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Die
Erfindung betrifft eine Zweispannungsversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug.
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Eine
Zweispannungsversorgungseinrichtung ist aus der
DE 38 01 478 C1 bekannt.
Dort wird die vom Generator ableitbare Generatorspannung über einen
ohmschen Widerstand einem Anschluss zur Ableitung der Bordnetzspannung
zugeführt,
an dem auch der Generatorregler angeschlossen ist. Der nicht veränderbare
ohmsche Widerstand wird von einem Dünnfilm-Heizwiderstand einer
Heizscheibe gebildet der bei Bedarf wirksam oder unwirksam geschaltet
werden kann. Aus der
DE
39 19 562 A1 ist eine weitere Vorrichtung und ein Verfahren
zur Spannungsversorgung für
einen Heizwiderstand bekannt der über ein Umschaltgerät auch mit
einer höheren Spannung
als der Bordnetzspannung aus dem Generator betrieben werden kann.
Während
des Betriebes des Heizwiderstandes wird jedoch das Bordnetz aus
der Batterie versorgt.
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Eine
Einrichtung zur Energieversorgung in einem Kraftfahrzeugbordnetz
ist aus der
DE 197
55 050 A1 bekannt. Das Kraftfahrzeugbordnetz weist hierbei
eine erste und eine zweite Spannung auf. Die erste Bordnetzspannung
von 42 V wird von einem Generator geliefert und einem DC/DC-Wandler
zugeführt.
Der DC/DC-Wandler erzeugt eine zweite Spannung von 14 V.
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Aufgabe
der Erfindung ist die weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Zweispannungsversorgungseinrichtung
für ein
Kraftfahrzeug, insbesondere soll deren Wirtschaftlichkeit erhöht werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den
Gegenstand der Patentansprüche
1 und 2 gelöst.
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Vorteil
der Erfindung gemäß des Gegenstandes
des Patentanspruches 1 ist, dass die vom Generator ableitbare elektrische
Generatorspannung über einen
ersten Anschluss zum Ableiten einer ersten elektrischen Spannung
ei nem veränderbaren
ohmschen Widerstand zuführbar
ist und dem veränderbaren
ohmschen Widerstand ein zweiter Anschluss zum Ableiten der Bordnetzspannung
und der Generatorregler nachgeschaltet sind. Da dem veränderbaren
ohmschen Widerstand der Generatorregler nachgeschaltet ist, kann
am ersten Anschluss in Abhängigkeit
vom Widerstand des veränderbaren
ohmschen Widerstandes eine höhere
Spannung als die Bordspannung ableitbar sein wodurch in einem daran
anschließbaren
Hochstromwandler hohe Leistungen bei geringem Strom umsetzbar sind.
Da die Regelung des Generators in Abhängigkeit der Spannung am zweiten
Anschluss, also erst nach dem veränderbaren ohmschen Widerstand
erfolgt, wird der Generator in Abhängigkeit vom Widerstand des
veränderbaren
ohmschen Widerstandes im freien Betrieb mit einer höheren Spannung
als die Bordnetzspannung betrieben, wodurch er sehr wirtschaftlich arbeitet.
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Ein
kostengünstiger
Aufbau ergibt sich, wenn der einstellbare Widerstand von einem Leistungstransistor
oder einem MOS-FET gebildet ist.
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Um
ein schnelles Aufheizen des Kraftfahrzeuges insbesondere im Winter
zu ermöglichen,
ist es vorteilhaft, wenn die von dem Widerstand ableitbare Wärmeenergie
dem Heizungskreislauf des Kraftfahrzeuges zuführbar ist.
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In
Verbindung hiermit ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung
aufgrund eines Heizungsanforderungssignals zur Erzeugung von Wärmeenergie anregbar
ist. Hierdurch erfolgt keine unnötige
Belastung des Generators, wenn keine Wärmeenergie benötigt wird.
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Es
ist von Vorteil, wenn die Zweispannungsversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug
einen Generator zum Erzeugen elektrischer Energie und eine dem Generator
zugeordnete Generatorregler-/Spannungsregeleinrichtung aufweist,
wenn die vom Generator ableitbare elektrische Generatorspannung über einen
ersten Anschluss zum Ableiten einer ersten elektrischen Spannung
einem Spannungswandler zuführbar
ist, wenn am zweiten Anschluss des Spannungswandlers die Bordnetzspannung
ableitbar ist und wenn die Generatorregler-/Spannungsregeleinrichtung
den Generator hinsichtlich eines hohen Wirkungsgrades regelt. Aufgrund
dieser Ausführung
kann der Generator 1 im wesentlichen im freien Spannungsbetrieb
betrieben werden und arbeitet somit besonders effektiv. Es ergeben
sich Benzin- und Emissionseinsparungen beim Betrieb des Kraftfahrzeuges
mit einer Brennkraftmaschine. Zudem sind Energiewandler an den ersten
Anschluss anschließbar,
die relativ spannungsunabhängig
arbeiten können
und hohe Ströme aufnehmen,
so dass das Bordnetz entlastet wird. Hierdurch kann auch der Spannungswandler
in Hinsicht auf eine geringere Ausgangsleistung dimensioniert werden,
so dass sich Kosteneinsparungen ergeben.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Generatorregler-/Spannungsregeleinrichtung aufgrund
eines Schubbetriebsignals die Spannung am ersten Anschluss auf eine
höherer
Spannung als die Bordnetzspannung regelt, da somit in einer Phase
geringer Belastung der Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeuges die
für die
Aufwärmung
benötigte
Energie umgesetzt werden kann. Erfolgt diese Regelung aufgrund eines
Bremssignals, so kann hierüber
in wirtschaftlicher Weise auch noch die Bremsenergie in elektrische
Energie bzw. Wärmeenergie
umgewandelt werden.
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In
Verbindung hiermit ist es auch vorteilhaft, wenn dem ersten Anschluss
ein Hochstromenergiespeicher zugeordnet ist und wenn die im Hochstromenergiespeicher
gespeicherte elektrische Energie über einen/den elektrischen
Spannungswandler an den zweiten Anschluss leitbar ist. Die im Schubbetrieb
oder beim Bremsen erzeugte elektrische Energie kann somit im Hochstromenergiespeicher
gespeichert und beispielsweise bei der Beschleunigung des Kraftfahrzeuges,
insbesondere zur Entregung des Generators, in das Bordnetz gespeist
werden.
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Damit
keine unzulässig
hohen Spannung entstehen ist es vorteilhaft, wenn dem Generator
ein Spannungsbegrenzer derart zugeordnet ist, dass die am ersten
Anschluss ableitbare Spannung ≤ 60
Volt ist.
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Werden
an den ersten Anschluss Komfort- und/oder Hochstromwandler angeschlossen,
so können
diese mit einer höheren
Spannung als die Bordnetzspannung betrieben werden. Insbesondere
kann ihnen vorteilhaft die im Hochstromenergiespeicher gespeicherte
Energie zur Verfügung
gestellt werden.
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Ist
an den ersten Anschluss ein elektromotorischer Kühlventilator angeschlossen
und ist der elektromotorische Kühlventilator
aufgrund eines Signals eines Temperatursensors zum Erfassen der Temperatur
der Antriebseinrichtung, beispielsweise einer Brennkraftmaschine,
in Verbindung mit der Steuereinrichtung ansteuerbar, so kann zum
Einen der elektromotorische Kühlventilator
mit einer höheren
Spannung als der Bordnetzspannung und damit mit einem geringeren
Strom betrieben werden, zum Anderen ist aber dessen Leistung in
Abhängigkeit vom über die
Steuereinrichtung eingestellten Widerstand des veränderbaren
ohmschen Widerstandes bzw. der eingestellten Spannung auf einfache
und kostengünstige
Weise regelbar.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
anhand der Zeichnungen.
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Es
zeigt:
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1 eine
Zweispannungsversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug nach der
Erfindung in prinzipieller Darstellung,
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2 eine
detailliertere Darstellung der Zweispannungsversorgungseinrichtung
nach der 1 und
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3 eine
weitere Zweispannungsversorgungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug nach der
Erfindung in prinzipieller Darstellung.
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In
den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Zweispannungsversorgungseinrichtung
dargestellt, die einen Generator 1 zum Erzeugen elektrischer
Energie und einen dem Generator 1 zugeordneten Generatorregler 2 aufweist.
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Die
vom Generator 1 ableitbare Generatorspannung ist über einen
ersten Anschluss 3 einem veränderbaren ohmschen Widerstand 4 zuführbar, dem
ein zweiter Anschluss 5 sowie der Generatorregler 2 nachgeschaltet
sind. Durch eine entsprechende Regelung des Generators 1 über den
Generatorregler 2 ist am zweiten Anschluss 5 die
Bordnetzspannung ableitbar. Der Generator 1 steht, zur Erzeugung
der elektrischen Energie, in bekannter Weise mit einer Antriebseinrichtung,
beispielsweise einer Brennkraftmaschine, des Kraftfahrzeuges in Wirkverbindung.
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Im
Betrieb des Generators 1 zum Erzeugen elektrischer Energie
fällt,
da dieser im wesentlichen im freien Betrieb betrieben wird, an dem
veränderbaren
ohmschen Widerstand 4 in Abhängigkeit dessen Widerstandes
die Differenzspannung zwischen der Generatorspannung und der Bordnetzspannung
beispielsweise zur Erzeugung von Wärmeenergie ab.
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Diese
Wärmeenergie
kann gemäß der 2 beispielsweise
einem Heizungskreislauf 6 des Kraftfahrzeuges zur Verfügung gestellt
werden damit beispielsweise die Brennkraftmaschine schneller ihre Betriebstemperatur
erreicht und/oder der Innenraum eines Kraftfahrzeuges möglichst
schnell aufgeheizt werden kann. Aus der 2 geht hervor,
dass dem ersten Anschluss 3 über einen Schalter 7 auch
noch Komfort- und/oder Hochstromwandler 8 zugeordnet werden
können.
Dies hat den Vorteil, dass diese Komfort- und/oder Hochstromwandler 8 mit
einer höheren
Spannung als die Bordnetzspannung versorgt werden können und
somit bei gleicher Leistung weniger Strom aufnehmen. Alternativ
oder zusätzlich kann
einem Hochstromenergiespeicher 9 auch noch die am ersten
Anschluss 3 anliegende Generatorspannung, vorzugsweise über eine
Diode 10, zugeleitet werden. Der Hochstromenergiespeicher 9 kann vorzugsweise
als Kondensator, insbesondere als Super Cap Kondensator ausgeführt sein,
der sehr viel Energie innerhalb kurzer Zeit aufnehmen und abgeben
kann.
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Über einen
zweiten Schalter 11 kann den Komfort- und/oder Hochstromwandlern 8 die
im Hochstromenergiespeicher 9 gespeicherte Energie zusätzlich oder
alternativ zur Verfügung
gestellt werden, um den Generator 1 und damit die Antriebseinrichtung
des Kraftfahrzeuges, beispielsweise bei der Beschleunigung, zu entlasten.
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Über einen
Spannungswandler 12 ist die im Hochstromenergiespeicher 9 gespeicherte
elektrische Energie aber auch dem zweiten Anschluss 5 zur Entlastung
des Bordnetzes zuführbar.
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Der
Spannungswandler 12 ist hierzu vorzugsweise als DC/DC-Wandler
ausgeführt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der veränderbare
ohmsche Widerstand 4 als Spannungsregeleinrichtung ausgeführt ist,
die einen von einer Regler-/Steuereinrichtung 13 steuerbaren
Widerstand 14 aufweist. Der Widerstand 14 kann
hierbei als ohmscher Widerstand, als Leistungstransistor oder als MOS-FET
ausgeführt
sein.
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Finden
ohmsche Widerstände
Verwendung, so können
diese in einer Serien- und/oder Parallelschaltung betrieben werden. Über das
Zu- oder Abschalten von Wiederständen über zugeordnete Schalter
lässt sich
der Widerstand und damit die erzeugbare Wärmeenergie und gleichzeitig
aber auch die am ersten Anschluss 3 ableitbare Spannung
verändern
oder einstellen. Ein stufenloses Ändern der erzeugbaren Wärmeenergie
bzw. der ableitbaren Spannung ist möglich, wenn der Widerstand 14 von zumindest
einem Leistungstransistor oder MOS-FET gebildet ist und von der
Regler-/Steuereinrichtung 13 hinsichtlich des erforderlichen
ohmschen Widerstandes entsprechend eingestellt oder geregelt wird.
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Über ein,
der Regler-/Steuereinrichtung 13 zuführbares Heizungsanforderungssignal
wird der Widerstand 14 hinsichtlich seines Widerstandes
so erhöht,
dass die erforderliche Wärmeenergie
in Abhängigkeit
von der Maximalbelastbarkeit des Generators 1 erzeugt wird
und die Bordnetzspannung am Anschluss 5 konstant bleibt.
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Darüber hinaus
kann durch Zuleiten eines Schubbetriebsignals 16 und/oder
eines Bremssignals 17 eine Widerstandsänderung derart erfolgen, dass
dem Hochstromenergiespeicher 9 eine möglichst hohe Spannung zugeführt wird.
Der Hochstromenergiespeicher 9 lässt sich somit in Phasen geringer
Belastung der Antriebseinrichtung mit Energie versorgen, die dann,
in Phasen hoher Belastung, zur Entlastung des Bordnetzes und damit
des Generators 1, wieder abgegeben werden kann. Damit die Spannung
am ersten Anschluss 3 aber keine unzulässig hohen Werte annehmen kann
ist diesem ein Spannungsbegrenzer 18 zugeordnet, der beispielsweise
Teil der Regler-/Steuereinrichtung 13 ist. In Abhängigkeit
von der höchst
zulässigen
Spannung die vorzugsweise ≤ 60
Volt ist, kann beispielsweise eine entsprechende Veränderung
des Wertes des Widerstandes 14 erfolgen.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn der veränderbare ohmsche Widerstand 4 und/oder
der Widerstand 14 in einen wassergekühlten Generator 1 integriert
sind/ist, da somit zum Einen eine schnelle Aufheizung der Antriebsein richtung
möglich
ist, wenn der Generator 1 in den Kühlkreislauf der Antriebseinrichtung
integriert ist und zum Anderen der Generator 1 aufgrund
der damit verbundenen guten Wärmeableitung
hoch belastbar ist.
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Besonders
günstig
ist es, wenn dem ersten Anschluss 3 über einen Thermoschalter 19 zum
Erfassen der Temperatur der Antriebseinrichtung auch noch ein elektromotorischer
Kühlventilator 20 zugeordnet
werden kann. Dem elektromotorischen Kühlventilator 20 ist
somit eine Spannung zuleitbar, die höher als die Bordnetzspannung
ist wodurch der Strom bei gleicher Leistungsaufnahme reduziert ist. Wird
der Regler-/Steuereinrichtung 13 auch noch das Signal eines
Temperatursensors 21 zum Erfassen der Temperatur der Antriebseinrichtung
und/oder des Kühlmittels
der Antriebseinrichtung zugeführt,
so kann über
die Regler-/Steuereinrichtung 13 durch Verändern oder
Einstellen des Widerstandes 4, 14 die Spannung
vom ersten Anschluss 3 in Abhängigkeit von der über den
Temperatursensor 21 erfassten Temperatur eingestellt werden.
In Abhängigkeit
dieser Temperatur kann über
die am ersten Anschluss 3 ableitbare und dem elektromotorischen
Kühlventilator 20 zuführbare Spannung
dessen Drehzahl und damit dessen Kühlwirkung verändert werden.
Es ist selbstverständlich
dass hierzu der elektromotorische Kühlventilator 20 für den Betrieb
mit der höchstmöglichen
Spannung am ersten Anschluss 3 ausgelegt sein muss. In
Verbindung hiermit ist es vorteilhaft wenn auch dem elektromotorischen
Kühlventilator 20 die
im Hochstromenergiespeicher 9 gespeicherte Energie zuführbar ist.
Hierzu kann beispielsweise ein zwischen dem ersten Anschluss 3 und
dem Thermoschalter 19 vorgesehener dritter Schalter 22 geöffnet und
durch Schließen
eines vierten Schalters 23 eine Verbindung zwischen dem
Hochstromenergiespeicher 9 und dem Thermoschalter 19 hergestellt
werden.
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Aus
der 3 geht ein Ausführungsbeispiel einer weiteren
erfindungsgemäßen Zweispannungsversorgungseinrichtung
hervor, wobei in den vorherigen Figuren erläuterte Elemente auch hier mit
den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Gemäß der 3 ist die
vom Generator 1 ableitbare elektrische Generatorspannung über den
ersten elektrischen Anschluss 3 zum Ableiten einer ersten
elektrischen Spannung einem variablen Spannungswandler 24 zuführbar, an
dessen zweitem Anschluss 5 die Bordnetzspannung ableitbar
ist. Dem Generator 1 ist eine Spannungsregeleinrichtung 25 zugeordnet,
die die Ausgangsspannung des Generators 1 vorzugsweise so
regelt, dass dieser mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden
kann. Die Ausgangsspannung des Generators 1 kann somit
beispielsweise variabel im Bereich von 6–60 V, vorzugsweise 12–60 V, insbesondere
12–42
V variabel sein. Auch hier können dem
ersten Anschluss 3 ein Hochstromenergiespeicher 9,
ein elektromotorischer Kühlventilator 20, Komfort-
und/oder Hochstromwandler 8 sowie sonstige Wandler 26 zugeordnet
sein, die relativ spannungsunabhängig
arbeiten können.
Als sonstige Wandler 26 werden beispielsweise ein elektromechanischer
Abgasturbolader, ein elektromechanischer Kompressor für die Klimaanlage
sowie elektromechanische Pumpen, Stellglieder und Ventilatoren genannt.
Im Ausführungsbeispiel
sind dem elektromotorischen Kühlerventilator 20,
dem Komfort- und/oder Hochstromwandler 8 und dem sonstigen
Wandler 26 fünfte,
sechste und siebte Schalter 27, 28, 29 zugeordnet,
die über
die Spannungsregeleinrichtung 25 aufgrund beispielsweise
des Heizungsanforderungssignals 15, des Schubbetriebssignals 16,
des Bremssignals 17, des Temperatursignals 30 des
Temperatursensors 21, und/oder sonstiger Signale 31 zum Steuern
der sonstigen Wandler 26 steuerbar sind.
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Die
Ansteuerung der fünften,
sechsten und siebten Schalter, 27, 28, 29 erfolgt
aufgrund der soeben erwähnten
Signale analog zur Beschreibung gemäß des Ausführungsbeispieles nach der 2. Selbstverständlich ist
auch, dass hierbei die im Hochstromenergiespeicher 9 gespeicherte
Energie, beispielsweise während
der Beschleunigung des Kraftfahrzeuges zur Entlastung des Generators 1 dem elektromotorischen
Kühlventilator 20 und/oder
dem Komfort- und/oder Hochstromwandler 8 und/oder dem sonstigen
Wandler 26 und/oder dem variablen Spannungswandler 24 zur
Unterstützung
des Bordnetzes zugeführt
werden kann.
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Im
Heizbetrieb kann der Generator 1 mit freier Spannung betrieben
werden, so dass er im optimalen Leistungs- und Wirkungsgradbereich
arbeitet.
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Im
Schubbetrieb des Kraftfahrzeuges kann der Generator 1 ebenfalls
mit freier Spannung und im Normalbetrieb beispielsweise mit einer
Spannung zwischen 14 und 20 V betrieben werden, so dass der Generator 1 beim
Beschleunigen entregt und somit die Brennkraftmaschine entlastet
und die im Hochstromenergiespeicher 9 gespeicherte elektrische
Energie dem Bordnetz zur Verfügung
gestellt werden kann.
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Aufgrund
des Heizungsanforderungssignals 15 kann der Generator 1 ebenfalls
mit freier Spannung betrieben und aufgrund eines Signals des Temperatursensors 21 die
vom Generator 1 ableitbare Spannung entsprechend der Kühlanforderung
im Bereich zwischen 12–60
V vorzugsweise im Bereich von 14–42 V geregelt werden.
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Da
die Ausgangsspannung des Generators 1 von der Drehzahl
abhängt
wird diese Spannung über
die Spannungsregeleinrichtung 25 so geregelt, dass der
Generator 1 mit höchstem
Wirkungsgrad arbeitet und/oder das Leistungsmaximum abgeben kann.