DE69620329T2

DE69620329T2 - Elektrische Schaltungen, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE69620329T2
Application number: DE69620329T
Authority: DE
Inventors: Allan George Alexander Guthrie
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: GB2305791A; GB2305791B; EP0766364B1; EP0766364A2; US5821634A; GB9519733D0; EP0766364A3; DE69620329D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Stromkreise, insbesondere auf Stromkreise für Fahrzeuge.

Ausgangssituation der Erfindung

Schon lange besteht bei Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen, Traktoren usw. ein Problem darin, daß entweder die Fahrzeuglichter aufgrund einer "durchgebrannten" Glühlampe nicht eingeschaltet sind oder die Scheinwerfer ein übermäßig helles Licht erzeugen. Die Wurzel dieses Problems ist die große Bandbreite der Spannung, die von der Batterie und/oder dem Mittel zur Wiederaufladung der Batterie an die Fahrzeugelektrik abgegeben wird.
Im allgemeinen liegt der Ausgangsspannungspegel einer voll aufgeladenen Autobatterie mit einer Nennspannung von 12 Volt tatsächlich bei ca. 12,7 Volt, und diese Spannung fällt auf ca. 12 Volt, wenn die Fahrzeugscheinwerfer eingeschaltet sind (die Nennspannung der Glühlampen beträgt für gewöhnlich 13,5 Volt). Bei normalen Temperaturen und einer Motorgeschwindigkeit, die einer Reisegeschwindigkeit des Fahrzeugs von ca. 30 Meilen pro Stunde (ca. 50 Kilometer pro Stunde) entspricht, lädt der Drehstromgenerator des Fahrzeugs die Batterie auf, und die Batteriespannung wird durch einen Spannungsregler derart gesteuert, daß sie auf ca. 14,2 Volt ansteigt. Um jedoch den Batteriespannungspegel von 14,2 Volt zu erreichen, kann die am Drehstromgenerator anliegende Spannung noch höher sein, zum Beispiel größer als 15,0 Volt, um das Spannungsgefälle entlang der Kabel berücksichtigen zu können.
Wenn sich das Fahrzeug in Bewegung befindet, muß die Ladespannung in der gesamten Batterie 14,2 Volt betragen, um zu gewährleisten, daß die Batterie ständig so vollständig wie möglich aufgeladen ist. Es ist allgemein bekannt, daß die Batterie wieder aufgeladen werden muß, um
a) die Leistung zu ersetzen, die sie an die Stromkreise abgibt, wenn das Fahrzeug nicht bewegt wird, zum Beispiel an Parklichter,
b) die Leistung zu ersetzen, die beim Anlassen des Motors verbraucht wird, und
c) die Leistung zu ersetzen, die die Batterie dann abgeben muß, wenn der Motor läuft und die Fahrzeugelektrik mehr Leistung benötigt, als der Drehstromgenerator abgeben kann, zum Beispiel in einem Verkehrsstau oder bei langsamer Fahrt. In der Tat ist bei einigen Fahrzeugen der Drehstromgenerator auf einen Spannungspegel von mehr als 14,2 Volt eingestellt, wodurch im sogenannten Stadtzyklus bessere Ergebnisse erzielt werden.
Als allgemeine Regel läßt sich formulieren, daß die an den Glühlampen anliegende Spannung einen Pegel von 15,0 Volt nicht überschreiten und, wenn irgendwie möglich, näher an der gewöhnlichen Nennspannung von 13,5 Volt liegen sollte.
Die Lebensdauer der Batterie hängt entscheidend von ihrer Betriebstemperatur und der Wiederaufladespannung ab. Bei normaler Temperatur und einer Wiederaufladespannung von 14,2 Volt fließt durch eine entladene Batterie ein akzeptabler Ladestrom, der zum vollständigen Laden der Batterie in einer angemessenen Zeitspanne ausreicht. Die Batterie akzeptiert jedoch darüber hinaus keinen wesentlichen Stromfluß mehr, der einen Batterieschaden hervorrufen könnte. Bei höheren Temperaturen und einer Wiederaufladespannung von 14,2 Volt fließen durch die Batterie stärkere Ströme sowohl zum Laden der Batterie als auch nach dem vollständigen Laden. Jeder stärkere Strom, der durch eine vollständig geladene Batterie fließt, verursacht einen Batterieschaden. Daher wird die Ausgangsspannung am Drehstromgenerator für gewöhnlich so gesteuert, daß sie bei einem Temperaturanstieg verringert wird. Umgekehrt fließen bei geringeren Temperaturen und einer Wiederaufladespannung von 14,2 Volt nur wesentlich schwächere Ströme durch die Batterie, wodurch das Laden der Batterie weitaus mehr Zeit in Anspruch nimmt. Dementsprechend muß die Spannung des Drehstromgenerators bei einem Absinken der Temperatur erhöht werden.
Die Spannung, die an die Batterie angelegt werden muß, damit ein akzeptabler Ladestrom durch die Batterie fließt, beträgt im allgemeinen ca. 15,0 Volt, wenn die Batterietemperatur bei 0ºC liegt. Die Spannung liegt bei einer Batterietemperatur zwischen minus 30ºC und minus 40ºC im Bereich von 16 Volt.
Obwohl sich die Lichtabgabe einer Glühlampe wesentlich erhöht, wenn die an der Lampe anliegende Spannung immer mehr zunimmt, kann die Lebensdauer der Glühlampen sehr kurz sein, wenn die Lampen mit höheren Spannungen betrieben werden. Sicherlich verkürzen Spannungen von über 15,0 Volt die Lebensdauer von Glühlampen in einem unakzeptablen Maße. Die Situation verschlechtert sich noch mehr, wenn, was häufig vorkommt, die Spannung am Drehstromgenerator, und somit die Spannung im gesamten Glühlampenbereich, sogar höher als die Spannung in der gesamten Batterie ist.
Für gewöhnlich wird dieses Problem durch die Beschränkung der Ausgangsspannung am Drehstromgenerator in Angriff genommen. Somit sind die Batterien von Autos in kalten Klimazonen oder während kalter Wetterperioden nicht vollständig aufgeladen. Die Batterien werden hier also mit niedrigeren Ladezuständen betrieben und haben somit eine geringere Lebensdauer.
Somit besteht der deutliche Wunsch nach Schaffung eines Stromkreises für Fahrzeuge, der den Widerspruch zwischen dem Ziel der Maximierung der Wiederaufladespannung der Batterie einerseits und dem Ziel der Beschränkung der Spannung für den Lichtstromkreis und/oder einen anderen spannungsempfindlichen Stromkreis bzw. andere spannungsempfindliche Stromkreise andererseits lösen kann.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Stromkreis für ein Fahrzeug geschaffen, wobei der Stromkreis aufweist:
a) einen ersten Zweig bzw. Teilstromkreis, einschließend die Batterie, einen Drehstromgenerator zum Wiederaufladen der Batterie, wobei der Generator durch den Motor bzw. das Getriebe des Fahrzeugs angetrieben wird, einen Anlaßmotor, der seine Energie von der Batterie erhält und dem Ingangsetzen des Motors dient, und ein oder mehrere elektrische Bauteile, die gegenüber Spannungen, die etwas über der Nennausgangsspannung der Batterie liegen, relativ unempfindlich sind; und
b) mindestens einen zweiten Zweig bzw. Teilstromkreis, der ein oder mehrere elektrische Bauteile (zum Beispiel Leuchten), die der Netzspannung gegenüber empfindlich sind, einschließt und mit dem ersten Zweig bzw. Teilstromkreis über eine Diode verbunden ist, die ein im wesentlichen konstantes Spannungsgefälle gewährleistet.
Der erfindungsgemäße Stromkreis für ein Fahrzeug schafft somit während des Betriebs zwei Spannungspegel, wobei der erste Spannungspegel während des Betriebs derjenige Pegel ist, der unter anderem mit der Batterie, dem Drehstromgenerator, dem Anlaßmotor in Zusammenhang steht, während der zweite (andere), niedrigere Spannungspegel während des Betriebs mit spannungsempfindlichen Bauteilen (zum Beispiel Glühlampen) in Zusammenhang steht, die leicht beschädigt oder in ihrer Lebensdauer beeinträchtigt werden können, wenn der höhere, erste Spannungspegel auf sie wirkt.
Durch diese Anordnung ist es vielleicht möglich, daß die Spannung in der gesamten Batterie 15 Volt erreicht (und eventuell überschreitet), ohne die spannungsempfindlichen Bauteile zu gefährden.
Der zweite Spannungspegel wird durch die Verwendung einer Diode geschaffen, die so geschaltet ist, daß ihr "Vorwärtsspannungsgefälle" den zweiten Spannungspegel vom ersten Pegel ausgehend schafft. Die Diode ist eine Vorrichtung, die einen hohen Widerstand gegenüber elektrischem Strom in der einen Richtung und einen geringen Widerstand in der anderen Richtung aufweist. Während Strom die Diode in der Richtung des geringen Widerstands durchfließt, wird ein geringes Spannungsgefälle bzw. ein geringer Potentialunterschied hergestellt, zum Beispiel im Bereich von 1 Volt. Dieses Spannungsgefälle ist ungeachtet des Strompegels relativ konstant.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird eine Ausführungsform dieser Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Fahrzeugmotors und mit ihm verbundener elektrischer Bauteile ist,
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Bands der Spannungsvariationen mit Batterietemperaturmerkmalen hinsichtlich eines für eine typische Autobatterie geeigneten Spannungsreglers ist,
Fig. 3-7 Verdrahtungsschemata sind, die unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen,
Fig. 8 ein Verdrahtungsschema einer anderen Ausführungsform mit einer schematischen Darstellung ihrer potentiellen Kombination mit einem Drehstromgenerator ist,
Fig. 9 eine Kombination aus Prinzipskizze und Verdrahtungsschema zur Veranschaulichung der mit dem Drehstromgenerator verbundenen Ausführungsform in Fig. 8 ist, und
Fig. 10 eine andere Kombination aus Prinzipskizze und Verdrahtungsschema der Ausführungsform in Fig. 8 und Fig. 9 zur Veranschaulichung der Einbeziehung verschiedener Bauteile in ein Kühlblech ist.
Der Motor 6 in Fig. 1 treibt einen Verteiler 4 an, der die Zündkerzen 3 mit Strom versorgt. Die hauptsächliche Stromzufuhr aus der Batterie 5 erfolgt an den Anlaßmotor 1 des Motors, und die Batterie wird von einem Drehstromgenerator und einem Spannungsregler 2 wieder aufgeladen, die sich für gewöhnlich in einem einzigen Gehäuse befinden. Der Ausgang des Drehstromgenerators ist an die Batterie angeschlossen, und sein Spannungsregler reagiert so auf die Ausgangsspannung der Batterie, daß die Ausgangsspannung des Drehstromgenerators auf angemessene Art und Weise eingestellt wird, um an der Batterie einen gewünschten Spannungspegel zu gewährleisten. Im wesentlichen sind der Anlaßmotor und der Drehstromgenerator/der Regler quer über die Batterieklemmen parallel zueinander geschaltet, und von den Anschlüssen A, B oder C erfolgt eine Stromzufuhr an die anderen elektrischen Bauteile des Fahrzeugs, um diese gleichfalls parallel mit dem Drehstromgenerator/dem Regler 2 zu schalten.
Wie in Fig. 3 zu sehen, ist eine Diode 10 angeschlossen, die an jene Bauteile (zum Beispiel Glühlampen) eine reduzierte Spannung liefert, die leicht beschädigt oder in ihrer Lebensdauer beeinträchtigt werden können, wenn eine höhere Spannung anliegt. Bei einer Spannung in der gesamten Batterie von 15 Volt würde diese Diode 10 die Spannung im gesamten Glühlampenbereich auf ca. 14 Volt reduzieren.
Wie in Fig. 4 zu sehen, sind zwei oder mehr "reduzierte Spannungslieferungen" durch eine entsprechende Anzahl von Dioden 10 möglich, die durch die Hauptspannungsleitung des Drehstromgenerators oder der Batterie gespeist werden, wobei jede Diode 10 in eine Speiseleitung mit "reduzierter Spannung" ausspeist.
Fig. 5 zeigt eine alternative Anordnung, bei der die Schaffung der Speiseleitung mit "reduzierter Spannung" oder zumindest einer der Speiseleitungen mit "reduzierter Spannung" möglich ist, indem eine oder mehrere Dioden 10 in Reihe geschaltet werden. Das erlaubt einen noch geringeren Spannungsbetrag der "reduzierten Spannungslieferung".
In den oben beschriebenen Ausführungsformen der Fig. 3 bis 5 kann die Diode bzw. jede Diode 10 ein Spannungsgefälle von ca. 1 Volt liefern, wobei die Umgebungstemperatur der Diode oder der sie durchfließende Strom im wesentlichen keine Rolle spielen.
In den Ausführungsformen der Fig. 6 und 7 ist ein mechanisch bzw. elektromechanisch betätigter Schalter 12 bzw. 14 quer durch die (oder jede) Diode 10 geschaltet. Bei nicht laufendem Motor wäre die "reduzierte Spannungslieferung" einer Diode 10 ca. 11,6 Volt, wenn Strom durch die Diode fließt, und das Schließen des Schalters 12 bzw. 14 zum Kurzschließen der Diode würde diese Spannung auf 12,6 Volt steigern. Die Anordnung eines solchen Schalters 12 bzw. 14 könnte so erfolgen, daß er normalerweise geschlossen und in Betrieb ist, wenn die Batterietemperatur auf ein vorbestimmtes Niveau fällt, zum Beispiel wenn der Drehstromgenerator/Regler seine Spannungsabgabe auf einen Pegel steigert, auf dem es zu einer Verkürzung der Lebensdauer oder einer Beschädigung der Lichter (oder anderer spannungsempfindlicher Bauteile) käme, falls die Diode 10 in der zu ihnen hinführenden Speiseleitung nicht vorhanden wäre.
Die Diode 10 kann auf einem Kühlblech 15 befestigt sein. Dieses Kühlblech ist eine Metallbaugruppe, von der die Wärme abgestrahlt und abgeleitet wird. Das verhindert die Beschädigung der (oder jeder) Diode 10, indem der Temperaturanstieg der Diode während des Betriebs begrenzt wird. Die Diode/Dioden 10, ob mit oder ohne Kühlblech, kann/können innerhalb des Gehäuses des Drehstromgenerators (siehe Fig. 8 bis 10) oder so montiert sein, daß sie sich auf geeignete Art und Weise in einem Kühlluftstrom befinden. In jedem der beiden Fälle wäre es vorteilhaft, einen (nicht gezeigten) Schalter quer durch die Diode/Dioden 10 zu schalten, um die Erzeugung von Wärme durch die Diode/Dioden bei nicht laufendem Motor zu verhindern, wenn also weder der Drehstromgeneratornoch der Motorlüfter in Betrieb sind. Der Schalter kann bei laufendem Motor geöffnet sein, so daß der innere Lüfter des Drehstromgenerators die Diode/Dioden 10 kühlt, wobei sich die Diode/Dioden mit dem Drehstromgenerator und dem Spannungsregler in dem einzigen Gehäuse befindet/befinden oder außen am Gehäuse befestigt ist/sind.
Dem Fachmann erschließen sich sicher leicht viele weitere Modifizierungen und Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung soll nicht speziell auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein. Diese kann/können hinsichtlich ihrer Konstruktion und bestimmter Einzelheiten variiert werden, zum Beispiel durch den Austausch unterschiedlicher Merkmale jeder dieser Ausführungsformen untereinander (falls angebracht oder gewünscht), ohne vom Schutzbereich oder vom hiermit angestrebten Patentmonopol, das durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, abzuweichen.

ÜBERSETZUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 2:
oben: Belastungskennlinie des Spannungsreglers
unten: Batterietemperatur
Fig. 3:
oben: Speisung der spannungsempfindlichen Bauteile
unten: Speisung der anderen Bauteile
Fig. 4:
oben: Speisungen der spannungsempfindlichen Bauteile
unten: Speisung der anderen Bauteile
Fig. 5:
oben: Speisung der spannungsempfindlichen Bauteile
unten: Speisung der anderen Bauteile
Fig. 8:
oben: Speisung der anderen Bauteile
unten: Speisung der spannungsempfindlichen Bauteile
Fig. 9:
von oben nach unten:
- reduzierte Spannungsabgabe
- positive Dioden
- negative Dioden
- Ständerwicklung
Fig. 10:
oben von links nach rechts:
- positive Leistungsdioden
- Kühlblech
- reduzierte Spannungsabgabe
unten von links nach rechts:
- negative Leistungsdioden
- Kühlblech
- Ständerwicklung

Claims

1. Stromkreis für ein Fahrzeug, wobei der Stromkreis aufweist:

einen ersten Zweig bzw. Teilstromkreis, einschließend die Fahrzeugbatterie, einen Generator zum Laden der Batterie, wobei der Generator durch den Motor bzw. das Getriebe des Fahrzeugs angetrieben wird, einen Anlaßmotor, der durch die Batterie angetrieben wird und dem Ingangsetzen des Motors dient, und mehrere elektrische Bauteile, die mit Spannungen betriebsfähig sind, die gleich der oder größer als die Nennausgangsspannung der Batterie sind, und

mindestens einen zweiten Zweig bzw. Teilstromkreis, der mehrere andere elektrische Bauteile einschließt,

und dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zweig bzw. Teilstromkreis mit dem ersten Zweig bzw. Teilstromkreis über eine Diode verbunden ist, um ein im wesentlichen konstantes Spannungsgefälle vom ersten Zweig bzw. Teilstromkreis zum zweiten Zweig bzw. Teilstromkreis zu gewährleisten.

2. Stromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltermittel parallel zur Diode geschaltet sind, um im geschlossenen Zustand einen Gleichstromweg vom ersten Zweig bzw. Teilstromkreis zum zweiten Zweig bzw. Teilstromkreis zu schaffen.

3. Stromkreis nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zweite Zweige bzw. Teilstromkreise vorhanden sind, die mit dem ersten Zweig bzw. Teilstromkreis über mehrere Dioden verbunden sind, die das Spannungsgefälle gewährleisten, wobei eine oder mehrere Dioden parallel zu Schaltermitteln geschaltet sind, um im geschlossenen Zustand einen Gleichstromweg vom ersten Zweig zum mit ihm verbundenen zweiten Zweig zu schaffen.

4. Stromkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Diode bzw. jede Diode im Generatorgehäuse befindet.

5. Stromkreis nach jedem Anspruch 4, soweit Unteranspruch von Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das bzw. jedes Schaltermittel im Generatorgehäuse befindet.

6. Stromkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Bauteile eine oder mehrere Lampen einschließen, um die Außenbeleuchtung des Fahrzeugs zu gewährleisten.