Energiemanagement mit smarten Komponenten - All

SYSTEME & SOFTWARE
Energiemanagement
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.
E
ine 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 Fahrbetrieb 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 Generatormana-
Bild 1: Der Intelligente Batteriesensor ist
Herzstück des Energiemanagements.
Bilder: Hella
42
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK Dezember 2007
gement, 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
Bild 2: Der Montageplatz nahe am Energiespeicher hat mehrere Vorteile.
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
Schwellwertüberschreitungen!
Bild 3: Bordnetzsteuergeräte kontrollieren alle Verbraucher und schalten bei Bedarf Komfortfunktionen ab. Bilder: Hella
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
Mit Hilfe verschiedener Batteriezustandsden Zustand der
Algorithmen berechnet das EnergieBatterie auf Basis
Management SoC, SoH und SoF der Batterie. der vom Intelligenten Batteriesensor zur Verfügung gestellten Informationen. Wähden Zustand des Energiespeichers. Ein
rend der Ruhephase werden nämlich
niedriger Innenwiderstand steht für eine
Spannung und Strom zyklisch vom Batgute Leistungsfähigkeit. Zusammen mit
teriesensor erfasst. Wird eine einstellbare
dem Ladezustand, dem Alterungszustand
Warnschwelle erreicht, informiert der
sowie gespeicherten Daten aus voranBatteriesensor das Bordnetzsteuergerät.
gegangenen Starts kann der BatteriesenIn mehreren Stufen kann dieses auf Prosor eine Warnung ausgeben, sobald die
bleme in der Energieversorgung des AuStartfähigkeit des Fahrzeugs nicht mehr
tos reagieren. Wenn ein hoher Entgesichert ist.
ladestrom während einer Leerlaufphase
Durch das kontinuierliche Monitoring
auftritt, kann es bei kritischem Batterievon Batteriedaten durch den IBS kann
zustand die Leerlaufdrehzahl anheben,
dem Fahrer eine Empfehlung zum rechtdamit der Generator mehr Strom liefert.
zeitigen Austausch einer gealterten BatReicht dies noch nicht aus, werden Verterie gegeben werden.
braucher – unterteilt in mehrere Abschaltstufen – ausgeschaltet. Im RuhezuZentrale der Energieverwaltung
stand des Fahrzeugs kann hierbei – beiIm Bordnetzsteuergerät (BSG) laufen alle
spielsweise durch ein frühzeitiges Öffnen
Informationen zum Energieverbrauch im
Bild 4: Das Trennrelais ermöglicht die Abtrennung von Steuergeräten innerhalb einer Ruhephase.
photocase.com
Bild: santdtman/
Das Energie-Management von Hella
kann aber noch viel mehr, als nur den
Stromverbrauch im Ruhezustand und im
Fahrbetrieb 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
Bild: Hella
SYSTEME & SOFTWARE
Bild 5: Das Bordnetzsteuergerät kann
beispielsweise durch
eine Anpassung der
Generatorspannung
das Laden der
Batterie kurzzeitig
komplett stoppen
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
Bild: Hella,
Quelle ADAC
44
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK Dezember 2007
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).
Dr.-Ing. Carsten Hoff,
Dr.-Ing. Peter Opgen-Rhein und
Dr.-Ing. Matthias Schöllmann, Hella KGaA
Hueck&Co., Lippstadt
infoDIRECT
Link zu Hella:
www.all-electronics.de
441AEL0607