KR20140009247A - 내연 기관의 시동 능력을 결정하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

내연 기관의 시동 능력을 결정하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리에 의해 동력을 공급받는 전기 모터에 의해 시동될 수 있는 차량의 내연 기관의 시동 능력을 결정하기 위한 방법으로서, 제1 시점에서 내연 기관의 성공적인 시동 시퀀스 중 제1 배터리 파라미터 값을 검출하는 단계; 상기 제1 시점 후 제2 시점에서 제2 배터리 파라미터 값을 검출하는 단계; 상기 제2 시점에서, 검출된 제1 및 제2 배터리 파라미터 값에 기초하여 제3 시점에서 수행되는 내연 기관의 시동 시퀀스에 대한 예상 배터리 전압을 결정하는 단계; 상기 제3 시점에서 예상된 배터리 전압과 사전규정된 한계치를 비교하여 그로부터 내연 기관의 시동 능력을 도출하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.

Description

내연 기관의 시동 능력을 결정하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING THE STARTING CAPABILITY OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관의 시동 능력을 결정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 내연 기관을 갖춘 차량은 배터리가 내장 전력 시스템(on-board power system) 전압을 안정화시키고 내연 기관을 시동시킬 것을 요구한다. 모든 차량의 대부분에서, 이것은 매우 다양한 실시 형태를 포함할 수 있는 납산 배터리(lead acid battery)이다.
주행 중, 이러한 배터리는 내연 기관에 의해 구동되는 발전기에 의해 충전되고, 내연 기관의 정지 상태 동안, 배터리는 부하가 연결된 때 방전된다. 정지 상태 동안 배터리가 너무 강하게 방전되면, 이는 내연 기관을 시동시키는 것이 더 이상 가능하지 않은 상황을 초래할 수 있다.
CO2 배출을 감소시키는 관점에서, 내연 기관은 차량이 정지된 때(예를 들어 신호등에서) 완전히 꺼지도록 의도되고, 배터리는 특히 내연 기관의 오버런 모드(overrun mode)에서 발전기에 의해 충전되도록 의도된다. 이러한 방법은 극단적인 경우에 스트랜딩(stranding), 즉 내연 기관 시동 불능을 초래할 수 있는, 배터리의 음의 충전 밸런스(negative charge balance)의 위험을 증가시키는 경향이 있다.
고정 배터리(예를 들어 전력 상실의 경우에 전력 공급을 보조하는, 전력의 발전 중 전력 피크를 완충시키는)의 진단과 비교하여, 이동 응용(승용차, 트럭, 버스 및 또한 포크 리프트 트럭 등에서)에서는 보통 캐치 포인트(catch point)가 없으며, 즉 진단을 위한 절대적으로 확정가능한 배터리 특성값(예를 들어 명확한 완충, 명확한 방전, 명확한 완전 휴지 상태 등)이 없다. 배터리의 상태는 보통 충전 상태에서 70%와 95% 사이에서 변동하고, 전류는 절대 정확히 0 A이지 않으며, -40℃ 내지 90℃의 온도 범위가 가능하고, 여기에서 온도는 보통 작동 중 일정하지 않다.
배터리를 진단하기 위해, 그것은 예를 들어 입력 변수로서 배터리 전류, 배터리 전압 및 배터리 온도를 필요로 하는 전기 모델에 의해 묘사될 수 있다. 또한, 전류 또는 전압이 배터리의 진단을 위해 직접 사용되지 않고, 그 대신에 배터리 저항이 다양한 주파수에서 사용되는 해법이 있다. 여기에서 전압은 보통 분압기의 하류에 연결되는 아날로그/디지털(A/D) 컨버터에 의해 측정된다. 전류 및 온도의 아날로그 변수가 우선 각각 전압값으로 변환되고, 이어서 이러한 전압값이 또한 각각의 경우 A/D 컨버터에 의해 수치로 변환된다. 여기에서 전류의 검출은 분로 저항기의 전압 강하에 걸쳐 간접적으로 또는 전류에 의해 유도되는 자기장(예를 들어 홀 효과)에 의해 수행된다. 온도의 측정을 위해, 정 온도 계수 서미스터(positive temperature coefficient(PCT) thermistor) 또는 부 온도 계수 서미스터(negative temperature coefficient(NTC) thermistor)와 같은 온도-의존성 저항 재료가 적합하다.
전압은 이상적으로는 배터리의 전극에서 측정된다. 전체 배터리 전류, 즉 모든 부하의 전류의 합은 이상적으로는 두 전극 중 하나에서 직접 측정되고, 온도는 이상적으로는 배터리의 내부에서 측정된다. 여기에서 배터리 전류는 발전기 및 내장 전력 시스템의 전류 사이의 차이로부터 및/또는 배터리 전압으로부터 부분적으로 추정된다.
그러나, 대안적으로, 전류, 전압 및/또는 온도가 또한 다른 위치에서 측정될 수 있다. 그러나, 이때 결과적인 오차가 적합한 알고리즘에 의해 수치적으로 보정/보간되어야 한다. 이는 특히 보통 배터리 밖에서 측정되는 온도에 대해 수행된다. 모든 3개의 측정된 값의 A/D 변환은 흔히 배터리의 공간 부근에서(예를 들어 지능형 배터리 센서 내에서) 수행된다. 그러나, A/D 변환은 또한 측정 신호가 간섭 없이 임의의 원하는 제어 유닛까지 전송될 수 있게 하기에 충분히 강하면 상기한 제어 유닛에서 수행될 수 있으며; 예를 들어 소정 상황 하에서 신호는 홀 센서 내에서 증폭될 수 있다.
전류의 측정은 원가 동인(cost driver)인 것으로 판명되었다. 이러한 이유로, 과거에 이미 배터리 전류를 측정함이 없이 배터리를 진단하는 것을 수반하는 접근법이 있었다. 그러나, 목적은 주로 충전 상태 또는 전체적으로 배터리가 이것이 충전된 것보다 크게 방전되는 음의 충전 밸런스를 추정하기 위한 것이었다.
그러나, 배터리의 충전 상태의 결정을 위해, 산 밀도 측정(시각, 청각, 유도 등)에 기반하는 방법이 또한 고려될 수 있다. 산 밀도는 배터리의 충전 상태와 직접 상관된다. 그러나, 이들 방법은 이전에는 널리 받아들여지지 않았다. 예외는 "매직 아이(magic eye)"로 지칭되는 것이다. "매직 아이"는 배터리의 하우징 내의 관찰 윈도우로서 구현되고, 산 함량의 정도 또는 배터리의 충전 상태를 색 변화에 의해 시각적으로 나타낸다.
그러나, 이와 관련하여 차량 그 자체의 시동 능력은 단지 부차적인 역할만을 하였는데, 왜냐하면 운전자가 항상 내연 기관을 껐고, 따라서 궁극적으로 그 자체 이동성에 책임이 있었기 때문이다. 시동/정지 시스템의 도입에 의해, 배터리 진단의 초점이 바뀌었다. "녹색"으로 갑자기 바뀌는 신호등에서 차량의 재시동이 본 논의의 핵심이다.
따라서, 본 발명의 목적은 내연 기관의 시동 능력이 결정되도록 허용하는 간단하고 유리한 기술적 해법을 이용할 수 있게 하는 데 있다.
이 목적은 특허청구범위 제1항에 청구된 방법과 특허청구범위 제7항에 청구된 장치에 의해 달성된다. 유리한 개선이 종속항의 요지이다.
내연 기관이 배터리에 의해 공급되는 전기 모터에 의해 시동될 수 있는, 차량의 내연 기관의 시동 능력을 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법은,
- 제1 시점에서 내연 기관의 성공적인 시동 과정 중 제1 배터리 파라미터 값을 검출하는 단계;
- 상기 제1 시점 후 제2 시점에서 제2 배터리 파라미터 값을 검출하는 단계;
- 상기 제2 시점에서, 제3 시점에서 후속되는 그리고 검출된 제1 및 제2 배터리 파라미터 값에 기초하는 내연 기관의 시동 과정에 대한 예상 배터리 전압을 결정하는 단계;
- 상기 제3 시점에서 예상된 배터리 전압과 사전규정된 한계치를 비교하여 그로부터 내연 기관의 시동 능력을 도출하는 단계를 갖는다.
그 결과, 차량이 더 이상 충분하지 않은 배터리 전력으로 인해 스트랜딩되지 않도록 방지된다.
본 발명의 하나의 유리한 개선에서, 시동 능력은 제3 시점에서 예상된 배터리 전압이 사전규정된 한계치 이상이면 존재한다. 이는 배터리 전압의 한계치가 엔진 제어 유닛과 같은 다른 전기 장치에 맞추어질 수 있는 이점을 갖는다.
본 발명의 다른 유리한 개선에서, 제2 시점에서 작동 중인 내연 기관이 내연 기관의 시동 능력이 제3 시점에서 존재하는 경우에만 정지된다. 이는 엔진이 꺼진 후 차량이 더 이상 시동될 수 없는 상황을 방지한다.
본 발명의 다른 유리한 개선에서, 제2 시점에서 정지된 내연 기관이 내연 기관의 전술된 시동 능력이 제3 시점에서 더 이상 존재하지 않으면 재시동된다. 이는 시동 능력에 필요한 전압에 이르지 못하기 전에 엔진이 시동되는 이점을 갖는다.
본 발명의 다른 유리한 개선에서, 파라미터는 배터리 전압 및/또는 배터리 온도를 포함한다. 이것들은 추가의 센서가 필요없도록 측정을 위한 센서가 보통 이미 존재하는 파라미터이다.
본 발명의 다른 유리한 개선에서, 추가의 파라미터로서, 전류가 흐르는 차량 차체 상의 지점과 배터리의 음극 사이의 전압이 측정된다. 이러한 추가의 전압은 시동 능력의 예측의 기초를 형성하는 파라미터의 타당성을 검사하는 역할을 한다.
본 발명의 제2 태양은 배터리에 의해 공급되는 전기 모터에 의해 시동될 수 있는 차량의 내연 기관의 시동 능력을 결정하기 위한 장치를 포함하며, 여기에서 장치는 다음의 특징부, 즉
■ 제1 시점에서 내연 기관의 성공적인 시동 과정 중 제1 배터리 파라미터 값을 검출하기 위한, 그리고
■ 상기 제1 시점 후 제2 시점에서 제2 배터리 파라미터 값을 검출하기 위한
- 적어도 하나의 센서;
■ 상기 제2 시점에서, 제3 시점에서 후속되는 그리고 검출된 제1 및 제2 배터리 파라미터 값에 기초하는 내연 기관의 시동 과정에 대한 예상 배터리 전압을 결정하기 위한, 그리고
■ 상기 제3 시점에서 예상된 배터리 전압과 사전규정된 한계치를 비교하여 그로부터 내연 기관의 시동 능력을 도출하기 위한
- 평가 유닛을 포함한다.
이는 내연 기관의 시동 능력을 결정할 수 있음으로 인해, 차량이 더 이상 충분하지 않은 배터리 전력으로 인해 스트랜딩되지 않도록 방지할 수 있는 이점을 갖는다.
본 발명의 하나의 유리한 개선에서, 평가 유닛은 제1 및 제2 시점에서 제1 및 제2 배터리 파라미터 값을 검출하기 위해 적어도 하나의 센서를 작동시키도록 구성된다. 그 결과, 제1 및 제2 배터리 파라미터 값이 최근값에 기초하여 검출되고, 시동 능력도 마찬가지로 최근값으로부터 결정되며, 그 결과 시동 능력의 예측이 상응하게 정확하다.
본 발명에 의하면, 내연 기관의 시동 능력이 결정되도록 허용하는 간단하고 유리한 기술적 해법이 제공된다.
이하에서는 본 발명이 도 1 내지 도 3을 참조하여 예시적으로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 도시한다.
도 2는 배터리 및 시동기의 전기 모델을 도시한다.
도 3은 시간에 대해 플로팅된 배터리 전압의 다이어그램을 도시한다.
도 1은 센서 및 평가 유닛(1)과 엔진 제어 유닛(11)을 도시한다. 센서 및 평가 유닛(1)은 입력으로서 아날로그 온도 신호를 갖는 제1 A/D 컨버터(2)와, 입력으로서 아날로그 전압을 갖는 제2 A/D 컨버터(3)를 포함한다. 제1 및 제2 A/D 컨버터(2, 3)에서, 아날로그 입력 변수가 디지털 값으로 변환된다.
센서 및 평가 유닛(1)은 또한 블록(4, 5, 6)을 포함한다.
블록(4)의 "Vlimit 리버스(Reverse) ΔT ΔSOC"(limit: 한계)에서, 마지막 시동 이후 배터리의 온도 변화(ΔT) 및 충전 상태 변화(ΔSOC)가 디지털화된 온도 및 전압 값으로부터 대응하는 알고리즘으로 계산된다.
블록(5)의 "시동 전압 예측"에서, 다음 엔진 시동을 위한 예측 배터리 전압이 일어났던 차량의 마지막 엔진 시동에서의 배터리 전압으로부터 계산되고, 다음 엔진 시동을 위한 예측 배터리 전압이 값 ΔT, ΔSOC를 사용하여 계산된다.
블록(6)의 "시동 능력 결정"에서, 예측 시동 전압이 적어도 엔진을 시동시키는데 필요한 배터리 전압과 비교된다. 적어도 필요한 배터리 전압은 배터리 온도로부터 계산되는, 엔진 제어 유닛(11) BCM/ECU의 파라미터로서 사전규정될 수 있거나 영구히 사전규정된 값일 수 있다. 비교의 결과가 "시동 능력" 파라미터로서 정지/시동 컨트롤러(12)로 전송되고, 이러한 정지/시동 컨트롤러는 이어서 시동 능력으로부터 엔진이 꺼질 수 있는지의 여부에 관해 결정하거나, 엔진을 자동으로 작동시키거나, 또는 운전자에게 엔진을 시동시킬 것을 요구한다.
도 1은 또한 센서 및 평가 유닛(1)과 교환할 수 있는 엔진 제어 유닛(11)을 도시한다. 엔진 제어 유닛(11)은 정지/시동 컨트롤러(12) 및 정지/시동 컨트롤러(12)의 파라미터(13)가 내부에 저장되는 메모리 유닛을 포함한다.
전압 및 온도를 측정하기 위한 센서는 유리하게는 다음의 구성요소를 포함할 수 있다:
- 플러그 및/또는 케이블 테일(cable tail) 및/또는 금속 클립을 갖춘 하우징,
- 전압을 수치로 변환시키기 위한 1개 또는 2개의 아날로그/디지털 컨버터,
- 시동 능력 및 다른 변수를 계산하기 위한 평가 유닛(마이크로컨트롤러),
- 시동 능력을 상위 제어 유닛(예를 들어, LIN, CAN 또는 PWM)으로 전달하기 위한 전달 출력부(가능하게는 또한 입력부),
- 배터리에 대한 우수한 열 연결을 갖는 하우징 내에서 또는 그것 밖에서 전압 신호(예를 들어 NTC 저항기)를 생성하는 온도 센서,
- 각각의 경우 배터리의 양극 및 음극에 대한, 대안적으로 또한 그 사이에 배터리 전압이 대략 존재하는 내장 전력 시스템 내의 두 점 또는 단자에 대한 A/D 컨버터의 아날로그 입력부의 전기 연결부.
센서는 엔진 컨트롤러 내에, 차체 컨트롤러(body controller) 내에, 배터리 내에 배치될 수 있거나, 독립적 전자 유닛으로서 배치될 수 있다.
또한, 센서는 전자 구성요소를 갖춘 그리고 전체적으로 차량의 제어 유닛 내에 설치되거나 제어 유닛 인쇄 회로 기판상에 장착되는 인쇄 회로 기판의 형태로 구현될 수 있다.
구체적으로, 하우징은 지역 상호연결 네트워크(local interconnect network)(LIN)를 위한 2개의 핀, 즉 직렬 버스 단자 및 배터리의 양극을 위한 단자(B+)를 갖춘 플러그를 구비할 수 있다. B+를 통해, 측정 전압이 도입되고, 또한 센서의 전력 공급이 보장된다. LIN 라인은 예를 들어 차체 컨트롤러 또는 엔진 컨트롤러에 연결되고, 또한 그것으로부터 정보를 수신한다. 하우징으로부터 연장되는 금속 클립이 센서를 배터리의 음극에 기계적으로 연결시키고, 또한 전기 연결 및 또한 배터리의 내부에 대한 열 결합을 보장한다. 대안적으로, 음극의 전압이 또한 플러그를 통해 도입될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 또한 예를 들어 전압을 공급하기 위한 구성요소와 같은 다른 구성요소를 포함할 수 있으며, 이러한 구성요소는 동시에 고정밀 기준 전압(예를 들어 3 V)을 이용가능하게 한다. 또한, 장치는 이미 A/D 컨버터(10 내지 16 비트)를 포함하고 있는 마이크로컨트롤러(μC)(예를 들어 NEC, 24 킬로바이트 ROM)를 포함할 수 있다. 배터리 전압을 원래 전압의 5 내지 50%로 감소시킬 수 있는 분압기가 또한 제공될 수 있다. NTC(클립에 대한 우수한 전기 접점)를 갖춘 기준 전압을 갖는 추가의 분압기가 온도에 의존하는 제2 전압을 공급할 것이다. 양 전압은 A/D 컨버터에 의해 수치로 변환될 것이고, 프로세서에 의해 추가로 처리될 것이다. 프로세서에 의해 계산되는 시동 능력은 LIN 단자를 통해 상위 제어 유닛으로 전송될 수 있다. 모든 구성요소는 인쇄 회로 기판을 통해 서로 연결될 수 있다. 시동 능력의 결여가 이어서 상위 제어 유닛에서 이동성을 보장할 반응으로 이어질 것이다.
구체적으로, 실제 시동 거동은 최소 전압 및/또는 시동 과정의 지속 시간 및/또는 시동 과정 중 전압 변화(dU/dt) 및/또는 전압 강하의 적분에 의해 시간 경과에 따라 묘사될 수 있다. 시동 능력(여기에서 예를 들어 최소 시동 전압)의 변화는 구체적으로 다음의 문장에 기술된 바와 같이 배터리의 전기 모델(
Figure pct00001
=
Figure pct00002
)(Battery: 배터리, Polarization: 분극, Starter: 시동기, max: 최대)로부터 계산될 수 있다.
도 2는 스위치에 의해 전기적으로 연결될 수 있는 배터리의 전기 모델(21) 및 시동기의 전기 모델(22)을 도시한다.
여기에서,
Figure pct00003
는 시동기의 전기 저항이고,
Figure pct00004
는 회전 속도 > 0에서 대항 전압(opposing voltage)을 유도하는 전기 모터이며,
Figure pct00005
및
Figure pct00006
는 배터리 내의 두 상이한 전기 저항이고,
Figure pct00007
및
Figure pct00008
는 배터리 내의 두 상이한 전기 정전 용량이며,
Figure pct00009
는 배터리 내의 전압 오프셋(voltage offset)이다. 커패시터 1 및 2의 두 전하량
Figure pct00010
및
Figure pct00011
의 합을 배터리의 최대 충전량
Figure pct00012
로 나눈 것을 보통 충전 상태(SOC),
Figure pct00013
로 지칭한다.
두 커패시터 사이의 전압 차이,
Figure pct00014
가 배터리의 분극 전압,
Figure pct00015
로 지칭될 수 있다. 배터리의 두 정전 용량 및 두 저항 둘 모두가 추가적으로 배터리 온도
Figure pct00016
와 배터리 전압
Figure pct00017
및
Figure pct00018
에 비선형 방식으로 의존한다.
시점 t0에서,
변수
Figure pct00019
Figure pct00020
및
Figure pct00021
는 알려진 것으로 가정된다.
이어서 배터리와 시동기 사이의 스위치가 닫히면, 시점 t1에서 전기 모델에서 다음의 예측 배터리 전압
Figure pct00022
(predicted: 예측)가 생성된다:
Figure pct00023
도 3은 시간에 대해 플로팅된 배터리 전압의 다이어그램을 도시한다. 시점 t0 및 t1은 사실상 동일하다. 전압 강하의 지속 시간은 본질적으로 급전 선로의 인덕턴스에 의해 영향받는다. t1과 t1a 사이에서, 전압
Figure pct00024
및
Figure pct00025
가 방전으로 인해 강하되는 동시에, 시동 모터의 유도된 대항 전압이 증가한다. 시점 t1a로부터 시작하여, 발전기가 배터리를 충전하기 시작한다. 동시에, 시점 t1(전압 최소)에서, A/D 컨버터의 전압
Figure pct00026
(Measurement: 측정)이 측정된다.
이어서 시점 t1과 추후 시점 t2 사이에서 전압 프로파일
Figure pct00027
가 배터리에 존재한다. 그 결과, 배터리의 두 전압에 대한 다음의 두 미분 방정식이 얻어진다:
Figure pct00028
온도 의존성을 알면 이들 미분 방정식을 풀 수 있다. 그 결과, 시점 t2에서 전압
Figure pct00029
및
Figure pct00030
가 계산될 수 있다. 시점 t2에서의 예측 전압은 다음과 같다:
Figure pct00031
이 식에 따른 예측 전압을 위한 다른 간단한 계산 방법에서, 단지 시간 경과에 따른 SOC, T 및 Vpolarization과 같은 특정 작동 파라미터의 변화에 대한 그 의존성만이 고려된다. SOC
Figure pct00032
에 대한, 온도
Figure pct00033
에 대한 그리고 분극 전압
Figure pct00034
에 대한 모델링된 배터리 전압의 의존성이 시점 t1에서 알려지면, 예측 전압이 전술된 식
Figure pct00035
와,
Figure pct00036
에 의해 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00037
Vpredicted(t2)는 모델로부터 얻어지는 예상되는 전압이다. VMeasurement는 현재 측정된 전압이다. Vpolarization은 아래에서 간단히 설명될 분극 전압으로 지칭되는 것이다:
사용할 수 있는 배터리 전압은 정지 전압과 분극 전압으로 구성된다. 정지 전압은 적어도 수 시간 동안 부하가 연결되지 않으면 배터리에 존재한다. 배터리의 작동 중, 부하가 보통 연결되고, 그동안 배터리 내에서 예를 들어 공간 이온 분포에 관한 불균형이 발생할 수 있다. 이들 불균형은 분극 전압으로도 지칭되는 추가 전압을 생성한다.
모델은 내연 기관을 끈 후 대략 5초 내지 250초 후 수행되는 스테이팅 과정(stating process)에 대해 그리고 12 V 시스템의 경우 대략 6 내지 8 V 및 24 V 시스템의 경우 12 내지 16 V만큼 최소 시동 전압을 위해 최적화되도록 의도된다.
배터리의 크기 및 유형은 관찰된 시동 거동 후 변하지 않는 것으로 가정된다.
배터리 온도의 변화는 측정 온도 및 추정 배터리 전류 둘 모두를 고려하는 수치 모델에 의해 계산된다.
충전 상태(SOC)의 변화는 배터리 크기 및 추정 배터리 전류를 고려하는 다른 수치 모델에 의해 계산된다. SOC의 변화는 예를 들어 추정 상대 배터리 전류의 적분에 의해 결정될 수 있다:
Figure pct00038
(current time: 현재 시점, time of last starting process: 마지막 시동 과정의 시점, estimated: 추정, BAT_relative: 상대 배터리)
분극 전압의 변화도 마찬가지로 배터리 전압 및 배터리 온도를 고려하는 모델에 의해 계산된다.
배터리 전류는 충전 상태(SOC), 배터리 전압 및 배터리 온도로부터 추정된다. 예를 들어, 상대 배터리 전류는 다음과 같이 전압 측정치로부터 추정될 수 있다:
Figure pct00039
Figure pct00040
(Charge: 충전, Discharge: 방전, meas: 측정, eff: 유효)
여기에서,
Figure pct00041
여기에서, Qmax*Reff는 시스템-특정적인, 실험적으로 결정가능한 파라미터이다. 상대 배터리 전류는 항상 최대 배터리 용량 Qmax와 관련된다. IDischarge 및 ICharge는 각각의 시점에서 측정 전압 Vmeas에 대한 충전 및 방전 중의 각각의 전류이다. V0Charge 및 V0Discharge는 상응하게 사전규정되는 보정 파라미터이다.
시동 능력은,
- 최소 전압이 제한 전압 위이면,
- 시동 주기가 시간 제한 아래이면,
- 전압 강하의 적분이 시간 경과에 따른 한계 아래이면, 그리고
- 전압 동적 특성이 한계 아래이면,
주어지는 것으로 명확하게 간주된다.
한계값은 또한 시동기 및 배터리로 구성되는 시스템의 구성, 배터리 및/또는 엔진의 온도, 및 충전 상태에 의존할 수 있다. 비-시동, 즉 스트랜딩되는 것에 대한 추가의 보호책으로서, 내연 기관이 꺼지기 전에 발전기 전류가 소정 주기(예를 들어 1초) 동안 0 A로 감소될 수 있다. 이어서 부하 전류가 이 주기 동안 배터리로부터 완전히 공급된다.
이에 의해 유발되는 전압 강하의 분석의 결과로서, 마지막 시동 이후 추가로 발생된 배터리 내의 결함이 엔진이 꺼지기 전에 검출될 수 있다.
또한, 전압 및 온도를 측정하기 위한 센서는 일반적으로 배터리에 병렬로 연결되는 전력 저항기를 구비할 수 있으며, 따라서 그것은 배터리에 추가의 전류를 가한다(예를 들어 20 mA). 주기는 예를 들어 1 ms 내지 1시간 범위일 수 있다. 전압 응답을 평가함으로써, 배터리의 상태를 추측하는 것이 가능하다.
예시적인 실시 형태는 배터리의 전압 및 온도를 측정하기 위한 독립형 센서와, 적어도 내연 기관을 갖춘 차량 내의 시동/정지 시스템에 대한 시동 능력을 상위 제어 유닛으로 전달하는 알고리즘을 포함한다. 본 명세서에 기술되는 센서는 또한 다른 제어 유닛 내에, 배터리의 구성요소(예를 들어 리드) 또는 배터리 상의 부착 구성요소(배터리 케이블, 전극 단자, 퓨즈 박스, 양극의 커버 캡) 내에 통합될 수 있다.
본 발명은 다음 엔진 시동시 배터리의 미래 거동이 배터리 내에 담긴 절대 또는 상대 충전량 또는 에너지량의 정확한 지식 없이도 예측된다는 개념에 기초하고 있다. 이 목적을 위해, 사전규정된 엔진 시동 중 적어도 하나에서 배터리의 거동이 평가되고, 이러한 거동의 예상 변화가 오로지 제한된 시간에 걸친 관측된 배터리 전압 및 배터리 온도에 기초하여 미리 계산된다.
그 결과, 명백한 비용 절감이 얻어지는데, 왜냐하면 전류의 측정을 생략하는 것이 가능하기 때문이다. 또한, 비용의 이유로, 본 발명은 산 밀도를 결정하는 것을 의도적으로 생략한다.
시동 능력은 또한 실제 선행 시동 거동과 관계없이 예측될 수 있다:
Figure pct00042
그러나, 이를 위해서는 배터리 및 시동기의 파라미터에 의한 상당히 더 많은 가정이 필요하다. OCV(개회로 전압(open circuit voltage))가 정지 전압, 즉 연결된 부하 없이 적어도 수시간 후 발생하는 전압이다. Vpolarization은 이미 위에서 설명되었고, 상응하게 결정될 수 있다. Rstarter는 시동기에 대한 전기 저항이고, Rbattery는 배터리에 대한 전기 저항이다. 저항은 계산되거나 측정될 수 있다.
다른 예시적인 실시 형태
- 배터리 진단이 산 밀도를 결정함으로써 수행될 수 있다.
- 배터리의 전압이 두 라인을 통해 기존 제어 유닛으로 공급되어 이 유닛 내에서 수치로 변환될 수 있다.
- 전압이 배터리 전극 반대편을 따라 어딘가에서(예를 들어 배터리 케이블의 단부에서) 태핑(tapping)될 수 있다.
- 온도가 배터리 내의 또는 배터리 상의 온도 센서에 의해 전기 전압으로 변환되고 기존 제어 유닛으로 공급되어 이 유닛 내에서 수치로 변환될 수 있다.
- 배터리 온도가 주위 온도로부터 추정될 수 있고, 가열 및 냉각을 위한 모델이 추정될 수 있다.
- 전압 및 온도를 측정하기 위한 센서가 배터리 내에 통합될 수 있다.
- 통신이 무선 방식(예를 들어 무선 통신(radio))으로 수행될 수 있다.
- 전기 연결부가 케이블 테일, 플러그식 접점 또는 센서로부터 돌출되는 웨브로서 형성될 수 있다.
- 전압 및 온도를 측정하기 위한 센서가 전극 단자(양극 또는 음극), 배터리 케이블, 배터리의 부품 또는 배터리 부근의 구성요소에 기계적으로 연결될 수 있다.
- 하우징 대신에, 몰딩에 의한 밀봉된 봉지재 또는 밀봉된 표면 코팅이 가능하다.
- 인쇄 회로 기판 대신에, 기판이 또한 사용될 수 있다. 이때 전기 연결은 본딩에 의해 이루어진다.
- 관련 기능부(전압 공급부, 기준부, A/D 컨버터, μC, 분압기, NTC 등)의 전부 또는 일부가 하나의 칩 내에 집적될 수 있다.
- 발전기 전류 및 부하 전류 둘 모두가 입수가능하다면 이들 두 변수 사이의 차이로부터 배터리 전류가 추정될 수 있다. 현재 부하 전류에 의한 배터리의 로딩이 발전기를 잠시 끔으로써 결정될 수 있으며, 여기에서 발전기의 정지 전, 발전기의 정지 중 및 발전기의 정지 후 배터리 전압이 측정 및/또는 평가된다.
- 시동 능력이 다양한 형태로 상위 제어 유닛으로 전달될 수 있다(가능/불가능, 0 내지 100%, ±50% 등).
- 알고리즘이 상위 제어 유닛으로부터 정보를 수신하거나(허용 최소 시동 전압, 내연 기관의 상태, 단자의 상태) 그렇지 않으면 그것을 생략할 수 있다.
- 시동 능력이 또한 광학적으로 및/또는 시각적으로 나타내어질 수 있다(디스플레이에서).
- 시동 능력을 계산하기 위해, 최소 전압에 더하여, 예를 들어 시동 과정의 지속 시간, 동적 특성 및/또는 요구되는 에너지량을 고려하는 것이 추가적으로 가능하다.
- 시동 능력의 한계가 고정되거나 가변적일 수 있다.
- 시동 능력에 더하여, 추가의 정보(배터리의 건전성의 상태, 최적 충전 방법 등)를 상위 제어 유닛으로 전달하는 것이 또한 가능하다.
- 전압 및 온도를 측정하기 위한 센서가 지정된 것보다 많은 구성요소를 구비할 수 있다. 이것들은 특히 RC 필터, 트랜지스터, CAN 드라이버 및 메모리를 포함한다. 또한, 추가의 기능이 통합될 수 있다.
- 특히, 전압 및 온도를 측정하기 위한 센서가 추가의 전류를 규칙적/불규칙적 간격으로 배터리에 가하는 구성요소(트랜지스터, 저항기 등)를 구비할 수 있다.
- 본 발명에 따른 장치가 또한 전압 및 온도를 측정하기 위한 독립형 센서를 배터리 상에 구비할 수 있다.
이미 언급된 바와 같이, 본 발명은 그 요지로서 시동 배터리에 의해 내연 기관의 시동 능력을 결정하기 위한 방법 및 장치를 가지며, 여기에서 종래의 방법과는 대조적으로, 비용상의 이유로, 배터리 전류를 측정하는 것을 생략하는 것이 가능하다. 대신에, 배터리 전류 또는 배터리 내에 저장된 충전량의 변화는 측정된 변수(배터리의 전압 및 온도)와 알려진 것으로 가정되는 배터리 파라미터로 구성되는 모델에 의해 추정된다. 배터리의 예상 거동으로부터의 이탈은 시동 능력 예측에 악영향을 미친다.
따라서, 모델에 의해 계산된 배터리 전류의 타당성 검사가 추가의 장치에 의해 가능해지는 본 발명의 다른 구성이 유리하다. 이와 관련하여, 다른 A/D 컨버터에 의해 다른 전압, 구체적으로는 전류가 흐르는 차체 상의 지점과 배터리의 음극 사이의 전압이 측정된다. 보통, 차량 내의 발전기 및 전기 부하 둘 모두가 그 음극에 의해 차체에 전기적으로 연결되며, 그 결과 차체는 부하 및 발전기를 차량 배터리에 연결하는 회로의 일부이다. 차체 상의 임의의 지점과 배터리의 음극 사이에 불가피하게 전기 저항이 존재한다. 차량 내의 발전기 또는 전기 부하의 전류가 차체를 통해 흐르면, 이러한 저항은 차체 상의 접촉점과 배터리의 음극 사이의 전압 강하를 초래한다. 특히, 이러한 전압 강하의 부호에 의해, 배터리가 발전기에 의해 충전되고 있는지 차체 내의 부하에 의해 배터리의 방전이 일어나고 있는지를 검출할 수 있다.
본 발명은 특히 납 및 황산에 기반하는 배터리의 시동/정지 시스템에 대한 시동 능력을 진단하는 것의 대안적인 해법을 기술한다. 시동/정지 시스템은 두 연속 시동 과정 사이의 간격이 짧다는 사실과[가다서다를 반복하는 교통(stop-and-go traffic)], 시동 과정 중 전압이 최소 전압, 예를 들어 8 V 아래로 저하되는 경우 예를 들어 무선 및/또는 네비게이션 장치의 작동의 중단이 일어날 수 있기 때문에 시동 과정 중 전압이 최소 전압, 예를 들어 8 V 아래로 저하되지 않을 것이라는 사실에 의해 구별된다.
차량 배터리의 현재 진단에 기초한 내연 기관의 시동 능력의 예측은 종래의 시스템에 비해 전류를 측정할 필요가 없어 전류를 측정하기 위한 비용이 배제될 수 있는 이점을 갖는다.
본 발명은 유리하게는 승용차 및 트럭에 사용된다.
1: 센서 및 평가 유닛 2: 제1 A/D 컨버터
3: 제2 A/D 컨버터 4: "Vlimit 리버스 ΔT:ΔSOC" 블록
5: "시동 전압 예측" 블록 6: "시동 능력 결정" 블록
11: 엔진 제어 유닛 BCM/ECU 12: 정지/시동 컨트롤러
13: 파라미터 21: 배터리의 전기 모델
22: 시동기의 전기 모델

Claims (8)

  1. 내연 기관이 배터리에 의해 공급되는 전기 모터에 의해 시동될 수 있는, 차량의 내연 기관의 시동 능력을 결정하기 위한 방법으로서,
    - 제1 시점에서 내연 기관의 성공적인 시동 과정 중 제1 배터리 파라미터 값을 검출하는 단계;
    - 상기 제1 시점 후 제2 시점에서 제2 배터리 파라미터 값을 검출하는 단계;
    - 상기 제2 시점에서, 제3 시점에서 후속되는 그리고 검출된 제1 및 제2 배터리 파라미터 값에 기초하는 내연 기관의 시동 과정에 대한 예상 배터리 전압을 결정하는 단계;
    - 상기 제3 시점에서 예상된 배터리 전압과 사전규정된 한계치를 비교하여 그로부터 내연 기관의 시동 능력을 도출하는 단계
    를 갖는 것을 특징으로 하는 차량 내연 기관 시동 능력 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    시동 능력은 제3 시점에서 예상된 배터리 전압이 사전규정된 한계치 이상이면 존재하는 것을 특징으로 하는 차량 내연 기관 시동 능력 결정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제2 시점에서 작동 중인 내연 기관이 내연 기관의 시동 능력이 제3 시점에서 존재하는 경우에만 정지되는 것을 특징으로 하는 차량 내연 기관 시동 능력 결정 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제2 시점에서 정지된 내연 기관이 내연 기관의 시동 능력이 제3 시점에서 더 이상 존재하지 않으면 재시동되는 것을 특징으로 하는 차량 내연 기관 시동 능력 결정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    파라미터는 배터리 전압 및/또는 배터리 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 내연 기관 시동 능력 결정 방법.
  6. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    추가의 파라미터로서, 전류가 흐르는 차량 차체 상의 지점과 배터리의 음극 사이의 전압이 측정되는 것을 특징으로 하는 차량 내연 기관 시동 능력 결정 방법.
  7. 배터리에 의해 공급되는 전기 모터에 의해 시동될 수 있는 차량의 내연 기관의 시동 능력을 결정하기 위한 장치로서,
    장치는 다음의 특징부, 즉
    ■ 제1 시점에서 내연 기관의 성공적인 시동 과정 중 제1 배터리 파라미터 값을 검출하기 위한, 그리고
    ■ 상기 제1 시점 후 제2 시점에서 제2 배터리 파라미터 값을 검출하기 위한
    - 적어도 하나의 센서;
    ■ 상기 제2 시점에서, 제3 시점에서 후속되는 그리고 검출된 제1 및 제2 배터리 파라미터 값에 기초하는 내연 기관의 시동 과정에 대한 예상 배터리 전압을 결정하기 위한, 그리고
    ■ 상기 제3 시점에서 예상된 배터리 전압과 사전규정된 한계치를 비교하여 그로부터 내연 기관의 시동 능력을 도출하기 위한
    - 평가 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 내연 기관 시동 능력 결정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    평가 유닛은 제1 및 제2 시점에서 제1 및 제2 배터리 파라미터 값을 검출하기 위해 적어도 하나의 센서를 작동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 내연 기관 시동 능력 결정 장치.
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