DE102006043907A1

DE102006043907A1 - Elektrisches Versorgungssystem für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102006043907A1
Application number: DE102006043907A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Daalmans
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Üblicherweise haben Kraftfahrzeuge einen Akkumulator (Batterie), der über eine Lichtmaschine durch den Antrieb des Verbrennungsmotors aufladbar ist. Gemäß der Erfindung ist neben dem Akkumulator (20), der durch eine Lichtmaschine bzw. Generatorantrieb geladen wird, zusätzlich ein elektrischer Thermogenerator (1) vorhanden, der aus dem Verbrennungsprozess des Verbrennungsmotors (11) anfallende Wärme zumindest zum Teil in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie wird in geeigneter Weise gespeichert und damit zur Versorgung bestimmter Lastaggregate (5) verwendet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Versorgungssystem für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, bei dem ein Akkumulator vorhanden ist, der über eine Lichtmaschine durch den Antrieb des Verbrennungsmotors aufladbar ist.
Die elektrische Versorgung von elektrischen bzw. elektronischen Aggregaten in Fahrzeugen wird aufgrund der ständigen Zunahme derartiger Aggregate immer wichtiger. Üblicherweise wird bisher die elektrische Versorgung eines Fahrzeuges aus einem Akku gespeist, der über die Lichtmaschine während der Fahrt aufgeladen wird, womit der Antrieb des Verbrennungsmotors als Generator dient.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes elektrisches Versorgungssystem für Kraftfahrzeuge anzugeben.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektrisches Versorgungssystem, bei dem ein vorhandenes elektrisches System wie beim Stand der Technik gehandhabt wird, aber diesem System ein zweites elektrisches System hinzugefügt ist. Das zweite elektrische System verwendet einen Thermogenerator, der die Abwärme aus dem Verbrennungsprozess zumindest zum Teil in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie wird vorteilhafterweise in einem elektrischen Speicher gespeichert und kann über einen DC/DC-Wandler auf die erforderlichen Spannungspegel transformiert werden.
Bei der Erfindung kann der Speicher ein Flüssig-/Elektrolyt-Speicher – wie übliche Akkumulatoren – sein; er kann jedoch auch als Trocken-Elektrolyt-Speicher ausgebildet sein. Daneben können Doppelschichtkondensator-basierte Speicher, sog. SUPERCaps, eingesetzt werden.
Die Wahl des Speichers hängt erfindungsgemäß davon ab, wie viele zusätzliche Aggregate im Kraftfahrzeug gespeist werden müssen, wie schnell der Lastwechsel zu erfolgen hat und wie groß das Gewicht des Speichers ist.
Bei der Erfindung ist wesentlich, dass der Speicher absolut zuverlässig und wartungsfrei ist. Insbesondere kann der Speicher einen Funktransmitter als Sender versorgen, der in der Lage ist, Funksensoren elektrisch zu versorgen und auszulesen. Dafür sind insbesondere RFID-Tags mit Speicherelementen vorgesehen.
Unabhängig von letzterer vorteilhafter Anwendung versorgt der Speicher auch verdrahtete Aggregate. Solche Aggregate sind vorzugsweise Aggregate geringer Verlustleistung, wie z. B. Sensoren. Insbesondere, wenn solche Sensoren berührungslos abtragbar sind und im Rahmen der RFID-Technologie Funktransmitter verwendet werden, lässt sich das zusätzliche Versorgungssystem vorteilhaft einsetzen.
Weiterhin ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Versorgungssystems die Funktion eines Notaggregates vorgesehen, das automatisch in Wirkung tritt, sofern das vorhandene Versorgungssystem versagt. Beispielsweise ist dabei die Warnblinkanlage bzw. die Fahrzeugabsicherung und/oder Notalarmabsicherung zu versorgen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Patentansprüchen. Die einzige Figur zeigt einen thermogeneratorgetriebenes elektrisches Zusatzversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug.
In der Figur ist ein Kraftfahrzeug (KFZ) mit 10 bezeichnet. Das Kraftfahrzeug 10 enthält einen Verbrennungsmotor 11, von dem ein Abgasstrang 12 mit einem Schalldämpfer 13 und einem Auspuff 14 nach außen führt.
Weiterhin ist ein Kühler 15 in bekannter Weise für den Verbrennungsmotor 11 vorhanden und ist in der schematischen Darstellung des Chassis des Kraftfahrzeugs ein Akkumulator 20, insbesondere eine Starterbatterie, vorhanden.
Als elektrisches Zusatzversorgungssystem für das KFZ 10 gemäß 1 ist ein thermoelektrischer Generator 1 vorhanden, der nach bekanntem physikalischem Prinzip arbeitet. Der thermoelektrische Generator nutzt die Temperaturdifferenz vom Ausgang des Motor1 11 und dem Kühler 15 aus, wozu entsprechende Elemente in thermischer Verbindung mit diesen Aggregaten stehen und die Temperaturdifferenz in den Generator 1 leiten.
Als Thermogenerator 1 wird beispielsweise eine Anordnung verwendet, wie sie in der nichtvorveröffentlichten, älteren deutschen Patentanmeldung 10 2006 040 853 der Anmelderin beschrieben ist. Gegebenenfalls kann ein spezifischer Thermogenerator entwickelt werden, der für die Temperaturdifferenz von Motorausgang und Kühler geeignet ist.
Der Thermogenerator 1 besteht aus Keramik und ist damit widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen. Der Thermogenerator 1 muss mechanisch robuste Eigenschaften haben und eine federnde Aufhängung im KFZ 10, haben, damit Vibrationen durch Unebenheiten der Fahrbahn nicht zerstörend wirken. Der Thermogenerator 1 hat langzeitstabile und umweltverträgliche Eigenschaften durch die Wahl geeigneter Materialien (Platin). Insbesondere besitzt er eine große Wirkfläche durch die Anwendung poröser Materialschichten
Die Energie des Thermogenerators 1 wird in einem Speicher 2 gespeichert. Dazu kann die Ausgangsspannung des Thermogenera tors angepasst sein an den Spannungspegel der Verbraucher im KFZ 10.
Der Speicher 3 kann als elektrochemischer Speicher ausgeführt sein. Es kann aber auch als Kondensator mit in der Figur nicht dargestellten Doppelschichtkondensatoren (SuperCap) ausgeführt sein. Vorteilhaft ist der Speicher 3 ausgeführt mit kapazitiven und elektrochemischen Anteilen, da die kapazitiven Anteile sehr schnell relativ geringe Energiemengen abgeben können. Dagegen sind die elektrochemischen Anteile langsamer, wobei sie viel mehr Energie speichern können.
Der elektrochemische Anteil des Speichers 2 kann als flüssiger Elektrolyt-Speicher (übliche Autoakku) oder als trockener Elektrolyt-Speicher (Lithium-Ionen bzw. Lithium-Polymer-Speicher) ausgestaltet sein.
In der Figur ist dem thermoelektrischen Generator 1 bzw. dem Speicher 2 ein DC/DC-Wandler 3 nachgeschaltet, der zum Hochtransformieren der Spannung auf einen geeigneten Spannungspegel dient. Dieser Spannungspegel entspricht üblicherweise der Spannung des vorhandenen Bleiakkumulators.
DC/DC-Wandler für den Gebrauch bei elektrochemischen Akkumulatoren, die eine elektrochemisch klar definierte Spannung umwandeln in eine Verbraucherspannung, sind bekannt und entsprechen dem jetzt verfügbaren Stand der Technik. DC/DC-Wandler für den Gebrauch bei SuperCaps sind etwas komplexer zu gestalten, da die Kondensatoren im Prinzip jede beliebige Spannung aufweisen können.
Der DC/DC-Wandler 3 in der Figur soll deswegen eine elektronische Schaltung aufweisen, die nicht permanent, sondern immer dann, wenn einen bestimmten Spannungspegel auf den Super-Caps aufgelaufen ist, die Spannung wandeln. Durch Serienschaltung mehrerer SuperCaps kann dafür gesorgt werden, dass die DC/DC-Wandlung relativ häufig stattfindet. Mit dem DC/DC-Wandler 3 erfolgt ein Hochtransformieren der Spannung auf ei nen Gleichspannungspegel, der zur Versorgung von über Draht gebundenen Verbrauchern 5 geeignet ist.
Weiterhin ist ein DC/AC-Wandler 4 für die elektrische Versorgung von drahtlos arbeitenden Transmittermodulen 6a, 6b, 6c vorhanden. Dabei arbeite Transmissionsmodul 6a mit Radiofrequenz (RF) für induktiv arbeitende Transponder (RF-Ident, RFID-Tags), Transmissionsmodul 6b mit Hochfrequenz (HF) für Langstrecken-Funkverkehr im Bereich 0,6 bis 2,4 GHz und Transmissionsmodul 6c mit Ultrahochfrequenz (VHF) für Kurzstrecken (im KFZ), d.h. Funkverkehr mit den Sensoren im KFZ 10.
In der Praxis können vorhandene elektronische Bauelemente zur bestimmungsgemäßen Anwendung bei DC/DC- und DC/AC-Wandlern verwendet werden. Für eine einwandfreie und uneingeschränkte Funktion der elektrischen Aggregate ist es wichtig, zu jeder Zeit über eine geregelte Spannungsversorgung verfügen zu können.
In der Figur ist der Speicher 2 insbesondere derart gestaltet, der nunmehr unabhängig von der Bewegung des Fahrzeuges 10 gewährleistet, dass eine vorgegebene Spannung verfügbar ist. Dabei sind vorteilhafterweise geeignete Mittel zur Übertragung der elektrischen Energie auf drahtlose Weise vorhanden. In der Figur ist ein Funktransmitter 4 vorhanden, mit dem insbesondere die Versorgung von drahtlosen Sensoren erfolgen kann. Solche Sensoren können mit RFID-Tags gekoppelt sein, so dass die Information der Sensoren von außen drahtlos ausgelesen werden kann. Die Funk-/Sendevorrichtung wird dabei aus dem Speicher 2 gespeist, so dass es möglich wird, mit den Sensoren im Fahrzeug 10 zu kommunizieren.
Der Funktransmitter ist mit der Aktivierung von Sicherheitsfunktionen wie Warnblinkanlage, Pannenfall, Notruf, Navigationssystem verknüpft.
In der Figur ist weiterhin eine Einheit 6 vorhanden, welche pauschal die einzelnen Lastaggregate verdeutlicht. Wie bereits erwähnt, sind derartige Lastaggregate Sensoren, eine Warnblinkanlage oder dergleichen. Bezugszeichen 7 kennzeichnet einen Transponder zur Signalabfrage im Nahbereich des KFZ 10.
In der Figur ist weiterhin eine Einheit 9 angedeutet, die den Funkverkehr mit größerem Abstand verdeutlicht, bspw. Bei Einfahrten od. dg..
Bei der vorstehend im Einzelnen beschriebenen Einrichtung ist vorteilhaft, dass das Zusatzversorgungssystem komplett wartungsfrei ist. Insbesondere ist das Zusatzversorgungssystem unabhängig vom vorhandenen Versorgungssystem und auch dann betriebsbereit, wenn das vorhandene Versorgungssystem versagt.
Das beschriebene Versorgungssystem soll i. A. das vorhandene Hauptversorgungssystem nicht ersetzen, da es von der Abfallenergie im Primärenergiekreis lebt. Es kann aber immer dann alle sicherheitsrelevanten Aufgaben übernehmen, wenn das Hauptversorgungssystem versagt.
Aus letzterem Grund ist das Zusatzversorgungssystem auch bei voll funktionsfähigem Betrieb des Hauptversorgungssystems für die Versorgung von bestimmten Zusatzaggregaten, beispielsweise von solchen Sensoren, die in zunehmender Weise in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Insbesondere der Betrieb von Funksensoren, wird damit ermöglicht.

Claims

Elektrisches Versorgungssystem für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, mit wenigstens einem Akkumulator als Energiespeicher, der über eine Lichtmaschine durch den Antrieb des Verbrennungsmotors aufladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Akkumulator ein Thermogenerator (1) vorhanden ist, der aus dem Verbrennungsprozess des Verbrennungsmotors (11) anfallende Wärme zumindest zum Teil in elektrische Energie umwandelt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermogenerator (1) aus Keramik besteht.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermogenerator (1) im KFZ (10) vibrationsfrei gelagert ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Thermogenerator Edelmetalle, vorzugsweise Platin (Pt), eingesetzt wird und dass durch eine poröse Oberfläche eine große Wirkfläche erreicht ist.
System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Akkumulator (20) wenigstens ein weiterer Speicher (2) für elektrische Energie vorhanden ist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Speicher (2) ein Flüssig-Elektrolyt-Speicher, insbesondere ein Akkumulator, ist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (2) ein Trocken-Elektrolyt-Speicher ist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (2) Doppelschichtkondensatoren enthält.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Thermogenerator (1) bzw. Thermogene rator (1) mit damit verbundenem Speicher (2) ein DC/DC-Wandler (3) nachgeschaltet ist, mit dem die elektrische Energie auf den erforderlichen Spannungspegel transformiert wird.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (3) eine für drahtgebundene Verbraucher (5) angepasste Spannung erzeugt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Thermogenerator (1) bzw. Thermogenerator (1) mit damit verbundenem Speicher (2) ein DC/AC-Wandler (4) nachgeschaltet ist, mit dem die elektrische Energie auf eine zur Funkübertragung erforderlichen Frequenz (RF, HF, UHF) gewandelt wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Funktransmitter (6) vorhanden ist, der vom DC/AC-Wandler (4) versorgt wird.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktransmitter (6) Teileinheiten (6a, 6b, 6c) für Radiofrequenz (RF), Hochfrequenz (HF) und Ultra-Hochfrequenz (UHF) aufweist.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass vom Funktransmitter (6) Lastaggregate (5), vorzugsweise Sensoren und insbesondere RFID-Elemente, versorgt werden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Notaggregat vorhanden ist, das vom elektrischen Speicher (2) gespeist wird.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Schaltung zur Bearbeitung der Doppelschichtkondensatorspannung vorhanden ist.