DE19643012B4

DE19643012B4 - Verfahren zur Ladung eines elektrischen Akkumulators mit einem Generator

Info

Publication number: DE19643012B4
Application number: DE19643012A
Authority: DE
Inventors: Gerolf Dr. Richter
Original assignee: VB Autobatterie GmbH and Co KGaA
Current assignee: Clarios Germany GmbH and Co KGaA
Priority date: 1996-10-18
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2016-10-19
Also published as: DE19643012A1; GB9720865D0; FR2754951B1; US5896023A; ITMI972163A1; IT1295060B1; GB2318462A; FR2754951A1

Abstract

Verfahren zur Ladung eines elektrischen Akkumulators mit einem Generator, insbesondere eines Bleiakkumulators als Starterbatterie in einem Fahrzeug mit Generator, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorspannung gesteuert vom Ladezustand des Akkumulators geregelt wird, wobei der Ladezustand abgeleitet ist von den Messungen der Leerlaufspannung des Akkumulators zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des im Akkumulator fließenden Stromes oder bis maximal 1 ms nach dem Nulldurchgang.

Description

Die Starterbatterien in Kraftfahrzeugen, im allgemeinen Bleiakkumulatoren, werden durch die Lichtmaschine als Generator geladen, deren Spannung durch einen Regler auf einen vorgegebenen Höchstwert begrenzt wird. Der Regler soll die an der Fahrzeugbatterie anliegende 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 feststehenden Höchstwert begrenzt wird. Da jedoch die Gasungsspannung der normalerweise als Starterbatterie vorgesehene Bleibatterie von der Temperatur abhängt und die Temperatur 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 temperaturabhänige elektronische Schaltungen zwischen Batterie und Lichtmaschine in den Ladekreis geschaltet worden.
Eine solche Anordnung ist beispielsweise der DE PS 2056045 zu entnehmen. Diese üblichen 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 3330953 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 aufwendig und hat daher bisher praktisch keinen Eingang in übliche Kraftfahrzeuge gefunden.
In der DE 35 20 985 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und Anzeige des Ladezustands einer Starterbatterie eines Kraftfahrzeuges beschrieben, wobei der Batteriestrom fortlaufend gemessen und durch Integrieren über die Zeit die der Batterie entnommene Ladung errechnet wird. Nach Abschalten des Fahrzeugmotors wird die Batteriespannung gemessen und aus deren Absinken gegenüber der Spannung bei vollgeladener Batterie und der für den stromlosen Zustand errechneten entnommenen Ladung eine fiktive Batteriekapazität berechnet. Mit der erneuten Inbetriebnahme des Fahrzeugs wird die dabei weiterberechnete Entladungsentnahme fortlaufend in Bezug zu der bei der vorausgegangenen Abschaltung errechneten fiktiven Batteriekapazität gebracht und hieraus der Ladezustand ermittelt.
WO 96/11817 offenbart eine Überwachungs- und Steuerungseinheit für Akkumulatoren in Kraftfahrzeugen. Während des Betriebs des Fahrzeugmotors wird ständig die Batteriekapazität überwacht. Sobald die Batteriekapazität nicht in Ordnung ist erfolgt bei zu hoher Batteriespannung eine Reduzierung der Ladespannung und bei zu geringer Batteriespannung eine Erhöhung der Ladespannung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Ladung anzugeben, welches eine Anhebung des durchschnittlichen Ladezustandes der Batterie ermöglicht, wodurch eine Gewichtseinsparung durch Verwendung einer kleinen 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 Ausgestaltungen des Verfahrens angegeben.
Erfindungsgemäß wird der Ladezustand bzw. Ladestatus ohne aufwendige Strommessung ermittelt und zwar durch Messung der Leerlaufspannungen der Batterie in dem Moment, in dem der Batteriestrom einen Nulldurchgang besitzt, oder bis maximal 1 ms nach dem Nulldurchgang.
Dies steht im Gegensatz zu den bisher üblichen Steuerungen 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 en zyklischen Lade- und Entladevorgängen die Batteriespannung ohne Einfluss des Innenwiderstandes der Batterie ermittelt, es erfolgt nämlich eine Messung bei I = 0, d. h. im Nulldurchgang des Stromes oder in einem sehr kurzen Zeitraum nach dem Nulldurchgang. Die so ermittelte Leerlaufspannung unterscheidet sich deutlich von der Ruhespannung eines Akkumulators, da die so genannte Ruhespannung sich erst nach längerer Zeit, beispielsweise nach einigen Stunden einstellt, wenn die Diffusionsvorgänge, d. h. die Ausgleichsvorgänge in der Konzentration des Elektrolyten abgeschlossen sind.
Die ermittelte Leelaufspannung repräsentiert in erster Näherung den Ladezustand der Batterie und kann somit erfindungsgemäß zur Steuerung der Generatorspannung dienen.
Vorteilhaft ist es, sowohl die Leerlaufspannungen zu messen, wenn ein Nulldurchgang des Stromes nach vorhergehender Ladung erfolgt, als auch den Spannungswert bei einem Nulldurchgang des Stromes nach vorhergehender Entladung. Diese verschiedenen Spannungswerte werden gespeichert und eine Mehrzahl von so gespeicherten Spannungswerten kann beispielsweise zu einem Mittelwert verarbeitet werden. Für den Fall, dass über einen 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 oder des Generators im Kraftfahrzeug, beispielsweise für einen Zeitraum vom 1 ms, erzwungen.
Es ergibt sich so ein oberer Mittelwert (Messungen der Leerlaufspannung bei Nulldurchgang nach Ladung) und ein unterer Mittelwert (Messungen der Leerlaufspannung bei Nulldurchgang 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 untere Mittelwert der Leerlaufspannung fällt, bzw. die Reglerspannung wird erniedrigt, wenn sowohl oberer als auch unterer Mittelwert der Leerlaufspannung steigt. Dabei wird ein temperaturabhängiger oberer Wert der Reglerspannung jedoch nie überschritten.
Für den Fall, daß oberer Mittelwert und unterer Mittelwert der Leerlaufspannung unterschiedliches 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 Mittelwertes 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 unterschiedlicher Säurekonzentrationen während der Lade- und Entladezustände im Plattenblock 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 Spannungsamplituten gemittelt. Die so gewonnenen mittleren Lade- bzw. Entladezeitintervalle, 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 Spannungsmessung, den Spannungsregler des Generators im Kraftfahrzeug entsprechend dem Ladezustand 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 Gasungsspannung überschritten wird, wird auch dessen Lebensdauer wesentlich verbessert. Schließlich wird auch der Generator selbst besser ausgenutzt, so daß sich ein höherer Generatorwirkungsgrad ergibt.

Claims

Verfahren zur Ladung eines elektrischen Akkumulators mit einem Generator, insbesondere eines Bleiakkumulators als Starterbatterie in einem Fahrzeug mit Generator, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorspannung gesteuert vom Ladezustand des Akkumulators geregelt wird, wobei der Ladezustand abgeleitet ist von den Messungen der Leerlaufspannung des Akkumulators zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des im Akkumulator fließenden Stromes oder bis maximal 1 ms nach dem Nulldurchgang.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen der Leerlaufspannung innerhalb eines Zeitraumes von 0,1 ms bis 1 ms nach einem Nulldurchgang des Stromes im Akkumulator erfolgen.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, das die Leerlaufspannung jeweils nach Abschalten der Ladung und nach Abschalten einer Entladung gemessen wird, das die Messwerte gespeichert werden und eine Mehrzahl von gespeicherten Messwerten zu einem Mittelwert verarbeitet werden, dass die Reglerspannung dann erhöht, wenn der Mittelwert der Leerlaufspannungen fällt, dass die Reglerspannung erniedrigt wird, wenn der Mittelwert der Leerlaufspannung steigt und dass bei unterschiedlichem Verhalten der Mittelwerte der Leerlaufspannungen keine Regelspannungsänderung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leerlaufspannungsmessungen in Abständen von 0,1 bis 10 min, insbesondere in Abständen von ca. 1 min, erfolgen und das der Mittelwert zur Berechnung von Änderungen der Reglerspannung jeweils aus ca. 10 bis 20 Messintervallen gewonnen wird.