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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zum Überwachen
des Zustands einer Starter-Batterie. Unter einer Starter-Batterie
ist eine Batterie für
einen elektrischen Startermotor für eine Verbrennungskraftmaschine
zu verstehen, also insbesondere eine Kraftfahrzeug-Batterie, aber
z.B. auch eine Batterie für
ein Kleinflugzeug oder ein Motorboot.
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Mit einer neuen Kraftfahrzeug-Batterie
gelingt der Startvorgang eines Kraftfahrzeugs, bei dem ein großer Strom
durch den Anlassermotor fließt,
in der Regel problemlos. Mit fortschreitendem Alter der Batterie
können
ungünstige
Umstände,
vor allem ein relativ niedriger Ladezustand der Batterie oder niedrige
Außentemperaturen,
dazu führen,
dass der Motor des Kraftfahrzeugs bei dem Versuch, ihn zu starten,
nicht anspringt. Für
den Fahrer kommt dies häufig überraschend,
weil er zuvor keine klaren Anzeichen für die zu erwartenden Probleme
hatte.
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Laut Statistik ist die Elektrik der
Teil von Fahrzeugen, der am häufigsten
zu Pannen und Betriebsstörungen
führt.
Die Starterbatterie ist dabei der schwächste Teil der Autoelektrik.
Nach Auskunft der Batterieindustrie ist eine durchgreifende Verbesserung
von Fahrzeugbatterien in absehbarer Zeit nicht zu erwarten.
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In den meisten heutigen Autos gibt
es die Ladekontrolle in Form einer Lampe, die rot leuchtet, wenn
die Aufladung der Batterie durch den bordeigenen Stromgenerator
versagt. Die Funktion dieser Lampe sagt nichts aus über den
Zustand der Starterbatterie, insbesondere nichts über die
Füllung
der einzelnen Batteriezellen mit Elektrolyt oder über die ordnungsgemäß leitfähige Verkabelung
der Batterie.
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In manchen meist größeren Fahrzeugen/Flugzeugen
gibt es eine Anzeige der Batteriespannung. Auch diese analoge oder
digitale Anzeige kann keine verlässliche
Aussage liefern über
den Allgemeinzustand der Batterie, denn auch Batterien mit stark
herabgesetzter Leistungsfähigkeit
können
im Ruhezustand eine Spannung nahe der Sollspannung aufweisen.
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Derzeit ist eine verlässliche
Aussage über den
Allgemeinzustand einer Fahrzeugbatterie nur durch zwei Maßnahmen
zu erreichen, nämlich
durch Vermessung der Dichte des Elektrolyts in jeder Zelle (z.B.
mit dem bekannten Gummiball-Säureheber) oder
durch einen Belastungstest auf dem Batterieprüfstand. Diese Maßnahmen
eignen sich jedoch allenfalls für
Inspektionen in der Werkstatt; sie schützen den Fahrer nicht vor der Überraschung
durch den Ausfall der Starter-Batterie.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf
ab, die im Alltagsbetrieb besonders unangenehmen und häufig kostspieligen, überraschend
auftretenden Ausfälle
von Starterbatterien auszuschließen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
eine einfache und kostengünstige
Möglichkeit
zum Überwachen
des Zustands einer Starter-Batterie
zu schaffen, die eine zuverlässige
Einschätzung
für das
Verhalten der Batterie beim Startvorgang erlaubt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein Verfahren zum Überwachen
des Zustands einer Starter-Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11 zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Überwachen
des Zustands einer Starter-Batterie (z.B. eines Blei-Akkumulators)
wird mindestens eine elektrische Kenngröße der Batterie unter Belastung gemessen.
Der Messwert wird in einer Prozessoreinrichtung mit einem jeweiligen
Sollwert verglichen. Vorzugsweise werden als elektrische Kenngrößen der
Batterie die Klemmenspannung und/oder der gelieferte Strom gemessen.
Die Messung unter Belastung wird vorzugsweise während eines Startvorgangs durchgeführt.
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Im Gegensatz zu einer einfachen Überwachung
der Klemmenspannung der Batterie im Ruhezustand (oder bei nur geringer
Leistungsentnahme) ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
eine realistische Einschätzung
des zukünftigen
Verhaltens der Batterie bei starker Belastung, insbesondere während des
Startvorgangs. Denn das Altern der Batterie macht sich z.B. in einer
allmählichen
Zunahme ihres Innenwiderstands bemerkbar, so dass bei der großen Belastung
während
eines Startvorgangs die Klemmenspannung stärker abfällt als bei einer neuen Batterie
und insgesamt weniger Strom für
den Anlassermotor zur Verfügung
steht. Beim Vergleich des jeweiligen Messwerts der elektrischen
Kenngröße (also
z.B. der gemessenen Klemmenspannung oder des gemessenen Stroms)
mit dem jeweiligen Sollwert (d.h. einem jeweils zugeordneten Sollwert) für die entsprechende
elektrische Kenngröße (also z.B.
mit der Klemmenspannung oder dem beim Startvorgang gelieferten Strom
einer neuen Batterie) erfasst die Prozessoreinrichtung, wenn die Leistungsfähigkeit
der Batterie absinkt und kann so rechtzeitig ein Warnsignal erzeugen.
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Vorzugsweise wird mindestens eine
elektrische Kenngröße der Batterie
auch vor und/oder nach dem Startvorgang gemessen und in der Prozessoreinrichtung
mit einem jeweiligen Sollwert (z.B. dem Messwert für eine neue
Batterie in der jeweiligen Situation) verglichen. Auf diese Weise
lässt sich
ein noch umfassenderes Bild vom Zustand der Batterie gewinnen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erzeugt die Prozessoreinrichtung beim Vergleich der
Messwerte der mindestens einen elektrischen Kenngröße mit den
Sollwerten ein Warnsignal, wenn einer oder mehrere der Messwerte
um mehr als eine jeweilige vorgegebene Grenzabweichung von dem jeweiligen
Sollwert für
einen neue Batterie abweicht. Die Grenzabweichung kann z.B. so festgelegt
sein, dass das Warnsignal erzeugt wird, wenn die Klemmenspannung
oder der beim Startvorgang gelieferte Strom unterhalb von Grenzwerten
liegen, die 80% der Klemmenspannung einer neuen Batterie bei Belastung
durch den Startvorgang bzw. 80% des von einer neuen Batterie unter
diesen Bedingungen gelieferten Stroms betragen; bei diesem Beispiel
beläuft
sich die Grenzabweichung für
die Klemmenspannung und den gelieferten Strom also jeweils auf 20%
des zugeordneten Sollwerts für
eine neue Batterie.
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Das Warnsignal wird vorzugsweise
an eine Anzeigeeinrichtung angelegt, die am Armaturenbrett eines
Kraftfahrzeugs oder auch einer anderen, für den Fahrer leicht erfassbaren
Stelle angeordnet sein kann. Die Anzeigeeinrichtung kann z.B. eine
analog oder digital, auch farblich, kodierte Warnung oder eine akustische
Warnung anzeigen bzw. auslösen. Auch
Kombinationen derartiger Warnanzeigen sind denkbar. Der Fahrer wird
so in leicht erkennbarer Weise darauf hingewiesen, dass die elektrischen Kenngrößen der
Batterie sich beträchtlich
verschlechtert haben. Wenn die Grenzabweichungen sinnvoll festgelegt
sind, wird das Warnsignal so rechtzeitig abgegeben, dass noch ein
weiterer Startvorgang oder auch mehrere weitere Startvorgänge möglich sind.
Aber der Fahrer weiß Bescheid,
dass er ab sofort auf einen ausreichenden Ladezustand der Batterie
oder eine genügend
hohe Umgebungstemperatur achten muss und die Batterie gegebenenfalls in
näherer
Zukunft erneuert werden sollte.
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Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Sollwerte für eine neue
Batterie festzulegen. Wenn es sich bei einem Kraftfahrzeug um ein
Neufahrzeug mit neuer Batterie handelt, können die Sollwerte für eine neue Batterie
aufgrund von Vorgaben in der Prozessoreinrichtung abgespeichert
werden, insbesondere aufgrund von Angaben des Kraftfahrzeugherstellers,
der das Verhalten des Anlassermotors kennt und daher geeignete Sollwerte
vorgeben kann. Vorzugsweise werden diese Sollwerte bereits bei der
Produktion der Prozessoreinrichtung abgespeichert.
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Bei einer anderen Möglichkeit
werden die Sollwerte für
eine neue Batterie anlässlich
des Einbaus einer neuen Batterie, z.B. in ein Kraftfahrzeug, durch
Kalibrierungsmessung ermittelt und in der Prozessoreinrichtung abgespeichert.
Vorzugsweise wird die Kalibrierungsmessung halbautomatisch oder
automatisch durchgeführt.
In diesem Fall werden also z.B. die Klemmenspannung der neuen Batterie
beim Startvorgang und der dabei gelieferte Strom gemessen und als
Sollwerte verwendet. Das Eingeben in die Prozessoreinrichtung kann
z.B. über
eine geeignete Schnittstelle mit Hilfe eines Zusatzgerätes erfolgen.
Diese Variante eignet sich besonders, wenn eine Vorrichtung zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zusammen mit einer neuen Batterie in ein Kraftfahrzeug eingebaut
wird, da in diesem Fall die Vorrichtung die Vorgaben des Kraftfahrzeugherstellers
in der Regel nicht kennt. Es ist auch denkbar, die Vorrichtung nachträglich in
ein Kraftfahrzeug einzubauen, dessen Batterie nicht erneuert wird. Dann
sollten die Grenzabweichungen anders gewählt werden, um zu berücksichtigen,
dass die Leistungsfähigkeit
der vorhandenen älteren
Batterie bereits nachgelassen hat.
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Die jeweiligen Grenzabweichungen
lassen sich als vorgegebene werte in die Prozessoreinrichtung eingeben.
Es ist aber auch möglich,
dass die Prozessoreinrichtung mindestens eine Grenzabweichung aus
dem jeweiligen Sollwert für
eine neue Batterie errechnet und abspeichert. In dem oben angegebenen
Beispiel, bei dem die Grenzabweichung 20% der Klemmenspannung beim
Startvorgang bzw. 20% des dabei gelieferten Stroms beträgt, erfolgt dies
durch Multiplikation des Sollwerts für die Klemmenspannung bzw.
den Strom mit dem Faktor 0,2.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich mit
kostengünstigen
Komponenten (Prozessoreinrichtung, Messgeräte für die elektrischen Kenngrößen, Anzeigeeinrichtung)
durchführen.
Die Prozessoreinrichtung bietet zudem die Möglichkeit, auch elektrische
Kenngrößen der
Batterie, die vor und/oder nach dem Startvorgang gemessen werden, zu
verarbeiten und auszuwerten. Ferner lassen sich z.B. die Abweichungen
der Messwerte von den jeweiligen Sollwerten auch so kombinieren,
dass ein Warnsignal nur bei bestimmten vorgegebenen Kombinationen
von Abweichungen ausgegeben wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung speichert die Prozessoreinrichtung die zeitliche Entwicklung
des Zustands der Batterie, basierend auf den Messwerten mindestens
einer elektrischen Kenngröße. Auf
diese Weise lässt
sich das Altern der Batterie im Laufe der Zeit verfolgen. Dabei
ist es sinnvoll, Fluktuationen des Ladezustands während der
einzelnen Startvorgänge,
die sich in zeitlich eng beieinanderliegenden Fluktuationen der
jeweiligen Messwerte widerspiegeln, herauszumitteln, was ebenfalls
von der Prozessoreinrichtung durchgeführt werden kann. Der abgespeicherte
Entwicklungsverlauf lässt
sich je nach Ausführungsform
z.B. über
die Anzeigeeinrichtung für
das Warnsignal (und somit für den
Fahrer sichtbar) oder über
eine Schnittstelle an der Prozessoreinrichtung (und somit für Wartungspersonal
zugänglich)
ausgeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des
erläuterten
Verfahrens hat die dafür
benötigten
Komponenten, also eine Prozessoreinrichtung, Einrichtungen zum Messen
der elektrischen Kenngrößen der
Batterie (sofern die Messwerte nicht bereits durch andere Einrichtungen
des Kraftfahrzeugs (oder Flugzeugs, usw.) zur Verfügung gestellt
werden), gegebenenfalls eine Anzeigeeinrichtung, usw., wie für den Fachmann
aus den vorgehenden Ausführungen
ersichtlich.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispiels
weiter beschrieben. Die Zeichnung zeigt in
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
und ihrer Anordnung in einem Kraftfahrzeug.
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In 1 ist
in schematischer Weise eine Vorrichtung 1 zum Durchführen eines
Verfahrens zum Überwachen
des Zustands einer Starter-Batterie und ihre elektrische Anordnung
in einem Kraftfahrzeug dargestellt.
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Das Kraftfahrzeug enthält eine
Batterie 2, die mit einem Shuntwiderstand 4 zur
Begrenzung des Anlasserstroms und ein Starterrelais 6 mit
einem Anlasser 8 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Batterie 2 ein
Blei-Akkumulator, aber andere Ausführungsformen für die Batterie
sind ebenfalls denkbar.
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Die Vorrichtung 1 weist
eine Prozessoreinrichtung 10 mit einem Gehäuse, einem
Mikroprozessor, einer Speichereinheit und einer Schnittstelle für die Eingabe
und Ausgabe von Daten auf, die in 1 im
Einzelnen nicht dargestellt sind. Mit der Prozessoreinrichtung 10 ist
eine Anzeigeeinrichtung 12 verbunden, die eine akustische
und eine optische Warnung abgeben kann und sich im Ausführungsbeispiel am
Armaturenbrett des Kraftfahrzeugs befindet.
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Die Klemmenspannung der Batterie 2 wird der
Prozessoreinrichtung 10 über eine Leitung 14 zugeführt, so
dass sie von einer in dem Gehäuse
der Prozessoreinrichtung 10 angeordneten Messeinrichtung
erfasst werden kann. Mit Hilfe einer Leitung 16 wird ein
geringer Teil des durch den Shunt-Widerstand 4 fließenden Stroms
abgezweigt, so dass er von einer Messeinrichtung in der Prozessoreinrichtung 10 gemessen
werden kann; der zugehörige Messwert
ist also ein Maß für den von
der Batterie 2 gelieferten Strom.
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Wenn der Fahrer des Kraftfahrzeugs
beim Startvorgang mit Hilfe des Zündschlüssels das Starterrelais 6 betätigt, wird
die Prozessoreinrichtung 10 über eine Leitung 18 aktiviert.
Daraufhin werden über die
Leitungen 14 und 16 die Klemmenspannung bzw. der
von der Batterie 2 gelieferte Strom gemessen. Die Prozessoreinrichtung 10 vergleicht
diese Messwerte mit Sollwerten, die in die Prozessoreinrichtung 10 eingespeichert
sind. Wenn im Ausführungsbeispiel
der aktuelle Messwert für
die Klemmenspannung oder der aktuelle Messwert für den Strom (oder beide Messwerte)
unterhalb von 80% des jeweiligen Sollwerts für eine neue Batterie liegen,
liefert die Prozessoreinrichtung 10 ein Warnsignal an die
Anzeigeeinrichtung 12. Im Ausführungsbeispiel gibt die Anzeigeeinrichtung 12 daraufhin
für 10
Sekunden einen Piepton ab, und eine Kontrollleuchte geht solange
an, wie die Zündung
des Kraftfahrzeugs eingeschaltet ist. Der Fahrer wird dadurch gewarnt,
dass sich die Batterie in relativ schlechtem Zustand befindet und weitere
Maßnahmen
erforderlich sind.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Sollwerte
für die
Klemmenspannung und den Stromwert beim Startvorgang nach Angaben
des Fahrzeugherstellers über
die erwähnte
Schnittstelle in der Prozessoreinrichtung 10 eingespeichert,
was z.B. vom Hersteller der Vorrichtung 1 durchgeführt werden
kann.
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Die Vorrichtung 1 erlaubt
zahlreiche Varianten für
die Überwachung
des Zustands der Batterie 2. So können z.B. auch die Klemmenspannung
der Batterie 2 oder der gelieferte Strom bei gerin ger Belastung
gemessen und mit Sollwerten für
die jeweilige Situation verglichen werden. Oder die zeitliche Entwicklung
des Zustands der Batterie 2 kann mit Hilfe der erfassten
Messwerte in der Prozessoreinrichtung 10 abgespeichert
werden. Diese und weitere Möglichkeiten
sind bereits oben erläutert.