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DE10103995A1 - On-board power storage 12Volt and / or 42Volt vehicle electrical systems and device for starting - Google Patents

On-board power storage 12Volt and / or 42Volt vehicle electrical systems and device for starting

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Publication number
DE10103995A1
DE10103995A1 DE2001103995 DE10103995A DE10103995A1 DE 10103995 A1 DE10103995 A1 DE 10103995A1 DE 2001103995 DE2001103995 DE 2001103995 DE 10103995 A DE10103995 A DE 10103995A DE 10103995 A1 DE10103995 A1 DE 10103995A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
starting
starter generator
accumulator
capacitors
board voltage
Prior art date
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Pending
Application number
DE2001103995
Other languages
German (de)
Inventor
Christoph Raible
Thomas Dietrich
Bernd Staib
Andreas Gruendl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
Original Assignee
Epcos AG
ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Epcos AG, ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG, Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG filed Critical Epcos AG
Priority to DE2001103995 priority Critical patent/DE10103995A1/en
Priority to PCT/DE2002/000327 priority patent/WO2002061271A1/en
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Pending legal-status Critical Current

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Abstract

A device for starting internal combustion engines, comprising a starter generator (4) d a first on-board voltage fed by an accumulator (1), a dual-layer capacitor (3) acting as a short-term accumulator, producing a second on-board voltage and providing the starting energy/ starting power for the starter generator (4), in addition to a unidirectional or bi-directional transformer (2) which is used to charge the dual-layer capacitor (3) from the accumulator (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Starten von Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for starting Internal combustion engines according to the preamble of the claim 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.Generators are used to start internal combustion engines a high power consumption used by one Accumulator, for example a 12 V lead accumulator in Motor vehicles are fed. The accumulator must therefore designed for the high power output during starting processes be, although for normal operation batteries with lower power densities would suffice.

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.The object of the present invention is a device of the type mentioned in such a way that in the case of accumulators with a lower power density, starting processes for internal combustion engines.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Vorrichtung gelöst, welche die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale besitzt.This object is achieved by a device solved, which the features mentioned in claim 1 has.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angeführt.Advantageous further developments are in the subclaims cited.

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.The invention is based on the following embodiment explained in more detail. All mentioned values of the voltage, Capacitors, battery amp hours, motors, etc. are exemplary as they vary from system to system configuration vary.

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 Doppelschicht­ kondensatoren bereit gestellt wird.In the accompanying drawing with a single figure, 1 denotes a 12 V lead accumulator, which, for example, via a bidirectional converter 2 is a block 3 with fourteen double-layer capacitors connected in series here, each with z. B. Charges 3 V cell voltage. This results in a second on-board voltage of 42 V, which is provided by the double-layer capacitors.

Beim Starten des Verbrennungsmotors mit Hilfe des Starter­ generators 4 können die in Reihe geschalteten Doppelschicht­ kondensatoren 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 aus­ schließlich von den Kondensatoren bereit gestellt. Der sonst zur Beschleunigung auf Leerlaufdrehzahl erforderliche Kraftstoff wird eingespart und die damit verbundene Abgas- Emission verringert.When starting the internal combustion engine with the help of the starter generator 4 , the series-connected double-layer capacitors can in a short time, for example within a second, give the amount of energy stored in them with high power to the generator 4 , 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.

Ein aus in Reihe geschalteten Doppelschichtkondensatoren gebildeter KurzzeitspeicherOne of series connected double layer capacitors formed short-term memory

Der Generator 4 besteht zum Beispiel aus einer Asynchronmaschine, die über einen Wechselrichter 5 angesteuert wird und vorzugsweise direkt mit der Kurbelwelle verbunden ist.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.

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/2,3 V und weist eine Gesamtkapazität von 86 F auf, besitzt ein Gewicht von ca. 5,5 kg und ein Volumen von ca. 5 l. 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 Lebens­ dauer 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.The embodiment relates to a passenger car with z. B. gasoline engine, which has 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 is then z. B. from 14 individual capacitors of 1200 F / 2.3 V and has a total capacity of 86 F, has a weight of approx. 5.5 kg and a volume of approx. 5 l. With a module voltage of 42 V, it can provide a power of 12.5 kW for 5 seconds. Typically, 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 easy accommodation in a conventional engine compartment.

Für andere Anwendungsfälle, zum Beispiel Personenkraftwagen mit Dieselmotoren, Lastkraftwagen, Busse oder Bootsmotoren können Bordnetze mit anderen Spannungen und Doppelschicht­ kondensator-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.For other applications, for example passenger cars with diesel engines, trucks, buses or boat engines can electrical systems with other voltages and double layer capacitor combinations may be required, in particular Double layer capacitor combinations with a higher Energy storage as used to start diesel engines is required. At the same time, here too correspondingly high battery capacity saved.

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. Furthermore, the introduction of a second on-board voltage and the combination of a chemical storage accumulator with a capacitor short-term storage result in a number of additional advantages:
For a motor vehicle equipped according to the invention, modes of operation with many starts and stops can be carried out in a considerably more energy-saving manner, since the braking energy can be used to quickly charge the capacitor with the aid of the starter generator, while the stored energy can be used again to accelerate. This option can also be provided so that, for example, depending on the traffic conditions or the nature of the route, operating 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.

Ein zusätzlich vorzusehendes Solardach kann zum Leckstromausgleich der 12 V 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.An additional solar roof can be provided for Leakage current compensation of the 12 V or 42 V capacitor bank can be used, even after long periods of inactivity associated charge losses of the Capacitors enables a safe cold start, because of that sufficient energy is always available.

Der zusätzliche Bordstromspeicher für das zweite Bordnetz und die Startervorrichtung haben relativ geringes Gewicht und Volumen.The additional on-board power storage for the second on-board electrical system and the starter device are relatively light in weight and Volume.

Die Kondensatoren sind wartungsfrei, was die Betriebssicherheit und die Zuverlässigkeit des Kfz erhöht und Wartungskosten spart.The capacitors are maintenance free what the Operational safety and reliability of the vehicle increased and Saves maintenance costs.

Das System ist wegen der hohen zur Verfügung gestellten leistung zum schnellen, sicheren und damit sparenden Motorstart geeignet.The system is provided because of the high performance for fast, safe and therefore saving Suitable for starting the engine.

Mit der Erfindung gelingt eine Glättung der Bordnetz­ spannungen (12 V und/oder 42 V);The invention succeeds in smoothing the vehicle electrical system voltages (12 V and / or 42 V);

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.The starting process also works reliably at very low Temperatures, as the capacitors also perform low temperatures quickly and in In contrast to accumulators, no temperature-related ones Show performance losses.

Die Probleme beim Fremdstarten in Zweispannungsbordnetzen werden gelöst.The problems with jump-starting in dual-voltage electrical systems are solved.

Unterstützung eines "Break by Wire", da der Asynchronmotor ohne zusätzliche Mechanik den Bremsvorgang unterstützen kann.Support of a "break by wire" since the asynchronous motor can support the braking process without additional mechanics.

Die Erfindung bietet einen redundanten Energiespeicher;
Der erfindungsgemäß redundante Speicher kann bei "Steer by Wire" Systemen eingesetzt werden.The invention offers a redundant energy store;
The redundant memory according to the invention can be used in "steer by wire" systems.

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.The invention enables the motor vehicle to be started at 220 V. the converter. The capacitors can also do so in an emergency charged via a normal power grid and when empty Energy storage a quick start without additional Aids are carried out, for example after long periods Garage stays directly over an existing one Socket.

Die Kondensatoren können mit der Schnellladefunktion aufgeladen werden und benötigen keine langen Ladezeiten, wie etwa Akkumulatoren.The capacitors can use the quick charge function can be charged and do not need long charging times, such as about accumulators.

42 V Batterien oder Akkumulatoren (elektrochemischer Energiespeicher) werden überflüssig.42 V batteries or accumulators (electrochemical Energy storage) become superfluous.

Die Lebensdauer der Kondensatoren beträgt minimal 10 Jahre.The service life of the capacitors is at least 10 years.

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.With the electrical stored in the capacitors Energy succeeds in advancing the vehicle by a short Travel at idle speed without starting the engine is required. This is an additional option for An example for taxis is an advantage.

Die Erfindung bietet Load dump Schutz bei Lastabwurf eines induktiven 42 V Hochstromverbrauchers.The invention provides load dump protection when a load is shed inductive 42 V high current consumer.

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.The capacitors can because of low energy density Take over the main security function. The capacitor discharges in a short circuit faster than a fuse responds and therefore prevents sparks, risk of explosion or damage to other electronic components.

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.The invention succeeds in unifying the chemical energy storage for a large number of  Motor vehicles because of the difference to each Power required in a simple way from the capacitors Can be made available. The continuous In contrast, energy supply differs for most Cars not so much.

Der chemische Akkumulator braucht nur noch auf Energie und nicht auf Start Peak Power ausgelegt zu werden.The chemical accumulator only needs energy and not to be designed for start peak power.

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.Power storage and energy storage are mechanical separated from each other. The separate energy block can be in the described construction with a high performance short time memory can be made very small. For example, it will not made using lead technology (disadvantage: high weight, prescribed installation position) but, for example, in NiMH or lithium polymer, so the energy storage can be very small, be carried out very easily and regardless of position. In order to there is the possibility of storing energy in winter or pull out of a catch for theft protection and to take into the house.

Die Kondensatoren können als tragbarer Energieblock ausgebildet werden, der sich einfach aus dem Kfz entfernen und als tragbares Starthilfe-Set verwenden läßt.The capacitors can act as a portable energy block be trained, who simply remove themselves from the vehicle and can be used as a portable jump starter set.

Neben der Verwendung als Starthilfe-Set können die tragbaren Energieblocks auch als schnell aufladbare 12 V oder 42 V Power Tools eine 12 V oder 42 V Steckdose für unterwegs (Staubsauger, Milchwärmflasche, Bohrmaschine, Kaffeemaschine, Kettensäge usw.) zur Verfügung stellen.In addition to being used as a jump starter set, the portable Energy blocks also available as quickly rechargeable 12 V or 42 V power Tools a 12 V or 42 V socket for on the go (Vacuum cleaner, hot water bottle, drill, coffee machine, Chainsaw, etc.).

Claims (8)

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.1. Device for starting internal combustion engines with a starter generator ( 4 ) and a first on-board voltage, which is fed by an accumulator ( 1 ), characterized in that it has a double-layer capacitor ( 3 ) serving as a short-term memory, which generates a second on-board voltage and which Starting energy / starting power for the starter generator ( 4 ) delivers, and that it has a unidirectional or bidirectional converter ( 2 ), via which the double-layer capacitor ( 3 ) from the accumulator ( 1 ) is charged. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Bordspannung 12 V und die zweite Bordspannung 42 V (oder z. B. 36 V) betragen.2. The device of claim 1, wherein the first on-board voltage is 12 V and the second on-board voltage is 42 V (or, for example, 36 V). 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.3. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the double layer capacitor ( 3 ) from 14 series-connected double layer capacitors with a cell voltage of 3 V and a capacitance of z. B. 1000 F. 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.4. Device according to one of claims 1 to 3, wherein the starter generator ( 4 ) is designed as an inverter ( 5 ) operated 42 V asynchronous machine with an output of 17 kW. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Startergenerator als direkt startende Kurbelwellenmaschine ausgebildet ist.5. Device according to one of claims 1 to 3, where the starter generator is the one that starts directly Crankshaft machine is designed. 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.6. Device according to one of claims 1 to 5, in the short-term storage as removable and portable Energy block with simple connections for external  Consumer is trained. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die mit einem Solarmodul verbunden ist zur vom Motorbetrieb unabhängigen Aufladung des Kurzzeitspeichers.7. Device according to one of claims 1 to 6, which is connected to a solar module for motor operation independent charging of the short-term storage. 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.8. Device according to one of claims 1 to 7, in which a switching device for switching between the fast and slow loading of the two operating modes Capacitors is provided, the quick charge only when braking via the starter generator, the slow loading, however, continuously during the Normal operation takes place.
DE2001103995 2001-01-30 2001-01-30 On-board power storage 12Volt and / or 42Volt vehicle electrical systems and device for starting Pending DE10103995A1 (en)

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