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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzfahrzeugs. Die Vorrichtung betrifft ferner ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs.
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In Verbrennungsmotoren werden rund 25 bis 30 % der im Kraftstoff enthaltenen Energie tatsächlich in Fortbewegung umgesetzt. Der weitaus größere Anteil wird in Wärme umgewandelt und keineswegs in vollem Umfang genutzt. Darüber hinaus beansprucht die Erzeugung von Strom für das Bordnetz des Fahrzeugs einen immer größeren Anteil der vom Verbrennungsmotor bereitgestellten Leistung. Aus diesem Grund gewinnt ein gezieltes Energiemanagement innerhalb des Fahrzeugs an Bedeutung.
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Um die Gewinnung und Nutzung der elektrischen Energie im Fahrzeug zu optimieren, ist eine möglichst wirksame Verbrennung des Kraftstoffs in dem Verbrennungsmotor notwendig. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da in modernen Fahrzeugen der Bedarf an elektrischer Energie zugenommen hat, welche über ein Generator- und Batteriesystem ebenfalls aus dem Kraftstoff gewonnen, gespeichert und nutzbar gemacht wird. Der Mehrbedarf an elektrischer Energie resultiert aus einer steigenden Zahl von Komfortfunktionen, aber auch aus immer neuen sicherheits- und dynamikrelevanten Komponenten wie Fahrwerkregelung, Motorsteuerung und dergleichen.
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Es ist deshalb notwendig, dass die Umwandlung der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Strom so gezielt gesteuert wird, dass die Verluste in der Gesamtenergiebilanz minimiert werden. Dies kann beispielsweise durch den Zeitpunkt der Energieumwandlung zur Stromerzeugung zu Gunsten einer möglichst hohen Effizienz beeinflusst werden. Durch eine Generatorregelung, die das Energiemanagement in Abhängigkeit vom Fahrzustand koordiniert, kann beispielsweise Bremsenergie rückgewonnen werden, und in das Bordnetz eingespeist werden.
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Bislang wird elektrische Energie konstant in jeder Fahrphase erzeugt. Der als Lichtmaschine bezeichnete Generator wird dabei permanent über einen Riemen von einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben. Es ist vorgesehen, dass dieser Vorgang vorwiegend dann abläuft, wenn keine Motorleistung abgerufen wird, also in den sog. Schub- und Bremsphasen. So steht beim Beschleunigen ein größerer Teil der Kraftstoffenergie allein für die Umsetzung in Bewegung zur Verfügung. In dieser Zeit wird das Bordnetz ausschließlich von der Batterie versorgt. Der Generator wird erst dann wieder aktiv, wenn der Motor in Schubbetrieb übergeht oder der Batterieladezustand unzureichend sein sollte.
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Bei Betrachtung der Wirkungsgradkette zur Erzeugung elektrischer Energie aus dem Kraftstoff ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 10 bis 17 % zur Erzeugung und Bereitstellung von Strom aus Kraftstoff, wobei ein Wirkungsgrad von 20 bis 25 % des Verbrennungsmotors und 50 bis 70 % des Generators zu Grunde gelegt wurde. Eine Erhöhung des Wirkungsgrads zur Bereitstellung der elektrischen Energie zur Versorgung des Bordnetzes des Fahrzeugs könnte zu einer erheblichen Reduktion des Kraftstoffverbrauchs führen.
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Die
DE 10 2007 013 873 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers, welcher zur Bereitstellung von für die Ladung erforderlicher Energie mit einem von einer Verbrennungsmaschine angetriebenen Generator gekoppelt werden kann. Zum Laden des Energiespeichers kann dieser auch mit einer fahrzeugexternen Ladeeinrichtung, z.B. einem zentralen Stromversorgungsnetz, einem Brennstoffzellensystem, einer Solaranlage oder einer Windenergieanlage verbunden werden.
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Die
EP 1 995 109 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einer elektrischen Speichereinrichtung, einem elektrischen Leistungswandler zum Bereitstellen elektrischer Energie zu der elektrischen Speichervorrichtung sowie einem Verbindungsteil zum Verbinden eines elektrischen Geräts außerhalb des Fahrzeugs und des elektrischen Leistungswandlers. Der Leistungswandler kann als AC/DC-Wandler ausgeführt sein.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs anzugeben, mit welchen eine Verbesserung der Energieeffizienz beim Betrieb des Fahrzeugs ermöglicht werden kann.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruches 14 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruches 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Nutzfahrzeugs. Unter einem Bordnetz wird in der vorliegenden Beschreibung die Gesamtheit aller elektronischen und elektrischen Komponenten in dem Fahrzeug verstanden. Hierzu zählen beispielsweise Steuergeräte, Sensoren, Anzeigeelemente, Aktoren, Bussysteme und die Verkabelung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein erstes Energiereservoir zur Energieversorgung des Bordnetzes des Fahrzeugs. Ein von einer Verbrennungskraftmaschine angetriebener Generator dient zur Energieversorgung des Bordnetzes und/oder zum Laden des ersten Energiereservoirs. Es ist ferner ein zweites Energiereservoir vorgesehen, das mit einer Ladungsschnittstelle gekoppelt ist, über die das zweite Energiereservoir über ein separates, bordnetzunabhängiges Stromnetz ladbar ist, wobei das zweite Energiereservoir derart bemessen ist, dass das Bordnetz temporär und/oder für ein vordefiniertes Fahrprofil ausschließlich aus dem zweiten Energiereservoir versorgt werden kann. Erfindungsgemäß sind das erste und das zweite Energiereservoir durch einen jeweiligen ersten und zweiten Energiespeicher bereitgestellt.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zu Grunde, über das in einem Fahrzeug typischerweise vorgesehene erste Energiereservoir hinaus ein zweites Energiereservoir vorzusehen, dessen Ladung nicht über den an die Verbrennungskraftmaschine angeschlossenen Generator, sondern ein bordnetzunabhängiges Stromnetz erfolgt. Die in diesem zweiten Energiereservoir bereitgestellte Energie wird derart dimensioniert, dass ein temporärer Fahrbetrieb, der insbesondere typische Fahrprofile der Kunden des Fahrzeugs berücksichtigt, durch die Energieentnahme aus dem zweiten Energiereservoir ermöglicht wird. Dies hat zur Folge, dass der Generator, welcher das erste Energiereservoir lädt und/oder das Bordnetz mit Energie versorgt, während dieser Zeit bzw. während dieses Fahrprofils nicht betrieben werden braucht.
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Da zur Erzeugung der in dem zweiten Energiereservoir gespeicherten Energie nicht auf die hinsichtlich ihres Wirkungsgrads „schlechten Komponenten“ der Verbrennungskraftmaschine sowie des Generators zurückgegriffen werden braucht, ergibt sich zur Bereitstellung der Energie des zweiten Energiereservoirs ein wesentlich höherer Wirkungsgrad von über 90 %. Dieser resultiert daraus, dass lediglich Umwandlungsverluste zwischen dem bordnetzunabhängigen Stromnetz und dem zweiten Energiereservoir in der Ladungsschnittstelle entstehen.
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Bei dem bordnetzunabhängigen Stromnetz kann es sich beispielsweise um ein öffentliches oder privates Stromnetz mit einer Wechselspannung von 230 V oder 110 V handeln. Bevorzugt wird die Energie aus regenerativen Energiequellen (z.B. Sonne, Wind) bereitgestellt. Ebenso kann es sich um ein am Fahrzeug angebrachtes Solarpanel handeln.
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Im Ergebnis kann beim Betrieb des Fahrzeugs eine signifikante Verbrauchsabsenkung und damit CO2-Reduktion erzielt werden. Die Verbrauchsabsenkung ist abhängig von dem Nutzungsprofil des Fahrzeugs und maximal, wenn die zum Betrieb des Fahrzeugs notwendige Energie ausschließlich aus dem zweiten Energiereservoir bezogen werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise in einem Fahrzeug realisieren, da als zusätzliche Komponenten lediglich das zweite Energiereservoir sowie die daran gekoppelte Ladungsschnittstelle bereitgestellt werden müssen. Zum Betrieb der Vorrichtung ist darüber hinaus eine Adaption der Steuerung des Energiemanagements notwendig, welche sich ebenfalls kostengünstig realisieren lässt.
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Das erste und das zweite Energiereservoir können gemäß einer nicht von der Erfindung umfassten Variante durch einen gemeinsamen Energiespeicher bereitgestellt werden. Dies bedeutet, dass der erfindungsgemäß eingesetzte Energiespeicher eine gegenüber herkömmlichen Energiespeichern größere Kapazität aufweisen muss. Dabei wird, wie beschrieben, die über den bisherigen Energieinhalt hinausgehende Energie (das zweite Energiereservoir) nicht durch den herkömmlichen Betrieb des Generators in dem Energiespeicher bereit gestellt, sondern über die Ladungsschnittstelle aus dem separaten, bordnetzunabhängigen Stromnetz bezogen.
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Stattdessen sind erfindungsgemäß das erste und das zweite Energiereservoir durch einen jeweiligen ersten und zweiten Energiespeicher bereitgestellt. Hierbei wird der erste Energiespeicher in herkömmlicher, bekannter Weise eines Fahrzeugs betrieben, während der zweite Energiespeicher über die Ladungsschnittstelle durch das öffentliche Stromnetz geladen wird und Energie für einen temporären Fahrbetrieb bereit stellt.
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Bei dem gemeinsamen Energiespeicher oder dem ersten und dem zweiten Energiespeicher kann es sich um eine beliebige Batterie handeln. Neben der Verwendung einer Bleibatterie, einer NiMH (Nickel-Metallhydrid)-Batterie oder Lithium-Polymer-Batterie ist insbesondere der Einsatz einer Blei-Gel-Batterie (sog. AGM, Absorbed Glass Mat-Batterie) oder einer Lithium-Ionen-Batterie vorgesehen.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, die Versorgung des Bordnetzes über den ersten Energiespeicher und/oder den Generator sicherzustellen, wenn das zweite Energiereservoir einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder unterschreitet. Der vorgegebene Grenzwert kann, je nach verwendeter Batterie, derart gewählt sein, dass ein vollständiges Ausschöpfen des zweiten Energiereservoirs oder lediglich eines Teils davon erfolgt.
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Es ist zweckmäßig, wenn der zweite Energiespeicher über ein steuerbares Schaltelement an das Bordnetz gekoppelt ist, wobei eine Steuerung dazu ausgebildet ist, den zweiten Energiespeicher über das Schaltelement von dem Bordnetz zu trennen, wenn das zweite Energiereservoir einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder unterschreitet. Hierdurch ist sichergestellt, dass die in dem ersten Energiespeicher gespeicherte Energie nicht zur Ladung des zweiten Energiespeichers verwendet wird. Durch die Möglichkeit, den zweiten Energiespeicher von dem Bordnetz abzutrennen, kann eine optimierte Energieeffizienz der Vorrichtung erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren, zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst die mit dem zweiten Energiereservoir gekoppelte Ladungsschnittstelle einen AC/DC-Wandler oder einen AC/DC/DC-Wandler. Hierdurch kann die Ladung des zweiten Energiereservoirs auf einfache Weise dadurch bewerkstelligt werden, dass die in der Vorrichtung und damit dem Fahrzeug vorgesehene Ladungsschnittstelle mit dem Stromnetz verbunden wird. Die Ladungsschnittstelle kann z.B. integraler Bestandteil des zweiten Energiereservoirs sein, unabhängig davon, ob dieses durch einen separaten Energiespeicher oder einen gemeinsamen Energiespeicher mit dem ersten Energiereservoir gebildet ist. Die Ladungsschnittstelle kann jedoch auch ein von dem zweiten Energiereservoir unterschiedliches Bauteil sein, wobei dann eine permanente elektrische Verbindung innerhalb des Fahrzeugs zwischen diesen beiden Komponenten hergestellt ist.
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Gemäß einer Ausgestaltungsvariante erfolgt die Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen der Ladungsschnittstelle und dem Stromnetz über ein Kabel, wobei das Kabel in dem Fahrzeug vorgesehen und permanent mit der Ladungsschnittstelle elektrisch gekoppelt ist. Hierdurch kann der Komfort für den Benutzer erhöht werden, da dieser kein separates Kabel mit sich führen muss.
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Bei dieser Ausgestaltung ist es zweckmäßig, wenn eine Kabel-Überwachungsvorrichtung vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, den Anschluss des Kabels an das Stromnetz zu detektieren und in Abhängigkeit des Detektionsergebnisses einen Start der Verbrennungskraftmaschine unterbindet oder erlaubt. Auf diese Weise soll verhindert werden, dass der Benutzer das Fahrzeug starten und in Bewegung setzen kann, solange dieses noch über das Kabel mit dem separaten Stromnetz verbunden ist.
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Alternativ kann die Ladungsschnittstelle induktiv mit dem Stromnetz koppelbar ausgebildet sein. Hierdurch ist der Anschluss eines Kabels an das separate Stromnetz entbehrlich. Für den Benutzer ergibt sich eine Erhöhung des Komforts zur Ladung des zweiten Energiereservoirs.
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Es ist ferner zweckmäßig, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Anzeige- oder Ausgabevorrichtung für den Ladezustand des zweiten Energiereservoirs aufweist. Durch die Anzeige- oder Ausgabevorrichtung kann ein Benutzer darüber informiert werden, wann eine Ladung des zweiten Energiereservoirs vorgenommen werden muss. In einer genaueren Darstellung könnte der Benutzer über den noch verfügbaren Energieinhalt, z.B. in Form einer prozentualen Anzeige oder einer Balken-Anzeige, informiert werden.
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Eine weitere Erhöhung der Effizienz ergibt sich dann, wenn der Generator von der Verbrennungskraftmaschine elektrisch und/oder mechanisch entkoppelbar ist, solange das Bordnetz aus dem zweiten Energiereservoir speisbar ist. Die Entkopplung kann beispielsweise durch das Vorsehen einer Kupplung zwischen dem Generator und einer Riemenscheibe, welche durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird, erfolgen. Hierdurch können mechanische Widerstände reduziert werden, welche den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine negativ beeinflussen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, eine oder mehrere Komponenten des Fahrzeugs, welche zu ihrem bestimmungsgemäßen oder optimalen Betrieb einen jeweiligen Betriebszustand, insbesondere eine Betriebstemperatur, benötigen, auf den Betriebszustand zu konditionieren, wenn die Ladungsschnittstelle mit dem Stromnetz zur Ladung des zweiten Energiereservoirs verbunden ist. Es ist in diesem Zusammenhang zweckmäßig, wenn die Komponenten direkt (d.h. nicht über das zweite Energiereservoir) mit dem Stromnetz gekoppelt werden. Hierdurch lassen sich verschiedene Fahrzeugkomponenten, wie Klimatisierung, Katalysator, Motor-, Getriebe- oder Achsgetriebeöl, Wasserkreislauf usw. vorkonditionieren. Hierdurch kann beispielsweise die Zeit bis zum Erreichen der optimalen Betriebstemperatur verkürzt werden, was sowohl hinsichtlich des Emissionsverhaltens als auch des Kraftstoffsverbrauchs von Vorteil ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung übernimmt damit einen Teil der Funktionalität, wie diese beispielsweise durch eine Standheizung bereitgestellt wird. Dabei ist diese im Vergleich zu einer Standheizung auf einfachere Weise mit geringeren Kosten zu realisieren. Im Vergleich zu einer Standheizung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung darüber hinaus den Vorteil einer höheren Energieeffizienz auf.
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Das zweite Energiereservoir ist zweckmäßigerweise derart bemessen, dass das Bordnetz für wenigstens 15 Minuten, insbesondere für mehr als eine Stunde oder am Meisten bevorzugt für mehr als zwei Stunden bei einem durchschnittlichen Energieverbrauch des Bordnetzes von 600 Watt aus dem zweiten Energiereservoir versorgt werden kann. Prinzipiell kann das Energiereservoir beliebig bemessen werden. Bei der Analyse von Fahrprofilen hat sich jedoch herausgestellt, dass ein tägliches Nutzungsprofil eines Fahrzeugs eine Dauer von ein bis zwei Stunden selten überschreitet. Es ist deshalb zweckmäßig, das zweite Energiereservoir an einem statistisch wahrscheinlichen Nutzungsprofil und damit einer Nutzungsdauer zu orientieren. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, wenn das zweite Energiereservoir größer als 500 Wattstunden, insbesondere größer als 1 Kilowattstunde und am Meisten bevorzugt größer als 2 Kilowattstunden ist.
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Die Erfindung schafft auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder Nutzfahrzeug, welches eine Vorrichtung der vorher beschriebenen Art umfasst.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Nutzfahrzeugs, das ein erstes Energiereservoir zur Energieversorgung des Bordnetzes des Fahrzeugs, einen von einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Generator zur Energieversorgung des Bordnetzes und/oder zum Laden des ersten Energiereservoirs und ein zweites Energiereservoir, das mit einer Ladungsschnittstelle gekoppelt ist, umfasst, wobei das erste und das zweite Energiereservoir durch einen jeweiligen ersten und zweiten Energiespeicher bereitgestellt sind, wird das zweite Energiereservoir mittels der Ladungsschnittstelle über ein separates, bordnetzunabhängiges Stromnetz geladen und das Bordnetz temporär und/oder für ein vordefiniertes Fahrprofil ausschließlich aus dem zweiten Energiereservoir versorgt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die gleichen Vorteile verbunden, wie sie vorstehend für die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben wurden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dem ersten Energiereservoir keine Energie entnommen, wenn und solange das Bordnetz aus dem zweiten Energiereservoir versorgt wird. Dies hat zur Folge, dass der Generator zum Laden des ersten Energiereservoirs nicht betrieben werden muss und damit eine Kraftstoffeinsparung sowie Reduktion der Schadstoffemissionen erzielt werden.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der Generator von der Verbrennungskraftmaschine mechanisch entkoppelt wird, wenn das Bordnetz aus dem zweiten Energiereservoir versorgt wird.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine oder mehrere Komponenten des Fahrzeugs, welche zu ihrem bestimmungsgemäßen oder optimalen Betrieb einen jeweiligen Betriebszustand, insbesondere eine Betriebstemperatur, benötigen, auf den Betriebszustand konditioniert werden, wenn die Ladungsschnittstelle mit dem Stromnetz zur Ladung des zweiten Energiereservoirs verbunden ist. Vorzugsweise sind die Komponenten direkt mit dem Stromnetz gekoppelt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Bordnetz für wenigstens 15 Minuten, insbesondere für mehr als eine Stunde, am Meisten bevorzugt für mehr als zwei Stunden bei einem durchschnittlichen Energieverbrauch des Bordnetzes von 600 Watt aus dem zweiten Energiereservoir versorgt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Energieversorgung eines Bordnetzes BN eines Fahrzeugs,
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines Bordnetzes BN eines Fahrzeugs. Das Bordnetz BN weist eine Vielzahl an Verbrauchern in Gestalt von elektronischen und elektrischen Komponenten auf. Diese sind in der Figur schematisch mit V1, V2 und V3 gekennzeichnet. Bei diesen elektronischen oder elektrischen Komponenten kann es sich um Steuergeräte, Sensoren, Anzeigeelemente, wie z.B. Warn- und Kontrollleuchten oder Displays, Aktoren, wie z.B. Elektromotoren, Leuchten und Beleuchtungssysteme, Bussysteme und die Verkabelung zwischen den Komponenten handeln. Die elektrische Verschaltung der einzelnen Komponenten untereinander ist für die vorliegende Erfindung unerheblich.
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Das Bordnetz BN wird aus einer Batterie Bat und/oder einem von einer Verbrennungskraftmaschine M angetriebenen Generator G mit Energie versorgt. In bekannter Weise ist die Verbrennungskraftmaschine M zum Antrieb des Fahrzeugs mit wenigstens zwei Reifen R gekoppelt.
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Der Energiespeicher Bat weist ein erstes und ein zweites Energiereservoir Res1, Res2 auf. Das erste Energiereservoir Res1 umfasst hierbei einen Energieinhalt, der dem Energieinhalt einer herkömmlichen Batterie in einem Fahrzeug entspricht. Der erfindungsgemäße Energiespeicher Bat umfasst darüber hinaus das zweite Energiereservoir Res2, welches gegenüber einer herkömmlichen Batterie eines Fahrzeugs zusätzlich zur Verfügung steht. Die Trennung des Energiespeichers Bat in das erste und das zweite Energiereservoir Res1, Res2 ist prinzipiell lediglich gedanklicher Natur. Die Unterscheidung in erstes und zweites Energiereservoir Res1, Res2 resultiert daraus, auf welche Weise der jeweilige Energieinhalt bereitgestellt bzw. aufrecht erhalten wird.
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Der Energieinhalt des zweiten Energiereservoirs Res2 wird durch ein separates, z.B. öffentliches oder privates Stromnetz SN bereitgestellt, das z.B. mit einer Wechselspannung von 230 V oder 110 V betrieben wird. Das Stromnetz SN kann beispielsweise auch durch ein an dem Fahrzeug angebrachtes Solarpanel (z.B. Solardach) gebildet sein. Der Energiespeicher Bat ist mit einer Ladungsschnittstelle IF gekoppelt. Die Ladungsschnittstelle I F kann integraler Bestandteil des Ladungsspeichers Bat sein. Die Ladungsschnittstelle I F kann auch eine davon unterschiedliche Komponente sein, welche elektrisch permanent mit dem Energiespeicher Bat verbunden ist. In jedem Fall ist die Ladungsschnittstelle IF in dem Fahrzeug integriert oder zumindest integrierbar. Die Ladungsschnittstelle IF umfasst z.B. einen AC/DC-Wandler oder einen AC/DC/DC-Wandler und ist über ein Kabel K mit dem externen Stromnetz SN verbindbar. Das Kabel K kann beispielsweise in dem Fahrzeug vorgesehen und integriert sein.
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Sobald die Ladungsschnittstelle IF mit dem Stromnetz SN verbunden ist, erfolgt eine Ladung des Energiespeichers Bat. Das zweite Energiereservoir Res2, das über das Stromnetz SN geladen wird, ist dabei derart bemessen, dass das Bordnetz BN des Fahrzeugs temporär und/oder für ein vordefiniertes Fahrprofil ausschließlich aus dem zweiten Energiereservoir Res2 versorgt werden kann. Dies hat zur Folge, dass der Generator G zur Aufrechterhaltung des Energieinhalts des ersten Energiereservoirs Res1 nicht betrieben werden muss, wodurch eine ungünstige Wirkungsgradkette zur Bereitstellung der elektrischen Energie in dem Energiespeicher Bat zumindest zeitweilig vermieden ist.
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Es ist darüber hinaus zweckmäßig, wenn der Generator von der Verbrennungskraftmaschine elektrisch und/oder mechanisch entkoppelbar ist, solange das Bordnetz BN aus dem zweiten Energiereservoir Res2 speisbar ist. Hierdurch können zusätzlich mechanische Verluste der Verbrennungskraftmaschine reduziert werden.
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Durch ein ausreichend großes zweites Energiereservoir Res2 kann sichergestellt werden, dass das Bordnetz BN für eine vorgegebene Zeit bei einem angenommenen durchschnittlichen Energieverbrauch ausschließlich aus dem zweiten Energiereservoir Res2 versorgt werden kann. In Abhängigkeit der Größe des zweiten Energiereservoirs Res2 kann dabei die Zeitspanne definiert werden, welche das Fahrzeug ohne Betrieb des Generators zurücklegen kann. Zweckmäßigerweise wird das Bordnetz für wenigstens 15 Minuten, insbesondere für mehr als eine Stunde oder sogar für mehr als zwei Stunden bei einem durchschnittlichen Energieverbrauch des Bordnetzes von 600 Watt aus dem zweiten Energiereservoir Res2 versorgt. Ein auf zwei Stunden ausgelegtes Energiereservoir entspricht hierbei dem Erfahrungswert, gemäß dem eine durchschnittliche tägliche Fahrt nicht länger als eine Stunde dauert. Somit wäre der Nutzer eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Lage, das Bordnetz für den Hin- und Rückweg zwischen seiner Wohnung und der Arbeitsstätte ausschließlich mit der durch das zweite Energiereservoir bereitgestellten Energie zu versorgen.
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Da beim Ladevorgang des zweiten Energiereservoirs durch das separate Stromnetz SN kaum Umwandlungsverluste auftreten, ist die für den Betrieb des Bordnetzes BN notwendige Energie mit einem wesentlich geringeren Aufwand an Primärenergie bereitstellbar. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung fallen lediglich Umwandlungsverluste in der Ladungsschnittstelle IF an. Demgegenüber fallen zur Bereitstellung des ersten Energiereservoirs aus dem Kraftstoff der Verbrennungskraftmaschine M, welche den Generator G zum Laden des ersten Energiereservoirs Res1 antreibt, Verluste in der Verbrennungskraftmaschine M und dem Generator G an. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt sich ein diesbezüglicher Vorteil um den Faktor 5 bis 9.
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Dadurch, dass der Generator weder zur Energieversorgung des Bordnetzes noch zum Laden des Energiereservoirs für eine temporäre Zeitspanne betrieben werden muss, lässt sich eine signifikante Reduktion der Kraftstoffkosten um bis zu zwei Liter pro hundert Kilometer erzielen. Dabei ist keine Modifikation der bislang in einem Kraftfahrzeug verwendeten Bauteile notwendig. Insbesondere ist es in der in 1 gezeigten Variante ausreichend, den Energiespeicher Bat gegenüber einer herkömmlichen Batterie um das Maß des zweiten Energiereservoirs zu erhöhen und eine Möglichkeit zu schaffen, den Energiespeicher Bat über das externe Stromnetz zu laden.
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Sobald das zweite Energiereservoir Res2 zur Versorgung des Bordnetzes BN aufgebracht ist, erfolgt ein herkömmlicher Betrieb der Vorrichtung, gemäß der ein unterer Schwellwert des Energieinhalts des ersten Energiereservoirs Res1 überwacht wird, so dass dann über den Generator G der Energiespeicher Bat bis zu einem oberen Schwellwert des ersten Energiereservoirs Res1 wieder aufgeladen wird. Auf diese Weise ist in jedem Falle sichergestellt, dass ein Start des Motors sowie die Versorgung des Bordnetzes auch dann sichergestellt sind, wenn das zweite Energiereservoir aufgebraucht ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das Verhalten der erfindungsgemäßen Vorrichtung dem Verhalten eines herkömmlichen Kraftfahrzeugs entspricht, sobald das zweite Energiereservoir aufgebraucht ist.
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Die Möglichkeit, den Energiespeicher Bat über ein separates Stromnetz zu laden, eröffnet darüber hinaus die Möglichkeit einzelne Komponenten des Fahrzeugs (wie z.B. die für die Klimatisierung notwendigen Komponenten, die für das Vorheizen eines Katalysators notwendigen Komponenten, die Komponenten zur Erwärmung von Motoröl, Getriebeöl oder Achsgetriebeöl sowie die Komponenten des Wasserkreislaufs) elektrisch vorzukonditionieren, so dass die Betriebstemperatur des Fahrzeugs unmittelbar nach dem Start bereits erreicht werden kann. Hierdurch wird ein hinsichtlich seines Verbrauchs und seiner Abgasemissionen verbessertes Fahrzeug bereitgestellt. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Komponenten zu deren Vorkonditionierung direkt mit dem Stromnetz SN gekoppelt sind, um die Lebensdauer des zweiten Energiereservoirs Res2 nicht zu beeinträchtigen.
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Die in 1 dargestellte Vorrichtung umfasst neben den bereits beschriebenen Komponenten eine Anzeige- und Ausgabevorrichtung ANZ, über welche der Fahrer über den Ladezustand des Energiespeichers Bat oder über das Erreichen eines Schwellwerts, welcher die Entleerung des zweiten Energiereservoirs signalisiert, informiert werden kann. Hierdurch erhält der Benutzer des Fahrzeugs eine Rückmeldung, wann bzw. dass die Ladung des Energiespeichers Bat über das separate Stromnetz SN vorgenommen werden muss.
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Es ist darüber hinaus zweckmäßig, eine Kabel-Überwachungsvorrichtung SE vorzusehen, welche dazu ausgebildet ist, den Anschluss des Kabels K an das Stromnetz SN zu detektieren und in Abhängigkeit des Detektionsergebnisses einen Start der Verbrennungskraftmaschine M zu unterbinden oder zu erlauben. Durch die Kabel-Überwachungsvorrichtung SE kann somit verhindert werden, dass ein an das Stromnetz angeschlossenes Fahrzeug, ohne das Kabel zu entfernen, losfährt.
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Die Ladung des zweiten Energiereservoirs Res2 des Energiespeichers Bat muss nicht zwangsweise durch die Herstellung einer elektrischen Verbindung des Stromnetzes SN mit der Ladungsschnittstelle IF über ein Kabel K erfolgen. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausgestaltung ist auch vorgesehen, die Ladungsschnittstelle IF induktiv mit dem Stromnetz SN zu koppeln.
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2 zeigt als alternative Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Energieversorgung eines Bordnetzes BN eines Fahrzeugs eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Diese unterscheidet sich von der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Vorrichtung dadurch, dass nunmehr zwei Energiespeicher Bat1 und Bat2 vorgesehen sind. Der erste Energiespeicher Bat1 stellt das erste Energiereservoir Res1 bereit. Der zweite Energiespeicher Bat2 stellt das zweite Energiereservoir Res2 bereit. Der erste Energiespeicher Bat1 ist in herkömmlicher Weise mit dem Bordnetz BN gekoppelt. Der zweite Energiespeicher Bat2 ist über ein steuerbares Schaltelement S mit dem Bordnetz BN gekoppelt. Im Übrigen ist der zweite Energiespeicher Bat2 über die Ladungsschnittstelle IF mit dem separaten Stromnetz SN verbindbar. Schematisch ist die Herstellung der elektrischen Verbindung über ein Kabel K, wie vorstehend bereits beschrieben, vorgenommen. Die Überwachung, ob die Ladungsschnittstelle IF über das Kabel K mit dem Stromnetz SN verbunden ist, erfolgt wiederum über die Kabel-Überwachungsvorrichtung SE.
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Dem zweiten Energiespeicher Bat2 ist ein Überwachungsmittel zur Überwachung des Energieinhalts zugeordnet, so dass einerseits eine Visualisierung über die Anzeige- und Ausgabevorrichtung ANZ erfolgen kann. Andererseits dient das Überwachungsmittel zur Steuerung des Schaltelements S. Solange die Versorgung des Bordnetzes durch die in dem zweiten Energiespeicher Bat2 enthaltene Energie möglich ist, ist das Schaltelement S geschlossen. Es ist gegebenenfalls zweckmäßig, während dieser Zeit die Verbindung zwischen dem ersten Energiespeicher Bat1 und dem Bordnetz BN über ein weiteres Schaltelement aufzutrennen. Sobald das zweite Energiereservoir Res2 in dem zweiten Energiespeicher Bat2 einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wird der zweite Energiespeicher Bat2 über das Schaltelement S von dem Bordnetz BN getrennt, wobei eine Versorgung des Bordnetzes BN über das in dem ersten Energiespeicher Bat1 enthaltene erste Energiereservoir Res1 und/oder den Generator G erfolgt.
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Der erste Energiespeicher Bat1 kann beispielsweise durch eine wie bislang ausgebildete Batterie gebildet sein. Der zweite Energiespeicher Bat2 ist eine zusätzliche Batterie, die derart bemessen ist, dass das Bordnetz BN, wie vorstehend beschrieben, temporär und/oder für ein vordefiniertes Fahrprofil ausschließlich aus dem zweiten Energiereservoir Res2 des zweiten Energiespeichers Bat2 versorgt werden kann.
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Bei dem in den beiden beschriebenen Beispielen dargestellten Energiespeichern kann es sich um eine herkömmliche Bleibatterie, eine NiMH-Batterie, eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Blei-Gel-Batterie (sog. AGM-Batterie) oder eine Lithium-Ionen-Batterie bzw. um eine beliebige Batterie handeln. Je nach verwendetem Batterietyp kann es sein, dass eine vollständige Entleerung des zweiten Energiereservoirs aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht möglich ist. Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn das zweite Energiereservoir eine Kapazität von 100 bis 200 Amperestunden aufweist. Hierdurch ist die Abdeckung typischer Fahrprofile von bis zu zwei Stunden pro Tag gewährleistet.
