DE10232539A1

DE10232539A1 - Energie- und Verbrauchermanagement in einem elektrischen Bordnetz

Info

Publication number: DE10232539A1
Application number: DE10232539A
Authority: DE
Inventors: Oliver Luz; Reinhard Rieger; Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-07-18
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2004-02-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verwaltung elektrischer Energie in einem Bordnetz, insbesondere ein Kfz-Bordnetz mit mehreren elektrischen Verbrauchern (8), die von einem Generator (11) und einer Batterie (9) mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei die Verbraucher in einer ersten Phase nach dem Einschalten eine Spitzenleistung (Pmax) und in einer zweiten Phase nach dem Einschalten eine Nennleistung (Pnenn) anfordern, sowie einer Steuereinrichtung (14) zur Durchführung eines Energie- und Verbrauchermanagements. Zur Vermeidung von Spannungseinbrüchen beim Zuschalten von Verbrauchern und zur Verbesserung der Fahrzeugsicherheit wird vorgeschlagen, nach einer Einschaltanforderung die im Bordnetz verfügbare Spitzen- (Pmax) und Nennleistung (Pnenn) zu ermitteln und den Einschaltzeitpunkt für den Verbraucher zeitlich zu verzögern sowie Versorgungsleistung erhöhende Maßnahmen und/oder verbrauchsmindernde Maßnahmen einzuleiten, falls nicht genügend Spitzen- oder Nennleistung (Pmax, Pnenn) verfügbar ist, und den neuen Verbraucher (8) erst dann zuzuschalten, wenn ausreichend Spitzen- und Nennleistung (Pmax, Pnenn) zur Verfügung gestellt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verwaltung elektrischer Energie in einem Bordnetz, insbesondere einem Kfz-Bordnetz, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 5.
Durch die zunehmende Ausstattung von Fahrzeugen mit sicherheitsrelevanten elektrischen Verbrauchern, wie z.B. Steuergeräten für eine ASR, elektrohydraulischen Bremsen (EHB) etc., wird die Stabilität und insbesondere die Ausfallsicherheit elektrischer Fahrzeug-Bordnetze immer wichtiger.
Beim Einsatz sicherheitskritischer Verbraucher muß die Energieversorgung im Bordnetz ständig überwacht werden, um einen Ausfall rechtzeitig erkennen und Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Aus diesem Grund umfassen moderne Bordnetze ein Energie- bzw. Verbrauchermanagementsystem, mit dem im Falle unzureichender Energieversorgung, z.B. auf Grund eines defekten Generators oder einer zu schwachen Batterie, entweder verbrauchsmindernde oder die Versorgungsleistung erhöhende Maßnahmen eingeleitet werden können.
Zu den verbrauchsmindernden Maßnahmen gehören dabei insbesondere das Abschalten oder Dimmen von Komfortverbrauchern wie z.B. von Heizungen, Lüftungen, etc. Zu den leistungserhöhenden Maßnahmen zählen insbesondere die Erhöhung der Leerlaufdrehzahl des Motors oder das automatische Umschalten auf eine niedrigere Getriebeübersetzung während der Fahrt, um die Motordrehzahl und damit die Generatorleistung zu erhöhen.
Bisher bekannte Energie- und Verbrauchermanagement-Systeme arbeiten nach einem Verfahren, bei dem die Bordnetzspannung ständig überwacht wird und bestimmte Verbraucher bei Unterschreiten vorgegebener Schwellenwerte ausgeschaltet bzw. gedimmt werden, um Spannungseinbrüche zu verhindern. Dabei gilt es insbesondere Spannungseinbrüche zu vermeiden, bei denen die Netzspannung unter eine Mindestspannung fällt, die z.B. wegen der sicherheitsrelevanten Steuereinrichtungen nicht unterschritten werden darf.
Dieses Verfahren ist gerade bei Spitzenbelastungen, wie sie z.B. durch das Einschalten großer Verbraucher entstehen können, zu unzuverlässig, da dieses Verfahren nur eine Reaktion auf eine bereits durch das Zuschalten verursachte Belastung bewirkt und somit ein rein korrigierendes Verfahren darstellt. Gerade bei einer schwachen oder defekten Batterie, die keine ausreichende Pufferwirkung mehr hat, kann es somit zu Spannungseinbrüchen und folglich zu sicherheitskritischen Situationen kommen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verwaltung elektrischer Energie zu schaffen, mit dem bzw. der die Spannungsstabilität in elektrischen Bordnetzen weiter verbessert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 bzw. 5 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, einen Verbraucher nur dann einzuschalten, wenn genügend Spitzenleistung und Nennleistung vom Bordnetz zur Verfügung gestellt werden kann, und andernfalls den Einschaltzeitpunkt zu verzögern, sowie Versorgungsleistung erhöhende Maßnahmen und/oder verbrauchsmindernde Maßnahmen einzuleiten, bis genügend Leistung verfügbar ist. Der neue Verbraucher wird erst dann eingeschaltet, wenn soviel Nenn- und Spitzenleistung verfügbar ist, dass die Bordnetzspannung beim Zuschalten des Verbrauchers einen vorgegebenen Schwellenwert nicht unterschreitet.

Im einzelnen wird nach einer Einschalt-Anforderung eines Verbrauchers (z.B. Einschaltwunsch des Fahrers oder einer Steuerung), noch vor dem tatsächlichen Zuschalten des Verbrauchers, vorzugsweise zunächst die im Bordnetz verfügbare Spitzenleistung mit der vom Verbraucher angeforderten Spitzenleistung verglichen und der tatsächliche Einschaltzeitpunkt verzögert, wenn nicht genügend Spitzenleistung bereitgestellt werden kann, und in einem weiteren Verfahrensschritt, für den Fall ausreichender Spitzenleistung, die vom Bordnetz zur Verfügung stellbare Nennleistung mit der vom Verbraucher angeforderten Nennleistung verglichen und der tatsächliche Einschaltzeitpunkt verzögert, sowie Versorgungsleistung erhöhende Maßnahmen und/oder verbrauchsmindernden Maßnahmen eingeleitet, falls nicht genügend Nennleistung vom Bordnetz zur Verfügung gestellt werden kann. Der neue Verbraucher wird erst dann eingeschaltet, wenn genügend Nenn- und Spitzenleistung verfügbar ist.

Zur Abschätzung des Verhaltens der Bordnetzspannung während der Entnahme von Spitzenleistung ist vorzugsweise ein Bordnetzmodell vorgesehen. Dabei handelt es sich um ein im System hinterlegtes mathematisches Modell, bei dem insbesondere die Kapazitäten im Bordnetz, sowie vorzugsweise auch die Oberflächenladung der Batterie bei der Abschätzung des Verhaltens der Bordnetzspannung berücksichtigt wird. Durch Simulation des Einschaltvorgangs eines vorgegebenen Verbrauchers kann das Bordnetzmodell eine Vorhersage über den zu erwartenden Spannungseinbruch unter den gegebenen Umständen abgeben.

Die langfristig im Bordnetz zur Verfügung stehende Leistung kann beispielsweise durch Auswertung der Generator- und Batterieausgangsleistung und Aufstellung einer Leistungsbilanz ermittelt werden. Die jeweiligen Ausgangsleistungen können dabei entweder gemessen oder ebenfalls mittels eines Generator- bzw. Batteriemodells ermittelt werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Batterizustandserkennung vorgesehen, die die Batterie überwacht und in der Lage ist, den Ladezustand und/oder die Leistungsfähigkeit der Batterie festzustellen. Die Steuereinheit zur Durchführung des elektrischen Energie- und Verbrauchermanagements, die über eine Datenleitung mit der Batteriezustandserkennung verbunden ist, kann somit den aktuellen Batteriezustand bei der Berechnung der zur Verfügung stehenden Spitzen- oder Nennleistung berücksichtigen.

Bei Verbrauchern, deren Spitzenleistungsanforderung länger dauert als eine vorgegebene Zeitdauer, wie z.B. einen Rechenzyklus der Steuereinheit, wird die Spitzenleistung für die Auswertung vorzugsweise als Nennleistung betrachtet und daher von der Steuereinheit mit der im Bordnetz zur Verfügung stehenden Nennleistung verglichen.

Bei der Durchführung verbrauchsmindernder Maßnahmen werden die Verbraucher vorzugsweise in einer vorgegebenen Reihenfolge – die Verbraucher können beispielsweise in Klassen aufgeteilt sein – ausgeschaltet bzw. gedimmt, wobei vorzugsweise zunächst solche Verbraucher ausgeschaltet bzw. gedimmt werden, deren ausschalten vom Fahrer nicht oder erst nach einiger Zeit bemerkt wird, wie z.B. Sitzheizung, Heckscheibenheizung, Zigarettenanzünder etc. Erst danach werden Verbraucher ausgeschaltet bzw. gedimmt, die vom Fahrer sofort oder relativ schnell bemerkt werden, wie z.B. das Heizgebläse, Radio, Sitzverstellung, Klimaanlage etc..

Verbraucher, die für den sicheren Betrieb des Fahrzeugs oder die Sicherheit des Fahrers zwingend notwendig sind, werden selbstverständlich nicht ausgeschaltet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Flußdiagramm zur Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte bei einem elektrischen Energie- und Verbrauchermanagement in einem Bordnetz;
2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Fahrzeugbordnetzes; und
3 den Verlauf des Leistungsbedarfs verschiedener Verbraucher.
1 zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte bei der Durchführung eines elektrischen Energie- und Verbrauchermanagements in einem Kfz-Bordnetz in Form eines Flußdiagramms. Das Verfahren umfaßt dabei im wesentlichen folgende Schritte:
Nach einer Einschaltanforderung, die beispielsweise vom Fahrer oder einer Steuereinrichtung im Kfz-Bordnetz abgegeben und an eine Steuereinrichtung 14 übermittelt wurde, wird in einem ersten Schritt 1 zunächst ermittelt, ob die im Bordnetz vorhandene Leistung ausreicht, um die kurzfristige Spitzenleistung Pmax des Verbrauchers decken zu können.
Die Spitzenleistung Pmax elektrischer Verbraucher, wie z.B. Anlaufströme elektrischer Antriebe oder Ströme, die in der Anfangsphase nach dem Einschalten des Verbrauchers fließen, wird vollständig aus Kurzzeit-Energiespeichern, wie z. B. Kapazitäten im Bordnetz oder der Oberflächenladung der Batterie gedeckt.
Das Entscheidungskriterium für die Verfügbarkeit der Spitzenleistung Pmax im Bordnetz ist die minimal zulässige Bordnetzspannung. D.h., es wird ermittelt, ob beim Zuschalten des Verbrauchers die Bordnetzspannung unter einen vorgegebenen Schwellenwert fallen würde.
Zur Abschätzung der Bordnetzspannung während der Entnahme von Spitzenleistung Pmax ist ein Bordnetzmodell (mathematisches Simulationsmodell des Bordnetzes) vorgesehen, mit dem das Verhalten des Bordnetzes bzw. der Bordnetzspannung simuliert werden kann. Das Bordnetzmodell berücksichtigt bei der Berechnung wenigstens die Kapazitäten im Bordnetz sowie die Oberflächenladung (Kapazität) der Batterie.
Ist die Spitzenleistung Pmax im Bordnetz verfügbar, so erfolgt in Schritt 4 die Überprüfung der verfügbaren Nennleistung Pnenn.
Ist die Spitzenleistung Pmax dagegen nicht im Bordnetz verfügbar, so wird in Schritt 2 der Einschaltzeitpunkt des Verbrauchers zeitlich verzögerrt und in Schritt 3 Versorgungsleistung erhöhende und/oder verbrauchsmindernde Maßnahmen eingeleitet, bis ausreichend Spitzenleistung Pmax bereitgestellt werden kann.
Wie erwähnt, wird in Schritt 4 überprüft, ob die vom Verbraucher geforderte Nennleistung Pnenn auf Dauer, ohne signifikanten Spannungseinbruch, zur Verfügung gestellt werden kann. Hierzu wird beispielsweise die Ausgangsleistung des Generators 11 und der Batterie 9 (vgl. 2) ermittelt und eine Leistungsbilanz aufgestellt. Kann die Nennleistung Pnenn nicht zur Verfügung gestellt werden, so wird der Einschaltzeitpunkt wiederum verzögert (Schritt 5) und leistungserhöhende und/oder verbrauchsmindernde Maßnahmen werden eingeleitet (Schritt 6).
Im Falle des Abschaltens von Verbrauchern zu Zwecken der Verbrauchsminderung werden bevorzugt zunächst solche Verbraucher ausgeschaltet, deren Ausfall vom Fahrer nicht oder erst nach einiger Zeit bemerkt wird, wie z.B. die Sitzheizung, Heckscheibenheizung, Zigarettenanzünder etc.. Erst danach werden Verbraucher ausgeschaltet, deren Zu- bzw. Abschalten der Fahrer sofort oder schnell bemerkt, wie z.B. Gebläse, Klimaanlage, Innenbeleuchtung etc.
Für das Zu- und Abschalten von Verbrauchern kann z.B. eine Kategorisierung der Verbraucher in Klassen unterschiedlicher Priorität vorgenommen werden. Diese Kategorisierung gilt vorzugsweise nicht nur für das Abschalten, sondern auch für das Zuschalten von Verbrauchern. Soll beispielsweise das Radio eingeschaltet werden, so kann als verbrauchsmindernde Maßnahme z.B. die Sitzheizung ausgeschaltet werden (das Radio hat z.B. eine höhere Priorität als die Sitzheizung). Umgekehrt wird dagegen die Sitzheizung nicht zugeschaltet, wenn nur solche Verbraucher ausgeschaltet werden können, die eine höhere Priorität aufweisen als die Sitzheizung.
Eine Energie-Unterversorgung im elektrischen Bordnetz wird dem Fahrer vorzugsweise optisch oder akustisch mitgeteilt.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines KfzBordnetzes mit mehreren Verbrauchern, die hier als ein Verbraucher 8 dargestellt sind. Das Bordnetz wird von einer Batterie 9 und einem Generator 11 mit elekarischer Energie versorgt, wobei der Generator 11 vom Verbrennungsmotor 12 des Fahrzeugs angetrieben wird.
Das Bordnetz umfaßt ferner eine Steuereinrichtung 14 zur Durchführung eines elektrischen Energie- und Verbrauchermanagements, die mit den vorstehend genannten Einrichtungen 8–13 in Verbindung steht. Die Steuereinrichtung 14 erhält somit Informationen über den aktuellen Betriebszustand (ein/aus) der elektrischen Verbraucher 8, sowie darüber, ob einer der Verbraucher 8 ein- oder ausgeschaltet werden soll (Schaltanforderungen). Die Steuereinrichtung 14 ist zur Durchführung des in 1 dargestellten Verfahrens eingerichtet und insbesondere in der Lage, eine Leistungsbilanz für das elektrische Bordnetz zu berechnen.
Bei der Abschätzung der im Bordnetz verfügbaren Spitzenleistung Pmax berücksichtigt die Steuereinrichtung 14 den Zustand der Batterie 9, der von einer Batteriezustandserkennung 10 ermittelt wird.
Die Steuereinrichtung 14 ist ferner in der Lage, den Ausgangsstrom des Generators 11 zu erhöhen, indem die Erregung im Generatorregler 13 erhöht wird. Wahlweise kann auch die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors 12 erhöht werden, um die Generator-Ausgangsleistung zu erhöhen.
3 zeigt den Leistungsbedarf zweier verschiedener Verbraucher 8. Der obere Graph zeigt den Leistungsbedarf einer Heckscheibenheizung mit einem relativ kurzen. Spitzenverbrauch Pmax auf den der Nennleistungsverbrauch Pnenn folgt.
Der untere der beiden Graphen zeigt dagegen den Leistungsverbrauch eines Gebläsemotors mit einem relativ langen Spitzenleistungsverbrauch Pmax.
Dauert der Verbrauch an Spitzenleistung Pmax länger als eine Zykluszeit der Steuereinrichtung 14 (in dieser Zeit wird eine Energiemanagement-Routine von 1 einmal durchgerechnet) von z.B. 100 ms, so wird die Spitzenleistung Pmax von der Steuereinrichtung 14 als Nennleistung Pnenn betrachtet und für den Nennleistungsvergleich herangezogen. Die Reserve im Bordnetz an kurzfristig verfügbarer Energie Pmax kann meist nicht länger als 100 ms zur Verfügung gestellt werden.
Ein länger anhaltender Bedarf an Spitzenleistung Pmax muß daher aus Energiequellen zur Versorgung von Nennleistung Pnenn (Generator, Batterie) bereitgestellt werden.

1–7: Verfahrensschritte
8: Verbraucher
9: Batterie
10: Batteriezustandserkennung
11: Generator
12: Verbrennungsmotor
13: Generatorregler
14: Steuereinrichtung
S: Schalter
Pmax: Spitzenleistung
Pnenn: Nennleistung

Claims

Verfahren zur Verwaltung elektrischer Energie in einem Bordnetz, insbesondere einem Kfz-Bordnetz, mit mehreren elektrischen Verbrauchern (8) die von einem Generator (11) und einer Batterie (9) mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei die Verbraucher (8) in einer ersten Phase nach dem Einschalten eine Spitzenleistung (Pmax) und in einer zweiten Phase nach dem Einschalten eine Nennleistung (Pnenn) anfordern, sowie einer Steuereinrichtung (14) zur Durchführung eines Energie- und Verbrauchermanagements, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Ermitteln der im Bordnetz verfügbaren Spitzen- (Pmax) und Nennleistung (Pnenn), noch bevor der Verbraucher (8) tatsächlich zugeschaltet wird; – Verzögern des Einschaltzeitpunkts des Verbrauchers (8), wenn nicht genügend Spitzenleistung (Pmax) oder Nennleistung (Pnenn) im Bordnetz zur Verfügung steht; – Durchführen Versorgungsleistung erhöhender und/oder verbrauchsmindernder Maßnahmen, – Einschalten des neuen Verbrauchers (8) nur dann, wenn ausreichend Nenn- und Spitzenleistung (Pnenn, Pmax) im Bordnetz verfügbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bordnetzmodell zur Abschätzung der Bordnetzspannung während der Entnahme von Spitzenleistung (Pmax) oder Nennleistung (Pnenn) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Batteriemodell zur Simulation des Batterieverhaltens während der Leistungsentnahme vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einem Verbraucher (8) angeforderte Spitzenleistung (Pmax), die länger als eine vorgegebene Dauer benötigt wird, von der Steuereinrichtung (14) als Nennleistung betrachtet wird und mit der im Bordnetz zur Verfügung stehenden Nennleistung verglichen wird.
Elektrisches Bordnetz, insbesondere für Kfz, mit mehreren elektrischen Verbrauchern (8), die von einem Generator (11) und einer Batterie (9) mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei die Verbraucher (8) in einer ersten Phase nach dem Einschalten eine Spitzenleistung (Pmax), und in einer zweiten Phase nach dem Einschalten eine Nennleistung (Pnenn) anfordern, sowie einer Steuereinrichtung (14) zur Durchführung eines Energie- und Verbrauchermanagements, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (14) – die im Bordnetz verfügbare Spitzen- (Pmax) und Nennleistung (Pnenn) ermittelt, noch bevor der Verbraucher (8) tatsächlich zugeschaltet wird; – den Einschaltzeitpunkt des Verbrauchers (8) verzögert, wenn nicht genügend Spitzenleistung (Pmax) oder Nennleistung (Pnenn) im Bordnetz zur Verfügung steht; – Versorgungsleistung erhöhende und/oder verbrauchsmindernde Maßnahmen durchführt, und – den neuen Verbraucher (8) nur dann einschaltet, wenn ausreichend Nenn- und Spitzenleistung (Pnenn, Pmax) im Bordnetz verfügbar ist.