DE102005045218A1

DE102005045218A1 - Verfahren und Einrichtung zur Ermittlung des Batteriezustandes einer Batterie in einem Stromkreis mit einem Anlasser für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102005045218A1
Application number: DE102005045218A
Authority: DE
Inventors: Hans-Michael Dr. Graf; Alexander Dr. Hahn; Manfred Dr. Waidhas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2007-04-05

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung des Batteriezustandes einer Batterie (6) in einem Stromkreis (2) mit einem Anlasser (10) für einen Verbrennungsmotor (8) erfasst eine Messeinheit (20) eine mit der Stromänderung und/oder Stromstärke (I1, I2) im Stromkreis (2) beim Anlassen des Verbrennungsmotors (8) korrelierte Messgröße (U), ermittelt eine Auswerteeinheit (24) aus der Messgröße (U) ein Maß für den beim Anlassen fließenden Strom (I) und aus dem Maß für den Strom (I) den Batteriezustand.
Eine Einrichtung zur Ermittlung des Batteriezustandes einer Batterie (6) in einem Stromkreis (2) mit einem Anlasser (10) für einen Verbrennungsmotor (8) enthält eine Messeinheit (20) zur Erfassung einer mit der Stromstärke und/oder Stromänderung im Stromkreis (2) beim Anlassen des Verbrennungsmotors (8) korrelierten Messgröße (U) und eine Auswerteeinheit (24) zur Ermittlung eines Maßes für den beim Anlassen fließenden Strom (I) aus der Messgröße (U) und zur Ermittlung des Batteriezustandes aus dem Maß für den Strom (I).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ermittlung des Batteriezustandes einer Batterie in einem Stromkreis mit einem Anlasser für einen Verbrennungsmotor.
Derartige, auch Starterbatterien genannte Batterien dienen dem elektrischen Anlassen des Verbrennungsmotors durch den Anlasser bei Betätigung eines z. B. Zündschlüssels oder Startschalters im Stromkreis, d.h. Schließen des Stromkreises. Um den Verbrennungsmotor erfolgreich zu starten, ist es hierbei notwendig, dass die Batterie genügend Betriebsspannung bzw. Startstrom, also eine Mindestleistung für die Dauer des Startvorgangs zur Verfügung stellt, d.h. bis der Verbrennungsmotor selbsttätig läuft und der Startschalter ö.ä. wieder losgelassen und damit der Stromkreis unterbrochen wird.
Um den Verbrennungsmotor jederzeit zuverlässig starten zu können, ist es deshalb wünschenswert, Batterien, welche z. B. aufgrund Alterung oder zu hoher Entladung einen anstehenden bzw. beabsichtigten Startvorgang des Verbrennungsmotors nicht sicherstellen können, rechtzeitig zu erkennen. Entsprechende Batterien können sodann rechtzeitig z. B. aufgeladen oder ausgetauscht werden.
Diese Aufgabe wird in der Regel durch so genannte Batteriemonitoringsysteme erledigt. Diese messen, evtl. zusammen mit zusätzlichen Größen, wie der Batteriespannung oder der Batterietemperatur, den bei einem tatsächlichen Startvorgang bzw. Anlassen des Verbrennungsmotors von der Batterie zum Anlasser fließenden Strom, bzw. die Stromstärke.

Bekannte Batteriemonitoringsysteme benutzen hierzu eine quantitative Strommessung, z. B. mit einem Shunt oder Hall-Sen sor. Mit anderen Worten ermitteln diese Systeme z. B. die augenblickliche Stromstärke bzw. deren zeitlichen Verlauf in Ampere. Die hierzu nötige Messtechnik ist aufwendig und teuer. Dies ist unter anderem darin begründet, dass derartige Systeme aufgrund der sehr unterschiedlichen Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors, z. B. in einem Kraftfahrzeug, enormen Temperaturschwankungen, z. B. von –40°C bis +70°C unterworfen sind, die zu messenden Ströme sehr groß sind, und die Messfrequenz hinreichend hoch sein muss, z. B. 1kHz.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Einrichtung zur Ermittlung des Batteriezustandes einer Batterie in einem Stromkreis mit einem Anlasser für einen Verbrennungsmotor anzugeben.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung des Batteriezustandes einer Batterie in einem Stromkreis mit einem Anlasser für einen Verbrennungsmotor, bei dem

a) eine Messeinheit eine mit der Stromänderung und/oder Stromstärke im Stromkreis beim Anlassen des Verbrennungsmotors korrelierte Messgröße erfasst,
b) eine Auswerteeinheit aus der Messgröße ein Maß für den beim Anlassen fließenden Strom ermittelt,
c) und aus dem Maß für den Strom den Batteriezustand ermittelt.

Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass es ausreichend ist, anstelle der quantitativen eine qualitative Strom- bzw. Stromstärkemessung durchzuführen, um zuverlässige Aussagen über den Batteriezustand einer Batterie treffen zu können.

Erfindungsgemäß reicht deshalb die Erfassung einer mit der Stromänderung im Stromkreis beim Anlassen des Verbrennungsmotors korrelierte Messgröße anstelle der Erfassung der tatsächlichen Stromstärke in Ampere, aus. Dies kann z. B. eine durch die Stromänderung bei Beginn und Ende des Anlassvor gangs verursachtes elektrisches oder magnetisches Feld sein, oder eine Temperatur bzw. Temperaturänderung einer sich im Stromkreis befindlichen elektrischen Leitung.

Da die Messgröße mit der Stromänderung und/oder der Stromstärke korreliert ist, kann eine entsprechend diese Korrelation berücksichtigende Auswerteeinheit hieraus ein qualitatives Maß für den beim Anlassen fließenden Strom ermitteln. Hieraus wiederum kann die Auswerteeinheit den Batteriezustand ermitteln, z. B. durch Vergleich des Wertes des Maßes mit gespeicherten vorherigen Werten oder Erfahrungswerten oder durch Kombination des Maßes mit anderen, an der Batterie ermittelten Messgrößen, wie weiter unten erläutert.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich im Gegensatz zu einer quantitativen Strommessung einfacher und billiger durchführen, weshalb ein entsprechendes Batteriemonitoringsystem ebenfalls einfacher und dadurch kostengünstiger wird.

Als Messgröße in Schritt a) kann eine von der Stromänderung induzierte Spannung erfasst werden. Das durch die Stromänderung beim Anlassen im Stromkreis erzeugte Magnetfeld lässt sich besonders einfach durch eine von diesem Magnetfeld induzierte Spannung in einem elektrischen Leiter erfassen. Da, wie erwähnt, die qualitative Messung der Stromstärke ausreicht und sowohl das Magnetfeld als auch die induzierte Spannung qualitativ mit der Stromstärke bzw. der Stromänderung im Stromkreis beim Anlassen korreliert sind, steht so eine besonders günstige und unaufwendige Messtechnik zur Verfügung.

Die induzierte Spannung in Schritt a) kann durch einen am Stromkreis platzierten induktiven Übertrager erzeugt werden. Derartige Übertrager können einfach und kostengünstig hergestellt bzw. eingekauft und am Stromkreis platziert werden. Sie können durch ihre Dimensionierung entsprechend ausgelegt werden, um möglichst große Ausgangsspannungen bei typisch beim Anlassvorgang fließenden Strömen zu erzeugen. Rauschen bzw. Fehler in der Auswerteeinheit werden durch eine möglichst große induzierte Spannung reduziert.

Als induktiver Übertrager kann eine Drahtwicklung oder Spule benutzt werden, die an einer zum Stromkreis gehörenden, Batterie und Anlasser verbindenden Batterieableitung, z. B. neben dieser, angeordnet ist. Durch die Anordnung an der Batterieableitung muss ein entsprechender Übertrager bei Austausch der Batterie nicht mit ausgetauscht oder neu angeordnet werden, da die Batterieableitung z. B. im Kraftfahrzeug verbleibt, wenn die Batterie gewechselt wird. Der Übertrager kann somit als fester bzw. integraler Bestandteil des Stromkreises mit Anlasser und Verbrennungsmotor betrachtet werden.

Besonders effektiv ist ein derartiger Übertrager bzw. eine Drahtwicklung, wenn er die Batterieableitung einfach oder mehrfach umfasst. Der Messeffekt wird dadurch maximiert.

Um entsprechend schwache Messgrößen, wie sie vor allem induzierte Spannungen sind, da diese zwar hohe Spannungen, jedoch ohne nennenswerte Leistung beinhalten, in der Auswerteeinheit dennoch effektiv auswerten zu können, kann die Messgröße über einen Messverstärker, z. B. einen mit hochohmigem Eingang, von der Messeinheit zur Auswerteeinheit übertragen werden. In der Auswerteeinheit kann dann das verstärkte Signal entsprechend zur Weiterverarbeitung belastet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Ermittlung des Batteriezustandes in einem Straßen- oder Schienenfahrzeug verwendet werden. Bei Straßen- oder Schienenfahrzeugen ist es besonders wünschenswert, Aussagen über den Batteriezustand zu treffen, um die Batterie rechtzeitig austauschen zu können.

Neben der mit der Stromänderung korrelierten Messgröße als erster Messgröße kann eine mit dem Verbrennungsmotor korrelierte zweite Messgröße erfasst und erste und zweite Messgröße von der Auswerteeinheit ausgewertet werden. Derartige zweite Messgrößen können z. B. die Batterietemperatur oder die Öltemperatur des Verbrennungsmotors sein. Die Aussagen über den Batteriezustand werden hierdurch deutlich verbessert. Außerdem wird dadurch eine Vorhersage der Startfähigkeit bei tiefen Temperaturen ermöglicht.

Die Auswerteeinheit kann daher auch eine Aussage über die künftige Startfähigkeit des Verbrennungsmotors ermitteln. Hiermit kann z. B. bereits zu noch unkritischen Zeiten, wie im Sommer oder Herbst der Betreiber eines Kraftfahrzeugs gewarnt werden, dass dessen Batterie z. B. im Winter keine zuverlässigen Startvorgänge mehr ausführen können wird. Dem Betreiber bleibt somit genügend Zeit, sich um Ersatz zu bemühen.

Durch wiederholte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei verschiedenen Parametern von Umgebungsgrößen in Form der zweiten Messgrößen können Kennlinienfelder für den Startstrombedarf des Verbrennungsmotors selbsttätig durch die Auswerteeinheit erlernt, abgespeichert und aktualisiert werden. Hierdurch werden besonders zuverlässige Aussagen über den Batteriezustand möglich, da sich die Auswerteeinheit an die Gegebenheiten des Systems aus Anlasser, Batterie usw., z. B. auch an dessen Benutzungsgewohnheiten usw. anpasst.

Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine Einrichtung zur Ermittlung des Batteriezustandes einer Batterie in einem Stromkreis mit einem Anlasser für einen Verbrennungsmotor, mit einer Messeinheit zur Erfassung einer mit der Stromänderung im Stromkreis beim Anlassen des Verbrennungsmotors korrelierten Messgröße, mit einer Auswerteeinheit zur Ermittlung eines Maßes für den beim Anlassen fließenden Strom aus der Messgröße und zur Ermittlung des Batteriezustandes aus dem Maß für den Strom.

Die Einrichtung ist geeignet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die Vorteile der Einrichtung sowie deren vorteilhafter Weiterbildungen wurden bereits ausführlich im Zu sammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert, und seien hier nochmals der Vollständigkeit halber genannt.

Die Messeinheit kann eine Messeinheit zur Erfassung der von der Stromänderung induzierten Spannung sein.

Die Einrichtung kann einen am Stromkreis platzierten induktiven Übertrager zum Erzeugen der Messgröße enthalten.

Der Übertrager kann eine Drahtwicklung oder Spule sein, die an einer zum Stromkreis gehörenden, Batterie und Anlasser verbindenden Batterieableitung angeordnet ist.

Die Einrichtung kann einen Messverstärker zur Übertragung der Messgröße von der Messeinheit zur Auswerteeinheit enthalten.

Die Einrichtung kann Teil eines Straßen- oder Schienenfahrzeugs sein.

Die Einrichtung kann eine Messeinrichtung zur Erfassung einer mit dem Verbrennungsmotor korrelierten zweiten Messgröße neben der mit der Stromänderung korrelierten Messgröße als erster Messgröße, enthalten. Die Auswerteeinheit kann hierbei eine Auswerteeinheit für die erste und zweite Messgröße sein. Natürlich können hierfür auch zwei getrennte Auswerteeinheiten benutzt werden.

Die Auswerteeinheit kann derart ausgeführt sein, diese zur Ermittlung einer Aussage über die künftige Startfähigkeit des Verbrennungsmotors geeignet ist.

Auswerteeinheiten können als externe Geräte in einer entsprechenden Anordnung aus Anlasser, Batterie usw. ausgeführt sein. In einem Kraftfahrzeug können diese jedoch auch Teil der Bordelektronik, des Zentralrechners oder der Motorsteuerung sein.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 eine Anlasserkreis eines Kraftfahrzeugs mit Batteriemonitoringsystem und
2 die zeitlichen Verläufe von Startstrom im Anlasserkreis und induzierter Spannung im Batteriemonitoringsystem für a) kleinen und b) großen Startstrom.
1 zeigt einen Anlasserstromkreis 2 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs und ein an diesem angeordnetes Batteriemonitoringsystem 4. Der Anlasserkreis 2 umfasst eine Starterbatterie 6, einen auf einen Verbrennungsmotor 8 einwirkenden Anlasser 10 zum Starten des Verbrennungsmotors 8 und einen Startschalter 12. Der Anlasser 10 ist über den Startschalter 12, welcher in Ruhestellung geöffnet ist, mit den beiden Batteriepolen 14a, b der Starterbatterie 6 über Batterieableitungen 15a, b und eine elektrische Leitung 18 verbunden.
Das Batteriemonitoringsystem 4 umfasst eine die Batterieableitung 17a umfassende Spule 20, welche an eine Messeinheit 22 angeschlossen ist. Die Messeinheit 22 ist mit einer Auswerteeinheit 24 verbunden.
Wird der Startschalter 12 betätigt, so wird der Stromkreis zwischen Starterbatterie 6 und Anlasser 10 geschlossen, woraufhin der Anlasser 10 den Verbrennungsmotor 8 antreibt, um diesen zu starten. Der Anlasser 10 arbeitet hierbei solange, bis der Startschalter 12 wieder geöffnet wird.
Zwischen dem Betätigen und Loslassen bzw. Öffnen und Schließen des Startschalters 12 fließt also ein elektrischer Strom I im Stromkreis zwischen Starterbatterie 6 und Anlasser 10.
Zwei derartige Anlassvorgänge sind schematisch in 2a und 2b jeweils für einen betragsmäßig kleinen und großen im Stromkreis und damit in der Batterieableitung 16a fließenden Strom I dargestellt.
Die beiden Diagramme zeigen hierbei jeweils den Verlauf der Spannung U an den Ausgangsklemmen der Spule 20 und des Stromes I in der Batterieableitung 16a über der Zeit t.
Beginnend beim Zeitpunkt t = 0 ist der Startschalter 12, wie in 1 dargestellt, zunächst geöffnet. In der Batterieableitung 16a fließt kein Strom, d.h. I = 0. Ebenso ist die vom Strom I in der Spule 20 induzierte Spannung U = 0, da sich der Strom in der Batterieableitung 16a nicht ändert. Zum Zeitpunkt t1 wird der Startschalter 12 geschlossen. Der Strom I steigt sprunghaft auf der Wert I₁ an. Die Stromänderung zum Zeitpunkt t₁ in der Batterieableitung 16a, führt über die Spule 20 zu einer in dieser induzierten Spannungspuls der Höhe U₁. Zum Zeitpunkt t₂ wird der Schalter 12 wieder geöffnet, der Strom I nimmt wieder den Wert 0 an. Diese erneute Stromänderung führt zu einem dem ersten Spannungspuls entgegengesetzten, etwa gleichgroßen Spannungspuls der Spannung U zur Zeit t₂.
Aufgrund der sehr geringen Leistung, welche der Spannungspuls U₁ in der Spule 20 mit sich führt, wird diese Spannung auf den hochohmigen Eingang der Messeinheit 22 geführt, welche das gemessene Signal, nämlich den zeitlichen Verlauf der Spannung U verstärkt. Das so verstärkte Signal wird von der Messeinheit 22 zur Auswerteeinheit 24 weitergeleitet.
Diese ermittelt den aktuellen Batteriezustand der Starterbatterie 6. Hierzu wird z. B. Höhe U₁ und Verlauf U(t) des Spannungspulses bei t₁ und t₂ ausgewertet. Die Auswerteeinheit 24 gelangt aus dem Vergleich mit vorherigen, nicht dargestellten Startvorgängen zu folgendem Ergebnis: Der Strom I₁ hat zwar gerade ausgereicht, um den Anlasser 10 zu drehen und damit den Verbrennungsmotor 8 zu starten, jedoch ist durch den Spannungspuls der Höhe U₁ die Spannung U auf einen kritischen Wert eingebrochen. Dies deutet auf einen sich stetig verschlechternden Batteriezustand hin. Die Auswerteeinheit 24 gibt somit eine Meldung aus, dass die Batterie 6 allmählich einen kritischen Zustand erreicht.
Zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ ändern sich die Betriebsbedingungen des Motors. Die Öltemperatur fällt deutlich, da die Umgebungstemperatur stark gefallen ist.
Zum Zeitpunkt t₃ erfolgt der nächste Startvorgang durch Betätigen des Startschalters 12, wie oben beschrieben. In der Batterieableitung 16a fließt zwischen t₃ und t₄ aufgrund der geänderten Betriebsbedingungen des Motors ein betragsmäßig größerer Strom I₂ als I₁.
Aufgrund der höheren Stromänderung, nämlich von 0 nach I₂ im Zeitpunkt t₃ und zurück im Zeitpunkt t₄ entstehen in diesen Zeitpunkten auch Spannungsimpulse an der Spule 20 der Höhe U₂ > U₁. Die erneute Verstärkung dieser Spannungsimpulse durch die Messeinheit 22 und deren Auswertung in der Auswerteeinheit 24 führt zu dem Ergebnis, dass die Batterie eine ausreichende Startfähigkeit des Motors nicht mehr gewährleistet. Die Auswerteeinheit 24 gibt somit eine Meldung aus, dass die Batterie 6 auszutauschen ist.
Neben der Erfassung der Spannung U an der Spule 20 kann die Auswerteeinheit 24 alternativ auch die Temperatur T des Verbrennungsmotors 8 beim Startvorgang erfassen. Hieraus können weitergehende Aussagen über den Batteriezustand und die Batterie 6 als solche, auch für künftige Startvorgänge von der Auswerteeinheit 24 getroffen werden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Batteriezustandes einer Batterie (6) in einem Stromkreis (2) mit einem Anlasser (10) für einen Verbrennungsmotor (8), bei dem: a) eine Messeinheit (20) eine mit der Stromänderung und/oder Stromstärke (I1, I2) im Stromkreis (2) beim Anlassen des Verbrennungsmotors (8) korrelierte Messgröße (U) erfasst, b) eine Auswerteeinheit (24) aus der Messgröße (U) ein Maß für den beim Anlassen fließenden Strom (I) ermittelt, c) und aus dem Maß für den Strom (I) den Batteriezustand ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Schritt a) als Messgröße (U) eine von der Stromänderung induzierte Spannung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in Schritt a) die induzierte Spannung durch einen am Stromkreis (2) platzierten induktiven Übertrager als Messeinheit (20) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als induktiver Übertrager eine Drahtwicklung oder Spule benutzt wird, die an einer zum Stromkreis (2) gehörenden, Batterie (6) und Anlasser (10) verbindenden Batterieableitung (16a, b) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Messgröße (U) über einen Messverstärker (22) von der Messeinheit (20) zur Auswerteeinheit (24) übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zur Ermittlung des Batteriezustandes in einem Straßen- oder Schienenfahrzeug verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem neben der mit der Stromänderung korrelierten Messgröße (U) als erster Messgröße eine mit dem Verbrennungsmotor (8) korrelierte zweite Messgröße (T) erfasst und erste (U) und zwei te (T) Messgröße von der Auswerteeinheit (24) ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auswerteeinheit (24) eine Aussage über die künftige Startfähigkeit des Verbrennungsmotors (8) ermittelt.
Einrichtung zur Ermittlung des Batteriezustandes einer Batterie (6) in einem Stromkreis (2) mit einem Anlasser (10) für einen Verbrennungsmotor (8), mit einer Messeinheit (20) zur Erfassung einer mit der Stromstärke und/oder Stromänderung im Stromkreis (2) beim Anlassen des Verbrennungsmotors (8) korrelierten Messgröße (U), mit einer Auswerteeinheit (24) zur Ermittlung eines Maßes für den beim Anlassen fließenden Strom (I) aus der Messgröße (U) und zur Ermittlung des Batteriezustandes aus dem Maß für den Strom (I).
Einrichtung nach Anspruch 9, bei der die Messeinheit (20) eine Messeinheit zur Erfassung der von der Stromänderung induzierten Spannung als Messgröße ist.
Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, mit einem am Stromkreis (2) platzierten induktiven Übertrager zur Erzeugung der Messgröße (U).
Einrichtung nach Anspruch 11, bei der der Übertrager eine Drahtwicklung oder Spule ist, die an einer zum Stromkreis (2) gehörenden, Batterie (6) und Anlasser (8) verbindenden Batterieableitung (16a, b) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, mit einem Messverstärker (22) zur Übertragung der Messgröße (U) von der Messeinheit (20) zur Auswerteeinheit (24).
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, die Teil eines Straßen- oder Schienenfahrzeugs ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, mit einer Messeinrichtung zur Erfassung einer mit dem Verbrennungsmotor korrelierten zweiten Messgröße (T) neben der mit der Stromänderung korrelierten Messgröße (U) als erster Messgröße, wobei die Auswerteeinheit (24) eine Auswerteeinheit zur Auswertung der ersten (U) und zweiten (T) Messgröße ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, mit einer Auswerteeinheit (24) zur Ermittlung einer Aussage über die künftige Startfähigkeit des Verbrennungsmotors (8).