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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors mit einem elektrischen Starter.
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Ein elektrischer Starter für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs ist ein Gleichstrommotor, der über eine Fahrzeugbatterie des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt wird. Der Starter nimmt dabei insbesondere im Moment des Anlaufens, d. h. während bereits ein Strom durch die Motorwicklungen des Starters fließt, der Läufer des Starters dabei aber noch stillsteht oder nur langsam rotiert, verhältnismäßig viel elektrische Leistung auf. Der entsprechende Anlaufstrom eines Starters kann über 1000 Ampere betragen.
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Als Folge des hohen, der Fahrzeugbatterie entnommenen Anlaufstroms bricht die an den Anschlüssen der Fahrzeugbatterie zur Verfügung stehende elektrische Spannung ein. Bei einer Fahrzeugbatterie, die eine nominale Betriebspannung von 12 V liefert, kann diese Spannung während des Betriebs des Starters auf unter 8 V abfallen.
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In der
DE 102 31 379 B3 ist ein Starter für eine Verbrennungsmaschine eines Kraftwagens beschrieben, der während eines Betriebs der Verbrennungsmaschine auch als Generator genutzt wird. Der Starter wird beim Starten der Verbrennungsmaschine mit einer Spannung versorgt, welche sich aus der Addition der Batteriespannung und einer Kondensatorspannung ergibt. Hierzu sind die Bordbatterie und ein Kondensator in Serie geschaltet. Über einen parallelen Schaltungszweig ist es beispielsweise bei einem Warmstart der Verbrennungsmaschine möglich, die elektrische Energie nur aus der Bordbatterie zu beziehen.
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In der
DE 690 05 345 T2 ist ein Anlassverfahren für einen Verbrennungsmotor beschrieben. Wenn ein Schlüsselschalter in die Startstellung zum Anlassen des Verbrennungsmotors gedreht wird, führt eine Relaissteuerschaltung Ansteuerspulen zweier Relais einen Strom zu, sodass diese erregt werden, wodurch ein Kondensator zu einer Batterie in Reihe geschaltet wird. Der Anlasser ist bei einer Nennspannung von 24 V zu betreiben. Die Batterie liefert dagegen eine Batteriespannung von nur 12 V. Das Schalten der beiden Relais erfolgt zeitversetzt, um einen Kurzschluss des Kondensators zu vermeiden. Erst nach dem beide Relais geschaltet sind und somit die Batterie und der Kondensator in Reihe geschaltet sind und hierdurch eine Spannung von 24 V an den Anschlüssen des Anlassers angelegt ist, wird dem Motor des Anlassers ein starker Strom zugeführt.
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Ein Start eines Verbrennungsmotors mittels eines elektrischen Starters dauert zwischen einer halben und einer Sekunde. Der Starterstrom steigt dabei zunächst sprunghaft auf den Wert des Anlaufstroms an und fällt dann mit zunehmender Drehzahl des Starters ab. Entsprechend bricht die Spannung an der Fahrzeugbatterie zunächst auf einen minimalen Wert ein und steigt dann mit abnehmendem Starterstrom wieder auf die nominale Betriebspannung.
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Von dem Spannungseinbruch an der Fahrzeugbatterie während des Betriebs eines Starters sind auch andere elektrische Verbraucher im Kraftfahrzeug betroffen, die ebenfalls von der Fahrzeugbatterie mit elektrischer Energie versorgt werden. Diese Verbraucher sind auf einen Betrieb bei einer Versorgungsspannung ausgelegt, die in einem engen Bereich um 12 V liegt. Spannungseinbrüche können von einzelnen Verbrauchern nur in begrenztem Maße und über eine kurze Zeit hinweg kompensiert werden.
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Als eine mögliche Maßnahme, um den Spannungseinbruch während des Betriebs eines elektrischen Starters abzumildern, wird bei heutigen Fahrzeugen der Starterstrom gedrosselt. Dazu kann dem Starter beispielsweise ein Widerstand vorgeschaltet sein. Hierbei ergibt sich allerdings der Nachteil, dass sich der Startvorgang entsprechend verlängert, da dem Starter durch das Drosseln des Starterstroms weniger Leistung zur Verfügung steht. Der Spannungseinbruch fällt somit zwar geringer aus, dafür dauert er aber länger an, was ebenfalls einen sicheren Betrieb der elektrischen Verbraucher gefährdet. Zudem beeinträchtigen die Betriebsgeräusche des Starters den Komfort der Fahrzeuginsassen, so dass ein verlängerter Startvorgang den Verkaufswert eines Kraftfahrzeugs vermindert.
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Als alternative Maßnahme zu einem Drosseln des Starterstroms ist beispielsweise aus der
DE 102 33 816 A1 oder der
DE 10 2006 036 424 A1 bekannt, aufgeladene Kondensatoren immer dann parallel zur Fahrzeugbatterie bzw. zu ausgewählten Verbrauchern zu schalten, wenn die Versorgungsspannung einbricht. Mittels der in den Kondensatoren gespeicherten elektrischen Energie kann die Versorgungsspannung dann gestützt werden. Dabei kommen Doppelschicht-Kondensatoren zum Einsatz, denn sie weisen sehr große Kapazitäten (größer 100 Farad) auf. Da die Betriebsspannung von Doppelschicht-Kondensatoren allerdings bei ca. 2.5 V liegt, müssen fünf oder mehr solcher Kondensatoren in Reihe geschaltet werden, damit die benötigte Versorgungsspannung zur Verfügung gestellt werden kann. Die in den Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie lässt sich außerdem nur zu ca. 20 Prozent nutzen, da durch das Entnehmen von elektrischer Energie die Spannung an den Kondensatoren sinkt. Sobald die Spannung an der Reihenschaltung der Kondensatoren unter die Spannung der Fahrzeugbatterie sinkt, wird die Versorgungsspannung nicht mehr durch die Kondensatoren gestützt. Wegen der begrenzten Nutzbarkeit der in den Kondensatoren gespeicherten Energie ist diese Lösung sehr ineffizient. Zudem bedeutet der mit dem Bereitstellen von in Reihe geschalteten Kondensatoren einhergehende erhöhte Materialaufwand bei der Herstellung eines Kraftfahrzeugs eine Gewichtszunahme des Kraftfahrzeugs und auch erhöhte Herstellungskosten.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Möglichkeit bereitzustellen, mit der die nachteiligen Auswirkungen des Betriebs eines Starters in einem Kraftfahrzeug verringert werden können.
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Die Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine erfindungsgemäße Lösung ist auch durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ein elektrischer Anschluss einer Fahrzeugbatterie über einen ersten Schaltungszweig mit einem elektrischen Anschluss eines Starters für einen Verbrennungsmotor elektrisch gekoppelt. Gelöst wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale, dass der elektrische Anschluss der Fahrzeugbatterie zusätzlich über einen dem ersten Schaltungszweig parallel geschalteten zweiten Schaltungszweig mit dem elektrischen Anschluss des Starters elektrisch gekoppelt ist und der zweite Schaltungszweig einen von der Fahrzeugbatterie verschiedenen Speicher für elektrische Energie und eine Schalteinheit aufweist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug wird der Startvorgang insgesamt im Vergleich zum Stand der Technik verkürzt, indem der Starter nach dem Anlaufen mit einer höheren Spannung betrieben wird, die mittels des zusätzlichen Speichers für elektrische Energie bereitgestellt werden kann. Somit müssen elektrische Verbraucher einen Spannungseinbruch für eine geringere Zeit kompensieren. Durch den verkürzten Start wird auch der Komfort für Fahrzeuginsassen in der oben beschriebenen Weise gehoben.
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Die Schalteinheit des zweiten Schaltungszweigs weist einen Schalteingang auf, über welchen die Schalteinheit mittels eines elektrischen Signals schaltbar ist, und eine Steuereinheit, die mit dem Schalteingang verbunden ist. Dadurch kann ein Zuschalten des zweiten Schaltungszweigs, d. h. ein Bereitstellen der zusätzlichen Spannung durch den Speicher für elektrische Energie zu einem günstigen Zeitpunkt automatisch erfolgen. Durch die Steuereinheit können dabei Zustände anderer Komponenten des Fahrzeugs überwacht werden, von denen dann das Zuschalten abhängig gemacht werden kann.
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Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, das elektrische Signal zum Schalten der Schalteinheit in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Starters oder in Abhängigkeit davon zu erzeugen, ob seit einer Inbetriebnahme des Starters eine vorgegebene Zeit verstrichen ist bzw. wenn die Inbetriebnahme eine Zeitspanne dauert und seit Beginn selbige verstrichen ist.
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Das Zuschalten des zweiten Schaltungszweigs geschieht dadurch in vorteilhafter Weise nicht unmittelbar bei Anlaufen des Starters. Dies vermeidet in der oben beschriebenen Weise einen unnötigen Verschleiß des Starters.
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Zusätzlich wird es möglich, den Starterstrom lediglich für die Zeitdauer eines Anlaufens des Starters, also nicht für die komplette Dauer eines Starts, zu drosseln und so zusätzlich den Spannungseinbruch an der Fahrzeugbatterie abzumildern.
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Unter einem Speicher für elektrische Energie ist hier zu verstehen, dass der Speicher elektrisch mit Energie aufgeladen werden kann und gespeicherte Energie als elektrische Energie entnommen werden kann. Die Form, in der die Energie im Speicher gespeichert wird, ist nicht erfindungswesentlich. So kann es sich bei dem Speicher bspw. um einen Akkumulator, eine Spule oder einen Kondensator handeln.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors mittels eines elektrischen Starters und einer Fahrzeugbatterie mit den folgenden Schritte gelöst:
- a) Inbetriebnehmen des Starters mit einer von der Fahrzeugbatterie bereitgestellten Spannung;
- b) nach Überschreiten einer vorgegebenen Drehzahl durch den Starter oder nach Ablauf einer vorgegebenen, ab Beginn des Inbetriebnehmens gemessenen Zeitdauer, Wechsel zu einem Betreiben des Starters mit einer Spannung, die von einer Reihenschaltung aus der Fahrzeugbatterie und einer von der Fahrzeugbatterie verschiedenen Spannungsquelle bereitgestellt wird.
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Dadurch wird der Vorgang des Startens des Verbrennungsmotors mit den oben beschriebenen Vorteilen verkürzt. Zugleich wird ein erhöhter Verschleiß des Starters vermieden: Indem das Zuschalten des Speichers für elektrische Energie des zweiten Schaltungszweigs nicht unmittelbar bei Anlaufen des Starters geschieht, wird vermieden, dass sich ein Anlaufstrom größer als ein Anlaufstrom ergibt, welcher bei einem Starter gemäß dem Stand der Technik entsteht. Dies würde den Starter in unerwünscht hohem Maße beanspruchen.
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Das durch die Schritte a) und b) gegebene Verfahren kann besonders leicht bei dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Fahrzeug ausgeführt werden.
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Der erste Schaltungszweig weist in vorteilhafter Weise ein Element auf, an dem eine elektrische Spannung abfällt, wenn es von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Ein solches Element kann durch einen elektrischen Widerstand bereitgestellt werden, über den der Starterstrom geführt wird. Da die von der Fahrzeugbatterie zum Starter führende Leitung selbst einen spezifischen Widerstand aufweist, kann ein signifikanter elektrischer Widerstand auch dadurch in dem ersten Schaltungszweig bereitgestellt werden, dass dieser erste Schaltungszweig einen entsprechend langen Abschnitt der Leitung zwischen Fahrzeugbatterie und Starter umfasst. Der erste Schaltungszweig kann auch mit einem Leiter mit besonders geringem leitenden Querschnitt ausgeführt werden, wodurch sich ebenfalls ein signifikanter Widerstand in dem ersten Schaltungszweig ergibt.
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Durch Bereitstellen eines Elements, an dem eine Spannung abfällt, wird der Starterstrom gedrosselt, wenn er über den ersten Schaltungszweig geführt wird.
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Als Alternative oder zusätzlich zu einem elektrischen Widerstand kann der erste Schaltungszweig auch ein Element aufweisen, bei dem ein elektrischer Strom nur in eine Richtung möglich ist. Möglichkeiten, solche Elemente bereitzustellen, sind durch Dioden oder entsprechend verschaltete Transistoren, vorzugsweise Feldeffekttransistoren (FET) bzw. MOS-FETs (MOS: Metal Oxide Semiconductor), gegeben.
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Durch solche nichtlineare Bauelemente werden zugleich zwei Funktionen bereitgestellt: Zum einen bewirkt ein Spannungsabfall über dem Bauelement, dass der Starterstrom wie bei einem Widerstand gedrosselt wird. Außerdem kann mit dem Bauelement verhindert werden, dass bei Zuschalten des parallelen zweiten Schaltungszweigs der darin bereitgestellte Speicher für elektrische Energie über den ersten Schaltungszweig kurzgeschlossen wird.
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In dem ersten Schaltungszweig kann auch ein Schalter bereitgestellt sein, mit dem ebenfalls ein Kurzschluss des Speichers für elektrische Energie über den ersten Schaltungszweig verhindert werden kann. Ein Schalter bietet dabei im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Bauelementen die Möglichkeit, in geschlossenem Zustand einen Anlaufstrom des Starters ungedrosselt über den ersten Schaltungszweig zu führen. Dies kann bei leistungsstarken Fahrzeugbatterien erwünscht sein, bei denen trotz eines hohen Anlaufstroms die Spannung nicht auf einen kritischen Wert einbricht. Nachdem ein Starter angelaufen ist, kann durch Zuschalten des zweiten Schaltungszweigs der Startvorgang insgesamt im Vergleich zum Stand der Technik beschleunigt werden.
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Bei dem Schalter kann es sich um einen mechanischen Schalter, dann vorzugsweise um ein Relais, oder um einen elektronischen Schalter, dann vorzugsweise um einen FET, handeln. Auch eine Kombination aus einem FET und einer Diode ist möglich. Während mechanische Schalter sehr robust gegen Spannungsspitzen sind, weisen elektronische Schalter sehr kurze Schaltzeiten auf. Zudem sind elektronische Schalter klein, leicht und preiswert. Ein Schalten des Schalters kann dabei beispielsweise in Abhängigkeit von einem Schalten der Schalteinheit im zweiten Schaltungszweig oder auch in Abhängigkeit von einem Schaltsignal für den Starter selbst geschehen.
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Bevorzugt umfasst eine Schalteinheit einen Transistor, insbesondere einen FET, oder einen elektrisch schaltbaren mechanischen Schalter, insbesondere ein Relais. Hier ergeben sich die oben zu den Schaltern im ersten Schaltungszweig beschriebenen Vorteile der beiden Schaltertypen. Auch hier ist. eine Kombination aus einem FET und einer Diode einsetzbar.
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Zum Aufladen des Speichers für elektrische Energie ist bevorzugt ein DC-DC-Wandler bereitgestellt, mittels welchem eine von der Fahrzeugbatterie bereitgestellte Spannung in eine abgewandelte Spannung wandelbar ist und mittels welchem der Speicher mit der abgewandelten Spannung aufladbar ist.
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Zum Nachladen des Speichers kann ein verhältnismäßig leistungsschwacher, d. h. preiswerter und kleiner Wandler gewählt werden, da nach einem Start des Verbrennungsmotors ein ausreichend großer Zeitraum zum Laden des Speichers bereitsteht.
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Der Speicher für elektrische Energie umfasst in vorteilhafter Weise wenigstens einen Doppelschicht-Kondensator. Doppelschicht-Kondensatoren sind schnell aufladbar, sie weisen eine hohe Kapazität auf. Aufgrund eines geringen Innenwiderstands können Doppelschicht-Kondensatoren auch einen für das Betreiben eines Starters nötigen hohen Strom liefern, ohne dass es an ihren Anschlüssen zu einem Einbruch der Spannung wie bei einer Fahrzeugbatterie kommt. Doppelschicht-Kondensatoren werden je nach Hersteller bspw. auch als Super-Cap oder Boost-Cap bezeichnet.
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Anhand einer bevorzugten Ausführungsform wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Dazu zeigt
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1 ein Schaltbild von elektrischen Komponenten zu einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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In dem in 1 gezeigten Schaltbild ist eine Fahrzeugbatterie 10 mit einem elektrischen Starter 12 verschaltet. Der Starter 12 kann mittels eines Magnetschalters 14 mit einem beweglichen Kontakt 16 in Betrieb genommen werden. Der Magnetschalter 14 selbst wird über eine Klemme 18 gesteuert, die mit einem Zündschloss des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Ein Start eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs mittels des Starters 12 umfasst die folgenden Vorgänge:
Durch Betätigen des Zündschlosses wird der Magnetschalter 14 aktiviert, wodurch der bewegliche Kontakt 16 bewegt und ein Stromkreis geschlossen wird. Daraufhin fließt ein Starterstrom I von der Fahrzeugbatterie 10 zum Starter 12 (und zum Magnetschalter 14). Der Starterstrom I fließt dabei zunächst über einen ersten Schaltzweig 20. Der Stromkreis ist über eine gemeinsame Erde 21 geschlossen.
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Ein Stromfluss durch einen parallelen zweiten Schaltungszweig 22 wird durch einen zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Starters 12 sperrenden MOS-FET 24 verhindert. Das Gate des MOS-FETs 24 ist über eine Steuerleitung 26 mit einer Steuereinheit 28 verbunden ist. Die Steuereinheit 28 überwacht die Drehzahl des Starters 12. Da die Drehzahl des Starters 12 noch unterhalb eines vorgegebenen Drehzahlwerts liegt, steuert die Steuereinheit 28 den MOS-FET 24 in der Weise an, dass der MOS-FET 24 einen Stromfluss durch den zweiten Schaltzweig 24 sperrt.
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Unmittelbar nach dem Schließen des Kontakts 16 und während des Anlaufens des Starters 12 ist die Stromstärke des Starterstroms I sehr hoch. Dieser Anlaufstrom wird allerdings gegenüber einem Anlaufstrom, den der Starters 12 verursachen würde, wenn er direkt, d. h. nicht über den ersten Schaltungszweig 20 mit der Fahrzeugbatterie 10 verbunden wäre, gedrosselt. Dies wird durch eine Diode 30 und einen Widerstand 32 bewirkt, über denen eine Spannung abfällt, so dass ein über dem Starter 12 abfallender Teil der von der Fahrzeugbatterie bereitgestellten Spannung geringer ausfällt. Durch den gedrosselten Anlaufstrom wird der Starter 12 im Verhältnis zu einem ungedrosselten Anlaufstrom bspw. thermisch und mechanisch weniger belastet Außerdem fällt ein Spannungseinbruch an den Anschlüssen der Fahrzeugbatterie 10 im Vergleich zu einem Betrieb eines Starters mit ungedrosseltem Anlaufstrom geringer aus.
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Die Stromstärke I ist während des Anlaufs des Starters 12 dennoch so hoch, dass die durch die Fahrzeugbatterie 10 bereitgestellte Spannung von einem nominalen Spannungswert von 12 V auf einen Spannungswert von 9,5 V einbricht. Ohne das Drosseln des Anlaufstroms würde die bereitgestellte Spannung allerdings auf 8 V einbrechen. Von dem Spannungseinbruch auf 9,5 V sind andere elektrische Verbraucher in dem Kraftfahrzeug betroffen, die über eine Klemme 33 ebenfalls von der Fahrzeugbatterie 10 versorgt werden.
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Nachdem die Drehzahl des Starters 12 den vorgegeben Drehzahlwert überschritten hat, wird dies durch die Steuereinheit 28 erkannt und der MOS-FET 24 von der Steuereinheit 28 mittels eines Signals an das Gate des MOS-FETs 24 in einen leitenden Zustand geschaltet. Durch dieses so genannte Durchschalten des MOS-FETs 24 wird ein Strom auch durch den zweiten Schaltungszweig 22 möglich.
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In dem zweiten Schaltungszweig 22 befindet sich ein Doppelschicht-Kondensator 34, der zum Zeitpunkt des Durchschaltens des MOS-FETS 24 auf eine Spannung Von ca. 2,2 V aufgeladen ist. Zusammen mit der durch die Fahrzeugbatterie 10 bereitgestellten Spannung, die zum Zeitpunkt des Durchschaltens des MOS-FETs 24 wegen der gestiegenen Drehzahl des Starters 12 z. B. bei 10 V liegt, wird der Starter 12 im Moment des Zuschaltens des zweiten Schaltungszweigs mit insgesamt z. B. 12,2 V betrieben. Dadurch ist das Drehmoment des angelaufenen Starters gegenüber einem Starter, der lediglich mit 10 V betrieben wird, erhöht. Der Starter ist somit in der Lage, den Verbrennungsmotor schneller zu starten.
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Bei durchgeschaltetem MOS-FET 24 wird ein Kurzschluss des Doppelschicht-Kondensators 34 über den ersten Schaltungszweig 20 durch die Diode 30 verhindert, da sie für einen Strom nur in Richtung von der Fahrzeugbatterie 10 zum Starter 12 durchlässig ist. Entsprechend wird durch eine dem MOS-FET 24 parallel geschaltete, in 1 nicht dargestellte Diode verhindert, dass der Doppelschicht-Kondensator 34, entgegen der vorbestimmten Polung aufgeladen wird.
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Da der Doppelschicht-Kondensator 34 in Bezug auf den Starter 12 in Reihe zur Fahrzeugbatterie 10 geschaltet ist und nicht parallel zu ihr, kann die im Doppelschicht-Kondensator 34 gespeicherte Energie vollständig zum Betreiben des Starters 12 genutzt werden. Außerdem muss die vom Doppelschicht-Kondensator 34 bereitgestellte Spannung nicht größer als die von der Fahrzeugbatterie 10 bereitgestellte Spannung sein, damit der Doppelschicht-Kondensator 34 einen Nutzen bringt. Deshalb ist es in dem vorliegenden Beispiel ausreichend, einen einzigen Doppelschicht-Kondensator 34 zu verwenden. Insgesamt kann bei einem Kraftfahrzeug dadurch sehr effizient, d. h. kostengünstig und mit geringem Materialaufwand die Startdauer des Verbrennungsmotors verkürzt werden. Durch Verwenden von einer Mehrzahl von (in Reihe oder parallel geschalteten) Doppelschicht-Kondensatoren anstelle des einen Doppelschicht-Kondensators 34 kann die in 1 gezeigte Ausführungsform leicht an andere Starter oder andere Fahrzeugbatterien angepasst werden.
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Nachdem der Verbrennungsmotor nach einer halben Sekunde selbständig läuft, wird der Starter durch Öffnen des Kontakts 16 außer Betrieb gesetzt. Auch der MOS-FET 24 wird durch die Steuereinheit 28 wieder in den Zustand gebracht, in dem er einen Strom durch den zweiten Schaltungszweig 22 blockiert. Zugleich wird durch die Steuereinheit 28 ein DC-DC-Wandler 36 aktiviert, der den entladenen Doppelschicht-Kondensator 34 wieder auflädt. Der DC-DC-Wandler 36 wandelt dazu die von der Fahrzeugbatterie 10 bereitgestellte Spannung in eine für ein Aufladen des Doppelschicht-Kondensators 34 geeignete Spannung um.
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Anhand des erläuterten Ausführungsbeispiels ist gezeigt, dass bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug auf kostengünstige Weise ein Spannungseinbruch abgemildert und ein Start eines Verbrennungsmotors verkürzt werden kann.
