DE10313081A1 - Kraftfahrzeug - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug beschrieben mit einem Generator, einem Starter, einem Energiespeicher, wenigstens einem Bordnetz, einer Batterie und einem Gleichstromkonverter zwischen Energiespeicher und Bordnetz und einem Schalter zur Trennung des Bordnetzes vom Generator. DOLLAR A Der Generator ist hier direkt mit dem Energiespeicher verbunden. Der Schalter wird bei Beginn der Rekuperation geöffnet und bleibt, bis die Spannung des Energiespeichers bis etwa auf die Bordnetzspannung abgebaut ist, geöffnet. In dieser Zeit übernimmt der Gleichstromkonverter gegebenenfalls zusammen mit der Batterie die Bordnetzversorgung.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
- Ein Speicherkonzept mit integriertem Startergenerator (ISG) mit einem speziell geschalteten Ultra Cap (Mehrschichtkondensator) ist unter anderem auch in der
DE 102 13 105 A1 beschrieben; auch in der WO 02/066293A1 finden sich dieselben Grundbausteine, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 erwähnt sind. - Die Serieneinführung solcher Konzepte scheiterte bisher an ihrer hohen Komplexität und den Kosten. Insbesondere hat sich das 42V-Bordnetz wegen hoher Umstellungskosten, Mehrkosten für Bausteine, die besser mit niedriger Spannung bedienbar sind, der Lichtbogenproblematik und anderer Probleme als zur Zeit nicht in Serie realisierbar gezeigt.
- Die im folgenden aufgezählten neuen Fakten haben Einfluss auf die Weiterentwicklung solcher Konzepte:
- – Die kommende Bordnetzbelastung erfordert stärkere Generatoren für den Winterbetrieb; ohne die Maßnahme wird die Batteriebelastung zu groß.
- – Diese Belastung tritt nur im Warmlauf auf.
- – Die Generator-Überschussleistung beim normalen Betrieb (Verbrauch) ist beträchtlich und kann für die Rekuperation verwendet werden.
- – Das Konzept mit Ultra Cap gibt dem Fahrzeugbauer neue Perspektiven, z. B. der optimalen Unterbringung die Batterie im Kofferraum mit einem Batteriekabel für z. B. 20A, in der Rekuperationsphase und dementsprechend kleinen Querschnitten.
- – Dieses Konzept gibt dem Batteriebauer seinerseits neue Perspektiven in der Dimensionierung für kleine Ströme (< 100A nur zum Laden des selten leeren Ultra Caps), geringe Zyklenbelastung und höherer Innenwiderstände.
- – Startergeneratoren sind auch für 14V mit hoher Leistung darstellbar.
- – Weiterhin ist die Dimensionierung der Bordnetzkomponenten leichter möglich, wenn beim Starten die Spannung nicht mehr auf 6V einbricht, sondern im Bereich 10 bis 12V bleibt.
- Das Einbeziehen dieser Fakten in ein einfaches und kostengünstiges Speicherkonzept ist Aufgabe der Erfindung.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche und Ausführungsbeispiele der Beschreibung zeigen verschiedene Lösungsmöglichkeiten und Weiterbildungen der Erfindung auf.
- Anhand der Zeichnung werden die Prinzipien der Erfindung und ihrer Weiterbildungen aufgezeigt.
- Es zeigen:
-
1 bis5 unterschiedliche Lösungen für den Antrieb -
6 bis8 unterschiedliche Lösungen für den Antrieb mit einem zusätzlichen Speicher -
9 und10 vorteilhafte Installationsmöglichkeiten der Konzepte im Fahrzeug -
11 die Ausbildung der Versorgung eines Nebenbordnetzes -
1 beschreibt den Aufbau des Konzeptes mit einem Generator1 mit Generatorregler4 , einem Starter2 und einem Startschalter3 . Anstelle dieser Komponenten kann auch ein integrierter Startergenerator ISG oder ein riemengetriebener Starter generator RSG, z. B. mit einem Pulswechselrichter PWR verwendet werden.5 ist eine Steuerleitung, die zum Generatorregler4 (oder PWR) führt und über die dieser von einem Powermanagement13 gesteuert wird.6 ist ein Energiespeicher, z. B. Mehrschichtkondensator oder Ultra Cap. Mit7 ist ein Schalter bezeichnet, welcher bei Rekuperation das Bordnetz abtrennt;8 ist ein bidirektionaler DC/DC-Konverter und9 eine Versorgungsleitung des Bordnetzes, welche zu Verbrauchern11a bis11z und über ein strommessendes Glied15 (Shunt) zu einer Batterie14 führt. Das Powermanagement13 erhält über weitere Leitungen10 ,17 ,18 weitere Eingangs- und Steuergrößen, wie die Spannung am Speicher6 , die Spannung der Batterie14 und die Bordnetzspannung. Über eine Busleitung12 werden alle Informationen der Stromverbräuche in den einzelnen Verbrauchern gemeldet. - Setzt nun ein Verzögerungsvorgang ein, so wird dieser z. B. vom Bremsmanagement
11a über die Busleitung12 dem Powermanagement13 mitgeteilt, was zum Öffnen des Schalters7 führt. Über die Steuerleitung5 wird der Generator1 ,4 auf im Regelfall volle Leistung geschaltet. Die Aufteilung der Bremswirkung zwischen Generator und Bremsmanagement erledigt das Powermanagement13 . Der Generatorstrom wird im Speicher6 eingespeist und führt zu einer, im Falle eines Ultra Cap, ansteigenden Spannung. Ist der Verzögerungsvorgang zu Ende, erfolgt über das Powermanagement13 eine Abschaltung des Generators1 ,4 . Die eingespeiste Energie wird nun vorwiegend über den DC/DC-Konverter8 in das Bordnetz9 rückgespeist. Dies erfolgt so lange bis das Powermanagement13 etwa gleiche Spannungsniveaus zwischen den Eingangsleitungen10 vom Ultra Cap6 und17 von der Batterie14 und18 und vom Bordnetz erkennt. Dann wird der Schalter7 bei nahezu stromlosem Zustand geschlossen und anschließend der Generator1 ,4 wieder eingeschaltet, wobei der Generatorregler4 so gesteuert wird, dass eine der Bordnetzspannung entsprechende Spannung anliegt. Die Höhe der Spannung kann z. B. abhängig sein vom Ladezustand der Batterie14 . Über das strommessende Glied15 kann erfasst werden, ob während der Rekuperation Batteriestrom entnommen wird, wenn der DC-Konverter8 nicht ausreichend Strom liefert. In diesem Fall kann die Spannung erhöht werden bis der Ladungsausgleich hergestellt ist. Hier kann auch einfach überprüft werden, ob die Batterie voll geladen ist, wenn z. B. an der oberen Spannungsgrenze der Batterie, z. B. 14V, kein Strom mehr fließt. Dies ist auch zugleich die Nennspannung des Bordnetzes und des Generatorreglers4 . Die Zyklenbelastung der Batterie14 kann während der Rekuperation auch reduziert werden, indem die Hochstromverbraucher entsprechend gesteuert werden. Der DC/DC-Konverter8 kann vereinfacht werden, indem er für die Richtung der Rückspeisung als Schaltregler ausgeführt wird, indem er so lange Strom vom Speicher6 einspeist bis die oben beschriebene obere Spannungsgrenze über die Leitung18 dem Powermanagement13 gemeldet wird. Nach Absinken der Spannung wird er jeweils wieder eingeschaltet. Als Dämpfungsglied kann in der Versorgungsleitung9 des Bordnetzes ein nicht eingezeichneter Kondensator verwendet werden. Bei Verwendung eines ISG/RSG kann die im Speicher eingespeiste Energie auch zur Unterstützung des Vortriebs des Verbrennungsmotors eingesetzt werden. Da diese Unterstützung aber einen schlechteren Wirkungsgrad als der DC/DC-Konverter8 hat, wird der Verbrauch durch das Bordnetz9 ,11 bevorzugt. - Zum Starten des Fahrzeugs kann der DC/DC-Konverter
8 im Gegenbetrieb als Spannungshochsetzer verwendet werden, um den Starter2 mit höherer Spannung zu versorgen, damit z. B. die Startdrehzahl erhöht wird. Dieser Betrieb kann z. B. bei Fahrzeugstillstand erfolgen. Sollte die Batterie14 nach langem Fahrzeugstillstand leer sein, so dass ein Fremdstart über einen Anschluss16 notwendig wird, so kann direkt z. B. mit normaler Spannung oder über den DC/DC-Konverter8 mit erhöhter Spannung aus dem Ultra Cap6 die Batterie entlastet werden. Diese Möglichkeiten zeigen auf, dass beim Startvorgang über den Ultra Cap6 die Batterie entlastet werden kann und infolge des niedrigen Innenwiderstandes des Ultra Cap kein nennenswerter Spannungseinbruch erfolgt, selbst wenn ohne Aufladung auf höhere Spannung gestartet wird. Bei diesem Vorgang wird über den Schalter7 die Batterie und das Bordnetz abgetrennt. - Die Batterie
14 wird dementsprechend nur während der Rekuperation belastet, wenn der DC/DC-Konverter8 die Verbraucherströme nicht abdeckt und zum Aufladen des Ultra Cap6 zum Starten. Die hierbei benötigten Ströme sind ca. 1/5 des üblichen Stroms. Somit kann die Batterie z. B. hinsichtlich Innenwiderstand, Zyklenbelastung und Anschlusskabel erheblich günstiger dimensioniert werden. Dadurch, dass der Energiespeicher6 , z. B. der Ultra Cap, im Normalbetrieb am Bordnetz hängt, kann er die üblichen kurzen Spitzenlasten sehr gut dämpfen. - Die gezeigte Anordnung nach
1 kann für beliebige Spannungen, z. B.14 ,28 oder 42V verwendet werden mit entsprechender Dimensionierung der Komponenten. Bevorzugt werden 14V und gegebenenfalls 28V, da bei dieser Spannung (28V) die Lichtbogenproblematik entfällt und die Technik des NFZ-Bordnetzes eingesetzt werden kann, so dass die Umstellungskosten weniger hoch sind. -
2 zeigt eine Alternative mit einem Umschalter19 anstelle des Trennschalters7 der1 . Die restlichen Komponenten und Anschlüsse, wie6' ,10' ,16' sind identisch mit1 . Der Vorteil des Umschalters19 besteht darin, dass z. B. gegen Fahrtende schon der Speicher6' aufgeladen werden kann. Außerdem kann er bei der Rückspeisung bereits den Generator1' an das Bordnetz schalten, um höhere Verbraucherströme als der DC/DC-Konverter liefern kann auszugleichen. Damit wird die Batterie noch weniger belastet. Hinsichtlich des Spannungsbereichs gelten dieselben Spannungen wie bei1 . Die Schaltung des Umschalters19 ist zur Rekuperation identisch mit dem Schalter7 in1 . Nur wenn der Speicher6' gegen Fahrtende leer, das heißt im Bereich der Bordnetzspannung ist, erfolgt ein Umschalten und der Generator lädt den Speicher6' auf die gewünschte Startspannung. -
3 zeigt eine Alternative, in der anstelle des Schalters eine andere Schalterkonfiguration20 (Öffner und Schließer) eingesetzt wird, mit der jedoch die gleichen Schaltvorgänge wie mit dem Umschalter der2 vorgenommen werden. Diese Schalter20 müssen auch hier bei Bremsbeginn, also zu Beginn der Rekuperation beide umgeschaltet werden. Bevorzugt werden Relais als Schalter wegen der geringeren Verlustleistung bei höheren Strömen als z. B. Mosfets. Es können aber auch Halbleiterschalter verwendet werden. Es ist hier noch ein weiterer Schalter21 zur Abtrennung der Batterie vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass im Normalfall das Bordnetz9" mit überhöhter Spannung des Generators, bzw. des DC-Konverters gefahren werden kann. Damit sind die Strombelastungen kleiner und die Wirkungsgrade besser. Da hier die Batterie als Puffer fehlt, muss hier ein Dämpfungskondensator22 eingesetzt werden. Der Fremdstartanschluss16'' kann hier wie bei der2 hinter dem Schalter (links vom Schalter) angeschlossen sein. Die Batterie wird nur während der Rekuperation und zum Aufladen des Ultra Cap bei Fahrzeugstillstand oder bei Generatorausfall eingeschaltet. Hinsichtlich der Spannungsbereiche gilt dasselbe wie bei1 . - Alle drei Ausführungen entsprechend
1 bis3 sind hinsichtlich des Bordnetzes Ein-Spannungskonzepte. -
4 zeigt eine Version mit einem Zwei-Spannungsbordnetz23 und24 , wobei24 ein Niederspannungsbordnetz sein kann. Auch hier sind Dämpfungskondensator22' und Batterietrennschalter21' notwendig. Die Verbraucher26 und27 sind den entsprechenden Bordnetzen23 und24 zugeordnet. Das Powermanagement13 erhält über den Bus12' die entsprechenden Informationen. - Der Vorteil dieser Version liegt in der größeren Spreizung der Spannungen für Hochstromverbraucher und Komponenten und Systeme, die mit kleineren Spannungen günstiger zu gestalten sind. Hier bietet sich eine Ausbildung mit 42 und 12 V an. Ein weiterer DC/DC-Konverter
25 versorgt hier das Bordnetz24 . Dieser ist vorteilhaft bidirektional auszubilden, als Redundanz zum Konverter8' . Wenn dieser ausfällt kann der Ultra Cap über den DC/DC-Konverter25 und Schalter T geladen werden. -
5 zeigt eine weitere Version eines Zwei-Spannungsbordnetzes23' und24' , wobei das Bordnetz24' nur relativ wenige, für eine niedrige Spannung prädestinierte Verbraucher, insbesondere Ruhestromverbraucher, beinhaltet. Der DC/DC-Konverter 25' kann hier ähnlich wie in1 beschrieben als einfacher spannungsgeführter Schaltregler mit einem kleinen Pufferkondensator26 ausgeführt werden. - Der Batterietrennschalter
27 kann entsprechend der Beschreibung von1 und3 entweder verwendet oder weggelassen werden. Als Spannungsbereiche bietet sich 14/3-5V, 28/3-5V, 42/3-5V an. - Bei den oben beschriebenen Lösungen wird die gewonnene, eingespeiste Energie dem Motor, insbesondere über den DC-Konverter, dem Bordnetz und gegebenenfalls dem Motor zugeführt. Zum sogenannten Boosten über eine gewisse Zeit, z. B. 20s oder zur Konstantfahrt bei geringer Geschwindigkeit reicht der verwendete Ultra Cap oder auch der Generator sollte größer 6KW dimensioniert sein. Bekanntlich benötigt ein Fahrzeug bei geringen Geschwindigkeiten, z. B. bei Stop and Go-Betrieb eine kleine Leistung. Gerade hier ist aber der motorische Wirkungsgrad nur 30% oder weniger des optimalen Wirkungsgrads, sodass hier das Fahren mittels Elektromotor viel günstiger wäre. Im europäischen Fahrzyklus sind viele Anteile mit Konstantfahrt ent halten. Um ein Fahren mit Elektromotor zu realisieren ist jedoch ein größerer Speicher notwendig, welcher vorzugsweise eine Batterie, z. B. in NiMH-Technologie (Nickel Metall Hybrid) sein kann.
- Andererseits ist der Wirkungsrad des Kraftfahrzeugmotors bei höherer Last am günstigsten. Es ist daher günstig hier den Speicher zu laden. Die weiter Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, weitere Speicher vorzusehen und eine Lade- und Entladestrategie für diese vorzuschlagen. Diese besteht aus sechs Phasen, nämlich:
- 1. Einspeisung der Fahrzeugenergie beim Verzögern
- 2. Laden des oder der Speicher bei gutem Motorwirkungsgrad
- 3. Entladen zum Boosten oder Fahren mittels Elektromotor oder Rückspeisung über DC-Konverter in Bordnetz
- 4. Speisung des Bordnetzes über den Generator
- 5. Starten des Verbrennungsmotors
- 6. Startvorbereitung
- Wenn Phase
3 nur angewendet wird zur Versorgung des Bordnetzes, genügt ein kleiner Speicher und dieser kann wieder ein Ultra Cap sein. Hierbei ist der zweite Speicher (Ultra Cap) deshalb sinnvoll, weil z. B. bei einer Fahrzeugbeschleunigung und bei höherer Geschwindigkeit der Motor den besseren Wirkungsgrad hat und diesen Speicher laden kann. Da anschließend in der Regel das Fahrzeug verzögert wird, muss der erste Speicher möglichst leer sein, um die Verzögerungsenergie aufnehmen zu können. Das Fahren mit Elektromotor erfordert jedoch eine Batterie, da hierzu viel Energie notwendig ist. - Gesteuert wird die Einschaltung der einzelnen Phasen durch ein Powermanagement und verschiedene von diesem gesteuerten Schaltern, die das Bordnetz, die Speicher und den Generator, bzw. den Elektromotor miteinander verknüpfen.
- In
6 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Weiterbildung der Erfindung gezeigt, das weitgehend der1 entspricht und sich nur dadurch von dieser unterscheidet, dass ein weiterer Speicher60 , z. B. eine Batterie vorgesehen ist, die über einen Schalter61 an den hier als integrierten Startergenerator62 ausgebildeten Ge nerator angeschaltet ist. Dieser kann über den Pulswechselrichter62a vom Powermanagement13' zwischen Generator, Motor und Startbetrieb umgeschaltet werden. Gegebenenfalls zusätzlich kann auch noch ein Schalter63 in die Leitung von Generator62 zum Ultra Cap6' vorgesehen sein. Die mit1 identischen Bauteile tragen die dort verwendeten Bezugszeichen mit einem '. Die verwendeten Schalter sind vorzugsweise Halbleiterschalter. Dem Powermanagement13' werden die zur Durchführung der Umschaltung der Schalter notwendigen Informationen, wie Ladezustand der Speicher und Strom und/oder Spannungen an einzelnen Punkten mitgeteilt, was nur teilweise durch Leitungen eingezeichnet ist. - Das vollkommene Powermanagement wirkt über die Verbindungen y auf die Motor- und Bremssteuerung ein und berücksichtigt die Wirkung des ISG mit seiner Leistung, ähnlich wie in der
DE 102 13 105 A1 beschrieben. - Die Lösung der
6 weist drei Speicher auf; das Bordnetz11' wird z. B. bei 14V betrieben. Der Ultra Cap wird bis zu 30V aufgeladen und entsprechend wird mit dieser Spannung gestartet. Die Batterie60 weist eine Spannung von 24–28V auf. - Für die oben aufgeführten sechs Phasen sind Schalterstellungen 0/1 notwendig, die in der folgenden Tabelle aufgelistet sind. Die Bezeichnungen DC/DC1 bzw. DC/DC2 bedeuten, dass der Gleichspannungswandler bidirektional ist und bei DC/DC1 in Richtung zum Bordnetz
11 und bei DC/DC2 in Richtung zum Ultra Cap6' arbeitet. - In Phase 1 muss auf jeden Fall Schalter
63 geschlossen sein, um die bei der Verzögerung gewonnene Energie im Ultra Cap6' zu speichern. Über den DC/DC1 Konverter wird das Bordnetz11' versorgt. Gegebenenfalls kann auch in den Speicher60 geladen werden; dann ist auch Schalter61 geschlossen. (1) - In Phase 2, die bei gutem Wirkungsgrad des Kraftfahrzeugmotors vorliegt werden insbesondere die Speicher
60 geladen, das heißt der Schalter61 wird geschlossen. Abhängig von dem Ladezustand des Ultra Cap63 kann auch dieser mitgeladen werden. (Schalter63 ist dann ebenfalls geschlossen). - In Phase 3 wird der Startergenerator als Motor betrieben und vom Speicher
60 gespeist, das heißt Schalter61 ist geschlossen. Gegebenenfalls kann auch der Ultra Cap6' zum Antrieb beitragen, also auch Schalter63 geschlossen werden. - In Phase 4 speist der Generator
62 das Bordnetz11' über Schalter7' . Auch der Ultra Cap6' kann zur Versorgung beitragen. - Bei Starten des Verbrennungsmotors (Phase 5) wird der Schalter
63 geschlossen und bei nicht ausreichend geladenem Ultra Cap6' wird der Speicher60 zugeschaltet: (Schalter61 = 1) In Phase6 der Startvorbereitung kann der Ultra Cap6' über DC/DC2 von der Batterie14' aufgeladen werden, wozu Schalter63 geschlossen sein muss. - Für die Auslegung der Speicher gibt es zwei Möglichkeiten:
- – Wird eine Energiespeicherung bei gutem Motorwirkungsgrad für ein späteres Fahren mit Elektromotor mit nahezu konstanter Geschwindigkeit und für die Bordnetzversorgung vorgenommen, so wird ein relativ großer zusätzlicher Speicher gebraucht.
- – Wird die bei gutem Motorwirkungsgrad gespeicherte Energie vorwiegend nur zur Bordnetzversorgung bei Konstantfahrt benutzt, so kommt man mit einem relativ kleinen Speicher aus.
- Beim Ausführungsbeispiel der
7 ist im Gegensatz zu6 die Batterie14' entfallen, und dort ein Dämpfungskondensator70 angeschaltet, der DC/DC-Wandler8'' ist nur unidirektional ausgebildet und auch der Schalter63 der6 ist entfallen. In diesem Fall werden also nur zwei Speicher60' und6" verwendet. Das Bordnetz11" wird hier mit 24 bis 28V betrieben und auch die Batterie60' weist diesen Spannungsbereich auf. Der Ultra Cap6" wird bei der Rekuperation auf 24 bis 48V aufgeladen und seine Spannung muss im Falle der Netzversorgung mittels des DC/DC-Wandlers8'' entsprechend herabgesetzt werden. Hier muss bei Ausfall des Generators62' die Batterie60' die Bordnetzversorgung übernehmen. Mittels des Strom messglieds71 wird wie schon in6 der Ladezustand der Batterie60' bestimmt und dem Powermanagement13 mitgeteilt. - Beim Ausführungsbeispiel der
8 , das weitgehend der7 entspricht, ist lediglich ein zweiter unidirektionaler DC/DC-Wandler80 vorgesehen, über den vor einem Neustart der Ultra Cap6''' auf 24 bis 48V aufgeladen werden kann, so dass im Gegensatz zu7 mit einer hohen Spannung gestartet werden kann. -
9 zeigt die Anordnung des Bordnetzes, z. B. entsprechend1 , im Fahrzeug28 . Die aus dieser1 übernommenen Teile sind der Ultra Cap29 , der DC/DC-Konverter30 und der Schalter31 . Diese sind vorteilhaft, wie gezeigt, an den Ultra Cap29 angebaut und alle sind im Fußraum, insbesondere der Beifahrerseite unterbracht. Der elektrische Anschluss an den Generator32 und den Starter33 (alternativ ISG/RSG) erfolgt über die Leitung35 . Das Bordnetz z. B. die Bordnetzsteuergeräte34 und34' vorn und38 und38' hinten sind über die elektrische Zuleitung35' angeschaltet, die auch zur Batterie36 führt. Um einen Kurzschluss auf der Batterieleitung zu vermeiden, kann hier ein Batterietrennschalter37 eingesetzt werden, der zugleich auch die Funktionen der Trennschalter21 ,21' , bzw.27 der3 ,4 , und5 übernehmen kann. - Entsprechend den oben bereits beschriebenen Vorteilen kann die Batterie
36 mit einem relativ geringen Querschnitt der Leitung35' angeschaltet werden und außerdem ist sie für die Gewichtsverteilung optimal platziert. Dadurch, dass die Batterie wenig beansprucht wird, ist auch die durchschnittliche Strombelastung im Innenraum sehr klein, was aus gesundheitlichen Gründen von Bedeutung ist. -
10 zeigt eine der9 nahezu identische Anordnung mit den Komponenten29' ,34'' ,35'' und36' . Hier ist jedoch ein Umschaltrelais40 eingesetzt, welches eine Mittelstellung besitzt und eine Betätigung41 mit zwei Elektromagneten besitzt. Diese Mittelstellung hat den Vorteil, dass bei Crash oder Kurzschluss der Ultra Cap abgekoppelt werden kann. - Die oben erwähnte Sp-Box ist aus der Patentanmeldung 10243970.2 bekannt.
-
11 zeigt eine gegenüber den4 und5 andere Versorgung des Nebenbordnetzes. Hier ist anstelle eines Gleichspannungskonverters ein Schaltregler als Versorgungseinheit für das Nebenbordnetz vorgesehen. Das Hauptbordnetz ist in8a nur aus Generator30 , Batterie31 und der Versorgungsleitung32 bestehend dargestellt. Das Hauptbordnetz kann, wie oben bereits ausgeführt, eine Spannung von 12, 24 oder 42V aufweisen. Die übrigen in den1 bis5 beschriebenen Komponenten des Hauptbordnetzes, insbesondere der Energiespeicher und der Gleichstromkonverter müssen hier nicht verwendet werden. Das Nebenbordnetz besteht hier aus Steuergeräten33 bis35 , die angeschlossene Verbraucher bedienen. Zwischen der Leitung32 und den Steuergeräten33 bis35 sind aus Redundanzgründen zwei Schaltverstärker, z. B. zwei Mosfets36 eingeschaltet und ein Kondensator37 , der gegebenenfalls ein kleiner Energiespeicher sein kann, angeschaltet. Die Schaltverstärker36 werden von dem Steuergerät33 bei Erreichen einer unteren Spannung U1 eingeschaltet und bei Erreichen einer oberen Spannung U2 ausgeschaltet. Am Kondensator37 bildet sich die in8b dargestellte Sägezahnspannung UKond aus., die z. B. zwischen 3 und 6V schwanken kann. Die im Nebenbordnetz versorgten Verbraucher sind Verbraucher geringer Leistung und insbesondere Ruhestromverbraucher, für die eine solche Betriebsspannung optimal ist.
Claims (33)
1) Kraftfahrzeug mit einem vom Kraftfahrzeugmotor
angetriebenen Generator (1 ), einem Starter (2 )
(vorzugsweise einem kombinierten Startergenerator), einem Energiespeicher
(6 ), wenigstens einem Bordnetz (Hauptbordnetz 9 ),
einer Batterie (14 ), einem Gleichstromkonverter (8 )
zwischen dem Energiespeicher (6 ) und dem Bordnetz (9 )
und einem Schalter (7 ) zur Trennung des Bordnetzes (9 )
vom Generator (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass
der Generator (1 ) direkt mit dem Energiespeicher (6 )
verbunden ist, dass bei Beginn der Rekuperation der Schalter (7 )
geöffnet
wird und bis zum Abbau der Spannung des Energiespeichers (6 )
auf etwa die Bordnetzspannung geöffnet
bleibt, und dass bei geöffnetem
Schalter (7 ) der Gleichstromkonverter (8 ) und
gegebenenfalls die Batterie die Bordnetzversorgung übernimmt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Gleichstromkonverter (8 ) bidirektional ist und
auch zum Laden des Energiespeichers (6 ) aus der Batterie
(14 ) dient.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass das Bordnetz (9 ) ein Niederspannungsbordnetz ist und
die Batterie (14 ) direkt mit dem Bordnetz (9 )
verbunden ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der Schalter ein Umschalter (19 ) oder eine Schalterkombination
(20 ) ist, der/die in seiner einen Stellung den Generator
(1 ) mit dem Bordnetz (9 ) und in seiner zweiten
Stellung den Generator (1 ) mit dem Energiespeicher (6' ) verbindet
und dass der Umschalter (19 )/die Schalterkombination (20 )
ab Beginn der Rekuperation bis zum Abbau der Spannung des Energiespeichers
(6 ) auf etwa die Bordnetzspannung in seiner zweiten Stellung
geschaltet bleibt.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Batterie (14 ) vom Bordnetz (9 ) abtrennbar
ist und bei Fahrzeugstillstand und/oder bei Ausfall von Komponenten
wie z. B. des Generators (1 ) und/oder des Energiespeichers
(6 ) mit dem Bordnetz (9' ) verbunden wird. Fahrzeug nach
einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Nebenbordnetz (24 )
für Niederleistungsverbraucher (27 )
mit geringerem Spannungsbedarf als das Hauptbordnetz verwendet wird,
welches von einem weiteren Gleichspannungskonverter (25 )
aus dem Hauptbordnetz versorgt wird.
Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass der weitere Gleichspannungskonverter (25 ) bidirektional
ausgebildet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Batterie (14' )
diesem Nebenbordnetz (24 ) zugeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
dass dieses Nebenbordnetz von der Batterie (14' ) getrennt ist
und einen kleinen Energiespeicher (26 ), z. B. Kondensator
aufweist.
Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass der weitere Gleichspannungskonverter (25 , 25' ) durch einen
Schalter (21' , 27 ) überbrückbar ist,
der zum Laden des Energiespeichers bei Fahrzeugstillstand und/oder
zum Notstart mittels der Batterie (14' ) geschlossen wird.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass der Gleichstromkonverter (8 , 8' , 25 , 25' ) zumindest
in einer Richtung als Schaltregler ausgebildet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass an die Versorgungsleitung (9 ) des Bordnetzes ein Dämpfungskondensator
(22 ) angeschaltet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Batterie wenigstens ein über einen weiteren Schalter
(61 ) an den Generator (62 ) anschaltbare Batterie
(60 ) oder wenigstens ein zweiter Energiespeicher ist und
dass diese Batterie (60 ) oder dieser Energiespeicher bei
Fahren mit gutem Wirkungsgrad des Kraftfahrzeugmotors und gegebenenfalls
zusätzlich
bei Fahrzeugverzögerung
aufgeladen und zum zusätzlichen
Antreiben des Fahrzeugs bei starker Fahrzeugbeschleunigung (Boosten)
und/oder zum Fahren bei schlechtem Wirkungsgrad des Kraftfahrzeugmotors
mit Elektromotor, vorzugsweise dem zum Motor umgeschalteten Generator
(62 ) entladen wird.
Fahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich
der (erste) Energiespeicher (6' ) bei guten Wirkungsgrad des Kraftfahrzeugmotors
aufgeladen wird.
Fahrzeug nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine Batterie (60 ) oder der wenigstens
eine zusätzliche
Energiespeicher wenigstens zeitweise auch zur Versorgung des Bordnetzes
(11' ) dient.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
dass eine weiter Batterie (14' ) vorgesehen ist, die zeitweise
zur Bordnetzversorgung und/oder zum zeitweisen Laden des ersten
Energiespeichers (6' )
dient.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
dass die Feststellung des Fahrzeugzustands (z. B. Wirkungsgrad)
und des Ladezustands der Speicher (60 , 6' , 14' ) mittels eines
Powermanagements (13' ) überprüft und die
daraus resultierende Umschaltung von diesem Powermanagement (13' ) ausgelöst wird.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
dass der Generator und der Starter als integrierter Startergenerator
(62 ) (ISG), der Kurbelwellen- oder riemengetrieben ist,
ausgebildet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
dass der ISG eine Kupplung zum Kraftfahrzeugmotor aufweist.
Fahrzeug nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
dass eine zweite Kupplung zum Getriebe vorgesehen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
dass bei Anwendung einer elektromagnetischen oder hydraulischen
Ventilsteuerung die Ventile zeitweise auf Öffnungen zum Motorfreilauf
geschaltet werden.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
dass vier unterschiedliche Teilbordnetze zur Anwendung kommen, nämlich
– eines
mit relativ niedriger Spannung für
die Verbraucher (11' )
(z. B. 12 bis 15V)
– eines
für den
Elektroantrieb und dessen Batterie (60 , 62 ) (z.
B. 24 bis 28V)
– eines
für den
Ultra Cap (6' )
(12 bis 30V)
– und
eines für
den Start. (12 bis 30V)
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
dass drei unterschiedliche Teilbordnetze zur Anwendung kommen, nämlich
– eines
für die
Verbraucher (11'' ) und den Elektroantrieb
(60'' , 62'' ) ( z. B. 24–28V)
– eines für den Ultra Cap (6''' )
(z. B. 24–48V)
– eines
für den
Starter. (z. B. 24–28V.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
dass zwei unterschiedliche Teilbordnetze zur Anwendung kommen, nämlich
– eines
für die
Verbraucher (11'' ), den Elektroantrieb
(60' , 62' ) und den Start
(z. B. 24–28V)
– und eines
für den
Ultra Cap (6'' )
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis
24, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (29 , 29' ) eine möglichst
kurze elektrische Verbindung (35 ) zum Generator (32 )
und Starter (33 ) aufweist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet,
dass der Energiespeicher (29 , 29' ) im Fußraum des Fahrzeugs (28 )
angeordnet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
dass die Batterie (36 , 36' ) zur optimalen Gewichtsverteilung
im Kofferraum angeordnet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
dass der Schalter(31 , 40 ), der Gleichspannungskonverter
(30 ) und der Energiespeicher (29 , 29' ) zu einer Einheit
zusammengebaut sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrische Leitung (35' , 35'' )
zur Batterie (36 , 36' ) für den Startstrom im Querschnitt
zu gering dimensioniert ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
dass Batterie (36 ) und der Energiespeicher (29 )
durch Trennschalter (37 ) vor Kurzschluss geschützt sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
dass bei Ausbildung des Schalters als Umschalter, gemäß Anspruch
4, der Umschalter (40 ) eine neutrale Mittelstellung aufweist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet,
dass der Energiespeicher (29 , 29' ) und die Batterie mit einem in
direkter Nähe
angeordneten Bordnetzsteuergerät
verbunden sind.
Fahrzeug nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet,
dass der Energiespeicher und die Batterie mit einer in direkter
Nähe angeordneten
SP-Box verbunden sind.
Fahrzeug mit einem Hauptbordnetz (32 ) und
einem Nebenbordnetz (33 bis 35 ) wobei dem Nebenbordnetz
Niederleistungsverbraucher (33 bis 35 ) mit geringerem
Spannungsbedarf als denen des Hauptbordnetzes (32 ) zugeordnet
sind, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
dass das Nebenbordnetz (33 bis 35 ) vom Hauptbordnetz
(32 ) über
einen Schaltregler (36 , 37 ) versorgt wird und
dass die Niederleistungsverbraucher vorzugsweise Ruhestromverbraucher
sind.
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