DE102005055272B4

DE102005055272B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Leckströmen in batteriegespeisten Netzen

Info

Publication number: DE102005055272B4
Application number: DE102005055272A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Koop; Klaus Styhler; Heinrich Michael Pekar
Original assignee: GMC-I GOSSEN-METRAWATT GmbH; GMC I Gossen Metrawatt GmbH
Current assignee: GMC-I GOSSEN-METRAWATT GmbH; GMC I Gossen Metrawatt GmbH
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: DE102005055272A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung von Leckströmen, Ruheströmen und/oder Stand-by-Strömen in batteriegespeisten Netzen, insbesondere Kfz-, Boots-, und Fluggerätenetzen und dergleichen, bei welchen ein oder mehrere Hauptverbraucher manuell von der das Netz speisenden Batterie trennbar sind und Nebenverbraucher (Stand-by Elektronik) permanent angeschlossen sind oder Fehlerströme oder Leckströme auftreten,
gekennzeichnet durch
folgende Verfahrensschritte:
a. Auswahl eines Leiterabschnittes L_x, der von einem Batteriepol sowohl zu dem/den Hauptverbraucher(n) als auch zu dem/den unbekannten Nebenverbraucher(n) führt;
b. Spannungsmessung über dem Leiterabschnitt L_x zur Ermittlung der Leckspannung U_x;
c. Anlegen einer Stromquelle über dem Leiterabschnitt L_x zur Einspeisung eines Stromes I_r, Durchführung einer 4-Leiter Widerstandsmessung zur Ermittlung des Widerstandes R_x des ausgewählten Leiterabschnittes L_x;
d. Berechnung des Leckstromes aus Ileck = Ux/Rx

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Leckströmen, Ruhe- oder Stand-by-Strömen in batteriegespeisten Netzen, insbesondere Kraftfahrzeugen, Boots- und Fluggerätenetzen. Es sind im Rahmen der Erfindung aber auch andere batteriegespeiste Netze angesprochen, bei welchen eine längerfristige Betriebspause zu einem Abbau der zur Verfügung stehenden Batteriekapazität führen kann.
Leckströme treten immer dann auf, wenn aufgrund von Alterung, Verschmutzung oder sonstiger Umstände Ströme nicht nur über Hauptverbraucher fließen, sondern in geringem Maße auch über nicht vorgesehene Brücken geleitet werden, die als sogenannte Leckstromverbraucher bezeichnet werden. Insbesondere bei alten Kraftfahrzeugen kommt es immer wieder vor, daß trotz ausgeschalteter Hauptverbraucher, beispielsweise bei abgeschaltetem Zündschloß eine Entladung der Fahrzeugbatterie erfolgt, was durch unzureichende oder gealterte Isolation in Verbindung mit Feuchtigkeit und dergleichen der Fall sein kann. Derartige Leckströme führen nach längerfristigen Betriebspausen dazu, daß das batteriegespeiste Netz nicht mehr funktionsfähig ist und die damit ausgestatteten Vorrichtungen, beispielsweise für Kraftfahrzeuge nicht mehr betrieben werden können.
Aber auch bei neuen Fahrzeugen treten ähnliche Probleme auf. Vor allem bei höherwertigen Fahrzeugen mit einer hochwertigen Elektronikausstattung fließen Ruheströme bzw. Stand-by-Ströme durch die elektronische Ausstattung im Fahrzeug. Es werden zwar die Hauptverbraucher wie beispielsweise Licht, Anlasser und dergleichen mit dem Zündschlüssel ausgeschaltet und die Elektronik weitgehend „schlafen gelegt", trotzdem fließt aber Strom durch bekannte und unbekannte Nebenverbraucher. Je mehr Elektronik in einem Fahrzeug oder auch Boot oder Fluggerät vorhanden ist, desto höher ist der fließende Stand-by-Strom, der bei Stillstand des Fahrzeuges, Bootes oder Fluggerätes zu einer Batterieentladung führt. Zusätzlich passieren offenbar auch sporadische Ereignisse, bei welchen die Elektronik kurzzeitig aktiviert wird, z. B. bei Betätigung einer funkferngesteuerten Zentralverriegelung, so daß während dieser Ereignisse erhöht Strom benötigt wird. Diese sporadischen Ereignisse sind nicht vorhersagbar oder sogar gänzlich unbekannt.
Sowohl für die Leckstromproblematik als auch die geschilderte Problematik bei neuen Fahrzeugen muß die teilentladene oder vollständig entladene Batterie zur erneuten Inbetriebnahme der Vorrichtung vorgeladen oder überbrückt werden, zu dem bedarf es einer ganzen oder teilweisen Aufladung der Batterie, um wieder einen zuverlässigen Betrieb der Gesamtvorrichtung zu gewährleisten.
Die Ermittlung von bestehenden Leckströmen oder Ruheströmen ist allerdings nicht ganz unproblematisch. Für eine Strommessung kann Fahrzeugnetz nicht ohne weiteres aufgetrennt werden, da ansonsten im Netz vorhandene Elektronik, beispielsweise Fahrzeugelektronik, zurückgesetzt wird. Dies würde zu einem Reset der Steuerkreise führen, gespeicherte Informationen in Funkempfängern würden verloren gehen und dergleichen. Grundsätzlich ist es deswegen erforderlich, andere Wege zur Strommessung zu beschreiten.
In der Regel wird mit Stromzangen versucht, Ströme in nicht aufgetrennten Netzen zu messen. Da in batteriegespeisten Netzen vor allem Gleichströme fließen, eignen sich zur Strommessung nur sogenannte Hall-Effektzangen. Die Meßgenauigkeit derartiger Zangen ist aber relativ ungenau, außerdem verfälschen bei kleinen Strömen eine Reihe von Fremdeinflüssen das Meßergebnis, insbesondere die Lage des Leiters in der Zange oder das Erdmagnetfeld.
Aus EP 0 011 359 A1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Testen von elektrischen Schaltkreisen in Fahrzeugnetzen bekannt, bei dem der Spannungsabfall über einen Leiterabschnitt 8 eines Hauptstromkreises erfaßt und ausgewertet wird.
Die Druckschrift JP-2002-325302 A lehrt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren eines Leckstroms in einem Fahrzeug.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welchem ohne Auftrennung eines batteriebetriebenen Netzes Leckströme/Ruheströme zuverlässig erfaßt werden können. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 bzw. 12 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–11. Die Ansprüche 13–19 betreffen eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Als Kern der Erfindung wird es angesehen, in einem wenigstens dreischrittigen Meßverfahren zunächst die Leckspannung eines Leiterabschnittes im vorhandenen System und anschließend den Widerstandswert des Leiterabschnitts zu ermitteln und dann eine Spannungsmessung über den vorher vermessenen Leiter durchzuführen, um anhand des Ohmschen Gesetzes den fließenden Leckstrom oder Ruhestrom zu berechnen.
Dazu wird im Netz ein Leiterabschnitt ausgewählt, der von einem Batteriepol zu den Hauptverbrauchern als auch zu einem eventuellen Leckstromverbraucher führt. Zweckdienlich ist es, einen Leiterabschnitt möglichst nahe bei einer Batterieklemme auszuwählen, da bei von der Batterie entfernten Leiterabschnitten die Gefahr besteht, daß diese selbst Leckströme oder Ruheströme verursachen können.
Über diesem Leiterabschnitt wird zur Durchführung einer sogenannten Leiterwiderstandsmessung, die an sich bekannt ist, ein Strom angelegt, um den Widerstand R_x des ausgewählten Leiterabschnittes zu bestimmen. Nachfolgend kann durch eine Spannungsmessung U_x über dem Leiterabschnitt bei ausgeschaltetem Hauptverbraucher der Leckstrom aus I_leck = U_x/R_x berechnet werden. Um die Präzision des Verfahrens weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn vor der 4-Leiter-Messung und Spannungsmessung das Netz auf Spannungsfreiheit überprüft wird und/oder ausgetestet wird, ob Fremdspannungen an dem Leiterabschnitt liegen, die die Leckstromberechnung verfälschen können oder dabei zumindest zu berücksichtigen sind.
Das Verfahren soll weitgehend automatisch ablaufen, d. h. die Abfolge der erforderlichen Meßschritte erfolgt Programmgesteuert, es ist außerdem zweckdienlich, die Abfolge der Meßschritte in regelmäßigen Abständen automatisch zu wiederholen und gegebenenfalls die Meßergebnisse aufzuzeichnen, um ein Profil zu erhalten, das Aufschluß über das Leckstromverhalten der Vorrichtung gibt. Batteriebezogen sollte ein kritischer Leckstrompegel festgelegt werden. Wird dieser erreicht oder überschritten, dann sollte ein Warnsignal abgegeben oder angezeigt werden. Es ist auch möglich, über eine Anzeigevorrichtung eine maximale Standzeit der Vorrichtung anzugeben, die aufgrund bestehender und gemessener Leckströme nicht überschritten werden darf, wenn die Vorrichtung, beispielsweise das Kraftfahrzeug, noch startfähig sein soll.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt eine bekannte 4-Leiter Widerstandsmeßvorrichtung mit einer Stromquelle und einer Spannungsmeßvorrichtung, wobei die Stromquelle zur 4-Leiter Widerstandsmessung über ein Schaltelement an den Leiterabschnitt anlegbar ist. Über eine A/D Wandlereinrichtung werden analog erfaßte Meßwerte digitalisiert und können in digitaler Form weiterverarbeitet, insbesondere aber auch abgespeichert werden.
Es ist möglich die Vorrichtung fest, z. B. in ein Kraftfahrzeug einzubauen, wobei dann über ein gesondertes oder ein vorhandenes Display im Fahrzeug die ermittelte Leckstrominformation an den Benutzer weitergegeben werden kann. Zweckdienlicherweise ist die Leckstrominformation verbraucherfreundlich aufgearbeitet, d. h. der Verbraucher wird mit Informationen über die Höhe des Leckstromes und die kritische Standzeit konfrontiert. Dabei kann auch der Ladezustand der Batterie berücksichtigt werden. Ist die Batterie voll, dann ist bei bestehenden ermittelten Leckströmen eine längere Standzeit der Vorrichtung möglich. Ist die Batterie teilentladen oder altersschwach, dann sollte zweckdienlicherweise eine geringere Maximalstandzeit über das Display ausgeworfen werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist es aber auch möglich, die gesamte Meßvorrichtung in ein Handmultimeter zu integrieren, wobei der übliche Funktionswahlschalter eine Position Leckstrommessung umfassen sollte. Wird der Schalter in die Position „Leckstrommessung" gestellt, dann wird die im Multimeter integrierte Ablaufsteuerung zur Einleitung der Meßschritte eingeschaltet, die zur Ermittlung des Leckstromes erforderlich ist.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:
1 eine Mehrzahl von Darstellungen zur Erläuterung der einzelnen Verfahrensschritte
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung.
Zunächst wird auf Zeichnungsfigur 1 Bezug genommen. In 1 ist in stark vereinfachter, schematischer Darstellung ein Netz 1 gezeigt, bei welchem ein Hauptverbraucher 2 manuell über ein Zündschloß 3 von der das Netz 1 speisenden Batterie 4 trennbar ist.
Über Leiter 5 ist der Hauptverbraucher 2 mit den Polen 6 der Batterie 4 verbunden. Zur Durchführung des Verfahrens wird nun aus den Leitern 5 ein Leiterabschnitt L_x ausgewählt, der von einem der Batteriepole 6 zum Hauptverbraucher 2 führt. In einem Schritt gemäß Zeichnungsfigur 1a wird für einen Nullabgleich die Spannungsfreiheit bzw. ein Spannungsabfall über dem noch unbekannten Widerstand des Leiterabschnittes L_x überprüft und eine eventuell vorliegende Thermospannung durch den Einfluß verschiedener Metalle und Temperaturen ermittelt. Dies geschieht dadurch, daß ein Spannungsmeßgerät 10 über den Leiterabschnitt L_x geklemmt wird, um den Spannungsabfall über dem Leiterabschnitt L_x zu messen. Die gemessene Spannung Uleck = Uth + Ileck × Rleck.
Um den Widerstand R_x des Leiterabschnittes L_x zu ermitteln, wird dem Leiterabschnitt L_x über eine Meßstromquelle 11 ein Meßstrom I_r eingeprägt und der Spannungsabfall über dem Leitungsabschnitt L_x erneut gemessen. Daraus läßt sich der Widerstand des Leiterabschnittes R_x mit Rx = (Ur = Uleck)/Ir berechnen. Da nun der Widerstand des Leiterabschnittes R_x bekannt ist, läßt sich durch erneute Spannungsmessung U_x über dem Leiterabschnitt bei ausgeschaltetem System, d. h. bei geöffnetem Zündschloß 3, berechnen mit Ileck = Ux/Rx vgl. 1c.
Zur Abrundung der Messung kann der Spannungsabfall U_x über dem Leiterabschnitt bei Betrieb des Systems (Zündung, Zündschloß 3 eingeschaltet) ebenfalls noch ermittelt werden. Durch den Spannungsmeßbereich von μV bis 1000 V eines Vielfachmeßgerätes können auch Anlasserströme erfaßt werden.
Der Vorteil des Meßverfahrens liegt darin, daß mit einem Multimeter Spannungen von < 1 μV bis 1000 V gemessen werden können. Ausgehend von einem mittleren Widerstand des Leiterabschnittes L_x von z. B. 1 mΩ, überdeckt der ermittelte Strombereich Werte bei Leckströmen von < 1 mA bis hin zu Anlasserströmen von über 1000 A.
Nachfolgend wird auf Zeichnungsfigur 2 Bezug genommen. Die dort dargestellte Vorrichtung 20 kann mittels 4-Leitern 21 und 22 an den Leiterabschnitt L_x angeschlossen werden, der Teil des zu vermessenden batteriegespeisten Netzes ist. Die Meßvorrichtung ist eine 4-Leiter Meßvorrichtung mit dem Spannungsmeßgerät 10 und der Meßstromquelle 11. Die 4-Leiter Widerstandsmeßvorrichtung hat insgesamt das Bezugszeichen 23. Sie ist zusammen mit einer Ablaufsteuerung 24 in einem Gehäuse 25 angeordnet, wobei die Ablaufsteuerung 24 die Meßstromquelle 11 der 4-Leiter Meßvorrichtung 23 über den ausgewählten Leiterabschnitt L_x schaltet, wozu ein Schaltelement 30 vorgesehen ist.
Die Ablaufsteuerung 24 ist darüber hinaus noch mit der Meßeinheit verbunden und sorgt dafür, daß diese für die unterschiedlichen Verfahrensschritte aktiviert wird.
In dem Gehäuse 25 ist ferner ein Datenspeicher 35 vorgesehen, in welchen digitalisierte Meßdaten der Meßeinheit 10 abgelegt werden können. Die Ablaufsteuerung 24 kann extern über eine Bedieneinheit 40 gestartet oder der Verfahrensablauf gezielt beeinflußt werden. Die gespeicherten oder unmittelbar ermittelten Daten werden über Ausgangsleitungen 50 einer Anzeigeeinrichtung 51 zugeführt und können dort in unterschiedlicher Weise numerisch oder alphanumerisch dargestellt werden.
Ist die Vorrichtung als Multimeter ausgebildet, kann die Bedieneinheit auch als Funktionsschalter ausgebildet sein, der beispielsweise auf die Funktion „Leckstrommessung" gestellt wird und dann die Ablaufsteuerung in Betrieb setzt, die die weiteren Elemente der Vorrichtung 20 zum Ablauf des Verfahrens beeinflußt.
Die Vorrichtung 20 kann fester Bestandteil eines Fahrzeuges oder Flugzeuges sein, d. h. es werden automatisch Fehlfunktionen während des Betriebes überwacht und dem Benutzer gemeldet. Außerdem ist eine Speicherung für Servicezwecke zweckdienlich. Die Anschlüsse sind dabei fest an die Elektrik, d. h. an den Leiterabschnitt angekoppelt.
Es ist aber auch möglich, die Vorrichtung als Servicebox auszubilden und/oder innerhalb einer Diagnoseeinheit für Kundendienstzwecke in Servicewerkstätten anzuordnen. Der die Vorrichtung benutzende Servicetechniker wird dann die Vorrichtung während der Fahrzeugdiagnose ankoppeln und die aktuellen Leckstromdaten erfassen.
Darüber hinaus ist für den „Privatgebrauch" auch die Integration in ein Multimeter zweckdienlich, wie sie oben bereits beschrieben ist.

1: Netz
2: Hauptverbraucher
3: Zündschloß
4: Batterie
5: Leiter
6: Pole
10: Spannungsmeßgerät
11: Meßstromquelle
20: Vorrichtung
21: 4-Leiter
22: 4-Leiter
23: 4-Leiter-Widerstandsmeßvorrichtung
24: Ablaufsteuerung
25: Gehäuse
30: Schaltelement
35: Datenspeicher
40: Bedieneinheit
50: Ausgangsleitung
51: Anzeigeeinrichtung

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Leckströmen, Ruheströmen und/oder Stand-by-Strömen in batteriegespeisten Netzen, insbesondere Kfz-, Boots-, und Fluggerätenetzen und dergleichen, bei welchen ein oder mehrere Hauptverbraucher manuell von der das Netz speisenden Batterie trennbar sind und Nebenverbraucher (Stand-by Elektronik) permanent angeschlossen sind oder Fehlerströme oder Leckströme auftreten, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a. Auswahl eines Leiterabschnittes L_x, der von einem Batteriepol sowohl zu dem/den Hauptverbraucher(n) als auch zu dem/den unbekannten Nebenverbraucher(n) führt; b. Spannungsmessung über dem Leiterabschnitt L_x zur Ermittlung der Leckspannung U_x; c. Anlegen einer Stromquelle über dem Leiterabschnitt L_x zur Einspeisung eines Stromes I_r, Durchführung einer 4-Leiter Widerstandsmessung zur Ermittlung des Widerstandes R_x des ausgewählten Leiterabschnittes L_x; d. Berechnung des Leckstromes aus Ileck = Ux/Rx
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor Durchführung der 4-Leiter Widerstandsmessung über dem Leiterabschnitt L_x eine eventuell bestehende, durch den Einfluß unterschiedlicher Metalle und Temperaturen erzeugte Thermospannung U_x gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Überprüfung der Spannungsfreiheit oder Messung eines Spannungsabfalls über dem noch unbekannten Widerstand des ausgewählten Leiterabschnittes L_x.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfolge der Meßschritte programmgesteuert erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfolge der Messschritte in regelmäßigen Abständen wiederholt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die 4-Leiter Widerstandsmeßeinrichtung permanent an den ausgewählten Leiterabschnitt L_x angeschlossen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ermittelte Meßwerte automatisch auf einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ermittelte Meßwerte elektronisch gespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen eines batteriebezogen kritischen Leckstrompegels automatisch ein Warnsignal abgegeben oder angezeigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ermittlung des Leckstromes eine Widerstandsmessung über dem ausgewählten Leiterabschnitt bei eingeschaltetem Hauptverbraucher erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung und/oder Leckstromanzeige unmittelbar vor und/oder nach jedem Betriebszyklus des Netzes erfolgt.
Vorrichtung (20) zur Ermittlung von Leckströmen in batteriegespeisten Netzen (1), insbesondere Kfz-, Boots-, und Fluggerätenetzen und dergleichen, bei welchen ein oder mehrere Hauptverbraucher (2) manuell von der das Netz (1) speisenden Batterie (4) trennbar sind, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, daß – die Meßvorrichtung als 4-Leiter Widerstandsmeßvorrichtung (23) ausgebildet ist und – zusammen mit einer Ablaufsteuerung (24) in einem Gehäuse (25) angeordnet ist, – wobei die Ablaufsteuerung (24) die Meßstromquelle (11) der 4-Leiter Widerstandsmeßvorrichtung (23) über den ausgewählten Leiterabschnitt L_x schaltet und die Widerstandsmessung einleitet.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßvorrichtung (23) eine A/D-Wandlereinrichtung zur Digitalisierung analoger Meßwerte nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (20) einen Datenspeicher (35) umfaßt, in welchem digitalisierte Meßwerte abspeicherbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12–14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufsteuerung (24) über Steuerungsleitungen mit der Meßvorrichtung (23), einem Schaltelement (30) zur Zuschaltung der Meßstromquelle (11) bei der 4-Leiter-Messung und mit dem Datenspeicher (35) elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12–15, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anzeigeeinrichtung (51) umfaßt, durch welche unmittelbar ermittelte und/oder gespeicherte Meßwerte anzeigbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12–16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (23) fest mit dem Bordnetz (1) eines Fahrzeugs oder Fluggerätes verbunden ist und die Anzeigeeinrichtung (51) in ein Armaturenbrett des Fahrzeuges oder Fluggerätes integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12–17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (23) eine Bedieneinheit (40) umfaßt, die mit der Ablaufsteuerung (24) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12–18, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (23) mit der Ablaufsteuerung (24) in ein Multimeter integriert ist und der Funktionswahlschalter die Position „Leckstrommessung" umfaßt, in welcher die Ablaufsteuerung (24) zur Einleitung der Meßschritte eingeschaltet ist.