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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie, mit dem ein interner Kurzschluss der Batterie identifiziert wird. Insbesondere kann es sich bei der so überwachten Batterie um eine Batterie in einem Kraftfahrzeug handeln.
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Bei der Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs handelt es sich beispielsweise um einen Akkumulator, der den elektrischen Strom für den Anlasser eines Verbrennungsmotors liefert. Die Batterie eines Elektrofahrzeugs, welche für den Antrieb des Fahrzeugs dient, wird dagegen als Traktionsbatterie bezeichnet. Ergänzend können Elektrofahrzeuge oder Hybrid-Fahrzeuge auch eine Starterbatterie aufweisen. Als Batterien können beispielsweise Bleiakkumulatoren oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt werden, welche jedoch im Folgenden auch als Bleibatterien oder Lithium-Ionen-Batterien bezeichnet werden.
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Wenn Bleibatterien bzw. Bleiakkumulatoren altern und beispielsweise aufgrund von internen Kurzschlüssen oder anderen Mechanismen anfangen zu gasen, erhöht sich üblicherweise ihre Temperatur. Dies kann bei stark erhöhten Temperaturen dazu führen, dass das Elektrolyt zu kochen beginnt und aus der Batterie entweicht. So können entstehender säurehaltiger Dampf, Wasserdampf und/oder Rauch ein potenzielles Sicherheitsrisiko für Personen darstellen, oder zumindest ein Grund für Kundenunzufriedenheit sein, da solche Batterien unangenehme Gerüche verbreiten. Dies ist insbesondere im Bereich der Steckdosen-Elektrofahrzeuge oder Steckdosen-Hybridfahrzeuge (Plug-In-Fahrzeuge) kritisch. Diese sind beim Ladevorgang der Batterie oftmals für eine längere Zeit unbeaufsichtigt, wenn sich nachts in einer Garage aufgeladen werden.
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Auch können als Begleiterscheinung der Batteriealterung interne Korrosion und ein hoher Innenwiderstand auftreten. Aufgrund des hohen Innenwiderstands und Kapazitätsschwunds sind sie dann beispielsweise nicht mehr in der Lage, Energie mit einer ausreichenden Spannung zum Anlassen des Fahrzeugs bereitzustellen. Zudem bewirken elektrische Lasten, die mehr Strom ziehen als die Lichtmaschine oder der DCDC-Wandler des Fahrzeugs zuzuführen ausgelegt ist, Spannungstransienten an den Batterieanschlüssen während der Entladung, was die elektrische Funktionalität dieser oder anderer Lasten verschlechtern kann. Beispielsweise können die Transienten bewirken, dass Steuerungen im Fahrzeug heruntergefahren und neugestartet werden, wenn ihre Niederspannungsbetriebsgrenzen verletzt werden.
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Wenn der Elektrolytpegel unter die Platten sinkt, fällt ebenfalls die Kapazität ab und der Innenwiderstand steigt. Die resultierenden Fehlermodi gleichen jenen aufgrund von Korrosion und können als Verschlechterung elektrischer Funktionalität beim Anlassen und Hochstromtransienten zusammengefasst werden.
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Außerdem kann bei Batterien, welche die genannten Symptome zeigen, davon ausgegangen werden, dass sie voraussichtlich in absehbarer Zeit ausfallen werden. Dieser Ausfall an Funktionalität einer Batterie und damit eines Fahrzeugs sollte unbedingt vermieden werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Fahrer oder Servicepersonal früh genug auf einen bevorstehenden Batterieausfall aufmerksam gemacht wird. Hierzu muss der Zustand der Batterie überwacht werden, was anhand verschiedener Parameter erfolgen kann.
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Die Offenlegungschrift
DE 10 2011 077 189 A1 offenbart beispielsweise verschiedene Verfahren zur Erkennung des Ausfalls oder Defekts eines elektrischen Energiespeichers im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Dabei werden die einzelnen Verfahren in Abhängigkeit vom aktuellen Fahrzeugzustand gewählt.
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Die Patentanmeldung
US 2010/0188054 A1 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung zum Erkennen von internen Kurzschlüssen in einer Batterie, wobei das Erkennungsverfahren die Klemmspannung der Batterie verwendet.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2011 106 297 A1 beschreibt eine Batterieanordnung für einen Kraftwagen, die wenigstens zwei Batterien umfasst, welche in Reihe geschaltet sind. Die Batterien weisen jeweils einen Anschluss zum Entnehmen einer elektrischen Energie und einen Masseanschluss auf. Ferner ist eine Steuereinrichtung zum Erfassen einer Spannung und/oder eines Stroms an diesen Anschlüssen vorgesehen, wobei mit dieser Steuereinrichtung ein Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen erfassbar ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 101 39 050 A1 sind darüber hinaus ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung eines automatischen Ladezustandsausgleichs zwischen den Zellen einer Fahrzeugbatterie bekannt. Dabei werden verschiedene Fahrzeugdaten verwendet, und der Ladezustandsausgleich wird in Abhängigkeit von diesen Daten durchgeführt. Hierbei kann es sich beispielsweise um Fahrtzeiten, Stillstandszeiten und Stillstandsorte des Fahrzeugs handeln.
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Fahrzeugsysteme im tiefen Niederspannungsbereich (14...48V) sind üblicherweise von elektrischen Antriebssystemen, wie man sie in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen findet, getrennt. In solchen Niederspannungssystemen ist eine Batterieüberwachung jedoch nicht üblich. Aufgrund von einem geänderten Benutzerverhalten insbesondere in Bezug auf das unbeaufsichtigte Laden von Batterien von Fahrzeugen über Nacht in einer Garage hat die Batterieüberwachung jedoch neue Bedeutung gewonnen.
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Insbesondere das Vorhandensein eines internen Kurzschlusses kann dabei von Bedeutung sein. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie bereitzustellen, mit dem interne Kurzschlüsse von Batterien detektiert werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–13.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Überwachung des Zustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, wobei mit dem Verfahren ein interner Kurzschluss der Batterie identifiziert werden kann. Das Verfahren wendet wahlweise zwei Algorithmen an, die angewendet werden, nachdem die Batterie über einen vorgegebenen Mindestzeitraum geladen wurde. Nach Ablauf dieses Zeitraums ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs einer von zwei Algorithmen angewendet wird, wobei
- a) in einem ersten Algorithmus der Batterieladestrom gemessen und einer Auswerteeinheit übermittelt wird und die Auswerteeinheit ein Alarmsignal erzeugt, falls der Batterieladestrom nicht unter einen definierten Grenzwert absinkt, oder
- b) in einem zweiten Algorithmus die Stromversorgung abgeschaltet oder zum Bewirken einer Batterieentladung eingestellt ist und die Leerlaufspannung oder die Batteriespannung unter Last gemessen und einer Auswerteeinheit übermittelt werden und die Auswerteeinheit ein Alarmsignal erzeugt, falls die Leerlaufspannung oder die Batteriespannung unter Last unter einen definierten Grenzwert liegen.
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Dies bedeutet, dass der Ladezeitraum vorgegeben ist und die beiden Algorithmen wahlweise nur angewendet werden, wenn die Batterie ausreichend lange geladen wurde. Nur in diesem Ladezustand der Batterie wird vorzugsweise anhand einer der beiden Algorithmen ein interner Kurzschluss identifiziert. Dabei werden die beiden Algorithmen in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs gewählt und angewendet. Diese Betriebsparameter können unterschiedlicher Art sein. Beispielsweise kann es sich um den Betriebsmodus des Fahrzeugs handeln, d.h. ob das Fahrzeug fährt oder geparkt ist. Ferner kann es sich um den Ladezustand der Batterie oder die Betriebshistorie des Fahrzeugs handeln, d.h. wie lange das Fahrzeug beispielsweise geparkt war.
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Das Alarmsignal der Auswerteeinheit gibt die Identifizierung/Detektion eines internen Kurzschlusses der Batterie an. Eine versagende Batterie mit einem internen Kurzschluss wird somit identifiziert, wenn der Batteriestrom nicht abnimmt, nachdem die Batterie über einen langen Zeitraum geladen wurde, oder wenn die Leerlaufspannung oder Entladungsspannung der Batterie nach einer längeren Aufladung absinkt bzw. rasch absinkt. Diese zwei Erkennungsverfahren, die in zwei separaten Algorithmen eingegliedert sind, können parallel in einer internen Kurzschlusserkennungsstrategie implementiert werden.
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Vorzugsweise umfasst das Laden der Batterie über einen vorgegebenen bzw. definierten Mindestzeitraum eine Ausgleichsladung. Beim Ausgleichsladen wird ein Spannungssollwert verwendet, der ein vollständiges Laden aller Zellen in einem Bleiakkumulator erleichtert. Er ist für gewöhnlich temperaturabhängig und häufig derart definiert, dass die Gasentwicklungsrate unter einem maximalen Konstruktionswert in der Mitte des definierten Temperaturbereichs liegt. Die z-Kurve, die das Ausgleichsladen definiert, kann vom Batteriehersteller erhalten oder durch den Fahrzeughersteller definiert werden, um in einem gegebenen Zielfahrzeug mit einem vorausgesagten Benutzungsprofil gut zu funktionieren. Die Ausgleichsladung erfolgt dann vorzugsweise mit einer temperaturabhängigen Spannung.
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Die z-Kurve definiert die Spannung an den Anschlussklemmen der Batterie. Zum Steuern der primären elektrischen Stromquelle, um eine definierte Spannung an den Batterieanschlussklemmen zu erzielen, ist entweder eine Rückkopplungsregelung der Batteriespannung erforderlich oder es kann eine Strategie mit einer Regelung mit Störgrößenaufschaltung ausgeführt werden, die den Spannungssollwert des Generators oder DCDC-Wandlers in Bezug zu einem gesamten Fahrzeugstrom oder dem Batteriestrom einstellt.
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Ein erster wählbarer Algorithmus überwacht somit den Ladestrom über die Zeit und identifiziert einen internen Kurzschluss, wenn die Batterie einer hohen Ausgleichsladungsspannung über einen langen definierten Zeitraum unterzogen wurde, der Batterieladestrom jedoch oberhalb einer Schwelle verbleibt. Der zweite Algorithmus überwacht die Leerlaufspannung der Batterie oder die Batteriespannung unter Last nach einem längeren Ausgleichsladungszeitraum. Der Ausgleichsladungszeitraum wird als genügend angesehen, wenn er eine minimale, definierte Länge aufweist. Nach der Ausgleichsladungsphase sollte die Stromversorgung zum Entladen durch die Fahrzeuglasten gesteuert werden, oder die Stromversorgung wird abgeschaltet, wenn das Fahrzeug nicht in Gebrauch ist. Nach zumindest einem definierten Zeitraum sollte die Batteriespannung gemessen werden. Wenn sie eine vordefinierte Schwelle nicht übersteigt, ist ein interner Kurzschluss identifiziert.
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Um die auszuwertenden Messgrößen zu erfassen, kann beispielswiese ein konventioneller Polnischensensor verwendet werden, der als Batterieüberwachungssensor (Battery Monitoring Sensor – BMS) dient. Vorzugsweise ist die Batterie dabei Teil eines Niederspannungssystems eines Kraftfahrzeugs. Die so gemessenen Werte können der Auswerteeinheit von einem Sensor direkt oder indirekt übermittelt werden. Ferner muss die Auswerteinheit kein eigenständiges Modul sein, sondern ihre Funktionalität kann auch durch das Zusammenwirken mehrerer Einzelmodule gebildet werden. Das von der Auswerteeinheit erzeugte Alarmsignal kann dabei auf verschiedene Arten verarbeitet werden.
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Für die Anwendung des ersten Algorithmus a) wird die Batterie vorzugsweise voll geladen und der Batteriestrom wird überwacht. Nachdem eine Batterie voll oder fast voll geladen wurde, muss der Batteriestrom bzw. Ladestrom abnehmen. Ab diesem Punkt wird der gesamte Strom dazu verwendet, um Gas zu erzeugen, d.h. Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umzusetzen. Ferner erwärmt der Strom die Batterie. Ein interner Kurzschluss verursacht eine übermäßige Gasbildung, nachdem die Batterie voll geladen wurde, so dass entsprechend viel Strom von der Batterie aufgenommen wird. Die Erfindung verwendet beim ersten Algorithmus insbesondere diesen Zusammenhang zwischen Gasbildung und Stromaufnahme bei voll geladener Batterie, um einen internen Kurzschluss zu identifizieren.
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Es werden somit Informationen über den Ladezustand der Batterie benötigt, um zu erkennen, dass diese voll geladen ist. Dies kann beispielsweise über einen BMS erfolgen, welcher den Ladezustand abschätzt. Übersteigt der durch den BMS abgeschätzte Ladezustand der Batterie einen bestimmten Pegel, kann der erste Algorithmus a) angewendet werden. BMS haben eine Genauigkeit von etwa +/– 10%, so dass sie nicht sehr genau sind. Ferner haben nicht alle Fahrzeuge einen BMS. Daher kann es auch vorgesehen sein, den Ladezustand der Batterie auf andere Weise zu ermitteln. Wenn beispielsweise über einen ausreichend langen Zeitraum eine ausreichende Spannung vorlag, muss die Batterie voll geladen sein. Die Erfindung sieht daher in einer Ausführungsform vor, den Batteriestrom mit dem ersten Algorithmus a) nur zu überwachen, wenn die Batterie über einen definierten Zeitraum mit einer Ladespannung geladen wurde. Dabei wird vorzugsweise eine Ausgleichsladung mit einer temperaturabhängigen Spannung (Z-Kurve) angewendet. Hierbei kann der Ladestrom unbegrenzt sein und das Ausgleichsladen kann auch stattfinden, wenn das Fahrzeug fährt. Insbesondere findet das Laden der Batterie somit wenigstens teilweise während der Fahrt des Kraftfahrzeugs statt, beispielsweise durch eine Lichtmaschine.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der bei dem Verfahren verwendete Algorithmus in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebsmodus des Kraftfahrzeugs gewählt wird. Beispielsweise wird der Algorithmus a) angewendet, wenn das Kraftfahrzeug in Betrieb ist, während der Algorithmus b) angewendet wird, wenn das Kraftfahrzeug sich über einen definierten Zeitraum in einem Parkmodus befunden hat.
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Insbesondere kann hierbei jedoch vorgesehen sein, dass zunächst geprüft wird, ob sich das Kraftfahrzeug nicht zu lange in einem solchen Parkmodus befunden hat, d.h. zu lange geparkt wurde. Wenn das Fahrzeug geparkt wird, kann es vorkommen, dass durch bestimmte Verbraucher eine Entladung der Batterie stattfindet. Diese Entladung kann durch Ruhestrom bzw. sogenannte „Key-Off Loads“ verursacht werden, die auch bei abgeschaltetem Fahrzeug Energie verbrauchen. Würde man einen internen Kurzschluss der Batterie lediglich durch einen Nachlass der Spannung identifizieren, wenn das Fahrzeug ausgeschaltet ist, oder wenn die Ladung der Batterie durch eine Deaktivierung der Lichtmaschine oder einen DCDC unterbrochen ist, und die Batterie mit einer elektrischen Last belastet ist, wäre dies beim Auftreten von derartigem Ruhestrom nicht verlässlich. Wird das Fahrzeug sehr lange ohne Laden geparkt, könnten die Key-Off Loads dazu führen, dass ein signifikanter Nachlass der Spannung gemessen wird, ohne dass die Batterie einen internen Kurzschluss aufweist. Dies könnte zu unbegründeten Fehlermeldungen führen, die zu vermeiden sind.
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Bei einer langen Parkphase ist aufgrund der zuvor genannten Vorgänge jedoch zu erwarten, dass die Spannung nachlässt. Daher sieht eine Ausführungsform der Erfindung für diesen Fall vor, dass keine Identifizierung eines internen Kurzschlusses aufgrund eines Spannungsabfalls durchgeführt wird. Eine zu lange Parkphase kann dabei über den Vergleich des Zeitraums seit der letzten Deaktivierung des Fahrzeugs und einem definierten Grenzwert ermittelt werden.
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Alternativ oder ergänzend kann der Ruhestrom während einer Parkphase gemessen werden. Ist dieser zu hoch, kann ebenfalls vorgesehen sein, dass in diesem Fall keine Identifizierung eines internen Kurzschlusses aufgrund eines Spannungsabfalls durchgeführt wird. Der Algorithmus b) wird dann nicht angewendet, wenn sich das Kraftfahrzeug länger als einen definierten Zeitraum im Parkmodus befunden hat oder ein im Parkmodus gemessener Ruhestrom einen definierten Grenzwert übersteigt.
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Darüber hinaus kann als Bedingung für die Anwendung des Algorithmus a) vorgesehen sein, dass dieser Algorithmus nur angewendet wird, wenn der Ladezustand der Batterie oberhalb eines definierten Grenzwerts liegt und der Ladevorgang ununterbrochen über einen definierten Zeitraum stattgefunden hat.
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Ein Alarmsignal kann dann auf unterschiedliche Arten verwertet werden. Bei einem Alarmsignal der Auswerteeinheit erscheint beispielsweise ein Warnhinweis im Bereich des Armaturenbretts eines Fahrzeugs, was durch eine Warnleuchte realisiert werden kann. So ist der Fahrer eines Fahrzeugs über den kritischen Zustand der Batterie informiert und kann entsprechende Gegenmaßnahmen veranlassen. Servicepersonal kann dabei zu Diagnosezwecken durch Fehlercodes informiert werden.
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Ferner können Entschärfungsstrategien eingeleitet werden, wobei beispielsweise die Batteriespannung so eingestellt werden kann, dass negative Effekte minimiert werden und es so nur zu einem Teilausfall kommt. Insbesondere kann der Spannungssollwert der Ladespannung so gesetzt werden, dass der Strom in die Batterie und aus der Batterie heraus minimiert wird. Darüber hinaus können Systeme abgeschaltet werden, welche von der Batterie betrieben werden oder die Batterie kann vom System getrennt werden. Dies kann beispielsweise durch ein Relais, insbesondere ein Solid-State Relais (SSR) realisiert werden. Im Falle eines Fahrzeugs, das am Netz geladen wird, kann der Ladeprozess automatisch beendet werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Batterie mit einem Relais isoliert wird, oder eine Nullstromsteuerung durchgeführt wird, wenn die Auswerteeinheit ein Alarmsignal erzeugt hat, d.h. wenn ein interner Kurzschluss identifiziert wurde. Die Nullstromsteuerung beinhaltet dabei beispielsweise eine Ansteuerung des Spannungssollwerts eines Generators oder eines DCDC-Wandlers auf einen Wert, welcher den Batteriestrom minimiert bzw. auf Null setzt. Eine solche Nullstromsteuerung hat gegenüber dem Einsatz eines Relais verschiedene Vorteile. Sie ist insbesondere mit weniger Kosten verbunden, da sie keine zusätzlichen Bauteile wie Relais und eine Verkabelung erfordert. Ferner erlaubt sie es, die Batterie in der Schaltung zu behalten. Falls eine schnelle Last-Transiente auftritt, kann die Batterie sofort dazu verwendet werden, die Last zu versorgen, ohne dass die Spannung im Fahrzeug für eine kurze Zeit zu gering wird.
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Da Algorithmen zur Identifizierung von geschädigten Batterien oftmals Fehlermeldungen erzeugen, obwohl die Batterie intakt ist, kann dabei jedoch vorgesehen sein, dass beispielsweise ein Warnhinweis im Armaturenbrett und/oder ein Fehlercode in einem Diagnosesystem nur erzeugt werden, wenn die Auswerteeinheit eine definierte Anzahl von Alarmsignalen innerhalb mehrerer aufeinander folgender Phasen des Betriebs erzeugt hat. Beispielsweise wird ein irregulärer Ladevorgang nur identifiziert, wenn wenigstens drei Mal in den letzten fünf Betriebsphasen ein Alarmsignal erzeugt wurde, das auf eine geschädigte Batterie hinweist.
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Die Erfindung dient insbesondere zum zuverlässigen Erkennen von internen Kurzschlüssen in Bleibatterien von Kraftfahrzeugen, die das Ende der Lebenszeit der Batterien anzeigen und zu übermäßigem Gasen, Wärmeentwicklung und Batterieversagen führen könnten. Die Erfindung kann jedoch auch auf Bleibatterien in anderen Anwendungsgebieten wie beispielsweise der Stromversorgungssysteme in Luft- und Wasserfahrzeugen ausgeweitet werden.
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Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
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Von den Abbildungen zeigt:
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1 eine Abfolge der Schritte beim Hochfahren der Stromversorgung und der Aktivierung der Überwachung von internen Kurzschlüssen;
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2 ein Ausführungsbeispiel eines Überwachungsaktivierungsalgorithmus für interne Kurzschlüsse;
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3 einen Algorithmus zum Erkennen von internen Kurzschlüssen durch Überwachen des Batterieladestroms über die Zeit;
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4 einen Algorithmus zum Erkennen von internen Kurzschlüssen durch Überwachung der Leerlaufspannung bei Deaktivierung der Stromversorgung;
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5 einen Algorithmus zum Erkennen von internen Kurzschlüssen durch Vergleich der Leerlaufspannung vor und nach einer Deaktivierung der Stromversorgung; und
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6 einen Algorithmus zum Erkennen von internen Kurzschlüssen unter Verwendung des Hochfahrens des Spannungssollwerts.
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Zuverlässige Identifikation von internen Kurzschlüssen über hohe Ströme über die Zeit ist nur möglich, wenn der Ladungszustand der Batterie (SOC – State of Charge) hoch ist und die Batterie einer lang anhaltenden Ausgleichsladung (equalization charging) ohne lange Unterbrechungen unterzogen wurde. Im Falle einer einfachen Ladestrategie, die auf jener basiert, die bei herkömmlichen Fahrzeugen angewendet wird, treten lange Unterbrechungen der Ausgleichsladung nur während des Parkens auf. Im Falle einer komplexeren Ladestrategie mit Ausgleichsladungs- und Erhaltungsladungszeiträumen (equalization charging/float charging) treten Unterbrechungen auf, wenn eine Spannung, die unter der Ausgleichsladungsspannung (bzw. Erhaltungsladung) liegt, an die Batterie angelegt wird.
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Erhaltungsladen ist im Gegensatz zur Ausgleichsladung eine Steuerstrategie für den Spannungssollwert einer Kraftfahrzeugstromversorgung, die den Batteriestrom minimiert und den Batterieladezustand bei oder um einen festen Wert herum aufrecht erhält. Erhaltungsladen kann auf eine von zwei Arten ausgeführt werden:
Als eine temperaturabhängige Spannung, die an den Batterieanschlussklemmen definiert ist oder als eine Stromsteuerstrategie, die den Spannungssollwert der Stromversorgung (DCDC-Wandler oder Generator) derart steuert, dass der Batteriestrom Null bleibt. Die letztere Ausführung kann Nullstromsteuerung genannt werden, da sie den Spannungssollwert derart steuert, dass der Batteriestrom gleich null ist.
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Wie im Fall des Ausgleichsladens kann das Erhaltungsladen durch Steuern der Spannung an den Batterieanschlussklemmen auf einen temperaturabhängigen Wert über eine Rückkopplungsregelung der Batteriespannung oder durch eine Regelung mit Störgrößenaufschaltung bewerkstelligt werden, die den Spannungssollwert des Generators oder DCDC-Wandlers in Bezug zum Gesamtstrom des Fahrzeugs oder zum Batteriestrom einstellt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Algorithmus daher zum Überwachen von Batteriezustand und Ausgleichsladungszeit und Unterbrechungen aufgrund Parkens oder Erhaltungsladungszeiträumen eingesetzt. Wie beispielsweise in 1 dargestellt, aktiviert der Algorithmus einen Batteriestromüberwachungsalgorithmus 1.2, der irreguläre Ladevorgänge identifiziert, welche internen Batteriekurzschlüssen entsprechen. Nachdem der Strom der Niederspannungsstromversorgung im Schritt 1.1 hochgefahren wurde, fließen in diesen Batteriestromüberwachungsalgorithmus 1.2 Informationen über den Ladezustand SOC der Batterie (1.4) und den Batteriespannungssollwert 1.5 ein (Modus: Ausgleichsladen/Erhaltungsladen). Der Algorithmus erzeugt einen Hinweisflag IntShortIdActFlag, der einem Algorithmus zur Erkennung von internen Kurzschlüssen über eine Überwachung des Batteriestroms (1.3) zugeführt wird. Diesem Algorithmus 1.3 wird ferner der Batterieladestrom 1.6 übermittelt.
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Details des Überwachungsaktivierungsalgorithmus für interne Kurzschlüsse sind in 2 dargestellt. Es wird vorausgesetzt, dass ein Zeitstempel StopEQTime in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert wird, wenn das Ladesystem abgeschaltet wird, wenn Ausgleichsladung stattfindet. Ein Timer, der die Zeit verfolgt, in der die Batterie einer Ausgleichsladung unterzogen ist, wird aktiviert, wann immer das Ladesystem aktiviert wird. Der Timer wird jedoch zurückgestellt, wenn die Dauer eines nicht mit Energie versehenen Parkens einen kalibrierten Grenzwert MaxDownTimeThresh übersteigt. Wenn der Wert des Ausgleichsladungstimers eine kalibrierte Schwelle MinEqChargeTime übersteigt, wird der Algorithmus zum Identifizieren interner Batteriekurzschlüsse über das Signal IntShortIdActFlag aktiviert. Die Schwelle MinEqChargeTime kann typischerweise auf 10...24 Stunden gesetzt sein.
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Wenn die Niederspannungsstromversorgung im Schritt 2.1 aktiviert wurde, wird im Schritt 2.2 überprüft, ob Ausgleichladung stattfindet und der Ladezustand der Batterie SOC oberhalb eines Mindestwerts MinSOC liegt. Ist dies der Fall, wird im Schritt 2.3 geprüft, ob die Zeit seit dem letzten Zeitstempel StopEQTime größer als der Grenzwert MaxDownTimeThresh ist. Dies würde bedeuten, dass sich das Fahrzeug übermäßig lange in einem nicht mit Energie versehenen Parkmodus befunden hat. Ist dies der Fall, wird der Timer für die Ausgleichsladung im Schritt 2.4 zurückgesetzt und im Schritt 2.5 aktiviert. Ist dies dagegen nicht der Fall, wird der Timer direkt im Schritt 2.5 aktiviert. Übersteigt die Zeit der Ausgleichladung den Grenzwert MinEqChargeTime (Schritt 2.6), wird der Hinweisflag IntShortIdActFlag aktiviert. Übersteigt die Zeit der Ausgleichladung dagegen nicht den Grenzwert MinEqChargeTime, wird im Schritt 2.8 überprüft, ob immer noch eine Ausgleichsladung stattfindet. Ist dies nicht der Fall, wird der Zeitstempel StopEQTime in einem nicht-flüchtigen Speicher hinterlegt.
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Nach der Aktivierung des Hinweisflags IntShortIdActFlag im Schritt 2.7 erfolgt im Schritt 2.9 ebenfalls fortlaufend eine Überprüfung, ob immer noch eine Ausgleichsladung stattfindet. Sobald diese nicht mehr der Fall ist, wird der Hinweisflag IntShortIdActFlag im Schritt 2.10 deaktiviert und ebenfalls der Zeitstempel StopEQTime in einem nicht-flüchtigen Speicher hinterlegt.
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Nach dem Aktivieren des Identifikationsalgorithmus für interne Kurzschlüsse wird ein Timer gestartet, wenn der Ladestrom eine kalibrierte Schwelle MaxIBattIntSh übersteigt, die eine Funktion der Batterietemperatur ist. Es wird vorausgesetzt, dass ein interner Kurzschluss vorliegt, wenn übermäßiger Ladestrom fließt, nachdem die Batterie einer langen Ausgleichsladungsphase (definiert als geladen für zumindest MinEqChargeTime) unterzogen wurde und der Ladezustand hoch ist (definiert als MinSOC übersteigend). Dieses Konzept wird im Identifikationsalgorithmus durch Identifizieren eines internen Kurzschlusses implementiert, wenn Ladungsströme MaxIBattIntSh über den kalibrierten Zeitraum MaxHiCurrTmIntSh übersteigen. 3 stellt einen Algorithmus zum Erkennen von internen Kurzschlüssen durch Überwachen des Batterieladestroms über die Zeit dar, in der der Ladungsstrom eine Schwelle übersteigt, nachdem das IntShortIdActFlag (das signalisiert, dass genügend Ausgleichsladung erfolgt ist) aktiviert wurde.
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Wenn die Niederspannungsstromversorgung im Schritt 3.1 aktiviert wurde, wird im Schritt 3.2 überprüft, ob der Hinweisflag IntShortIdActFlag aktiviert wurde. Ist dies der Fall, wird im Schritt 3.3. die Überwachung des Batteriestroms gestartet. Liegt der Batteriestrom oberhalb des temperaturabhängigen Grenzwerts MaxIBattIntSh (Schritt 3.4), wird im Schritt 3.5 ein Timer gestartet und der Batteriestrom weiter überwacht (3.6). Liegt der Batteriestrom immer noch oberhalb des temperaturabhängigen Grenzwerts MaxIBattIntSh (Schritt 3.4), wird im Schritt 3.9 ermittelt, ob die abgelaufene Zeit oberhalb des Grenzwerts MaxHiCurrTmIntSh liegt. Ist dies der Fall, wird ein Alarmsignal erzeugt, welches auf die Detektion eines internen Kurzschlusses schließen lässt (3.10). Ergibt die Prüfung in Schritt 3.7 dagegen, dass der Batteriestrom nicht mehr oberhalb des temperaturabhängigen Grenzwerts MaxIBattIntSh liegt, wird im Schritt 3.8 der Timer zurückgesetzt.
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Ein zweiter Algorithmus überwacht die Leerlaufspannung der Batterie oder die Batteriespannung unter Last nach einer längeren Ausgleichsladungsphase und einem vordefinierten Zeitraum, wenn die Stromversorgung abgeschaltet oder zum Bewirken einer Batterieentladung eingestellt ist. Wenn die Batteriespannung während der Zeit, in der die Stromversorgung abgeschaltet ist, erheblich abfällt, wird vorausgesetzt, dass ein interner Kurzschluss vorliegt.
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Damit der Algorithmus zuverlässig arbeiten kann, müssen die Lasten bei ausgeschaltetem Fahrzeug oder die Lasten während der Abschaltung der Stromversorgung niedrig ausgelegt sein. Typischerweise sollten die Lasten bei ausgeschaltetem Fahrzeug unter 50 mA liegen. Die Zuverlässigkeit des Algorithmus kann durch Isolieren der Batterie mit einem Relais bei ausgeschaltetem Fahrzeug, wenn die Stromversorgung abgeschaltet ist, verbessert werden.
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Der Algorithmus zum Identifizieren interner Kurzschlüsse über die Leerlaufspannung umfasst zwei Teile. Ein erster Teil zeichnet eine Leerlaufspannung der Batterie und einen Zeitstempel nach dem Abschalten der Stromversorgung auf, wenn die Batterie genügender Ausgleichsladung vor dem Abschalten unterzogen wurde. Der zweite Teil ist in die Stromversorgungsaktivierungssequenz von Ereignissen integriert. Er prüft, ob eine gültige Leerlaufspannung während des vorherigen Abschaltübergangs gespeichert wurde, und ob die Zeit seit dem letzten Abschalten nicht übermäßig lang ist. Wenn die Zeit seit dem letzten Abschalten übermäßig lang ist, bedeutet dies, dass sich das Kraftfahrzeug länger als einen vorgegebenen Zeitraum im Parkmodus befunden hat.
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Wenn diese Bedingungen hingegen erfüllt werden, vergleicht er die Leerlaufspannung der Batterie vor dem Anlegen von Ladungsspannung mit dem letzten gespeicherten Wert. Wenn ein großer Spannungsabfall während des Abschaltens aufgetreten ist, wird ein interner Kurzschluss identifiziert.
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4 stellt den Teil des Algorithmus dar, der für das Bestimmen zuständig ist, ob die Batterie einen genügenden Ladezustand und Ausgleichsladungszeitraum aufweist, um das Aufzeichnen ihrer Leerlaufspannung und ihrer Stromversorgungsabschaltzeit zur Identifizierung eines internen Kurzschlusses zu rechtfertigen.
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Die Leerlaufspannung wird im nichtflüchtigen Speicher unter dem Variablennamen BattOCV gespeichert, wenn der Ladungszustand größer als die kalibrierte Schwelle MinSOC ist und die Batterie eine Ausgleichsladungszeit von zumindest dem kalibrierten Wert MinEqChargeTime erfahren hat. Die Ausgleichsladungszeit kann von vorherigen Stromversorgungsaktivierungsphasen übernommen werden, wenn die Zeit seit der letzten Deaktivierung unter der kalibrierten Schwelle MaxDownTimeThresh liegt, d.h. sich das Fahrzeug nicht zu lange in einem Parkmodus befunden hat.
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Wenn die Bedingungen zum Aufzeichnen der Leerlaufspannung erfüllt sind, und die Batterie nicht durch ein Relais von den Fahrzeuglasten abgenommen werden kann, kann sich der Leerlaufspannung auf eine von drei Arten angenähert werden:
- 1. Die Stromquelle, die die Batterie lädt (DCDC-Wandler oder Lichtmaschine), ist zur Deaktivierung gesteuert oder ausgelegt, bevor die ECU, die den Identifikationsalgorithmus für interne Kurzschlüsse ausführt, abgeschaltet wird.
- 2. Ein Niederspannungssollwert wird an die Stromversorgung angelegt, bevor die Leerlaufspannung gemessen wird. In diesem Falle sollte der Spannungssollwert erheblich niedriger als die Spannung sein, die dem minimalen Ladungszustand, der durch MinSOC definiert ist, entspricht, und der Batterieladungsstrom sollte minimal sein.
- 3. Wenn die Strategie in einem Fahrzeug implementiert wird, bei dem ein DCDC-Wandler die Batterie lädt, und die Batterie nicht durch ein Relais vom Fahrzeug abgenommen werden kann, ist das beste Verfahren zum Messen der Leerlaufspannung, den Spannungssollwert mit einer verhältnismäßig langsamen Rate (0,1...1,0 V/s) während des Überwachens des Batteriestroms zu beschleunigen. Die Batteriespannung an dem Punkt, an dem der Batteriestrom auf null abfällt, kann als die Leerlaufspannung betrachtet werden.
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Wenn die Batterie durch ein Relais vom Fahrzeug abgenommen werden kann, während die ECU, die den Identifikationsalgorithmus für interne Kurzschlüsse ausführt, immer noch aktiv (mit Energie versorgt) ist, sollte die Leerlaufspannung nach dem Öffnen des Relais zur Batterie und vor einem vollständigen Abschalten des Fahrzeugs gemessen werden.
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Wenn die Leerlaufspannung gespeichert wird, wird außerdem ein Zeitstempel im nichtflüchtigen Speicher mit dem Variablennamen StopEqTime gespeichert. Der entsprechende Zeitwert sollte nicht zyklisch sein, sondern sollte stetig über einen Zeitraum von über 24 Stunden ansteigen.
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Im Algorithmus der 4 wird die Niederspannungsstromversorgung zunächst aktiviert (4.1). Findet Ausgleichsladung statt und liegt der Ladezustand der Batterie oberhalb des Grenzwerts MinSOC (4.2), erfolgt im Schritt 4.3 eine Überprüfung, ob die Zeit seit dem Zeitstempel StopEqTime größer als der Grenzwert MaxDownTimeThresh ist. Dies würde bedeuten, dass sich das Fahrzeug übermäßig lange in einem Parkmodus befunden hat. Ist dies nicht der Fall, wird der Timer für die Ausgleichsladung im Schritt 4.4 aktiviert. Ist dies dagegen der Fall, wird der Timer für die Ausgleichsladung erst im Schritt 4.5 zurückgesetzt und dann im Schritt 4.4 aktiviert. Im Schritt 4.6 wird überprüft, ob die Zeit der Ausgleichsladung über dem Grenzwert MinEqChargeTime liegt. Ist dies der Fall, wird im Schritt 4.7 geprüft, ob immer noch eine Ausgleichsladung stattfindet. Wenn dem so ist, wird im Schritt 4.9 geprüft, ob die Stromversorgung deaktiviert ist. Ist sie es, wird der Zeitstempel StopEqTime in einem nicht-flüchtigen Speicher hinterlegt (4.10), der Sollwert der Stromversorgung fällt unter die Leerlaufspannung der Batterie (4.11) und die Leerlaufspannung BattOCV wird ebenfalls in einem nicht-flüchtigen Speicher gespeichert (4.12). Ergibt die Prüfung im Schritt 4.6 dagegen, dass die Zeit der Ausgleichsladung nicht über dem Grenzwert MinEqChargeTime liegt, wird ebenfalls im Schritt 4.8 überprüft, ob die Ausgleichsladung noch stattfindet.
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5 zeigt den Teil des Algorithmus, der für das Identifizieren eines internen Kurzschlusses in einer Batterie durch Vergleichen der Leerlaufspannung vor und nach der Aktivierung der Stromversorgung zuständig ist. Zum Identifizieren eines internen Kurzschlusses wird die Leerlaufspannung, die gemessen wurde, wenn die Stromversorgung abgeschaltet ist, mit der Leerlaufspannung nach der Reaktivierung des Fahrzeugs verglichen. Zum Messen der Leerlaufspannung nach der Aktivierung des Fahrzeugs sollte die Aktivierung des DCDC-Wandlers oder der Lichtmaschine verzögert werden, oder sie sollten alternativ mit einem Spannungssollwert gesteuert werden, der niedriger als die Leerlaufspannung der Batterie ist, bis ihre Leerlaufspannung gemessen ist.
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Eine weitere Gestaltungsalternative wäre, die Batterie mit einem Relais zu isolieren und die Leerlaufspannung der Batterie zu messen, bevor die Batterie an jegliche Lasten angeschlossen wird. In diesem Falle könnten der DCDC oder die Lichtmaschine nach Fahrzeugaktivierung aktiviert werden, und das Relais würde die Batterie an Stromversorgung und Lasten anschließen, nachdem die Messung an der Batterie vorgenommen wurde. Während eine derartige Anordnung mit einem Relais die genaueste Messung der Leerlaufspannung vorsieht, kann sie das Stromversorgungssystem jedoch auch komplexer machen.
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Nach Aktivierung des Fahrzeugs könnte die Identifikation interner Kurzschlüsse beginnen, wenn die verstrichene Zeit seit der Deaktivierung innerhalb eines definierten Zeitfensters liegt, das durch die kalibrierten Grenzen MinIntShortIDTime und MaxIntShortIDTime definiert ist. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, wird die Batteriespannung gemessen und mit jener verglichen, die nach Deaktivierung gespeichert wurde (BattOCV). Wenn die Differenz zwischen der Batterieladung nach Aktivierung und der gespeicherten Batterieladung BattOCV die kalibrierte Schwelle DeltaUIntShort übersteigt, wird ein interner Kurzschluss identifiziert.
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Ist das Fahrzeug aktiviert (Schritt 5.1), wird die abgelaufene Zeit ElaspedTime auf die Differenz aus aktueller Zeit und dem Zeitstempel StopEqTime gesetzt (Schritt 5.2). Im Schritt 5.3 wird überprüft, ob diese angelaufene Zeit ElaspedTime zwischen den Grenzwerten MinIntShortIDTime und MaxIntShortIDTime liegt. Ist dies der Fall, wird die Batteriespannung gemessen (5.4) und im Schritt 5.5 ermittelt, ob die Differenz aus Leerlaufspannung BattOCV und der gemessenen Batteriespannung oberhalb eines Grenzwerts DeltaUIntShort liegt. Ist dies der Fall, wird dadurch im Schritt 5.6 ein interner Kurzschluss detektiert. Der DCDC-Wandler bzw. die Lichtmaschine können aktiviert werden (5.7). Übersteigt die Differenz aus Leerlaufspannung BattOCV und der gemessenen Batteriespannung dagegen den Grenzwert DeltaUIntShort nicht, können der DCDC-Wandler bzw. die Lichtmaschine direkt aktiviert werden.
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Wenn kein Relais zum Isolieren der Batterie von den Lasten vorgesehen wird, kann die Messung der Leerlaufspannung nach Aktivierung durch Hochfahren des Spannungssollwerts der Lichtmaschine oder des DCDC-Wandlers von einem Wert erheblich unter der Leerlaufspannung auf einen Wert über der Leerlaufspannung verbessert werden, während der Batteriestrom überwacht wird. Während die Spannung, die an die Batterie angelegt ist, unter der Leerlaufspannung liegt, entlädt sich die Batterie, und an dem Punkt, an dem der Strom gegen Null geht, kann die gemessene Batteriespannung als eine gute Annäherung an die Leerlaufspannung ausgelegt werden. Diese Spannung kann mit dem gespeicherten Wert BattOCV verglichen werden, um zu bestimmen, ob ein interner Kurzschluss vorliegt.
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6 stellt diese Variation der Identifikationsstrategie dar. Dabei entsprechen die Schritte 6.1 bis 6.6 den Schritten 5.1 bis 5.6 des Algorithmus der 5. Im Schritt 6.7 wird jedoch der Spannungssollwert hochgefahren und im Schritt 6.8 überprüft, ob der Batteriestrom auf null gesunken ist. Ist er auf null gesunken, erfolgen wie im Algorithmus der 5 die Schritte 6.4 und 6.5, um im Schritt 6.6 einen internen Kurzschluss zu detektieren. Ergibt die Überprüfung im Schritt 6.5 jedoch, dass die Differenz aus Leerlaufspannung BattOCV und der gemessenen Batteriespannung den Grenzwert DeltaUIntShort nicht übersteigt, wird die Identifizierungsphase von internen Kurzschlüssen im Schritt 6.9 beendet. Ergibt die Überprüfung im Schritt 6.3, dass die angelaufene Zeit ElaspedTime nicht zwischen den Grenzwerten MinIntShortIDTime und MaxIntShortIDTime liegt, wird ein Spannungssolwert aufgrund der z-Kurve der Ladestrategie angewendet (Schritt 6.10) und die Identifizierungsphase von internen Kurzschlüssen dann im Schritt 6.9 beendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011077189 A1 [0007]
- US 2010/0188054 A1 [0008]
- DE 102011106297 A1 [0009]
- DE 10139050 A1 [0010]
