DE19712342A1 - Verfahren zum Betreiben eines batteriegespeisten Verbrauchers in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines batteriegespeisten Verbrauchers in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einer Standheizung, wobei beim Erreichen eines unteren Schwellenwertes einer Batteriespannung der Verbraucher außer Betrieb gesetzt wird.

Eine solche Verfahrensweise ist beispielsweise in Zusammenhang mit einer elektrischen Heizung in einem Kraftfahrzeug in der EP 0 402 641 B1 beschrieben. Dabei ist unter anderem eine Baugruppe zur Batteriespannungsüberwachung vorgesehen, über die eine Stromversorgung eines elektrischen Heizelementes spätestens dann unterbrochen wird, wenn die Batteriespannung unterhalb eines unteren Schwellenwertes liegt.

Hintergrund dieser Vorsichtsmaßnahme ist es, daß durch das Betreiben eines batteriegespeisten Verbrauchers ein zu starkes Entladen der Batterie unter allen Umständen verhindert werden muß, damit noch genügend Ladekapazität vorhanden ist, um das Kraftfahrzeug überhaupt starten zu können.

Diese Situation tritt beispielsweise auch beim Betreiben einer Standheizung auf, da diese einen relativ hohen Stromverbrauch hat und der Betrieb üblicherweise während einer Stillstandsphase des Kraftfahrzeuges erfolgt, so daß ein zwischenzeitliches Nachladen der Batterie (über den Generator) nicht möglich ist.

Bei konstanter Temperatur der Batterie gilt in erster Näherung der in Fig. 1 dargestellte lineare Zusammenhang zwischen Batteriespannung U_B (Volt) und dem Ladezustand Q_B (in %). Daraus wird ersichtlich, daß sich die Zustände - Batterie vollständig geladen - und - Batterie vollständig entladen- durch eine Spannungsdifferenz von lediglich etwa 1 V ausdrückt. Da nun desweiteren aufgrund von Erfahrungswerten für ein sicheres Starten des Kraftfahrzeuges, d. h. der Brennkraftmaschine, eine Batterie-Ladekapazität von angenähert 60% (bei Temperaturen der Brennkraftmaschine von - 20°C und tiefer) erforderlich ist, kann, ausgehend von einer vollständig geladenen Batterie, im Verlaufe des Betriebes der Standheizung (die üblicherweise bei Temperaturen <10°C betrieben wird) lediglich ein Spannungsabfall von 0,4 V zugelassen werden.

Bei oberhalb 15°C wird die Abschaltlogik der Standheizung dazu benutzt, daß auch beim "Lüften" des Fahrgastraumes im Sommer die Batterie nur bis zu einer vorgegebenen Restkapazität entladen werden kann. Bei diesen Temperaturen reicht eine Ladekapazität von ca. 50% für das Starten der Brennkraftmaschine noch aus.

Desweiteren ist also zu beachten, daß der Ladezustand der Batterie bzw. die den Ladezustand wiedergebende Batteriespannung sehr stark von der Batterie-Temperatur (entspricht weitgehend der Umgebungstemperatur) abhängig ist. Es ist von daher ebenfalls bekannt (BMW-Fahrzeuge), die untere Schaltschwelle zum Außerbetriebsetzen der Standheizung in Abhängigkeit von der herrschenden Umgebungstemperatur vorzugeben.

Die vorliegende Erfindung geht weiter von folgender Erkenntnis aus:
Grundsätzlich wird beim bekannten Stand der Technik, ob die vorbeschrie­ bene Temperaturabhängigkeit nun beachtet wird oder nicht, in der dem Sy­ stem-Standheizung/Batterie - zugeordneten Steuereinheit der untere Schwellenwert der Batteriespannung für das Außerbetriebsetzen der Stand­ heizung fest vorgegeben und dabei unterstellt, daß an sich baugleiche Bat­ terien eine jeweils identische Ruhespannung bzw., unter Berücksichtigung eines durch die Verbindungsleitungen sich ergebenden Spannungsabfalles, eine identische Ausgangsspannung (bei 100% Ladezustand) aufweisen. Dem ist aber nicht so. Diese Kennwerte können nämlich bei Batterien aus unterschiedlichen Fertigungszeiträumen, bei unterschiedlicher Säuredichte, unterschiedlicher Plattenfüllung und -geometrie, unterschiedlichen Herstel­ lern usw. mehr oder weniger großen Schwankungen unterliegen. Wird so beispielsweise bei einer angenommenen Ausgangsspannung von 12,5 V bei einer Säuretemperatur von 20°C (100% Ladezustand) der untere Schwel­ lenwert für die Abschaltung auf 12,1 V (0,4 V Spannungsabfall entspricht 40% Entladung) festgelegt, so wird dies bei einer tatsächlich verbauten Batte­ rie mit einer Ausgangsspannung von 13,1 V (100% Ladezustand) dazu füh­ ren, daß bei Erreichen des unteren Schwellenwertes (12,1 V) die Batterie bereits vollends entladen und ein Starten der Brennkraftmaschine nicht mehr möglich ist.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte Verfahrensweise zum Betreiben eines batteriegespeisten Verbrauchers, insbesondere einer Standheizung, so zu verbessern, daß eine ungewollte, zu starke Entladung der Batterie in jedem Falle zuverlässig vermieden wird. Die erfindungsgemäße Lösung ist im Kennzeichen des Patentanspruches 1 zu sehen.

Danach wird also für jede in einem Kraftfahrzeug verbaute Batterie über einen "Probelauf" eine spezifische Adaption (Spannungsmessung) vorgenommen, um sonach den unteren Schwellenwert für das Außerbetriebsetzen des Verbrauchers eindeutig definieren und einstellen zu können. Für die weitere Betrachtung wird auf Fig. 2 verwiesen.

Für den Anwendungsfall einer Standheizung 1 ist die Meßlogik für die Adaption in einem im Stand der Technik gebräuchlichen Steuergerät bereits vorhanden. Für die nachfolgende Betrachtung gelten folgende Definitionen:

U_M = am Steuergerät der Standheizung anliegende Spannung,
U_B = Klemmenspannung der Batterie,
ΔU_L = Spannungsabfall durch I_B auf den Zuleitungen,
ϑ_W = Wassertemperatur (Motor-Kühlwasser),
U_BS = Unterer Schwellenwert der Batteriespannung,
I_B = Stromaufnahme der Standheizung.

In den meisten Fällen wird eine Standheizung 1 nach ausreichend langer Standzeit eines Kraftfahrzeuges in Betrieb gesetzt, so daß in hinreichender Näherung davon ausgegangen werden kann, daß die Batterietemperatur etwa der Umgebungstemperatur und diese wiederum der Temperatur ϑ_W des Motor-Kühlwassers entspricht. Letztere wird ohnehin erfaßt, so daß es für die Zwecke der Erfindung entbehrlich ist, einen zusätzlichen Sensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur vorzusehen.

Die Adaption wird vorgenommen, nachdem der betreffende Verbraucher, im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Standheizung 1, ins Kraftfahrzeug eingebaut und die Verbindung zur Fahrzeugbatterie 3 hergestellt worden ist. Da eine Standheizung 1 üblicherweise mit einer Diagnoseschnittstelle ausgestattet ist (dient der Fehlerdiagnose), kann sinnvollerweise über einen Diagnosetester die Adaptionsphase eingeleitet werden.

Bei einem bekannten Ladezustand der Batterie 3 von z. B. 100% wird unter konstanter Belastung I_B der Standheizung 1 der gemessene Wert der Versorgungsspannung bei einer gerade herrschenden Temperatur ϑ_W (z. B. 20°C) ermittelt und abgespeichert. Durch die Grundeinstellung wird ein Wert der Batteriespannung ermittelt und abgespeichert. Dieser abgespeicherte "100%-Spannungswert" (Ladezustand 100%) kann dann beim späteren Standheizungsbetrieb bei der Unterspannungsüberwachung als Bezugsgröße herangezogen werden.

Im einzelnen wird wie folgt vorgegangen: Unmittelbar nach Aktivierung der Adaptionsphase durch Inbetriebnahme verschiedener Komponenten (z. B. Gebläse und Umwälzpumpe) erfolgt die Messung der Wassertemperatur δ_W. Dieser Wert wird für die weitere Berechnung und Normierung abgespeichert. Danach (ca. 160 sec. später) erfolgt die Erfassung der Klemmenspannung U_M am Steuergeräteeingang unter der vorgegebenen Belastung I_B (z. B. 4 A). Dieser Wert wird für die weitere Berechnung bzw. Normierung ebenfalls abgespeichert. Nach einer weiteren Zeitspanne (z. B. 180 sec.) und dabei am Ende der Adaptionsphase werden alle o. g. Verbraucher abgeschaltet und sofort danach die Klemmenspannung U_M somit ohne Belastung (U_M entspricht U_B) ermittelt und ebenfalls abgespeichert. Sie bildet die Bezugsgröße und stellt den 100% Ladezustand dar. Sie entspricht dabei nicht der Leerlaufspannung der Batterie 3, sondern einem stets reproduzierbaren Bezugswert der Batteriespannung, wenn dieser Wert nach seiner definierten Strombelastung der Batterie 3 über einen definierten Zeitraum erfaßt wird.

Im Zuge der Adaption läßt sich auch der durch die Zuleitungen 4, 5 bewirkte Spannungsabfall und damit der Leitungswiderstand ermitteln.

Aus U_M (I_B = 0) = U_B kann der Spannungsabfall in den Leitungen 4, 5 aufgrund der Beziehung U_B - U_M (I_B = 4 A) = ΔU_Leitung (I_B = 4 A) ermittelt werden. Dabei gilt: ΔU_Leitung = ΔU_L4 + ΔU_L5. Der Leitungswiderstand ergibt sich dann aus der Beziehung R_Leitung = U_B : I_B. (Dabei wird unterstellt, daß der Leitungswiderstand viel größer als der Innenwiderstand der Batterie 3 ist.)

Anhand der bei einem bestimmten Temperaturwert (z. b. 20°C) ermittelten, den 100%-Ladezustand wiedergebenden Batteriespannung kann dann aufgrund der an sich bekannten, eingangs erwähnten Temperaturabhängigkeit für jede herrschende Temperatur ein spezifischer Wert der Batteriespannung vorgegeben und daraus abgeleitet ein unterer Schwellenwert U_BS für das Außerbetriebsetzen der Standheizung 1 bestimmt werden.

Beim späteren Betreiben der Standheizung 1 wird also dann bei einer momentan herrschenden Kühlwassertemperatur ϑ_W (entspricht Umgebungstemperatur, entspricht Batterietemperatur) der untere Schwellenwert U_BS zunächst bestimmt.

Sinkt dann der Meßwert U_M (U_M = U_B - ΔU_L) im Laufe des Standheizungsbetriebes oder des Lüftungsbetriebes (im Sommer) unter den vorgegebenen Wert, so wird ein Außerbetriebsetzen der Standheizung 1 (Standlüftung) eingeleitet.

Für die Messung werden die Spannungswerte hard- und softwäre-mäßig gefiltert.

Es werden z. B. über einen Zeitraum von 1 Minute mehrere (z. B. 16) Meßwerte von U_M ermittelt. Dies bewirkt eine Ausmittlung von Spannungsschwankungen.

Liegen in dem Meßzyklus dann 75% der Spannungswerte unterhalb des Schwellenwertes U_BS, so erfolgt die Außerbetriebnahme der Standheizung 1.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben eines batteriegespeisten Verbrauchers in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einer Standheizung, wobei beim Erreichen eines unteren Schwellenwertes einer Batteriespannung der Verbraucher außer Betrieb gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Schwellenwert U_BS der Batteriespannung anhand einer vorangegangenen Ermittlung eines batteriespezifischen 100%-Spannungswertes bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte zur Ermittlung des 100%-Spannungswertes der Batteriespannung U_B:

• - Ermittlung der Batterietemperatur,
• - Inbetriebnahme des Verbrauchers (1) über eine vorgegebene Zeitspanne,
• - Erfassen der Klemmenspannung U_M am Verbraucher (1) unter Last,
• - Außerbetriebsetzen des Verbrauchers (1),
• - Erneute Ermittlung der Klemmenspannung UM des Verbrauchers (1), wobei dann gilt: U_M = 100% Spannungswert der Batteriespannung U_B.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Batterietemperatur nach ausreichend langer Standzeit des Kraftfahrzeuges durch Bestimmen der Kühlwassertemperatur ϑ_W erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge der Adaption auch ein durch Verbindungsleitungen (4, 5) zwischen Verbraucher (1) und Batterie (3) sich einstellender Spannungsabfall ΔU_L ermittelt und bei der Bestimmung des unteren Schwellenwertes U_BS der Batteriespannung berücksichtigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Ermittlung des 100%-Spannungswertes bei einer bestimmten Batterietemperatur (z. B. 20°C) und daraus abgeleitetem temperaturspezifischen unteren Schwellwert U_BS für weitere Temperaturbereiche der dort jeweils geltende 100%-Spannungswert sowie der untere Schwellenwert U_BS aufgrund bekannter Batterie- Temperaturkennlinien bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Bestimmung des unteren Schwellenwertes U_BS beim späteren Betreiben des Verbrauchers (1) zunächst die Batterietemperatur ermittelt und daraufhin der temperaturspezifische untere Schwellenwert U_BS bestimmt wird und daß nach einer vorgegebenen überwachungsfreien Zeitspanne eine zyklische Messung der Klemmenspannung U_M des Verbrauchers (1) mit daraus abgeleiteter Batteriespannung U_B (= U_M + ΔU_Leitung) und ein Vergleich derselben mit dem vorgegeben unteren Schwellenwert U_BS erfolgt.