DE102014116800A1

DE102014116800A1 - Verfahren zur Erkennung einer Batterie sowie Spannungsversorgungssystem

Info

Publication number: DE102014116800A1
Application number: DE102014116800.3A
Authority: DE
Inventors: Matyas KRABOT; Csongor Döme
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2016-05-19
Also published as: EP3221709A1; CN107110906A; WO2016079012A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer innerhalb eines Spannungsversorgungssystems (1) eines Kraftfahrzeugs wirkenden Batterie (5), wobei durch einen Generator (2) eine elektrische Wechselspannung erzeugt wird, und diese Wechselspannung durch einen Gleichrichter (3) gleichgereichtet wird, und die gleichgerichtete Spannung (6) durch eine Steuereinheit (7) gemessen und analysiert wird, wobei bei Analyse von Schwingungseigenschaften der Spannung (6) außerhalb eines Toleranzintervalls die Abwesenheit einer im Spannungsversorgungssystem (1) wirkenden Batterie (5) diagnostiziert wird. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Spannungsversorgungssystem (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer innerhalb eines Spannungsversorgungssystems eines Kraftfahrzeugs wirkenden Batterie, wobei durch einen Generator eine elektrische Wechselspannung erzeugt wird, und diese Wechselspannung durch einen Gleichrichter gleichgereichtet wird, und die gleichgerichtete Spannung durch eine Steuereinheit gemessen und analysiert wird, und die gleichgerichtete Spannung durch eine Steuereinheit gemessen und analysiert wird. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Spannungsversorgungssystem insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
Insbesondere ist mit der wirkenden Batterie gemeint, dass die Batterie funktionell in das Spannungsversorgungssystem eingebunden ist. Beispielsweise würde ein Kabelbruch einer elektrischen Leitung, die von einem der mindestens zwei Pole der Batterie zum restlichen Spannungsversorgungssystem führt, dazu führen, dass die Batterie nicht mehr, beispielsweise als Energielieferant, innerhalb des Spannungsversorgungssystems wirken könnte.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf Kraftfahrzeuge, die über einen, beispielsweise über den Antrieb betriebenen, Drehstromgenerator verfügen. Häufig handelt es sich dabei um eine Lichtmaschine, die entweder bereits einen Gleichrichter enthält, oder hinter die ein Gleichrichter geschaltet ist, um eine Gleichspannung zu erzeugen, die von den verschiedenen elektrischen Systemen des Fahrzeugs verwendet werden kann. Je nach Fahrzeugtyp kann die Gleichspannung beispielsweise, nicht ausschließlich, etwa 12 V oder 24 V oder 48 V betragen.
Sowohl gegebenenfalls zum Anlassen des Motors als auch zum Betrieb von elektrischen Komponenten während der Generator beziehungsweise der Motor abgeschaltet ist, ist ferner eine Batterie vorgesehen, die im Wesentlichen parallel zu dem Generator beziehungsweise zum Gleichrichter geschaltet ist, und die in erster Linie eine dauerhafte Stromversorgung gewährleisten soll. Beispielsweise aufgrund von Kabelbrüchen kann es allerdings dazu kommen, dass eine solche Batterie effektiv aus dem Stromkreis entfernt wird. Physisch oder geometrisch ist sie also noch im Bereich des Spannungsversorgungssystems angeordnet, wirkt dort aber nicht mehr. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass eine elektronisch betätigte Handbremse sich nach dem Abschalten des Motors nicht mehr aktivieren lässt, oder auch dass der Motor des Kraftfahrzeugs sich nicht mehr starten lässt, oder das elektrische Systeme während der Motor ausgeschaltet ist nicht betrieben werden können. Es ist daher wichtig, dass die Abwesenheit einer Batterie bereits vor Abschalten des Motors, also im laufenden Betrieb, diagnostiziert beziehungsweise erkannt wird.
Aus der US 2011/0260755 A1 geht ein Spannungsversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug hervor, wobei ein Pulsgenerator Signale erzeugt, deren Auswertung die Erkennung der An- oder Abwesenheit einer parallel zum Generator geschalteten Batterie ermöglicht. Nachteilhaft sind die Notwendigkeit eines Pulsgebers und die aufwendige Auswertung.
Aus der FR 2 962 264 A1 geht ein Verfahren zum kontaktlosen Laden einer Batterie hervor, bei dem auch die Anwesenheit einer Batterie diagnostiziert werden kann. Nachteilhaft ist hier der der technische Aufwand und die mangelnde Realisierbarkeit insbesondere bei Kraftfahrzeugen.
Aus der US 5 932 989 A geht ein Verfahren hervor, die Anwesenheit einer Batterie in einem Schaltkreis festzustellen, indem das Spannungsniveau in diesen Schaltkreis aktiv beeinflusst wird. Nachteilhaft ist der notwendige Eingriff in die Funktion des Schaltkreises.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die An- oder Abwesenheit einer Batterie in einem Spannungsversorgungssystem eines Kraftfahrzeugs zuverlässig und ohne Beeinflussung der Spannung festgestellt wird.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Ein die Erfindung betreffendes Spannungsversorgungssystem wird in Anspruch 10 vorgestellt.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei Analyse von Schwingungseigenschaften der Spannung außerhalb eines Toleranzintervalls die Abwesenheit einer im Spannungsversorgungssystem wirkenden Batterie diagnostiziert wird.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist unter anderem darin zu sehen, dass eine Analyse des Spannungssignals üblicherweise im Stand der Technik bereits vorgesehen ist, und dass somit keine zusätzliche Sensorik installiert werden muss. Außerdem kann die Spannung eines elektrischen Systems nichtinvasiv gemessen werden, es ist also nicht nötig, beispielsweise durch Änderung des Spannungsniveaus oder durch Aussenden von Spannungspulsen in das System einzugreifen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass als Schwingungseigenschaft eine Oszillation der gleichgerichteten Spannung mit einer Amplitude oberhalb eines kritischen Amplitudenschwellwerts analysiert wird.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist unter anderem zu sehen, dass gerade die Amplitude einer solchen Oszillation, also deren Spannung, besonderes einfach zu messen und analysieren ist.
Der physikalische Zusammenhang zwischen der Abwesenheit einer Batterie und einer erhöhten Amplitude einer Oszillation auf dem gleichgerichteten Spannungssignal kommt dadurch zustande, dass eine eingesetzte Batterie, insbesondere wenn diese im Wesentlichen parallel zum Gleichrichter geschaltet ist, auf das davon ausgehende Signal dämpfend wirkt. Die Amplitude von Schwingungen auf dem Spannungssignal wird also bei einer parallel geschalteten Batterie verringert. Wenn nun beispielsweise ein Kabel, das von einem der Anschlüsse der Batterie zu dem restlichen Spannungsversorgungssystem führt, bricht, fällt diese dämpfende Wirkung weg und die Amplitude der Oszillation auf dem gleichgerichteten Spannungssignal erhöht sich über einen entsprechend gewählten Amplitudenschwellwert hinaus. Um beispielsweise einzelne Spannungsspitzen aus diesem Analyseverfahren herauszufiltern kann beispielweise der Mittelwert oder der Median der Amplitude über eine kritische Dauer hinweg analysiert werden, beispielsweise über eine Dauer im Bereich von Hundertstelsekunden.
Eine andere, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als Schwingungseigenschaft eine Oszillation der gleichgerichteten Spannung mit einer Frequenz oberhalb eines kritischen Frequenzschwellwert analysiert wird.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist unter anderem darin zu sehen, dass eine Frequenzanalyse sich beispielsweise mit Hilfe einer durch die Steuereinheit ausgeführten Fouriertransformation leicht durchführen lässt.
Der physikalische Zusammenhang zwischen dem Auftreten von hohen Frequenzen und der Abwesenheit einer Batterie ist darin zu sehen, dass eine parallel zum Gleichrichter geschaltete Batterie dämpfend auf das dort entstehende Spannungssignal wirkt. Hohe Frequenzen in der auf dem Spannungssignal liegenden Oszillation werden somit durch eine Batterie gedämpft beziehungsweise entfernt. Sollte beispielsweise ein galvanischer Kontakt zwischen einem Anschluss der Batterie und der restlichen Spannungsversorgung verloren gehen, können Frequenzen in einen Spektrum oberhalb eines kritischen Frequenzschwellwertes gemessen werden.
Eine Verbesserung der Erfindung sieht vor, dass die Messung und Analyse während des Anlassens des Kraftfahrzeugs ausgesetzt wird.
Gemeint ist damit die Aktivierung eines Anlassers des Kraftfahrzeugs, zum Starten eines das Kraftfahrzeug und den Generator antreibenden Verbrennungsmotors. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht unter anderem darin, dass während der Aktivierung des Anlassers üblicherweise Spannungsspitzen und untypische Spannungsverläufe zu erwarten sind, die eine zuverlässige Analyse der An- oder Abwesenheit einer Batterie erschweren würden.
Eine Verbesserung der Erfindung sieht vor, dass bei Diagnose der Abwesenheit einer Batterie ein hörbares und/oder Sichtbares Signal über eine durch den Fahrer wahrnehmbare Schnittstelle des Kraftfahrzeugs ausgegeben wird.
Dabei kann es sich beispielsweise um eine Kontrollleuchte auf dem Armaturenbrett oder um eine sprachliche Ansage handeln. Der Vorteil dieser Verbesserung besteht im Wesentlichen darin, dass der Fahrer vor Abschalten des Motors über die Abwesenheit der Batterie in Kenntnis gesetzt wird, da sich ohne Wartungsmaßnahmen der Motor danach gegebenenfalls nicht einschalten lässt, und auch andere Fehlfunktionen, beispielsweise die Parkbremse betreffend, eintreten können.
Eine Verbesserung dieser Ausführungsform sieht vor, dass mit dem Signal eine Warnung zum Anlegen einer Parkbremse ausgegeben wird.
Der Vorteil ist hierbei insbesondere darin zu sehen, dass gerade die Parkbremse ein sicherheitskritisches System darstellt, welches sich bei Abwesenheit einer Batterie nach Abschalten des Motors gegebenenfalls, insbesondere im Falle einer elektrisch angesteuerten Parkbremse ohne manuelle Ansteuermöglichkeit, nicht mehr verwenden lässt. Neben einer reinen Hinweisfunktion besitzt eine solche Warnung dann also auch eine sicherheitsrelevante, zweckmäßige Funktion.
Eine weitere Verbesserung der Erfindung sieht vor, dass bei Diagnose der Abwesenheit einer Batterie eine Diagnosenotiz zur Erleichterung von Wartungsarbeiten in einer elektronischen Speichereinheit hinterlegt wird.
Der Vorteil ist hierbei darin zu sehen, dass beispielsweise Wartungspersonal in einer Werkstatt durch Auslesen dieser Information bei der Wiederinstandsetzung unterstützt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass bei Diagnose der Abwesenheit einer Batterie die Spannungsversorgung des Stromkreises aufrecht erhalten wird, insbesondere indem eine Hilfsstromversorgungsbatterie zugeschaltet wird oder indem der Generator im Betrieb gehalten wird.
Der Vorteil ist hierbei darin zu sehen, dass über längere Zeiträume oder beispielsweise mindestens bis zum Aktivieren beispielsweise einer Parkbremse die Stromversorgung aufrecht erhalten wird, beispielsweise indem ein Fahrer darin gehindert wird, den Generator beziehungsweise den Motor abzuschalten.
Weitere die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand von zwei Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
1 ein Spannungsversorgungssystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 das Spannungssignal bei Entfernen einer Batterie.
Gemäß 1 umfasst ein Spannungsversorgungssystem 1 eines hier nicht dargestellten Kraftfahrzeuges einen Generator 2, welcher eine dreiphasige Wechselspannung erzeugt, einen ausgangsseitig davon angeordneten Gleichrichter 3 zur Umwandlung der Wechselspannung in gleichgerichtete Spannung 6, einen parallel dazu geschalteten Anschluss 4 für eine Batterie 5, sowie eine die gleichgerichtete Spannung 6 messende und analysierende Steuereinheit 7. Um die gleichgerichtete Spannung 6 im Bereich von beispielsweise 15 Volt dabei an das Spannungsniveau der Steuereinheit 7 im Bereich von beispielsweise 5 Volt anzupassen, ist dazwischen ein Spannungsteiler, bestehend aus zwei Widerständen 8a, 8b angeordnet. Außerdem ist zum Entprellen beziehungsweise Schwingungsdämpfen des Signals parallel zur Steuereinheit 7 ein Kondensator 9 geschaltet. Der Gleichrichter 3, die Batterie 5, der Spannungsteiler und der Kondensator 9 verfügen dabei über eine gemeinsame Erde 10.
Die Steuereinheit 7 analysiert nun im laufenden Betrieb, insbesondere nach Anlassen des Motors, die hier nicht dargestellte gleichgerichtete Spannung 6 auf verschiedene Schwingungseigenschaften hin, einschließlich der Amplitude und der Frequenz von Schwingungen, die in der Spannung 6 enthalten sind. Um einzelne Ausreißer wie beispielsweise vereinzelte Spannungsspitzen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu ignorieren, kann als Teil der Analyse beispielsweise der Mittelwert oder der Median der Spannung 6 über eine festgelegte Dauer gebildet und weiter analysiert werden. Außerdem wird auf eine Analyse während des Anlassens des Motors verzichtet, da in dieser Phase gegebenenfalls Schwingungseigenschaften auftreten, die eine zielgerichtete Analyse verhindern können.
Bei Auftreten eines Kabelbruchs 11 verändert sich gegebenenfalls die Frequenz und / oder die Amplitude einer auf der gleichgerichteten Spannung 6 liegenden Schwingung. Ursache dafür ist, dass die Batterie 5 dann nicht nur funktionell als Energielieferant in dem Falle, dass der Generator 2 ausgeschaltet wird, entfällt, sondern auch als schwingungsdämpfendes und / oder tiefpassfilterndes Element der Spannung 6. Die schwingungsdämpfende und / oder tiefpassfilternde Eigenschaft kann dabei beispielsweise ähnlich wie bei einem Kondensator über kapazitive Eigenschaften der Batterie 5 entstehen, oder beispielsweise auch über Wechselwirkung der durch die Spannung 6 erzeugten elektrischen Felder mit dem Elektrolyt innerhalb der Batterie 5. Im Resultat erhöht sich nach dem Auftreten eines Kabelbruchs 11 die Amplitude der Schwingung über einen kritischen Amplitudenschwellwert 12 (siehe 2), und es entstehen Frequenzen oberhalb eines kritischen Frequenzschwellwertes 14 (siehe 3).
Nach Analyse beispielsweise solcher Schwingungseigenschaften wird beispielsweise ein Signal mit einer Warnung zum Anlegen einer Parkbremse an den Fahrer ausgegeben, da dies insbesondere bei elektronisch gesteuerten Parkbremsen nach Abstellen des Motors beziehungsweise des Generators möglicherweise nicht mehr durchführbar ist. Auch kann eine Notiz, beispielsweise in Form eines Logbucheintrags, beispielsweise in einem hier nicht dargestellten elektronischen Speicher der Steuereinheit 7 hinterlegt werden und der Generator am Abschalten gehindert oder eine hier nicht dargestellte Hilfsbatterie zugeschaltet werden.
2 zeigt ein Diagramm, in dem eine Spannung U über der Zeit t aufgetragen ist. Es ist der Verlauf der gleichgerichteten Spannung 6 zu sehen, der entsteht, wenn zu einem Zeitpunkt 13 ein Kabelbruch 11 auftritt, wodurch die Batterie 5 effektiv aus dem Spannungsversorgungssystem 1 entfernt wird.
Insbesondere ist zu erkennen, wie die Amplitude der auf der gleichgerichteten Spannung 6 liegenden Oszillation nach Auftreten des Kabelbruchs 11 über dem kritischen Amplitudenschwellwert 12 liegt, da diese nicht mehr durch eine Batterie 5 gedämpft ist. Mit der Amplitude ist die maximale Auslenkung der Schwingung der Spannung 6 um deren (hier nicht eingezeichneten) Mittelwert gemeint, der üblicherweise bei durch Generatoren in Kraftfahrzeugen oder bei durch Autobatterien erzeugten Spannungen typischerweise bei etwa 12 Volt liegt. Der Amplitudenschwellwert 12 kann symmetrisch ober- und unterhalb des Mittelwerts eingezeichnet werden, wobei dann ein Überschreiten des Amplitudenschwellwerts 12 symmetrisch ober- und unterhalb des Mittelwerts auftreten und erkannt werden kann.
Auch eine ebenso verursachte Erhöhung der Frequenz ist ersichtlich, auch wenn die numerische Auflösung beziehungsweise die Abtastrate der Spannung 6 in dieser Darstellung in dem Bereich von deren Frequenz liegt. Erkennbar ist, dass die Spannung 6 nach dem Zeitpunkt 13 nicht nur höhere sondern auch mehr Oszillationen pro Zeitintervall aufweist als davor.
3 zeigt eine skizzierte grafische Darstellung einer durch die Steuereinheit 7 durchgeführten Spektralanalyse. In dem dargestellten Diagramm ist die Amplitude einer Spannung U über deren Frequenz f aufgetragen. Ein niederfrequentes Spektrum 15 unterhalb eines Frequenzschwellwertes 14 ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Dies entspricht dem Spektrum der Spannung 6 vor Auftreten eines Kabelbruchs 11. Ein hochfrequentes Spektrum 16 mit Schwingungskomponenten oberhalb des Frequenzschwellwertes 14 ist mit einer gepunkteten Linie dargestellt. Dieses hochfrequente Spektrum 16 entsteht nach Auftreten eines Kabelbruchs 11, da dann die Batterie 5 nicht mehr als Tiefpassfilter in dem Spannungsversorgungssystem 1 wirkt.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, dass auf eine Anpassung der Pegel des Gleichrichters und der Steuereinheit verzichtet wird oder dass diese Anpassung anders als durch einen durch zwei Widerstände realisierten Gleichrichter herbeigeführt wird.
Bezugszeichenliste

1: Spannungsversorgungssystem
2: Generator
3: Gleichrichter
4: Anschluss
5: Batterie
6: Spannung
7: Steuereinheit
8a, 8b: Widerstand
9: Kondensator
10: Erde
11: Kabelbruch
12: Amplitudenschwellwert
13: Zeitpunkt
14: Frequenzschwellwert
15: niederfrequentes Spektrum
16: hochfrequentes Spektrum
f: Frequenz
t: Zeit
U: Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2011/0260755 A1 [0005]
FR 2962264 A1 [0006]
US 5932989 A [0007]

Claims

Verfahren zur Detektion einer innerhalb eines Spannungsversorgungssystems (1) eines Kraftfahrzeugs wirkenden Batterie (5), wobei durch einen Generator (2) eine elektrische Wechselspannung erzeugt wird, und diese Wechselspannung durch einen Gleichrichter (3) gleichgereichtet wird, und die gleichgerichtete Spannung (6) durch eine Steuereinheit (7) gemessen und analysiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Analyse von Schwingungseigenschaften der gleichgerichteten Spannung (6) außerhalb eines Toleranzintervalls die Abwesenheit einer im Spannungsversorgungssystem (1) wirkenden Batterie (5) diagnostiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwingungseigenschaft eine Oszillation der gleichgerichteten Spannung (6) mit einer Amplitude oberhalb eines kritischen Amplitudenschwellwerts (12) analysiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwingungseigenschaft eine Oszillation der gleichgerichteten Spannung (6) mit einer Frequenz oberhalb eines kritischen Frequenzschwellwerts (14) analysiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung und Analyse durch die Steuereinheit (7) während des Anlassens des Kraftfahrzeugs ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Diagnose der Abwesenheit einer Batterie (5) ein hörbares und / oder sichtbares Signal über eine durch einen Fahrer wahrnehmbare Schnittstelle des Kraftfahrzeugs ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Signal eine Warnung zum Anlegen einer Parkbremse ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Diagnose der Abwesenheit einer Batterie (5) eine Diagnosenotiz zur Erleichterung von Wartungsarbeiten in einer elektronischen Speichereinheit hinterlegt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Diagnose der Abwesenheit einer Batterie (5) die Spannungsversorgung des Spannungsversorgungssystems (1) aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung aufrechterhalten wird, indem eine Hilfsstromversorgungsbatterie zugeschaltet wird und / oder indem der Generator (2) im Betrieb gehalten wird.
Spannungsversorgungssystem (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Generator (2) zur Wechselspannungserzeugung, einen ausgangsseitig davon angeordneten Gleichrichter (3) zur Verfügungsstellung von gleichgerichteter Spannung (6), einen parallel dazu geschalteten Anschluss (4) für eine Batterie (5), sowie eine die gleichgerichtete Spannung (6) messende und analysierende Steuereinheit (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) über Rechenanweisungen verfügt, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9 durchzuführen.