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