起动器系统和方法
【专利说明】起动器系统和方法
[0001]要求相关申请的优先权
[0002]本申请要求在2013年3月18日提交的、申请号为61/802，969且发明名称为“起动器系统和方法(STARTER SYSTEM AND METHOD) ”的美国临时专利申请以及在2014年I月24日提交的、申请号为14/163，336且发明名称为“起动器系统和方法(STARTER SYSTEM ANDMETHOD) ”的美国专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用而明确地并入本文。
技术领域
[0003]本公开涉及一种发动机起动器系统，并且更加特别地涉及控制该系统中的起动器的操作。
【背景技术】
[0004]诸如起动器这样的电机在车辆操作中发挥着重要作用。典型的车辆包括常规的起动器系统，所述常规的起动器系统在车辆驾驶员闭合点火开关时起动车辆发动机，然后，所述车辆发动机在起动后持续运转，直到驾驶员通过操纵点火开关而手动停止其操作为止。在现代车辆中，具有起动器系统的车辆变得越来越常见，所述起动器系统能够有助于在驾驶车辆时频繁地进行发动机的起动和停止操作，从而避免或者缩短发动机的怠速时段，并且这样的操作要求起动器在冷和暖的发动机起动条件下都以高效操作。而且，这样的起动器系统依赖于控制系统，而非仅依赖于由驾驶员操纵的点火开关，以便通常响应车况和/或驾驶员输入来致动和停用起动器。频繁的发动机停止-起动操作指令要求起动器系统和部件更加快速和有效地发挥作用，以便增强可靠性、降低能耗并且增强驾驶体验。
[0005]实施现有的能够频繁地进行停止-起动操作的起动器系统通常要求比在具有常规起动器系统的车辆中所设置的控制电子器件和传感器明显增多的控制电子器件和传感器。这样的系统例如采用闭环控制系统，所述闭环控制系统依赖于指示起动器电机或者小齿轮的位置或转速的反馈，所述反馈通过仅为此目的而加入到起动器系统中的至少一个另外的专用传感器而获得。而且，这样的现有系统通常包含有在专用模块中的起动器控制电子器件，所述起动器控制电子器件适于接收来自另外的一个或多个起动器速度/位置传感器的一个或多个反馈信号，这使得封装车辆的电子器件显著地复杂化，并且增加了系统部件的复杂度。
[0006]能够有助于频繁地进行发动机的停止-起动操作以便提供上述优点、并且使得所使用的起动器控制电子器件和模块最小化且不需要比通常设置在采用常规起动器系统的车辆中的传感器更多的额外传感器的起动器系统将在相关领域中提供所需的进步。
【发明内容】
[0007]根据本公开的起动器系统构造并布置成使起动器与发动机准确地接合，同时还减少了起动器电机的能耗，并且增强驾驶体验。根据本公开的起动器系统在相对较高的起动器转矩要求下以低起动器转速在冷起动期间表现良好，并且在低起动器转矩要求下以高起动器转速在暖起动期间表现良好。结合这些操作参数，根据本公开的一些实施例构造并布置成用以允许起动器与车辆发动机更好地接合，所述车辆发动机在接合的时候可以不停机。
[0008]根据本公开的一些实施例提供了一种起动器系统，所述起动器系统包括起动器，所述起动器具有螺线管组件，所述螺线管组件具有:柱塞；电机，所述电机联接到小齿轮，所述小齿轮联接到螺线管柱塞；以及电子控制单元(ECU)，所述电子控制单元操作性地控制起动器螺线管和电机。
[0009]用于根据本公开的起动器系统的ECU能够接收来自一个或多个传感器的数据，并且使用一种或者多种算法来计算各种起动器系统的控制参数。用于根据本公开的起动器系统的ECU通常可以容置在电子控制单元中，所述电子控制单元包含用于控制现代车辆(甚至是仅采用常规起动器系统的车辆)中的典型发动机操作功能的电路。有利地，这种起动器系统不需要另外的专用传感器来从起动器获得关于起动器小齿轮或电机的转速或位置的反馈；起动器系统有助于以开环的方式确定起动器小齿轮的转速，并且不需要依赖于用以感测起动器电机或者小齿轮的位置或转速的闭环反馈的控制机制。
[0010]另外，相对于现有的起动器系统，根据本公开的起动器系统简化了促进发动机停止-起动操作的功能，并且在没有使得现有车辆/发动机的电子控制架构明显复杂化或者没有增加起动器系统部件的复杂性的前提下做到了这一点。在一些实施例中，起动器系统能够相应地操控系统中的一个或多个部件(包括起动器自身)的操作特征。例如，起动器系统能够控制起动器电机和/或起动器的螺线管柱塞的转速。在一些实施例中，系统还能够控制起动器小齿轮与发动机环形齿轮的啮合，以便实现起动器小齿轮与发动机环形齿轮之间的顺畅的、基本同步的啮合。
[0011]作为第一方面，本公开提供了一种用于控制发动机起动器系统的方法。所述方法包括:提供电子控制单元，所述电子控制单元具有发动机转速输入和至少一个输出；提供起动器，所述起动器能够由电子控制单元控制并且具有电机和小齿轮，所述电机和小齿轮联接在一起以用于当电机被致动时将旋转转矩从电机传递到小齿轮；响应于发动机转速输入信号而由电子控制单元输出的电机信号控制电机的致动；仅基于从致动电机开始所经历的时间和施加到电机的电压而由电子控制单元以开环方式确定小齿轮的转速；以及响应于电子控制单元输出的小齿轮信号选择性地使小齿轮在收回状态和伸展状态之间运动，由此起动器能够选择性地接合发动机，以用于起动发动机。
[0012]作为第二方面，在上述方法中，电子控制单元输出的电机信号和电子控制单元输出的小齿轮信号是从电子控制单元各自输出的单独信号。
[0013]作为第三方面，在该方法中，基本同时地从电子控制单元输出电子控制单元输出的电机信号和电子控制单元输出的小齿轮信号。
[0014]作为第四方面，在上述方法中，电子控制单元输出的电机信号和电子控制单元输出的小齿轮信号限定从电子控制单元输出的单一信号。
[0015]作为第五方面，在上述方法中，由电子控制单元确定的小齿轮的转速能够基于从致动电机开始所经历的时间和施加到电机的电压而表达为显式封闭方程。
[0016]作为第六方面，在该方法中，所述显式封闭方程是四次方程。
[0017]作为第七方面，在上述方法中，在由电子控制单元确定小齿轮的转速的过程中，施加到电机的电压基本是电池电压。
[0018]作为第八方面，在上述方法中，在由电子控制单元确定小齿轮的转速的过程中，施加到电机的电压被假设为恒定值。
[0019]作为第九方面，在上述方法中，小齿轮的转速是从致动电机开始已经历标定的时间段之后的假设的预定转速。
[0020]作为第十方面，在上述方法中，至少部分地根据实际施加的电机电压的函数来确定小齿轮的转速。
[0021]作为第十一方面，上述方法包括计算所确定的小齿轮的转速和发动机转速输入之间的差。
[0022]作为第十二方面，在该方法中，如果所确定的小齿轮的转速小于发动机转速输入，则保持施加到电机的电压。
[0023]作为第十三方面，在该方法中，如果所确定的小齿轮的转速至少为发动机转速输入，则小齿轮能够与发动机环形齿轮相啮合。
[0024]作为第十四方面，本公开还提供了一种用于起动发动机的起动器系统。所述起动器系统包括起动器，所述起动器具有联接在一起的电机和小齿轮，并且来自电机的旋转转矩能够传递到小齿轮。所述系统还包括电子控制单元，所述电子控制单元具有发动机转速输入和至少一个输出。电机适用于响应从电子控制单元输出的电机信号而在电子控制单元的控制下被致动，并且小齿轮适用于响应从电子控制单元输出的小齿轮信号而在收回状态和伸展状态之间轴向运动。起动器能够在小齿轮的伸展状态中接合并起动发动机，电子控制单元能够仅基于从致动电机开始所经历的时间和施加到电机的电压而以开环的方式确定小齿轮的转速。
[0025]作为第十五方面，在上述起动器系统中，电子控制单元适于至少部分地根据基本为电池电压的、施加到电机的电压的函数来确定小齿轮的转速。
[0026]作为第十六方面，在上述起动器系统中，电子控制单元适于至少部分地根据被假设为恒定值的、施加到电机的电压的函数来确定小齿轮的转速。
[0027]作为第十七方面，在上述起动器系统中，电子控制单元适于根据由电子控制单元在所确定的小齿轮的转速和发动机转速输入之间进行的比较来调节小齿轮的转速。
[0028]作为第十八方面，在上述起动器系统中，电子控制单元具有:电机输出，根据所述电机输出而从电子控制单兀输出电机信号；以及单独的小齿轮输出，根据所述小齿轮输出而从电子控制单元输出小齿轮信号。
[0029]作为第十九方面，在该起动器系统中，电子控制单元能够基本同时地根据电机输出而输出电机信号并且根据小齿轮输出而输出小齿轮信号。
[0030]作为第二十方面，在上述起动器系统中，电子控制单元的输出是单一输出，根据所述单一输出而输出单一的电机信号和小齿轮信号。
【附图说明】
[0031]结合附图，通过参照以下对示范性实施例的描述，根据本公开的设备和/或方法的上述方面以及其它的特征和优点将变得更加显而易见并且能够更好地理解，在附图中:
[0032]图1是根据本公开的第一实施例的起动器系统的简图；
[0033]图2A是在图1的系统中所用的第一实施例的起动器的剖视图；
[0034]图2B是在图4中所用的第二实施例的起动器的局部视图，示出了其中的螺线管组件的横截面；
[0035]图3是表示根据起动器系统和由此公开的方法的实施例在发动机重新起动期间的发动机环形齿轮和起动器小齿轮的转速随时间变化的第一曲线图；
[0036]图4是根据本公开的第二实施例的起动器系统的简图；
[0037]图5A和5B (在此统称为图5)示出了根据本公开的起动器系统的控制过程的过程步骤的流程图；
[0038]图6是示出了根据起动器系统和由此公开的方法的实施例在发动机重新起动期间的发动机环形齿轮和起动器小齿轮的转速、以及起动器电机和起动器螺线管开关的状态随时间变化的第二曲线图；
[0039]图7是示出了根据起动器系统和由此公开的方法的实施例在发动机重新起动期间的发动机环形齿轮和起动器小齿轮的转速、以及起动器电机和起动器螺线管开关的状态随时间变化的第三曲线图；
[0040]图8是示出了根据起动器系统和由此公开的方法的实施例在发动机重新起动期间的发动机环形齿轮和起动器小齿轮的转速、以及起动器电机和起动器螺线管开关的状态随时间变化的第四曲线图；
[0041]图9是在起动器电机自由加速期间的起动器小齿轮的转速随时间变化的曲线图；
[0042]图10是在起动器电机减速期间的起动器小齿轮的转速随时间变化的曲线图；
[0043]图11是在起动器电机加速期间将根据本公开计算的起动器小齿轮的转速叠加在起动器小齿轮的测量转速随时间变化的曲线图上而得到的曲线图；
[0044]图12是在以10VU1V和12V操作的起动器电机的自由加速期间的起动器小齿轮的转速随时间变化的曲线图；以及
[0045]图13是在起动器电机的自由加速期间起动器小齿轮的转速在三个连续循环上随时间变化的曲线图，示出了温度对起动器电机加速的影响。
[0046]在各视图中，对应的附图标记表示对应的部件。尽管附图给出了所公开的设备和方法的实施例，但附图不一定是按照比例绘制或者具有相同的比例，并且某些特征可以放大或省略，以用于更好地图解并且解释本公开。此外，在示出了剖视图的附图中，为了清楚起见，可以各剖视元件的交叉影线。应当理解的是，交叉