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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein elektrische Systeme von Kraftfahrzeugen,
insbesondere große Kraftfahrzeuge, wie Fernverkehrs-LKW.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein elektrisches System für Fahrzeuge,
das mehrere Batteriebänke aufweist.
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Hintergrund der Erfindung
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Kraftfahrzeuge
antreibende Verbrennungsmotoren werden typischerweise durch Drehen
eines Zündschalters in eine Startposition gestartet, wodurch
der Verbrennungsmotor durch einen elektrischen Anlasser angeworfen
wird. Wenn der Motor gestartet wurde, wird der Schalter aus seiner
Startposition freigegeben und erreicht eine Betriebsposition. In
der Startposition fließt ein elektrischer Strom von einer
Bank von Gleichstromspeicherbatterien zum elektrischen Anlasser,
der den Motor über einen Zahnrädersatz anwirft.
Die Menge des aus der Batteriebank abgezogenen Anlaßstroms
ist typischerweise sehr groß, was den Gebrauch mehrerer
einzelner Batterien und Verbindungskabel erfordert. Bei laufendem
Motor erzeugt eine Drehstromlichtmaschine Strom, um die Batteriebank
in geladenem Zustand zu halten.
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Fahrer
von im Linienverkehr eingesetzten LKWs, die von den Fahrern benutzte
Schlafkabinen aufweisen, unterliegen Bundesvorschriften, die die Fahrzeiten
bzw. Rastzeiten regeln. Ausgedehnte Rastzeiten bieten den Fahrern
Gelegenheiten, nicht nur zu rasten, sondern auch in ihren LKWs persönlich zu
entspannen. Elektrische Geräte und Ausstattungsgegenstände,
die man als allgemeines Haushaltszubehör betrachten würde,
werden manchmal in für 12 Volt Gleichstrombetrieb geeigneten
Modellen angeboten, die in Steckern in einem LKW angeschlossen werden
können. Geräte, die eine standardisierte Wechselstromhaushaltsspannung
anwenden, können in einem LKW betrieben werden, der einen
Inverter zur Umwandlung der Gleichspannung des elektrischen Systems
des LKWs in die erforderliche Wechselspannung besitzt. Computer,
Unterhaltungs- und Körperpflegeartikel und -zubehör
sind typische Beispiele für in LKWs benutzte Gegenstände.
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Der
Gebrauch solcher Gegenstände und Zubehörartikel
in Kombination mit anderen Lasten am elektrischen System des LKWs
während der LKW geparkt ist, können eine starke
Entladung und eine hohe Wechselbelastung verursachen, die die Lebensdauer
der Batterie verkürzen. Eine extreme Entladung wird eine
Batteriebank daran hindern, eine ausreichende Leistung zum Anlassen
und Starten des Motors zur Verfügung zu stellen.
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Optionale
Entlastungsvorrichtungen wurden benutzt, um eine extreme Entlastung
der Batterie zu verhindern, jedoch werden sie verschiedentlich geringer
als voll wirksam zur Verhinderung von „Kein Start” angesehen.
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Der
Gebrauch getrennter Batterien im elektrischen System eines Kraftfahrzeugs
wird durch das
US-Patent Nr.
6,229,279 vorgeschlagen. Dieses Patent zeigt verschiedene
Schaltungen, die sowohl mechanische als auch elektronische Schalter
enthalten, um die getrennten Batterien mit dem elektrischen System
des Fahrzeugs zu verbinden und von ihm zu trennen.
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Verschiedene
Typen von Bleiakkumulatoren stehen im Handel zur Verfügung
und die Auswahl der Batterietype, die am besten für eine
bestimmte Anwendung geeignet ist, sollte auf der Basis getroffen werden,
wie die Batterie benutzt werden soll. Ein Batterietyp wird manchmal
als „Starter”- oder „Anlasser”-Batterie
bezeichnet, die so gestaltet ist, daß sie die zum Anlassen
eines Motors benötigten Elektrizitätsimpulse liefert.
Ein anderer Typ ist die „Deep-Cycle”-Batterie,
die für eine langfristige Energieabgabe ausgelegt ist,
statt für plötzliche, intensive Impulse zum Anwerfen
des Motors.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der hier offenbarten Erfindung
wendet zwei mit Ausnahme einer gemeinsamen Masseverbindung zum Fahrzeugrahmen
elektrisch von einander isolierte Batteriebänke an.
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Die
erste Batteriebank soll ausschließlich dem Anwerfen des
Motors beim Starten dienen, obwohl sie auch die Spannung zum Betrieb
des ECM (Motorsteuerungsmodul) und eines automatisierten Getriebes
ECU (elektrische Steuereinheit) liefert, die ebenfalls zum Starten
und zum Betrieb des Fahrzeugs erforderlich sind. Als Batterien in
dieser Bank werden Starterbatterien bevorzugt.
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Die
zweite Batteriebank stellt elektrische Leistung hauptsächlich
für die LKW-Kabine statt für das Anlassen des
Motors zur Verfügung. Als Batterien für diese
Bank werden Deep-Cycle-Batterien bevorzugt.
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Es
ist die zweite Batteriebank, die über eine direkte Versorgungsleitung
mit der Drehstromlichtmaschine verbunden ist. Die erste Batteriebank
wird nicht über eine direkte Versorgungsleitung von der Drehstromlichtmaschine
geladen, sondern durch die direkte Lichtmaschinenversorgungsleitung
zur zweiten Batteriebank und dann über einen Gleichspannungswandler,
der eine möglicherweise niedrigere Spannung der zweiten
Batteriebank auf eine gewünschte Spannung der ersten Batteriebank
anheben kann, eine Spannung, die typischerweise von der Umgebungstemperatur
abhängt und am höchsten ist, wenn die Umgebungstemperatur
am niedrigsten ist. Der Gleichspannungswandler befindet sich außerhalb
des Motorraums und vorzugsweise in der Nähe wenigstens
einer der Batteriebänke. Obwohl die Batteriebänke
einander nahe angeordnet sein können, wie bei einer Seite-an-Seite-Anordnung, können
sie auch an verschiedenen Positionen angeordnet sein, die weiter
von einander entfernt sind. Der Gleichspannungswandler sieht auch
eine Temperaturkompensation vor, um seinen Ausgang hinsichtlich der
Anforderungen der ersten Batteriebank während des Ladens
zu optimieren, um die erste Batteriebank in einem voll geladenen
Zustand zu halten.
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Bei
einer offdenbarten Ausführungsform wird der Wandler derart
zusammen mit dem Zündschalter des Fahrzeugs EIN und AUS
geschaltet, daß, wenn der Zündschalter auf EIN
steht, auch der Wandler eingeschaltet ist, und wenn der Zündschalter
auf AUS steht, auch der Wandler ausgeschaltet ist. Der spezielle,
hier beschriebene Gleichspannungswandler kann mit so wenig wie 9,6
Volt Eingangsspannung auskommen, um einen Ausgangsstrom von 20 Ampere
oder mehr an die erste Batteriebank zu liefern. Der Gleichspannungswandler
ist für Einwegbetrieb ausgelegt, das bedeutet, daß er
bei der hier beschriebenen Anordnung einen Stromfluß zur
ersten Batteriebank, nicht aber in der Gegenrichtung zuläßt.
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Die „Deep
Cycle”-Batterien der zweiten Batteriebank können
die hohe Wechselbeanspruchungdurch die Kabinenlast besser tolerieren,
wie sie oft für mit Schlafkabinen ausgerüstete
LKWs typisch ist. Weil die erste Batteriebank im wesentlichen durch
die bei der zweiten Batteriebank auftretende Wechselbeanspruchung
unbeeinflußt bleibt, wird die Lebensauer der Anlasserbatterien
beachtlich verlängert, vielleicht auf das Zwei- bis Dreifache
der Lebensdauer in einem Fernverkehrs-LKW ohne getrennte Batteriebänke.
Einige Batteriehersteller sagen, daß AGM-(absorbent glass
mat)-Deep-Cycle-Batterien eine Lebenserwartung haben können,
die zwei- bis dreimal jener von herkömmlichen, wassergefüllten, belüfteten
Autobatterien entspricht. Obwohl die anfänglichen Kosten
für ein Batteriesystem mit zwei Bänken höher
sein könnten als jene eines Sytems mit einer Bank, kann
der Kostenunterschied wirtschaftlich gerechtfertigt sein durch geringere
Fahrzeugausfallzeiten aufgrund von „Kein Start”-Situationen, durch
die Verlängerung der Batterielebensdauer aufgrund der verringerten
Lastwechsel und durch die Wahrscheinlichkeit, daß wegen
der Verfügbarkeit von Bequemlichkeiten, wie sie von zuhause
gewohnt sind, erfahrene Kraftfahrer in Beschäftigung gehalten werden
können.
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Weil
die Starterbatterien gegenüber den Kabinenlasten isoliert
sind, sollte der Motor stets anspringen, wenn der Zündschalter
eingeschaltet wird, um den Motor zu starten, so lang der Gleichspannungswandler
zuverlässig arbeitet und der Anlasser und die Lichtmaschine
keinen Defekt aufweisen.
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Der
Einbau einer Ausführungsform der Erfindung in einen LKW
kann ohne größere Änderungen wie beim
folgenden Beispiel, bei welchem ein zweites Batteriegehäuse,
vorzugsweise dem ersten benachbart, angeordnet wird, um die Deep-Cycle-Batterien einer
zweiten Batteriebank aufzunehmen, die elektrische Leistung für
die LKW-Kabine zur Verfügung stellen. Ein neues Kabel verbindet
die zweite Batteriebank mit dem Lichtmaschinenausgang der vorhandenen
Ladeschaltung. Die Lichtmaschine kann eine Lichtmaschine mit „Fernfühlerfunktion” (remote
sense alternator) sein. Der Gleichspannungswandler ist zwischen
zwei Batteriebänken angeschlossen und eine Leitung verläuft
von ihm zur vorhandenen Zündschaltung, um es zu gestatten,
daß der Wandler vom Zündschalter in der LKW-Kabine
aktiviert und deaktiviert wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform wird der Wandler durch den
Lichtmaschinenausgang ein- und ausgeschaltet, so daß der
Wandler abgeschaltet ist, wenn die Lichtmaschine nicht in Betrieb
ist, jedoch eingeschaltet ist, wenn die Lichtmaschine in Betrieb ist.
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Ein
allgemeiner Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug umfassend
einen durch Anwerfen zu startenden Verbrennungsmotor, ein erstes,
elektrische Ladung speicherndes Medium, ein zweites, elektrische
Ladung speicherndes Medium und ein elektrisches System, das einen
Elektromotor zum Anlassen des Verbrennungsmotors umfaßt.
Eine direkte Leitung verbindet das erste Speichermedium mit einem
Solenoid, das, wenn durch einen Zündschalter in Schließstellung
betätigt, die direkte Speiseleitung zum Elektromotor durchschaltet,
um den Verbrennungsmotor anzuwerfen.
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Ein
Ladesystem umfaßt eine vom Verbrennungsmotor angetriebene
Lichtmaschine, die den Ladungszustand der zwei Speichermedien durch eine
direkte Verbindung von der Lichtmaschine zum zweiten Speichermedium
aufrechterhält.
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Eine
Vorrichtung ist zwischen dem zweiten Speichermedium und dem ersten
Speichermedium angeschlossen. Die Vorrichtung gestattet dem Ladesystem
die Abgabe von Ladung über die Vorrichtung an das erste
Speichermedium, während der Zündschalter sich
in einer EIN-Stellung befindet, die das Laufen des Verbrennungsmotors
gestattet, aber hindert das erste Speichermedium daran, Ladung über die
Vorrichtung auszugeben, wenn der Zündschalter sich in einer
das Laufen des Motors nicht zulassenden AUS-Stellung befindet.
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Ein
anderer allgemeiner Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug,
das einen durch Anwerfen zu startenden Verbrennungsmotor umfaßt, sowie
ein erstes, elektrische Ladung speicherndes Medium und ein zweites,
elektrische Ladung speicherndes Medium, ein elektrisches System,
das einen Elektromotor zum Anlassen des Verbrennungsmotors umfaßt.
Eine direkte Speiseleitung verbindet das erste Speichermedium mit
einem Solenoid, das, wenn durch einen Zündschalter in Schließstellung betätigt,
die direkte Speiseleitung zum Elektromotor durchschaltet, um den
Verbrennungsmotor anzuwerfen.
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Ein
Ladesystem, das eine von einem Verbrennungsmotor angetriebene Lichtmaschine
umfaßt, hält den Ladezustand der zwei Speichermedien durch
eine direkte Leitung von der Lichtmaschine zum zweiten Ladungsspeichermedium
aufrecht, während der Verbrennungsmotor läuft.
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Zwischen
dem zweiten Speichermedium und dem ersten Speichermedium ist eine
Vorrichtung angeschlossen. Diese Vorrichtung gestattet es dem Ladesystem,
dem ersten Speichermedium über die Vorrichtung Ladung zuzuführen,
während die Lichtmaschine läuft, hindert aber
das erste Speichermedium daran, Ladung über die Vorrichtung
auszugeben, wenn die Lichtmaschine nicht läuft, weil sich
der Zündschalter in einer das Laufen des Motors nicht zulassenden
AUS-Stellung befindet.
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Das
Vorstehende wird zusammen mit weiteren Aspekten, Merkmalen und Vorteilen
der Erfindung aus der folgenden Offenbarung einer derzeit bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, die die derzeit
als beste erachtete Ausführungsweise der Erfindung darstellt.
Die Offenbarung schließt eine Zeichnung ein, die kurz wie
folgt beschrieben wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Schaltungsübersicht einer ersten, die
Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpernden Ausführungsform.
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1a zeigt
Abwandlungen von Abschnitten der 1.
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2 ist
ein schematisches Schaltschema der ersten Ausführungsform.
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3 ist
eine schematische Schaltungsübersicht einer zweiten, die
Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpernden Ausführungsform.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Die 1 und 2 zeigen
einen Abschnitt des elektrischen Systems 10 eines LKWs,
der gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung zwei
Batteriebänke 12, 14 aufweist. Die Batteriebank 12 umfaßt
vier Starterbatterien 12A, 12B, 12C und 12D,
deren negative Polklemmen gemeinsam an die Masse 16 angeschlossen
sind und die von einem Batterietrog getragen werden, der seitlich
an einem die Masse bildenden Rahmenholm des LKW aufgehängt
ist. Die Batteriebank 14 umfaßt drei Deep-Cycle-Batterien 14A, 14B und 14C,
deren negative Polklemmen ebenfalls gemeinsam über Massekabel
an Masse angeschlossen sind (wobei alle an Masse liegenden Teile
und Massekabel mit 16 gekennzeichnet sind). Diese drei
Batterien werden von einem zweiten Batterietrog getragen, der dem
die Batteriebank 12 tragenden Trog benachbart seitlich
am Rahmenholm 18 aufgehängt ist. Die jeweilige
Zahl der einzelnen, bei den jeweiligen Bänken gezeigten
Batterien ist nur aus darstellerischen Gründen gewählt
und, wie bereits erwähnt, müssen die Batterietröge
nicht Seite an Seite angeordnet sein.
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Das
elektrische System 10 ist als ein System mit positiver
Spannung dargestellt, bei welchem die negativen Batterieklemmen
mit einander verbunden und, wie erwähnt, an Masse gelegt
sind und die positiven Batterieklemmen der Batterien 12A, 12B, 12C und 12D,
sowie die positiven Batterieklemmen der Batterien 14A; 14Bund 14C jeweils
mit einander verbunden sind. Jedoch sind die positiven Klemmen der Batterien
in der Bank 12 nicht direkt mit den positiven Klemmen der
Batterien in der Bank 14 verbunden.
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Das
elektrische System 10 umfaßt auch eine vom Motor
angetriebene Lichtmaschine 20 und einen elektrischen Anlasser 22 zum
Anwerfen des Motors des LKWs, wenn der Motor gestartet werden soll. Dem
Anlasser 22 ist ein konventioneller Magnetschalter 23 zugeordnet.
Wenn der Motor läuft, treibt ein (nicht gezeigter) Riementrieb
die Lichtmaschine 20 an, um die Bedürfnisse des
elektrischen Systems, einschließlich der Aufrechterhaltung
der Ladung der Batteriebank, zu befriedigen.
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Die
positiven Klemmen der Batterien der Bank 12 sind direkt
mit einer Klemme des Anlassers 22 durch zwei parallele
Kabel 24A, 24B verbunden, wobei auch diese besondere
Zahl von Kabeln lediglich der Anschaulichkeit dient. Die positiven
Klemmen der Batterien der Bank 14 sind direkt durch ein positives
Kabel 26 über ein Paar von Schmelzsicherungen 27 mit
der positiven Ausgangsklemme der Lichtmaschine 20 verbunden,
wobei die Verwendung eines Kabels und zweier Schmelzsicherungen
auch nur der Anschaulichkeit dient. Das positive Potential des Kabels 26 ist
bis zum Kabinenabschnitt 30 des elektrischen Systems verlängert.
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Massekabel
stellen den Masseanschluß einer Masseklemme der Lichtmaschine 20,
einer Masseklemme des Anlassers 22, des Motorblocks 28 und der
Kabinenmasse mit dem Rahmenholm 18 her.
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En
Gleichspannungswandler 32 auf dem die Batteriebank 14 enthaltenden
Trog koppelt die Batteriebank 14 mit der Batteriebank 12.
Eine Masseklemme des Wandlers 32 ist mit der Masse des
Rahmenholms verbunden. Eine eine Schmelzsicherung 38 enthaltende
Eingangs-Speiseleitung 32I verbindet die positiven Klemmen
der Batterien der Bank 14 mit einer positiven Eingangsklemme
des Wandlers 32. Eine eine Schmelzsicherung 36 enthaltende
Ausgangs-Speiseleitung 32O verbindet eine positive Ausgangsklemme
des Wandlers mit den positiven Klemmen der Batterien der Bank 12.
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Die 2 zeigt
eine von einem Zündschalter 34 in der LKW-Kabine
zum Magnetschalter 23 führende Speiseleitung.
Wenn der Zündschalter in die Startposition gedreht wird,
tritt der Magnetschalter 23 in Aktion und betätigt
seinerseits ein Solenoid im Anlasser 22, das den Anlasser
aktiviert, um den Verbrennungsmotor unter Verwendung der Batteriebank 12 anzuwerfen.
Die 2 zeigt außerdem eine Leitung, die vom
Zündschalter zum Wandler verläuft, um den Wandler
vom Zündschalter in der LKW-Kabine ein- und auszuschalten,
wenn der Zündschalter auf EIN und AUS geschaltet wird.
Wenn der Motor nach dem Start läuft, bleibt der Zündschalter
auf EIN, was den Wandler 32 veranlaßt, solang
in Betrieb zu bleiben, wie der Zündschalter auf EIN steht.
Das Abschalten des Zündschalters schaltet den Wandler ab.
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Die
Batteriebank 12 wird nicht durch eine Direkteinspeisung
von der Lichtmaschine 20 geladen, sondern durch den Wandler,
wenn er eingeschaltet ist. Der Wandler ist unidirektional, was bedeutet,
daß er einen Fluß des Ladestroms von der Batteriebank 14 zur
Batteriebank 12 gestattet, nicht aber in der Gegenrichtung.
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Nachdem
sie den Verbrennungsmotor angeworfen hat, wird die Ladung der Batteriebank 12 aufrechterhalten,
während der Motor seinen Betrieb fortsetzt. Sobald der
Zündschalter abgeschaltet ist, wird der Ladevorgang beendet,
es liegt jedoch bei abgeschaltetem Zündschalter keine Last
an der Batteriebank 12.
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Der
Wandler 32 enthält vorzugsweise einen Thermistor,
der das Laden der Batteriebank 12 derart steuert, daß sie
unabhängig von der Umgebungstemperatur bis zu einer gewünschten
Spannung geladen bleibt. Auf diese Weise kann der Wandler eine möglicherweise
niedrigere Spannung der Batteriebank 14 auf eine gewünschte
höhere Spannung der Batteriebank 12 hochtreiben.
Der spezielle Gleichspannungswandler 32 kann mit einer
so geringen Eingangsspannung wie 9,6 Volt betrieben werden, um einen
Ausgangsstrom von 20 Ampere oder mehr an die Batteriebank 12 auszugeben.
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Die 1A zeigt
die folgenden Abwandlungen, ohne die gesamte 1 zu wiederholen.
Die erste Modifikation betrifft die Verbindung des Kabinenabschnitts
des elektrischen Systems direkt mit der Batteriebank 12 statt
mit der Lichtmaschine 20. Die zweite Modifikation betrifft
die Verbindung des Wandlers 32 mit dem Lichtmaschinenausgang
statt mit der EIN-Klemme des Zündschalters. Dadurch kann
der Wandler durch den Lichtmaschinenausgang ein- und ausgeschaltet
werden, so daß der Wandler abgeschaltet ist, wenn die Lichtmaschine nicht
läuft, aber in Betrieb, wenn die Lichtmaschine läuft.
Es ist zu verstehen, daß auch bei den 2 und 3 Modifikationen
möglich sind.
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Die 3 zeigt
eine zweite Ausführungsform, bei der zur Kennzeichnung
der gleichen Komponenten die gleichen Bezugszahlen aus den 1 und 2 benutzt
werden. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von
der ersten dadurch, daß die Batteriebank 12 nur
drei Batterien enthält und der Wandler 32 sich
im Trog der Batteriebank 12 befindet.
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Obwohl
in den Zeichnungen nicht gezeigt, kann anstelle der Starterbatterien
ein Super-Kondensator als Speichermedium verwendet werden.
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Während
eine derzeit bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben
wurde, sollte verstanden werden, daß die Prinzipien der
Erfindung auf alle Ausführungsformen anwendbar sind, die
in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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