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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung
einer Batterietemperatur, insbesonders der Temperatur einer
Fahrzeugbatterie bzw. der Temperatur der Batteriesäure nach
der Gattung des Hauptanspruchs.
Stand der Technik
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Zur Bestimmung des Ladezustandes einer Batterie,
beispielsweise einer Fahrzeugbatterie wird als Eingangsgröße
u. a. die Temperatur der Batterie benötigt. Bei einer
Bleibatterie wird insbesonders die Temperatur der
Batteriesäure benötigt, damit eine optimale
Ladezustandsbestimmung und damit auch eine optimale Ladung
möglich ist. Idealerweise müßte ein in die Batterie
eingebauter säureresistenter Sensor die Säuretemperatur
messen, eine solche Lösung ist jedoch sehr aufwendig. Üblich
ist daher, die Batterietemperatur mit Hilfe eines
Temperatursensors zu erfassen, der am Polschuh, am
Polanschluß oder am Batteriegehäuse befestigt ist. Eine
Temperaturerfassung mittels eines derart angeordneten
Sensors hat jedoch den Nachteil, dass zusätzliche Kosten für
den Sensor, die Sensormontage und die Verkabelung zwischen
dem Sensor und dem Steuergerät, das die
Ladezustandserkennung durchführen soll, verursacht werden.
Außerdem gestaltet sich ein Batterieaustausch schwieriger,
wenn dabei zusätzlich eine Demontage bzw. Montage des
Sensors durchzuführen ist. Insgesamt ist eine solche
Temperaturmessung mit einem beträchtlichen Aufwand
verbunden.
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Ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur einer
Fahrzeugbatterie, das ohne zusätzlichen Temperatursensor an
der Batterie arbeitet, wird in der DE-US 198 06 135 in
allgemeiner Form beschrieben. Es wird dabei angegeben, dass
zur Ermittlung der Temperatur der Fahrzeugbatterie diese
indirekt in Abhängigkeit von der Motortemperatur und der
Umgebungstemperatur berechnet wird. Die Berechnung der
Batterietemperatur wird mit Hilfe eines in einem Steuergerät
enthaltenen Mikroprozessors durchgeführt. Bei der Berechnung
der Fahrzeugtemperatur werden Modelle zugrunde gelegt, in
die verschiedene Größen oder Meßdaten einfließen. Eine
Größe, die bei der Berechnung berücksichtigt wird, ist neben
der Motor- bzw. Umgebungstemperatur auch die Stillstandszeit
des Fahrzeuges. Auch die Fahrzeuggeschwindigkeit kann
berücksichtigt werden. Spezielle Vorgehensweisen bzw.
Algorithmen werden in der bekannten Druckschrift jedoch
nicht beschrieben.
Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäßen Verfahren erlauben eine besonders
vorteilhafte Bestimmung der Batterietemperatur, insbesondere
der Batteriesäuretemperatur, ohne dass der Batterie selbst
ein Sensor zugeordnet werden muß oder ohne dass ein Sensor
in die Batterie integriert werden muß. In besonders
vorteilhafter Weise wird das Verfahren zur Abschätzung der
Batterietemperatur bzw. der Batteriesäuretemperatur abhängig
von Betriebsbedingungen abgewandelt bzw. angepaßt, so dass
eine besonders genaue Abschätzung der
Batteriesäuretemperatur möglich ist.
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Erzielt werden diese Vorteile durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Vorteile der Erfindung
werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen
Maßnahmen erzielt. Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein
Steuergerät, beispielsweise ein Bordnetzsteuergerät mit
einem geeigneten Prozessor.
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Die ermittelte Batterietemperatur bzw. die
Batteriesäuretemperatur kann in vorteilhafter Weise über
eine entsprechend ausgestaltete Schnittstelle dem
Generatorregler mitgeteilt werden, der daraus die von der
Batterietemperatur abhängige optimale Ladespannung
einstellt. Dies ist eine weitere vorteilhafte Lösung, die
zusätzlich zur Berücksichtigung der Batteriesäuretemperatur
bei der Ladezustandsermittlung eingesetzt werden kann und so
eine optimale Regelung des Generators und eine vorteilhafte
Batterieladung ermöglicht.
Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Im Einzelnen zeigt Fig. 1 die für das
Verständnis der Erfindung wesentlichen Bestandteile eines
Fahrzeugbordnetzes. In Fig. 2 ist ein Verzögerungsglied
1. Ordnung skizziert und Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes
Verfahren zur Temperaturschätzung, mit dem die
Säuretemperatur der Batterie aus einer nicht in der Batterie
gemessenen Temperatur berechnet werden kann. In Fig. 4 ist
eine erfindungsgemäße Ausgestaltung, die im Betriebsmodus
des die Verfahren durchführenden Steuergerätes abläuft,
schematisch dargestellt.
Beschreibung
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In Fig. 1 sind die erfindungswesentlichen Bestandteile
eines Fahrzeugbordnetzes dargestellt. Im Einzelnen ist der
vom nicht dargestellten Motor eines Fahrzeugs angetriebene
Generator mit 10 bezeichnet. Der Generator 10 wird auf die
Ausgangsspannung UG geregelt und liefert die elektrische
Energie, die in der Batterie 11 gespeichert wird. Die
Regelung des Generator erfolgt mit Hilfe eines
Spannungsreglers 12. Die Verbraucher des Bordnetzes sind mit
13 bezeichnet. Ein Starter bzw. Anlasser 14 bringt den Motor
des Fahrzeugs im Startfall auf die erforderlichen
Mindestdrehzahlen. Gegebenenfalls erforderliche Schalter,
über die beispielsweise die einzelnen Verbraucher 13 oder
der Starter 14 mit der Batterie 11 verbunden werden können,
sind nicht dargestellt.
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Ein Steuergerät 15, das beispielsweise ein
Bordnetzsteuergerät oder das übliche Motorsteuergerät ist,
führt die erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der
Säuretemperatur der Batterie 11 durch. Das Steuergerät 15
ist dabei in der Nähe der Batterie 11 angeordnet und weist
einen Temperatursensor 16 bzw. ein temperatursensitives
Element auf, der die Steuergerätetemperatur mißt. Dem
Steuergerät 15 werden weitere zur Durchführung der
erfindungsgemäßen Verfahren benötigte Informationen
zugeführt. Diese Informationen werden beispielsweise von
einem weiteren Temperatursensor 17 geliefert, der in einem
herkömmlichen Fahrzeug ohnehin vorhanden ist. Der
Temperatursensor 17 ermittelt beispielsweise die
Motortemperatur oder die Außentemperatur oder eine sonstige
Temperatur. Weitere Informationen, die das Steuergerät 15
benötigt, können auch über einen CAN-Bus, der im Fahrzeug
ohnehin vorhanden ist, zur Verfügung gestellt werden. Über
den CAN-Bus steht dann das Steuergerät mit weiteren
Steuergeräten, insbesondere auch mit dem Motorsteuergerät in
Verbindung.
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Das Steuergerät 15 umfaßt die für die Durchführung der
erfindungsgemäßen Verfahren erforderlichen Mittel wie
Prozessoren, Speicher usw. Das Steuergerät 15 wird
üblicherweise aus der Batterie 11 mit Spannung versorgt,
Verbindung, beispielsweise über einen zusätzlichen
Spannungswandler 18, der die erforderliche
Versorgungsspannung für das Steuergerät 15 erzeugt.
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Das Steuergerät 15 ist üblicherweise in seinem Betriebsmode.
Bei Fahrzeugstillstand kann das Steuergerät 15 aber in einen
Ruhezustand, auch sleep-mode genannt, versetzt werden. In
diesem Zustand verarbeitet es keine Signale, insbesonders
werden keine neuen Temperaturwerte erfasst. In diesem
Ruhezustand wird das Steuergerät 15 jedoch in regelmäßigen
Abständen, beispielsweise alle zwei Stunden aktiviert bzw.
geweckt und ermittelt dann kurzzeitig die Temperatur.
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Die im Steuergerät 15 ablaufenden Verfahren zur Ermittlung
der Temperatur der Batteriesäure ermöglichen es, diese
Temperatur zu bestimmen, ohne dass ein Sensor in der
Batterie 11 integriert werden muß. Die Säuretemperatur wird
über die Temperatur berechnet, die der in das Steuergerät 15
integrierter Sensor 16 erfasst, gegebenenfalls wird auch
noch eine Temperatur berücksichtigt, die ein Sensor 17
erfasst, der die Motortemperatur mißt oder die
Außentemperatur. Diese beiden Temperaturen werden
üblicherweise ohnehin ermittelt und stehen daher
beispielsweise über einen CAN-Bus des Fahrzeugs bereits zur
Verfügung.
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Bei der Ermittlung bzw. Abschätzung der Batterietemperatur,
bzw. der Temperatur der Säure der Batterie 11 werden
folgende Annahmen getroffen:
Aufgrund der Wärmekapazität der Batteriesäure verhält sich
deren Temperatur gegenüber der Umgebungstemperatur wie ein
Verzögerungsglied 1. Ordnung mit der Verstärkung K = 1 und
der Zeitkonstanten T als applizierbarem Parameter. Die
Zeitkonstante T hängt dabei von der Batteriegröße ab. Die
Umgebungstemperatur ist dann die Umgebungstemperatur der
Batterie im Kofferraum des Fahrzeugs.
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Ein Modell für ein Verzögerungsglied 1. Ordnung ist in Fig.
2 dargestellt als Eingangsgröße dient die
Umgebungstemperatur der Batterie TU und als Ausgangsgröße
die Batteriesäuretemperatur TBS. Durch eine solche
Modellierung ist eine kontinuierliche Schätzung der
Batteriesäuretemperatur TBS möglich, wenn angenommen wird,
dass der Temperatursensor 16 sich im Steuergerät 15 befindet
und die Temperatur des Steuergerätes 15 mißt, die
näherungsweise der Umgebungstemperatur TU der Batterie
entspricht, unter der Voraussetzung, dass das Steuergerät 15
und die Batterie 11 nahe beieinander, beispielsweise im
Kofferraum des Fahrzeuges eingebaut sind.
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Im Betriebsmodus des Steuergerätes 15 stehen kontinuierlich
Temperaturwerte, die von Sensor 17 geliefert werden, für die
Berechnung der Batteriesäuretemperatur TBS zur Verfügung.
Bei Fahrzeugstillstand befindet sich das Steuergerät 15 in
einem sogenannten sleep-modus, bei dem keine neuen
Temperaturwerte mehr ermittelt werden können. Das
Steuergerät wird jedoch in regelmäßigen Abständen aktiviert
und registriert dann die Temperatur. Über die so gemessenen
Temperaturwerte kann die Batteriesäuretemperatur TBS
nachgeführt werden. Für die Abschätzung der Batterie-
Säuretemperatur ergibt sich die folgende Vorgehensweise, bei
der sich die Temperaturschätzung nach zwei verschiedenen
Verfahren ergibt.
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In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für die
Temperaturschätzung bzw. für die Schätzung der
Batteriesäuretemperatur nach zwei Verfahren dargestellt.
Dabei wird die vom Sensor 16 gemessene Temperatur TS, die
beispielsweise der Umgebungstemperatur TU entspricht, der
weiteren Auswertung zugeführt. Dabei wird in dem als Block
19 dargestellten Umschaltmittel entweder auf das Verfahren
im Stopmodus 20 oder das Verfahren im Betriebsmodus 21
umgeschaltet. Im Block 19 entspricht die Schalterstellung 1
dem Betriebsmodus des Steuergerätes. Eine Umschaltung auf
Position 0 erfolgt, wenn der Steuergerätemodus Sleep-Mode
vorliegt.
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Die beiden Verfahren zur Temperaturschätzung im Sleep-Modus
oder im Betriebsmodus liefern bei entsprechendem
Steuergerätemodus, also Schalterstellung 0 oder 1, die zu
schätzende Batteriesäuretemperatur TBS.
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Die Unterteilung der Temperaturschätzung in ein Verfahren im
Sleep-Modus und ein Verfahren im Betriebsmodus ist
einerseits erforderlich, da im Sleep-Modus nur wenige
Temperaturwerte zur Verfügung stehen und im Betriebsmodus
die herrschenden Bedingungen berücksichtigt werden müssen.
Aufgrund der Eigenerwärmung des Steuergerätes 15 im
Betriebsmodus infolge von Verlustleistung mißt der
integrierte Temperatursensor einen gegenüber der
Umgebungstemperatur erhöhten Wert. Um dies zu
berücksichtigen, wird im Betriebsmodus vor Eingang der
gemessenen Temperatur in das Verzögerungsglied 1. Ordnung
eine Temperaturkompensation durchgeführt.
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Dabei wird wie in Fig. 4 dargestellt, beispielsweise ein
konstanter Wert δT subtrahiert. δT ist dabei ein
Applikationsparameter. Das Verfahren, das zur
Temperaturschätzung im Betriebsmodus abläuft, ist speziell
dann erforderlich, wenn der Temperatursensor im Steuergerät
angeordnet ist. Ist der Temperatursensor an anderer Stelle
angeordnet, muß dies bei der Temperaturkompensation
ebenfalls berücksichtigt werden.
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Damit das erfindungsgemäße Temperaturschätzverfahren sowohl
im Sleep-Modus als auch im Betriebsmodus im Rechner des
Steuergerätes implementiert werden kann, wird es zeitdiskret
realisiert. Aufgrund der Trägheit des Temperaturverhaltens
ist es dabei ausreichend, beispielsweise alle 30 sec neue
Werte für die Temperatur der Batteriesäure TBS zu berechnen.
Die Berechnungsvorschrift im Betriebsmodus lautet:
TB (n) = TB (n-1) + (TS (n) - δT - TB (n-1).ST/T
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Im Sleep-Modus wird die Batteriesäuretemperatur TBS bei
jeder Aktivierung bzw. bei jedem Wecken des Steuergerätes
einmal geschätzt und zwar mittels linearer Interpolation,
sofern die Dauer des Sleep-Modus noch unterhalb einer
vorgebbaren Zeitdauer liegt. Diese Zeitdauer beträgt
beispielsweise 8 Stunden. Die Berechnungsvorschrift lautet
dann:
TB(n) = TB(n-1) + (TS(n) - TB(n-1)).(tn-tn-1)/T
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Diese Berechnung gilt, sofern die Zeit für den Sleep- bzw.
Stopmodus tS < TG ist, wobei TG eine Grenzzeit ist und
beispielsweise 8 Stunden beträgt. Die Weckzeiten sind mit tn
bezeichnet.
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Der Initialisierungswert TB (0) ist die zuletzt im
Betriebsmodus ermittelte Batteriesäuretemperatur TBS. Eine
Temperaturkompensation findet dabei nicht statt, da sich das
Steuergerät durch das kurze Wecken im Stopmodus nicht
nennenswert erwärmt.
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Dauert der Sleep- bzw. Stopmodus länger als die Grenzzeit TG
von beispielsweise 8 Stunden an, wird angenommen, dass die
Motorkühlmitteltemperatur des Fahrzeuges aufgrund einer
ähnlichen Zeitkonstante näherungsweise auf den Wert der
Batteriesäuretemperatur eingeschwungen ist. Daher wird nach
Ablauf der Grenzzeit TG von beispielsweise 8 Stunden im
Stopmodus die Motorkühlmitteltemperatur direkt als Batterie-
Säuretemperaturwert übernommen. Die
Motorkühlmitteltemperatur steht üblicherweise dem
Motorsteuergerät ohnehin zur Verfügung und kann an das
Bordnetzsteuergerät bzw. die Recheneinrichtung zur
Ermittlung der Batteriesäuretemperatur übergeben werden,
beispielsweise über einen CAN-Bus.
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Zu Beginn des Betriebsmodus benötigt das Verzögerungsglied
1. Ordnung einen Initialisierungswert TB (0). Dazu wird der
Übergang in den Betriebsmodus wie ein Wecken im Stopmodus
behandelt und ein Wert mit dem oben beschriebenen Verfahren
des Stopmodus ermittelt, der dann das Verzögerungsglied
1. Ordnung des Betriebsmodus initialisiert. Die Bedingung
lautet:
TB, Betrieb (0) = TB,Stop (n)
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Zur Plausibilisierung und Überwachung wird ein Wertebereich
vorgegeben, innerhalb dessen die berechnete
Batteriesäuretemperatur liegen muß. Dieser Wert kann
zusätzlich noch abhängig von Fahrzeuginnenraum, Außen- und
Motortemperatur variieren. Die zuletzt genannten
Temperaturen stehen üblicherweise über den CAN-Bus des
Fahrzeuges zur Verfügung bzw. werden mit den Sensoren 17
gemessen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Temperatur der
Batteriesäure ohne einen in der Batterie angeordneten
Batteriesensor optimal abgeschätzt werden. Diese geschätzte
Temperatur der Batteriesäure kann dann beispielsweise bei
der Bestimmung der Höhe der Ausgangsspannung des Generators
berücksichtigt werden, dazu gibt es eine Wirkverbindung
zwischen dem Steuergerät 15 und dem Spannungsregler 12.
Bereits heute ist es üblich, bei tiefen Temperaturen
(Batterietemperaturen) eine höhere Ausgangsspannung des
Generators vorzusehen, als bei höheren Temperaturen. Diese
Regelstrategie kann jedoch mit den nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren berechneten bzw. abgeschätzten
Batteriesäuretemperaturen genauer eingestellt werden als bei
herkömmlichen Systemen.