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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungseinschätzung einer
Sekundärbatterie
(die nachstehend einfach als „Batterie" bezeichnet wird)
und einer Batterieausstattung und insbesondere ein System zur Überwachung,
ob eine in einem Kraftwagen oder dergleichen eingebaute Batterie
normal funktioniert.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Fahrzeuge
wie Kraftwagen sind jeweils mit einer Bleibatterie als Sekundärbatterie
ausgestattet, und sie wird als Energiequelle zum Anlassen des Motors,
für die
Lichtanlage, Kraftstoffeinspritzung usw. verwendet. Es ist wünschenswert,
die Entladeleistungsabnahme der Bleibatterie im Voraus zu erkennen.
Wenn die Batterie über
keinen ausreichenden Energievorrat verfügt, nachdem der Motor abgestellt
wurde, ist sie nicht imstande, den Motor wieder zu starten.
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Eine
gewöhnliche
12-Volt-Bleibatterie besteht aus sechs in Reihe geschalteten 2-Volt-Zellen.
Wenn eine der Zellen eine Fehlfunktion hat und in Zustand umgekehrter
Ladung gerät,
entsteht zum Zeitpunkt des Entladens ein Spannungsabfall, der gleich
2 Volt oder um 2 Volt oder mehr größer als der Normalzustand ist, und
die Batterie kann möglicherweise
den Motor nicht starten.
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Es
ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, um die Lebensdauer einer
Batterie anhand der Messung ihrer Spannungserholungseigenschaften
im Voraus zu erkennen.
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Ein
Verfahren zum Einschätzen
des Leistungsrückgangs
einer Batterie auf der Basis der Spannungserholungseigenschaften
auf der Zeitachse nach einer großen Belastung ist in der japanischen-Offenlegungsschrift
JP 11-52034 A (Äbsatz 0011
und
2) be- schrieben worden.
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Die
Technik der vorstehend genannten Patentveröffentlichung basiert auf der
Einschätzung
der Leistungsminderung bezüglich
der Zeit, die verstrichen ist, bis die Spannung bei einem großen Belastungseinsatz wieder
hergestellt ist, und daher muss die Batterie vor und nach dem großen Belastungseinsatz
praktisch gleiche Belastungsströme
aufweisen. Eine Autobatterie weist keine Last auf, bevor der Motor
angelassen wird, und sie wird geladen, nachdem der Motor angelassen
worden ist. Aufgrund eines Ladestroms nach dem großen Belastungseinsatz übersteigt
die Batteriespannung bald die Leerlaufspannung, und daher kann das
Schema dieser Patentveröffentlichung
nicht auf die Autobatterie angewendet werden.
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Hinsichtlich
der Batterie für
die Antriebsenergiequelle von Hybridkraftwagen (die einen Verbrennungsmotor
und einen Elektromotor verwenden) und Brennstoffzellenkraftwagen
können
die Batterieeigenschaften nicht während der Fahrt gemessen werden.
Aus diesem Grund ist es schwierig, einen Mangel an Energievorrat während einer
Fahrt und den Ausfall beim erneuten Anlassen des Motors usw. abzuschätzen.
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Die
vorliegende Erfindung soll die vorstehenden Probleme lösen und
ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Leistungseinschätzung (Überwachung)
einer Sekundärbatterie
zur Verfügung
stellen, um den abrupten Abfall der Batterieleistung im Voraus zu
erkennen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Um
das vorstehende Ziel zu erreichen, beruht die vorliegende Erfindung
gemäß einem
Aspekt auf einem Verfahren zur Überwachung
der Abnormalität
der Batterieausstattung, die zum Speichern von Energie geladen wird
und die gespeicherte Energie zu einer Last entlädt, wobei die Batterieausgangsspannung
und der Batterieausgangsstrom während
der Energieentladung zu einer Last gemessen werden, die Spannungserholungseigenschaften
zum Entladestrom der Batterieausstattung aus der gemessenen Spannung
und dem gemessenen Strom erhalten werden, mindestens die Schwankung
der sich erholenden Spannung unmittelbar vor oder nach der Beendigung
der Energieentladung zur Last überwacht
wird und die Abnormalität
der Batterieausstattung auf der Grundlage des Überwachungsergebnisses diagnostiziert
wird.
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Vorliegend
bezeichnet „Abnormalität" mindestens einen
Defekt, eine Fehlfunktion oder einen Ausfall usw. der Batterie.
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Um
das vorstehende Ziel zu erreichen, beruht die vorliegende Erfindung
gemäß einem
anderen Aspekt auf einer Ausrüstung
zur Überwachung
der Abnormalität
der Batterieausstattung, die zum Energiespeichern geladen wird und
die gespeicherte Energie zu einer Last entlädt, wobei mindestens die Schwankung
der sich erholenden Spannung unmittelbar vor oder nach der Beendigung
der Energieentladung zur Last in den Entladespannungserholungseigenschaften
zum Entladestrom der Batterieausstattung damit überwacht wird, um die Abnormalität der Batterieausstattung
zu diagnostizieren.
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Zur
Erreichung des vorstehenden Ziels beruht die vorliegende Erfindung
gemäß einem
noch anderen Aspekt auf einem Batteriesystem, das folgendes umfasst:
eine Batterieausstattung, die zum Speichern von Energie geladen
wird und die gespeicherte Energie zu einer Last entlädt, einen
Spannungssensor, der die Ladespannung und Entladespannung der Batterieausstattung
misst, einen Stromsensor, der den Ladestrom und Entladestrom der
Batterieausstattung misst, und eine Steuerung, der die Ausgangsleistungen
von Spannungssensor und Stromsensor aufnimmt und das Laden und Entladen
der Batterieausstattung steuert, wobei die Steuerung mindestens
die Schwankung der sich erholenden Spannung unmittelbar vor oder
nach der Beendigung der Energieentladung zur Last in den Entladespannungserholungseigenschaften
zum Entladestrom der Batterieausstattung überwacht, um dadurch die Abnormalität der Batterieausstattung
zu diagnostizieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Entladegeschwindigkeit
und der nützlichen
Speicherkapazität
einer Batterie zeigt;
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2 ist
eine graphische Darstellung, die schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften
der Batterie während
des Motoranlassens zeigt;
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3 ist
eine graphische Darstellung, die schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften
der Batterie während
des Motoranlassens in einem Zustand verringerter geladener Energie
zeigt;
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4 ist
ein Blockschaltdiagramm, das den Triebstrang (das Antriebssystem)
eines Kraftwagens zeigt;
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5 ist
ein Blockschaltdiagramm, das die Batteriesteuerung (Batterieausstattung)
und deren Peripherie eines Kraftwagens auf der Basis einer Ausführungsform
dieser Erfindung zeigt;
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6 ist
ein Flussdiagramm, das den auf einer Ausführungsform dieser Erfindung
basierenden Batteriezustandserfassungsvorgang zeigt;
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7 ist
eine erläuternde
graphische Darstellung, die die Strom- und Spannungswellenformen der Batterie
während
des Motoranlassens zeigt;
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8 ist
eine erläuternde
graphische Darstellung, die die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften
der Batterie während
des Motoranlassens zeigt;
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9 ist
eine erläuternde
graphische Darstellung, die die Strom- und Spannungswellenformen der Batterie
während
des MG-Betriebs zeigt;
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10 ist
eine erläuternde
graphische Darstellung, die die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften
der Batterie während
des MG-Betriebs zeigt;
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11 ist
eine graphische Darstellung, die schematisch die die Ortskurve der
Strom-Spannungs-Eigenschaften der Batterie während des Motoranlassens zeigt,
wenn die Batterie einem Zustand der Überentladung nahe ist;
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12 ist
eine graphische Darstellung, die schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften
der Batterie während
des Motoranlassens zeigt, wenn die Batterie den Zustand der Überentladung erreicht
hat;
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13 ist
ein Blockschaltdiagramm einer dezentralen Elektroenergiequelle,
das sich von einer anderen Anwendung der vorliegenden Erfindung
ableitet;
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14 ist
ein Blockschaltdiagramm eines Elektrizitätssystems eines Brennstoffzellenkraftwagens, das
von einer noch anderen Anwendung der vorliegenden Erfindung abgeleitet
wird; und
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15 ist
eine graphische Darstellung der Eigenschaften, die die Beziehung
zwischen den Vorgängen beim
Motorabstellen und den Abnormalitätsbeurteilungsspannungen während der
Fahrt eines Kraftwagens zeigt, das mit der Batteriesteuerung (Batterieausstattung)
auf der Basis einer Ausführungsform
dieser Erfindung ausgerüstet
ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen
dieser Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert
beschrieben.
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Diese
Erfindung weist zwei Aspekte auf. Der erste Aspekt ist die Feststellung
von Batterieeigenschaften, die zur Abnormalitätsvorauserkennung verwendet
werden sollen, und der zweite Aspekt ist die Bestimmung eines Algorithmus
zur Abnormalitätsbeurteilung.
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Eine
gewöhnliche
Bleibatterie zum Anlassen eines Kraftwagenmotors (12-Volt-Bleibatterie)
besteht aus sechs in Reihe geschalteten Bleibatteriezellen. Wenn
diese Batteriezellen unterschiedliche Ladungszustände aufweisen
und irgendeine Batteriezelle während
des Entla dungsvorgangs in den Zustand der Überentladung oder umgekehrten
Ladung aufgrund der Disparität
der Selbstentladungsgeschwindigkeit, Ladeeffizienz und dem Ansteigen
der Selbstentladungsgeschwindigkeit als Ergebnis einer Leistungsverschlechterung
gerät, entstehen
Probleme wie etwa eine inadäquate
Entladungsausgangsleistung und plötzliche Leistungsminderung.
Aufgrund dessen ist es notwendig, die Batterie zu überwachen
und zu steuern, so dass alle Batteriezellen sich im gleichen Ladezustand
befinden und nicht in den Zustand eine Überentladung verfallen.
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1 zeigt
den Zustand zwischen der Entladungsgeschwindigkeit und der nutzbaren
Kapazität
einer Batterie. Praktisch alle Batterien zeigen diese Tendenz. Die
Entladungsgeschwindigkeit entlang der Horizontalachse gibt die Nennleistungskapazität an, wobei
der Entladestrom in einer Stunde durch 1C dargestellt ist. Beispielsweise
hat eine 20-Ah-Batterie eine Entladung von 20 Ampere bei 1C und
eine Entladung von 100 Ampere bei 5C. Bei gewöhnlichen Batterien sinken die
Nutzkapazitäten,
wenn sie in Betrieb sind, um große Ströme zu entladen. Bei Batterien,
die zum Motoranlassen verwendet werden oder für Hybridkraftwagen benutzt werden,
schwanken die Lastströme
dynamisch, wie später
erläutert
werden wird. Dementsprechend neigen die Batterien zum Motoranlassen
und für
Hybridkraftwagen dazu, in einen Zustand der Überentladung oder umgekehrten
Ladung zu geraten, wenn ihre Nutzkapazitäten aufgrund der Entladung
eines großen
Stroms abgenommen haben.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Spannungsabfalltendenz
während
der Entladung eines großen
Stroms studiert und das Auftreten eines einzigartigen Symptoms der Überentladung
sogar bei der dynamischen Stromleitung festgestellt. Dies sind die
Batterie-Eigenschaften
als der vorstehend erwähnte erste
Aspekt dieser Erfindung.
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2 zeigt
schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften während des
Motoranlassens. Wenn der Anlasser eingeschaltet wird, fließt ein hoher
schneller Strom, was dazu führt,
dass die Spannung abfällt,
wie dadurch gezeigt ist, dass die Ortskurve nach links abwärts geht.
Der Laststrom nimmt mit der Zunahme der Motorgeschwindigkeit zu,
was dazu führt,
dass die Spannung sich erholt, was dadurch gezeigt ist, dass die
Ortskurve nach oben rechts zurückgeht.
Im Fall einer Normalbatterie erreicht die Ortskurve den Tiltwinkel
progressiv auf dem Rückweg
als Reaktion auf die Abnahme des Laststroms, wie durch die gestrichelte
Linie gezeigt ist. Diese Kurve ist als Tafelsche Formel der elektrochemischen
Theorie gut bekannt. Wenn sich jedoch irgendeine der Reihenbatteriezellen
im Endzustand des Entladens befindet, vermindert sich die Erholung
der Batteriezelle, was zu einem Spannungsabfall führt, und
die Ortskurve nimmt die ausgezogene Linie der 2 ein.
In diesem Zustand kann die Batterie den Motor ohne Problem anlassen.
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3 zeigt
die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften in dem Fall, in
dem der Ladezustand sich seit dem Zustand der 2 weiter
verschlechtert hat. Insbesondere fällt eine der Reihenbatteriezellen
in den Zustand einer Überentladung
oder umgekehrten Ladung, was dazu führt, dass die Batteriespannung
während
des Entladens um 2 bis 3 Volt abfällt, was zu einem Versagen
beim Motoranlasses führt.
Durch die Vorauserkennung der Überladung
in dem in 2 gezeigten Zustand und ausreichendem
Laden der Batterie wird es möglich,
den Spannungsabfall, wie in 3 gezeigt,
zu verhindern und das Anlassen des Motors sicherzustellen.
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Als
nächstes
wird die Hardware-Anordnung der erfindungsgemäßen Batterieausstattung erläutert. Der Hauptabschnitt
der Batterieausstattung wird vorliegend „Batteriesteuerung" genannt.
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4 zeigt
durch ein Blockschaltdiagramm den Triebstrang (das Antriebssystem)
eines Kraftwagens. Ein Motor 45, mit dem ein Anlasser 43 und
ein Elektrogenerator 44 verbunden sind, wird durch eine
Motorsteuerung 91 gesteuert. Der Anlasser 43 und
der Generator 44 sind mit einer Batterie 10 zum
Austausch von Elektroenergie verbunden und sie tauschen auch mechanische
Energie mit der Antriebswelle des Kraftwagens aus. Der Anlasser 43 und
der Generator 44 werden von einer Motor-/Batterie-Steuerung 40 gesteuert,
welche die Energie steuert, die zwischen der Batterie 10,
dem Anlasser 43 und dem Generator 44 ein- und
ausfließt, und
sie steuert auch den Betrieb des Anlassers 43 und des Generators 44.
Die Batterie 10 ist mit der Motor-/Batterie-Steuerung 40 verbunden,
die den Zustand der Batterie 10 überwacht.
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Eine
Elektroenergie-Lenkvorrichtung 41 und eine Elektrobremsvorrichtung 42 sind
mit der Batterie 10 verbunden. Die Motorsteuerung 91,
die Motor-/Batterie-Steuerung 40, die Gesamtsteuerung 92,
die Elektroenergie-Lenkvorrichtung 41, die Elektrobremsvorrichtung 42 und
die Anzeigevorrichtung 94 sind miteinander über ein
Netzwerk verbunden. Die Gesamtsteuerung 92 gibt Steuerbefehle
an andere Steuerungen aus, um dadurch das Kraftwagen zu steuern.
Die Anzeigevorrichtung 94 liefert Betriebsinformationen
an den Kraftwagenfahrer.
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5 zeigt
durch ein Blockschaltdiagramm die Batterieüberwachungsfunktion der Motor-/Batterie-Steuerung 40 und
deren Peripherie. Die Steuerung entspricht dem Batterieabnormalitäts-Überwachungssystem
dieser Erfindung.
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Eine
Batterie 10 besteht aus mehreren in Reihe geschalteten
Batteriezellen. Die Batterie 10 ist mit einem Motor/Generator
MG 48 ver bunden, der typischerweise einen Motor/Generator,
einen Anlasser und einen Generator, aufweist. Ein Stromsensor 20 wandelt
den Strom der Batterie 10 in ein Spannungssignal um.
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Eine
CPU 46 ist ein Abschnitt einer Motor-/Batterie-Steuerung 40 zum
Implementieren der Batterieüberwachungsfunktion,
und sie weist einen Speicher 100, einen Näherungsberechnungsabschnitt 101,
einen Korrelationsfaktorberechnungsabschnitt 102, einen
Abnormalitätsbeurteilungsabschnitt 103 und
einen Batterieaustauschbeurteilungsab schnitt 104 auf.
Verschiedene Berechnungs- und Steuerungsfunktionen der CPU 46 werden
nachstehend im Detail erläutert.
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Die
CPU 46 nimmt Spannungsdaten von einem Spannungssensor 30 und
Stromdaten von einem Stromsensor 31 entgegen. Die CPU 46 meldet
einer hochrangigen Steuerung 47 und auch dem Kraftwagenfahrer über die
Anzeigevorrichtung Abnormalitätsinformationen.
Die hochrangige Steuerung 47 entspricht dem Motorsteuerungsabschnitt
der Motor-/Batterie-Steuerung 40 oder der in 4 gezeigten
Gesamtsteuerung 92.
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Als
nächstes
wird der zweite Aspekt dieser Erfindung, d.h. ein Berechnungsverfahren
zur Vorauserkennung der Batterieabnormalität aus Messergebnissen, erläutert. 6 zeigt
durch ein Flussdiagramm die von der CPU 46 durchgeführten Verarbeitungen.
Zunächst
beginnt der Verarbeitungsschritt 200 die Messung der Spannung
und des Stroms der Batterie 10 unmittelbar nach dem Einschalten
des Kraftwagenzündschlüssels. Die
Messung des Stroms und der Spannung findet in Abständen von
ungefähr
1 ms statt. Die gemessenen Strom- und Spannungsdaten werden im Speicher 100 abgelegt.
Als nächstes
werden bei Schritt 202 Abnormalitätsdaten zum Endzeitpunkt des
Motors, an dem der vorherige (letzte) Zünd schlüsselschalter ausgeschaltet
wurde, aus dem Speicher 100 gelesen. Die Abnormalitätsdaten
bei Schritt 230 sind in den Speicher 100 beim
vorherigen Abschalten des Zündschlüssels geschrieben
worden.
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Danach
werden die Batterieabnormalitätsdaten
analysiert, und der Vorgang geht zu Schritt 214 als Reaktion
auf das Vorhandensein einer Abnormalität oder bei Abwesenheit einer
Abnormalität
zu Schritt 204 weiter.
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In
Schritt 204 wird das Ende des Motoranlassens beurteilt
und wenn das Motoranlassen noch nicht beendet ist, kehrt der Vorgang
zu Schritt 204 zurück.
Der Anfang und das Ende des Motoranlassens können auf der Grundlage des
Ein- bzw. Aus-Zustands des Anlassersteuerungssignals beurteilt werden
oder auf der Grundlage des Batteriestromwerts unterhalb eines Schwellenwerts
I1 (-200 Ampere in der vorliegenden Ausführungsform) bzw. über einem
weiteren Schwellenwert I2 (-60 Ampere in der vorliegenden Ausführungsform) beurteilt
werden. Beispielsweise wird festgestellt, dass das Motoranlassen
der Anfangszustand ist, wenn sich das Anlassersteuerungssignal im
Ein-Zustand befindet, das Motoranlassen der Endzustand ist, wenn
sich das Anlassersteuerungssignal im Aus-Zustand befindet, oder
das Motoranlassen der Anfangszustand ist, wenn der Batteriestromwert
unter einem Schwellenwert I1 liegt und das Motoranlassen der Endzustand
ist, wenn der Batteriestromwert über
einem Schwellenwert I2 liegt. Bei Abschluss des Motoranlassens geht
der Vorgang zu Schritt 206 weiter.
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Der
Schritt
206 der Näherungsrechnung
führt die
Regressionsanalyse für
die erstere Hälfte
der Spannungs- und Stromdaten zum Zeitpunkt des Motoranlassens durch,
um dadurch eine Näherungsformel
zu erhalten. Diese Ausführungsform
gibt der Einfachheit halber die folgende Formel erster Ordnung an. [Formel
1]
wobei V für
die Batteriespannung steht, OCV für die Batteriespannung bei
Null Strom steht, R für
den Innenwiderstand der Batterie steht und I für den Batteriestrom steht,
der beim Laden positiv ist.
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7 zeigt
ein Beispiel der Batteriespannung und des Batteriestroms sowie des
Anlassersteuerungssignals zum Zeitpunkt des Motoranlassens. Während der
Zeitdauer 1 unmittelbar nach dem Beginn des Motoranlassens
ist die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften nicht stabil,
wie durch leere rhombische Zeichen in der graphischen Darstellung
der 8 angegeben ist. Daher werden von der Zeitdauer 2 in 7 abgeleitete
Kenndaten, die durch ausgefüllte
rhombische Zeichen in der graphischen Darstellung der 8 angegeben
sind, verwendet, um eine Näherungslinie
zu erhalten. Die Zeitdauer 2 kann innerhalb der ersten Hälfte der
Motoranlasszeitdauer gesetzt werden, obwohl sie in dieser Ausführungsform
so definiert ist, dass sie von 50 ms bis 150 ms nach dem Beginn
des Motoranlassens dauert. Der Zeitpunkt des Beginns des Motoranlassens
kann auf dem Steuerungssignal des Anlassers 43 basiert
werden oder kann von dem Zeitpunkt abgeleitet werden, wenn der Batteriestrom
unter den Schwellenwert 11 absinkt.
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9 zeigt
die Spannungs- und Stromwellenformen in dem Fall, wenn ein Wechselstrommotor
und -Wandler statt eines Anlassers (Gleichstrombürstenmotor) zum Anlassen des
Motors verwendet werden. Auch kann in diesem Fall die ähnliche
Näherungsberechnung
wie in 10 gezeigt ausgeführt werden.
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Danach
analysiert der Schritt
208 der Korrelationsfaktorberechnung
die Spannungs- und Stromdaten, die in der Näherungsrechnung verwendet worden
sind, um den Korrelationsfaktor r mit der folgenden Formel zu erhalten. [Formel
2]
wobei n für
die Anzahl der während
der Zeitdauer
2 gemessenen Näherungsdaten steht. Zwar wird
in dieser Ausführungsform
der Korrelationsfaktor verwendet, der die Ableitung von der Formel
erster Ordnung einschätzt,
aber eine alternative Weise basiert auf der Annäherung durch Summierung (ausgedrückt durch
Formel (3)) der Tafel-Formel
und der Formel erster Ordnung und der Auswertung des quadratischen
Mittelwerts (ausgedrückt
durch Formel (4)) der Differenz zwischen der Näherungsformel und der Näherungsdaten. [Formel
3]
[Formel
4]
worin a und b für Tafel-Konstanten mit unterschiedlichen
Polaritäten
und Werten zwischen Laden und Entladen stehen.
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Danach
vergleicht der Schritt 210 die (durch den schwarzen Punkt
in 7 und 9 angegebene) Spannung unmittelbar
vor oder nach dem Ende des Motoranlassens mit dem vorherigen Ergebnis
der Näherungsformel,
erhält
dadurch die Abnormalitätsbeurteilungsspannung
mittels der Differenz der (durch den schwarzen Punkt in 8 gezeigten)
Strom-Spannungs-Daten von der Näherungslinie
und setzt den Überentladungsmerker,
wenn sich die Beurteilungsspannung außerhalb des Normalbereichs
befindet. Alternativ kann der Fall des schwarzen Punkts von 8 außerhalb
des Normalbereichs, der sich über
der Näherungslinie befindet
(Abnormalitätsbeurteilungsspannung
unter 0 Volt) als abweichend beurteilt werden: (Schema 1). Der Zeitpunkt
des Endes des Motoranlassens kann auf dem Steuerungssignal des Anlassers
basiert werden oder kann von dem Zeitpunkt abgeleitet werden, an
dem der Batteriestrom den Schwellenwert I2 überschreitet.
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11 zeigt
schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften in dem Fall, wenn sich der
Anlasservorgang in einem der Überentladung
viel näheren
Zustand befindet. Zur Abnormalitätsüberwachung
dieses Falls wird, wenn das Berechnungsergebnis des Korrelationsfaktors
gleich einem Schwellenwert ist oder unterhalb eines Schwellenwerts
liegt, oder wenn der quadratische Mittelwert der Differenz zwischen der
Näherungsformel
und den Näherungsdaten
größer als
ein Bezugswert ist, d.h. eine unzureichende Übereinstimmung der Näherungsformel
und der Näherungsdaten
vorliegt, der Fall als abweichend beurteilt: (Schema 2).
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12 zeigt
schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften in dem Fall, wenn die Batterie
in den Zustand der Überentladung
gerät.
In diesem Fall fallen die Näherungsformel
und -daten zusammen und dementsprechend können Schema 1 und Schema 2
nicht für
die Abnormalitätsbeurteilung
herangezogen werden. Daher wird, falls die Spannung unmittelbar
vor dem Ende des Anlasserbetriebs in den Abnormalitätsbereich
eintritt, der Fall als abnormal beurteilt: (Schema 3).
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Obwohl
in der vorliegenden Ausführungsform
Daten, von denen vor oder nach dem Ende der Belastungsoperation,
wenn die Empfindlichkeit der Abnormalitätsbeurteilung am höchsten ist,
eine Probe genommen wurde, zur Implementierung der Abnormalitätsbeurteilung
verwendet werden, kann sich die zeitliche Steuerung der Datenprobennahme
leicht vom Ende der Belastungsoperation unterscheiden, vorausgesetzt, dass
die Empfindlichkeit der Beurteilung ausreichend ist.
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Obwohl
das Schema 1 der vorliegenden Ausführungsform die Strom-Spannungs-Daten,
von denen unmittelbar vor dem Ende des Motoranlassens eine Probe
genommen wurde, mit der Näherungsformel
vergleicht, besteht eine alternative Weise darin, Daten zu verwenden,
von denen unmittelbar nach dem Ende des Motoranlassens eine Probe
genommen wurde.
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Danach
sendet der Schritt 212 das Ergebnis der Abnormalitätsbeurteilung
an die Anzeigevorrichtung 94, um dem Kraftwagenfahrer über die
Abnormalität
zu informieren. Zur selben Zeit wird das Ergebnis der Abnormalitätsbeurteilung
der hochrangigen Steuerung 47 angezeigt, die auf die Anzeige
der Batterieabnormalität reagiert,
um das automatische Abstellen des Motors 45 zu verhindern.
Mit anderen Worten verhindert sie die Energieentladung an den Anlasser 43,
verhindert das Einstellen der Energieerzeugung des Generators 44 und lädt die Batterie 10 durch
die vorbestimmte Operationsabfolge.
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Im
Fall einer Bleibatterie oder Lithium-Ionen-Batterie wird der Generator 44 grundlegend
betrieben, um seine maximale Ausgangsleistung zu erzeugen, und nachdem
die Batteriespannung die voreingestellte Obergrenze erreicht hat,
wird die Generatorausgangsleistung gesteuert, um die Obergrenzenspannung
zu halten. Nachdem die Batterie etwa eine Stunde lang geladen worden
ist, werden die Sperrung des automatischen Abstellens des Motors 45,
die Sperrung der Energieentladung an den Anlasser 43 und
die Sperrung des Einstellens der Energieerzeugung aufgehoben.
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Im
Fall einer NiMH-Batterie wird der Generator 44 betrieben,
um eine praktisch konstante Ausgangsleistung zu erzeugen, und wenn
die Ladebeendigungsbedingung erfüllt
ist, zum Beispiel, wenn die Batterietemperaturanstiegsrate das Bezugsniveau
erreicht hat, wird die Generatorausgangsleistung auf ein Stromniveau
von 0,1C verringert. Nachdem die Batterie eine bestimmte Zeitlang
ununterbrochen geladen worden ist, wird die Sperrung des automatischen
Abstellens des Motors 45 aufgehoben.
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Auf
der Grundlage des vorgenannten gesteuerten Ladens werden alle in
Reihe geschalteten Batteriezellen geladen. Früh aufgeladene Batteriezellen
warten auf das Aufladen der übrigen
Batteriezellen, während sie
ihre überschüssige Elektroenergie
thermisch zerstreuen und schließlich
sind alle Batteriezellen gleich geladen. Diese Vorgangsreihen werden
von der CPU 46 im Vollladebeurteilungsschritt 214 und
im Abnormalitätsmerkerzurücksetzungsschritt 216 der 6 implementiert.
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Der
Schritt 218 der Batterieaustauschbeurteilung summiert den
Stromwert auf, mit dem die Batterie bei jedem Kreislaufzyklus der
Schritte 203, 214 und 218 geladen worden
ist, nachdem die Abnormalität
auftaucht, bis die Batterie voll geladen ist. Wenn der kumulative
Stromwert zu dem Zeitpunkt, an dem die Batterie voll geladen und
der Abnormalitätsmerker
zurückgesetzt
sind, kleiner ist als der Schwellenwert, setzt der Schritt 218 den
Batterieaustauschmerker, informiert die hochrangige Steuerung 47 und
benachrichtigt den Fahrer durch die Anzeigevorrichtung 94 von
der Notwendigkeit eines Batterieaustauschs.
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Wenn
die Leistungskapazität
der Batterie, die durch diesen Vorgang mittels des kumulativen Stromwert
vom Auftreten der Batterieabnormalität bis zum Ende des vollständigen Ladens
eingeschätzt
wird, kleiner wird und die mangelhafte Erholung anzeigt, wird die
Batterie so beurteilt, dass ihre Betriebsdauer abläuft, und der
Kraftwagenfahrer wird aufgefordert, sie zu ersetzen.
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Obwohl
die vorgenannte Ausführungsform
die Beurteilung der Batterieabnormalität auf der Grundlage des Laststroms
des Anlassers vornimmt, kann die Beurteilung auf die Stromwellenform
der Energielenkvorrichtung 41 oder der Elektrobremsvorrichtung 42 in
ihrem aktivierten Zustand basiert werden. Während des Betriebs des Motors 45 wird,
wenn irgendeine dieser Vorrichtungen mit Lastströmen in der Größenordnung
von 100–200
Ampere zu funktionieren beginnt, fast der gesamte Laststrom zunächst von
der Batterie geliefert, und nach einer Verzögerung von etwa 200 ms mittels
der Zeitkonstante wird der Laststrom vom Generator 44 geteilt.
Infolgedessen fließt
ein Strom, der der Stromwellenform von 7 ähnelt, aber
von der Größe her geringer
ist, durch die Batterie, was die Beurteilung der Batterieabnormalität auf der
Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens
ermöglicht.
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15 zeigt
die Beziehung zwischen der Anzahl der Leerlaufstopps (nämlich Anzahl
der Anlasserbetätigungen:
Wiederholungszahl vom Motoranlassen bis zum Motorabstellen) und
den Abnormalitätsbeurteilungsspannungen
während
der Fahrt eines Kraftwagens, der mit der erfindungsgemäßen Ausstattung
ausgerüstet
ist. Der Test wurde mit der Absicht ausgeführt, die Wirksamkeit dieser
Erfindung zu bestätigen,
indem die Batterie zur Freisetzung von Energie betrieben wurde,
um in den Zustand einer Überentladung
zu kommen, bis sie schließlich
nicht mehr den Motor anlassen kann. Beim ersten Motoranlassen befand
sich die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften innerhalb des
normalen Bereichs. Beim zweiten bis vierten Motoranlassen wurde
die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften dahingehend beurteilt,
dass sie auf Grundlage des Schemas 1 abweichend waren. Beim fünften und
sechsten Vorgang waren die Ortskurven der Strom-Spannungs-Eigenschaften
so, wie sie in 11 gezeigt sind, und wurden
als abweichend auf der Basis von Schema 1 und Schema 2 beurteilt.
Obwohl der sechste Vorgang auch zu einer Abnormalitätsbeurteilung auf
der Basis von Schema 3 führte,
ließ er
den Motor erfolgreich an. Beim siebten Vorgang war die Ortskurve der
Strom-Spannungs-Eigenschaften wie in 12 gezeigt
ist, und wurde auf der Basis des Schemas 3 als abweichend beurteilt,
und der Vorgang konnte den Motor nicht anlassen. Dementsprechend
wurde bestätigt, dass
das Auftreten der Batterieabnormalität im Voraus erkannt werden
kann, bevor der Motor mehrere Male angelassen wird, nur um ein Versagen
beim letztendlichen Anlassen festzustellen.
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Gemäß dieser
Ausführungsform,
wie sie vorstehend beschrieben wurde, ist es möglich, die Batterie zu pflegen,
indem sie korrekt geladen wird, bevor eine der Reihenbatteriezellen
in den Zustand der Überentladung
gerät,
was dazu führt,
dass die Batterie beim erneuten Motoranlassen versagt, wodurch die
Batterie stets im Bereitschaftszustand für ein erneutes Motoranlassen
gehalten wird.
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Die 13 zeigt
eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die auf eine dezentrale Elektroenergiequelle
angewendet wird. Das Folgende erläutert nur Teile, die sich von
der Konfiguration der 5 unterscheiden. Das Energiesystem
weist einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 50 auf, der
Wechselstromenergie in Gleichstromenergie umwandelt und Gleichstromenergie
in Wechselstromenergie umwandelt. Eine handelsübliche Stromquelle 52,
ein Schalter 53, eine Last 51 und ein Generator 44 sind
wie gezeigt in dem System verbunden. Die Last 51 steht
für Heimelektrogeräte wie Klimaanlagen,
Kühlschränke, Mikrowellenofen
und Beleuchtungsvorrichtungen sowie für Elektroanlagen wie Motoren,
Aufzüge,
Computer und medizinische Geräte.
Mit dem Bezugszeichen 94 ist eine Alarmvorrichtung bezeichnet.
Diese Vorrichtungen können
interne Schalter aufweisen. Wenn ein Gerät mit großer Stromlast wie ein Mikrowellenofen
oder ein Toaster mehrere Sekunden bis mehrere Minuten lang mit einer
handelsüblichen
Leistungsfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz arbeitet, ist der sich ergebende
Batteriestrom ähnlich
wie in dem Fall, der in 9 gezeigt ist.
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Wenn
der Energieverbrauch durch die Last 51 klein ist, lädt der Generator 44 oder
die handelsübliche Stromquelle 52 die
Batterie 10 durch den Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 50.
Im Fall eines Abschaltens des Energievorrats der handelsüblichen
Stromquelle 52 wird der Schalter 53 gedreht und
der Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 50 wird
angesteuert, so dass der Last 51 Energie von der Batterie 10 und
dem Generator 44 zugeführt
wird. Wenn der Energieverbrauch durch die Last 51 höher ist
als das angegebene Niveau, wird der Last 51 Energie von
der Batterie 10 oder dem Generator 44 mittels
des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers 50 zugeführt. Da
der Generator 44 bei seinem Anlassvorgang und seiner Reaktion
langsamer ist als die Last 51 in ihrer Schwankung beim
Energieverbrauch, werden momentane Lastschwankungen von der Batterie 10 oder
der handelsüblichen
Stromquelle aufgefangen. Wenn die Batterieausgangsleistung unter den
Nennwert fällt,
kann der Laststrom der handelsüblichen
Stromquelle möglicherweise
den Kontakt überspringen,
was dazu führt,
dass der Stromunterbrecher unvorteilhaft arbeitet.
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Die
CPU 46 misst den Batteriestrom und die Batteriespannung,
um die Abnormalität
der Batterie zu beurteilen. Beim Auftreten einer Abnormalität erhöht der Generator 44 die
Ausgangsleistung. Die Batterie 10 wird daran gehindert,
Energie während
einer Zeitdauer, wie etwa der Nacht, abzugeben, wenn der Energieverbrauch
gering ist, und sie wird zu dem bestimmten Nennwert geladen.
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Die
Alarmvorrichtung 94 zeigt das Auftreten von Abnormalität an und
zeigt dem Benutzer den Betriebszustand. Die CPU 46 kann
mit dem Server über
die Kommunikationsvorrichtung verbunden sein, um den Austausch der
Batterie zu fordern, wenn die Häufigkeit
des Auftretens der Abnormalität
eine voreingestellte Anzahl übersteigt.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
ist es, wie vorstehend beschrieben wurde, möglich, die Ausgangsleistungsabnahme
der Batterie 10 im Voraus zu erkennen und zu verhindern,
dass die Batterieausgangsleistung sinkt, wodurch das Energiesystem
eine verbesserte Zuverlässigkeit
aufweisen kann. Das System ermöglicht
die Fernüberwachung
von Batterieabnormalitäten
und die Batteriewartung bei unbemannten Anlagen kann korrekt durchgeführt werden.
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Die 14 zeigt
eine noch andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die bei einem Brennstoffzellenkraftwagen
angewendet wird. Im Folgenden werden nur Teile erläutert, die
sich von der Konfiguration der 4 unterscheiden.
Das Energiesystem verwendet eine Brennstoffzelle (FC) 81 anstelle
des Motors als Vorrichtung, um Kraftstoff Energie zu entziehen.
Die FC 81 ist mit einer Batterie 10, einem Wechselrichter 60,
einer Elektrobremsvorrichtung 41 und einer Elektroenergielenkvorrichtung 41 verbunden.
Die FC 81 wird dadurch gesteuert, dass sie mit einer Steuerung
(Brennstoffzellen-Steuerung – FCC) 82 verbunden
ist. Die FCC 82 steht mit der Ge samtsteuerung 92 über ein
Netzwerk in Verbindung, um einen Befehl zur Brennstoffzellen-Erzeugungsausgangsleistung
zu empfangen.
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Der
Brennstoffstellenkraftwagen unterscheidet sich vom herkömmlichen
Kraftwagen durch die Anordnung des Triebstrangs, wie sie vorstehend
erwähnt
wurde. Zur Abdeckung der Brennstoffzelle 81 abzudecken, die
in ihrer Reaktion in Bezug auf den Motor 51 und den Generator 44 unterlegen
ist, ist es notwendig, dass die Batterie dem Wechselrichter 60,
der Elektrobremsvorrichtung 42 und der Elektroenergielenkvorrichtung 41 Energie
bei hoher Ansprechung zuführt.
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Der
durch die Batterie 10 fließende Strom ist ähnlich dem
Strom, der aus den kombinierten Arbeitsvorgängen des Elektrobremssystems 42 oder
der Elektroenergielenkvorrichtung 41 und des Generators 44 in 4 resultiert.
Zu Beginn des Betriebs der Elektrobremsvorrichtung 42 oder
der Elektroenergielenkvorrichtung 41 wird der Strom von
der Batterie 10 zugeführt,
und nach etwa 1 Sekunde gemäß einer
Zeitkonstante wird die Stromquelle zur Brennstoffzelle 81 umgeschaltet.
Als Ergebnis hiervon weist der durch die Batterie 10 fließende Strom
eine Wellenform auf, die von 7 abgeleitet
ist und entlang der Zeitachse aufgrund der trägen Ansprechung der Brennstoffzelle 81 leicht
ausgedehnt ist.
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Wenn
die Ausgangsleistung der Batterie 10 aufgrund des Auftretens
von Batterieabnormalität
abfällt, ergeben
sich ein derartiges ungünstiges
Verhalten des Kraftwagens als mangelhafte Beschleunigung gegen den
Willen des Fahrers und die verschlechterte Leistung des Antiblockierbremsens
der Elektrobremsvorrichtung.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
arbeitet die Batteriesteuerung 46 jedoch ähnlich wie
die vorgenannte Motorsteuerung/Batteriesteuerung 40, um
die durch Überentladung
verursachte Batterie abnormalität
im Voraus zu erkennen und die Batterieausgangsleistung zu halten.
Außerdem
wird dem Kraftwagenfahrer mitgeteilt, dass der Batterieaustausch
notwendig ist, um eine korrekte Batteriewartung zu betreiben, und die
vorstehend genannte Untauglichkeit kann verhindert werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
ein Verfahren zur Einschätzung
der Leistung eines Sekundärbatterie
und einer Batterieausstattung zu erreichen, die den abrupten Abfall
der Batterieausgangsleistung im Voraus erkennen kann.