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 bis 5 unterschiedliche Lösungen für den Antrieb
  • 6 bis 8 unterschiedliche Lösungen für den Antrieb mit einem zusätzlichen Speicher
  • 9 und 10 vorteilhafte Installationsmöglichkeiten der Konzepte im Fahrzeug
  • 11 die Ausbildung der Versorgung eines Nebenbordnetzes
  • 1 beschreibt den Aufbau des Konzeptes mit einem Generator 1 mit Generatorregler 4, einem Starter 2 und einem Startschalter 3. 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 Generatorregler 4 (oder PWR) führt und über die dieser von einem Powermanagement 13 gesteuert wird. 6 ist ein Energiespeicher, z. B. Mehrschichtkondensator oder Ultra Cap. Mit 7 ist ein Schalter bezeichnet, welcher bei Rekuperation das Bordnetz abtrennt; 8 ist ein bidirektionaler DC/DC-Konverter und 9 eine Versorgungsleitung des Bordnetzes, welche zu Verbrauchern 11a bis 11z und über ein strommessendes Glied 15 (Shunt) zu einer Batterie 14 führt. Das Powermanagement 13 erhält über weitere Leitungen 10, 17, 18 weitere Eingangs- und Steuergrößen, wie die Spannung am Speicher 6, die Spannung der Batterie 14 und die Bordnetzspannung. Über eine Busleitung 12 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 Busleitung 12 dem Powermanagement 13 mitgeteilt, was zum Öffnen des Schalters 7 führt. Über die Steuerleitung 5 wird der Generator 1, 4 auf im Regelfall volle Leistung geschaltet. Die Aufteilung der Bremswirkung zwischen Generator und Bremsmanagement erledigt das Powermanagement 13. Der Generatorstrom wird im Speicher 6 eingespeist und führt zu einer, im Falle eines Ultra Cap, ansteigenden Spannung. Ist der Verzögerungsvorgang zu Ende, erfolgt über das Powermanagement 13 eine Abschaltung des Generators 1, 4. Die eingespeiste Energie wird nun vorwiegend über den DC/DC-Konverter 8 in das Bordnetz 9 rückgespeist. Dies erfolgt so lange bis das Powermanagement 13 etwa gleiche Spannungsniveaus zwischen den Eingangsleitungen 10 vom Ultra Cap 6 und 17 von der Batterie 14 und 18 und vom Bordnetz erkennt. Dann wird der Schalter 7 bei nahezu stromlosem Zustand geschlossen und anschließend der Generator 1, 4 wieder eingeschaltet, wobei der Generatorregler 4 so gesteuert wird, dass eine der Bordnetzspannung entsprechende Spannung anliegt. Die Höhe der Spannung kann z. B. abhängig sein vom Ladezustand der Batterie 14. Über das strommessende Glied 15 kann erfasst werden, ob während der Rekuperation Batteriestrom entnommen wird, wenn der DC-Konverter 8 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 Generatorreglers 4. Die Zyklenbelastung der Batterie 14 kann während der Rekuperation auch reduziert werden, indem die Hochstromverbraucher entsprechend gesteuert werden. Der DC/DC-Konverter 8 kann vereinfacht werden, indem er für die Richtung der Rückspeisung als Schaltregler ausgeführt wird, indem er so lange Strom vom Speicher 6 einspeist bis die oben beschriebene obere Spannungsgrenze über die Leitung 18 dem Powermanagement 13 gemeldet wird. Nach Absinken der Spannung wird er jeweils wieder eingeschaltet. Als Dämpfungsglied kann in der Versorgungsleitung 9 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-Konverter 8 hat, wird der Verbrauch durch das Bordnetz 9, 11 bevorzugt.
  • Zum Starten des Fahrzeugs kann der DC/DC-Konverter 8 im Gegenbetrieb als Spannungshochsetzer verwendet werden, um den Starter 2 mit höherer Spannung zu versorgen, damit z. B. die Startdrehzahl erhöht wird. Dieser Betrieb kann z. B. bei Fahrzeugstillstand erfolgen. Sollte die Batterie 14 nach langem Fahrzeugstillstand leer sein, so dass ein Fremdstart über einen Anschluss 16 notwendig wird, so kann direkt z. B. mit normaler Spannung oder über den DC/DC-Konverter 8 mit erhöhter Spannung aus dem Ultra Cap 6 die Batterie entlastet werden. Diese Möglichkeiten zeigen auf, dass beim Startvorgang über den Ultra Cap 6 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 Schalter 7 die Batterie und das Bordnetz abgetrennt.
  • Die Batterie 14 wird dementsprechend nur während der Rekuperation belastet, wenn der DC/DC-Konverter 8 die Verbraucherströme nicht abdeckt und zum Aufladen des Ultra Cap 6 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 Energiespeicher 6, 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 Umschalter 19 anstelle des Trennschalters 7 der 1. Die restlichen Komponenten und Anschlüsse, wie 6', 10', 16' sind identisch mit 1. Der Vorteil des Umschalters 19 besteht darin, dass z. B. gegen Fahrtende schon der Speicher 6' aufgeladen werden kann. Außerdem kann er bei der Rückspeisung bereits den Generator 1' 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 bei 1. Die Schaltung des Umschalters 19 ist zur Rekuperation identisch mit dem Schalter 7 in 1. Nur wenn der Speicher 6' gegen Fahrtende leer, das heißt im Bereich der Bordnetzspannung ist, erfolgt ein Umschalten und der Generator lädt den Speicher 6' auf die gewünschte Startspannung.
  • 3 zeigt eine Alternative, in der anstelle des Schalters eine andere Schalterkonfiguration 20 (Öffner und Schließer) eingesetzt wird, mit der jedoch die gleichen Schaltvorgänge wie mit dem Umschalter der 2 vorgenommen werden. Diese Schalter 20 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 Schalter 21 zur Abtrennung der Batterie vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass im Normalfall das Bordnetz 9" 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 Dämpfungskondensator 22 eingesetzt werden. Der Fremdstartanschluss 16'' kann hier wie bei der 2 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 bei 1.
  • Alle drei Ausführungen entsprechend 1 bis 3 sind hinsichtlich des Bordnetzes Ein-Spannungskonzepte.
  • 4 zeigt eine Version mit einem Zwei-Spannungsbordnetz 23 und 24, wobei 24 ein Niederspannungsbordnetz sein kann. Auch hier sind Dämpfungskondensator 22' und Batterietrennschalter 21' notwendig. Die Verbraucher 26 und 27 sind den entsprechenden Bordnetzen 23 und 24 zugeordnet. Das Powermanagement 13 erhält über den Bus 12' 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 Bordnetz 24. Dieser ist vorteilhaft bidirektional auszubilden, als Redundanz zum Konverter 8'. Wenn dieser ausfällt kann der Ultra Cap über den DC/DC-Konverter 25 und Schalter T geladen werden.
  • 5 zeigt eine weitere Version eines Zwei-Spannungsbordnetzes 23' und 24', wobei das Bordnetz 24' nur relativ wenige, für eine niedrige Spannung prädestinierte Verbraucher, insbesondere Ruhestromverbraucher, beinhaltet. Der DC/DC-Konverter 25' kann hier ähnlich wie in 1 beschrieben als einfacher spannungsgeführter Schaltregler mit einem kleinen Pufferkondensator 26 ausgeführt werden.
  • Der Batterietrennschalter 27 kann entsprechend der Beschreibung von 1 und 3 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 der 1 entspricht und sich nur dadurch von dieser unterscheidet, dass ein weiterer Speicher 60, z. B. eine Batterie vorgesehen ist, die über einen Schalter 61 an den hier als integrierten Startergenerator 62 ausgebildeten Ge nerator angeschaltet ist. Dieser kann über den Pulswechselrichter 62a vom Powermanagement 13' zwischen Generator, Motor und Startbetrieb umgeschaltet werden. Gegebenenfalls zusätzlich kann auch noch ein Schalter 63 in die Leitung von Generator 62 zum Ultra Cap 6' vorgesehen sein. Die mit 1 identischen Bauteile tragen die dort verwendeten Bezugszeichen mit einem '. Die verwendeten Schalter sind vorzugsweise Halbleiterschalter. Dem Powermanagement 13' 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 Bordnetz 11' wird z. B. bei 14V betrieben. Der Ultra Cap wird bis zu 30V aufgeladen und entsprechend wird mit dieser Spannung gestartet. Die Batterie 60 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 Cap 6' arbeitet.
  • Figure 00090001
  • In Phase 1 muss auf jeden Fall Schalter 63 geschlossen sein, um die bei der Verzögerung gewonnene Energie im Ultra Cap 6' zu speichern. Über den DC/DC1 Konverter wird das Bordnetz 11' versorgt. Gegebenenfalls kann auch in den Speicher 60 geladen werden; dann ist auch Schalter 61 geschlossen. (1)
  • In Phase 2, die bei gutem Wirkungsgrad des Kraftfahrzeugmotors vorliegt werden insbesondere die Speicher 60 geladen, das heißt der Schalter 61 wird geschlossen. Abhängig von dem Ladezustand des Ultra Cap 63 kann auch dieser mitgeladen werden. (Schalter 63 ist dann ebenfalls geschlossen).
  • In Phase 3 wird der Startergenerator als Motor betrieben und vom Speicher 60 gespeist, das heißt Schalter 61 ist geschlossen. Gegebenenfalls kann auch der Ultra Cap 6' zum Antrieb beitragen, also auch Schalter 63 geschlossen werden.
  • In Phase 4 speist der Generator 62 das Bordnetz 11' über Schalter 7'. Auch der Ultra Cap 6' kann zur Versorgung beitragen.
  • Bei Starten des Verbrennungsmotors (Phase 5) wird der Schalter 63 geschlossen und bei nicht ausreichend geladenem Ultra Cap 6' wird der Speicher 60 zugeschaltet: (Schalter 61 = 1) In Phase 6 der Startvorbereitung kann der Ultra Cap 6' über DC/DC2 von der Batterie 14' aufgeladen werden, wozu Schalter 63 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 zu 6 die Batterie 14' entfallen, und dort ein Dämpfungskondensator 70 angeschaltet, der DC/DC-Wandler 8'' ist nur unidirektional ausgebildet und auch der Schalter 63 der 6 ist entfallen. In diesem Fall werden also nur zwei Speicher 60' und 6" verwendet. Das Bordnetz 11" wird hier mit 24 bis 28V betrieben und auch die Batterie 60' weist diesen Spannungsbereich auf. Der Ultra Cap 6" wird bei der Rekuperation auf 24 bis 48V aufgeladen und seine Spannung muss im Falle der Netzversorgung mittels des DC/DC-Wandlers 8'' entsprechend herabgesetzt werden. Hier muss bei Ausfall des Generators 62' die Batterie 60' die Bordnetzversorgung übernehmen. Mittels des Strom messglieds 71 wird wie schon in 6 der Ladezustand der Batterie 60' bestimmt und dem Powermanagement 13 mitgeteilt.
  • Beim Ausführungsbeispiel der 8, das weitgehend der 7 entspricht, ist lediglich ein zweiter unidirektionaler DC/DC-Wandler 80 vorgesehen, über den vor einem Neustart der Ultra Cap 6''' auf 24 bis 48V aufgeladen werden kann, so dass im Gegensatz zu 7 mit einer hohen Spannung gestartet werden kann.
  • 9 zeigt die Anordnung des Bordnetzes, z. B. entsprechend 1, im Fahrzeug 28. Die aus dieser 1 übernommenen Teile sind der Ultra Cap 29, der DC/DC-Konverter 30 und der Schalter 31. Diese sind vorteilhaft, wie gezeigt, an den Ultra Cap 29 angebaut und alle sind im Fußraum, insbesondere der Beifahrerseite unterbracht. Der elektrische Anschluss an den Generator 32 und den Starter 33 (alternativ ISG/RSG) erfolgt über die Leitung 35. Das Bordnetz z. B. die Bordnetzsteuergeräte 34 und 34' vorn und 38 und 38' hinten sind über die elektrische Zuleitung 35' angeschaltet, die auch zur Batterie 36 führt. Um einen Kurzschluss auf der Batterieleitung zu vermeiden, kann hier ein Batterietrennschalter 37 eingesetzt werden, der zugleich auch die Funktionen der Trennschalter 21, 21', bzw. 27 der 3, 4, und 5 übernehmen kann.
  • Entsprechend den oben bereits beschriebenen Vorteilen kann die Batterie 36 mit einem relativ geringen Querschnitt der Leitung 35' 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 der 9 nahezu identische Anordnung mit den Komponenten 29', 34'', 35'' und 36'. Hier ist jedoch ein Umschaltrelais 40 eingesetzt, welches eine Mittelstellung besitzt und eine Betätigung 41 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 den 4 und 5 andere Versorgung des Nebenbordnetzes. Hier ist anstelle eines Gleichspannungskonverters ein Schaltregler als Versorgungseinheit für das Nebenbordnetz vorgesehen. Das Hauptbordnetz ist in 8a nur aus Generator 30, Batterie 31 und der Versorgungsleitung 32 bestehend dargestellt. Das Hauptbordnetz kann, wie oben bereits ausgeführt, eine Spannung von 12, 24 oder 42V aufweisen. Die übrigen in den 1 bis 5 beschriebenen Komponenten des Hauptbordnetzes, insbesondere der Energiespeicher und der Gleichstromkonverter müssen hier nicht verwendet werden. Das Nebenbordnetz besteht hier aus Steuergeräten 33 bis 35, die angeschlossene Verbraucher bedienen. Zwischen der Leitung 32 und den Steuergeräten 33 bis 35 sind aus Redundanzgründen zwei Schaltverstärker, z. B. zwei Mosfets 36 eingeschaltet und ein Kondensator 37, der gegebenenfalls ein kleiner Energiespeicher sein kann, angeschaltet. Die Schaltverstärker 36 werden von dem Steuergerät 33 bei Erreichen einer unteren Spannung U1 eingeschaltet und bei Erreichen einer oberen Spannung U2 ausgeschaltet. Am Kondensator 37 bildet sich die in 8b 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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