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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinrichtung
für ein
Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Spannungsversorgung in einem
Kraftfahrzeug.
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Zur
Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug werden in der Regel Generatoren
verwendet, mittels derer elektrische Energie erzeugt wird. Ein solcher
Generator wird üblicherweise
so angeordnet, dass dieser über
einen Riemenantrieb mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors des
Kraftfahrzeugs in Wirkverbindung steht. Die Kurbelwelle wiederum
kann über
die Kraftfahrzeugkupplung mit dem Getriebe des Fahrzeugs und dadurch
mit den Antriebsrädern
des Fahrzeugs in Verbindung gebracht werden. Während der Verbrennungsmotor
läuft,
wird somit der Generator über
den Riemenantrieb angetrieben und es kann elektrische Energie erzeugt
werden. Der Generator steht hierbei mit der Motorkurbelwelle in
einem festen Übersetzungsverhältnis.
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Zur
Kraftstoffeinsparung wird bei einzelnen Fahrzeugen in den Schubphasen
die Kupplung zwischen Motor und Getriebe geöffnet, um die Schleppverluste
des Motors zu eliminieren und die sogenannte Segelphase zu verlängern. Der
Motor wird in dieser Zeit abgeschaltet oder im Leerlauf betrieben.
Herkömmlich
angeordnete Generatoren weisen insbesondere in diesen Situationen
den Nachteil auf, dass diese nur mit der Motorleerlaufdrehzahl oder
gar nicht angetrieben werden. Die Stromabgabe ist daher also gering
oder gleich Null.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Spannungsversorgungseinrichtung
zu schaffen, bei der die Spannungsversorgung des Kraftfahrzeugs
optimiert ist. Insbesondere soll auch in verschiedenen Kraftfahrzeugzuständen eine gleichmäßige Spannungsversorgung
gewährleistet werden
können.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Lösung dieser
Aufgabe kinetische Energie des Kraftfahrzeugs zur Spannungsversorgung
verwendet wird.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Spannungsversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, die mindestens
einen Generator aufweist, wobei ein Generator zumindest zeitweise
mit einer ersten Antriebseinheit in Wirkverbindung steht, die abtriebsseitig
vom Verbrennungsmotor nach der Kraftfahrzeugkupplung angeordnet
ist.
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Durch
die Verbindung des Generators mit einer Antriebseinheit, die vom
Motor aus betrachtet nach der Kraftfahrzeugkupplung liegt, kann
der Generator auch unabhängig
vom Motor angetrieben werden, da er nicht in einem festen Übersetzungsverhältnis zur
Kurbelwelle steht. Somit kann auch bei Leerlauf oder abgeschaltetem
Motor elektrische Energie erzeugt werden, wenn sich das Fahrzeug
bewegt. Hierdurch wird die Rekuperation der kinetischen Energie
des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
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Vorzugsweise
steht ein Generator der Spannungsversorgungseinrichtung zumindest
zeitweise mit einer zweiten Antriebseinheit in Wirkverbindung, wobei
die zweite Antriebseinheit vor der Kraftfahrzeugkupplung angeordnet
ist. Diese zweite Antriebseinheit stellt vorzugsweise die Motorkurbelwelle
dar. Die Wirkverbindung kann durch Übertragungselemente erzeugt
werden. Hierbei können
die Übertragungselemente
auf die Kurbelwelle zwischen Motor und Kupplung oder an der gegenüberliegenden
Seite des Motors eingreifen. Somit kann sichergestellt werden, dass
auch die Energie, die bei dem normalen Betrieb des Verbrennungsmotors
durch die Rotation der Kurbelwelle entsteht, für die Erzeugung von Spannung
verwendet werden kann. Insbesondere bei einem stehenden Fahrzeug
kann über
diesen Generator beispielsweise zumindest der Antrieb durch die
Motorleerlaufdrehzahl genutzt werden. Dieser Generator kann der
Generator sein, der auch mit der ersten Antriebseinheit in Wirkverbindung
steht, oder aber einen zweiten, separaten Generator darstellen.
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Die
letztgenannte Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass hierbei
zwei unterschiedliche Spannungen durch die Spannungsversorgungseinrichtung erzeugt
werden können,
die auch auf unterschiedlichen Spannungsniveaus liegen können. Hierdurch kann
die Spannung des einen Generators einer anderen Verwendung zugeführt werden,
als die des zweiten Generators. Bei der Verwendung eines einzigen
Generators hingegen ist das Bauvolumen und das Gewicht der Vorrichtung
minimiert, was in Kraftfahrzeugen zu erheblichen Vorteilen führen kann.
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Vorzugsweise
wird die erste Antriebseinheit durch die Drehbewegung der Räder des
Fahrzeugs angetrieben. Vorzugsweise erfolgt der Antrieb über die
Welle des Kraftfahrzeuggetriebes. Hierdurch kann die kinetische
Energie des Fahrzeugs beispielsweise in der Schubphase ideal zur
Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden.
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Die
Wirkverbindung kann durch Übertragungselemente,
wie beispielsweise einen Riemenantrieb, realisiert werden. Der Riemenantrieb
ist dabei zwischen der Generatorwelle und der antreibenden Welle
vorgesehen. Die Wirkverbindung kann zusätzlich auch durch ein Übertragungselement
in Form einer Zusatzwelle realisiert werden, die über einen
Riemenantrieb mit einer Riemenscheibe auf der antreibenden Welle
zusammenwirkt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann die Wirkverbindung durch ein Unterbrechungselement unterbrochen
werden. Dieses Unterbrechungselement kann beispielsweise eine Kupplung
oder eine Freilaufriemenscheibe darstellen. Hierüber wird es möglich, den
beziehungsweise die Generatoren zeitweise von der entsprechenden
Welle zu trennen und so die Spannungserzeugung zusätzlich zu
regulieren.
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Gemäß einer
Ausführungsform
umfasst die Spannungsversorgungseinrichtung einen einzigen Generator
und zwischen dem Generator und der ersten und dem Generator und
der zweiten Antriebseinheit ist jeweils ein Unterbrechungselement
vorgesehen. Durch diese Ausgestaltung kann je nach der Drehzahl,
die durch die verschiedenen Antriebseinheiten zur Verfügung gestellt
werden kann, die geeignete Antriebeseinheit ausgewählt werden
und eine optimale Spannung erzeugt werden.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch
ein Verfahren zur Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug, das dadurch
gekennzeichnet ist, dass ein Generator zumindest zeitweise mit einer
von dem Motor unabhängig
betriebenen ersten Antriebseinheit in Wirkverbindung gebracht wird.
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Der
Generator wird in einer Ausführungsform wahlweise
mit der ersten Antriebseinheit oder einer zweiten, vom Motor angetriebenen
Antriebseinheit in Wirkverbindung gebracht. Bevorzugt wird der Generator
in Abhängigkeit
des Fahrzustands des Kraftfahrzeugs mit der ersten oder zweiten
Antriebseinheit in Wirkverbindung gebracht. Als Fahrzeugzustand kann
in diesem Zusammenhang zum einen der Zustand des Verbrennungsmotors
und zum anderen die Bewegung des Kraftfahrzeugs bezeichnet werden.
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Die
Merkmale und Vorteile, die für
die Spannungsversorgungseinrichtung beschrieben wurden, gelten entsprechend
und soweit anwendbar auch für das
erfindungsgemäße Verfahren
und umgekehrt.
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Die
vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden
Figuren, die nicht beschränkende
Ausführungsformen
wiedergeben, genauer erläutert.
Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung
einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung
mit einem Generator;
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2: eine schematische Darstellung
einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung
mit zwei Generatoren;
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3: eine schematische Darstellung
einer dritten Ausführungsform
mit zwei Generatoren; und
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4: ein schematisches Blockschaltbild
einer möglichen
Verschaltung von Generatoren in einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung
mit zwei Generatoren.
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In 1 ist eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung schematisch
dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst
die Spannungsversorgungseinrichtung 1 nur einen Generator 10.
Dieser ist so angeordnet, dass er wie ein herkömmlicher Generator mit der
Kurbelwelle 3 des Motors in Wirkverbindung steht. In der dargestellten
Ausführungsform
wird die Wirkverbindung zwischen der Kurbelwelle 3, die
die Antriebseinheit darstellt, und dem Generator 10 über Übertragungselemente
hergestellt, die einen Riemenantrieb 101, 102 und 103 umfassen.
Der Rie menantrieb besteht aus einer Riemenscheibe 101,
die von der Kurbelwelle 3 angetrieben wird, insbesondere
auf dieser angebracht ist, einer Riemenscheibe 103, die
auf der Generatorwelle 104 angeordnet ist und einem Riemen 102,
der die Verbindung zwischen diesen beiden Scheiben bildet.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist der Generator 10 aber zusätzlich mit der Getriebeantriebswelle 5 des
Kraftfahrzeuggetriebes 4 in Verbindung. Dies wird durch
eine Riemenscheibe 109, die auf der Getriebeantriebswelle 5 und
somit auf der dem Motor abgewandten Seite der Kraftfahrzeugkupplung 6 angeordnet
ist, eine weitere Riemenscheibe 107, die auf einer Zusatzwelle 106 angebracht
ist und einen Riemen 108 erreicht. Die Zusatzwelle 106 kann
mit der Generatorwelle 104 des Generators 10 in
Wirkverbindung gebracht werden kann.
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Um
die Wirkverbindung des Generators 10 mit der ersten Antriebseinheit,
d.h. der Getriebeantriebswelle 5, oder der zweiten Antriebseinheit,
d.h. der Kurbelwelle 3, unterbrechen zu können, sind
in den Verbindungen zwischen dem Generator 10 und den entsprechenden
Antriebseinheiten 5 und 3 Unterbrechungselemente
vorgesehen. Diese werden in der dargestellen Ausführungsform
durch eine Kupplung 105 zwischen der Zusatzwelle 106 und
der Generatorwelle 104 und durch Ausgestaltung der Riemenscheibe 103,
die auf der Generatorwelle 104 getragen wird und zur Verbindung
mit der Kurbelwelle 3 dient, als Freilaufriemenscheibe
realisiert.
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Im
normalen Fahrbetrieb, in dem die Fahrzeugkupplung 6 geschlossen
ist und die Antriebsräder 7 des
Fahrzeugs über
die Kurbelwelle 3 und das Getriebe 4 angetrieben
werden, stellt in der Regel die Drehzahl der Motorkurbelwelle 3 einen
höheren
Wert dar, als die Drehzahl der Getriebeantriebswelle 5.
In dieser Situation kann somit erfindungsgemäß der Generator 10 über die
Kupplung 105 von der Getriebeantriebswelle 5 getrennt
werden und ausschließlich
mit der Kurbelwelle 3 in Wirkverbindung stehen und von
dieser angetrieben werden. Wird hingegen der Motor 2 in
den Leerlauf versetzt oder abgeschaltet und von dem Getriebe 4 durch
die Kupplung 6 getrennt, während sich das Fahrzeug noch
bewegt, so kann die Rotation der Getriebewelle 5 als Antriebseinheit
für den
Generator 10 verwendet werden. Hierzu wird die Kupplung 105 zwischen
der Zusatzwelle 106 und der Generatorwelle 104 geschlossen,
während
die Verbindung vom Generator 10 zu der Kurbelwelle 3 über die
Freilaufriemenscheibe 103 unterbrochen wird. In die sem
Zustand wird der Generator 10 nur noch durch die Getriebewelle 5 angetrieben.
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Durch
den erfindungsgemäßen Aufbau
ist es somit möglich,
den Generator 10 stets durch die Welle 3, 5 antreiben
zu lassen, die sich momentan mit einer höheren Drehzahl bewegt.
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In 2 ist eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung 1 dargestellt.
In dieser Ausführungsform sind
zwei Generatoren, ein erster Generator 11 und ein zweiter
Generator 10, vorgesehen. Der zweite Generator 10 ist
in der herkömmlichen
Weise angeordnet und, wie bereits unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, mit der Kurbelwelle 3 verbunden.
Eine Verbindung zu der Getriebeantriebswelle 5 besteht allerdings
von diesem Generator 10 aus nicht. Der erste Generator 11 ist
an dem Motor 2 vorgesehen, und über die Generatorwelle 114 und
einen Riemenantrieb 111, 112 und 113 mit
der Getriebeantriebswelle 5 verbunden.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann die Riemenscheibe 103, die den zweiten Generator 10 mit der
Kurbelwelle 3 in Wirkverbindung bringt, als fest mit der
Generatorwelle 104 verbundene Riemenscheibe ausgestaltet
sein, d.h. keine Freilaufriemenscheibe darstellen. Der Generator 10 steht
dann stets mit der Kurbelwelle 3 in Wirkverbindung, mit
einem festen Übersetzungsverhältnis. Auch
der zweite Generator 11 kann in dieser Ausführungsform
stets mit der Getriebeantriebswelle 5 mit einem festen Übersetzungsverhältnis verbunden
sein.
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Beide
Generatoren können
bei dieser Ausgestaltung gleichzeitig elektrische Energie erzeugen, wobei
der Generator 10 bei laufendem Motor angetrieben wird und
der Generator 11 bei der Bewegung des Fahrzeugs.
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Es
ist aber auch möglich,
den Generator 10 bei Leerlauf oder Abschalten des Motors 2 von
der Kurbelwelle 3 zu trennen. Hierzu kann die Riemenscheibe 103 als
Freilaufriemenscheibe ausgestaltet sein.
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In
der 3 ist eine weitere
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung 1 mit
zwei Generatoren 10 und 11 dargestellt. Auch hierbei
ist der Generator 10, wie bei den Ausführungsformen der 1 und 2 angeordnet. Der erste Generator 11 hingegen
ist an dem Getriebe 4 auf der der Fahrzeugkupplung 6 abgewandten,
Seite vorgesehen. Hierdurch kann ein Riemenantrieb für diesen
Generator 11 entfallen. Die Generatorwelle kann vielmehr
unmittelbar mit der Getriebewelle verbunden sein bzw. durch diese
gebildet werden.
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In
der 4 ist eine mögliche Verschaltung der
Generatoren einer Spannungsversorgungseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt.
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Die
Spannungsversorgungseinrichtung umfasst zwei Generatoren 10 und 11.
Diesen ist jeweils ein Regler zugeordnet. Der Regler, der dem zweiten Generator 10 zugeordnet
ist, kann über
die Einstellung des Erregerstroms des zweiten Generators 10 die
Generatorleistung auf einen gewünschten
Wert einregeln. Die von dem Generator 10 über die
Ständerwicklung
abgegebene Spannung wird einem zweiten Bordspannungsnetz zugeführt. In
der dargestellten Ausführungsform
sind in dem zweiten Bordnetz ein Verbraucher, z.B. eine Lampe und
ein Motor, z.B. der Startermotor, angeordnet.
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Die
von dem ersten Generator 11 erzeugte Spannung wird entsprechend über einen
Regler auf vorgegebene Sollwerte eingeregelt. Diese Spannung wird
in der dargestellten Ausführungsform
einem zweiten Bordspannungsnetz zugeführt. In der dargestellten Ausführungsform
ist als Verbraucher in dem zweiten Bordnetz beispielhaft ein PTC-Heizelement angedeutet.
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Die
Bordspannung in dem zweiten Bordspannungsnetz, das durch den Generator 10 versorgt
wird, kann beispielsweise auf 14V festgelegt sein. In diesem Netz
können
daher Verbraucher gespeist werden, die bei diesen niedrigen Spannungen betrieben
werden können.
In dem ersten Bordspannungsnetz hingegen kann die kann die Spannung zwischen
14V-42V variiert werden. Hierdurch wird es möglich in diesem Netz Verbraucher
zu betreiben, die hohe Leistungen erfordern. Ein solcher Verbraucher kann
beispielsweise ein PTC-Heizelement sein. Der erste Generator 11 wird
somit mit variabler Spannung (14-42V) betrieben und bietet die Möglichkeit
in den Schubphasen eine höhere
Spannung zu erzeugen und damit einen Kondensator zu laden. Die durch diesen
Ladevorgang gespeicherte Energie kann anschließend beispielsweise über einen
DC/DC-Wandler wieder abgegeben werden. Der erste Generator kann
in Abhängigkeit
der Leistung und des Wirkungsgrads auf eine geeignete Spannung eingestellt
werden. Soll beispielsweise bei der Schubphase des Fahrzeugs Energie
zurückgewonnen
werden, um einen Kondensator, z.B. einen Super Cap, zu laden, so kann
in Abhängigkeit
der Energiemenge, die während
der Rekuperation zurückgewonnen
werden kann, der Generator auf eine Spannung eingestellt werden,
bei der dieser mit hohem Wirkungsgrad arbeitet. Wird hingegen der
Generator für
den Betrieb eines Verbrauchers des Bordnetzes verwendet, so kann
die Spannung auf die vom Abnehmer benötigte Spannung, maximal 42
V, eingestellt werden.
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Die
Möglichkeit
der Bereitstellung einer freien Spannung von 14-42V bringt erhebliche
Vorteile mit sich. So können
zum einen Hochspannungsverbraucher betrieben werden, die mit einer
Spannung von nur 14V wegen der sonst benötigen hohen Ströme nicht
betrieben werden könnten.
Einige Entwicklungen, wie beispielsweise die elektromechanische Bremse,
sind mit einem 14V-System nur schwierig, wenn überhaupt zu realisieren. Andererseits
können einige
Verbraucher, die in der Regel von dem 14V-Bordspannungsnetz versorgt
werden, nicht mit einem 42V-System betrieben werden. So können beispielsweise
Glühlampen
in der Regel nicht bei 42V betrieben werden. Durch die variable
Spannung, die erfindungsgemäß bereit
gestellt werden kann, können
diese Nachteile ausgeräumt
werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen
beschränkt.
Insbesondere können
die Unterbrechungselemente, die insbesondere bei einer Ausführungsform
mit nur einem Generator vorgesehen sind, an unterschiedlichen Stellen
in der Wirkverbindung zwischen dem Generator und den Wellen, durch
die dieser wahlweise angetrieben werden kann, vorgesehen sein. Die Unterbrechung
kann durch Vorsehen von Kupplungen oder durch die Ausgestaltung
einer der Riemenscheiben eines Riemenantriebs als Freilaufriemenscheibe
verwirklicht werden. Auch bei einer Spannungsversorgungseinrichtung,
die mit zwei Generatoren arbeitet, können zwischen den einzelnen
Generatoren und den ihnen zugeordneten Antriebseinheiten, insbesondere
Wellen, solche Unterbrechungselemente vorgesehen sein, so dass die
einzelnen Generatoren nur bei bestimmten Fahrsituationen elektrische
Energie erzeugen.
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In
jedem Fall stehen bei der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung
zwei Wellen zur Verfügung,
die einen Generator mit zwei Eingängen oder zwei Generatoren
antreiben können. Eine
der beiden Wellen ist dabei dem Motor und die andere den Rädern des
Fahrzeugs zugeordnet. Hierdurch kann sowohl die Energie, die durch
die Drehung der Kurbelwelle erzeugt werden kann, als auch die kinetische
Energie, die durch die Bewegung des Kraftfahrzeugs und damit die
Drehung der Räder
erzeugt werden kann, genutzt werden. Hierdurch kann die elektrische
Energieversorgung des Fahrzeugs auch im ausgekuppelten Zustand sichergestellt
werden.