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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine
eines Fahrzeugs mittels eines Starters und einer daran angeschlossenen
Startersteuerung. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Computerprogrammprodukt,
auf eine Startersteuerung mit einer Steuerelektronik für einen
Starter zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug,
wobei insbesondere in der Startersteuerung ein erfindungsgemäßes
Verfahren, bevorzugt mittels eines Computerprogrammprodukts ausgeführt
wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Bordnetz für
ein Kraftfahrzeug mit einem ersten konstanten niederen Spannungsteilnetz
für einen Verbraucher und/oder Energiespeicher und einem zweiten
variablen Hochspannungsteilnetz für zumindest einen Mehrspannungsgenerator.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf eine Bordnetzmodulvorrichtung
für ein Kraftfahrzeug mit einem DC/DC-Wandler, einer Steuerung
für einen Mehrspannungsgenerator und einem elektrischen Energiespeicher
mit einer Hochspannung.
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Es
ist bekannt, eine Brennkraftmaschine mittels eines Starters zu starten.
Der Starter ist herkömmlicher Weise als Gleichstrommaschine
ausgebildet und liegt direkt an der Batterie mit einer Spannung
zwischen 12 und 14 V, je nach Ladungszustand, an. Der Starter wird
durch einen einfachen Schalter mittels eines Steuerrelais entweder
durch Drehen des Zündschlüssels ma nuell gesteuert
oder elektronisch durch eine Startknopfsteuerung.
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Es
ist bekannt, insbesondere bei Hybridfahrzeugen, Starter in einem
Bordnetz mit einer Spannung größer als 14 V zu
betreiben. Ferner sind Start-Stopp- und Rekuperationssysteme aus
Hybridfahrzeugen bekannt, die mindestens einen Mehrspannungsgenerator
(Multi-Voltage-Generator), Doppelschichtkondensatoren (DLC) und
einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (DC/DC-Wandler) umfassen.
Der Starter ist eine elektrische Maschine, der auch als Generator
arbeiten kann und als integrierter Startergenerator einsetzbar ist.
Der integrierte Startergenerator ist in einem Teilnetz mit einer
höheren Spannung z. B. 14–32 V für Kraftfahrzeuge und
14–42 V für Nutzfahrzeuge angeordnet. Ein solches
Mehrspannungsbordnetz wird beispielsweise in der
DE 103 30 703 A1 beschrieben.
Ferner ist folgender Stand der Technik bekannt.
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Die
DE 41 38 943 C1 beschreibt
eine Spannungsversorgung für ein Fahrzeug mit zwei Spannungsspeichern,
wobei ein Starter nur von einem Spannungsspeicher versorgt wird.
Während des Startvorgangs wird der Starter mit Hilfe eines
Lade-/Trennmoduls vom übrigen Bordnetz abgetrennt.
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Die
DE 10 2005 051 433
A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung
eines Generators in einem Zwei-Spannungs-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs
mit einem ersten Spannungskreis, dem der Generator mit einem Kondensator
zugeordnet ist und dessen Spannungsniveau innerhalb eines Spannungsintervalls
abhängig von den Betriebsbedingungen des Fahrzeugs variabel
geregelt wird und mit einem zweiten Spannungskreis, dessen Spannungsniveau
an der unteren Grenze des Spannungsintervalls liegt und dem eine
Batterie zugeordnet ist.
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Die
DE 102 31 517 B4 beschreibt
ein Bordnetz und ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes für
ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem ersten und zweiten Spannungsniveau
und einem Generator. Das erste und das zweite Spannungsniveau sind über
eine Kopplungsvorrichtung miteinander gekoppelt, die einen Längsregler
umfasst, zu dem ein DC/DC-Wandler parallel geschaltet ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt,
eine Startersteuerung, ein Bordnetz und eine Bordnetzmodulvorrichtung
der eingangsgenannten Art derart weiterzubilden, um einen Starter
mit hoher Leistung und mit einer geringen mechanischen elektrischen Belastung
effizienter beim Start einer Brennkraftmaschine einzusetzen.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch den Gegenstand der Ansprüche 1, 6, 7,
8 und 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich
aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein
Erfindungsgedanke ist, den Starterstrom im Startvorgang zu steuern
und nicht direkt an die Batterie oder an einen Energiespeicher anzuschließen.
Es wird stattdessen im Gegensatz zum Stand der Technik eine Startersteuerung
zwischen Batterie und Starter geschaltet.
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Die
Aufgabe wird mittels des Verfahrens dadurch gelöst, dass
ein Starterstrom im Startvorgang von der Startersteuerung, die elektronische
Bauteile umfasst, definiert geregelt wird. Somit wird vermieden,
dass Starter mit einem sehr hohen Starterstrom, der beispielsweise
800 bis 1000 Ampere groß ist, im Startvorgang belastet
wird. Der Starterstrom wird vorzugsweise durch die Startersteuerung
auf einen kleineren Starterstrom reduziert.
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Die
Aufgabe wird mittels einer Startersteuerung für einen Starter
zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug dadurch gelöst,
dass die Startersteuerung eine Stromregelungseinrichtung umfasst
mit der der Starterstrom um einen definierten Stromwert regelbar
ist. Dies hat den Vorteil, dass die Lebensdauer des Starters durch
die Stromregelung und eventuell durch eine zusätzliche
Spannungsregelung sich deutlich erhöht. Der Startkomfort
ist durch eine Stromspannungsregelung verbessert, da Geräusche des
Starters und Vibrationen reduziert werden. Außerdem wird
ein Spannungseinbruch beim Bordnetz während eines Warmstarts
beispielsweise bei einem Start-Stopp-Betrieb besser vermieden. Außerdem
verbessert sich die Startgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine
bei einem Start-Stopp-Betrieb bei einer Bestromung des Starters
um einen definierten Stromwert über einen längeren
Zeitraum im Startvorgang, da die Arbeitstakte mit oberen Totpunkten
in der Brennkraftmaschine durch eine schnellere Kurbelbewegung früher
erreicht werden.
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Gemäß einem
die Erfindung weiterbildenden Verfahren wird der Starterstrom von
der Startersteuerung des Starters getaktet, so dass der Starter
um einen definierten Stromwert beim Startvorgang betrieben wird.
Der Starterstrom treibt den Starter in den ersten Bruchteilen einer
Sekunde im Startvorgang beispielsweise mit einem nahezu konstanten Stromwert
zwischen 400 und 600 Ampere an. Durch die Reduktion des Starterstroms
sinkt der Verschleiß an den Bürsten und am Kommutator.
Das Geräusch des Starters ist auch niedriger. Der Starterstrom
wird getaktet an den Starter geleitet, so dass der Starterstrom
in einem Toleranzband um den vorher festgelegten Stromwert betrieben
wird. Übersteigt die Stromaufnahme des Starters einen festgelegten Stromwert
des Toleranzbands, so setzt die Taktung ein, den Strom zu unterbrechen.
Wird ein Stromabfall an der unteren Schwelle des Toleranzbandes
beim Starterstrom detektiert, so wird die Unterbrechung aufgehoben
und der Starter wieder mit Strom beaufschlagt.
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Um
aus einem herkömmlichen Starter einen Leistungsgewinn zu
erzielen, wird der Starter von der Startersteuerung mit einer variablen
einstellbaren Starterspannung definiert beaufschlagt. Die Spannung
am Starter kann somit deutlich höher als die übliche
Batteriespannung von 12 bis 14 V liegen.
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Gemäß einem
weiter bevorzugten Verfahren wird die Stromleistung zum Start des
Starters durch Regelung mittels der Startersteuerung aus mindestens
zwei Energiespeichern, insbesondere technisch verschieden aufgebauten
Energiespeichern, besonders bevorzugt einer Batterie und/oder mindes tens einem
Kondensator, entnommen. Erfindungsgemäß kann somit
die Startersteuerung die elektrische Energie von zwei verschiedenen
Energiespeichern steuern und diese dem Starter zuführen.
Die Startersteuerung entscheidet dabei je nach Ladungszustand aus
welchem Energiespeicher elektrische Energie entnommen wird. Beispielsweise
ist der eine Energiespeicher der Batterie mit einer Spannung zwischen
12 und 14 V und der zweite Energiespeicher mindestens ein Kondensator,
besonders bevorzugt ein Doppelschichtkondensator mit einer Spannung von
beispielsweise bis zu 42 V. Sollte der Kondensator genügend
elektrische Energie aufweisen, um mit Hilfe des Starters die Brennkraftmaschine
zu starten, so wird die Startersteuerung nur den Kondensator entladen.
Wenn ein Fahrzeug nach einem längeren Stillstand gestartet
werden soll, weist der Kondensator häufig eine nicht ausreichende
Energie auf, so dass entweder der Starter direkt von der Batterie
gespeist wird, was die Startersteuerung regelt. In einem alternativen
Verfahren lädt die Batterie erst den Kondensator auf, so
dass der Starter wieder mit der Energie des Kondensators die Brennkraftmaschine startet.
Die Energiezufuhr im Starter steuert erfindungsgemäß die
Startersteuerung. Es kann auch vorkommen, dass die elektrische Energie
für den Startvorgang aus dem Kondensator und der Batterie kombiniert
wird. Beispielsweise wird zum Anlauf des Starters die Energie zuerst
dem Kondensator entzogen und anschließend, wenn der Kondensator
geleert ist, wird die Energie aus der Batterie zugeführt.
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Um
die elektrische Energie für den Starter möglichst
effizient einzusetzen, werden nach einem bevorzugten Verfahren von
der Startersteuerung Informationen an Schnittstellen aufgenommen
und verarbeitet, so dass mindestens der Starterstrom und/oder die
Starterspannung in Abhängigkeit der Informationen geregelt
wird. Es können beispielsweise Signale über ein
Bussystem wie beispielsweise den LIN-Bus oder an Klemme 50 Informationen über
die Temperaturen, Zustandsgrößen von Komponenten, beispielsweise
die Kurbelwellendrehzahl und von einer Schnittstelle mit der Motorsteuerung
aufgenommen werden, so dass der Starterstrom in Abhängigkeit
dieser Parameter entsprechend angesteuert wird. Hierfür
sind beispielsweise Kennli nien in der Startersteuerung hinterlegt,
gemäß denen der Starter mittels der Startersteuerung
betrieben wird.
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Beispielsweise
sind bei einem Warmstart die Ladezustände und die Temperaturen
anders, als bei einem Kaltstart, so dass auch die benötigte
elektrische Energiemenge verschieden ist.
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Die
Startersteuerung kann durch ausschließlich elektronische
Bauteile ausgebildet sein. Bevorzugt weist die Startersteuerung
einen Mikroprozessor mit einem Programmspeicher auf.
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Der
Aufgabe wird mittels eines Computerprogrammprodukts dadurch gelöst,
dass sie in einen Programmspeicher mit Programmbefehlen ladbar ist, um
alle Schritte des oben beschriebenen Verfahrens auszuführen,
wenn das Programm in einer Startersteuerung ausgeführt
wird. Dies hat den Vorteil, dass die Startersteuerung an verschiedene
Starter bzw. Brennkraftmaschinen variabel anpassbar ist. Ferner ist
eine Feineinstellung bzw. nachträgliche Verbesserung des
Verfahrens durch verbesserte, beispielsweise empirisch ermittelte
Parameterwerte leicht möglich.
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Gemäß einer
die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform umfasst die
Stromregelungsvorrichtung in der Startersteuerung einen DC/DC-Wandler.
Dies hat den Vorteil, dass der Starter auch mit höheren
Spannungen als die übliche Batteriespannung betrieben werden
kann, so dass die Startgeschwindigkeit im Start-Stopp-Betrieb sich
aufgrund einer solchen Spannungserhöhung in einer Leistungssteigerung
des Starters auswirkt. Somit werden obere Totpunkte an zündbaren
Zylindern der Brennkraftmaschine früher erreicht, so dass
die Brennkraftmaschine schneller gestartet werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch ein Bordnetz dadurch gelöst, dass mindestens
ein Drittes unabhängiges, variables Teilnetz zur Regelung
mindestens eines Verbrauchers und/oder Energiespeichers ausgebildet
ist. Dadurch, dass der Starter als Verbraucher in einem dritten
unabhängigen variablen Teilnetz geschaltet werden kann,
kann der Starter effizient eingesetzt werden, es können
Spannungseinbrüche vermieden werden und der Starter kann
sowohl von einem Energiespeicher einer Hochspannung d. h. größer
14 Volt als auch von einem Energiespeicher mit einer zwischen 12
und 14 V variabel und kombinierbar mit elektrischer Energie gespeist
werden. Somit reduziert sich die Verlustleistung eines Bordnetzes,
da die elektrische Energie hocheffizient als Hochspannung in Energiespeichern,
wie beispielsweise Doppelschichtkondensatoren eine bestimmte Zeit
gepuffert werden kann.
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Gemäß einer
die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist mindestens
ein Viertes unabhängiges Teilnetz mit mindestens einem
Verbraucher und/oder Energiespeicher ausgebildet. Dies hat den Vorteil,
dass beispielsweise ein Doppelschichtkondensator als separater Energiespeicher
mit einer größeren Spannung bzw. Hochspannung
in einem unabhängigen Teilnetz ausgebildet sein kann und
eine Steuerung Energie aus sowohl dem vierten Teilnetz als auch
dem ersten Teilnetz mindestens einem Verbraucher in dem dritten
oder ersten Teilnetz zuführen kann.
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Um
Spannungseinbrüche noch besser zu vermeiden, ist gemäß einer
weiter bevorzugten Ausführungsform die Batterie für
ein Niederenergievoltnetz im ersten Teilnetz und ein Verbraucher
für Niedervolt in einem fünften Teilnetz ausgebildet.
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Die
Aufgabe wird mittels einer Bordnetzmodulvorrichtung für
ein Fahrzeug danach gelöst, dass der DC/DC-Wandler, als
Teil einer insbesondere oben beschriebenen Startersteuerung ausgebildet ist,
um mindestens zwei verschiedene Teilnetze, ein erstes Teilnetz für
den Mehrspannungsgenerator mit einer Mehrspannung und mindestens
ein zweites Teilnetz für einen Starter unabhängig
voneinander zu regeln. Dies hat den Vorteil, dass ein DC/DC-Wandler,
der in der Bordnetzmodulvorrichtung aufgrund des Mehrspannungsgenerators
in Kombination mit zwei elektrischen Energiespeichern, einmal für
eine Hochspannung und einmal für eine niedrige, konstan te
Spannung von 12 Volt bis 14 Volt, angeordnet ist mit einer zweiten
Funktion ausgefüllt werden kann. Wenn der DC/DC-Wandler
im Startvorgang der Brennkraftmaschine sowieso nicht arbeitet, kann
der DC/DC-Wandler die Funktion übernehmen, eine variable
Spannung an den Starter abzugeben, um die Leistung des Starters
zu erhöhen, wobei der Starterstrom um einen bestimmten
Stromwert definiert geregelt wird und dadurch eine Beschleunigung
der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zeitlich schneller ausführt,
so dass die zündbaren oberen Totpunkte (OT) in Zylindern
der Brennkraftmaschine früher erreicht werden, als ein
herkömmlicher Starter ohne einen geregelten d. h. einen
ungeregelten Starterstrom. Der Starter und der mindestens eine Energiespeicher
sind durch die definierte Regelung des Starterstroms weniger als
in herkömmlicher Weise belastet. Die Lebensdauer beider
Komponenten steigt. Der DC/DC-Wandler muss zur Regelung des Starterstroms
nur geringfügig modifiziert und erweitert werden. Wesentliche
Teile des DC/DC-Wandlers können sowohl zur Regelung des
Starterstroms als auch zur Regelung von Ladeströmen für
mindestens einen Energiespeicher in dieser Doppelfunktion vorteilhaft eingesetzt
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren lässt sich entsprechend
ebenso vorteilhaft bei einem Hybridfahrzeug einsetzen, bei dem beispielsweise
der Starter und der Mehrspannungsgenerator als eine elektrische
Maschine ausgebildet sind.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
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Kurzbezeichnung der Figuren
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
schematischen Schaltplan eines Starters mit einer Startersteuerung,
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2 einen
schematischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen
Bordnetzes gemäß einer ersten Ausführungsform,
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3 einen
Schaltplan des Bordnetzes gemäß einer zweiten
Ausführungsform und
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4 ein
Zeit-Strom-Diagramm.
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Die 1 zeigt
schematisch und abstrahiert den elektrischen Schaltplan eines Starters 1 zum Starten
einer Brennkraftmaschine 5. Der Starter 1 wird
von einer Batterie 2 gespeist und wird von einem Schalter 3 ein-
bzw. ausgeschaltet. Der Schalter 3 ist bei herkömmlichen
Fahrzeugen ein Taster, der im Zündschloss verbaut ist und
beim Drehen des Zündschlüssels um Zündschloss
betätigt wird. Der Taster 3 kann in einer alternativen
Ausführungsform eine Startersteuerung 4 aktivieren
und beispielsweise als separater Startknopf ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß weist
die Startersteuerung 4 eine Stromreglungseinrichtung auf,
mit der ein Starterstrom I um einen definierten Stromwert IW regelbar ist. Somit wird der Starter 1 nicht
mehr mit der vollständigen Ladung der Batterie 2 beaufschlagt,
sondern der Strom I am Starter 1 wird definiert in einem Toleranzband
um den Stromwert IW geregelt. Dies hat den
Vorteil, dass der Starter 1 elektrisch und mechanisch weniger
beansprucht wird und die Starterleistung zunimmt, so dass die mit
dem Starter 1 in mechanischer Wirkverbindung stehende Brennkraftmaschine 5 schneller
angedreht werden kann, wie zur 4 beschrieben
wird.
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Um
am Starter 1 die Leistung zu erhöhen, umfasst
die Stromregelungseinrichtung in der Startersteuerung 4 bevorzugt
einen DC/DC-Wandler 6, der einen definierten, geregelten
Starterstrom 1 mit einer variablen und höheren Starterspannung
US bereitstellen kann. Hierfür
ist der DC/DC-Wandler 6 mit einer entsprechenden Elektronik
erweitert ausgebildet.
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Die 2 zeigt
einen schematischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen
Bordnetzes 7 mit einer Bordnetzmodulvorrichtung 8.
Die Bordnetzmodulvorrichtung 8 kann auch als Bordnetzmanagementmodul
bezeichnet werden, dass elektrischen Verbrauchern Energie aus Energiespeichern
zuführt und von mindestens einem elektrischen Generator elektrische
Energie in die Energiespeicher wiederum zuführt. Das Bordnetz 7 hat
ein erstes Teilnetz 9 mit einer konstanten Spannung von
12 bis ca. 14 Volt, die vom Ladezustand einer Batterie 2 abhängt.
Im Bordnetz 7 sind eine Vielzahl von Verbrauchern angeordnet.
Im ersten Teilnetz 9 sind parallel zur Batterie 2 Verbraucher 16 geschaltet,
die auf eine konstante, niedrige Spannung zwischen 12 und 14 Volt
ausgelegt sind. Das Bordnetz 7 umfasst ein zweites Teilnetz 10 das
für eine variable Spannung, größer als
14 Volt vorgesehen ist. Die Spannung wird von einem Mehrspannungsgenerator 11,
auch Multi-Voltage-Generator genannt, erzeugt.
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Die
Bordnetzmodulvorrichtung 8 umfasst einen DC/DC-Wandler 6,
der die variable Spannung von über 14 Volt auf
die konstante Spannung des ersten Teilnetzes 9 umwandelt.
An der Bordnetzmodulvorrichtung 8 ist in einem dritten
Teilnetz 12 der Starter 1 geschaltet. Dies hat
den Vorteil, dass der Starter 1 sowohl mit einer konstanten
Spannung von bis zu 14 Volt von der Batterie 2 aus dem
ersten Teilnetz 9 betrieben werden kann, als auch mit der
Energie mit einer höheren Spannung aus einem Kondensator, insbesondere
einem Doppelschichtkondensator (DLC) 13, der in einem vierten
Teilnetz 12 an der Bordnetzmodulvorrichtung 8 angeschlossen
ist. Der DC/DC-Wandler 6 mit einer erweiterten Schaltung hat
die zusätzliche vorteilhafte Funktion eine, wie zur 1 beschrieben,
integrierte Startersteuerung 4 darzustellen.
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Der
Starter 1 wird mittels des DC/DC-Wandlers 6 mit
einem geregelten Starterstrom I um einen definierten Stromwert IW beaufschlagt. Die dafür notwen dige
Energie wird primär dem Doppelschichtkondensator 13 entzogen,
der eine höhere Spannung als 14 Volt aufweist. Der Doppelschichtkondensator 13 wird
durch eine entsprechende Steuerung von der Bordnetzmodulvorrichtung 8 direkt
vom Mehrspannungsgenerator 11 aus dem zweiten Teilnetz 10 geladen.
Ist der Doppelschichtkondensator 13 aufgeladen, so kann
anschließend, oder gegebenenfalls parallel getaktet die
Batterie 2 durch den Mehrspannungsgenerator 11 aufgeladen
werden, wobei die Spannung des Mehrspannungsgenerators 11 in
eine konstante Spannung für die Batterie 2 durch
den DC/DC-Wandler 6 umgewandelt wird. Die Bordnetzmodulvorrichtung 8 übernimmt
somit die Regelung der Ladezustände von der Batterie 2 und
dem Doppelschichtkondensator 13.
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Die
Bordnetzmodulvorrichtung 8 weist ferner Schnittstellen 15 auf,
um Signale in Form von Informationen über Temperaturen
und Zustandsgrößen von Komponenten, wie beispielsweise
die Kurbelwellendrehzahl aufzunehmen, zu verarbeiten und dementsprechend
die Regelung der Ladezustände aber auch die Ansteuerung
des Starters 1 angepasst zu übernehmen. Die Bordnetzmodulvorrichtung 8 ist
somit über die Schnittstelle 15, die beispielsweise
eine Bus-Schnittstelle wie LIN oder CAN oder die Klemme 50 sein
kann, informiert, ob der Starter 1 einen Kaltstart ausführen
muss, weil das Fahrzeug längere Zeit abgestellt war oder
ob ein Warmstart bevorsteht, da eine Start-Stopp-Betriebsstrategie
ausgeführt wurde. Je nach Situation kann die Zuführung
des Starterstroms I angepasst werden und verschieden sein. In einem
Speicher unterstützen niedergelegte Kennlinien die Steuerung
des Starterstroms I.
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Die
Bordnetzmodulvorrichtung 8 übernimmt ferner auf
Basis von Messgrößen des Stroms I, der Spannung
U am Doppelschichtkondensator 13 und der Batterie 2 sowie
unter zu Hilfenahme einer Temperaturmessung die Aufgabe der Schätzung
des Ladezustands, der Leistungsfähigkeit wie der Alterung der
Energiespeicher. Damit kann die Steuerung der Verbraucher und Energiespeicher
in den mindestens vier verschiedenen Teilnetzen effizient umgesetzt werden.
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Aufgrund
des erfindungsgemäßen Bordnetzes 7 mit
der Bordnetzmodulvorrichtung 8 ergeben sich viele Vorteile.
Die Lebensdauer des Starters 1 ist verlängert,
da der Starter 1 beim Anlauf des Starters 1 mit
einem geringeren mittleren Anlaufstrom und geringeren impulsförmigen
mechanischen Belastungen beaufschlagt wird. Deshalb kann der Starter 1 kostengünstiger,
einfacher und gegebenenfalls kleiner ausgebildet sein. Das dritte
Teilnetz 12 mit dem Starter 1 ist vom ersten Teilnetz 9,
an dem Verbraucher 16 mit einer konstanten niedrigen Spannung
der Batterie 2 angeordnet sind, durch den Einbau und Zwischenschaltung
des DC/DC-Wandlers 6 in der Bordnetzmodulvorrichtung 8 entkoppelt.
Somit erkennt der Fahrer auch bei häufigen Start-Stopp-Betriebs-Strategien
Spannungseinbrüche nicht mehr.
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Durch
den Einsatz eines Mehrspannungsgenerators 11 über
einen hohen variablen Spannungsbereich beispielsweise zwischen 14
bis 42 Volt und mehr und mindestens eines Doppelschichtkondensators 13 oder ähnlichen
Hochleistungskondensatoren ist das Rekuperationspotential gegenüber
herkömmlichen Bordnetzsystemen mit einem herkömmlichen Generator
in einem deutlich kleineren und konstantem Spannungsbereich deutlich
verbessert. Der Wirkungsgrad des Mehrspannungsgenerators ist signifikant
auf über 80% erhöht.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Batterie 2 im Bordnetz 7 durch
den gesteuerten Anlauf des Starters 1 und der reduzierten
Starterströme I in der Größe gegenüber
herkömmlichen Kfz-Bordnetzen reduziert ist, da eine Batterie 2 herkömmlicherweise
auf die Anforderungen eines Starts der Brennkraftmaschine bei tiefen
Temperaturen ausgelegt ist und einen entsprechend großen
Starterstrom gewöhnlich bereitstellen muss.
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Somit
ergeben sich Kostenvorteile durch eine Größenreduktion
der Batterie 2 und aufgrund eines geringeren Verschleißes,
beispielsweise der Bürsten oder des Kommutators beim Starter 1 aufgrund
von geringeren Starterströmen I beim Anlauf. Ein weiterer
wichtiger Vorteil ist, dass Schaltelemente, wie der DC/DC-Wandler 6,
der wegen einem Mehrspannungsgenerator 11 und dazugehörigen Doppelschichtkondensatoren 13 in
der Bordnetzmodulvorrichtung 8 integriert ist, mitgenutzt
und in geeigneter Weise erweitert eingesetzt ist, um den Starterstrom
I im Startvorgang der Brennkraftmaschine 5 um einen definierten
Stromwert IW, zu regeln, in dem der Starterstrom
I getaktet wird. Somit ist keine zusätzliche separate Leistungselektronik
zur Steuerung des Starterstroms I für den Starter 1 erforderlich.
Die Bordnetzmodulvorrichtung 8 umfasst die Startersteuerung 4 und
hat zusätzlich wichtige Schalt- und Ladefunktionen.
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Außerdem
ist die Lebensdauer der Batterie 2 durch Unterstützung
von mindestens einem Doppelschichtkondensator 13 deutlich
verlängert, da die Batterie 2 einer deutlich geringeren
Belastung ausgesetzt ist.
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Die 3 zeigt
den Schaltplan eines Bordnetzes 7 in einer zweiten besonderen
Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist
die Batterie 2 im Gegensatz zur ersten Ausführungsform
gemäß der 2 vom Bordnetz 7 mit
einer Spannung von ca. 12 Volt bis 14 Volt durch die Bordnetzmodulvorrichtung 8 entkoppelt.
Die Batterie 2 befindet sich somit im ersten Teilnetz 9 und
die Verbraucher des Bordnetzes 16 mit konstanter Niedrigspannung
sind in einem fünften Teilnetz 17 angeordnet.
Dies hat den Vorteil, dass das fünfte Teilnetz 17 von
Spannungseinbrüchen im ersten Teilnetz 9 entkoppelt
ist, so dass der Komfort verbessert wird und gegebenenfalls Spannungseinbrüche
sehr schnell, bzw. für die Fahrzeuginsassen nicht merklich,
beispielsweise durch den Doppelschichtkondensator 13 in
Verbindung mit dem DC/DC-Wandler 6 ausgeglichen werden.
Die Trennung des fünften Teilnetzes 17 mit den
Verbrauchern 16 mit konstanter Bordnetzspannung hat zudem
den Vorteil, dass die Batterie 2 sicherer geladen bzw.
entladen werden kann und Aussagen über die Batterie 2 des
Ladezustands und der Alterung qualitativ hochwertiger realisierbar
sind.
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Die 4 zeigt
ein Zeit-Strom-Diagramm eines Starters 1 beim Anlauf des
Starters 1, um eine Brennkraftmaschine 5 zu starten.
Eine gestrichelte Zeit- Strom-Kennlinie H zeigt den Verlauf des Starterstroms
bei einer herkömmlichen Schaltung des Starters 1 gemäß der 1 ohne
eine erfindungsgemäß eingebaute Startersteuerung 4.
Der Starterstrom I steigt in den ersten Bruchteilen einer Sekunde
auf 800 bis 1000 Ampere oder noch mehr an, je nach Startertyp und
Typ der Brennkraftmaschine und fällt dann sehr stark ab.
Dabei gibt es jeweils „Berg”-Spitzen am ersten,
zweiten und jedem weiteren zündbaren Totpunkten 1. OT,
2. OT eines jeden einzelnen Zylinders der Brennkraftmaschine, bis
die Brennkraftmaschine selbst startet. Der hohe Starterstrom I beim
Starteranlauf führt zu einem Verschleiß und einem
Geräusch des Starters 1. Das Geräusch
entsteht durch ein hohes Anlaufmoment.
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Aufgrund
der Startersteuerung 4, die in der Bordnetzmodulvorrichtung 8 integriert
ist, wird der Starterstrom I um einen definierten Stromwert IW, beispielsweise bei 600 Ampere, über
den ersten zündbaren Totpunkt, 1. OT zumindest bis kurz
nach dem zweiten oberen zündbaren Totpunkt, 2. OT, der Brennkraftmaschine 5 geregelt.
Dies ist durch die Zeit-Strom-Kennlinie E mit einer durchgezogenen vollen
Linie dargestellt. Der Starterstrom I wird zur Regelung um den Stromwert
von 600 Ampere getaktet. Es wird also in einer bestimmten Bandbreite
um den zu regelnden Stromwert IW ein Strom
I dem Starter 1 zugeführt. Übersteigt
der Strom I am Starter 1 einen bestimmten ersten Wert IW1, so wird die Stromzuführung so
lang unterbrochen, bis der Strom I unter einen bestimmten zweiten
Wert IW2 fällt, so dass dem Starter 1 wieder
Strom I zugeführt wird. Die 3 zeigt
die Brandbreite und die Schwankungen des Stroms I um den Stromwert
IW aus Gründen der Vereinfachung
lediglich als eine gerade Linie E.
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Durch
die Änderung der Zeit-Strom-Kennlinie von H zu E ist eine
erhöhte Leistung aus dem Starter 1 erzielbar,
was durch die schraffierte Fläche 18 zwischen
der Kennlinie E und H dargestellt ist. Der Starter 1 hat
somit ein höheres Drehmoment und erreicht den ersten und
zweiten und alle weiteren oberen Totpunkte 1. OT, 2. OT der Brennkraftmaschine 5 früher.
Es ergibt sich somit eine Startzeitverkürzung t der Brennkraftmaschine 5,
was insbe sondere bei einer Start-Stopp-Strategie von Vorteil ist
und von dem Fahrer als positiv empfunden wird. Außerdem
werden die Emissionen gesenkt, da aufgrund einer kürzeren
Startzeit vermieden wird, den übrigen Verkehr aufzuhalten
und zu behindern. Die Zeit-Strom-Kennlinie E ist aufgrund des DC/DC-Wandlers 6 realisierbar,
der im Starter 1 den Strom I mit einer höheren Spannung
zuführen kann.
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Um
den Energieverlust möglichst gering zu halten, wird der
Starter 1 deshalb bevorzugt gemäß eines
ersten Startverfahrens mittels eines Kondensators, insbesondere
dem Doppelschichtkondensator 13, in der ersten Startphase
und mit einem geregelten Starterstrom 1 und einer höheren
Spannung, die über 14 Volt ist, beaufschlagt und in einer
zweiten Phase, sollte die Energie vom Doppelschichtkondensator 13 zum
vollständigen Start der Brennkraftmaschine nicht ausreichen,
von der Batterie 2 gespeist.
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Gemäß einem
zweiten Betriebsmodus wird gemäß der Kennlinie
E die Energie ausschließlich aus der Batterie 2 dem
Starter 1 zugeführt, wenn beispielsweise das Fahrzeug
länger abgestellt wurde und der Doppelschichtkondensator 13 noch
nicht aufgeladen wurde.
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Gemäß einem
weiteren, dritten Startverfahren wird der Doppelschichtkondensator 13 kurz
vor dem Start der Brennkraftmaschine 5 mittels der Bordnetzmodulvorrichtung 8 von
der Batterie 2 aufgeladen, so dass der Starter 1 wiederum
mit der Energie des Doppelschichtkondensators 13 in der
ersten Startphase versorgt wird. Die Bordnetzmodulvorrichtung 8 regelt
somit mit integrierter Startersteuerung 4 die Energiezufuhr
aus zwei technisch verschieden aufgebauten Energiespeichern, der
Batterie 2 und dem Doppelschichtkondensator 13 zum
Start des Starters 1. Aufgrund der Doppelfunktion des DC/DC-Wandlers 6 und
der Aufspaltung des Bordnetzes 7 in mehrere, mindestens
drei Teilnetze, werden elektrische Komponenten effizient, insbesondere die
elektrische Maschine 1 als Starter mit verlängerter
Lebensdauer eingesetzt.
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Alle
Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte
Darstellungen. Im Übrigen wird insbesondere auf die zeichnerischen
Darstellungen für die Erfindung als wesentlich verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10330703
A1 [0004]
- - DE 4138943 C1 [0005]
- - DE 102005051433 A1 [0006]
- - DE 10231517 B4 [0007]