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Technisches
Gebiet
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Die
Strom- und Spannungsversorgung innerhalb des Kraftfahrzeuges ist
immer weiter in den Mittelpunkt bei Kraftfahrzeugentwicklungen gerückt. Aufgrund
der vielfältigen
Entwicklungen im Aktuatoren-, Steuergeräte-, und Sensorikbereich sind
die Anforderungen an das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges stetig gestiegen
und wachsen weiterhin. Die elektrische Energie im Kraftfahrzeug
muss so verfügbar
sein, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und
während
des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung gewährleistet
ist. Im abgestellten Zustand sollen die elektrischen Verbraucher noch
angemessene Zeit betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start
des Kraftfahrzeuges unmöglich
wird.
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Aus
DE 196 28 223 A1 ist
eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug bekannt.
Die Vorrichtung umfasst wenigstens einen Generator, der mit einem
Bordnetzsteuergerät
in Verbindung steht, welches eine Vielzahl von Anschlüssen aufweist. Über diese
sind wenigstens zwei Batterien sowie die elektrischen Verbraucher
miteinander verbindbar, wobei eine der Batterien dem Starter zugeordnet
ist. Wenigstens ein Generator kann ungeregelt betrieben werden und
liefert eine drehzahlabhängige
Ausgangsspannung, die einer Leistungselektronik zugeführt wird
und dort gleichgerichtet wird. Die Ansteuerung der Leistungselektronik
wird vom Bordnetzsteuergerät
durchgeführt.
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Naturgemäß hat die
Vielzahl von elektrischen Verbrauchern im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs
unterschiedliche Einschaltdauern. Im Allgemeinen wird zwischen Dauerverbrauchern,
wie zum Beispiel der Zündanlage
und der Einspritzanlage, Langzeitverbrauchern wie der Beleuchtung
und Kurzzeitverbrauchern, wie zum Beispiel Bremslicht oder Blinklicht
unterschieden. Ein Airbag-Steuergerät stellt gemäß dieser
Qualifikation ebenfalls ei nen Dauerverbraucher dar, welcher im Falle
eines Unfalls jedoch kurzzeitig eine sehr hohe Leistungsabgabe aus
der Energiereserve benötigt,
um die Vielzahl von Rückhaltemitteln
innerhalb der vorgegebenen Zeit sicher und rechtzeitig aktivieren
zu können.
Die zunehmende Verknüpfung
von aktiver und passiver Sicherheit erfordert neben der Bereitstellung
der Sensorik und Algorithmik auch die nötigen Energiereserven, um in
entsprechenden Situationen Maßnahmen
zum Schutz der Fahrzeuginsassen zu ergreifen.
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Zukünftige Entwicklungen
sehen neben dem Insassenschutz auch den Schutz für Fußgänger vor. Da die Anforderungen
bezüglich
der Reaktionen innerhalb weniger Millisekunden erfolgen müssen, werden
somit sehr hohe Energien benötigt,
um zum Beispiel eine Motorhaube eines Kraftfahrzeuges innerhalb
eines Zeitraumes von 40 ms um ca. 10 cm nach oben zu stellen. Weitere
leistungsintensive Energieverbraucher passiver Insassenschutzsysteme sind
elektromagnetisch betätigte Überrollschutzeinrichtungen
sowie adaptive Kopfstützen,
mit deren Hilfe Schleudertraumata vermieden werden.
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Die
derzeit bei Kraftfahrzeugen mit 12 Volt-Bordnetz eingesetzte Batterie
stellt einen Kompromiss zwischen den Anforderungen hinsichtlich des
Startvorganges und der Spannungsversorgung während des Betriebs dar. Da
während
des Startvorgangs die Batterie mit hohen Strömen zwischen 300 A bis 500
A belastet wird, kann es während
des Starts zu Spannungseinbrüchen
im Bordnetz kommen, welche sich nachteilig für bestimmte Verbraucher auswirken
können.
Neben dem Einsatz von einer Batterie gehen einige Hersteller dazu über, eine Zweitbatterie
in das Fahrzeug einzubauen, um die hohe Anzahl an Steuergeräten mit
Spannung zu versorgen, vgl. auch
DE 196 28 223 A1 . Dabei wird zwischen Startspeicher-
und Versorgungsbatterie unterschieden. Jedoch verursacht diese Lösung neben zusätzlichem
Einbauraum für
die zweite Batterie und des Gewichtes derselben wenn auch einen
geringen, aber erhöhten
Kraftstoffverbrauch.
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Eine
mögliche
Alternative stellt die Erhöhung der
Bordspannungsversorgung von 12 Volt auf 42 Volt dar, jedoch ist
dies bisher in der Umsetzung gescheitert, da sämtliche Steuergeräte, die
im Kraftfahrzeug eingebaut werden, auf die höhere Bordnetzspannung von 42
Volt anzupassen wären.
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Andere
alternative Energien, wie zum Beispiel der Brennstoffzellenantrieb,
sind gegenwärtig
in der Entwicklung, stehen jedoch innerhalb kurzer Zeit nicht zur
Verfügung
und sind relativ teuer.
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Eine
mögliche
Abhilfe zur kurzfristigen Spannungsversorgung mit hoher Leistungsabgabe
von elektronischen Geräten
innerhalb eines Kraftfahrzeuges während des Betriebes stellt die
zentrale Versorgung durch Kondensatoren dar, die nach dem Start des
Kraftfahrzeuges aufgeladen werden und während der Fahrt für eine Versorgung
von elektrischen Verbrauchern zur Verfügung stünden. Es existieren Lösungen,
die u.a. einen Einsatz zum Starten des Fahrzeugs sowie zur Vorheizung
des Abgaskatalysators vorsehen.
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Die
Zündung
von sicherheitsrelevanten Einrichtungen, wie zum Beispiel der Gurtstraffersysteme,
der Auslösung
für die
Airbags oder das Auslösen von
Fußgängerschutzsystemen – wie oben
skizziert – erfordert
sehr hohe Ströme
in sehr kurzer Zeit, was von der derzeit im Fahrzeug eingebauten
Batterie nicht geleistet werden kann. Außerdem ist sicherzustellen,
dass die Energiereserve gerade bei einem Unfall zuverlässig funktioniert,
was bei einer Fahrzeugbatterie, abhängig von deren Einbauort, nicht gewährleistet
ist. Derzeit werden die für
die sicherheitsrelevanten Systeme erforderlichen Steuergeräte dezentral
mit großen
Kondensatoren ausgerüstet, die
viel Platz auf den jeweiligen Leiterplatten benötigen und somit das Volumen
der jeweiligen elektronischen Steuergeräte erheblich vergrößern. Dies
wirkt sich negativ auf die Kosten der einzelnen Steuergeräte aus.
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Darstellung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
eine Spannungsversorgung für
elektrische Verbraucher durch eine zentrale kapazitive Energieversorgung darzustellen.
Diese Lösung
ist mit erheblichen Vorteilen verbunden. Neben der Platz- und Gewichtseinsparung
für eine
zusätzliche
Zweitbatterie, die im Kraftfahrzeug unterzubringen wäre, ist
die Verwendung von Kapazitäten
wie zum Beispiel Kondensatoren einerseits im Anschaffungspreis und
andererseits in der Wartung sehr günstig und spart damit Kosten zur
Sicherstellung der Spannungsversorgung. Als Kapazitäten können zum
Beispiel UltraCap Doppelschicht-Kondensatoren
eingesetzt werden. UltraCap Doppelschicht-Kondensatoren weisen eine
sehr hohe Lebensdauer von mindestens 10 Jahren auf und können bis
zu 500.000 mal aufgeladen und wieder entladen werden, ohne dass
sie zwischenzeitlich einer Wartung bedürften.
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Ein
weiterer Vorteil des Einsatzes von Kapazitäten, zum Beispiel Kondensatoren,
ist darin zu erblicken, dass mit diesen eine kurzzeitige Bereitstellung
hoher elektrischer Energien innerhalb kürzester Zeit realisiert werden
kann, die für
bestimmte Verbraucher erforderlich ist. Hohe Ströme in kurzer Zeit werden z.B.
zum Ansteuern von aktiven und passiven Sicherheitssystemen – wie obenstehend
aufgezählt – benötigt. Insbesondere
im Bereich der passiven Sicherheit eines Kraftfahrzeuges können die
Kapazitäten
zum Ansteuern von Aktuatoren dienen, da an diesen große Energiereserven
zum Zünden
von Airbags oder ande ren Rückhaltemitteln,
wie zum Beispiel Gurtstraffern oder Fußgänger- und Überrollschutzeinrichtungen
oder adaptive Kopfstützen,
benötigt
werden. Wird eine kapazitive zentrale Energiereserve eingesetzt,
kann diese elektrische Energie an die einzelnen Steuergeräte verteilen,
so dass in den einzelnen Steuergeräten Platz durch Entfall der Kapazitäten eingespart
werden kann und die Leiterplatten kleiner dimensioniert werden können, wodurch
sich die Gesamtkosten eines Systems mit zentraler kapazitiver Energieversorgung
innerhalb eines Kraftfahrzeuges erheblich absenken lassen. Im "normalen" Fahrbetrieb ist
es ebenfalls möglich,
dass alle elektrischen Verbraucher beziehungsweise Steuergeräte auf die
innerhalb der zentralen kapazitiven Energieversorgung im Kraftfahrzeug
zusammengeschalteten Kapazitäten
in Form von Kondensatoren zugreifen können.
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Die
Realisierung eines derartigen Konzeptes kann so gestaltet sein,
dass mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren, zum Beispiel die
oben erwähnten
UltraCap Kondensatoren, auf dem Fahrzeugtunnel eingebaut sind. Damit
sind diese ausreichend weit vom Motorraum entfernt. Nach dem Startvorgang
des Kraftfahrzeuges werden die Kondensatoren innerhalb des ersten
Abschnittes der Fahrstrecke aufgeladen und stehen somit hinsichtlich
der in diesen gespeicherten Energie den Verbrauchern im Bordnetz
eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung.
Gesteuert über
ein Energiemanagementsystem für
das Bordnetz, welches von einem zentralen Steuergerät aus geregelt
werden kann, können
verschiedene elektrische Verbraucher auf diese Kapazitäten zugreifen.
Es ist sichergestellt, dass innerhalb der zentralen kapazitiven
Energieversorgung stets genügend
Energie vorhanden ist, um größere Stromverbraucher,
wie zum Beispiel passive Rückhaltesysteme
wie die erwähnten
Airbags beziehungsweise Gurtstraffer, Fußgänger- und Überrollschutzeinrichtungen
sowie adaptive Kopfstützen,
innerhalb kürzester
Zeit zu bedienen. Wird die vorgegebene Mindestenergie des zentralen
kapazitiven Energieversorgungssystems während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs
unterschritten, wird durch das zentrale Steuergerät ein Nachladen
der innerhalb der zentralen kapazitiven Energieversorgung zusammengeschalteten
Kondensatoren veranlasst, damit eine ausreichende Energieversorgung,
insbesondere der passiven Insassenschutzsysteme im Falle eines Unfalls
des Kraftfahrzeuges gewährleistet
bleibt.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Die
einzige Figur zeigt einen schematisch wiedergegebenen Aufbau eines
Kraftfahrzeug-Bordnetzes.
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Ausführungsvarianten
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Der
Darstellung gemäß 1 ist
Bordnetz 1 zur elektrischen Spannungsversorgung von Verbrauchern
zu entnehmen.
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Das
elektrische Bordnetz 1 umfasst eine Vielzahl von elektrischen
Verbrauchern mit unterschiedlichen Einschaltdauern. In das elektrische Bordnetz
sind Dauerverbraucher, wie zum Beispiel die Zündanlage einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine,
die Insassenschutzelektronik sowie das Kraftstoffeinspritzsystem
eingebunden. Ferner sind im elektrischen Bordnetz 1 eines
Kraftfahrzeuges Langzeitverbraucher, wie zum Beispiel die Beleuchtung
sowie Kurzzeitverbraucher, wie Bremslicht, Blinklicht und der in
der Figur angedeutete Scheibenwischer 7 eingebunden. Daneben
werden über
das elektrische Bordnetz 1 Insassenschutzaktuatoren 6,
so zum Beispiel Gurtstraffer und Airbags versorgt. Zur Aktivierung
der aktiven und passiven Insassenschutzsysteme – in der Zeichnung stellvertretend
durch das Rückhaltesystem 6 angedeutet – sind innerhalb
einer kurzen Zeitspanne von nur wenigen Millisekunden hohe elektrische
Energien erforderlich.
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Neben
dem in der Zeichnung angedeuteten elektrischen Kurzzeitverbraucher 7 in
Gestalt eines Scheibenwischersystems umfasst das elektrische Bordnetz 1 eine
Vielzahl N weiterer Verbraucher, wie in der Zeichnung angedeutet,
aber nicht eingehender dargestellt!
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Das
elektrische Bordnetz 1 umfasst ein Energiemanagementsystem 4,
an welches eine Vielzahl von Kapazitäten 2, 3,
.....n angeschlossen sind. Bei diesen Kapazitäten 2, 3,
....n handelt es sich bevorzugt um UltraCap Doppelschicht-Kondensatoren,
die sich durch eine sehr hohe Lebensdauer von ca. 10 Jahren auszeichnen.
UltraCap Doppelschicht-Kondensatoren
können
bis zu 500.000 mal aufgeladen und wieder entladen werden, ohne dass
eine Wartung erforderlich wäre.
Derartige Kapazitäten
können zum
Beispiel im Motorraum oder im Fahrzeugtunnel untergebracht werden.
Die Vielzahl von Kapazitäten 2, 3,
...n werden bevorzugt auf der Leiterplatte eines Energiemanagementgerätes des
Energiemanagementsystems 4 untergebracht. Das Energiemanagementsystem 4 wiederum
tritt bevorzugt im Tunnelbereich des Fahrgastraumes angeordnet auf.
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Die
Kapazitäten 2, 3,
....n können
zum Beispiel als in Reihe geschaltete UltraCap Doppelschicht-Kondensatoren
ausgebildet sein und nach dem Startvorgang des Fahrzeugs innerhalb
der ersten Meter Fahrstrecke aufgeladen werden. Damit wohnt den
im Motorraum beziehungsweise auf dem Fahrzeugtunnel untergebrachten
Kapazitäten 2, 3, .....n
ein definierter, durch entsprechende Auslegung bedingter, sehr hoher
Energiegehalt inne, der in das Bordnetz 1 des Kraftfahrzeuges
abgegeben werden kann.
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Die
Abgabe der in den Kapazitäten 2, 3,
....n enthaltenen elektrischen Energie in das Bordnetz 1 des
Kraftfahrzeuges kann einerseits an die Verbraucher 7, ....N
erfolgen, wobei es sich um Dauerverbraucher, wie zum Beispiel Zündung und
Einspritzung, Rückhaltesystemelektronik,
Langzeitverbraucher, zum Beispiel Beleuchtung und Kurzzeitverbraucher,
zum Beispiel Bremslicht, Blinklicht, Scheibenwischer 7 oder
Fensterheber oder dergleichen handeln kann.
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Den
Kapazitäten 2, 3,
....n wohnt als weiterer Vorteil inne, dass durch diese eine kurzzeitige
Bereitstellung von hoher Energie innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne
erfolgen kann. Dies ist zum Ansteuern von aktiven und passiven Sicherheitssystemen, wie
zum Beispiel dem in der Zeichnung dargestellten Rückhaltesystem 6 erforderlich. Über das
elektrische Energiemanagementsystem 4 des Bordnetzes 1 kann
die in den Kapazitäten 2, 3,
....n gespeicherte elektrische Energie sowohl den Verbrauchern 7,
....N zugeführt
werden, als auch den passiven und aktiven Insassenschutzsystemen 6 im
Falle eines Unfalles. Das Energiemanagementsystem 4 überwacht
die Kapazitäten 2, 3,
....n dahingehend, dass deren gespeicherte elektrische Energie die
Energiemenge nicht unterschreitet, die im Falle eines Unfalles zum Auslösen von
Steuergeräten
für passive
und aktive Sicherheitssysteme 6 erforderlich ist. Übersteigt
die Entnahme von elektrischer Energie aus den Kapazitäten 2, 3,
....n die kritische Untergrenze, so werden die Kapazitäten 2, 3,
....n wieder über
das Bordnetz 1 vom Generator der Verbrennungskraftmaschine
aufgeladen. Durch das Energiemanagementsystem 4 ist sichergestellt,
dass die Kapazitäten 2, 3,
....n unter allen Umständen
eine Energiespeicherreserve bereitstellen, die im Falle eines Unfalles
zum Auslösen
von passiven oder aktiven Insassenschutzsystemen 6 ausreicht.
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Die
Ausgangsspannung, die durch das Energiemanagementsystem 4 des
Bordnetzes 1 zur Verfügung
gestellt wird, kann auf einzelne Steuergeräte verteilt werden, so dass
Bauraum sowohl in den einzelnen Steuergeräten, als auch auf deren Leiterplatinen
eingespart werden kann, wodurch die Gesamtkosten der zentralen,
kapazitiven Energieversorgung abgesenkt werden können.
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Der
erfindungsgemäßen Lösung folgend kann
durch die Implementierung einer zentralen kapazitiven Energieversorgung
im Bordnetz 1 eines Kraftfahrzeuges der Verzicht auf eine
zweite Fahrzeugbatterie erfolgen. Ferner bietet der Einsatz von Kapazitäten 2, 3,
...n die Möglichkeit,
die zentrale kapazitive Energiereserve eines Kraftfahrzeuges so
zu erhöhen,
so dass auch in Zukunft zu erwartende Fußgängerschutzsysteme binnen kürzester
Auslösezeiten
aktiviert werden können.
Dies ist abhängig
von der Kapazität
der einzelnen Kondensatorbauelemente, bei denen es sich bevorzugt
um UltraCap Doppelschicht-Kondensatoren handelt, die die höchste Leistungsdichte
und die größten Kapazitätswerte
heute verfügbarer
kapazitiver Energiespeicher darstellen. Zur Sicherstellung der vollen
Funktionsfähigkeit
der aktiven und passiven Insassenschutzsysteme, wie zum Beispiel
Gurtstraffer bei Rückhaltesystemen 6, Seiten-Airbags,
Lenkrad-Airbags oder Knie-Airbags und dergleichen mehr, sind die
Steuergeräte
dieser passiven beziehungsweise aktiven Insassenschutzsysteme stets
mit den Kapazitäten 2, 3,
....n verbunden, so dass bei einem Spannungseinbruch im Bordnetz,
der während
eines Unfalls auftreten kann, das Auslösen der aktiven und passiven
Insassenschutzsysteme 6 gewährleistet ist. Über das
Energiemanagementsystem 4 des Bordnetzes 1 ist
andererseits wiederum stets sichergestellt, dass die Kapazitäten 2, 3,
....n auf einen Energieinhalt aufgeladen sind, der das Auslösen der
aktiven und passiven Insassenschutzsysteme 6 ermöglicht.
Das stete Nachladen der Kapazitäten 2, 3,
....n, welches über
das Energiemanagementsystem 4 gewährleistet wird, erlaubt eine
Doppelfunktion der innerhalb der zentralen kapazitiven Energieversorgung
vorgehaltenen Kapazitäten 2, 3,
....n. Es wird einerseits die Abgabe von elektrischer Energie in
das Bordnetz 1 an Kurzzeitverbraucher ermöglicht,
was zur Deckung von Energiespitzen durchaus wünschenswert ist und andererseits
das Absinken des Energieinhaltes der Kapazitäten 2, 3,
....n unter einen zur Auslösung
aktiver und passiver Insassenschutzsysteme 6 erforderlichen Mindestenergiewert
verhindert.
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- 1
- Bordnetz
- 2
- erste
Kapazität
- 3
- zweite
Kapazität
- n
- n-te
Kapazität
- 4
- Energiemanagementsystem
- 5
- Ausgangsspannung
UOut
- 6
- Rückhaltesystem
- 7
- Scheibenwischer
- N
- weitere
Verbraucher im Bordnetz 1