DE19705634C2 - Verfahren und Anordnung zur Erhöhung der Startsicherheit eines Verbrennungsmotors - Google Patents
Verfahren und Anordnung zur Erhöhung der Startsicherheit eines VerbrennungsmotorsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Erhöhung der Startsi
cherheit eines Verbrennungsmotors mit einer aufladbaren Starterbatterie, die in einem Bord
netz angeordnet ist.
In einem Kfz (oder in einem anderen primär aus einem Verbrennungsmotor mit Energie versorgten
System) ist die Starterbatterie des Verbrennungsmotors eine der wichtigsten Vorausset
zungen für die Sicherstellung der Betriebsfähigkeit. Normalerweise wird der Verbrennungs
motor durch einen elektrischen Anlasser gestartet, welcher die Energie für den Startvorgang
aus einer Starterbatterie bezieht. Der Anlasser muß dazu für kurze Zeit ein Drehmoment auf
bringen, welches in der Lage ist, den Verbrennungsmotor bei einer gewissen Mindestdrehzahl
durchzudrehen. Dazu muß durch den Anlasser ein genügend großer Strom fließen und eine
ausreichend hohe Spannung anliegen. Ist die Starterbatterie sehr kalt, teilweise entladen oder
stark gealtert, kann der Innenwiderstand der Batterie so hoch werden, daß Strom und Span
nung nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen, um den Startvorgang sicherzustel
len.
Eine zum Starten eines Verbrennungsmotors verwendete Batterie, im folgenden auch Star
terbatterie genannt, wird auf geringen Innenwiderstand (das ist gleichbedeutend mit hoher
Leistungsdichte) ausgelegt, um eine möglichst hohe Startfähigkeit sicherzustellen. Die Ab
hängigkeit des Innenwiderstandes von der Batterietemperatur, dem Ladezustand der Batterie
und dem Alterungszustand der Batterie ist in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Die Auslegung
der Batterie erfolgt normalerweise so, daß eine vollgeladene, neue Batterie bis zu einer be
stimmten unteren Temperaturgrenze startfähig ist. Dies entspricht in erster Linie einem ma
ximal zulässigen Innenwiderstand bei dieser Temperatur. Wie aus den Fig. 1 bis 3 hervor
geht, wird durch Entladung oder Alterung der Batterie der Innenwiderstand erhöht, d. h. die
Startfähigkeit wird nur bis zu weniger tiefen Temperaturen sichergestellt.
Durch die Betriebsbedingungen der in einem konventionellen Bordnetz (mit einer Batterie)
gleichzeitig von der Batterie versorgten anderen Verbraucher kann eine teilweise Entladung
der Starterbatterie nicht grundsätzlich vermieden werden. Auch die Batteriealterung, welche
(insbesondere bei auf Leistungsdichte statt auf Energiedichte bzw. Lebensdauer ausgelegten
Batterien) durch Entlade-/Ladezyklen der Batterie beschleunigt wird, ist unvermeidbar. Auf
grund dieser Eigenschaften der Batterie ist das Starten des Verbrennungsmotors unter gewis
sen Bedingungen nicht mehr möglich. Da der Verbrennungsmotor bei niedrigen Temperatu
ren zudem höhere Ansprüche an das vom Anlasser zu liefernde Drehmoment und Drehzahl
stellt, scheitert der Anlaßvorgang in der Jahreszeit mit stark sinkenden Temperaturen häufig
weitgehend unvorhergesehen.
Es ist bekannt, bei tiefen Temperaturen Starterbatterien aufzuheizen, um die Stromabgabe zu
verbessern (WO 93/13568). Zwar läßt sich damit der Innenwiderstand der Batterie erniedri
gen, jedoch kann der Verbrennungsmotor dann nicht mehr gestartet werden, wenn die La
dung der Batterie zu gering ist. Da der Strom für das Aufheizen der Batterie selbst entnom
men wird, wird die durch das Aufheizen erreichte verbesserte Stromabgabe durch die Batte
rieentladung bei der Entnahme des Aufheizstroms teilweise wieder aufgehoben.
Es empfiehlt sich, im Bordnetz neben der eigentlichen Starterbatterie, eine weitere Batterie,
im folgenden genannt Speicherbatterie, vorzusehen, welche nicht auf geringen Innenwider
stand, sondern auf hohe Energiedichte bzw. lange Lebensdauer ausgelegt ist. An der Starter
batterie werden vorzugsweise Verbraucher angeschlossen, welche kurzzeitig hohe Ströme
benötigen (leistungsstarke Kurzzeitverbraucher), aber nicht unbedingt große Energien aus der
Batterie entnehmen. An der Speicherbatterie sind vorzugsweise Verbraucher anzuschließen,
welche eher eine stabile Spannung benötigen (Steuergeräte, Informationselektronik) oder
über längere Zeit mit eher geringen Strömen (ohne Betrieb eines vom Verbrennungsmotor
angetriebenen Generators) versorgt werden müssen.
In einem solchen Bordnetz sind zweckmäßigerweise während des Startvorgangs die beiden
Batterien im wesentlichen voneinander entkoppelt, um einerseits dem Anlasser die volle
Stromabgabefähigkeit der Starterbatterie bereitzustellen und andererseits den dabei auftreten
den Spannungseinbruch der Starterbatterie nicht auf die an der Speicherbatterie angeschlos
senen Steuergeräte und Hilfsspannungsversorgung durchschlagen zu lassen. Bei einer gealter
ten oder tiefentladenen Batterie gilt deswegen für das mögliche Scheitern des Startvorgangs
des Verbrennungsmotors das gleiche wie bei Bordnetzen mit nur einer Batterie, auch wenn
die Entladung der Starterbatterie durch andere Verbraucher mittels Last-Management zum
Teil vermieden werden kann.
In der DE-C1 41 38 943 ist eine Anordnung offenbart, bei der eine Starterbatterie durch
eine Speicherbatterie mit einem Aufladestrom versorgt wird, so daß eine zum Starten des
Motors notwendige Ladung in der Starterbatterie verfügbar ist. Die Starterbatterie wird
dabei von der Speicherbatterie permanent auf einem hohen Ladungsniveau gehalten.
Hier setzt die Erfindung ein, der das Problem zugrunde liegt, ein Verfahren und eine Anord
nung zum Bereitstellen einer für das Starten eines Verbrennungsmotors ausreichenden Ener
gie bzw. Leistungsfähigkeit mit einer aufladbaren Starterbatterie auch bei tiefen Temperatu
ren zu entwickeln. Die Leistungsfähigkeit äußert sich durch ein ausreichend hohes Span
nungsniveau für das Starten während der Abgabe von Starterströmen.
Das Problem wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß nach einem mißlungenen Startvorgang mit der Starterbatterie aus einer
weiteren Batterie ein Aufladestrom in die Starterbatterie eingespeist wird, bis in der Starter
batterie wenigstens die für das Starten des Verbrennungsmotors notwendige Ladung vorhan
den ist. Nach einem vergeblichen Startversuch wird erst dann, wenn die Starterbatterie die für
das Starten des Verbrennungsmotors benötigte Ladung hat, der Motor mittels des Anlassers
gestartet. Die Größe der Ladung ist von Verbrennungsmotor zu Verbrennungsmotor ver
schieden.
Vorzugsweise wird die Starterbatterie mit einem kleinen Strom im Vergleich zu dem vom
Anlasser benötigten Strom geladen. Auf diese Weise werden sowohl die Starterbatterie als
auch die weitere Batterie d. h. die Speicherbatterie geschont, zumal die Speicherbatterie sinn
vollerweise nicht auf die Abgabe hoher Starterströme ausgelegt ist.
Nach dem Aufladen der Starterbatterie aus der Speicherbatterie zeigt die Starterbatterie einen
deutlich niedrigeren Innenwiderstand als vorher, sie ist nun meist in der Lage, den Anlaßvor
gang erfolgreich durchzuführen. Falls der Motor trotzdem nicht startet, wird der Speicherbat
terie vor dem zweiten Anlaßversuch eine Erholungspause z. B. in der Größenordnung von 20 s
gewährt werden.
Die Notwendigkeit eines solchen zweiten Startversuchs nach zweimaliger Aufladung durch
die Speicherbatterie ist ein Hinweis auf eine deutliche Alterung der Starterbatterie und wird
zum Anlaß für einen Hinweis genommen, daß die Starterbatterie gegen eine neue auszuwech
seln ist, z. B. durch ein Hinweissignal an den Fahrer.
Für die Anordnung wird das Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bordnetz ein
mit der Speicherbatterie und der Starterbatterie verbindbarer Umrichter vorgesehen ist, der
die Spannung der Speicherbatterie in die Ladespannung der Starterbatterie umsetzt. Der Um
richter, der insbesondere einen geregelten Ladestrom in die Starterbatterie einspeist, bewirkt
eine Aufladung mit geringem Strom für eine gewisse Zeit. Insbesondere ist die Ladezeit der
Starterbatterie bei einem konstanten Ladestrom vorgegeben. Der Ladestrom und die Kapazi
tät der Speicherbatterie sind so bemessen, daß die Speicherbatterie die Ladung an die Star
terbatterie ohne Beeinträchtigung ihrer sonstigen Aufgaben abgeben kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungs
beispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben.
Es zeigen:
Fig. 1 Diagramme mit einem für eine aufladbare Batterie typischen Innenwiderstand in Ab
hängigkeit vom Entladegrad mit der Batterietemperatur als Parameter,
Fig. 2 Diagramme der zeitlichen Änderung des Wechselstromwiderstands von Batterien als
Funktion des Batteriealters,
Fig. 3 Diagramme der Innenwiderstände einer Traktionsbatterie als Funktion des Entlade
grads bei einer neuen und einer gealterten Batterie,
Fig. 4 eine Anordnung zum Bereitstellen einer für das Starten eines Verbrennungsmotors
ausreichenden Energie mit einer Starterbatterie und eine Speicherbatterie eines Bord
netzes,
Fig. 5a, b, c und d Schnitte eines Teilbereichs einer aufladbaren Batterie in vier verschie
denen Ladezuständen der Batterie,
Fig. 6 die Spannung einer Starterbatterie in Abhängigkeit von Lade- und Entladezeiträumen.
Der Batterie-Innenwiderstand r∼, d. h. der Wechselstromwiderstand, ist in Fig. 1 in Ω in Ab
hängigkeit vom Entladegrad 9 (bei Konstantstromentladung) dargestellt. Parameter ist die
Elektrolyt-Temperatur. Der Innenwiderstand nimmt mit zunehmendem Entladegrad und mit
abnehmender Temperatur zu. Hieraus ist ersichtlich, daß die Stromabgabefähigkeit nicht nur
bei hoher Entladung sondern auch bei geringer Temperatur beeinträchtigt ist. Die Fig. 2 zeigt
den relativen Wechselstromwiderstand, d. h. das Verhältnis des Widerstands bezogen auf den
Widerstand der neuen Batterie in Abhängigkeit vom Batteriealter in Jahren für verschiedene
600 Ah-Batterien. Markiert sind die Punkte, an denen die Batterien noch 50% der Anfangs
kapazität haben.
In Fig. 3 ist der Innenwiderstand rI einer Traktionsbatterie in Abhängigkeit vom Entladegrad
bei neuer und gealterter Batterie dargestellt.
Eine Anordnung zur Bereitstellung einer für das Starten eines Verbrennungsmotors ausrei
chenden Energie und Leistungsfähigkeit mittels einer Batterie ist in Fig. 4 dargestellt. Die
Anordnung gemäß Fig. 4 weist eine Starterbatterie 1 auf, die über einen Schalter 2 mit einem
Anlasser 3 verbunden ist, an dem ein Verbrennungsmotor 4 über eine nicht näher bezeichnete
Kupplung angeschossen ist, die im Lauf des Verbrennungsmotors 4 offen ist.
Die Starterbatterie 1 ist in einem Bordnetz beispielsweise eines Landfahrzeugs, eines Schiffes
oder eines Flugzeugs oder auch einer Notstromversorgung für das Starten des Verbren
nungsmotors 4 vorgesehen und entsprechend, d. h. für hohe Leistungsdichte und hohe Strom
spitzen ausgelegt. Im Bordnetz ist weiterhin eine Speicherbatterie 5 vorgesehen, die andere
Verbraucher des Bordnetzes wie Steuergeräte, Lampen, Informationselektronik, Pumpen
usw. speist; sie ist in Richtung Energiedichte und Lebensdauer optimiert.
Die Speicherbatterie ist über einen Schalter 6, der zwei Pole hat, mit einem Umrichter 7 ver
bunden, der ausgangsseitig über den zweiten Pol des Schalters 6 an die Starterbatterie 1 an
geschlossen ist.
Der Schalter 6 ist durch ein Steuermodul 8 betätigbar, das mittels eines Schlüsselschalters 9
aktiviert wird. Alternativ kann das Steuermodul 8 durch eine Fehlstarterkennung,
z. B. basierend auf Spannungs- und Drehzahlmessung, aktiviert werden.
Der Umrichter 7 gibt einen Konstantstrom an die Starterbatterie 1 ab, wenn der Schalter 6
geschlossen ist. Das Steuermodul 8 schaltet den Schalter für eine vorgebbare Zeit ein, so daß
eine bestimmte Ladungsmenge in die Speicherbatterie 1 eingespeist wird, wenn z. B. der Ver
brennungsmotor 4 beim Betätigen des Zündschüssels, der den Schalter 2 schließt, nicht in
Gang gesetzt wird. Die in die Starterbatterie eingespeiste Lademenge ist auf den Energiever
brauch für das Starten des Verbrennungsmotors 4 abgestimmt. Der Anlasser benötigt zum
Starten des Verbrennungsmotors unter ungünstigen Bedingungen beispielsweise eine Strom
von ca. 300 A für ca. 3 s, also ca. 900 As elektrischer Ladung (dieser Wert ist von der Größe
und Art des Verbrennungsmotors abhängig); diese konnte jedoch beim ersten Anlaßversuch
nicht oder nur bei nicht ausreichender Spannungslage von der Starterbatterie zur Verfügung
gestellt werden. Der Starterbatterie wird nun durch einen Ladevorgang mit kleinem Strom,
z. B. 15 A für 60 s oder 10 A für 90 s, ebendiese Ladungsmenge aus der Speicherbatterie zuge
führt. Der Ladestrom und die Kapazität der Speicherbatterie sind so bemessen, daß die Spei
cherbatterie diese Ladung ohne Beeinträchtigung ihrer sonstigen Aufgaben abgeben kann.
Die Wirkungsweise der kurzzeitigen Aufladung der Starterbatterie mit einem geringen Strom
wird anhand der Fig. 5a, b, c und d erläutert.
Die Fig. 5 zeigt anhand einer schematischen Darstellung die Grenzfläche zwischen Säure und
poröser Bleiplatte an einer Batterie-Elektrode. Fig. 5a zeigt Strompfade beim Entladen einer
vollgeladenen Batterie: aufgrund des höheren spezifischen Widerstandes der Säure gegenüber
den Bleigittern findet der Stromübergang an den äußeren Enden der Poren statt, der Wider
stand ist relativ niedrig. Fig. 5b zeigt Strompfade beim Entladen einer teilentladenen Batterie:
die durch die Entladung entstandene Sulfatschicht im Bereich des bisherigen Stromdurch
gangs wirkt isolierend, so daß die Strompfade in der hochresistiven Säure sich immer weiter
verlängert; somit steigt der Batteriewiderstand mit zunehmender Entladung. Fig. 5c zeigt die
Strompfade beim Wiederaufladen einer teilentladenen Batterie: Die Umkehr der Stromrich
tung erlaubt den Stromübergang wieder am widerstandsmäßig günstigeren äußeren Ende der
Poren; der Batterie-Widerstand sinkt auf deutlich kleinere Werte. Fig. 5d zeigt die Strompfa
de beim Entladen der so teilweise wiederaufgeladenen Batterie: der niedrige Widerstand
bleibt solange erhalten, bis durch die entnommene Ladung die Sulfatlücken im äußeren Po
renbereich wieder geschlossen sind. Dies ist näherungsweise so lange der Fall, bis die neu
entnommene Ladung der vorher wiedereingespeisten Ladungsmenge entspricht.
Zusätzlich zum beschriebenen Mechanismus der Sulfatschicht-Bildung und -Auflösung wirkt
noch die Tatsache widerstandserniedrigend, daß durch den Ladestrom direkt an der Reakti
onsstelle für die folgende Entladung alle chemischen Reaktionspartner bereitsgestellt werden
und dafür keine Diffusionsprozesse notwendig sind, welche zu Spannungsabfällen führen. Im
Gegenteil werden die Stoffkonzentrationen so eingestellt, daß sich sogar eine Erhöhung der
inneren Spannung der Batterie ergibt. Da diese Effekte in einigen Minuten
(Diffusionszeitkonstante) abklingen, sollte die Wideraufladung vorteilhafterweise kurzfristig
vor der Hochstromentladung erfolgen.
Eine gemessene Spannungsantwort der Batterie auf zwei solche Zwischenladepulse und an
schließende Entladung ist im Bild 6 dargestellt. Bis zum Zeitpunkt 2 min wird die Batterie 1
mit einer konstanten Strom i = 0,4 entladen; zwischen Zeitpunkt 2 min und Zeitpunkt 3 min
wird mit Strom i = 0,4 geladen, dann wieder mit Strom i = 0,4 entladen bis Zeitpunkt 6 min.
Zum Zeitpunkt 4 min ist die Ladebilanz der Zwischenladung ausgeglichen; die Batterie zeigt
bis exakt zu diesem Zeitpunkt eine höhere Spannungslage entsprechend einem geringerem
Innenwiderstand. Das gleiche gilt für die Zeitpunkte 6 min bis 10 min, nur daß hier der Lade
strom und damit auch die höhere Spannungslage beim nachfolgenden Entladen länger an
dauert.
Der Ablauf des Nachladens der Starterbatterie und der darauffolgende erneute Startversuch
können automatisch mittels einer Steuerung ausgeführt werden, die einen Fehlstart erkennt.
Als Äquivalent zu der weiteren Batterie wird auch eine andere Energiequelle wie eine Brenn
stoffzelle, ein Netzanschluß oder ein Stromgenerator angesehen.
Claims (11)
1. Verfahren zur Erhöhung der Startsicherheit eines Verbrennungsmotors mit einer
aufladbaren Starterbatterie und einer Speicherbatterie, welche einen Aufladestrom in die
Starterbatterie einspeist und zum Starten des Verbrennungsmotors an der Starterbatterie
eine Hochstromentladung durchgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Aufladestrom innerhalb eines begrenzten Zeitraums vor der Hochstromentladung
der Starterbatterie eingespeist wird, bis in die Starterbatterie wenigstens die für das Starten
des Verbrennungsmotors notwendige Ladung eingespeichert ist, und daß der Zeitraum so
gewählt wird, daß eine durch den Aufladestrom verursachte Erhöhung der inneren
Spannung der Starterbatterie noch nicht vollständig abgeklungen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Starterbatterie (1) nach einem erfolglosen Startversuch vor der Entnahme eines
weiteren Stroms aus der Speicherbatterie (5) geladen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ladestrom kleiner als der für das Starten des Verbrennungsmotors notwendige
Strom ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach der Aufladung der Starterbatterie (1) und einem erfolglosen Startversuch des
Verbrennungsmotors die Speicherbatterie gegen Abgabe eines Ladestroms an die Star
terbatterie kurzzeitig gesperrt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach einem erfolglosen Startversuch des Verbrennungsmotors eine Meldung erzeugt
wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufladedauer etwa 30 Sek. bis 2 Minuten dauert.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ablauf des Nachladens der Starterbatterie und der darauf folgende erneute
Startversuch automatisch auf der Basis einer Fehlstarterkennung (10) gesteuert wird.
8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherge
henden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Starterbatterie (1) über einen Stromrichter (7) mit der Speicherbatterie (1) ver
bindbar ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stromrichter (7) einen Konstantstrom ausgibt.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stromrichter (7) für eine vorgegebene Zeit die Speicher- mit der Starterbatterie
(1, 5) verbindet.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Speicherbatterie
eine Brennstoffzelle, ein Netzanschluß oder ein
Stromgenerator vorgesehen ist.
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