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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft
außerdem ein
Kraftfahrzeug.
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Um
den Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeuges zu senken, ist es
bekannt, die Brennkraftmaschine in einem sogenannten Start-Stopp-Modus
zu betreiben, in dem die Brennkraftmaschine automatisch ausgeschaltet
wird, sobald sie nicht mehr benötigt
wird, und in dem die Brennkraftmaschine automatisch wieder gestartet
wird, sobald sie wieder benötigt wird.
Ist die Brennkraftmaschine ausgeschaltet, werden elektrische Verbraucher
des Fahrzeugs von einer Batterie mit Strom versorgt. Bei eingeschalteter Brennkraftmaschine
kann die Batterie über
einen entsprechenden Generator, sogenannte Lichtmaschine, wieder
geladen werden. Um eine übermäßige Entladung
der Fahrzeugbatterie bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine zu vermeiden,
kann die Ausschaltung der Brennkraftmaschine auf eine maximale vorbestimmte
Auszeit begrenzt werden. Ist diese Auszeit abgelaufen, wird die
Brennkraftmaschine wieder gestartet, unabhängig davon, ob sie tatsächlich benötigt wird.
Die Brennkraftmaschine wird bspw. dann nicht benötigt, wenn das Fahrzeug abgebremst wird
oder wenn das Fahrzeug bergab fährt
oder wenn das Fahrzeug steht, bspw. an einer Ampel. Insbesondere
wird die Brennkraftmaschine immer dann nicht benötigt, wenn das Fahrzeug keine
Antriebsleistung braucht. Umgekehrt wird die Brennkraftmaschine vorzugsweise
dann benötigt,
wenn das Fahrzeug für seinen
Vortrieb Antriebsleistung braucht. Es sind jedoch auch andere Kriterien
für die
Notwendigkeit einer eingeschalteten Brennkraftmaschine denkbar. Bspw.
benötigt
eine Klimaanlage in der Regel mehr Strom als die Fahrzeugbatterie
bereitstellen kann. Das Einschalten der Klimaanlage kann daher ebenfalls
das Einschalten der Brennkraftmaschine erforderlich machen.
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Herkömmliche
Fahrzeugbatterien, sogenannte Akkumulatoren, insbesondere Bleiakkumulatoren,
sind Verschleiß ausgesetzt.
Ihre Leistungsfähigkeit
nimmt mit der Zeit ab. Bspw. nimmt die Leistungsfähigkeit
der Batterie mit ihrem Energiedurchsatz ab, sodass bspw. die Anzahl
der durchführbaren Ladezyklen
begrenzt ist. Ferner altern die einzelnen Komponenten der Batterie.
Diese Alterung wird auch als Gesundheitszustand bezeichnet und gelegentlich mit
SoH abgekürzt,
wobei SoH für „State
of Health” steht.
Dieser Gesundheitszustand nimmt im Laufe des Betriebs der Batterie
allmählich
ab, bis die Batterie so schwach ist, dass sie nicht mehr ausreicht,
die Brennkraftmaschine zu starten.
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In
vorstehend genanntem Start-Stopp-Modus ist die Batterie sehr stark
belastet, wodurch sie vergleichsweise schnell altert und eine entsprechend kleine
Lebenszeit besitzt.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art bzw. für ein Kraftfahrzeug
eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die jeweilige
Batterie eine erhöhte
Lebenszeit besitzt.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Auszeit, nach
deren Ablauf die Brennkraftmaschine auch dann wieder gestartet wird,
wenn sie gar nicht benötigt
wird, in Abhängigkeit
eines Kennwertes zu verändern,
der mit der Leistungsfähigkeit
der Batterie korreliert. Mit anderen Worten, die Auszeit ist variabel
und wird abhängig
von der aktuellen Leistungsfähigkeit
der Batterie gewählt.
Durch eine entsprechende Adaption der Auszeit an die tatsächlich vorhandene
Leistungsfähigkeit
der Batterie kann die Batterie geschont werden, wodurch sie eine längere Standzeit
besitzt. Durch eine geeignete Adaption der Auszeit an die aktuelle
Leistungsfähigkeit der
Batterie kann dabei der große
Vorteil des Start-Stopp-Modus für
den Großteil
von Ereignissen, die zu einem Ausschalten der Brennkraftmaschine führen, weiterhin
genutzt werden. Insbesondere ist der Schubbetrieb des Fahrzeugs
vergleichsweise selten länger
anhaltend, sodass diesbezüglich
auch verkürzte
Auszeiten die gewünschte
Kraftstoffeinsparung bringen. Auch sind die meisten Standzeiten vergleichsweise
kurz, bspw. im Stopp-and-go-Verkehr, sodass sich auch hier keine
Beeinträchtigung des
Start-Stopp-Modus einstellt. Lediglich längere Wartezeiten an Ampeln
oder Bahnübergängen können bei
einer verkürzten
Auszeit zu einem vorzeitigen Neustart der Brennkraftmaschine führen. Diese
Fälle sind
jedoch im Vergleich zu den anderen selten, sodass insgesamt die
Kraftstoffeinsparung durch den Start-Stopp-Modus auch bei verkürzten Auszeiten weitgehend
erhalten bleibt.
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Vorteilhaft
erfolgt die Adaption der Auszeit abhängig vom genannten Kennwert
derart, dass die Auszeit mit abnehmender Leistungsfähigkeit
der Batterie verkürzt
wird. In der Folge wird die Brennkraftmaschine früher wieder
gestartet. Dies führt
dazu, dass die Leistungsabgabe der Batterie während der Auszeit reduziert
wird, was die Batterie schont.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausführungsform,
bei welcher die Auszeit ein vorbestimmtes Maximum aufweist, solange
der Kennwert in einem Wertbereich liegt, der mit einer hohen Leistungsfähigkeit
der Batterie korreliert. Mit anderen Worten, solange die Leistungsfähigkeit
der Batterie in einem oberen Bereich liegt, ist die Auszeit konstant,
nämlich auf
ein vorbestimmtes Maximum begrenzt. Diese maximale Auszeit kann
durch einen Optimalwert gebildet sein, der im Start-Stopp-Modus
ein Optimum z. B. hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, Emissionswerte, Bauteilverschleiß und Fahrkomfort
repräsentiert.
Solange also die Batterie eine ausreichend hohe Leistungsfähigkeit
besitzt, ist die Auszeit konstant und besitzt ihren Maximalwert.
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Bei
einer anderen Ausführungsform,
die zusätzlich
zur vorstehenden verwirklicht sein kann, kann die Auszeit den Wert
Null aufweisen, sobald der Kennwert in einem Wertbereich liegt,
der mit einer niedrigen Leistungsfähigkeit der Batterie korreliert. Mit
anderen Worten, in einem Bereich niedriger Leistungsfähigkeit
wird der Start-Stopp-Modus
deaktiviert. Die Brennkraftmaschine wird nicht mehr ausgeschaltet,
wenn sie nicht mehr benötigt
wird. Im Bereich derart niedriger Leistungsfähigkeit würde die Fortsetzung des Start-Stopp-Modus
die Batterie innerhalb kürzester
Zeit soweit altern lassen, dass ein Neustart der Brennkraftmaschine
nicht mehr gewährleistet
werden kann. Zum Schonen der Fahrzeugbatterie bzw. zur Sicherstellung,
dass das Fahrzeug noch aus eigener Kraft zu einer Werkstatt bzw.
zum Batteriewechsel fahren kann, wird vorübergehend auf den Kraftstoffeffizienten
Start-Stopp-Modus verzichtet.
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Bei
einer anderen Ausführungsform,
die ebenfalls zusätzlich
zu wenigstens einer der vorstehenden Ausführungsformen realisiert werden
kann, kann die Auszeit in Abhängigkeit
des Kennwertes von einem vorbestimmten Maximum bis zu einem vorbestimmten
Minimum, das oberhalb des Werts Null liegt, reduziert werden, solange
der Kennwert in einem Wertebereich liegt, der mit einer mittleren
Leistungsfähigkeit
der Batterie korreliert. In diesem Betrieb erfolgt die eigentliche
Adaption der Auszeit an die Leistungsfähigkeit der Batterie. Durch
geschickte Auswahl der Auszeit kann dieser Bereich der mittleren
Leistungsfähigkeit
zeitlich vergleichsweise lang ausgedehnt werden, was direkt die
Lebenszeit der Batterie verlängert.
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Denkbar
ist bspw. eine lineare Adaption der Auszeit an den Kennwert. Ebenso
ist eine gestufte Anpassung denkbar.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarsteilung eines Kraftfahrzeugs,
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2 ein
Diagramm zur Veranschaulichung eines Betriebsverfahrens.
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Entsprechend 1 umfasst
ein Kraftfahrzeug 1 eine Brennkraftmaschine 2,
eine Batterie 3 zur Stromversorgung eines Bordnetzes 4 sowie
eine Steuerung 5. Zum Starten der Brennkraftmaschine 2 ist
ein Starter 6 vorgesehen. Der Starter 6 kann gleichzeitig
auch als Generator genutzt werden und insbesondere als Startergenerator
ausgestaltet sein. Die Steuerung 5 dient zum Betreiben
der Brennkraftmaschine 2. Sie ist insbesondere so ausgestaltet, dass
sie einen Start-Stopp-Modus zum Betreiben der Brennkraftmaschine 2 durchführen kann.
Wird das Fahrzeug 1 bzw. die Brennkraftmaschine 2 in
diesem Start-Stopp-Modus betrieben, schaltet die Steuerung 5 die
Brennkraftmaschine 2 automatisch aus, sobald die Brennkraftmaschine 2 nicht
benötigt
wird. Bspw. befindet sich das Fahrzeug 1 dann in einem
Schubbetrieb oder in einem Standbetrieb. Die Steuerung 5 schaltet
die Brennkraftmaschine 2 wieder ein, sobald diese wieder
benötigt
wird, bspw. wenn das Fahrzeug 1 Antriebsleistung benötigt oder
wenn ein starker elektrischer Verbraucher des Bordnetzes 4 eingeschaltet
wird, dessen Strombedarf nicht von der Batterie 3 gedeckt
werden kann. Die Steuerung 5 startet die Brennkraftmaschine 2 auch
dann, wenn sie an sich nicht benötigt
wird, sobald eine Auszeit T abgelaufen ist. Die Vorgabe einer solchen
Auszeit T, die trotz fehlenden Bedarfs die Brennkraftmaschine 2 wieder
startet, verhindert eine übermäßige Belastung der
Batterie 3 und führt über den
Startergenerator 6 im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 zu
einem Aufladen oder Nachladen der Batterie 3.
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Die
Steuerung 5 kann nun so ausgestaltet bzw. so programmiert
sein, dass sie das nachfolgend auch unter Bezugnahme auf 2 näher erläuterte Verfahren
zum Betreiben der Brennkraftmaschine 2 im Fahrzeug 1 durchführen kann.
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Im
Rahmen dieses Betriebsverfahrens wird die zuvor genannte Auszeit
T abhängig
von einem Kennwert K verändert.
Der Kennwert K korreliert dabei mit der Leistungsfähigkeit
der Batterie 3. Im Diagramm der 2 ist ein
Verlauf V wiedergegeben, der zum einen die Auszeit T in Abhängigkeit
des Kennwerts K wiedergibt. Zum anderen repräsentiert der Verlauf V auch
die Energieabgabe E der Batterie 3 während der jeweiligen Auszeit
T, wenn sie vollständig
ausgenutzt werden kann. Die Auszeit T und die Energieabgabe E besitzen
ein Maximum Max sowie ein Minimum Min und können außerdem den Wert Null einnehmen.
Für den
Kennwert K sind in 2 zwei verschiedene Beispiele
wiedergegeben, die im Folgenden auch mit K' und K'' bezeichnet
werden können.
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Entlang
der Abszisse nimmt im Diagramm der 2 die Leistungsfähigkeit
der Batterie von links nach rechts ab. Direkt an der Ordinate besitzt die
Batterie 3 ihre maximale Leistungsfähigkeit. Mit zunehmendem Abstand
von der Ordinate nimmt die Leistungsfähigkeit ab. Dies kann mit einem
Anwachsen oder Abnehmen des jeweiligen Kennwerts K korrelieren.
Die Steuerung 5 verändert
somit die Auszeit T abhängig
von der Leistungsfähigkeit
der Batterie 3, also abhängig vom Kennwert K. Vorzugsweise
verkürzt
die Steuerung 5 die Auszeit T mit abnehmender Leistungsfähigkeit
der Batterie 3.
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Erkennbar
sind im Diagramm der 2 drei Phasen I, II und III
durch geschweifte Klammern gekennzeichnet. In einer ersten Phase
I weist die Auszeit T ein vorbestimmtes Maximum Tmax auf,
nämlich den
auf der Ordinate gekennzeichneten Maximalwert Max. Dieses Maximum
Tmax weist die Auszeit T so lange auf, wie
der Kennwert K in einem Wertebereich liegt, der mit einer hohen
Leistungsfähigkeit
der Batterie 3 korreliert. Während dieser ersten Phase I
kann die Batterie 3 während
der jeweiligen Stoppzeit der Brennkraftmaschine 2 maximal
elektrisch belastet werden, wobei diese elektrische Belastung auch
auf die Auszeit T und somit auf deren Maximum Tmax begrenzt
ist. Bspw. kann das Maximum Tmax der Auszeit T
in einem Bereich von einschließlich
2 Minuten bis einschließlich
4 Minuten liegen. Durch dieses Maximum Tmax können bspw.
bis zu 80% aller Stoppvorgänge
oder Ausschaltvorgänge
der Brennkraftmaschine 2 im Rahmen des Start-Stopp-Modus
abgedeckt werden.
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In
einer zweiten Phase II kann die Auszeit T in Abhängigkeit des jeweiligen Kennwerts
K vom Maximum Tmax bis zu einem vorbestimmten
Minimum Tmin abnehmen, wobei diese minimale
Auszeit Tmin oberhalb des Werts Null liegt.
Diese Abnahme vom Maximum Tmax zum Minimum
Tmin erfolgt so lange, wie der Kennwert
K in einem Wertebereich liegt, der mit einer mittleren Leistungsfähigkeit
der Batterie 3 korreliert. Gezeigt ist in 2 ein
linearer Zusammenhang zwischen dem Kennwert K und der Auszeit T.
Es ist klar, dass grundsätzlich
auch ein progressiver oder degressiver Zusammenhang realisiert werden
kann. Ebenso ist eine gestufte Reduzierung der Auszeit T vom Maximum
Tmax bis zum Minimum Tmin denkbar.
Das Minimum Tmin der Auszeit T kann in einem
Bereich von einschließlich
0,5 Minuten bis einschließlich
1 Minute liegen. Somit kann das Minimum Tmin in
einem Bereich von einschließlich
12,5% bis einschließlich
25% des Maximums Tmax liegen. Entsprechend
der reduzierten Auszeit T kann die Batterie 3 nur noch
reduziert Energie abgeben, wodurch sie geschont wird.
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Eine
dritte Phase III charakterisiert sich dadurch, dass die Auszeit
T den Wert Null annimmt. Dies ist dann der Fall, wenn der Kennwert
K in einem Wertebereich liegt, der mit einer niedrigen Leistungsfähigkeit
der Batterie 3 korreliert. Bzgl. des Betriebsverfahrens
bedeutet dies, dass in der dritten Phase III der Start-Stopp-Modus
deaktiviert ist. Die Brennkraftmaschine 2 wird dann von
der Steuerung 5 nicht mehr automatisch ausgeschaltet, wenn
bspw. keine Antriebsleistung mehr erforderlich ist, also wenn die Brennkraftmaschine 2 an
sich nicht benötigt
wird. In der Folge kann auch die Batterie 3 nicht mehr
belastet werden. Die geschwächte
Batterie 3 wird dann nur noch zum Erststart oder Kaltstart
der Brennkraftmaschine 2 benötigt. Dies entspricht dann
einem herkömmlichen
Dauerbetrieb der Brennkraftmaschine 2.
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Als
Kennwert K kann bspw. ein leistungsbezogener Gesundheitszustand
oder Alterungszustand der Batterie verwendet werden, der auch als
ToHp bezeichnet werden kann. Dieser Leistungskennwert K' ist im Diagramm
der 2 zusätzlich
dargestellt und stellt eine Bezugsgröße dar, welche die vorhandene
Ist-Leistung der Batterie 3 mit einer Soll-Leistung einer
neuen Batterie 3 vergleicht. Die Leistungsfähigkeit
der Batterie 3 liegt in einem oberen oder hohen Bereich,
wenn ihre Leistungsfähigkeit
bezogen auf eine neue Batterie in einem Bereich von einschließlich 100%
bis einschließlich
70% liegt. Eine mittlere Leistungsfähigkeit der Batterie 3 liegt
bspw. dann vor, wenn der Leistungskennwert K' in einem Bereich von 70% bis 50% liegt,
wieder bezogen auf eine neue Batterie. Eine untere oder niedrige
Leistungsfähigkeit
der Batterie 3 liegt dann vor, wenn der Leistungskennwert
K' wieder bezogen
auf eine neue Batterie in einem Bereich von einschließlich 50%
bis einschließlich
0% liegt. Bei einer derartigen exemplarischen Einteilung ergibt
sich für
den Leistungskennwert K' ein
Wert von mindestens 70%, wenn die Batterie 3 eine hohe
Leistungsfähigkeit
aufweist. Der Kennwert K' liegt
zwischen 70% und 50%, wenn die Batterie 3 eine mittlere
Leistungsfähigkeit
aufweist. Besitzt die Batterie 3 nur noch eine niedrige
Leistungsfähigkeit,
ergibt sich für
den Kennwert K' ein Wert
von maximal 50%.
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Die
Alterung bzw. den Gesundheitszustand kann die Steuerung 5 bspw.
durch Messen des Innenwiderstands der Batterie 3 ermitteln.
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Die
Steuerung 5 kann die Leistungsfähigkeit der Batterie 3 zusätzlich oder
alternativ auch anhand des Energiedurchsatzes überwachen. Als Kennwert K'' kann somit ein Energiedurchsatz der
Batterie 3 verwendet werden. Der zugehörige Energiekennwert K'' ist im Diagramm der 2 zusätzlich eingetragen. Der
Energiedurchsatz der Batterie 3 kann auf volle Ladezyklen
bezogen werden, sog. Vollzyklen. Die Lebensdauer der Batterie 3 ist
auf eine empirisch ermittelbare maximale Anzahl an Vollzyklen begrenzt. Insoweit
korreliert der Energiedurchsatz auch mit der Leistungsfähigkeit
der Batterie 3. Bspw. besitzt die Batterie 3 bis
200 Vollzyklen ihre obere Leistungsfähigkeit. Zwischen 200 und 320
Vollzyklen besitzt die Batterie 3 z. B. ihre mittlere Leistungsfähigkeit.
Ab 320 Vollzyklen kann davon z. B. ausgegangen werden, dass die
Batterie 3 nur noch ihre untere Leistungsfähigkeit
aufweist. Bspw. endet die Leistungsfähigkeit der Batterie 3 bei
etwa 400 Vollzyklen. Für
die einzelnen Phasen bedeutet dies, dass in der ersten Phase I der
Energiekennwert K'' maximal einen Wert von
200 Vollzyklen besitzt, sodass die Batterie 3 ihre hohe
Leistungsfähigkeit
aufweist. In der zweiten Phase II weist die Batterie 3 ihre
mittlere Leistungsfähigkeit
auf, sodass der Energiekennwert K'' zwischen 200
und 320 Vollzyklen liegt. Die dritte Phase III liegt dann vor, wenn
der Energiekennwert K'' mehr als 320 Vollzyklen
anzeigt, sodass die Batterie 3 dann ihre niedrige Leistungsfähigkeit
besitzt.
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Insbesondere
beim Energiedurchsatz kann die Steuerung 5 mit einem Zähler arbeiten,
um die Anzahl der Ausschaltvorgänge
sowie ggf. um die einzelnen Auszeiten T oder eine beliebige andere
mit der Leistungsfähigkeit
der Batterie 3 korrelierte Kenngröße aufzuaddieren. Bei einem
Batteriewechsel kann die Steuerung 5 bspw. an ein Diagnosegerät angeschlossen
werden, mit dessen Hilfe dann der jeweilige Zähler zurückgesetzt werden kann. Falls
ein Batteriewechsel ohne ein derartiges Diagnosegerät durchgeführt wird,
kann es zu Fehlfunktionen kommen. Bei einer besonderen Ausführungsform
kann die Steuerung 5 so ausgestaltet sein, dass sie beim Starten
der Brennkraftmaschine 2, und zwar insbesondere beim ersten
Starten oder beim Kaltstart, überprüft, ob die
Batterie 3 gegen eine neue Batterie ausgetauscht worden
ist. Dies kann bspw. dadurch erkannt werden, dass plötzlich eine
höhere
Spannung an der Batterie 3 anliegt als bei der letzten
Inbetriebnahme. Ebenso können
sich andere Batterieparameter 3 ändern, wie z. B. ihr Innenwiderstand, wenn
sie durch eine neue ausgetauscht wird. Das Steuergerät 5 kann
automatisch den jeweiligen Zähler
zurücksetzen,
wenn sie das Vorhandensein einer neuen Batterie 3 erkennt.
Um ein irrtümliches
Zurücksetzen
des jeweiligen Zählers
zu vermeiden, kann die Steuerung 5 für den Fall, dass sie eine neue
Batterie 3 erkennt, einen zugehörigen Zähler inkrementieren. Sobald
bspw. fünf-
bis zehnmal hintereinander eine neue Batterie 3 erkannt
wird, geht die Steuerung 5 davon aus, dass tatsächlich eine
neue Batterie 3 vorhanden ist und setzt erst dann den für die Leistungsfähigkeit
der Batterie 3 relevanten Zähler zurück.
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Die
in vorstehender Beschreibung angeführten Zahlenbeispiele sind
lediglich exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit zu
verstehen, solange sie nicht Eingang in die unabhängigen Ansprüche gefunden
haben.