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专利名称：用于确定起动电动机状态的方法
技术领域：
本发明涉及用于确定起动电动机状态的方法及装置。
背景技术：
为了发动或起动内燃机，通常使用具有直流电动机的起动系统，该直流电动机包括定子和转子。在此处，通过碳刷-换向器装置来确保对转子的供电，在该装置中碳刷被具有弹簧系统的碳刷保持件压在换向器薄片上并且在电枢运动时在换向器薄片上滑动，其中电流在碳刷与换向器薄片之间流动。在起动系统的起动电动机的使用寿命期间，会产生与工作相关的碳刷磨损和换向器薄片磨损。在换向器薄片上形成铜锈层和在碳刷上形成氧化层对磨损起积极的作用。然而，这两种作用都会增大碳刷与换向器薄片间的过渡电阻并降低起动系统的功率输出。下面不对这两种作用分开进行考虑，而是概括为也包括氧化层的概念铜锈。即使在碳刷中加入用于润滑和清洁换向器薄片表面的物质，在工作期间也可与应用相关地造成形成过多铜锈。在优先权日尚未公开的德国专利申请DE 10 2009 045沈5. 6描述了一种用于操作直流电动机，特别是用于内燃机的起动机的直流电动机的方法，该直流电动机具有由直流电源通过电刷和换向器供电的电枢。在此处，通过监控电机专用的起动电流查明换向器的铜锈并通过改变直流电动机的工作参数进行校正。通过在此处描述的手段可以减小过度铜锈或消除铜锈不足。

发明内容
在此背景下，提出一种具有独立权利要求特征的方法和装置。本发明的其它设计方案由从属权利要求及说明书给出。通过此方法，尤其是可以检测铜锈的程度并由此可以例如验证被构造为直流电动机的起动电动机的碳刷-换向器系统或碳刷-换向器装置的过度铜锈或铜锈不足。起动电动机可以被构造为用于起动机动车辆的内燃机的起动系统的一部分。此方法实现了例如在车辆行驶期间也能对起动电动机的电刷-换向器装置的电阻变化的进行检测，所述电阻变化除了常见的老化作用之外还可能由过度铜锈或铜锈不足而引起。通过在检测循环的不同的(通常为两个)工作点对电阻进行测量，可以间接求得电刷-换向器装置的电阻。通过在这些工作点多次确定电阻以及通过形成如此确定的电阻的差，可以求得用于电刷-换向器装置的待检测电阻的至少一个定向值 (Orientierungswert)。通过所述的差的形成可以确定电阻变化，即从第一工作点到至少一个第二工作点的电阻的变化。此外，根据通过检查在至少两个不同工作点之间的电阻变化而求得的电阻的值， 还可以求得在此时是否存在过度铜锈或铜锈不足。作为补充，可以在更长的时间段中进行更多的检测循环，通过所述更多的检测循环可以对电阻的变化趋势进行观察。在此处，在其它不变的工作参数下，例如在起动电动机的温度不变的情况下进行一系列的检测循环，其中在各检测循环中在至少两个工作点求得电阻并确定至少一个电阻变化。在本发明的设计方案中规定，通过在确定的工作点在给起动电动机供电的电池上进行电流测量和电压测量来在车辆行驶期间检测在碳刷与换向器薄片之间，进而在换向器的薄片之间的过度铜锈或铜锈不足。电池是机动车辆的整车电路的电池。在此处，为了确定电阻不需要了解电池的状态。如果通过此方法确定了过度铜锈或铜锈不足，则可以通过适当的手段，即通过对换向器薄片和/或碳刷的处理，通常为清洁或额外的涂层，来降低起动电动机的功率损失或起动机磨损。通过此方法也可以检测所述采用的手段的效果。在此方法中，通常间接地确定碳刷与换向器薄片之间的过渡电阻。仍然可以通过在至少一个检测循环期间在所选的工作点的电流测量和电压测量，通过对检测结果的评估，识别出由于感应电压、变化的温度和老化而产生的影响，并使其最小化。根据本发明的装置被构造用于执行前面所述方法的全部步骤。在此，该方法的单个步骤也可以由此装置的单个部件来执行。此外，此装置的功能和此装置的单个部件的功能可以作为所述方法的步骤而付诸实施。此外，所述方法的步骤还可以作为此装置的至少一个部件的或整个装置的功能而得以实现。在本发明的一种设计方案中，在确定的工作点对起动电动机的电阻进行确定。这例如可以意味着，在至少两个工作点进行电流测量和电压测量。基于测量的电流和测量的电压针对各工作点求得电阻。对所有求得的电阻进行比较并由此得到关于电刷-换向器装置的铜锈程度的结论。通过在不同的工作点测量电池的电流和电压，可以确定起动系统的总电阻。起动系统的电阻通常由多个部分组成。它们是导线电阻、接触电阻、继电器电阻、电刷电阻、碳刷与换向器薄片之间的过渡部分上的电阻、欧姆电枢电阻和接地过渡电阻。通过例如在起动之前的第一工作点及在起动期间的第二工作点进行的电流测量和电压测量，可以将电刷-换向器装置的电阻与起动系统的其它部件的电阻分开。为此，在此设计方案中基于如下情况在不同工作点之间，其它部件的电阻仅微小变化，与此相反的是，电刷-换向器装置的电阻与工作点相关，这可能是由于对于起动电动机的转子相对于定子的一个转动转速各不相同且与工作点相关而引起的。为了避免在起动期间感应地影响电阻的确定，可以代替地或作为补充地在转子相对于定子没有相对运动的工作点，即在转子的静止状态(零转速)下的工作点，以及必要时在起动电动机电流很大时(例如在达到电流的顶点值或峰值时)进行测量。为了使温度影响最小化，在相同温度的检测循环中(例如始终在冷的起动电动机中)执行针对将起动电动机起动的电阻确定。因此，当已知通过其它组件产生的其余电阻的腐蚀及老化作用时，通过电刷-换向器装置中的过度铜锈可以估计电阻变化。可以通过电池传感器以高采样率(小于等于 5毫秒)或者通过在起动电动机的发动机控制装置内的传感器电路执行电流测量和电压测量。通过对存在最大电流和最大电压时的工作点进行考虑可以提高电阻确定的精度。 因此，电池的状态不用计入对电阻的确定中并且不必进行考虑。为此，在存在最大电流和最小电压的工作点执行电流测量以及电压测量时，对于这种情况的电流测量和电压测量设有小于等于5毫秒的高采样率。为此，可以观察在一个时间间隔中的电流和电压的走势并确定所述工作点。通常电刷-换向器装置的过渡电阻仅与起动系统的其它电阻组合地进行测量和估计。为了确定电阻，在其它设计方案中考虑对起动系统的其它部件的电阻的腐蚀及老化作用。结果是，在多个检测循环中通过验证电阻变化而检测铜锈的变化在低成本的情况下(例如通过在没有用于控制起动电动机的传感器电路的情况下实施检测)提供了高的精度。然而也可以提供其它可以对所述方法进行补充的手段。本发明的其它优点和设计方案由说明及附图给出。易于理解的是，前面所述和以下要说明的特征并非仅以相应给出的组合得以应用，而是也可以以其它组合或单独地应用，而不会超出本发明的范围。


图1以示意图示出了电刷-换向器装置的一个示例；图2示出了用在根据本发明的方法的不同实施方式中的工作参数的图表；图3以示意图示出了机动车辆第一整车电路的第一等效电路图的一个示例，所述机动车辆具有起动电动机；图4以示意图示出了具有起动电动机的起动系统的第二等效电路图的一个示例； 以及图5以示意图示出了第二整车电路的等效电路图以及图2的带有工作参数的图表的细节，这些参数在根据本发明的方法的第一实施方式中被应用。
具体实施例方式在附图中借助于实施方式示意性地示出了本发明，下面将参照附图对本发明进行详细描述。附图是连贯地整体地进行描述的，相同的附图标记表示相同的部件或工作参数。在图1中示意性地示出的起动电动机的电刷-换向器装置1的示例包括多个电刷以及换向器5的换向器薄片7，其中电刷为碳刷3，在图1中仅示出了所述多个电刷中的一个。起动电动机的碳刷3 —般由石墨和铜构成，其中可以混合有润滑剂和清洁剂。在起动电动机在机动车辆中工作期间，通过碳刷3上的磨损(Abrieb)以及通过电化学过程， 而在换向器薄片7上形成铜锈层9和/或在碳刷3的表面上形成绝缘层。这两种作用增大了碳刷3与换向器薄片7之间的过渡电阻，但减小了换向器薄片7和碳刷3的磨损。一定的铜锈对于低磨损的工作是必需的。然而需避免过度的铜锈，因为这可以导致起动电动机的功率损失增加。在碳刷3相对于换向器薄片7相对运动时，在碳刷3与换向器薄片7之间产生的可能的化学过程是Cu2+离子11通过电场从碳刷3逸出，铜由于空气湿气而在碳刷3的表面上氧化13形成Cu2O,由于击穿形成穿过氧化层15 (沉积部)的金属通道以及由于空气湿
5气发生电化学的氧化及还原(H2O — H++0H—)，并且随后在电场中在碳刷3和换向器薄片7之间进行离子交换17。这种化学过程以不同的方式改变了电刷-换向器装置1的过渡电阻及其与温度的关系。由于该过程的复杂性，本发明规定，根据特定的应用情况对相关的部分进行分析。为此需检验，铜锈的产生是否会因碳刷3的成分改变而变化或者是否可以通过适当的手段减少在起动电动机的工作期间铜锈的产生。因此可以考虑对铜锈包括在碳刷3表面上的氧化层进行影响。如果在以下提出的方法中确定了过度的铜锈，则起动电动机的转子可以在高转速下没有负载地旋转，由此实现对电刷-换向器装置1的清洁效果。下面以铜锈表示在换向器薄片7上的材料膜即铜锈层9以及在碳刷3的表面上的氧化层。在图2中以起动电动机的工作参数示出了三个图表21、23、25，所述工作参数是在起动电动机的工作中产生的并且用在根据本发明的方法的不同实施方式中。在此处，在所有图表21、23、25中沿横坐标27的是时间。沿第一图表21的纵坐标四的是以安培为单位的电池的电流强度IBat (t)，该电池给起动电动机供电。此外，第一图表21示出了流过电池的电流的曲线31。沿第二图表23的纵坐标33的是电池上的电压UBat(t)。此外，第二图表 23示出了电池上的电压走势的第一曲线35和第二曲线37。沿第三图表25的纵坐标39的是机动车辆的内燃机起动状态的转速η (t)，该内燃机由起动电动机来起动。此外，在第三图表25中示出了起动状态的曲线41。此外，对于所有三个图表21、23、25都示出了 第一时间点43，在此时间点进行点火；在将起动电动机起动之前的第二时间点45，在此时间点对起动电动机通电；第三时间点47，在此时间点起动电动机起动并且流过起动电动机的电流最大；以及第四时间点49，在此时间点起动电动机卸载。为了执行根据本发明的用于检测起动电动机的电刷-换向器装置的铜锈的方法可以提供不同的实施方式。在第一种实施方式中，基于在确定的工作点51、53(在此处为第一工作点51和第二工作点53)的电流测量和电压测量实现对电池的电阻变化的测量。在第一工作点51，电池的电流强度达到为50A的值曲线31)，而电压达到为12V的值56(曲线35)。根据本发明的方法的第一实施方式的细节参照图5中的图表和电路图进行了描述。在第二种实施方式中，对电压降落55进行测量。在根据本发明的方法的第三种实施方式中，在起动电动机所谓的卸载时在起动电动机的端子45处发生电压变化 AU45 57。在第四实施方式中，对由于过度铜锈导致的功率损失进行检测。该功率损失是通过在起动过程期间测量内燃机的起动状态(曲线41)求得的。第二、第三和/或第四种实施方式可以对所述方法的第一种实施方式进行补充。在图3中示意性示出的机动车辆的整车电路71的等效电路图显示了构造为电池的电源73U。、电池电阻75RB，以及用于电流79IV流过的其它负载的第二电阻77RV。电流 83130流过第三电阻SlR3tl，即通向起动电动机的端子30的输入电阻，电流87I5Q流过第四电阻851 5(|，在此处为具有吸引线圈和保持线圈的起动继电器的电阻。此外，等效电路图还示出了作为第五电阻89 的接地导线的电阻。在起动电动机91上存在感应电压93^。此外， 等效电路图还示出了起动电动机91的电压95 和卸载电压97U45。该等效电路图还示出了保持线圈(冊)99和吸引线圈(EW) 101。在图4的起动系统103的等效电路图中，除了起动电动机91和第五电阻89R31、起动电动机的卸载电压97U45和电压93 之外，还示意性示出了导线电阻105，电刷电阻107， 碳刷3与换向器薄片7之间的过渡部的电阻109，进而示出了电刷-换向器装置1的电阻， 电枢电阻111和电枢线圈的电感113。在图5中又示出了图2中的具有曲线31、35的两个图表21、23。此外，图5还以示意图示出了第二整车电路121的等效电路图和根据本发明的装置123的实施方式的等效电路图。如已经根据图3和图4显示的，示出了整车电路121的电源73U0及其电阻75RB， 其它负载的电阻77RV，起动电动机126的起动机电阻125I st和起动电动机126的导线电阻 105&。在此处，如已经参照图4显示的，起动机电阻125Rst包括电刷电阻107、碳刷与换向器薄片之间过渡部的电阻109、电枢电阻111和电枢线圈的电感113Lffitt。作为根据本发明的装置123的实施方式的部件，在图5中示出了作为测量器的电流测量器127、电压测量器129以及评估�？�131。在此处，电流测量器127和电压测量器 1 是所谓的电池传感器的部件。在图5中进一步示出的整车电路121的第一局部等效电路图133示出了在第一工作点51需考虑到的那些部件。第二局部等效电路图135示出了在第二工作点53需考虑到的那些部件。在将起动电动机起动之前通过对其它负载的最大消耗电流的电流测量和电压测量确定其它负载的电阻77RV。这例如适用于具有柴油车辆的最大点火电流(GlUhstrom)的时间点。对于第一工作点51可得KiO = Y2t
丄bat在此方法的第一种实施方式中，电池状态并不计入负载电阻的计算中。总电阻Iiges包括其它负载的电阻77RV，导线电阻105 和起动电动机126的起动机电阻125I st。通过在起动电动机起动期间最大电流流过的时间点以及由此在第二工作点53 的电流测量和电压测量来计算所有负载的这个总电阻R㈣。
Rges (T) = ^L=明导线+Rs') =>‘ + Rs, gesIbat Rv+(R^+Rs,)导线 s'在此处，起动电动机126的转子或电枢的角速度和I3tl的电流变化近似为零，由此可以忽略感应作用。起动机电阻Rst由多个部分组成。它们是接触电阻、继电器电阻、电刷电阻、碳刷与换向器薄片之间的过渡部上的电阻、欧姆电枢电阻和接地过渡(Masseilbergang) 的电阻Rst = R接触+R电刷+R过渡+R电枢+R接地过渡在最大流过电流I5tl << I30的时间点，可忽略去继电器电流。所提及的电阻与温度相关。金属的特定电阻通常如下随温度变化Ps(T) ^ Ρ0(1+αΤ)碳刷与换向器薄片之间的过渡电阻的温度相关性可以通过铜锈和与铜锈相关的空穴传导(Defektelektronenleitimg)与金属的温度相关性有显著的差别，却与半导体相似。为了避免温度影响，在确定的温度下，例如总是在冷的内燃机首次起动时进行电阻测量，其中在各首次起动时都执行检测循环。为了检测过度铜锈或铜锈不足的影响，对电阻测量进行比较并考虑在触点、电刷电阻和接地过渡上常见的老化作用。例如可以通过电池传感器的在时间上高分辨率的测量或通过在内燃机的发动机控制装置内部的额外的传感器电路来执行电流测量和电压测量。通过示出的装置123，在至少一个检测循环中在确定的工作点51、53在对起动电动机1 供电的电源73上执行电流测量和电压测量，并且针对不同工作点51、53计算出电阻。对由此求得的电阻进行比较，其中电刷-换向器装置的待确定的电阻由全部负载的电阻(即，在电枢旋转时起动电动机1 的电阻以及其它额外的负载的，如其在第二工作点53 上所求得的电阻)和在起动电动机126的电枢静止时、在第一工作点51求得的其它负载的电阻的差得到。铜锈改变了电刷-换向器装置的过渡电阻并降低了起动电动机的功率。因此可以间接地通过对电阻的估算并且补充地通过对功率降低的分析来验证铜锈的程度。在根据本发明的方法的第二种实施方式中，可以在将起动电动机起动期间和/或通过对电压走势的分析来对电压降落55 Δ 进行测量。为此，参照图2的第二图表23。从起动开始的最大电压降落^AUsp的变化以及电压走势的改变给出了其它关于铜锈变化的信息。在最大电压降落55八Usp的时间点仅存在起动电动机的转子的很小的运动，由此，电压降落55 Δ Usp仅与整车电路相关。电压走势(图2的曲线35、37)既与整车电路相关，又与内燃机相关。不同的电压走势例如可以通过对包络曲线的计算进行相互比较。为此，仅需考虑很少数量的测量值。测量例如可以通过在发动机控制装置的内部的额外的传感器电路执行。在此处，考虑用于估计电压降落55 △ Usp的整车电路状态以及用于分析电压走势的内燃机的摩擦、压缩和牵引力矩的变化。在此方法的这种补充的实施方式中还可以，在转子预起动而起动机未啮合时对电压降落55 的走势进行分析。通过预起动而不啮合起动机避免了内燃机对电压降落的走势产生影响的可能的缺陷。这尤其适用于具有单独的用于小齿轮啮合和起动机起动的触发装置的起动电动机。为此，需考虑的是用于估算电压降落的对整车电路状态的识别，以及需通过传感器电路上的断路电流考虑发动机控制装置的功率负荷。小齿轮的拉入 (Ritzeleinzug)的连通和主电流是以相对于通常的起动电动机无关的方式被触发的。在第三种实施方式中，在起动过程结束时、在起动电动机即将卸载和刚卸载之后对卸载电压的电压差57 AU45进行测量，由此可以对碳刷与换向器薄片之间的电压降进行估算。在此处
权利要求
1.一种用于确定起动电动机(91，126)的状态的方法，该起动电动机包括电刷-换向器装置(1)，其特征在于，在至少一个检测循环中，在确定的工作点(51，5；3)上在对所述起动电动机(91，126)供电的电池上分别执行电流测量和电压测量，并由此确定所述电刷-换向器装置(1)的电阻。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，对能够起动内燃机的起动电动机(91， 126)执行所述方法。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对所述电刷-换向器装置(1)的铜锈的程度进行确定。
4.按照前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，求得在不同的确定的工作点(51，53)的电阻并将所述电阻进行相互比较，以及通过在不同的确定的工作状态下求得的电阻的差来检测所述电刷-换向器装置(1)的电阻。
5.按照前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，在所述起动电动机(91， 126)起动之前的第一工作点(51)和在所述起动电动机(91，126)起动期间的第二工作点 (53)进行电流测量和电压测量。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，当电流达到峰值时到达所述第二工作点 (53)。
7.按照前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，以时间间隔执行多个检测循环，其中所有检测循环中在相同的确定的工作点(51，5；3)执行电流测量和电压测量。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，总是在所述起动电动机(91，126)的相同温度下执行所述检测循环。
9.一种装置，所述装置具有至少一个测量器和至少一个评估模块(131)并且能够确定包括电刷-换向器装置(1)的起动电动机(91，126)的状态，其特征在于所述至少一个测量器在至少一个检测循环中，在确定的工作点，在对所述起动电动机(91，126)供电的电池上分别执行电流测量和电压测量，以及其中所述评估模块(131)由此确定所述电刷-换向器装置(1)的电阻。
10.按照权利要求9所述的装置，其特征在于，所述至少一个测量器为电池传感器。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定起动电动机(126)状态的方法，该起动电动机包括电刷-换向器装置，在该电刷-换向器装置中在至少一个检测循环中，在确定的工作点(51，53)在对所述起动电动机供电的电池上分别执行电流测量和电压测量，并由此确定所述电刷-换向器装置的电阻。
文档编号G01R27/08GK102401860SQ20111027476
公开日2012年4月4日 申请日期2011年9月9日 优先权日2010年9月9日
发明者F·森格布施, M·克维克, M·巴耶尔, R·皮尔施, S·哈特曼 申请人:罗伯特·博世有限公司