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DE102012018730B4 - Motor vehicle electrical system with an additional energy storage and associated operating method - Google Patents

Motor vehicle electrical system with an additional energy storage and associated operating method Download PDF

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DE102012018730B4
DE102012018730B4 DE102012018730.0A DE102012018730A DE102012018730B4 DE 102012018730 B4 DE102012018730 B4 DE 102012018730B4 DE 102012018730 A DE102012018730 A DE 102012018730A DE 102012018730 B4 DE102012018730 B4 DE 102012018730B4
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combustion engine
motor vehicle
internal combustion
electrical system
starter
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Markus LAMPALZER
Maximilian von Loewenfeld
Stefan Kerschl
Götz von Esebeck
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MAN Truck and Bus SE
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MAN Truck and Bus SE
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Abstract

Kraftfahrzeug-Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mita) einer aufladbaren elektrischen Batterie (1, 2) zur Stromspeicherung,b) einem von dem Verbrennungsmotor antreibbaren Startergenerator (9) mit einem integrierten Generator zur Stromerzeugung, wobei der Startergenerator (9) wahlweise den Verbrennungsmotor starten kann oder von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, um Strom zu erzeugen,c) einer spannungsführenden Netzleitung (5) zur elektrischen Kontaktierung der Batterie (1, 2), des Startergenerators (9) und des Anlassers (7),d) einem Energiespeicher (11) zur Stromspeicherung, wobei der Energiespeicher (11)d1) eine ausreichend große Kapazität aufweist, um einen Warmstart des Verbrennungsmotors durchzuführen, undd2) ein Kondensator ist, und mite) einem Start-Stopp-System zum automatischen Abschalten des Verbrennungsmotors bei einer Standphase des Kraftfahrzeugs und zum automatischen Warmstart des Verbrennungsmotors durch den Startergenerator (9) am Ende der Standphase, wobei der Startergenerator (9) bei einem Warmstart aus dem Energiespeicher (11) mit Strom versorgt wird, undf) einem Anlasser (7) für einen Kaltstart des Verbrennungsmotors, wobei der der Anlasser (7) bei einem Kaltstart aus der Batterie (1, 2) mit Strom versorgt wird; dadurch gekennzeichnet,g) dass die Batterie (1, 2) über einen Hauptschalter (4) mit der spannungsführenden Netzleitung (5) verbunden ist, wobei die Batterie (1, 2) an die spannungsführende Netzleitung (5) anschließbar ist; undh) dass das Kraftfahrzeug-Bordnetz einen Gleichspannungswandler (10) aufweist, der mit der Netzleitung (5) verbunden ist, um den Startergenerator (9) für einen Warmstart mit der erforderlichen elektrischen Energie zu versorgen und um den Startergenerator (9) bei einem Warmstart unabhängig von der Batterie (1, 2) aus dem elektrischen Energiespeicher (11) mit der erforderlichen elektrischen Energie zu versorgen.Motor vehicle electrical system for a motor vehicle with an internal combustion engine, with a) a rechargeable electric battery (1, 2) for storing electricity, b) a starter generator (9) which can be driven by the internal combustion engine and has an integrated generator for generating electricity, the starter generator (9) optionally being the Internal combustion engine can start or is driven by the internal combustion engine to generate electricity, c) a live power line (5) for electrical contacting the battery (1, 2), the starter generator (9) and the starter (7), d) an energy storage device (11) for electricity storage, wherein the energy storage (11)d1) has a sufficiently large capacity to carry out a warm start of the internal combustion engine, andd2) is a capacitor, and mite) a start-stop system for automatically switching off the internal combustion engine during a stationary phase of the motor vehicle and for the automatic warm start of the internal combustion engine by the starter generator (9) at the end of the stationary phase, the starter generator (9) being supplied with power from the energy storage (11) during a warm start, andf) a starter (7) for a cold start of the Internal combustion engine, whereby the starter (7) is supplied with power from the battery (1, 2) during a cold start; characterized in,g) that the battery (1, 2) is connected to the live power line (5) via a main switch (4), wherein the battery (1, 2) can be connected to the live power line (5); andh) that the motor vehicle electrical system has a DC-DC converter (10) which is connected to the power line (5) in order to supply the starter generator (9) with the required electrical energy for a warm start and to supply the starter generator (9) during a warm start to supply the required electrical energy from the electrical energy storage (11) independently of the battery (1, 2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und Start-Stopp-Betrieb sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren für ein solches Kraftfahrzeug Bordnetz.The invention relates to a motor vehicle electrical system for a motor vehicle with an internal combustion engine and start-stop operation and a corresponding operating method for such a motor vehicle electrical system.

Moderne Personenkraftwagen (Pkw) mit einem Verbrennungsmotor weisen oft-mals ein Start-Stopp-System auf, um Kraftstoff zu sparen. Im Betrieb eines solchen Personenkraftwagens schaltet das Start-Stopp-System den Verbrennungs-motor in kurzen Standphasen ab, wenn der Personenkraftwagen beispielsweise an einer Ampel hält. Am Ende der Standphase startet das Start-Stopp-System den Verbrennungsmotor dann wieder automatisch, damit der Personenkraftwagen weiterfahren kann, wenn beispielsweise die Ampel auf grün wechselt. Derartige Start-Stopp-Systeme können zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs auch bei Nutzfahrzeugen (z.B. Stadtbusse) eingesetzt werden. Problematisch bei einem Einsatz eines Start-Stopp-Systems in einem Stadtbus ist jedoch die hohe Anzahl von Start-Stopp-Zyklen über die Lebensdauer des Stadtbusses, wodurch das Kraftfahrzeug-Bordnetz und insbesondere die Batterie des Stadtbusses stark belastet wird. Ohne aufwändige Zusatzmaßnahmen ist deshalb bei einem Einsatz eines Start-Stopp-Systems in einem Stadtbus mit einer verringerten Lebensdauer der Fahrzeugbatterie zu rechnen. Darüber hinaus führt der hohe Stromverbrauch beim Starten des Verbrennungsmotors zu einem entsprechenden Spannungseinbruch in dem Kraftfahrzeug-Bordnetz, was mit Funktionseinschränkungen (z.B. bei Steuergeräten und Komforteinrichtungen) verbunden ist. Durch den großen Energiebedarf bei Motorstopp und Fahrzeugstillstand wird die Batterie zusätzlich belastet.Modern passenger cars with an internal combustion engine often have a start-stop system to save fuel. When operating such a passenger car, the start-stop system switches off the internal combustion engine during short standstill phases, for example when the passenger car stops at a traffic light. At the end of the stationary phase, the start-stop system automatically starts the combustion engine again so that the car can continue driving if, for example, the traffic light turns green. Such start-stop systems can also be used in commercial vehicles (e.g. city buses) to reduce fuel consumption. However, the problem with using a start-stop system in a city bus is the high number of start-stop cycles over the lifespan of the city bus, which puts a lot of strain on the vehicle's electrical system and in particular on the city bus's battery. Without complex additional measures, a reduced service life of the vehicle battery can therefore be expected when using a start-stop system in a city bus. In addition, the high power consumption when starting the internal combustion engine leads to a corresponding voltage drop in the vehicle electrical system, which is associated with functional restrictions (e.g. in control devices and comfort devices). The large energy requirement when the engine stops and the vehicle is stationary puts additional strain on the battery.

Aus DE 103 05 058 B3 ist ein Kraftfahrzeug-Bordnetz bekannt, das jedoch nur einen Startergenerator aufweist, der sowohl einen Kaltstart als auch einen Warmstart durchführt.Out of DE 103 05 058 B3 A motor vehicle electrical system is known, which, however, only has a starter generator that carries out both a cold start and a warm start.

Aus DE 10 2010 027 828 A1 ist es zwar bekannt, sowohl einen Anlasser als auch einen Startergenerator vorzusehen, wobei der Startergenerator einen Warmstart durchführt, wohingegen der Anlasser einen Kaltstart durchführt. Allerdings erfolgt die Stromversorgung hierbei sowohl für den Startergenerator als auch für den Anlasser aus einer herkömmlichen Batterie.Out of DE 10 2010 027 828 A1 Although it is known to provide both a starter and a starter generator, the starter generator carries out a warm start, whereas the starter carries out a cold start. However, the power supply for both the starter generator and the starter motor comes from a conventional battery.

Die DE 10 2009 027 931 A1 offenbart eine elektronische Steuervorrichtung für eine elektrische Maschine. Die Steuervorrichtung kann einen Startergenerator oder einen Starter für eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug umfassen. Die Steuervorrichtung kann ferner eine Steuerung und eine Schaltungsanordnung mit einem Pulswechselrichter umfassen. Um einen Material-, Bauteil- und Montageaufwand und das Gewicht zu reduzieren, umfasst die Steuervorrichtung den Pulswechselrichter, die dazugehörige Steuerung und einen DC/DC-Wandler in einer baulichen Einheit.The DE 10 2009 027 931 A1 discloses an electronic control device for an electric machine. The control device may include a starter generator or a starter for an internal combustion engine in a motor vehicle. The control device can further comprise a controller and a circuit arrangement with a pulse inverter. In order to reduce material, component and assembly costs and weight, the control device includes the pulse inverter, the associated controller and a DC/DC converter in one structural unit.

Die DE 10 2008 041 298 A1 betrifft eine Unterstützungsvorrichtung zur Unterstützung eines Kfz-Akkumulators oder eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, der von einem Kfz-Bordnetz sowie einem Kfz-Starter bzw. von einem Beschleunigungswunsch belastet wird. Die Unterstützungsvorrichtung umfasst einen Temporärenergiespeicher und eine Ankopplungseinrichtung, die zwischen dem Temporärenergiespeicher und einer Energieabgabestelle geschaltet ist, die zum Anschluss an den Kfz-Starter (und somit an den Verbrennungsmotor) eingerichtet ist. Der Temporärenergiespeicher ist eingerichtet, zumindest einen Anteil der in dem Temporärenergiespeicher zwischengespeicherten Energie über die Ankopplungseinrichtung und die Energieabgabestelle an den Kfz-Starter abzugeben.The DE 10 2008 041 298 A1 relates to a support device for supporting a motor vehicle battery or an internal combustion engine of a motor vehicle, which is loaded by a motor vehicle electrical system and a motor vehicle starter or by a desire to accelerate. The support device comprises a temporary energy storage and a coupling device which is connected between the temporary energy storage and an energy delivery point which is set up for connection to the motor vehicle starter (and thus to the internal combustion engine). The temporary energy storage is set up to deliver at least a portion of the energy temporarily stored in the temporary energy storage to the motor vehicle starter via the coupling device and the energy delivery point.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund der Erfindung ist auch hinzuweisen auf DE 10 2008 054 885 A1 , DE 10 2007 026 164 A1 , DE 103 13 081 A1 und DE 10 2012 205 824 A1 .Reference should also be made to the general technical background of the invention DE 10 2008 054 885 A1 , DE 10 2007 026 164 A1 , DE 103 13 081 A1 and DE 10 2012 205 824 A1 .

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Probleme beim Einsatz eines Start-Stopp-Systems in einem Stadtbus oder einem sonstigen Kraftfahrzeug zu lösen.The invention is therefore based on the object of solving the above-mentioned problems when using a start-stop system in a city bus or other motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug-Bordnetz mit den Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. durch ein entsprechendes Betriebsverfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.This object is achieved by a motor vehicle electrical system according to the invention with the features of the main claim or by a corresponding operating method with the features of the secondary claim. Advantageous further developments are specified in the dependent claims and the description.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz zur Stromversorgung zusätzlich zu der herkömmlichen Batterie einen Energiespeicher (z.B. Ultracap) vorzusehen, um die Bordnetzspannung in dem Kraftfahrzeug-Bordnetz insbesondere bei einem durch das Start-Stopp-System eingeleiteten Warmstart des Verbrennungsmotors zu stabilisieren und bei Motorstopp das Bordnetz zu versorgen. Ferner kann der Energiespeicher auch im normalen Betrieb zur Stromversorgung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes eingesetzt werden, um Kraftstoff zu sparen, wobei der Energiespeicher in Schubphasen durch Rekuperation aufgeladen wird, so dass der Generator im zeitlichen Mittel weniger mechanische Antriebsleistung benötigt, was zu einer entsprechenden Kraftstoffeinsparung führt.The invention includes the general technical teaching of providing an energy storage device (e.g. Ultracap) in a motor vehicle electrical system for power supply in addition to the conventional battery in order to maintain the electrical system voltage in the motor vehicle electrical system, in particular during a warm start of the internal combustion engine initiated by the start-stop system to stabilize and supply the on-board electrical system when the engine stops. Furthermore, the energy storage can also be used in normal operation to power the vehicle electrical system in order to save fuel, with the energy storage being charged in overrun phases by recuperation, so that the generator requires less mechanical drive power on average over time, which leads to corresponding fuel savings .

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Bordnetz weist zunächst in Übereinstimmung mit herkömmlichen Kraftfahrzeug-Bordnetzen eine aufladbare elektrische Batterie zur Stromspeicherung auf, wobei die Batterie üblicherweise eine elektro-chemische Batterie ist, wie beispielsweise ein herkömmlicher Bleiakkumulator.The motor vehicle on-board electrical system according to the invention initially has, in accordance with conventional motor vehicle on-board electrical systems, a rechargeable electric battery for storing electricity, the battery usually being an electro-chemical battery, such as a conventional lead accumulator.

Darüber hinaus weist auch das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Bordnetz in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik einen herkömmlichen Anlasser auf, um den Verbrennungsmotor zu starten, wobei derartige Anlasser an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind und deshalb nicht näher beschrieben werden müssen. Dieser herkömmliche Anlasser wird für Kaltstarts verwendet.In addition, the motor vehicle electrical system according to the invention also has a conventional starter in accordance with the prior art in order to start the internal combustion engine, such starters being known from the prior art and therefore need not be described in more detail. This conventional starter is used for cold starts.

Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Bordnetz in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik einen Generator auf, der auch als Lichtmaschine bezeichnet wird und zur Stromerzeugung dient. Gemäß der Erfindung ist der Generator ein sogenannter integrierter Startergenerator (ISG), wobei der integrierte Startergenerator wahlweise den Verbrennungsmotor starten kann oder von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, um Strom zu erzeugen. In einer Betriebsart „Generator“ arbeitet der Startergenerator also als Generator zur Stromerzeugung, wohingegen der Startergenerator in einer Betriebsart „Starter“ als Anlasser arbeitet, um den Verbrennungsmotor zu starten.In addition, the motor vehicle electrical system according to the invention, in accordance with the prior art, has a generator, which is also referred to as an alternator and is used to generate electricity. According to the invention, the generator is a so-called integrated starter generator (ISG), wherein the integrated starter generator can either start the internal combustion engine or is driven by the internal combustion engine to generate electricity. In a “generator” operating mode, the starter generator works as a generator to generate electricity, whereas in a “starter” operating mode, the starter generator works as a starter to start the internal combustion engine.

Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Bordnetz eine spannungsführende Netzleitung auf, an die die Batterie, der Generator und der Anlasser angeschlossen sind bzw. angeschlossen werden können.In addition, the motor vehicle electrical system according to the invention has a live power line to which the battery, the generator and the starter are or can be connected.

Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Bordnetz auch ein Start-Stopp-System auf, das den Verbrennungsmotor bei einer Standphase des Kraftfahrzeugs automatisch abschaltet und den Verbrennungsmotor am Ende der Standphase automatisch wieder startet. Derartige Start-Stopp-Systeme sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und müssen deshalb nicht näher beschrieben werden.In addition, the motor vehicle electrical system according to the invention also has a start-stop system which automatically switches off the internal combustion engine when the motor vehicle is stationary and automatically restarts the internal combustion engine at the end of the stationary phase. Such start-stop systems are known from the prior art and therefore do not need to be described in more detail.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel arbeitet der Startergenerator mit 24V-Spannung und ist magnetfrei, d.h. der Startergenerator weist keine Permanentmagnete auf. Dies ist vorteilhaft, weil dadurch keine Sicherheitsvorkehrungen bezüglich eines Berührschutzes erforderlich sind, da auch in einem Fehlerfall keine elektrischen Spannungen über den gesetzlichen Grenzwerten auftreten können. Beispielsweise kann der Startergenerator als Reluktanzmotor ausgeführt sein, insbesondere als geschaltete Reluktanzmaschine.In the preferred embodiment, the starter generator works with 24V voltage and is magnet-free, i.e. the starter generator has no permanent magnets. This is advantageous because it means that no safety precautions regarding contact protection are required, since even in the event of a fault, no electrical voltages above the legal limit values can occur. For example, the starter generator can be designed as a reluctance motor, in particular as a switched reluctance machine.

Bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Energiespeicher handelt es sich um einen Kondensator, beispielsweise einen sogenannten Superkondensator, insbesondere in Form eines Doppelschicht-Kondensators. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Bauweise und der Funktionsweise des Energiespeichers nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Allerdings weist der Energiespeicher vorzugsweise eine große Kapazität auf, um genügend elektrische Energie speichern zu können. Allgemein lässt sich sagen, dass der Energiespeicher eine ausreichend große Kapazität aufweist, um die für einen Warmstart des Verbrennungsmotors und zur Versorgung in den Stoppphasen erforderliche elektrische Energie zu speichern.The energy storage device provided according to the invention is a capacitor, for example a so-called supercapacitor, in particular in the form of a double-layer capacitor. However, the invention is not limited to these exemplary embodiments with regard to the design and functionality of the energy storage device. However, the energy storage preferably has a large capacity in order to be able to store enough electrical energy. In general, it can be said that the energy storage device has a sufficiently large capacity to store the electrical energy required for a warm start of the internal combustion engine and for supply during the stop phases.

Ferner umfasst das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Bordnetz einen Gleichspannungswandler. Der Gleichspannungswandler kann den Energiespeicher mit der Netzleitung und/oder direkt mit dem Startergenerator verbinden, wobei der Gleichspannungswandler netzseitig die Netzspannung bereitstellt.Furthermore, the motor vehicle electrical system according to the invention comprises a DC-DC converter. The DC-DC converter can connect the energy storage device to the power line and/or directly to the starter generator, with the DC-DC converter providing the mains voltage on the network side.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Kraftfahrzeug-Bordnetz eine Bordnetzspannung auf, die so gering ist, dass kein Berührschutz erforderlich ist. Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug-Bordnetz eine Bordnetzspannung von 24 Volt aufweisen, da erst bei Bordnetzspannungen von mehr als 60 Volt Gleichspannung ein Berührschutz erforderlich ist. Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass das Kraftfahrzeug-Bordnetz vorzugsweise hochspannungsfrei ist ohne Hochspannungskomponenten mit einer Spannung, die einen Berührschutz erfordert, insbesondere ohne Hochspannungskomponenten mit mehr als 60 Volt Gleichspannung oder 25 Volt Wechselspannung.In the preferred exemplary embodiment, the motor vehicle electrical system has an electrical system voltage that is so low that no contact protection is required. For example, the motor vehicle electrical system can have an electrical system voltage of 24 volts, since contact protection is only required when the electrical system voltage is more than 60 volts DC. In addition, it should be mentioned that the motor vehicle electrical system is preferably free of high voltage without high-voltage components with a voltage that requires protection against contact, in particular without high-voltage components with more than 60 volts DC or 25 volts AC.

Ferner ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht nur Schutz beansprucht für das vorstehend beschriebene Kraftfahrzeug-Bordnetz unabhängig von dem zugehörigen Kraftfahrzeug. Vielmehr beansprucht die Erfindung auch Schutz für ein komplettes Kraftfahrzeug mit einem solchen Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei es sich beispielsweise um einen Lastkraftwagen oder einen Stadtbus oder ein sonstiges Nutzfahrzeug handeln kann.Furthermore, it should be noted that the invention does not only claim protection for the motor vehicle electrical system described above, regardless of the associated motor vehicle. Rather, the invention also claims protection for a complete motor vehicle with such a motor vehicle electrical system, which can be, for example, a truck or a city bus or another commercial vehicle.

Schließlich umfasst die Erfindung auch ein entsprechendes Betriebsverfahren für ein solches Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die spannungsführende Netzleitung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes aus dem Energiespeicher gespeist wird, insbesondere bei einem Startvorgang des Verbrennungsmotors, um die Bordnetzspannung bei dem Startvorgang des Verbrennungsmotors zu stützen und bei abgestelltem Motor das Bordnetz zu versorgen.Finally, the invention also includes a corresponding operating method for such a motor vehicle on-board electrical system, wherein the live power line of the motor vehicle on-board electrical system is fed from the energy storage, in particular when the internal combustion engine is started, in order to support the on-board electrical system voltage during the starting process of the internal combustion engine and when the engine is switched off to supply the on-board electrical system.

Erfindungsgemäß weist das Kraftfahrzug-Bordnetz sowohl einen Anlasser als auch einen Startergenerator auf. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens erfolgt der Start des Verbrennungsmotors bei einem Warmstart stets mittels des Startergenerators, wohingegen der Verbrennungsmotor bei einem Kaltstart stets von dem herkömmlichen Anlasser gestartet wird.According to the invention, the motor vehicle electrical system has both a starter and a starter generator. As part of the operating method according to the invention, the internal combustion engine is always started by means of the starter generator during a warm start, whereas the internal combustion engine is always started by the conventional starter during a cold start.

Darüber hinaus besteht noch die Möglichkeit, dass der Energiespeicher aus dem Kraftfahrzeug-Bordnetz aufgeladen wird, wenn der Verbrennungsmotor im Schubbetrieb arbeitet und keine mechanische Leistung abgibt, was unter dem Begriff Rekuperation an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.In addition, there is also the possibility that the energy storage device is charged from the vehicle electrical system when the internal combustion engine is operating in overrun mode and does not produce any mechanical power, which is known from the prior art under the term recuperation.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Bordnetzes,
  • 2 eine Abwandlung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes aus 1 für einen Betrieb in einem Stadtbus,
  • 3 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung des Startens des Verbrennungsmotors bei einem Kaltstart,
  • 4 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung von Start und Abschalten des Verbrennungsmotors durch das Start-Stopp-System, sowie
  • 5 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung der Rekuperation zum Aufladen des Energiespeichers.
Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are explained in more detail below together with the description of the preferred exemplary embodiments of the invention with reference to the figures. Show it:
  • 1 a schematic circuit diagram of a motor vehicle electrical system according to the invention,
  • 2 a modification of the vehicle electrical system 1 for operation in a city bus,
  • 3 a flowchart to illustrate starting the internal combustion engine during a cold start,
  • 4 a flowchart to illustrate starting and switching off the internal combustion engine by the start-stop system, as well as
  • 5 a flowchart to illustrate the recuperation for charging the energy storage.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug-Bordnetz für ein Nutzfahrzeug oder einen Personenkraftwagen. 1 shows a motor vehicle electrical system according to the invention for a commercial vehicle or a passenger car.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Bordnetz weist zwei herkömmliche wiederaufladbare Bleibatterien 1, 2 auf, die in Reihe geschaltet sind und beispielsweise als sogenannte AGM Batterien (AGM: absorbent glass mat) ausgeführt sein können.The motor vehicle electrical system according to the invention has two conventional rechargeable lead batteries 1, 2, which are connected in series and can be designed, for example, as so-called AGM batteries (AGM: absorbent glass mat).

Die masseseitige Bleibatterie 1 ist mit einem Massepunkt 3 des Kraftfahrzeugs verbunden, während die spannungsseitige Bleibatterie 2 über einen Hauptschalter 4 mit einer spannungsführenden Netzleitung 5 verbunden ist.The ground-side lead battery 1 is connected to a ground point 3 of the motor vehicle, while the voltage-side lead battery 2 is connected to a live power line 5 via a main switch 4.

Zum einen ist an die Netzleitung 5 über einen Schalter 6 die sogenannte „Klemme 15“ angeschlossen, wobei die „Klemme 15“ auch als „Zündungsplus“ oder „geschaltetes Plus“ bezeichnet wird und den mit dem Zündschloss des Kraftfahrzeugs geschalteten Pluspol bezeichnet. An die „Klemme 15“ werden dann die Verbraucher (z.B. Radio, Scheinwerfer, elektrische Heizung, etc.) angeschlossen.On the one hand, the so-called “terminal 15” is connected to the power line 5 via a switch 6, whereby the “terminal 15” is also referred to as “ignition plus” or “switched plus” and refers to the positive pole connected to the ignition lock of the motor vehicle. The consumers (e.g. radio, headlights, electric heater, etc.) are then connected to “Terminal 15”.

Zum anderen ist an die Netzleitung 5 ein herkömmlicher Anlasser 7 angeschlossen, der zum Anlassen des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs dient, insbesondere bei einem Kaltstart. Der Anlasser 7 ist hierbei in herkömmlicher Weise ausgeführt.On the other hand, a conventional starter 7 is connected to the power line 5 and is used to start the internal combustion engine of the motor vehicle, especially during a cold start. The starter 7 is designed in a conventional manner.

Darüber hinaus ist an die Netzleitung 5 über einen DC/AC Wandler 8 ein integrierter Startergenerator 9 (ISG: integrierter Startergenerator) angeschlossen. Zum einen dient der Startergenerator 9 in einer Betriebsart „Generator“ als Generator und wird dabei von dem Verbrennungsmotor angetrieben, um Strom zu erzeugen und das Kraftfahrzeug-Bordnetz mit der erforderlichen elektrischen Energie zu versorgen. Zum anderen ermöglicht der Startergenerator 9 in einer Betriebsart „Starter“ das Starten des Verbrennungsmotors, insbesondere bei einem Warmstart am Ende einer Standphase, in der der Verbrennungsmotor durch ein Start-Stopp-System vorübergehend abgeschaltet war.In addition, an integrated starter generator 9 (ISG: integrated starter generator) is connected to the power line 5 via a DC/AC converter 8. On the one hand, the starter generator 9 serves as a generator in a “generator” operating mode and is driven by the internal combustion engine in order to generate electricity and supply the motor vehicle electrical system with the required electrical energy. On the other hand, the starter generator 9 enables the internal combustion engine to be started in a “starter” operating mode, in particular during a warm start at the end of a stationary phase in which the internal combustion engine was temporarily switched off by a start-stop system.

Schließlich ist an die Netzleitung 5 noch ein Gleichspannungswandler 10 angeschlossen, der mit einem sogenannten Ultracap 11 verbunden ist, wobei es sich um einen Kondensator mit einer sehr großen Kapazität handelt, so dass der Ultracap 11 zur Stromspeicherung geeignet ist. Die Kapazität des Ultracaps 11 ist hierbei so groß, dass der Ultracap 11 genügend elektrische Energie speichern kann, um den Startergenerator 9 bei einem Warmstart unabhängig von den Bleibatterien 1, 2 mit der erforderlichen elektrischen Energie zu versorgen.Finally, a DC-DC converter 10 is connected to the power line 5 and is connected to a so-called ultracap 11, which is a capacitor with a very large capacity, so that the ultracap 11 is suitable for storing electricity. The capacity of the ultracap 11 is so large that the ultracap 11 can store enough electrical energy to supply the starter generator 9 with the required electrical energy during a warm start, regardless of the lead batteries 1, 2.

Der Ultracap 11 stützt die Bordnetzspannung auf der Netzleitung 5 sowohl beim Kaltstart als auch bei einem Warmstart, wobei die Stützung bei einem Warmstart besonders wichtig ist, da bei einem Einsatz eines Start-Stopp-Systems Warm-starts sehr häufig auftreten.The Ultracap 11 supports the vehicle electrical system voltage on the power line 5 both during a cold start and a warm start, with the support during a warm start being particularly important since warm starts occur very frequently when a start-stop system is used.

Zum einen verhindert die Stützung der Bordnetzspannung durch den Ultracap 11, dass die Lebensdauer der Bleibatterien 1, 2 durch die häufigen Warmstarts beim Einsatz eines Start-Stopp-Systems verringert wird.On the one hand, the support of the vehicle electrical system voltage by the Ultracap 11 prevents the service life of the lead batteries 1, 2 from being reduced by the frequent warm starts when using a start-stop system.

Zum anderen verhindert die Stützung der Bordnetzspannung durch den Ultracap 11 aber auch Spannungseinbrüche der Bordnetzspannung auf der Netzleitung 5 bei einem Kaltstart oder einem Warmstart aufgrund des dann großen Betriebsstroms. Dadurch wird auch verhindert, dass bei einem Kaltstart bzw. einem Warmstart störende Funktionsbeschränkungen aufgrund eines Spannungseinbruchs auftreten.On the other hand, the support of the vehicle electrical system voltage by the Ultracap 11 also prevents voltage drops in the vehicle electrical system voltage on the power line 5 during a cold start or a warm start due to the then large operating current. This also prevents disruptive functional restrictions from occurring due to a voltage drop during a cold start or a warm start.

Hierbei ist zu erwähnen, dass der Startergenerator 9 magnetfrei ist, d.h. der Startergenerator 9 weist keine Permanentmagneten auf. Dies ist vorteilhaft, weil dadurch keine weiteren Sicherheitsvorkehrungen bezüglich eines Berührschutzes erforderlich sind, da auch im Fehlerfall keine Spannungen über den gesetzlichen Grenzwerten auftreten können.It should be mentioned here that the starter generator 9 is magnet-free, ie the starter generator 9 has no permanent magnets. This is advantageous because it means that no further safety precautions regarding contact protection are required, since even in the event of a fault, no voltages above the legal limit values can occur.

2 zeigt eine Abwandlung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes aus 1, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden. 2 shows a modification of the vehicle electrical system 1 , so that to avoid repetition, reference is made to the above description, with the same reference numbers being used for corresponding details.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass der Batteriestrom mittels eines Strommesswiderstands 12 gemessen wird, wobei die über dem Strommesswiderstand 12 abfallende elektrische Spannung ein Maß für den Batteriestrom bildet und von einem Steuergerät 13 erfasst wird. Darüber hinaus ist der Gleichspannungswandler 10 hierbei auch direkt mit dem DC/AC-Wandler 8 verbunden, so dass auch der Kalt- oder Notstart ohne Beeinträchtigung des konventionellen Bordnetzes erfolgen kann.A special feature of this exemplary embodiment is that the battery current is measured by means of a current measuring resistor 12, the electrical voltage falling across the current measuring resistor 12 forming a measure of the battery current and being detected by a control unit 13. In addition, the DC-DC converter 10 is also connected directly to the DC/AC converter 8, so that the cold or emergency start can also take place without affecting the conventional on-board electrical system.

3 zeigt in stark vereinfachter Form das Starten des Verbrennungsmotors bei einem Kaltstart, wobei in einem Schritt S1 geprüft wird, ob ein Kaltstart erfolgen soll. Falls dies der Fall ist, so wird der Verbrennungsmotor in einem Schritt S2 von dem herkömmlichen Anlasser 7 gestartet, wobei die Stromversorgung des Anlassers 7 von den beiden Bleibatterien 1, 2 gewährleistet wird. 3 shows in a very simplified form the starting of the internal combustion engine during a cold start, with a check being made in a step S1 as to whether a cold start should take place. If this is the case, the internal combustion engine is started in a step S2 by the conventional starter 7, the power supply to the starter 7 being guaranteed by the two lead batteries 1, 2.

4 zeigt in stark vereinfachter Form die Betriebsweise des Start-Stopp-Systems. Dabei wird in einem Schritt S3 geprüft, ob eine Standphase beginnt, beispielsweise beim Halten vor einer roten Ampel. Falls dies der Fall ist, so wird der Verbrennungsmotor in einem Schritt S4 abgeschaltet. In einem Schritt S5 wird dann geprüft, ob ein Warmstart erfolgen soll, weil die Standphase beendet ist, beispielsweise, wenn die Ampel von rot auf grün umschaltet. Falls dies der Fall ist, so wird der Verbrennungsmotor dann in einem Schritt S6 von dem Startergenerator 9 gestartet, wobei die Bordnetzspannung auf der Netzleitung 5 von dem Ultracap 11 gestützt wird. 4 shows the operation of the start-stop system in a very simplified form. In a step S3, it is checked whether a stationary phase begins, for example when stopping in front of a red traffic light. If this is the case, the internal combustion engine is switched off in a step S4. In a step S5 it is then checked whether a warm start should take place because the stationary phase has ended, for example when the traffic light switches from red to green. If this is the case, the internal combustion engine is then started in a step S6 by the starter generator 9, the vehicle electrical system voltage on the power line 5 being supported by the Ultracap 11.

Schließlich zeigt 5 in stark vereinfachter Form eine Rekuperation, d.h. ein Aufladen des Ultracaps 11 während eines Schubbetriebs, wenn der Verbrennungsmotor keine mechanische Leistung erbringen muss, beispielsweise beim Abwärtsrollen an einem Hang. In einem Schritt S7 wird geprüft, ob ein solcher Schubbetrieb vorliegt. Falls dies der Fall ist, so wird der Ultracap 11 durch den Startergenerator 9 aufgeladen.Finally shows 5 In a greatly simplified form, recuperation, ie charging of the ultracap 11 during overrun operation when the internal combustion engine does not have to provide any mechanical power, for example when rolling down a slope. In a step S7 it is checked whether such an overrun operation is present. If this is the case, the Ultracap 11 is charged by the starter generator 9.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

11
BleibatterieLead battery
22
BleibatterieLead battery
33
Massepunktground point
44
HauptschalterMain switch
55
NetzleitungPower line
66
SchalterSwitch
77
AnlasserStarter
88th
DC/AC-WandlerDC/AC converter
99
StartergeneratorStarter generator
1010
GleichspannungswandlerDC-DC converter
1111
UltracapUltracap
1212
StrommesswiderstandsCurrent measuring resistor
1313
SteuergerätControl unit

Claims (9)

Kraftfahrzeug-Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, mit a) einer aufladbaren elektrischen Batterie (1, 2) zur Stromspeicherung, b) einem von dem Verbrennungsmotor antreibbaren Startergenerator (9) mit einem integrierten Generator zur Stromerzeugung, wobei der Startergenerator (9) wahlweise den Verbrennungsmotor starten kann oder von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, um Strom zu erzeugen, c) einer spannungsführenden Netzleitung (5) zur elektrischen Kontaktierung der Batterie (1, 2), des Startergenerators (9) und des Anlassers (7), d) einem Energiespeicher (11) zur Stromspeicherung, wobei der Energiespeicher (11) d1) eine ausreichend große Kapazität aufweist, um einen Warmstart des Verbrennungsmotors durchzuführen, und d2) ein Kondensator ist, und mit e) einem Start-Stopp-System zum automatischen Abschalten des Verbrennungsmotors bei einer Standphase des Kraftfahrzeugs und zum automatischen Warmstart des Verbrennungsmotors durch den Startergenerator (9) am Ende der Standphase, wobei der Startergenerator (9) bei einem Warmstart aus dem Energiespeicher (11) mit Strom versorgt wird, und f) einem Anlasser (7) für einen Kaltstart des Verbrennungsmotors, wobei der der Anlasser (7) bei einem Kaltstart aus der Batterie (1, 2) mit Strom versorgt wird; dadurch gekennzeichnet, g) dass die Batterie (1, 2) über einen Hauptschalter (4) mit der spannungsführenden Netzleitung (5) verbunden ist, wobei die Batterie (1, 2) an die spannungsführende Netzleitung (5) anschließbar ist; und h) dass das Kraftfahrzeug-Bordnetz einen Gleichspannungswandler (10) aufweist, der mit der Netzleitung (5) verbunden ist, um den Startergenerator (9) für einen Warmstart mit der erforderlichen elektrischen Energie zu versorgen und um den Startergenerator (9) bei einem Warmstart unabhängig von der Batterie (1, 2) aus dem elektrischen Energiespeicher (11) mit der erforderlichen elektrischen Energie zu versorgen.Motor vehicle electrical system for a motor vehicle with an internal combustion engine, with a) a rechargeable electric battery (1, 2) for storing electricity, b) a starter generator (9) which can be driven by the internal combustion engine and has an integrated generator for generating electricity, the starter generator (9) being optional can start the internal combustion engine or is driven by the internal combustion engine in order to generate electricity, c) a live power line (5) for electrically contacting the battery (1, 2), the starter generator (9) and the starter (7), d) one Energy storage (11) for storing electricity, wherein the energy storage (11) d1) has a sufficiently large capacity to carry out a warm start of the internal combustion engine, and d2) is a capacitor, and with e) a start-stop system for automatically switching off the internal combustion engine during a stationary phase of the motor vehicle and for the automatic warm start of the internal combustion engine by the starter generator (9) at the end of the stationary phase, the starter generator (9) being supplied with power from the energy storage (11) during a warm start, and f) a starter (7) for a cold start of the internal combustion engine, wherein the starter (7) is supplied with power from the battery (1, 2) during a cold start; characterized in that g) the battery (1, 2) is connected to the live power line (5) via a main switch (4), wherein the battery (1, 2) can be connected to the live power line (5); and h) that the motor vehicle electrical system has a similar voltage converter (10), which is connected to the power line (5) in order to supply the starter generator (9) with the required electrical energy for a warm start and to make the starter generator (9) independent of the battery (1, 2) during a warm start ) to supply the required electrical energy from the electrical energy storage (11). Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Startergenerator (9) magnetfrei ist, und/oder b) dass der Startergenerator (9) ein Reluktanzmotor ist, insbesondere eine geschaltete Reluktanzmaschine.Motor vehicle electrical system Claim 1 , characterized in a) that the starter generator (9) is magnet-free, and / or b) that the starter generator (9) is a reluctance motor, in particular a switched reluctance machine. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Energiespeicher (11) ein Superkondensator ist, insbesondere ein Doppelschichtkondensator, und/oder b) dass der Energiespeicher (11) eine ausreichend große Kapazität aufweist, um die erforderliche elektrische Energie zu speichern, um das Bordnetz in den Standphasen des Start-Stopp-Systems zu versorgen und anschließend den Warmstart des Verbrennungsmotors durchzuführen.Motor vehicle electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that a) that the energy storage (11) is a supercapacitor, in particular a double-layer capacitor, and / or b) that the energy storage (11) has a sufficiently large capacity to provide the required electrical energy in order to supply the on-board electrical system during the standstill phases of the start-stop system and then carry out the warm start of the combustion engine. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Kraftfahrzeug-Bordnetz eine Bordnetzspannung aufweist, die so gering ist, dass kein Berührschutz erforderlich ist, insbesondere eine Bordnetzspannung von 24 V, und/oder b) dass die Batterie (1, 2) eine elektrochemische Batterie (1, 2) aufweist, insbesondere einen Bleiakkumulator, und/oder c) dass das Kraftfahrzeug-Bordnetz hochspannungsfrei ist ohne Hochspannungskomponenten mit einer Spannung, die einen Berührschutz erfordert, insbesondere ohne Hochspannungskomponenten mit mehr als 60V Gleichspannung oder 25V Wechselspannung.Motor vehicle on-board electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that a) that the motor vehicle on-board electrical system has an on-board electrical system voltage that is so low that no protection against contact is required, in particular an on-board electrical system voltage of 24 V, and/or b) that the battery ( 1, 2) has an electrochemical battery (1, 2), in particular a lead accumulator, and / or c) that the motor vehicle electrical system is free of high voltage without high-voltage components with a voltage that requires contact protection, in particular without high-voltage components with more than 60V DC or 25V AC voltage. Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, insbesondere Lastkraftwagen oder Stadtbus, mit einem Kraftfahrzeug-Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Motor vehicle, in particular commercial vehicle, in particular truck or city bus, with a motor vehicle electrical system according to one of the preceding claims. Betriebsverfahren für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die spannungsführende Netzleitung (5) des Kraftfahrzeug-Bordnetzes aus dem Energiespeicher (11) gespeist wird, insbesondere bei einem Startvorgang des Verbrennungsmotors, um die benötigte Energie bei einem Startvorgang des Verbrennungsmotors bereit zu stellen und in Standphasen die Verbraucher in dem Kraftfahrzeug-Bordnetz zu versorgen, - der Verbrennungsmotor bei einer Standphase des Kraftfahrzeugs durch das Start-Stopp-System automatisch abgeschaltet wird, - der Verbrennungsmotor am Ende einer Standphase von dem Start-Stopp-System im Rahmen eines Warmstarts automatisch wieder gestartet wird, - der Verbrennungsmotor bei dem Warmstart von dem Startergenerator (9) gestartet wird, - der Verbrennungsmotor bei einem Kaltstart von dem Anlasser (7) gestartet wird, und - der Anlasser (7) bei einem Kaltstart aus der Batterie (1, 2) mit Strom versorgt wird.Operating method for a motor vehicle electrical system according to one of the preceding claims, wherein - the live power line (5) of the motor vehicle on-board electrical system is fed from the energy storage (11), in particular when the internal combustion engine is started, in order to provide the energy required when the internal combustion engine is started and to supply the consumers in the motor vehicle on-board electrical system during stationary phases take care of, - the internal combustion engine is automatically switched off by the start-stop system when the motor vehicle is stationary, - the internal combustion engine is automatically restarted at the end of a stationary phase by the start-stop system as part of a warm start, - the internal combustion engine is started by the starter generator (9) during the warm start, - the internal combustion engine is started by the starter (7) during a cold start, and - The starter (7) is supplied with power from the battery (1, 2) during a cold start. Betriebsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug-Bordnetz in Standphasen des Start-Stopp-System von dem Energiespeicher versorgt wird.Operating procedures Claim 6 , characterized in that the motor vehicle electrical system is supplied by the energy storage device during stationary phases of the start-stop system. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (11) aus dem Kraftfahrzeug-Bordnetz aufgeladen wird, wenn der Verbrennungsmotor im Schubbetrieb arbeitet und keine mechanische Leistung abgibt.Operating procedure according to one of the Claims 6 until 7 , characterized in that the energy storage (11) is charged from the motor vehicle electrical system when the internal combustion engine is operating in overrun mode and does not produce any mechanical power. Betriebsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (11) das Kraftfahrzeug-Bordnetz während einer Standphase des Start-Stopp-Systems bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor mit der zuvor rekuperierten elektrischen Energie versorgt.Operating procedures Claim 8 , characterized in that the energy storage (11) supplies the motor vehicle electrical system with the previously recuperated electrical energy during a stationary phase of the start-stop system with the internal combustion engine switched off.
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