Antwort auf Beitrag Nr.:
33.159.496 von Kalusha am 24.01.08
18:13:37Energiemanagement mit smarten Komponenten
Ein unzureichendes Energiemanagement kann die schnelle Entleerung
und mangelnde Ladung des Stromspeichers im Kfz begünstigen; dies
zeigt Jahr für Jahr die Pannenstatistik des ADAC. Ein effizientes
Energiemanagement sorgt dafür, DASS LEERE BATTERIEN WIEDER DER
VERGANGENHEIT ANGEHÖREN - vielversprechende Ansätze zeigt Automobil
Elektronik.
Eine häufige Pannenursache ist streng genommen gar kein Defekt. So
kann man es nämlich sehen, wenn ein Auto erst gar nicht anspringt,
weil der Ladezustand der Batterie zu niedrig für den Betrieb des
Anlassers ist. Bei einer ansonsten gesunden Batterie sind diese
ärgerlichen Probleme in der Regel auf die Nutzung von
(Komfort-)Verbrauchern im Stillstand oder auf einen zu hohen
Ruhestrom zurückzuführen. Eine weitere Ursache kann in einer
unzureichenden Ladung der Batterie im Fährbetrieb begründet
liegen.
Drei Hauptkomponenten zur Lösung der Probleme liefert der
Elektronik-Spezialist Hella: Intelligenter Batteriesensor,
Bordnetzsteuergerät und Ruhestromschalter. Der Intelligente
Batteriesensor als Herzstück des Energiemanagements (Bild 1)
liefert Informationen über den Zustand der Batterie, das
Bordnetzsteuergerät übernimmt dabei die Verbrauchersteuerung und
das Generatormanagement, während der Ruhestromschalter im
Bedarfsfall Stromverbraucher vom Bordnetz trennt.
Präzise Messung
Der in die Polklemme integrierbare Intelligente Batteriesensor
(IBS) wird auf dem Minuspol der Batterie montiert. Der Montageplatz
nahe am Energiespeicher hat mehrere Vorteile (Bild 2). Er minimiert
Mess-Ungenauigkeiten, die durch Spannungsabfälle auf
Verbindungsleitungen entstehen könnten. Eine genaue Bestimmung der
Batterietemperatur ist sogar nur dort möglich. Eine wesentliche
Funktion des IBS ist neben Spannungs- und Temperaturmessung die
präzise Messung des Batteriestroms über den gesamten Bereich der im
Fahrzeug auftretenden Ströme. Der Spannungsabfall über einem
Mess-Shunt wird von einem Analog/Digital-Wandler erfasst. Ein
weiterer A/D-Wandler bestimmt synchron zur Strommessung die
Batteriespannung. Neben den beiden Wandlern ist im Batteriesensor
ein Mikrocontroller integriert. Mit seiner Hilfe lässt sich eine
Batteriezustandserkennung (BZE) als Softwarefunktion direkt auf dem
IBS integrieren.
Neben der präzisen Messung von Strom, Spannung und Temperatur kann
der Intelligente Batteriesensor noch eine ganze Reihe weiterer
Aufgaben übernehmen. Er überwacht Stromschwellen und kann beim
Überschreiten das Bordnetzsteuergerät aus dem Ruhezustand wecken.
Dabei lassen sich die Schwellen individuell einstellen. Über einen
programmierbaren Timer lässt sich der Zeitabstand zwischen zwei
Messungen während der Ruhephase im Bereich von Sekunden bis zu
Stunden einstellen. Der Ruhestromverbrauch des IBS selbst ist dabei
Dank seiner Sleep-Funktion minimal. Trotzdem erfasst er aber
während jeder Ruhephase den aktuellen Strom bei Schwell
Wertüberschreitungen!
Das Energie-Management von Hella kann aber noch viel mehr, als nur
den Stromverbrauch im Ruhezustand und im Fährbetrieb zu messen und
zu regeln. Mit Hilfe verschiedener Batteriezustands-Algorithmen
berechnet es auf Wunsch den Ladezustand (State of Charge, SoC), den
Alterungszustand (State of Health, SoH) und die Leistungsfähigkeit
(State of Function, SoF) der Batterie. Zur Bestimmung der
Startfähigkeit SoF misst der Batteriesensor Spannungs- und
Stromänderungen und berechnet daraus u.a. den Innenwiderstand der
Batterie. Dieser Wert hat eine hohe Aussagekraft über den Zustand
des Energiespeichers. Ein niedriger Innenwiderstand steht für eine
gute Leistungsfähigkeit. Zusammen mit dem Ladezustand, dem
Alterungszustand sowie gespeicherten Daten aus vorangegangenen
Starts kann der Batteriesensor eine Warnung ausgeben, sobald die
Startfähigkeit des Fahrzeugs nicht mehr gesichert ist.
Durch das kontinuierliche Monitoring von Batteriedaten durch den
IBS kann dem Fahrer eine Empfehlung zum rechtzeitigen Austausch
einer gealterten Batterie gegeben werden.
Zentrale der Energieverwaltung
Im Bordnetzsteuergerät (BSG) laufen alle Informationen zum
Energieverbrauch im
Bordnetz zusammen. Fahrzustände und Fahreranforderungen ergänzen
die Messwerte des Intelligenten Batteriesensors und anderer
Sensoren. Das Bordnetzsteuergerät (Bild 3) kontrolliert alle
Verbraucher und kann bei Defiziten in der Energieversorgung
beispielsweise Komfortfunktionen wie die Sitzheizung temporär
reduzieren bzw. abschalten.
Das Bordnetzsteuergerät ist sowohl im Betrieb des Fahrzeugs als
auch während seiner Standphasen aktiv und hält das Bordnetz
praktisch ständig unter Beobachtung. Es speichert den letzten
gültigen Ruhestromwert samt weiterer Fahrzeugzustände. Weiter
bewertet es den Zustand der Batterie auf Basis der vom
Intelligenten Batteriesensor zur Verfügung gestellten
Informationen. Während der Ruhephase werden nämlich Spannung und
Strom zyklisch vom Batteriesensor erfasst. Wird eine einstellbare
Warnschwelle erreicht, informiert der Batteriesensor das
Bordnetzsteuergerät. In mehreren Stufen kann dieses auf Probleme in
der Energieversorgung des Autos reagieren. Wenn ein hoher
Entladestrom während einer Leerlaufphase auftritt, kann es bei
kritischem Batteriezustand die Leerlaufdrehzahl anheben, damit der
Generator mehr Strom liefert. Reicht dies noch nicht aus, werden
Verbraucher - unterteilt in mehrere Abschaltstufen - ausgeschaltet.
Im Ruhezustand des Fahrzeugs kann hierbei - beispielsweise durch
ein frühzeitiges Öffnen des Ruhestromschalters - die Startfähigkeit
des Fahrzeugs sichergestellt werden. Zusätzlich speichert das
Bordnetzsteuergerät, welcher Verbraucher - zum Beispiel das
Abblendlicht - die Batterie übermäßig entladen hat. Diese
Information kann später eine Werkstatt auslesen und eventuelle
Fehler beheben.
Während des Fahrbetriebs übernimmt das Energiemanagement von Hella
zusätzliche Aufgaben. Der Batteriesensor stellt dem
Bordnetzsteuergerät die für eine optimale Ladung notwendigen
Informationen über Batterietemperatur und Ladezustand zur
Verfügung. Abhängig von der Batterietemperatur kann die
Ladespannung des Generators angepasst werden, um speziell bei
tiefen Temperaturen den Ladungsvorgang zu verbessern. Zur Erhöhung
der Batterielebensdauer kann die Ladespannung bei hohen
Temperaturen abgesenkt werden.
Auch kann die intelligente Energieverwaltung einen Beitrag zur
Kraftstoffverbrauchs- und Emissionsreduktion leisten. Das
Bordnetzsteuergerät kann beispielsweise durch eine Anpassung der
Generatorspannung das Laden der Batterie kurzzeitig komplett
stoppen, etwa um beim Überholen oder an Steigungen die komplette
Motorleistung dem Antrieb zu überlassen (Bild 5). Das Verfahren der
Abschaltung von Nebenaggregaten bei Volllast hat sich beim
Kompressor der Klimaanlage bereits bewährt.
Bei Talfahrt oder im Schubbetrieb ist dann sogar eine elektrische
Energierückgewinnung (Rekuperation) möglich. Bei dieser Form der
Rekuperation ist keine Veränderung am Bordnetz erforderlich. Dies
ist einer der großen Vorteile dieser „kleinen Energierückgewinnung"
gegenüber dem Einsatz von elektrischen Bremsen. Lediglich der
Regler wird dabei so angesteuert, dass die Batterie über einen
angehobenen Spannungslevel optimal geladen wird.
Um elektrische Energie rekuperieren zu können, muss der Ladezustand
der Batterie in einem genau definierten Bereich liegen: In einer
voll geladenen Batterie kann keine weitere Energie mehr gespeichert
werden. Auf der anderen Seite muss ein Ladezustand sichergestellt
werden, der auch unter ungünstigsten Bedingungen die Startfähigkeit
des Fahrzeugs garantiert. Der Batteriesensor liefert in diesem Fall
die erforderlichen Informationen über den Ladezustand der Batterie
und die jeweils vorhandene Startfähigkeit des Fahrzeugs. Nebenbei
erhöht die Rekuperation die Motorbremswirkung bei Bergabfahrten,
was von den meisten Fahrern als angenehm empfunden wird. Allerdings
kann mit elektrischer Rekuperation in Starterbatterien nur ein
kleiner Teil der beim Bremsen
freiwerdenden Energie gespeichert werden. Für eine effizientere
Speicherung von Bremsenergie sind neuartige Bremsen und andere
leistungsfähigere Energiespeicher wie beispielweise
Ultrakondensatoren erforderlich, was allerdings einen deutlich
höheren Aufwand im Fahrzeug mit sich bringt.
Vollständige Trennung
Der Ruhestromschalter ist als bistabiles Relais realisiert (Bild
4). Die Spule wird nur beim Schalten mit Strom versorgt, verursacht
also selbst keinen permanenten Energieverbrauch. Das Gerät
ermöglicht die Abtrennung von Steuergeräten innerhalb einer
Ruhephase. Dadurch wird der Ruhestrom weitaus mehr abgesenkt, als
dies über Sleep-Funktionen in den Steuergeräten selbst möglich ist,
da die Verbraucher durch den Ruhestromschalter vollständig vom
Bordnetz getrennt werden. Dieses ermöglicht eine Reduzierung des
Ruhestroms auch bei defekten Steuergeräten, die beispielsweise
nicht in den Sleep-Modus wechseln. Bei derartigen
Ruhestromproblemen kann das Energiemanagement die Abschaltung
aktivieren und so die Fahrzeugstartfähigkeit garantieren(sb).
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK» Dezember2007 33
www.all-electornics.de
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