WO2002061271A1 - Bordstromspeicher 12volt und/oder 42volt kfz-bordnetze sowie vorrichtung zum starten - Google Patents

Bordstromspeicher 12volt und/oder 42volt kfz-bordnetze sowie vorrichtung zum starten Download PDF

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Andreas GRÜNDL
Bernd Staib
Thomas Dietrich
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    • F02N2011/0896—Inverters for electric machines, e.g. starter-generators

Definitions

  • the invention relates to a device for starting internal combustion engines according to the preamble of patent claim 1.
  • generators with a high power consumption are used, which are fed by an accumulator, for example a 12 V lead accumulator in motor vehicles.
  • the accumulator must therefore be designed for the high power output during starting operations, although accumulators with lower power densities would suffice for normal operation.
  • the object of the present invention is to develop a device of the type mentioned at the outset in such a way that starting processes for internal combustion engines are made possible in the case of accumulators of lower power density.
  • the double-layer capacitors connected in series can, in a short time, for example within a second, pass the amount of energy stored in them to the generator 4 with sufficient power, which is sufficient to start the internal combustion engine and accelerate to idle speed.
  • the energy required for this is provided exclusively by the capacitors. The fuel otherwise required to accelerate to idle speed is saved and the associated exhaust gas emissions are reduced.
  • a short-term memory made up of double layer capacitors connected in series
  • the generator 4 consists, for example, of an asynchronous machine which is controlled by an inverter 5 and is preferably connected directly to the crankshaft.
  • the embodiment relates to a passenger car with e.g. Gasoline engine, with the advantage that a lead accumulator 1 with, for example, only 36 Ah can be used, which would not be sufficient for conventional starting processes.
  • the double layer capacitor battery 3 then consists e.g. of 14 individual capacitors a 1200 F / 2, 3V and has a total capacity of 86 F, has one
  • a module voltage of 42 V it can perform for 5 seconds of 12.5 kW.
  • it has a temperature resistance of -30 to +60 ° C and a lifespan of at least 10 years with high cycle stability, which is designed for at least 500,000 charge / discharge cycles. It is therefore well adapted to the conditions in the engine compartment and has a service life comparable to that of a motor vehicle.
  • the relatively low weight and the small volume enable problem-free accommodation in a conventional engine compartment.
  • Option can also be provided so that, for example, depending on the traffic conditions or the nature of the route, between mode A) continuous charging of the capacitor and B) fast charging can only be selected when braking. Depending on the situation, this makes it possible to select the most energy-saving mode of operation.
  • An additional solar roof to be provided can be used to compensate for the leakage current of the 12V or 42 V capacitor battery, which is also possible after longer periods of inactivity and the associated charge losses
  • Capacitors enable a safe cold start, as there is always sufficient energy available.
  • the additional on-board power storage for the second on-board electrical system and the starter device have a relatively low weight and volume.
  • the capacitors are maintenance free what the
  • the system is suitable for quick, safe and therefore economical engine start because of the high power available.
  • the invention succeeds in smoothing the vehicle electrical system voltages (12V and / or 42V);
  • the starting process also works reliably at very low temperatures, since the capacitors can deliver their power quickly even at low temperatures and, in contrast to accumulators, do not show any temperature-related performance losses.
  • the invention offers a redundant energy store;
  • the redundant memory according to the invention can be used in "steer by wire” systems.
  • the invention enables the vehicle to be started at 220 V via the converter.
  • the capacitors can also be charged via a normal power network and a quick start can be carried out without additional aids when the energy storage device is empty, for example after a long stay in the garage directly via an existing socket.
  • the capacitors can be charged with the fast charging function and do not require long charging times, such as accumulators.
  • the service life of the capacitors is at least 10 years
  • the vehicle can be advanced for a short distance while idling without the need to start the engine. This is advantageous as an additional option, for example for taxis.
  • the invention offers load dump protection in the event of load shedding of an inductive 42 V high-current consumer.
  • the capacitors can because of low energy density
  • the invention enables the chemical energy store to be standardized for a large number of Motor vehicles, since the difference to the respective power requirement can be made available by the capacitors in a simple manner. On the other hand, the continuous energy supply does not differ so much for most vehicles.
  • the chemical accumulator only needs to be designed for energy and not for start peak power.
  • the separate energy block can be made very small with a high-performance short-term memory. If, for example, it is not implemented using lead technology (disadvantage: high weight, prescribed installation position) but, for example, in NiMH or lithium polymer, the energy store can be designed to be very small, very light and independent of the position. This gives you the option of pulling the energy storage device out of a latch in winter operation or for theft protection and taking it home with you.
  • the capacitors can be designed as a portable energy block that can be easily removed from the vehicle and used as a portable starter set.
  • the portable energy blocks can also provide a 12V or 42 V socket as a quick-charge 12V or 42 V power tool for on the go (vacuum cleaner, hot water bottle, drill, coffee machine, chainsaw, etc.).

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Starten von Verbrennungsmotoren weist einen Startergenerator (4) und eine von einem Akkumulator (1) gespeiste erste Bordspannung, einen als Kurzzeitspeicher dienenden Doppelschichtkondensator (3), der eine zweite Bordspannung erzeugt und die Startenergie/Startleistung für den Startergenerator (4) liefert, und einen uni- oder bi-direktionalen Wandler (2) auf, über den der Doppelschicht-kondensator (3) aus dem Akkumulator (1) aufgeladen wird.

Description

Beschreibung
Bordstromspeicher 12Volt und/oder 42Volt Kfz-Bordnetze sowie Vorrichtung zum Starten.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Starten von Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum Starten von Verbrennungsmotoren werden Generatoren mit einer hohen Leistungsaufnahme eingesetzt, die von einem Akkumulator, zum Beispiel einem 12 V Bleiakkumulator in Kraftfahrzeugen, gespeist werden. Der Akkumulator muß deshalb für die hohe Leistungsabgabe bei Startvorgängen ausgelegt sein, obgleich für den normalen Betrieb Akkumulatoren mit geringeren Leistungsdichten ausreichen würden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art in der Weise weiterzubilden, daß bei Akkumulatoren geringerer Leistungsdichte Startvorgänge für Verbrennungsmotoren ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Vorrichtung gelöst, welche die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale besitzt .
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angeführt .
Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Alle genannten Werte der Voltzahl, Kondensatoren, Batterie-Amperestunden, Motoren, etc. sollen beispielhaft gelten, da sie von System zu Systemkonfiguration schwanken. In der dazugehörenden Zeichnung mit einer einzigen Figur ist mit 1 ein 12 V Bleiakkumulator bezeichnet, der beispielhaft über einen bidirektionalen Wandler 2 einen Block 3 mit hier vierzehn in Reihe geschalteten DoppelSchichtkondensatoren mit jeweils z.B.3 V Zellenspannung auflädt. Es ergibt sich somit eine zweite Bordspannung von 42 V, die von den Doppelschichtkondensatoren bereit gestellt wird.
Beim Starten des Verbrennungsmotors mit Hilfe des Starter- generators 4 können die in Reihe geschalteten Doppelschichtkondensatoren in kurzer Zeit, zum Beispiel innerhalb einer Sekunde, die in ihnen gespeicherte Energiemenge mit hoher Leistung an den Generator 4 ab geben, die ausreichend ist, den Verbrennungsmotor zu starten und auf die Leerlaufdrehzahl zu beschleunigen. Die dazu notwendige Energie wird ausschließlich von den Kondensatoren bereit gestellt. Der sonst zur Beschleunigung auf Leerlaufdrehzahl erforderliche Kraftstoff wird eingespart und die damit verbundene Abgas- Emission verringert .
Ein aus in Reihe geschalteten Doppelschichtkondensatoren gebildeter Kurzzeitspeicher
Der Generator 4 besteht zum Beispiel aus einer Asynchronmaschine, die über einen Wechselrichter 5 angesteuert wird und vorzugsweise direkt mit der Kurbelwelle verbunden ist.
Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Personenkraftwagen mit z.B. Ottomotor, wobei sich der Vorteil ergibt, daß ein Bleiakkumulator 1 mit zum Beispiel nur 36 Ah eingesetzt werden kann, was für herkömmliche Startvorgänge nicht ausreichend wäre. Die Doppelschichtkondensatorbatterie 3 besteht dann z.B. aus 14 Einzelkondensatoren a 1200 F/2 , 3V und weist eine Gesamtkapazität von 86 F auf, besitzt ein
Gewicht von ca. 5 , 5 kg und ein Volumen von ca. 5 1. Sie kann bei einer Modulspannung von 42 V für 5 Sekunden ein Leistung von 12,5 kW zur Verfügung stellen. Typischerweise besitzt sie eine Temperaturfestigkeit von -30 bis +60 °C und eine Lebensdauer von mindestens 10 Jahren bei hoher Zyklenfestigkeit, die für zumindest 500 000 Lade/Entladezyklen ausgelegt ist. Damit ist sie gut an die im Motorraum herrschenden Bedingungen angepaßt und weist eine mit dem Kfz vergleichbare Lebensdauer auf. Das relativ geringe Gewicht und das geringe Volumen ermöglichen eine problemlose Unterbringung in einem herkömmlichen Motorraum.
Für andere Anwendungsf lle, zum Beispiel Personenkraftwagen mit Dieselmotoren, Lastkraftwagen, Busse oder Bootsmotoren können Bordnetze mit anderen Spannungen und Doppelschichtkondensator-Kombinationen erforderlich sein, insbesondere Doppelschichtkondensator-Kombinationen mit einer höheren Energiespeicherung, wie sie zum Starten von Dieselmotoren erforderlich ist. Gleichzeitig wird auch hier die entsprechend hohe Akkumulatorenkapazität eingespart.
Weiterhin ergeben sich durch die Einführung einer zweiten
Bordspannung und der Kombination eines chemischen Speicherakkumulators mit einem Kondensatorkurzzeitspeicher eine Reihe von zusätzlichen Vorteilen:
Für ein erfindungsgemäß ausgerüstetes Kraftfahrzeug können Betriebsweisen mit vielen Starts und Stops in erheblich energiesparenderer Weise durchgeführt werden, da die Bremsenergie mit Hilfe des Startergenerators zum schnellen Aufladen des Kondensators verwendet werden kann, die gespeicherte Energie dagegen wieder zum Beschleunigen. Diese
Option kann zusätzlich vorgesehen werden, so daß zum Beispiel in Abhängigkeit von den Verkehrsverhältnissen oder der Streckenbeschaffenheit zwischen der Betriebsweise A) kontinuierliches Aufladen des Kondensators und B) schnelle Aufladung ausschließlich beim Bremsen ausgewählt werden kann. Dies ermöglicht es situationsbedingt, jeweils die energiesparendste Betriebsweise auszuwählen. Ein zusätzlich vorzusehendes Solardach kann zum Leckstromausgleich der 12V bzw. 42 V Kondensatorbatterie genutzt werden, was auch nach längeren Standzeiten und den damit möglicherweise verbundenen Ladungsverlusten der
Kondensatoren einen sicheren Kaltstart ermöglicht, da so stets ausreichend Energie zur Verfügung steht.
Der zusätzliche Bordstromspeicher für das zweite Bordnetz und die Startervorrichtung haben relativ geringes Gewicht und Volumen .
Die Kondensatoren sind wartungsfrei, was die
Betriebssicherheit und die Zuverlässigkeit des Kfz erhöht und Wartungskosten spart.
Das System ist wegen der hohen zur Verfügung gestellten leistung zum schnellen, sicheren und damit sparenden Motorstart geeignet.
Mit der Erfindung gelingt eine Glättung der Bordnetzspannungen (12V und/oder 42V) ;
Der Startvorgang gelingt auch zuverlässig bei sehr niedrigen Temperaturen, da die Kondensatoren ihre Leistung auch bei niedrigen Temperaturen schnell abgeben können und im Gegensatz zu Akkumulatoren keine temperaturbedingten Leistungseinbußen zeigen.
Die Probleme beim Fremdstarten in Zweispannungsbordnetzen werden gelöst .
Unterstützung eines "Break by Wire", da der Asynchronmotor ohne zusätzliche Mechanik den Bremsvorgang unterstützen kann.
Die Erfindung bietet einen redundanten Energiespeicher; Der erfindungsgemäß redundante Speicher kann bei "Steer by Wire" Systemen eingesetzt werden.
Die Erfindung ermöglicht ein Starten des Kfz mit 220 V über den Umrichter. So können die Kondensatoren im Notfall auch über ein normales Stromnetz aufgeladen und bei leeren Energiespeichern ein schneller Start ohne zusätzliche Hilfsmittel durchgeführt werden, beispielsweise nach längeren Garagenaufenthalten direkt über eine dort vorhandene Steckdose.
Die Kondensatoren können mit der Schneilladefunktion aufgeladen werden und benötigen keine langen Ladezeiten, wie etwa Akkumulatoren.
42 V Batterien oder Akkumulatoren (elektrochemischer Energiespeicher) werden überflüssig.
Die Lebensdauer der Kondensatoren beträgt minimal 10 Jahre
Mit der in den Kondensatoren gespeicherten elektrischen Energie gelingt ein Vorsetzen des Fahrzeugs um eine kurze Wegstrecke im Leerlauf, ohne daß dazu ein Anlassen des Motors erforderlich ist. Dies ist als zusätzliche Option zum Beispiel bei Taxis von Vorteil.
Die Erfindung bietet Load dump Schutz bei Lastabwurf eines induktiven 42 V Hochstromverbrauchers.
Die Kondensatoren können wegen geringer Energiedichte die
Hauptsicherungsfunktion übernehmen. Der Kondensator entlädt sich schneller in einem Kurzschluß als eine Schmelzsicherung anspricht und vermeidet daher Funkenbildung, Explosionsgefahr oder Beschädigung sonstiger elektronischer Bauelemente.
Mit der Erfindung gelingt eine Vereinheitlichung des chemischen Energiespeichers für eine große Anzahl von Kraftfahrzeugen, da die Differenz zum jeweiligen Leistungsbedarf in einfacher Weise von den Kondensatoren zur Verfügung gestellt werden kann. Die kontinuierliche Energieversorgung dagegen unterscheidet sich für die meisten Kfz nicht so sehr.
Der chemische Akkumulator braucht nur noch auf Energie und nicht auf Start Peak Power ausgelegt zu werden.
Leistungsspeicher und Energiespeicher sind mechanisch voneinander getrennt. Der separate Energieblock kann in der beschriebenen Konstruktion mit einem Hochleistungskurzzeit- speicher sehr klein ausgeführt werden. Wird er beispielsweise nicht in Bleitechnik ausgeführt (Nachteil : hohes Gewicht, vorgeschriebene Einbaulage) sondern beispielsweise in NiMH oder Lithium-Polymer, so kann der Energiespeicher sehr klein, sehr leicht und lageunabhängig ausgeführt werden. Damit besteht die Möglichkeit, den Energiespeicher im Winterbetrieb oder wegen Diebstahlschutz aus einer Verrastung zu ziehen und mit ins Haus zu nehmen.
Die Kondensatoren können als tragbarer Energieblock ausgebildet werden, der sich einfach aus dem Kfz entfernen und als tragbares Starthilfe-Set verwenden läßt.
Neben der Verwendung als Starthilfe-Set können die tragbaren Energieblocks auch als schnell aufladbare 12V oder 42 V Power Tools eine 12V oder 42 V Steckdose für unterwegs (Staubsauger, Milchwärmflasche, Bohrmaschine, Kaffeemaschine, Kettensäge usw.) zur Verfügung stellen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Starten von Verbrennungsmotoren mit einem Startergenerator (4) und einer ersten Bordspannung, die von einem Akkumulator (1) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen als Kurzzeitspeicher dienenden Doppelschichtkondensator (3) besitzt, der eine zweite Bordspannung erzeugt und die Startenergie/Startleistung für den Startergenerator (4) liefert, und daß sie einen uni- oder bidirektionalen Wandler (2) aufweist, über den der Doppelschichtkondensator (3) aus dem Akkumulator (1) aufgeladen wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Bordspannung 12 V und die zweite Bordspannung 42 V (oder z.B. 36V) betragen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der DoppelSchichtkondensator (3) aus 14 in Reihe geschalteten Doppelschichtkondensatoren mit einer Zellenspannung von jeweils 3 V und einer Kapazität von jeweils z.B. 1000 F besteht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Startergenerator (4) als über einen Wechselrichter (5) betriebene 42 V Asynchronmaschine mit einer Leistung von 17 kW ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Startergenerator als direkt startende Kurbelwellenmaschine ausgebildet ist .
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der Kurzzeitspeicher als herausnehmbarer und tragbarer Energieblock mit einfachen Anschlüssen für externe Verbraucher ausgebildet ist .
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die mit einem Solarmodul verbunden ist zur vom Motorbetrieb unabhängigen Aufladung des Kurzzeitspeichers .
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der eine Schalteinrichtung zum Umschalten zwischen den beiden Betriebsweisen schnelles und langsames Laden der Kondensatoren vorgesehen ist, wobei das Schnellladen ausschließlich beim Bremsen über den Startergenerator, das langsame Laden dagegen kontinuierlich während des Normalbetriebs erfolgt .
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