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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Stabilisieren einer Versorgungsspannung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere bei einem Startvorgang des Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Stabilisieren einer Versorgungsspannung in einem Kraftfahrzeug.
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Herkömmliche Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise eine Funktionskomponente, insbesondere in Form eines Starters oder Anlassers auf, mittels welcher das Kraftfahrzeug gestartet und angelassen werden kann. Hierzu wird die Funktionskomponente mit einer Energieversorgungseinheit verbunden, welche die Funktionskomponente mit elektrischer Energie versorgt. Beim Starten des Kraftfahrzeugs tritt innerhalb des Starters üblicherweise ein sehr hoher sog. elektrischer Kurzschluss-Strom, insbesondere während der ersten 100 ms des Startvorgangs, auf, welcher bei der Energieversorgungseinheit zu einem starken Spannungseinbruch der durch sie bereitgestellten Versorgungsspannung führen kann. Dies wiederum kann Störungen bei anderen elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs, welche beispielsweise über ein elektrisches Bordnetz ebenfalls mit der Energieversorgungseinheit verbunden sind, nach sich ziehen.
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Um einen derartigen unerwünschten Spannungseinbruch und damit verbundene Störungen bei elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs zu vermeiden, ist aus der
DE 10 2010 046 232 A1 eine Vorrichtung bekannt, mittels welcher eine von einer Energieversorgungseinheit des Kraftfahrzeugs erzeugte Versorgungsspannung stabilisiert werden kann. Dazu ist vorgesehen, dass eine schaltbare elektrische Widerstandskaskade zwischen dem Starter und der Energieversorgungseinheit bereitgestellt wird. Somit können einzelne Widerstände der Widerstandskaskade sukzessive zur Änderung des gesamten Widerstands der Widerstandskaskade zugeschaltet werden.
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Eine derartige Vorrichtung ist aber relativ aufwändig herzustellen, insbesondere wenn die einzeln schaltbaren elektrischen Widerstände der Widerstandskaskade mittels einer geeigneten Steuerungseinrichtung angesteuert werden sollen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform bereitzustellen, bei der die oben genannten Probleme beseitigt oder wenigstens verringert sind.
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Oben genannte Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 7. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl einen ersten elektrischen Leitungspfad mit einem ersten elektrischen Innenwiderstand als auch einen zweiten elektrischen Leitungspfad mit einem zweiten elektrischen Innenwiderstand aufweist, wobei der erste elektrische Innenwiderstand größer als der zweite elektrische Innenwiderstand ist. Die beiden elektrischen Leitungspfade besitzen einen ersten gemeinsamen Anschlusspunkt, an welchen eine Energieversorgungseinheit angeschlossen werden kann, insbesondere eine Batterie. Des Weiteren weisen die beiden elektrischen Leitungspfade einen zweiten gemeinsamen Anschlusspunkt auf, an welchen eine Funktionskomponente, beispielsweise eine Startvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, angeschlossen werden kann. Durch die Bereitstellung eines im Sinne einer elektrischen Parallelschaltung mit dem ersten elektrischen Leitungspfad schaltbar verbindbaren zweiten elektrischen Leitungspfades kann ein unerwünschter Spannungseinbruch bei der Energieversorgungseinheit verhindert werden, wenn aufgrund der Inbetriebnahme der Funktionskomponente, beispielsweise der Startvorrichtung des Kraftfahrzeugs, kurzzeitig ein sehr hoher elektrischer Strom von der Energieversorgungseinheit zu der Funktionskomponente fließt. Derart hohe elektrische Ströme treten häufig beim Starten eines (Verbrennungs-)Motors des Kraftfahrzeugs mittels der Startvorrichtung auf, da beim Starten des Motors ein sogenannter Kurzschlussstrom für einen vorbestimmten Zeitraum, typischerweise für ca. 100 ms, durch die Startvorrichtung fließt. Während des Kurzschlusszeitraums ist die Energieversorgungseinheit, welche die Startvorrichtung mit elektrischer Energie versorgt, elektrisch kurzgeschlossen, das heißt der elektrische Gesamtwiderstand des elektrischen Stromkreises, den die Energieversorgungseinheit mit elektrischer Energie versorgt und in welcher auch die Startvorrichtung als elektrischer Verbraucher angeordnet ist, ist nahezu gleich Null, so dass theoretisch ein unendlich hoher elektrischer Strom von der Energieversorgungseinheit zu der Startvorrichtung fließen würde, was wiederum zu einer sehr raschen Entladung der Energieversorgungseinheit und damit zu einem Abfall der von der Energieversorgungseinheit bereitgestellten elektrischen Versorgungsspannung führen würde.
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Ein derart unerwünschter Kurzschlussstrom kann grundsätzlich durch Sicherstellung eines entsprechend hohen elektrischen Innenwiderstands des Leitungspfades zwischen Energieversorgungseinheit und Funktionskomponente vermieden werden. Ein hoher elektrischer Innenwiderstand ist jedoch immer mit einer unerwünscht hohen Dissipation von elektrischer Energie beim elektrischen Stromfluss durch den Leitungspfad verbunden. Daher weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den ersten elektrischen Leitungspfad auf mit seinem ersten elektrischen Innenwiderstand, der größer ist als der zweite elektrische Innenwiderstand des zweiten elektrischen Leitungspfades. Mittels des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters im zweiten elektrischen Leitungspfad kann vor dem Einschalten der Startvorrichtung des Fahrzeugs der zweite elektrische Leitungspfad elektrisch unterbrochen werden, so dass der gesamte elektrische Strom von der Energieversorgungseinheit zu der Startvorrichtung nur Ober den ersten elektrischen Leitungspfad fließt. Erfindungsgemäß ist demnach der gesamte elektrische Widerstand zwischen der Energieversorgungseinheit und der Startvorrichtung bei unterbrochenem zweitem elektrischem Leitungspfad durch den ersten elektrischen Innenwiderstand gegeben. Bei geeigneter Dimensionierung, beispielsweise durch Verwendung eines geeigneten Leitermaterials für den ersten elektrischen Leitungspfad, kann der durch den ersten elektrischen Leitungspfad fließende Strom auf einen vorbestimmten Maximalwert begrenzt werden, so dass insbesondere ein unerwünschter Kurzschlussstrom nicht auftreten kann. Folglich kann auf diese Weise auch ein unerwünschter Spannungseinbruch der Energieversorgungseinheit vermieden werden.
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Nach Ablauf des vorbestimmten Zeitraums (von typischerweise ca. 100 ms) erzeugt die Funktionskomponente (beispielsweise die Startvorrichtung des Motors) keinen Kurzschlussstrom mehr, das heißt der Innenwiderstand der Funktionskomponente selbst steigt an, so dass ein hoher elektrischer Innenwiderstand des Leitungspfades zwischen Energieversorgungseinheit und Funktionskomponente zur Vermeidung eines Kurzschlussstroms nicht mehr erforderlich ist. Vielmehr sollte der Innenwiderstand nun zur Vermeidung von unerwünschter Dissipation von elektrischer Energie der elektrische Innenwiderstand des Leitungspfades möglichst klein, idealerweise sogar Null, sein.
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Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nun möglich, den mittels des elektrischen Schalters unterbrochenen zweiten Leitungspfad zu schließen. Da aufgrund des erhöhten Innenwiderstands der Startvorrichtung das Auftreten eines Kurzschlussstroms ausgeschlossen ist, kann durch ein Schließen des zweiten elektrischen Leitungspfads mit einem im Vergleich zum ersten elektrischen Leitungspfad sehr geringen zweiten Innenwiderstand der elektrische Strom von der Energieversorgungseinheit zu der Startvorrichtung weitgehend verlustfrei, also ohne Dissipation von elektrischer Energie, übertragen werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es also auf einfache Weise möglich, einen insbesondere bei der Inbetriebnahme einer Startvorrichtung für einen Motor auftretenden Kurzschlussstrom zu vermeiden. Gleichzeitig ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bezüglich ihres technischen Aufbaus auf sehr einfache Art und Weise realisierbar und damit sehr kostengünstig herzustellen.
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In einer besonders einfach herzustellenden Ausführungsform umfasst der zweite elektrische Leitungspfad einen zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand umschaltbaren elektrischen Schalter, insbesondere ein Relais, zum wahlweisen Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten gemeinsamen Anschlusspunkt mittels des zweiten elektrischen Leitungspfads. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen elektrischen Schalter in Form eines herkömmlichen Relais sowie zwei elektrische Leitungspfade mit elektrischen Innenwiderständen umfassen, die durch Verwendung geeigneter elektrischer Leitungsmaterialien mit jeweils geeigneten elektrischen Innenwiderständen hergestellt werden können.
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Zum Zwecke einer besonders einfachen technischen Realisierung kann der elektrische Schalter derart ausgebildet sein, dass ein von einer mit dem ersten gemeinsamen Anschlusspunkt verbundenen Energieversorgungseinheit zu einer mit dem zweiten gemeinsamen Anschlusspunkt verbundenen Funktions-Komponente (insbesondere einer Startvorrichtung für ein Kraftfahrzeug) fließender elektrischer Strom für einen vorbestimmten ersten Zeitabschnitt durch ein Umschalten des elektrischen Schalters in den geöffneten Zustand nur über den ersten elektrischen Leitungspfad fließen kann.
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Auf diese Weise wird das Fließen eines elektrischen Kurzschlussstroms durch die Funktions-Komponente während des vorbestimmten ersten Zeitabschnitts unterbunden und damit ein unerwünschter Spannungseinbruch der Energieversorgungseinheit vermieden.
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In einer weiterbildenden Ausführungsform ist der elektrische Schalter derart ausgebildet, dass nach Ablauf des vorbestimmten ersten Zeitabschnitts der elektrische Schalter in den geschlossenen Zustand umschaltet, so dass der elektrische Strom über den zweiten elektrischen Leitungspfad fließen kann. Dies ermöglicht die weitgehend verlustfreie Übertragung von elektrischer Energie von der Energieversorgungseinheit zu der Funktionskomponente, wenn sichergestellt ist, dass in der Funktionskomponente selbst kein Kurzschlussstrom erzeugt werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste elektrische Leitungspfad ein elektrisches Sicherungselement, insbesondere zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspunkt mittels des ersten elektrischen Leitungspfads, bei Überschreiten einer vorbestimmten kritischen Stromstärke in dem ersten elektrischen Leitungspfad.
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Um die erfindungsgemäße Vorrichtung auf möglichst kompakte Art und Weise realisieren zu können, kann in einer weiterbildenden Ausführungsform daran gedacht sein, dass der elektrische Schalter und das Sicherungselement in einer gemeinsamen Gehäuse-Einheit angeordnet sein.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Stabilisieren einer Versorgungsspannung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung mit einem oder mehreren der oben genannten Merkmale.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Stabilisieren einer Versorgungsspannung in einem Kraftfahrzeug mit 1 bezeichnet. Die Vorrichtung 1 umfasst einen ersten elektrischen Leitungspfad 2 mit einem ersten elektrischen Innenwiderstand R1 sowie einen mit dem ersten elektrischen Leitungspfad 2 im Sinne einer elektrischen Parallelschaltung schaltbar verbindbaren zweiten elektrischen Leitungspfad 3, wobei der zweite elektrische Leitungspfad 3 einen zweiten elektrischen Innenwiderstand R2 aufweist. Erfindungsgemäß ist der erste elektrische Innenwiderstand R1 größer als der zweite elektrische Innenwiderstand R2.
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Der erste und zweite elektrische Leitungspfad 2, 3 weisen einen ersten gemeinsamen Anschlusspunkt 4 zum Anschluss einer Energieversorgungseinheit 5 auf, welche insbesondere als Batterie ausgebildet sein kann. Der erste und zweite elektrische Leitungspfad 2, 3 weisen ferner einen zweiten gemeinsamen Anschlusspunkt 6 zum Anschluss einer Funktions-Komponente 8 auf, die insbesondere eine Startvorrichtung eines Kraftfahrzeugs sein kann. Die Funktions-Komponente 8 kann in einer Variante des Ausführungsbeispiels eine beliebige andere induktive Last sein.
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Erfindungsgemäß weist der zweite elektrische Leitungspfad 3 einen zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand umschaltbaren elektrischen Schalter 7 auf, der insbesondere als elektrisches Relais oder Halbleiterschalter ausgebildet sein kann. Mittels des elektrischen Schalters 7 kann die elektrische Verbindung des zweiten elektrischen Leitungspfades 2 zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspunkt 4, 6 wahlweise unterbrochen werden.
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In einer bevorzugten Variante des Ausführungsbeispiels weist der erste elektrische Innenwiderstand R1 einen Wert von nur ca. 10 mΩ auf. Der erste elektrische Leitungspfad 2 kann dabei derart ausgebildet sein, dass er einen elektrischen Strom von maximal bis zu 600 A tragen kann, und zwar für eine bevorzugte Zeitdauer von ca. 100 ms. Der zweite elektrische Leitungspfad 3 weist bevorzugt einen Leitungsquerschnitt von ca. 25 bis 35 mm2 auf, der erste elektrische Leitungspfad 2 einen Leitungsquerschnitt Von ca. 4–6 mm2.
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Generell kann durch Wahl eines jeweils geeigneten Leitermaterials für die beiden elektrischen Leitungspfade 2, 3, und dabei insbesondere durch eine geeignete Wahl der Leitungslänge oder/und des Leitungsquerschnitts sowohl für den ersten als auch für den zweiten Leitungspfad 3 ein gewünschter elektrischer Innenwiderstand erzielt werden.
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Der elektrische Schalter 7 kann in einer Variante derart ausgebildet sein, dass ein von einer mit dem ersten gemeinsamen Anschlusspunkt 4 verbundenen Energieversorgungseinheit 5 zu einer mit dem zweiten gemeinsamen Anschlusspunkt 6 verbundenen Funktions-Komponente 8 fließender elektrischer Strom für einen vorbestimmten ersten Zeitabschnitt, welcher vorzugsweise ca. 100 ms betragen kann, durch ein Umschalten des elektrischen Schalters 7 in den geöffneten Zustand nur über den ersten elektrischen Leitungspfad 2 fließen kann. Des Weiteren kann der elektrische Schalter 7 derart ausgebildet sein, dass nach Ablauf des vorbestimmten ersten Zeitabschnitts der elektrische Schalter 7 in den geschlossenen Zustand umgeschaltet wird, so dass von nun an der elektrische Strom auch über den zweiten elektrischen Leitungspfad 3 fließen kann.
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In einer weiterbildenden Ausführungsform kann der erste elektrische Leitungspfad 2 ein elektrisches Sicherungselement F1 aufweisen, insbesondere zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten gemeinsamen Anschlusspunkt 4, 6 mittels des ersten elektrischen Leitungspfads 2, und zwar genau dann, wenn der in dem ersten Leitungspfad 2 fließende Strom eine vorbestimmte maximale Stromstärke, welche vorzugsweise zwischen 600 und 900 A, höchst vorzugsweise bei ungefähr 800 A liegt, für eine gewisse Zeit überschreiten sollte.
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In einer bevorzugten Ausführungsform können der elektrische Schalter 7 und das elektrischer Sicherungselement F1 einer gemeinsamen Gehäuseeinheit angeordnet sein. Vorzugsweise umfasst die Gehäuseeinheit auch den ersten gemeinsamen Anschlusspunkt 4.
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Für die technische Realisierung des ersten und zweiten elektrischen Leitungspfads 2, 3 können herkömmliche Leitungsmaterialen, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, mit einem jeweiligen spezifischen Leitwert verwendet werden. Das für die Leitungsmaterialien zu verwendende Mantelmaterial ist entsprechend den in den Leitungsmaterialien betriebsmäßig zu erwartenden Temperaturen und entsprechend den zu erwartenden mechanischen Beanspruchungen des Leitungsmaterials auszuwählen und kann insbesondere Materialien aus, PU oder Silikon umfassen. Der erste und auch der zweite elektrische Innenwiderstand R1, R2 können durch geeignete Wahl der Länge, des Querschnitts und der den ersten bzw. zweiten elektrischen Leitungspfad 2, 3 bildenden Leitungsmaterialien festgelegt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann auch der zweite elektrische Leitungspfad 3 ein elektrisches Sicherungselement entsprechend dem elektrischen Sicherungselement F1 des ersten Leitungspfads 2 aufweisen (in der 1 nicht gezeigt).
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In einer weiteren Variante kann in dem zweiten elektrischen Leitungspfad 3 im Sinne einer elektrischen Parallelschaltung zu der Funktions-Komponente 8 eine Freilaufdiode oder eine Widerstand-Kondensator vorgesehen sein, welche den elektrischen Schalter 7 vor erhöhtem Verschleiß durch Funkenabriss schützen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010046232 A1 [0003]
