Kondensatoren lassen sich in Fahrzeugen als
Speicherelemente für
elektrische Energie verwenden. Besonders gut eignen sich Doppelschichtkondensatoren
als Energiespeicher, die eine etwa zehnfach höhere Leistungsdichte im Vergleich
zu Bleibatterien besitzen. Da sie aufgrund der elektrostatischen
Energiespeicherung mehr als hunderttausendmal geladen und entladen
werden können,
eignen sie sich auch für
die Rückgewinnung
von Energie beim Abbremsen des Fahrzeugs oder im Schubbetrieb. Kondensatoren
können
auch bei sicherheitsrelevanten elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug zum
Einsatz kommen, z.B. bei einer elektrischen Bremse.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist
die Unterstützung
der Starterbatterie des Fahrzeugs bei niedrigen Außentemperaturen.
Bei herkömmlichen Batterien
besteht das Problem, dass deren Kapazität bei Temperaturen unter dem
Gefrierpunkt stark verringert ist. Um bei widrigen Verhältnissen
dennoch das Fahrzeug starten zu können, kann ein Kondensator
bzw. ein mehrere Kondensatoren umfassendes Modul parallel zu der
Bleibatterie geschaltet werden und diese zumindest einige Sekunden
lang beim Startvorgang unterstützen.
Nach dem Start wird der Kondensator durch den Generator des Fahrzeugs wieder
aufgeladen.
Wenn Kondensatoren als Energiespeicher
in Fahrzeugen verwendet werden, muss ihre Funktionsfähigkeit
auf jeden Fall sichergestellt sein, damit ein Ausfall sicherheitsrelevanter
Bauteile des Fahrzeugs vermieden wird. Es besteht daher das Problem,
defekte oder nicht hinreichend leistungsfähige Speicherkondensatoren
zu identifizieren, bevor es zu Störungen des Fahrbetriebs kommt.
Zur Lösung dieses Problems ist bei
einer Diagnoseschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass sie ein Messmittel zur Erfassung der Kondensatorspannung, ein
Messmittel zur Erfassung des Kondensatorstroms und ein Auswertemittel
für die
sich aufladungs- oder entladungsbedingt ändernden Messwerte zur Bestimmung
des Zustands des Kondensators aufweist.
Erfindungsgemäß werden der Kondensatorstrom
und die Kondensatorspannung erfasst, so dass es auf der Grundlage
dieser sich aufladungs- oder entladungsbedingt über die Zeit ändernden Messwerte
möglich
ist, die Leistungsfähigkeit
und den Zustand des Speicherkondensators zu ermitteln. Wenn durch
die erfindungsgemäße Diagnoseschaltung
ein defekter oder nicht vollständig
einsatzfähiger Speicherkondensator
ermittelt worden ist, können entsprechende
Vorsorgemaßnahmen
durchgeführt werden,
um einen plötzlichen
Ausfall von sicherheitsrelevanten Fahrzeugkomponenten zu vermeiden.
Erfindungsgemäß kann bei der Diagnoseschaltung
vorgesehen sein, dass zur Bestimmung des Kondensatorzustands ein
parallel zu dem Kondensator geschalteter, einen Stromsprung und
einen Spannungseinbruch verursachender, Test- oder Nutzverbraucher
einschaltbar ist. Hierdurch erreicht man eine gezielte, definierte
Entladung des Kondensators. Wenn der Zustand des Kondensators festgestellt
werden soll, kann der ein- und ausschaltbare Testverbraucher eingeschaltet
werden, der parallel zu dem Kondensator geschaltet ist und einen
definierten Stromsprung bewirkt. Dieser Stromsprung kann von dem
Messmittel erfasst werden. Gleichzeitig kommt es zu einem Spannungseinbruch,
der von dem Messmittel zur Erfassung der Kondensatorspannung registriert
wird. Es kann vorgesehen sein, dass anstelle des Testverbrauchers
ein Nutzverbraucher verwendet wird.
Eine besonders störungsfreie Erfassung der Messwerte
wird ermöglicht,
wenn der Kondensator der erfindungsgemäßen Diagnoseschaltung vom Bordnetz
des Fahrzeugs elektrisch entkoppelt ist. Auf diese Weise wird verhindert,
dass Störungen
des Bordnetzes, die z.B. durch den Generator verursacht werden,
auf die Diagnoseschaltung übertragen
werden. Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein,
dass zur Entkopplung des Kondensators vom Bordnetz ein DC/DC-Wandler vorgesehen
ist. Dieser Spannungswandler ist ein elektrisches Entkopplungselement,
das jedoch den Stromfluss in beide Richtungen ermöglicht.
Erfindungsgemäß kann eine Beurteilung des Kondensatorzustands
durchgeführt
werden, indem der Innenwiderstand des Kondensators anhand der erfassten
Messwerte für
die Kondensatorspannung und den Kondensatorstrom durch das Auswertemittel bestimmbar
ist. Da die Spannung und der Strom bereits messtechnisch erfasst
worden sind, kann der Innenwiderstand des Kondensators einfach errechnet werden.
Der Innenwiderstand ist eine charakteristische Größe für den Zustand
des Kondensators, da er dessen Verhalten bei hohen Strömen beeinflusst.
Ein erhöhter
Innenwiderstand kann auch durch Alterungserscheinungen entstehen.
Es ist zweckmäßig, wenn das Auswertemittel der
erfindungsgemäßen Diagnoseschaltung
zum Erfassen der Kondensatorspannung und des Kondensatorstroms während eines
vorgegebenen Messzeitraums ausgebildet ist. Dieser Messzeitraum
kann in der Größenordnung
von einer Sekunde liegen. Er muss lang genug sein, um zu verhindern,
dass das Messergebnis von kurzen elektronischen Störimpulsen
verfälscht
wird.
Mit besonderem Vorteil kann die Kapazität des Kondensators
durch das Auswertemittel anhand der erfassten Messwerte für die Kondensatorspannung
und den Kondensatorstrom sowie anhand des verstrichenen Messzeitraums
bestimmt werden. Die Kapazität
ist ein weiteres sehr wichtiges Kriterium zur Beurteilung des Zustands
des Kondensators. Ein reduzierter Kapazitätswert kann auch durch Alterungserscheinungen
entstehen. Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Kapazität des Kondensators
bei der erfindungs gemäßen Diagnoseschaltung
durch eine Konstantentladung bestimmbar ist. Dabei kann der Kondensator
vollständig
entladen werden, um die Kapazität
sicher zu bestimmen.
Ein besonders großer Vorteil der erfindungsgemäßen Diagnoseschaltung
ist darin zu sehen, dass der Kondensatorzustand durch das Auswertemittel
während
des Fahrbetriebs bestimmbar ist. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche
Zustandsüberwachung
des Kondensators erfolgen, so dass Fehlfunktionen oder potentielle
Störungen
bereits im Vorfeld erfasst werden, um den Fahrer zu warnen oder andere
Sicherheitsmaßnahmen
durchzuführen.
Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Diagnoseschaltung
kann es vorgesehen sein, dass die Selbstentladungsrate des Kondensators
bei stillstehendem Fahrzeug anhand der Leerlaufspannung des Kondensators
ermittelbar ist. Durch physikalische Phänomene bedingt findet bei Kondensatoren
im Laufe der Zeit eine Selbstentladung statt, die durch einen Rückgang der
Leerlaufspannung erkennbar wird. Eine besonders sichere und effektive Überwachung
des Kondensatorzustands ist daher möglich, wenn anhand der ermittelten
Selbstentladungsrate die Restenergie des Kondensators und deren
zeitlicher Verlauf bestimmbar ist. Anhand der Messdaten kann daher
relativ genau vorhergesagt werden, wann der Energievorrat des Kondensators
erschöpft
sein wird, so dass der Kondensator beim nächsten Fahrbetrieb oder beim
Unterschreiten einer Schwelle wieder aufgeladen werden kann.
Es ist besonders zweckmäßig, wenn
bei der erfindungsgemäßen Diagnoseschaltung
das Auswertemittel als Mikrocontroller, das Messmittel zur Erfassung
der Kondensatorspannung als Voltmeter und das Messmittel zur Erfassung
des Kondensatorstroms als Amperemeter ausgebildet ist.
Gemäß einer Variante der erfindungsgemäßen Diagnoseschaltung
kann vorgesehen sein, dass sie in einem Gehäuse des Kondensators angeordnet ist.
Dadurch ergibt sich ein besonders platzsparender Aufbau.
Eine besonders hohe Betriebssicherheit lässt sich
erreichen, wenn beim Über-
oder Unterschreiten eines Schwellwerts des Kondensatorstroms oder
der Kondensatorspannung oder einer der durch das Auswertemittel
bestimmten Zustandsgrößen ein
Warnsignal ausgebbar ist. Wenn eine der gemessenen oder errechneten
Zustandsgrößen Strom,
Spannung, Innenwiderstand, Kapazität, Restenergie oder Selbstentladungsrate
den jeweiligen normalen Wertebereich verlässt und einen Schwellwert über- bzw.
unterschreitet, wird ein Signal an das Fahrzeugwarnsystem oder an
den Fahrer ausgegeben.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung
auch ein Verfahren zur Prüfung
eines in einem Fahrzeug als Energiespeicher verwendeten Kondensators.
Um das Problem der fehlenden Überwachungsmöglichkeit
eines Kondensators zu lösen,
ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Kondensatorspannung und der Kondensatorstrom durch Messmittel
erfasst werden und die erfassten Messwerte zur Bestimmung des Zustands
des Kondensators durch ein Auswertemittel ausgewertet werden. Dadurch
ergibt sich eine on-board-Diagnose von Kondensatorspeichern in Fahrzeugen.
Es ist besonders günstig, wenn
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ein parallel zum Kondensator geschalteter Test- oder Nutzverbraucher eingeschaltet
wird, der einen Stromsprung und einen Spannungseinbruch verursacht.
Erfindungsgemäß kann der Innenwiderstand anhand
der erfassten Messwerte durch das Auswertemittel bestimmt werden.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Messwerterfassung
und die nachfolgende Messwertauswertung sowohl kontinuierlich als
auch intermittierend vorgenommen werden können. Das Prüf- und Diagnoseverfahren
kann mit einer kontinuierlichen Messwerterfassung beginnen, wenn
der Kondensator jedoch keine Auffälligkeiten zeigt, genügt es, das
Prüfverfahren
in gewissen Zeitabständen
durchzuführen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die Kapazität
des Kondensators anhand der erfassten Messwerte für die Kondensatorspannung
und den Kondensatorstrom bestimmt werden. Besonders einfach lässt sich
die Kapazität
durch eine Konstantentladung des Kondensators bestimmen.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein,
dass die Selbstentladungsrate des Kondensators während des Stillstands anhand
der Leerlaufspannung ermittelt wird. Gleichermaßen kann aus diesen Werten
auf die Restenergie geschlossen werden.
Eine besonders hohe Betriebssicherheit
wird erzielt, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beim Über- oder
Unterschreiten eines Schwellwerts einer der Zustandsgrößen ein
Warnsignal ausgegeben wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten
der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel
sowie anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen sind schematische
Darstellungen und zeigen:
1 die
in einem Fahrzeug eingebaute erfindungsgemäße Diagnoseschaltung;
2 den
zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung beim Einschalten eines
Testverbrauchers;
3 den
zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung während einer Konstantentladung;
4 den
zeitlichen Verlauf der Kondensatorsspannung während der Selbstentladung;
und
5 den
zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung während der Entladung mit sich änderndem
Strom.
Die in 1 dargestellte
Diagnoseschaltung zur Prüfung
des in einem Fahrzeug als Energiespeicher verwendeten Kondensators 1 besteht
im Wesentlichen aus einem in Reihe mit dem Kondensator 1 geschalteten
Amperemeter 2, das als Messmittel zur Erfassung des Kondensatorstroms
dient und einem parallel zum Kondensator 1 geschalteten
Voltmeter 3, das als Messmittel zur Erfassung der Kondensatorspannung
dient. Teil der Diagnoseschaltung ist auch ein Mikrocontroller 4,
dessen Verschaltung mit dem Amperemeter 2 und dem Voltmeter 3 nur schematisch
zu verstehen ist. Die erfassten Messwerte des Amperemeters 2 und
des Voltmeters 3 gelangen zum Mikrocontroller 4,
der als Auswertemittel für
die Daten dient. Das Prüf-
und Diagnoseverfahren für
den Kondensator 1 wird von dem Mikrocontroller 4 gesteuert,
der dazu über
in 1 nicht dargestellte Leitungen
mit einem Schalter 5 verbunden ist. Der Schalter 5 ist
in Reihe mit einem Testverbraucher 6 geschaltet, bei dem
es sich um einen Widerstand handeln kann.
Die Diagnoseschaltung ist von dem übrigen Bordnetz über ein
elektrisches Entkopplungselement entkoppelt, das in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
als DC/DC-Wandler 7 ausgebildet ist. Dieser Spannungswandler
verhindert, dass Störimpulse,
die von einem Generator 8 oder einer Starterbatterie 9 erzeugt
werden könnten,
zu der Diagnoseschaltung gelangen. Das Bordnetz umfasst weitere
elektrische Bauteile 10, die durch den DC/DC-Wandler 7 ebenfalls
von der Diagnoseschaltung entkoppelt sind.
Der Kondensator 1, der durch
die Diagnoseschaltung überwacht
wird, dient als Energiespeicher, um sicherheitsrelevante Verbraucher
wie eine elektrische Bremse oder die Starterbatterie 9 zu
puffern. Im Bedarfsfall kann der Kondensator 1 die benötigte Energie
liefern, um z.B. die elektrische Bremse weiter betreiben zu können oder
um den Motor des Fahrzeugs anlassen zu können, obwohl die Starterbatterie 9 alleine
nicht genügend
Energie liefern kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Kondensator 1 auch genutzt
werden, um überschüssige kinetische
Energie des Fahrzeugs zwischen zu speichern, z.B. wenn das Fahrzeug
bremst oder im Schubbetrieb. Auf diese Weise lässt sich eine beträchtliche
Kraftstoffersparnis erzielen. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass der Kondensator
bzw. bei einem mehrere Kondensato ren umfassenden Modul alle Kondensatoren einwandfrei
funktionieren. Es kann jedoch vorkommen, dass sich der Zustand einzelner
Kondensatoren verschlechtert, was in einer geringeren Kapazität oder einem
verschlechterten Innenwiderstand resultiert. Defekte Kondensatoren
neigen auch zu einer hohen Selbstentladung.
Um den Kondensator 1 zu überwachen,
wird durch den Mikrocontroller 4 das Schließen des
Schalters 5 veranlasst. Der Schalter 5 und der
als Testverbraucher dienende Widerstand 6 sind parallel
zum Kondensator 1 geschaltet. Wenn der Schalter 5 geschlossen
wird, kann mit dem Voltmeter 3 ein Spannungseinbruch an
dem Kondensator 1 gemessen werden. Analog kann durch das
Amperemeter 2 ein Stromsprung in der Kondensatorleitung
gemessen werden. Diese Effekte treten auf, da die Diagnoseschaltung
durch den Spannungswandler 7 von dem restlichen Bordnetz
abgekoppelt ist.
Die gemessenen Strom- und Spannungswerte
werden von dem Mikrocontroller 4 ausgewertet. Der Innenwiderstand
des Kondensators 1 kann durch die Formel R = U/I bestimmt
werden. Wenn der Strom konstant ist, ist der Innenwiderstand des
Kondensators direkt proportional zur Kondensatorspannung. Diese
Messungen werden kontinuierlich in bestimmten Messintervallen durchgeführt, z.B.
einmal pro Sekunde. In dem Controller 4 sind Tabellen oder Kennfelder
der normalen Messwerte und Zustandsgrößen abgelegt, so dass die tatsächlich gemessenen
Werte mit den theoretischen Werten verglichen werden können. Falls
zu starke Abweichungen auftreten und ein oberer oder ein unterer
Schwellwert über-
bzw. unterschritten werden, gibt der Mikrocontroller 4 über eine
Signalleitung 11 ein Warnsignal an ein Fahrzeugwarnsystem
oder direkt an den Fahrer.
Nach dem Ende des Prüfzyklus
veranlasst der Mikrocontroller 4 das Öffnen des Schalters 5,
so dass keine weitere Entladung des Kondensators 1 stattfindet.
Es ist nicht erforderlich, dass der Kondensator 1 vollständig entladen
wird, da sich auch bereits aus wenigen Prüfzyklen Schlüsse auf
den Zustand des Kondensators 1 ziehen lassen.
2 zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung beim
Einschalten des Testverbrauchers 6. Zum Zeitpunkt t – 0 weist
die Kondensatorspannung U einen bestimmten konstanten Wert auf.
Da kein Strom fließt,
bleibt die in dem Kondensator gespeicherte Energie konstant. Im
Zeitpunkt t = 1 wird der Schalter 5 geschlossen und in
der Folge entlädt
sich der Kondensator 1 mit einer bestimmten Entladungsrate,
wobei der Strom I näherungsweise
konstant ist. Am Anfang der Entladung kann der Innenwiderstand R;
anhand des Spannungseinbruchs ermittelt werden: Ri = ΔU/I. Im Zeitpunkt
t = 2 wird der Schalter 5 wieder geöffnet und die Entladung des
Kondensators 1 wird gestoppt. Aus den gemessenen Spannungs-
und Stromwerten kann der Innenwiderstand wie beschrieben bestimmt werden.
Nach dem Zeitpunkt t = 2 bleibt die Kondensatorspannung konstant.
3 zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung während einer
Konstantentladung. Der Entladevorgang beginnt im Zeitpunkt t = 3
durch das Schließen
des Schalters 5 analog zum vorigen Beispiel. Die dann beginnende
Entladung des Kondensators 1 wird jedoch nicht durch das Öffnen des
Schalters 5 unterbrochen, so dass der Kondensator 1 seine
gesamte Energie abgibt. Nach dem Ende der Entladung im Zeitpunkt
t = 4 kann die Kapazität
des Kondensators durch die Formel C = U·I/t bestimmt werden. Die
Nennkapazität des
Kondensators 1 kann typischerweise in dem Bereich von 5
F bis 3600 F bei einer Nennspannung von 2,3 V liegen. Um den Kondensator 1 wieder
aufzuladen, kann die Verbindung mit dem Generator 8 bzw. der
Starterbatterie 9 durch den DC/DC-Wandler 7 wieder
hergestellt werden, so dass Strom in die Diagnoseschaltung fließt, um den
Kondensator 1 wieder vollständig aufzuladen.
4 zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung während der
Selbstentladung. Anders als bei den
2 und
3 stellt das Spannung-Zeit-Diagramm
von
4 den Zustand bei
stehendem Fahrzeug dar, wenn dem Kondensator
1 keine Energie
von dem Generator
8 oder der Starterbatterie
9 zugeführt wird.
Bedingt durch physikalische Effekte kommt es dann zu einer Selbstentladung,
deren Spannungsverlauf durch die Kurve von
4 wiedergegeben wird. In diesem Zustand
ist der Schalter
5 geöffnet,
das heißt
der Rückgang
der Leerlaufspannung ist nicht auf einen Testverbraucher sondern
vollständig
auf die Selbstentladung des Kondensators zurückzuführen. Die Leerlaufspannung sinkt
exponentiell und kann von dem Mikrocontroller
4 erfasst
werden. Bei bekannter Kapazität
C kann die in dem Kondensator enthaltene Restenergie durch die Formel
ermittelt werden. Ebenso
kann der Mikrocontroller
4 die Selbstentladungsrate, das
heißt
die Änderung
der Spannung pro Zeiteinheit, erfassen und daraus Rückschlüsse auf
den Zustand und die Alterung des Kondensators
1 ziehen.
Wenn mehrere Kondensatoren zu einem Kondensatorenmodul
verschaltet sind, kann ein einziger Mikrocontroller das komplette
Modul überwachen.
Bei auftretenden Unregelmäßigkeiten
ist es jedoch dann nicht ohne weiteres möglich, den defekten Kondensator
zu ermitteln. Daher kann auch jedem Kondensator eine Diagnoseschaltung
zugeordnet sein. Um Platz zu sparen, kann die Diagnoseschaltung
innerhalb eines Gehäuses
des Kondensators angeordnet sein.
5 zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung während der
Entladung mit sich änderndem
Strom (z.B. bei Konstant-Widerstandsentladung)
zwischen den Zeitpunkten t = 5 und t = 6.
Der Entladevorgang beginnt zum Zeitpunkt
t = 5. Zu Beginn der Entladung kann der Innenwiderstand R; anhand
des Spannungseinbruchs ermittelt werden:
.
Nach dem Ende der Entladung im Zeitpunkt t
= 6 kann die Kapazität
des Kondensators durch die Formel
ermittelt werden. Die Kapazität entspricht
der gestrichelten Fläche
unterhalb der Kurve.
