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Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit eines Ladungsspeichers
Stand der Technik
Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit eines Ladungsspeichers, beispielsweise zur Bestimmung der Startfähigkeit einer Starterbatterie eines Verbrennungsmotors sind bereits bekannt. So wird beispielsweise in der DE-OS 100 56 970 beschrieben, dass zur Feststellung der-Startfähigkeit der Starterbatterie verschiedene Größen gemessen und miteinander verglichen werden sollen. Im Speziellen wird der mittlere Spannugsabfall der Batteriespannung während einer Startphase bestimmt und unter Berücksichtigung der herrschenden Temperatur abgeschätzt, ob ein
Neustart problemlos möglich ist.
Verbrennungsmotoren werden üblicherweise mit Hilfe eines elektrischen Anlassers gestartet, die für den Startvorgang benötigte elektrische Energie wird aus der Starterbatterie entnommen. Während des Startvorgangs muss der Anlasser für kurze Zeit ein hohes Drehmoment aufbringen, das in der Lage ist, den Verbrennungsmotor bis zu einer Mindestdrehzahl durchzudrehen. Dazu muss durch den Anlasser ein genügend großer Strom fließen bzw. 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 Spannung in nicht ausreichendem Maße zur
Verfügung stehen um den Startvorgang sicherzustellen. Aus diesen Gründen wird eine Startprädiktion durchgeführt und sofern erkannt wird, dass die Starterbatterie nicht genügend Leistung aufbringen kann, wird ein Warnhinweis abgegeben und/oder es werden elektrische Verbraucher, die nicht unbedingt benötigt werden, abgeschaltet, um eine Startfähigkeit sicherzustellen.
Trotz dieser Maßnahmen kann es noch zu einem Liegenbleiben des Fahrzeugs kommen, weil der Ladezustand der Batterie, der einen sicheren Start des Motors garantiert, unterschritten wird. Ein Grund dafür ist in der Tatsache zu sehen, dass Hochstromverbraucher die Batterie schneller entladen als die übrigen Verbraucher und lösen bei der Schnellentladung der Batterie den Effekt der Konzentrationspolarisation aus. Dabei wird der als kritischer Ladezustand angenommene Ladezustand gegebenenfalls nicht unterschritten, aber trotzdem ist das Fahrzeug nicht startfähig, weil es zu einer Verarmung der Säure vor bzw. in der Bleiplatte der Batterie kommt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit eines Ladungsspeichers hat den Vorteil, dass eine sehr sichere und zuverlässige Aussage bezüglich der erwarteten Startfähigkeit möglich ist, bzw. eine zuverlässige Startprädiktion erfolgt. Erzielt werden diese Vorteile, indem ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit der Merkmalskombination der unabhängigen Ansprüche eingesetzt wird. Dabei wird in vorteilhafter Weise zur Startprädiktion keine absolute Größe ausgewertet, sondern die relative Änderung einer Größe, nämlich die relative Änderung des Innenwiderstandes des Ladungsspeichers, beispielsweise einer
Bleibatterie.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt.
Besonders zuverlässig und vorteilhaft auswertbar ist der Anstieg des Innenwiderstandes des Ladungsspeichers. Zur Startspannungsprädiktion können dann in vorteilhafter Weise nach verschiedenen Methoden ermittelte Innenwiderstandsverläufe miteinander verglichen werden und bei vorgebbaren Abweichungen kann das Erreichen einer Grenze für die Leistungsfähigkeit der Batterie erkannt werden und geeignete Massnahmen eingeleitet werden.
Die Auswertung der relativen Änderung des Innenwiderstandes wird in besonders vorteilhafter Weise bei bestimmten Betriebsbedingungen durchgeführt. Eine besonders vorteilhafte Betriebsbedingung ist dabei eine Phase, in der nur Stillstandsverbraucher
betrieben werden, also bei Stillstand des Motors bzw. bei ausgeschaltetem Motor und damit ohne Generatorleistung.
Sehr vorteilhaft ist es, die Ladezustandserkennung und damit die Erkennung, ob noch genügend elektrische Leistung für einen Start zur Verfügung steht, in einem
Startspannungprädiktor durchzuführen, wobei ein solcher Startspannungsprädiktor ein Software-Modul ist, der auf einem Rechner läuft, der alle benötigten Rechen- , Speicherund Filtermittel umfasst.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt Figur 1 ein Flussdiagramm, dem das erfindungsgemäße Verfahren entnehmbar ist. In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Auswertung des Anstiegs des Innenwiderstandes eines
Ladungsspeichers über der Zeit schematisch für verschiedene Bedingungen dargestellt.
In Figur 1 ist ein Flussdiagramm dargestellt, das den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens erkennen lässt. In einem Schritt 1 wird die Ladungsspeicher- bzw. Batteriezustandsüberwachung aktiviert. Im Schritt 2 wird auf verschiedene Arten der
Verlauf des Innenwiderstandes ermittelt und im Schritt 3 wird geprüft, ob der ermittelte Verlauf des Innenwiderstandes bzw. der Vergleich der auf verschiedene Arten ermittelte Innenwiderstand des Ladungsspeichers bzw. der Batterie einem kritischen Verlauf oder Wert entspricht. Falls dies zutrifft, wird im Schritt 3 eine Warnung abgegeben, falls nicht, wird neuerlich mit Schritt 1 begonnen und die Überprüfung beginnt von Neuem.
Durch Auswertung des Anstiegs des geschätzten Innenwiderstandes des Ladungsspeichers, beispielsweise der Batterie kann ungestört von anderen Ereignissen der tatsächlich vorliegende Ladezustand des Ladungsspeichers bestimmt werden. Bei derzeitigen Ladezustandsbestimmungen können unerwünschte Effekte dazu führen, dass ein schlechter Ladezustand nicht zuverlässig erkannt wird. Es kann dann zum Liegenbleiben eines Fahrzeugs kommen, weil der Ladezustand des Ladungsspeichers, der einen sicheren Start des Kraftfahrzeugs garantieren soll, unterschritten wird. Hochstromverbraucher, die bei Stillstand des Motors und damit bei ausbleibender Leistung des Generators betrieben werden entladen die Batterie schneller als
Niederstromverbraucher. Sie lösen darüber hinaus den Effekt einer Konzentrationspolarisation aus. Dabei wird ein kritischer Ladezustand nicht unterschritten, aber trotzdem ist die Startfähigkeit nicht mehr gegeben, weil es zu einer Verarmung der Säure vor bzw. in der Bleiplatte des Ladungsspeichers kommt. Mit dem erfindungsgemäßen „Startspannungsprädiktor sofort", der als Eingangsgrößen die geschätzten Zustandsgrößen eines .Batteriemodells nutzt, kann auf den bevorstehenden Zusammenbruch der Batterie geschlossen und rechtzeitig eine Warnung ausgegeben werden. Zusätzlich können bestimmte Verbraucher abgeschaltet werden und damit kann die Batterie entlastet werden.
Speziell aus dem Anstieg des geschätzten Innenwiderstandes Ri des Ladungsspeichers bzw. der Batterie oder aus dem zeitlichen Verlauf des Iπnenwiderstandes kann die Startfähigkeit erkannt werden. Durch die Auswertung der Änderung des Innenwiderstandes des Ladungsspeichers bei speziellen Betriebsbedingungen, insbesondere bei der Betriebsbedingung, dass nur Stillstandsverbraucher betrieben werden, ist die relative Änderung des Innenwiderstandes eine eindeutige Größe, die die Leistungsfähigkeit repräsentiert und damit eine Startvorhersagemöglichkeit ergibt. Da der Anstieg des Innenwiderstandes der Batterie eine relative Größe ist, löst ein falsch geschätzter absoluter Innenwiderstand Ri keine Verbraucherabschaltung aus.
Bei einem zu hoch geschätzten Ri würde die absolut berechnete (prädizierte) Batterieklemmenspannung während eines Motorstarts zu klein. Die Folge wären Verbraucherabschaltungen um die Batterie zu entlasten. Wird weiterhin von einem zu groß berechneten Ri ausgegangen, stellt sich bei weiterer Entladung der Batterie, also bei Ibatt < 0 eine relative Änderung des Innenwiderstandes Ri ein Dieser übersteigt erst dann den Wert dRiFilter/dt, wenn die Batterie bzw. der Ladungsspeicher kurz vor dem Zusammenbruch der Klemmenspannung steht. Ein zu großer Ri hat also keinen Einfluß, wenn seine relative Änderung nahezu Null ist. Berücksichtigt werden Alterungseffekte wie Masseverlust, Säureschichtung, oder Tieftemperaturen, die zum früheren Zusammenbruch der Batterie beitragen, aber dennoch.
In Figur 2 sind verschiedene Verläufe des Innenwiderstandes Ri eines Ladungsspeichers, beispielsweise einer Batterie für ein Fahrzeug während einer Entladung des Ladungsspeichers mit Stillstandsverbrauchern über der Zeit t aufgetragen. Diese Verläufe lassen erkennen, dass die Auswertung des Anstiegs des Innenwiderstandes Ri eine
zuverlässige Abschätzmöglichkeit für den herrschenden Ladezustand des Ladungsspeichers bzw. der Batterie gibt. Die Verläufe des Innenwiderstandes Ri über der Zeit sind nach verschiedenen Methoden berechnet bzw. abgeschätzt und gegebenenfalls gefiltert.
Mit A ist der Verlauf des mittels eines Batteriezustandsmodell geschätzten Innenwiderstandes Ri über der Zeit t bezeichnet. B stellt den Verlauf des mit einem Tiefpass mit kleiner Zeitkonstante gefilterten Verlauf des Innenwiderstandes Ri dar, wobei der Verlauf des Innenwiderstandes Ri vor der Filterung dem Verlauf nach A entspricht. C bezeichnet den Verlauf des mit einem Tiefpass mit großer Zeitkonstante gefilterten Verlaufs des Innenwiderstandes Ri.
Mit D ist der Verlauf der Differenz des mit verschiedenen Tiefpässen gefilterten Innenwiderstandes Ri bezeichnet. D gibt also die Differenz zwischen den Kurven B und C an. Entsteht aufgrund eines Ri-Anstieges ein Abstand zwischen den Kurven B und C, wird geprüft, ob dieser Abstand eine vorgebbare Differenz überschreitet. Falls dies zutrifft wird eine Warnung ausgelöst, da dann eine Startfähigkeit fraglich ist. Die beiden Zeitkonstanten der Tiefpässe sind nämlich so dimensioniert, dass sie den realen Verlauf des Innenwiderstandes Ri nur bis zu einem bestimmten Anstieg folgen können. Ist der Anstieg größer, dann laufen ab dem Zeitpunkt, zu dem der Anstieg zu groß wird, die beiden Kurven B und C, also die Verläufe für die Filterwerte auseinander und geben damit die Information zum Auslösen einer Warnstufe.
Durch Auswertung der Verläufe des Innenwiderstandes nach Figur 2 kann ohne den Absolutwert des Innenwiderstandes Ri des Ladungsspeichers bzw. der Batterie mit hoher
Präzision zu bestimmen, sicher erkannt werden, dass die Leistungsfähigkeit des Ladungsspeichers ausreichend ist. Eine weitere Steigerung der Sicherheit bei der Erkennung, dass die Leistungsfähigkeit in einen kritischen Bereich gelangt, ist die Auswertung des Verlaufs des Innenwiderstandes Ri nur bei vorgebbaren Bedingungen. Es wird dabei nur in einer bestimmten Betriebsphase die relative zeitliche Änderung des
Innenwiderstandes ermittelt. Diese Betriebsphase ist beispielsweise ein Zeitraum, in dem bei ausgeschaltetem Motor die Verbraucher ausschließlich vom Ladungsspeicher bzw. der Batterie versorgt werden. Unter dieser Bedingung ist sichergestellt, dass das Zuschalten von Hochstromverbrauchern auch direkt zu einer Beeinflussung von dRi/dt führt.
Es ist also nur der Kurvenverlauf über der Zeit zu ermitteln, beispielsweise durch Abschätzung oder Berechnung aus vorgebbaren Größen, ohne auf Absolutwerte bzw. ohne auf die Skalierung einzugehen. Die Startspannung selbst oder sonstige Spannungs- oder Innenwiderstandsabsolutwerte werden dagegen nicht berechnet. Bei der speziellen
Betriebsphase, bei der der Verbrennungsmotor ausgeschaltet ist und nur Stillstandsverbraucher betrieben werden, treten zwar kleine, aber dennoch nennenswerte Batterieströme auf, die zu einer Veränderung des Iπnenwiderstandes Ri führen, wobei das Erreichen der Leistungsfähigkeitsgrenze des Ladungsspeichers bzw. der Batterie eine signifikante Veränderung des Innenwiderstandes nach sich zieht, die ausgewertet wird, zur Erkennung des Annäherns an die Startfähigkeitsgrenze.
Zur Verdeutlichung der Vorteile, die durch Auswertung von relativen Gössen erzielt werden Können, dient folgendes Beispiel. Während einer Entladephase mit hohen Strömen ändert sich der tatsächliche Innenwiderstand einer Batterie ausgehend vom
Anfangswert von 4 mOhm auf den Wert 10 mOhm. Der Startstrom soll 500 Ampere betragen. Bei einer Urspannung der Batterie, (wird auch als Ruhespannung bezeichnet) von 12 Volt am Ende der Entladephase wird eine Startspannung von 6 Volt erhalten, (Durchtrittspannung = 1 Volt). Wenn die Innenwiderstandsbestimrnung bei tiefen Temperaturen einen Fehler von 30 % aufweist, also statt 4 mOhm zu Beginn werden 5 mOhm und am Ende der Entladephase werden 13 mOhm ermittelt, wirkt sich der Absolutfehler auf die Startspannungsprädiktion sehr stark aus. Für die beispielhaft angegebenen Werte würden statt 6 Volt für die Startspannung auf Grund des Fehlers nur noch 4,3 Volt als Startspannung vorhergesagt, damit könnte auch das Erreichen der Startspannungsgrenze nur sehr ungenau abgeschätzt werden. Wird aber nur die relative
Änderung, beispielsweise des Innenwiderstandes bewertet, spielt der systematische Fehler keine Rolle und die Vorhersage der Startfähigkeit ist zuverlässig.
Die erfindungsgemäßen Verfahren laufen in einem Spannungsprädiktor ab durchzuführen, wobei ein solcher Startspannungsprädiktor ein Software-Modul ist, der auf einem Rechner läuft, der alle benötigte Rechen-, Speicher- und Filtermittel umfasst. Der Startspannungsprädiktor, der auch als "Startspannungsprädiktor sofort" bezeichnet werden kann, nutzt als Eingangsgrößen die geschätzten Zustandsgrößen eines Batteriemodells. Ähnliche Batteriemodelle sind in der DE-OS 100 56 970 oder der DE-P 103 03 506.0 bereits beschrieben.