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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorhersagen eines Spannungseinbruchs oder einer Spannungsabsenkung in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bei einem geplanten Start eines Verbrauchers in dem Kraftfahrzeug. Das Verfahren ist für den Fall vorgesehen, dass der Verbraucher über ein Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei elektrische Energie zum einen durch zumindest eine Spannungsquelle und zum anderen durch einen zu der zumindest einen Spannungsquelle parallel geschalteten Energiespeicher bereitgestellt wird. Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
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Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung der Geräte zum Bereitstellen von Fahrzeugfunktionen ist eine Leistungssteigerung der zentralen elektrischen Versorgungseinrichtung in Kraftfahrzeugen notwendig. Bisher ist die elektrische Versorgungseinrichtung nur durch eine sogenannte Starterbatterie, das heißt einen Bleiakkumulator, bereitgestellt, wenn das Kraftfahrzeug außer Betrieb ist, das heißt die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist. Eine Andere Bezeichnung für Bleiakkumulator ist Blei-Säure-Batterie. Bei laufender oder gestarteter Brennkraftmaschine ist zusätzlich ein Generator zum Bereitstellen einer Quellenspannung verfügbar.
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Um eine Leistungssteigerung der Versorgungseinrichtung zu erreichen, ist ein viel versprechender Ansatz, eine Mehr-Batterie-Versorgung in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs vorzusehen. Hierbei kann ein im Verhältnis oder im Vergleich klein dimensionierter Hochleistungsspeicher, der in der Regel auf einer Lithium-Ionen-Batterie beruht, und ein im Verhältnis dazu größer dimensionierter elektrischer Speicher in Form des bekannten Bleiakkumulators vorgesehen sein. Die direkte Verbindung der beiden Batterien erfolgt über das Bordnetz als Parallelschaltung.
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Zwar ist hierdurch die besagte gesteigerte Leistungsfähigkeit erreicht, aber es ergibt sich auch ein anderes Systemverhalten der elektrischen Versorgungseinrichtung. Wird ein elektrischer Verbraucher in Betrieb genommen und verbraucht deshalb einen elektrischen Strom aus dem Bordnetz, so hängt es von dem Zusammenspiel der parallel geschalteten Batterien ab, welche Bordnetzspannung sich in Reaktion auf den vom Verbraucher benötigten Versorgungsstrom einstellt. Dies möchte man aber nach Möglichkeit vorhersagen oder im Voraus wissen, damit notfalls der Start des Verbrauchers blockiert werden kann, falls der durch den Versorgungsstrom hervorgerufene Spannungseinbruch den Betrieb anderer elektrischer Verbraucher stören würde. Mit anderen Worten ist man an einer Abschätzung des Spannungseinbruchs bei Belastung des Bordnetzes, insbesondere durch einen Hochleistungsverbraucher, wie beispielsweise einem elektrischen Starter oder einem Kompressormotor, interessiert.
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Aus der
DE 102 32 539 A1 ist ein Verfahren zur Vermeidung von Spannungseinbrüchen beim Zuschalten von elektrischen Verbrauchern in einem Kraftfahrzeug bekannt. Nach einer Einschaltanforderung wird die im Bordnetz verfügbare Spitzenleistung ermittelt und der Einschaltzeitpunkt für den Verbraucher zeitlich dahingehend verzögert, dass zum Einschaltzeitpunkt die von dem Verbraucher benötigte Spitzenleistung auch garantiert bereitsteht.
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Aus der
DE 10 2011 054 582 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einem Generator und zwei elektrischen Batterien bekannt, wobei Leitungspfade zum Führen von elektrischen Strömen durch eine Schalteinrichtung des Kraftfahrzeugs festgelegt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem elektrischen Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einer Parallelschaltung aus zumindest einer Spannungsquelle und einem Energiespeicher einen Spannungseinbruch zu prädizieren, wie er sich bei einem Start eines elektrischen Verbrauchers ergeben kann.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche gegeben.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Vorhersagen des Spannungseinbruchs in dem elektrischen Bordnetz bei einem geplanten Start eines Verbrauchers in dem Kraftfahrzeug bereitgestellt. Das Verfahren geht davon aus, dass in dem Kraftfahrzeug zum Betreiben des Verbrauchers zumindest eine elektrische Spannungsquelle und ein zu der zumindest einen Spannungsquelle über das Bordnetz parallel geschalteter Energiespeicher vorgesehen sind. Unter einer Parallelschaltung ist hierbei zu verstehen, dass die zumindest eine Spannungsquelle und der Energiespeicher permanent oder dauerhaft durch elektrische Leitelemente des Bordnetzes galvanisch verbunden sind. Es ist also kein Schalter zum elektrischen Entkoppeln oder Trennen des Energiespeichers von dem Bordnetz und/oder der zumindest einen Spannungsquelle vorgesehen. Der Energiespeicher weist dabei die Eigenschaft auf, dass er keinen (nennenswerten) Ladestrom aufnimmt und keinen Entladestrom erzeugt, falls die Bordnetzspannung größer als ein vorbestimmter Maximalwert ist. Ein solcher Energiespeicher ist beispielsweise durch die beschriebenen Bleiakkumulator gegeben, an welchen zwar beispielsweise eine Ladespannung von 15 Volt angelegt werden kann, dies aber nicht dazu führt, dass sich auch die Ruhespannung in den galvanischen Zellen des Bleiakkumulators tatsächlich auf diese Ladespannung einstellt. Stattdessen steigt die Klemmenspannung des Bleiakkumulators nur bei angelegter Ladespannung auf die 15 Volt. Entfernt man die Spannungsquelle, fällt die Klemmenspannung zurück auf eine Maximalspannung, ohne dass dazu ein relevanter Enteladestrom fließen müsste. Grund dafür ist die sogenannte Überspannung von Bleiakkumulatoren. Der Wert der Maximalspannung, d. h. der Maximalwert, ist von der Vorgeschichte und der Batterietechnologie des Bleiakkumulators abhängig. Der Maximalwert kann z. B. mittels einer Kennlinie ermittelt werden. Beispielsweise kann der Maximalwert in einem Bereich von 12,8 Volt bis 13,5 Volt liegen.
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Bei dem Verfahren wird ein voraussichtlich nach dem Start von dem Verbraucher benötigter Versorgungsstrom ermittelt. Ausgehend von einem aktuellen Wert der Bordnetzspannung wird ermittelt, welchen Anteil dieses Versorgungsstroms die zumindest eine Spannungsquelle als Quellenstrom ohne den Energiespeicher erzeugt, bis die Bordnetzspannung auf den besagten Maximalwert abgesunken ist. Solange also die Bordnetzspannung größer als der Maximalwert ist, wird der Versorgungsstrom für den Verbraucher ausschließlich durch die zumindest eine Spannungsquelle bereitgestellt. Hierbei sinkt in an sich bekannter Weise die Bordnetzspannung aufgrund des Innenwiderstands der zumindest einen Spannungsquelle. Mit anderen Worten kommt es zu dem Spannungseinbruch im Bordnetz. Durch das Verfahren wird ermittelt, welchen Anteil des Versorgungsstroms die zumindest eine Spannungsquelle liefert, bis der Maximalwert erreicht ist, also die Bordnetzspannung auf den Maximalwert abgesunken ist.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die individuelle Stromaufteilung zwischen der zumindest einen Spannungsquelle einerseits und dem Energiespeicher andererseits berücksichtigt wird. Hierzu wird ermittelt, wie viel des benötigten Versorgungsstrom allein durch die zumindest eine Spannungsquelle bereitgestellt oder erzeugt wird, bevor überhaupt die Bordnetzspannung derart weit eingebrochen oder gesunken ist, dass auch der Energiespeicher mit einem Entladestrom reagiert, weil die Bordnetzspannung kleiner als der Maximalwert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere bei abgeschaltetem Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs durchgeführt. Der Verbrennungsmotor kann beispielsweise ein Dieselmotor oder ein Ottomotor sein.
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Zu der Erfindung gehören auch optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Quellenstrom der zumindest einen Spannungsquelle auf der Grundlage eines jeweiligen Innenwiderstands der zumindest einen Spannungsquelle ermittelt wird. Der Spannungseinbruch von dem aktuellen Wert der Bordnetzspannung bis herunter zum Maximalwert wird ausschließlich auf der Grundlage des jeweiligen Innenwiderstands der zumindest einen Spannungsquelle ermittelt, ohne den Innenwiderstand des Energiespeichers zu berücksichtigen. Der Spannungseinbruch wird mit anderen Worten unabhängig von Innenwiderstand des Energiespeichers ermittelt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass nicht fälschlicher Weise ein Einfluss des Energiespeichers schon im Spannungsbereich oberhalb des Maximalwerts angenommen wird, wie dies bei einer pauschalen Berechnung aus einer Parallelschaltung der zumindest einen Spannungsquelle und dem Energiespeicher ansonsten der Fall wäre.
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Mit dem Quellenstrom allein ist derjenige Anteil des Versorgungsstroms gemeint, der fließt, so dass aufgrund des Innenwiderstands der zumindest einen Spannungsquelle die Bordnetzspannung von dem aktuellen Wert auf den Maximalwert sinkt. Es kann sein, dass dies nicht ausreicht, um den gesamten Versorgungsstrom bereitzustellen. Eine Weiterbildung sieht zusätzlich vor, dass ein Reststrom Id zwischen dem ermittelten Versorgungsstrom I0 und dem Quellenstrom I1 ermittelt wird und ausgehend von dem besagten Maximalwert Umax ermittelt wird, welcher Endwert Uend der Bordnetzspannung sich bei einer parallelen Stromabgabe der zumindest einen Spannungsquelle und des Energiespeichers ergibt. Reicht also der Quellenstrom I1 alleine nicht aus, so ergibt sich als der Reststrom Id = I0 – I1. Dieser zusätzliche Entladungsstrom wird dann sowohl durch die zumindest eine Spannungsquelle als auch den Energiespeicher gemeinsam bereitgestellt, da ja der maximale Spannungswert Umax erreicht und unterschritten wird. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass die Änderung des Systemverhaltens der elektrischen Versorgungseinrichtung gebildet aus der zumindest einen Spannungsquelle und dem Energiespeicher tatsächlich genau dann berücksichtigt wird, wenn sich ein Phasenübergang oder ein Phasenwechsel von der Versorgung ausschließlich durch die zumindest eine Spannungsquelle einerseits (Bordnetzspannung größer als der Maximalwert) hin zu der gemeinsamen Versorgung durch die zumindest eine Spannungsquelle und den Energiespeicher andererseits (Bordnetzspannung kleiner als der Maximalwert) ergibt.
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Eine Weiterbildung hierzu sieht vor, dass der Endwert Uend auf der Grundlage einer Parallelschaltung der jeweiligen Innenwiderstände Ri1 der zumindest einen Spannungsquelle und des Innenwiderstands Ri2 des Energiespeichers ermittelt wird. Dies ergibt also eine Parallelschaltung oder einen Parallelschaltungswiderstand Rp aus dem Innenwiderstand Ri1 und dem Innenwiderstand Ri2, was auch notiert wird als Rp = Ri1 ∥ Ri2. Damit ergibt sich also insgesamt der Endwert Uend für die Bordnetzspannung als Uend = Umax – Id Rp.
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Eine Weiterbildung hierzu sieht vor, dass es auch vorkommen kann, dass der aktuelle Wert der Bordnetzspannung bereits kleiner als der Maximalwert ist. Dann gibt es nur die zweite Spannungsphase, in der die parallele oder gemeinsame Versorgung des Verbrauchers sowohl durch die zumindest eine Spannungsquelle als auch den Energiespeicher erfolgt. Bei dieser Weiterbildung wird also ausschließlich die parallele Stromabgabe berücksichtigt, falls der aktuelle Wert der Bordnetzspannung kleiner als der Maximalwert ist. Somit ist das Verfahren flexibel auf alle Spannungsfälle anwendbar.
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Eine Weiterbildung betrifft den Fall, dass ein kritischer Spannungseinbruch erkannt wird, durch welchen die Funktionstüchtigkeit anderer elektrischer Verbraucher gefährdet oder beeinträchtigt wird. Bei dieser Weiterbildung plant den Start der Verbraucher eine Fahrzeugfunktion des Kraftfahrzeugs.
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Beispielsweise kann es sich bei der Fahrzeugfunktion um eine Start-Stopp-Funktion für einen Motorstart eines Verbrennungsmotors handeln. Die Start-Stopp-Funktion schaltet den Verbrennungsmotor ab, wenn das Kraftfahrzeug beispielsweise an einer Ampel steht. Dies ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Die Fahrzeugfunktion wird bei der Weiterbildung desaktiviert, falls der Endwert der Bordnetzspannung, wie er aufgrund des Versorgungsstroms des elektrischen Starters des Verbrennungsmotors prädiziert wird, kleiner als ein vorbestimmter Mindestspannungswert Umin ist. Mit anderen Worten wird also beispielsweise die Start-Stopp-Funktion desaktiviert, so dass der Verbrennungsmotor an einer Ampel stets durchgehend betrieben wird oder läuft. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch den Start des Verbrauchers die anderen elektrischen Verbraucher nicht beeinträchtigt oder in ihrer Funktionsweise gestört werden.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Energiespeicher ein Bleiakkumulator ist und als der Maximalwert eine maximale Ruhespannung zuzüglich einer Überspannung des Bleiakkumulators zugrundgelegt wird. Bleiakkumulatoren weisen das beschriebene elektrische Verhalten auf, dass an ihren Klemmenanschlüssen zwar eine Spannung größer als der Maximalwert angelegt werden kann, dies aber bei dem Bleiakkumulator keine nennenswerte Reaktion dahingehend hervorruft, dass ein Ladestrom in den Bleiakkumulator fließen würde. Genauso wird bei einer Absenkung der Klemmenspannung, die oberhalb des Maximalwerts stattfindet, auch kein signifikanter Entladestrom oder Ausgleichsstrom hervorgerufen. Der Bleiakkumulator reagiert mit einem Stromfluss erst, wenn es zu Spannungsänderungen unterhalb des Maximalwerts kommt.
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Wie bereits ausgeführt, gehört zu der Erfindung ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist in der beschriebenen Weise zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers zumindest eine elektrische Spannungsquelle und einen zu der zumindest einen Spannungsquelle über ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs parallel geschalteten Energiespeicher auf. Der Energiespeicher blockiert in der beschriebenen Weise bei einer Bordnetzspannung größer als ein vorbestimmter Maximalwert einen Ladestrom in und einen Entladestrom aus dem Energiespeicher. Hierbei handelt es sich um ein elektrochemisches Phänomen oder Verhalten des Energiespeichers, wie es in der beschriebenen Weise von einem Bleiakkumulator bekannt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist eine Steuereinrichtung bereitgestellt, die dazu eingerichtet ist, zum Vorhersagen eines Spannungseinbruchs vor einem geplanten Start des elektrischen Verbrauchers eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise auf der Grundlage eines Mikrocontrollers oder eines Mikroprozessors realisiert sein. Die Steuereinrichtung kann insbesondere ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs sein.
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Wie bereits ausgeführt, handelt es sich bei dem Energiespeicher insbesondere um einen Bleiakkumulator.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die zumindest eine Spannungsquelle eine Lithium-Ionen-Batterie und/oder einen Generator und/oder einen Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) umfasst. Diese Spannungsquellen weisen im Vergleich zu einem Bleiakkumulator ein deutlich anderes Reaktionsverhalten auf einen Start eines Verbrauchers auf, so dass durch das erfindungsgemäße Verfahren und bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug die Vorhersage des Spannungseinbruchs hier besonders sinnvoll und vorteilsbringend ist. Für den Fall, dass die Spannungsquelle eine Lithium-Ionen-Batterie ist, ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Speicherkapazität der Spannungsquelle kleiner als eine Speicherkapazität des Energiespeichers ist.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
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2 ein schematisiertes Ersatzschaltbild einer Spannungsquelle und eines Energiespeichers,
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3 ein Diagramm mit schematisierten Kennlinien für Spannungen, die gemäß dem Ersatzschaltbild von 2 entstehen können,
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4 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Fall, dass ein aktueller Wert einer Bordnetzspannung kleiner als ein Maximalwert ist,
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5 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens für den Fall, dass der aktuelle Wert Bordnetzspannung größer als der Maximalwert ist.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 1 weist ein elektrisches Bordnetz 2 auf, in welchem eine Bordnetzspannung U bereitgestellt ist, die beispielsweise zwischen einer Plusleitung 3 des Bordnetzes 2 und einem Massepotential 4 des Kraftfahrzeugs 1 bereitgestellt sein kann.
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Die Plusleitung 3 kann beispielsweise durch ein Kabel und/oder eine Stromschiene gebildet sein. Das Massepotential 4 kann beispielsweise durch einen Rahmen und/oder ein Trägerelement des Kraftfahrzeugs 1 gebildet sein. Über das Bordnetz 2 sind eine elektrische Versorgungseinrichtung 5 und elektrische Verbraucher miteinander elektrisch verbunden. Von den elektrischen Verbrauchern ist in 1 nur ein elektrischer Verbraucher 6 dargestellt. Die Versorgungseinrichtung 5 weist in dem gezeigten Beispiel eine Spanungsquelle 7 und einen Energiespeicher 8 auf. Bei der Spannungsquelle 7 kann es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Batterie handeln. Bei dem Energiespeicher 8 kann es sich beispielsweise um einen Bleiakkumulator, d. h. eine Blei-Säure-Batterie, handeln. Über das Bordnetz 2 sind die Spannungsquelle 7 und der Energiespeicher 8 galvanisch miteinander dauerhalt verbunden, also dauerhaft oder permanent parallel geschaltet. Die Bordnetzspannung U0 wird durch die Spannungsquelle 7 und den Energiespeicher 8 erzeugt. Der Verbraucher 6 kann durch eine Kontrolleinrichtung 9 dahingehend gesteuert sein, dass durch die Kontrolleinrichtung 9 der Verbraucher 6 gestartet und abgeschaltet wird. Der Verbraucher 6 kann beispielsweise ein elektrischer Starter für einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs 1 sein. Die Kontrolleinrichtung 9 kann beispielsweise durch ein Motorsteuergerät realisiert sein. Beispielsweise kann durch die Kontrolleinrichtung 9 ein Start-Stopp-Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 mittels des Verbrauchers 6 als Starter realisiert sein.
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Beim Einschalten oder Aktivieren des Verbrauchers 6 durch die Kontrolleinrichtung 9 verbraucht oder benötigt der Verbraucher 6 einen Versorgungsstrom I0. In Abhängigkeit von einer Stromstärke des Versorgungsstroms I0 ergibt sich ein Spannungswert der Bordnetzspannung U0. Grund dafür ist, dass ein Teil der von der Spannungsquelle 7 und dem Energiespeicher 8 erzeugten elektrischen Spannung in einem jeweiligen Innenwiderstand Ri1, Ri2 abfällt.
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In 2 ist hierzu veranschaulicht, wie eine Innenspannung Ui1, Ui2, wie sie durch die Spannungsquelle 7 oder den Energiespeicher 8 erzeugt wird, bei einem Stromfluss teilweise die Innenwiderstandsspannung Uri1, Uri2 innerhalb der Spannungsquelle 7 und des Energiespeichers 8 abfällt, so dass die Bordnetzspannung U0 der Differenz aus der Innenspannung Ui1, Ui2 und der Innenwiderstandsspannung Uri1, Uri2 entspricht.
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Fließt also der Versorgungsstrom I0 nicht, so weist die Bordnetzspannung U0 einen größeren Spannungswert auf als in dem Fall, dass der Versorgungsstrom I0 mit einem Betrag größer als 0 fließt.
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Ein aktueller Wert Ustart der Bordnetzspannung U0 kann durch eine Spannungsmesseinrichtung 10 in an sich bekannter Weise im Kraftfahrzeug 1 erfasst werden. Eine Steuereinrichtung 11 kann in Abhängigkeit von dem aktuellen Werten Ustart der Bordnetzspannung U0 ermitteln, ob das Absinken der Bordnetzspannung U0 aufgrund des Versorgungsstroms I0 derart groß werden kann, dass weitere Verbraucher in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt werden. Ist dies der Fall, so wird ein Blockiersignal 12 durch die Steuereinrichtung 11 erzeugt, welches in der Kontrolleinrichtung 9 veranlasst, dass der Verbraucher 6 nicht gestartet wird. Die Kontrolleinrichtung 9 stellt somit eine Fahrzeugfunktion dar, die desaktiviert wird, falls durch die Steuereinrichtung 11 erkannt wird, dass der Spannungseinbruch auf einen Endwert Uend der Bordnetzspannung U0 absinken würde, der kleiner als ein Schwellenwert oder Mindestspannungswert Umin ist.
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Die Steuereinrichtung 11 kann den Spannungseinbruch vorhersagen, das heißt der Verbraucher 6 muss nicht erst aktiviert werden, sondern der Spannungseinbruch wird prädiziert oder vorhergesagt. Hierzu ermittelt die Steuereinrichtung 11 zusätzlich einen Stromwert 13 des voraussichtlich fließenden Versorgungsstroms I0, wie er sich beim Start oder nach dem Start des Verbrauchers 6 ergeben kann. Beispielsweise kann der Stromwert 13 der Steuereinrichtung 11 durch die Kontrolleinrichtung 9 mitgeteilt werden. Die Steuereinrichtung 11 kann beispielsweise auf der Grundlage eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessors realisiert sein.
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Im Folgenden ist anhand von 3 veranschaulicht, welches Problem sich bei der Prognose oder Vorhersage des Endwerts Uend der Bordnetzspannung U0 ergibt, wenn zwei technologisch unterschiedliche elektrische Leistungsquellen, nämlich die Spannungsquelle 7 und der Energiespeicher 8, in der elektrischen Versorgungseinrichtung 5 zum Bereitstellen des Versorgungsstroms I0 bereitgestellt sind.
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3 zeigt in Abhängigkeit von dem Ladezustand L des Energiespeichers 8 und einer Lithium-Ionen-Batterie als Spannungsquelle 7 die sich ergebende Bordnetzspannung U0 an. Während eines Betriebs des Verbrennungsmotors erzeugt ein Generator (nicht dargestellt) eine Ladespannung Uchar, die beispielsweise 15,5 Volt betragen kann. Aufgrund der Ladespannung Uchar werden die Spannungsquelle 7 als Lithium-Ionen-Batterie und der Energiespeicher 8 aufgeladen. Ein Bleiakkumulator erzeugt aufgrund des Überspannungs-Effekts insgesamt von selbst, also ohne die Ladespannung Uchar insgesamt höchstens eine Klemmenspannung oder Bordnetzspannung, die einen Maximalwert Umax beträgt, z. B. 13,5 V, die kleiner als die Ladespannung Uchar ist. Wird eine größere Spannung, wie die Ladespannung Uchar an den Anschlüssen des Energiespeichers 8 angelegt, so reagiert dieser nicht mehr mit einem Ladestrom. Genauso erzeugt der Energiespeicher 8 auch selbständig keinen Entladestrom für den Fall, dass die Bordnetzspannung U0 in einem Bereich zwischen der Ladespannung Uchar und dem Maximalwert Umax der Bordnetzspannung liegt. Dieser Bereich ist in 3 als Spannungsphase SP1 bezeichnet. Weist die Bordnetzspannung U0 einen Spannungswert auf, der gleich oder kleiner als der Maximalwert Umax ist, ergibt sich an dem Energiespeicher 8 ebenfalls ein Entladestrom. Diese Spannungssituation, in welcher auch der Energiespeicher 8 mit einem Entladestrom reagiert, wird als Spannungsphase SP2 in 3 bezeichnet.
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4 und 5 veranschaulichen, wie durch die Steuereinrichtung 11 der ausgehend von dem aktuellen Wert Ustart der Bordnetzspannung U0 bereits vor dem Start des Verbrauchers 6 auf der Grundlage des Stromwerts 13 der Spannungseinbruch 14 auf den Endwert Uend prognostiziert oder vorhergesagt werden kann.
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4 veranschaulicht hierbei, dass durch den aktuellen Wert Ustart bereits die Spannungsphase SP2 vorliegt, das heißt der Wert Ustart kleiner oder gleich dem Maximalwert Umax ist. 4 veranschaulicht zwei Fälle für den Versorgungsstrom I0. In einem ersten Fall beträgt der Stromwert 13 für den Versorgungsstrom I0 den Wert I01. Für einen zweiten Fall beträgt der Stromwert 13 für den Versorgungsstrom I0 den Stromwert I02, der größer als der Stromwert I01 ist. Da die Spannungsphase 2 vorliegt, geht die Steuereinrichtung 13 davon aus, dass der Versorgungsstrom I0 sowohl von der Spannungsquelle 7 als auch dem Energiespeicher 8 bereitgestellt wird. Es ergibt sich also jeweils ein Teilstrom 15, 16. Der Versorgungsstrom I0 teilt sich auf die Teilströme 15, 16 dabei umgekehrt proportional zu den Innenwiderständen Ri1, Ri2 der Spannungsquelle 7 und des Energiespeichers 8 auf. Falls also der aktuelle Spannungswert 9 direkt oder unmittelbar die Spannungsphase 2 signalisiert, so ergibt sich folgender Endwert: SP2: Uend = Ustart – I0 Rp, wobei Rp = Ri1 ∥ Ri2 (parallel geschaltete Widerstände).
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5 veranschaulicht den Fall, dass durch den aktuellen Wert Ustart der Bordnetzspannung U0 als Ausgangssituation die Spannungsphase SP1 signalisiert wird. Mit anderen Worten ist der aktuelle Wert Ustart der Bordnetzspannung U0 größer als der Maximalwert Umax. 5 veranschaulicht hierbei, dass vor dem Start des Verbrauchers 6 (I0 = 0) die Spannungsquelle 7 einen aktiven Beitrag zum Stützen der Bordnetzspannung U0 leisten kann, während der Energiespeicher 8 solange inaktiv ist, das heißt keinen Entladestrom erzeugt, solange die Bordnetzspannung U0 größer als der Maximalwert Umax ist. Daher ist der Energiespeicher 8 auf den Maximalwert Umax festgelegt.
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Ist nun ein Versorgungsstrom I0 mit einem Stromwert I01 vorgesehen, der verhältnismäßig klein ist, so wird die Bordnetzspannung U0 ausschließlich durch die Spannungsquelle 7 gestützt und es ergibt sich folgender Endwert: SP1: Uend = Ustart –I01 Ri1
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Der Endwert Uend liegt somit immer noch oberhalb des Maximalwerts Umax.
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Bei einem großen Versorgungsstrom I0 mit einem Stromwert I02 größer als der Stromwert I01 kann ein Wechsel von der Spannungsphase SP1 zur Spannungsphase SP2 erfolgen, wie dies in 5 rechts veranschaulicht ist. Um auch hier den Endwert Uend korrekt zu prognostizieren, ermittelt die Steuereinrichtung 11 zunächst einen Quellenstrom I1, der ausschließlich durch die Stromquelle 7 erzeugt wird und der derart groß ist, dass sich der Maximalwert Umax an den Klemmen der Spannungsquelle 7 ergeben würde. Dieser Quellenstrom I1 berechnet sich wie folgt: SP1 + Sp2: I1 = (Ustart – Umax)/Ri1
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Falls der Quellenstrom I1 kleiner als der geplante Versorgungsstrom I02 ist, so wird ein Differenzstrom oder Reststrom berechnet: SP1 + Sp2: Id = I0 – I1
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Ausgehend von dem Maximalwert Umax wird dann wieder die Spannungsphase 2 angenommen, wobei nun ausgegangen wird von dem Maximalwert Umax: SP1 + Sp2: Uend = Umax – Id Rp
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Zu beachten hierbei ist, dass die Spannung des Energiespeichers 8 sich aus der Innenspannung Ui2 und einer (nicht veranschaulichten) Überspannung zusammensetzt, wie sie an sich im Zusammenhang mit Bleiakkumulatoren aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Durch die Steuereinrichtung 11 wird somit eine Methode zur prädiktiven Ermittlung des Spannungseinbruchs 14 bei Strombelastung des Bordnetzes 2 durch einen Verbraucher 6 mit einem Verbraucherstrom I0 bereitgestellt. Hierbei kann berücksichtigt werden, dass der Versorgungsstrom durch mehrere elektrische Speicher, nämlich die Spannungsquelle 7 und den Energiespeicher 8, bereitgestellt wird. Dennoch ist eine korrekte Prädiktion des Endwerts Uend der Bordnetzspannung U0 möglich. Abhängig von dem beim Einsetzen der Strombelastung im Bordnetz 2 anliegenden Wert Ustart der Bordnetzspannung U0 unterscheidet sich der Spannungseinbruch deutlich, weil sich zwei unterschiedliche Spannungsphasen SP1, SP2 ergeben können. Durch die Steuereinrichtung 11 wird in Abhängigkeit von der aktuellen Spannungslage gemäß dem Spannungswert Ustart bei Einsetzen der Strombelastung zur prädiktiven Schätzung des Spannungseinbruchs 14 zwischen den Spannungsphasen Sp1, Sp2 entsprechend unterschieden. Abhängig von den Eigenschaften der eingesetzten elektrischen Versorgungseinrichtung 5, also der Spannungsquelle 7 und dem Energiespeicher 8, wird die individuelle Stromaufteilung auf die Spannungsquelle 7 und den Energiespeicher 8 berücksichtigt. Somit wird sichergestellt, dass bei einem beliebigen Wert Ustart für die Bordnetzspannung U0 für alle möglichen Stromwerte I01, I02 des Versorgungsstroms I0 und für jeden Ladezustand L der Spannungseinbruch 14 prädiktiv korrekt ermittelt werden kann.
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Die beschriebene Fallunterscheidung zwischen der Spannungsphase SP1 und der Spannungsphase SP2 ermöglicht es, den Spannungseinbruch 14 exakt und unabhängig von der Startspannung, wie sie der Spannungswert 9 beschreibt, beziehungsweise der Stromstärkelast des Versorgungsstroms I0 bestimmen zu können. Damit ist eine Prädiktion des Spannungseinbruchs 14 im Kraftfahrzeug 1 sichergestellt.
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Das Spannungsniveau des Arbeitspunktes gemäß dem aktuellen Spannungswert Ustart bei Einsetzen der Strombelastung gemäß dem Versorgungsstrom I0 befindet sich unterhalb oder exakt auf Höhe des Spannungswerts der Ruhespannung inklusive der Überspannung des Energiespeichers 8, das heißt auf Höhe oder unterhalb des Maximalwerts Umax. Die komplette Ruhespannungskurve des Energiespeichers 8 wird durch die Spannungsquelle 7 abgedeckt. Daher kann in diesem Fall der Spannungseinbruch 14 durch eine Parallelschaltung der Speicherinnenwiderstände Ri1, Ri2 berechnet werden.
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Die Bestimmung des Spannungseinbruchs 14 kann dabei sowohl für die Spannung an den Klemmen der Spannungsquelle 7 als auch des Energiespeichers 8 erfolgen, je nachdem von welcher Verschaltungstopologie ausgegangen wird.
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In dem Fall, dass das Spannungsniveau des aktuellen Arbeitspunktes gemäß dem Spannungswert Ustart bei Einsätzen der Strombelastung gemäß dem Versorgungsstrom I0 sich oberhalb des Maximalwerts Umax befindet, ergibt sich die Spannungsphase SP1 als Ausgangsphase oder Startphase. Hier muss der Spannungseinbruch 14 vom Arbeitspunkt bis zum Maximalwert Umax getrennt berechnet werden. Hier übernimmt die Spannungsquelle 7 den kompletten Stromwert I1 bis zum Spannungspegel oder Spannungslevel des Maximalwerts Umax. Dann wird in die Spannungsphase SP2 gewechselt. Hier wird der Spannungseinbruch 14 vom Spannungswert oder Maximalwert Umax bis zum endgültigen Spannungswert Uend durch die Aufteilung des verbleibenden Reststromes Id auf beide entsprechend ihren Widerständen Ri1, Ri2 ermittelt. Es resultieren die Teilströme 15, 16.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Methode zur Ermittlung des Spannungseinbruchs bei einem Mehr-Batterie-Bordnetz in konventionellen Kraftfahrzeugen bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10232539 A1 [0005]
- DE 102011054582 A1 [0006]
