DE102009024373B4 - Vehicle electrical system with a flywheel energy storage and method for controlling a process of starting an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Bordnetz (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Schwungradenergiespeicher (12) mit – einem drehbar gelagerten Schwungrad (22), – einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschluss (26, 28) und – einem Energiewandler (38) zum reversiblen Umwandeln von an den Anschlüssen bereitgestellter elektrischer Energie (US) in kinetische Energie des Schwungrades (22), wobei ein zusätzlicher Anschluss (30) von dem ersten Anschluss (26) abgezweigt ist und ein elektrischer Schalter (34) zwischen dem ersten und dem zusätzlichen Anschluss (26, 30) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten Anschluss (26) zumindest ein elektrischer Verbraucher (20) angeschlossen ist und an den zusätzlichen Anschluss (30) eine Fahrzeugbatterie (14) und ein Starter (16) für eine Brennkraftmaschine angeschlossen sind, und dass der elektrische Schalter (34) ein MOSFET ist, dessen parasitäre Diode (36) mit ihrer Anode mit dem zusätzlichen Anschluss (30) gekoppelt ist.Vehicle electrical system (10) for a motor vehicle, with a flywheel energy storage (12) with - a rotatably mounted flywheel (22) - a first and a second electrical connection (26, 28) and - an energy converter (38) for reversibly converting to the Connected electrical energy (US) into kinetic energy of the flywheel (22), wherein an additional terminal (30) is branched from the first terminal (26) and an electrical switch (34) between the first and the additional terminal (26, 30 ), characterized in that at least one electrical load (20) is connected to the first connection (26) and to the additional connection (30) a vehicle battery (14) and a starter (16) for an internal combustion engine are connected, and in that the electrical switch (34) is a MOSFET whose parasitic diode (36) is coupled with its anode to the additional terminal (30).
Description
Die Erfindung betrifft ein Bordnetz mit einem Schwungradenergiespeicher für ein Kraftfahrzeug. Der Schwungradenergiespeicher umfasst ein drehbar gelagertes Schwungrad, einen ersten und einen zweiten elektrischen Anschluss und einen Energiewandler, mit welchem an den Anschlüssen bereitgestellte elektrische Energie in kinetische Energie des Schwungrades reversibel umgewandelt werden kann. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Bordnetz sowie ein Verfahren zum Steuern eines Vorgangs des Startens einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mithilfe eines Starters.The invention relates to a vehicle electrical system with a flywheel energy storage for a motor vehicle. The flywheel energy storage device comprises a rotatably mounted flywheel, a first and a second electrical connection and an energy converter with which electrical energy provided at the connections can be reversibly converted into kinetic energy of the flywheel. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle with such a vehicle electrical system and a method for controlling a process of starting an internal combustion engine of a motor vehicle by means of a starter.
Es ist Stand der Technik, einen Schwungradenergiespeicher in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs einzusetzen. Mit solchen Energiespeichern ist es möglich, Energie als Rotationsenergie zu speichern. Die Energie kann zurückgewonnen werden, indem das Schwungrad abgebremst wird. Ein Bordnetz, bei welchem ein Schwungradenergiespeicher zum Speichern von Energie verwendet wird, ist beispielsweise aus der Druckschrift
Grundsätzlich ist es möglich, Spannungseinbrüche in einem Bordnetz mithilfe eines Schwungradenergiespeichers zu kompensieren. Die Anwendung von Schwungradenergiespeichern findet jedoch ihre Grenzen während des Vorgangs des Startens einer Brennkraftmaschine. Die in Kraftfahrzeugen verwendeten Starter sind nämlich in der Regel Gleichstrommotoren, die über einen Kollektor verfügen. Bei Inbetriebnahme des Starters stellt dieser für das Bordnetz zunächst einen Kurzschluss dar, so dass gerade zu Beginn des Startvorgangs der Brennkraftmaschine relativ hohe Ströme – sogar bis zu 1000 A – über den Starter fließen. Diese Ströme werden nur durch den Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie, den Ohmschen Widerstand der Leitungen sowie den Widerstand des Starters begrenzt. Würde das Bordnetz während des Startvorgangs mit einem Schwungradenergiespeicher stabilisiert werden, würde der Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie verringert werden, nämlich wegen des Parallelgeschaltetseins von Fahrzeugbatterie und Schwungradenergiespeicher. Dann würde die Stromstärke des zu Beginn des Startvorgangs über den Starter fließenden Stromes noch weiter erhöht werden, und die Lebensdauer des Starters würde negativ beeinflusst werden.Basically, it is possible to compensate for voltage dips in a vehicle electrical system using a flywheel energy storage. However, the use of flywheel energy storage finds its limits during the process of starting an internal combustion engine. The starters used in motor vehicles are usually DC motors with a collector. When the starter is put into operation, it initially represents a short circuit for the vehicle electrical system, so that relatively high currents - even up to 1000 A - flow through the starter, especially at the start of the starting process of the internal combustion engine. These currents are limited only by the internal resistance of the vehicle battery, the ohmic resistance of the cables and the resistance of the starter. If the electrical system were stabilized during startup with a flywheel energy storage, the internal resistance of the vehicle battery would be reduced, namely because of the parallel connection of vehicle battery and flywheel energy storage. Then the current of the current flowing through the starter at the beginning of the starting process would be further increased, and the life of the starter would be adversely affected.
Es wäre wünschenswert, gäbe es einen Schwungradenergiespeicher, mit welchem einerseits Spannungseinbrüche an elektrischen Verbrauchern eines Bordnetzes während des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine kompensiert oder gar vermieden werden können und andererseits der Startvorgang selbst nicht beeinträchtigt oder sogar beschleunigt werden kann.It would be desirable if there was a flywheel energy storage, with which on the one hand voltage dips on electrical loads of a vehicle electrical system during the process of starting the internal combustion engine can be compensated or even avoided and on the other hand, the starting process itself can not be affected or even accelerated.
Aus dem Dokument
Bordnetze für Kraftfahrzeuge sind außerdem aus den Druckschriften
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zuverlässig betrieben werden kann, nämlich insbesondere während eines Vorgangs des Startens einer Brennkraftmaschine.It is an object of the invention to provide a solution as to how a vehicle electrical system of a motor vehicle can be operated reliably, namely in particular during an operation of starting an internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bordnetz sowie durch ein Kraftfahrzeug, wie auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst.This object is achieved by an electrical system and by a motor vehicle, as well as by a method with the features according to the respective independent claims.
Der Schwungradenergiespeicher des erfindungsgemäßen Bordnetzes umfasst einen ersten und einen zweiten elektrischen Anschluss. Es ist vorgesehen, dass ein zusätzlicher Anschluss von dem ersten Anschluss abgezweigt ist und ein elektrischer Schalter zwischen dem ersten und dem zusätzlichen Anschluss gekoppelt ist.The flywheel energy storage of the electrical system according to the invention comprises a first and a second electrical connection. It is provided that an additional terminal is branched off from the first terminal and an electrical switch is coupled between the first and the additional terminal.
Der erfindungsgemäße Effekt wird also durch einen zusätzlichen Anschluss erzielt, welcher bedarfsabhängig, je nach Anwendung mit dem ersten Anschluss kurzgeschlossen oder von diesem entkoppelt werden kann. Auf diesem Wege gelingt es, die im Schwungradenergiespeicher gespeicherte Energie an dem zusätzlichen Anschluss dann abzugreifen, wenn der elektrische Schalter leitend geschaltet ist. Ist der elektrische Schalter geöffnet, liegt zwischen dem zusätzlichen Anschluss und dem zweiten Anschluss – welcher ein Bezugspotential bereitstellt – keine elektrische Spannung an.The effect according to the invention is therefore achieved by an additional connection which can be short-circuited or decoupled from the first connection depending on the application, depending on the application. In this way, it is possible to tap the stored energy in the flywheel energy storage at the additional terminal when the electrical switch is turned on. If the electrical switch is open, there is no electrical voltage between the additional connection and the second connection, which provides a reference potential.
Mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz können diverse Vorteile erzielt werden: Mit dem Schwungradenergiespeicher kann zunächst ein Verpolschutz für elektrische Verbraucher eines Bordnetzes geschaffen werden. Dies gilt insbesondere bei einer solchen Konstellation, bei welcher an den ersten Anschluss des Schwungradenergiespeichers eine Vielzahl von sensiblen elektrischen Verbrauchern und an den zusätzlichen Anschluss eine Parallelschaltung aus einer Fahrzeugbatterie und einem Starter für eine Brennkraftmaschine angeschlossen sind. Wird eine Fremdbatterie an die Fahrzeugbatterie mit einer falschen Polung angeschlossen – um zum Beispiel ein anderes Kraftfahrzeug zu starten – so kann der Stromkreis zu den elektrischen Verbrauchern durch den elektrischen Schalter unterbrochen werden. So werden die elektrischen Verbraucher vor einer falschen Polung geschützt. Es kann somit im gesamten Bordnetz auf im Stand der Technik eingesetzte Verpolschutzmaßnahmen verzichtet werden; die Funktion des Verpolschutzes wird zentral durch den elektrischen Schalter übernommen.With the vehicle electrical system according to the invention various advantages can be achieved: With the flywheel energy storage can first be created a polarity reversal protection for electrical loads of a vehicle electrical system. This is especially true in such a constellation, in which at the first connection of the flywheel energy storage a plurality of sensitive electrical loads and to the additional terminal a parallel connection of a vehicle battery and a starter for an internal combustion engine are connected. If a foreign battery is connected to the vehicle battery with a wrong polarity - for example, to start another motor vehicle - so the circuit to the electrical loads can be interrupted by the electrical switch. This protects the electrical consumers against incorrect polarity. It is thus possible to dispense with reverse polarity protection measures used in the prior art throughout the electrical system; the function of reverse polarity protection is taken over centrally by the electrical switch.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bordnetzes besteht darin, dass sensible elektrische Verbraucher von der Fahrzeugbatterie und dem Starter während des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine entkoppelt werden können. Sind an den ersten Anschluss des Schwungradenergiespeichers eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern und an den zusätzlichen Anschluss eine Fahrzeugbatterie und ein Starter angeschlossen, kann der elektrische Schalter die Funktion der Entkopplung der elektrischen Verbraucher von dem Starter und der Fahrzeugbatterie übernehmen. Einerseits können somit Spannungseinbrüche, die während der Inbetriebnahme des Starters auftreten, auf der Seite der elektrischen Verbraucher vermieden werden, andererseits können die elektrischen Verbraucher während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine direkt mit elektrischer Energie aus dem Schwungradenergiespeicher versorgt werden. Dadurch, dass nicht aufgrund des hohen Stromes während des Startvorgangs Spannungseinbrüche an den elektrischen Verbrauchern auftreten, können die elektrischen Verbraucher selbst kostengünstiger als im Stand der Technik gefertigt werden. Elektrische Verbraucher schalten nämlich bekanntlich dann ab, wenn die Bordnetzspannung einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. Die elektrischen Verbraucher können nun aufgrund der Entkopplung von dem Starter derart gefertigt werden, dass dieser Grenzwert erhöht ist.A further advantage of the vehicle electrical system according to the invention is that sensitive electrical consumers can be decoupled from the vehicle battery and the starter during the process of starting the internal combustion engine. If a plurality of electrical consumers are connected to the first connection of the flywheel energy store and a vehicle battery and a starter are connected to the additional connection, the electrical switch can take over the function of decoupling the electrical consumers from the starter and the vehicle battery. On the one hand voltage dips that occur during startup of the starter can be avoided on the side of the electrical consumers, on the other hand, the electrical loads can be supplied directly with electrical energy from the flywheel energy storage during startup of the internal combustion engine. Due to the fact that voltage drops do not occur at the electrical consumers due to the high current during the starting process, the electrical consumers themselves can be manufactured more cost-effectively than in the prior art. It is well known that electrical loads switch off when the vehicle electrical system voltage drops below a certain limit value. The electrical consumers can now be made due to the decoupling of the starter so that this limit is increased.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bordnetzes besteht darin, dass der Vorgang des Startens der Brennkraftmaschine durch den Schwungradenergiespeicher unterstützt werden kann, und zwar dann, wenn die Fahrzeugbatterie leer ist. Dann kann der elektrische Schalter auch während des Startvorgangs in seinen elektrischen leitenden Schaltzustand verbracht werden, und die im Schwungrad gespeicherte Energie kann für das Starten der Brennkraftmaschine genutzt werden.Another advantage of the vehicle electrical system according to the invention is that the process of starting the internal combustion engine can be supported by the flywheel energy storage, and that is when the vehicle battery is empty. Then, the electrical switch can also be spent during the starting process in its electrically conductive switching state, and the energy stored in the flywheel can be used for starting the internal combustion engine.
Erfindungsgemäß ist der elektrische Schalter ein MOSFET, dessen parasitäre Diode – soweit vorhanden – mit ihrer Anode mit dem zusätzlichen Anschluss gekoppelt ist. Durch Einsatz eines MOSFETs können deutlich höhere Schaltfrequenzen als bei herkömmlichen Relais erreicht werden. Außerdem sind MOSFETs kostengünstiger als Relais und beanspruchen weniger Bauraum. Ein MOSFET kann also ohne viel Aufwand in ein bereits vorhandenes Gehäuse eines Schwungradenergiespeichers eingebaut werden.According to the invention, the electrical switch is a MOSFET whose parasitic diode, if present, is coupled with its anode to the additional terminal. By using a MOSFET, significantly higher switching frequencies can be achieved than with conventional relays. In addition, MOSFETs are cheaper than relays and take up less space. A MOSFET can thus be installed without much effort in an existing housing of a flywheel energy storage.
Es hat sich nämlich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das Schwungrad, der Energiewandler und der elektrische Schalter in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut sind. Dann kann die Anzahl von Komponenten in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs auf ein Minimum reduziert werden; denn es muss lediglich eine Baueinheit in ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs eingebaut werden.It has been found to be particularly advantageous if the flywheel, the energy converter and the electrical switch are installed in a common housing. Then, the number of components in a vehicle electrical system of a motor vehicle can be reduced to a minimum; because it must be installed only one unit in an electrical system of a motor vehicle.
Bei dem Bordnetz ist eine Steuereinrichtung bereitgestellt, welche den elektrischen Schalter ansteuert, d. h. zwischen dem elektrisch sperrenden und dem elektrisch leitenden Schaltzustand schaltet.In the electrical system, a control device is provided, which controls the electric switch, d. H. switches between the electrically blocking and the electrically conductive switching state.
Es ist bei dem Bordnetz vorgesehen, dass mit dem ersten Anschluss des Schwungradenergiespeichers zumindest ein elektrischer Verbraucher und mit dem zusätzlichen Anschluss eine Fahrzeugbatterie und ein Starter für eine Brennkraftmaschine gekoppelt sind. Dann kann der zumindest eine elektrische Verbraucher während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine von der Fahrzeugbatterie und dem Starter mithilfe des elektrischen Schalters entkoppelt werden, und ein Spannungseinbruch an dem elektrischen Verbraucher kann vermieden werden.It is provided in the electrical system that are coupled to the first port of the flywheel energy storage at least one electrical load and the additional terminal a vehicle battery and a starter for an internal combustion engine. Then, the at least one electrical load during the starting process of the internal combustion engine from the vehicle battery and the starter using the electrical switch can be decoupled, and a voltage drop across the electrical load can be avoided.
Die Vorteile des Bordnetzes werden zum Beispiel durch einen solchen Ablauf sichtbar:
An den zusätzlichen Anschluss des Schwungradenergiespeichers ist eine Parallelschaltung aus einer Fahrzeugbatterie und einem Starter für eine Brennkraftmaschine angeschlossen. Parallel zur Fahrzeugbatterie und zum Starter ist ein Generator geschaltet. An den ersten Anschluss des Schwungradenergiespeichers sind eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern angeschlossen, nämlich ein Radio, ein Elektromotor für einen Scheibenwischer, ein Lautsprechersystem für ein Mobiltelefon u. ä. Der zweite Anschluss des Schwungradenergiespeichers stellt ein Bezugspotenzial (Masse) bereit. Das Kraftfahrzeug verfügt außerdem über ein Start-Stopp-System, d. h. die Brennkraftmaschine wird während einer einzelnen Fahrt mehrmals abgestellt und wieder angelassen. Dies erfolgt jedes Mal mithilfe des Starters.The advantages of the vehicle electrical system, for example, become visible through such a process:
To the additional connection of the flywheel energy storage a parallel connection of a vehicle battery and a starter for an internal combustion engine is connected. Parallel to the vehicle battery and the starter, a generator is connected. To the first terminal of the flywheel energy storage, a plurality of electrical consumers are connected, namely a radio, an electric motor for a windshield wiper, a speaker system for a mobile phone u. Ä. The second connection of the flywheel energy storage provides a reference potential (ground) ready. The motor vehicle also has a start-stop system, ie the internal combustion engine is turned off and restarted several times during a single journey. This is done every time using the starter.
Bevor der Fahrer das Fahrzeug startet, schließt er eine Fremdbatterie an die Fahrzeugbatterie an, um ein anderes Fahrzeug anzulassen. Aus Versehen schließt der Fahrer die Fremdbatterie mit falscher Polung an, das heißt der positive Anschluss der Fremdbatterie ist mit dem Bezugspotential der Fahrzeugbatterie und der negative Anschluss der Fremdbatterie mit dem positiven Anschluss der Fahrzeugbatterie verbunden. Zu diesem Zeitpunkt – die Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs ist nicht angelassen – befindet sich der elektrische Schalter des Schwungradenergiespeichers in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand. Die an den ersten Anschluss des Schwungradenergiespeicher angeschlossenen elektrischen Verbraucher werden durch den elektrischen Schalter vor dieser Verpolung geschützt. Die mit falscher Polung angeschlossene Fremdbatterie verursacht keinen Schaden an den elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs.Before the driver starts the vehicle, he connects a foreign battery to the vehicle battery to start another vehicle. By mistake, the driver connects the foreign battery with incorrect polarity, that is the positive Connection of the external battery is connected to the reference potential of the vehicle battery and the negative connection of the external battery to the positive terminal of the vehicle battery. At this time - the internal combustion engine of the motor vehicle is not started - is the electrical switch of the flywheel energy storage in its electrically blocking switching state. The electrical loads connected to the first connection of the flywheel energy storage are protected against reverse polarity by the electrical switch. The foreign battery connected with incorrect polarity does not cause any damage to the electrical consumers of the motor vehicle.
Der Fahrer startet nun das Kraftfahrzeug und fährt durch ein Stadtgebiet. Während der Fahrt wird die Brennkraftmaschine mithilfe des Starters mehrmals – zum Beispiel zwanzig mal – abgestellt und wieder angelassen. Zu Beginn der Fahrt schaltet der Fahrer das Radio ein und verwendet das Lautsprechersystem für sein Mobiltelefon. Ist die Brennkraftmaschine abgestellt, so liefert die Fahrzeugbatterie Spannung sowohl für das Radio als auch für das Lautsprechersystem. Wird die Brennkraftmaschine nun mithilfe des Starters angelassen, so fließt über den Starter ein Strom hoher Stromstärke; die elektrische Energie für das Anlassen der Brennkraftmaschine liefert die Fahrzeugbatterie. Wäre der elektrische Schalter zu diesem Zeitpunkt geöffnet, würde die Spannung an dem Radio und dem Lautsprechersystem einbrechen, und sowohl das Radio als auch das Lautsprechersystem würden abgeschaltet werden. Der elektrische Schalter wird aus diesem Grund beim Anlassen der Brennkraftmaschine in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand gehalten. Während des Startvorgangs versorgt der Schwungradenergiespeicher das Radio und das Lautsprechersystem mit elektrischer Energie. Dies bedeutet, dass der Fahrer selbst beim Anlassen der Brennkraftmaschine das Lautsprechersystem sowie das Radio nutzen kann. Dies erweist sich gerade bei Start-Stopp-Systemen besonders vorteilhaft.The driver now starts the motor vehicle and drives through a city area. While driving, the engine is turned off several times - for example twenty times - by the starter and then started again. At the beginning of the journey, the driver switches on the radio and uses the speaker system for his mobile phone. If the engine is turned off, the vehicle battery provides voltage for both the radio and the speaker system. If the internal combustion engine is now started by means of the starter, a current of high current flows through the starter; the electrical energy for starting the internal combustion engine supplies the vehicle battery. If the electrical switch were open at this time, the voltage on the radio and speaker system would break and both the radio and the speaker system would be turned off. For this reason, the electric switch is kept in its electrically blocking switching state when the internal combustion engine is started. During the starting process, the flywheel energy storage supplies the radio and the loudspeaker system with electrical energy. This means that the driver can even use the speaker system and the radio when starting the internal combustion engine. This proves to be especially advantageous in start-stop systems.
Also kann die Steuereinrichtung zumindest zu Beginn des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den elektrischen Schalter in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand halten. Gerade zu Beginn des Startvorgangs sind die über den Starter fließenden Ströme sehr hoch und der Spannungseinbruch am größten. Die Entkopplung des Schwungradenergiespeichers von dem Starter ermöglicht also die Reduzierung der Stromstärke des über den Starter fließenden Stromes auf ein Minimum und gleichzeitig die Versorgung des zumindest einen elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie während des Startvorgangs.Thus, the control device, at least at the beginning of the process of starting the internal combustion engine hold the electrical switch in its electrically blocking switching state. Especially at the beginning of the starting process, the currents flowing through the starter are very high and the voltage drop is greatest. The decoupling of the flywheel energy storage of the starter thus allows the reduction of the current intensity of the current flowing through the starter current to a minimum and at the same time the supply of the at least one electrical load with electrical energy during the boot process.
Es sind nun wenigstens zwei Ausführungsformen sinnvoll möglich:
Zum Einen kann die Steuereinrichtung während einer gesamten Zeitdauer des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den elektrischen Schalter in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand halten. Dann steht die im Schwungradenergiespeicher gespeicherte Energie für die gesamte Zeitdauer des Startvorgangs der Brennkraftmaschine für den zumindest einen elektrischen Verbraucher zur Verfügung. Auch bricht die Spannung an dem zumindest einen elektrischen Verbraucher nicht ein, und der Fahrer kann während der gesamten Zeitdauer des Startvorgangs den elektrischen Verbraucher nutzen.At least two embodiments are now meaningfully possible:
On the one hand, the control device can hold the electrical switch in its electrically blocking switching state during an entire period of the process of starting the internal combustion engine. Then, the energy stored in the flywheel energy storage is available for the entire duration of the starting process of the internal combustion engine for the at least one electrical consumer. Also, the voltage at the at least one electrical load does not break and the driver can use the electrical load throughout the duration of the startup process.
Alternativ kann die Steuereinrichtung zu Beginn des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den elektrischen Schalter in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand halten. Nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls kann die Steuereinrichtung den elektrischen Schalter in einen elektrisch leitenden Schaltzustand verbringen. Dies stellt eine neuartige Methode des Startens der Brennkraftmaschine dar: Erst nach Ablauf des vorbestimmten Zeitintervalls wird der Schwungradenergiespeicher mit der Fahrzeugbatterie gekoppelt und die Spannung am Starter wird somit stabilisiert. Zum Zeitpunkt der Zuschaltung des Schwungradenergiespeichers dreht sich bereits der Starter mit einer bestimmten Drehzahl, so dass er keinen Kurzschluss mehr darstellt. Somit sind auch die über den Starter fließenden Ströme nicht so hoch, wie zu Beginn des Startvorgangs, und die Spannung am Starter kann erhöht werden, ohne den Starter mit zu hohen Strömen zu belasten. Durch eine solche Vorgehensweise kann die Brennkraftmaschine deutlich schneller in Betrieb genommen werden, wodurch die Fahrzeugbatterie und der Starter weniger belastet werden. Dies erhöht weiterhin die Lebensdauer der Fahrzeugbatterie, wie auch des Starters. Das Zuschalten des Schwungradenergiespeichers nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls beeinträchtigt auch nicht die Funktion des zumindest einen elektrischen Verbrauchers. Nach Ablauf dieses Zeitintervalls ist die Amplitude der Spannung am Starter nämlich hoch genug, um auch den elektrischen Verbraucher versorgen zu können.Alternatively, at the beginning of the process of starting the internal combustion engine, the control device may hold the electrical switch in its electrically blocking switching state. After a predetermined time interval, the control device can spend the electrical switch in an electrically conductive switching state. This represents a novel method of starting the internal combustion engine: Only after the expiry of the predetermined time interval of the flywheel energy storage is coupled to the vehicle battery and the voltage at the starter is thus stabilized. At the moment the flywheel energy storage is switched on, the starter already rotates at a certain speed, so that it no longer represents a short circuit. Thus, the currents flowing through the starter are not as high as at the start of the starting process, and the voltage at the starter can be increased without overloading the starter with too high currents. By such a procedure, the internal combustion engine can be taken much faster into operation, whereby the vehicle battery and the starter are less stressed. This further increases the life of the vehicle battery, as well as the starter. The connection of the flywheel energy storage after a certain time interval does not affect the function of at least one electrical load. After the expiration of this time interval, the amplitude of the voltage at the starter is high enough to supply the electrical consumer.
Die oben dargestellte Art und Weise des Schattens des elektrischen Schalters gilt bevorzugt nur für den Fall, wenn eine den Ladezustand der Fahrzeugbatterie wiedergebende Größe – zum Beispiel die Klemmspannung der Fahrzeugbatterie – in einem vorbestimmten Wertebereich liegt. Liegt diese Größe außerhalb des vorbestimmten Wertebereichs, zum Beispiel unterhalb eines vorbestimmten Grenzwerts – wenn die Fahrzeugbatterie leer ist – so kann der Vorgang des Startens der Brennkraftmaschine auch durch den Schwungradenergiespeicher unterstützt werden. Also kann die Steuereinrichtung jederzeit während des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine den elektrischen Schalter dann in seinen elektrisch leitenden Schaltzustand verbringen, wenn die den Ladezustand der Fahrzeugbatterie wiedergebende Größe den vorbestimmten Wertebereich verlässt. Auf diesem Wege gelingt es, die Brennkraftmaschine zuverlässig zu starten, dies selbst bei einer leeren Fahrzeugbatterie. Diese Ausführungsform setzt voraus, dass der Schwungradenergiespeicher mit Energie aufgeladen ist. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn die Brennkraftmaschine für eine kurze Zeit abgestellt wird (Start-Stopp-Systeme).The above-described manner of shadowing the electrical switch is preferably only for the case when the state of charge of the vehicle battery reproducing size - for example, the terminal voltage of the vehicle battery - is within a predetermined range of values. If this quantity is outside the predetermined value range, for example below a predetermined limit value-if the vehicle battery is empty-then the process of starting the internal combustion engine can also be assisted by the flywheel energy storage. Thus, the controller may at any time during the process of starting the Internal combustion engine then spend the electrical switch in its electrically conductive switching state when the charge state of the vehicle battery reproducing size leaves the predetermined range of values. In this way, it is possible to reliably start the engine, even with an empty vehicle battery. This embodiment assumes that the flywheel energy storage is charged with energy. This is usually the case when the internal combustion engine is switched off for a short time (start-stop systems).
Ist die Fahrzeugbatterie bei einem Erststart der Brennkraftmaschine – also nach einem längeren Stillstand des Kraftfahrzeugs – leer, so dass die durch die Fahrzeugbatterie bereitstellbare Leistung für das Anlassen der Brennkraftmaschine nicht ausreichend ist, so kann zunächst der Schwungradenergiespeicher mit in der Fahrzeugbatterie noch vorhandener Energie aufgeladen und dann die Brennkraftmaschine mithilfe des Schwungradenergiespeichers angelassen werden. Dies beruht auf der Tatsache, dass für das Anlassen der Brennkraftmaschine eine hohe Leistung, d. h. viel Energie pro Zeiteinheit erforderlich ist und eine leere Fahrzeugbatterie nicht in der Lage ist, eine solche Leistung bereitzustellen. Stattdessen kann die in der Fahrzeugbatterie noch vorhandene Energie zum langsamen Aufladen des Schwungradenergiespeichers genutzt werden, und der Schwungradenergiespeicher kann dann schnell entladen werden, um den Starter in Betrieb zu nehmen. Also ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass der Schwungradenergiespeicher dann vor dem Einleiten des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine mit Energie aus der Fahrzeugbatterie aufgeladen wird, wenn die Fahrzeugbatterie leer und der Schwungradenergiespeicher selbst entladen ist. Mit dieser im Schwungradenergiespeicher gespeicherter Energie kann dann die Brennkraftmaschine gestartet werden.If the vehicle battery at a first start of the engine - so after a long shutdown of the motor vehicle - empty, so that the providable by the vehicle battery power for starting the engine is not sufficient, so first the flywheel energy storage can be charged with still existing energy in the vehicle battery and then the internal combustion engine can be started by means of the flywheel energy storage. This is due to the fact that for the starting of the internal combustion engine, a high power, d. H. a lot of energy per unit of time is required and an empty vehicle battery is unable to provide such power. Instead, the energy left in the vehicle battery can be used to slowly charge the flywheel energy storage, and the flywheel energy storage can then be quickly discharged to put the starter into operation. Thus, in one embodiment it is provided that the flywheel energy storage is then charged with energy from the vehicle battery before initiating the process of starting the internal combustion engine, when the vehicle battery is empty and the flywheel energy storage itself is discharged. With this energy stored in the flywheel energy storage then the internal combustion engine can be started.
An den Vorgang des Startens der Brennkraftmaschine schließt sich in der Regel ein Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs an. In einem solchem Fahrbetrieb, in welchem ein parallel zur Fahrzeugbatterie geschalteter Generator eine Generatorspannung bereitstellt, kann die Steuereinrichtung den elektrischen Schalter in seinem elektrisch leitenden Schaltzustand halten. Dann kann der zumindest eine elektrische Verbraucher mit der Generatorspannung versorgt werden, und der Schwungradenergiespeicher kann mit Energie aufgeladen werden.The operation of starting the internal combustion engine is usually followed by a driving operation of the motor vehicle. In such a driving operation, in which a generator connected in parallel to the vehicle battery provides a generator voltage, the control device can hold the electrical switch in its electrically conductive switching state. Then, the at least one electrical load can be supplied with the generator voltage, and the flywheel energy storage can be charged with energy.
Zur Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Bordnetz.The invention also includes a motor vehicle with a vehicle electrical system according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren gilt zum Steuern eines Vorgangs des Startens einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit Hilfe eines Starters. Der Starter ist elektrisch parallel zu einer Fahrzeugbatterie gekoppelt, und die Parallelschaltung aus dem Starter und der Fahrzeugbatterie ist über einen elektrischen Schalter mit einem Anschluss eines Schwungradenergiespeichers koppelbar, mit welchem außerdem zumindest ein elektrischer Verbraucher gekoppelt ist. Bei dem Verfahren wird der elektrische Schalter dann zumindest zu Beginn des Vorgangs des Startens der Brennkraftmaschine in seinem elektrisch sperrenden Schaltzustand gehalten, wenn ein auf den Ladezustand der Fahrzeugbatterie bezogenes vorbestimmtes Kriterium erfüllt ist.The method according to the invention is valid for controlling a process of starting an internal combustion engine of a motor vehicle with the aid of a starter. The starter is electrically coupled in parallel to a vehicle battery, and the parallel circuit of the starter and the vehicle battery is coupled via an electrical switch to a connection of a flywheel energy storage, with which also at least one electrical load is coupled. In the method, the electric switch is then held in its electrically blocking switching state, at least at the beginning of the process of starting the internal combustion engine, when a predetermined criterion related to the state of charge of the vehicle battery is met.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann einerseits der elektrische Verbraucher zumindest zu Beginn des Startvorgangs – also wenn der Spannungseinbruch am Starter am größten ist – von dem Starter und der Fahrzeugbatterie entkoppelt werden, der elektrische Verbraucher wird somit zumindest zu Beginn des Startvorgangs in seiner Funktion nicht beeinträchtigt und kann mit der im Schwungradenergiespeicher gespeicherten Energie versorgt werden. Anderseits kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die Brennkraftmaschine auch dann zuverlässig gestartet werden, wenn der Ladezustand der Fahrzeugbatterie zum Beispiel unter einen vorbestimmten Grenzwert sinkt. Um dies zu ermöglichen, kann das vorbestimmte Kriterium beinhalten, dass der Ladezustand über einem vorbestimmten Grenzwert liegt.By the method according to the invention, on the one hand, the electrical load at least at the beginning of the startup - that is, when the voltage drop at the starter is greatest - are decoupled from the starter and the vehicle battery, the electrical load is thus not affected at least at the beginning of the startup in its function and can be supplied with the energy stored in the flywheel energy storage. On the other hand, the internal combustion engine can be started reliably even when the state of charge of the vehicle battery drops below a predetermined limit, for example, by the method according to the invention. To enable this, the predetermined criterion may include that the state of charge is above a predetermined limit.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wie auch unter Bezugnahme auf die Zeichnung, wobei:The invention will now be explained in more detail with reference to a preferred embodiment, as well as with reference to the drawing, wherein:
Ein in
Der Schwungradenergiespeicher
Der Schwungradenergiespeicher
Zur Ansteuerung des Wechselrichters
Die Fahrzeugbatterie
An den ersten Anschluss
Das Bordnetz
Verpolschutz:Reverse polarity protection:
Der MOSFET
Anlassen der Brennkraftmaschine bei aufgeladener Fahrzeugbatterie
Liegt der Ladezustand der Fahrzeugbatterie
Nach ca. 50 Millisekunden nach dem Einleiten des Startvorgangs wird der MOSFET
Bezugnehmend auf
- –
ein Verlauf 46 der am Starter 16 während des Startvorgangs anliegenden Spannung UG, - –
ein Verlauf 48 eines während des Startvorgangs überden Starter 16 fließenden Stromes IS, - –
ein Verlauf 50 einer Drehzahl n desStarters 16 bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine nach einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und - –
ein Verlauf 52 der Drehzahl n bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik, also ohne Stabilisierung der Spannung UG mithilfe desSchwungradenergiespeichers 12 .
- - a
course 46 thestarter 16 voltage U G applied during the starting process, - - a
course 48 one during the launch over thestarter 16 flowing current I S , - - a course
50 a speed n of thestarter 16 at startup of the internal combustion engine according to a method according to an embodiment of the invention and - - a
course 52 the speed n at startup of the internal combustion engine according to the prior art, ie without stabilizing the voltage U G using theflywheel energy storage 12 ,
Vor dem Einleiten des Startvorgangs – d. h. zwischen einem Zeitpunkt t0 und einem Zeitpunkt t1 – ist die am Starter
Zu einem Zeitpunkt t2 wird der MOSFET
Nach und nach erholt sich die Spannung UG ab dem Zeitpunkt t3. Die Spannung UG erreicht wieder den Wert von 12 Volt, nämlich zu einem Zeitpunkt t6. Während die Spannung UG ansteigt, sinkt der Strom IS, bis er kurz nach dem Zeitpunkt t6 erlischt.Gradually, the voltage U G recovers from the time t 3 . The voltage U G again reaches the value of 12 volts, namely at a time t 6 . While the voltage U G increases, the current I S decreases until it goes out shortly after the time t 6 .
Anlassen der Brennkraftmaschine bei leerer Fahrzeugbatterie
Stellt die Steuereinrichtung
Fahrbetrieb:Driving:
Während der Fahrt stellt der Generator
Insgesamt wird also ein Bordnetz
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