DE3610767A1 - Schaltung von solarzelleneinheiten zum wechselweisen betrieb eines belueftungsgeblaeses und zum laden eines akkumulators in einem kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung von Solarzellen­ einheiten zum wechselweisen Betrieb eines Belüftungs­ gebläses und zum Laden eines Akkumulators in einem Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung liegt im Bereich der Kühlung eines Kraftfahrzeuginnenraums. Bekanntlich wird der Fahrgast­ raum eines Kraftfahrzeugs bei Sonneneinstrahlung stark aufgeheizt, wozu insbesondere der sogenannte Treibhaus­ effekt beiträgt. Verstärkt tritt dieser Effekt bei modernen, aerodynamisch gestalteten Fahrzeugen mit schrägangestellten Scheiben auf.

Um den Fahrgastraum zu kühlen, ist es bekannt, den Fahrt­ wind über Einlaß- und Auslaßöffnungen steuerbar durch den Fahrgastraum als Kühlluftstrom zu leiten. Zur Unter­ stützung dieses Luftstroms oder bei Langsamfahrten und Stillstand wird zusätzlich ein elektrisches Belüftungs­ gebläse verwendet, das relativ kühlere Außenluft ansaugt und durch Einlaßöffnungen am Armaturenbrett in den Fahr­ gastraum drängt und durch Auslaßöffnungen im Fahrgast­ rückraum austreten läßt. Der Kühleffekt wird dabei einer­ seits dadurch erreicht, daß wegen des Luftaustausches die Temperatur im Fahrgastraum abgesenkt wird und anderer­ seits ein Luftstrom am Fahrgast vorbeistreicht, was als kühlend empfunden wird.

Ein solches Belüftungsgebläse wird über die elektrische Bordenergieversorgung betrieben und wie die meisten elek­ trischen Verbraucher im Kraftfahrzeug mit dem Zündschlüs­ sel bei abgestelltem Fahrzeug ausgeschaltet. Dies führt dazu, daß sich der Fahrgastraum eines abgestellten Fahr­ zeugs bei Sonneneinstrahlung und ohne einer Zwangsbelüf­ tung sehr stark aufheizt. Dies ist für einen Fahrer, der mit einem so aufgeheizten Fahrzeug wegfährt, anfangs unangenehm, da erst im Laufe der Zeit ein Luftaustausch mit der kühleren Umgebungsluft bei eingeschaltetem Geblä­ se, heruntergekurbelten Fenstern, etc. möglich ist. Diese hohen Fahrgastraumtemperaturen beim Wegfahren treten auch bei Fahrzeugen mit Klimaanlagen auf, da auch die Klima­ anlage eine bestimmte Zeit für eine Temperaturabsenkung benötigt. Ein weiterer Nachteil einer starken Fahrgast­ raumaufheizung liegt darin, daß mitgeführte Gegenstände, wie z. B. Kameras, Filme, Tonbandcassetten, etc. hitze­ empfindlich und bei den hohen auftretenden Temperaturen gefährdet sind.

Um hier eine Verbesserung zu schaffen, wurde bereits vor­ geschlagen, an der Kraftfahrzeugaußenseite Solarzellen anzubringen. Bei Sonnenschein, wenn eine Kühlung des Fahrgastraums notwendig wird, kann mit der von den Solar­ zellen abgegebenen elektrischen Energie ein Gebläse betrieben werden, ohne daß die übliche elektrische Ener­ gieversorgung des Kraftfahrzeugs, d. h. bei abgestelltem Fahrzeug der Akkumulator, unerwünscht belastet wird. Wenn Solarzellen verwendet sind, ist es zur Verbesserung des gesamten Energiehaushalts vorteilhaft, diese zur Akkumu­ latorladung mit heranzuziehen, wenn das Belüftungsgebläse nicht mit Solarzellenenergie betrieben werden braucht, d. h. wenn keine Kühlung erforderlich ist, während der Fahrt die Fahrtwindkühlung ausreicht oder das Gebläse in herkömmlicher Weise über das Bordnetz betrieben wird.

Durch die gewünschte zweifache Verwendung der Solar­ zellen zum Betrieb eines Belüftungsgebläses und zur Akkumulatorladung treten Probleme auf:

Bei den meisten Kraftfahrzeugen ist die elektrische Energieversorgung mit 12 V ausgeführt, so daß die Solar­ zellen für eine Akkumulatorladung in jedem Fall eine Spannung größer als 12 V abgeben müssen. Dieser Spannungs­ pegel ist aber für den Betrieb des herkömmlichen und weiter notwendigen im Fahrzeug vorhandenen Belüftungs­ gebläses ungünstig, wie nachfolgend gezeigt wird.

Herkömmliche Belüftungsgebläse sind so ausgelegt, daß sie in unterschiedlichen Schaltstufen einstellbar für unter­ schiedliche Luftleistungen betrieben werden können. Unterschiedliche Luftleistungen werden dadurch erzeugt, daß am Gebläsemotor mit Hilfe eines handbetätigbaren Einstellknopfes über unterschiedliche Vorwiderstände oder ein Potentiometer unterschiedliche elektrische Spannungen anlegbar sind.

Die maximale Spannung entspricht dabei der Bordnetz­ spannung von 12 V. Dabei bringt das Belüftungsgebläse die größte Luftleistung, verbunden mit einer hohen Geräusch­ entwicklung. Das Verhältnis zwischen der aufgewendeten elektrischen Leistung und der durch den Fahrgastraum bewegten Luftstrommenge ist nicht linear, sondern steigt bei üblichen Anordnungen etwa mit der dritten Potenz an. Wenn beispielsweise bei einem Betrieb des Belüftungs­ gebläses mit 12 V eine Temperaturabsenkung im Fahrgastraum von 30°C erreicht wird, kann eine Temperaturabsenkung um ca. 25°C, d. h. unwesentlich weniger, bereits bei einer angelegten Spannung von ca. 6 V erreicht werden, bei einem wesentlich geringeren elektrischen Energie­ verbrauch und weniger Geräuschentwicklung. Bei den meisten Fahrzeugen ist daher das Belüftungsgebläse so ausgelegt, daß es für eine üblicherweise ausreichende Kühlwirkung in einem mittleren Spannungsbereich um ca. 6 V zu betreiben ist. Der Betrieb mit 12 V ist nur für extreme Bedingungen vorgesehen, wobei, wie gezeigt, die Effektivität und Kühlwirkung dennoch nicht im gleichen Maße wie die aufge­ wendete elektrische Leistung und die Geräuschentwicklung steigen.

Ein Betrieb des Belüftungsgebläses mit einer Spannung wesentlich kleiner als 6 V ist nicht zweckmäßig, da dann bei der oben beschriebenen Auslegung des Belüftungs­ gebläses kein spürbarer Luftstrom mehr im Fahrgastraum auftritt und der Fahrgast keinen angenehm kühlenden Luft­ strom mehr empfindet.

Wie vorstehend beschrieben, ist der Betrieb des in einem Fahrzeug vorhandenen Gebläses mit einer Spannung im Bereich von 12 V hinsichtlich des Energiebedarfs und des Wirkungsgrads ungünstig. Wenn nun eine Solarzellenanord­ nung eine Spannung von etwas über 12 V abgibt, um auch für die Ladung des Akkumulators zur Verfügung zu stehen, würde bei einer Umschaltung auf das herkömmliche vor­ handene Gebläse ein Betrieb in dem ungünstigen 12-V- Bereich erfolgen, wozu für die erforderliche elektrische Leistung große Solarzellenflächen notwendig wären.

Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, nicht das ohnehin vorhandene Belüftungsgebläse zu verwenden, sondern zu­ sätzlich ein Zusatzgebläse einzusetzen, das speziell an einen Betrieb bei ca. 12 V angepaßt ist und das bei einem Kühlbedarf mit den Solarzellen verbunden wird. Die Solar­ zellen sind für diesen Fall zum Laden des Akkumulators und für einen effektiven Betrieb des Zusatzgebläses ge­ eignet.

Eine solche Anordnung hat eine Reihe von Nachteilen, da ein zusätzliches Gebläse mit zusätzlichen Herstellungs­ kosten, Gewicht, Bauraum und Steuerung erforderlich wird. Weiter ist der Wirkungsgrad des Zusatzgebläses dadurch stark eingeschränkt, daß beim Betrieb des Zusatzgebläses das Hauptgebläse stillsteht und der stehende Rotor den Lufteintritt abdeckt und den Strömungswiderstand für das Zusatzgebläse erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltung von Solarzelleneinheiten zum wechselweisen Betrieb eines Belüftungsgebläses und zum Laden eines Akkumulators in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, mit der ein herkömmliches und im Kraftfahrzeug vorhandenes Gebläse zur Kühlung bei einem abgestellten Fahrzeug verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Schaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 werden wenigstens zwei Solarzelleneinhei­ ten und eine Umschalteinheit verwendet, mit der in einer ersten Schaltstellung die Solarzelleneinheiten in Reihe geschaltet und mit dem Akkumulator verbunden sind, wobei die Solarzelleneinheiten dabei eine Spannung oberhalb der Akkumulatorspannung von üblicherweise 12 V abgeben. ln einer zweiten Schaltstellung sind die Solarzelleneinheiten parallel geschaltet und mit dem Belüftungsgebläse verbun­ den, wobei die Solarzellen dabei zur Anpassung an einen effektiven Betriebspunkt des vorhandenen Belüftungsgeblä­ ses eine Spannung unterhalb der Akkumulatorspannung, üblicherweise ca. 6 V abgeben.

Damit wird vorteilhaft erreicht, daß kein spezielles Zusatzgebläse eingesetzt zu werden braucht. Zudem ist die Umschaltung und Anpassung der Solarzelleneinheiten an den Belüftungsbetrieb einfach und kostengünstig, ohne aufwendige Elektronik, durchführbar. Das vorhandene Belüf­ tungsgebläse kann betrieben werden, ohne daß große Solar­ zellenflächen erforderlich sind.

Eine Umschaltung der Umschalteinheit wäre durch einen separaten Handschalter denkbar, der bei abgestelltem Fahrzeug auf den Gebläsebetrieb eingestellt wird. Nach Anspruch 2 wird eine dagegen verbesserte Ausführung vor­ geschlagen, wobei die Umschaltung mit Hilfe des Zünd­ schlüssels erfolgen soll. Wird die Zündung mit dem Zündschlüssel abgeschaltet, wird automatisch auf die Umschaltstellung für den Belüftungsgebläsebetrieb geschal­ tet. Der Fahrgastraum wird dann bei abgestelltem Fahrzeug und Sonnenbestrahlung der Solarzellen immer belüftet und gekühlt.

Nach Anspruch 3 kann es zweckmäßig sein, auch einen Fahr­ gastinnenraum-Thermostat für eine Umschaltung zu verwen­ den, der ab einer bestimmten höheren Temperatur auf Belüf­ tungsbetrieb umschaltet. Die Merkmale des Anspruchs 2 und 3 können auch kombiniert werden.

Anhand einer Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vor­ teilen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Schemadarstellung einer erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Gegebenheiten beim Ladungs­ betrieb darstellt und

Fig. 3 ein Diagramm, das die Gegebenheiten beim Belüf­ tungsbetrieb darstellt.

In Fig. 1 ist eine Schaltung 1 dargestellt, mit zwei Solarzelleneinheiten 2, 3, einem Belüftungsgebläsemotor 4 und einem Kraftfahrzeugakkumulator 5 sowie einer Umschalt­ einheit 6.

Die Umschalteinheit besteht aus einem ersten Schalter 7, der entweder einen Stromkreis zum Motor 4 oder zum Akkumulator 5 schließt. Weitere Schalter 8, 9, 10 dienen dazu, die Solarzelleneinheiten 2, 3 von einer dargestell­ ten Parallelschaltung, bei der über den Schalter 7 der Motorstromkreis geschlossen ist, in eine Reihenschaltung zu überführen, bei der dann der Akkumulatorstromkreis geschlossen ist.

Die Schalter 7 bis 10 sind in der Darstellung als Relais­ kontakte ausgeführt, die zu einem Schaltrelais 11 gehören, das über einen Zündschlüsselschalter 12 und einen paralle­ len Schalter 13 eines Thermostaten aktivierbar ist. Es versteht sich, daß die Schalter 7 bis 10 auch direkt durch eine mechanische Übertragung mit dem Zündschlüssel oder über einen Ausdehnungs- oder Bimetallthermostaten von diesem betätigbar sein können.

Die dargestellte Anordnung hat folgende Funktion:

Bei abgezogenem Zündschlüssel ist der Zündschlüsselschal­ ter 12 geöffnet. Bei einer Temperatur im Fahrgastraum des abgestellten Fahrzeugs, oberhalb einer bestimmten Grenz­ temperatur, ist auch der Thermostatschalter 13 geöffnet, wie dargestellt. Dann befindet sich das Schaltrelais 11 in der nicht erregten und die Schalter 7 bis 10 in der dargestellten Stellung, wobei die Solarzelleneinheiten 2, 3 elektrisch parallel schalten und mit dem Belüftungs­ gebläsemotor 4 verbunden sind. Es wird somit für diesen Fall das Fahrzeug bei Sonneneinstrahlung belüftet. In der dargestellten Anordnung ist unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur der Thermostatschalter 13 geschlossen, wodurch die Solarzelleneinheiten 2, 3 über den Schalter 9 elektrisch hintereinander geschaltet werden, so daß auch dann bei Sonneneinstrahlung eine Ladung des Akkumulators 5 erfolgen kann. Wenn der Zündschlüssel betätigt wird und der Schalter 12 damit geschlossen ist, ist in jedem Fall auf den Ladebetrieb umgeschaltet, auch wenn der parallele Thermostatschalter 13, z. B. bei eingeschalteter Heizung, eine zu hohe Temperatur anzeigen und öffnen sollte. Es sind jedoch auch andere Anordnungen und Kriterien für die Umschaltung zwischen Belüftungs- und Ladebetrieb möglich, die im Ermessen des Fachmanns liegen.

In Fig. 2 ist ein Diagramm für den Ladebetrieb bei einer Hintereinanderschaltung der Solarzelleneinheiten 2, 3 dargestellt: In einer doppelt logarithmischen Anordnung ist nach rechts die elektrische Spannung U in Volt und nach oben sowohl die elektrische Leistung P in Watt als auch der Luftstrom m in kg/min aufgetragen. Mit der punk­ tiert-strichlierten Linie P=f(U) ist eine typische Gebläsekennlinie für die Leistungsaufnahme eines Belüf­ tungsgebläses in Abhängigkeit der angelegten Spannung aufgenommen.

Die durchgezogene Kurve P=f(U) zeigt eine typische Kennlinie handelsüblicher Solarzelleneinheiten, wobei der nach oben weitergeführte Ast die Kennlinie bei kalten Solarzellen und der darunterliegende Ast die Kennlinie bei einer Solarzellentemperatur von 80°C darstellt. Die Kurve zeigt die Leistungsabgabe bei einer Sonnenbe­ strahlung der Solarzellen bei einem wolkenfreien, klaren Himmel in gemäßigten Breiten, wo die Strahlungsleistung bei ca. 900 W/m² liegt.

Mit der strichlierten Linie m=f(U) ist der durch den Fahrgastraum bewegte Luftstrom in Abhängigkeit der am Belüftungsgebläsemotor angelegten Spannung angegeben.

Die in Fig. 2 dargestellte Solarzellenkennlinie betrifft die Hintereinanderschaltung der beiden Solarzelleneinhei­ ten 2, 3, wobei deren abgegebene Spannung ersichtlich sowohl im kalten als auch im warmen Zustand oberhalb einer Spannung von 12,5 V (strichlierte Linie 14) liegt. In der Hintereinanderschaltung sind die Solarzellenein­ heiten 2, 3 somit für eine Ladung eines 12-V-Akkumulators geeignet.

Würde in dieser Hintereinanderschaltung auch ein Belüf­ tungsgebläse entsprechend der eingezeichneten Kennlinie betrieben, würde sich ein Arbeitspunkt 15 an den Kenn­ linienschnittpunkten ergeben. Bei einer Übertragung (nach unten) auf die Kennlinie m=f(U) am Punkt 16 ergibt sich eine nur geringe Luftstrommenge von ca. 4 kg/min.

Das Diagramm in Fig. 3 zeigt die gleichen Kennlinien wie aus Fig. 2, nur daß die Solarzellenkennlinie P=f(U) für die Parallelschaltung eingezeichnet und dadurch insgesamt nach links verschoben ist: In dieser Parallelschaltung ist die Solarzellenanordnung zum Laden eines 12-V-Akkumulators nicht mehr geeignet, da eine Spannung größer 12 V übli­ cherweise nicht mehr abgegeben wird: Dagegen ergibt sich ein Arbeitspunkt 17 für kalte Solarzellen, was einen wesentlich höheren Luftstrom von ca: 7 kg/min im Vergleich zu einer Anordnung ohne Umschaltung (4 kg/min) entspricht: Für auf 80°C hochaufgeheizte Solarzellen ergibt sich ein Arbeitspunkt 18, dem immer noch ein hoher Luftstrom von ca. 6,4 kg/min bei 6,5 V anliegender Spannung entspricht.

Zusammenfassend wird festgestellt, daß mit der vorgeschla­ genen Umschaltung zwischen einer Hintereinanderschaltung und Parallelschaltung von Solarzelleneinheiten eine einfache, zuverlässige und kostengünstige Anpassung an einen Lade- und Belüftungsbetrieb in einem Kraftfahr­ zeug erreicht wird.

Claims (3)

1. Schaltung von Solarzelleneinheiten zum wechselweisen Betrieb eines Belüftungsgebläses und zum Laden eines Akkumulators in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Solarzelleneinheiten (2, 3) verwendet sind, daß eine Umschalteinheit (6) vorgesehen ist, mit der in einer ersten Schaltstellung die Solarzelleneinheiten (2, 3) in Reihe geschaltet und mit dem Akkumulator (5) verbunden sind, wobei die Solarzelleneinheiten (2, 3) dabei eine Spannung oberhalb der Akkumulatorspannung abgeben, in einer zweiten Schaltstellung die Solarzelleneinhei­ ten (2, 3) parallel geschaltet und mit dem Belüftungs­ gebläse (4) verbunden sind, wobei die Solarzellenein­ heiten (2, 3) dabei zur Anpassung an das Belüftungs­ gebläse (4) eine Spannung unterhalb der Akkumulator­ spannung abgeben.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umschalteinheit (6) von der ersten in die zweite Schaltstellung mit Hilfe des Zündschlüssels beim Ausschalten der Zündung oder beim Abziehen des Schlüssels (Schalter 12) geschaltet wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Fahrzeuginnenraum ein Thermostat (Schalter 13) angebracht ist, durch den oberhalb einer bestimmten Temperatur die Umschal­ tung von der ersten in die zweite Schaltstellung erfolgt.