電動機起動期間最大電流流過的時間點以及由此在第二工作點53 的電流測量和電壓測量來計算所有負載的這個總電阻R㈣。
Rges (T) = ^L=明導線+Rs') =>‘ + Rs, gesIbat Rv+(R^+Rs,)導線 s'在此處，起動電動機126的轉子或電樞的角速度和I3tl的電流變化近似為零，由此可以忽略感應作用。起動機電阻Rst由多個部分組成。它們是接觸電阻、繼電器電阻、電刷電阻、碳刷與換向器薄片之間的過渡部上的電阻、歐姆電樞電阻和接地過渡(Masseilbergang) 的電阻Rst = R接觸+R電刷+R過渡+R電樞+R接地過渡在最大流過電流I5tl << I30的時間點，可忽略去繼電器電流。所提及的電阻與溫度相關。金屬的特定電阻通常如下隨溫度變化Ps(T) ^ Ρ0(1+αΤ)碳刷與換向器薄片之間的過渡電阻的溫度相關性可以通過銅銹和與銅銹相關的空穴傳導(Defektelektronenleitimg)與金屬的溫度相關性有顯著的差別，卻與半導體相似。為了避免溫度影響，在確定的溫度下，例如總是在冷的內燃機首次起動時進行電阻測量，其中在各首次起動時都執(zhí)行檢測循環(huán)。為了檢測過度銅銹或銅銹不足的影響，對電阻測量進行比較并考慮在觸點、電刷電阻和接地過渡上常見的老化作用。例如可以通過電池傳感器的在時間上高分辨率的測量或通過在內燃機的發(fā)動機控制裝置內部的額外的傳感器電路來執(zhí)行電流測量和電壓測量。通過示出的裝置123，在至少一個檢測循環(huán)中在確定的工作點51、53在對起動電動機1 供電的電源73上執(zhí)行電流測量和電壓測量，并且針對不同工作點51、53計算出電阻。對由此求得的電阻進行比較，其中電刷-換向器裝置的待確定的電阻由全部負載的電阻(即，在電樞旋轉時起動電動機1 的電阻以及其它額外的負載的，如其在第二工作點53 上所求得的電阻)和在起動電動機126的電樞靜止時、在第一工作點51求得的其它負載的電阻的差得到。銅銹改變了電刷-換向器裝置的過渡電阻并降低了起動電動機的功率。因此可以間接地通過對電阻的估算并且補充地通過對功率降低的分析來驗證銅銹的程度。在根據(jù)本發(fā)明的方法的第二種實施方式中，可以在將起動電動機起動期間和/或通過對電壓走勢的分析來對電壓降落55 Δ 進行測量。為此，參照圖2的第二圖表23。從起動開始的最大電壓降落^AUsp的變化以及電壓走勢的改變給出了其它關于銅銹變化的信息。在最大電壓降落55八Usp的時間點僅存在起動電動機的轉子的很小的運動，由此，電壓降落55 Δ Usp僅與整車電路相關。電壓走勢(圖2的曲線35、37)既與整車電路相關，又與內燃機相關。不同的電壓走勢例如可以通過對包絡曲線的計算進行相互比較。為此，僅需考慮很少數(shù)量的測量值。測量例如可以通過在發(fā)動機控制裝置的內部的額外的傳感器電路執(zhí)行。在此處，考慮用于估計電壓降落55 △ Usp的整車電路狀態(tài)以及用于分析電壓走勢的內燃機的摩擦、壓縮和牽引力矩的變化。在此方法的這種補充的實施方式中還可以，在轉子預起動而起動機未嚙合時對電壓降落55 的走勢進行分析。通過預起動而不嚙合起動機避免了內燃機對電壓降落的走勢產(chǎn)生影響的可能的缺陷。這尤其適用于具有單獨的用于小齒輪嚙合和起動機起動的觸發(fā)裝置的起動電動機。為此，需考慮的是用于估算電壓降落的對整車電路狀態(tài)的識別，以及需通過傳感器電路上的斷路電流考慮發(fā)動機控制裝置的功率負荷。小齒輪的拉入 (Ritzeleinzug)的連通和主電流是以相對于通常的起動電動機無關的方式被觸發(fā)的。在第三種實施方式中，在起動過程結束時、在起動電動機即將卸載和剛卸載之后對卸載電壓的電壓差57 AU45進行測量，由此可以對碳刷與換向器薄片之間的電壓降進行估算。在此處
權利要求
1.一種用于確定起動電動機(91，126)的狀態(tài)的方法，該起動電動機包括電刷-換向器裝置(1)，其特征在于，在至少一個檢測循環(huán)中，在確定的工作點(51，5；3)上在對所述起動電動機(91，126)供電的電池上分別執(zhí)行電流測量和電壓測量，并由此確定所述電刷-換向器裝置(1)的電阻。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，對能夠起動內燃機的起動電動機(91， 126)執(zhí)行所述方法。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于，對所述電刷-換向器裝置(1)的銅銹的程度進行確定。
4.按照前述權利要求中任意一項所述的方法，其特征在于，求得在不同的確定的工作點(51，53)的電阻并將所述電阻進行相互比較，以及通過在不同的確定的工作狀態(tài)下求得的電阻的差來檢測所述電刷-換向器裝置(1)的電阻。
5.按照前述權利要求中任意一項所述的方法，其特征在于，在所述起動電動機(91， 126)起動之前的第一工作點(51)和在所述起動電動機(91，126)起動期間的第二工作點 (53)進行電流測量和電壓測量。
6.按照權利要求5所述的方法，其特征在于，當電流達到峰值時到達所述第二工作點 (53)。
7.按照前述權利要求中任意一項所述的方法，其特征在于，以時間間隔執(zhí)行多個檢測循環(huán)，其中所有檢測循環(huán)中在相同的確定的工作點(51，5；3)執(zhí)行電流測量和電壓測量。
8.按照權利要求7所述的方法，其特征在于，總是在所述起動電動機(91，126)的相同溫度下執(zhí)行所述檢測循環(huán)。
9.一種裝置，所述裝置具有至少一個測量器和至少一個評估模塊(131)并且能夠確定包括電刷-換向器裝置(1)的起動電動機(91，126)的狀態(tài)，其特征在于所述至少一個測量器在至少一個檢測循環(huán)中，在確定的工作點，在對所述起動電動機(91，126)供電的電池上分別執(zhí)行電流測量和電壓測量，以及其中所述評估模塊(131)由此確定所述電刷-換向器裝置(1)的電阻。
10.按照權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述至少一個測量器為電池傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定起動電動機(126)狀態(tài)的方法，該起動電動機包括電刷-換向器裝置，在該電刷-換向器裝置中在至少一個檢測循環(huán)中，在確定的工作點(51，53)在對所述起動電動機供電的電池上分別執(zhí)行電流測量和電壓測量，并由此確定所述電刷-換向器裝置的電阻。
文檔編號G01R27/08GK102401860SQ20111027476
公開日2012年4月4日 申請日期2011年9月9日 優(yōu)先權日2010年9月9日
發(fā)明者F·森格布施, M·克維克, M·巴耶爾, R·皮爾施, S·哈特曼 申請人:羅伯特·博世有限公司