DE102010000679A1 - Verfahren zur Erkennung der Startfähigkeit - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erkennung der Startfähigkeit einer Starterbatterie im Zusammenhang mit einer Start-Stopp-Steuerung für eine Brennkraftmaschine angegeben, bei dem zur Ermittlung des Ladezustands der Batterie verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden, in denen Spannungen ausgewertet werden und keine Strommessung erforderlich ist. Dabei wird der Batteriezustand mit Hilfe eines Auswerteverfahrens ermittelt, das in drei unterschiedlichen Betriebszuständen nach drei unterschiedlichen Methoden abläuft. Die unterschiedlichen Methoden werden einmal während des Startvorgangs, während des Fahrzustandes und während eines Stillstandes der Brennkraftmaschine durchgeführt.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Startfähigkeit einer Starterbatterie, insbesondere im Zusammenhang mit einer Start-Stopp-Steuerung für einen Start-Stopp-Betriebs-Modus einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug. Die Brennkraftmaschine wird dabei mit Hilfe einer von einer elektrischen Energiequelle, beispielsweise einer Starterbatterie gespeisten Startvorrichtung gestartet. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Start-Stopp-Steuerung mit einer Schaltlogik für einen Start-Stopp-Betriebsmodus einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, wobei die Brennkraftmaschine mit einer von einer Starterbatterie gespeisten Startvorrichtung startbar ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Zur Erkennung einer Startfähigkeit ist es erforderlich, den Ladezustand der Starterbatterie zu erkennen und daraus abzuleiten, ob dieser noch ausreicht für einen sicheren Startvorgang. Zur Ermittlung des Batteriezustands, insbesondere des Batterieladezustands gibt es bereits eine Vielzahl von Verfahren. Mit Hilfe spezieller Batteriezustanderkennungsalgorithmen können Fehler, insbesondere Fehlabschaltungen, die einen erfolgreichen Neustart einer Brennkraftmaschine in einem Start-Stopp-System verhindern, vermieden werden. Solche Fehler beim Neustart können beispielsweise durch schlechten Ladezustand der Batterie verursacht werden.
• Bei herkömmlichen Systemen zur Batteriezustandserkennung wird üblicherweise die Spannung gemessen und der der Batterie zugeführte Strom bzw. der aus der Batterie entnommene Strom sowie die Temperatur. Aus diesen Größen wird dann der Batteriezustand ermittelt. Es gibt aber auch einfachere Batteriezustandserkennungen, die ohne Stromsensor arbeiten. Eine solche Batteriezustandserkennung wird in der DE 102 58 034 A1 beschrieben. Diese Batteriezustandserkennung benötigt neben der Temperaturmessung nur eine Spannungsmessung. Dazu werden dem System Stromimpulse zugeführt, deren Reaktion zu Spannungsimpulsen führt, die ihrerseits wiederum gemessen und ausgewertet werden. Abhängig von den so erhaltenen Informationen wird der Batterieladezustand ermittelt.
• Vorteile der Erfindung
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung der Startfähigkeit einer Starterbatterie sowie zur Ermittlung bzw. Ermittlung des Batteriezustands hat den Vorteil, dass keine Strommessung erforderlich ist und damit kein Stromsensor benötigt wird und dass dennoch eine sehr genaue Aussage über den Batteriezustand, insbesondere den Batterieladezustand möglich ist. Erzielt wird dieser Vorteil durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• Der der Erfindung zugrunde liegende Batteriezustandserkennungsalgorithmus bzw. die Verfahren zur Batteriezustandserkennung unterstützen das Start-Stopp-System für eine, ein Fahrzeug antreibende Brennkraftmaschine, indem angezeigt wird, ob die Batterie gut genug geladen ist für einen erfolgreichen Neustart der Brennkraftmaschine oder nicht.
• Der erfindungsgemäße Batteriezustanderkennungsalgorithmus ist ein Konzept, mit dem die Erfordernisse für ein Low-Cost-Start-Stopp-System erfüllt werden können. Die benötigte Eingangsgrößen für die Batteriezustandserkennung bzw. für den Algorithmus zur Batteriezustandserkennung sind die Batteriespannung, die Spannung an der Starterklemme und in vorteilhafter Ausgestaltung die Temperatur. Als Ergebnis des Batteriezustandserkennungsalgorithmus wird eine Information über den Batteriezustand abgegeben. Diese Information unterscheidet in besonders vorteilhafter Weise nur zwischen zwei Zuständen ”HIGH” für guten Batteriezustand und damit gute bzw. sichere Neu- oder Wiederstartfähigkeit und ”LOW” für schlechten Batteriezustand und damit geringe bzw. unsichere Neu- oder Wiederstartfähigkeit.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Batteriezustandserkennung weist in vorteilhafter Weise an ihrem Ausgang lediglich zwei verschiedene Zustände auf, ”HIGH” oder ”Low”. In vorteilhafter Ausgestaltung lassen sich die Zustände ”HIGH” oder ”Low” so präzisieren, dass der Zustand ”HIGH” für die folgenden Batteriezuständen ausgegeben wird: Der Batteriezustand ist gut genug um sicher zu stellen, dass ein erfolgreicher Neu- oder Wiederstart unter allen Bedingungen, insbesondere kritischen Bedingungen der Brennkraftmaschine erfolgen kann. Der Zustand ”LOW” wird bei einem Batteriezustand ausgegeben, der aussagt, dass die Batteriebedingung nicht gut genug ist um einen Neu- oder Wiederstart unter allen Bedingungen erfolgreich durchzuführen.
• In einem Start-Stopp-System wird die von der Batteriezustandserkennung ausgegebene Information betrachtet um das Ausschalten der laufenden Brennkraftmaschine, falls gewünscht, zu erlauben (”stop enable”) und zum Neu- bzw. Wiederstarten der Brennkraftmaschine bei einer entsprechenden Startanforderung (”start request”).
• Beschreibung
• Die für das Verständnis der Erfindung benötigten Ausführungsbeispiele bzw. Zusammenhänge, Signalverläufe und Flussdiagramme sind in den Figuren der Zeichnung dargestellt und werden in der Beschreibung näher erläutert.
• Im Einzelnen zeigt 1 ein Ausführungsbeispiel, in welchem die Messpunkte für die in den Auswerteverfahren benötigten Spannungen eingetragen sind.
• In 2 sind die Grundlagen für die Durchführung des Batteriezustandsalgorithmus in verschiedenen Betriebszustandsphasen dargestellt.
• Ein typischer Verlauf der Batteriespannung U_Batt während der Startphase ist in 3 dargestellt.
• 4 zeigt den Stromkreis des Startermotors.
• Die verschiedenen Batteriecharakteristiken bei verschiedenen Temperaturen und Ladezuständen SOC sind in 5 dargestellt.
• In 6 ist ein Flussdiagramm für die Startphase nach Strategie 1 dargestellt.
• In 7 ist ein Flussdiagramm für die Startphase nach Strategie 2 dargestellt.
• 8 zeigt ein Flussdiagramm für den Fahrbetrieb.
• 9 zeigt ein Flussdiagramm für die Stillstandsphase C.
• In 10 ist ein Blockschaltbild des Startermotor-Solinoids dargestellt.
• 11 zeigt den Verlauf der Startermotor-Solinoid-Spannung proportional zum Batterieladezustand für eine bekannte Temperatur.
• In 12 ist der zeitliche Verlauf der Solinoid-Schwellwertspannung über der Zeit aufgetragen.
• 13 zeigt den Zusammenhang zwischen Batteriespannung und elektrischer Last für einen gegebenen Ladezustand und eine gegebene Temperatur.
• In 14 sind Batteriemodelldaten bezüglich dieser Schwellwerte abgebildet.
• 15 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Spannungseinbruch Udip und dem Tastverhältnisfaktor während des Leerlaufs.
• In 16 ist die auszuwertende Batteriespannung vor der elektrischen Last während einer Leerlaufphase dargestellt.
• Eingangssignale für den Batteriezustandserkennungsalgorithmus
• In 1 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in welchem die Messpunkte für die in den Auswerteverfahren benötigten Spannungen eingetragen sind. Dabei sind im Einzelnen die Batterie 10 mit der Minusklemme 11 und der Plusklemme 12 sowie der Starter 13 mit der Klemme T30 dargestellt. Die Batteriespannung ist mit U_Batt bezeichnet und die Spannung an Klemme T30 mit U_T30.
• In Der Batteriezustandserkennungsalgorithmus benutzt die folgenden Spannungsinformationen des Gesamtsystems: Die Batteriespannung U_Batt als Spannung, die zwischen dem Plus- und dem Minus-Anschluss der Batterie 10 gemessen wird. Und die Anschlussspannung U_T30, also die Spannung gemessen zwischen der Klemme T30 des Starters und der negativen Klemme 11 der Batterie 10. Für ein Grundkonzept ist die Batteriespannung U_Batt allein ausreichend zur Durchführung des Algorithmus. Für das erweiterte Konzept wird auch noch die T30 Klemmenspannung als Eingangsgröße benötigt. 1 zeigt die Verschaltung von Batterie 10 und Starter 11 sowie die zugehörigen Messpunkte für die Eingangsspannung des Batterieerkennungsalgorithmus.
• Zusätzlich können im Batteriezustandserkennungsalgorithmus noch die folgenden Informationen zur Erkennung des Batteriezustands berücksichtigt werden: Die Spannung an der Starterrelaisklemme T50, die den Zustand Ein/Aus annimmt und die Drehzahl der Brennkraftmaschine bzw. des Verbrennungsmotors. Diese beiden Zusatzinformationen liegen im Motorsteuergerät ohnehin vor und können für verschiedene andere Steuer- bzw. Regelsysteme, auch für die Batteriezustandserkennung als Eingangssignale verwendet werden.
• Die Batteriezustandserkennung ist beispielsweise eine Auswertelogik, ein Prozessor oder ein Steuergerät, dem die benötigten Informationen zugeführt werden, das die erforderlichen Auswerte- oder Berechnungsverfahren durchführt und das Ausgangssignale abgibt, die die ermittelten Größen repräsentieren, hier also den ermittelten Batterieladezustand.
• Abläufe des Batteriezustandserkennungsalgorithmus (Battery-State-Detection-Algorithmus (BSD)
• Der BSD-Algorithmus arbeitet in drei Phasen eines Fahrzeugbetriebszyklus:
  Phase A: Startphase
  Phase B: Fahrbetrieb
  Phase C: Stillstandsphase
• Der Algorithmus beginnt mit der Startphase A. An die Startphase schließt sich die Phase B, Fahrbetrieb an und nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine folgt die Stillstandsphase C. Mit dem nachfolgenden Neustart der Brennkraftmaschine wird auch der Algorithmus neu gestartet. 2 zeigt die drei Phasen des BSD-Algorithmus. Dabei sind Spannungen U über der Zeit t aufgetragen. Die verschiedenen Angaben für Spannungen oder Zeitspannen der Phasendauern können als Beispiele einer möglichen Applikationsvariante angesehen werden.
• Startphase A
• Die Bedingungen während der Startphase A werden an Klemme 50, die auch als Anschluss 50 bezeichnet werden kann, bei eingeschaltetem Startrelais ermittelt. Die Startphase ist die Phase, während der die Brennkraftmaschine bzw. der Verbrennungsmotor mit Hilfe des Startermotors gestartet wird. Wenn die Brennkraftmaschine bzw. der Verbrennungsmotor gestartet wird, tritt ein Spannungsabfall auf, da der Strom, der vom Startermotor gezogen wird, sehr hoch ist und zu diesem Spannungsabfall führt.
• Ein typischer Verlauf der Batteriespannung U_Batt während der Startphase ist in 3 dargestellt. Zur Ermittlung des Batteriezustands wird der Spannungseinbruch U_dip während des Startens ausgewertet. U_dip ist die Spannung, die beim Kurzschlussstrom des Starters auftritt. Aus dem Spannungsverlauf während der Startphase können zwei Arten von Strategien abgeleitet werden, mit deren Hilfe der Batteriezustand während der Startphase erkannt bzw. ermittelt werden kann. Eine der beiden im Folgenden angegebenen Strategien kann ausgewählt werden:
  Strategie 1: Die Information zum Batteriezustand wird aus dem Widerstand der Batterie ermittelt und dieser aus dem Spannungseinbruch U_dip bestimmt. Es werden dabei beide Eingangsinformationen verwendet, die Batteriespannung U_Batt und die Spannung U_T30 an Klemme T30.
  Strategie 2: Die Batteriezustandserkennung wird nur an Hand des Spannungseinbruchs U_dip ermittelt. Es wird dazu nur ein Eingangssignal verwendet, die Batteriespannung U_Batt. 4 zeigt den Stromkreis des Startermotors mit den zum Verständnis der beiden Strategien benötigten Größen. Es sind dies der Leitungswiderstand Rc der Leitung 14, der Innenwiderstand Ri der Batterie 10 und der Widerstand Rm des Startermotors 13.
• Strategie 1: Berechnung des Batterieinnenwiderstands Ri aus U_dip
• Mit dem Anschluss des Startermotors an die Batterie noch bevor er zu rotieren beginnt fließt der maximale Kurzschlussstrom durch den Startermotor sowie die zwischen ihm und der Batterie liegenden Verbindungen. Dieser Kurzschlussstrom wird als I_sc bezeichnet, er setzt sich zusammen aus: I_sc = U_Batt/(R_i + R_c + R_m)
• Dieser Kurzschlussstrom verursacht einen tiefen Spannungseinbruch bei der Batteriespannung U_Batt. Die Batteriespannung die beim Auftreten des Kurzschlussstroms auftritt, wird als Dip-Spannung U_dip bezeichnet. Der Innenwiderstand Ri der Batterie kann damit aus der Dip-Spannung U_dip ausgerechnet werden nach der Gleichung: R_i = (U_Batt1 – U_dip)/I_sc
• Die Spannung U_Batt1 ist dabei die Batteriespannung U_Batt vor Einschalten des Starters. Der Kurzschlussstrom I_sc wird aus der Spannung U_T30 ausgerechnet nach der Beziehung I_sc = (U_dip – U_T30dip)/R_T30
• Dabei ist die Spannung U_T30dip die maximale Dip-Spannung, gemessen an der T30-Klemme des Starters. Der Widerstand R_T30 ist der Widerstand des Kabels zwischen dem Plusanschluss 12 der Batterie 10 und dem Anschluss bzw. der Klemme T30 am Startermotor 13. Der Widerstand R_T30 wird als applikationsabhängiger Parameter in den Batteriezustandserkennungsalgorithmus eingegeben.
• Temperaturmodel für T₃₀-Kabel
• Der Widerstand des T₃₀-Kabels, also des Kabels zwischen der Batterie 10 und dem Startermotor 13 ist in Abhängigkeit von der Temperatur veränderlich. Ein konstanter Wert des Widerstands kann nicht bei allen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs angenommen werden, da die Temperatur der Brennkraftmaschine bzw. der Umgebung in einem weitem Bereich von beispielsweise –5°C bis +80°C schwankt. Die Temperatur des T30-Kabels während des Fahrzeugbetriebs wird mit Hilfe eines Temperaturmodels vorhergesagt. Das Temperaturmodel benutzt dabei die Motortemperatur und die Ansauglufttemperatur als Referenzwerte. Aus diesen Referenzwerten, die üblicher Weise einem Motorsteuergerät ohnehin vorliegen wird die Temperatur des Kabels vorhergesagt. Ausgehend von der mit Hilfe des Temperaturmodels vorhergesagten Temperatur des Kabels ist eine angemessene Korrektur des R_T30-Werts möglich.
• Berechnung des erlaubten Innenwiderstands R_ia der Batterie 10
• Der Wert des Innenwiderstands R_i der Batterie 10 wird verglichen mit dem maximal erlaubten Wert bzw. dem maximal erlaubten Grenzwert R_ia. Dieser Wert R_ia wird erhalten aus dem maximal erlaubten Innenwiderstand der Batterie mit welchem der Startermotor auf eine für einen erfolgreichen Start erforderliche Geschwindigkeit beschleunigt werden kann, wobei die Brennkraftmaschine damit soweit angetrieben werden kann, dass eine erfolgreiche Startfähigkeit vorliegt.
• Der Wert für den erlaubten Innenwiderstand wird dabei ausgewählt unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Batteriewiderstand ansteigt wenn die Umgebungstemperatur fällt. Die Umgebungstemperatur ist dabei insbesondere die Temperatur, die herrscht während das Fahrzeug geparkt ist.
• Der Wert für den erlaubten Innenwiderstand R_ia ist kein konstanter Parameter. Er wird sich ändern, wenn sich die Temperatur der Batterie. Das bedeutet, dass es sich um einen dynamischen Wert handelt, der festgelegt wird während der Startphase unter Berücksichtigung der Batterietemperatur. Der Wert des erlaubten Innenwiderstands R_ia der Batterie 10 kann aus folgenden Größen ermittelt werden:
  Tc: Minimaltemperatur, bei der die Motorstartfähigkeit erforderlich ist, in °C,
  Rimax: Batterieinnenwiderstand, der erforderlich ist um eine Startfähigkeit bei der Minimaltemperatur Tc zu erhalten, in Milliohm,
  Smin: Ladezustand SOC der Batterie entsprechend dem maximalen Innenwiderstand der Batterie bei Tc, in Prozent,
  T_Batt: Temperatur der Batterie, in °C,
  Ria: erlaubter Innenwiderstand der Batterie entsprechend dem Ladezustand SOC bei der vorliegenden Batterietemperatur.
• Die Werte für den Batterieinnenwiderstand, die dem minimalen Ladezustand Smin in Prozent vom Ladezustand SOC bei verschiedenen Temperaturen entsprechen, werden dem Algorithmus als Eingangsgrößen zugeführt. Die Temperatur der Batterie T_Batt wird ausgerechnet mit Hilfe des Temperaturmodels. Das Batterietemperaturmodel verwendet die Ansauglufttemperatur und die Brennkraftmaschinentemperatur als Referenzwerte für die Berechnung der Batterietemperatur. Diese Werte werden gegebenenfalls vom Steuergerät der Brennkraftmaschine geliefert.
• Im folgenden wird ein Beispiel angegeben für die Auswahl des Grenzwerts für den maximal erlaubten Innenwiderstand Rimax und den erlaubten Innenwiderstand Ria. Dazu wird von folgenden Werten ausgegangen: Die Minimaltemperatur, bei welcher die Startfähigkeit der Brennkraftmaschine vorliegen muss, liegt bei –5°C. Der Batterieinnenwiderstand Rimax, der für eine Startfähigkeit benötigt wird, beträgt 5,0 Milliohm. Aus der Batteriecharakteristik bzw. Kennlinie kann entnommen werden, dass der SOC der Batterie, der 5,0 Milliohm bei –5°C Celsius entspricht, bei 60 Prozent liegt. Das heißt die Batterie muss für eine unter den vorgegebenen Bedingungen zulässige Startfähigkeit bei mindestens 60 Prozent liegen.
• Die verschiedenen Batteriecharakteristiken bei verschiedenen Temperaturen und Ladezuständen SOC sind in 5 dargestellt. Dabei ist der Innenwiderstand der Batterie über dem Ladezustand SOC aufgetragen. Im oberen Bereich ist der Ladezustand nicht gut.
• Aus der 5 kann entnommen werden, dass beispielsweise bei einer Batterietemperatur von 50°C, die der maximal zu erwartenden Temperatur entspricht, ein Wert für den erlaubten Innenwiderstand Ria von 4,2 Milliohm erhalten wird. Sofern des Wert des Innenwiderstands geringer, d. h. besser ist als der erlaubte Wert des Innenwiderstands Ria, wird der Batteriezustand als ”HIGH” bezeichnet. Der von der Batteriezustandserkennung angezeigte ”HIGH”-Zustand bedeutet, dass das Batterieladeniveau ausreichend ist für den nächsten erfolgreichen Neu- bzw. Wiederstart. Das bedeutet, dass das Start-Stopp-System die Brennkraftmaschine abschalten kann sofern alle anderen Bedingungen für ein Abschalten der Brennkraftmaschine erfüllt sind.
• Wenn der Wert des Innenwiderstands Ri höher ist als ein erlaubter Wert für den Innenwiderstand Ria, wird der Batteriezustand als ”LOW” angezeigt. Ein ”LOW”-Zustand, der von der Batteriezustandserkennung angezeigt wird bedeutet, dass das Batterieladeniveau nicht hoch genug ist für den nächsten erfolgreichen Neu bzw. Wiederstart. Sofern der Batteriezustand während der Startphase, als ”LOW” angezeigt wird, wird der Batteriezustand weiterhin als ”LOW” aufrechterhalten, zumindest für ein Zeitspanne einer minimalen Ladezeit Tmc.
• Das bedeutet, dass keine weiteren Abschaltungen der Brennkraftmaschine durch das Start-Stopp-System vorgenommen werden dürfen, sofern diese Zeit nicht abgelaufen ist. Die Berechnung der Ladezeit Tc beginnt, sofern die Motordrehzahl während der Fahrbetriebsphase größer ist als die Leerlaufdrehzahl.
• Allgemein gilt: die Bedeutung eines ”LOW”-Zustands im Start-Stopp-System ist wie folgt definiert: Wenn die Batteriezustandserkennung ein Signal ausgibt, das auf einen ”LOW”-Zustand schließen lässt, wird die Brennkraftmaschine nicht abgeschaltet, obwohl alle anderen Bedingungen zum Abschalten der Brennkraftmaschine erfüllt sind. Dadurch werden Fehler beim neuen Wiederstart, die auf Grund des zu niedrigen Ladezustands der Batterie auftreten könnten vermieden. In ähnlicher Weise wird während des Stillstands vom Start-Stopp-System ein Start der Brennkraftmaschine veranlasst, wenn die Batteriezustandserkennung den Status ”LOW” anzeigt. Im Stillstand ist üblicher Weise die Brennkraftmaschine abgeschaltet und die Batterie liefert elektrische Energie an die verschiedenen Verbraucher. Durch den Neustart wird ein Fehler für den nächsten Wiederstart, der durch weitere Entladung der Batterie auftreten könnte, vermieden.
• Wird dem Start-Stopp-System ein Signal ”HIGH” zugeführt, liegt ein hoher Batterieladezustand vor und es wird ein Abschalten der Brennkraftmaschine erlaubt sofern die anderen Bedingungen ein Abschalten erfordern. Dabei ist mit Sicherheit ein Neustart möglich, da die Batteriezustandsbedingung ausreicht für einen erfolgreichen Neustart. In ähnlicher Weise wird während der Stillstandsphase die Brennkraftmaschine abgeschaltet gelassen, solang der Batterieladezustand ”HIGH” ist.
• In 6 ist ein Flussdiagramm für die Startphase nach Strategie 1 dargestellt.
• Die einzelnen Schritte bedeuten:
  Schritt S1: Messung von U_dip und U_T30dip.
  Schritt S2: Berechnung des Batterieinnenwiderstands R_i.
  Schritt S3: Prüfung ob R_i kleiner als der zulässige Widerstand R_ia ist. Falls dieser Vergleich ergibt, dass der Innenwiderstand kleiner ist als der erlaubte Innenwiderstand wird im Schritt S4 der Status ”LOW” für eine definierte Zeitdauer gesetzt. Ergibt der Schritt S3, dass der Innenwiderstand kleiner ist als der erlaubte Innenwiderstand wird zu dem Schritt S5 der Status ”HIGH” gesetzt.
• Strategie 2: Batteriezustandsinformation aus dem Spannungseinbruch U_dip
• Bei diesem Verfahren wird für den Spannungseinbruch U_dip als erlaubte Grenzspannung U_dipI angenommen. Wenn U_dip kleiner ist als die Spannung U_dipI wird der Batteriestatus für eine minimale Ladezeit auf den Status ”LOW” gesetzt. Wenn U_dip größer als U_dipI wird der Batteriestatus auf ”HIGH” gesetzt. Der Grenzwert für U_dipI entspricht dem Wert von U_dip, der erhalten wird, wenn während der Startphase der Brennkraftmaschine ein minimaler Batteriezustand von SOCSmin herrscht.
• In 7 ist ein Flussdiagramm für die Startphase nach Strategie 2 dargestellt. Dabei wird in Schritt S6 die Spannung U_dip sowie die Spannung U_T30dip gemessen. In Schritt S7 wird geprüft, ob U_dip größer als ein Schwellwert U_dipI ist. Trifft dies nicht zu, wird im Schritt S8 für eine definierte Zeitperiode der Status ”LOW” gesetzt. Ergibt der Schritt S7 dass U_dip > als der Schwellwert U_dipI, wird im Schritt S9 der Status ”HIGH” gesetzt.
• Phase B, Fahrbetrieb
• Bedingung für den Fahrbetrieb ist, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine größer oder gleich ist wie die Leerlaufdrehzahl, wobei die Leerlaufdrehzahl ein applizierbarer Wert ist. Wenn der Verbrennungsmotor bzw. die Brennkraftmaschine läuft, wird der Wert für die Ladezeit Tnc kontinuierlich aktualisiert. Die Ladezeit Tnc wird berechnet, indem gewichtete Zeitperioden Tc, für welche die Batteriespannung größer als eine Ladegrenzspannung ist, aufintegriert werden. Gleiches gilt für die Zeitspanne Tdc, während der die Batteriespannung kleiner ist als die Grenzspannung. Auch dann wird aufintegriert. Es gilt der Zusammenhang: Tnc = int(ne × Tc) – int(Tdc)
• Der Faktor ne wird eingeführt als Effizienzfaktor. Er wird benötigt, da während der Ladung eine gewisse Menge Energie in Form von Wärme verlorengeht. Dieser Effizienzfaktor beschreibt den Effekt. Der Faktor kann abhängig sein vom Batterietyp, dem Batterieladezustand und/oder der Batterietemperatur. Wenn die Batteriezustandserkennung einen Batteriezustand ”LOW” während der Startphase anzeigt, wird er in einen Zustand ”HIGH” versetzt, wenn der Wert der Ladezeitspanne Tnc größer ist als eine vorgebbare Zeitspanne, die applizierbar ist. Der Status wird auf ”LOW” gesetzt, wenn der Wert der Ladezeitspanne Tnc kleiner ist als die vorgegebene Zeitspanne.
• Mögliche Applikationswerte für die Phase B, Fahrbetrieb sind:
  13,5 V ist die Schwellwertspannung, oberhalb der die Batterie während des Fahrbetriebs unter allen Bedingungen geladen wird.
  13,0 V ist die Schwellwertspannung, unterhalb derer die Batterie während des Fahrbetriebs nicht geladen wird.
• Zwischen 13,0 V und 13,5 V ist ein Band, in welchem nicht mit Sicherheit gesagt werden kann, ob die Batterie geladen oder entladen wird.
• Die angegebenen Spannungswerte können für verschiedene Applikationen abweichen, insbesondere abhängig vom elektrischen System des Fahrzeugs.
• 8 zeigt ein Flussdiagramm für den Fahrbetrieb (Phase B). Dabei wird im Schritt S10 die Batteriespannung U_Batt gemessen. Im Schritt S11 wird die Ladezeit Tc berechnet. Im Schritt S12 wird geprüft, ob die Ladezeit Tc oberhalb eines vorgebbaren Wertes liegt. Ist dies nicht der Fall, wird im Schritt S13 der Status ”LOW” gesetzt. Ist die Ladezeit Tc größer als der vorgebbare Wert, wird im Schritt S14 der Status ”HIGH” gesetzt.
• Stillstandsphase C
• Bedingung für die Stillstandsphase ist, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine gleich 0 ist. Die Stillstandsphase betrifft die Phase, während der die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist, beispielsweise wegen eines entsprechenden Abschaltsignals von einem Start/Stopp-Systems. Der von der Brennkraftmaschine antreibbare Generator liefert keine elektrische Energie und die von der Batterie gelieferte Energie wird nur den elektrischen Verbrauchern zugeführt, die während dieser Zeit benötigt werden. Da die Batterie diesen Verbrauchern Ladung zuführt, fällt die Spannung während der Stillstandsphase ab. Wenn die Batteriespannung einen speziellen Grenzwert UI erreicht, wird der Batteriestatus auf ”LOW” gesetzt.
• Das Start-Stopp-System initiiert eine Fahrzeugstartanforderung, wenn die Batteriezustandserkennung in den ”LOW”-Status in der Stillstandsphase anzeigt. Das Fahrzeug bleibt dagegen in der Stillstandsphase, wenn der Batteriestatus auf ”HIGH” bleibt.
• Wenn die Stillstandsphase größer als beispielsweise fünf Minuten ist, wird die Batteriezustandserkennung den Status ”LOW” setzen, auch wenn die Batteriespannung höher ist als der Grenzwert UI. Wenn der Entladestrom kleiner ist als ein vorgebbarer Wert von beispielsweise 5 Ampere, wird kein merkbarer Abfall der Batteriespannung auftreten, auch wenn die Entladung eine längere Zeit stattfindet. Unter diesen Bedingungen wird die Batterie ihre Ladung ohne signifikante Änderung der Batterieterminal- bzw. Batterieklemmenspannung U_Batt verlieren. Um diese Bedingung einzubeziehen, wird während der Stillstandsphase ein Zeitlimit von fünf Minuten vorgegeben. Als Zeitlimit kann auch ein anderer geeigneter Wert gewählt werden.
• Es wird eine Grenzspannung UI definiert, die unter Berücksichtigung folgender Größen gebildet wird:
  Tc in °C: Minimaltemperatur, bei der die Startfähigkeit der Brennkraftmaschine verlangt wird,
  Rimax in mOhm: Batterieinnenwiderstand, der erforderlich ist, um eine Startfähigkeit zu erreichen,
  Smin in % Ladezustand der Batterie bei ihrem maximalen Innenwiderstand Rimax bei der Minimaltemperatur Tc (Kaltstartbedingung)
  T_Batt: Temperatur der Batterie.
  Y in Ampere: Mittlere elektrische Belastung, während das Fahrzeug im Stillstand ist.
  UI: Die Grenzspannung wird definiert als die Batteriespannung bei der Bedingung, dass die Batterie mit Y Ampere geladen wird, beim Ladezustand Smin in % der Batterie bei ihrem maximalen Innenwiderstand Rimax bei der Minimaltemperatur Tc.
• Der Wert der Grenzspannung UI hängt dabei von der Temperatur der Batterie ab.
• 9 zeigt ein Flussdiagramm für die Vorgehensweise in der Stillstandsphase C.
• Im Einzelnen ist in 9 dargestellt, dass im Schritt S15 die Batteriespannung U_Batt gemessen wird. Im Schritt S16 wird die Batteriespannung mit einer Grenzspannung UI verglichen. Ergibt dieser Vergleich, dass die Batteriespannung U_Batt nicht größer ist als die Grenzspannung, wird im Schritt S17 der Zustand ”LOW” gesetzt. Ergibt der Vergleich in Schritt S16, dass die Batteriespannung U_Batt größer ist als die Spannung UI, wird in Schritt S18 der Zustand ”HIGH” gesetzt.
• Ergänzende und weitere Maßnahmen zur Batteriezustandserkennung:
• Strom durch die Magnetspule des Starters als Indikator für den Batteriezustand
• In einem weiteren Batteriezustandserkennungsalgorithmus wird der Batteriezustand ermittelt, wenn eine definierte elektrische Last an die Batterie geschaltet wird. Die Batteriespannung bricht abhängig vom Batteriezustand und vom elektrischen Widerstand ein. Die Batterieklemmenspannung U_dip ist dabei proportional zum Batteriezustand, dies gilt jeweils für eine definierte Last. Damit kann der Batterieladezustand SOC für eine bekannte Temperatur ermittelt werden, indem der Batteriespannungseinbruch bei Zuschaltung einer definierten elektrischen Last gemessen wird. In diesem Konzept ist die definierte elektrische Last der Startermotor. Es könnte auch die Zuschaltung eines anderen elektrischen Verbrauchers, der zu einem signifikanten Spannungseinbruch führt, ausgewertet werden, beispielsweise eine Scheibenheizung, Glühkerzen, Kraftstoffheizer, Lüfter, Fahrlichter usw.
• Funktionsweise des Startermotors
• Der Startermotor wird mittels eines Starterrelais ein und aus geschaltet. Das Starterrelais umfasst dabei eine spezielle Magnetspule. Diese Magnetspule hat üblicherweise zwei Wicklungen, eine Einschaltwicklung EW und eine Haltewicklung HW. Wenn der Startermotor anläuft, werden die Wicklungen der Spulen für eine kurze Zeit eingeschaltet, um den Startermotorkontakt zu schließen. Wenn der Startermotor startet, ist nur die Haltewicklung, der Magnetspule mit Spannung versorgt.
• In 10 ist ein Blockschaltbild des Startermotors mit dem Starterrelais schematisch dargestellt. Dabei ist der Startermotor mit 13 bezeichnet, 10 ist die Batterie. 18 bezeichnet den Zündschalter und 15 das Starterrelais mit der Einzugswicklung 16 und der Haltewicklung 17.
• 11 zeigt den Verlauf der des Spannungseinbruchs Udip der Spannung am Startermotor für verschiedene Ladezustände der Batterie. Dabei steht die oberste Kurve für eine volle Batterie und die unterste für einen Batterieladezustand von 65%, jeweils für eine bestimmte Temperatur. Der Batteriezustand kann wie aus 11 ersichtlich ist, für eine bekannte Batterietemperatur ermittelt werden, indem der Startermotor mit dem Starterrelais als definierte elektrische Last angesehen wird und der Spannungseinbruch beim Einschalten dieser elektrischen Last ausgewertet wird.
• Funktionsfähigkeit des Konzepts
• Für einen erfolgreichen Neu- bzw. Wiederstart des Verbrennungsmotors ist ein minimaler Batterieladezustand für eine gegebene Temperatur definiert. Die am Starterrelais anliegende Spannung ist die Spannung UdipI. Während der Startphase wird der Verbrennungsmotor durch den Startermotor gestartet Die dabei auftretende Dip-Spannung U_dip wird gemessen. Diese gemessene Spannung wird verglichen mit dem Schwellwert UdipI. Abhängig vom Vergleichsergebnis wird erkannt, ob der Batteriezustand als ”HIGH” oder als ”LOW” gesetzt werden kann. ”High” bedeutet wiederum, dass der Batteriezustand gut ist für den nächsten erfolgreichen Neu- bzw. Wiederstart. Gleichermaßen wird der Batteriezustand ”LOW” gesetzt, wenn der Batteriezustand nicht gut genug ist für einen erfolgreichen Neustart.
• In 12 ist der zeitliche Verlauf der Spannung am Startermotor für verschiedene Ladezustände der Batterie entsprechend einem Ausschnitt des Verlaufs nach 11 über der Zeit dargestellt. Der Spannungseinbruch Udip ist jeweils der Minimalwert. Ist die Spannung kleiner als der Schwellwert UdipI wird der Batteriezustand ”LOW” gesetzt.
• Ladezustandsvorhersage für die Stillstandsphase C
• In der Stillstandsphase des Fahrzeugs ist der Spannungsabfall am Batterieterminal bzw. an der Batterieklemme 12 für eine bekannte Temperatur und einen bekannten Batterieladezustand SOC proportional zum elektrischen Laststrom IL. 13 zeigt im Zusammenhang zwischen Batteriespannung U_Batt und elektrischer Last bzw. Laststrom IL für einen gegebenen Ladezustand SOC und eine gegebene Temperatur.
• Zur Entscheidung über den vorliegenden Batteriezustand während der Stillstandsphase muss eine Schwellwertspannung definiert werden. In 14 sind Batteriemodelldaten bezüglich der Schwellwertspannung angegeben. Der Ladezustand SOC gilt für eine Batteriespannungsschwelle von UBattI von 11,9 Volt. Wie in dieser Tabelle gezeigt wird, kann der Ladezustandsgrenzwert umso niedriger gesetzt werden, je niedriger der Entladestrom ist. Je höher der Entladestrom ist, desto höher muss der Ladezustandsgrenzwert gesetzt werden. So ergibt sich für die Auswahl des Ladezustandsgrenzwertes ein breites Toleranzband von 18%.
• Um dieses weite Toleranzband für den Ladezustand SOC der Batterie 10 zu reduzieren, wird die Spannungsbegrenzung UBattI proportional zum Laststrom gesetzt. Da der Laststrom aber unbekannt ist, wird nach dem folgenden Konzept der elektrische Laststrom adaptiv vorhergesagt.
• Erste Methode dafür ist die Auswertung des ”DFM-Signals”, also des Tastverhältnisses des Erregerstroms:
  Falls im Fahrzeug bzw. im Steuergerät des Fahrzeugs das Feature ”DFM-Signalausgang vom Generator” zur Verfügung steht, ist der Tastverhältnisfaktor proportional zum Laststrom und kann dahingehend ausgewertet werden. Das ”DFM-Signals” kann bei Leerlaufgeschwindigkeit bzw. Leerlaufdrehzahl erfasst werden oder bei einer anderen definierten Geschwindigkeit bzw. Drehzahl vor dem Abschalten der Brennkraftmaschine. Damit kann der Grenzwert des Spannungseinbruchs U_dipI in Abhängigkeit vom Tastverhältnisfaktor für die zugeschaltete elektrischer Last in der Stillstandsphase oder im Leerlauf festgesetzt werden. Dadurch reduziert sich das Toleranzband für den Ladezustand auf einen kleineren Wert.
• In 15 ist der Einbruch der Batteriespannung U_Battdip über dem elektrischen Lastfaktor DF bzw. dem Tastverhältnis des Erregerstroms während des Leerlaufs für einen Ladezustand SOC von 65%” dargestellt.
• Zweite Methode dafür ist die Auswertung eines Spannungsniveaus:
  Dieses Konzept kann verwendet werden in den Fällen, in denen ein ”DFM-Signal” nicht zur Verfügung steht. Dabei kann das Spannungsniveau an der Batterie beispielsweise bei Leerlaufdrehzahl überwacht werden. Wenn der elektrische Laststrom im Leerlauf größer ist als der Generatorausgangsstrom, wird ein Spannungseinbruch auftreten. Dieser Spannungseinbruch ist ungefähr proportional zur elektrischen Last, die den Generatorstrom überschreitet. Damit ermöglicht eine Überwachung der Batteriespannung U_Batt bei Leerlaufdrehzahl vor dem Abschalten der Brennkraftmaschine, die entsprechende Last abzuschätzen und die zugehörige Grenze U_BattdipI ausgewählt werden. Dieses Verfahren reduziert das Toleranzband für die Abschätzung des Batteriezustands ebenfalls. Wenn die elektrische Last kleiner ist als der vom Generator lieferbare Strom kann diese Methode nicht eingesetzt werden, der zugehörige Bereich wird als ”blind area” bezeichnet, da die Spannung gleich und auf einem Ladeniveau bleibt.
• In 16 ist der Verlauf der auszuwertenden Batteriespannung U_Batt über dem elektrischen Lastfaktor während einer Leerlaufphase für einen Batterieladezustand SOC von 65% dargestellt. Links der gestrichelten Linie befindet sich die sogenannte ”Blind area”, rechts davon, also bei höherer Last, ist eine Auswertung möglich.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 10258034 A1 [0003]

Claims (14)

1. Verfahren zur Erkennung der Startfähigkeit insbesondere einer Starterbatterie für eine Start-Stopp-Steuerung einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, wobei die Brennkraftmaschine mit der von der Starterbatterie gespeisten Startvorrichtung gestartet wird und Mittel zur Erkennung des Batteriezustands vorhanden sind, in denen die Verfahren ablaufen, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustandes der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird und dieser in wenigstens drei unterschiedliche Phasen (A, B, C) unterteilt wird und für jede der drei Phasen (A, B, C) ein eigenes Batteriezustandserkennungsverfahren abläuft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezustandserkennungsverfahren als Algorithmus abläuft.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezustandserkennungsverfahren als Information über den Batteriezustand entweder den Zustand ”HIGH” oder den Zustand ”LOW” abgibt, wobei der Zustand ”HIGH” sichere Neu- oder Widerstartfähigkeit und der Zustand ”LOW” unsichere Neu- oder Widerstartfähigkeit bedeutet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes der für die drei Phasen (A, B, C) durchgeführte Batteriezustandserkennungsverfahren ein Status gesetzt wird, der den Zustand ”HIGH” oder der Zustand ”LOW” repräsentiert.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die drei unterschiedlichen Phasen (A; B; C), die eigentliche Startphase (A), der Fahrzustand (B) und eine Stillstandsphase (C) sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Phase (A) eine Spannungsauswertung so erfolgt, dass die Tiefe des Spannungseinbruchs (U_dip) beim Einschalten des Starters (13) ausgewertet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezustandserkennung durch Ermittlung des Innenwiderstands (Ri) der Batterie (10) erfolgt und diese zusätzlich zur Tiefe des Spannungseinbruchs (U_dip) noch die Batteriespannung (U_Batt) und die Spannung (U_T30) an der Starterklemme (T30) berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Temperatur berücksichtigt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Phase (B) eine zeitabhängige Integration durchgeführt wird, in der die zugeführte Ladung positiv und die entnommene Ladung negativ berücksichtigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladezeitspanne (Tc) definiert wird, und sofern die Ladezeitspanne (Tc) größer als eine vorgebbare Zeitspanne ist, der Ausgabestatus auf ”HIGH” und andernfalls auf ”LOW” gesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Phase (C), die eine Stillstandsphase darstellt, die auf eine vorgebbare Zeitdauer begrenzt wird, eine Spannungsauswertung dahingehend vorgenommen wird, dass der durch einen Laststrom (IL) entstehende Spannungsabfall innerhalb dieser Phase (C) ermittelt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entscheidung über den vorliegenden Batteriezustand in der dritten Phase (C) unter Berücksichtigung einer Schwellwertspannung erfolgt, die aus einem Batteriemodell ermittelt wird, unter Berücksichtigung des Ladezustandes (SOC), der Temperatur (T) und des zu erwartenden Lade- oder Entladestroms.
13. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens Eingabemittel zur Zuführung von Signalen, einen Prozessor oder einen Computer sowie Speichermittel und Ausgabemittel zur Ausgabe eines den Batteriezustand angebenden Ausgangssignals umfasst.
14. Vorrichtung zur Start/Stopp-Steuerung, dadurch gekennzeichnet, dass das den Batteriezustand angebenden Ausgangssignal nach Anspruch 13 als Kriterium zur Verhinderung eines Stopp Wunsches verwendet wird.

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