DE4422329C2

DE4422329C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes

Info

Publication number: DE4422329C2
Application number: DE4422329A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1993-07-12
Filing date: 1994-06-27
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2014-06-28
Also published as: DE4422329A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein elektrisches Fahrzeug-Bordnetz enthält bekanntlich eine Vielzahl von Verbrauchern, die von einer Batterie mit elek trischer Energie gespeist werden; zum Aufladen der Batterie dient ein von der Antriebsmaschine des Fahrzeugs, in der Regel einer Brennkraftmaschine, angetriebener Generator. Bekannt ist, daß insbesondere in der kalten Jahreszeit beim Starten der Maschine die Batteriekapazität häufig nicht ausreicht, um alle eingeschalteten Verbraucher zu speisen. Aus den gattungbildenden Druckschriften DE-OS 16 30 963 und US 4 188 527 sind daher bereits Bordnetze bekannt geworden, bei denen beim Abfallen der Batteriespannung einzelne Verbraucher abgeschaltet werden. Dieser Stand der Technik sieht jedoch als einziges Kriterium für diese Verminderung der Speisung einzelner Verbraucher mit elektrischer Energie die jeweilige Spannung der Batterie vor, berücksichtigt also nicht weitere Parameter, wie Alterung und Temperatur der Batterie, und berücksichtigt auch nicht die Verhältnisse im Bereich des Generators, d. h. beim Ladebetrieb.

Demgegenüber sehen die in der DE 37 29 968 C2 und der US 4 424 477 beschriebenen Verfahren zur Ver meidung einer unerwünschten Batterieentladung einen Eingriff in das Ladesystem in der Weise vor, daß in Abhängigkeit vom Entla destrom der Batterie bzw. der jeweiligen Batteriespannung die Leerlaufdrehzahl der Antriebsmaschine des Fahrzeugs und damit die Drehzahl des Generators geregelt wird. Auch hier werden aber weder weitere, die Eigenschaften der Batterie ändernde Ein flüsse, wie das Alter der Batterie, noch der von der jeweiligen Leerlaufdrehzahl abhängige Wirkungsgrad der Antriebsmaschine berücksichtigt.

Die DE 33 13 398 C2 beschreibt eine Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug mit getrennten Computern zur Regelung des Ladesystems und der Antriebsmaschine. Dabei liefert der der Antriebsmaschine - einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung - zugeordnete Computer an den Computer des Ladesystems Signale für eine maschinenbetriebsoptimale Spannung. Der Computer des Lade systems erzeugt dann eine Bezugsspannung zur Einstellung einer optimalen Spannung für die Maschine und das Ladesystem. Inwie weit hierbei der momentane Wirkungsgrad von Antriebsmaschine und Ladesystem sowie die jeweiligen Eigenschaften der Batterie ein gehen, bleibt offen.

Die Ladezustandsüberwachung nach der EP 0 225 364 B1 arbeitet dagegen mit zeitlicher Integration des Batteriestroms inklusive Temperaturkorrektur und Driftkorrektur der Integration anhand der Ruhespannung der Batterie. Dabei steuert der Ladezu stand der Batterie auch den Aufladezyklus und die Ladegeschwin digkeit. Diese bekannte Ladezustandsüberwachung beschränkt sich aber, wie der Name besagt, auf die Verhältnisse an bzw. in der Batterie und läßt daher andere wichtige Gesichtspunkte für den Betrieb eines Bordnetzes, wie den Wirkungsgrad der Antriebsma schine und Maßnahmen im Kreise der Verbraucher, außer Betracht.

Die US-PS 4 617 626 beschreibt einen Ladekreis für eine Batterie eines Bordnetzes, in dem der Generator über eine auch für den Schlupfbetrieb ausgelegte Kupplung und ein Getriebe zur Einstellung unterschiedlicher Antriebsübersetzungen mit der Antriebsmaschine in Antriebsverbindung steht. Ein Computer, dem Signale für Batteriespannung und Ausgangsspannung des Generators zugeführt werden, erzeugt Signale zur Ansteuerung des Getriebes und der Kupplung. Auch hier werden aber weder die momentanen Eigenschaften der Batterie noch Verhältnisse im Bereich der Verbraucher selbst berücksichtigt.

Schließlich gehören zum Stand der Technik, und zwar zum Antrieb von Lüftern in Kraftfahrzeugen, sogenannte Viscokupplungen, und zwar auch mit mehreren Drehzahlstufen (ATZ 95 (1993), Seite 242).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren hinsichtlich praktisch aller für ein Fahrzeug-Bordnetz relevanter Kriterien, wie des Wirkungsgrads der elektrischen Energieerzeugung (enthaltend die Wirkungsgrade der Antriebsma schiene und des Generators), der möglichst vollständigen Spei sung aller Verbraucher und der momentanen Eigenschaften der Batterie, zu optimieren.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbil dungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschreiben die An sprüche 2 bis 4, während Fig. 5 eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angibt.

Wesentlich für die Erfindung ist also gleichsam die Abwägung zwischen zulässiger Batterieentladung unter Berücksichtigung der aktuellen Eigenschaften der Batterie, Ladebetrieb unter Berück sichtigung des jeweiligen Wirkungsgrads der elektrischen Ener gieerzeugung mittels des Generators und notwendiger Reduzierung der Belieferung von elektrischen Verbrauchern mit elektrischer Energie, wobei unter dieser Reduzierung auch die Abschaltung einzelner Verbraucher zu verstehen ist. Andererseits kann die Reduzierung in einer echten Verminderung der Energiezufuhr zu einzelnen Verbrauchern beispielsweise durch Pulsweitenmodulation bestehen. So kann beispielsweise eine elektrische Heizung in dieser Weise mit verringerter Energiezufuhr betrieben werden.

Entscheidend für die Frage, ob und in welchem Umfange in diesem Zusammenhang eine zeitweilige Entladung der Batterie zugelassen werden darf, ist die augenblickliche Batteriekapazität C_(t). Be zeichnet man mit η_Lad den Wirkungsgrad der elektrischen Energie erzeugung, der das Produkt von Maschinenwirkungsgrad bei der je weiligen Maschinendrehzahl und Maschinenlast gemäß Motorkennfeld einerseits und Generatorwirkungsgrad bei der jeweiligen Drehzahl und dem jeweiligen Generatorausgangsstrom I_Gen, entnommen aus dem Generatorkennfeld, andererseits ist, mit I_Netz den Ver braucherstrom, mit î_Start den beim Starterbetrieb fließenden Strom, mit î_EKat den Heizstrom für einen Abgaskatalysator im Abgassystem der Maschine und mit î_Selbstent. den Selbstentlade strom der Batterie, so ergibt sich als Batteriekapazität im Augenblick t, ausgehend von der Batteriekapazität in einem davor liegenden Zeitpunkt t - 1, folgender Zusammenhang

mit: I_Gen, I_Netz über Stromfühler gemessen

î_Start = const. = î_Heißstart (1 + x^{n(80°C-temp_Kühlwasser)})

(Berücksichtigung des exponentiellen Einflusses der Maschinen temperatur auf die Starterleistung)

î_EKat = const. = 150-300 A

î_Selbstent. = const. (ca. 1%.C_nenn/24 h)

mit: Korrektur von Nennkapazität und Ladewirkungsgrad durch Berücksichtigung von absolutem Batteriealter t_abs, Betriebs zeit t_Betrieb, durchschnittlichem Energiedurchsatz Å und Batterietemperatur temp_Batt:

C_nenn = C_nenn,neu.(1 - x_C(t_abs, t_Betrieb) - y_C(Å) - z_C(temp_Batt))

η_Lad = η_Lad,max.(1 - x_Lad(t_abs, t_Betrieb) - y_Lad(Å) - z_Lad(temp_Batt))

dabei beschreibt:
x eine zeitlich variable Größe mit hohem Anfangswert bei neuen Batterien, starkem Abfall auf ein Minimum nach kurzer Be triebszeit und langsamem Anstieg ab einer charakteristischen Absolutzeit
y einen linear oder exponentiell vom durchschnittlichen Energie durchsatz (Ah/h) abhängigen Alterungsfaktor
z den Einfluß der Batterietemperatur auf Ladung/Entladung sowie verfügbare Kapazität.

Alle Zahlenwerte sind bordnetzspezifische Beispiele.

Die tatsächlich verfügbare Kapazität kann durch Ungenauigkeiten bei der Integration sowie Abweichungen bei den angenommenen Durchschnittswerten für Starter- und Heizstrom EKat und bei der Selbstentladung von der errechneten Kapazität abweichen. Durch geeignete Parameterwahl kann ein Driften hin zur sicheren Seite, d. h. zu geringeren errechneten statt tatsächlichen Restkapazi täten, garantiert werden. Eine Kalibrierung auf "voll geladen" ist z. B. durch Strombilanzierung nach Abschalten von Starter und EKat bei geschlossener Generatorkupplung möglich, wenn der tatsächliche Generatorstrom den bei dieser Drehzahl möglichen Generatorstrom für eine charakeristische Zeit t_char um einen charakteristischen Wert I_char unterschreitet:

{Batterie voll geladen} = I_Gen,max(n) - I_Gen,tats(n) < I_char für t < t_char

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, deren Fig. 1 eine schematische Darstellung eines möglichen Fahrzeug-Bordnetzes ist, während Fig. 2 den Regler mit seinen Ein- und Ausgangsgrößen wiedergibt; die Fig. 3, 4 und 5 geben tabellenartig die verschiedenen Verfahrensmaßnahmen an, die in Abhängigkeit von der jeweiligen Batteriekapazität und dem je weiligen Strombedarf der Verbraucher bei unterschiedlichen Wir kungsgraden der elektrischen Energieerzeugung getroffen werden.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so ist bei 1 eine Vierzylinder- Brennkraftmaschine üblichen und daher nicht zu beschreibenden Aufbaus angedeutet. Dabei kann es sich um eine Brennkraftma schine nach dem Diesel- oder Ottoprinzip handeln; uninteressant in diesem Zusammenhang ist auch die Frage, ob es sich um eine Maschine mit einer anderen Zylinderzahl sowie mit Aufladung handelt.

Über die Viscokupplung 2 ist die Maschine 1 antriebsmäßig mit dem Generator 3 verbindbar, der zur Aufladung der Bordbatterie 4 dient.

Während des Startbetriebs der Maschine muß die Batterie Energie sowohl zum Startermotor 5 (der auch durch den Generator 3 selber gebildet sein kann) als auch zur Heizvorrichtung 6 eines Abgas katalysators im Abgassystem der Maschine liefern, der durch Zu fuhr elektrischer Energie schnell auf seine Anspringtemperatur gebracht werden muß. Bei 7 und 8 werden Signale für die Dauer des Fließens der Ströme durch Startermotor 5 und Katalysatorhei zung 6 erzeugt und zum Bordnetz-Steuergerät 9 geführt. Die Lei tung 10 dient zur Übertragung eines Signals für die jeweilige Temperatur der Batterie 4 zum Steuergerät 9.

Auch die Ausgangsgrößen des Generators 3, nämlich Generatorspan nung U_Gen und Generatorstrom I_Gen, werden bei 11 und 12 meßtech nisch erfaßt und als Eingangssignale dem Steuergerät 9 zuge führt. Zur Erzeugung eines Stromsignals dient der Shunt 13, dessen Temperatur über die Leitung 14 zum Steuergerät 9 gemeldet wird. Schließlich gelangen zum Steuergerät 9 Signale für elek trische Größen der noch zu beschreibenden Verbraucher, nämlich über den Meßfühler 15 für die Netzspannung U_Netz, die mit der Batteriespannung übereinstimmt, und über den Meßfühler 16 für den Netzstrom I_Netz, der mittels des Shunts 17 erfaßt wird; die Shunttemperatur wird über die Leitung 18 dem Steuergerät 9 gemeldet.

In diesem Ausführungsbeispiel enthält das Bordnetz vier Gruppen von Verbrauchern. Die erste Gruppe umfaßt Beleuchtungseinrich tungen 19, die über den Spannungskonstanthalter 20 im Bedarfs falle immer mit elektrischer Energie versorgt werden müssen. Entsprechendes gilt für die Verbraucher der Verbrauchergruppe 21, die die höchste Priorität P1 haben. Zu diesen Verbrauchern mit der höchsten Priorität, die also stets mit elektrischer Energie versorgt werden müssen, gehören beispielsweise bei Dieselmaschinen Glühkerzen, ferner Motorlüfter, Antiblockier einrichtungen, Motorsteuergerät, Scheibenwischer- und Außen spiegelbeheizung, Radio und Signalhorn. Es sei aber ausdrücklich darauf hingewiesen, daß einerseits diese Aufzählung nicht voll ständig ist und daß andererseits im Bedarfsfall auch eine andere Wichtung erfolgen kann.

Bezugszeichen 22 betrifft Verbraucher mit Priorität P2, die, falls dies der Ladezustand der Batterie 4 und der Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung erfordern, über Pulsweitenmo dulation, angedeutet durch den vom Bordnetz 9 her angesteuerten Schalter 23, auch mit verringerter Energiezufuhr betrieben wer den können. Dieser Prioritätsstufe zugeordnet können beispiels weise Heckscheibenwischer, Sitzheizungen und elektrische Schie bedächer sein.

Schließlich enthält das Bordnetz in dem in Fig. 1 angenommenen Ausführungsbeispiel Verbraucher 24 mit der niedrigsten Priorität P3, die ebenfalls in diesem Ausführungsbeispiel durch Pulsweitenmodulation, angedeutet durch den Schalter 25, zeitweilig mit verringerter Energiezufuhr betrieben werden. Verständlicherweise ist es auch möglich, diese Verbraucher im Bedarfsfalle vollstän dig abzuschalten. Als Beispiel für Verbraucher mit der Priorität P3 seien elektrische Sitzverstellungen, Sitzheizungen und Ziga rettenanzünder genannt.

In Fig. 1 ist angenommen, daß dem Steuergerät 9 über die Lei tung 26 auch Signale für den letztmaligen Batteriewechsel zuge führt werden, so daß ihm gleichsam das Alter der Batterie 4 be kannt ist. Über seinen Ausgang 27 gibt das Steuergerät 9 dann Informationen über die Notwendigkeit einer Batterieinspektion oder eines erneuten Batteriewechsels ab. Von besonderem Interes se im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist je doch die im Steuergerät 9 unter Auswertung der ihm zugeführten Signale und in ihm gespeicherter Informationen über den Wir kungsgrad der Maschine 1 (einschließlich Kupplung 2), den Wir kungsgrad des Generators 3 und die jeweilige Batteriekapazität erfolgende Erzeugung von Ansteuersignalen 28 für die jeweilige Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine, 29 für die Verstellung des Leistungsstellglieds (Drosselklappe), 30 für die Betätigung der Viscokupplung 2 sowie 31 und 32 für die Pulsweitenmodula tionen, symbolisiert durch die Schalter 23 und 25.

Schematisch ist dies nochmals in Fig. 2 angedeutet: Dem Steuer gerät 9 werden Signale zugeführt, mit denen es aufgrund in ihm abgespeicherter Daten den momentanen Wirkungsgrad der elek trischen Energieerzeugung, symbolisiert durch das Kästchen A, die momentane (verfügbare) Batteriekapazität B und den jewei ligen Strombedarf C (gemessen am Shunt 17 in Fig. 1) erfaßt und dementsprechend eine Leerlaufregelung D, eine Steuerung E der Viscokupplung 2, eine entsprechend getaktete Versorgung F der Verbraucher 22 mit der Priorität P2 und eine getaktete Ver sorgung G der Verbraucher 24 mit der Priorität P3 bewirkt.

Dabei ist es möglich, das Steuergerät 9 nach den Regeln der Fuzzy-Technik aufzubauen.

An dieser Stelle sei eingefügt, daß die Verwendung einer Visco kupplung im Antriebsstrang des Generators mit einstufiger Über setzung den Vorteil eines geringen Restmoments im Leerlaufbe trieb und einer Begrenzung der Maximaldrehzahl des Generators durch Schlupf bei höher ansteigenden Maschinendrehzahlen bietet. Grundsätzlich ist jedoch auch die Verwendung einer anderen Kupp lung und ggf. eines Getriebes zur Änderung der Übersetzung mög lich.

Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen anhand eines Beispiels die Ar beitsweise des Steuergeräts 9 und erläutern damit besonders instruktiv das erfindungsgemäße Verfahren:
Die Tabelle nach Fig. 3 gilt für den Fall des momentanen Vor liegens eines niedrigen Wirkungsgrads der elektrischen Energie erzeugung, erhalten als Produkt der momentanen Wirkungsgrade von Maschine 1 nebst Kupplung 2 und Generator 3. In horizontaler Richtung sind unterschiedliche Werte des Strombedarfs des Bord netzes, in senkrechter Richtung unterschiedliche Werte der momentanen Batteriekapazität angenommen. LL500 bedeutet eine Absenkung der Leerlaufdrehzahl beispielsweise von 600 auf 500 U/min. PWM bedeutet Verminderung der Energiezufuhr durch Puls weitenmodulation. Betrachtet man beispielsweise das Vorliegen einer hohen Batteriekapazität bei mittlerem Strombedarf, so kann die Leerlaufdrehzahl abgesenkt und der Ladebetrieb durch Öffnen der Kupplung 2 unterbrochen sein. Hinsichtlich des Gesamtwir kungsgrads ergeben sich bei dieser Konstellation optimale Werte.

In Fig. 4, der ein mittlerer Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung zugrunde liegt, ist in demselben Fall die Viscokupplung 2 noch geöffnet. Demgegenüber ist bei hohem Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung gemäß Fig. 5 die Viscokupplung geschlossen, d. h. der Generator 3 liefert Energie, so daß eine Entladung der Batterie 4 in diesem Fall (hohe Batteriekapazität, mittlerer Strombedarf) vermieden ist. Die Absenkung der Leerlaufdrehzahl ist aufgehoben.

Besonders deutlich wird die optimale Anpassung der Verhältnisse an den Verbrauchern an die jeweiligen Gegebenheiten für die Kon stellation niedrige Batteriekapazität/hoher Strombedarf: Bei niedrigem Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung erfolgt eine Verminderung der Versorgung der Verbraucher 22 und 24 mit den unteren Prioritäten P2 und P3 durch Pulsweitenmodulation, bei mittlerem Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung (Fig. 4) erhalten die Verbraucher 22 wieder eine vollständige Energieversorgung, und bei hohem Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung (Fig. 5) werden alle Verbraucher in vollem Umfang mit Energie beliefert.

Mit der Erfindung ist demgemäß ein gattungsgemäßes Verfahren ge schaffen, das den Betrieb des Bordnetzes auch unter Wirkungs gradgesichtspunkten und damit auch des Kraftstoffverbrauchs des Fahrzeugs optimiert.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Fahrzeug-Bord netzes mit einem durch eine Antriebsmaschine des Fahrzeugs antreibbaren Generator zum Laden einer Batterie zum Speisen mehrerer Verbraucher, wobei die Speisung einzelner Ver braucher bei Vorliegen hoher Batteriebelastung zumindest verringert wird, dadurch gekennzeichnet, daß unter Messung von Drehzahl und Last der Antriebsmaschine (1) sowie Drehzahl und Stromabgabe des Generators (3) die momentanen Wirkungs grade von Antriebsmaschine (1) und Generator (3) sowie daraus der momentane Wirkungsgrad (η_Lad) der elektrischen Energieer zeugung ermittelt werden, daß ferner unter integraler meß technischer Erfassung von Lade- und Entladestrom der Batterie die momentane Batteriekapazität (C_(t)) ermittelt wird, und daß die Verminderung der Speisung von Verbrauchern (22, 24) bei hoher Batteriebelastung (I_Netz) nur dann erfolgt, wenn der Wirkungsgrad (η_Lad) der elektrischen Energieerzeugung einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet und zugleich ein bei der momentanen Batteriekapazität (_(t)) unzulässig hoher Batterieentladestrom (I_Netz) gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verminderung der Speisung durch Abschalten von Verbrauchern (22, 24) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verminderung der Speisung durch Pulsweitenmodulation (23, 25) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß bei unterhalb des Minimalwerts liegendem Wir kungsgrad (η_Lad) der elektrischen Energieerzeugung der An trieb des Generators (3) unterbrochen wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine steuerbare Viscokupplung (2) enthält.