DE3142038A1

DE3142038A1 - Verfahren und anordnung zur ermittlung einer restlichen fahrreichweite bei einem elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE3142038A1
Application number: DE19813142038
Authority: DE
Inventors: Willibert Dipl.-Ing. Schleuter; Guillermo Dipl.-Ing. 5100 Aachen Wille
Original assignee: ELEKTR STRASSENVERKEHR GES; GES Gesellschaft fuer Elektrischen Strassenverkehr GmbH
Current assignee: ELEKTR STRASSENVERKEHR GES; GES Gesellschaft fuer Elektrischen Strassenverkehr GmbH
Priority date: 1981-10-23
Filing date: 1981-10-23
Publication date: 1983-05-05

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zur Er-
mittlung einer restlichen Fahrreichweite bei einem Elektrofahrzeug mit Akkumulatorenbatterie, wobei bei einer Entladung die entnommene Energie E gemessen wird, wobei ferner für die Akkumulatorenbatterie eine die verfügbare Ladung Qverf bei vorgegebenem Entladestrom festlegende Kennlinie mit der verfügbaren Ladung als Ordinate und einem Entladestrom als Abszisse ermittelt wird. -Mit Hilfe dieser beiden Größen mag man bereits im wissenschaftlichen oder theoretischen Bereich für überschlägige Betrachtungen eine Aussage über die restliche Fahrreichweite bei einem Elektrofahrzeug mit Akkumulatorenbatterie gewonnen haben. Es fehlt jedoch ein mit den Hilfsmitteln der modernen Elektronik ohne Schwierigkeiten zu verwirklichendes Verfahren, welches es erlaubt, in einem Elektrofahrzeug mit Akkumulatorenbatterie eine entsprechende, permanent arbeitende Anzeigevorrichtung zu installieren. Hilfsmittel der modernen Elektronik meint im Rahmen der Erfindung insbesondere hochintegrierte Schaltkreise, wie Mikroprozessoren, und deren periphere Schaltkreise (vgl. Werner Kobitzsch "Mikroprozessoren - Aufbau und Wirkungsweise", Band 1 und 2, R. Oldenbourg - Verlag München - Wien 1977, und Blomeyer-Bartenstein "Mikroprozessoren und Mikrocomputer", Kontron Verlag München 1979).
Bei einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor gibt bekanntlich die Tankanzeige die restliche Menge an Verbrennungskraftstoff an.
Damit kann in Abhängigkeit vom Fahrbetrieb auf die restliche Reichweite bis zum nächsten Tanken geschlossen werden. Bei einem Elektrofahrzeug mit Akkumulatorenbatterie ist die Reichweite in erheblichem Maße von der Akkumulatorenbatterie abhängig. Da außerdem die Reichweite wesentlich geringer und das Zuführen von Energie zur Akkumulatorenbatterie viel zeitaufwendiger ist als das Betanken eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor, ist einer sicheren Anzeige der Restreichweite erheblich größere Bedeutung beizumessen als der Tankanzeige bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anordnung anzugeben, welche es erlauben, in einem Elektrofahrzeug mit Akkumulatorenbatterie die restliche Fahrreichweite mit ausreichender Sicherheit zuverlässig zur Anzeige zu bringen.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß bei der Fahrt des Elektrofahrzeuges der der Akkumulatorenbatterie entnommene Strom gemessen und über die Fahrzeit mit Hilfe eines Integrierers integriert sowie daraus der Mittelwert I der Stromentnahme mit Hilfe eines Mittelwertbildners gebildet.wird, wobei nach Maßgabe der Kennlinie und des Mittelwertes I der Stromentnahme zunächst die verfügbare Ladung Qverf und die verfügbare Energie E verf sowie mit Hilfe zweier Subtrahierer aus der verfügbaren Energie Everf und der bereits entnommenen Energie E die Restenergie ERest bzw. aus der verfügbaren Ladung Qverf und der entnommenen Ladung Q die Restladung QRest ermittelt wird, daß außerdem die bei der Fahrt der Akkumulatorbatterie entnommene Leistung gemessen und über die Fahrzeit mit Hilfe eines Integrierers integriert sowie daraus eine einem letzten Fahrzeitintervall dt entsprechende Teilenergie Edt mit Hilfe eines Addierers gebildet wird und dieser Wert stets mit einer Aktualisierungszeitspanne, die klein ist zum angegebenen Fahrzeitintervall dt,aktualisiert wird, daß ferner der im Fahrzeitintervall dt zurückgelegte Weg Sdt gemessen und daraus mit Hilfe eines Dividierers der Quotient Sdt/Edtgebildet sowie dieser Quotient mit Hilfe eines Multiplizierers mit der Restenergie ERestsultipliziert und diese Größe als Fahrreichweitenmaß für die restliche Fahrreichweite verwendet wird.-Ermittelt man außerdem die im Fahrzeitintervall dt tatsächlich der Akkumulatorbatterie entnommene Energie Edt und dividiert man diese durch den zurückgelegten Weg Sdt, so erhält man in Form eines Quotienten unmittelbar eine Aussage über den auf den Weg bezogenen Energieverbrauch im Zeitintervall dt.
Im einzelnen bestehen mehrere Möglichkeiten für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt der eingangs bereits betonten Kennlinie besondere Bedeutung zu. Sie kann unter Berücksichtigung der Eigenheiten des Elektrofahrzeuges und unter Berücksichtigung subjektiver Eigenheiten eines Fahrers oder mehrerer Fahrer grundsätzlich experimentell festgelegt werden. Zu guten Ergebnissen in bezug auf die Genauigkeit der Anzeige der Fahrreichweite kommt man jedoch dadurch, daß nach Maßgabe einer Kennlinie gearbeitet wird, die die verfügbare Ladung Qverf in Abhängigkeit von einem mittleren Entladestrom für wechselnde Belastungen I = Imax (ti/tz) angibt, wobei ti die Stromflußzeit und tZ die Zykluszeit sowie Imax den Maximalwert des Entladestromes im Zyklus bedeuten. Die Länge des Fahrzeitintervalls und auch die Aktualisierungszeit richten sich nach den Gegebenheiten und dem Einsatz des Elektrofahrzeuges. Bei einem Elektrofahrzeug, welches hauptsächlich auf einer Autobahn fährt, wird man diese Parameter anders wählen, als bei einem Elektrofahrzeug, welches hauptsächlich im Stadtverkehr eingesetzt wird. Handelt es sich um ein Elektrofahrzeug, welches für üblichen Mischbetrieb zwischen Stadtverkehr und Autobahnverkehr bestimmt ist, so empfiehlt die Erfindung, daß mit einem Fahrzeitintervall dt gearbeitet wird, welches der Gesamtfahrzeit seit Entladebeginn und/oder den etwa letzten 10 Minuten entspricht. Die Aktualisierungszeit soll in diesem Falle etwa 30 Sekunden ausmachen. Vorzugsweise wird für die Ermittlung der restlichen Fahrreichweite mit der Gesamtfahrzeit und des spezifischen Energieverbrauches mit dem letzten Fahrzeitintervall von etwa 10 Minuten gearbeitet.
Im einzelnen wird zu den Erkenntnissen und Erwägungen, von denen die Erfindung ausgeht, folgendes vorgetragen: Bei dem erfindungsgemäßen Reichweitenmeßgerät wird die Energie der Akkumulatorenbatterie in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern als bekannt vorausgesetzt. Aus der Messung des Energieverbrauchs ergibt sich eine restliche Energie Ernst des Speichers. Zusätzlich wird die im letzten Fahrzeitintervall dt benötigte Energie pro Weglänge Edt/Sdt ermittelt. Aus dem Quotienten der beiden Größen ERNST und Edt/Sdt ergibt sich die restliche Reichweite SRest Bei einer Akkumulatorenbatterie, insbes. beim Bleiakkumulator,ist der Elektrolyt am Reaktionsprozeß beteiligt. Dies hat zur Folge, daß entnehmbare Kapazität sehr stark stromabhängig ist. Vor allem bei höheren Strömen tritt ein Blockiereffekt ein, der auf die zu geringe Diffusionsgeschwindigkeit des Elektrolyten zurückzuführen ist. Der konzentrierte Elektrolyt zwischen den Platten kann nicht schnell genug in die Poren der Platten nachdiffundieren.
Es kommt zu einer Säureverarmung in den Poren der Platten, so daf die Konzentration an diesen Stellen gegen Null strebt. Damit steigt der Elektrolytwiderstand sehr stark an, die Spannung an den Klemmen bricht zusammen und es kommt zu einem frühzeitigen Entladeschluß.
Gestattet man der Akkumulatorenbatterie bei einer Entladung mit großen Strömen nach dem Entladeschluß eine Beruhigungspause und damit die Möglichkeit des Säureausgleiches und entlädt sie anschließend mit einem geringeren Strom, so ist abhängig von der Dauer der Pause und Höhe des Stromes noch ein Großteil der restlichen gespeicherten Ladung zu entnehmen. Bei mehrmaligem Wiederholen dieser Prozedur kann die verfügbare Ladung abhängig vom Entladestrom bis zu 40 % höher liegen als die bei der ersten-Entladung. In gleicher Weise steigt die verfügbare Ladung auch bei Beruhigungspausen zwischen den Entladungen.
Hersteller geben die Daten der Akkumulatorenbatterie gewöhnlich nur für Konstantstromentladung im Bereich von 1/4- bis 5-stündiger Entladung an. Im Elektrostraßenfahrzeug wird die Akkumulatorenbatterie mit wechselnden Belastungen betrieben. Daher wurden Untersuchungen durchgeführt, um den Einfluß zyklischer Belastungen auf die entnehmbare Ladung zu ermitteln. Setzt man die Akkumulatorenbatterie einer intermittierenden Belastung aus, so ergeben sich je nach Stromflußzeiten und Strommaximalwert unterschiedliche verfügbare Ladungen. Die Belastungsspiele wird man z. B. dem Betrieb des Elektroautos im innerstädtischen Verkehr ähnlich wählen. Durch das Nacheinander von Fahren und Halten an Kreuzungen oder vor Ampeln ergeben sich Belastungskollektive, deren Periodendauer sich im Bereich vo n Sekunden oder Minuten abspielen.
Für kleinere Stromflußzeiten t. bei gleicher Zykluszeit verschieben sich die Kurven in Richtung größerer verfügbarer Ladungen. Bemerkenswert ist, daß die Abhängigkeit der verfügbaren Ladung vom Mittelwert des Stromes I wesentlich geringer ist als vom Maximalwert des Stromes und sich nur im Bereich kleiner Ströme eine Auffächerung ergibt. Das hat seine Ursache im ungleichen Effektivwert des Entladestromes bei gleichem Mittelwert. Bei gleichem Strommittelwert besitzt der Entladestrom den größten Effektivwert dessen 1 am größten ist. Die Erfindung geht daher davon aus,daß max bei intermittierender Belastung im Sekunden- und Minutenbereich in erster Näherung mit dem Entladestrommittelwert gerechnet werden kann. Andere Einflußgrößen, wie Elektrolyttemperatur u.dgl.
können auch berücksichtigt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Schaltschemas für eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlicher erläutert.
Die in der einzigen Figur dargestellte Anordnung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist zunächst gekennzeichnet durch einen Mikrocomputer 3,5 - 23, an den einerseits über einen Analog/Digitalwandler 4 Meßglieder für Batteriestrom I,Batteriespannung U, Batterie- bzw. Elektrolyttemperatur T sowie Motordrehzahl n und andererseits eine Anzeige 24 angeschlossen sind.
Die Meßglieder arbeiten analog, Batteriestrom I und Batteriespannung U werden potentialgetrennt erfaßt. Die Schaltung ist dabei so getroffen, daß der Batteriestrom I und die Batteriespannung U mit Hilfe zweier Tiefpässe 1,2 geglättet werden, so daß sich innerhalb eines Verarbeitungszyklusses keine nennenswerten Änderungen dieser Größe ergeben. Neben diesen beiden Größen Batteriestrom I und Batteriespannung U werden in dem A/D-Wandler 4 die Elektrolyttemperatur T und die Motordrehzahl n digitalisiert und an den Prozessor übergeben. Der Strom wird im Integrierer 8 über die Zeit aufintegriert, was als Ergebnis die bisher entnommene , der Anzeige 24 zugeführte, Ladung Q der Batterie ergibt, und in 9 und 10 so verarbeitet, daß der Mittelwert seit Entladebeginn 1 berechnet wird. Dazu wird in 9 zunächst der Mittelwert über eine halbe Minute gebildet, der dann zur Mittelwertbildung über die gesamte Entladezeit nach 10 weitergegeben wird. Mit diesem 1 wird in 18 bzw. 17 die in der Batterie bei diesem Strom maximal verfügbare Ladung Qverf respektive die in der Batterie maximal verfügbare Energie EVerf ermittelt. Diese beiden Werte werden in 19 und 20 mit einem von der jeweiligen Elektrolyttemperatur T abhängigen Faktor k aus 6 gewichtet. Als Resultat ergibt sich die insgesamt in der Batterie zur Verfügung stehende Ladung und Energie. Die Differenz zur bereits entnommenen Ladung ergibt die Restladung in der Batterie und die Differenz zur verbrauchten Energie die restlihe Energie in der Batterie.
Die bereits verbrauchte Energie E berechnet sich in 13 durch Aufsummation von jeweils halbminütigen Energiewerten, die über 5 in 11 als Ergebnis einer Leistungs-Zeit-Integration erscheinen.
In 12 stellt Edt die in den letzten 10 Minuten verbrauchte Energie dar, die jeweils nach 30 Sekunden aktualisiert wird. Esversteht sich von selbst, daß der Prozessor hierzu Zeitgeberbaustein und Taktgenerator (nicht dargestellt) aufweist.
Das Integral der Motordrehzahl n über die Zeit ist proportional dem in dieser Zeit zurückgelegten Weg. In 7 wird dieses Integral über jeweils eine halbe Minute gebildet, in 14 zu der in den letzten 10 Minuten zurückgelegten Fahrstrecke Sdt und in 21 zu der seit Entladebeginn zurückgelegten Strecke S aufsummiert.
Wird nun dieser Wert in 22 auf die in dieser Zeit verbrauchte Energie, E bezogen und in 23 mit der noch in der Batterie befindlichenRestenergie ERest multipliziert, so ergibt das die Restreichweite, also die Strecke, die noch mit der in der Batterie vorhandenen Restladung (Restenergie) zurückgelegt werden kann.
Eine Anzeige der Restreichweite ist also immer mit der Aussage gekoppelt, daß sie nur gilt, wenn sich das Fahrverhalten nicht grundlegend ändert. Dieses Fahrverhalten liegt über 15 in 16 in Form des auf den zurückgelegten Kilometer bezogenen Energieverbrauches Edt / Sdt vor.
Um bei der Langzeitintegration in 8, 10 und 13 zur Bestimmung der entnommenen Ladung Q, des Strommittelwertes und der bereits verbrauchten Energie E keine größeren Fehler zu machen, ist in 3 eine Einrichtung vorgesehen, die als eine Art Schalter mit Hysterese arbeitet. Sie stoppt Strom-Zeit- und Leistungs-Zeit-Integration, wenn über einen bestimmten Zeitraum kein Strom fließt.
Außerdem steuert sie die Mittelwertbildung des Stromes, um den Effekt der geringfügigen Kapazitätserhöhung in Strompausezeiten und nach Anhalten und Abstellen des Fahrzeuges nachzubilden. Dazu wird die Mittelwertbildung über 10 Minuten nach Fahrtende weitergeführt.
Bei der Ladung der Batterie mit einem Ladegerät (keine Nutzbremsung) entfällt ein Großteil der beschriebenen Maßnahmen. Im Unterschied zur Batterieentladung werden nur die eingespeiste Ladung und Energie gemessen. Die Integration in 8 und 13 läuft in beiden Fällen in die entgegengesetzte Richtung, da jetzt der Strom negativ ist. Mit 3 wird hier die Strom-Zeit- und Leistungs-Zeit-Integration bei Q = 0 und E = 0 gestoppt und ab diesem Zeitpunkt die zur Berücksichtigung des Ladefaktors zusätzlich einzuspeisende Ladung gemessen. Der Ausgang von 11 führt auf einen Energiezähler, mit dem die zur Ladung der Batterie eingespeiste Energie erfaßt wird. Es können damit wichtige Aussagen über die aus dem Versorgungsnetz entnommene Energie zur Deckung des Energieverbrauchs eines Elektrospeicherfahrzeuges gewonnen werden.
Leerseite

Claims

Verfahren und Anordnung zur Ermittlung einer restlichen Fahrreichweite bei einem Elektrofahr zeug Patentansprüche: W Verfahren zur Ermittlung einer restlichen Fahrreichweite bei einem Elektrofahrzeug mit Akkumulatorenbatterie, wobei bei einer Entladung die entnommene Energie E gemessen wird, wobei ferner für die Akkumulatorenbatterie eine die verfügbare Ladung Qverf bei vorgegebenem Entladestrom festlegende Kennlinie mit der verfügbaren Ladung als Ordinate und einem Entladestrom als Abszisse ermittelt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei der Fahrt des Elektrofahrzeuges der der Akkumulatorenbatterie entnommene Strom gemessen und über die Fahrzeit mit Hilfe eines Integrierers integriert sowie daraus der Mittelwert I der Stromentnahme mit Hilfe eines Mittelwertbildners gebildet wird, wobei nach Maßgabe der Kennlinie und des Mittelwertes I der Stromentnahme -zunächst die verfügbare Ladung Qverf und die verfügbare Energie EVerf sowie mit Hilfe zweier Subtrahierer aus der verfügbaren Energie EVerf und der bereits entnommenen Energie E die Restenergie E Rest bzw. aus der verfügbaren Ladung Qverf und der entnommenen Ladung Q die Restladung QRest ermittelt wird, daß außerdem die bei der Fahrt der Akkumulatorbatterie entnommene Leistung gemessen und über die Fahrzeit mit Hilfe eines Integrierers integriert sowie daraus eine einem letzten Fahrzeitintervall dt entsprechende Teilenergie Edt mit Hilfe eines Addierers gebildet wird und dieser Wert stets mit einer Aktualisierungszeitspanne, die klein ist zum angegebenen Fahrzeitintervall dt, aktualisiert wird, daß ferner der im Fahrzeitintervall dt zurückgelegte Weg Sdt gemessen und daraus mit Hilfe eines Dividierers der Quotient Sdt/Edt gebildet sowie dieser Quotient mit Hilfe eines Multiplizierers mit der Restenergie Rest multipliziert und diese Größe als Fahrreichweitenmaß für die restliche Fahrreichweite verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem die im Fahrzeit intervall dt tatsächlich der Akkumulatorenbatterie entnommene Energie Edt ermittelt, diese durch den zurückgelegten Weg Sdt dividiert und mit Hilfe eines Kehrwertbildners der auf den Weg bezogene Energieverbrauch im Zeitintervall dt ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 pder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Maßgabe einer Kennlinie gearbeitet wird, die die verfügbare Ladung Qverf in Abhängigkeit von einem mittleren Entladestrom für wechselnde Belastung I = Imax (ti / tz) angibt, wobei t. die Stromflußzeit und tz die Zykluszeit sowie 1 den Maximalwert des Entladestroms im Zyklus bemax deuten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Fahrzeitintervall dt gearbeitet wird, welches der Gesamtfahrzeit seit Entladebeginn und/oder den etwa letzten 10 Minuten entspricht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Aktualisierungszeit gearbeitet wird, welche etwa 30 Sekunden beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verfügbare Energie EVerf und die verfügbare Ladung Qverf unter Berücksichtigung der gemessenen Temperatur der Akkumulatorenbatterie ermittelt wird.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Mikrocomputer (3,5 - 23), an den einerseits über einen Analog / Digitalwandler (4) Meßglieder für Batteriestrom, Batteriespannung sowie Motordrehzahl und andererseits eine Anzeige (24) angeschlossen sind, wobei vor dem Analog / Digitalwandler (4) zwei Tiefpässe (1, 2) angeordnet und mit deren Hilfe Batteriestrom und Batterie spannung so glättbar sind, daß sich innerhalb eines Verarbeitungszyklusses keine nennenswerten Änderungen dieser Größe ergeben.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Meßglied für die Batterietemperatur über den Analog / Digitalwandler (4) an den Mikrocomputer (3,5 - 23) angeschlossen ist.