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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, welches von einer Batterie gespeist wird und an einen eine Ausgangsspannung an das Bordnetz liefernden Generator angeschlossen ist, wobei die Batterie bei wenigstens einer Ausgangsspannung durch den Generator ladbar ist und ein Laden der Batterie in wenigstens einem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs vorgenommen wird. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
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Kraftfahrzeuge weisen meist wenigstens ein Bordnetz auf. Das Bordnetz ist an eine statische Energiequelle angeschlossen, meist eine Batterie, insbesondere eine 12V-Batterie, und weist in den meisten Fällen auch eine Verbindung zu einem Generator auf, der aus der Fortbewegung des Kraftfahrzeugs elektrische Energie erzeugt, die das Bordnetz und daran angeschlossen elektrische Verbraucher versorgen kann. Insbesondere wird die Generatorleistung jedoch auch genutzt, um die an das Bordnetz angeschlossene Batterie wieder aufzuladen. Daher ist es bekannt, die Ausgangsspannung des Generators (Generatorspannung) höher als die Spannung der Batterie zu wählen, so dass ein Ladestrom in die Batterie ermöglicht wird.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, die Ausgangsspannung des Generators dem aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs, insbesondere der aktuellen Fahrdynamik, anzupassen. Das bedeutet, dass bei der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs die Ausgangsspannung des Generators meist reduziert wird, damit der mechanische Widerstand, der durch die Erzeugung zusätzlicher elektrischer Energie entsteht, die Beschleunigung nicht hemmt. Im Schubbetrieb, wenn also das Kraftfahrzeug über seinen Motor abgebremst wird, wird die Ausgangsspannung des Generators höher gesetzt, damit die aus dem Generator gewonnene elektrische Energie besonders effektiv in die Bordnetzbatterie geführt werden kann. Im normalen Fahrbetrieb, beispielsweise also bei einer Autobahnfahrt ohne starke Beschleunigungs- und Bremsmanöver, wird die Batterie über eine temperaturgeführte Ausgangsspannung des Generators dauerhaft geladen.
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Dabei ist jedoch problematisch, dass bei einer bereits vollgeladenen Batterie, die keinerlei elektrische Energie mehr aufnehmen kann, die Ausgangsspannung des Generators dennoch zum Zweck des Ladens der Batterie auf einen höheren, durch den aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs bestimmten Wert gehalten wird. Mit anderen Worten wird also in dem Generator mehr mechanische Leistung in elektrische Energie umgesetzt, als eigentlich notwendig wäre; vorgehaltene mechanische Leistung bringt letztlich keinerlei Nutzen mehr. Jedoch tritt durch die zusätzlich vorzuhaltende mechanische Leistung ein Kraftstoffverbrauch auf, der letztlich ebenso nicht nötig wäre.
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DE 11 2006 002 329 T5 offenbart ein Verfahren zum Diagnostizieren einer elektrischen Anlage eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Batterie, die mittels eines Drehstromgenerators geladen wird. Dabei kann die Spannungsausgabe des Drehstromgenerators mittels eines Mikroprozessors gesteuert werden. Mittels eines Stromsensors wird der in die und aus der Batterie fließende Strom gemessen und durch Integration des Stroms über ein Zeitfenster der Ladezustand (SOC) der Batterie berechnet. In der Folge wird die durch den Drehstromgenerator ausgegebene Spannung bei einem hohen Ladezustand abgesenkt, um eine effiziente Batterieladung zu gewährleisten.
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US 2002/0 062 183 A1 beschreibt ein Steuerungssystem für ein Hybridfahrzeug mit einem Generator, der einen Motor antreibt und überschüssige Energie in eine Batterie speichert. Dazu ist ein Batteriezustandsrechner beschrieben, der den Ladezustand (SOC) der Batterie aus der Spannung zwischen ihren Anschlüssen und dem in sie und von ihr fließenden Strom berechnet, woraus die Ladeeffizienz der Batterie ermittelt wird. Dabei wird die vom Generator zu erzeugende elektrische Leistung so bestimmt, dass der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs minimiert wird. Bei einer hohen Batteriespannung ist eine große Ladeeffizienz bei einem hohen Ladungsgrad gegeben.
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US 4,629,965 A beschreibt ein Verfahren zum Laden einer Batterie, wobei mittels eines Shunts der von einer Batterie abgegebene Strom gemessen wird und bei einem geringen Ladestrom das Laden der Batterie beendet wird. Dazu wird die über dem Shunt abfallende, zum Ladestrom proportionale Spannung einem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt, wobei aus dessen Ausgangssignal mittels einer nachgeschalteten Logikschaltung bestimmt wird, ob sich der Ladestrom innerhalb einer bestimmten Zeitspanne um nicht mehr als einen vorbestimmten Wert verändert hat. Als Kriterium für eine Spannungssenkung auf Null wird die Änderung des Ladestroms nach der Zeit verwendet.
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US 2013/0241502 A1 offenbart ein elektrisches System eines Luftfahrzeugs mit zwei Generatoren, die eine Batterie über ein Steuergerät laden. Dabei bestimmt das Steuergerät die Spannung der Generatoren, wobei bei einem geringen Ladezustand eine Erhöhung der Generator-Ausgangsspannung erfolgt. Daneben wird vorgeschlagen, dass anstelle des Ladezustands der Batterie der Ladestrom für die Steuerung der Generatoren verwendet wird.
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US 2012/0019197 A1 schlägt ein Ladeverfahren für eine Batterie eines mobilen elektrischen Geräts wie einen Laptop vor, wobei der Ladevorgang in Abhängigkeit des Verschleißgrades der Batterie gesteuert wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein im Hinblick auf das Energiemanagement im Kraftfahrzeug verbesserte Steuerung der Generatorspannung anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruch 1 vorgesehen.
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Die Idee der Erfindung ist es also, an der Batterie den Zustand zu erkennen, dass im derzeitigen Status der Ladezustand nicht mehr erhöht werden kann, so dass die Vorgabe für die Ausgangsspannung des Generators (die als Ladespannung für die Batterie dient) auf einen niedrigeren Wert gesetzt werden kann. Auf diese Weise kann die Verlustleistung reduziert werden. Dabei wird mit besonderem Vorteil zur Detektion eines derartigen Zustands an der Batterie, in dem also effektiv kein Laden stattfindet/möglich ist, der aktuelle Ladestrom ermittelt. Eine aus dem Ladestrom abgeleitete Größe wird im Hinblick auf die Ladeeffizienz durch das erste Ladekriterium bewertet. Gegenüber einer reinen Betrachtung des aktuellen Ladezustands der Batterie (state of charge - SOC) hat dies den Vorteil, dass auch Zustände an der Batterie erkannt werden, in der die Batterie zwar nicht vollständig geladen sein mag, aber ein effizientes Laden aus anderen Gründen nicht möglich ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass dann, wenn der Ladestrom so gering ist, dass sich die Ladung der Batterie nicht mehr verbessert, es energetisch ebenso nicht zweckmäßig ist, mit einer entsprechend „zu hohen“ Ladespannung weiterzuladen, da die Ladeeffizienz nicht gegeben ist. Die beschriebene Steuerung der Ausgangsspannung des Generators ist mithin unabhängig vom tatsächlichen Ladezustand der Batterie realisierbar, da sich der Ladezustand durch den entsprechend niedrigen Ladestrom auch über längere Zeit kaum oder gar nicht verändern wird.
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So ist es durch die Herabsetzung der Ausgangsspannung des Generators möglich, die Anforderung von mechanischer Leistung durch den Antriebsstrang zu reduzieren. In einem Ausführungsbeispiel kann bei einer Reduzierung der Ausgangsspannung des Generators von 14,7 V auf 13,0 V eine Einsparung von etwa 100 W erreicht werden. Nach EG-Angaben entsprechen 100 W elektrischer Leistung 2,5 g/km Kohlendioxid bei einem OttoMotor, 2g/km Kohlendioxid bei einem Dieselmotor.
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Dabei sei an dieser Stelle jedoch angemerkt, dass der erste Spannungswert durchaus abhängig vom Betriebszustand des Kraftfahrzeugs bzw. bestimmten den Betriebszustand des Kraftfahrzeugs beschreibenden Parametern sein kann, während der zweite Spannungswert meist als feste Größe gewählt werden wird. Beispielsweise ist es bekannt, die Ausgangsspannung des Generators im Schubbetrieb als maximal zulässige Ladespannung der Batterie zu wählen, bei einer AGM-Batterie beispielsweise als 14,7 V. Im Normalbetrieb, in dem weder starke Beschleunigungen noch ein Schubbetrieb vorliegt, sind grundsätzlich jedoch auch niedrigere Werte denkbar, die, wie bereits erwähnt, beispielsweise von der Temperatur abhängig sein können. Nichtsdestotrotz ist auch hier eine Einsparung möglich, solange der zweite Spannungswert niedriger als der aktuell von der übergeordneten Regelung vorgesehene erste Spannungswert ist.
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Mit besonderem Vorteil wird der zweite Spannungswert so gewählt, dass auch bei Vorliegen des zweiten Spannungswerts als Ausgangsspannung des Generators noch ein Laden der Batterie möglich ist, insbesondere als minimale, sinnvoll mögliche Ladespannung der Batterie. Das bedeutet also, dass selbst dann, wenn mechanische Leistung eingespart werden soll, indem die Ausgangsspannung des Generators reduziert wird, noch ein grundlegender Ladebetrieb der Batterie möglich bleibt.
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Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn vorgesehen ist, dass bei Erfüllen eines zweiten, eine Effizienz des Ladevorgangs anzeigenden Ladekriteriums für die aus dem Ladestrom abgeleitete Stromgröße die Ausgangsspannung des Generators von dem zweiten Spannungswert auf den ersten Spannungswert erhöht wird. Wird mithin anhand eines zweiten Ladekriteriums, welches überprüft wird, wenn zuvor das erste Ladekriterium erfüllt war, festgestellt, dass die Batterie wieder effektiv zu laden beginnt, kann auf die normale Regelung der Ausgangsspannung des Generators anhand der Betriebszustände zurückgegriffen werden, um so wiederum ein möglichst effektives Laden der Batterie zu ermöglichen.
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Dabei sei bereits an dieser Stelle angemerkt, dass die konkrete Ausgestaltung der Ladekriterien selbstverständlich von der verwendeten Auslegung des Bordnetzes und der Batterie abhängig ist. Wird beispielsweise eine übliche 12V-Bleibatterie oder AGM-Batterie verwendet, kann als erstes Ladekriterium die einen Strom beschreibende aus dem Ladestrom abgeleitete Stromgröße dahingehend überprüft werden, ob ein Schwellwert von 1 A unterschritten ist. In diesem Ausführungsbeispiel könnte analog als zweites Ladekriterium für eine einen Strom beschreibende, aus dem Ladestrom abgeleitete Stromgröße überprüft werden, ob ein weiterer Schwellwert, beispielsweise 10 A, überschritten wird. Dann wird die aktuelle Ladespannung wieder auf den ersten Spannungswert gesetzt und die Batterie kann wieder mit höherer Ladespannung geladen werden.
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Die Erfindung sieht vor, dass die Stromgröße aus einem Ladestromverlauf über ein bestimmtes Zeitfenster bestimmt wird, insbesondere durch statistische Verarbeitung und/oder Filterung und/oder Aufintegration. Auf diese Weise wird mithin ein repräsentativer Wert für den Ladestrom im Zeitfenster ermittelt, der deutlich weniger abhängig von Streuungen, Messungenauigkeiten und dergleichen ist, so dass die durch das erfindungsgemäße Verfahren beschriebene Funktion deutlich robuster ausgestaltet wird. Dabei wird ein gleitendes Zeitfenster betrachtet, das bedeutet, die Stromgröße wird als ein gleitender Mittelwert bestimmt. Zweckmäßig kann es auch sein, eine innerhalb des insbesondere gleitenden Zeitfensters bestimmte Strommenge zu verwenden, die dann durch Aufintegration ermittelt wird. Auch der Einsatz üblicher, bekannter Filter ist denkbar, um nicht zu beachtende Schwankungen bei den Messwerten für den Ladestrom auszugleichen, wobei sich üblicherweise geeignete Tiefpassfilter anbieten.
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In einem speziellen Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass bei einem aus einer 12V-Batterie gespeisten Bordnetz ein erster Spannungswert im Bereich von 13,8 bis 14,8 V und ein zweiter Spannungswert im Bereich von 12,5 bis 13,5 V gewählt wird und/oder die Differenz zwischen dem ersten Spannungswert größer als 1 V ist. Wie bereits erwähnt wurde, hängt die konkrete Ausgestaltung bei der vorliegenden Erfindung von der tatsächlichen Realisierung des Bordnetzes und der Batterie ab. Zweckmäßig ist es jedoch, wie bereits dargelegt wurde, in jedem Fall, den zweiten Spannungswert als minimal sinnvolle Ladespannung für die Batterie zu definieren. Innerhalb der Ladekriterien verwendete Schwellwerte können, wie oben bereits angedeutet wurde, 1 V für das erste Ladekriterium und 10 V für das zweite Ladekriterium sein, wobei auch hier selbstverständlich die konkrete Ausgestaltung zu berücksichtigen ist.
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Der Effekt der vorliegenden Erfindung sei nochmals durch ein Beispiel mit einer 12V-Bleibatterie näher erläutert. Dort wird beispielsweise in einem bestimmten Betriebszustand eine Ausgangsspannung von 14,0 V am Generator bei 60 A Ausgangsstrom des Generators zur Verfügung gestellt. Von diesen 60 A werden 1 A in die Batterie weitergeführt. Vom Generator wird daher eine Leistung von 840 W erzeugt, von denen 14 W in die Batterie fließen. Wird nun erkannt, dass das erste Ladekriterium erfüllt ist, kann die Spannung auf 13,0 V bei weiterhin 60 A reduziert werden. 0,5 A hiervon fließen in die Batterie. Das bedeutet, vom Generator wird 780 W an elektrischer Leistung erzeugt, von denen noch immer 6,5 W in die Batterie fließen. Das bedeutet, dass am Generator 60 W elektrische Leistung gespart werden, an der Batterie 7,5 W. Geht man von einem Generator-Wirkungsgrad von 80 % aus, spart man mechanisch 75 W in diesem konkreten Beispiel ein. Wiederholt man die Rechnung mit einer Ausgangsspannung von 14,7 V als erstem Spannungswert, was typisch für AGM-Batterien ist, erhält man eine Einsparung von 102 W elektrischer Leistung, mit Betrachtung des Wirkungsgrads also 127 W mechanischer Generatorleistung, die eingespart werden kann.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass durch die Reduzierung der Ausgangsspannung des Generators, nachdem die meisten Verbraucher ohmsche Verbraucher sind, auch die Stromabgabe an die Verbraucher reduziert wird. Daher liegt auch eine Reduzierung des Strom-/Energiebedarfs diesbezüglich vor. Diese Ausführungen gelten im allgemeinen selbstverständlich nicht nur für die genannten Beispielspannungen, sondern auch beispielsweise bei Spannungsabsenkungen von 16 auf 13 V oder bei anderen Spannungsniveaus, beispielsweise bei 48V-Bordnetzen.
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Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, aufweisend ein Bordnetz, welches von einer Batterie gespeist wird und an einen eine Ausgangsspannung an das Bordnetz liefernden Generator angeschlossen ist, und ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildetes Steuergerät. Bei dem Steuergerät kann es sich beispielsweise um ein Energiemanagement-Steuergerät handeln, wie es in modernen Kraftfahrzeugen häufig eingesetzt wird. Dieses wählt den ersten Spannungswert abhängig vom Betriebszustand des Kraftfahrzeugs aus, überprüft aber dennoch auch das erste Ladekriterium, und senkt gegebenenfalls die Ausgangsspannung des Generators auf den zweiten Spannungswert, um Leistung und somit Kraftstoff einsparen zu können. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 2 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
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Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens läuft parallel zu einer hier nicht näher dargestellten Regelung der Ausgangsspannung des an das Bordnetz angeschlossenen Generators anhand des Betriebszustands des Kraftfahrzeugs ab. Sind Betriebszustände vorgesehen, in denen ein Laden der dem Bordnetz zugeordneten Batterie über den Generator explizit nicht erfolgen soll, würde selbstverständlich auch das erfindungsgemäße Verfahren nicht durchgeführt, welches sich mithin auf Betriebszustände bezieht, in denen das Laden grundsätzlich möglich ist.
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Abhängig vom Betriebszustand wird mithin in einem Schritt S1 ein erster Spannungswert für die Ausgangsspannung des Generators ausgewählt, der ein Laden der Batterie ermöglicht, jedoch nicht dem minimal möglichen Wert für eine Ladespannung der Batterie entspricht.
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In Schritt S2 wird der Ladestromverlauf an der Batterie vermessen und es wird eine Stromgröße daraus abgeleitet, vorliegend durch Bildung eines gleitenden Mittelwerts. Es ist jedoch auch denkbar, durch Aufintegration innerhalb des Zeitfensters ermittelte Strommengen zu betrachten.
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In einem Schritt S3 wird die Stromgröße gegen ein erstes Ladekriterium überprüft. Vorliegend wird eine 12V-AGM-Batterie verwendet, so dass überprüft wird, ob die Stromgröße kleiner als 1 A ist. Ist das erste Ladekriterium nicht erfüllt, wird in einem Schritt S4 der erste Spannungswert an dem Generator als Ausgangsspannung eingestellt. Dabei ist nochmals darauf hinzuweisen, dass der erste Spannungswert in Abhängigkeit des Betriebszustandes selbstverständlich ständig aktuell gehalten wird - das bedeutet, der Schritt S1 läuft letztlich ständig parallel ab.
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Nach der Einstellung des ersten Spannungswerts in Schritt S4 wird selbstverständlich weiter gemäß der Schritte S2 und S3 das erste Ladekriterium überwacht.
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Ist das erste Ladekriterium erfüllt, ist von einer Ineffizienz des Batterieladens auszugehen, beispielsweise, da die Batterie bereits hinreichend geladen ist. Dann wird in einem Schritt S5 an dem Generator ein zweiter Spannungswert als Ausgangsspannung eingestellt, der niedriger als der erste Spannungswert ist, dennoch jedoch auch weiterhin ein Laden der Batterie grundsätzlich ermöglicht. Vorliegend wird ein minimaler noch sinnvoller Ladespannungswert der Batterie als zweiter Spannungswert verwendet. Beträgt beispielsweise der erste Spannungswert bei der AGM-Batterie 14,7 V, kann der zweite Spannungswert 13,0 V betragen.
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In einem Schritt S2' wird wie im Schritt S2 wiederum der Ladestrom an der Batterie vermessen und die Stromgröße bestimmt, welche dann in einem Schritt S6 jedoch gegen ein weiteres, zweites Ladekriterium überprüft wird. Im vorliegenden konkreten Ausführungsbeispiel mit der AGM-Batterie wird überprüft, ob der Ladestrom einen Schwellwert von 10 A übersteigt. Ist dies der Fall, wird gemäß dem Pfeil 1 festgestellt, dass der Ladebetrieb wieder effizient möglich ist und es wird mit Schritt S4 fortgefahren, in dem der erste Spannungswert als Ausgangsspannung des Generators eingestellt wird.
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Ist das zweite Ladekriterium jedoch nicht erfüllt, wird weiterhin der Ladestrom in die Batterie überwacht.
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Dabei erfolgt die Auswertung der Kriterien vorliegend ohne unmittelbare Berücksichtigung des Ladezustands der Batterie.
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2 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1. Dieses weist das Bordnetz 2 auf, an das neben einer 12V-AGM-Batterie 3 Verbraucher 4 und ein Generator 5 angeschlossen sind. Die Ausgangsspannung des Generators 5 kann durch ein Steuergerät 6, hier ein allgemeines Energiemanagement-Steuergerät eingestellt werden. Dabei führt das Steuergerät 6 das erfindungsgemäße Verfahren aus, wozu es die Messwerte einer Messeinrichtung 7 für den Ladestrom der Batterie 3 empfängt.
