DE69817384T2

DE69817384T2 - Verfahren zur fehlererkennung einer kraftfahrzeugbatterie

Info

Publication number: DE69817384T2
Application number: DE69817384T
Authority: DE
Inventors: Henry-Louis Meyer
Original assignee: Siemens VDO Automotive SAS
Current assignee: Continental Automotive France SAS
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1998-09-24
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2018-09-25
Also published as: WO1999017128A1; EP1019744B1; FR2769095B1; EP1019744A1; DE69817384D1; ES2205561T3; FR2769095A1; US6472875B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines fehlerhaften Zustandes einer Kraftfahrzeugbatterie. Insbesondere ist das Verfahren gemäß der Erfindung dazu bestimmt, in einen elektronischen Rechner eines Kraftfahrzeuges integriert zu werden und den Fahrer auf einen anstehenden fehlerhaften Zustand der Batterie aufmerksam zu machen.
Es gibt bereits eine gewisse Anzahl von Verfahren zum Detektieren eines fehlerhaften Batteriezustandes. Die bekanntesten Verfahren bestehen darin, die Entladespannung der Batterie zu messen, wenn diese vom Fahrzeug abgeklemmt ist. Dies ist für eine regelmäßige Überwachung des Ladezustandes der Batterie nicht sonderlich geeignet.
Es sind ferner Verfahren zum Detektieren eines fehlerhaften Zustandes einer Batterie bekannt, die in ein elektronisches Steuergerät an Bord eines Fahrzeuges implantiert sind und keine Abklemmung der Batterie erfordern. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in dem Dokument US 4 937 528 beschrieben. Die Durchführung dieses Verfahrens erfordert allerdings die Überwachung einer beträchtlichen Anzahl von Parametern und somit den Einsatz spezieller Sensoren, was die Herstellungskosten entsprechend erhöht.
Das Dokument FR 2 694 660 beschreibt seinerseits eine Vorrichtung zum Detektieren eines fehlerhaften Zustandes von Batterieelementen für eine Batterie, die dazu bestimmt ist, eine Versorgungsvorrichtung ohne Abschaltung zu speisen. Eine solche Vorrichtung ist nicht für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug bestimmt. Dieses Dokument lehrt indessen, wie der Verlauf der Entladespannung der Batterie über der Zeit zu messen ist, um alle Anzeichen eines fehlerhaften Zustandes zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird davon ausgegangen, dass die Entladespannung quasi linear über der Zeit veränderlich ist. Aber im Fall einer Batterie, die ein Kraftfahrzeug versorgt, ist die Entladespannung der Batterie während der Anlassphase des Motors durch den Motorbetrieb erheblich gestört. Insbesondere ist diese Entladespannung keine lineare Funktion der Zeit. Tatsächlich erzeugt der Motorbetrieb beträchtliche Schwankungen der Entladespannung während der Anlassphase. Aus diesem Grund ist die einfache Verfolgung vorgegebener Zeitintervalle im Verlauf der Entladespannung der Batterie nicht unmittelbar bezeichnend für ihren Entladungszustand, und die Lehre des Dokumentes FR 2 694 660 ist nicht anwendbar.
Das Dokument DE 3901680 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen der Möglichkeit des Kaltstartes einer Batterie eines Verbrennungsmotors. Zu diesem Zweck schlägt es vor, den Verlauf der Batteriespannung während der Startphase zu messen und aus der Differenz zwischen der maximalen und minimalen gemessenen Spannung den Ladezustand der Batterie abzuleiten. Diese maximalen und minimalen Spannungen werden jedoch zu beliebigen Zeitpunkten des Verbrennungszyklus gemessen, und ihre Differenz hängt daher vom Zustand der Batterie und von normalen Schwankungen des Verbrennungszyklus ab. Ein derartiges Messverfahren erlaubt es nicht, mit dem Verbrennungszyklus des Motors zusammenhängende Störungen der Messung zu eliminieren.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zum Detektieren eines fehlerhaften Zustandes der Kraftfahrzeugbatterie während der Antriebsphase des Motors vorzuschlagen, wobei dieses Verfahren insbesondere in der Lage ist, mit dem Verbrennungszyklus des Motors zusammenhängende Störungen zu eliminieren. Ferner ist man bestrebt, so wenig Parameter wie möglich zu messen und keine Spezialsensoren zu verwenden. Im Fall eines leichten Fehlverhaltens (d. h., das noch nicht zu einem Außerbetrieb des Fahrzeuges geführt hat) ist erwünscht, dass der Fahrer gleichwohl über den schwachen Ladezustand der Batterie informiert wird, um die Batterie wieder aufzuladen oder auszuwechseln, ehe diese vollständig leer ist.
Zu diesem Zweck schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Detektieren eines fehlerhaften Zustandes einer Kraftfahrzeugbatterie, das darin besteht, den Verlauf der Entladespannung an den Klemmen der Batterie in Abhängigkeit von der Zeit zu analysieren, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht:

– zwei aufeinanderfolgende Werte (U₁, U₂) der Entladespannung der Batterie während der Antriebsphase des Kraftfahrzeutgmotors während zweier aufeinanderfolgender oberer Totpunkte zu messen,
– eine Differenz der gemessenen Spannungswerte zu ermitteln, und
– hieraus zu schließen, ob die Batterie aufgeladen oder fehlerhaft ist.

Indem somit Messungen der Entladespannung in zwei vorgegebenen Zeitpunkten des Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors durchgeführt werden, ist es möglich, Anzeichen für einen fehlerhaften Zustand der Batterie ohne spezielle Sensoren sichtbar zu machen und mit dem Verbrennungszyklus des Motors zusammenhängende Störungen zu eliminieren. Die Messung der Batteriespannung wird bereits in den Betriebssteuergeräten verwendet.
Die Messungen der Entladespannung der Batterie in diesen speziellen Betriebspunkten erlaubt es, sehr rasch (während einiger Motorumdrehungen in der Antriebsphase) festzustellen, ob die Batterie richtig aufgeladen ist oder nicht. Die Messung der Batteriespannung außerhalb des Startphase wird dadurch gestört, dass, wenn der Motor gestartet ist, die Batterie durch den Wechselstromgenerator wieder aufgeladen wird. Es ist somit sehr viel komplizierter, außerhalb der Antriebsphase des Motors zu versuchen, den Ladezustand der Batterie zu bestimmen und ihre Ladekapazität für einen einwandfreien Start dieses Fahrzeuges sicherzustellen.
Wie ersichtlich, wird die Anzeige für einen fehlerhafte Zustand der Batterie durch eine einfache Differenz zwischen den Spannungswerten an zwei aufeinanderfolgenden speziellen Betriebspunkten angegeben.
Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen im übrigen aus der folgenden beispielhaften und nicht beschränkenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor, in denen:
1 eine schematische Ansicht ist, die den Verlauf der Entladespannung an den Anschlüssen einer Batterie während der Start- und Betriebsphasen darstellt, wenn die Batterie richtig aufgeladen ist,
2 eine der 1 entsprechenden schematischen Ansicht für eine schwach aufgeladene oder teilweise verbrauchte Batterie ist.
3 eine der 1 entsprechende schematische Ansicht für eine stark entladene oder stark verbrauchte Batterie ist,
4 das Verfahren zum Detektieren eines fehlerhaften Verhaltens gemäß der Erfindung im Fall einer sehr stark entladenen Batterie darstellt, und
5a und 5b in schematischer Weise den Verlauf der Spannung einer Batterie und den Verlauf des progressiven Mittelwertes derselben Spannung darstellen.
Es sei zunächst daran erinnert, wie der Verlauf der Spannung an den Anschlüssen einer Batterie während des Starts des Kraftfahrzeuges ist.
Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen. Vor dem Start des Fahrzeuges wird die von der Batterie bereitgestellte Spannung U₀ gespeichert. Anschließend wird die von der Batterie abgegebene Spannung U während der mechanischen Betriebsphase (Phase I) angefordert. Durch eine vertikale Linie wurde der Zeitpunkt t₀ angedeutet, in dem der Fahrer seinen Kontaktschlüssel im Kontaktschloss dreht. Der Schalter des Anlassers schließt sich dann, was eine starke Stromspitze und einen entsprechenden Spannungsabfall an den Anschlüssen der Batterie zur Folge hat. Dieser Spannungsabfall ΔU hängt nur teilweise von der Größe der Entladung der Batterie und ihrer Alterung ab.
Im Zeitpunkt t₁ (Phase II) beginnt der Anlasser, den Wärmemotor zu drehen. Die Spannung der Batterie verläuft dann in Wellen, die im wesentlichen zu den Verdichtungsvorgängen des Motors synchron sind. Diese Antriebsphase des Motors ist somit durch eine Reihe von Wellen gekennzeichnet. Jedes der aufeinanderfolgenden Minima entspricht einem Verdichtungsvorgang des Wärmemotors.
Sobald der Wärmemotor gestartet ist (was am Ende von ungefähr acht und manchmal auch weniger Verdichtungstakten erfolgt), beginnt die Spannung wieder zu steigen. Man befindet sich dann in der Phase III des Startvorganges des Motors.
Wenn der Motor ausreichend schnell dreht, beginnt der Wechselstromgenerator, Wechselstrom abzugeben, und die Spannung an den Anschlüssen der Batterie stabilisiert sich (Phase IV, die sogenannte stabilisierte Betriebsphase).
In Abhängigkeit von der Phase, während der die Batteriespannung gemessen wird, muss, wie sich leicht einsehen lässt, die Messung der Batteriespannung unterschiedlich interpretiert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass während der Antriebsphase des Motors (Phase II) die mittlexe Steigung (P) der Wellen dreierlei Art sein kann. Der Deutlichkeit wegen wird diese Steigung P in den Zeichnungen durch eine Gerade P schematisch dargestellt.
Wie dies in 1 zu sehen ist, kann die Steigung P ansteigend sein. In diesem Fall sind die für die aufeinanderfolgenden Verdichtungstakte (aufeinanderfolgende Totpunkte) entnommenen Spannungsminima größer werdend. Eine solche Kurve entspricht offensichtlich einer richtig aufgeladenen Batterie.
Im Fall der 2 ist festzustellen, dass die aufeinanderfolgenden Minima im wesentlichen konstant sind. Die die Steigung dieser Kurve darstellende Gerade P verläuft horizontal. Eine solche Kurve ist kennzeichnend für eine schwach aufgeladene oder teilweise verbrauchte Batterie. Eine solche Batterie erfordert zumindest eine Wiederaufladung.
Im Fall der 3 stellt man fest, dass die aufeinanderfolgenden Minima insgesamt kleiner werden. Die Steigung P dieser Kurve ist abfallend und kennzeichnend für eine stark entladene oder sehr verbrauchte Batterie. Eine solche Batterie muss ausgewechselt und/oder aufgeladen werden.
Gemäß der Erfindung besteht das Verfahren zum Detektieren eines fehlerhaften Verhaltens unter Berücksichtigung der in den 1 bis 3 dargestellten Gegebenheiten darin (4):

– mindestens zwei aufeinanderfolgende Werte U₁, U₂ der Entladespannung der Batterie während der Antriebsphase des Kraftfahrzeugmotors in Zeitpunkten t₁, t₂ zu messen, in denen sich der Motor in einem bestimmten Betriebspunkt (beispielsweise oberen Totpunkt) befindet,
– die Differenz U₁ – U₂ der gemessenen Spannungswerte zu ermitteln und
– hieraus in Abhängigkeit von dem Vorzeichen dieser Differenz abzuleiten, ob die Batterie aufgeladen oder fehlerhaft ist.

Wenn die Differenz größer als Null ist, bedeutet dies, dass U₁ größer als U₂ ist. In diesem Fall ist die Steigung P abfallend. Man befindet sich somit in dem in 4 dargestellten Fall, und die Batterie ist dann sehr stark entladen.
Wenn dagegen die Differenz U₁ – U₂ kleiner als Null ist, so ist U₁ kleiner als U₂, und die Steigung P ist ansteigend. In diesem Fall (dargestellt in 1) ist die Batterie richtig aufgeladen.
Im Fall, dass die Differenz U₁ – U₂ Null ist, ist schließlich U₁ gleich U₂. Die Steigung der Kurve ist dann gleich Null (horizontale Gerade), und die Batterie wird dann als schwach aufgeladen angesehen und benötigt eine Wiederaufladung.
Indem somit einfach Messungen der Entladespannungen an zwei aufeinanderfolgenden Totpunkten durchgeführt werden, ist es möglich, eine Kurve zu ziehen, deren Steigung P für den Ladungsgrad der Batterie kennzeichnend ist.
Als Variante (5a, 5b) ist es möglich, den progressiven Mittelwert, der an den Batterieanschlüssen gemessenen Spannung aufzuzeichnen. Dieser Mittelwert ist in 5b dargestellt. In diesem Fall kommt es zu der Detektion eines fehlerhaften Batteriezustandes, wenn die erste Ableitung dieses Mittelwertes kleiner oder gleich Null ist.
Die Analyse dieses Mittelwertes erfolgt in herkömmlicher Weise, was die Ermittlung der ersten und zweiten Ableitung betrifft, und wird hier nicht weiter im einzelnen beschrieben.
Durch Verwendung des progressiven Mittelwertes der gemessenen Spannung bewirkt man tatsächlich eine Filtrierung der Spannungsmessungen in der Weise, dass die Wellen aufgrund der Motorverdichtungstakte während der Antriebsphase II minimiert werden. Wie erinnerlich, ist der progressive Mittelwert der Spannung ein Mittelwert, der an N Messpunkten der Ist-Spannung vor der laufenden Messung ermittelt wurde.
Es sei darauf hingewiesen, dass es im übrigen möglich ist, einen vorher detektierten fehlerhaften Batteriezustand zu verifizieren, wenn der Mittelwert der Entladespannungen während der Antriebsphase kleiner als eine in Abhängigkeit von einer Batterietemperatur vorgegebene Schwelle ist.
In der gleichen Weise kann man erklären, dass die Batterie „alt" ist, wenn die Batterie für fehlerhaft erklärt wurde, und dass ein Mittelwert der Entladespannungen während der Antriebsphase kleiner als eine in Abhängigkeit von der Temperatur vorgegebene Schwelle ist, und vorzugsweise wird in diesem Fall der Fahrer informiert, dass er bald die Batterie auswechseln muss.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Messung der von der Batterie vor der Kontaktherstellung bereitgestellte Spannung U₀ es bereits erlaubt, festzustellen, ob die Batterie leer oder alt ist. Wenn nämlich dieses Spannung U₀ kleiner als vorgegebene Schwellen ist, lässt sich annehmen, dass ein Fehler vorliegt (Entladung, Abnutzung). Wenn dagegen die Spannung U₀ größer als vorgegebene Schwellen ist, bedeutet es nicht automatisch, dass sich die Batterie in gutem Zustand befindet. In diesem Fall bietet das Verfahren gemäß der Erfindung die Möglichkeit, eine Analyse durchzuführen und versteckte Lade- oder Alterungsfehler zu detektieren. Es ist möglich, eine erzwungene Wiederaufladung während einer Fahrt des Fahrzeuges vorzusehen, wenn ein (auch nur kleiner) Aufladefehler durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung festgestellt wurde. Diese erzwungene Wiederaufladung erfolgt beispielsweise durch eine entsprechende Ansteuerung des Wechselstromgenerators und wird von einer Beschränkung des Verbrauchs der Nebenaggregate (Heizung, Autoradio ...) oder auch nicht begleitet.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. So könnte die Messung der Batteriespannung auch an anderen bestimmten Punkten des Arbeitszyklus des Motors erfolgen. Wichtig ist hier, aufeinanderfolgende Messungen der Batteriespannung in entsprechenden Zeitpunkten mindestens zweier aufeinanderfolgender Arbeitszyklen des Motors durchzuführen.

Claims

Verfahren zum Detektieren eines fehlerhaften Zustandes einer Kraftfahrzeugbatterie, wobei das Fahrzeug einen Verbrennungsmotor aufweist, der während einer Antriebsphase von einem an der Fahrzeugbatterie angeschlossenen Anlasser in Drehung versetzt wird, und diese Antriebsphase während einer Startphase des Motors abläuft, welches Verfahren darin besteht, den Verlauf der Entladespannung an den Klemmen der Batterie in Abhängigkeit von der Zeit zu analysieren, und die folgenden Schritte aufweist: – Messen zweier aufeinanderfolgender entsprechender Werte U₁ und U₂ der Entladespannung der Batterie während der Antriebsphase des Kraftfahrzeugmotors, – Berechnen der Differenz der gemessenen Spannungswerte und – Bestimmen des Ladezustandes der Batterie ausgehend von dieser Differenz, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Messung der aufeinanderfolgenden entsprechenden Werte U₁ und U₂ in sich entsprechenden Zeitpunkten zweier aufeinanderfolgender Arbeitszyklen des Motors durchgeführt wird und dass die gebildete Spannungsdifferenz genau U₁ – U₂ ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sich entsprechenden Zeitpunkte der beiden aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen des Motors obere Totpunkte sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie für fehlerhaft erklärt wird, wenn die Differenz der gemessenen Spannungen U₁ – U₂ kleiner oder gleich Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner darin besteht: – den progressiven Mittelwert der gemessenen Entladespannungen (U₁; U₂) zu berechnen und – hieraus zu schließen, dass die Batterie fehlerhaft ist, wenn die erste Ableitung dieses Mittelwertes kleiner oder gleich Null ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht: – den fehlerhaften Zustand der Batterie zu verifizieren, wenn der Mittelwert der Entladespannungen während der Antriebsphase kleiner als eine in Abhängigkeit von einer Batterietemperatur vorgegebene Schwelle ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht: – zu erklären, dass die Batterie „alt" ist, wenn die Batterie als fehlerhaft erklärt wird, und dass ein Mittelwert der Entladespannungen während der Antriebsphase kleiner als ein in Abhängigkeit von der Temperatur vorgegebener Schwellenwert ist, was es erlaubt, den Fahrer zu informieren, dass er die Batterie bald auswechseln muss.