DE102011077189A1

DE102011077189A1 - Verfahren zum Erkennen des Ausfalls oder Defekts eines elektrischen Energiespeichers in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102011077189A1
Application number: DE102011077189A
Authority: DE
Inventors: Alexander Mai; Joachim Fröschl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2012-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen des Ausfalls oder Defekts eines elektrischen Energiespeichers. Das Kraftfahrzeug unterstützt dabei eine Mehrzahl von Erkennungsverfahren zum Erkennen des Ausfalls oder Defekts des Energiespeichers. Jedem Fahrzeugzustand aus einer Mehrzahl verschiedener Fahrzeugzustände sind ferner ein oder mehrere Erkennungsverfahren aus der Mehrzahl von Erkennungsverfahren zugeordnet. Bei dem Verfahren wird der aktuelle Fahrzeugzustands aus der Mehrzahl der verschiedenen Fahrzeugzustände bestimmt. Basierend auf dem aktuellen Fahrzeugzustand werden ein oder mehrere dem aktuellen Fahrzeugzustand zugeordnete Erkennungsverfahren durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen des Ausfalls oder Defekts eines elektrischen Energiespeichers in einem einen elektrischen Energieerzeuger umfassenden Energiebordnetz eines Kraftfahrzeugs.
In einem Energiebordnetz eines Kraftfahrzeugs dient ein Generator zum Laden eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Fahrzeugbatterie. Elektrische Verbraucher des Bordnetzes können bei Betrieb des Generators über diesen mit elektrischer Spannung versorgt werden. Wenn der Generator inaktiv ist (beispielsweise bei ausgeschaltetem Motor) oder die Generatorleistung zum Versorgen der Verbraucher nicht ausreicht, kann die nicht über den Generator lieferbare elektrische Leistung für die Verbraucher von dem elektrischen Energiespeicher geliefert werden.
Wenn der elektrische Energiespeicher des Bordnetzes ausfällt, kann es für den Fall, dass die vom Generator lieferbare elektrische Leistung zum Betreiben der Verbraucher nicht ausreicht, zu erheblichen Spannungsschwankungen bis hin zum kompletten Ausfall der Energieversorgung kommen. Außerdem kann der Motor unter Umständen nicht mehr gestartet werden.
Der Ausfall des elektrischen Energiespeichers kann auf dem Defekt des elektrischen Energiespeichers selbst oder auf einen Defekt in der elektrischen Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Bordnetz beruhen. Unter Ausfall wird im Sinne der Anmeldung nicht nur der Totalausfall des Energiespeichers, sondern auch ein Teilausfall verstanden, bei dem der Energiespeicher aufgrund eines Defekts außerhalb des zulässigen Funktionsbereichs liegt, beispielsweise bei einem Kurzschluss einer Batteriezelle einer 12-V-Bleibatterie und einer daraus resultierenden geringeren Batteriespannung (z. B. 10 V).
In den Druckschriften DE 102 19 824 A1 und DE 10 2004 004 008 A1 sind Beispiele für Verfahren zum Erkennen eines Ausfalls des elektrischen Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug beschrieben.
Nachteilig an bekannten Verfahren zum Erkennen eines Ausfalls des elektrischen Energiespeichers ist, dass diese in bestimmten Situationen keine sichere Erkennung des Ausfalls gewährleisten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erkennen des Ausfalls eines elektrischen Energiespeichers anzugeben, welches eine zuverlässige Erkennung eines Ausfalls des Energiespeichers gewährleistet.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erkennen des Ausfalls oder Defekts eines elektrischen Energiespeichers wird vorausgesetzt, dass das Kraftfahrzeug eine Mehrzahl von Erkennungsverfahren zum Erkennen des Ausfalls oder Defekts des Energiespeichers unterstützt. Jedem Fahrzeugzustand einer Mehrzahl verschiedener Fahrzeugzustände (beispielsweise Ruhezustand, Bereitschaftszustand und gestarteter Zustand) sind ferner ein oder mehrere Erkennungsverfahren aus der Mehrzahl von Erkennungsverfahren zugeordnet. Bei dem Verfahren wird der aktuelle Fahrzeugzustand aus der Mehrzahl der verschiedenen Fahrzeugzustände bestimmt. Basierend auf dem aktuellen Fahrzeugzustand werden ein oder mehrere dem aktuellen Fahrzeugzustand zugeordnete Erkennungsverfahren durchgeführt. Die ein oder mehreren Erkennungsverfahren können in Abhängigkeit des aktuellen Fahrzeugzustands ausgewählt werden. Es müssen im Fall mehrerer dem aktuellen Fahrzeugzustand zugeordneter Erkennungsverfahren nicht sämtliche dem Fahrzeugzustand zugeordnete Erkennungsverfahren durchgeführt werden, wenn beispielsweise eines dieser Erkennungsverfahren bereits einen Ausfall erkannt hat. Da das oder die verwendeten Erkennungsverfahren vom aktuellen Fahrzeugzustand abhängen, können je nach Fahrzeugzustand unterschiedliche auf den jeweiligen Fahrzeugzustand zugeschnitte Verfahren angewandt werden, wodurch eine zuverlässige Erkennung eines Ausfalls oder Defekts des Energiespeichers gewährleistet wird.
Beispielsweise kann für die Erkennung des Ausfalls des Energiespeichers ein Ruhezustand mit inaktivem elektrischem Energieerzeuger (beispielsweise inaktivem Generator) berücksichtigt werden, wobei im Fall eines Ruhezustands ein oder mehrere dem Ruhezustand zugeordnete Erkennungsverfahren durchgeführt werden. Ein solcher Ruhezustand liegt beispielsweise dann vor, wenn das Fahrzeug steht, beispielsweise in der Garage, und im Wesentlichen alle vom Fahrer aktivierbaren Verbraucher, wie beispielsweise Radio und Klimaanlage, ausgeschaltet sind. Der Ruhezustand bedeutet nicht zwingend, dass sämtliche Verbraucher ausgeschaltet sind, typischerweise sind im Ruhezustand noch einige Verbraucher mit geringer Last aktiv, beispielsweise ein Funkempfänger zur Entgegennahme eines Funkbefehls zum Öffnen der Fahrertür.
Ferner kann ein Bereitschaftszustand mit aktiven oder betriebsbereiten elektrischen Verbrauchern (insbesondere vom Fahrer aktivierbare Verbraucher) und inaktivem elektrischem Energieerzeuger berücksichtigt werden, wobei im Fall eines Bereitschaftszustands ein oder mehrere dem Bereitschaftszustand zugeordnete Erkennungsverfahren durchgeführt werden. Ein solcher Bereitschaftszustand liegt beispielsweise dann vor, wenn das Fahrzeug steht, der Fahrer das Fahrzeug betreten hat und nach Einstecken des Fahrzeugschlüssels ins Zündschloss die elektrischen Verbraucher betriebsbereit sind; dies wird auch als Radiobereitschaft bezeichnet.
Außerdem kann ein gestarteter Zustand mit aktiven elektrischen Verbrauchern (insbesondere vom Fahrer aktivierbare Verbraucher) und aktivem elektrischem Energieerzeuger berücksichtigt werden, wobei im Fall des gestarteten Zustands ein oder mehrere dem gestarteten Zustand zugeordnete Erkennungsverfahren durchgeführt werden. Ein solcher Zustand liegt beispielsweise dann vor, wenn die Zündung eingeschaltet ist und der Motor an ist.
Als zustandsabhängiges Erkennungsverfahren kann beispielsweise ein Verfahren verwendet werden, bei dem eine erzeugte elektrische Spannung (beispielsweise die Ausgangsspannung des Generators, eines DCDC-Wandlers, eines ACDC-Wandlers oder einer Brennstoffzelle) verändert wird, insbesondere verringert wird, und eine Reaktion hierauf gemessen wird.
Bei Variation der erzeugten elektrischen Spannung seitens der Energieerzeugung wird im Falle eines speicherlosen Betriebs die abhängige Spannung der Vorgabe typischerweise folgen. Anderenfalls wird die Änderung der anliegenden Spannung durch den Einfluss des elektrischen Energiespeichers bedämpft.
Beispielsweise kann bei der Durchführung dieses Erkennungsverfahrens eine erzeugte elektrische Spannung verringert werden und die Abnahme einer von der dieser Spannung abhängigen Spannung im Bordnetz überwacht werden. Die Spannung wird vorzugsweise auf einen Wert verringert, der unterhalb der Nominalspannung des Energiespeichers liegt. Es kann insbesondere überwacht werden, ob die Spannung im Bordnetz auf einen definierten Schwellwert fällt, oder insbesondere überwacht wird, ob die Spannung im Bordnetz diesen Schwellwert unterschreitet.
Das vorstehend beschriebene Erkennungsverfahren mit Variation einer erzeugten Spannung wird beispielsweise im gestarteten Zustand verwendet. Es kann auch im Ruhezustand mit inaktivem elektrischem Energieerzeuger und im Wesentlichen inaktiven Verbrauchern verwendet werden, wobei die variierte Spannung dann über ein Ladegerät bereitgestellt wird. Außerdem kann es auch im Bereitschaftszustand verwendet werden, wobei die variierte Spannung dann über ein Ladegerät bereitgestellt wird.
Es können als Erkennungsverfahren auch ein oder mehrere Verfahren mit Lastzuschaltung verwendet werden, wobei eine elektrische Last in das Bordnetz zugeschaltet wird und eine Reaktion hierauf gemessen wird.
Bei einem beispielhaften Erkennungsverfahren mit Lastzuschaltung kann die Last in einem definierten Arbeitspunkt der Bordnetzspannung (beispielsweise bei begrenztem Energieangebot im Motorleerlauf) bei aktivem Energieerzeuger zugeschaltet werden und die resultierende Systemantwort (beispielsweise die Höhe des Spannungseinbruchs oder die Dämpfung durch den Speicher) bestimmt werden.
Beispielsweise kann die Leistungsabgabe des Energieerzeugers begrenzt werden und die Abnahme einer Spannung im Bordnetz nach der Lastzuschaltung überwacht werden, insbesondere überwacht werden, ob die Spannung im Bordnetz einen definierten Schwellwert erreicht oder die Spannung im Bordnetz diesen Schwellwert unterschreitet.
Zur Begrenzung der Leistungsabgabe kann eine sogenannte Load-Response-Funktion verwendet werden, bei der bei einer Lastzunahme die Stromabgabe über eine Rampenfunktion langsam gesteigert wird. Es kann auch eine Load-Response-Funktion verwendet werden, bei der die Stromzunahme durch eine Totzeit verzögert wird.
Zu Begrenzung der Leistungsabgabe kann der Generator alternativ oder zusätzlich in einem solchen Arbeitspunkt betrieben werden, in dem der Generator (bereits vor der Lastzuschaltung) im Wesentlichen ausgelastet ist. Beispielsweise kann der Generator bei Motorleerlauf betrieben werden, wobei aufgrund der geringen Drehzahl die Generatorleistung begrenzt ist.
Das vorstehend beschriebene Erkennungsverfahren mit Lastzuschaltung in einem definierten Arbeitspunkt bei aktivem Energieerzeuger wird beispielsweise im gestarteten Zustand mit aktiven Verbrauchern und aktivem elektrischem Energieerzeuger verwendet.
Bei einem alternativen beispielhaften Erkennungsverfahren mit Lastzuschaltung wird eine Last (statt bei aktivem Energieerzeuger) bei inaktivem Energieerzeuger zugeschaltet und die Abnahme einer Spannung im Bordnetz überwacht. Bei diesem Erkennungsverfahren wird ohne Erzeugung und beispielsweise nur mit einer Grundlast in einem ersten Schritt die Bordnetzspannung überwacht. In einem zweiten Schritt erfolgt bei einer definierten Belastung durch einen Verbraucher oder eine Verbrauchergruppe eine Amplitudenüberwachung des Spannungseinbruchs. Es kann beispielsweise überwacht werden, ob die Bordnetzspannung auf einen definierten Schwellwert fällt oder ob die Bordnetzspannung diesen Schwellwert unterschreitet. Das vorstehend beschriebene Erkennungsverfahren mit Lastzuschaltung bei inaktivem Energieerzeuger wird beispielsweise im Ruhezustand und/oder im Bereitschaftszustand verwendet.
Ferner kann ein Erkennungsverfahren genutzt werden, bei dem ein oder mehrere Signale eines Batteriesensors, insbesondere eines intelligenten Batteriesensors, genutzt werden. Ein Batteriesensor ist üblicherweise am Minus-Pol der Fahrzeugbatterie angebracht (typischerweise in der Polnische) und dient zum Messen des Batteriestroms sowie der Batteriespannung und liefert die Messwerte an das Energiemanagement. Ein intelligenter Batteriesensor kann typischerweise nicht nur die Messwerte erfassen, sondern auch vorverarbeiten und zwischenspeichern, und dies sowohl auf Befehl als auch eigenständig.
Mittels eines Batteriesensors können verschiedene Ursachen für einen Batterieausfall erkannt werden. Beispielsweise kann ein Abfall des Plus-Pols, ein Abfall der Masseverbindung an der Karosserie, ein Abfall der Masseverbindung am Minus-Pol, ein Kurzschluss einer Zelle in der Batterie oder ein batterieinterner Bruch in der Zellverbindung zwischen den Batteriezellen mit einem Batteriesensor erkannt werden.
Eine derartige mit einem Batteriesensor arbeitende Erkennungsmethode wird vorzugsweise im Bereitschaftzustand und/oder im gestarteten Zustand verwendet.
Es kann geprüft werden, ob der Batteriestrom gleich null ist.
Außerdem kann geprüft werden, ob die Batteriespannung konstant ist.
Ein Batteriestrom gleich null bei konstanter Batteriespannung bedeutet einen Ausfall der Batterie, insbesondere einen Abfall des Plus-Pols, einen Abfall der Masseverbindung an der Karosserie oder einen Abfall der Masseverbindung am Minus-Pol. Ein Batteriestrom gleich null bei variabler Batteriespannung deutet auf einen Bruch der Verbindung zwischen zwei Zellen innerhalb der Batterie hin.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird bei Erkennen eines Ausfalls des Energiespeichers durch ein vorstehend beschriebenes Erkennungsverfahren dieser Ausfall dem Fahrer angezeigt. Außerdem werden ein oder mehrere Gegenmaßnahmen eingeleitet. Ziel dieser Gegenmaßnahmen kann beispielsweise sein zu gewährleisten, dass die Leistung des elektrischen Energieerzeugers höher als der Leistungsverbrauch der elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs ist. Hierzu kann beispielsweise die Leistung des Energieerzeugers erhöht werden und/oder der Leistungsverbrauch der elektrischen Verbraucher reduziert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. In diesen zeigen:
1 ein vereinfachtes Schaltungsbeispiel zur Veranschaulichung eines 1. Erkennungsverfahrens zum Erkennen eines Ausfalls der Fahrzeugbatterie;
2 beispielhafte Spannungsverläufe bei der Durchführung des 1. Erkennungsverfahrens;
3 ein vereinfachtes Schaltungsbeispiel zur Veranschaulichung eines 2. Erkennungsverfahrens zum Erkennen eines Ausfalls der Fahrzeugbatterie;
4 beispielhafte Generatorstromverläufe;
5 beispielhafte Spannungsverläufe bei der Durchführung des 2. Erkennungsverfahrens;
6 ein vereinfachtes Schaltungsbeispiel zur Veranschaulichung eines 3. Erkennungsverfahrens zum Erkennen eines Ausfalls der Fahrzeugbatterie;
7 beispielhafte Spannungsverläufe bei der Durchführung des 3. Erkennungsverfahrens; und
8–13 verschiedene Ausfallszenarien bei der Überwachung mittels eines Batteriesensors.
Bei dem Ausführungsbeispiel stehen vier verschiedene Erkennungsverfahren zum Erkennen eines speicherlosen Betriebes zur Verfügung. In Abhängigkeit des aktuellen Fahrzeugzustands werden einzelne Erkennungsverfahren hieraus ausgewählt, um einen Ausfall des Energiespeichers zu erkennen. Im Folgenden werden die verschiedenen zur Verfügung stehenden Erkennungsverfahren diskutiert.
1. Erkennungsverfahren – Erzeugervariation
Bei dem ersten 1. Erkennungsverfahren handelt es sich um ein Erkennungsverfahren mit Erzeugervariation. Hierbei wird eine erzeugte elektrische Spannung (beispielsweise die Ausgangsspannung des Generators, eines DCDC-Wandler, eines ACDC-Wandlers oder einer Brennstoffzelle) verändert, insbesondere verringert, und eine Reaktion hierauf wird gemessen. Bei Variation der erzeugten elektrischen Spannung seitens der Energieerzeugung wird im Falle eines Ausfalls des elektrischen Energiespeichers die abhängige Spannung der Vorgabe typischerweise folgen. Anderenfalls wird die Änderung der anliegenden Spannung durch den Einfluss des elektrischen Energiespeichers bedämpft.
1 zeigt ein vereinfachtes Schaltungsbeispiel für das 1. Erkennungsverfahren mit einem Bordnetz, welches einen Generator G, eine Fahrzeugbatterie Bat und eine Last R umfasst. Die Last R hängt von dem aktuellen Fahrzeugzustand ab, bei dem das Erkennungsverfahren angewendet wird. Das Erkennungsverfahren wird vorzugsweise im Ruhezustand und im gestarteten Zustand verwendet: Im Ruhezustand stellt die Last eine sehr geringe Grundlast dar, im gestarteten Zustand ist die Last deutlich größer.
Bei dem 1. Erkennungsverfahren werden beispielsweise die Spannung des Generators G verringert und die Abnahme einer Bordnetzspannung U_BN überwacht. Es wird überwacht, ob bei Verringerung der Spannung des Generators G die Bordnetzspannung U_BN kleiner (oder kleiner gleich) einem Schwellwert wird. Beispielsweise wird die Spannung des Generators auf eine Spannung unterhalb der Nominalspannung der Batterie Bat verringert, beispielsweise auf 11,0 V, und geprüft, ob die Bordnetzspannung U_BN auf einen Schwellwert von U_BN,th,1 = 11,0 V fällt (oder kleiner als der Schwellwert wird). Wenn die Batterie nicht ausgefallen ist, wird diese mit einer Batteriespannung von ca. 12 V das Bordnetz stützen, so dass die resultierende Bordnetzspannung U_BN größer 11,0 V ist; die Bordnetzspannung ist in diesem Fall also größer als der Schwellwert von 11,0 V. Im Fall eines Ausfalls der Batterie sinkt die Bordnetzspannung U_BN typischerweise auf Werte unterhalb U_BN,th,1 = 11,0 V, so dass das Unterschreiten des Schwellwerts von U_BN,th,1 = 11,0 V ein Anzeichen für einen Ausfall ist.
2 zeigt einen beispielhaften Verlauf 10 (s. die gestrichelte Linie) der Spannung U_G des Generators G, einen beispielhaften Verlauf 11 (s. die durchgezogene Linie) der Bordnetzspannung U_BN bei Funktionstüchtigkeit der Batterie Bat und einen beispielhaften Verlauf 12 (s. die gepunktete Linie) der Bordnetzspannung U_BN bei Ausfall der Batterie Bat. Zum Zeitpunkt t₁ wird die Spannung des Generators G gesenkt. Bei funktionstüchtiger Batterie Bat stützt die Batterie Bat das Bordnetz, so dass der Einbruch der Bordnetzspannung U_BN gering ist und die Bordnetzspannung U_BN oberhalb des Schwellwerts U_BN,th,1 bleibt. Bei Ausfall der Batterie Bat folgt die Bordnetzspannung U_BN im Wesentlichen der Generatorspannung (bis auf einen Spannungsoffset aufgrund der Leitungsverluste) und fällt unter den Schwellwert U_BN,th.
2. Erkennungsverfahren – Lastzuschaltung bei definiertem Arbeitspunkt
Bei einem 2. Erkennungsverfahren werden eine Last in einem definierten Arbeitspunkt der Bordnetzspannung bei aktivem Energieerzeuger zugeschaltet und die resultierende Systemantwort (beispielsweise die Höhe des Spannungseinbruchs oder die Dämpfung durch den Speicher) bestimmt. Bei dem in 3 dargestellten Beispiel wird die Last R₂ zu der schon bereits vorhandenen Last R₁ dazu geschaltet.
Vorzugsweise wird die Leistungsabgabe des Generators G begrenzt. Hierzu kann ein Arbeitspunkt gewählt, bei dem der Generator bereits vor der Zuschaltung der Last R₂ im Wesentlichen ausgelastet ist und im Fall einer Lastzuschaltung keinen ausreichenden Strom für die zusätzliche Last R₂ liefern kann. Beispielsweise kann das Verfahren im Motorleerlauf mit geringer Drehzahl durchgeführt werden, so dass der Generator G nicht seine volle Leistung abgeben kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Generator G durch eine Load-Response-Funktion in seiner Leistungsabgabe begrenzt werden, wobei durch die Load-Response-Funktion bei einer Lastzunahme die Stromabgabe über eine Rampenfunktion langsam gesteigert wird.
4 zeigt drei unterschiedliche Verläufe 30–32 des Generatorstroms I_G bei Zuschalten einer Last R₂. Beim Verlauf 30 wird die Leistungsabgabe des Generators G nicht begrenzt, der Generatorstrom I_G nimmt bei Lastzuschaltung schnell zu. Beim Verlauf 31 wird die Zunahme des Generatorstroms künstlich durch eine Load-Response-Funktion begrenzt; der Generatorstrom I_G wird über eine Rampenfunktion langsam gesteigert. Beim Verlauf 32 wird der Generator G in einem solchen Arbeitspunkt betrieben, dass der Generator G schon vor der Zuschaltung der Last R₂ im Wesentlichen ausgelastet ist, so dass die Leistungsabgabe des Generators G stark beschränkt ist und der Generator G im Wesentlichen keinen zusätzlichen Strom liefert.
Nach der Lastzuschaltung wird die Abnahme der Bordnetzspannung U_BN überwacht. Es wird vorzugsweise überwacht, ob bei Zuschaltung der Last R₂ die Bordnetzspannung U_BN auf einen Wert kleiner (oder kleiner gleich) als ein Schwellwert U_BN,th,2 (beispielsweise 11,0 V) fällt. Wenn die Batterie Bat nicht ausgefallen ist, wird diese bei einer Lastzuschaltung das Bordnetz stützen und zusätzlichen Strom für die Last R₂ liefern, so dass der Spannungseinbruch trotz der Begrenzung des Generators G gering ist und der Schwellwert U_BN,th,2 nicht erreicht wird. Im Fall eines Ausfalls der Batterie Bat entfällt die Stützung durch die Batterie Bat und der Spannungseinbruch ist größer, so dass der Schwellwert U_BN,th2 unterschritten wird.
5 zeigt einen beispielhaften Verlauf 40 (s. die durchgezogene Linie) der Bordnetzspannung U_BN bei Funktionstüchtigkeit der Batterie Bat und einen beispielhaften Verlauf 41 (s. die gepunktete Linie) der Bordnetzspannung U_BN bei Ausfall der Batterie Bat. Zum Zeitpunkt t₂ wird die Last R₂ zugeschaltet. Bei funktionstüchtiger Batterie Bat stützt die Batterie das Bordnetz, so dass der Einbruch der Bordnetzspannung U_BN gering ist und die Bordnetzspannung U_BN oberhalb dem Schwellwert U_BN,th,2 bleibt. Bei Ausfall der Batterie Bat entfällt die Stützung durch die Batterie Bat und die Bordnetzspannung fällt unter den Schwellwert U_BN,th,2.
3. Erkennungsverfahren – Speicherüberwachung bei Lastzuschaltung und inaktivem Generator
Bei dem 3. Erkennungsverfahren wird ohne Last (oder nur geringer Last) und ohne Erzeugung in einem ersten Schritt die Bordnetzspannung U_BN überwacht. In einem zweiten Schritt erfolgt bei einer definierten Belastung durch einen Verbraucher oder eine Verbrauchergruppe eine Amplitudenüberwachung des Spannungseinbruchs.
6 zeigt ein vereinfachtes beispielhaftes Schaltbild hierfür. Die Last R₁ entspricht einer geringen Grundlast. Bei inaktivem Generator G wird die Last R₂ zugeschaltet und die Abnahme einer Spannung im Bordnetz überwacht. Beispielsweise kann geprüft werden, ob nach der Lastzuschaltung die Bordnetzspannung U_BN auf einen definierten Schwellwert U_BN,th,3 fällt oder diesen unterschreitet. Wenn die Batterie Bat nicht ausgefallen ist, wird diese bei einer Lastzuschaltung zusätzlichen Strom für die Last R₂ liefern, so dass der Spannungseinbruch trotz inaktiven Generators gering ist und der Schwellwert U_BN,th,3 nicht erreicht wird. Im Fall eines Ausfalls der Batterie Bat ist der Spannungseinbruch größer, so dass der Schwellwert U_BN,th2 unterschritten wird.
7 zeigt einen beispielhaften Verlauf 50 (s. die durchgezogene Linie) der Bordnetzspannung U_BN bei Funktionstüchtigkeit der Batterie Bat und einen beispielhaften Verlauf 51 (s. die gepunktete Linie) der Bordnetzspannung U_BN bei Ausfall der Batterie Bat. Zum Zeitpunkt t₃ wird die Last R₂ zugeschaltet. Bei funktionstüchtiger Batterie Bat ist der Einbruch der Bordnetzspannung U_BN gering und die Bordnetzspannung U_BN bleibt oberhalb des Schwellwerts U_BN,th,3. Bei Ausfall der Batterie Bat fällt die Bordnetzspannung U_BN unter den Schwellwert U_BN,th,3.
4. Erkennungsverfahren – Überwachung mittels eines intelligenten Batteriesensors
Bei dem 4. Erkennungsverfahren erfolgt eine Überwachung der Batterie Bat mittels eines intelligenten Batteriesensors IBS. Der Batteriesensor IBS ist zwischen dem Minus-Pol N der Fahrzeugbatterie Bat und der Fahrzeugkarosserie K angeordnet und dient zum Messen des Batteriestroms I_Bat am Minus-Pol N sowie der Batteriespannung U_Bat zwischen dem Plus-Pol P und dem Minus-Pol N. Die positive Spannungsversorgung des Batteriesensors IBS ist mit dem Plus-Pol P der Fahrzeugbatterie Bat verbunden.
Ferner kann für das 4. Erkennungsverfahren optional die Versorgungsspannung U_DME des Motorsteuergeräts ausgewertet werden.
Zwischen dem Plus-Pol P der Batterie und dem positiven Potential der Versorgungsspannung U_DME befindet sich eine Stromverteilung, über den die verschiedenen Verbraucher des Kraftfahrzeugs mit Strom versorgt werden.
Mittels eines solchen Batteriesensors können verschiedene Ursachen für einen Batterieausfall erkannt werden.
Fall a – Abfall Plus-Pol
8 zeigt die Verwendung des Batteriesensors bei einem Abfall des Plus-Pols P vom Bordnetz. In diesem Fall ist der gemessene Batteriestrom I_B gleich null. Die gemessene Batteriespannung U_Bat weist in diesem Fall einen nahezu konstanten Wert auf, da die Batterie Bat nicht belastet ist. Im Unterschied dazu variiert die Versorgungsspannung U_DME über der Zeit. Eine konstante Batteriespannung U_Bat und ein Batteriestrom I_B gleich null bedeuten, dass ein Ausfall der Batterie vorliegt. Zusätzlich kann hierfür geprüft werden, ob die Versorgungsspannung U_DME sich zeitlich ändert.
Außerdem kann geprüft werden, ob die Versorgungsspannung U_DME größer als die Batteriespannung U_Bat ist. Wenn dies der Fall ist, liegt sowieso ein Defekt der Batterie Bat vor.
Fall b – Abfall Masseverbindung an Karosserie
9 zeigt die Verwendung des Batteriesensors bei einem Abfall der Masseverbindung an der Karosserie K, d. h. zwischen dem Batteriesensor IBS und der Karosserie K. In diesem Fall ist der gemessene Batteriestrom I_B gleich null. Die gemessene Batteriespannung U_Bat weist in diesem Fall einen nahezu konstanten Wert auf, da die Batterie Bat nicht belastet ist. Im Unterschied dazu variiert die Versorgungsspannung U_DME. Eine konstante Batteriespannung U_Bat und ein Batteriestrom I_B gleich null bedeuten, dass ein Ausfall der Batterie vorliegt. Zusätzlich kann hierfür geprüft werden, ob die Versorgungsspannung U_DME sich zeitlich ändert.
Außerdem kann geprüft werden, ob die Versorgungsspannung U_DME größer als die Batteriespannung U_Bat ist. Wenn dies der Fall ist, liegt sowieso ein Defekt der Batterie Bat vor.
Fall c – Abfall Masseverbindung am Minus-Pol N
10 zeigt die Verwendung des Batteriesensors bei einem Abfall der Masseverbindung am Minus-Pol N, d. h. zwischen dem Batteriesensor IBS und der dem Minus-Pol N. Wenn die Sensorversorgung weiterhin gewährleistet ist, ist in diesem Fall der gemessene Batteriestrom I_B gleich null. Wenn die Sensorversorgung weiterhin gewährleistet ist, weist die gemessene Batteriespannung U_Bat in diesem Fall einen nahezu konstanten Wert auf, da die Batterie Bat nicht belastet ist. Im Unterschied dazu variiert die Versorgungsspannung U_DME. Eine konstante Batteriespannung U_Bat und einem Batteriestrom I_B gleich null ist ein Indikator für den Ausfall der Batterie. Zusätzlich kann hierfür zusätzlich geprüft werden, ob die Versorgungsspannung U_DME sich zeitlich ändert.
Außerdem kann geprüft werden, ob die Versorgungsspannung U_DME größer als die Batteriespannung U_Bat ist. Wenn dies der Fall ist, liegt sowieso ein Defekt der Batterie Bat vor.
Bei Ausfall der Sensorversorgung kommt es zu einem Kommunikationsausfall und es werden keine Werte mehr gemessen.
Fall d – Kurzschluss einer Zelle
11 zeigt den Fall, dass ein Kurzschluss einer Batteriezelle innerhalb der Batterie Bat vorliegt. Die Überprüfung auf einen Defekt erfolgt bei inaktivem Generator G.
Bei einem Kurzschluss einer Batteriezelle ist der gemessene Batteriestrom I_B ungleich null und variabel. Die gemessene Batteriespannung U_Bat ist aufgrund des Kurzschlusses einer Zelle geringer als ein typischer Wert. Ein Kurzschluss liegt also vor, wenn die Batteriespannung U_Bat kleiner als ein entsprechend gewählter Schwellwert ist.
Fall e – Hochohmige Batterie bei Zellverbinderbruch
12 zeigt den Fall, dass ein Bruch der Verbindung zwischen zwei Zellen innerhalb der Batterie Bat vorliegt. In diesem Fall ist der gemessene Batteriestrom I_B gleich null und invariabel. Die gemessene Batteriespannung U_Bat ist in diesem Fall variabel und folgt dem Generator. Ein gemessener Batteriestrom I_B gleich null und eine variable, dem Generator folgende Batteriespannung ist also ein Anzeichen für eine hochohmige Batterie aufgrund eines Zellverbinderbruches.
Fall f – Kommunikationsausfall
13 zeigt den Fall, dass ein Kommunikationsausfall zwischen Batteriesensor IBS und dem die Sensorinformation auswertenden Steuergerät vorliegt. In diesem Fall liegt keine Information zum Batteriestrom I_Bat und zur Batteriespannung U_Bat vor.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden ein oder mehrere der vorstehend beschriebenen vier Erkennungsverfahren in Abhängigkeit des aktuellen Fahrzeugzustands ausgewählt und durchgeführt. Der aktuelle Fahrzeugzustand kann ein Ruhezustand, ein Bereitschaftszustand oder ein gestarteter Zustand sein.
Beim Ruhezustand ist der Generator inaktiv, außerdem sind die Verbraucher im Wesentlichen inaktiv. Ein solcher Ruhezustand liegt dann vor, wenn das Fahrzeug steht, beispielsweise in der Garage, und die Verbraucher im Wesentlichen inaktiv sind.
Dem Ruhestand sind das 3. Erkennungsverfahren und/oder das 1. Erkennungsverfahren zugeordnet. Ein Batterieladegerät dient in diesem Fall für das 1. Erkennungsverfahren als Energieerzeuger, dessen Spannung variiert wird.
Beim Bereitschaftszustand sind die Verbraucher aktiv oder zumindest betriebsbereit, wobei der Generator nicht arbeitet. Ein solcher Bereitschaftzustand liegt dann vor, wenn das Fahrzeug steht, der Fahrer das Fahrzeug betreten hat und nach Einstecken des Fahrzeugschlüssels ins Zündschloss die elektrischen Verbraucher betriebsbereit oder schon aktiv sind.
Dem Bereitschaftszustand sind das 3. Erkennungsverfahren, das 4. Erkennungsverfahren und/oder das 1. Erkennungsverfahren (für das 1. Erkennungsverfahren kann dann beispielsweise ein Ladegerät als Erzeuger verwendet werden) zugeordnet.
Beim gestarteten Zustand sind sowohl elektrische Verbraucher als auch der Generator aktiv. Ein solcher Zustand liegt dann vor, wenn die Zündung eingeschaltet ist und der Motor an ist.
Dem gestarteten Zustand sind das 1. Erkennungsverfahren, das 4. Erkennungsverfahren und/oder das 2. Erkennungsverfahren zugeordnet. Im gestarteten Zustand kann jedoch nicht der Fall d (Kurzschluss einer Zelle) geprüft werden, da dieser Fall ohne aktiven Generator geprüft wird.
Wenn ein dem jeweiligen Fahrzeugzustand zugewiesenes Erkennungsverfahren einen speicherlosen Betrieb erkennt, so wird dieser dem Fahrzeug angezeigt. Es kann dem Fahrer mitgeteilt werden, dass ein Ausfall der Batterie vorliegt und dieser in die Werkstatt fahren soll und den Motor dabei nicht abstellen darf. Außerdem können Gegenmaßnahmen initiiert werden. Ziel dieser Gegenmaßnahmen kann beispielsweise sein, zu gewährleisten, dass die Leistung des elektrischen Energieerzeugers höher als der Leistungsverbrauch der elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs ist. Hierzu kann beispielsweise die Leistung des Generators erhöht werden (im Fall des gestarteten Zustands) oder der Generator zunächst einmal eingeschaltet werden (im Fall des Bereitschaftszustands). Zusätzlich oder stattdessen kann der Leistungsverbrauch der elektrischen Verbraucher reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10219824 A1 [0005]
DE 102004004008 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Erkennen des Ausfalls oder Defekts eines elektrischen Energiespeichers (Bat) in einem einen elektrischen Energieerzeuger (G) umfassenden Energiebordnetz eines Kraftfahrzeugs, wobei – das Kraftfahrzeug eine Mehrzahl verschiedener Erkennungsverfahren zum Erkennen des Ausfalls oder Defekts des Energiespeichers (Bat) unterstützt, – jedem Fahrzeugzustand aus einer Mehrzahl verschiedener Fahrzeugzustände ein oder mehrere Erkennungsverfahren aus der Mehrzahl von Erkennungsverfahren zugeordnet sind, mit den Schritten: – Bestimmen des aktuellen Fahrzeugzustands aus der Mehrzahl verschiedener Fahrzeugzustände; und – Durchführen eines oder mehrerer dem aktuellen Fahrzeugzustand zugeordneter Erkennungsverfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bordnetz elektrische Verbraucher (R, R₁, R₂) umfasst, und die verschiedenen Fahrzeugzustände einen, mehrere oder sämtliche der folgenden Fahrzeugzustände umfassen: – einen Ruhezustand mit inaktivem elektrischem Energieerzeuger (G), – einen Bereitschaftszustand mit aktiven oder zumindest betriebsbereiten elektrischen Verbrauchern (R, R₁, R₂) und inaktivem elektrischem Energieerzeuger (G) und – einen gestarteten Zustand mit aktiven elektrischen Verbrauchern (R, R₁, R₂) und aktivem elektrischem Energieerzeuger (G).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedem der verschiedenen Fahrzeugzustände mehrere Erkennungsverfahren aus der Mehrzahl von Erkennungsverfahren zugeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Erkennungsverfahren umfassen: – ein Erkennungsverfahren, bei dem eine erzeugte elektrische Spannung (U_G) verändert wird, insbesondere verringert wird, und eine Reaktion hierauf gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei bei dem Erkennungsverfahren eine erzeugte elektrische Spannung (U_G) verringert wird und die Abnahme einer von der dieser Spannung abhängigen Spannung (U_BN) im Bordnetz überwacht wird, insbesondere überwacht wird, ob die Spannung im Bordnetz auf einen definierten Schwellwert (U_BN,th1) fällt, oder insbesondere überwacht wird, ob die Spannung im Bordnetz diesen Schwellwert (U_BN,th1) unterschreitet.
Verfahren nach einem der auf Anspruch 2 rückbezogenen Ansprüche 4 oder 5, wobei das Erkennungsverfahren nach Anspruch 4 bzw. 5 dem Ruhezustand, dem Bereitschaftszustand und/oder dem gestarteten Zustand zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Erkennungsverfahren umfassen: – zumindest ein Erkennungsverfahren mit Lastzuschaltung, bei dem eine elektrische Last (R₂) in das Bordnetz zugeschaltet wird und eine Reaktion hierauf gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei bei dem Erkennungsverfahren mit Lastzuschaltung die Last (R₂) bei aktivem Energieerzeuger (G) zugeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Leistungsabgabe des Energieerzeugers (G) begrenzt ist und die Abnahme einer Spannung (U_BN) im Bordnetz überwacht wird, insbesondere überwacht wird, ob die Spannung (U_BN) im Bordnetz auf einen definierten Schwellwert (U_th,2) fällt, oder insbesondere überwacht wird, ob die Spannung (U_BN) im Bordnetz diesen Schwellwert (U_th,2) unterschreitet.
Verfahren nach einem der auf Anspruch 2 rückbezogenen Ansprüche 8 oder 9, wobei das Erkennungsverfahren nach Anspruch 8 bzw. 9 dem gestarteten Zustand zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei bei dem Erkennungsverfahren mit Lastzuschaltung die Last (R₂) bei inaktivem Energieerzeuger (G) zugeschaltet wird und die Abnahme einer Spannung (U_BN) im Bordnetz überwacht wird, insbesondere überwacht wird, ob die Spannung (U_BN) im Bordnetz auf einen definierten Schwellwert (U_th3) fällt, oder insbesondere überwacht wird, ob die Spannung (U_BN) im Bordnetz diesen Schwellwert (U_th,3) unterschreitet.
Verfahren nach auf Anspruch 2 rückbezogenem Anspruch 11, wobei das Erkennungsverfahren nach Anspruch 11 dem Ruhezustand und/oder dem Bereitschaftszustand zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Erkennungsverfahren umfassen: – ein Erkennungsverfahren, bei dem ein oder mehrere Signale eines Batteriesensors (IBS) ausgewertet werden.
Verfahren nach auf Anspruch 2 rückbezogenem Anspruch 13, wobei das Erkennungsverfahren nach Anspruch 13 dem Bereitschaftszustand und/oder dem gestarteten Zustand zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Erkennungsverfahren zumindest umfassen: – das Erkennungsverfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, – das Erkennungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, – das Erkennungsverfahren nach Anspruch 11 und – das Erkennungsverfahren nach Anspruch 13.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei – das Erkennungsverfahren nach Anspruch 4 bzw. 5 dem Ruhezustand, dem Bereitschaftszustand und/oder dem gestarteten Zustand zugeordnet ist, – wobei das Erkennungsverfahren nach Anspruch 8 bzw. 9 dem gestarteten Zustand zugeordnet ist, – wobei das Erkennungsverfahren nach Anspruch 11 dem Ruhezustand und/oder dem Bereitschaftszustand zugeordnet ist, – wobei das Erkennungsverfahren nach Anspruch 13 dem Bereitschaftszustand und/oder dem gestarteten Zustand zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den zusätzlichen Schritt: – bei Erkennen eines Ausfalls oder Defekts des Energiespeichers (Bat), Gewährleisten, dass die Leistung des elektrischen Energieerzeugers (G) höher als der Leistungsverbrauch der elektrischen Verbraucher (R, R₁, R₂) des Kraftfahrzeugs ist.
Erkennungsverfahren nach einem der Ansprüche 4–5, 7–9, 11 oder 13.