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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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Die
DE 34 41 126 C1 der Anmelderin offenbart eine Stromversorgungsanlage für Kraftfahrzeuge, mit einem elektrischen Generator, der von einem dem Antriebssystem nachgeschalteten Getriebe angetrieben ist, und bei dem das Getriebe ein Ausgleichsgetriebes der angetriebenen Räder ist und bei dem der Generator innerhalb des Getriebegehäuses bzw. auf diesem angeordnet ist.
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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 Kopplungsvorrichtung 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 mechanischen 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 Motor 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, dass 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.
