DE10229018A1

DE10229018A1 - Vorrichtung und/oder Verfahren zur Bestimmung der Verfügbarkeit von elektrischer Energie,insbesondere in Bordnetzen mit mehreren Energiespeichern

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Publication number: DE10229018A1
Application number: DE10229018A
Authority: DE
Original assignee: DaimlerChrysler AG; Robert Bosch GmbH; VB Autobatterie GmbH and Co KGaA
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Clarios Germany GmbH and Co KG; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2003-02-20
Also published as: EP1405384B8; US20040212351A1; EP1405384B1; WO2003004315A2; WO2003004315A3; JP4284174B2; EP1405384A2; US7276880B2; ES2300463T3; DE50211402D1; JP2004532768A

Abstract

Es werden Vorrichtungen und/oder Verfahren zur Bestimmung der Verfügbarkeit von elektrischer Energie in Zwei-Energiespeicher-Bordnetz-Systemen beschrieben, bei denen die beiden Energiespeicher, insbesondere Batterien, über einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden werden können. Die benötigte elektrische Energie wird mittels eines vom Fahrzeugmotor angetriebenen Generators erzeugt. Die üblichen Verbraucher sind an einen ersten Verbraucherbatteriekreis 10, 24 angeschlossen. Weitere Verbraucher, beispielsweise Hochstromverbraucher, insbesondere der Starter, stehen mit dem zweiten Batteriekreis 11, 29 in Verbindung. Eine Steuereinrichtung, beispielsweise ein Steuergerät mit einem Mikroprozessor, ermittelt die Verfügbarkeit der elektrischen Energie und auftretende Fehler unter Auswertung verschiedener Algorithmen und übernimmt die erforderlichen Ansteuerungen und Signalisierungen. Die Algorithmen umfassen Schwellwertaussagen zur Verfügbarkeit der elektrischen Energie (SOCS) und Schwellwertaussagen zur Erkennung von Systemfehlern (SOHS).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen bzw. Verfahren zur Bestimmung der Verfügbarkeit von elektrischer Energie insbesondere in Bordnetzen zugrunde gelegt ger mit mehreren, insbesondere zwei Energiespeichern in Kraftfahrzeugen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Zwei-Batterie-Bordnetzsysteme bzw. Bordnetze mit zwei Energiespeichern sind beispielsweise aus der DE-P 196 45 944 bekannt. Sie dienen üblicherweise zur Optimierung der elektrischen Energieversorgung in Kraftfahrzeugen und haben als Hauptmerkmal einen zweiten Batterie- bzw. Energiespeicherkreis, welcher je nach Betriebszustand eine elektrische Kopplung bzw. Entkopplung vom Hauptbatteriekreis aufweist. Der Hauptbatteriekreis, der auch als Verbraucherbatteriekreis bezeichnet wird, umfasst dabei die herkömmliche Verbraucherbatterie, den Generator und die meisten elektrischen Verbraucher. Die Verbindung zwischen dem ersten Batteriekreis (Hauptbatteriekreis) und dem zweiten Batteriekreis wird über Schaltelemente hergestellt, die beispielsweise von einem Steuergerät, insbesondere dem sogenannten Bordnetzsteuergerät angesteuert werden. Die Schaltelemente können dabei auch Bestandteil des Steuergerätes sein.

Der zweite Batteriekreis dient zur Versorgung von Verbrauchern, die primär nur eine kurze Zeit die elektrische Versorgung benötigen. Solche Kurzzeitverbraucher sind beispielsweise Hochstromverbraucher wie der Starter oder ein elektrisch beheizbarer Katalysator. Durch Entnahme der elektrischen Energie für diese Verbraucher aus dem zweiten Batteriekreis wird die Batterie bzw. der Hauptbatteriekreis nicht zusätzlich belastet.

Es besteht außerdem noch die Möglichkeit, die elektrische Energie der zweiten Batterie für eine kurze Zeitdauer von einigen Sekunden bis zu mehreren Minuten zur unterstützenden Versorgung des ersten Batteriekreises zu nutzen. Die erforderlichen Umschaltvorgänge werden bei Bedarf vom Bordnetzsteuergerät durchgeführt, das die erforderlichen Umschaltsignale abgibt.

Mit dem bekannten Zwei-Batterie-Bordnetzsystem ist eine Auslegung derart möglich, dass die zweite Batterie nur durch einen sehr kleinen Ruhestrom belastet wird, wobei dieser Ruhestrom durch Leckströme durch Verbraucher und von Schaltelementen bzw. vom Steuergerät zur Entkopplung vom ersten Batteriekreis bzw. durch Selbstentladung der Batterie während der entkoppelten Betriebsart im Fahrzeug-Betriebs- bzw. Stillstandzeitraum verursacht wird. Diese Belastung ist typischerweise um den Faktor 10 bis 50 kleiner als die Belastung der Batterie im Verbraucherbatteriekreis.

Bei solchen bekannten Zwei-Batterie-Bordnetzsystemen ist es üblich, die beiden Batterien hinsichtlich ihrer anwendungsspezifischen Eigenschaften zu optimieren. Die Ratterie des zweiten Batteriekreises ist an die zu erwartenden Erfordernisse angepaßt und kann kurzzeitig einen hohen Strom liefern. Beispielsweise wird die Batterie im zweiten Kreis auf Hochstromfähigkeit optimiert, da sie vorwiegend zur Versorgung des Starters verwendet wird und dieser einen hohen Strom benötigt. Anstelle einer Batterie kann als zweiter Energiespeicher auch ein Kondensator, beispielsweise ein Supercap oder ein ähnliches Energiespeicherelement eingesetzt werden.

Die Batterie des ersten Batteriekreises, also des Verbraucherbatteriekreises, die als Versorgungsbatterie für die üblichen Bordnetzverbraucher dient, wird üblicherweise beispielsweise auf Zyklenfestigkeit optimiert.

Zur Optimierung des Ladezustandes der beiden Batterien, insbesonders auch zur Optimierung des Ladezustandes der Batterie im zweiten Batteriekreis und somit zur Erhöhung der Verfügbarkeit elektrischer Energie im gesamten Bordnetzsystem wird auch bei der aus der DE-P 196 45 944 bekannten Lösung ein Steuergerät eingesetzt. Dieses Steuergerät kann auch einen integrierten DC/DC-Wandler zur Spannungsanpassung aufweisen. Der DC/DC-Wandler sorgt dabei für die optimale Nachladung der zweiten Batterie mit einer in Abhängigkeit von der Batterietemperatur angepassten Ladespannung. Die zweite Batterie weist demnach im Normalfall einen hohen Ladezustand (State of charge (SOC) >90% . . . 95%) auf. Eine solche Systemauslegung ergibt deutliche Vorteile auf der Fahrzeugebene. Beispielsweise ist die Startsicherheit und damit die Fahrzeugverfügbarkeit gewährleistet. Eine hohe elektrische Verfügbarkeit von Bordnetz bzw. von (Hochstrom) Verbrauchern wird ebenfalls sichergestellt.

Bei den, beispielsweise aus der DE-OS 196 45 944 bekannten Zwei-Batterie-Bordnetzsystemen werden derzeit übliche Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) eingesetzt. Dabei ergeben sich folgende Probleme: Die Ladecharakteristik der eingesetzten Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ist bedingt durch die begrenzte Wandlerleistung von typischerweise 100 bis 500 Watt in zwei Bereiche unterteilt:

1. Konstantstrom- oder Konstantleistungsregelung: Bei Erreichen der maximalen Wandlerleistung erfolgt unter Tolerierung einer Sollspannungsabweichung eine Begrenzung des Ladestroms oder der Ladeleistung. Dieser Zustand tritt auf, wenn die zweite Batterie einen tiefen Ladezustand aufweist, beispielsweise nach sehr langer Standzeit des Fahrzeugs oder wenn ein Defekt im zweiten Batteriekreis vorliegt, beispielsweise ein Batteriedefekt, ein Nebenschluss der Verkabelung oder ein Nebenschluss der Verbraucher. Bei einem funktionstüchtigen Batteriekreis tritt in Abhängigkeit von der Temperatur der zweiten Batterie und dem Wert des konstanten Ladestroms spätestens nach einer definierten Zeitdauer keine Sollspannungsabweichung mehr auf. Eine Überschreitung der definierten Zeitdauer, beispielsweise das Erreichen eines zeitlichen Schwellwertes bei der Konstantstromregelung, ist ein Hinweis für eine Fehlfunktion auf Systemebene und wird erfindungsgemäß als neue sensorische Zustandsgröße verwendet.
2. Spannungsregelung: Die Regelung der Ladespannung erfolgt auf einen vorgegebenen Sollwert ohne Sollspannungsabweichung, wobei sich der Ladestrom in einem funktionsfähigen Batteriekreis im Wertebereich von 0 bis zum maximalen Ladestrom des Gleichspannungswandlers frei einstellt. Diese Regelung wird als Spannungsregelung bezeichnet.

Die beiden vorstehend beschriebenen Regelungen sind prinzipiell in Verbindung mit dem Betrieb von derzeit eingesetzten Gleichspannungswandlern (DC/DC-Wandlern) bekannt.

Als Batterien werden heute in Kraftfahrzeugen üblicherweise Blei-Säure-Batterien eingesetzt. Diese Batterien haben eine direkte Korrelation zwischen Ruhespannungsniveau und Ladezustand. Der Ladezustand wird dabei üblicherweise aus der Ruhespannung ermittelt, wobei ein linearer Bereich von etwa 11,7 Volt bis 12,9 Volt zwischen entladener und geladener Batterie angesetzt werden kann. Bei Zwei-Batterie- bzw. Zwei-Energiespeicher-Bordnetzsystemen ist eine Unterschreitung von definierten unteren Spannungsschwellwerten für den zweiten Batteriekreis (Betriebsart: Batterie im Ruhezustand) ein eindeutiges Kennzeichen für eine Fehlfunktion auf Systemebene. Wird eine Abweichung vom Normalfall erkannt, d. h. wird eine Abweichung vom hohen Ladezustand der zweiten Batterie erkannt, deutet dies auf eine Fehlfunktion hin.

Die Betriebsarten des zweiten Batteriekreises bzw. des zweiten Energiespeicherkreises, bzw. für die zweite Batterie können entsprechend der vorstehenden Ausführungen in vier Bereiche unterteilt werden:

a) Batterie ist im Ruhezustand, entkoppelt vom Hauptbatteriekreis, während einer Zeitdauer Ta, d. h. sie wird nur belastet durch einen sehr kleinen Ruhestrom während des Betriebes des Kraftfahrzeuges. In diesem Fall läuft der Motor und damit auch der Generator und dieser liefert die für die Versorgung der Verbraucher im Hauptbatteriekreis benötigte elektrische Leistung.
b) Batterie ist im Ruhezustand, während einer Zeitdauer Tb, d. h. sie wird nur belastet durch einen sehr kleinen Ruhestrom während der Stillstandszeit des Kraftfahrzeuges sowie während der Vorstartphase des Motors. In diesem Zustand laufen Motor und Generator nicht.
c) Zeitbegrenztes laden der Batterie im zweiten Batteriekreis, während einer Zeitdauer Tc, dies geschieht im allgemeinen mit dem Ziel, den hohen Ladezustand der zweiten Batterie mittels eines der zweiten Batterie vorgeschalteten Gleichspannungswandlers stets aufrecht zu erhalten.
d) Elektrische Versorgung von Verbrauchern, während einer Zeitdauer Td, insbesondere von Hochstromverbrauchern bzw. unterstützende Versorgung des ersten Batteriekreises.

Für die zeitliche Verteilung der Betriebsarten über die Gesamtlebensdauer des Fahrzeugs kann folgender Zusammenhang angenommen werden:

Ta + Tb » Tc > Td.

Bei bekannten Systemen wird die Verfügbarkeit von gespeicherter Energie in Batterien mittels komplizierter State Of Health-/State Of Charge- (SOH-/SOC)- Algorithmen sowie mittels einer aufwendigen Strom-, Spannungs- und Temperatursensorik bestimmt. Dies lässt sich mit der einer Genauigkeit von etwa ± 5% bis 10% realisieren. Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist neben dem sensorischen Aufwand und der erforderlichen Platzierung dieser Sensorik in unmittelbarer Nähe zur Batterie eine im allgemeinen zusätzlich notwendige Überwachung des Energieflusspfades zwischen der Batterie und dem Verbraucher-Teilsystem, welches eine erhöhte Verfügbarkeit von elektrischer Energie erfordert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und/oder Verfahren zur Bestimmung der Verfügbarkeit von elektrischer Energie insbesondere in wenigstens zwei Energiespeicher bzw. wenigstens zwei Batterien umfassenden Bordnetzsystemen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass eine sehr zuverlässige Bestimmung und Signalisierung bzw. Anzeige der noch zur Verfügung stehenden elektrischen Energie möglich ist. Dies wird in vorteilhafter Weise auf der Grundlage von Verfahren auf Systemebene erzielt. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass mittels einer definierten Anordnung unter Nutzung von vorhandenen System- Zustandsgrößen, vornehmlich von Spannungswerten in den Batteriekreisen sowie mittels Nutzung der Ladecharakteristik des Gleichspannungswandlers sowie unter Nutzung von State of Charge of Systems-/State of Health of Systems (SOCS-/SOHS)- Algorithmen Auswertungen durchgeführt werden, die Aussagen zur Verfügbarkeit von elektrischer Energie im zweiten Batteriekreis erlauben. Dabei wird das Erreichen vorgebbarer Schwellwertereignisse ausgewertet. Es wird so eine deterministische Überwachung des zweiten Batteriekreises auf vordefinierte Schwellwertergebnisse auf Systemebene durchgeführt. Weiterhin werden in vorteilhafter Weise vordefinierte Schwellwertereignisse für den ersten Batteriekreis, also den Verbraucherbatteriekreis, durch das Eintreten bestimmter Systemzustände signalisiert, welche als kausalen Folgezustand eine unterstützende elektrische Versorgung für den Verbraucherbatteriekreis durch Kopplung mit dem zweiten Batteriekreis erfordern, wobei die Ansteuersignale, die die Umschaltung bewirken, vom Bordnetzsteuergerät bzw. einer dafür zuständigen Elektronik abgegeben werden.

Vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist weiterhin, dass für Zwei-Batterie-Bordnetzsysteme bzw. Bordnetzsysteme mit mehreren, insbesondere zwei Energiespeichern durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtungen bzw. Anordnungen sowie durch Verwendung der SOCS-/SOHS-Algorithmen definierte Aussagen zur Verfügbarkeit elektrischer Energie gemacht werden können. Der Einsatz und die Verbreitung von beispielsweise mechatronischen Fahrzeugsystemen, die eine hohe Verfügbarkeit von elektrischer Energie sowie eine Signalisierung von Abweichungen vom Sollzustand voraussetzen, ist durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Vorrichtungen erst möglich. Beispiele für solche mechatronischen Fahrzeugsysteme sind:
elektrohydraulischen Bremsen bzw. Lenk- und Bremssysteme mit elektrischen oder elektrisch-mechanischen Komponenten, Systeme zur elektromechanischen Lenkunterstützung bzw. Komfort-Schaltgetriebe, elektrische Funktionen/Systeme im Antriebsstrang, elektrisch beheizten Katalysatoren (E-Kat). Weiterhin kann eine direkte Information über den Zustand des Bordnetzes, insbesondere über die Verfügbarkeit elektrischer Energie in der zweiten Batterie laufend abgegeben und anderen Fahrzeugsystemen sowie dem Fahrer angezeigt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. In vorteilhafter Weise wird bzw. werden dabei:

- Die Batterie im zweiten Batteriekreis bedingt durch den Gleichspannungswandler im Normalfall stets einen hohen Ladezustand aufweisen. Dies wird durch eine Ladestrategie unterstützt, die eine bevorzugte Ladung der zweiten Batterie gewährleistet.
- Die Nutzung der in Folge der im Gleichspannungswandler ohnehin vorhandenen Spannungssensorik für die SOCS-/SOHS- Algorithmen ohne weiteren Aufwand möglich. Es ist dabei keine zusätzliche Stromsensorik erforderlich.
- Die Erweiterung des vorhandenen Funktionsablaufs durch Schwellwert-Indikatoren bzw. Grenzwerte sowie die Nutzung der vorhandenen Ladestrategie mit einem Minimalaufwand ermöglicht.
- Die SOCS-/SOHS-Schwellwertereignisse als vordefinierte Folge von Abweichungen vom Normalfall auf Systemebene definiert, wodurch eine kombinierte Überwachung von Energiequelle und Energieflusspfad auf Systemebene im zweiten Batteriekreis ermöglicht wird.
- Die Nutzung der typischen Ladecharakteristik unter Berücksichtigung einer maximalen und von der Batterietemperatur abhängigen Zeitdauer von Konstantstromregelung zur SOHS-Überwachung von Batteriesystemen eingesetzt.
- Die Wahl der Schwellwerte derart erfolgen, dass im allgemeinen eine prädiktive Signalisierung von einem Systemzustand mit deutlich reduzierter Verfügbarkeit von elektrischer Energie möglich ist, dies bewirkt eine kombinierte und verkettete Nutzung von vorhandenen Systemfunktionen sowie von Schwellwert-Indikatoren.
- Die Berücksichtigung von allen Fahrzeug-Betriebsarten erhalten, dies ermöglicht eine vorteilhafte Regelung. Die Signalisierung erfolgt bei aktiviertem Steuergerät im allgemeinen nach Abschluss der Initialisierung des Steuergerätes, beispielsweise mittels einer CAN- Schnittstelle.
- Die einfache Implementierbarkeit der SOCS-/SOHS- Algorithmen in Funktionsablaufsteuerungen von Zwei- Batterie-Bordnetzsystemen ermöglicht.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in dem Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung

In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Bestimmung der Verfügbarkeit elektrischer Energie in einem Zwei-Batterie- Bordnetzsystem dargestellt, das einen ersten Batteriekreis 10, der den Verbraucherbatteriekreis darstellt, sowie einen zweiten Batteriekreis 11 für die Hochstromverbraucher umfasst. Vom ersten Batteriekreis 10 ist der Generator 12 dargestellt sowie eine Batterie 13, beispielsweise eine Batterie mit 12 Volt Nennspannung. Der Generator 12 sowie die Batterie 13 sind in üblicher Weise über die Klemme Kl.30 miteinander verbunden. An die Klemme Kl.30 sind auch die üblichen elektrischen Verbraucher 14 angeschlossen.
Vom zweiten Batteriekreis 11 ist lediglich die Batterie 15 sowie ein Hochstromverbraucher 16 dargestellt, ein solcher Hochstromverbraucher ist beispielsweise der Starter, ein elektrisch beheizbarer Katalysator usw. Mit 16a ist eine unterstützende Versorgung symbolisiert, über die bei gegebenen Umständen elektrische Leistung von der Batterie 15 zum Verbraucherbatteriekreis gelangt. Die Verbraucher 14 und 16 können über Schalter 17 und 18 bei Bedarf an die jeweilige Batterie angeschlossen werden. Die Ansteuerung dieser Schalter übernimmt beispielsweise ein Steuergerät, beispielsweise ein Bordnetzsteuergerät 19.
Zwischen dem ersten Batteriekreis 10 und dem zweiten Batteriekreis 11 liegt ein Gleichspannungswandler 20, der beispielsweise nach den Bedingungen Strom I = const bzw. Spannung U = Usoll arbeitet. Die Ansteuerung des DC/DC- Spannungswandlers 20 wird vom Bordnetzsteuergerät 19 bzw. von einem Mikroprozessor 21 des Bordnetzsteuergerät 19 durchgeführt, der auch die SOCS/SOHS-Algorithmen auswertet. Die genaue Vorgehensweise wird noch erläutert.
Der Mikroprozessor 21 gibt dem Spannungswandler 20 die Messgrößen UMB1 bzw. UMB2 vor, die der gemessenen Spannung an der Batterie 13 bzw. der Batterie 15 entsprechen. Über eine Schnittstelle 22 ist der Mikroprozessor 21 mit einer Signalisierungseinheit 23 verbunden. Die Signalisierungseinheit 23 zeigt die SOCS/SOHS-Information an. Die Verbindung zwischen der Schnittstelle 22 und der Signalisierungsstufe 23 erfolgt entweder analog oder digital, beispielsweise über einen CAN-Bus. Sowohl der Spannungswandler 20 als auch der Mikroprozessor 21 und die Schnittstelle 22 sind beim Ausführungsbeispiel Bestandteil des Steuergerätes 19. Der DC/DC-Wandler kann aber auch getrennt vom Bordnetzsteuergerät eingebaut werden.
In Fig. 2 ist ein weiteres Zwei-Batterie-Bordnetzsystem mit Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) dargestellt. Dieses Zwei-Batterie-Bordnetzsystem umfasst wiederum einen ersten Batteriekreis 24 der den Verbraucherkreis darstellt und wenigstens einen Generator 25, eine Batterie 26, beispielsweise eine 12 V Batterie sowie elektrische Verbraucher 27 umfasst, die über ein Schaltmittel 28 über Klemme Kl.30 mit dem Generator 25 bzw. der Batterie 26 verbunden werden können.
Der zweite Batteriekreis 29 umfasst wenigstens eine Batterie 30, beispielsweise eine 12 V Batterie, die einen hohen Ladezustand aufweisen soll, sowie Hochstromverbraucher 31, beispielsweise E-Kat oder Starter. Gegebenenfalls kann der . Hochstromverbraucher 31 auch ein Starter/Generator sein. Die Hochstromverbraucher 31 können über einen Leistungsschalter 32, der als Halbleiterschalter oder Relais ausgestaltet ist, mit der Batterie 30 verbunden werden. Die Ansteuerung des. Leistungsschalters sowie des Schalters 28 übernimmt das Steuergerät 33, das zwischen dem ersten Batteriekreis 24 und dem zweiten Batteriekreis 29 angeordnet ist.
Das Steuergerät 33 umfasst beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 einen DC/DC-Wandler 34 sowie eine Leitung 35, die zur unterstützenden Versorgung über einen Schalter 36 mit der Batterie 30 bzw. dem Leistungsschalter 32 verbindbar. ist. Je nach Stellung des Schalters 36 wird die Verbindung zwischen den beiden Batteriekreisen über die unterstützende Versorgung 35 oder den DC/DC-Wandler 34 hergestellt. Die Richtung des sich einstellenden Stromes ist durch Pfeile angegeben.
Die Steuerelektronik 37, die Bestandteil des Steuergerätes 33 ist und wenigstens einen Mikrocomputer, eine CAN- Schnittstelle sowie Mittel zur Auswertung einer Spannungssensorik umfasst, übernimmt die erforderlichen Berechnungen bzw. Signalisierungen SOCS/SOHS und Ansteuerungen. Über eine analoge Schnittstelle 38a oder eine digitale Schnittstelle 38b, z. B. eine CAN-Schnittstelle werden SOCS/SOHS-Informationen abgegeben bzw. ausgetauscht oder es wird der Funktionsablauf beispielsweise mittels eines weiteren Steuergerätes 40 beeinflusst. Das Steuergerät 40 kann beispielsweise das Motorsteuergerät sein.
Die Erfindung kann entsprechend angepasst auch generell für Mehrbatteriebordnetze bzw. für Bordnetze mit mehreren Ladungs- bzw. Energiespeichern eingesetzt werden. Als Ladungsspeicher kommen Batterien, Kondensatoren, Supercaps usw. in Frage.
Für die nun folgende detaillierte Beschreibung der in den beiden Ausführungsbeispielen dargestellten Zwei-Batterie- Bordnetzsysteme werden folgende Definitionen bzw. Abkürzungen benötigt:
EHB: Elektro-Hydraulische-Bremse
E-KAT: Elektrisch (beheizbares) Katalysatorsystem
KSG: Komfort-Schaltgetriebe
SOC: Ladezustand einer Batterie (State Of Charge)
SOH: Alterungszustand/Ausfall einer Batterie (State Of Health)
SOCS (State Of Charge of Systems): Schwellwertaussage zur Verfügbarkeit elektrischer Energie in (Teil-) Systemen mit Batterie. Die SOCS-Schwellwerte werden auf den Ladezustand der Batterie 15, 30 im zweiten Batteriekreis 11, 29 abgeglichen. Der typische Ladezustand für die Signalisierung von SOCS-Schwellwerten ist SOC = 60% . . . 75%. Mit den eingesetzten Algorithmen lässt sich eine Genauigkeit in der Größenordnung von 5 bis 10% erreichen.
SOHS (State Of Health of Systems): Schwellwertaussage zu irreversiblen Systemfehlern, welche eine permanente Reduzierung der Verfügbarkeit elektrischer Energie bis hin zum später möglichen Ausfall der elektrischen Energieversorgung in (Teil-) Systemen mit Batterie zur Folge haben. Es wird eine Unterteilung in Fehler im ersten (SOHS1) sowie zweiten (SOHS2) Batteriekreis durchgeführt. Fehlerzustände entsprechend SOHS1 sind im allgemeinen durch den Bedarf einer häufigen unterstützenden Versorgung für den ersten Batteriekreis 10, 24 durch die Batterie 15, 30 im zweiten Batteriekreis 11, 29 gekennzeichnet. Fehlerzustände entsprechend SOHS2 kennzeichnen eine Reduzierung der Verfügbarkeit elektrischer Energie bis hin zum später möglichen Ausfall der elektrischen Energieversorgung im zweiten Batteriekreis 11, 29.
Die Zuordnung der SOCS-/SOHS-Algorithmen erfolgt entsprechend den bereits erläuterten Betriebsarten a bis d. In den einzelnen Betriebsarten werden also folgende Algorithmen berücksichtigt:

a) Unterschreitet nach erfolgreich abgeschlossenem Ladevorgang, d. h. es wird ein hoher Ladezustand der Batterie 15, 30 im zweiten Batteriekreis 11, 29 bei entkoppelter Betriebsweise erwartet, während des Betriebs des Kraftfahrzeugs bei laufendem Motor und Generator die Spannung im zweiten Batteriekreis 11, 29 einen definierten Spannungs-Schwellwert, so erfolgt eine SOCS- und eine SOHS2- Signalisierung. Bei hinreichender Verfügbarkeit von elektrischer Energie im ersten Batteriekreis 10, 24 wird im allgemeinen anschließend durch erneutes Laden der Batterie im zweiten Batteriekreis 11, 29 ("Erhaltungsladung") ein Versuch zur Kompensation dieses Systemzustandes unternommen.
Erfolgt mittels spezieller Algorithmen eine Fremdstarterkennung, so erfolgt bei erkanntem Fremdstart und laufendem Motor eine SOCS-Signalisierung, da eine undefinierte Ladungsentnahme/Ladungszuführung im zweiten Batteriekreis 11, 29 stattgefunden hat. Der Zustand "Motor läuft" wird hierbei als Kriterium für eine verfügbare Mindest-Energiemenge im zweiten Batteriekreis 11, 29 gewertet.
b) wird bei der Initialisierung des Steuergeräts 19, 33, beispielsweise nach langer Stillstandszeit des Kraftfahrzeuges in der Vorstartphase des Motors ein definierter Spannungsschwellwert im zweiten Batteriekreis 11, 29 unterschritten, so erfolgt eine SOCS-Signalisierung. Durch Zählung und Auswertung von Fehlstartvorgängen mit entsprechend definierter Energieentnahme aus der Batterie 15, 30 im zweiten Batteriekreis 11, 29 erfolgt ebenfalls eine SOCS-Signalisierung, d. h. hierbei ist die Anzahl der erfolglosen Startversuche größer als ein vorgebbarer Schwellwert.
c) bei Konstantstromregelung im DC/DC-Wandler 20, 34 erfolgt bei Überschreitung einer vorgebbaren definierten Zeitdauer, bzw. eines zeitlichen Schwellwertes eine SOCS- und eine SOHS2-Signalisierung. Anstatt einer Konstantstromregelung kann entsprechend angepasst eine Konstantleistungsregelung durchgeführt werden.
d) Bei einer unterstützenden Versorgung des ersten Batteriekreises 10, 24 durch die zweite Batterie 15, 30 erfolgt in der Vorstartphase des Motors sowie bei laufendem Motor eine SOCS-Signalisierung.

Bei Überschreiten einer bestimmten Häufigkeit deb unterstützenden Versorgung, die entweder durch einen Absolutwert oder bezogen auf eine bestimmte Zeitdauer festgelegt wird, erfolgt eine SOHS1-Signalisierung. Hierbei ist ein häufiges Auftreten der unterstützenden Versorgung ein eindeutiges Kennzeichen für eine Fehlfunktion im ersten Batteriekreis 10, 24 beispielsweise bei gealterter oder defekter Batterie 13, 26 oder unterbrochenen Verbindung zur Batterie oder bei fehlerhaft geringer Leistungsabgabe des Generators 12, 25 sowie bei Nebenschlüssen von Verbrauchern oder in der Verkabelung.
Während der kurzzeitigen Versorgung von Hochstromverbrauchern 15, 31 erfolgt keine Überwachung des zweiten Batteriekreises 11, 29.
Die SOCS-Signalisierung erfolgt temporär, d. h. sie wird nach Wiedererreichen eines hohen Ladezustands der zweiten Batterie 15, 30, üblicherweise ab dem Übergang von Konstantstromregelung auf Spannungsregelung beim Gleichspannungswandlerbetrieb oder bei Beendigung eines sogenannten Klemme Kl.15-Zyklus zurückgesetzt, d. h. nach Beendigung eines vorgebbaren Ladezyklus.
Die SOHS Signalisierung, die sowohl die SOHS1- als auch die SOHS2-Signalisierung betrifft, erfolgt nach dem ersten Auftreten permanent d. h. auch über einen Klemme 15 Zyklus hinaus, bis ein vorsätzliches Rücksetzen beispielsweise im Rahmen einer Behebung der auslösenden Fehlerursache in einer Werkstatt erfolgt.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Verfügbarkeit von elektrischer Energie in einem Bordnetz mit wenigstens zwei Teilsysteme bildenden Energiespeicherkreisen, insbesondere Batteriekreisen, die über einen Spannungswandler miteinander in Verbindung stehen und mit einer Steuereinrichtung, die den Spannungswandler beeinflusst und Rechenmittel umfasst, die ladespezifische Algorithmen auswerten, dadurch gekennzeichnet, dass die ladespezifischen Algorithmen wenigstens eine Schwellwertaussage (SOCS) zur Verfügbarkeit elektrischer Energie in wenigstens einem Teilsystem und/oder Schwellwertaussagen (SOHS) zu Fehlfunktionen in wenigstens einem Teilsystem umfassen.

2. Vorrichtung zur Bestimmung der Verfügbarkeit von elektrischer Energie in einem Bordnetz, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Signalisierung bzw. Anzeige der Verfügbarkeit der elektrischen-Energie und/oder einer Fehlfunktion vorhanden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellwertaussagen zu Fehlfunktionen in wenigstens einem Teilsystem (SOHS) Unterteilt sind in Schwellwertaussagen (SOHS1) zu Fehlfunktionen im ersten Batteriekreis (10, 24) und Schwellwertaussagen (SOHS2) zu Fehlfunktionen im zweiten Batteriekreis (11, 29)

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (20, 34) ein DC/DC- Wandler ist, der Bestandteil der Steuereinrichtung (19, 35) ist und von dieser so angesteuert wird, dass vorgebbare Kriterien erfüllt werden.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (19, 35) eine zusätzliche Verbindung umfaßt, über die bei abgeschaltetem Spannungswandler (34) eine Verbindung zwischen den beiden Batteriekreisen herstellbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (13, 26) des ersten Batteriekreises (10, 24) auf Zyklenfestigkeit und die Batterie (15, 30) des zweiten Batteriekreises (11, 29) auf Hochstromfähigkeit und/oder minimaale Selbstentladung optimiert ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung wenigstens Rechen- und Speichermittel, Zählmittel, analoge und/oder digitale Schnittstellen, Mittel zur Fremdstarterkennung und eine Spannungssensorik umfaßt.

8. Verfahren zur Bestimmung der Verfügbarkeit von elektrischer - Energie in einem Bordnetz mit wenigstens zwei Teilsysteme bildenden Energiespeicherkreisen, insbesondere - Batteriekreisen, insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ladespezifische Algorithmen mit wenigstens einer Schwellwertaussage zur Verfügbarkeit elektrischer Energie in wenigstens einem Teilsystem (SOCS) und/oder Algorithmen mit Schwellwertaussagen zu Fehlfunktionen in wenigstens einem Teilsystem (SOHS, SOHS1, SOHS2) ausgewertet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Betriebsarten für die Batteriekreise (10, 11, 24, 29) definiert werden und dass die Zuordnung der Algorithmen abhängig von der erkannten Betriebsart erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebsarten für den ersten Batteriekreis gewählt werden und diese Betriebsarten wie folgt definiert werden:

a) Konstantstrom- oder Konstantleistungsregelung im Spannungswandler

b) Spannungsregelung im Spannungswandler.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsarten für den zweiten Energiespeicher bzw. Batteriekreis gewählt werden und diese Betriebsarten wie folgt definiert werden:

a) Batterie im Ruhezustand während des Betriebes des Kraftfahrzeuges bei laufendem Motor und Generator

b) Batterie im Ruhezustand während der Stillstandszeit des Kraftfahrzeuges sowie in der Vorstartphase bei stehendem Motor und stehendem Generator

c) Laden der Batterie im zweiten Batteriekreis mittels des Gleichspannungswandlers mit dem Ziel, den hohen Ladezustand aufrecht zu erhalten

d) Elektrische Versorgung von Verbrauchern insbesonders Hochstromverbrauchern aus der zweiten Batterie und/oder unterstützende Versorgung des ersten Batteriekreises

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Betriebsart a) nach erfolgreich abgeschlossenem Ladevorgang eine (SOCS)- und eine (SOHS2)-Erkennung und Signalisierung erfolgt, wenn die Spannung im zweiten Batteriekreis einen definierten Spannungs-Schwellwert unterschreitet.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Betriebsart a) nach erfolgreich abgeschlossenem Ladevorgang zusätzlich eine Fremdstarterkennung durchgeführt wird, über Abarbeitung spezieller Algorithmen und eine (SOCS)-Erkennung und Signalisierung erfolgt wenn ein Fremdstart erkannt ist, wobei der Zustand "Motor läuft" als Kriterium für eine verfügbare Mindest-Energiemenge im zweiten Batteriekreis (11, 29) gewertet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Betriebsart b) bei der Initialisierung des Steuergeräts (19, 33) geprüft wird, ob nach langer Stillstandszeit des Kraftfahrzeuges in der Vorstartphase des Motors ein definierter Spannungsschwellwert im zweiten Batteriekreis (11, 29) unterschritten wird und zutreffenderweise eine SOCS-Signalisierung erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur SOCS-Signalisierung eine Zählung und Auswertung von Fehlstartvorgängen mit entsprechend definierter Energieentnahme aus der Batterie (15, 30) im zweiten Batteriekreis (11, 29) durchgeführt wird und die SOCS- Signalisierung erfolgt, wenn die Anzahl der erfolglosen Startversuche größer als ein vorgebbarer Schwellwert ist.

16. Verfahren nach einem der vorhergeheden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand c) bei Konstantstrom- oder Konstantleistungsregelung im DC/DC-Wandler (20, 34) eine SOCS- und eine SOHS2-Signalisierung erfolgt wenn eine Überschreitung einer vorgebbaren definierten Zeitdauer, bzw. eines zeitlichen Schwellwertes erkannt wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand d) eine SOCS- Signalisierung erfolgt, wenn eine unterstützende Versorgung des ersten Batteriekreises (10, 24) durch die zweite Batterie (15, 30) in der Vorstartphase des Motors sowie bei laufendem Motor erkannt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine SOHS1-Signalisierung erfolgt, wenn ein Überschreiten einer bestimmten Häufigkeit der unterstützenden Versorgung, die entweder durch einen Absolutwert definiert ist oder bezogen auf eine bestimmte Zeitdauer ist, erkannt wird.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SOCS-Signalisierung temporär erfolgt und nach Wiedererreichen eines hohen Ladezustands der zweiten Batterie (15, 30), insbesondere ab dem Übergang von Konstantstrom- bzw. Konstantleistungsregelung auf Spannungsregelung beim Betrieb des Gleichspannungswandlers oder bei Beendigung eines Klemme K1.15-Zyklus zurückgesetzt wird.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die SOHS1- als auch die SOHS2- Signalisierung nach dem ersten Auftreten permanent erfolgt, auch über einen Klemme K1.15 Zyklus hinaus, bis ein vorsätzliches Rücksetzen, insbesonders im Rahmen einer Behebung der auslösenden Fehlerursache in einer Werkstatt erfolgt.