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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Fahrzeugbatterieregler. Ein
solcher Regler kann zur Regelung der Verbindung einer wiederaufladbaren Hilfsbatterie
mit einer wiederaufladbaren Hauptbatterie einer elektrischen Anlage
eines Fahrzeugs des Typs verwendet werden, der eine motorbetriebene Batterieladevorrichtung
aufweist. In einer solchen Anlage kann die Hilfsbatterie während des
Startens des Motors verwendet werden und kann während des Motorlaufs wieder
aufgeladen werden.
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Es
ist bekannt, daß in
Kraftfahrzeugen die elektrische Anlage mit einer wiederaufladbaren
Batterie, zum Beispiel mit einem Blei-Säure-Akkumulator, versehen ist,
die von einer motorbetriebenen Batterieladevorrichtung, zum Beispiel
von einem Dreh- bzw. Wechselstromgenerator oder einem Gleichstromgenerator,
wieder aufgeladen wird. Die Batterie wird verwendet, um den Motor,
zum Beispiel einen Verbrennungsmotor bzw. eine Brennkraftmaschine, zu
starten oder "anzulassen" und um elektrische Leistung
an die elektrische Anlage zu liefern, wenn die motorbetriebene Ladevorrichtung
nicht genügend Leistung
liefern kann, zum Beispiel bei relativ niedrigen Motordrehzahlen.
Bei höheren
Motordrehzahlen liefert die Batterieladevorrichtung Leistung an
die elektrische Anlage und lädt
die Batterie wieder auf, bis sie auf ihre normale maximale Arbeitskapazität wieder
aufgeladen ist.
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Bekannt
ist auch die Verwendung einer wiederaufladbaren Hilfs- bzw. Zusatzbatterie,
zum Beispiel eines Blei-Säure-Akkumulators,
um das Starten des Motors zu unterstützen. Die Hilfsbatterie wird auch
durch die motorbetriebene Batterieladevorrichtung wieder aufgeladen
und wird, wenn sie auf ihre maximale normale Kapazität wieder
aufgeladen ist, von der elektrischen Anlage getrennt (siehe beispielsweise
WO 94/04 394 und US-A-5 488 283).
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Gemäß der Erfindung
wird ein Fahrzeugbatterieregler zur Steuerung der Verbindung einer
wiederaufladbaren Hilfsbatterie mit einer wiederaufladbaren Hauptbatterie
einer elektrischen Anlage eines Fahrzeugs mit einer motorbetriebenen
Batterieladevorrichtung bereitgestellt, wobei der Regler umfaßt: eine
erste Vergleichseinrichtung zur Ermöglichung einer Verbindung der
Hilfsbatterie mit der Hauptbatterie während des Startens des Motors,
wenn die Hilfsbatteriespannung größer ist als eine erste Schwelle,
wobei die erste Vergleichseinrichtung die Hilfsbatterie mit der
Hauptbatterie vor einem Motorstartvorgang verbindet, wenn die Spannung
der Hauptbatterie die der Hilfsbatterie nicht um mehr als einen
vorbestimmten Spielraum überschreitet,
aber sonst die Hilfsbatterie nach dem Motorstartvorgang mit der
Hauptbatterie verbindet, und eine zweite Vergleichseinrichtung zur
Trennung der Hilfsbatterie von der Hauptbatterie während des
Motorlaufs, wenn eine Batteriespannung, die durch die Verbindung
der Hilfsbatterie mit der Hauptbatterie erzeugt wird, kleiner ist
als eine zweite Schwelle, wobei der Batterieregler so eingerichtet
ist, daß nach
der Trennung der Hilfsbatterie von der Hauptbatterie eine erste
Spannungsänderung
der Hilfsbatteriespannung und eine zweite Spannungsänderung
der Hauptbatteriespannung gemessen wird und die zweite Schwelle
dekrementiert wird, wenn die erste Spannungsänderung negativ ist und die
zweite Spannungsänderung
positiv ist, und die zweite Schwelle inkrementiert wird, wenn die
erste Spannungsänderung
positiv ist und die zweite Spannungsänderung negativ ist.
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Die
Batteriespannung, die während
des Motorlaufs gemessen wird, wenn die Hilfsbatterie mit der Hauptbatterie
verbunden ist, ist effektiv eine gemeinsame Batteriespannung und
kann an jedem geeigneten Punkt der elektrischen Anlage, zum Beispiel
an der Hilfsbatterie oder an der Hauptbatterie, gemessen werden.
Die Hilfsbatteriespannung wird vorzugsweise an der Hilfsbatterie
gemessen, um die Effekte von Spannungsdifferenzen zu vermeiden,
die zwischen der Hilfsbatterie und anderen Punkten in der elektrischen
Anlage auftreten und die beispielsweise durch den Stromfluß gegen
den endlichen Widerstand der Leiter bewirkt werden.
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Vorzugsweise
ist die zweite Vergleichseinrichtung so eingerichtet, daß nach der
Trennung der Hilfsbatterie von der Hauptbatterie die Hilfsbatterie mit
der Hauptbatterie verbunden wird, wenn die Hauptbatteriespannung
größer ist
als eine dritte Schwelle. Vorzugsweise ist die dritte Schwelle im
wesentlichen gleich der zweiten Schwelle.
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Vorzugsweise
ist der Regler so eingerichtet, daß die Hilfsbatterie mit der
Hauptbatterie verbunden wird, wenn die erste Spannungsänderung
negativ ist und die zweite Spannungsänderung positiv ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Anlage eines
Fahrzeugs mit einem Regler gemäß der Erfindung
bereitgestellt.
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Vorzugsweise
ist der Regler so eingerichtet, daß ein Schalter, zum Beispiel
ein Schaltschütz,
der zwischen die Hilfsbatterie und die Hauptbatterie geschaltet
ist, gesteuert wird. Es ist also möglich, eine Anordnung bereitzustellen,
die es zuverlässig
ermöglicht,
daß ein
Fahrzeugmotor nach Nichtverwendung für die Dauer einer erheblichen
Zeitperiode gestartet wird. Während
einer solchen Nichtverwendung bleiben verschiedene Lasten, zum Beispiel
Uhren und Alarmsysteme, mit der Hauptbatterie verbunden und können nach
einer ausreichenden Zeitperiode die Hauptbatterie derartig entladen,
daß sie
nicht in der Lage ist, den Motor zu starten. Eine solche Situation wird
unter Kältebedingungen
erschwert, wobei die Hauptbatteriekapazität weiter reduziert wird. Während der
Nichtverwendung ist die Hilfsbatterie getrennt und wird daher nicht
durch Lasten im Fahrzeug entladen. Unter normalen Umständen und
unter Kältebedingungen
behält
die Hilfsbatterie eine ausreichende Ladung, damit der Fahrzeugmotor
unabhängig
vom Zustand der Hauptbatterie gestartet werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Aufgabe der Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung
der Verwendung einer Hilfsbatterie in einer elektrischen Anlage eines
Fahrzeugs bereitgestellt, die eine Hauptbatterie, eine Hilfsbatterie,
eine Motorstartvorrichtung und eine motorbetriebene Batterieladevorrichtung
aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
- (a) Vergleichen der Hilfsbatteriespannung mit
der ersten Schwelle, bevor der Motor gestartet wird, und Verhindern
einer Verbindung der Hilfsbatterie mit der Hauptbatterie, wenn die
Hilfsbatteriespannung kleiner ist als die Schwelle;
- (b) Vergleichen des Übermaßes der
Hauptbatteriespannung gegenüber
der Hilfsbatteriespannung mit einem vorbestimmten Spielraum;
- (c) Verbinden der Hilfsbatterie mit der Hauptbatterie nach einem
Motorstartvorgang, wenn das Übermaß den Spielraum überschreitet,
jedoch sonst vor dem Startvorgang;
- (d) Vergleichen der gemeinsamen Batteriespannung, die durch
die Verbindung der Hilfsbatterie mit der Hauptbatterie erzeugt wird,
wenn der Motor läuft,
mit einer zweiten Schwelle;
- (e) Trennen der Hilfsbatterie von der Hauptbatterie, wenn die
gemeinsame Batteriespannung kleiner ist als die zweite Schwelle;
- (f) Bestimmen einer ersten Änderung
der Spannung der Hilfsbatterie und einer zweiten Änderung der
Spannung der Hauptbatterie während
eines Intervalls, wenn der Motor läuft und die Batterien nicht
miteinander verbunden sind; und
- (g) Dekrementieren der zweiten Schwelle, wenn die erste Änderung
negativ ist und die zweite Änderung
positiv ist, und Inkrementieren der zweiten Schwelle, wenn die erste Änderung
positiv ist und die zweite Änderung
negativ ist.
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Vorzugsweise
umfaßt
das Verfahren die folgenden weiteren Schritte:
- (h)
Vergleichen der Hauptbatteriespannung, wenn der Motor läuft und
die Hilfsbatterie von der Hauptbatterie getrennt ist, mit einer
dritten Schwelle; und
- (i) Wiederverbinden der Hilfsbatterie mit der Hauptbatterie,
wenn die Hauptbatteriespannung größer ist als die dritte Schwelle.
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Vorzugsweise
ist die dritte Schwelle gleich der zweiten Schwelle.
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Vorzugsweise
weist das Verfahren den weiteren Schritt auf: Verbinden der Hilfsbatterie
mit der Hauptbatterie, wenn die erste Änderung negativ ist und die
zweite Änderung
positiv ist.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen mit Bezug auf die
beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben, wobei diese folgendes zeigen:
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1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines
Teils der elektrischen Anlage eines Fahrzeugs mit einem Regler,
der eine Ausführungsform
der Erfindung bildet; und
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2 und 3 sind Flußdiagramme, die den Betrieb
des Reglers in 1 darstellen.
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Die
elektrische Anlage eines Fahrzeugs, die in 1 gezeigt ist, umfaßt eine elektrische Steuerungseinheit 1 zur
Steuerung der elektrischen Anlage des Fahrzeugs. Die Steuerungseinheit 1 kann
beispielsweise eine oder mehrere Mikrosteuereinrichtungen umfassen,
die so programmiert sind, daß alle Funktionen
durchgeführt
werden, die notwendig sind, um den Motor, zum Beispiel einen Verbrennungsmotor,
des Fahrzeugs und alle anderen elektrischen Schaltungen im Fahrzeug
zu steuern. Insbesondere weist die Steuerungseinheit 1 einen
Batterieregler auf, der als eine der Mikrosteuereinrichtungen ausgeführt sein
kann, die durch geeignete Software programmiert werden.
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Die
elektrische Anlage umfaßt
ferner eine Hilfsbatterie 2, die auch als Primär- oder
Anlaßbatterie
bekannt ist und die mit einer Hauptbatterie verbindbar ist, die
auch als Sekundär-
oder Bordlastbatterie 3 bekannt ist, und zwar mittels eines
Schaltschützes 4,
der von der Steuerungseinheit 1 gesteuert wird. Die Batterien 2 und 3 können beispielsweise von
der Steuerungseinheit 1 entfernt angeordnet sein, beispielsweise
im Kofferraum oder im hinteren Gepäckfach des Fahrzeugs. Bei einem
frontgetriebenen Fahrzeug ist die Steuerungseinheit 1 normalerweise
im Motorraum im vorderen Teil des Fahrzeugs angeordnet. Die Steuerungseinheit 1 hat
Eingänge, die über Leitungen 5 und 6 mit
den Anschlüssen
der Batterien 2 und 3 verbunden sind, um die Spannungen
der Hilfs- und der Hauptbatterie zu messen. Diese Anordnung vermeidet
die Effekte von Spannungsabfällen
entlang der Leiter 7 und 8, die die von den Batterien 2 und 3 gelieferten
elektrischen Ströme transportieren
und die Spannungsabfälle
bewirken.
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Die
Hauptbatterie 3 ist dauerhaft mit einem Motoranlasser 9 in
Form eines Elektromotors verbunden, der über eine Getriebeanordnung
mit der Motorabtriebswelle verbindbar ist. Die Hauptbatterie 3 ist
auch dauerhaft mit einem motorbetriebenen Wechselstromgenerator 10,
mit Motorstützlasten 11 und
mit anderen ununterbrochen angeschlossenen Lasten verbunden, die
als "Bordlasten" 12 bekannt sind,
zum Beispiel mit einer Fahrzeuguhr, einer Alarmanlage, einem elektromagnetischen
Türverriegelungssystem
und einer Fahrzeugbeleuchtungsanlage.
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Die
Steuerungseinheit 1 ist mit einem Zündschalter 13 zur
Steuerung der Verbindung der Batterie 3 mit den nicht dauerhaft
verbundenen Lasten, zum Beispiel einer Motorzündanlage und einem Kraftstoffzuführungssystem,
verbunden. Die Steuerungseinheit 1 ist auch mit einem Anlaßschalter 14 zur
Lieferung eines Signals verbunden, das zum Starten des Motors auffordert.
Die Steuerungseinheit 1 hat einen Ausgang, der über eine
Leitung 15 mit dem Anlasser 9 zur Steuerung des
Startens des Motors verbunden ist.
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Der
Betriebsablauf des Fahrzeugbatteriereglers in der Steuerungseinheit 1 ist
in 2 und 3 dargestellt. Der Ablauf beginnt im
Schritt 20 durch manuelle Betätigung des Zündschalters 13,
beispielsweise vor dem Starten des Motors. Im Schritt 21 stellt
der Regler sicher, daß der
Schaltschütz 4 offen
ist, so daß die
Hilfsbatterie 2 von der Hauptbatterie 3 und vom
Rest der elektrischen Anlage des Fahrzeugs getrennt ist. Im Schritt 22 mißt der Regler
die Klemmenspannungen V1 und V2 der Hilfsbatterie 2 bzw.
der Hauptbatterie 3. Im Schritt 23 vergleicht
der Regler die Hilfsbatteriespannung V1 mit einer Schwellspannung
X1, beispielsweise annähernd
9,25 Volt, um den Ladezustand der Hilfsbatterie 2 festzustellen. Wenn
die Hilfsbatteriespannung V1 kleiner ist als die Schwelle X1, wird
im Schritt 24 eine Warnanzeige ausgegeben, zum Beispiel
durch Aufleuchten einer Warnlampe am Armaturenbrett des Fahrzeugs.
Der Betrieb des Reglers endet dann mit dem Schritt 25, wobei
der Schaltschütz 4 offen
bleibt, um zu ermöglichen,
daß das
Fahrzeug mit Hilfe der Hauptbatterie 3 betrieben werden
kann. Der Schritt 23 stellt also sicher, daß die Hilfsbatterie 2,
wenn sie in einem schlechten Ladezustand ist, keinen nachteiligen
Effekt auf den Fahrzeugbetrieb haben kann, beispielsweise durch
Entladen der Hauptbatterie 3 in einem solchen Maße, daß das Fahrzeug
nicht gestartet werden kann. Eine solche Situation kann auftreten,
wenn die Hilfsbatterie 2 in einem schlechten Ladezustand ist
oder während
der vorausgegangenen Verwendung des Fahrzeugs nicht ordnungsgemäß vom Wechselstromgenerator 10 wieder
aufgeladen worden ist. Nach dem Starten des Fahrzeugs kann die Batterie
während
der Fahrt geprüft
werden, indem der Schaltschütz
geschlossen wird und die Batterie zu laden versucht wird, um zu
prüfen,
ob die Entscheidung richtig war.
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Wenn
der Ladezustand der Hilfsbatterie 2 ausreichend ist, wartet
der Regler, bis eine Anlaßaufforderung 26 infolge
einer manuellen Betätigung
des Anlaßschalters 14 empfangen
wird. Im Schritt 27 prüft
der Regler, ob die Hilfsbatteriespannung V1 kleiner ist als die
Hauptbatteriespannung V2, und zwar um mehr als eine Schwelle X2,
die beispielsweise 0,625 Volt entspricht. Wenn dies der Fall ist,
bleibt der Schaltschütz 4 offen,
und der Motor wird bei Schritt 28 angelassen und gestartet,
woraufhin der Schaltschütz
im Schritt 29 geschlossen wird, um ein Wiederaufladen der
Hilfsbatterie 2 durch den Wechselstromgenerator 10 bei
laufendem Motor zu ermöglichen.
Wenn die Hauptbatteriespannung V2 die Primärspannung V1 nicht um mehr
als die Schwelle X2 überschreitet,
wird als Alternative der Schaltschütz 4 im Schritt 30 geschlossen
und der Motor wird im Schritt 31 angelassen und gestartet.
Der Betrieb des Reglers, der in 2 dargestellt
ist, endet also, wenn der Motor läuft und der Schaltschütz 4 geschlossen ist,
woraufhin der Betriebsablauf so erfolgt, wie in 3 dargestellt.
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Im
Schritt 32 wird die Referenzspannung Vr zurückgesetzt,
beispielsweise auf annähernd
13 Volt.
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Im
Schritt 33 wird die Hauptbatteriespannung V2 gemessen.
Die Hauptbatteriespannung V2 wird im Schritt 34 mit der
Referenzspannung Vr verglichen. Wenn die Hauptbatteriespannung größer ist als
die Referenzspannung, erfolgt eine Rückkehr zum Schritt 33.
Die Hauptbatteriespannung V2, die auch ein Maß für die Hilfsbatteriespannung
ist, da der Schaltschütz 4 geschlossen
ist, wird also überwacht, um
sicherzustellen, daß die
Batterien vom Wechselstromgenerator 10 einwandfrei geladen
werden.
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Wenn
kein einwandfreies Wiederaufladen erfolgt, so daß die Spannung V2 nicht größer ist
als die Referenzspannung Vr, wird der Schaltschütz 4 im Schritt 35 geöffnet und
der sich daraus ergebende Effekt wird im Schritt 36 durch
Messung der Hilfs- und der Hauptbatteriespannung V1 und V2 bestimmt.
Der Regler wartet dann im Schritt 37 eine Zeitperiode T1, beispielsweise
wenige Sekunden, bevor die Batteriespannungen im Schritt 38 wiederum
gemessen werden. Im Schritt 39 werden die Änderungen
der Batteriespannungen anhand der vorherigen beiden Messungen der
Batteriespannungen berechnet, um festzustellen, ob die Hilfs- und
die Hauptbatteriespannung steigen oder fallen. Im Schritt 40 werden
die Batteriespannungen geprüft,
um festzustellen, ob die Hilfsbatteriespannung erhöht worden
ist und die Hauptbatteriespannung verringert worden ist. Dies tritt
auf, wenn die Last, die die elektrische Anlage darstellt, größer ist,
als vom Wechselstromgenerator 10 geliefert werden kann,
so daß die
Entscheidung, den Schaltschütz 4 zu öffnen und
die Hilfsbatterie 2 zu trennen, richtig war. In diesem
Fall wird die Referenzspannung Vr im Schritt 41 um ΔV erhöht, und
die Hauptbatteriespannung V2 wird im Schritt 42 gemessen.
Wenn die Hauptbatteriespannung V2 nicht größer ist als die neue Referenzspannung
Vr, wie im Schritt 43 geprüft, wartet der Regler im Schritt 44 eine Zeitperiode
T2, zum Beispiel wenige Sekunden, und wiederholt dann die Schritte 42 und 43.
Wenn die Hauptbatteriespannung V2 die Referenzspannung Vr überschreitet,
wartet der Regler im Schritt 45 wieder, bevor der Schaltschütz im Schritt 46 geschlossen wird.
Dies tritt auf, wenn der Wechselstromgenerator 10 genügend Leistung
liefert, um die Anforderungen der Fahrzeuglasten zu erfüllen und
die Hauptbatterie 3 wieder aufzuladen, so daß die Hilfsbatterie 2 wieder durch
den Schaltschütz 4 mit
der Hauptbatterie zum Wiederaufladen durch den Wechselstromgenerator 10 verbunden
werden kann.
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Wenn
das Ergebnis der Prüfung 40 negativ ist,
wird ein Schritt 47 durchgeführt, um zu prüfen, ob die
Hilfsbatteriespannung V1 fällt
und die Hauptbatteriespannung V2 steigt. Diese Situation zeigt an, daß die Entscheidung,
den Schaltschütz 4 zu öffnen, falsch
war, so daß die
Referenzspannung Vr im Schritt 48 um ΔV dekrementiert wird und der
Schaltschütz
im Schritt 46 geschlossen wird. Andernfalls erfolgt eine
Rückkehr
zum Schritt 33.
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Ein
Schritt 49 prüft,
ob die Referenzspannung Vr einen maximalen Wert Vrh überschreitet, und
setzt, wenn dies so ist, im Schritt 50 die Referenzspannung
auf Vrh zurück.
Ebenso prüft
ein Schritt 51, ob die Referenzspannung Vr unter einer minimalen
Referenzspannung Vrl ist und setzt die Referenzspannung im Schritt 52 auf
Vrl zurück.
Beispiele von Werten für
Vrh und Vrl sind 13 bzw. 12,5 Volt. Der Regler wartet dann im Schritt 53 eine
Zeitperiode T2, nach der eine Rückkehr
zum Schritt 33 erfolgt.
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Die
Schritte 41 und 48 zusammen mit den zugeordneten
Schritten passen die Schwelle Vr an, um Probleme zu beseitigen,
die sonst auftreten könnten,
wenn die Ladung in der Hilfsbatterie 2 erheblich abfällt. Unter
diesen Umständen
kann die Verwendung einer festen Schwelle Vr dazu führen, daß nicht genügend Ladung
vom Wechselstromgenerator 10 an die Batterie 2 geliefert
wird, um sie auf ihre normale maximale Ladung wieder aufzuladen.
Durch Anpassung der Schwelle Vr stellt der Regler sicher, daß unabhängig vom
Anfangszustand der Ladung der Hilfsbatterie 2 und somit
von ihrer Klemmenspannung die elektrische Anlage die Hilfsbatterie 2 wieder richtig
auflädt.
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Es
ist also möglich,
eine Anordnung bereitzustellen, die mit einem hohen Grad an Zuverlässigkeit sicherstellt,
daß die
Hilfsbatterie 2, wenn der Motor läuft, nur unter den Umständen mit
der elektrischen Anlage verbunden ist, die sicherstellen, daß die Hilfsbatterie
nicht unerwünschterweise
entladen wird. Die Hilfsbatterie 2 bleibt also in der Lage,
den Motor starten zu lassen, beispielsweise nach der Entladung der Hauptbatterie 3,
als Folge des Umstands, daß der Fahrzeugmotor
für eine
erhebliche Zeitperiode nicht betrieben wurde, und zwar trotz der
konstanten elektrischen Lasten, zum Beispiel einer Fahrzeuguhr und einem
Fahrzeugalarmsystem, die die Batterie 3 belasten.