DE102012215374A1

DE102012215374A1 - Umladefunktion bei Nichtstart

Info

Publication number: DE102012215374A1
Application number: DE102012215374.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schäffer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-05-28
Also published as: US10246035B2; WO2014033215A1; US20150165993A1; CN104583018A

Abstract

Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, dem ein Starter und ein Steuergerät zugeordnet ist, wobei der Starter für einen Motorstart einer Bordnetzbatterie elektrische Leistung entnimmt, so, dass eine Stützbatterie parallel zu der Bordnetzbatterie schaltbar ist, zwischen der Bordnetzbatterie und der Stützbatterie eine elektrisches Verbindungselement befindlich ist, das Verbindungselement von dem Steuergerät steuerbar ist, und bei einem Nichtstart des Motors die Stützbatterie mit der Bordnetzbatterie durch das Verbindungselement verbindbar ist, um eine Umladung einer vorgegebenen elektrischen Energiemenge von der Stützbatterie zur Bordnetzbatterie zu bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, dem ein Steuergerät zugeordnet ist und dem ein Starter zugeordnet ist, welcher einer Bordnetzbatterie des Fahrzeugs für einen Start des Verbrennungsmotors elektrische Leistung entnimmt.
Moderne Fahrzeuge weisen eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern auf. Um eine hohe Verfügbarkeit der Verbraucher zu gewährleisten, wird ein komplexes Energiemanagement des Energiebordnetzes betrieben. Insbesondere 2-Batterien-Bordnetze garantieren eine hohe Energieverfügbarkeit, siehe etwa die Schrift DE 102 29 018 A1 .
Eine hohe Energieverfügbarkeit ist insbesondere von großer Bedeutung, um einen erfolgreichen Start des Fahrzeugs zu gewährleisten. Bei einem Nichtstart des Fahrzeugs, d. h. bei einem erfolglosen Startversuch des Verbrennungsmotors, muss, um den Motor zu starten, das Fahrzeug angeschleppt werden oder ein Fremdstart durchgeführt werden. Für ein Fahrzeug mit einem 2-Batterien-Bordnetz geht eine Fremdstartarchitektur beispielsweise aus der Schrift DE 103 61 743 A1 hervor.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug zu beschreiben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß ist zu der Bordnetzbatterie eine Stützbatterie parallel schaltbar, und es ist zwischen der Bordnetzbatterie und der Stützbatterie ein elektrisches Verbindungselement befindlich, welches von dem Steuergerät hinsichtlich der Herstellung einer leitenden elektrischen Verbindung zwischen der Stützbatterie und der Bordnetzbatterie steuerbar ist und das bei einem Nichtstart des Motors die Stützbatterie mit der Bordnetzbatterie verbindet, um eine Umladung einer vorgegebenen elektrischen Energiemenge von der Stützbatterie zur Bordnetzbatterie zu bewirken.
Dies bedeutet, dass von dem Steuergerät eine Umladung von der Stützbatterie zur Bordnetzbatterie startbar ist, nachdem ein erfolgloser Startversuch von dem Nutzer des Fahrzeugs unternommen wurde. Die Vorgabe der umzuladenden Energiemenge bemisst sich danach, dass die Energiemenge für einen erfolgreichen Motorstart unter gewöhnlichen Umständen ausreichend ist.
Nach einer bevorzugten Variante der Erfindung umfasst das Fahrzeug eine zentrale Bedieneinheit und/oder ein Kombiinstrument, an welchem während der Umladung dieselbe in Gestalt einer optischen Einblendung anzeigbar ist.
Gemäß dieser Variante wird dem Nutzer des Fahrzeugs nach dem Nichtstart und während der Umladung ein Hinweis optisch angezeigt, dass die Umladung stattfindet.
Nach bewirkter Umladung erlischt die optische Einblendung oder die optische Einblendung zeigt einen möglichen Motorstart an.
Es wird dem Nutzer also optisch die Bereitschaft des Fahrzeugs zu einem neuerlichen Startversuch des Motors nach der bewirkten Umladung mitgeteilt. Dies bietet den Vorteil, dass dem Nutzer nach einem erfolglosen Startversuch zumindest ein weiterer aussichtsreicher Startversuch ermöglicht werden kann und der Nutzer auf einen solchen Startversuch vorbereitet wird, indem der Nutzer auf im Fahrzeug stattfindende Maßnahmen zum Ermöglichen des neuerlichen Startversuchs aufmerksam gemacht wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Einblendung einen Timer, wobei der Timer zu einem Zeitpunkt der Umladung eine prognostizierte Dauer bis zum Bewirken der Umladung angibt.
Demnach wird dem Nutzer mitgeteilt, welche Zeitdauer im Fahrzeug stattfindende Maßnahmen in Anspruch nehmen, um dem Nutzer den weiteren Startversuch des Fahrzeugs zu ermöglichen.
Nach einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist das Verbindungselement als Schalter ausgeführt und der Bordnetzbatterie ist ein Batteriesensor zugeordnet, der den während der Umladung fließenden Umladestrom ermittelt.
Nach einer anderen Ausführungsform ist das Verbindungselement als Gleichstromsteller ausgeführt und der Bordnetzbatterie ist optional einen Batteriesensor zugeordnet, wobei der Gleichstromsteller oder der Batteriesensor den während der Umladung fließenden Umladestrom ermittelt.
Die Verwendung eines Gleichstromstellers ist besonders vorteilhaft. Der Gleichstromsteller ermittelt die an der der Bordnetzbatterie zugeordneten Leistungsschnittstelle anliegende Spannung, d. h. im Wesentlichen die Spannung an der Bordnetzbatterie. Falls nach einer Initialisierung des Gleichstromstellers diese Spannung einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, kann dies als ein zusätzliches Kriterium genutzt werden, um die Umladung zu starten. In diesem Fall ist nicht erst ein erfolgloser Motorstart erforderlich. Fall hingegen nach einer Initialisierung des Gleichstromstellers diese Spannung einen vorgegebenen Grenzwert nicht unterschreitet, ist von dem Steuergerät eine Umladung von der Stützbatterie zur Bordnetzbatterie über den Gleichstromsteller durchführbar, nachdem ein erfolgloser Startversuch von dem Nutzer des Fahrzeugs unternommen wurde.
Die Kenntnis des Umladestroms, z. B. durch Messung mit einem Batteriesensor, der die Batteriespannung und den Batteriestrom misst, ist notwendig, um die Zeitdauer für den Timer zu ermitteln.
Hierfür ermittelt das Steuergerät, der Gleichstromsteller oder der Batteriesensor anhand des ermittelten Umladestroms nach dem Prinzip der Extrapolation die Dauer prognostiziert, bis die transferierte Energiemenge die vorgegebene Energiemenge erreicht.
Dabei erfolgt eine einmalige Bestimmung des Umladestroms zu Beginn der Umladung und unter Annahme eines konstanten Umladestroms die Dauer prognostiziert, bis die vorgegebene Energiemenge erreicht ist. Alternativ wird der Umladestrom während der Umladung wiederholt gemessen und durch Zeitintegration die tatsächlich transferierte Energiemenge ermittelt und anhand dieser Größe nach dem Prinzip der linearen Extrapolation die Dauer prognostiziert, bis die vorgegebene Energiemenge erreicht ist.
Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
In klassischen Fahrzeugen befindet sich heute ein 12 Volt-Energiespeicher. Ist der Ladungszustand des Speichers unterhalb der Startfähigkeitsgrenze besteht die Gefahr einer Panne. Bei Fahrzeugen mit einem Zwei-Batterien-Bordnetz ist zur Verhinderung von Pannen der Einsatz einer Umladefunktion möglich. Mit einer solchen Funktion kann mit Hilfe eines DC/DC-Wandlers und einer zweiten Batterie die für den Start erforderliche Ladungsmenge wieder in die Hauptbatterie eingespeist werden. Dies kann für den Nutzer des Fahrzeugs erlebbar gemacht werden.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung.
Es wird von einem verbrennungskraftmotorischen Fahrzeug ausgegangen, das einen Starter für den Verbrennungsmotor umfasst. Über einen mechanischen Trieb ist mit dem Verbrennungsmotor ein elektrischer Generator verbunden, über den eine Bordnetzbatterie ladbar ist. Das Bordnetz des Fahrzeugs verfügt neben der Bordnetzbatterie über eine zweite Batterie, die als Stützbatterie bezeichnet wird.
Die Stützbatterie ist über ein Verbindungselement wie etwa einem Gleichstromsteller oder einen Schalter mit der Bordnetzbatterie elektrisch verbindbar. Bei einer elektrischen Verbindung ist die Stützbatterie ladbar oder es kann ein Ladungstransfer von der Stützbatterie zur Bordnetzbatterie stattfinden. Bei laufendem Motor wird die Stützbatterie bevorzugt mit Überschußleistung vom Generator geladen. Dazu wird über das Verbindungselement die elektrische Verbindung hergestellt. Bei vollgeladener Stützbatterie wird über das Verbindungselement die elektrische Verbindung geöffnet. Der Ermittlung des Ladezustands der Stützbatterie kann beispielsweise über einen dieser zugeordneten Batteriesensor erfolgen.
Dem Verbrennungsmotor ist ein Motorsteuergerät (MSG) zugeordnet. Ein der Bordnetzbatterie zugeordneter Batteriesensor kommuniziert zumindest unidirektional mit dem MSG. Durch das MSG ist zudem das Verbindungselement steuerbar.
Das Verbindungselement unterbindet während einer Standzeit des Fahrzeugs einen Transfer von elektrischer Leistung zwischen der Bordnetzbatterie und der Stützbatterie.
Bei einem Start des Fahrzeugs schaltet der Nutzer des Fahrzeugs durch Betätigung des Zündschlüssels oder durch Drücken eines Startknopfes die dem Fachmann bekannte Klemme 50 des Starters auf Pluspotential der Bordnetzbatterie (Klemmenwechsel von Zündung auf Motorstart). Dadurch wird bei einem Ritzelstarter (ohne Beschränkung der Allgemeinheit beispielhaft angenommen) das Einrückrelais des Starters betätigt, wodurch das Ritzel des Startes in den Zahnkranz des Motors einspurt und der Hauptstromkreis des Starters geschlossen wird.
Durch Schließen des Hauptstromkreises wird die Erregerwicklung des Starters mit elektrischer Leistung gespeist, d. h. die Klemme 30 wird auf das Pluspotential der Bordnetzbatterie geklemmt. Durch sich aufbauende elektromagnetische Kräfte zwischen Anker und Ständer wird ein Drehmoment des Ankers erzeugt, das auf die Welle des Verbrennungsmotors übertragen wird, um diesen zu starten.
Falls der Energieeinhalt und die Leistungsabgabefähigkeit der Batterie aus diversen hier nicht näher zu erläuternden Gründen nicht ausreicht, um ein für einen erfolgreichen Motorstart ausreichendes Drehmoment auf diesen zu übertragen, bleibt der Startversuch erfolglos. In einem solchen Fall. Möglicherweise reicht das Drehmoment nicht aus, um gegen die Haftreibung der Kurbelwelle in den Lagerstellen überhaupt eine Drehung zu erzeugen. Andernfalls kommt es zwar zu einem Losbrechen des Starters, aber der Starter beschleunigt im weiteren Verlauf den Motor nicht ausreichend.
Das MSG, der Starter, die Zündung und ein Batteriesensor sind Teilnehmer eines Datenkommunikationssystems im Fahrzeug. Ein erfolgloser Startversuch (i. f. Nichtstart) des Motors ist von einer auf dem MSG lauffähigen Software, die als Powermanagement (PM) bezeichnet wird, erkennbar. Die Erkennbarkeit beruht darauf, dass bei der Unterbrechung der Stromversorgung des Einrückrelais, d. h. beim Ausspuren des Ritzels, an der Kurbelwelle keine Drehzahl messbar ist.
Bei einem durch das PM erkannten Nichtstart steuert das MSG das Verbindungselement, um einen Leistungstransfer von der Stützbatterie zu der Bordnetzbatterie zu ermöglichen. Dieser Leistungstransfer wird als Umladung bezeichnet und erfolgt etwa durch Schließen des Schalters oder durch Übermittlung eines entsprechenden Steuersignals (i. f. Umladungssignal) an den Gleichstromsteller.
Betriebsstrategisch wird die Stützbatterie bei einem hohen Ladezustand gehalten. Dies bedeutet insbesondere, dass sich im abgestellten Zustand des Fahrzeugs in der Stützbatterie bei geöffnetem Schalter oder bei deaktiviertem Gleichstromsteller einen möglichen Ladungsverlust lediglich durch eigene Selbstentladung ereignet.
Es wird im i. f. davon ausgegangen, dass bei einem erkannten Nichtstart der Ladezustand der Stützbatterie für eine Umladung ausreichend ist.
Nach einem Ausführungsbeispiel ist die für eine Umladung nötige Energiemenge (i. f. Umlademenge) vom PM in Abhängigkeit von Parametern vorgebbar.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die für die Umladung nötige Energiemenge fest vorgegeben (Umladungsmenge) und bemisst sich danach, dass der Motor unter Annahme von einen Motorstart nachteilig beeinflussenden Faktoren (z. B. hochzylindriger Dieselmotor bei kalten Umgebungsbedingungen) in jedem Fall startbar ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird die für die Umladung nötige Ladungsmenge in einer Größenordnung von 1–10 Ah angenommen.
Während der Umladung ist die transferierte Energiemenge anhand des von dem Batteriesensor gemessenen, bei der Umladung fließenden Stroms (i. f. Umladestrom) ermittelbar. Dies kann durch Zeitintegration des gemessenen Stroms durch den Batteriesensor oder, falls Messwerte des gemessenen Stroms von dem Batteriesensor an das MSG übermittelt werden, durch das PM erfolgen. Erreicht die transferierte Energiemenge die Umlademenge, wird die Umladung beendet (i. f. Umladestop). Dazu öffnet das MSG den Schalter oder deaktiviert den Gleichstromsteller.
Dem Nutzer des Fahrzeugs wird die stattfindende Umladung angezeigt. Dies kann z. B. durch einen textuellen Hinweis in einer zentralen Fahrzeugbedieneinheit und/oder durch ein im Kombiinstrument angezeigtes Symbol erfolgen (i. f. Umladeanzeige). Zu diesem Zweck sind das Kombiinstrument und/oder die zentrale Fahrzeugbedieneinheit ebenfalls Komponenten des Datenkommunikationssystems des Fahrzeugs. Neben der Aktivierung des Schalters oder des Gleichstromstellers aktiviert die MSG durch Übermittlung eines entsprechenden Signals an das Kombiinstrument und/oder die zentrale Fahrzeugbedieneinheit die Anzeige der genannten optischen Hinweise.
Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement als ein Schalter ausgeführt. Der Schalter wird von der Bordnetzbatterie bestromt. Das Schaltsignal, um den Schalter zu schließen und die Umladung zu bewirken, wird vom MSG an den Schalter übermittelt. Dies bedeutet, dass der Schalter in das Datenkommunikationssystem des Fahrzeugs eingebunden ist und erfordert, dass die Bordnetzbatterie trotz des Nichtstarts eine ausreichende Restspannung zur elektrischen Versorgung des Schalters und des MSG bereitstellen kann. Ferner weist die durch den Schalter hergestellte elektrische Verbindung einen Schalterwiderstand auf, um das Fließen eines hohen Kurzschlussstroms beim Schließen des Schalters zu verhindern. Dieses Ausführungsbeispiel setzt voraus, dass die Bordnetzbatterie und die Stützbatterie eine annähernd gleiche Nennspannung aufweisen. Bevorzugt sind die beiden Batterien als Blei-Säure-Batterien mit einer Nennspannung von 12 Volt ausgeführt. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Schalterwiderstand eine Größenordnung von etwa 0,001 Ohm bis 0,05 Ohm aufweist.
Während des Umladens misst der Batteriesensor der Bordnetzbatterie, der von der Bordnetzbatterie selbst oder durch das Schließen des Schalters von der Stützbatterie elektrisch versorgbar ist, den bei der Umladung fließenden Strom. Aufgrund des Zustands der Bordnetzbatterie, der zu dem Nichtstart geführt hat, und aufgrund der üblichen Nennkapazitäten von Bordnetzbatterien von etwa 40 Ah bis 110 Ah bei Personenkraftwagen ist näherungsweise davon auszugehen, dass der bei der Umladung fließende Strom (i. f. Umladestrom) von der ausreichend geladenen Stützbatterie zur Bordnetzbatterie konstant ist. Dies bedeutet, dass anhand der vorgegebenen Umladungsmenge und anhand des gemessenen Umladestroms eine Umladezeit in einer Näherung prognostizierbar ist. Dazu übermittelt der Batteriesensor den zu Beginn des Umladens gemessenen Strom an das MSG. Die Umladezeit bemisst sich dabei nach dem Umladestrom und der Umladungsmenge – falls etwa zu Beginn des Umladens ein Umladestrom von 30 A gemessen wird bei einer Umladungsmenge von 3 Ah beträgt die prognostizierte Umladezeit etwa 0,1 h, d. h. 6 min.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement ein Gleichstromsteller. Der Gleichstromsteller wird von der Bordnetzbatterie mit elektrischer Leistung versorgt. Das Schaltsignal, um den Gleichstromsteller zu aktivieren und die Umladung zu bewirken, wird vom MSG an den Gleichstromsteller übermittelt. Dies bedeutet, dass der Gleichstromsteller in das Datenkommunikationssystem des Fahrzeugs eingebunden ist und erfordert, dass die Bordnetzbatterie trotz des Nichtstarts eine ausreichende Restspannung zur elektrischen Versorgung des MSG und des Gleichstromstellers bereitstellen kann.
Zusätzlich kann der Gleichstromsteller derart ausgeführt sein, dass an der der Bordnetzbatterie zugeordneten Leistungsschnittstelle des Gleichstromstellers, über welche der Gleichstromsteller elektrisch versorgt wird, eine Spannungsmessung durch den Gleichstromsteller an der Bordnetzbatterie durchführbar ist, selbst wenn die Restspannung an der Bordnetzbatterie nicht mehr ausreicht, um das MSG elektrisch zu versorgen. Nach einer Initialisierung bzw. Aufstarten des Gleichstromstellers ist eine Messung der Spannung der Bordnetzbatterie durchführbar: Bei Unterschreitung einer vorgebbaren Spannungsgrenze bewirkt der Gleichstromsteller eine Umladung auch ohne ein an diesen von der MSG übermitteltes Umladungssignal. In diesem Anwendungsfall ist an der Bordnetzbatterie eine nicht ausreichend hohe Spannung anliegend, um das MSG zu versorgen. Somit übermittelt das MSG in diesem Fall kein Umladungssignal. Bei der Umladung stellt der Gleichstromsteller an der der Bordnetzbatterie zugeordneten Leistungsschnittstelle eine ausreichend hohe Spannung für die elektrische Versorgung des MSG bereit. Die für die Umladeanzeige notwendige elektrische Leistung wird ebenfalls über den Gleichstromsteller von der Stützbatterie bereitgestellt. Somit kann ein frühzeitiger Startversuch des Motors nach dem Aufwachen des Fahrzeugs, selbst bei von der Bordnetzbatterie nicht elektrisch versorgbarem MSG, ermöglicht werden. Vorausgesetzt ist lediglich eine ausreichende Restspannung zur Versorgung des Gleichstromstellers.
Nach diesem Ausführungsbeispiel ist die prognostizierte Umladezeit in einer zum Ausführungsbeispiel mit Verwendung eines Schalters analogen Weise. Alternativ kann die Umladezeit auch anhand der vorgegebenen Umladungsmenge und einem durch den Gleichstromsteller maximal transferierbarem Strom (i. f. Stellstrom) ermittelt werden. Beträgt z. B. die Umladungsmenge 4 Ah bei einem Stellstrom von 48 A beträgt die Umladezeit 5 min.
Nach einem der Ausführungsbeispiele ist die prognostizierte Umladezeit dem Nutzer des Fahrzeugs in der zentralen Fahrzeugbedieneinheit und/oder dem Kombiinstrument während des Umladens in Form eines Timers anzeigbar. Der Timer gibt einen zeitbezogenen Wert z. B. in Form einer Zahl oder in Form einer balkenartigen Statusanzeige die verbleibende Zeit bis zu einem nächsten Motorstartversuch an. Beim Erreichen des Umladestops zeigt der Timer die Freigabe eines weiteren Motorstartversuchs an.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10229018 A1 [0002]
DE 10361743 A1 [0003]

Claims

Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, dem ein Steuergerät zugeordnet ist und dem ein Starter zugeordnet ist, welcher einer Bordnetzbatterie des Fahrzeugs für einen Start des Verbrennungsmotors elektrische Leistung entnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Stützbatterie parallel zu der Bordnetzbatterie schaltbar ist, – zwischen der Bordnetzbatterie und der Stützbatterie ein elektrisches Verbindungselement befindlich ist, – das Verbindungselement von dem Steuergerät steuerbar ist, und – bei einem Nichtstart des Motors die Stützbatterie mit der Bordnetzbatterie durch das Verbindungselement elektrisch verbindbar ist, um eine Umladung einer vorgegebenen elektrischen Energiemenge von der Stützbatterie zur Bordnetzbatterie zu bewirken.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Fahrzeug eine zentrale Bedieneinheit und/oder ein Kombiinstrument umfasst, – während der Umladung an der zentralen Bedieneinheit und/oder an dem Kombiinstrument die Umladung in Form einer optischen Einblendung anzeigbar ist:
Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – nach bewirkter Umladung die optische Einblendung erlischt oder die optische Einblendung einen möglichen Motorstart anzeigt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Einblendung einen Timer umfasst, und – der Timer zu einem Zeitpunkt der Umladung eine prognostizierte Dauer bis zum Bewirken der Umladung angibt.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Verbindungselement als Schalter ausgeführt ist, – der Bordnetzbatterie ein Batteriesensor zugeordnet ist, und – der Batteriesensor den während der Umladung fließenden Umladestrom ermittelt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – das Verbindungselement als Gleichstromsteller ausgeführt ist, – der Bordnetzbatterie optional einen Batteriesensor zugeordnet ist, und – der Gleichstromsteller oder der Batteriesensor den während der Umladung fließenden Umladestrom ermittelt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass – das Steuergerät, der Gleichstromsteller oder der Batteriesensor anhand des ermittelten Umladestroms die während der Umladung transferierte Energiemenge ermittelt, und – nach dem Prinzip der linearen Extrapolation die Dauer prognostiziert, bis die transferierte Energiemenge die vorgegebene Energiemenge erreicht.