DE19643012A1 - Verfahren zur Ladung einer elektrischen Akkumulatorenbatterie, insbesondere eines Bleiakkumulators als Starterbatterie in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Starterbatterien in Kraftfahrzeugen, im allgemeinen Bleiakkumulatoren, werden durch die Lichtmaschine als Generator geladen, deren Spannung durch einen Regler aufeinen vorgegebenen Höchstwert begrenzt wird. Der Regler soll die an der Fahrzeugbatterie anlie­ gende Ladespannung möglichst auf einen unterhalb der Gasungsspannung liegenden Wert begrenzen, damit die bei Überschreitung der Gasungsspannung einsetzende Zersetzung des Elektrolyten der Batterie und damit Wasserverlust und Korrosion durch schädliche Überladung vermieden werden. Für den wartungsfreien Betrieb von Fahrzeugbatterien ist es erforderlich, daß die Zuführung der elektrischen Energie bei der Aufladung bei einer Spannung durchgeführt wird, die möglichst unterhalb der Gasungsspannung liegt. Es soll jedoch in jedem Falle eine möglichst rasche Wiederaufladung der Batterie erzielt werden.

Üblicherweise wird der Regler so eingestellt, daß die Ladespannung stets auf einen fest­ stehenden Höchstwert begrenzt wird. Da jedoch die Gasungsspannung der normalerweise als Starterbatterie vorgesehenen Bleibatterie von der Temperatur abhängt und die Tempe­ ratur der Batterie je nach Jahreszeit und Betriebszustand des Fahrzeugs zwischen weiten Grenzen schwanken kann, wird durch einen fest vorgegebenen Ladespannungshöchstwert eine Wiederaufladung in kürzester Zeit ohne Gasung bei allen Temperaturverhältnissen nicht gewährleistet. Es sind daher zur Kompensation von Temperatureinflüssen bereits temperaturabhängige elektronische Schaltungen zwischen Batterie und Lichtmaschine in den Ladekreis geschaltet worden.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise der DE PS 20 56 045 zu entnehmen. Diese übli­ chen Regelungsmethoden sind allerdings nicht dazu geeignet, stets einen möglichst hohen Ladezustand der Akkumulatorenbatterie zu gewährleisten. Es wurden daher bereits die verschiedensten Vorrichtungen zur Überwachung des Ladezustands einer Starterbatterie vorgeschlagen, beispielsweise ist der DE PS 33 30 953 eine Vorrichtung zu entnehmen, bei der eine Strombilanz im Gesamtsystem aufgestellt wird und damit der exakte Ladezustand des Akkumulators geregelt werden kann. Diese bekannte Vorrichtung ist allerdings auf­ wendig und hat daher bisher praktisch keinen Eingang in übliche Kraftfahrzeuge gefunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Ladung anzugeben, welches eine Anhebung des durchschnittlichen Ladezustands der Batterie ermöglicht, wo­ durch eine Gewichtseinsparung durch Verwendung einer kleineren Batterie möglich wird, die Batterielebensdauer verlängert wird und der Generatorwirkungsgrad verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Aus­ gestaltungen des Verfahrens angegeben.

Erfindungsgemäß wird der Ladezustand bzw. Ladestatus ohne aufwendige Strommessung ermittelt und zwar durch Messung der Leerlaufspannung der Batterie in dem Moment, in dem der Batteriestrom einen Nulldurchgang besitzt.

Dies steht im Gegensatz zu den bisher üblichen Steuerung der Generatorladespannung, deren maximaler Wert bisher allenfalls durch die Temperatur beeinflußt wird, wobei unter Temperatur im allgemeinen lediglich die Umgebungstemperatur des Generators und nur in den seltensten Fällen die Batterietemperatur zu verstehen ist.

Gemäß der Erfindung wird bei den zyklischen Lade- und Entladevorgängen die Batterie­ spannung ohne den Einfluß des Innenwiderstands der Batterie ermittelt, es erfolgt nämlich eine Messung bei I=0, d. h. im Nulldurchgang des Stromes oder in einem sehr kurzen Zeit­ raum nach dem Nulldurchgang. Die so ermittelte Leerlaufspannung unterscheidet sich deutlich von der Ruhespannung eines Akkumulators, da die sogenannte Ruhespannung sich erst nach längerer Zeit, beispielsweise nach einigen Stunden einstellt, wenn die Diffu­ sionsvorgänge, d. h. die Ausgleichsvorgänge in der Konzentration des Elektrolyten abge­ schlossen sind.

Die Leerlaufspannung wird im Nulldurchgang oder innerhalb kurzer Zeit nach dem Null­ durchgang des Stromes ermittelt, beispielsweise innerhalb eines Zeitraumes von 0,1 ms bis 1 ms. Die so ermittelte Leerlaufspannung repräsentiert in erster Näherung den Ladezustand der Batterie und kann somit erfindungsgemäß zur Steuerung der Generatorspannung die­ nen.

Vorteilhaft ist es, sowohl die Leerlaufspannung zu messen, wenn ein Nulldurchgang des Stromes nach vorhergehender Ladung erfolgt als auch den Spannungswert bei einem Null­ durchgang des Stromes nach vorhergehender Entladung. Diese verschiedenen Span­ nungswerte werden gespeichert und eine Mehrzahl von so gespeicherten Spannungswer­ ten kann beispielsweise zu einem Mittelwert verarbeitet werden. Für den Fall, daß über ei­ nen längeren Zeitraum kein Strom-Nulldurchgang vorliegt, beispielsweise weil die Batterie dauernd geladen wird oder dauernd belastet wird, wird in charakteristischen Abständen beispielsweise von 0,1 min. bis 10 min., vorzugsweise ca. 1 min., ein Nulldurchgang des Stromes durch kurzzeitige Abschaltung des Verbrauchers bzw. des Generators, beispiels­ weise für einen Zeitraum von 1 ms, erzwungen.

Es ergibt sich so ein oberer Mittelwert (Messungen der Leerlaufspannung bei Nulldurch­ gang nach Ladung) und ein unterer Mittelwert (Messungen der Leerlaufspannung bei Null­ durchgang nach Entladung).

Mit den so ermittelten Werten der Leerlaufspannung wird die Reglerspannung beeinflußt, und zwar wird die Reglerspannung dann erhöht, wenn sowohl der obere als auch der unte­ re Mittelwert der Leerlaufspannung fällt, bzw. die Reglerspannung wird erniedrigt, wenn sowohl oberer als auch unterer Mittelwert der Leerlaufspannung steigt. Dabei wird ein tem­ peraturabhängiger oberer Wert der Reglerspannung jedoch nie überschritten.

Für den Fall, daß oberer Mittelwert und unterer Mittelwert der Leerlaufspannung unter­ schiedliches Verhalten aufzeigen, erfolgt keine Reglerspannungsänderung. Der Mittelwert der Spannungsänderung kann beispielsweise als Mittelwert der letzten ca. 10 Meßintervalle gewählt werden.

Aus der oberen und der unteren Leerlaufspannung wird durch Bildung des gleitenden Mit­ telwertes auf die eigentliche Ruhespannung der Batterie geschlossen, die den Ladezustand einer Batterie repräsentiert. Die laufende Bildung des Mittelwertes aus oberer und unterer Leerlaufspannung hat den Vorteil, daß im Falle eines ausreichend langen Stillstands des Fahrzeugs automatisch die echte Ruhespannung gemessen wird (obere Leerlaufspannung gleich untere Leerlaufspannung) und somit das System einen fehlerfreien Bezugspunkt hat.

Vorteilhaft ist es, die von der Stochastik des Fahrprofils abhängigen statistisch verteilten Signale einer Korrektur zu unterziehen. Mit einer solchen Korrektur kann der Einfluß unter­ schiedlicher Säurekonzentrationen während der Lade- und Entladezustände im Platten­ block kompensiert werden.

Dazu werden zunächst über einen längeren Beobachtungszeitraum (z. B. 100 Messungen) die Zeiten für die Halbperioden (Laden, Entladen), sowie die Maximal- bzw. Minimalwerte der Spannungsamplituden gemittelt. Die so gewonnenen mittleren Lade- bzw. Entladezeitin­ tervalle, sowie die mittleren Maximal- bzw. Minimalspannungsamplituden bilden die Basis für den durchschnittlich zu erwartenden Wert der Säureüber- bzw. Säureunterkonzentration im Plattensatz.

Aus den für jede Periode gemessenen individuellen Werten für die Halbzyklusdauer, sowie der entsprechenden Spannungsamplitude können dann unter Zuhilfenahme der dazugehö­ rigen Mittelwerte, abgeleitet über eine längere Betrachtungszeit, die Korrekturfaktoren für die Reglerspannung gebildet werden.

Die Erfindung ermöglicht es, in einfacher Weise, nämlich lediglich durch eine Spannungs­ messung, den Spannungsregler des Generators im Kraftfahrzeug entsprechend dem Lade­ zustand bzw. der Ladezustandsänderung der Batterie zu beeinflussen. Damit wird erreicht, daß der Akkumulator sich stets in einem guten Ladezustand befindet, so daß es möglich ist, eine kapazitätsmäßig kleinere Batterie einzubauen und zu verwenden, was einerseits zu einer Gewichtersparnis, andererseits zu einer Kostenersparnis führt. Durch die bessere Aufrechterhaltung eines guten Ladezustands des Akkumulators, ohne daß dabei die Ga­ sungsspannung überschritten wird, wird auch dessen Lebensdauer wesentlich verbessert. Schließlich wird auch der Generator selbst besser ausgenutzt, so daß sich ein höherer Ge­ neratorwirkungsgrad ergibt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Ladung eines elektrischen Akkumulators insbesondere eines Bleiakkumu­ lators als Starterbatterie in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die Gene­ ratorspannung gesteuert vom Ladezustand des Akkumulators geregelt wird, wobei der Ladezustand abgeleitet ist von einer Messung der Leerlaufspannung des Akkumulators zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des im Akkumulator fließenden Stromes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Leerlauf­ spannung innerhalb eines Zeitraumes von 0,1 ms bis 1 ms nach einem Nulldurchgang des Stromes im Akkumulator erfolgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leerlauf­ spannung jeweils nach Abschalten der Ladung und nach Abschalten einer Entladung gemessen wird, daß die Meßwerte gespeichert werden und eine Mehrzahl von gespei­ cherten Meßwerten zu einem Mittelwert verarbeitet werden, daß die Reglerspannung dann erhöht wird, wenn der Mittelwert der Leerlaufspannungen fällt, daß die Regler­ spannung erniedrigt wird, wenn der Mittelwert der Leerlaufspannung steigt und daß bei unterschiedlichem Verhalten der Mittelwerte der Leerlaufspannungen keine Regelspan­ nungsänderung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leer­ laufspannungsmessungen in Abständen von 0,1 bis 10 min, insbesondere in Abständen von ca. 1 min, erfolgen, und daß der Mittelwert zur Berechnung von Änderungen der Reglerspannung jeweils aus ca. 10 bis 20 Meßintervallen gewonnen wird.