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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Pufferwirkung
einer Batterie zur Bereitstellung einer Spannung für ein
Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem Belastungswiderstand,
der zum Erzeugen eines Belastungsstroms über ein steuerbares
erstes Schaltelement parallel zu der Batterie schaltbar ist, und
mit einer Messeinrichtung, die zur Bestimmung der bei unbestromtem
Belastungswiderstand an der Batterie anliegenden Spannung ausgebildet
ist.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus
DE 102 08 020 A1 bekannt. Zur Kompensation
von Instabilitäten im Bordnetz des Fahrzeugs kann der Bordbatterie eine
Stützbatterie parallel geschaltet werden. Als Belastungswiderstand
für die Batterie dient eine Heckscheibenheizung, mittels
der die Batterie mit einem Strom belastet wird, um am Innenwiderstand
der Batterie einen Spannungsabfall zu bewirken. Nach dem Einschalten
des Belastungswiderstands werden der Spannungseinbruch mit Hilfe
eines Spannungsmessers und der Strom mittels eines Stromsensors
gemessen. Der Verlauf des Spannungseinbruchs und des Stroms wird
in einer Überwachungseinheit bewertet, um auf die Pufferwirkung
zu ermitteln. Dabei wird der dynamische Innenwiderstand der Batterie durch
Bildung des Quotients aus der Änderung der Spannung und
dem durch den Belastungswiderstand fließenden Strom ermittelt.
Bricht die Spannung unter einen vorgegebenen Grenzwert ein, wird
hieraus geschlossen, dass die Pufferwirkung der Batterie nicht mehr
ausreichend ist. Die Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass sie
für die Messung des Spannungseinbruchs und des Stroms separate
Messeinrichtungen aufweist. Ungünstig ist außerdem,
dass aufgrund von Messungenauigkeiten, die Pufferwirkung nur relativ
ungenau ermittelt wird.
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Dies
ist insbesondere bei Fahrzeugen ungünstig, die mit einer
so genannten Start-Stopp-Automatik für eine Hubkolben-Verbrennungsmaschine ausgestaltet
sind. Dabei wird die Verbrennungsmaschine bei stehendem Fahrzeug,
beispielsweise an einer Ampel automatisch abgeschaltet, um Kraftstoff einzusparen.
Sobald die Fahrt fortgesetzt wird, wird die Verbrennungsmaschine
automatisch mit einem elektrischen Anlasser gestartet, wobei Verbraucher, die
für Spannungsschwankungen empfindlich sind, wie z. B. sicherheitsrelevante
Komponenten und/oder mit einem Mikrocomputer ausgestaltete elektronische
Einrichtungen, während des Startvorgangs von der Bordbatterie
abgekoppelt und über die Stützbatterie mit Strom
versorgt werden. Die automatische Abschaltung der Verbrennungsmaschine
darf nur dann erfolgen, wenn zuvor festgestellt wurde, dass die
Stützbatterie ausreichend geladen ist, um die Stromversorgung
der genannten Komponenten zu gewährleisten.
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Es
besteht deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, die bei einem kostengünstigen Aufbau eine
genaue Bestimmung der Pufferwirkung der Batterie ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung
der Pufferwirkung einer Batterie zur Bereitstellung einer Spannung
für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem
Belastungswiderstand, der zum Erzeugen eines Belastungsstroms über
ein steuerbares erstes Schaltelement parallel zu der Batterie schaltbar
ist, mit einer Messeinrichtung, die zur Bestimmung der bei unbestromtem
Belastungswiderstand an der Batterie anliegenden Spannung und zur
Bestimmung der bei bestromtem Belastungswiderstand an diesem anliegenden
Spannung ausgebildet ist, wobei ein erster Anschluss des Belastungswiderstands
mit einem ersten Spannungsmesseingang der Messeinrichtung und ein
zweiter Anschluss des Belastungswiderstands über ein steuerbares
zweites Schaltelement mit einem zweiten Spannungsmesseingang der
Messeinrichtung verbunden sind, und wobei ein erster Steuereingang
des ersten Schaltelements und ein zweiter Steuereingang des zweiten
Schaltelements jeweils derart einer Ansteuereinrichtung in Steuerverbindung
stehen, dass der zweite Anschluss des Belastungswiderstands nur
dann mit dem zweiten Spannungsmesseingang verbunden ist, wenn der Belastungswiderstand
parallel zu der Batterie geschaltet ist.
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In
vorteilhafter Weise kann dabei der Messbereich des zweiten Spannungsmesseingangs
auf die relativ geringen, bei eingeschaltetem Belastungswiderstand
an dem zweiten Spannungsmesseingang auftretenden Spannungsschwankungen
angepasst sein, so dass diese mit großer Präzision
erfasst werden können. Beim Abschalteten des Belastungswiderstands
ist der zweite Spannungsmesseingang durch das zweite Schaltelement
von dem zweiten Anschluss des Belastungswiderstands getrennt, so dass
der dann an dem zweiten Anschluss auftretende, in etwa der Batteriespannung
entsprechende, relativ große Spannungshub die an dem zweiten
Spannungsmesseingang angeschlossenen Komponenten der Messeinrichtung
nicht beschädigen kann. Dadurch ist es insbesondere möglich,
die Messeinrichtung mit einer geringeren Betriebsspannung zu betreiben
als die Batteriespannung. So kann beispielsweise die Betriebsspannung
der Messeinrichtung 5 V und die Batteriespannung etwa 12 V betragen.
Die Messeinrichtung kann dann in einen kostengünstigen Standard-Mikrocomputer
integriert sein.
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Mit
Hilfe der Messeinrichtung kann bei abgeschaltetem Belastungswiderstand
ein erster Spannungsmesswert U
1u für
eine am ersten Anschluss des Belastungswiderstands anliegende erste
Spannung und bei eingeschaltetem Belastungswiderstand ein zweiter
Spannungsmesswert U
1b für die erste
Spannung sowie ein dritter Spannungsmesswert U
2b für eine
am zweiten Anschluss des Belastungswiderstands anliegende zweite
Spannung erfasst werden. Mit Hilfe des bekannten Widerstandswerts
R
B des Belastungswiderstands kann dann der
dynamische Innenwiderstand R
i der Batterie
wie folgt bestimmt werden:
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Anschluss
des Belastungswiderstands über einen Spannungsteiler mit
dem ersten Spannungsmesseingang der Messeinrichtung verbunden. Dadurch
kann der an dem ersten Anschluss des Belastungswiderstands auftretende
Spannungshub derart an den Messbereich des ersten Spannungsmesseingangs
angepasst werden, dass die am ersten Anschluss anliegende Spannung
in dem für die Bestimmung der Pufferwirkung relevanten
Bereich mit großer Präzision gemessen werden kann und
in einem Spannungsbereich liegt, in dem die am zweiten Spannungsmesseingang
angeschlossenen Komponenten der Messeinrichtung durch die Spannung
nicht geschädigt werden. Bei einer Batterie mit einer Leerlaufspannung
von etwa 12 V ist der Spannungsteiler bevorzugt so dimensioniert,
dass die am ersten Spannungsmesseingang anliegende Spannung zwischen
30% und 40% und insbesondere etwa 1/3 der Spannung am ersten Anschluss
des Belastungswiderstands beträgt.
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Zweckmäßigerweise
ist der erste Anschluss des Belastungswiderstands mit einem ersten
Pol der Batterie und der zweite Anschluss des Belastungswiderstands über
das erste Schaltelement mit einem zweiten Pol der Batterie verbunden,
wobei in dem Strompfad zwischen dem zweiten Anschluss des Belastungswiderstands
und dem zweiten Pol der Batterie eine Diode angeordnet ist, die
bei geschlossenem ersten Schaltelement in Durchlassrichtung gepolt
ist. Die am zweiten Anschluss des Belastungswiderstands anliegende
Spannung wird dann durch die an der Diode abfallende Spannung in
einen Bereich verschoben, der weniger verrauscht ist.
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Vorteilhaft
ist, wenn die Ansteuereinrichtung Mittel zum Anlegen einer eine
Anzahl von Pulsphasen und Pulspausen aufweisenden Pulsfolge an die Steuereingänge
der Schaltelemente umfasst, und wenn die Dauer der Pulsphasen vorzugsweise
zwischen 1,8 ms und 3 ms, insbesondere zwischen 2,1 und 2,7 ms und
bevorzugt 2,4 ms und die Dauer der Pulspausen vorzugsweise zwischen
0,6 ms und 1,4 s, insbesondere zwischen 0,8 und 1,2 s und bevorzugt
1 s beträgt. Zur Bestimmung der Pufferwirkung der Batterie
können dann mehrere Messwerte erfasst und gemittelt werden.
Dadurch können Messungenauigkeiten, die auftreten können,
wenn während der Messung externere Verbraucher an der Batterie
angeschlossen oder von dieser getrennt werden, weitgehend vermieden
werden. Durch die Pulspausen wird außerdem die durch den
Stromfluss verursachte Erwärmung des Belastungswiderstands
gering gehalten.
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Die
Anzahl der für die Bestimmung der Pufferwirkung herangezogenen
Pulsphasen kann zwischen 4 und 12, insbesondere zwischen 6 und 10 und
bevorzugt 8 betragen. Dadurch können Streuungen in den
Messwerten noch besser ausgeglichen werden und die Messdauer und
die Erwärmung des Belastungswiderstands können
gering gehalten werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der
erste Spannungsmesseingang mit einem ersten Eingang eines Multiplexers
und der zweite Spannungsmesseingang mit einem zweiten Eingang des
Multiplexers verbunden, und ein Ausgang des Multiplexers ist über
einen Analog-Digitalkonverter mit einer Auswerteeinrichtung verbunden. Die
an den Spannungsmesseingängen anliegenden Messsignale können
dann mit nur einem Analog-Digitalkonverter wahl- oder wechselweise
abgetastet werden. Dadurch werden bei der anschließenden Differenzbildung
der Messwerte Konvertierungsfehler, die durch Bauteilstreuungen
verursacht sind, weitestgehend kompensiert.
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Vorteilhaft
ist, wenn der Multiplexer mehr als zwei Eingänge aufweist,
die mit Hilfe einer Schalteinrichtung in einer vorbestimmten Reihenfolge
nacheinander zyklisch mit dem Analog-Digitalkonverter verbindbar
sind, und wenn die Reihenfolge derart gewählt ist, dass
der Zyklus, bei dem der erste Spannungsmesseingang mit dem Analog-Digitalkonverter und
der Zyklus, bei dem der zweite Spannungsmesseingang mit dem Analog-Digitalkonverter
verbunden sind, direkt aufeinander folgen. Dadurch ist es möglich,
die an dem ersten und zweiten Spannungsmesseingang anliegenden analogen
Spannungen direkt nacheinander und somit zeitnah zueinander in entsprechende
Digitalsignale zu konvertieren. Bei Bedarf können zusätzlich
noch weitere analoge Messsignale mit dem Analog-Digitalkonverter
digitalisiert werden, so dass dieser besser genutzt werden kann.
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Bevorzugt
steht die Ansteuereinrichtung derart mit der Messeinrichtung in
Steuerverbindung, dass bei offenem ersten Schaltelement mit Hilfe
der Messeinrichtung ein erster Spannungsmesswert für die
an dem ersten Anschluss des Belastungswiderstands anliegende Spannung
erfasst wird, und dass das erste Schaltelement danach zum Erfassen
eines zweiten Spannungsmesswerts für eine an dem ersten
Anschluss des Belastungswiderstands anliegende zweite Spannung und
eines dritten Spannungsmesswerts für eine an dem zweiten
Anschluss des Belastungswiderstands anliegende dritte Spannung geschlossen
wird, wobei die Zeitdauer zwischen dem Erfassen des ersten Messwerts
und dem Erfassen des zweiten und/oder dritten Messwerts insbesondere
kleiner als 20 ms, ggf. kleiner als 10 ms und bevorzugt kleiner
als 5 ms ist. Die Messwerte werden also zeitnah zueinander erfasst.
Eventuelle Messfehler durch Temperatur- und Spannungsunterschiede
werden so weitestgehend vermieden.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Zeitabstand
zwischen dem Beginn einer Pulspause und dem Zeitpunkt, an dem der
der Pulspause zugeordnete erste Spannungsmesswert erfasst wird,
bei allen Pulspausen der Pulsfolge jeweils etwa gleich groß und/oder
der Zeitabstand zwischen dem Beginn einer Pulsphase und dem Zeitpunkt,
an dem der der Pulsphase zugeordnete zweite Spannungsmesswert erfasst
wird, ist bei allen Pulsphasen der Pulsfolge jeweils etwa gleich
groß und/oder der Zeitabstand zwischen dem Beginn einer
Pulsphase und dem Zeitpunkt, an dem der der Pulsphase zugeordnete
dritte Spannungsmesswert erfasst wird, ist bei allen Pulsphasen
der Pulsfolge jeweils etwa gleich groß. Ein Jittern der
Messzeitpunkte wird dadurch vermieden.
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Vorteilhaft
ist, wenn die Messeinrichtung ein Rechenwerk aufweist und derart
ausgestaltet ist, dass die ersten Spannungsmesswerte der einzelnen Pulspausen
der Pulsfolge, die zweiten der einzelnen Pulsphasen der Pulsfolge
und die dritten Spannungsmesswerte der einzelnen Pulsphasen der
Pulsfolge jeweils aufaddiert werden und dass aus den so erhaltenen
Summenwerten ein Messwert für die Pufferwirkung der Batterie
errechnet wird. Somit tritt nur ein einmaliger Rundungsfehler auf.
Die Spannungsmesswerte werden bevorzugt als 16 Bit Werte aufsummiert
und gemittelt.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn der Belastungswiderstand derart gewählt
wird, dass der durch den Belastungswiderstand fließende
Belastungsstrom mindestens 5 A und bevorzugt mindestens 6 A beträgt.
Dabei ist der Belastungswiderstand vorzugsweise ein etwa rechteckiger
Dickschichtwiderstand, der hohe Pulsbelastungen ermöglicht.
Dabei ist es sogar möglich, dass der Belastungswiderstand
für eine Nennleistung von nur einem Viertel Watt dimensioniert
ist und bei einer Bestromungsphase von 3 ms eine Leistung von etwa
55 W trägt
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Nachfolgend
ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Schaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung der Pufferwirkung einer
Stütz-Batterie eines Kraftfahrzeugs.
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Eine
im Ganzen mit 1 bezeichnete Vorrichtung zur Bestimmung
der Pufferwirkung einer Stütz-Batterie 2 zur Bereitstellung
einer Spannung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs hat
einen Belastungswiderstand 3, der zum Erzeugen eines Belastungsstroms über
ein als Feldeffekttransistor ausgestaltetes, steuerbares erstes
Schaltelement 4 parallel zu der Batterie 2 schaltbar
ist.
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In 1 ist
erkennbar, dass der Belastungswiderstand 3 drei parallel
zueinander geschaltete, pulsfeste Teilwiderstände 3a, 3b, 3c aufweist,
die mit einem ein ersten Anschluss 5 mit dem Pluspol der Batterie 2 verbunden
sind. Ein zweiter Anschluss 6 des Belastungswiderstand 3 ist
mit der Anode einer Diode 7 verbunden. Die Kathode der
Diode 7 ist mit einem Drain-Anschluss des Schaltelements 4 verbunden.
Ein Source-Anschluss des Schaltelements 4 ist über
eine Masseverbindung am Minuspol der Batterie 2 angeschlossen.
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Ein
erster Steuereingang 8 (Gate) des ersten Schaltelements 4 ist über
einen ersten Spannungsteiler mit einem ersten Ausgangsport 9 eines
in 1 nur schematisch dargestellten Mikrocomputers 10 verbunden,
der als Ansteuereinrichtung dient. Der erste Spannungsteiler hat
einen ersten Widerstand 11, der den ersten Steuereingang 8 mit
Masse verbindet. Ein zweiter Widerstand 12 des ersten Spannungsteilers
und ein erster Eingangswiderstand 13 sind in Reihe geschaltet
und verbinden den ersten Steuereingang 8 mit dem ersten
Ausgangsport 9.
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Der
erste Anschluss 5 des Belastungswiderstands 3 ist über
einen zweiten Spannungsteiler mit einem ersten Spannungsmesseingang 14 einer
Messeinrichtung verbunden, die einen Analog-Digitalkonverter 15 mit
einer Auflösung von 10 Bit und einen Multiplexer 16 zum
Verbinden des ersten Spannungsmesseingangs 14 mit einem
Analogspannungseingang 17 des Analog-Digitalkonverters 15 aufweist.
Der zweite Spannungsteiler hat einen dritten Widerstand 18 und
einen damit in Reihe geschalteten vierten Widerstand 19.
Ein Anschluss des dritten Widerstands 18 ist über
einen ersten elektronischen Schalter 20 mit dem ersten
Anschluss 5 des Belastungswiderstands 3 verbunden.
Ein zweiter Anschluss des dritten Widerstands 18 ist über
einen ersten Verbindungsknoten mit einem ersten Anschluss des vierten
Widerstands 19 verbunden. Ein zweiter Anschluss des vierten
Widerstands 19 liegt auf Massepotential. Der Widerstandswert
des vierten Widerstands 19 beträgt etwa ein Drittel
der Summe der Summe der Widerstandswerte des dritten Widerstands 18 und
des vierten Widerstands 19.
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Der
erste Verbindungsknoten ist über einen ersten Vorwiderstand 21 am
ersten Spannungsmesseingang 14 angeschlossen und über
einen ersten Kondensator 22 mit Masse verbunden. Ein Steuereingang
des ersten elektronischen Schalters 20 ist zum Verbinden
des zweiten Spannungsteilers mit dem ersten Anschluss 5 des
Belastungswiderstands 3 bzw. zum Trennen des zweiten Spannungsteilers vom
ersten Anschluss 5 des Belastungswiderstands 3 über
einen zweiten elektronischen Schalter 23 mit einem zweiten
Ausgangsport 24 des Mikrocomputers 10 verbunden.
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Der
zweite Anschluss 6 des Belastungswiderstands 3 ist über
einen steuerbares zweites Schaltelement 25 mit einem zweiten
Spannungsmesseingang 26 der Messeinrichtung verbunden.
Das zweite Schaltelement 25 ist mit seinem Drain-Anschluss
mit dem zweiten Anschluss 6 des Belastungswiderstands 3 verbunden.
Ein Source-Anschluss des zweiten Schaltelements 25 ist über
einen Tiefpass, der einen an dem Source-Anschluss angeschlossenen
fünften Widerstand 27 und einen damit in Reihe
geschalteten, zu einem Masseanschluss führenden zweiten
Kondensator 28 aufweist, mit dem zweiten Spannungsmesseingang 26 der
Messeinrichtung verbunden. Zwischen einem den fünften Widerstand 27 mit
dem zweiten Kondensator 28 verbindenden zweiten Verbindungsknoten
und dem zweiten Spannungsmesseingang 26 ist ein zweiter
Vorwiderstand 29 angeordnet.
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Die
Ansteuerung des zweiten Schaltelements 25 erfolgt über
den ersten Ausgangsport 9. Ein zweiter Steuereingang 30 des
zweiten Schaltelements 25 ist dazu über einen
dritten Spannungsteiler mit dem ersten Steuereingang 8 des
ersten Schaltelements 4 verbunden. Der dritte Spannungsteiler
hat einen den zweiten Steuereingang 30 mit Masse verbindenden
sechsten Widerstand 31 und einen siebten Widerstand 32,
der den zweiten Steuereingang 30 mit dem ersten Steuereingang 8 verbindet.
Erwähnt werden soll noch, dass zur Begrenzung von Spannungsspitzen
eine Schutzschaltung 33 vorgesehen ist, über welche
der erste Steuereingang 8 mit Masse verbunden ist. Parallel
zum zweiten Widerstand 12 ist ein RC-Glied geschaltet.
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Zum
Bestimmen der Pufferwirkung der Batterie 2 wird zunächst
das erste Schaltelement 4 geöffnet, um den Belastungswiderstand 3 stromlos
zu machen. Außerdem wird der dritte Widerstand 18 über
den ersten Schalter 20 mit dem ersten Anschluss 5 des
Belastungswiderstands 3 verbunden. Dann wird über
den ersten Spannungsmesseingang 14 ein erster Spannungsmesswert
für eine am ersten Anschluss 5 des Belastungswiderstands 3 anliegende
erste Spannung erfasst.
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Nun
wird das erste Schaltelement 4 für die Dauer einer
ersten Pulsphase geschlossen. Nachdem ein vorbestimmte Zeitdauer
von etwa 2,4 ms abgewartet wurde, wird über den ersten
Spannungsmesseingang 14 ein zweiter Spannungsmesswert für eine
am ersten Anschluss 5 des Belastungswiderstands 3 anliegende
Spannung gemessen. Danach wird der dritte Widerstand 18 über
den ersten Schalter 20 vom ersten Anschluss 5 des
Belastungswiderstands 3 getrennt.
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Bei
weiterhin geschlossenem erstem Schaltelement 4 wird über
den zweiten Spannungsmesseingang 26 ein dritter Spannungsmesswert
für eine am zweiten Anschluss 6 des Belastungswiderstands 3 anliegende
Spannung gemessen. Danach wird das erste Schaltelement 4 für
die Dauer einer ersten Pulspause geöffnet, damit sich der
Belastungswiderstand 3 abkühlen kann.
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Nun
wird eine Anzahl weiterer Pulsphasen bzw. Pulspausen generiert,
um in entsprechender Weise weitere erste, zweite und dritte Spannungsmesswerte
in Form von Digitalwerten zu erfassen. Nachdem auf diese Weise
8 Messungen,
bei denen jeweils ein erster, zweiter und dritter Spannungsmesswert
erfasst wurde, durchgeführt wurden, wird das erste Schaltelement
4 geöffnet
und es werden die digitalen ersten Spannungsmesswerte mit Hilfe des
Mikrocomputers
10 zu einem ersten Summenwert, die digitalen
zweiten Spannungsmesswerte zu einem zweiten Summenwert und die digitalen
dritten Spannungsmesswerte zu einem dritten Summenwert aufaddiert.
Selbstverständlich ist es aber auch möglich, die
Addition bereits während der Messung durchzuführen,
indem der jeweils gerade erfasste Messwert zur Summe der entsprechenden,
zuvor erfassten Messwerte addiert wird. Der durch den Belastungswiderstand
3 fließende
Strom wird wie folgt berechnet:
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Dabei
bedeuten U2 die Summe der zweiten Spannungswerte,
U3 die Summe der dritten Spannungswerte,
RB der Belastungswiderstand und k1 einen konstanten ersten Faktor.
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Der
dynamische Innenwiderstand der Batterie
2 wird wie folgt
ermittelt:
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Dabei
bedeuten U1 die Summe der ersten Spannungswerte
und k2 einen konstanten zweiten Faktor.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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