DE3712629A1 - Betriebsdauer-pruefvorrichtung fuer kraftfahrzeugbatterie - Google Patents

Betriebsdauer-pruefvorrichtung fuer kraftfahrzeugbatterie

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Description

Die Erfindung betrifft eine Betriebsdauer-Prüfvorrichtung, die die Betriebs- bzw. Lebensdauer einer Kraftfahrzeugbatterie bestimmt und anzeigt, insbesondere eine derartige Prüfvorrichtung, die den Ladezustand und die Betriebsdauer einer Kraftfahrzeugbatterie mit verbesserter Genauigkeit bestimmen kann.
Bei konventionellen Betriebsdauer-Prüfvorrichtungen für Kraftfahrzeugbatterien gemäß JP-A-53-79 238, JP-A-53-1 27 646 und JP-A-56-1 26 774 werden die Klemmenspannung, der Lade- Entladestrom und die Temperatur einer Kraftfahrzeugbatterie (kurz: Batterie) gemessen, und die Meßwerte werden in einem Rechner verarbeitet zur Festlegung von Ausgangswerten, die auf den Ladezustand und die Betriebsdauer der Batterie einschließlich der Höhe der Abgleichladung, der Anfangs- Ladungshöhe, des Innenwiderstands und des Kurzschlußstroms bezogen sind, wodurch die Betriebsdauer und der Ladezustand bestimmt und geprüft werden, indem diese Ausgangswerte mit einem vorbestimmten Bezugspegel verglichen werden.
Diese bekannten Vorrichtungen weisen jedoch keine Mittel zur Korrektur der Anfangsänderungen der Batterien auf, die gemeinsam mit dem Korrekturfehler für die Änderungen der Meßbedingungen mit den säkularen Änderungen addiert werden. Wenn daher versucht wird, mit einem Schwellenwert eine einfache Bestimmung und Prüfung durchzuführen, werden infolge des resultierenden Fehlers normale Produkte häufig mit fehlerbehafteten Produkten verwechselt.
Bei dem vorstehend genannten Stand der Technik können ferner der Innenwiderstand und der Kriechstrom, die den Restbetrag von verfügbaren Ladungen und die Degeneration der Batterie darstellen, nur selten genau gemessen, verarbeitet, angezeigt und kontrolliert werden. Infolgedessen wird eine nicht vollständig aufgeladene Batterie häufig als schlechtes Produkt beseitigt, oder eine Batterie, deren Betriebsdauer abgelaufen ist, wird vollständig aufgeladen und in einer Niedrigtemperatur-Umgebung eingesetzt, was häufig zu Startschwierigkeiten führt.
Die Erfindung wurde in Anbetracht der verschiedenen vorgenannten Nachteile des Standes der Technik entwickelt.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Betriebsdauer- Prüfvorrichtung für Kraftfahrzeugbatterien, bei der Anfangsänderungen korrigiert werden, so daß der Ladezustand und die Betriebsdauer einer Batterie mit verbesserter Genauigkeit geprüft und bestimmt werden können. Dabei soll durch Steigerung der Prüfgenauigkeit ein Batterieentlastungsbereich erweitert werden, um noch funktionstüchtige Produkte weiter einsetzen zu können.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist gemäß der Erfindung eine Betriebsdauer-Prüfvorrichtung für Kraftfahrzeugbatterien zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug-Ladesystem mit einer von einer Brennkraftmaschine getriebenen Gleichstromlichtmaschine und einer von dieser geladenen Batterie vorgesehen, mit einem Fühler zur Erfassung der Klemmenspannung der Batterie, einem Fühler zur Erfassung des Lade-Entladestroms der Batterie, einer Einheit zur Abnahme des auf die Batterie bezogenen Temperatursignals und einer Zentraleinheit, die in vorbestimmter Weise die von den Fühlern zugeführten Eingangssignale verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentraleinheit folgende Funktionen hat: durch vorbestimmte Verarbeitung von Meßsignalen der Fühler vor und nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine Istwerte von Parametern zu errechnen, die eine Batteriebetriebsdauer repräsentieren, einen Anfangswert eines Parameters zu verarbeiten und zu speichern, der die Batteriebetriebsdauer in einer Anfangsphase des Batteriebetriebs bezeichnet, und die angezeigte Batteriebetriebsdauer mit dem gespeicherten Wert zu vergleichen und ein Batteriebetriebsdauer-Vorhersagesignal zu erzeugen, wenn eine durch vorbestimmte Betriebsdauerkurven gebildete Beziehung zwischen der angezeigten und der gespeicherten Batteriebetriebsdauer besteht, wobei die Vorrichtung ferner eine Anzeigeeinheit aufweist, die aufgrund eines Betriebsdauer-Vorhersagesignals von der Zentraleinheit eine Warnanzeige liefert.
Bei dieser Konstruktion werden die für verwendete Einzelbatterien spezifischen Anfangswerte (also Änderungen des Innenwiderstands je Kapazitätseinheit) zu Bestimmungszwecken verglichen, so daß nur säkulare Änderungen definitiv bestimmt werden, was es ermöglicht, die Batteriebetriebsdauer richtig und genau gemäß dem Anfangszustand der Batterie zu bestimmen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Grafik, die säkulare Änderungen des Innenwiderstands zeigt, als Grundlage für die erfindungsgemäße Betriebsdauerprüfung einer Kraftfahrzeugbatterie;
Fig. 2 eine Grafik, die säkulare Änderungen der Anstiegsrate des Innenwiderstands je Kapazitätseinheit zeigt, als Grundlage für die erfindungsgemäße Betriebsdauerprüfung einer Batterie;
Fig. 3 eine allgemeine Darstellung einer Ausführungsform der Betriebsdauer-Prüfvorrichtung für eine Batterie;
Fig. 4 Entscheidungsränge und -bereiche gemäß dem Inhalt der Tabelle I; und
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm des Prüfvorgangs nach der Erfindung.
Vor der Erläuterung der Betriebsdauer-Prüfvorrichtung wird das Prinzip der Batterie-Betriebsdauerprüfung erläutert, das als Basis für die Merkmale der Prüfvorrichtung dient; ferner wird der Innenwiderstand einer Batterie als mit der Betriebsdauerprüfung eng zusammenhängender Parameter erläutert.
Der Innenwiderstand von Batterien mit unterschiedlicher Nennkapazität ist in Fig. 1 gemeinsam mit säkularen Änderungen und Meßbedingungen aufgetragen. Insbesondere hängt der Innenwiderstand einer Batterie von der Adsorptions/ Dissoziations-Fähigkeit von Ionen an der Grenzfläche zwischen einer Elektrode und einem Elektrolyten ab. Dieser Widerstand tendiert mit abnehmender effektiver Elektrodenfläche infolge der Degeneration oder Abtrennung der aktiven Elektrodenmaterialien dazu anzusteigen. Makroskopisch betrachtet, kann man sagen, daß er einer konstanten Änderung unterliegt. Diese Änderung, die durch die elektrochemische Reaktion bedingt ist, hängt einerseits von der Temperatur ab (d. h., der Innenwiderstand sinkt mit steigender Temperatur) und wird andererseits von Änderungen im Anfangsstadium der Batterie beeinflußt. Es ist sehr schwierig, hier eine gemeinsame Kontrolle vorzusehen.
In Fig. 1 bezeichnen die Vollinien die Innenwiderstandskurven von vier unter verschiedenen Batterien ausgewählten Batterien mit jeweils unterschiedlicher Nennkapazität; der allgemeine Trend geht darin - wie durch die beiden Strichlinienkurven angedeutet ist -, daß der Innenwiderstand der Batterien stetig über die Zeit ansteigt, wie vorstehend erläutert wurde. Die Strichlinien in Fig. 1 zeigen die Begrenzungskurven, die den gesamten Innenwiderstand einer Mehrzahl von für charakteristische Meßzwecke (Verhältnis zwischen Spannung und Strom jeweils 5 s nach Entladungsbeginn) vorgesehenen Batterien mit unterschiedlichen Nennkapazitäten definieren, wobei säkulare Änderungen, also die zurückgelegte Entfernung, auf der Abszisse aufgetragen sind.
Der Innenwiderstand der diesen Trend aufweisenden Batterien wird zuerst durch die Nennkapazität und dann für sämtliche Batterien durch den Anfangswert einer bestimmten Batterie dividiert, um die säkularen Änderungen zu standardisieren, wie Fig. 2 zeigt. Dies wird als säkulare Änderung der Anstiegsrate des Innenwiderstands je Kapazitätseinheit der Batterie angesehen. Eine von den Erfindern durchgeführte statistische Untersuchung des Innenwiderstands und der Anstiegsrate des Innenwiderstands je Kapazitätseinheit von Batterien mit kurzer Betriebsdauer zeigt, daß es möglich ist, eine genauere Prüfung durchzuführen, indem nicht nur auf den Innenwiderstand Bezug genommen wird, sondern die Betriebsdauer auch aus der Änderung der Widerstandsanstiegsrate bestimmt wird.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dieser von den Erfindern durchgeführten Bestätigung und Nachprüfung.
Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit der Bestimmung der Batteriebetriebsdauer aufgrund der Änderungen des Innenwiderstands je Kapazitätseinheit der Batterie ist es erforderlich, die Temperaturabhängigkeit der Batterie zu kompensieren. Dazu wird ein Kompensationsfaktor experimentell bestimmt. Dies ist erforderlich, weil die Temperaturabhängigkeit einer Batterie in einem Kraftfahrzeug bevorzugt dadurch bestimmt wird, daß man die Temperaturabhängigkeit des Anlassers und des Motors berücksichtigt, die beim Anlassen des Motors Verbraucher der Batterie sind; daher wäre es ohne Bedeutung, einen Kompensationsfaktor nur aus der Temperaturabhängigkeit der Batterie zu bestimmen.
Fig. 3 zeigt allgemein eine Ausführungsform der Betriebsdauer- Prüfvorrichtung für eine Batterie.
Dabei ist eine Batterie 1 elektrisch parallel an eine Drehstromlichtmaschine 2 und einen Anlasser 3 angeschlossen. Der Anlasser 3 ist mechanisch über ein Getriebe mit einem Motor 4 verbunden. Ein Elektromagnetschalter 5 wird von einem Zündschalter 6 betätigt. Die Ausgangsspannung der Drehstromlichtmaschine 2 wird von einer Erregerwicklung 7 geregelt. Elektrische Energie wird von der Batterie entsprechend dem Bedarf verschiedener Verbraucher nach Umformung in einem Gleichrichter 9 über eine Sicherungsgröße 10 zugeführt.
Ein Regler 8 regelt die Ladung für die Batterie 1 durch Erfassung des Ladezustands derselben. Ein Kabelbaum 11, der an die Batterie 1 angeschlossen ist, umfaßt Leiterbündel. Die Enden A und B des Kabelbaums 11 sind mit einem Verstärker 12 verbunden, der aus dem Spannungsbefall infolge eines Lade-Entlade-Stroms einen Strom erfaßt. Ein Stromsignal I B vom Verstärker 12, ein Klemmenspannungssignal V B und ein Temperatursignal T B von einem Temperaturfühler 13 zur Erfassung einer repräsentativen Durchschnittstemperatur des Elektrolyten und der Elektroden der Batterie werden einer Ein-Ausgabeeinheit 14 zugeführt. Diese ist ferner an eine Zentraleinheit bzw. ZE 15, einen Festwertspeicher bzw. ROM 16 und einen Direktzugriffsspeicher bzw. RAM 17 angeschlossen. Außerdem ist die Ein-Ausgabeeinheit an einen Eingabe-Setzknopf 19 angeschlossen.
Nachstehend wird die Funktionsweise der so ausgelegten Schaltungsanordnung erläutert. Zur Verarbeitung der drei Signale V B , I B und T B von der Batterie 1 als Anfangswerte wird zuerst der Setzknopf 19 der Ein-Ausgabeeinheit 14 gedrückt.
Dann wird mit einer vollständig aufgeladenen eingebauten Batterie (z. B. in der Montage-Endphase einer Kfz-Montagestraße) der Anlaßvorgang durchgeführt, so daß die Batterieklemmenspannung V B , der Lade-Entladestrom I B und die Batterietemperatur T B vor und nach dem Anlassen in Abständen von 1 ms abgenommen und im RAM 17 gespeichert werden. Aus den gespeicherten Daten werden die folgenden Werte ausgelesen:
  • (1) die Klemmenspannung V BO mit Dunkelstrom unmittelbar vor dem Anlassen;
  • (2) der Höchstwert I BP des Lade-Entladestroms beim Anlassen und die zugehörige Klemmenspannung V BP ;
  • (3) die Temperatur T BO des Batteriegehäuses unmittelbar vor dem Anlassen.
Der Innenwiderstand R BP für den höchsten Entladestrom I BP wird aus der folgenden Gleichung (1) bestimmt:
Durch Verwendung des experimentell vorher bestimmten Temperaturkoeffizienten R des Innenwiderstands R BP wird die Temperaturkompensation des Innenwiderstands R BP gemäß der Gleichung (2) durchgeführt:
R BPT = R BP × α R(T BO - T B ),6-(2)
wobei T BO die Umgebungstemperatur von 20°C bezeichnet, bei der der Motor stationär bleibt, und R vorher in bezug auf 20°C bestimmt wird.
In diesem Fall gilt die folgende Beziehung:
R BPT = 0.4 R BP ,6(3)
Dann wird durch Nutzung des experimentell bestimmten Temperaturkoeffizienten V der Klemmenspannung die Temperaturkompensation der Spannung V BO mittels der folgenden Gleichung (4) auf der Basis von z. B. 20°C durchgeführt:
V BOT = V BO × α v(T BO - T B ),6-(4)
Der Innenwiderstand R BPT und die Klemmenspannung V BOT , die durch die beschriebenen Vorgänge bestimmt wurden, werden im Anfangswerte-Speicherbereich des RAM 17 gespeichert, und der Anfangseingabe-Setzknopf 19 wird freigegeben.
Das unter diesen Bedingungen an den Käufer gelieferte Kraftfahrzeug führt die Betriebsdauerprüfung wiederholt durch, indem die nachstehend erläuterte Sequenz ohne besondere manuelle Betätigung während des Fahrens durchgeführt wird.
Dabei werden, wenn z. B. wie vorbestimmt mehr als 10 h bis zum Anlassen vergangen sind, die Klemmenspannung V B ′, der Lade-Entladestrom I B ′ und die Batterietemperatur T B ′vor und nach dem Anlassen erfaßt, um den Innenwiderstand R′ BPT und die Klemmenspannung V′ BOT zu bestimmen, die in solcher Weise kompensiert sind, daß die Temperaturkompensation ebenso wie bei der Verarbeitung zum Zeitpunkt der Ersteingabe erfolgt. Diese Werte werden dann im RAM 17 gespeichert.
Fig. 4 zeigt Batterie-Prüfränge und die entsprechenden Bereiche.
Die während des Betriebs erfaßten Werte werden mit den genannten Anfangswerten verglichen, um die Verhältnisse R′ BPT /R BPT und V′ BOT /V BOT zu bestimmen. Diese Verhältnisse werden mit einer in Fig. 4 gezeigten und im ROM 16 od. dgl. vorher gespeicherten Betriebsdauerdiagnose-Haupttabelle gemäß Fig. 4 verglichen, um die Batteriebetriebsdauer und den Ladezustand in bezug auf den betrachteten Zeitraum zu diagnostizieren. Die Bereich im Diagramm sind entsprechend der in Tabelle I angegebenen Weise definiert und in Fig. 4 dargestellt.
RangBeschreibung
ALadezustand gut   ausreichende Betriebsdauer BLadezustand gut   Vorsicht wegen Betriebsdauer CLadezustand mäßig   ausreichende Betriebsdauer DLadezustand gut   Betriebsdauer abgelaufen ELadezustand mäßig   Vorsicht wegen Betriebsdauer FAufladen notwendig
Das Ablaufdiagramm von Fig. 5 zeigt den Prüfungsablauf.
Die Grundforderung besteht in der Bestimmung der Betriebsdauer und des Ladezustands einer Batterie aufgrund von Anfangswerten. Voraussetzung hierfür ist die Erstellung einer repräsentativen Diagnose-Haupttabelle auf der Basis von Anfangswerten, und dieser Vorgang muß in einer anfänglichen Eingabephase stattfinden. Alternativ können anstelle der Berechnungen der verbleibenden Betriebsdauer in einem Batterielebensdauer-Prüfalgorithmus in Anfangsphasen die geschätzten Werte von Parametern an einem bestimmten Punkt der Betriebsdauer der Batterie, also Betriebsdauerwerte, vorher eingegeben werden. In diesem Fall wird irgendeine Berechnungsformel für die Diagnose angegeben. Ein solches Verfahren ist zuverlässig, wenn zu dem ROM ein batteriegestützter RAM hinzukommt.
Das Prüfergebnis wird über die Ein-Ausgabeeinheit 14 von Fig. 3 an eine Anzeigeeinheit 20 geführt, so daß es in Zeichen- oder Buchstabenform etc. angezeigt werden kann.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ist somit ersichtlich, daß eine Betriebsdauer-Prüfvorrichtung für Batterien angegeben wird, bei der das Prüfergebnis, das durch Vergleich einzelner Anfangswerte mit den Betriebswerten erhalten wird, die säkularen Änderungen richtig anzeigt, wodurch die Prüfgenauigkeit gegenüber bekannten Vorichtungen wesentlich verbessert wird, da die bekannten Vorrichtungen nur einfache Schwellenwert-Bestimmungen aus einer Mischung von anfänglichen Änderungen und säkularen Änderungen liefern. Insbesondere bei der Prüfung mit einer Kombination aus Innenwiderstand und einer Spannung an einer offenen Klemme wird gegenüber der einfachen Schwellenwert-Bestimmungsmethode der Entlastungsbereich etwa um das Vierfache erweitert, was zu verbesserter Prüfgenauigkeit führt. Ferner können Meßwerte, die von den Standardwerten nicht abweichen, eingespart werden.

Claims (4)

1. Betriebsdauer-Prüfvorrichtung für Kraftfahrzeugbatterien zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug-Ladesystem mit einer von einer Brennkraftmaschine (4) getriebenen Gleichstromlichtmaschine (2) und einer von dieser geladenen Batterie (1), mit einem Fühler zur Erfassung der Klemmenspannung (V B , V B ′) der Batterie (1), einem Fühler zur Erfassung des Lade-Entladestroms (I B , I B ′) der Batterie (1), einer Einheit zur Abnahme des auf die Batterie bezogenen Temperatursignals (T B , T B ′) und einer Zentraleinheit (15), die in vorbestimmter Weise die von den Fühlern zugeführten Eingangssignale verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentraleinheit (15) folgende Funktionen hat: durch vorbestimmte Verarbeitung von Meßsignalen der Fühler vor und nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine (4) Istwerte von Parametern zu errechnen, die eine Batteriebetriebsdauer repräsentieren,
einen Anfangswert eines Parameters zu verarbeiten und zu speichern, der die Batteriebetriebsdauer in einer Anfangsphase des Batteriebetriebs bezeichnet, und
die angezeigte Batteriebetriebsdauer mit dem gespeicherten Wert zu vergleichen und ein Batteriebetriebsdauer-Vorhersagesignal zu erzeugen, wenn eine durch vorbestimmte Betriebsdauerkurven gebildete Beziehung zwischen der angezeigten und der gespeicherten Batteriebetriebsdauer besteht,
wobei die Vorrichtung ferner eine Anzeigeeinheit (20) aufweist, die aufgrund eines Betriebsdauer-Vorhersagesignals von der Zentraleinheit (15) eine Warnanzeige liefert.
2. Betriebsdauer-Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Durchführung der Berechnung der Restbetriebsdauer einer Batterie in einem Betriebsdauer-Prüfalgorithmus geschätzte Werte von Parametern zu einem Betriebsdauer- Zeitpunkt der Batterie (1) und Betriebsdauerwerte vorher gespeichert werden.
3. Betriebsdauer-Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsdauer-Vorhersagesignal für die Batterie (1) auf der Anzeigeeinheit (20) entweder grafisch oder zeichenmäßig angezeigt wird.
4. Betriebsdauer-Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsdauer-Vorhersagesignal für die Batterie (1) wie folgt klassifiziert ist:
Rang A:  Ladezustand gut, Betriebsdauer ausreichend,
Rang B:  Ladezustand gut, Vorsicht bezüglich Betriebsdauer,
Rang C:  Ladezustand mäßig, Betriebsdauer ausreichend,
Rang D:  Ladezustand gut, Betriebsdauer sehr schlecht,
Rang E:  Ladezustand mäßig, Vorsicht bezüglich Betriebsdauer,
Rang F:  Aufladen erforderlich.
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