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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Erkennung einer defekten Fahrzeugbatterie.
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Kraftfahrzeuge besitzen einen Generator, der
den für
den Fahrbetrieb benötigten
Strom erzeugt, wobei die elektrische Energie zur Pufferung von Überlastphasen
in der Fahrzeugbatterie gespeichert wird. Aufgrund elektrochemischer
Vorgänge unterliegt
die Batterie einem Verschleißprozess.
Am Lebensdauerende der Batterie kann die Pufferfähigkeit der Batterie für dynamische
Verbraucher stark eingeschränkt
sein. Die Ursache dieses Problems können z.B. Zellverbinderbrüche sein,
die zu einem erhöhten
Innenwiderstand führen.
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Problematisch bei dieser Störung ist,
dass sie weder von dem Regler des Generators noch von einem anderen
Steuergerät
des Fahrzeugs bemerkt wird. Der Generator erkennt keine Störung, sondern nimmt
an, dass das Bordnetz und die Batterie keinen Strom benötigen. Da
der Generator in diesem Zustand weiterläuft, leuchtet die Warnlampe
für die
Ladekontrolle nicht auf, so dass der Fahrer die Störung nicht
erkennt. Daher wird der Defekt üblicherweise erst
dann bemerkt, wenn das Fahrzeug nicht mehr startfähig ist.
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In der
DE 100 21 602 A1 wird zum
Erkennen einer Unterbrechung der Ladeleitung zwischen einem Generator
und einer elektrischen Batterie in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen,
die Oberwelligkeit der Generatorausgangsspannung oder die Oberwelligkeitsspannung
zu messen und mit einem Oberwelligkeitsschwellwert zu vergleichen.
Auch wenn dadurch bereits eine gewisse Verbesserung erzielt wird, besteht
das Problem, dass durch externe Verbrauchssysteme die Welligkeit
im Bordnetz steigt, ohne dass die Pufferfähigkeit der Batterie zu stark eingeschränkt ist.
In diesem Zustand kann nicht ohne weiteres entschieden werden, ob
eine Unterbrechung in der Batterie vorliegt oder nicht.
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Aus
DE 199 44 517 A1 ist ein Verfahren zur Zustandsbestimmung
von Automobilbatterien bekannt, insbesondere betreffend den Elektrolytflüssigkeitsspiegel
und den Grad der Batterieplattenverschlechterung, wobei das Verfahren
den Zustand durch Erfassen von Spannungsschwankungen seitens der
Batterie, die bei Taufendem Motor auftreten, und Vergleichen der
Spannungsschwankungen mit einer Vergleichsreferenz ermittelt. Die
Ermittlung basiert also ausschließlich auf der Welligkeit der
Batteriespannung.
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Der Erfindung liegt daher das Problem
zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine defekte Fahrzeugbatterie
zuverlässig
und schnell erkannt werden kann.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei
einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Welligkeit der Batteriespannung ermitelt und eine defekte
Batterie festgestellt wird, wenn die Welligkeit einen vorgegebenen Welligkeitsschwellwert überschreitet
und der erfasste Batteriestrom gleichzeitig einen vorgegebenen Stromschwellwert
unterschreitet. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine defekte Batterie erkannt,
indem einerseits die Batteriespannung und andererseits der Batteriestrom
geprüft
werden. Entscheidend ist nicht die Höhe der Batteriespannung, die
während
des Fahrbetriebs schwanken kann, sondern deren Welligkeit, d. h.
ihr Sinusanteil. Wenn keine Störung
vorliegt, weist die Batteriespannung nur eine geringe Welligkeit
auf, die durch den Drehstromgenerator verursacht wird. Die Batteriespannung schwankt
dabei um einen Spannungsmittelwert. Um festzustellen, ob ein Fehler,
insbesondere eine defekte Batterie, vorliegt, wird erfindungsgemäß die Welligkeit
der Batteriespannung ermittelt und mit einem vorgegebenen Grenzwert
für die
Welligkeit verglichen. Wenn die ermittelte Welligkeit den Welligkeitsschwellwert überschreitet,
könnte
eine defekte Batterie vorliegen. Die Überschreitung des Welligkeitsschwellwertes
ist ein notwendiges, jedoch kein hinreichendes Kriterium für das Vorliegen
eines Zellverbinderbruchs. Dazu muss der Batteriestrom gleichzeitig
unterhalb eines Grenzwerts für
den Strom liegen. Nur wenn beide Kriterien erfüllt sind, kann davon ausgegangen
werden, dass der Fehler durch eine unterbrochene Batterie verursacht
wird.
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Die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann weiter erhöht
werden, wenn der Welligkeitsschwellwert und der Stromschwellwert
in Abhängigkeit
von Bordnetzparametern wie Generatorauslastung, Motordaten und/oder
Batterietemperatur festgelegt werden. Die Bordnetzparameter sind dynamische
Daten, die von der aktuellen Fahrsituation abhängen. Durch die Verwendung
der dynamischen Bordnetzparameter kann auch die Alterung oder der
Batterie berücksichtigt
werden, die einen Einfluss auf die Welligkeit der Batteriespannung
und die Höhe
des Stromflusses haben können.
Das Verhalten der Batterie ist stark von der Temperatur abhängig. Zu
den Motordaten gehören
sowohl konstante, motorspezifische Kennwerte als auch solche Parameter,
die sich während
des Fahrbetriebs ändern.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es zweckmäßig, die
Welligkeit der Batteriespannung zu ermitteln, indem die Differenz
zweier aufeinander folgender Batteriespannungswerte berechnet und deren
Absolutwert gebildet wird. Auf diese Weise ergibt sich als Batteriespannungswelligkeit
immer ein positiver Wert. Die Genauigkeit des Verfahrens kann weiter
gesteigert werden, indem die Welligkeit der Batteriespannung während des
Fahrbetriebs fortlaufend ermittelt wird, vorzugsweise in festgelegten
Zeitabständen.
Dadurch ist eine kontinuierliche Überwachung der Fahrzeugbatterie
gewährleistet.
Der Batteriestrom I kann auch gleichzeitig mit der Spannung erfasst
werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann vorgesehen sein, dass aus mehreren Welligkeitswerten ein Mittelwert für die Welligkeit
berechnet wird. Durch die Mittelwertbildung erfolgt eine Glättung der
gemessenen und errechneten Welligkeitswerte, so dass einzel ne Ausreißer, die
z.B. auf externe Störimpulse
zurückzuführen sind,
weniger ins Gewicht fallen. Es wird besonders bevorzugt, dass ein
Mittelwert aus mehreren aufeinander folgenden Welligkeitswerten
berechnet wird. Erfindungsgemäß wird der über einen
bestimmten Zeitraum gebildete Mittelwert mit dem vorgegebenen Welligkeitsschwellwert
verglichen und eine defekte Batterie wird festgestellt, wenn die
Welligkeit den Grenzwert überschreitet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders
effizient, wenn das Unterschreiten des Stromschwellwerts erst dann
geprüft
wird, nachdem das Überschreiten
des Welligkeitsschwellwerts bereits festgestellt worden ist. Im
störungsfreien
Zustand wird daher kontinuierlich in einer Prüfschleife der aktuelle Welligkeitswert
bzw. der daraus gebildete Mittelwert mit dem Welligkeitsschwellwert überschritten. Erst
wenn eine Überschreitung
festgestellt worden ist, wird der in die Fahrzeugbatterie fließende Strom erfasst
und dieser Wert wird mit dem Grenzwert für den Strom verglichen. Nur
wenn der Stromschwellwert unterschritten ist, kann auf eine defekte
Fahrzeugbatterie geschlossen werden.
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Eine Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens
kann vorsehen, dass der Batteriestrom über ein Tiefpassfilter erfasst
wird. Durch das Tiefpassfilter werden Einflüsse von Bordnetzstörungen ausgeschlossen,
so dass die ermittelten Werte für
den Batteriestrom eine höhere
Zuverlässigkeit
aufweisen.
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Eine besonders hohe Benutzerfreundlichkeit lässt sich
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
dadurch erzielen, dass bei einer erkannten Unterbrechung in der
Ladeleitung ein Warnsignal an ein Fahrzeugwarnsystem oder den Fahrer
ausgegeben wird. Wenn das Warnsignal an ein bordeigenes Warnsystem
gegeben wird, können
vorsorglich bestimmte Maßnahmen
ergriffen werden, z.B. das Abschalten von weniger wichtigen Stromverbrauchern.
Alternativ kann dem Fahrer auch direkt ein Hinweis zur Behebung
des Fehlers gegeben werden oder es wird die Empfehlung ausgesprochen,
professionelle Hilfe in Anspruch zu nehmen.
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Die Erfindung betrifft auch eine
Einrichtung zur Erkennung einer defekten Batterie eines Kraftfahrzeugs,
ausgebildet zur Durchführung
des Verfahrens.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten
der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel
sowie anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen sind schematische
Darstellungen und zeigen:
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1 einen
Teil eines Fahrzeugbordnetzes mit einem Generator und einer Fahrzeugbatterie,
deren Zellverbinder unterbrochen ist;
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2 den
zeitlichen Verlauf der Batteriespannung und des Batteriestroms beim
Auftreten einer Unterbrechung in der Batterie; und
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3 ein
Flussdiagramm der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
vereinfacht diejenigen Komponenten eines Fahrzeugbordnetzes, die
für das
Verständnis
der Erfindung erforderlich sind. Das Bordnetz 1 umfasst
einen Generator 2, der von einem Fahrzeugmotor angetrieben
wird und elektrische Energie erzeugt, die in einer Fahrzeugbatterie 3 gespeichert
wird. Die Batterie 3 ist über eine Ladeleitung 4 mit
dem Generator 2 verbunden.
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Der Batteriestrom kann mit einem
in Reihe geschalteten Amperemeter 16 gemessen werden, die
Ladespannung mit einem Voltmeter 9.
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Wie in 1 zu
erkennen ist, ist in der Fahrzeugbatterie 3 ein Defekt
eingetreten. Diese Unterbrechung kann durch einen losen Zellverbinder
verursacht sein, es ist jedoch auch möglich, dass ein Wackelkontakt
an einer Anschlussstelle oder ein Kabelbruch vorliegt.
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2 zeigt
den zeitlichen Verlauf der Batteriespannung und des Batteriestroms
beim Auftreten eines Defekts in der Batterie 3. Zum Zeitpunkt
t = 0 ist die Batterie 3 intakt. Der Batteriestrom 1 hat
einen bestimmten Wert, der von dem Ladezustand der Batterie 3 sowie
der Anzahl der eingeschalteten Verbraucher des Fahrzeugs abhängt. Der
zeitliche Verlauf des Batteriestroms 1 ist näherungsweise
konstant, abgesehen von einer vergleichsweise geringen überlagerten
Sinusschwingung, die durch den Drehstromgenerator 2 verursacht
wird. Ähnlich
ist auch die Batteriespannung USS näherungsweise
konstant. Diese Spannung entspricht der von dem Generator 2 erzeugten
Ladespannung.
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Zur Erläuterung der einzelnen Verfahrensschritte
wird gleichzeitig auf 3 Bezug
genommen. 3 zeigt ein
Flussdiagramm der einzelnen ablaufenden Schritte. Das Verfahren
beginnt beim Starten 5 des Fahrzeugs. Die für die Durchführung des
Verfahrens erforderlichen Berechnungsschritte können in einem Steuergerät ablaufen.
Dabei kann es sich um ein herkömmliches
Steuergerät
handeln, das für
die Überwachung
des Bordnetzes vorgesehen ist und das um die für das beschriebene Verfahren
erforderlichen Merkmale erweitert worden ist. Es ist jedoch auch
möglich,
ein separates Steuergerät für das Verfahren
zur Erkennung einer Unterbrechung in der Ladeleitung zu verwenden.
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Nach dem Starten des Fahrzeugs werden die
Grenzwerte bzw. Schwellwerte für
die Welligkeit der Batteriespannung USS MAX und
den Batteriestrom IMIN in dem Schritt 6
festgelegt. Dabei werden verschiedene Bordnetzparameter 7 benutzt,
die das Steuergerät
von anderen Steuergeräten über einen Datenbus
erhält.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
werden die Generatorauslastung, Motorzustandsinformationen und die
Batterietemperatur als Bordnetzparameter 7 benutzt. Anhand
dieser Daten werden die Schwellwerte in dem Schritt 6 festgelegt. Anschließend wird
die Batteriespannung U gemessen, wobei die Messung mittels eines
in 1 dargestellten Spannungsmessers 9 erfolgt.
Die Batteriespannung U wird in bestimmten Intervallen, die im Millisekunden-
oder Sekundenbereich liegen können, gemessen.
Anschließend
wird die Differenz zweier aufeinanderfolgender Spannungswerte berechnet und
deren Absolutwert gebildet, so dass die Batteriespannungswelligkeit
USS erhalten wird. Zweckmäßig erfolgt
eine Mittelwertbildung über
mehrere Spannungswerte, um Fehlmessungen auszuschließen, die
durch externe Störimpulse
verursacht werden könnten.
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In dem Schritt 10 wird geprüft, ob die
ermittelte Spannungswelligkeit USS größer als
die maximale Spannungswelligkeit USS MAX ist.
Falls das Ergebnis dieser Abfrage "nein" ist,
wird wieder zum Schritt 6 verzweigt und die Schwellwerte werden
erneut unter Berücksichtigung
der aktualisierten Bordnetzparameter 7 berechnet. Dieser
Zustand ist auf der linken Seite des Diagramms von 2 dargestellt. Wie in 2 zu erkennen ist, weist die Batteriespannung
U zwar eine bestimmte Welligkeit auf, diese Welligkeit ist jedoch
minimal. Im Zeitpunkt t = 1 entsteht eine Unterbrechung der Ladeleitung 4.
Da der Generator 2 weiterhin eine Spannung erzeugt, kommt
es unmittelbar zu einer Vergrößerung der
Spannungsamplitude. Dieser Effekt kann dadurch erklärt werden,
dass die Batterie 3 während
des störungsfreien
Betriebs wie ein Kondensator wirkt und die von dem Generator 2 erzeugte
Spannung glättet.
Da die Batterie 3 nach dem Auftreten eines Defekts diese
Aufgabe nicht mehr wahrnehmen kann, wird die in 2 gezeigte oszillierende Spannung erzeugt,
bei der die oberen und unteren Amplituden um eine gedachte Mittellinie
schwingen, die näherungsweise
der Spannung in dem ungestörten
Bereich zwischen 0 und t = 1 entspricht. Entsprechend dem Schritt
8 von 3 wird die Batteriespannungswelligkeit
USS durch die Formel USS =
|U(n)– U(n – 1)| ermittelt.
Diese ermittelte Batteriespannungswelligkeit USS wird
mit dem ebenfalls in 2 eingezeichneten
Grenzwert USS MAX verglichen. In diesem
Fall ist USS größer als USS MAX.
Entsprechend dem Schritt 10 in 3 wird
dann zum Schritt 11 verzweigt, in dem der Batteriestrom 1 erfasst
wird.
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Da der Batterie 3 nach dem
Entstehen des Defekts keine weitere Energie zugeführt werden kann,
geht der Batteriestrom 1 im Zeitpunkt t = 1 annähernd auf
den Wert 0 zurück.
Die defekte Batterie 3 besitzt einen erhöhten Innenwiderstand.
Zwar ist immer noch eine geringe Welligkeit des Batteriestroms 1 festzustellen,
der Absolutwert des Stroms beträgt
jedoch beinahe 0. Um Störeinflüsse auf
den gemessenen Batteriestrom 1 zu vermeiden, wird er im
Schritt 12 über
ein Tiefpassfilter erfasst. Wie in 1 gezeigt
ist, kann der Batteriestrom I mit einem Amperemeter 16 gemessen
werden. Nach der Messung des Batteriestroms 1 wird dieser
Wert mit dem Grenzwert IMIN in dem Schritt
13 verglichen. Wenn 1 kleiner als IMIN ist,
das heißt
wenn der Grenzwert unterschritten ist, wird in dem Schritt 14 eine
defekte Batterie erkannt. Falls die Bedingung im Schritt 13 nicht
erfüllt
ist, wird zum Schritt 6 zurück
verzweigt und der Diagnosezyklus beginnt erneut. Dieser Fall kann
dann eintreten, wenn aus irgendeinem Grund eine geringe Veränderung
des Batteriestroms aufgetreten ist und der Strom immer noch oberhalb
des Schwellwerts IMIN liegt.
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Wenn in dem Schritt 14 eine defekte
Batterie erkannt worden ist, wird in dem Schritt 15 ein Fehlersignal
an ein Fahrzeugwarnsystem oder direkt an den Fahrer ausgegeben.