JP4130804B2 - 自動車用搭載電源における使用可能な電力をもとめるための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
技術的な専門分野
本発明は、エネルギ供給システム、とりわけ自動車用搭載電源における使用可能な電力をもとめるための方法及び装置に関し、この使用可能な電力はバッテリ及びジェネレータから供給される。
【０００２】
自動車における電気的負荷の電力必要量は快適性と操作性の向上のための負荷の数の増加及び副次的装置の電気化によって大きく増大する。所定の動作状態においてジェネレータ（点灯用発電機）により提供される電力はもはや全電力必要量をカバーするには十分ではない。電気的エネルギ乃至は負荷マネージメントの枠内で所期の手段を講ずることができるためには、電力供給と電力需要の瞬時の比率に関する情報が必要である。
【０００３】
自動車用搭載電源における例えば電気機械的なブレーキ（ＥＭＢ）のような安全性に関してクリティカルな電気的負荷の使用の際には、故障を早めに識別し対策を講じることができるために、このシステムのエネルギ供給が絶えず監視されなければならない。この目的のために、現代の自動車用搭載電源はエネルギ乃至は負荷マネージメントシステムを含み、このエネルギ乃至は負荷マネージメントシステムによって車両バッテリは負荷の投入接続の前にそのパフォーマンスに関して検査される。バッテリの所定の負荷制限を上回る危険性が存在する場合には、例えば充電電圧を高めることによるバッテリのパフォーマンスを高めるための手段又はバッテリ負荷の低減のための手段が、とりわけ負荷の遮断又は調光が実施される。
【０００４】
自動車用搭載電源は通常はバッテリならびにエンジン稼働中にはジェネレータ（点灯用発電機）によって給電される。車両バッテリの負荷耐性乃至はパフォーマンスは適当なバッテリモデルを用いて推定でき、これから所定の負荷が投入接続できるか又は安全性に関してクリティカルな装置の故障を阻止するために負荷低減手段を開始しなければならないかがもとめられる。このようなバッテリモデルは例えばＤＥ-Ｐ１０１０６５０８.６に記述されている。しかし、この場合、ジェネレータにより提供される電力は考慮されない。
【０００５】
いわゆるＤＦ信号（ジェネレータの励磁を活性化乃至は不活性化するための制御信号）を介して、たしかにジェネレータの利用度（Auslastungsgrad）がもとめられる。しかし、この場合、ジェネレータの瞬時の電力送出及びとりわけ瞬時の電力リザーブの推定は不可能である。なぜなら、ジェネレータの電力送出はその都度の動作状態（温度、電圧、回転数、利用度）に強く依存するからである。
【０００６】
従って、本発明の課題は、ジェネレータにより提供される電力をより正確にもとめ、この情報をより最適なエネルギ乃至は負荷マネージメントのために利用するための方法乃至は装置を提供することである。
【０００７】
上記課題は特許請求項１乃至は１５に記載された構成によって解決される。本発明の更なる実施形態は従属請求項の対象である。
【０００８】
本発明の基本思想は、バッテリ及びジェネレータから供給される自動車用搭載電源における使用可能な電力を、バッテリモデルの評価によりもとめるだけでなく、さらにジェネレータモデルを設け、このジェネレータモデルによってジェネレータから使用可能なリザーブ電力を正確に計算することができることである。バッテリモデル及びジェネレータモデルからもとめられるリザーブ電力は最終的には収支計算され、この結果、自動車用搭載電源における使用可能なリザーブ電力乃至は電力不足が計算される。
【０００９】
ジェネレータモデルはソフトウェアとしてもハードウェア（回路）としても構成され得る。本発明の有利な実施形態によれば、ジェネレータモデルにはジェネレータ電圧、ジェネレータ回転数ならびにジェネレータ温度乃至は最初に挙げたパラメータが導出される量（例えば冷却剤温度であり、この冷却剤温度からジェネレータ温度が推定される）が供給される。ジェネレータモデルの使用によってジェネレータの動作状態（電圧、回転数、温度、利用度）に依存するジェネレータの瞬時に使用可能な電力及び電力リザーブがもとめられる。
【００１０】
ジェネレータモデルは有利にはジェネレータ特性曲線が格納されているプログラムであり、これらのジェネレータ特性曲線は所定の動作パラメータに依存するジェネレータ電圧乃至は電力の経過を再現している。
【００１１】
電力収支計算から得られる自動車用搭載電源に存在するリザーブ電力に関する情報は負荷マネージメントのために利用される。例えば、バッテリ及び/又はジェネレータの負荷制限が予め設定され、これらの負荷制限を負荷の投入接続の際には上回ってはならない。
【００１２】
所定の負荷の投入接続の際のバッテリ又はジェネレータの予期される反応（電圧降下、利用度の上昇）は、例えば適当なモデルを用いて予測され得る。このために、このモデルは例えば予め設定された最大利用度を負荷の投入接続の後の予期される利用度と比較する。このような比較によって、バッテリ乃至はジェネレータが当該負荷の確実な動作のために必要な最小限の電圧を提供できるか否かに関する明確な情報が可能である。
【００１３】
バッテリ又はジェネレータの負荷は段階的に制限される。つまり、異なる負荷制限を予め設定することができ、これらの異なる負荷制限は異なる負荷に対して当てはまる。負荷マネージメント（マネージメントプログラムを有する制御ユニット）では、例えば、自動車用搭載電源の予め設定された負荷より上では所定の負荷だけが投入接続され、他の負荷は投入接続できない。
【００１４】
予め設定された負荷制限を上回ると、有利には対策が講じられる。電力不足の識別の際には、例えばエンジンのアイドリング回転数の増大のような安定化手段が実施されるか、又は、負荷の遮断乃至は調光が開始される。
【００１５】
本発明の有利な実施形態によれば、予め設定される制限値を上回ることが示される。
【００１６】
自動車用搭載電源における電力リザーブが十分な場合には、余剰電力がバッテリサーモマネージメントのために使用される。つまり、バッテリが加熱され、これによってバッテリがより良好な充電特性を示す。
【００１７】
本発明の有利な実施形態によれば、バッテリモデルにはバッテリ測定値、とりわけバッテリ電圧乃至はバッテリから供給される電流が供給され、これらに基づいてこのバッテリモデルにおいて基礎となるモデルパラメータは偏差の場合には適合される。このようにしてバッテリモデルは周知のように寿命の間常に劣化し続けるバッテリの瞬時の状態をダイナミックにフォロウする。
【００１８】
同じように、使用されるジェネレータモデルにはジェネレータ測定値、とりわけジェネレータ電圧、ジェネレータ回転数及び/又はジェネレータ温度が供給される。しかし、バッテリモデルとは対照的に、ジェネレータモデルは有利にはスタティックである。試験台測定によって温度、負荷等々に依存してもとめられたジェネレータモデルの基礎となる特性曲線は有利には変化しない。
【００１９】
本発明の有利な実施形態によれば、ジェネレータ電圧はジェネレータの予め設定された利用度までは推定される。例えば（ＤＦ信号を介して得られる）９０％の予め設定された利用度以上ではじめてジェネレータ電圧はバッテリ電圧及びバッテリへの接続線路において降下する電圧から計算される。
【００２０】
図面
本発明を次に添付した図面に基づいて例として詳しく説明する。
【００２１】
図１は自動車用搭載電源における使用可能な全リザーブ電力をもとめるためのシステムの概略的なブロック回路図を示し、
図２はジェネレータモデルの機能回路図を示し、
図３はバッテリモデルの機能回路図を示し、
図４は電気的な自動車用搭載電源の簡略化された等価回路図を示す。
【００２２】
図１は自動車用搭載電源における使用可能な電力をもとめるための装置の概略的な回路図を示し、この回路図の中心的な構成部材はバッテリモデル２及びジェネレータモデル４である。このバッテリモデル及びジェネレータモデルはソフトウェアとしてデータ処理装置にインプリメントされる。
【００２３】
バッテリモデル２にはバッテリセンサ装置１から測定されたバッテリ測定値、とりわけバッテリ電圧又はバッテリ電流が供給される。これらの基準値からバッテリの充電状態（ステート・オブ・チャージ）ならびにパフォーマンス（ステート・オブ・ヘルス）がもとめられる。これからまた所定の負荷の投入接続によって生じるであろうバッテリの負荷が例えば電圧制限Ｕ_制限のような予め設定された負荷制限を下回るかどうかが検出される。この場合、電圧制限は、安全性に関して重要な装置の動作が危険にさらされないように設定される。
【００２４】
電圧制限は例えばバッテリ経年変化によるバッテリパフォーマンスの低下の識別の際には追従制御される。
【００２５】
バッテリが負荷制限Ｕ_制限に到達するまでに駆動できる最大負荷電流ならびに瞬時のバッテリ内部抵抗Ｒ_バッテリから、バッテリリザーブ電力ΔＰ_バッテリがもとめられる。
【００２６】
図３はバッテリ状態識別部を有するバッテリモデルを示す。このバッテリモデルには制限電圧Ｕ_制限が与えられ、この制限電圧Ｕ_制限から、電圧制限Ｕ_制限に到達するまでに供給可能な電流Ｉ_負荷ならびにバッテリ内部抵抗Ｒ_バッテリがもとめられる。バッテリリザーブ電力ΔＰ_バッテリに対しては次式が成り立つ：
ΔＰ_バッテリ＝Ｉ^２ _負荷＊Ｒ_バッテリ
ジェネレータにより提供されるリザーブ電力ΔＰ_{ジェネレータ}は次のようにもとめられる（図１及び２参照）：ジェネレータモデル４はまず最初に瞬時の最大ジェネレータ電力Ｐ_{ジェネレータＭａｘ}をもとめる。
【００２７】
図２のジェネレータモデル４の入力量は、ジェネレータ電圧Ｕ_{ジェネレータ}、ジェネレータ回転数ｎ_{ジェネレータ}（これはエンジン回転数と一定の関係にある）及びジェネレータ冷却剤温度Ｔ_冷却剤（これはジェネレータ温度と一定の関係にある）である。
【００２８】
ジェネレータ電圧Ｕ_{ジェネレータ}は、バッテリとジェネレータとの間の接続線路３における電圧降下ΔＵ_線路を介して及びバッテリ電圧から計算される。次式が成り立つ：
Ｕ_{ジェネレータ}＝Ｕ_バッテリ＋ΔＵ_線路 （１）
ここからジェネレータモデル４は瞬時のジェネレータ電力Ｐ_{ジェネレータ}をもとめる。ジェネレータにより提供されるジェネレータリザーブ電力ΔＰ_{ジェネレータ}に対して次式が成り立つ：
ΔＰ_{ジェネレータ}＝Ｐ_{ジェネレータＭａｘ}−Ｐ_{ジェネレータ}
システムにおける使用可能な全てのリザーブ電力乃至は電力不足は（計算ユニットにおける）電力収支計算部５を用いてもとめられる。自動車用搭載電源における瞬時の全電力余剰乃至は電力不足ΔＰ_搭載電源に対しては次式が成り立つ：
ΔＰ_搭載電源＝ΔＰ_バッテリ＋ΔＰ_{ジェネレータ}
ジェネレータ電力をもとめるための代替的な方法は、ジェネレータ電圧Ｕ_{ジェネレータ}をバッテリ電圧Ｕ_バッテリ、バッテリ電流Ｉ_バッテリ及び負荷電力Ｐ_負荷からもとめることである。バッテリ電圧Ｕ_バッテリ及びバッテリ電流Ｉ_バッテリをもとめるためには相応のセンサ装置が必要である。負荷電力Ｐ_負荷は負荷状態（オン/オフ）及び既知の負荷-電力パラメータを介して決定される。電気的な自動車用搭載電源の簡略化された等価回路図が図４に図示されている。
【００２９】
ジェネレータ１０は接続線路１３を介して抵抗Ｒ_Ｖを有する負荷１４に接続され、さらに更に別の線路１２を介してバッテリ１１に接続されている。ジェネレータ電圧Ｕ_{ジェネレータ}をもとめるためには、以下の方程式が立てられる：
Ｕ_{ジェネレータ}＝Ｉ_{ジェネレータ}＊Ｒ_Ｌ２＋U_負荷
Ｉ_{ジェネレータ}＝Ｉ_バッテリ＋Ｉ_負荷
Ｉ_負荷＝Ｐ_負荷／（Ｉ_バッテリ＊Ｒ_Ｌ１＋U_バッテリ）及び
U_負荷＝Ｉ_バッテリ＊Ｒ_Ｌ１＋U_バッテリ
こうしてもとめられたジェネレータ電圧は推定（１）の代わりに図２のジェネレータモデル４に対する入力量として使用される。
【００３０】
ただし、この方法の欠点は、個々の負荷パラメータの比較的高いパラメータ化コストであり、このパラメータ化コストはさらに車両の装備の程度に依存する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 自動車用搭載電源で使用可能な全リザーブ電力をもとめるためのシステムの概略的なブロック回路図を示す。
【図２】 ジェネレータモデルの機能回路図を示す。
【図３】 バッテリモデルの機能回路図を示す。
【図４】 電気的な自動車用搭載電源の簡略化された等価回路図を示す。
【符号の説明】
１ バッテリセンサ装置
２ バッテリモデル
３ 線路
４ ジェネレータモデル
５ 電力計算部
１０ ジェネレータ
１１ バッテリ
１２ バッテリ接続線路
１３ ジェネレータ接続線路
１４ 負荷

Claims (14)

1. エネルギー供給システム、とりわけ電気的な自動車用搭載電源における使用可能な電力をもとめるための方法において、前記電力はバッテリ（１１）及びジェネレータ（１０）により供給され、前記方法は以下のステップを含む：
   バッテリモデル（２）を用いてバッテリリザーブ電力（ΔＰ_バッテリ）をもとめるステップ、
   ジェネレータモデル（４）を用いてジェネレータリザーブ電力（ΔＰ_{ジェネレータ}）をもとめるステップ、及び、
   使用できる全リザーブ電力を前記バッテリリザーブ電力（ΔＰ_バッテリ）及び前記ジェネレータリザーブ電力（ΔＰ_{ジェネレータ}）から計算するステップを含む、エネルギー供給システム、とりわけ電気的な自動車用搭載電源における使用可能な電力をもとめるための方法において、
   ジェネレータモデル（４）は入力量としてジェネレータ電圧（Ｕ _{ジェネレータ} ）、ジェネレータ回転数（ｎ _{ジェネレータ} ）及びジェネレータ温度（Ｔ _{ジェネレータ} ）乃至は上記パラメータを導出可能な量を受け取り、
   ジェネレータモデル（４）に供給されるジェネレータ電圧（Ｕ _{ジェネレータ} ）はジェネレータの予め設定された利用度までは推定されることを特徴とする、エネルギー供給システム、とりわけ電気的な自動車用搭載電源における使用可能な電力をもとめるための方法。
2. バッテリモデル（２）は、バッテリセンサ装置（１）により測定されるバッテリ測定値に基づいてバッテリの瞬時の状態に適合されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. ジェネレータモデル（４）はスタティックであることを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. バッテリモデル（２）はバッテリ状態識別部を含み、該バッテリ状態識別部によってバッテリのパフォーマンスが推定可能であることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載の方法。
5. ジェネレータ電圧（Ｕ_{ジェネレータ}）は予め設定された利用度より上においてバッテリ電圧（Ｕ_バッテリ）及び接続線路（１３）において降下する電圧（Ｕ_Ｌ２）から計算されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
6. 自動車用搭載電源における使用可能な電力は前記自動車用搭載電源において接続された負荷の負荷マネージメントのために利用されることを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載の方法。
7. エネルギ供給システムの負荷に対して、とりわけバッテリ又はジェネレータの負荷に対して、制限値（Ｕ_制限）が設定可能であることを特徴とする、請求項１〜６のうちの１項記載の方法。
8. 予め設定された制限値（Ｕ_制限）のうちの１つを下回るか又は下回りそうな場合には、エネルギ消費低減手段が開始されることを特徴とする、請求項７記載の方法。
9. 制限値（Ｕ_制限）のうちの１つを下回ることが示されることを特徴とする、請求項７又は８記載の方法。
10. 負荷（１４）の投入接続は十分なリザーブ電力においてのみ可能であることを特徴とする、請求項１〜９のうちの１項記載の方法。
11. 自動車用搭載電源から供給される電力リザーブはバッテリサーモマネージメントのために利用されることを特徴とする、請求項１〜１０のうちの１項記載の方法。
12. 制限値（Ｕ_制限）のうちの１つを下回る場合に、予め設定された負荷が調光又は遮断されることを特徴とする、請求項７又は８記載の方法。
13. エネルギー供給システム、とりわけ自動車用搭載電源における使用可能な電力をもとめるための装置において、前記電力はバッテリ及びジェネレータにより供給され、前記装置は計算ユニットを含み、
    該計算ユニットは、
    前記バッテリから使用可能なリザーブ電力（ΔＰ_バッテリ）をもとめるためのバッテリモデルを有し、
    ジェネレータから使用可能なリザーブ電力（ΔＰ_{ジェネレータ}）をもとめるためのジェネレータモデルを有し、
    前記計算ユニットは自動車用搭載電源における使用可能な全リザーブ電力（ΔＰ_搭載電源）をバッテリリザーブ電力（ΔＰ_バッテリ）及びジェネレータリザーブ電力（ΔＰ_{ジェネレータ}）から計算することができる、エネルギー供給システム、とりわけ自動車用搭載電源における使用可能な電力をもとめるための装置において、
    ジェネレータモデル（４）は入力量としてジェネレータ電圧（Ｕ _{ジェネレータ} ）、ジェネレータ回転数（ｎ _{ジェネレータ} ）及びジェネレータ温度（Ｔ _{ジェネレータ} ）乃至は上記パラメータを導出可能な量を受け取り、
    ジェネレータモデル（４）に供給されるジェネレータ電圧（Ｕ _{ジェネレータ} ）はジェネレータの予め設定された利用度までは推定されることを特徴とする、エネルギー供給システム、とりわけ自動車用搭載電源における使用可能な電力をもとめるための装置。
14. バッテリ電流（Ｉ_バッテリ）及びバッテリ電圧（Ｕ_バッテリ）をもとめるためのバッテリセンサ装置（１）が設けられていることを特徴とする、請求項１３記載の装置。

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