DE3717716A1

DE3717716A1 - Kraftfahrzeugbordnetz mit zwei betriebsspannungen

Info

Publication number: DE3717716A1
Application number: DE19873717716
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Ing Kahlen; Guenter Dipl Ing Neumann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-05-26
Filing date: 1987-05-26
Publication date: 1987-10-22

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, das zwei Betriebsspannungen enthält, die von einem Generator versorgt werden.

Die mittlere Bordnetzleistung eines Kraftfahrzeuges steigt ständig infolge zusätzlicher elektrischer Verbraucher. Dabei können die elektrischen Verbraucher in einem Kraftfahrzeug in drei Gruppen unterschieden werden:

- in Verbraucher, die ständig elektrische Energie benötigen,
- in Verbraucher, die über einen längeren Zeitraum elektrische Energie benötigen,
- Verbraucher, die nur kurzzeitig angeschlossen sind.

Die elektrische Energie eines Bordnetzes wird von einem Generator erzeugt, der vom Fahrmotor angetrieben wird. Ein Akkumulator stützt das Bordnetz. Bei Personenkraftwagen und kleineren Transportfahrzeugen beträgt allgemein die Bordnetzspannung nominell 12 Volt. Die Ladung eines Bleiakkumulators wird gewöhnlich bis zur Gasungsspannung durchgeführt. An den Verbrauchern liegt dann eine mittlere Batteriespannung von 13,8 V ± 0,4 V. Auf diese Spannung ist unter anderem die Beleuchtung des Kraftfahrzeuges abgestimmt.

Der weite Drehzahlbereich eines Verbrennungsmotor muß mit dem Drehzahlbereich eines Generators (Lichtmaschine) abgestimmt werden. Dabei erreicht der Generator in der Regel für Drehzahlen unter 2000 U/min nicht die mittlere Bordnetzleistung. Beim Betrieb in diesem Drehzahlbereich entsteht ein Leistungsdefizit. Im Bereich höherer Drehzahlen muß die Spannung des Generators durch Felschwächung vermindert werden. Der Generator kann somit eine mögliche höhere Leistung nicht zur Verfügung stellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch Erweiterung des Bordnetzes für Verbraucher mehr elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen und diese Leistung mit dem Generator zu erzeugen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, mit dem System eine Spannung des Bordnetzes z. B. zur Versorgung von Scheinwerfern auf eine vorgegebene Spannung auch bei Stillstand oder niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors zu regeln.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Bordnetz durch eine zweite Bordnetzspannung erweitert wird. Dieses zweite Bordnetz wird von einem zweiten Bordnetzakkumulator gestützt. Er kann wie der erste Bordnetzakkumulator eine Spannung von z. B. 12 V haben. Der Pluspol dieses zweiten Akkumulators wird mit der Fahrzeugmasse verbunden, der Minuspol wird als zweite Bordnetzspannung geführt. Es besteht somit vom Pluspol der ersten Bordnetzbatterie zum Minuspol der zweiten Bordnetzbatterie eine Nennspannung von z. B. 24 V in Personenkraftwagen und leichten Transportfahrzeugen. In Lastkraftfahrzeugen und ähnlichen Bordnetzanlagen werden z. B. entsprechend zwei 24 V Akkumulatoren eingesetzt. In dem erstgenannten Bordnetz ist es möglich, leistungsstarke Verbraucher an beiden Batterien mit zusammen 24 V zu betreiben. Weiterhin ist es möglich, die Verbraucher sowohl an 24 V als auch an 12 V d. h. in zwei Stufen zu betreiben. Von dieser Betriebsart wird häufig bei Scheibenwischermotoren und Lüftermotoren Gebrauch gemacht.

In dem beschriebenen Bordnetz mit beliebigen Verbrauchern kann nicht sichergestellt werden, daß die Akkumulatoren gleichmäßig geladen werden. In einer ersten einfachen Form wird der zweite Akkumulator mit Hilfe eines elektronischen Ladegeräts aus dem ersten Akkumulator geladen. Der Generator (Lichtmaschine) ist mit dem ersten Akkumulator verbunden. In einer erfindungsgemäßen weiteren Ausführung kann auch der erste Akkumulator mit Hilfe eines elektronischen Ladegerätes aus dem zweiten Akkumulator geladen werden. Damit besteht die Möglichkeit, den Ladezustand zwischen den beiden Batterien auszutauschen. Weiterhin kann bei einer starken Belastung des ersten Akkumulators, wie sie z. B. bei Betätigen des Anlassers vorliegt, dieser durch eine Ladung aus dem zweiten Akkumulator unterstützt werden.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, daß mit diesen Ladeschaltungen die beiden Akkumulatoren in Reihenschaltung von einem Generator geladen werden können.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Bordnetzgenerator mit Hilfe eines Umschalters bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors und somit kleiner Spannung des Generators auf den ersten Akkumulator geschaltet. Bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors kann der Generator auf die Reihenschaltung der beiden Akkumulatoren umgeschaltet werden, so daß er bei keiner oder nur geringer Feldschwächung eine wesentliche höhere Leistung liefern kann.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Umschalter durch eine Diode und einen Arbeitskontakt realisiert. Die Diode verbindet die Reihenschaltung der Akkumulatoren mit dem Bordgenerator. Hierdurch wird ein Leerlauf des Generators vermieden. Der Kontakt verbindet Fahrzeugmasse mit dem negativen Pol des Generators. Die Diode ist so gepolt, daß der zweite Akkumulator nicht kurzgeschlossen und entladen werden kann. Für diese Anordnung müssen beide Anschlüsse des Generators isoliert herausgeführt werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bilden die beiden Ladeeinrichtungen der Akkumulatoren einen Wechselrichter-Halbbrückenzweig. Durch Umschalten des Zweiges und mit Hilfe einer anderen Steuerfunktion kann zwischen dem Mittelpunkt der Batterien (Fahrzeugmasse) und dem Mittelpunkt des Halbbrückenzweiges eine Wechselspannung variabler Frequenz erzeugt werden. Mit dieser Wechselspannung ist es möglich, Wechselstromverbraucher im Kraftfahrzeug zu speisen.

In den Fig. 1-7 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 Das Prinzip des Bordnetzes mit zwei Bordnetzbatterien und verschiedenen Belastungen,

Fig. 2 eine schematische Lösung zur Ladung des zweiten Akkumulators gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Lösung zur Ladung beider Akkumulatoren

Fig. 4 die Ladung der beiden Akkumulatoren aus einem Bordnetzgenerator,

Fig. 5 die Ladung der beiden Akkumulatoren aus einem Bordnetzgenerator mit Umschaltmöglichkeit,

Fig. 6 eine einfache Darstellung der möglichen Ladeleistung in Abhängigkeit der Drehzahl des Generators,

Fig. 7 eine Kombination der Ladeeinrichtungen und der Batterien zu einem Wechselrichter.

In Fig. 1 ist mit 1 der bisher im Fahrzeug vorhandene Akkumulator gekennzeichnet. 2 ist der zusätzliche Akkumulator zur Bildung einer zweiten Bordnetzspannung. 4, 5 und 6 stellen Belastungen des Bordnetzes dar.

In Fig. 2 bilden die Elemente 7, 8 und 9 mit einer entsprechenden Steuerschaltung die Ladeeinrichtung für die Batterie 2. 7 ist ein elektronischer Schalter. Er kann aus einem Transistor, Feldeffekttransistor oder sonstigem abschaltbarem Halbleiterelement bestehen. Durch Schließen des Schalters fließt ein Strom von der Batterie 1 durch die Drosselspule 9. Der Stromanstieg in 9 wird durch die Induktivität und den ohmschen Widerstand des Bauelementes begrenzt. Nach Erreichen eines vorgegebenen höchsten Wertes wird der Schalter 7 geöffnet. Die in der Drossel 9 gespeicherte Energie erzwingt einen Strom durch die Batterie 2 und die Diode 8. Durch rasche Pulsfolge (einige 10 kHz) fließt ein nahezu konstanter Strom von der Batterie 1 in die Batterie 2. Mit reglungstechnischen Maßnahmen kann dafür gesorgt werden, daß nur dann die Batterie 2 geladen wird, wenn die Leistung des Bordgenerators höher ist als die Verbraucherleistung des Bordnetzes.

An die Batterie 2 können sowohl Verbraucher angeschlossen werden, die insgesamt eine höhere Leistung benötigen als auch solche Verbraucher, die von einem hohen Belastungsfall der Batterie 1 getrennt sein sollen. Als Beispiel ist hier die Zündung eines Kraftfahrzeuges zu nennen, die aus der Batterie 2 gespeist wird, während der Anlasser seinen Strom aus der Batterie 1 bezieht.

Fig. 3 zeigt ein Schaltschema, nach dem jeweils die eine Batterie aus der anderen geladen werden kann. 9, 10 und 11 stellen mit einer hier nicht gezeichneten Steuerschaltung die Ladevorrichtung für die Batterie 1 dar. 10 ist wiederum ein elektronischer Schalter, der durch Schließen und Öffnen in rascher Folge einem Strom über die Drosselspule 9 aus dem Akkumulator 2 zieht. Bei geöffnetem Schalter 10 fließt der Strom über die Diode 11 zur Batterie 1. Mit den elektronischen Schaltern 7 und 10 und den Dioden 8 und 11 sowie der Drosselspule 9 ist es möglich, jeweils den Ladezustand in den beiden Batterien 1 und 2 auszugleichen oder in sonstiger Weise zu verändern.

Fig. 4 zeigt, wie mit Hilfe eines Bordgenerators (Lichtmaschine) 12 die Reihenschaltung der Akkumulatoren 1 und 2 geladen werden kann. In diesem Falle muß der Generator als Ladespannung die Summe der beiden Akkumulatorspannungen haben. Wenn der Mittelpunkt der Akkumulatoren 1 und 2 mit der Fahrzeugmasse 16 verbunden ist, dann müssen die Generatoranschlüsse 17 und 18 von Fahrzeugmasse getrennt sein.

Fig. 5 zeigt die Umschaltung des Generators auf die beiden Batterien. Bei geöffnetem Schalter 13 kann der Generator 12 nur die Reihenschaltung der Akkumulatoren 1 und 2 laden. Dabei fließt der Ladestrom über die Diode 14. Für Drehzahlen, für die keine Ladung der Akkumulatoren 1 und 2 aus dem Generator 12 möglich ist, wird der Schalter 13 geschlossen und der Generator 12 auf die Spannung des Akkumulators 1 geregelt. Dieser Betrieb ist der herkömmliche Betrieb, für den der Generator bisher ausgelegt wurde. Bei höheren Drehzahlen als die Nenndrehzahl des Generator muß das Feld geschwächt werden. Der Generator liefert eine konstante Leistung P 1. Fig. 6 veranschaulicht diesen Zusammenhang. Unter der Voraussetzung der niedrigen Fahrzeugspannungen ist eine Steigerung der Generatorspannung mit nahezu jedem Fahrzeuggenerator möglich.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die elektronischen Schalter 7 und 10 und die jeweils parallel geschalteten Freilaufdioden 8 und 11 als Teil einer Halbbrückenschaltung verwendet. Wird die Verbindung zwischen der Drossel- spule 9 und dem Mittelpunkt der Batterien 16 gelöst, so kann zwischen den elektronischen Schaltern mit dem Anschluß 19 und dem Mittelpunkt der Batterien 16 dann eine Wechselspannung entnommen werden, wenn die elektronischen Schalter 7 und 10 periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Die für eine Wechselspannung notwendige Frequenz muß von einer hier nicht näher erläuterten Ansteuerschaltung für die elektronischen Schalter 7 und 10 erzeugt werden. Der Kontakt 20 ist in dieser Betriebsart eröffnet. Bei Ladebetrieb wird der Schalter 20 geschlossen und das Wechselspannungsnetz zwischen den Klemmen 16 und 19 abgeschaltet.

Claims

1. Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit einem Akkumulator, einem Generator und Bordnetzverbrauchern dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines zweiten Akkumulators das Bordnetz um eine Spannungsebene erweitert wird.

2. Bordnetz eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Bordnetzverbraucher am Akkumulator 1, am Akkumulator 2 oder an den Akkumulatoren 1 und 2 betrieben werden können.

3. Bordnetz für Kraftfahrzeuge nach den vorgenannten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Ladeeinrichtung bestehend aus einem elektronischen Schalter 7 einer Drosselspule 9 und einer Diode 8 zur Ladung des zweiten Akkumulators 2 aus dem ersten Akkumulator 1 vorhanden ist.

4. Bordnetz für ein Fahrzeug nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Ladeeinrichtung bestehend aus dem elektronischen Schalter 10 aus der Drosselspule 9 und aus der Diode 11 zur Ladung der Batterie 1 aus der Batterie 2 vorhanden ist.

5. Bordnetz eines Kraftfahrzeuges nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Bordgenerator die Reihenschaltung der Akkumulatoren 1 und 2 speist.

6. Bordnetz eines Fahrzeuges nach den vorgenannten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Bordgenerator mit Hilfe eines Relaiskontakts 13 bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors an den Akkumulator 1 angeschaltet wird und in der Leitung vom Minuspol des Akkumulators 2 eine Diode 14 zum Minuspol des Generators geschaltet ist in der Weise, daß der Kontakt 13 keinen Kurzschluß über den Akkumulator 2 schalten kann.

7. Bordnetz eines Fahrzeuges nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Diode 14 von einem weiteren Kontakt 15 überbrückt werden kann.

8. Bordnetz eines Kraftfahrzeuges nach den vorgenannten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Akkumulator 1 auf eine bei der Benutzung von Scheinwerfern vorgeschriebene Höhe geregelt wird.

9. Bordnetz eines Kraftfahrzeuges nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeschaltungen der Akkumulatoren Teil eines Wechselrichters sind und daß mit Hilfe eines Relaiskontakts 20 die Ladeschaltung vom Mittelpunkt der Batterien 16 getrennt werden kann.