DE19820395B4

DE19820395B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Sicherstellen des Ladezustandes einer Fahrzeugbatterie

Info

Publication number: DE19820395B4
Application number: DE19820395A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dierker
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1998-05-07
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2018-05-08
Also published as: DE19820395A1

Abstract

Verfahren zur Sicherstellung des Ladezustandes einer Kraftfahrzeugbatterie, gekennzeichnet durch
die folgenden Schritte:
a) Herstellen eines unkritischen Bordnetzzustandes mit DF < 100% und einer Batteriespannung U > 13 V durch Abschalten eines vorbestimmten Verbrauchers Vtest,
b) Bestimmen der durch das Abschalten des vorbestimmten Verbrauchers bewirkten Änderung des Generatortastverhältnisses ΔDF und der Änderung der Batteriespannung ΔU,
c) Bestimmen derjenigen Verbraucher aus einem vorbestimmten Kennfeld des Bordnetzverhaltens anhand der ermittelten Signale, die zu einem Betriebszustand mit einem Tastverhältnis DF < 100% und einer Batteriespannung U > 13 V führen, wobei das Kennfeld für ausgewählte Betriebspunkte p (n, U, DF, T) eine Aussage über die zu erwartende Änderung ΔDF und ΔU bei definierten Laständerungen enthält, wobei n die Generatordrehzahl, U die Batteriespannung, DF das Generatorlastverhältnis und T die Temperatur des Generatorreglers ist, und
d) Wiedereinschalten des vorbestimmten Verbrauchers Vtest und Abschalten der im Schritt c bestimmten Verbraucher.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sicherstellen des Ladezustandes einer Fahrzeugbatterie.
In heutigen Kraftfahrzeugen befinden sich immer mehr elektrische Verbraucher, wie beispielsweise Radio, Heckscheibenheizung, Sitzheizung, elektrische Fensterheber, Klimaanlage, Navigationsgerät, usw., so dass beim Gebrauch eines Großteils der elektrischen Verbraucher die Situation eintreten kann, dass der vom Generator zur Verfügung gestellte Strom nicht mehr zur Versorgung der eingeschalteten Verbraucher ausreicht. Der benötigte zusätzliche Strom wird daher der Batterie entnommen und es kommt zu einer Entladung der Batterie. Es kann folglich die Situation eintreten, dass die Batterie soweit entladen ist, dass ihr Energieinhalt unter Umständen nicht mehr für einen Startvorgang des Kraftfahrzeugs ausreichend ist.
Um dies zu verhindern, ist eine Überwachung des Energiebedarfs und des Ladezustandes der Batterie notwendig.

Die DE 42 12 819 C2 betrifft eine Steuervorrichtung für das elektrische Bordnetz eines Fahrzeugs, enthaltend eine Vorrichtung zum Erfassen des Ladezustandes einer Fahrzeugbatterie, eine Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl des Antriebsmotors und eine Steuereinheit zum Steuern des Ansteuerstroms der elektrischen Verbraucher, wobei eine Reduzierung des Ansteuerstroms dann erfolgt, wenn sowohl die Drehzahl des Antriebsmotors als auch der Ladezustand jeweils einen vorgegebenen Grenzwert unterschreiten. Die Vorrichtung zur Erfassung des Ladezustandes der Fahrzeugbatterie erfasst diesen entweder über die Batteriespannung oder über das spezifische Gewicht der Batterieflüssigkeit.

Aus der DE 43 11 670 A1 ist ein Spannungsregler zur Regelung der Ausgangsspannung eines Generators bekannt, der von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird und eine variable Last mit elektrischer Leistung versorgt, mit einer Erregerwicklung, die mit einem Schaltmittel in Serie liegt und von einem Teil des Generatorausgangsstroms durchflossen wird, wobei das Schaltmittel so ein- oder ausgeschaltet wird, dass sich unabhängig von Belastungen des Generators eine im Wesentlichen konstante Ausgangsspannung einstellt, wobei im Spannungsregler eine Schaltung vorhanden ist, die das Erregerstromtastverhältnis erfasst und zu einem Signal formt, das einen ersten Zustand annimmt, wenn das Verhältnis über einem ersten vorgebbaren Wert liegt, und einen zweiten Zustand annimmt, wenn das Verhältnis unter einem zweiten vorgebbaren Wert liegt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Sicherstellung des Ladezustandes einer Kraftfahrzeugbatterie zu schaffen, das eine optimale Nutzung der verfügbaren Generatorleistung gewährleistet, sowie eine hierzu geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Sicherstellung des Ladezustandes einer Kraftfahrzeugbatterie weist die folgenden Schritte auf:

a) Herstellen eines unkritischen Bordnetzzustandes durch Abschalten eines vorbestimmten Verbrauchers Vtest,
b) Bestimmen der durch das Abschalten des vorbestimmten Verbrauchers bewirkten Änderungen des Generatortastverhältnisses ΔDF und der Spannungsänderung ΔU der Batteriespannung,
c) Bestimmen derjenigen Verbraucher aus einem vorgegebenen Kennfeld des Bordnetzverhaltens anhand der im Schritt b ermittelten Signale, die zu einem Betriebszustand mit einem Generatortastverhältnisses DF < 100% und einer Batteriespannung U > 13 V führen, und
d) Wiedereinschalten des vorbestimmten Verbraucher Vtest und Abschalten der im Schritt c bestimmten Verbraucher.

Das Kennfeld des Bordnetzverhaltens kann entweder durch gezieltes Schalten der Verbraucher in einem Lernprozess erstellt werden oder es wird für den bestimmten Fahrzeugtyp einmal gemessen und liegt dann in abgespeicherter Form vor.

Ferner kann zur Erhöhung der Generatorleistung der Betriebspunkt des Generators durch Erhöhen der Leerlaufdrehzahl verschoben werden.

Vorzugsweise ist das Verfahren so ausgelegt, dass bei einem hohen Batterieladestrom keine Überschreitung von DF = 100% zulässig ist, während im Fall eines geringen Ladestroms eine kurzfristige Entladung bei DF = 100% und U < 13V zulässig ist.

Vorzugsweise wird in den Ruhephasen der Batterie aus der Bewertung der Batterieleerlaufspannung der Säurezustand der Batterie bestimmt.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst ein Steuergerät. Das Kennfeld des Bordnetzverhaltens kann in einem Speicher des Steuergeräts gespeichert sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.
1 zeigt den Maximalstrom eines Generators als Funktion der Drehzahl,
2 zeigt das Generatortastverhältnis DF als Funktion der Drehzahl n, und
3 zeigt die Batteriespannung U als Funktion des Laststroms I.
In 1 ist der Maximalstrom Imax über der Drehzahl n als Funktion der Temperatur T aufgetragen. Im Spannungsregler des Generators eines Kraftfahrzeuges wird das sog. DF-Signal erzeugt, das die Auslastung des Generators widerspiegelt. Wird nur ein kleiner Strom vom Generator erzeugt, d.h. es sind nur Kleinverbraucher eingeschaltet, so reicht ein kleiner Strom durch den Erregerkreis des Generators zur Erzeugung der gewünschten Ausgangsspannung aus. Bei zunehmender Last muß der Erregerstrom erhöht werden. Die Einstellung der Ausgangsspannung erfolgt durch eine Anpassung des Erregerstroms mittels einer Zweipunktregelung mit einer Rechteckspannung mit variabler Pulsweite. Dieses als Generatortastverhältnis DF oder DF-Signal bezeichnete Tastverhältnis, das zwischen 0 und 100% betragen kann, repräsentiert die Auslastung des Generators. Dabei ist der maximal vertügbare Strom I abhängig von der Drehzahl n und der Temperatur T, was in 1 dargestellt ist.
2 zeigt das das Generatortastverhältnis über der Drehzahl als Funktion des Laststroms I. Bei konstanter Belastung durch das Bordnetz variiert das DF-Signal mit der Generatordrehzahl n, da mit zunehmender Drehzahl eine geringere Erregung zur Erzeugung der Ausgangsspannung erforderlich ist, wie dies in der 2 dargestellt ist.
3 zeigt die Spannung über dem Laststrom I als Funktion der Temperatur. Die Ausgangsleistung des Generators ist nicht konstant, sondern last- und temperaturabhängig. Der Regler stellt eine von der Temperatur der ihn umströmenden Luft abhängige Spannung, hier nach der Kennlinie U = 14,5 V – (T – 25°C)·10mV ein. Bei zunehmender Belastung wirken sich außerdem Spannungsabfälle stärker aus und führen zu einem Spannungsverlauf entsprechend 3. Bei schwach belastetem Generator erlaubt die Messung der Spannung eine Aussage über die Betriebstemperatur des Generators bzw. des Generatorreglers, allerdings ist die Aussage wegen der Streuung des Reglers nur relativ.
Bei Erreichen eines Tastverhältnisses von DF = 100% ist bei konstanter Drehzahl eine weitere Steigerung der Leistungsabgabe des Generators nicht mehr möglich. Mit zunehmender Last sinkt die Spannung U bis zur Batterieleerlaufspannung von 12,8 V (entspricht einer vollgeladenen Batterie) und sinkt dann je nach Batterieladezustand und Batteriegröße bei abnehmendem Generatorstrom und steigendem Batterieentladestrom.
Ferner führt das Ein- und Ausschalten eines Verbraucher arbeitspunktmäßig zu einer Änderung des Tastverhältnisses ΔDF und einer Änderung der Spannung ΔU.
Für ein Bordnetzmanagement, das das Ziel hat, eine Batterieentladung zu verhindern, ist die Kenntnis des Bordnetzzustandes notwendig. Dieser Bordnetzzustand wird aus der Beobachtung von Drehzahl, Spannung und DF-Signal unter Berücksichtigung der obigen Effekte ermittelt.
Für Bordnetzbelastungen mit DF < 100% kann eine Batterieentladung ausgeschlossen werden. Belastungen mit DF = 100% können dagegen die Batterie entleeren.
Das Bordnetzmanagement kennt den Zustand Ein/Aus aller Verbraucher sowie deren Klassierung nach Stromaufnahme, beispielsweise in Schritten von 5 A, und kann ausgewählte Verbraucher beliebig oder nach einer Prioritätsliste ausschalten, wenn eine Batterieentladung verhindert werden soll.
In einem Lernprozeß wird im Betrieb des Kraftfahrzeugs ein Kennfeld des Bordnetzverhaltens beim Schalten von Verbrauchern erstellt. Es enthält für ausgewählte Betriebspunkte p (n, U, DF, T) eine Aussage über die zu erwartende Änderung ΔDF und ΔU bei definierten Laständerungen, beispielsweise dem Abschalten einer Last von 10 A. Es ist jedoch auch möglich, daß das Kennfeld fest programmiert ist, allerdings ist es dann in diesem Fall spezifisch für einen Fahrzeugtyp.
Mit dem durch den Lernprozesses erstellten Kennfeld oder mit dem entsprechenden fest programmierten Kennfeld kann eine Überlastung des Bordnetzes nach dem folgenden Verfahren verhindert werden, wobei unter einer Überlastung des Bordnetzes ein DF-Signal von 100% und eine Spannung kleiner als 13 V verstanden wird. Durch das Abschalten eines Testverbrauchers Vtest, der vorzugsweise eine hohe Stromaufnahme hat, wird ein unkritischer Bordnetzzustand mit DF < 100% eingestellt. Mit den sich ergebenden Werten von ΔDF und ΔU kann unter Heranziehung des Kennfeldes eine Abschätzung durchgeführt werden, welche Last anstelle der abgeschalteten Testlast Vtest nicht zu einem Zustand mit DF = 100% und U < 13V führt. Dieser Zustand kann dann durch Wiedereinschalten der Testlast Vtest und Abschalten der ermittelten Verbraucher, die nach dem Kennfeld in Summe die Bedingungen erfüllen, hergestellt werden.
Ferner kann abgeschätzt werden, ob durch eine Verschiebung des Betriebspunktes durch eine Erhöhung der Leerlaufdrehzahl das Stromangebot des Generators soweit verbessert wird, daß eine Batterieentladung verhindert wird. Letztere Möglichkeit setzt natürlich den Fall eines Leerlaufbetriebs voraus, wobei im Leerlaufbetrieb durch die geringe Generatorleistung schnell die Grenze der Leistungsabgabe des Generators erreicht ist.
Ferner kann im Betriebsfall mit DF < 100% durch eine Bewertung der eingeschalteten Verbraucher eine Aussage darüber gemacht werden, ob ein Ladestrom in die Batterie fließt (Batterie entladen) oder ob nicht (Batterie voll), da die Batterie bei einer Aufladung für das Bordnetz eine Last darstellt und zusätzlich zu dem für die Verbraucher zu erwarteten Tastverhältnis DF eine weitere Änderung des Tastverhältnisses ΔDF verursacht. Um diesen Effekt nutzten zu können, muß das oben genannte Kennfeld im Fall einer geladenen, d.h. vollen Batterie, aufgenommen werden. Es ist daher zweckmäßig, den Lernvorgang zur Erstellung eines Kennfeldes nur im Anschluß an eine längere Betriebsphase mit DF << 100% durchzuführen.
Die Abschätzung des Batterieladestroms im unkritischen Bordnetzzustand ermöglicht die folgende Festlegung für den kritischen Fall:
Je kleiner der Ladestrom, um so besser ist der Ladezustand (Der Ladestrom sinkt bei gleichem Ladezustand mit abnehmender Ladespannung und abnehmender Batterietemperatur). Hoher Ladestrom ⇒ keine Überschreitung von DF = 100% zulässig Kleiner Ladestrom ⇒ kurzzeitige Entladung bei DF = 100% und U < 13V zulässig.
In den Ruhephasen der Batterie kann aus einer Bewertung der Batterieleerlaufspannung eine Bestimmung der Säuredichte der Battere vorgenommen werden, wobei die Säuredichte zum Ladezustand der Batterie proportional ist. Damit ist es möglich, durch eine Summation der geschätzten Ladeströme und der geschätzten Entladung innerhalb eines Fahrzyklus eine Schätzung des Ladezustandes und daraus abgeleitet eine Vorgabe für eine zulässige Dauer einer Batterieentladung zu machen. Auf diese Weise wird die Ab schalthäufigkeit und die Abschaltdauer bei einer Aktivierung des Bordnetzmanagements reduziert.

A: Ampere
DF: Tastverhältnis
I: Laststrom
Imax: maximaler Laststrom
n: Drehzahl
T: Temperatur
U: Spannung
U/min: Umdrehungen pro Minute
V: Volt

Claims

Verfahren zur Sicherstellung des Ladezustandes einer Kraftfahrzeugbatterie, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Herstellen eines unkritischen Bordnetzzustandes mit DF < 100% und einer Batteriespannung U > 13 V durch Abschalten eines vorbestimmten Verbrauchers Vtest, b) Bestimmen der durch das Abschalten des vorbestimmten Verbrauchers bewirkten Änderung des Generatortastverhältnisses ΔDF und der Änderung der Batteriespannung ΔU, c) Bestimmen derjenigen Verbraucher aus einem vorbestimmten Kennfeld des Bordnetzverhaltens anhand der ermittelten Signale, die zu einem Betriebszustand mit einem Tastverhältnis DF < 100% und einer Batteriespannung U > 13 V führen, wobei das Kennfeld für ausgewählte Betriebspunkte p (n, U, DF, T) eine Aussage über die zu erwartende Änderung ΔDF und ΔU bei definierten Laständerungen enthält, wobei n die Generatordrehzahl, U die Batteriespannung, DF das Generatorlastverhältnis und T die Temperatur des Generatorreglers ist, und d) Wiedereinschalten des vorbestimmten Verbrauchers Vtest und Abschalten der im Schritt c bestimmten Verbraucher.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld des Bordnetzverhaltens durch gezieltes Schalten der Verbraucher erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebspunkt des Generators durch Erhöhen der Leerlaufdrehzahl verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem hohen Batterieladestrom keine Überschreitung von DF = 100% zulässig ist, während im Fall eines geringen Ladestroms eine kurzfristige Entladung bei DF = 100% und U < 13V an der Batterie zulässig ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ruhephasen der Batterie aus der Bewertung der Batterieleerlaufspannung der Säurezustand der Batterie bestimmt wird, wobei die Säuredichte zum Ladezustand der Batterie proportional ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Steuergerät aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld des Bordnetzverhaltens in einem Speicher des Steuergerätes gespeichert ist.