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Die Erfindung betrifft eine Testeinrichtung und ein Testverfahren für eine Batterie eines Fahrzeuges.
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Fahrzeuge wie z.B. Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Baustellenfahrzeuge, Straßenbahnen, usw. weisen eine Batterie auf. Diese dient z.B. zur Versorgung von Systemen wie Bordelektronik, Blinker, Scheinwerfer, Airbag, Heizung, Klimaanlage, Bremskraftverstärker, Servolenkung, Internetkommunikation, Zentralverriegelung, Antiblockiersystem, usw. Diese Systeme stellen elektrische Verbraucher dar. Versorgt werden diese Verbraucher über ein Bordnetz des Fahrzeuges, das von der Batterie gespeist wird. Die Batterie ist wiederaufladbar. In modernen Fahrzeugen ist es auf Grund der Vielzahl an Verbrauchern erforderlich, dass sich die Batterie, also die Bordnetzbatterie, stets in einem technisch einwandfreien Zustand befindet. Die Bordnetzbatterie weist in der Regel eine Spannung zwischen 12V und 48V auf. Diese Spannungen befinden sich in einem Niedervoltbereich. Der Niedervoltbereich betrifft eine Kleinspannung (engl. Extra Low Voltage, ELV) und insbesondere auch eine Sicherheitskleinspannung (engl. Safety Extra Low Voltage, SELV). Hier kann bei der Nennspannung jeweils zwischen Gleichspannung und Wechselspannung unterschieden werden. Die Grenzwerte der Kleinspannung sind für Wechselspannung (AC) ≤ 50V und für Gleichspannung (DC) ≤ 120V. Die Grenzwerte der Sicherheitskleinspannung (auch Schutzkleinspannung genannt) sind für Wechselspannung kleiner als 25V und für Gleichspannung kleiner als 60V. Es ist eine Tendenz eines vermehrten Einsatzes von 48V Batterien an Stelle von 12V Batterien in Bordnetzen zu erkennen. Neben zahlreichen Komfortfunktionen sind auch sicherheitsrelevante Funktionen von der Stabilität und Qualität des Bordnetzes abhängig. Um ein einwandfreies Bordnetz zu garantieren ist es erforderlich den Zustand der Bordnetzbatterie zu überwachen und mögliche Defekte bzw. Alterungseffekte vorab zu diagnostizieren.
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Bei Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor als Antrieb kann der Zustand der Batterie für das Bordnetz mit Hilfe des Batteriemanagementsystems (kurz BMS) überwacht werden. Beim Starten des Verbrennungsmotors benötigt der Anlasser des Verbrennungsmotors viel Strom aus dem Bordnetz und belastet somit die Batterie. Wird nun die Batterie beim Starten des Verbrennungsmotors überwacht, so kann vom Verhalten der Batterie bei Belastung auf deren Zustand geschlossen werden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es eine alternative Fahrzeugbatterietesteinrichtung bzw. ein Fahrzeugbatterietestverfahren anzugeben. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere Fahrzeuge, welche zum Antrieb des Fahrzeuges eine elektrische Maschine aufweisen.
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Eine Lösung der Aufgabe ist bei einer Fahrzeugbatterietesteinrichtung nach Anspruch 1 und bei einem Fahrzeugbatterietestverfahren nach Anspruch 6 angegeben. Weitere Ausgestaltungen dieser Lösungen ergeben sich nach den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 und 7 bis 12.
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Eine Fahrzeugbatterietesteinrichtung ist derart aufgebaut, dass diese einen Niedervoltbereich und einen Hochvoltbereich aufweist. Der Niedervoltbereich unterscheidet sich vom Hochvoltbereich durch eine niedrigere Spannung im Betrieb. Der Niedervoltbereich ist mit dem Hochvoltbereich mittels eines Transformators gekoppelt. Diese Kopplung kann auch bedeuten, dass der Niedervoltbereich und der Hochvoltbereich galvanisch entkoppelt sind. Die Kopplung betrifft dann die Möglichkeit der Energieübertragung. Der Transformator weist einen Niedervoltbereich und einen Hochvoltbereich auf. Der Niedervoltbereich ist über eine Niedervoltnetz mit einer Niedervoltbatterie elektrisch verbunden. Das Niedervoltnetz weist beispielsweise eine Spannung von 12V, 24V oder 48V auf. Das Niedervoltnetz kann in einer einfachen Ausprägung lediglich ein Kabelanschluss oder ein Stromschienenanschluss der Niedervoltbatterie an den Transformator sein. Der Niedervoltbereich weist eine erste Schaltungsanordnung mit einer ersten Niedervoltschaltereinheit auf. Die erste Niedervoltschaltereinheit ist derart mit einer Induktivität, welche sich im Niedervoltbereich befindet, elektrisch verbunden, dass die Niedervoltbatterie über die Induktivität belastbar ist. Hierfür ist im Test die erste Niedervoltschaltereinheit geschlossen. Im Niedervoltbereich gibt es einen Sensor zur Messung eines elektrischen Wertes, aus welchem ein Zustand der Niedervoltbatterie ermittelbar ist. Der elektrische Wert ist beispielsweise ein Strom oder auch ein Spannung. So kann beispielsweise über einen Hallsensor ein Strom gemessen werden oder es kann der Spannungsabfall über einen Widerstand gemessen werden.
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In einer Ausgestaltung der Fahrzeugbatterietesteinrichtung weist ein Batteriemanagementsystem (BMS) eine Funktion auf, welche beim Starten des Fahrzeugs den zeitlichen Spannungsverlauf und/oder Stromverlauf der Batterie analysiert. Der Verlauf ergibt sich aus den vom Sensor gemessenen Werten. Diese Funktion des BMS kann allerdings auch von einem anderen System wie einer Steuereinheit übernommen werden. Beim Start eines Fahrzeuges mit Verbrennungsmotor wird durch den Anlasser ein sehr hoher Strom angefordert, so dass auf Grund des daraus resultierenden Spannungs-/Zeitverlaufes auf den Zustand der Batterie rückgeschlossen werden kann. Bei Hybridfahrzeugen entfällt allerdings der Startergenerator (Anlasser) auf der 12V Bordnetzseite (also im Niedervoltbereich), so dass beim Anlassen des Fahrzeugs über die elektrische Maschine (insbesondere dem Elektromotor) zum Antrieb des Fahrzeuges, kein Spannungseinbruch auf der Bordnetzseite mehr gemessen werden kann. Hier kann allerdings ein Art Boost-Mode Abhilfe schaffen. Im Boost-Mode wird die Niedervoltbatterie dazu verwendet elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeuges zu liefern. Der Boost-Mode kann für wenige Sekunden aktiviert sein um das Bordnetz, also das Niedervoltnetz bei einem Fahrzeug mit elektrischer Maschine zum Antrieb dieses Fahrzeuges künstlich zu belasten. Fahrzeuge mit elektrischer Antriebsmaschine sind beispielsweise Elektrofahrzeuge oder auch Hybridfahrzeuge. Diese weisen auf der Hochvoltseite beispielsweise eine Antriebsbatterie mit einer Spannung von ≥ 300V auf. Hier sind auch Spannungen von etwa 400V oder 700V möglich.
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Da in einem Hybridfahrzeug oder in einem Elektrofahrzeug, welches keinen Verbrennungsmotor zum Antrieb aufweist, weiterhin ein Bordnetz mit z.B. 12V oder auch 48V eingesetzt wird und damit auch einen DCDC Wandler (betrifft eine Spannungswandlung von einem Hochvoltbereich HV auf einen Niedervoltbereich LV) im Fahrzeugsystem benötigt wird, ist dieser Niedervoltbereich und damit dessen Niedervoltbatterie durch eine kurze gesteuerte Belastung, ähnlich einem 12V Anlasser, zu belasten. Diese Belastung kann beispielsweise durch ausgangsseitige aktive Schalter erfolgen. Hierzu kann insbesondere ein aktiver Gleichrichter verwendet werden.
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Auf den Boost-Mode, der zur Batteriediagnose verwendet werden kann, kann zum Test der Niedervoltbatterie aber auch verzichtet werden. Abhängig von der Auslegung des BMS kann dieses aber weiterhin verwendet werden. Im Boost-Mode erfolgt ein Energietransfer vom Niedervoltbereich LV zum Hochvoltbereich HV. Diese Möglichkeit des Energietransfer macht es erforderlich den DCDC Wandler bidirektional auszulegen, was höhere Kosten und einen höheren Regelaufwand, insbesondere bezüglich der Software, erfordert. Weiterhin wird in diesem Falle der DCDC Wandler als aktiver Teilnehmer im HV System eingestuft, was entsprechende Funktionale Sicherheit (ASIL) erforderlich macht (Prüfungen, Nachweise, Aufwand). Durch gezieltes Belasten des Niedervoltbereichs (also z.B. eines 12V Bordnetzes) durch ein Antakten von Ausgangsschaltern für wenige Sekunden, bzw. durch ein kurzzeitiges Takten, kann jedoch eine gleichwertige Belastung stattfinden. Die Ausgangsschalter sind Niedervoltschaltereinheiten.
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In einer Ausgestaltung der Fahrzeugbatterietesteinrichtung weist also die erste Schaltungsanordnung, welche sich im Niedervoltbereich befindet, eine zweite Niedervoltschaltereinheit auf, wobei die zweite Niedervoltschaltereinheit derart mit der Induktivität elektrisch verbunden ist, dass die Niedervoltbatterie belastbar ist. Damit kann die Belastung unabhängig einer Hochvoltbatterie im Hochvoltbereich eingestellt werden. Da dieser Test der Niedervoltbatterie bei einem stehenden Fahrzeug vor dem Anlassen des Motors stattfinden kann, ist auch von einer niedrigen Sicherheitseinstufung (Asil Level) auszugehen.
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In einer Ausgestaltung der Fahrzeugbatterietesteinrichtung ist die Induktivität durch welche zum Test ein Strom fließt ein Teil des Transformators. Die zum Test verwendete Induktivität kann eine Vielzahl von parallel oder seriell geschalteten Induktivitäten aufweisen. Je größer die Induktivität ist, desto größer ist der Spannungsabfall über diese.
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In einer Ausgestaltung der Fahrzeugbatterietesteinrichtung weist der Transformator einen Abgriff auf der Seite des Niedervoltbereichs auf. Der Sensor zur Messung des elektrischen Wertes ist im Stromzweig des Abgriffes vorgesehen. Durch den Abgriff weist die Sekundärseite des Transformators drei Anschlüsse auf, wobei zwei Induktivitäten ausgebildet sind und der Abgriff einen Anschluss darstellt. Sekundärseitig (also im Niedervoltbereich) ist eine Induktivität zwischen einem ersten Anschluss und dem Abgriff und eine weitere Induktivität zwischen dem Abgriff und einem dritten Anschluss vorhanden. Der Abgriff stellt den zweiten Anschluss dar. Über Niedervoltschaltereinheiten lässt sich ein Pol der Niedervoltbatterie mit dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss elektrisch verbinden. Der Abgriff (also der zweite Anschluss) ist mit dem weiteren Pol einer zweipoligen Niedervoltbatterie verbunden. In einem Zweig zwischen dem Abgriff und dem weiteren Pol befindet sich dabei vorteilhaft noch eine weitere Induktivität. Mittels des Sensors lässt sich z.B. der Strom durch diese weitere Induktivität (der Zweiginduktivität) messen. Die Messwerte werden ausgewertet. Dies geschieht beispielsweise mittels einer Steuereinrichtung, eines BSM oder einer anderen Einrichtung zur Regelung und/oder Steuerung.
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In einer Ausgestaltung der Fahrzeugbatterietesteinrichtung weist diese also eine Steuereinrichtung auf. Die Steuereinrichtung dient dem Schalten der ersten Niedervoltschaltereinheit oder der zweiten Niedervoltschaltereinheit oder beider Niedervoltschaltereinheiten. Die Steuereinrichtung ist beispielsweise derart ausgebildet, dass zwei Niedervoltschaltereinheiten gleichzeitig durchschaltbar sind. Hierfür weist die Steuereinrichtung eine entsprechende Einrichtung zum gleichzeitigen Schalten einer Vielzahl von Niedervoltschaltereinheiten auf, welche insbesondere derart geschaltet sind, dass sich ein elektrischer Strom durch eine Vielzahl von Induktivitäten zur Batterie hin summiert. Eine Niedervoltschaltereinheit ist z.B. ein Schütz. Die Niedervoltschaltereinheit kann eine Diode und einen zur Diode parallel geschalteten Schalter aufweisen, der eine elektrische Verbindung herstellt oder trennt. In einem Ladebetrieb der Niedervoltbatterie sind die Niedervoltschaltereinheiten nicht gleichzeitig durchgeschaltet.
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Eine Lösung der Aufgabe der Erfindung ergibt sich auch aus einem Verfahren zum Test einer Niedervoltbatterie, bei dem Pole der Niedervoltbatterie über eine Induktivität elektrisch verbunden werden und mittels eines Sensors ein elektrischer Wert gemessen wird, wobei der gemessene elektrische Wert zur Ermittlung eines Zustandes der Niedervoltbatterie verwendet wird. In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist der Transformator zur Aufladung der Niedervoltbatterie vorgesehen, wobei im Testbetrieb für die Niedervoltbatterie (also insbesondere der Batterie zur Versorgung des Bordnetzes des Fahrzeuges) Induktivitäten unterschiedlich zum Aufladebetrieb für die Niedervoltbatterie verschaltet werden. So können gleiche Elemente auf unterschiedliche Weise genutzt werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist der Transformator im Testbetrieb auf der Hochvoltseite stromfrei geschalten. Weist die Hochvoltseite Hochvoltschaltereinheiten auf, so sind diese für die Zeit des Batterietestes insbesondere offen und führen keinen Strom. Die Primärseite des Transformators ist so inaktiv. Vorteilhaft ist es, wenn im Testbetrieb das Fahrzeug steht und/oder die Batterie des Niedervoltbereichs nicht geladen wird.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zum Test Niedervoltbatterie für eine Dauer von kleiner 10 Sekunden belastet, also insbesondere über Induktivitäten kurzgeschaltet. Je kürzer die Dauer ist, desto geringer ist die Belastung der Batterie. Die Dauer ist so zu wählen, dass aus den Sensorwerten ein Rückschluss auf den Zustand der Batterie möglich ist. Um einen möglichen Schaden von der Batterie abzuwenden kann in einer Ausführungsform die die Anzahl der Tests pro Zeiteinheit begrenzt werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der ermittelte Zustand der Niedervoltbatterie angezeigt. Abhängig vom ermittelten Zustand kann eine Servicemitteilung erzeugt werden, welche insbesondere einen Austausch der Niedervoltbatterie betrifft und diesen vorschlägt. Auch eine Restlebensdauer der Batterie kann ermittelt werden. In einer anderen Alternative wird ermittelt, wann die Batterie wieder zu laden ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung exemplarisch anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Dabei zeigt 1 eine Fahrzeugbatterietesteinrichtung.
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Die Darstellung nach 1 zeigt eine Fahrzeugbatterietesteinrichtung 1, welche einen Niedervoltbereich 2 und einen Hochvoltbereich 3 aufweist, wobei der Niedervoltbereich 2 mit dem Hochvoltbereich 3 mittels eines Transformators 13 gekoppelt ist. Der Transformator 13 weist eine Hochvoltseite 61 mit Hochvoltanschlüssen 45, 46 und eine Niedervoltseite 62 mit einem ersten Anschluss 43, einem zweiten Anschluss 42 und einem dritten Anschluss 44 auf der Niedervoltseite auf. Der zweite Anschluss 42 auf der Niedervoltseite 2 ist ein Abgriff durch welchen sich die sekundärseitige Induktivität auf der Niedervoltseite 62 des Transformators 13 in eine erste sekundärseitige Induktivität 40 und eine zweite sekundärseitige Induktivität 41 aufteilt. Die Niedervoltseite 2 weist eine erste Schaltungsanordnung 31 auf. Diese weist eine erste Niedervoltschaltereinheit 16 und eine zweite Niedervoltschaltereinheit 17 auf. Der erste niedervoltseitige Anschluss 43 des Transformators 13 ist mit der zweiten Niedervoltschalteinheit 17 elektrisch verbunden. Der dritte niedervoltseitige Anschluss 44 des Transformators 13 ist mit der ersten Niedervoltschalteinheit 16 elektrisch verbunden. Die erste und die zweite Niedervoltschalteinheit 16, 17 sind über ein Niedervoltnetz 22 mit einem ersten Pol 53 einer Niedervoltbatterie 24 verbunden. Diese Batterie weist auch einen zweiten Pol 52 auf, welcher über das Niedervoltnetz 22 mit einem Filter 19 verbunden ist. Das Niedervoltnetz 22 ist beispielsweise ein Bordnetz eines Fahrzeuges und weist eine Spannung von 12 Volt auf. Der Filter 19 ist seriell in einen 12V Zweig 33 geschalten und parallel zu einem Bezugspotential GND, der einen Zweig 34 ausbildet und an welchen die Niedervoltschalteinheiten 16 und 17 angeschlossen sind. Diese werden von einer Steuereinrichtung 50 angesteuert, wobei eine Einrichtung 51 zur gleichzeitigen Durchschaltung der Niedervoltschaltereinheiten 16, 17 vorgesehen ist. Im 12V Zweig 33 befindet sich eine Induktivität 18. Dies ist eine Speicherdrossel. Ein Sensor 26 ist zur Messung des elektrischen Stromes in diesem Zweig 33 vorgesehen. Zwischen dem 12V Zweig 33 und dem Zweig 34 ist eine Kapazität 20 geschaltet. Der 12V Zweig 33 ist an den Abgriff des Transformators 13 angeschlossen, also an den zweiten Anschluss 42.
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Der Transformator 13 ist mit einer Hochvoltbereich 3 verbunden, wobei dieser einen ersten positiven Hochvoltkonnektor 14 und einen zweiten Hochvoltkonnektor 15 aufweist. Hieraus ergeben sich ein erster Hochvoltzweig 35 (HV+) und ein zweiter Hochvoltzweig 36 (HV–). Zur Zentrierung der Spannungsebenen ist ein Spannungsteiler zwischen den Zweigen 35 und 36 vorgesehen, in welchem zwei Kapazitäten 9 und 10 seriell geschalten sind und zwischen diesen Kapazitäten 9 und 10 ein Abgang 11 auf ein Potential geführt wird. Zur Spannungsstabilisierung ist zwischen den Zweigen 35 und 36 eine Kapazität 8 mit der Spannung Dd vorgesehen. Sensoren 28 und 29 sind in den Zweig 35 geschaltet. Parallel zur Kapazität 8 ist eine hochvoltseitige zweite Schaltungsanordnung 30 geschaltet. Diese weist eine erste Hochvoltschaltereinheit 4, eine zweite Hochvoltschaltereinheit 5, eine dritte Hochvoltschaltereinheit 6 und eine vierte Hochvoltschaltereinheit 7 auf. Die Hochvoltschaltereinheiten weisen jeweils einen Schalter und eine Diode auf. Die Einheiten 4 und 5 sind in Reihe geschaltet. Auch die Einheiten 6 und 7 sind in Reihe geschaltet. Der erste Hochvoltanschluss 45 des Transformators 13 ist mit der elektrischen Verbindung zwischen Einheit 6 und 7 elektrisch verbunden. Der zweite Hochvoltanschluss 46 des Transformators 13 ist mit der elektrischen Verbindung zwischen Einheit 4 und 5 verbunden. Es ergibt sich eine Brückenschaltung. Vor dem zweiten Hochvoltanschluss 46 ist eine Induktivität 12 geschaltet. Mit dieser Induktivität des Wertes LRES lässt sich ggf. das Resonanzverhalten verbessern. Wird nun ein Test der Batterie 24 durchgeführt sind die Hochvoltschaltereinheit 4, 5, 6 und 7 offen und führen keinen Strom. Im Test ist die Primärseite des Transformators 13 passiv. Die Sekundärseite des Transformators 13 mit den Induktivitäten 40 und 41 führt Strom.
