DE102009024373B4 - Vehicle electrical system with a flywheel energy storage and method for controlling a process of starting an internal combustion engine - Google Patents

Vehicle electrical system with a flywheel energy storage and method for controlling a process of starting an internal combustion engine Download PDF

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Abstract

Bordnetz (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Schwungradenergiespeicher (12) mit – einem drehbar gelagerten Schwungrad (22), – einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschluss (26, 28) und – einem Energiewandler (38) zum reversiblen Umwandeln von an den Anschlüssen bereitgestellter elektrischer Energie (US) in kinetische Energie des Schwungrades (22), wobei ein zusätzlicher Anschluss (30) von dem ersten Anschluss (26) abgezweigt ist und ein elektrischer Schalter (34) zwischen dem ersten und dem zusätzlichen Anschluss (26, 30) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten Anschluss (26) zumindest ein elektrischer Verbraucher (20) angeschlossen ist und an den zusätzlichen Anschluss (30) eine Fahrzeugbatterie (14) und ein Starter (16) für eine Brennkraftmaschine angeschlossen sind, und dass der elektrische Schalter (34) ein MOSFET ist, dessen parasitäre Diode (36) mit ihrer Anode mit dem zusätzlichen Anschluss (30) gekoppelt ist.Vehicle electrical system (10) for a motor vehicle, with a flywheel energy storage (12) with - a rotatably mounted flywheel (22) - a first and a second electrical connection (26, 28) and - an energy converter (38) for reversibly converting to the Connected electrical energy (US) into kinetic energy of the flywheel (22), wherein an additional terminal (30) is branched from the first terminal (26) and an electrical switch (34) between the first and the additional terminal (26, 30 ), characterized in that at least one electrical load (20) is connected to the first connection (26) and to the additional connection (30) a vehicle battery (14) and a starter (16) for an internal combustion engine are connected, and in that the electrical switch (34) is a MOSFET whose parasitic diode (36) is coupled with its anode to the additional terminal (30).

Description

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz mit einem Schwungradenergiespeicher für ein Kraftfahrzeug. Der Schwungradenergiespeicher umfasst ein drehbar gelagertes Schwungrad, einen ersten und einen zweiten elektrischen Anschluss und einen Energiewandler, mit welchem an den Anschlüssen bereitgestellte elektrische Energie in kinetische Energie des Schwungrades reversibel umgewandelt werden kann. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Bordnetz sowie ein Verfahren zum Steuern eines Vorgangs des Startens einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mithilfe eines Starters.The invention relates to a vehicle electrical system with a flywheel energy storage for a motor vehicle. The flywheel energy storage device comprises a rotatably mounted flywheel, a first and a second electrical connection and an energy converter with which electrical energy provided at the connections can be reversibly converted into kinetic energy of the flywheel. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle with such a vehicle electrical system and a method for controlling a process of starting an internal combustion engine of a motor vehicle by means of a starter.

Es ist Stand der Technik, einen Schwungradenergiespeicher in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs einzusetzen. Mit solchen Energiespeichern ist es möglich, Energie als Rotationsenergie zu speichern. Die Energie kann zurückgewonnen werden, indem das Schwungrad abgebremst wird. Ein Bordnetz, bei welchem ein Schwungradenergiespeicher zum Speichern von Energie verwendet wird, ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2004 053 155 A1 bekannt.It is state of the art to use a flywheel energy storage in a vehicle electrical system of a motor vehicle. With such energy storage, it is possible to store energy as rotational energy. The energy can be recovered by slowing down the flywheel. An electrical system in which a flywheel energy storage is used for storing energy, for example, from the document DE 10 2004 053 155 A1 known.

Grundsätzlich ist es möglich, Spannungseinbrüche in einem Bordnetz mithilfe eines Schwungradenergiespeichers zu kompensieren. Die Anwendung von Schwungradenergiespeichern findet jedoch ihre Grenzen während des Vorgangs des Startens einer Brennkraftmaschine. Die in Kraftfahrzeugen verwendeten Starter sind nämlich in der Regel Gleichstrommotoren, die über einen Kollektor verfügen. Bei Inbetriebnahme des Starters stellt dieser für das Bordnetz zunächst einen Kurzschluss dar, so dass gerade zu Beginn des Startvorgangs der Brennkraftmaschine relativ hohe Ströme – sogar bis zu 1000 A – über den Starter fließen. Diese Ströme werden nur durch den Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie, den Ohmschen Widerstand der Leitungen sowie den Widerstand des Starters begrenzt. Würde das Bordnetz während des Startvorgangs mit einem Schwungradenergiespeicher stabilisiert werden, würde der Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie verringert werden, nämlich wegen des Parallelgeschaltetseins von Fahrzeugbatterie und Schwungradenergiespeicher. Dann würde die Stromstärke des zu Beginn des Startvorgangs über den Starter fließenden Stromes noch weiter erhöht werden, und die Lebensdauer des Starters würde negativ beeinflusst werden.Basically, it is possible to compensate for voltage dips in a vehicle electrical system using a flywheel energy storage. However, the use of flywheel energy storage finds its limits during the process of starting an internal combustion engine. The starters used in motor vehicles are usually DC motors with a collector. When the starter is put into operation, it initially represents a short circuit for the vehicle electrical system, so that relatively high currents - even up to 1000 A - flow through the starter, especially at the start of the starting process of the internal combustion engine. These currents are limited only by the internal resistance of the vehicle battery, the ohmic resistance of the cables and the resistance of the starter. If the electrical system were stabilized during startup with a flywheel energy storage, the internal resistance of the vehicle battery would be reduced, namely because of the parallel connection of vehicle battery and flywheel energy storage. Then the current of the current flowing through the starter at the beginning of the starting process would be further increased, and the life of the starter would be adversely affected.

Es wäre wünschenswert, gäbe es einen Schwungradenergiespeicher, mit welchem einerseits Spannungseinbrüche an elektrischen Verbrauchern eines Bordnetzes während des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine kompensiert oder gar vermieden werden können und andererseits der Startvorgang selbst nicht beeinträchtigt oder sogar beschleunigt werden kann.It would be desirable if there was a flywheel energy storage, with which on the one hand voltage dips on electrical loads of a vehicle electrical system during the process of starting the internal combustion engine can be compensated or even avoided and on the other hand, the starting process itself can not be affected or even accelerated.

Aus dem Dokument DE 10 2005 015 995 A1 ist ein Bordnetz mit einem Hochlastverbraucher bekannt, welcher direkt mit einem Generator verbunden ist. Dem Hochlastverbraucher ist ein Kondensator, nämlich beispielsweise ein Doppelschichtkondensator, zugeordnet, und der übrige Teil des Bordnetzes ist mit Hilfe eines von einem elektrischen Energiemanagement ansteuerbaren Schaltmittels bei vorgebbaren Bedingungen wegschaltbar. Das elektrische Energiemanagement ist dabei Bestandteil eines Steuergerätes und wertet die ihm von einem weiteren Steuergerät und von Spannungsmessern zugeführten Informationen zur Bildung von Ansteuersignalen aus.From the document DE 10 2005 015 995 A1 is an electrical system with a high load load known, which is directly connected to a generator. The high-load consumer is a capacitor, namely, for example, a double-layer capacitor, assigned, and the rest of the electrical system can be wegschaltbar with predeterminable conditions using a controllable by an electrical energy management switching means. The electrical energy management is part of a control unit and evaluates the information supplied to it from another control unit and voltage meters for the formation of control signals.

Bordnetze für Kraftfahrzeuge sind außerdem aus den Druckschriften EP 0 137 607 A1 sowie US 2007 00 26 093 A1 bekannt.Bordnetze for motor vehicles are also from the publications EP 0 137 607 A1 such as US 2007 00 26 093 A1 known.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zuverlässig betrieben werden kann, nämlich insbesondere während eines Vorgangs des Startens einer Brennkraftmaschine.It is an object of the invention to provide a solution as to how a vehicle electrical system of a motor vehicle can be operated reliably, namely in particular during an operation of starting an internal combustion engine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bordnetz sowie durch ein Kraftfahrzeug, wie auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst.This object is achieved by an electrical system and by a motor vehicle, as well as by a method with the features according to the respective independent claims.

Der Schwungradenergiespeicher des erfindungsgemäßen Bordnetzes umfasst einen ersten und einen zweiten elektrischen Anschluss. Es ist vorgesehen, dass ein zusätzlicher Anschluss von dem ersten Anschluss abgezweigt ist und ein elektrischer Schalter zwischen dem ersten und dem zusätzlichen Anschluss gekoppelt ist.The flywheel energy storage of the electrical system according to the invention comprises a first and a second electrical connection. It is provided that an additional terminal is branched off from the first terminal and an electrical switch is coupled between the first and the additional terminal.

Der erfindungsgemäße Effekt wird also durch einen zusätzlichen Anschluss erzielt, welcher bedarfsabhängig, je nach Anwendung mit dem ersten Anschluss kurzgeschlossen oder von diesem entkoppelt werden kann. Auf diesem Wege gelingt es, die im Schwungradenergiespeicher gespeicherte Energie an dem zusätzlichen Anschluss dann abzugreifen, wenn der elektrische Schalter leitend geschaltet ist. Ist der elektrische Schalter geöffnet, liegt zwischen dem zusätzlichen Anschluss und dem zweiten Anschluss – welcher ein Bezugspotential bereitstellt – keine elektrische Spannung an.The effect according to the invention is therefore achieved by an additional connection which can be short-circuited or decoupled from the first connection depending on the application, depending on the application. In this way, it is possible to tap the stored energy in the flywheel energy storage at the additional terminal when the electrical switch is turned on. If the electrical switch is open, there is no electrical voltage between the additional connection and the second connection, which provides a reference potential.

Mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz können diverse Vorteile erzielt werden: Mit dem Schwungradenergiespeicher kann zunächst ein Verpolschutz für elektrische Verbraucher eines Bordnetzes geschaffen werden. Dies gilt insbesondere bei einer solchen Konstellation, bei welcher an den ersten Anschluss des Schwungradenergiespeichers eine Vielzahl von sensiblen elektrischen Verbrauchern und an den zusätzlichen Anschluss eine Parallelschaltung aus einer Fahrzeugbatterie und einem Starter für eine Brennkraftmaschine angeschlossen sind. Wird eine Fremdbatterie an die Fahrzeugbatterie mit einer falschen Polung angeschlossen – um zum Beispiel ein anderes Kraftfahrzeug zu starten – so kann der Stromkreis zu den elektrischen Verbrauchern durch den elektrischen Schalter unterbrochen werden. So werden die elektrischen Verbraucher vor einer falschen Polung geschützt. Es kann somit im gesamten Bordnetz auf im Stand der Technik eingesetzte Verpolschutzmaßnahmen verzichtet werden; die Funktion des Verpolschutzes wird zentral durch den elektrischen Schalter übernommen.With the vehicle electrical system according to the invention various advantages can be achieved: With the flywheel energy storage can first be created a polarity reversal protection for electrical loads of a vehicle electrical system. This is especially true in such a constellation, in which at the first connection of the flywheel energy storage a plurality of sensitive electrical loads and to the additional terminal a parallel connection of a vehicle battery and a starter for an internal combustion engine are connected. If a foreign battery is connected to the vehicle battery with a wrong polarity - for example, to start another motor vehicle - so the circuit to the electrical loads can be interrupted by the electrical switch. This protects the electrical consumers against incorrect polarity. It is thus possible to dispense with reverse polarity protection measures used in the prior art throughout the electrical system; the function of reverse polarity protection is taken over centrally by the electrical switch.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bordnetzes besteht darin, dass sensible elektrische Verbraucher von der Fahrzeugbatterie und dem Starter während des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine entkoppelt werden können. Sind an den ersten Anschluss des Schwungradenergiespeichers eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern und an den zusätzlichen Anschluss eine Fahrzeugbatterie und ein Starter angeschlossen, kann der elektrische Schalter die Funktion der Entkopplung der elektrischen Verbraucher von dem Starter und der Fahrzeugbatterie übernehmen. Einerseits können somit Spannungseinbrüche, die während der Inbetriebnahme des Starters auftreten, auf der Seite der elektrischen Verbraucher vermieden werden, andererseits können die elektrischen Verbraucher während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine direkt mit elektrischer Energie aus dem Schwungradenergiespeicher versorgt werden. Dadurch, dass nicht aufgrund des hohen Stromes während des Startvorgangs Spannungseinbrüche an den elektrischen Verbrauchern auftreten, können die elektrischen Verbraucher selbst kostengünstiger als im Stand der Technik gefertigt werden. Elektrische Verbraucher schalten nämlich bekanntlich dann ab, wenn die Bordnetzspannung einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. Die elektrischen Verbraucher können nun aufgrund der Entkopplung von dem Starter derart gefertigt werden, dass dieser Grenzwert erhöht ist.A further advantage of the vehicle electrical system according to the invention is that sensitive electrical consumers can be decoupled from the vehicle battery and the starter during the process of starting the internal combustion engine. If a plurality of electrical consumers are connected to the first connection of the flywheel energy store and a vehicle battery and a starter are connected to the additional connection, the electrical switch can take over the function of decoupling the electrical consumers from the starter and the vehicle battery. On the one hand voltage dips that occur during startup of the starter can be avoided on the side of the electrical consumers, on the other hand, the electrical loads can be supplied directly with electrical energy from the flywheel energy storage during startup of the internal combustion engine. Due to the fact that voltage drops do not occur at the electrical consumers due to the high current during the starting process, the electrical consumers themselves can be manufactured more cost-effectively than in the prior art. It is well known that electrical loads switch off when the vehicle electrical system voltage drops below a certain limit value. The electrical consumers can now be made due to the decoupling of the starter so that this limit is increased.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bordnetzes besteht darin, dass der Vorgang des Startens der Brennkraftmaschine durch den Schwungradenergiespeicher unterstützt werden kann, und zwar dann, wenn die Fahrzeugbatterie leer ist. Dann kann der elektrische Schalter auch während des Startvorgangs in seinen elektrischen leitenden Schaltzustand verbracht werden, und die im Schwungrad gespeicherte Energie kann für das Starten der Brennkraftmaschine genutzt werden.Another advantage of the vehicle electrical system according to the invention is that the process of starting the internal combustion engine can be supported by the flywheel energy storage, and that is when the vehicle battery is empty. Then, the electrical switch can also be spent during the starting process in its electrically conductive switching state, and the energy stored in the flywheel can be used for starting the internal combustion engine.

Erfindungsgemäß ist der elektrische Schalter ein MOSFET, dessen parasitäre Diode – soweit vorhanden – mit ihrer Anode mit dem zusätzlichen Anschluss gekoppelt ist. Durch Einsatz eines MOSFETs können deutlich höhere Schaltfrequenzen als bei herkömmlichen Relais erreicht werden. Außerdem sind MOSFETs kostengünstiger als Relais und beanspruchen weniger Bauraum. Ein MOSFET kann also ohne viel Aufwand in ein bereits vorhandenes Gehäuse eines Schwungradenergiespeichers eingebaut werden.According to the invention, the electrical switch is a MOSFET whose parasitic diode, if present, is coupled with its anode to the additional terminal. By using a MOSFET, significantly higher switching frequencies can be achieved than with conventional relays. In addition, MOSFETs are cheaper than relays and take up less space. A MOSFET can thus be installed without much effort in an existing housing of a flywheel energy storage.

Es hat sich nämlich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das Schwungrad, der Energiewandler und der elektrische Schalter in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut sind. Dann kann die Anzahl von Komponenten in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs auf ein Minimum reduziert werden; denn es muss lediglich eine Baueinheit in ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs eingebaut werden.It has been found to be particularly advantageous if the flywheel, the energy converter and the electrical switch are installed in a common housing. Then, the number of components in a vehicle electrical system of a motor vehicle can be reduced to a minimum; because it must be installed only one unit in an electrical system of a motor vehicle.

Bei dem Bordnetz ist eine Steuereinrichtung bereitgestellt, welche den elektrischen Schalter ansteuert, d. h. zwischen dem elektrisch sperrenden und dem elektrisch leitenden Schaltzustand schaltet.In the electrical system, a control device is provided, which controls the electric switch, d. H. switches between the electrically blocking and the electrically conductive switching state.

Es ist bei dem Bordnetz vorgesehen, dass mit dem ersten Anschluss des Schwungradenergiespeichers zumindest ein elektrischer Verbraucher und mit dem zusätzlichen Anschluss eine Fahrzeugbatterie und ein Starter für eine Brennkraftmaschine gekoppelt sind. Dann kann der zumindest eine elektrische Verbraucher während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine von der Fahrzeugbatterie und dem Starter mithilfe des elektrischen Schalters entkoppelt werden, und ein Spannungseinbruch an dem elektrischen Verbraucher kann vermieden werden.It is provided in the electrical system that are coupled to the first port of the flywheel energy storage at least one electrical load and the additional terminal a vehicle battery and a starter for an internal combustion engine. Then, the at least one electrical load during the starting process of the internal combustion engine from the vehicle battery and the starter using the electrical switch can be decoupled, and a voltage drop across the electrical load can be avoided.

Die Vorteile des Bordnetzes werden zum Beispiel durch einen solchen Ablauf sichtbar:
An den zusätzlichen Anschluss des Schwungradenergiespeichers ist eine Parallelschaltung aus einer Fahrzeugbatterie und einem Starter für eine Brennkraftmaschine angeschlossen. Parallel zur Fahrzeugbatterie und zum Starter ist ein Generator geschaltet. An den ersten Anschluss des Schwungradenergiespeichers sind eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern angeschlossen, nämlich ein Radio, ein Elektromotor für einen Scheibenwischer, ein Lautsprechersystem für ein Mobiltelefon u. ä. Der zweite Anschluss des Schwungradenergiespeichers stellt ein Bezugspotenzial (Masse) bereit. Das Kraftfahrzeug verfügt außerdem über ein Start-Stopp-System, d. h. die Brennkraftmaschine wird während einer einzelnen Fahrt mehrmals abgestellt und wieder angelassen. Dies erfolgt jedes Mal mithilfe des Starters.The advantages of the vehicle electrical system, for example, become visible through such a process:
To the additional connection of the flywheel energy storage a parallel connection of a vehicle battery and a starter for an internal combustion engine is connected. Parallel to the vehicle battery and the starter, a generator is connected. To the first terminal of the flywheel energy storage, a plurality of electrical consumers are connected, namely a radio, an electric motor for a windshield wiper, a speaker system for a mobile phone u. Ä. The second connection of the flywheel energy storage provides a reference potential (ground) ready. The motor vehicle also has a start-stop system, ie the internal combustion engine is turned off and restarted several times during a single journey. This is done every time using the starter.

Bevor der Fahrer das Fahrzeug startet, schließt er eine Fremdbatterie an die Fahrzeugbatterie an, um ein anderes Fahrzeug anzulassen. Aus Versehen schließt der Fahrer die Fremdbatterie mit falscher Polung an, das heißt der positive Anschluss der Fremdbatterie ist mit dem Bezugspotential der Fahrzeugbatterie und der negative Anschluss der Fremdbatterie mit dem positiven Anschluss der Fahrzeugbatterie verbunden. Zu diesem Zeitpunkt – die Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs ist nicht angelassen – befindet sich der elektrische Schalter des Schwungradenergiespeichers in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand. Die an den ersten Anschluss des Schwungradenergiespeicher angeschlossenen elektrischen Verbraucher werden durch den elektrischen Schalter vor dieser Verpolung geschützt. Die mit falscher Polung angeschlossene Fremdbatterie verursacht keinen Schaden an den elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs.Before the driver starts the vehicle, he connects a foreign battery to the vehicle battery to start another vehicle. By mistake, the driver connects the foreign battery with incorrect polarity, that is the positive Connection of the external battery is connected to the reference potential of the vehicle battery and the negative connection of the external battery to the positive terminal of the vehicle battery. At this time - the internal combustion engine of the motor vehicle is not started - is the electrical switch of the flywheel energy storage in its electrically blocking switching state. The electrical loads connected to the first connection of the flywheel energy storage are protected against reverse polarity by the electrical switch. The foreign battery connected with incorrect polarity does not cause any damage to the electrical consumers of the motor vehicle.

Der Fahrer startet nun das Kraftfahrzeug und fährt durch ein Stadtgebiet. Während der Fahrt wird die Brennkraftmaschine mithilfe des Starters mehrmals – zum Beispiel zwanzig mal – abgestellt und wieder angelassen. Zu Beginn der Fahrt schaltet der Fahrer das Radio ein und verwendet das Lautsprechersystem für sein Mobiltelefon. Ist die Brennkraftmaschine abgestellt, so liefert die Fahrzeugbatterie Spannung sowohl für das Radio als auch für das Lautsprechersystem. Wird die Brennkraftmaschine nun mithilfe des Starters angelassen, so fließt über den Starter ein Strom hoher Stromstärke; die elektrische Energie für das Anlassen der Brennkraftmaschine liefert die Fahrzeugbatterie. Wäre der elektrische Schalter zu diesem Zeitpunkt geöffnet, würde die Spannung an dem Radio und dem Lautsprechersystem einbrechen, und sowohl das Radio als auch das Lautsprechersystem würden abgeschaltet werden. Der elektrische Schalter wird aus diesem Grund beim Anlassen der Brennkraftmaschine in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand gehalten. Während des Startvorgangs versorgt der Schwungradenergiespeicher das Radio und das Lautsprechersystem mit elektrischer Energie. Dies bedeutet, dass der Fahrer selbst beim Anlassen der Brennkraftmaschine das Lautsprechersystem sowie das Radio nutzen kann. Dies erweist sich gerade bei Start-Stopp-Systemen besonders vorteilhaft.The driver now starts the motor vehicle and drives through a city area. While driving, the engine is turned off several times - for example twenty times - by the starter and then started again. At the beginning of the journey, the driver switches on the radio and uses the speaker system for his mobile phone. If the engine is turned off, the vehicle battery provides voltage for both the radio and the speaker system. If the internal combustion engine is now started by means of the starter, a current of high current flows through the starter; the electrical energy for starting the internal combustion engine supplies the vehicle battery. If the electrical switch were open at this time, the voltage on the radio and speaker system would break and both the radio and the speaker system would be turned off. For this reason, the electric switch is kept in its electrically blocking switching state when the internal combustion engine is started. During the starting process, the flywheel energy storage supplies the radio and the loudspeaker system with electrical energy. This means that the driver can even use the speaker system and the radio when starting the internal combustion engine. This proves to be especially advantageous in start-stop systems.

Also kann die Steuereinrichtung zumindest zu Beginn des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den elektrischen Schalter in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand halten. Gerade zu Beginn des Startvorgangs sind die über den Starter fließenden Ströme sehr hoch und der Spannungseinbruch am größten. Die Entkopplung des Schwungradenergiespeichers von dem Starter ermöglicht also die Reduzierung der Stromstärke des über den Starter fließenden Stromes auf ein Minimum und gleichzeitig die Versorgung des zumindest einen elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie während des Startvorgangs.Thus, the control device, at least at the beginning of the process of starting the internal combustion engine hold the electrical switch in its electrically blocking switching state. Especially at the beginning of the starting process, the currents flowing through the starter are very high and the voltage drop is greatest. The decoupling of the flywheel energy storage of the starter thus allows the reduction of the current intensity of the current flowing through the starter current to a minimum and at the same time the supply of the at least one electrical load with electrical energy during the boot process.

Es sind nun wenigstens zwei Ausführungsformen sinnvoll möglich:
Zum Einen kann die Steuereinrichtung während einer gesamten Zeitdauer des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den elektrischen Schalter in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand halten. Dann steht die im Schwungradenergiespeicher gespeicherte Energie für die gesamte Zeitdauer des Startvorgangs der Brennkraftmaschine für den zumindest einen elektrischen Verbraucher zur Verfügung. Auch bricht die Spannung an dem zumindest einen elektrischen Verbraucher nicht ein, und der Fahrer kann während der gesamten Zeitdauer des Startvorgangs den elektrischen Verbraucher nutzen.At least two embodiments are now meaningfully possible:
On the one hand, the control device can hold the electrical switch in its electrically blocking switching state during an entire period of the process of starting the internal combustion engine. Then, the energy stored in the flywheel energy storage is available for the entire duration of the starting process of the internal combustion engine for the at least one electrical consumer. Also, the voltage at the at least one electrical load does not break and the driver can use the electrical load throughout the duration of the startup process.

Alternativ kann die Steuereinrichtung zu Beginn des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den elektrischen Schalter in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand halten. Nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls kann die Steuereinrichtung den elektrischen Schalter in einen elektrisch leitenden Schaltzustand verbringen. Dies stellt eine neuartige Methode des Startens der Brennkraftmaschine dar: Erst nach Ablauf des vorbestimmten Zeitintervalls wird der Schwungradenergiespeicher mit der Fahrzeugbatterie gekoppelt und die Spannung am Starter wird somit stabilisiert. Zum Zeitpunkt der Zuschaltung des Schwungradenergiespeichers dreht sich bereits der Starter mit einer bestimmten Drehzahl, so dass er keinen Kurzschluss mehr darstellt. Somit sind auch die über den Starter fließenden Ströme nicht so hoch, wie zu Beginn des Startvorgangs, und die Spannung am Starter kann erhöht werden, ohne den Starter mit zu hohen Strömen zu belasten. Durch eine solche Vorgehensweise kann die Brennkraftmaschine deutlich schneller in Betrieb genommen werden, wodurch die Fahrzeugbatterie und der Starter weniger belastet werden. Dies erhöht weiterhin die Lebensdauer der Fahrzeugbatterie, wie auch des Starters. Das Zuschalten des Schwungradenergiespeichers nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls beeinträchtigt auch nicht die Funktion des zumindest einen elektrischen Verbrauchers. Nach Ablauf dieses Zeitintervalls ist die Amplitude der Spannung am Starter nämlich hoch genug, um auch den elektrischen Verbraucher versorgen zu können.Alternatively, at the beginning of the process of starting the internal combustion engine, the control device may hold the electrical switch in its electrically blocking switching state. After a predetermined time interval, the control device can spend the electrical switch in an electrically conductive switching state. This represents a novel method of starting the internal combustion engine: Only after the expiry of the predetermined time interval of the flywheel energy storage is coupled to the vehicle battery and the voltage at the starter is thus stabilized. At the moment the flywheel energy storage is switched on, the starter already rotates at a certain speed, so that it no longer represents a short circuit. Thus, the currents flowing through the starter are not as high as at the start of the starting process, and the voltage at the starter can be increased without overloading the starter with too high currents. By such a procedure, the internal combustion engine can be taken much faster into operation, whereby the vehicle battery and the starter are less stressed. This further increases the life of the vehicle battery, as well as the starter. The connection of the flywheel energy storage after a certain time interval does not affect the function of at least one electrical load. After the expiration of this time interval, the amplitude of the voltage at the starter is high enough to supply the electrical consumer.

Die oben dargestellte Art und Weise des Schattens des elektrischen Schalters gilt bevorzugt nur für den Fall, wenn eine den Ladezustand der Fahrzeugbatterie wiedergebende Größe – zum Beispiel die Klemmspannung der Fahrzeugbatterie – in einem vorbestimmten Wertebereich liegt. Liegt diese Größe außerhalb des vorbestimmten Wertebereichs, zum Beispiel unterhalb eines vorbestimmten Grenzwerts – wenn die Fahrzeugbatterie leer ist – so kann der Vorgang des Startens der Brennkraftmaschine auch durch den Schwungradenergiespeicher unterstützt werden. Also kann die Steuereinrichtung jederzeit während des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den elektrischen Schalter dann in seinen elektrisch leitenden Schaltzustand verbringen, wenn die den Ladezustand der Fahrzeugbatterie wiedergebende Größe den vorbestimmten Wertebereich verlässt. Auf diesem Wege gelingt es, die Brennkraftmaschine zuverlässig zu starten, dies selbst bei einer leeren Fahrzeugbatterie. Diese Ausführungsform setzt voraus, dass der Schwungradenergiespeicher mit Energie aufgeladen ist. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn die Brennkraftmaschine für eine kurze Zeit abgestellt wird (Start-Stopp-Systeme).The above-described manner of shadowing the electrical switch is preferably only for the case when the state of charge of the vehicle battery reproducing size - for example, the terminal voltage of the vehicle battery - is within a predetermined range of values. If this quantity is outside the predetermined value range, for example below a predetermined limit value-if the vehicle battery is empty-then the process of starting the internal combustion engine can also be assisted by the flywheel energy storage. Thus, the controller may at any time during the process of starting the Internal combustion engine then spend the electrical switch in its electrically conductive switching state when the charge state of the vehicle battery reproducing size leaves the predetermined range of values. In this way, it is possible to reliably start the engine, even with an empty vehicle battery. This embodiment assumes that the flywheel energy storage is charged with energy. This is usually the case when the internal combustion engine is switched off for a short time (start-stop systems).

Ist die Fahrzeugbatterie bei einem Erststart der Brennkraftmaschine – also nach einem längeren Stillstand des Kraftfahrzeugs – leer, so dass die durch die Fahrzeugbatterie bereitstellbare Leistung für das Anlassen der Brennkraftmaschine nicht ausreichend ist, so kann zunächst der Schwungradenergiespeicher mit in der Fahrzeugbatterie noch vorhandener Energie aufgeladen und dann die Brennkraftmaschine mithilfe des Schwungradenergiespeichers angelassen werden. Dies beruht auf der Tatsache, dass für das Anlassen der Brennkraftmaschine eine hohe Leistung, d. h. viel Energie pro Zeiteinheit erforderlich ist und eine leere Fahrzeugbatterie nicht in der Lage ist, eine solche Leistung bereitzustellen. Stattdessen kann die in der Fahrzeugbatterie noch vorhandene Energie zum langsamen Aufladen des Schwungradenergiespeichers genutzt werden, und der Schwungradenergiespeicher kann dann schnell entladen werden, um den Starter in Betrieb zu nehmen. Also ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass der Schwungradenergiespeicher dann vor dem Einleiten des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine mit Energie aus der Fahrzeugbatterie aufgeladen wird, wenn die Fahrzeugbatterie leer und der Schwungradenergiespeicher selbst entladen ist. Mit dieser im Schwungradenergiespeicher gespeicherter Energie kann dann die Brennkraftmaschine gestartet werden.If the vehicle battery at a first start of the engine - so after a long shutdown of the motor vehicle - empty, so that the providable by the vehicle battery power for starting the engine is not sufficient, so first the flywheel energy storage can be charged with still existing energy in the vehicle battery and then the internal combustion engine can be started by means of the flywheel energy storage. This is due to the fact that for the starting of the internal combustion engine, a high power, d. H. a lot of energy per unit of time is required and an empty vehicle battery is unable to provide such power. Instead, the energy left in the vehicle battery can be used to slowly charge the flywheel energy storage, and the flywheel energy storage can then be quickly discharged to put the starter into operation. Thus, in one embodiment it is provided that the flywheel energy storage is then charged with energy from the vehicle battery before initiating the process of starting the internal combustion engine, when the vehicle battery is empty and the flywheel energy storage itself is discharged. With this energy stored in the flywheel energy storage then the internal combustion engine can be started.

An den Vorgang des Startens der Brennkraftmaschine schließt sich in der Regel ein Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs an. In einem solchem Fahrbetrieb, in welchem ein parallel zur Fahrzeugbatterie geschalteter Generator eine Generatorspannung bereitstellt, kann die Steuereinrichtung den elektrischen Schalter in seinem elektrisch leitenden Schaltzustand halten. Dann kann der zumindest eine elektrische Verbraucher mit der Generatorspannung versorgt werden, und der Schwungradenergiespeicher kann mit Energie aufgeladen werden.The operation of starting the internal combustion engine is usually followed by a driving operation of the motor vehicle. In such a driving operation, in which a generator connected in parallel to the vehicle battery provides a generator voltage, the control device can hold the electrical switch in its electrically conductive switching state. Then, the at least one electrical load can be supplied with the generator voltage, and the flywheel energy storage can be charged with energy.

Zur Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Bordnetz.The invention also includes a motor vehicle with a vehicle electrical system according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren gilt zum Steuern eines Vorgangs des Startens einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit Hilfe eines Starters. Der Starter ist elektrisch parallel zu einer Fahrzeugbatterie gekoppelt, und die Parallelschaltung aus dem Starter und der Fahrzeugbatterie ist über einen elektrischen Schalter mit einem Anschluss eines Schwungradenergiespeichers koppelbar, mit welchem außerdem zumindest ein elektrischer Verbraucher gekoppelt ist. Bei dem Verfahren wird der elektrische Schalter dann zumindest zu Beginn des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand gehalten, wenn ein auf den Ladezustand der Fahrzeugbatterie bezogenes vorbestimmtes Kriterium erfüllt ist.The method according to the invention is valid for controlling a process of starting an internal combustion engine of a motor vehicle with the aid of a starter. The starter is electrically coupled in parallel to a vehicle battery, and the parallel circuit of the starter and the vehicle battery is coupled via an electrical switch to a connection of a flywheel energy storage, with which also at least one electrical load is coupled. In the method, the electric switch is then held in its electrically blocking switching state, at least at the beginning of the process of starting the internal combustion engine, when a predetermined criterion related to the state of charge of the vehicle battery is met.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann einerseits der elektrische Verbraucher zumindest zu Beginn des Startvorgangs – also wenn der Spannungseinbruch am Starter am größten ist – von dem Starter und der Fahrzeugbatterie entkoppelt werden, der elektrische Verbraucher wird somit zumindest zu Beginn des Startvorgangs in seiner Funktion nicht beeinträchtigt und kann mit der im Schwungradenergiespeicher gespeicherten Energie versorgt werden. Anderseits kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die Brennkraftmaschine auch dann zuverlässig gestartet werden, wenn der Ladezustand der Fahrzeugbatterie zum Beispiel unter einen vorbestimmten Grenzwert sinkt. Um dies zu ermöglichen, kann das vorbestimmte Kriterium beinhalten, dass der Ladezustand über einem vorbestimmten Grenzwert liegt.By the method according to the invention, on the one hand, the electrical load at least at the beginning of the startup - that is, when the voltage drop at the starter is greatest - are decoupled from the starter and the vehicle battery, the electrical load is thus not affected at least at the beginning of the startup in its function and can be supplied with the energy stored in the flywheel energy storage. On the other hand, the internal combustion engine can be started reliably even when the state of charge of the vehicle battery drops below a predetermined limit, for example, by the method according to the invention. To enable this, the predetermined criterion may include that the state of charge is above a predetermined limit.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wie auch unter Bezugnahme auf die Zeichnung, wobei:The invention will now be explained in more detail with reference to a preferred embodiment, as well as with reference to the drawing, wherein:

1 in schematischer Darstellung ein Bordnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und 1 schematically illustrates an electrical system according to an embodiment of the invention; and

2 einen Grafen veranschaulicht, anhand dessen ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung näher erläutert wird. 2 illustrates a graph, by means of which a method according to an embodiment of the invention will be explained in more detail.

Ein in 1 dargestelltes Bordnetz 10 eines Personenkraftwagens umfasst einen Schwungradenergiespeicher 12, eine Fahrzeugbatterie 14, einen Starter 16 für eine Brennkraftmaschine, einen Generator 18 sowie eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern 20. Die elektrischen Verbraucher 20 können zum Beispiel ein Radio, ein Elektromotor für einen Scheibenwischer, eine Heizung, ein Lautsprechersystem für ein Mobiltelefon, eine Klimaanlage u. ä. sein.An in 1 represented electrical system 10 A passenger car includes a flywheel energy storage 12 , a vehicle battery 14 , a starter 16 for an internal combustion engine, a generator 18 as well as a variety of electrical consumers 20 , The electrical consumers 20 For example, a radio, an electric motor for a windshield wiper, a heater, a speaker system for a mobile phone, an air conditioner and the like may be used. be a.

Der Schwungradenergiespeicher 12 umfasst ein Schwungrad 22, welches um eine senkrecht zur Zeichnung verlaufende Drehachse drehbar – wie in 1 mit einem Pfeil 24 angedeutet – gelagert ist. Der Schwungradenergiespeicher 12 umfasst außerdem einen ersten Anschluss 26, einen zweiten Anschluss 28 sowie einen zusätzlichen Anschluss 30. Der zweite Anschluss 28 ist mit Masse 32 verbunden. Der zusätzliche Anschluss 30 ist von dem ersten Anschluss 26 abgezweigt bzw. mit diesem gekoppelt. Zwischen dem ersten Anschluss 26 und dem zusätzlichen Anschluss 30 ist ein MOSFET 34 geschaltet. Die parasitäre Diode 36 des MOSFETs 34 ist mit ihrer Anode mit dem zusätzlichen Anschluss 30 und mit ihrer Kathode mit dem ersten Anschluss 26 verbunden.The flywheel energy store 12 includes a flywheel 22 which rotates about a perpendicular to the drawing axis of rotation - as in 1 with an arrow 24 indicated - is stored. The flywheel energy store 12 also includes a first port 26 , a second connection 28 as well as an additional connection 30 , The second connection 28 is with mass 32 connected. The additional connection 30 is from the first port 26 branched off or coupled with this. Between the first connection 26 and the additional connection 30 is a MOSFET 34 connected. The parasitic diode 36 of the MOSFET 34 is with its anode with the extra connection 30 and with its cathode with the first connection 26 connected.

Der Schwungradenergiespeicher 12 umfasst außerdem einen Energiewandler 38, welcher drei Wicklungen 40 sowie einen Wechselrichter 42 aufweist. Der Energiewandler 38 hat die Aufgabe, elektrische Energie, die über die Anschlüsse 26, 28 bzw. 30, 28 entnommen werden kann, in kinetische Energie des Schwungrades 22 reversibel umzuwandeln. Liegt zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 26, 28 (bzw. zwischen dem zusätzlichen Anschluss 30 und zweiten Anschluss 28) eine elektrische Gleichspannung US an, so kann durch entsprechende Ansteuerung des Wechselrichters 42 das Schwungrad 22 beschleunigt werden, nämlich unter Bereitstellen einer Wechselspannung an den Wicklungen 40. Durch Abbremsen des Schwungrades 22 – auch mithilfe des Wechselrichters 42 – kann seine kinetische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt werden.The flywheel energy store 12 also includes an energy converter 38 which has three windings 40 as well as an inverter 42 having. The energy converter 38 has the job of providing electrical energy through the connections 26 . 28 respectively. 30 . 28 can be taken, in kinetic energy of the flywheel 22 convert reversibly. Lies between the first and the second port 26 . 28 (or between the additional port 30 and second connection 28 ) an electrical DC voltage U S , so can by appropriate control of the inverter 42 the flywheel 22 be accelerated, namely by providing an AC voltage to the windings 40 , By braking the flywheel 22 - also with the help of the inverter 42 - Its kinetic energy can be converted back into electrical energy.

Zur Ansteuerung des Wechselrichters 42 und des MOSFETs 34 ist im Bordnetz 10 eine Steuereinrichtung 44 bereitgestellt. Die Steuereinrichtung 44 kann auch die Amplitude einer Generatorspannung UG regeln, die vom Generator 18 in einem Fahrbetrieb erzeugt wird. Mit UG wird der Einfachheit halber nachfolgend im Allgemeinen die an der Fahrzeugbatterie 14, dem Starter 16 und dem Generator 18 anliegende Spannung bezeichnet, auch dann, wenn der Generator 18 nicht im Betrieb ist.For controlling the inverter 42 and the MOSFET 34 is in the electrical system 10 a control device 44 provided. The control device 44 can also regulate the amplitude of a generator voltage U G , that of the generator 18 is generated in a driving operation. With U G , for the sake of simplicity, the following will generally apply to the vehicle battery 14 , the starter 16 and the generator 18 applied voltage, even if the generator 18 is not in operation.

Die Fahrzeugbatterie 14 ist parallel zum Starter 16 und zum Generator 18 geschaltet. Die Parallelschaltung aus der Fahrzeugbatterie 14, dem Starter 16 und dem Generator 18 ist an den zusätzlichen Anschluss 30 des Schwungradenergiespeichers 12 angeschlossen. Dies bedeutet, dass die Fahrzeugbatterie 14, der Starter 16 und der Generator 18 einerseits mit dem zusätzlichen Anschluss 30 und andererseits mit dem Bezugspotential 32, also dem zweiten Anschluss 28 gekoppelt sind.The vehicle battery 14 is parallel to the starter 16 and to the generator 18 connected. The parallel connection from the vehicle battery 14 , the starter 16 and the generator 18 is at the additional connection 30 of flywheel energy storage 12 connected. This means that the vehicle battery 14 , the starter 16 and the generator 18 on the one hand with the additional connection 30 and on the other hand with the reference potential 32 that is the second connection 28 are coupled.

An den ersten Anschluss 26 sind die elektrischen Verbraucher 20 angeschlossen, andererseits sind sie mit den Bezugspotential 32 gekoppelt.At the first connection 26 are the electrical consumers 20 connected, on the other hand, they are with the reference potential 32 coupled.

Das Bordnetz 10, wie es in 1 dargestellt ist, hat folgende Funktionen:The electrical system 10 as it is in 1 has the following functions:

Verpolschutz:Reverse polarity protection:

Der MOSFET 34 übernimmt im Bordnetz 10 die zentrale Funktion des Verpolschutzes. Es müssen keine weiteren Verpolschutzmaßnahmen im Bordnetz 10 eingesetzt werden. Bei abgestellter Brennkraftmaschine wird der MOSFET 34 in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand gehalten. Wird eine Fremdbatterie an die Fahrzeugbatterie 14 mit falscher Polung angeschlossen, wird der Stromkreis (elektrische Verbraucher 20 – MOSFET 34 – Fahrzeugbatterie 14) durch den MOSFET 34 unterbrochen. Auf diesem Wege werden die elektrischen Verbraucher 20 vor Verpolung geschützt.The MOSFET 34 takes over in the electrical system 10 the central function of reverse polarity protection. There are no further reverse polarity protection measures in the electrical system 10 be used. When stopped internal combustion engine, the MOSFET 34 held in its electrically blocking switching state. If a foreign battery to the vehicle battery 14 connected with wrong polarity, the circuit (electrical consumers 20 - MOSFET 34 - Vehicle battery 14 ) through the MOSFET 34 interrupted. In this way, the electrical consumers 20 protected against reverse polarity.

Anlassen der Brennkraftmaschine bei aufgeladener Fahrzeugbatterie 14:Starting the internal combustion engine when the vehicle battery is charged 14 :

Liegt der Ladezustand der Fahrzeugbatterie 14 über einem vorbestimmten Grenzwert, wird der Starter 16 zu Beginn eines Startvorgangs mit elektrischer Energie aus der Fahrzeugbatterie 14 versorgt. Zu Beginn eines jeden Startvorgangs befindet sich der MOSFET 34 in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand, die elektrischen Verbraucher 20 und der Schwungradenergiespeicher 12 sind von der Fahrzeugbatterie 14 und dem Starter 16 entkoppelt. Somit werden einerseits die über den Starter 16 zu Beginn des Startvorgangs fließenden Ströme auf ein Minimum reduziert, andererseits wird ein Spannungseinbruch an den elektrischen Verbrauchern 20 vermieden. Die elektrischen Verbraucher 20 werden mit elektrischer Energie aus dem Schwungradenergiespeicher 12 versorgt.Is the state of charge of the vehicle battery 14 above a predetermined limit, will be the starter 16 at the beginning of a starting process with electrical energy from the vehicle battery 14 provided. At the beginning of each boot process is the MOSFET 34 in its electrically blocking switching state, the electrical consumers 20 and the flywheel energy storage 12 are from the vehicle battery 14 and the starter 16 decoupled. Thus, on the one hand, the over the starter 16 At the beginning of the starting process, currents flowing to a minimum are reduced; on the other hand, there is a voltage drop at the electrical consumers 20 avoided. The electrical consumers 20 be with electrical energy from the flywheel energy storage 12 provided.

Nach ca. 50 Millisekunden nach dem Einleiten des Startvorgangs wird der MOSFET 34 in seinen leitenden Schaltzustand, sei dieser ein vollständig leitender oder gedrosselt leitender Schaltzustand, verbracht. Also wird nach etwa 50 Millisekunden die Spannung UG am Starter 16 mithilfe des Schwungradenergiespeichers 12 stabilisiert. Durch eine solche Vorgehensweise wird die für das Anlassen der Brennkraftmaschine erforderliche Zeit im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert.After about 50 milliseconds after the initiation of the startup process, the MOSFET 34 in his conductive switching state, this was a fully conductive or throttled conductive switching state spent. So after about 50 milliseconds, the voltage U G at the starter 16 using the flywheel energy storage 12 stabilized. Such an approach significantly reduces the time required to start the engine compared with the prior art.

Bezugnehmend auf 2 wird nun der Vorgang des Startens näher erläutert. In 2 sind dargestellt:

  • – ein Verlauf 46 der am Starter 16 während des Startvorgangs anliegenden Spannung UG,
  • – ein Verlauf 48 eines während des Startvorgangs über den Starter 16 fließenden Stromes IS,
  • – ein Verlauf 50 einer Drehzahl n des Starters 16 bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine nach einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
  • – ein Verlauf 52 der Drehzahl n bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik, also ohne Stabilisierung der Spannung UG mithilfe des Schwungradenergiespeichers 12.
Referring to 2 Now the process of starting is explained in more detail. In 2 are shown:
  • - a course 46 the starter 16 voltage U G applied during the starting process,
  • - a course 48 one during the launch over the starter 16 flowing current I S ,
  • - a course 50 a speed n of the starter 16 at startup of the internal combustion engine according to a method according to an embodiment of the invention and
  • - a course 52 the speed n at startup of the internal combustion engine according to the prior art, ie without stabilizing the voltage U G using the flywheel energy storage 12 ,

Vor dem Einleiten des Startvorgangs – d. h. zwischen einem Zeitpunkt t0 und einem Zeitpunkt t1 – ist die am Starter 16 anliegende Spannung UG konstant und beträgt zum Beispiel 12 Volt. Diese Spannung wird von der Fahrzeugbatterie 14 bereitgestellt. Zum Zeitpunkt t1 wird der Vorgang des Startens der Brennkraftmaschine eingeleitet, d. h. der Starter 16 wird eingeschaltet. Sehr rasch steigt der Strom IS, bis er ein Maximum 54 erreicht. Gleichzeitig bricht die Spannung UG aufgrund des Kurzschlusses des Starters 16 ein, nämlich auf 7 Volt. Der Starter 16 beginnt sich zu drehen, die Drehzahl n steigt ab dem Zeitpunkt t1 an. Mit steigender Drehzahl n steigt auch die Spannung UG, und die Stromstärke des Stromes IS sinkt.Before initiating the starting process - ie between a time t 0 and a time t 1 - is the starter 16 applied voltage U G constant and is for example 12 volts. This voltage is supplied by the vehicle battery 14 provided. At time t 1 , the process of starting the internal combustion engine is initiated, ie the starter 16 is turned on. Very quickly, the current I S increases until it reaches a maximum 54 reached. At the same time, the voltage U G breaks due to the short circuit of the starter 16 on, namely at 7 volts. The starter 16 starts to rotate, the speed n increases from the time t 1 on. With increasing speed n, the voltage U G increases , and the current intensity of the current I S decreases.

Zu einem Zeitpunkt t2 wird der MOSFET 34 in seinen elektrisch leitenden Schaltzustand verbracht. Dies erfolgt nach etwa 50 Millisekunden nach dem Einleiten des Startvorgangs zum Zeitpunkt t1. Durch Zuschalten des Schwungradenergiespeichers 12 zum Zeitpunkt t2 erholt sich die Spannung UG und steigt auf etwa 8,5 Volt an. Gleichzeitig erhöht sich die Drehzahl n deutlich, die Drehzahl n liegt zu einem Zeitpunkt t3 bereits deutlich höher als im Stand der Technik. Ab dem Zeitpunkt t3 wird der Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Beispiel und dem Stand der Technik sichtbar: Die Brennkraftmaschine läuft bereits zu einem Zeitpunkt t4; nach dem Stand der Technik wird die Brennkraftmaschine erst zu einem Zeitpunkt t5 vollständig in Betrieb genommen.At a time t 2 , the MOSFET 34 spent in its electrically conductive switching state. This occurs after about 50 milliseconds after the initiation of the starting process at time t 1 . By connecting the flywheel energy storage 12 At time t 2 , the voltage U G recovers and rises to about 8.5 volts. At the same time, the speed n increases significantly, the speed n is already much higher at a time t 3 than in the prior art. From the time t 3 , the difference between the example according to the invention and the prior art becomes visible: the internal combustion engine is already running at a time t 4 ; According to the prior art, the internal combustion engine is only fully put into operation at a time t 5 .

Nach und nach erholt sich die Spannung UG ab dem Zeitpunkt t3. Die Spannung UG erreicht wieder den Wert von 12 Volt, nämlich zu einem Zeitpunkt t6. Während die Spannung UG ansteigt, sinkt der Strom IS, bis er kurz nach dem Zeitpunkt t6 erlischt.Gradually, the voltage U G recovers from the time t 3 . The voltage U G again reaches the value of 12 volts, namely at a time t 6 . While the voltage U G increases, the current I S decreases until it goes out shortly after the time t 6 .

Anlassen der Brennkraftmaschine bei leerer Fahrzeugbatterie 14:Starting the engine when the vehicle battery is empty 14 :

Stellt die Steuereinrichtung 44 fest, dass der Ladezustand der Fahrzeugbatterie 14 unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt, so schaltet sie den MOSFET 34 bereits zu Beginn des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine in den elektrisch leitenden Schaltzustand. Auf diesem Wege wird das Anlassen der Brennkraftmaschine durch den Schwungradenergiespeicher 12 unterstützt, und die Brennkraftmaschine kann zuverlässig angelassen werden. Ist auch der Schwungradenergiespeicher 12 vor dem Einleiten des Startvorgangs entladen, so kann er zunächst mit Energie aus der Fahrzeugbatterie 14 langsam aufgeladen und dann während des Startvorgangs wieder entladen werden.Represents the controller 44 determines that the state of charge of the vehicle battery 14 is below a predetermined threshold, it switches the MOSFET 34 already at the beginning of the process of starting the internal combustion engine in the electrically conductive switching state. In this way, the starting of the internal combustion engine by the flywheel energy storage 12 supports, and the internal combustion engine can be started reliably. Is also the flywheel energy storage 12 before discharging the starting process, he can first with energy from the vehicle battery 14 be charged slowly and then discharged again during the boot process.

Fahrbetrieb:Driving:

Während der Fahrt stellt der Generator 18 die Generatorspannung UG bereit, deren Amplitude in der Regel etwas höher als die Batteriespannung der Fahrtzeugbatterie 14 liegt. Im Fahrbetrieb wird der MOSFET 34 in seinem elektrisch leitenden Schaltzustand gehalten, so dass die elektrischen Verbraucher 20 mit der vom Generator erzeugten Generatorspannung UG versorgt werden.While driving, the generator stops 18 the generator voltage U G ready whose amplitude is usually slightly higher than the battery voltage of the vehicle battery 14 lies. When driving, the MOSFET 34 held in its electrically conductive switching state, so that the electrical consumers 20 be supplied with the generator voltage U G generated by the generator.

Insgesamt wird also ein Bordnetz 10 bereitgestellt, mit welchem einerseits die Brennkraftmaschine zuverlässig und rasch gestartet werden kann; andererseits werden die elektrischen Verbraucher 20 während des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt. Die elektrischen Verbraucher 20 werden nämlich während des Startvorgangs von der Fahrzeugbatterie 14 und dem Starter 16 entkoppelt und mit im Schwungradenergiespeicher 12 gespeicherter Energie versorgt.Overall, therefore, a wiring system 10 provided with which on the one hand the engine can be started reliably and quickly; On the other hand, the electrical consumers 20 during the process of starting the internal combustion engine is not impaired in their function. The electrical consumers 20 namely, during the starting process of the vehicle battery 14 and the starter 16 decoupled and with in the flywheel energy storage 12 stored energy.

Claims (13)

Bordnetz (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Schwungradenergiespeicher (12) mit – einem drehbar gelagerten Schwungrad (22), – einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschluss (26, 28) und – einem Energiewandler (38) zum reversiblen Umwandeln von an den Anschlüssen bereitgestellter elektrischer Energie (US) in kinetische Energie des Schwungrades (22), wobei ein zusätzlicher Anschluss (30) von dem ersten Anschluss (26) abgezweigt ist und ein elektrischer Schalter (34) zwischen dem ersten und dem zusätzlichen Anschluss (26, 30) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten Anschluss (26) zumindest ein elektrischer Verbraucher (20) angeschlossen ist und an den zusätzlichen Anschluss (30) eine Fahrzeugbatterie (14) und ein Starter (16) für eine Brennkraftmaschine angeschlossen sind, und dass der elektrische Schalter (34) ein MOSFET ist, dessen parasitäre Diode (36) mit ihrer Anode mit dem zusätzlichen Anschluss (30) gekoppelt ist.Electrical system ( 10 ) for a motor vehicle, with a flywheel energy storage ( 12 ) with - a rotatably mounted flywheel ( 22 ), - a first and a second electrical connection ( 26 . 28 ) and - an energy converter ( 38 ) for reversibly converting electrical energy (U S ) provided at the terminals into kinetic energy of the flywheel ( 22 ), with an additional connection ( 30 ) from the first port ( 26 ) and an electrical switch ( 34 ) between the first and the additional connection ( 26 . 30 ), characterized in that to the first terminal ( 26 ) at least one electrical consumer ( 20 ) and to the additional connector ( 30 ) a vehicle battery ( 14 ) and a starter ( 16 ) are connected to an internal combustion engine, and that the electrical switch ( 34 ) is a MOSFET whose parasitic diode ( 36 ) with its anode with the additional connection ( 30 ) is coupled. Bordnetz (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad (22), der Energiewandler (38) und der elektrische Schalter (34) in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut sind.Electrical system ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the flywheel ( 22 ), the energy converter ( 38 ) and the electrical switch ( 34 ) are installed in a common housing. Bordnetz (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz (10) eine Steuereinrichtung (44) zum Ansteuern des elektrischen Schalters (34) aufweist. Electrical system ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical system ( 10 ) a control device ( 44 ) for driving the electrical switch ( 34 ) having. Bordnetz (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (44) dazu ausgelegt ist, zumindest zu Beginn (t1 bis t2) des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den elektrischen Schalter (34) in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand zu halten.Electrical system ( 10 ) according to claim 3, characterized in that the control device ( 44 ) is designed, at least at the beginning (t 1 to t 2 ) of the process of starting the internal combustion engine, the electric switch ( 34 ) in its electrically blocking switching state. Bordnetz (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (44) dazu ausgelegt ist, nur zu Beginn (t1 bis t2) des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den elektrischen Schalter (34) in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand zu halten und nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls den elektrischen Schalter (34) in seinen elektrisch leitenden Schaltzustand zu verbringen.Electrical system ( 10 ) according to claim 4, characterized in that the control device ( 44 ) is adapted, only at the beginning (t 1 to t 2 ) of the process of starting the internal combustion engine, the electric switch ( 34 ) hold in its electrically blocking switching state and after a predetermined time interval, the electrical switch ( 34 ) to spend in its electrically conductive switching state. Bordnetz (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (44) dazu ausgelegt ist, während einer gesamten Zeitdauer (t1 bis t4) des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den elektrischen Schalter (34) in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand zu halten.Electrical system ( 10 ) according to claim 4, characterized in that the control device ( 44 ) is designed, during a total period (t 1 to t 4 ) of the process of starting the internal combustion engine, the electric switch ( 34 ) in its electrically blocking switching state. Bordnetz (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (44) dazu ausgelegt ist, während des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den elektrischen Schalter (34) dann in seinen elektrisch leitenden Schaltzustand zu verbringen, wenn eine den Ladezustand der Fahrzeugbatterie (14) wiedergebende Größe einen vorbestimmten Wertebereich verlässt.Electrical system ( 10 ) according to one of claims 3 to 5, characterized in that the control device ( 44 ) is adapted during the process of starting the internal combustion engine, the electrical switch ( 34 ) to spend in its electrically conductive switching state when a the state of charge of the vehicle battery ( 14 ) reproducing size leaves a predetermined value range. Bordnetz (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (44) dazu ausgelegt ist, während einer gesamten Zeitdauer (t1 bis t4) des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine dann den elektrischen Schalter (34) in seinem elektrisch leitenden Schaltzustand zu halten, wenn eine den Ladezustand der Fahrzeugbatterie (14) wiedergebende Größe zu Beginn des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine außerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs liegt, wobei bevorzugt die Steuereinrichtung (44) ferner dazu ausgelegt ist, vor dem Einleiten des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den Schwungradenergiespeicher mit Energie aus der Fahrzeugbatterie (14) aufzuladen.Electrical system ( 10 ) according to claim 3, characterized in that the control device ( 44 ) is designed, during a total period (t 1 to t 4 ) of the process of starting the internal combustion engine then the electrical switch ( 34 ) in its electrically conductive switching state, if a the state of charge of the vehicle battery ( 14 ) is at the beginning of the process of starting the internal combustion engine outside a predetermined value range, wherein preferably the control device ( 44 ) is further configured, prior to initiating the process of starting the internal combustion engine, the flywheel energy storage with energy from the vehicle battery ( 14 ) to charge. Bordnetz (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 8 wobei ein Generator (18) parallel zur Fahrzeugbatterie (14) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (44) dazu ausgelegt ist, in einem Fahrbetrieb, in welchem der Generator (18) eine Generatorspannung (UG) bereitstellt, den elektrischen Schalter (34) in seinem elektrisch leitenden Schaltzustand zu halten.Electrical system ( 10 ) according to one of claims 3 to 8, wherein a generator ( 18 ) parallel to the vehicle battery ( 14 ), characterized in that the control device ( 44 ) is designed, in a driving operation, in which the generator ( 18 ) provides a generator voltage (U G ), the electrical switch ( 34 ) in its electrically conductive switching state. Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Motor vehicle with a vehicle electrical system ( 10 ) according to any one of the preceding claims. Verfahren zum Steuern eines Vorgangs des Startens einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Bordnetz nach Anspruch 1 mithilfe des Starters (16), der elektrisch parallel zu der Fahrzeugbatterie (14) gekoppelt ist, wobei der elektrische Schalter (34) dann zumindest zu Beginn (t1 bis t2) des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand gehalten wird, wenn ein auf den Ladezustand der Fahrzeugbatterie (14) bezogenes vorbestimmtes Kriterium erfüllt ist.Method for controlling a process of starting an internal combustion engine of a motor vehicle with a vehicle electrical system according to claim 1 with the aid of the starter ( 16 ), which is electrically parallel to the vehicle battery ( 14 ), wherein the electrical switch ( 34 ) is then held at least at the beginning (t 1 to t 2 ) of the process of starting the internal combustion engine in its electrically blocking switching state, when a on the state of charge of the vehicle battery ( 14 ) determined predetermined criterion is met. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Kriterium beinhaltet, dass eine den Ladezustand wiedergebende Größe in einem vorbestimmten Wertebereich liegt.A method according to claim 11, characterized in that the predetermined criterion includes that a state representing the state of charge lies in a predetermined range of values. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass – nach Erfülltsein des vorbestimmten Kriteriums der elektrische Schalter (34) während einer gesamten Zeitdauer (t1 bis t4) des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand gehalten wird oder – nach Erfülltsein des vorbestimmten Kriteriums der elektrische Schalter (34) zu Beginn (t1 bis t2) des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand gehalten und nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls in seinen elektrisch leitenden Schaltzustand verbracht wird.A method according to claim 11 or 12, characterized in that - after the fulfillment of the predetermined criterion of the electrical switch ( 34 ) is kept in its electrically blocking switching state during a whole period of time (t 1 to t 4 ) of the process of starting the internal combustion engine or - after the fulfillment of the predetermined criterion, the electrical switch ( 34 ) is held at the beginning (t 1 to t 2 ) of the process of starting the internal combustion engine in its electrically blocking switching state and spent after a predetermined time interval in its electrically conductive switching state.
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