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Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeugenergiebordnetz mit einer elektrischen
Maschine.
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Zur
Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, einer Verbesserung der elektrischen
Bordnetzleistung und einer Verbesserung des Start-Stopp-Betriebes
eines Fahrzeugs wurden in den letzten Jahren Systeme entwickelt,
die einen integrierten Startergenerator auf der Kurbelwelle aufweisen,
sowie Systeme, die anstelle eines üblichen Startergenerators
einen riemenbetriebenen Startergenerator aufweisen.
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Bei
diesen bekannten Systemen wird der Startergenerator über
eine Zuleitung (beispielsweise Klemme 30) mit Energie eines elektrischen
Energiespeichers, wie beispielsweise einer 12 Volt Kraftfahrzeugbatterie,
versorgt.
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Bei
fremderregten Startergeneratoren werden der Erregerkreis und der
Statorkreis des Startergenerators über eine gemeinsame
Zuleitung mit Energie versorgt. Beim Startbetrieb fließt
dabei als Statorstrom ein so genannter Startstrom von beispielsweise
600 Ampere über diese gemeinsame Zuleitung. Dies führt
aufgrund des ohmschen Widerstandes der Zuleitung zu einem Startspannungseinbruch von
beispielsweise 5 Volt. Durch diesen Startspannungseinbruch wird
der Erregerstrom insbesondere beim Startbetrieb erheblich reduziert.
Damit einhergehend wird auch das abgebbare Drehmoment des Startergenerators
reduziert. Dadurch wird die Zeit, die zur Erreichung einer für
den Start des Verbrennungsmotors erforderlichen Drehzahl nötig
ist, erhöht.
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Im
Zusammenhang mit dem Betrieb einer elektrischen Maschine bei Fahrzeugen
mit Motor-Stopp-Automatik ist in der
DE 10 359 486 A1 ein ähnliches Problem
beschrieben: Dabei wird der Motor direkt über die elektrische
Ma schine gestartet, die dann durch eine zusätzliche Leistungselektronik
beispielsweise als riemengetriebener Startergenerator betrieben
wird. Bevor die Leistungselektronik das für die Erzeugung
des Startmoments erforderliche Drehfeld erzeugen kann, wird das
magnetische Luftspaltfeld durch Bestromen der Erregerwicklung des
Generators, beispielsweise über Kohlebürsten,
aufgebaut. Dies nimmt, z. B. bei elektrischen Maschinen in Klauenpolbauweise,
typischerweise einen Zeitraum von ca. 150 ms in Anspruch. Zusammen
mit dem Zeitraum für das Hochdrehen des Verbrennungsmotors bis
zur ersten Zündung (ca. 200 ms) und der Zeit bis zum Hochlauf
auf die Leerlaufdrehzahl (ca. 200 ms) ergibt sich eine Gesamtstartzeit
von etwa 500–550ms. Dieser Zeitraum gilt als grenzwertig
bzgl. der Zumutbarkeit für den Nutzer eines solchen Systems.
Als wünschenswert werden dabei Startzeiten bei Motor-Stopp-Automatik-Systemen
von deutlich unter 500 ms beschrieben. Zwar ist es bekannt, durch
eine permanente Teilmagnetisierung der Erregerwicklung (während
der gesamten Stillstandszeit) die Aufmagnetisierung und damit den
Startzeitraum zu verkürzen, dies erfordert jedoch einen
permanenten Stromaufwand von mehreren Ampere, was sich in einem
messbaren Kraftstoffmehrverbrauch widerspiegelt und zusätzlich
das elektrische Bordnetz, die Batterie oder andere elektrische Energiespeicher
belastet bzw. deren Dimensionierung nachteilig beeinflusst. Diese
Nachteile werden bei dem genannten Stand der Technik dadurch behoben,
dass der elektrischen Maschine des Kraftfahrzeuges bedarfsweise,
mittels einer Schaltungseinrichtung, eine der elektrischen Maschine
zugehörige eigene Spannungsquelle zugeschaltet wird, über
die die Erregerwicklung für eine Schnellerregung der elektrischen Maschine
mit einer bordnetzunabhängigen Erregerspannung beaufschlagt
wird.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber
dem Stand der Technik verbessertes Fahrzeugenergiebordnetz anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, den Erregerkreis und den Statorkreis
einer elektrischen Maschine zumindest teilweise derart unabhängig
voneinander, insbesondere mittels zweier verschiedener Verbindungsleitungen,
mit einem elektrischen Energiespeicher zu verbinden, dass der durch einen
hohen Startstrom im Statorkreis bewirkte Spannungseinbruch nicht
oder zumindest nur abgeschwächt bei der Versorgung des
Erregerkreises wirksam wird.
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Ein
bevorzugtes Fahrzeugenergiebordnetz umfasst eine elektrische Maschine,
insbesondere eine Synchronmaschine oder einen Startergenerator, welche
auf einem Erregerkreis und einem Statorkreis basiert. Der Erregerkreis
und der Statorkreis sind unabhängig voneinander, insbesondere
galvanisch getrennt voneinander, mit einem (demselben) elektrischen
Energiespeicher verbunden. Der Erregerkreis kann auch Rotorkreis
genannt werden. Er wird durch einen Erregerstrom versorgt. Der Statorkreis
wird durch einen Statorstrom versorgt. Der Statorstrom kann im Startfall
Startstrom genannt werden.
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Besonders
bevorzugt ist vorgesehen, dass die unabhängige Verbindung
des Erregerkreises mit dem Energiespeicher bzw. des Statorkreises
mit dem Energiespeicher dadurch realisiert ist, dass zwischen dem
Energiespeicher und der elektrischen Maschine zwei Verbindungsleitungen
vorgesehen sind, wobei die erste Verbindungsleitung zur Energieversorgung des
Statorkreises (und nicht für die Versorgung des Erregerkreises)
und die zweite Verbin dungsleitung zur Energieversorgung des Erregerkreises
(und nicht für die Versorgung des Statorkreises) verwendet
werden. Die beiden Verbindungsleitungen sind vorzugsweise mittels
verschiedener Anschlusselemente mit der elektrischen Maschine verbunden.
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Im
Rahmen der Erfindung liegt somit auch ein Fahrzeugenergiebordnetz
mit einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine oder
einem Startergenerator, welche einen Erregerkreis und einen Statorkreis
umfasst, wobei zwischen einem Energiespeicher und der elektrischen
Maschine zwei Verbindungsleitungen zur Energieversorgung der elektrischen
Maschine verwendet werden. Eine erste Verbindungsleitung wird zur
Energieversorgung des Statorkreises und die zweite Verbindungsleitung
zur Energieversorgung des Erregerkreises verwendet. Die beiden Verbindungsleitungen sind
vorzugsweise mittels verschiedener Anschlusselemente mit der elektrischen
Maschine verbunden.
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Die
unabhängig voneinander realisierte Verbindung des Erregerkreises
mit dem Energiespeicher und des Statorkreises mit dem Energiespeicher
bezieht sich dabei vorzugsweise nicht auf die Verbindungen innerhalb
der elektrischen Maschine sondern auf die Verbindungen außerhalb
der elektrischen Maschine. Dabei kommt es darauf an, dass der Spannungsabfall
aufgrund des Leitungswiderstandes, der durch den Statorstrom (im
Startfall den Startstrom) über der Verbindungsleitung verursacht
wird, die Spannungsversorgung des Erregerkreises nicht oder nicht
stark beeinflusst. Je kürzer die Verbindungsleitung, die
für die beiden Verbindungen Erregerkreis-Energiespeicher
und Statorkreis-Energiespeicher gemeinsam genutzt wird, desto wirksamer
kann daher die Erfindung umgesetzt werden. Im Idealfall wird für
beide Verbindungen Erregerkreis-Energiespeicher und Statorkreis-Energiespeicher
keine Verbindungsleitung gemeinsam genützt.
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Bevorzugt
ist daher vorgesehen, dass die beiden Verbindungen Erregerkreis-Energiespeicher bzw.
Statorkreis-Energiespeicher von dem Energiespeicher, insbesondere
der Batterieklemme, bis zur elektrischen Maschine, insbesondere
zum Erregerkreis oder einem Erregerkreis-Anschlusselement der elektrischen
Maschine, wie beispielsweise einer Hochstromsteckverbindung, bzw.
insbesondere zum Statorkreis oder einem Statorkreis-Anschlusselement
der elektrischen Maschine, wie beispielsweise einem Schraubbolzen,
unabhängig voneinander realisiert sind, insbesondere zwei
verschiedene Verbindungsleitungen hierfür vorgesehen sind.
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Es
liegt allerdings auch im Rahmen der Erfindung, die beiden Verbindungen
Erregerkreis-Energiespeicher und Statorkreis-Energiespeicher teilweise
durch eine gemeinsame Verbindungsleitung zu realisieren und teilweise
unabhängig voneinander zu realisieren. Weist man beispielsweise
dem Verlegeabstand bzw. der Leitungslänge zwischen Energiespeicher
und elektrischer Maschine 100% zu, so ist es immer noch vorteilhaft,
wenn ausgehend vom Energiespeicher die ersten 10% der Verbindung
durch eine gemeinsame Verbindungsleitung realisiert sind und die
weiteren 90% der Verbindung bis zur elektrischen Maschine unabhängig
voneinander, insbesondere durch zwei verschiedene Verbindungsleitungen, realisiert
sind. Bezogen auf die Verbindungen außerhalb der elektrischen
Maschine ist die Erfindung aber besonders vorteilhaft, wenn hinsichtlich
des Verlegeabstandes bzw. der Leitungslänge zwischen Energiespeicher
und elektrischer Maschine höchstens 5%, höchstens
10%, höchstens 20%, höchstens 30%, höchstens
40% oder höchstens 50% durch eine gemeinsame Verbindungsleitung
und die entsprechende Restverbindung unabhängig voneinander
durch zwei verschiedene Verbindungsleitungen realisiert ist.
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Durch
die Erfindung wird auf einfache, zuverlässige und kostengünstige
Weise erreicht, dass der durch den Startstrom des Statorkreises
verursachte Spannungseinbruch die Spannungsversorgung des Erregerkreises,
damit den Erregerstrom und damit das Drehmoment der elektrischen
Maschine nicht oder kaum beeinträchtigt.
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Besonders
vorteilhaft ist die Erfindung, wenn sie in einem herkömmlichen
Kraftfahrzeugbordnetz eingesetzt wird. Dabei weist der Energiespeicher,
der beispielsweise im Wesentlichen aus einer herkömmlichen
Kraftfahrzeugbatterie besteht, eine Nennspannung zwischen 10 und
15 Volt auf. Bei diesen kleinen Spannungen ist der Startspannungseinbruch
besonders stark und würde sich im Erregerkreis zudem besonders
stark auf den Erregerstrom auswirken.
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Vorzugsweise
ist der elektrische Energiespeicher über eine erste, insbesondere
galvanische, Verbindung(sleitung) mit dem Statorkreis verbunden oder
verbindbar. Alternativ oder ergänzend dazu ist der elektrische
Energiespeicher über eine zweite, insbesondere galvanische,
Verbindung(sleitung) mit dem Erregerkreis verbunden oder verbindbar.
Vorzugsweise sind die erste und die zweite Verbindung an derselben
Energiespeicherklemme, insbesondere Batterieklemme, mit dem Energiespeicher
verbunden.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Verbindung(sleitung)
an einem Schraubbolzen mit der elektrischen Maschine, insbesondere
dem Startergenerator, verbunden ist. Der Schraubbolzen kann dann,
insbesondere über einen Gleich/Wechselrichter, mit dem
Statorkreis verbunden sein. Die erste Verbindung kann die so genannte Klemme
30 sein oder damit galvanisch gekoppelt sein. Die Klemme 30 versorgt
diejenigen Steuergeräte und Baugruppen, die auch bei abgestelltem
Fahrzeug funktionstüchtig sein müssen oder lediglich elektrische
Energie benötigen, um zum Beispiel Daten zu halten.
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Eine
andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Verbindung(sleitung)
an einer Hochstromsteckverbindung mit der elektrischen Ma schine,
insbesondere dem Startergenerator, verbunden ist. Die Hochstromsteckverbindung
kann dann, insbesondere über einen Feldsteller, mit dem Erregerkreis
verbunden sein. Vorzugsweise wird der Feldsteller dabei, insbesondere
durch den Gleich-/Wechselrichter, derart eingestellt, dass der Erregerstrom
im Startbetrieb oder Startfall maximal ist. Der Erregerstrom wird
vorzugsweise nach erfolgreichem Start des Verbrennungsmotors oder
im Stoppfall auf Null gestellt.
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Der
maximale Erregerstrom ist wesentlich kleiner als der maximale Startstrom.
Daher kann der Leitungswiderstand der zweiten Verbindungsleitung größer
sein als der Leitungswiderstand der ersten Verbindungsleitung. Vorzugsweise
ist der ohmsche Widerstand der zweiten Verbindungsleitung mindestens
doppelt so groß wie der Widerstand der ersten Verbindungsleitung.
Beispielsweise ist der Leitungsquerschnitt der zweiten Leitung deutlich
kleiner als der Leitungsquerschnitt der ersten Leitung. Alternativ oder
ergänzend dazu ist die erste Verbindung vorzugsweise zum Übertragen
einer maximalen Stromstärke ausgelegt, die größer
als 300 Ampere ist und/oder die zweite Verbindung vorzugsweise zum Übertragen
einer Stromstärke ausgelegt, die kleiner als 200 Ampere
ist. Dadurch kann die zweite Verbindungsleitung insbesondere im
Vergleich zur ersten Verbindungsleitung verlegeleicht, einfach,
bauraumsparend, gewichtsgarend und kostengünstig realisiert
werden.
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Besonders
vorteilhaft ist die Erfindung bei Fahrzeugen mit großem
Verlegeabstand bzw. großer Leitungslänge zwischen
Energiespeicher und elektrischer Maschine, insbesondere bei einem
Verlegeabstand zwischen Energiespeicher und elektrischer Maschine,
der größer ist als 1 Meter oder größer
ist als 2 Meter oder größer ist als 3 Meter. Denn
je größer der Verlegeabstand bzw. die Leitungslänge,
desto größer der ohmsche Leitungswiderstand und
desto größer der Startspannungseinbruch.
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Besonders
vorteilhaft ist die Erfindung zudem dann einsetzbar, wenn die elektrische
Maschine zeitweise als Startermotor für eine Motor-Start-Stopp-Automatik
wirkt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die folgende Figur näher erläutert:
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1 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eines Teils eines Energiebordnetzes
mit einem Startergenerator.
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1 zeigt
einen Ausschnitt eines Fahrzeugenergiebordnetzes. Dieses umfasst
einen elektrischen Energiespeicher B und einen an sich bekannten
Startergenerator SGR.
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Der
Startergenerator SGR umfasst einen Erregerkreis EK und einen Statorkreis
SK. Der Statorstrom wird geregelt durch einen Gleich-/Wechselrichter
GW-WW. Der Erregerstrom wird durch einen Feldsteller FS eingestellt,
welcher durch den Gleich-/Wechselrichter GW-WW geregelt wird.
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Der
Energiespeicher B ist über zwei verschiedene Leitungen
L1, L2 mit dem Startergenerator SGR verbunden. Die erste Verbindungsleitung
L1 verbindet eine Energiespeicherklemme BK mit einem Schraubbolzen
SB des Startergenerators SGR. Die zweite Verbindungsleitung L2 verbindet
die Energiespeicherklemme BK mit einer Hochstromsteckverbindung
SV des Startergenerators SGR. Über den Gleich-/Wechselrichter
GW-WW ist der Schraubbolzen SB mit dem Statorkreis SK verbunden. Über
den Feldsteller FS ist die Hochstromsteckverbindung SV mit dem Erregerkreis
EK verbunden.
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Der
Spannungsabfall über der ersten Leitung L1 ist bestimmt
durch das Produkt aus Leitungswiderstand RL1 und Statorstrom, welcher
im Startfall gleich dem Startstrom IStart ist.
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Der
Spannungsabfall über der zweiten Leitung L2 ist bestimmt
durch das Produkt aus Leitungswiderstand RL2 und Erregerstrom, welcher
im Startfall maximal sein soll.
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Durch
die Erfindung wird erreicht, dass der Start-Spannungseinbruch von
beispielsweise 5 Volt am Schraubbolzen SB, der durch den großen
Startstrom (z. B. 600 A) und den Leitungswiderstand RL1 bewirkt
wird, an der Hochstromsteckverbindung SV nicht oder nur unwesentlich
wirksam wird. Der durch den Erregerstrom (z. B. 20 A) verursachte
Spannungseinbruch an der Hochstromsteckverbindung SV ist deutlich
geringer. Dadurch werden im Startfall der Erregerstrom und das Drehmoment
des Startergenerators nicht durch den hohen Startstrom beeinträchtigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10359486
A1 [0005]
- - EP 1469586 B1 [0006]
- - WO 2008055687 A2 [0006]