DE10208020A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Pufferwirkung einer Batterie - Google Patents

Abstract

Für eine möglichst einfache und sichere Erkennung der Funktionsfähigkeit einer Batterie ist ein Verfahren zur Bestimmung der Pufferwirkung der Batterie (2) zur Bereitstellung einer Spannung (U) für ein Bordnetz (4), insbesondere eines Fahrzeugs, vorgesehen, bei dem eine Spannungsänderung und eine Stromänderung zyklisch erfasst werden, der dynamische Innenwiderstand der Batterie anhand des Quotienten aus der Spannungsänderung und der Stromänderung bestimmt wird, der bestimmte dynamische Innenwiderstand auf Überschreitung eines vorgebbaren Extremwerts überwacht wird und eine Aussage über die Pufferwirkung der Batterie getroffen und ausgegeben wird. Dabei ist die Pufferwirkung der Batterie um so besser, je kleiner der Quotient aus Spannungsänderung und Stromänderung ist.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung der Pufferwir­ kung einer Batterie zur Bereitstellung einer Spannung, insbe­ sondere für ein Fahrzeug. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Bestimmung der Pufferwirkung.

In Fahrzeugen werden zunehmend sicherheitsrelevante Funktionen elektrisch betrieben, wie z. B. elektrische Bremsen. Um sicher­ zustellen, daß die Funktionsfähigkeit derartiger sicherheitsre­ levanter Komponenten gewährleistet ist, müssen diese permanent mit elektrischer Energie versorgt werden. Hierzu ist es be­ kannt, im Fahrzeug zwei Energiequellen, nämlich eine Batterie und einen Generator, vorzusehen.

Da die Lebensdauer einer konventionellen Blei-Säure-Batterie im Regelfall geringer ist als die Lebensdauer eines Fahrzeugs, kann es vorkommen, daß nur noch eine der beiden Energiequellen funktionstüchtig ist. Für diesen Fall, daß eine Batterie leer oder defekt und somit funktionsuntüchtig ist, kann es zu einem Schaden oder zu einer Überlastung der zweiten Energiequelle, dem Generator, kommen. Dies kann dazu führen, daß die Versor­ gung der Verbraucher nicht mehr sichergestellt ist. Darüber hinaus kann das Fahrzeug in einen sicherheitskritischen Zustand gelangen. Aus diesem Grunde sind Maßnahmen erforderlich, die auf der einen Seite den Fahrer warnen, auf der anderen Seite aber auch das Bordnetz und damit das Fahrzeug möglichst lange in einem betriebssicheren Zustand halten. Insbesondere muß sicher­ gestellt sein, daß betriebs- und vor allem sicherheitsrelevante Verbraucher, wie z. B. Motorelektronik, elektrische Bremsen, nicht abgeschaltet werden. Zur Gewährleistung der Funktionsfä­ higkeit solcher sicherheitsrelevanter Aggregate ist neben der Sicherstellung eines minimalen Strombedarfs ein minimales Span­ nungsniveau einzuhalten. Dies kann üblicherweise mittels des Generators gewährleistet werden. Sollte die Batterie aber in einem tiefentladenen Zustand oder anderweitig defekt sein, so ist eine Pufferwirkung dieser nicht mehr gegeben. Ggf. kann dies dazu führen, daß der Generator während des Betriebs durch eine Laständerung entregt wird und die Bordnetzspannung plötz­ lich zusammenbricht, wodurch ein Betrieb der sicherheitsrele­ vanten Aggregate nicht mehr sichergestellt werden kann.

Aus der DE 199 44 517 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Pufferwirkung einer Batterie zur Bereitstellung einer Spannung für ein Bordnetz eines Fahrzeugs bekannt. Hierbei wird die Spannungswelligkeit erfasst und bestimmt sowie anhand einer Überwachungseinheit auf die Einhaltung eines vorgebbaren Grenz­ wertes überwacht.

Weiterhin ist aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 03-249 582 A ein Verfahren, die Qualität einer Batterie zu testen, be­ kannt. Hierbei wird eine Konstant-Wechselstromquelle als Belas­ tung für die zu testende Batterie verwendet und dann ermittelt, welche Spannungspegel sich dann einstellen. Entsprechend den sich ergebenden Spannungspegeln wird dann die Qualität der Bat­ terie bewertet. Aufgrund der Verwendung der Konstant- Wechselstromquelle ist eine derartige Anordnung jedoch nicht für eine Verwendung im Fahrzeug einsetzbar. Zudem stellt die Verwendung der Konstant-Wechselstromquelle eine Einspeisung ei­ nes Extrasignals dar, die aufwendig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Pufferwirkung einer Batterie anzugeben, bei dem eine möglichst einfache und sichere Erkennung der Funkti­ onsfähigkeit der Batterie ermöglicht ist. Darüber hinaus soll eine besonders einfache Anordnung zur Bestimmung der Pufferwir­ kung der Batterie angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkma­ len nach Anspruch 15 gelöst. In den Unteransprüchen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß bei nach­ lassender Pufferwirkung der Batterie es zu einer Änderung von Filtereigenschaften der Batterie für das Bordnetz kommt. Erfin­ dungsgemäß wird dazu der dynamische Innenwiderstand der Batte­ rie anhand des Quotienten aus Spannungsänderung und Stromände­ rung bestimmt. Bevorzugt wird der dynamische Innenwiderstand auf einen vorgebbaren Minimalwert überwacht wird. Anhand der Überwachung des dynamischen Innenwiderstands auf Überschreitung eines Minimalwerts ist eine Aussage über die Pufferwirkung der Batterie ermöglicht. Je kleiner der Quotient aus Spannungsände­ rung zur Stromänderung ist, desto besser ist die Pufferwirkung der Batterie. Bevorzugt erfolgt dabei die Bestimmung des dyna­ mischen Innenwiderstands bei einer nennenswerten Strom- und Spannungsänderung, z. B. bei einer Änderung von größer 1 V bzw. 5 A.

Für eine Aussage über die Pufferwirkung der Batterie auch bei kleinen Strom- und Spannungsänderungen wird der Innenwiderstand vorzugsweise mittels eines Wichtungsfaktors gewichtet. Hier­ durch ist insbesondere eine kontinuierliche Überwachung des dy­ namischen Innenwiderstands und somit eine kontinuierliche Er­ kennung der Pufferwirkung gegeben. Als Wichtungsfaktor wird beispielsweise die Leistung gemäß folgender Beziehung P = ΔU × ΔI verwendet. Je nach Art und Ausführung kann der Wichtungs­ faktor linear oder quadratisch bei der Bestimmung des dynami­ schen Innenwiderstands berücksichtigt werden.

Vorteilhafterweise wird bei Überschreiten des Grenzwerts, d. h. des Minimalwerts, eine Warnmeldung ausgegeben. Somit ist es si­ chergestellt, daß bei einer nicht mehr für einen Not- oder Si­ cherheitsbetrieb bzw. für eine kurzzeitige starke Überlastung ausreichenden Pufferwirkung der Batterie eine Warnmeldung an den Fahrer, z. B. in Form einer Signalleuchte im Armaturenbrett, ausgegeben wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dazu unter anderem eine Überwachungseinheit zur Bestimmung des dynamischen Innenwider­ stands der Batterie anhand des Quotienten aus Spannungsänderung und Stromänderung auf.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorlie­ genden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Be­ schreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Bestimmung der Puffer­ wirkung einer Batterie mit einer Sensoreinheit und einer Überwachungseinheit,

Fig. 2 schematisch die Sensoreinheit,

Fig. 3 bis 4 Diagramme mit einer Strom-Spannungs-Kennlinie für die Batterie, und

Fig. 5A-5B bis 8A-8B und 9A-9C bis 12A-12C Diagramme mit Funkti­ onsverläufen von Spannung und Strom für verschiedene Ausführungsbeispiele.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung 1 zur Bestimmung der Pufferwirkung einer Batterie 2 zur Bereitstellung einer Spannung U für ein Bordnetz 4, insbesondere eines nicht näher dargestellten Fahr­ zeugs. Das Bordnetz 4 wird mit Spannung U der Batterie 2 ver­ sorgt. Als zweite Energiequelle kann das Bordnetz 4 vom Genera­ tor 5 des Fahrzeugs mit Spannung U versorgt werden. Zusätzlich kann zur Kompensation von Instabilitäten im Bordnetz und bei Bedarf zum temporären Laden eine Stützbatterie bat2 (nicht ge­ zeigt) parallel zur (Bordnetz)Batterie 2 angeordnet sein, die zugeschaltet werden kann.

Die Anordnung 1 umfaßt ein Mittel 6 zur Erfassung und Bestim­ mung der Spannung U und/oder der Spannungswelligkeit UW (im weiteren kurz Spannungssensor 6 genannt) sowie eine Überwa­ chungseinheit 8 zur Überwachung der Spannung U und/oder der Spannungswelligkeit UW auf die Einhaltung eines vorgebbaren Ex­ tremwerts G_U, G_UW. Zusätzlich weist die Anordnung 1 ein Mittel 10 zur Erfassung und Bestimmung des Stroms I und/oder der Stromwelligkeit IW (im weiteren kurz Stromsensor 10 genannt) auf. Die Kenngrößen des Bordnetzes 4, wie die Spannung U, die Spannungswelligkeit UW, der Strom I und/oder die Stromwellig­ keit IW werden zur Bestimmung der Pufferwirkung der Batterie 2 mittels der Überwachungseinheit 8 auf die Einhaltung eines vor­ gebbaren Extremwerts G_U, G_UW, G_I bzw. G_IW überwacht. Dabei wird eine Über- und/oder Unterschreitung des vorgegebenen Extrem­ werts G_U, G_UW, G_I bzw. G_IW überwacht. Mit geringer werdender Puf­ ferwirkung der Batterie 2 nimmt die Spannungswelligkeit UW zu bzw. die Stromwelligkeit IW ab. Die Spannungswelligkeit UW wird insbesondere durch Einschaltung von Verbrauchern, z. B. vom Ge­ nerator, von der Zündanlage, hervorgerufen.

Daher wird in einer beispielhaften Ausgestaltung die Spannungs­ welligkeit UW überwacht. Bei der Überwachung der Stromwellig­ keit IW wird das gegenüber der Spannungswelligkeit reziproke Verhalten analysiert. Kommt es bei der Überwachung der Span­ nungswelligkeit UW und/oder der Stromwelligkeit IW zu einer Überschreitung bzw. Unterschreitung des vorgegebenen Extremwerts G_UW bzw. G_IW, so ist dies ein Indiz dafür, daß die Pufferwirkung der Batterie 2 nicht ausreichend ist.

Die Überwachungseinheit 8 kann dabei schaltungstechnisch oder in Software ausgeführt sein. In Fig. 2 ist beispielhaft eine schaltungstechnische Ausführung der Überwachungseinheit 8 zur Überwachung der Spannungswelligkeit UW auf die Einhaltung des zugehörigen Extremwerts G_UW abgebildet. Dabei umfaßt die Überwa­ chungseinheit 8 ein Filter 12, insbesondere ein Bandpass- Filter. Das Filter 12 filtert untere Frequenzanteile, insbeson­ dere die Gleichspannung, und obere Frequenzanteile aus dem Spannungssignal U heraus. Je nach Art und Ausführung des Fil­ ters 12 ist dieses ein derartiges Filter, dessen Mittenfrequenz aus der Drehzahl des Motors oder des Generators 5 abgeleitet wird. Dem Filter 12 ist ein Gleichrichter 14 und ein Komparator 16 nachgeschaltet. Die mittels des Filters 12 aus dem Span­ nungssignal U herausgefilterte Schwingung wird anhand des Gleichrichters 14 in eine Gleichspannung umgewandelt und anhand des Komparators 16 mit dem vorgegebenen Extremwert G_UW vergli­ chen. Mit anderen Worten: Die Amplitude der Spannungswelligkeit UW wird mittels des vorgegebenen Extremwert G_UW auf einen Maxi­ malwert überwacht. Ist die Gleichspannung nach dem Gleichrich­ ter 14 größer als der Maximalwert, so ist die Pufferwirkung der Batterie 2 zu gering und es wird eine Warnmeldung M, z. B. op­ tisch "Batterie laden" oder "Batterie tauschen" oder akustisch, ausgegeben.

In Analogie zur schaltungstechnischen Überwachungseinheit 8 für die Spannungswelligkeit UW wird für die Stromwelligkeit IW die Spannung U über einen Shuntwiderstand, der in Reihe zur Batte­ rie 2 geschaltet ist, abgenommen. Dabei wird die Amplitude der Stromwelligkeit IW auf Unterschreitung eines vorgegebenen Mini­ malwerts überwacht. Neben der Bestimmung der Welligkeiten UW und/oder IW kann auch das Verhalten von Spannung U und Strom I, insbesondere beim Einschalten eines Verbrauchers, auf Einhal­ tung zugehöriger Extremwerte G_U bzw. G_I zur Bewertung der Puf­ ferwirkung herangezogen werden. Dazu ist schaltungstechnisch ebenfalls ein Komparator 16 vorgesehen.

Im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel kann die Überwachungs­ einheit 8 beispielsweise als eine Rechnereinheit ausgebildet sein. Die Überwachungseinheit 8 dient dabei zur Überwachung und Bewertung der Bordnetzgrößen, d. h. der Spannung U, der Span­ nungswelligkeit UW, des Stroms I und/oder der Stromwelligkeit IW. Als Rechnereinheit dient beispielsweise ein Mikrocontroller oder eine andere Datenverarbeitungseinheit. Die Überwachungs­ einheit 8 umfaßt zur Berücksichtigung von Abhängigkeiten der Welligkeiten, wie der Stromwelligkeit IW und/oder der Span­ nungswelligkeit UW, Kennlinienfelder beispielsweise für Abhän­ gigkeiten der Spannungswelligkeit UW von der Temperatur, der Generatorgleichspannung, des Generatorstroms, des Batterie­ stroms I. Diese Kennlinienfelder sind beispielsweise in Form von Kurven oder Tabellen hinterlegt.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zusätz­ lich zu den vorstehend beschriebenen Messungen von Spannung U und Strom I der dynamische Innenwiderstand Ri der Batterie 2 anhand der Überwachungseinheit 8 ermittelt und zur Erkennung der Pufferwirkung verwendet. Dabei wird sowohl die Stromände­ rung ΔI als auch die Spannungsänderung ΔU bestimmt. Anhand des Quotienten aus Spannungsänderung ΔU und Stromänderung ΔI wird der dynamische Innenwiderstand Ri bestimmt und auf Einhaltung eines vorgegebenen zugehörigen Extremwerts G_R, insbesondere auf das Überschreiten eines Minimalwerts, überwacht. Wird der Mini­ malwert überschritten, so ist die Pufferwirkung nicht mehr aus­ reichend. D. h. je kleiner der Quotient aus Spannungsänderung ΔU und Stromänderung ΔI ist, desto besser ist die Pufferwir­ kung der Batterie 2. Bevorzugt wird der dynamische Innenwider­ stand Ri bei Vorliegen einer Mindeständerung von Strom I und Spannung U, z. B. bei einer Stromänderung ΔI von mindestens 5 A und einer Spannungsänderung ΔU von mindestens 1 V, bestimmt.

Im folgenden wird nun das erfindungsgemäße Verfahren zur Be­ stimmung der Pufferwirkung der Batterie 2 näher beschrieben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zyklisch, beispielsweise alle 4 ms, ein neues Wertepaar für eine Spannung U und einen Strom I der Batterie 2 bestimmt. Auf diese Weise wird die Span­ nungsänderung ΔU und die Stromänderung ΔI erhalten. Aus diesem Wertepaar werden durch die Überwachungseinrichtung gefilterte Werte berechnet. Als Filter wird beispielsweise ein Tiefpass 1. Ordnung bzw. VZ1-Glied verwendet. Hierbei ist bevorzugt je­ weils ein schnelles Filter mit beispielsweise T = 8 ms für Spannung U und Strom I ausgebildet. Wird die Spannung zusätz­ lich über ein langsames Filter mit beispielsweise T = 30 ms ge­ filtert, können Spannungs- und Stromverlauf plausibilisiert werden und eine Vorauswahl von Spannungs- und Stromflanken ge­ troffen werden.

Diese gefilterten Spannungs- und Stromwerte werden dann durch die Überwachungseinrichtung nach relativen Minima und Maxima durchsucht. Nach jedem erkannten Extremwert, d. h. relativen Mi­ nimum oder Maximum, wird eine Bestimmung des dynamischen Innen­ widerstands Ri durchgeführt. Allerdings erfolgt diese Bestim­ mung des dynamischen Innenwiderstands Ri nur mit folgenden Randbedingungen:

• - Vor dem erkannten Extremwert wurden bereits Startwerte in­ folge eines gegensätzlichen Extremwerts oder eines Ablaufs einer maximalen Wartezeit auf den nächsten Extremwert abge­ speichert.
• - Die Sprünge der Batteriespannung aus dem schnellen und lang­ samen Filter haben dasselbe Vorzeichen. Damit werden Sprün­ ge, wie z. B. die fallende Flanke eines "Load-Dump" bzw. Lastabwurf, bei denen der Strom stark abnimmt, die Spannung hingegen nicht im selben Maße, ignoriert.
• - Die Dynamik der Batteriespannungsänderung muss ein bestimm­ tes Mindestmaß aufweisen. Bei sehr großen Spannungssprüngen und Sprüngen, die komplett im Entladebereich liegen, reicht eine Abfrage, dass die langsame Spannungsänderung nicht grö­ ßer als die schnelle Änderung ist.
  Bei Sprüngen, bei denen der Strom im Entladebereich beginnt oder endet, muss der schnelle Spannungssprung 15-30% größer als der langsame Spannungssprung sein.
  Sprünge, die komplett im Ladebereich liegen, müssen die höchste Dynamik aufweisen. Die schnelle Spannungsänderung muss 25-50% über der langsamen Spannungsänderung liegen.
• - Bei laufendem Generator wird dies dadurch erkannt, das der Spannungssprung aus dem schnellen Filter um einen bestimmten Faktor über dem des langsamen Filters liegen muss (z. B. 25%). Für sehr große Spannungssprünge (< 2 V) oder bei inak­ tivem Generator genügt die Abfrage, dass die Differenz aus dem schnellen Filter zumindest nicht kleiner als die aus dem langsamen Filter ist.
• - Das Vorzeichen von Spannungssprung und Stromsprung muss gleich sein (dU.dI < 0) oder der Strom muss unterhalb der Toleranzgrenze liegen.

Sind diese Randbedingungen erfüllt, erfolgt eine Berechnung des dynamischen Innenwiderstands Ri.

Vor der Berechnung des dynamischen Innenwiderstands Ri wird si­ chergestellt, dass keine Division durch Null erfolgt oder ein negativer Wert für Ri bestimmt wird. Liegt der Betrag des Stroms unterhalb der Toleranzgrenze, wird das Vorzeichen der Spannung sowie ein Mindestwert übernommen.

Die Wertigkeit der erkannten Flanke wird abhängig von dem zu erwartenden Messfehler ermittelt.

Ausgehend von der Formel

ergibt sich mit der Betrachtung für den maximalen Widerstand (gemessene Spannung groß, gemessener Strom klein):

wobei fU und fI die zu erwartenden Fehler aus der Spannungs- bzw. Strommessung sind (z. B. Rauschen, Quantisierungsfehler durch A/D-Wandler, . . .).

Die Wertigkeit ist somit aus dem relativen Fehler der Wider­ standsbestimmung abgeleitet (relativer Fehler = 0. . .1).

Aus der Grenzwertbetrachtung ergibt sich für sehr große Span­ nungs- und Stromsprünge eine Wertigkeit, die gegen unendlich geht. Bei Werten, bei denen der Spannungssprung groß und der Stromsprung klein oder der Spannungssprung klein und der Strom­ sprung groß ist, ergibt sich eine kleine Wertigkeit, die gegen 0 geht.

Die Wertigkeit, durch 100 dividiert und auf 1 begrenzt, ergibt die Wichtung. Der dynamische Innenwiderstand Ri, der sich aus dem Quotienten aus Spannungsänderung ΔU und Stromänderung ΔI ergibt, wird mittels dieses Wichtungsfaktors gewichtet.

Somit würde ein Messwert mit einem zu erwartenden Fehler von kleiner 1% sofort übernommen werden.

Für die weitere Berechnung werden nur solche Werte des dynami­ schen Innenwiderstands Ri berücksichtigt, bei denen eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

• - Die Wichtung weist auf einen ausreichend kleinen Messfehler hin.
• - Der Spannungssprung ist sehr groß.
• - Der Stromsprung ist sehr groß.

Durch die alternative Berechnung bei großem Spannungs- oder Stromsprung ist es auch möglich, sehr kleine oder große Wider­ standswerte (allerdings mit hoher Fehlerwahrscheinlichkeit) zu berechnen.

Der neue, gefilterte Wert des dynamischen Innenwiderstands Ri ergibt sich aus den alten Werten und dem entsprechend gewichte­ ten, neuen Wert nach der Formel:

RiFilt = RiFilt × (1 - WichtungFlanke) + RiFlanke × WichtungFlanke

In der Anfangsphase ist die Summe aller bisher erfolgten Ge­ wichtungen kleiner als 1. In diesem Fall wird die Gewichtung der aktuellen Flanke auf die Summe der vorhandenen Gewichtungen bezogen und dieser relative Wert als aktuelle Flankengewichtung herangezogen. Je geringer die Summe der vorhandenen Gewichtun­ gen ist und je größer die Gewichtung der aktuellen Flanke ist, desto stärker wird dieses somit berücksichtigt.

Zusätzlich zu der normalen Berechnung wird noch ein "schneller dynamischer Innenwiderstand Ri-schnell" berechnet. Dieser setzt sich nur aus den letzten 20 berechneten Werten zusammen und weist somit eine deutlich höhere Dynamik und Ungenauigkeit als der gefilterte dynamische Innenwiderstand Ri auf. Bei großen Abweichungen zwischen dem gefilterten dynamischen Innenwider­ stand Ri und dem schnellen dynamischen Innenwiderstand Ri-schnell wird der schnelle dynamische Innenwiderstand Ri-schnell übernommen, wenn er ausreichend stabil ist und einer der Werte (gefiltert oder schnell) über einem bestimmten Mindestwert liegt. Werden sehr lange keine Werte des dynamischen Innenwi­ derstands Ri bestimmt, wird der schnelle dynamische Innenwider­ stand Ri-schnell zurückgesetzt, um bei erneuter Anregung schneller Werte zu liefern.

Zur Bewertung der Aussagekraft wird die Zeit gemessen, die er­ forderlich ist, um den schnellen dynamischen Innenwiderstand Ri-schnell zu berechnen. Ist hier eine vorbestimmte Zeitspanne abgelaufen, kann die Aussagekraft als nicht mehr ausreichend angenommen werden.

Eine Aussage über die Pufferwirkung der Batterie 2 wird aus der Aussagekraft und dem ermittelten dynamischen Innenwiderstand Ri getroffen.

Für die Aussage über die Pufferwirkung der Batterie 2 existie­ ren zwei Ausgangsgrößen:

• 1. Ein erstes Ausgangssignal A1, das immer eine Wert liefert, auch wenn die Anregung nicht mehr ausreichend ist. Dieser Wert wird benötigt, um immer eine Aussage über die Puffer­ wirkung der Batterie 2 zu erhalten. Wenn die Anregung nicht mehr ausreichend ist, behält dieses Ausgangssignal den letzten ermittelten Wert. Neue Werte werden erst wieder er­ mittelt, wenn die Aussagekraft ausreichend ist.
• 2. Ein zweites Ausgangssignal A2, das nur einen Wert liefert, wenn die Aussagekraft ausreichend ist. Ist dies nicht mehr der Fall, erhält das Ausgangssignal den Wert für "nicht verfügbar".

Eine Aktualisierung der Aussage über die Pufferwirkung der Bat­ terie erfolgt immer, wenn ein neuer dynamischer Innenwiderstand Ri ermittelt wurde und die Aussagekraft ausreichend ist.

Die Bildung der Ausgangsgröße erfolgt zweistufig. Zuerst werden drei Bereiche unabhängig voneinander beurteilt. Anschließend erfolgt eine Abfrage der Bereiche und Bildung der Ausgangsgrö­ ßen.

Es gibt mehrere entscheidende Bereiche, in denen sich der dyna­ mische Innenwiderstand Ri bewegen kann. Diese werden unabhängig voneinander nach dem selben Prinzip, aber unterschiedlichen Pa­ rametern (Schwellen und Zeiten) bewertet. Für jeden Bereich existiert eine obere und untere Schwelle sowie eine Mindestzeit für die Überschreitung der oberen Schwelle und eine Mindestzeit für die Unterschreitung der unteren Schwelle. Dies kommt daher, dass die Berechnung des dynamischen Innenwiderstands bei sehr kleinen Werten (< 20 mΩ) ungenauer erfolgt als beispielsweise bei 80 mΩ. Außerdem muss die Erkennung des kritischen Batterie­ zustandes schneller erfolgen als z. B. der Fremdstartfall.

Als Schwellen für den dynamischen Innenwiderstand Ri ist ein oberer und ein unterer Schwellenwert Tho bzw. Thu festgelegt. Zusätzlich sind noch zwei Zeitspannen To bzw. Tu festgelegt, während derer die Schwellen durch den dynamischen Innenwider­ stand Ri überschritten sein müssen, bevor sich der Zustand für den entsprechenden Bereich ändert.

Wird nach einem Zurücksetzen erstmalig ein aussagekräftiger Wert für den dynamischen Innenwiderstand Ri ermittelt, wird für die Pufferwirkung in jedem Fall ein Wert angenommen. Dieser ist Ri-unter, wenn der Wert unterhalb des oberen Schwellenwerts liegt, sonst Ri-über. Dieses Verfahren wurde gewählt, da sonst bei einem ermittelten dynamischen Innenwiderstand Ri zwischen den beiden Schwellenwerten für längere Zeit keine Aussage mög­ lich wäre und sich im Normalfall der Batteriezustand bessert. Außerdem wird im besseren Fall keine Meldung erzeugt.

Eine Änderung der entsprechenden Bereichsgröße ergibt sich an­ schließend nur, wenn:

• - bei schlechtem Zustand der dynamische Innenwiderstand Ri für länger als Tu unterhalb von Thu ist; dann wird die Puffer­ wirkung auf Ri-unter gesetzt.
• - bei gutem Zustand der dynamische Innenwiderstand Ri für län­ ger als To oberhalb von Tho ist; dann wird die Pufferwirkung auf Ri-über gesetzt.

Es werden verschiedene Schwellen und Zeiten, aufgrund verschie­ denen zu verwendender Batteriegrößen und Technologien als Wer­ tebereich angegeben, für die Bildung von einzelnen Bereichsbits verwendet, wie in Tabelle 1 gezeigt, so dass zwischen einer Schwelle für einen kritischen Bordnetzzustand, einer Schwelle für die Einleitung von Zusatzmaßnahmen, z. B. einer Zuschaltung einer zweiten Batterie (Stützbatterie) bat2 und einer Schwelle für einen Fremdstart fs unterschieden werden kann.

Tabelle 1

Nachdem die einzelnen Bereichsbits gebildet wurden, werden die­ se zusammen mit der Information über die Aussagekraft verwen­ det, um die Ausgangsgrößen A1 bzw. A2 zu bilden.

Die logische Verknüpfung dieser Bereichsbits ist in nachfolgen­ der Tabelle 2 dargestellt:

Tabelle 2

wobei A1-io gleich Pufferwirkung in Ordnung, A1-fs gleich Puf­ ferwirkung im Fremdstartbereich, A1-bat2 gleich Pufferwirkung im Bereich, dass die zweite Batterie zugeschaltet werden soll­ te, A1-krit gleich Pufferwirkung kritisch, A2-io gleich Puffer­ wirkung in Ordnung, A2-fs gleich Pufferwirkung im Fremdstartbe­ reich, A2-bat2 gleich Pufferwirkung im Bereich, dass die zweite Batterie zugeschaltet werden sollte, A2-krit gleich Pufferwir­ kung kritisch und A2-nv gleich Wert für Pufferwirkung nicht verfügbar ist.

Um in Phasen, in denen eine aussagekräftige Bestimmung des dy­ namischen Innenwiderstands Ri erforderlich ist, ausreichend An­ regung für diese zu bekommen, ist es in einer bevorzugten Wei­ terbildung der Erfindung vorgesehen, gegebenenfalls die heizba­ re Heckscheibe zu verwenden, um zusätzliche Flanken zu bekom­ men. Hierzu erfolgt eine gezielte Ansteuerung der heizbaren Heckscheibe, wobei jedoch die folgenden Randbedingungen erfüllt sein müssen, dass eine Anregung durch die heizbare Heckscheibe generiert wird:

• - Der aktuell ermittelte Wert für den dynamischen Innenwider­ stand Ri muss über einem bestimmten Wert liegen.
• - Der Generator muss aktiv sein.
• - Die aktuelle Anregung ist nicht ausreichend.
• - Es muss eine Mindestzeit Tmin seit Beendigung des letzten Anregungsimpulses vergangen sein.

Wenn diese Randbedingungen erfüllt sind, wird durch eine An­ steuereinrichtung in der Überwachungseinrichtung zunächst die heizbare Heckscheibe deaktiviert, wenn sie in Betrieb ist. Nach Ablauf einer Verzögerungszeit T-HSSaus wird die heizbare Heck­ scheibe (wieder) aktiviert. Anschließend wird eine zweite Ver­ zögerungszeit T-HSSein abgewartet, nach deren Ablauf die heiz­ bare Heckscheibe wieder der normalen Steuerung durch die An­ steuereinrichtung übergeben wird.

Auf diese Weise wird erreicht, dass der dynamische Innenwider­ stand Ri auch im Fall einer normalerweise fehlenden Anregung zuverlässig und einfach bestimmt werden kann, so dass eine Aus­ sage über die Pufferwirkung der Batterie 2 problemlos möglich ist.

Im weiteren werden anhand von Diagrammen verschiedene Messungen an der Batterie 2 dargestellt und deren Auswirkungen auf die Pufferwirkung der Batterie 2 näher erläutert. In Fig. 3 ist ein Diagramm für eine Strom-Spannungs-Kennlinie einer geladenen Batterie 2 beispielhaft dargestellt. Die obere Kurve stellt die Spannung U, die untere Kurve den Strom I der Batterie 2 dar. Die Spannungswelligkeit UW ist trotz pulsartiger Stromänderung ΔI sehr gering. Somit weist die Batterie 2 eine weitgehend gu­ te Pufferwirkung auf. Die Spannungswelligkeit UW wird dabei, wie oben dargelegt, anhand der Anordnung 1 auf Einhaltung des vorgegebenen Grenzwerts G_UW überwacht.

In Fig. 4 ist beispielhaft für eine Messung bei einer stark entladenen Batterie 2 eine Strom-Spannungs-Kennlinie darge­ stellt. Diese hat keine Pufferwirkung mehr. Die Spannungswel­ ligkeit UW (obere Kurve) ist gegenüber der Messung in Fig. 3 deutlich größer und ist somit ein Indiz für eine nicht ausrei­ chende Pufferwirkung der Batterie 2.

Neben der Bestimmung und Erfassung sowie Überwachung der Span­ nungswelligkeit UW und/oder der Stromwelligkeit IW kann auch das Verhalten der Bordnetzspannung U und des Bordnetzstroms I, insbesondere beim Einschalten einer Last, zur Bewertung der Pufferwirkung der Batterie 2 herangezogen werden, wie vorste­ hend bereits erläutert.

In den Fig. 5A und 5B ist der Spannungsverlauf (oben) bzw. der Stromverlauf (unten) während des Einschaltens eines Verbrauchers, z. B. der Heckscheibenheizung, dargestellt. Die Messung wurde ohne Batterie 2 durchgeführt, d. h., eine Puffer­ wirkung der Batterie 2 war nicht gegeben. Da keine Batterie 2 vorhanden ist, fließt auch kein Batteriestrom I, der gesamte Strom I muß vom Generator 5 bereitgestellt werden. Durch den plötzlichen Anstieg des Stromes I im Bordnetz 4, bricht die Spannung U zunächst ein, ein generatorinterner Regler regelt die Spannung U innerhalb von ca. 600 ms wieder auf ihren Soll­ wert hoch.

Das Einschalten des Verbrauchers, hier der Heckscheibenheizung, wird dabei mittels des Spannungssensors 6 und des Stromsensors 10 oder alternativ über ein Signal über einen Datenbus ermit­ telt. Nach dem Einschalten wird der anhand des Spannungssensors 6 und des Stromsensors 10 ermittelte Spannungseinbruch bzw. der Stromverlauf mittels der Überwachungseinheit 8, schaltungstech­ nisch und/oder in Software, bewertet. Aus dem Stromverlauf lässt sich erkennen, wann der Verbraucher eingeschaltet ist. Aus dem zugehörigen Spannungsverlauf wird auf die Pufferwirkung geschlossen. Bricht die Spannung U unter einen vorgegebenen Grenzwert G_U ein, z. B. 12,5 V, so wird hieraus geschlossen, dass die Pufferwirkung der Batterie 2 nicht mehr ausreichend ist.

Weiterhin kann aus der Stromänderung ΔI die Stromaufnahme des Verbrauchers abgeschätzt werden. Ist die Stromänderung ΔI deutlich geringer als der Nennstrom des Verbrauchers, so kann die Batterie 2 nicht mehr ausreichend Strom I liefern. Dabei wird die Erfassung der Spannung U und des Stroms I fortlaufend, insbesondere unmittelbar nach Einschalten der Last innerhalb der Regelzeit des Generators 5, ausgeführt. Für einen Test kann durch ein mehrfaches Ein-/Ausschalten des Verbrauchers sicher­ gestellt werden, dass die Messung nicht von einem zufällig ein­ schaltenden, weiteren Verbraucher überlagert wird und die Mes­ sung falsche Aussagen liefert.

Wie vorstehend bereits näher erläutert kann anhand der Span­ nungsänderung ΔU und der Stromänderung ΔI der dynamische In­ nenwiderstand bestimmt werden. Die Bestimmung des Quotienten ΔU/ΔI erfolgt, wie oben bereits dargelegt, ab einer wesentli­ chen Strom- und Spannungsänderung, z. B. von ΔU = 1 V oder von ΔI = 5A, im Bordnetz 4. Dabei wird mittels der Überwachungsein­ heit 8 der Quotient aus Spannungsänderung ΔU und der Stromän­ derung ΔI auf einen vorgegebenen Grenzwert G_R überwacht. Je kleiner der Quotient aus ΔU/ΔI ist, desto besser ist die Puf­ ferwirkung der Batterie 2. Hierzu wird der Grenzwert G_R, insbe­ sondere ein Minimalwert, auf Überschreitung überwacht.

In den Fig. 6A und 6B ist die gleiche Messung, wie nach Fig. 5A und 5B, aber mit einer defekten, d. h. nur begrenzt pufferfähigen, Batterie 2 ausgeführt worden. Zunächst wird die Batterie 2 bis zum Zeitpunkt t = 10,25 s geladen, danach wird die Heckscheibenheizung eingeschaltet. Der Strom I wird nega­ tiv. Dabei wird nicht der gesamte, zum Betrieb der Heckschei­ benheizung erforderliche Strom I aus der Batterie 2 entnommen. Der Stromsprung im Batteriestrom I nach Einschalten der Heck­ scheibenheizung oder der Last ist geringer als der eigentliche Strom (Nennstrom) der Heckscheibenheizung. Dadurch bricht die Spannung U am Generator 5 weitgehend, d. h. bis auf U = 12.5 Volt, ein. Der Generator 5 regelt die Spannung U mit einer ent­ sprechenden Zeitkonstante wieder nach. Hierbei kann mittels der Überwachungseinheit 8 die hohe Spannungswelligkeit UW oder der geringere Stromsprung und der hohe Spannungseinbruch als Kriterium für eine schlechte Pufferwirkung der Batterie 2 he­ rangezogen werden.

In den Fig. 7A und 7B ist die Strom-Spannungs-Kennlinie für die gleiche Messung wie nach den Fig. 6A und 6B, aber mit einer gegenüber der betreffenden Batterie pufferfähigeren Bat­ terie 2 dargestellt. Zunächst wird die Batterie 2 bis zum Zeit­ punkt t = 9,5 s geladen, danach wird die Heckscheibenheizung eingeschaltet. Der Strom I wird negativ. Dabei wird gegenüber der Fig. 6B mehr Strom I zum Betrieb der Heckscheibenheizung aus der Batterie 2 entnommen. Dadurch bricht die Spannung U am Generator 5 geringer, d. h. bis auf U = 13,25 Volt, ein. Der Gene­ rator 5 regelt die Spannung mit der entsprechenden Zeitkonstan­ te wieder nach. Auch hier kann mittels der Überwachungseinheit 8 die hohe Spannungswelligkeit UW oder der geringere Strom­ sprung und der hohe Spannungseinbruch als Kriterium für eine schlechte Pufferwirkung herangezogen werden.

Demgegenüber ist in den Fig. 8A und 8B die Strom-Spannungs- Kennlinie für die gleiche Messung mit einer voll pufferfähigen Batterie 2 dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Spannungswelligkeit UW gegenüber den Fig. 5A, 5B bis 7A, 7B wesentlich geringer ist. Zunächst wird die Batterie 2 bis zum Zeitpunkt t = 6,6 s geladen, danach wird die Heckscheibenhei­ zung eingeschaltet. Der Strom I wird negativ, es kann nahezu der gesamte Strom I für die Heckscheibenheizung aus der Batte­ rie 2 entnommen werden. Dadurch bricht die Spannung U am Gene­ rator nur um ca. 150-200 mv ein. Mittels der Überwachungsein­ heit 8 wird anhand der geringeren Spannungswelligkeit UW eine weitgehend gute Pufferwirkung der Batterie 2 ermittelt.

In den Fig. 9A-C bis 11A-C sind die Strom-Spannungs- Kennlinie sowie die Kennlinie für den dynamischen Innenwider­ stand Ri an einer tiefentladenen Batterie 2, welche aufgetaut wird, dargestellt. In den Fig. 9A bis 9C ist die Batterie 2 noch stark gefroren, sie nimmt keine Ladung auf, d. h. der Strom I = 0. Mittels der Überwachungseinheit 8 wird in diesem Zustand insbesondere der dynamische Innenwiderstand Ri überwacht, der mit Ri größer 1 Ω sehr hoch ist. Somit hat die Batterie 2 kei­ ne Pufferwirkung. Die Fig. 10A bis 10C zeigen die Kennlinien für dieselbe Batterie 2 nach ca. 18.6 h des Auftauens. Dabei nimmt die Batterie 2 Strom I auf. Der dynamische Innenwider­ stand Ri ist auf einen Wert zwischen 250 bis 350 mΩ gesunken. Somit wird mittels der Überwachung des dynamischen Innenwider­ stands Ri anhand der Überwachungseinheit 8 eine Pufferwirkung identifiziert, da der dynamische Innenwiderstand Ri den zugehö­ rigen Grenzwert G_R unterschritten hat. Nachdem die Batterie 7 Minuten lang geladen worden ist, sinkt der dynamische Innenwi­ derstand Ri auf einen Wert unterhalb von 250 mΩ. Die zugehöri­ gen Kennlinien sind in den Fig. 11A bis 11C dargestellt.

In den Fig. 11A bis 11C sind die Strom-Spannungs-Kennlinie und die Kennlinie für den dynamischen Innenwiderstand Ri einer vollgeladenen Batterie 2 mit einer maximalen Pufferwirkung dar­ gestellt. Der dynamische Innenwiderstand Ri ist auf einen Wert von 10 bis 20 mΩ gesunken.

Je nach Art und Ausführung der Anordnung 1 können zur Bestim­ mung der Pufferwirkung der Batterie 2 die Spannungswelligkeit UW oder der Spannungseinbruch getrennt oder kombiniert über­ wacht werden. Desweiteren sind weitere, beliebige Kombinationen der Überwachung von Stromwelligkeit IW, Stromeinbruch I, Span­ nungseinbruch U und/oder vom dynamischen Innenwiderstand Ri auf Einhaltung von Grenzwerten G möglich.

Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung für eine möglichst einfache und sichere Erkennung der Funktionsfähigkeit einer Batterie ein Verfahren zur Bestimmung der Pufferwirkung der Batterie (2) zur Bereitstellung einer Spannung (U) für ein Bordnetz (4), insbesondere eines Fahrzeugs, bei dem eine Span­ nungsänderung und eine Stromänderung zyklisch erfasst werden, der dynamische Innenwiderstand der Batterie anhand des Quotien­ ten aus der Spannungsänderung und der Stromänderung bestimmt wird, der bestimmte dynamische Innenwiderstand auf Überschrei­ tung eines vorgebbaren Grenzwerts überwacht wird und eine Aus­ sage über die Pufferwirkung der Batterie getroffen und ausgege­ ben wird. Dabei ist die Pufferwirkung der Batterie um so bes­ ser, je kleiner der Quotient aus Spannungsänderung und Stromän­ derung ist.

Claims (16)

1. Verfahren zur Bestimmung der Pufferwirkung einer Batterie (2) zur Bereitstellung einer Spannung (U) für ein Bordnetz (4), insbesondere eines Fahrzeugs, gekennzeichnet durch die Schritte
zyklisches Erfassen einer Spannungsänderung (ΔU) und einer Stromänderung (ΔI),
Bestimmen des dynamischen Innenwiderstands (Ri) der Batterie (2) anhand des Quotienten aus der Spannungsänderung (ΔU) und der Stromänderung (ΔI),
Überwachen des bestimmten dynamischen Innenwiderstands (Ri) auf Überschreitung eines vorgebbaren Grenzwerts (G_R) durch eine Überwachungseinrichtung (8) und
Treffen einer Aussage über die Pufferwirkung der Batterie (2) und Ausgeben dieser Aussage über die Pufferwirkung der Batterie (2), wobei die Pufferwirkung der Batterie (2) um so besser ist, je kleiner der Quotient aus Spannungsänderung (ΔU) und Strom­ änderung (ΔI) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Grenzwert (G_R) ein Minimalwert bzw. Maximalwert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der erfassten Spannungsänderung und Stromänderung vor der Bestimmung des dynamischen Innenwiderstands (Ri) gefiltert und durch die Überwachungseinrichtung (8) nach Extremwerten, d. h. relativen Minima und relativen Maxima, durchsucht werden, bei denen eine Bestimmung des dynamischen Innenwiderstands (Ri) durchgeführt wird, wenn vorgegebene Randbedingungen erfüllt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erfaßten Strom- und/oder Spannungsänderungen durch mehrere parallele Filter mit unterschiedlichen Zeitkonstanten bearbei­ tet werden und der Vergleich der Ausgangssignale der Filter als Freigabesignal für die Berechnung des Innenwiderstands genutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Entscheidungskriterien beim Vergleich der Ausgangssignale der Filter abhängig vom Bordnetzzustand (Laden der Batterie, Entla­ den der Batterie, Übergangszustand) und/oder von der Höhe der Strom- oder Spannungsänderung ist.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem relativen Fehler der Widerstandsbestimmung eine Wertig­ keit abgeleitet wird, die durch 100 dividiert und auf 1 be­ grenzt einen Wichtungsfaktor für den dynamischen Innenwider­ stand Ri ergibt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein neuer, gefilterter Wert des dynamischen Innenwiderstands (Ri) aus bereits vorher gespeicherten, alten Werten für den dy­ namischen Innenwiderstand (Ri) und dem entsprechend dem Wich­ tungsfaktor gewichteten, neue bestimmten Wert für den dynami­ schen Innenwiderstand (Ri) bei aufgefundenen Grenzwert bestimmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für eine schnelle Beurteilung des dynamischen Innenwiderstands nur die letzten 20 berechneten Werte des dynamischen Innenwi­ derstands ausgewertet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussage über die Pufferwirkung der Batterie (2) immer dann aktualisiert wird, wenn ein neuer dynamischer Innenwiderstand Ri ermittelt wurde.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den dynamischen Innenwiderstand (Ri) ein oberer und unterer Schwellenwert (Tho, Thu) Sowie zwei Zeitspannen (To, Tu) fest­ gelegt sind, während derer die Schwellen durch den dynamischen Innenwiderstand (Ri) überschritten (To) oder unterschritten (Tu) sein müssen, damit eine Aussage über die Pufferwirkung der Batterie (2) ausgegeben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenwerte und Zeitspannen für verschiedene Bereiche jeweils verschieden gesetzt werden, so dass zwischen einer Schwelle und Zeitspannung für einen kritischen Bordnetzzustand, einer Schwelle und Zeitspanne für eine zusätzliche Maßnahme, z. B. eine Zuschaltung einer zweiten Batterie, und einer Schwel­ le und Zeitspanne für einen Fremdstart unterschieden werden kann.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine Anregung nicht ausreichend für eine aussagekräftige Bestimmung des dynamischen Innenwiderstands (Ri) ist, durch ei­ ne gezielte Ansteuerung eines Verbrauchers, zusätzliche Grenz­ werte erzeugt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbraucher eine heizbare Heckscheibe angesteuert wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt Ausgeben einer Warnmeldung (M) bei Überschreiten des Grenzwerts (G_R).

15. Anordnung zur Bestimmung der Pufferwirkung einer Batterie (2) zur Bereitstellung einer Spannung (U) für ein Bordnetz (4), insbesondere eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (6, 10) zur Erfassung und Bestimmung der Spannung und des Stroms sowie eine Überwachungseinheit (8) zur Bestimmung des dynamischen Innenwiderstands der Batterie (2) anhand des Quotienten aus Spannungsänderung (ΔU) und Stromänderung (ΔI), Überwachung des bestimmten dynamischen Innenwiderstands (Ri) auf Überschreitung eines vorgebbaren Grenzwerts (G_R) und Tref­ fen einer Aussage über die Pufferwirkung der Batterie (2) und Ausgabe dieser Aussage über die Pufferwirkung der Batterie (2) vorgesehen ist.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (8) eine Einrichtung zur gezielten Ansteuerung eines Verbrauchers aufweist, wenn keine ausreichen­ de Anregung zur Ermittlung des dynamischen Innenwiderstands (Ri) vorliegt.