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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Anordnung zur Versorgung von Komponenten eines Kraftfahrzeugs mit
elektrischer Energie, umfassend einen Generator zur Erzeugung elektrischer
Energie, der über
eine erste mechanische Kopplungsvorrichtung mit dem Motor des Fahrzeugs
gekoppelt ist, sodass er durch dessen Drehbewegung antreibbar ist.
Derartige Anordnungen befinden sich heute in jedem Kraftfahrzeug.
Ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, üblicher
Weise die Lichtmaschine, ist über
eine erste mechanische Antriebsvorrichtung, die in der Regel als
Antriebsriemen ausgebildet ist, mit dem Motor verbunden. Bei laufendem
Motor erzeugt der Generator elektrische Energie, die entweder bestimmten
Fahrzeugkomponenten direkt zugeführt
wird oder in einem Zwischenspeicher, z.B. der Fahrzeugbatterie,
zwischengespeichert wird. Solange der Motor läuft, wird die Batterie kontinuierlich
aufgeladen beziehungsweise werden die direkt verbundenen Komponenten
mit elektrischer Energie versorgt. Tritt jedoch eine Störung auf,
indem z.B. der Motor ausfällt
oder die mechanische Kopplung zwischen Motor und Generator, etwa
durch Riss des Antriebsriemens, unterbrochen wird, enden Batterieaufladung
und Versorgung der direkt verbundenen Komponenten abrupt.
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Dies kann bei modernen Fahrzeugen
mit so genannten „by
wire"-Funktionen
verheerende Folgen haben. Die „by
wire"-Technologien
sind beispielsweise für
die Steuerung, Bremsung, Schaltung etc. bekannt. Dabei besteht keine
mechanische Kopplung zwischen dem Bedienungselement, beispielsweise dem
Steuerrad oder dem Bremspedal, und dem jeweils zugeordneten Aktuator.
Vielmehr ist lediglich eine elektrische Verbindung vorgesehen, die
den Aktuator, in der Regel einen Elektromotor, in Abhängigkeit
von der Bedienung des jeweiligen Bedienelementes ansteuert. Bei
anderen Ausführungsformen werden
mechanisch angesteuerte Aktuatoren „by wire" unterstützt. Da sich „by wire"-Ausstattungen auf so
wesentliche Funktionen wie die Steuerung und Bremsung eines Fahrzeugs
beziehen können,
ist ihre Ausfallsicherheit während
der Fahrt von überragender
Bedeutung.
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Um die Ausfallsicherheit zu gewährleisten werden
in der Regel eine oder mehrere zusätzliche Batterien mit z.T.
abgestuften Kapazitäten
vorgesehen.
DE 199
06 305 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Energieversorgung
eines Kraftfahrzeugs, bei der zusätzlich zu der Hauptbatterie
eine Zusatzbatterie vorgesehen ist Bei anderen bekannten Vorrichtungen
ist die gleichzeitige Anordnung zweier gleichberechtigter Hauptbatterien
sowie einer Notbatterie vorgesehen, welche bei Ausfall der Hauptbatterien
eine wenigstens zeitweise Notversorgung der wichtigsten Komponenten übernehmen
kann. Eine solche Lösung
hat jedoch wesentliche Nachteile. Zum einen ist mit dem Einbau zusätzlicher
Batterien ein erheblicher, zusätzlicher
Platzbedarf verbunden. Weiter wird das Fahrzeuggewicht durch die
zusätzlichen,
schweren Batterien erhöht.
Schließlich
sind mit der Anschaffung und Wartung der zusätzlichen Batterien erhebliche
Mehrkosten verbunden.
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DE 100 42 308 A1 offenbart ein System zur ausfallsicheren
Energieversorgung einer „by
wire"-Lenkanlage,
bei der als zusätzliche
Energiequelle ein zweiter Generator vorgesehen ist. Dieser Generator
wird nicht über
den Motor, sondern direkt oder indirekt durch die Drehung wenigstens
eines der Räder
des Fahrzeugs angetrieben. Hierdurch soll sichergestellt werden,
das bei Ausfall des Motors beziehungsweise bei Unterbrechung der
Kopplung zwischen Motor und Lichtmaschine bei rollendem Fahrzeug
durch den zusätzlichen
Generator wenigstens eine Notversorgung der Lenkanlage sichergestellt wird,
sodass das Fahrzeug bis zu seinem Stillstand vom Fahrzeugführer sicher
gesteuert werden kann. Nachteilig bei diesem System ist jedoch die
Notwendigkeit eines zweiten Generators, was, analog zu dem oben
geschilderten Fall der Zusatzbatterien zu erhöhtem Gewicht, Platzbedarf,
Wartungserfordernissen und Kosten führt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine gattungsgemäße Energieversorgungsanordnung
in einem Kraftfahrzeug derart weiter zu bilden, das bei Unterbrechung
der Energieversorgung wenigstens einiger Fahrzeugkomponenten auf Grund
eines Ausfalls des Motors oder seiner Verbindung zu dem Generator
die Versorgung der Komponenten mit elektrischer Energie zumindest
bei bewegtem Fahrzeug weiterhin sichergestellt wird, ohne dass zusätzliche
Energieerzeugungs- oder
Speichervorrichtungen erforderlich wären.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass
er Generator über
eine zweite mechanische Kopp lungsvorrichtung mit wenigstens einem
Rad des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, sodass er durch dessen Drehbewegung
antreibbar ist, und dass Schaltmittel vorgesehen sind, sodass der
Antrieb des Generators je nach Schaltzustand der Schaltmittel durch
die Drehbewegung des Motors oder/und des wenigstens einen Rades
erfolgt.
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Die Erfindung greift den in
DE 100 42 308 A1 offenbarten
Gedanken auf, die Drehbewegung eines Rades des Fahrzeugs zum Antrieb
eines Generators zur Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen. Sie entwickelt
diesen Gedanken jedoch dahingehend weiter, dass, anders als in der
zitierten Druckschrift, kein eigener Notgenerator erforderlich ist,
sondern dass derselbe Generator, der durch den Motor des Fahrzeugs
antreibbar ist, auch für
die Notversorgung bei Motorausfall verwendet werden kann. Um dies
zu erreichen, sind erfindungsgemäß Schaltmittel
vorgesehen, die im Bedarfsfall zwischen „Motorantrieb" und „Radantrieb" umschalten können. Diese
Schaltmittel können,
wie weiter unten ausgeführt
werden soll, auf unterschiedliche Weise realisiert werden.
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Die Erfindung führt dazu, dass im Fall, dass bei
fahrendem Fahrzeug der Motor ausfällt oder seine Kopplung zum
Generator unterbrochen wird, letzterer weiter betrieben wird, wobei
sein Antrieb jedoch über
ein sich während
der Fahrt drehendes Laufrad erfolgt. Auf diese Weise kann die Energieversorgung wenigstens
einiger wichtiger Komponenten, wie etwa einer „steer by wire"-Lenkanlage oder
einer „brake
by wire"-Bremsanlage,
sichergestellt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung koppelt die zweite mechanische Koppelvorrichtung eine
der Kupplung des Kraftfahrzeugs nachgeschaltete Antriebswelle des
wenigstens einen Laufrades mit dem Generator. Grundsätzlich ist
es zwar auch möglich,
einen unmittelbaren Antrieb des Generators über das wenigstens eine Rad
zu realisieren. Da der Generator jedoch auch mit dem Motor gekoppelt
ist, bietet sich zur Vermeidung eines komplizierten Übertragungsgestänges eine
zentrale Anordnung des Generators in der Nähe des Motors an, wobei der
Antrieb des Generators durch das Rad mittelbar erfolgt. Unter „Antriebswelle" ist im vorliegenden
Zusammenhang prinzipiell jedes sich bei Drehung des wenigstens einen
Rades in dessen Antriebsstrang mitdrehende Gestängeteil gemeint. Es ist jedoch
darauf zu achten, dass zwischen dem Motor und dem Ansatzpunkt der
zweiten me chanischen Koppelvorrichtung an den Antriebsstrang des
wenigstens einen Rades die Kupplung des Kraftfahrzeugs geschaltet
ist. Dies stellt die Unabhängigkeit der
Energieversorgung vom Betriebszustand des Motors sicher, etwa beim
ausgekuppelten Ausrollen bei stehendem Motor.
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Bei einer besonders vorteilhaften
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfassen die Schaltmittel
wenigstens einen mechanischen Freilauf, sodass der Antrieb des Generators
durch die jeweils schnellere der Drehbewegungen, die vom Motors
bzw. dem wenigstens einen Rad übertragen
werden, erfolgt. Vorzugsweise ist jede der beiden mechanischen Kopplungsvorrichtungen
mit einem Freilauf versehen. Dies stellt die einfachste und kostengünstigste
Realisierung der erfindungsgemäßen Erfindung
dar. So kann die Antriebswelle des Generators gleichzeitig mit beiden
Antriebselementen, d.h. Motor und Rad verbunden sein, ohne dass
beide Antriebselemente über
den Generator miteinander gekoppelt wären. Durch den mechanischen
Freilauf beziehungsweise die mechanischen Freiläufe wird dann sichergestellt,
dass bei beiden Antriebsvarianten das jeweilige Antriebselement
unabhängig
vom anderen arbeitet. Lediglich im Fall exakt gleicher Drehgeschwindigkeit
wird mechanische Energie von beiden Antriebselementen auf den Generator übertragen.
Die relevante Geschwindigkeit der Drehbewegung betrifft im vorliegenden
Fall die auf die Antriebswelle des Generators übertragene Bewegung. Dies umfasst
selbstverständlich
auch Varianten, bei denen zwischen dem Antriebselement (Rad oder
Motor) und dem Generator die Drehgeschwindigkeit transformierende
Getriebe vorgesehen sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform
umfassen die Schaltmittel eine elektrisch ansteuerbare Kupplung,
durch die bei Ausfall des Generatorantriebs durch den Motor des
Kraftfahrzeugs eine Umschaltung auf den Generatorantrieb durch das
wenigstens eine Rad erfolgt. Die elektrisch ansteuerbare Kupplung
kann zusätzlich
oder alternativ zu dem oben genannten Freilauf beziehungsweise den
oben genannten Freiläufen
vorgesehen sein. Diese Art der aktiven Umschaltung hat den Vorteil
eines geringeren Verschleißes
sowie bei Betrieb einer geringern Reibung. Andererseits können die
Schaltmittel hierdurch komplexer und dadurch fehleranfälliger werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die Umschaltung durch die elektrisch ansteuerbare Kupplung automatisch
erfolgt, wenn eine Versorgungsspannung der elektrisch ansteuerbaren
Kupplung unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt. Ist
die Kupplung nämlich
so eingerichtet, das sie im bestromten Zustand die erste und im
stromlosen Zustand die zweite mechanische Kopplungsvorrichtung mit
dem Generator koppelt, und wird ihre Versorgungsspannung nur im
Fall des Generatorantriebs durch den Motor bereitgestellt, hat ein
Ausfall dieses Antriebsweges automatisch die Umschaltung auf den Notbetrieb,
d.h. den Generatorantrieb durch das wenigstens eine Rad, zur Folge.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass weitere Schaltmittel
vorhanden sind, die im Fall des Generatorantriebs durch das wenigstens
eine Rad eine Versorgung verschiedener Fahrzeugkomponenten mit elektrischer
Energie unterbrechen. Dies unterstreicht den Antriebsmodus durch
das wenigstens eine Rad als Notmodus. Es muss nämlich davon ausgegangen werden,
dass zumindest bei sich verlangsamender Geschwindigkeit des Fahrzeugs
die bei Generatorantrieb mittels des wenigstens einen Rades erzeugte elektrische
Energie geringer ist, als die im Normalbetrieb mittels Motorantrieb
erzeugte. Es ist daher sinnvoll, die geringere Energiemenge auf
die grundlegenden Fahrzeugfunktionen und deren Bedienelemente zu
konzentrieren. Damit nämlich
wird sichergestellt, das der Fahrer im Notfall sein Fahrzeug sicher
zum Stehen bringen und aus einer Gefahrenzone hinaussteuern kann.
Komfortkomponenten wie z.B. Wischerablageheizung, Spiegelheizung
etc aber auch Radio, Navigationssystem, Regensensor, etc. sind in diesem
Fällen
von untergeordneter Bedeutung und können zur Energieeinsparung
abgeschaltet werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich aus der nachstehenden, ausführlichen Beschreibung und der
beigefügten
Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft veranschaulicht
ist.
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In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
vereinfachte Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung.
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Die einzige 1 ist eine stark vereinfachte, schematische
Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung
zur ausfallsicheren Stromversorgung in einem Kraftfahrzeug. Erzeugungsort
der elektrischen Energie ist der Generator 1. Dieser ist über nicht
dargestellte Verdrahtungen mit ebenfalls nicht dargestellten direkt
versorgten Fahrzeugkomponenten und/oder einer oder mehreren nicht
dargestellte Batterien verbunden. Im Normalfall, d.h. während des störungsfreien
Betriebs des Kraftfahrzeugs wird der Generator 1 von dem
Motor 3 des Fahrzeugs auf hinlänglich bekannte Weise angetrieben.
Bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
wird die Rotationsbewegung der Abtriebswelle 5 des Motors 3 über die
Antriebsriemen 7 und 9 auf die Antriebswelle 11 des
Generators 1 übertragen.
Hierdurch wird auf bekannte Weise eine elektrische Spannung erzeugt, die
an den Abgriffsklemmen des Generators 1 abgegriffen und
den nachgeordneten Komponenten zugeführt werden kann.
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Im Normalfall arbeitet der Generator 1 daher stets,
wenn der Motor 3 des Fahrzeugs läuft. Tritt jedoch während der
Fahrt ein Störungsfall
ein, kann der zuverlässige
Betrieb des Generators 1 bei herkömmlichen Anordnungen nicht
sichergestellt werden. Fällt
nämlich
der Motor 3 aus oder kommt es beispielsweise zum Bruch
der Abtriebswelle 5 oder des Antriebsriemens 7,
erzeugt der Generator keine elektrische Energie mehr und selbst
so wesentliche Komponenten wie „by wire"-Vorrichtungen können versagen.
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Aus diesem Grund ist der Generator 1 zusätzlich mit
wenigstens einem Rad 13 des Fahrzeugs gekoppelt. Die Kopplung
kann an irgendeinem Punkt des dem Motor nachgeschalteten Antriebstrangs
des Rades 13 erfolgen, sofern sichergestellt ist, dass
sich der Kopplungspunkt auch bei ausgefallenen Motor 3 zusammen
mit dem Rad 13 dreht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die
Kopplung an einer Antriebswelle 15, die gleichzeitig eine
Abtriebswelle des Hauptgetriebes 17 darstellt. Selbstverständlich ist
es auch möglich,
andere Ankopplungspunkte beispielsweise eine Kardanwelle, einen
Getriebeausgang eines Differenzialgetriebes oder anderer drehender Bauteile
des Fahrzeuges zu wählen.
Dies ist in 1 durch
die unterbrochene Verbindung zwischen Antriebswelle 15 und
Rad 13 angedeutet. Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 wird die Drehbewegung der
Antriebswelle 15 über einen
Antriebsriemen 19 auf eine Zwischenwelle 21 übertragen.
Diese Zwischenwelle ist mit dem zuvor genannten Antriebsriemen 9 verbunden,
sodass ihre Drehbewegung über die
Antriebswelle 11 des Generators 1 auf diesen übertragbar
ist.
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Um einen bedarfsgerechten Antrieb
des Generators 1 sicherzustellen, müssen Motor 3 und Rad 13 im
Bereich des Antriebsgestänges
für den
Generator 1 entkoppelt sein. Hierzu sind im gezeigten Ausführungsbeispiel
die mechanischen Freiläufe 23 und 25 vorgesehen.
Diese Freiläufe 23 und 25 sind
derart eingerichtet, dass nur die jeweils schnellere Drehbewegung
der Antriebswelle 5 des Motors 3 beziehungsweise
der Antriebswelle 15 des Rades 13 auf die Antriebswelle 11 des
Generators 1 übertragen wird.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, einen oder
beide der mechanischen Freiläufe 23 und 25 durch
eine elektrisch ansteuerbare Kupplung zu ersetzen oder eine solche
alternativ oder zusätzlich
an einer anderen Stelle der Anordnung vorzusehen. Dabei ist es besonders
günstig,
wenn die elektrisch ansteuerbare Kupplung im Normalfall bestromt
wird und eine Kopplung des Generators 1 mit dem Motor 3 sicherstellt,
während
sie bei einer Störung,
die sich durch Ausfall der Versorgungsspannung der Kupplung bemerkbar
macht, in den unbestromten Zustand übergeht und dort den Generator 1 mit
dem Rad 13 koppelt.
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Um einen Antrieb des Generators 1 in
einem geeigneten Drehzahlbereich zu gewährleisten, kann vorgesehen
sein, dass die Übertragung
der Drehbewegung von den Kopplungspunkten zur Antriebswelle 11 des
Generators 1 über
geeignet ausgestaltete Getriebe erfolgt. Diese können etwa durch einfache Übersetzungen
bei den Antriebsriemen 7, 9, 19 oder auf
andere, dem Fachmann geläufige
Weise realisiert sein.
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Natürlich stellt die obige Beschreibung
in Zusammenhang mit der Zeichnung nur ein günstiges Ausführungsbeispiel
dar, auf das die Erfindung keineswegs beschränkt ist. Insbesondere ist die
genaue geometrische Anordnung der Kopplungsvorrichtungen zwischen
dem Generator 11 einerseits und Motor 3 beziehungsweise
dem Rad 13 anderseits in weiten Bereichen variierbar. Auch
können
die Antriebsriemen etwa durch Antriebsketten, Kronenwellen oder ähnliche
Elemente ersetzt werden.