WO2002068977A1

WO2002068977A1 - Verfahren und anordnung zur bestimmung der leistungsfähigkeit einer batterie

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Publication number: WO2002068977A1
Application number: PCT/EP2002/000469
Authority: WO
Inventors: Rainer Mäckel; Reinhard Seyer; Christof Gross; Roger Zimmermann
Original assignee: Daimlerchrysler Ag
Priority date: 2001-02-24
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2002-09-06
Also published as: EP1362243A1; DE10109049A1; JP2004526282A; US20040130296A1

Abstract

Für eine möglichst einfache und sichere Erkennung der Funktionsfähigkeit einer Batterie ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Batterie zur Bereitstellung einer Bordnetzspannung für ein Bordnetz, insbesondere eines Fahrzeugs, vorgesehen, bei dem die Bordnetzspannung (U) erfaßf wird, wobei innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters (Z) für einen vorgebbaren Betriebsmodus Bordnetzspannung (U) und Bordnetzstrom (I) derart überwacht werden, daß die Bordnetzspannung (U) am Ende des Zeitfensters (Z) in Abhängigkeit von dem während des Betriebsmodus abgegebenen Bordnetzstrom (I) einen vorgebbaren Grenzwert (G) überschreitet.

Description

Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer Batterie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer Batterie zur Bereitstellung einer Bordnetzspannung für ein Bordnetz, insbesondere in einem Fahrzeug. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit.

In Fahrzeugen werden zunehmend sicherheitsrelevante Funktionen elektrisch betrieben, wie z.B. elektrische Bremsen. Um sicherzustellen, daß die Funktionsfähigkeit derartiger sicherheitsrelevanter Komponenten gewährleistet ist, müssen diese permanent mit elektrischer Energie versorgt werden. Hierzu ist es bekannt, im Fahrzeug zwei Energiequellen, nämlich eine Batterie und einen Generator, vorzusehen.

Da die Lebensdauer einer konventionellen Blei-Säure-Batterie im Regelfall geringer ist als die Lebensdauer eines Fahrzeugs, kann es vorkommen, daß nur noch eine der beiden Energiequellen funktionstüchtig ist. Aus der DE 195 17 709 ist ein Verfahren zur Überwachung des Funktionszustandes einer Batterie mittels deren Batteriespannung bekannt, wobei in Abhängigkeit vom Ergebnis der Überwachung entschieden wird, ob eine an die Batterie angeschlossene Maschine für einen weiteren Arbeitsgang freigegeben wird oder nicht.

Für den Fall, daß eine Batterie leer oder defekt und somit funktionsuntüchtig ist, kann es auch zu einem Schaden oder zu einer Überlastung der zweiten Energiequelle, dem Generator, kommen. Dies kann dazu führen, daß die Versorgung der Verbrau- eher nicht mehr sichergestellt ist. Darüber hinaus kann das Fahrzeug in einen sicherheitskritischen Zustand gelangen. Aus diesem Grunde sind Maßnahmen erforderlich, die auf der einen Seite den Fahrer warnen, auf der anderen Seite aber auch das Bordnetz und damit das Fahrzeug möglichst lange in einem betriebssicheren Zustand halten. Dazu können beispielsweise nur sicherheitsrelevante Verbraucher ein- bzw. zugeschaltet werden. Aus Betriebs- oder Sicherheitsgründen ist daher sicherzustellen, daß ein minimaler Strombedarf für die wenigen sicherheitsrelevanten Verbrauchern auch im Fall eines Generatorausfalls gedeckt wird. Darüber hinaus ist neben dem Strom auch ein minimales Spannungsniveau sicherzustellen.

Häufig wird zur Ermittlung der Voraussetzungen des Notbetriebs, der Ladezustand sowie der Alterungszustand der Batterie bestimmt. Derartige Verfahren bedingen üblicherweise sogenannte Ruhespannungsmessungen. Dabei müssen zur Messung der Ruhespannung relativ lange Ruhezeiten des Fahrzeugs eingehalten werden. Diese können insbesondere bei einem fahrenden Fahrzeug nicht eingehalten werden. Darüber hinaus ist im Fall einer externen Batterieladung oder eines Batterietauschs, z.B. Batterie mit einer anderen Nennkapazität, eine Bestimmung des momentanen Batteriezustands nicht ermöglicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer Batterie anzugeben, die eine möglichst einfache und sichere Erkennung der Funktionsfähigkeit der Batterie ermöglicht. Darüber hinaus soll eine besonders einfache und kostengünstige Anordnung zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Batterie angegeben werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer Batterie, welche für ein Bordnetz eine Bordnetzspannung bereitstellt, bei dem die Bordnetzspannung erfaßt wird, wobei innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters für einen vorgebbaren Betriebsmodus Bordnetzspannung und Bordnetzstrom darauf überwacht werden, ob die Bordnetzspannung am Ende des Zeitfensters in Abhängigkeit von dem während des Betriebsmodus abgegebenen Bordnetzstrom einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß für eine Beurteilung der Leistungs- und somit Funktionsfähigkeit der Batterie geprüft werden sollte, ob die Batterie bei einem bestimmten Spannungsniveau einen vorgegebenen Strom abgeben kann. Dazu ist eine durch eine Spannungs-Strom-Kennlinie charakterisierende Belastungssituation, z.B. ein vorgebbarer Betriebsmodus eines Fahrzeugs, auf Einhaltung der betreffenden Spannungs-Strom- Kennlinie, insbesondere innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters, zu überwachen.

Zweckmäßigerweise wird innerhalb des Zeitfensters geprüft, ob die Bordnetzspannung bei einem für den betreffenden Betriebsmodus charakterisierenden Bordnetzstrom absinkt und wieder ansteigt. In besonders bevorzugter Ausführungsform wird während des Betriebsmodus geprüft, ob sich die Bordnetzspannung innerhalb eines wenige Sekunden, insbesondere 3 oder 15 Sekunden, andauernden Zeitfensters erhöht. Vorzugsweise wird als Betriebsmodus ein Startvorgang eines Fahrzeugs vorgegeben. Dabei werden beispielsweise während eines Startvorgangs Strom und Spannung im Bordnetz erfaßt und überwacht. Insbesondere während des Startvorgangs eines Fahrzeugs fließt ein besonders hoher Strom. Der Strombedarf während des Start organgs ist dabei größer als der Strombedarf während einer Notbetriebsphase. Somit ist der Betriebsmodus "Startvorgang" für eine Beurteilung der Leistungsfähigkeit, insbesondere der Beurteilung der Einsatzfähigkeit der Batterie im Notbetrieb, besonders geeignet.

Dabei wird davon ausgegangen, daß wenn aufgrund der erfaßten und bewerten Spannungs-Strom-Kennlinie des Startvorgangs eine ausreichende Leistungsfähigkeit der Batterie bestimmt wird, die Minimalanforderungen für den Notbetrieb erfüllt sind. Hierzu wird insbesondere der Verlauf der Bordnetzspannung während des Startvorgangs überwacht. Steigt die Bordnetzspannung am Ende des Startvorgangs wieder an und erreicht somit einen das untere Spannungsniveau kennzeichnenden Schwellenwert, so sind die Bedingungen für einen Notbetrieb der Batterie erfüllt. Sinkt hingegen die Bordnetzspannung unter einen Schwellenwert ab, so sind die Bedingungen für einen Notbetrieb nicht erfüllt, welches beispielsweise dem Fahrer durch Ausgabe eines Signals angezeigt wird.

Darüber hinaus wird gleichzeitig der Bordnetzstrom erfaßt und überwacht. Hierdurch ist sichergestellt, daß die zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Batterie erforderliche Belastung dieser erfolgt. Dies wird insbesondere im Betriebsmodus "Startvorgang" erreicht. Vorteilhafterweise werden während eines vorgebbaren Betriebsmodus ein in die Batterie hineinfließender Ladestrom und/oder aus der Batterie herausfließende Bordnetzstrom erfaßt, anhand derer eine Ladebilanz bestimmt wird. Dabei wird als Betriebsmodus "Normalbetrieb" (=Fahren des Fahrzeugs) vorgegeben. Während des Normalbetriebs wird bevorzugt der in die Batterie hinein- bzw. aus der Batterie hinausfließende Strom bestimmt und bilanziert. Dazu werden die beiden Werte miteinander verglichen. Ist die aus dem Vergleich resultierende Ladebilanz positiv, d.h. Ladestrom > Bordnetzstrom, so ist der Notbetrieb hinreichend abgesichert. Ist hingegen die Ladebilanz negativ, ist diese insbesondere über einen längeren Zeitbereich negativ, so ist der Notbetrieb nicht hinreichend gesichert. Dem Fahrer des Fahrzeugs wird mittels eines ausgegebenen Signals eine entsprechende Warnung gegeben. Alternativ o- der zusätzlich kann eine zeitweise negative, den Notbetrieb nicht gefährdende Ladebilanz ausgegeben werden. Dazu wird vorteilhafterweise die Ladebilanz auf einen negativen Wert für einen vorgebbaren ersten Zeitgrenzwert überwacht.

Zusätzlich wird zweckmäßigerweise die verfügbare Ladung der Batterie bestimmt. Darüber hinaus wird vorteilhafterweise die Bordnetzlast erfaßt. Hierdurch ist ermöglicht, daß durch die Ü- berwachung der verfügbaren Ladung der Batterie der Zeitgrenzwert eingestellt werden kann. Dabei gibt der Zeitgrenzwert jenen Zeitbereich an, in welchem eine dauerhaft negative Ladebi- o ^ ^■_ s tr¹ a a E CQ rsi Hi Φ d O N 3 o K 3 σ s Φ Cfl rt < Ό ESI cfl er N rt φ a Φ Φ P- Φ d φ Φ rr s: φ P- 3 " d Φ H P- Φ P- o 3 P- 13 φ φ s: rt- tu d Φ P- tu

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In bevorzugter Ausführungsform weist die Überwachungseinheit eine Rechnereinheit, insbesondere einen Mikrocontroller, zur automatischen Erfassung und Überwachung der Bordnetzgrößen, z.B. der Bordnetzspannung, des Bordnetzstroms oder der Batteriespannung, des Batteriestroms, auf. Für eine zentrale Überwachung ist die Überwachungseinheit mit einem Datenbus, insbesondere einen CAN-Bus eines Fahrzeugs, verbunden, wobei die Erkennung einer Änderung der Bordnetzlast mittels über den Datenbus übertragener Daten erfolgt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß unabhängig von Umgebungsbedingungen der Batterie sowie unabhängig vom Batterietyp und deren Nennkapazität eine Aussage über die aktuelle Leistungsfähigkeit der Batterie durch Aufnahme, Überwachung und Bewertung der Spannungs- Stro kennlinie der Batterie während eines vorgegebenen Betriebsmodus, insbesondere innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters, ermöglicht ist. Insbesondere ist das Verfahren und die Anordnung unabhängig von Ruhezeiten oder sonstigen Randbedingungen, die üblicherweise für die Bewertung des Ladungszustands einer Batterie erforderlich sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 schematisch eine Anordnung mit einer Überwachungseinheit zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer Batterie, und

FIG 2A,2B ein Diagramm mit einer Spannungskennlinie bzw. einer Stromkennlinie für einen vorgebbaren Betriebsmodus.

Einander entsprechende Teile werden in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Figur 1 zeigt eine Anordnung 1 mit einer Batterie 2 zur Bereitstellung einer Bordnetzspannung U für ein Bordnetz 4, insbesondere eines Fahrzeugs 6. Das Bordnetz 4 wird über den Anschluß 8 mit der Bordnetzspannung U der Batterie 2 versorgt. Zwischen der Batterie 2 und dem Bordnetz 4 ist eine Überwachungseinheit 10 angeordnet. Die Überwachungseinheit 10 umfaßt einen Sensor 12 zur Erfassung der Bordnetzspannung U und einen Sensor 14 zur Erfassung des Bordnetzstroms I. Bei dem Sensor 12 handelt es sich um einen herkömmlichen Spannungssensor, bei dem Sensor 14 um einen herkömmlichen Stromsensor.

Darüber hinaus weist die Überwachungseinheit 10 eine Rechnereinheit 16 zur automatischen Erfassung, Überwachung und Bewertung der Bordnetzgrößen, insbesondere der Bordnetzspannung U und des Bordnetzstroms I, auf. Als Rechnereinheit 16 dient beispielsweise ein MikroController oder eine andere Datenverarbeitungseinheit. Die Rechnereinheit 16 ist dabei über einen Datenbus D, z.B. einen CAN-Bus, mit anderen Steuergeräten oder Systemen des Fahrzeugs β verbunden. Insbesondere empfängt die Rechnereinheit 16 über den Datenbus D Daten über eine Veränderung der Bordnetzbelastung, welche bei der Ermittlung der Leistungsfähigkeit der Batterie 2 berücksichtigt wird. Die Überwachungseinheit 10 ist ferner mit einem Starter 18 zur Identifizierung eines Startvorgangs des Fahrzeugs 6 verbunden.

Im Betrieb der Anordnung 1 wird mittels der Sensoren 12 und 14 anhand der Rechnereinheit 16 eine für einen vorgebbaren Betriebsmodus Spannungs-Strom-Kennlinie bestimmt und analysiert. Dazu werden die Bordnetzspannung U und der Bordnetzstrom I innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters Z erfaßt und analysiert. Zur Bestimmung des Zeitfensters Z umfaßt die Rechnereinheit 16 ein Zeitglied 20.

Bevorzugt wird die Spannungs-Strom-Kennlinie für den Betriebsmodus "Startvorgang" erfaßt, da während des Startvorgangs des Fahrzeugs 6 eine höhere Belastung und somit ein höherer Bordnetzstrom I fließt, als während einer Normalbetriebsphase, insbesondere während einer Notbetriebsphase, erforderlich ist. O G 3 P- 3 3 P- a d a CO rsi rt a sQ co 13 Cd a 13 H < D ω s: s; 1 DJ 1 er H o Cfl t Od o P- 3 d o- 3 ω 3 P- Ω Φ Φ Φ DJ d P- o P- φ P- O P- rt Φ Φ to d -J Φ DJ co φ φ φ

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer Batterie (2) zur Bereitstellung einer Bordnetzspannung (U) für ein Bordnetz (4), insbesondere eines Fahrzeugs (6), bei dem die Bordnetzspannung (U) erfaßt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters (Z) für einen vorgebbaren Betriebsmodus Bordnetzspannung (U) und Bordnetzstrom (I) derart überwacht werden, daß die Bordnetzspannung (U) am Ende des Zeitfensters (Z) in Abhängigkeit von dem während des Betriebsmodus abgegebenen Bordnetzstrom (I) einen vorgebbaren Grenzwert (G) überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß innerhalb des Zeitfensters (Z) geprüft wird, ob die Bordnetzspannung (U) bei einem für den betreffenden Betriebsmodus charakterisierenden Bordnetzstrom (I) absinkt und wieder ansteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß während des Betriebsmodus geprüft wird, ob sich die Bordnetzspannung (U) innerhalb eines wenige Sekunden, insbesondere 3 oder 15 Sekunden, andauernden Zeitfensters (Z) erhöht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß während eines vorgebbaren Betriebsmodus ein in die Batterie (2) hineinfließender Ladestrom (I_L) und/oder aus der Batterie (2) herausfließende Bordnetzstrom (I) erfaßt werden, anhand derer eine Ladebilanz (L) bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ladebilanz (L) auf einen negativen Wert für einen vorgebbaren ersten Grenzwert (G) überwacht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die verfügbare Ladung der Batterie (2) bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Bordnetzlast erfaßt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Umgebungstemperatur und/oder Motortemperatur erfaßt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Betriebsmodus ein Startvorgang des Fahrzeugs (6) vorgegeben wird.

10. Anordnung (1) zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer Batterie (2) zur Bereitstellung einer Bordnetzspannung (U) für ein Bordnetz (4), insbesondere eines Fahrzeugs (6), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine zwischen der Batterie (2) und dem Bordnetz (4) angeordnete Überwachungseinheit (10) vorgesehen ist, die mindestens einen Sensor (12) zur Erfassung der Bordnetzspannung (U) und einen Sensor (14) zur Erfassung des Bordnetzstroms (I) umfaßt, wobei die Ü- berwachungseinheit (10) ein Mittel (16) zur Überwachung von Bordnetzspannung (U) und Bordnetzstrom (I) innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters (Z) für einen vorgebbaren Betriebsmodus umfaßt .

11. Anordnung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sensor (14) zur Erfassung des Bordnetzstroms (I) derart ausgebildet ist, daß der aus der Batterie (2) herausfließende Bordnetzstrom (I) und/oder ein in die Batterie (2) hineinfließender Ladestrom (I_L) bestimmbar ist.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Mittel (24) zur Ermittlung einer Ladebilanz (L) der Batterie (2) vorgesehen ist.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Sensor (22) zur Ermittlung einer Umgebungstemperatur oder einer Motortemperatur vorgesehen ist.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Zeitglied (20) zur Erfassung des Zeitfensters (Z) vorgesehen ist.

15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Überwachungseinheit (10) eine Rechnereinheit (16) , insbesondere einen Mikrocontroller, zur automatischen Erfassung und Überwachung der Bordnetzgrößen aufweist.

16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Überwachungseinheit (10) mit einem Datenbus (D) , insbesondere einen CAN-Bus des Fahrzeugs (6), verbunden ist, wobei die Erkennung einer Änderung der Bordnetzlast mittels über den Datenbus (D) übertragener Daten erfolgt.