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Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem für einen elektrischen Verbraucher in einem Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 sowie ein Verfahren zur Energieversorgung für mindestens einen elektrischen Verbraucher in einem Kraftfahrzeug entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Um den Kraftstoffverbrauch und somit den CO2 Ausstoß zu verringern, werden moderne Kraftfahrzeuge zunehmend mit einer so genannten Stopp/Start-Automatik ausgerüstet. Dabei wird der Motor während länger andauernden Leerlaufphasen automatisch abgeschaltet. Zum Wiederstart genügt es, wenn der Fahrer das Fahrpedal betätigt und Gas gibt.
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Um dabei die für den Start eines Verbrennungsmotors jeweils erforderliche Startdrehzahl (Mindestdrehzahl) sicherzustellen, wird ein so genanter Starter (Anlasser) verwendet. Dieser beinhaltet in den meisten Fällen einen Starter-Elektromotor, welcher mit elektrischer Energie betrieben wird. Da bei Stillstand des Motors der Kraftfahrzeuggenerator keinen Strom erzeugt, muss die elektrische Energie zum Betrieb dieses Starter-Elektromotors einem elektrischen Speicher beispielsweise in Form eines Akkumulators entnommen werden. Da der Starter-Elektromotor einen Hochleistungsverbraucher darstellt, kommt es durch den Startvorgang zu Spannungseinbrüchen, welche Funktionseinbußen bei allen mit dem elektrischen Speicher verbundenen sonstigen elektrischen Verbrauchern, wie z. B. dem Autoradio, zur Folge haben können.
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Im Stand der Technik sind Systeme bekannt, welche durch einen zweiten elektrischen Speicher in Form eines Akkumulators, der mit dem Bordnetz verbunden ist, gestützt werden. Im Warmstartfall wird der Starterkreis über den ersten Akkumulator versorgt.
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Durch geeignete Schaltelemente wird das restliche Bordnetz, das dann über den zweiten Akkumulator versorgt wird, vom Starterkreis getrennt.
DE 10 2007 062 955 A1 beispielsweise offenbart eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung eines Bordnetzes, die zwischen dem zu stabilisierenden Bordnetz und einem ersten Akkumulator angeordnet ist. Die Schaltung umfasst ein Diodenelement, das mehrere parallel geschaltete Halbleiterschalter beinhaltet, eine Kontroll- und Steuerschaltung, welche die Stärke des durch das Diodenelement fließenden Stroms bestimmt und entsprechend der bestimmten Stromstärke die Halbleiterschalter des Diodenelements steuert, und einen mit dem Diodenelement und dem Bordnetz elektrisch verbundenen zweiten Akkumulator. Diese Systeme haben allerdings den Nachteil, dass mindestens zwei Akkumulatoren benötigt werden. Da Akkumulatoren ein relativ hohes Gewicht aufweisen, vergleichsweise teuer sind und nur eine begrenzte Lebensdauer haben, ist die Verwendung eines zweiten Akkumulators nachteilhaft.
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Ebenfalls Stand der Technik sind Systeme, die die zur Versorgung des Starters notwendige elektrische Energie nicht aus einem Akkumulator, sondern aus einem Kondensator ziehen.
DE 10 2007 025 694 A1 offenbart beispielsweise ein elektrisches Bordnetz welches einen Starter, einen Akkumulator, einen Generator, und mindestens einen elektrischen Verbraucher umfasst. Der den Starter und mindestens einen Kondensator umfassende erste Teil des Bordnetzes ist über einen DC/DC-Wandler mit einem den Generator, den Akkumulator und den elektrischen Verbraucher umfassenden zweiten Teil des Bordnetzes verbunden, wobei dem Kondensator über den DC/DC-Wandler elektrische Energie aus dem zweiten Teil zuführbar und der Starter mit elektrischer Energie aus dem Kondensator betreibbar ist. Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass der verwendete Kondensator, aufgrund der Tatsache, dass der Starter relativ viel Energie benötigt, eine große Kapazität besitzen und dementsprechend dimensioniert sein muss. Das Gewicht eines solchen Kondensators führt wiederum zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch, welcher unerwünscht ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes, möglichst kostengünstiges Energieversorgungssystem bereit zu stellen, welches verhindert, dass es durch einen Wiederstart des Motors zu Spannungseinbrüchen kommt, welche Funktionseinbußen bei mit dem Bordnetz verbundenen elektrischen Geräten zur Folge haben. Außerdem soll dieses Energieversorgungssystem möglichst wenig Gewicht aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1, ein Kraftfahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch 9 sowie ein Verfahren zur Energieversorgung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der elektrische Verbraucher über eine Stromstärke-Steuerungseinrichtung zum Steuern der Stromstärke mit dem Kraftfahrzeugbordnetz elektrisch verbunden ist. Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, dass die Stromstärke-Steuerungseinrichtung dafür sorgt, dass der Spannungswert im Kraftfahrzeugbordnetz, welches mindestens einen Generator und einen elektrischen Speicher umfasst, nicht unter einen Schwellwert absinkt. Dadurch wird verhindert, dass durch einen Wiederstart ein so hoher Spannungsabfall eintritt, dass die mit dem Kraftfahrzeugbordnetz verbundenen elektrischen Geräte Funktionseinbußen erleiden.
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Bei dem elektrischen Speicher kann es sich um jede für eine Pufferung elektrischer Energie geeignete Einrichtungen handeln. Insbesondere kann der Energiespeicher eine (Blei-)Akkumulatorbatterie umfassen.
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Vorzugsweise ist die Stromstärke-Steuerungseinrichtung als Transduktor ausgebildet, wobei der Transduktor als Spule aufgebaut ist, deren Induktivität durch eine Veränderung der Vormagnetisierung ihres Kerns verändert wird. Der Kern gerät dabei durch einen Steuerstrom, welcher eine zweite Wicklung durchfließt, mehr oder weniger in den Bereich der Sättigung, wodurch sich der Gesamtwiderstand im Wechselstromkreis ändert. Dadurch können vor allem hohe, schnelle Stromspitzen, die für den Spannungseinbruch verantwortlich sind begrenzt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung enthält die Stromstärke-Steuerungseinrichtung eine Analysevorrichtung, welche erkennen kann, ob ein Kaltstartszenario vorliegt und in diesem Fall die Induktivität des Transduktors reduziert. Ein Kaltstartszenario liegt dann vor, wenn der Motor nach einer längeren Standzeit zum ersten mal wieder gestartet werden soll. Da die zum Start des Motors benötigte Mindestdrehzahl in diesem Fall relativ hoch ist, benötigt der Starter vergleichsweise viel Energie. Vorzugsweise wird der Kern des Transduktors daher in die Sättigung gesteuert und die Induktivität somit reduziert. Die Analysevorrichtung ermöglicht es mit Hilfe von Sensor-, Betriebs- und Zustandsinformationen, zu erkennen, ob der Motor nach einer längeren Standzeit zum ersten mal wieder gestartet werden soll. Vorzugsweise werden die Sensor-, Betriebs- und Zustandsinformationen durch so genanntes Polling (zyklisches Abfragen) erhalten. Gleichwertig ist aber die Verwendung von Interrupt-Requests (Unterbrechungsanforderungen) oder ein rekursiver Aufbau.
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Vorzugsweise ist die Stromstärke-Steuerungseinrichtung als Halbleiterschalter ausgebildet. Dem Fachmann ist bekannt, dass Halbleiterschalter im Gegensatz zu mechanischen Schaltern empfindlich gegen Überlastung sind. Im Überlastungsfall kann es zu einem so genannten ”Durchlegieren” des Halbleiterschalters kommen, wobei der. Halbleiterschalter dann dauerhaft leitend und nicht mehr abschaltbar ist. Da eine solche Überlastung hier nur durch die Stromspitzen im Startvorgang ausgelöst wird, wird der Halbleiterschalter thermisch nur kurzzeitig belastet. Ein Durchlegieren ist daher äußerst unwahrscheinlich. Um den Ausfall des Halbleiterschalters ausschließen zu können sind dem Fachmann verschiedene Möglichkeiten bekannt. Beispielsweise können zwei Halbleiterschalter oder ein Halbleiterschalter und ein thermisches Schutzelement in Reihe geschaltet werden. Durch eine thermische Kopplung löst das thermische Schutzelement, z. B. eine Schmelzsicherung, bei einer Überhitzung des Halbleiterschalters aus und trennt den Strompfad zum Halbleiterschalter.
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Weiterhin vorzugsweise ist der Halbleiterschalter ein Feldeffekttransistor, vorzugsweise ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). Da sich Feldeffekttransistoren mit äußerst geringer Zeitverzögerung schalten lassen, kann durch ihre Verwendung schnell auf Änderungen des Stromflusses reagiert werden. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass auch jeder andere Halbleiterschalter, wie z. B., Thyristoren, Triacs oder bipolare Transistoren verwendet werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung enthält die Stromstärke-Steuerungseinrichtung eine Analysevorrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass im Fall des Vorliegens eines Warmstartszenarios der Halbleiterschalter im linearen Bereich betrieben wird und dadurch die Funktion eines verstellbaren Widerstands erfüllt. Ein Warmstartszenario liegt dabei immer dann vor, wenn der Motor nach einer relativ kurzen Standzeit wieder gestartet werden soll. Auch hier ermöglicht es die Analysevorrichtung mit Hilfe von Sensor-, Betriebs- und Zustandsinformationen, zu erkennen, ob der Motor nach einer kurzen Standzeit wieder gestartet werden soll. Vorzugsweise werden die Sensor-, Betriebs- und Zustandsinformationen durch so genanntes Polling (zyklisches Abfragen) erhalten. Gleichwertig ist aber die Verwendung von Interrupt-Requests (Unterbrechungsanforderungen) oder ein rekursiver Aufbau.
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Vorzugsweise enthält die Stromstärke-Steuerungseinrichtung eine Messvorrichtung, welche die Temperatur des Halbleiterschalters misst. Vorteilhaft kann diese Temperatur als Überwachungskriterium für die Dauer des Betriebs des Halbleiterschalters im linearen Bereich verwendet werden. Es ist ebenso möglich, die Schaltung nur zeitbegrenzt einzusetzen, um eine Überhitzung des Schalters zu verhindern.
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Weiterhin vorzugsweise umfasst der Verbraucher einen Start-Elektromotor zum Starten eines Verbrennungsmotors. Es ist allerdings selbstverständlich ebenso denkbar, dass andere Hochleistungsverbraucher wie z. B. elektrohydraulische Bremsen oder eine Servolenkung entsprechend abgesichert werden müssen.
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Schließlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem sowie ein Verfahren zur Energieversorgung für mindestens einen elektrischen Verbraucher in einem Kraftfahrzeug unter Verwendung eines solchen Energieversorgungssystems.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Energieversorgungssystems,
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2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Energieversorgungssystems mit einem eingekoppelten Halbleiterschalter,
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3 die schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Energieversorgungssystems mit einem eingekoppeltem Transduktor und
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4 ein Diagramm, welches den Spannungsverlauf im Kraftfahrzeugbordnetz mit und ohne Begrenzung durch eine Stromstärke-Steuerungseinrichtung darstellt.
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1 zeigt in Form eines Blockschaltbilds eine bevorzugte Ausführungsform eines Energieversorgungssystems, dessen Bestandteile ein Generator 11, ein Verbraucher 12, ein Energiespeicher 14 und eine Stromstärke-Steuerungseinrichtung 13 sind. Alle Bestandteile des Energieversorgungssystems sind dabei elektrisch, zum Beispiel durch elektrische Leitungen, verbunden. Der Generator 11 und der Energiespeicher 14 repräsentieren schematisch das Kraftahrzeugbordnetz, das weitere, hier nicht dargestellte Verbraucher versorgt. Die Stromstärke-Steuerungseinrichtung 13 ist zwischen den Verbraucher 12 und die anderen Bestandteile des Energieversorgungssystems geschaltet und kann, abhängig von der zum problemlosen Betrieb aller sonstigen elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugbordnetz notwendigen Spannung, steuern, wie viel Leistung dem elektrischen Verbraucher 12 zur Verfügung gestellt wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Spannung im Kraftfahrzeugbordnetz nicht unter einen festgesetzten Schwellwert sinken kann.
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2 zeigt, ebenfalls als Blockschaltbild, eine Ausführungsform eines Energieversorgungssystems aus 1, wobei die Stromstärke-Steuerungseinrichtung 13 einen Halbleiterschalter 23 umfasst. Außerdem sind eine Ladungspumpe 21, eine Steuerungsvorrichtung für den Halbleiterschalter 22, ein Spannungssensor 24, eine Spannungsreferenz-Vorrichtung 25 sowie ein elektrischer Verbraucher 12 vorgesehen. Die Spannungsreferenz-Vorrichtung 25 ist dabei eine Schaltung oder ein Bauelement, das (zum Vergleich) eine genaue Spannung bereitstellt. Wiederum sind alle Bestandteile des Energieversorgungssystems elektrisch, zum Beispiel durch elektrische Leitungen, verbunden. Der Spannungssensor 24 misst die im Kraftfahrzeugbordnetz vorhandene Spannung. Diese wird mit der durch die Spannungsreferenz-Vorrichtung 25 bereitgestellten Spannung verglichen. Falls die Spannung so klein wird, dass ein Schwellwert unterschritten wird, schaltet die Spannungsreferenz-Vorrichtung 25 soweit durch, dass der Halbleiterschalter 23 über die Steuerungsvorrichtung 22 in den linearen Bereich gebracht wird, und den Starterstrom soweit begrenzt, dass ein Minimalwert für die Spannung im Kraftfahrzeugbordnetz nicht unterschritten wird. Alternativ kann der Halbleiterschalter auch im gepulsten Betrieb angesteuert werden. Dem Fachmann ist klar, dass die Stromstärke-Steuerungseinrichtung 13 kein einzelnes Bauteil darstellt, sondern funktional zu verstehen ist.
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Der Halbleiterschalter kann auch als Leitungsschutzelement verwendet werden (Überströme), bzw. im nicht angesteuerten Fall des Verbrauchers im Sperrbetrieb sein Eine Spannungsquelle (z. B. Generator) könnte zusätzlich hinter dem Halbleiterschalter sein. Über eine Stromrichtungserkennung und einem Schwellwert (Verbraucher nicht angesteuert) könnte der Halbleiterschalter sperren, und damit einen Leitungsschutz/Bordnetzschutz gewährleisten. Hierdurch ist der Entfall einer Sicherung möglich. Der Verbraucher (d. h. hier der Starter) ist im Normalfall (d. h. kein Startbetrieb) spannungsfrei.
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3 zeigt die schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Energieversorgungssystems aus 1, wobei die Stromstärke-Steuerungseinrichtung 13 einen Transduktor umfasst. Außerdem sind ein elektrischer Speicher 14, ein magnetischer Kern 31, Windungen 32, welche um den Kern 31 verlaufen, eine Steuerleitung 33 sowie ein elektrischer Verbraucher 12 vorhanden. Um den magnetischen Kern 31 verlaufen zwei verschiedene Wicklungen. Die erste Wicklung, welche sich zwischen dem elektrischen Speicher 14 und dem elektrischen Verbraucher 12 befindet, ist der Lastkreis. Die zweite Wicklung wird über die Steuerleitung 33 von einem Steuerstrom durchflossen, über welchen die Induktivität des Transduktors gesteuert werden kann. Dadurch können vor allem hohe, schnelle Stromspitzen, die ursächlich für einen Spannungseinbruch im Kraftfahrzeugbordnetz sind, begrenzt werden. Selbstverständlich ist für die Steuerung eine Analyse- und Steuervorrichtung notwendig, welche den Steuerstrom, abhängig von den auftretenden Spannungsspitzen, reguliert. Diese Analyse- und Steuervorrichtung ist hier nicht dargestellt.
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Weiterhin koennen Verbraucher angeschlossen sein, die nicht über die Einrichtung zur Steuerung der Stromstärke versorgt werden. Auch Hier wird dann die Regelung aktiv, indem sie den Strom durch den geregelten Verbraucher so einstellt, dass die Spannung im Bordnetz konstant bleibt, auch wenn in den anderen Verbrauchern zusätzliche Ströme fliessen und das Bordnetz belasten.
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4 zeigt in Form eines Diagramms den Spannungsverlauf im Kraftfahrzeugbordnetz mit 44 und ohne 43 Begrenzung durch eine Stromstärke-Steuerungseinrichtung 13. Die x-Achse des Diagramms 41 stellt dabei die Zeitachse dar. Die y-Achse des Diagramms 42 stellt die Batteriespannung dar. Außerdem ist ein Spannungsschwellwert 45 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Spannung im Kraftfahrzeugbordnetz ohne 43 die Begrenzung durch eine Stromstärke-Steuerungseinrichtung 13 unter den Spannungsschwellwert 45 sinken kann – mit 44 einer Begrenzung durch eine Stromstärke-Steuerungseinrichtung 13 jedoch nicht. Der Spannungsschwellwert 45 lässt sich, z. B. über die Auswahl der Spannungsreferenz-Vorrichtung 25 sehr genau einstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Generator
- 12
- Verbraucher
- 13
- Stromstärke-Steuerungseinrichtung
- 14
- elektrischer Speicher
- 21
- Ladungspumpe
- 22
- Steuerungsvorrichtung-Halbleiterschalter
- 23
- Halbleiterschalter
- 24
- Spannungssensor
- 25
- Spannungsreferenz-Vorrichtung
- 31
- magnetischer Kern
- 32
- Windungen
- 33
- Steuerleitung
- 41
- Zeitachse
- 42
- Batteriespannung
- 43
- Spannungseinbruch ohne Begrenzung
- 44
- Spannungseinbruch mit Begrenzung
- 45
- Spannungsschwellwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062955 A1 [0005]
- DE 102007025694 A1 [0006]
