DE10056972A1 - Batterie und Verfahren zur Erkennung des Zustandes einer Batterie - Google Patents

Batterie und Verfahren zur Erkennung des Zustandes einer Batterie

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Abstract

Batterie, insbesondere Fahrzeugbatterie, mit wenigstens einer einen Elektrolyten aufweisenden Batteriezelle (1, ...6) und einer wenigstens teilweise in die Batterie, insbesondere ein Gehäuse (10a) der Batterie, integrierten Einrichtung (11) zur Batteriezustandserkennung.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, sowie ein Verfahren zur Erkennung des Zustandes einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie.
Stand der Technik
In einem Kraftfahrzeug (oder einem anderen primär aus einem Verbrennungsmotor energieversorgten System) ist die Funktionsfähigkeit der Starterbatterie des Verbrennungsmotors eine der wichtigsten Voraussetzungen für die Sicherstellung der Betriebsfähigkeit. Üblicherweise wird der Verbrennungsmotor durch einen elektrischen Anlasser gestartet, welcher die Energie für den Startvorgang aus der Starterbatterie bezieht. Der Anlasser muß dazu für kurze Zeit ein Drehmoment aufbringen, welches in der Lage ist, den Verbrennungsmotor bei einer gewissen Mindestdrehzahl durchzudrehen. Dazu muß durch den Anlasser ein genügend großer Strom fließen, bzw. an dem Anlasser eine ausreichend hohe Spannung anliegen. Ist die Starterbatterie sehr kalt, teilweise entladen oder stark gealtert, kann ihr Innenwiderstand so hoch werden, daß Strom und Spannung nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen, um den Startvorgang sicherzustellen. Eine derartige Problematik ist beispielsweise in der DE 197 05 634 C2 beschrieben.
Während des Fahrbetriebes dient die Fahrzeugbatterie, welche mittels eines elektrischen Generators, auch Lichtmaschine genannt, aufgeladen wird, zur Versorgung der elektrischen Anlagen mit elektrischer Energie. Der Generator wird meist mit einem Keilriemen von der Kurbelwelle des Motors angetrieben und ist somit an die. Motordrehzahl gekoppelt.
Es ist darauf zu achten, daß bei höhen Drehzahlen die Verbraucher vor Überspannungen geschützt und eine Überladung der Batterie verhindert wird. Andererseits kann die Batterie aufgrund von Alterungs- bzw. Verschleißerscheinungen einen Zustand annehmen, in dem eine ausreichende Energie zur Gewährleistung des Startvorgangs bzw. zur Versorgung der Verbraucher nicht mehr gewährleistet ist. Es ist daher insbesondere bei modernen Kraftfahrzeugen, welche eine Vielzahl von elektrisch unterstützten Teilsystemen aufweisen, notwendig, einen ausreichend leistungsfähigen Batteriezustand aufrechtzuhalten bzw. einen nicht mehr ausreichenden Batteriezustand möglichst unmittelbar zu erkennen und dem Fahrzeugführer anzuzeigen.
Es wurde vorgeschlagen, den Batteriezustand auf der Grundlage von Messungen der Batteriespannung, des Batteriestroms und der Batterietemperatur zu berechnen. Zu diesem Zwecke eingesetzte Meßinrichtungen sind über Kabelverbindungen mit entsprechenden Sensoren verbunden, welche die gewünschten Meßsignale liefern. Es ist festzustellen, daß aufgrund der relativ langen Kabelverbindungen Fehlereinflüsse durch Feldeinstreuungen zu beobachten sind. Ferner erweist sich eine Messung der Batterietemperatur mittels eines außerhalb der Batterie angeordneten Sensors oftmals als relativ ungenau.
Die Erfindung strebt daher an, eine einfache Möglichkeit zur Batteriezustandserkennung zur Verfügung zu stellen.
Darstellung der Erfindung
Dieses Ziel wird erreicht durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Erkennung des Zustands einer Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine Einrichtung zur Batteriezustandserkennung wenigstens teilweise innerhalb der Batterie, insbesondere eines Gehäuses der Batterie, auszubilden. Eine derartige Einrichtung zur Batteriezustandserkennung weist insbesondere ein Steuergerät, beispielsweise einen Controller, sowie mit diesem Steuergerät zusammenwirkende Sensoreinrichtungen auf. Für den Fall, daß sowohl die Steuereinrichtung als auch die Sensoreinrichtungen, beispielsweise zur Messung von Batteriestrom, Batteriespannung oder Batterietemperatur, unmittelbar in der Batterie angeordnet sind, sind kurze Kabelverbindungen zwischen den einzelnen Komponenten realisierbar, was zu sehr geringen Fehlereinflüssen beispielsweise durch Feldeinstreuungen führt.
Bei einer derartig ausgebildeten Batterie ist es möglich, den Batteriezustand auch bei aus dem Fahrzeug ausgebauter Batterie zu erfassen, ohne Meßgeräte an die Batterie anschließen zu müssen. So können Änderungen des Ladezustands- der Batterie durch Ent- oder Aufladung außerhalb des Fahrzeugs unmittelbar von der in die Batterie integrierten Zustandserkennung mit erfaßt werden.
Als besonders vorteilhaft erweist sich, daß gegebenenfalls Verlustwärme des in die Batterie integrierten Steuergeräts zum Erwärmen bzw. Aufheizen, und damit zur Leistungserhöhung der Batterie insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen genutzt werden kann.
Der erfindungsgemäß vorgesehenen Einrichtung zur Batteriezustandserkennung sind die Batterieparameter zweckmäßigerweise bekannt , so daß lediglich die durch Alterung und Verschleiß veränderlichen Parameter von Zeit zu Zeit adaptiert werden müssen. Nach einem Batterietausch müssen die Batterieparameter nicht von externen Einrichtungen jeweils neu ermittelt werden.
Zweckmäßigerweise weist die erfindungsgemäße Batterie wenigstens einen, in dem Elektrolyten bzw. der Batteriesäure wenigstens einer Batteriezelle angeordneten Temperatursensor auf. Mit einem derart angeordneten Temperatursensor sind besonders genaue Temperaturmessungen der Batterie durchführbar. Zweckmäßigerweise wird die Batterietemperatur hierbei in einer der mittleren Batteriezellen durch einen säuredichten, in den Elektrolyten eingetauchten Temperaturfühler gemessen.
Zweckmäßigerweise ist ferner eine Einrichtung zur Messung der Elektrolyt- bzw. Säuredichte der Batterie vorgesehen, wobei die Elektrolytdichte insbesondere in einer Batteriezelle, in der auch ein Temperatursensor angeordnet ist, vorzusehen ist. Mittels einer derartigen Einrichtung kann in einfacher Weise eine Plausibilitätsprüfung und Verbesserung der Ladezustandsbestimmung zur Verfügung gestellt werden. Derartige Elektrolytdichtesensoren sind in einfacher Weise in eine Batterie integrierbar.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie sind Einrichtungen zur Messung von Batteriestrom und/oder Batteriespannung und/oder Innenwiderstand der gesamten Batterie und/oder einzelner Batteriezellen vorgesehen. Durch eine derartige Beobachtung einzelner Zellen können beispielsweise Defekte innerhalb der Batterie lokalisiert werden.
Zweckmäßigerweise wird zur Messung des Batteriestroms eine elektrische Verbindung zwischen zwei Batteriezellen als Shunt verwendet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie ist diese mit einer in dem Batteriegehäuse, insbesondere im Gehäusedeckel, angeordneten Anzeigevorrichtung ausgebildet. Mittels einer derartigen Anzeigevorrichtung kann auch bei einem Ausbau der Batterie bzw. außerhalb des Fahrzeugs ohne zusätzliche Meßvorrichtung bzw. Anzeigevorrichtung eine Information über den Batteriezustand eingeholt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Überwachung von Zustandsinformationen einzelner Batteriezellen (1, . . . 6), insbesondere von Spannung, Ladezustand oder Innenwiderstand, auf der Grundlage einer Erkennung von Zellkurzschlüssen und -unterbrechungen durchgeführt. Eine derartige Überwachung erweist sich als relativ einfach durchführbar und als sehr zuverlässig.
Zeichnung
Die Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt
Fig. 1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, und
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer im Rahmen der erfindungsgemäßen Batterie eingesetzten bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung zur Batteriezustandserkennung.
Die in Fig. 1 dargestellte Batterie, welche insgesamt mit 10 bezeichnet ist, weist eine Anzahl von in einem Batteriegehäuse 10a angeordneten Batteriezeilen 1 bis. 6 auf. Man erkennt, daß in der Batteriezelle 3, bzw. der in dieser Batteriezellen enthaltenen Batteriesäure, (schematisch dargestellte) Sensoren 13, 14 zur Bestimmung der Batterietemperatur tbatt bzw. der Säuredichte dbatt angeordnet sind. Bei dem Temperatursensor 13 handelt es sich zweckmäßigerweise um einen säuredichten, in die Batteriesäure bzw. den Elektrolyt eingetauchten Temperaturfühler. Der Säuredichtesensor 14 zur Bestimmung der Säuredichte in der Batteriezelle kann zusätzlich zur Plausibilitätsprüfung und Verbesserung der Ladezustandsbestimmung verwendet werden. Die Meßwerte der Sensoren 13, 14 werden einer Einrichtung 11 zur Batteriezustandserkennung zugeführt, welche aus den empfangenen Meßwerten bzw. Informationen die gewünschte Batteriezustandsinformation berechnet. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, ist diese Einrichtung 11 in das Batteriegehäuse 10a integriert bzw. im Inneren der Batterie vorgesehen. Zusätzlich zu den Meßwerten der Sensoren 13, 14 empfängt die Einrichtung 11 Meßwerte, welche den Batteriestrom und die Batteriespannung bzw. die zwischen einzelnen Batteriezellen vorliegende Spannung darstellen. In der Darstellung der Fig. 1 empfängt die Einrichtung 11 die Informationen bezüglich der Batteriespannung UBatt über Anschlüsse 12a, 12b, die Informationen bezüglich der zwischen benachbarten Batteriezellen jeweils anliegenden Spannungen UZelle1, ... Zelle6 über Anschlüsse 13a, 13b und die Informationen bezüglich des Batteriestromes IBatt über Anschlüsse 14a, 14b. Es sei angemerkt, daß der Anschaulichkeit halber bezüglich der Spannung zwischen zwei Batteriezellen lediglich die Anschlüsse für die Batteriezellen 2 und 3 zur Ermittlung der Spannung UZelle2 mit Bezugsziffern bezeichnet sind. Man erkennt, daß auch die übrigen Batteriezellen mit entsprechenden Anschlüssen ausgebildet sind. Zur Messung des Batteriestroms kann die elektrische Verbindung zwischen zwei Zellen als Shunt verwendet werden, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel bei Bezugszeichen 16 angedeutet.
Die Anschlüsse 12a, 12b sind mit den Batteriepolen 8 bzw. 9 verbunden.
Die erfindungsgemäße Batterie weist ferner eine Ladezustandsanzeige 17 auf, welche über Leitungen 18 mit der Einrichtung 11 kommuniziert. Die Anzeige 17 ist beispielsweise mit Leuchtdioden 17a, 17b, 17c ausgebildet, welche jeweils einen vorliegenden Batteriezustand anzeigen können. Es ist beispielsweise denkbar, eine grüne Leuchtdiode zur Anzeige einer vollen Batterie, eine gelbe Leuchtdiode zur Anzeige einer halbvollen Batterie, eine rote Leuchtdiode zur Anzeige einer leeren Batterie und eine rot blinkende Leuchtdiode zur Anzeige einer defekten Batterie vorzusehen.
Ferner ist eine serielle Schnittstelle, beispielsweise eine CAN-Schnittstelle 19 vorgesehen, über welche die von der Einrichtung 11 berechneten Größen, beispielsweise Ladezustand, Leistungsfähigkeit, aktueller Innenwiderstand oder Kapazität der Batterie 10, sowie auch Batteriekenngrößen wie beispielsweise Typ, Nennkapazität oder Kälteprüfstrom an externe Geräte, beispielsweise den Generator zur Einstellung einer optimalen Ladespannung oder an ein übergeordnetes Fahrzeug-Energiemanagement übermittelt werden können (Übermittlung über CAN-Bus 19a). Umgekehrt kann ein Energiemanagement die aktuelle Leistungsfähigkeit der Batterie bezüglich einer vorgegebenen Belastung (beispielsweise Start, elektrisches Bremsen, Blinken usw.) ab fragen, um bei kritischem Batteriezustand Maßnahmen zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Batterie, beispielsweise durch Verbraucherabschaltung oder Ladespannungserhöhung, einleiten zu können.
Zur Vermeidung einer Entladung der Batterie 10 aufgrund einer Stromaufnahme durch das integrierte Steuergeräts 11 und/oder die Anzeige 17 kann die Zustandserkennung mittels Steuerbefehl über die serielle Schnittstelle 19 aktiviert bzw. deaktiviert werden. Die Deaktivierung erfolgt auch automatisch bei Unterschreiten eines vorgegebenen Stromschwellwertes, beispielsweise bei Unterschreiten eines derartigen Schwellwertes über einen voreinstellbaren Zeitraum. Außerdem wird die Zustandserkennung bei stromloser Batterie (abgestelltes Fahrzeug oder ausgebaute Batterie) über einen integrierten Timerbaustein, wie er weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert wird, mit geringer Stromaufnahme in einstellbaren Zeitintervallen aktiviert, um den Ladezustand durch Messung der Ruhespannung zu bestimmen.
Weiterhin ist es möglich, den aktuellen Batteriezustand durch Betätigung eines in den Gehäusedeckel integrierten Tasters 20 über die LED-Anzeige 17 abzufragen.
Die Einrichtung 11 zur Batteriezustandserkennung wird nun anhand der Fig. 2 weiter erläutert.
Man erkennt, daß zusätzlich zu den noch zu erläuternden Komponenten der Einrichtung 11 die Batteriepole 8, 9, sowie die Ladezustandsanzeige 17 und die serielle Schnittstelle 19 dargestellt sind.
Die bereits erwähnten Meßwerte Batteriespannung (UBatt) sowie die Batteriezellenspannungen (UZelle1...Zelle6) Batteriestrom (IBatt), Batterietemperatur (tbatt) und Säuredichte (dbatt) werden zunächst einem A/D-Wandler 30 eines Mikrocontrollers 40 der Einrichtung 11 zugeleitet. Diese Meßwerte werden über den A/D-Wandler mit Multiplexer in einen Controller 31 eingelesen und in diesem ausgewertet, wodurch eine Ladezustandsbestimmung für jede einzelne Zelle und z. B. auch die Detektion defekter Zellen ermöglicht ist.
Die Batteriezustandserkennung wird mit den für die neue Batterie bekannten, in einem Festwertspeicher (ROM/RAM) 32 des Mikrocontrollers 40 abgelegten Parametern (beispielsweise Innenwiderstand, Kapazität usw.) initialisiert. Diese Parameter sind damit schon beim ersten Einbau der Batterie in ein Fahrzeug bekannt, und ein verwendeter Algorithmus muß nur noch die alters- und verschleißbedingten Änderungen dieser Parameter nachführen. Der Mikrocontroller 40 der Einrichtung 11 gibt, wie bereits oben erwähnt, einen berechneten Batteriezustand über entsprechende Leitungen an die serielle Schnittstelle 19 und/oder die Ladezustandsanzeige 17.
Über eine insgesamt mit 34 bezeichnete Schalteinrichtung ist es möglich, zur Vermeidung einer Entladung der Batterie durch die Stromaufnahme des integrierten Steuergeräts bzw. der Anzeige 17 die Zustandserkennung mittels Steuerbefehl über die serielle Schnittstelle 19 zu deaktivieren (über Leitung 35). Wie bereits erwähnt, kann diese Aktivierung auch automatisch erfolgen. Der bereits erwähnte Timerbaustein 36 dient dazu, die Zustandserkennung bei stromloser Batterie mit geringer Stromaufnahme in einstellbaren Zeitintervallen zu aktivieren, um den Ladezustand durch Messung der Ruhespannung der Batterie zu bestimmen.

Claims (11)

1. Batterie, insbesondere Fahrzeugbatterie, mit wenigstens einer einen Elektrolyten aufweisenden Batteriezelle (1, . . . 6), gekennzeichnet durch eine wenigstens teilweise in die Batterie, insbesondere ein Gehäuse (10a) der Batterie, integrierte Einrichtung (11) zur Batteriezustandserkennung.
2. Batterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen in dem Elektrolyten wenigstens einer Batteriezelle (1, . . . 6) angeordneten Temperatursensor (13).
3. Batterie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14) zur Messung der Säuredichte der Batterie, welche insbesonder in der gleichen Batteriezelle wie der Temperatursensor (13) angeordnet ist.
4. Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11) Mittel (40, 30, 31) zur Messung des Batteriestroms und/oder der Batteriespannung und/oder des Innenwiderstands der gesamten Batterie und/oder einzelner Batteriezellen aufweist.
5. Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Batteriestroms eine elektrische Verbindung zwischen zwei Batteriezellen als Shunt bzw. Zellverbinder (16) verwendet wird.
6. Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in das Batteriegehäuse (10a), insbesondere einen Gehäusedeckel, integrierte Anzeigevorrichtung (17) zur Anzeige des Batteriezustands.
7. Verfahren zur Erkennung des Zustandes einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, welche wenigstens eine einen Elektrolyten aufweisende Batteriezelle umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der Batterie, insbesondere dem Batteriegehäuse, integrierte Zustandserkennungseinrichtung (11) ihr zugeführte Sensor- bzw. Meßsignale zur Erkennung des Batteriezustands auswertet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Batteriezustandserkennungseinrichtung (11) ein einen Batteriestrom und/oder eine Batteriespannung und/oder eine Batterietemperatur darstellendes Signal zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Batteriestrom mittels eines Meßshunts bzw. Zellverbinders zwischen zwei Batteriezellen der Batterie bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterietemperatur mittels eines in dem Elektrolyten angeordneten Temperatursensors (13) bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachung von Zustandsinformationen einzelner Batteriezellen (1, . . . 6), insbesondere von Spannung, Ladezustand oder Innenwiderstand, auf der Grundlage einer Erkennung von Zellkurzschlüssen und -unterbrechungen durchgeführt wird.
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