Zu
einer zuverlässigen
Batteriezustandserkennung ist die Messung von drei relevanten Parametern
nötig.
Es sind dies der Strom, der von der Batterie geliefert wird oder
der bei der Batterieladung in die Batterie hineinfließt, die
anliegende Spannung sowie die herrschende Temperatur. Die Messung
des Stromes ist besonders aufwändig,
da üblicherweise ein
Shunt in den Stromkreis eingebracht werden muss. Dieser Shunt sollte
einerseits ein möglichst
hohes Signal liefern, also einen hohen Widerstand aufweisen und
andererseits eine möglichst
geringe Leistungsaufnahme, also einen geringen Widerstand haben.
Dies führt
zu einem nur schwer zu lösenden Zielkonflikt,
da einerseits ein hoher Widerstand und andererseits ein geringer
Widerstand wünschenswert
wäre. Besonders
in Fahrzeugbordnetzen mit einer Batteriezustandserkennung sollte
eine Strommessung mittels Shunt möglichst vermieden werden.
Dennoch
werden derzeit in Fahrzeugbordnetzen mit einer Batteriezustandserkennung
Shunts mit einigen Milliohm zwischen der Batterie und einer Vorsicherungsbox
platziert. Dies führt
zu erheblichen Problemen bezüglich
der elektromagnetischen Verträglichkeit,
da Signale im Mikrovoltbereich ausgewertet werden müssen. Für diese
Auswertung wird im übrigen
eine komplexe Auswerteelektronik benötigt.
Die
Vorsicherungsbox wird zur Absicherung des elektrischen Bordnetzes
zwischen die Batterie und die Verbraucher des Bordnetzes geschaltet,
wobei sie möglichst
dicht an der Batterie eingesetzt wird. Im Fall von Kurzschlüssen gewährleisten
die üblicherweise
als Schmelzsicherungen ausgestalteten Sicherungen der Vorsicherungsbox
das Abschalten des betroffenen Stromkreises, um beispielsweise die
Brandgefahr zu minimieren. Die Absicherungsstrategie greift dabei
nur dann, wenn der Strom im Fehlerfall die Gesamtstromtragfähigkeit,
also den Nennwert der Schmelzsicherung überschreitet. Es sind jedoch
auch Fehler möglich,
in denen der Fehlerstrom weit unter dem Nennwert des Stromkreises liegt,
beispielsweise wenn bei Keramikkondensatoren Kurzschlüsse auftreten.
In einem solchen Fall kann ein Bauteil zerstört werden, ohne dass die Schmelzsicherung
abschaltet. Dadurch sind auch Folgeschäden nicht auszuschließen.
Aus
dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von weiteren Lösungen bekannt,
bei denen gezeigt wird, wie Verbraucher mit Hilfe von Sicherungen
an die Fahrzeugbatterie angeschlossen werden und teilweise zusätzlich noch
Mittel zur Strommessung vorhanden sind. So ist beispielsweise aus
der
DE-OS 101 25 828 ein
Verpolschutz für
eine Fahrzeugbatterie bekannt, bei dem die Bordnetzverbraucher über Sicherungen,
die direkt mit der Batterie in Verbindung stehen, versorgt werden.
Weiterhin sind Mittel zur Strommessung vorhanden, die erkennen,
wenn ein zu hoher Strom fließt.
Es wird dann mit Hilfe einer Elektronik ein Schalter geöffnet und
ein Kurzschluss vermieden.
Aus
der
DE-OS 199 41 699 ist
eine Spannungsversorgung für
elektrische Verbraucher in einem Fahrzeugbordnetz bekannt, bei der
zwischen der Batterie und den Verbrauchern eine Halbleitersicherung
liegt. Diese Halbleitersicherung umfasst Mittel zur Strommessung
sowie einen Mikroprozessor, der entsprechend einer im Mikroprozessor
definierten Sicherungscharakteristik den Halbleiterschalter bei
Bedarf abschaltet. Der Halbleiterschalter mit kurzschlussfestem
Bypass kann als E-Polyswitch ausgestaltet sein, und mit einer Strombegrenzung und
Wake-Up-Schaltung ausgestattet sein und einen Überlastschutz gewährleisten.
In
der nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldung DE-P 102 48 679 wird ein Fahrzeugbordnetz mit Batteriezustandserkennung
beschrieben, bei dem eine schraub- oder steckbare Vorsicherungsbox mit
dem Pluspol der Batterie in Verbindung steht. Diese Vorsicherungsbox
dient zur Energieverteilung und Absicherung von Leitungen und Verbrauchern
im Fahrzeugbordnetz. Sie beinhaltet eine Vielzahl von Sicherungen, beispielsweise
von Schmelzsicherungen. Zur Batteriezustandserkennung wird der Batteriestrom,
die Batteriespannung und die Batterietemperatur gemessen und mit
Hilfe einer Steuereinrichtung weiter verarbeitet. Die Strommessung
erfolgt mit Hilfe eines eigenen Stromsensors, der außerhalb
der Sicherungsbox angeordnet ist.
Vorteile der
Erfindung
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Strommessung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber den
bekannten Vorrichtungen zur Strommessung den Vorteil, dass der von
der Batterie gelieferte Strom sehr kostengünstig und doch zuverlässig gemessen
werden kann. Außerdem
tritt kein zusätzlicher
Spannungsabfall wie bei herkömmlichen Systemen
mit Zusatzshunt auf. Erzielt wird dieser Vorteil mit der Vorrichtung
zur Strommessung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei ist wesentlich, dass
die Strommessung durch Auswertung des Spannungsabfalls an den ohnehin
vorhandenen Sicherungen bzw. an wenigstens einer der ohnehin vorhandenen
Sicherungen erfolgt.
Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen.
Dabei
wird die Ermittlung des Spannungsabfalls in vorteilhafter Weise
in der Sicherungsbox selbst durchgeführt, wobei es besonders vorteilhaft ist,
wenn die Sicherungen als Schmelzsicherungen in der Sicherungsbox
ausgestaltet sind und die Messabgriffe in der Sicherungsbox liegen,
dann kann das vorhandene Housing bzw. das Gehäuse sowie vorhandene Messelemente
mitverwendet werden.
Bei
bestimmten Systemen kann es vorteilhaft sein, nur an vorgebbaren
Sicherungen den Spannungsabfall zu ermitteln. Durch geeignete Auswahl
von Sicherungen können
die Sicherungsparameter so ausgewählt werden, dass sich infolge
des Widerstandes ein relativ hohes Messsignal ergibt, das eine komplizierte
Signalauswertung und damit einen hohen Elektronikaufwand vermeidet.
Die Auswahl von Sicherungen kann auch Halbleiterschalter, Polyswitch,
Dioden usw. umfassen, wobei die Auswahl nach den gewünschten
Vorteilen erfolgen sollte.
Der
Messbereich der Einzelmessungen kann in vorteilhafter Weise an den
maximalen Stromfluss im Einzelstromkreis angepasst werden, wobei
eine gewisse Anpassung schon durch die verschiedenen Widerstände der
eingesetzten Sicherungen erreicht wird. Bekanntermaßen hat
eine Sicherung mit hohem Ampere-Wert einen geringeren Widerstandswert
und liefert damit bei gleichem Stromfluss ein geringeres Signal
und umgekehrt.
Wird
der Strom durch alle Sicherungen gemessen ergibt die Summe der gemessenen
Ströme den
gesamten Batteriestrom. Dieser gesamte Batteriestrom kann in Verbindung
mit einer Batteriezustandserkennung in vorteilhafter Weise berücksichtigt
werden. Die Strommessung kann auch selektiv für die einzelnen Stromkreise
erfolgen und die Messergebnisse jeweils anderen Systemen zur Verfügung gestellt
werden. Ergibt die Messung an wenigstens einer Sicherung einen zu
hohen Strom, insbesondere einen Strom, der oberhalb eines technisch
sinnvollen Wertes liegt, kann auf einen Fehler, beispielsweise einen
Kurzschluss im betroffenen Zweig geschlossen werden und bei Vorhandensein
von ansteuerbaren bzw. elektrisch aktivierbaren Schaltern, z.B.
Relais, Halbleiterschalter usw. diese betätigt werden und so der Kurzschluss
vom übrigen
Bordnetz abgetrennt werden. Zusätzlich
kann dann vorteilhafter Weise eine Anzeige ausgelöst werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass auch
das Abschmelzen einer Sicherung detektiert werden kann.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Im Einzelnen zeigt 1 ein
Spannungsversorgungssystem mit einer Batterie und einer Sicherungsbox.
In
2 ist eine Vorrichtung zur
Strommessung bei einer solchen bekannten Anordnung mit Batterie
und Sicherungsbox dargestellt. 3 zeigt ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung und 4 ein
erweitertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung. In
5 ist eine mögliche Ausgestaltung
einer Sicherung dargestellt.
Beschreibung
In 1 ist ein Spannungsversorgungssystem
für ein
Fahrzeugbordnetz schematisch dargestellt. Dabei ist die Batterie
mit 10 bezeichnet. Ihr Minuspol liegt auf Masse, ihr Pluspol
ist über
eine Sicherungsbox 11 mit den Bordnetzverbrauchern verbunden.
Die Sicherungsbox 11 umfasst im Ausführungsbeispiel fünf Sicherungen 12 bis 16, über die
jeweils ein Bordnetzverbraucher 17 bis 21 abgesichert ist.
Die Sicherungen 12 bis 16 sind beispielsweise Schmelzsicherungen.
An Stelle der dargestellten Einzelverbraucher 17 bis 21 können auch
mehrere Verbraucher über
eine gemeinsame Sicherung abgesichert werden.
2 zeigt ein weiteres bekanntes
Beispiel einer Spannungsversorgungsschaltung für Verbraucher, das zusätzlich eine
Schaltung 22 zur Messung des zwischen der Batterie 10 und
der Vorsicherungsbox 11 fließenden Stromes aufweist. Diese
Schaltung zur Strommessung 22 umfasst in bekannter Weise
einen hochohmigen Spannungsmesser 23 sowie einen parallel
zu diesem liegenden Shunt 24. Der gesamte Strom fließt in diesem
Fall durch den Shunt 24. Der Spannungsmesser 23 ermittelt
in bekannter Weise den Spannungsabfall am Shunt 24. Aus
dem Spannungsabfall am Shunt wird bei bekanntem Widerstandswert
des Shunts der Strom bestimmt.
In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel, das beispielsweise
die Spannungsversorgung in einem Fahrzeugbordnetz darstellt, ist
die Batterie 10 über
die Vorsicherungsbox 11 mit den Verbrauchern 17 bis 21 verbunden.
Bestandteil der Vorsicherungsbox 11 sind wiederum Sicherungen 12 bis 16,
beispielsweise Schmelzsicherungen. Diese Sicherungen sind über eine
einzige gemeinsame Leitung mit der Batterie verbunden Erfindungsgemäß werden
diese ohnehin im Stromkreis vorhandenen Schmelzsicherungen als Shunts
verwendet. Dazu wird zur Spannungsmessung ein n-kanaliger Spannungsmessers 25 eingesetzt,
der jeweils den Spannungsabfall an den Sicherungen ermittelt. Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der n-kanalige Spannungsmesser 25 batterieseitig an
die gemeinsame Leitung zwischen der Batterie und den Sicherungen
angeschlossen. Verbraucherseitig steht jeweils ein Kanal des Spannungsmessers 25 mit
einer Leitung zwischen der betreffenden Sicherung und dem Verbraucher
in Verbindung. Die Abgriffe für
die Spannungsmessung werden üblicherweise
in die Vorsicherungsbox gelegt, sie könnten bei bestimmten Erfordernissen
auch außerhalb
liegen.
Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel
wird somit eine Spannungsmessung auf n-Kanälen
durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Prinzip
umfasst aber auch Lösungen,
bei denen der Spannungsabfall nur an einer oder an bestimmten vorgebbaren
Sicherungen ermittelt wird. Die Ermittlung des Spannungsabfalls
an den als Shunts dienenden Sicherungen ermöglicht bei bekannten Widerstandswert
der Sicherungen die Bestimung des fließenden Stromes. Dabei kann
das eingesetzte Meßgerät direkt
den Strom anzeigen oder es kann in einer nachfolgenden Auswerteeinrichtung,
beispielsweise einem Bordnetzsteuergerät aus der gemessenen Spannung
der Strom bestimmt werden und dieser Strom kann dann bei der Batteriezustandserkennung
BZ berücksichtigt werden.
Der Gesamtstromfluss kann durch Addition der Werte aus den Einzelmessungen
erhalten werden.
Die
Schmelzsicherungen haben einen relativ hohen Widerstand, damit eine
zum Durchschmelzen des Sicherungsfadens ausreichende Eigenerwärmung gewährleistet
wird. An Stelle von Schmelzsicherungen können auch aktive und/oder passive Bauelemente
im Stromkreis für
die Bestimmung der Teilströme
verwendet werden, beispielsweise Halbleiterschalter, Polyswitch,
Dioden.
Mit
der in 3 dargestellten
Schaltungsanordnung wird auf Grund des hohen Widerstandes der Sicherungen
im Spannungsmesser 25 ein relativ hohes Signal erhalten,
das mit geringem Elektronikaufwand weiterverarbeitet werden kann.
Der Messbereich der Einzelmessung kann an den maximalen Stromfluss
im Einzelkreis angepasst werden, wobei eine gewisse Anpassung schon
durch die verschiedenen Widerstände
der Sicherungen gehalten wird. Eine Sicherung mit hohem Amperewert
hat einen geringeren Widerstandswert und damit ein bei gleichem Stromfluss
geringeres Signal und umgekehrt. Wird die Spannungsmessung bzw.
die Messung des Spannungsabfalls an den Sicherungen innerhalb der Vorsicherungsbox
durchgeführt,
können
vorhandene Gehäuse
und Messelemente mitverwendet werden. Das Abschmelzen einer Sicherung,
beispielsweise bei einem Kurzschluss kann durch eine signifikante Spannungsänderung
erkannt werden. Die Strommessung kann auch selektiv für die einzelnen
Stromkreise erfolgen und anderen Funktionen zur Verfügung gestellt
werden. Von besonderem Vorteil ist, dass kein zusätzlicher
Spannungsabfall über
einen separaten Shunt, wie bei der Anordnung nach 2, auftritt.
Alternativ
oder zusätzlich
zur Ausführungsform
nach 3 mit mehreren
Sicherungen in einer Sicherungsbox kann auch ein Batterietrennschalter vorgesehen
werden, der die gesamte Stromversorgung im Notfall abschalten kann.
Wird der Spannungsabfall am dann als Shunt für ein Spannungsmessgerät dienenden
Batterietrennschalter ermittelt kann daraus der Gesamtstrom ermittelt
werden.
Im
Ausführungsbeispiel
nach 4 werden an Stelle
von Schmelzsicherungen Halbleiterschalter verwendet. Diese Halbleiterschalter
bzw. generell elektrisch aktivierbare Schalter, sind mit 26 bis 30 bezeichnet.
Die batterieseitigen Anschlüsse
der Schalter 26 bis 30 sind über eine gemeinsame Leitung
mit der Batterie 10 verbunden, sie werden mit Hilfe einer elektronischen
Einrichtung 31 betätigt.
Ihr Einsatz bietet sich an, bei den Zweigen, die begrenzt hohe Ströme führen. Sie
können
auch zur Detektierung und/oder Abschaltung von defekten Dauerverbrauchern
eingesetzt werden und beispielsweise einen defekten Kerko zwischen
Klemme 30 und Masse abschalten.
Der
Widerstand der Halbleiterschalter wird durch die Widerstände 32 bis 36 dargestellt.
Die Halbleiterschalter können
so ausgeführt
sein, dass sie den Stromfluss detektieren und die ermittelten Werte
von einer elektronischen Schaltung ausgewertet werden. Alternativ
kann ein zusätzliches
Element zur Stromdetektion verwendet werden, beispielsweise wieder
eine Schmelzsicherung als Shunt, die, wie in 3 dargestellt, innerhalb der Sicherungsbox
mit den Halbleiterschaltern in Serie geschaltet wird. In diesem
Fall würden
die Widerstände 32 bis 36 den Sicherungen
entsprechen.
Zur
Spannungsmessung kann wieder ein n-Kanal-Voltmeter verwendet werden.
Die elektronische Einheit 31 ist beispielsweise mit einem
Netzwerk zu weiteren Verbraucher-Steuergeräten oder
einem Body-Computer verbunden.
Beim
Ausführungsbeispiel
nach 4 ist ein Spannungsabgriff
in der Sicherungsbox batterieseitig an der gemeinsamen Leitung.
Batteriefern wird die Spannung an zwei Punkten bzw. bei zwei Zweigen
innerhalb und sonst außerhalb
der Sicherungsbox durchgeführt.
Grundsätzlich
können
jedoch auch alle Abgriffe innerhalb oder außerhalb sein.
In
der elektronischen Einrichtung 31 wird der Stromfluss in
einem vorgebbaren Stromkreis mit einem Sollwert verglichen, wobei
dieser Sollwert abhängig
vom Fahrzeugzugstand festgelegt wird. Tritt ein für den Fahrzeugzustand
zu hoher, also unplausibler Wert auf, wird auf eine Fehlfunktion
erkannt und der betroffene Stromkreis mittels des Schaltelements 26 bis 30 abgeschaltet.
Befindet
sich das Fahrzeug beispielsweise im Stillstand und die einzelnen
Steuergeräte
in einem Stromkreis im Sleep-Mode, so kann schon der erhöhte Stromverbrauch
eines kurzgeschlossenen Keramikkondensators detektiert werden und
der betroffene Stromkreis kann dann abgeschaltet werden.
In 5 ist ein Beispiel für eine Schmelzsicherung
dargestellt. Solche Sicherungen weisen im Schmelzbereich 37 einen
Bereich mit einem vom Schmelzbereich unterschiedlichen Bereich 38 auf. Dieser
Bereich 38 dient dazu, bei Strömen vor dem Durchschmelzen
gezielt die Schmelzeigenschaften zu verändern. Hergestellt werden solche
Schmelzsicherungen durch Diffusion des im Bereich 38 aufgebrachten
Materials in den Schmelzbereich. Damit kann gezielt die Eigenschaft
flink oder träge
der Sicherung eingestellt werden. Auch die elektrischen Eigenschaften
können
durch spezielle Ausgestaltung des Bereichs 38 verändert werden.
Dies gilt insbesondere für
den Grundwiderstand und den Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstandes der Schmelzsicherung. Durch spezielle Ausgestaltung der
Sicherung, insbesondere des Schmelzbereiches, kann die Messcharakteristik
der Sicherung als Shunt zur Stromsensierung beeinflusst werden.
Da die genannten Diffusionsprozesse irreversibel sind, ist die Kennlinie
des Shunts abhängig
von der Historie der Sicherung, insbesondere beim Betrieb in der
Nähe des
Sicherungswertes, also in der Nähe
der Stromstärke,
bei der die Sicherung durchschmilzt.
Bei
der Auswertung der Sicherungen als Shunt kann ein Algorithmus zu
Grunde gelegt werden, der die Historie der Sicherung berücksichtigt und
damit Änderungen
in den Materialeigenschaften ausgleicht. Dies kann im einfachsten
Fall ein Stromintegral sein, das mit einem Skalierungsfaktor dem gemessenen
Stromwert additiv zugeschlagen wird. Der Algorithmus sollte ebenfalls Änderungen
durch Eigenerwärmung
in Abhängigkeit
des Stromflusses korrigieren.
Da
mit den Ausführungsbeispielen
nach 3 und 4 der Strom zwischen der
Batterie und den Verbrauchern bzw. zwischen der Batterie und der Vorsicherungsbox
sehr zuverlässig
ermittelt werden kann, ist es möglich,
bei einer Batteriezustandserkennung auf diesen gemessenen Strom
zurückzugreifen
und bei der Ermittlung des Batteriezustandes zu berücksichtigen.
Damit kann eine besonders genaue Batteriezustandsermittlung durchgeführt werden.