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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Starter, mit einem Speicher für elektrische Energie und mit Versorgungsleitungen für den Starter und für weitere elektrische Verbraucher gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Starters mit einem Speicher für elektrische Energie in einem Kraftfahrzeug.
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Das Kraftfahrzeug weist somit einen elektrischen Starter zum Anlassen eines Verbrennungsmotors auf, wobei die Energie zum Betreiben des Starters einem Speicher für elektrische Energie, wie z. B. einem Akkumulator oder einer Batterie, entnommen wird. Dieser Speicher ist ebenfalls im Kraftfahrzeug untergebracht und über eine Starter-Versorgungsleitung mit dem Starter verbunden. Die Starter-Versorgungsleitung führt somit vom Speicher an den Motor des Kraftfahrzeugs heran, an dem der Starter angebracht ist. Zur Bereitstellung einer Rückleitung zum Schließen des elektrischen Stromkreises werden elektrische Verbraucher wie der Starter und elektrische Quellen wie der Speicher an der Karosserie des Kraftfahrzeugs geerdet.
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Am Motor befindet sich auch ein Generator, der die elektrischen Verbraucher im Kraftfahrzeug bei laufendem Motor versorgt. Die Starter-Versorgungsleitung wird auch dazu verwendet, den Generator mit dem Speicher zu verbinden, so dass dieser bei laufendem Motor wieder aufgeladen werden kann. Somit fließt beim Anlassen des Motors ein Starterstrom vom Speicher hin zum Starter, während bei laufendem Motor ein Generatorstrom über eine Zwischenverbindung hin zum Starter und von dort über die Starter-Versorgungsleitung zum Speicher fließt.
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Die Versorgung der elektrischen Verbraucher und Systeme des Kraftfahrzeugs erfolgt über eine separate Verbraucher-Versorgungsleitung, die von dem Speicher ausgeht. Sie wird normalerweise über einen Verteiler geführt, in dem sich Sicherungen für verschiedene Verbraucher-Schaltkreise befinden.
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Die sich ergebende indirekte Verbindung des Generators mit den Verbrauchern über die Starter-Versorgungsleitung, den Speicher und die Verbraucher-Versorgungsleitung hat den Vorteil, dass die vom Generator gelieferte Spannung in ihrem zeitlichen Verlauf geglättet wird. Zwar kann die vom Generator prinzipbedingt erzeugte Wechselspannung schon am Generator gleichgerichtet werden. Die so erzeugte Gleichspannung weist allerdings noch einen signifikanten Grad an Welligkeit auf, der elektrische Verbraucher in ihrer Funktionstüchtigkeit beeinträchtigen kann. Durch die puffernde Wirkung des Speichers wird die Welligkeit der Generator-Spannung und des Generator-Stroms ausreichend verringert.
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Die Unterbringung des Speichers für die elektrische Energie im Motorraum stellt bei modernen Fahrzeugen aufgrund der großen Abmessungen des Motorblocks mit dem Starter und dem Generator ein Problem dar. Der Ansatz, den Speicher in einem anderen Bereich des Fahrzeugs wie z. B. dem Kofferraum unterzubringen, hat zur Folge, dass sowohl die Starter-Versorgungsleitung als auch die Verbraucher-Versorgungsleitung entsprechend lang ausgelegt sein müssen. Dadurch erhöht sich der elektrische Widerstand dieser Leitungen. Um eine Erhitzung der Starter-Versorgungsleitung durch den vergleichsweise großen Starterstrom beim Anlassen des Motors zu vermeiden, muss eine Leitung mit vergrößertem Leiterquerschnitt verwendet werden. Eine Verlagerung des Speichers aus dem Motorraum bringt somit den Nachteil mit sich, dass das Gewicht des Kraftfahrzeugs aufgrund der längeren und dickeren Leitungen zunimmt.
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In der
DE 100 14 243 A1 ist ein Batteriesystem mit einer Starterbatterie und einer Bordnetzbatterie beschrieben. Zwischen der Starterbatterie und vorbestimmten Verbrauchern einerseits und zwischen der Bordnetzbatterie und den Verbrauchern andererseits ist jeweils ein Schaltelement angeordnet, wobei mit den Schaltelementen wechselseitig die Verbraucher durch ein Batterie-Steuergerät einer der beiden Batterien zuordbar sind. Zwischen der Starterbatterie und der Bordnetzbatterie kann ein weiteres Schaltelement angeordnet sein, das von dem Batterie-Steuergerät ansteuerbar ist, wodurch im Startfall die beiden Batterien parallel geschaltet werden können. Die Verbraucher sind standardmäßig im Ruhezustand der Bordnetzbatterie zugeordnet, die im Regelfall auch alle Verbraucher versorgen kann. Im Notstartbetrieb, wenn die Verbraucher durch die Starterbatterie versorgt werden sollen, ermöglicht das Batterie-Steuergerät eine elektrische Verbindung zwischen der Starterbatterie und den startrelevanten Verbrauchern.
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In der
DE 100 03 731 A1 ist eine elektronische Schaltvorrichtung zum zeitweiligen Verbinden einer Batterie mit einem Verbraucher in einem Fahrzeug beschrieben. Eine Schaltersteuereinheit weist einen verbraucherseitig angeordneten Spannungsdetektor auf und schaltet einen elektronischen Schalter bei einem verbraucherseitigen Spannungsabfall automatisch zum Verbinden der Batterie mit dem Verbraucher ein.
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In der
US 2004/0 226 765 A1 ist ein Kraftwagen mit einer im Heck des Kraftwagens angeordneten Batterie beschrieben.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Starter und einem Speicher für elektrische Energie eine Möglichkeit bereitzustellen, dass der Speicher im Kraftfahrzeug so untergebracht werden kann, dass Wirtschaftlichkeit und Effizienz beim Betrieb des Kraftfahrzeugs nicht beeinträchtigt werden.
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Die Aufgabe wird in einem Fahrzeug gemäß der Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Zur Lösung gehört auch ein Verfahren gemäß Anspruch 5. Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Gegenstände sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ermöglicht es somit, die Starter-Versorgungsleitung und die Verbraucher-Versorgungsleitung über Mittel zum Verbinden miteinander elektrisch zu verbinden. Da die beiden Leitungen bereits über ihren gemeinsamen Anschluss am Speicher elektrisch miteinander verbunden sind, ergibt die zweite Verbindung über die Mittel zum Verbinden eine Parallelschaltung der Starter-Versorgungsleitung und der Verbraucher-Versorgungsleitung. Die Mittel zum Verbinden weisen dabei die Eigenschaft auf, dass sie ein unterbrechbares Element oder ein selbst-unterbrechendes Element aufweisen. Ein unterbrechbares Element kann z. B. ein Schalter mit zugeordneten Anschlussleitungen sein. Ein selbst-unterbrechendes Element ist z. B. eine Diode mit zugeordneten Anschlussleitungen, da Dioden einen Stromfluss selbständig in Abhängigkeit von der Spannung zulassen oder blockieren.
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Die Parallelschaltung der beiden Versorgungsleitungen hat dabei den Vorteil, dass der effektive Leitungsquerschnitt der Verbindung zwischen dem Speicher und dem Starter vergrößert wird. Somit wird es möglich, für die eigentliche Starter-Versorgungsleitung ein Kabel mit einem vergleichsweise geringen Querschnitt zu verwenden. Werden für den Startvorgang des Motors die beiden Versorgungsleitungen mit den Mitteln zum Verbinden parallel geschaltet, steht eine Verbindung mit ausreichend großem Querschnitt zur Verfügung, um den Starterstrom vom Speicher hin zum Starter zu führen. Die Tatsache, dass durch die Mittel zum Verbinden auch eine direkte Verbindung zwischen dem Starter und den elektrischen Verbrauchern, also auch zwischen dem Generator und den elektrischen Verbrauchern, besteht, ist dabei unproblematisch. Während des Startvorganges liefert der Generator keinen Strom, so dass auch keine Glättung durch den Speicher nötig ist.
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Die Mittel zum Verbinden zwischen der Starterversorgungsleitung und der Verbraucher-Versorgungsleitung können durch ein Relais, ein Halbleiter-Schaltelement, wie z. B. einen Leistungstransistor, oder auch durch eine Diode zusammen mit entsprechenden Anschlussleitungen realisiert werden. Für den Fall, dass ein Relais oder ein Halbleiter-Schaltelement verwendet werden, ergibt sich der Vorteil, dass die parallele Verschaltung der beiden Versorgungsleitungen durch ein Steuersignal hergestellt bzw. unterbrochen werden kann. Für den Fall, dass die Verbindung zwischen den Versorgungsleitungen über eine Diode hergestellt wird, kann die gewünschte Verschaltung der beiden Versorgungsleitungen während des Startvorganges bzw. bei laufendem Motor automatisch durch die Richtwirkung der Diode erreicht werden.
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Das parallele Verschalten der Versorgungsleitungen bzw. das Auftrennen der Parallelschaltung wird vorteilhafter Weise durch eine Steuereinrichtung erreicht, die ein Zulassen bzw. ein Unterbrechen des Stromflusses durch die Mittel zum Verbinden in Abhängigkeit von einem von der Steuereinrichtung erfassten oder vorgegebenen Betriebszustand des Starters oder eines Generators bewirkt. So kann erreicht werden, dass über die Mittel zum Verbinden ein Stromfluss zugelassen wird, während der Starter in Eingriff ist. Ein anderes Schaltkriterium könnte die vom Generator gelieferte Spannung sein. Für den Fall, dass eine Diode in den Mitteln zum Verbinden verwendet wird, ist eine Steuereinrichtung implizit dadurch realisiert, dass durch die Wirkungsweise der Diode bei geeigneter Verschaltung ein Vergleich zwischen der vom Generator gelieferten Spannung und der Spannung am Speicher stattfindet.
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Die Mittel zum Verbinden sind vorteilhafter Weise dicht am Starter zwischen die Starter-Versorgungsleitung und die Verbraucher-Versorgungsleitung eingebracht. Somit umfasst derjenige Abschnitt der elektrischen Verbindung zwischen Speicher und Starter, dessen effektiver Querschnitt durch die Parallelschaltung der beiden Versorgungsleitungen vergrößert wird, einen möglichst großen Anteil der gesamten Verbindung zwischen Speicher und Starter. Vom Speicher aus gesehen, also gemessen vom Anschluss der Starter-Versorgungsleitung am Speicher, befindet sich die Kontaktstelle der Mittel zum Verbinden an der Starter-Versorgungsleitung effektiv mindestens 30 cm, vorzugsweise aber mindestens 1 m weiter vom Speicher entfernt als der Anschluss der Starter-Versorgungsleitung am Speicher.
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Nach Beendigung des Startvorgangs kann durch Unterbrechen des Stromflusses in den Mitteln zum Verbinden erreicht werden, dass der vom Generator ausgehende Generatorstrom zunächst über die Starterversorgungsleitung hin zum Speicher geführt wird, bevor er über die Verbraucher-Versorgungsleitung den Verbrauchern zugeführt wird. Somit ist der Glättungseffekt wieder hergestellt.
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Der Speicher für die elektrische Energie kann beispielsweise durch einen Akkumulator oder eine Batterie realisiert werden. Für den Fall, dass der Speicher ein Akkumulator ist, lässt sich dieser bei laufendem Motor über die Starter-Versorgungsleitung durch den Generator aufladen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Speicher im Heck des Kraftfahrzeugs, insbesondere in einem dort befindlichen Kofferraum untergebracht ist. So ist der Speicher für Montage oder Wartungszwecke leicht zugänglich. Durch die Verlagerung des Speichers aus dem Motorraum ergibt sich dort zusätzlich ein Raumgewinn. Die Mittel zum Verbinden können dann im Kraftfahrzeug an anderer Stelle als im Heck angeordnet sein, insbesondere im Front-Bereich (Motorraum) des Kraftfahrzeugs.
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Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Dazu zeigen die Figuren
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1 eine schematische Darstellung der für die Beschreibung der Erfindung relevanten Gegenstände während der Phase des Starts eines Kraftfahrzeugs,
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2 die Gegenstände aus 1 bei laufendem Motor des Kraftfahrzeugs und
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3 eine schematische Darstellung mit einer alternativen Auswahl von den für die Beschreibung der Erfindung relevanten Gegenständen.
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In der 1 werden die Umrisse eines Kraftfahrzeugs 10 durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Front des Kraftfahrzeugs 10 weist dabei in der Figur nach links, in Richtung des Pfeils am linken Rand der Figur. Das Kraftfahrzeug 10 wird durch zwei gestrichelt dargestellte Trennlinien in drei Bereiche unterteilt. Im linken Bereich, dem Front-Bereich, befindet sich der Motorraum. Der in der Figur rechts liegende Bereich ist der Heck-Bereich des Kraftfahrzeugs 10, in dem sich beispielsweise der Kofferraum befindet. Zwischen dem Front-Bereich und dem Heck-Bereich befindet sich im mittleren Bereich z. B. die Insassenkabine. Im Frontbereich ist ein Motor M zu sehen, an den ein Starter S und ein Generator G gekoppelt sind. Im Heck-Bereich ist ein Speicher A für elektrische Energie untergebracht, der über eine Starter-Versorgungsleitung 12 mit dem Starter S verbunden ist. Eine Verbraucher-Versorgungsleitung 14 führt vom Speicher A zu einem Verbraucher V im Front-Bereich. Die Starter-Versorgungsleitung 12 und die Verbraucher-Versorgungsleitung 14 sind über Mittel zum Verbinden, hier mit einem Schalter R, an einer Stelle im Frontbereich verbunden. Der Schalter R wird durch eine Steuereinrichtung SV geschaltet. Dies ist durch eine gestrichelt gezeichnete Steuerverbindung symbolisiert. Die Steuereinrichtung SV ist mit dem Starter S verbunden, so dass die Steuerung in Abhängigkeit davon erfolgen kann, ob der Starter S aktiv ist oder nicht. Alternativ dazu kann die Steuereinrichtung SV auch dazu ausgelegt sein, den Schalter R zu schließen und gleichzeitig den Starter S zu aktivieren bzw. sobald der Motor läuft und der Generator ausreichend Spannung liefert, den Starter S zu deaktivieren und den Schalter R zu öffnen.
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In der 1 ist ein Startvorgang dargestellt. Der Motor M und der Generator G sind nicht aktiv, was durch eine Schraffierung symbolisiert ist. Da der Starter S aktiv ist, ist der Schalter R durch die Steuereinrichtung SV geschlossen. Der Starter S zieht den Starterstrom IS. In der Figur ist dieser Strom in der Anschlussverbindung 16 des Starters S durch einen Zählpfeil angezeigt. Der Starterstrom IS sowie der vom Verbraucher aufgenommene Verbraucherstrom IV werden vom Speicher A geliefert. Durch die Parallelschaltung der Starter-Versorgungsleitung 12 und der Verbraucher-Versorgungsleitung 14 teilt sich der dem Speicher A entnommene Strom in zwei Teilströme auf. Durch die Starterversorgungsleitung 12 fließt ein Teil des Starterstrom IS, wobei dieser Teil in der Figur mit IS1 bezeichnet ist. Der verbleibende Teil IS2 des Starterstroms IS sowie der Verbraucherstrom IV werden über die Verbraucherversorgungsleitung 14 geführt. Über den geschlossenen Schalter R werden die beiden Teilströme IS1 und IS2 zum Starterstrom IS in der Anschlussleitung 16 des Starters S zusammengeführt. Da der Generator G nicht aktiv ist, ist der Generatorstrom IG vom Generator G zum Starter S gleich Null. Um geschlossene Stromkreise zu erhalten, sind der Speicher A, der Verbraucher V, und der Motorblock (mit dem Generator G und dem Starter S) über eine gemeinsame Masse verbunden.
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In der 2 ist die schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs ähnlich der in der 1 dargestellt. Im Unterschied zur 1 stellt die 2 das Kraftfahrzeug bei laufendem Motor M dar. Somit sind der Motor M und der Generator G aktiv, der Starter S ist dagegen deaktiviert. Der Generator G liefert einen Generatorstrom IG, der über eine Zwischenverbindung zum Starter S und weiter über die Anschlussleitung 16 des Starters S und die Starter-Versorgungsleitung 12 zum Speicher A geführt wird. Von dort fließt ein Verbraucherstrom IV über die Verbraucher-Versorgungsleitung 14 zum Verbraucher V. Da der Schalter R geöffnet ist, wird eine direkte Einspeisung des Generatorstroms IG in den Verbraucher V unterbunden.
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In der 3 ist die schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs ähnlich der in der 2 dargestellt. Im Unterschied zur 2 ist die Steuereinrichtung SV nicht mit dem Starter S verbunden. Des Weiteren befindet sich an der Stelle des Verbrauchers ein Verteiler V, über den durch Sicherungen geschützte Verbraucher versorgt werden können. In der Figur sind lediglich die Sicherungen angedeutet. Anstelle der nachgeschalteten Verbraucher sind jeweils gestrichelte Linien dargestellt.
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Da die Steuereinrichtung SV, die den Schalter R schaltet, nicht mit dem Starter S verbunden ist, kann der Schaltvorgang von anderen Messgrößen abhängig gemacht werden, die in der Figur allerdings nicht weiter dargestellt sind.
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In allen drei Ausführungsbeispielen wird durch den erfindungsgemäßen Gegenstand erreicht, dass für das Betreiben des Starters S ein vergrößerter Leitungsquerschnitt durch das Parallelschalten der Versorgungsleitungen 12, 14 zur Verfügung steht. Des Weiteren wird bei laufendem Motor eine Glättung des Generatorstroms IG dadurch ermöglicht, dass der Generatorstrom IG über den Speicher A zum Verbraucher V bzw. zum Verteiler V geführt wird.