DE10163222B4 - Kraftfahrzeug-Bordnetz und Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit desselben - Google Patents

Kraftfahrzeug-Bordnetz und Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit desselben Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes mit mindestens einem Generator und mindestens einer mit dem Generator verbundenen Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der höherfrequenten Wechselanteile der durch den Generator erzeugten Bordnetzspannung (U) durch die mit dem Generator verbundene Batterie überwacht und bei unzureichender Dämpfung ein Fehlerzustand der Batterie festgestellt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Bordnetz mit mindestens einem Generator, einer mit dem Generator verbundenen Batterie und elektrischen Verbrauchern gemäß Patentanspruch 8 sowie ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines solchen Kraftfahrzeug-Bordnetzes gemäß Patentanspruch 1.
  • Kraftfahrzeug-Bordnetze umfassen mindestens einen Generator, mindestens eine Batterie und elektrische Verbraucher, wobei der Generator mit der Batterie verbunden ist. Über die Batterie werden dann die elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs versorgt, wobei immer häufiger auch elektrische Verbraucher versorgt werden, die für Grundfunktionen des Kraftfahrzeugs, wie zum Beispiel Bremsen, Lenken und dergleichen, notwendig sind. An die Verfügbarkeit und Funktionsfähigkeit der elektrischen Energieversorgung eines solchen Kraftfahrzeugs werden deshalb höhere Anforderungen gestellt als bei einem Kraftfahrzeug, bei dem das Bordnetz lediglich elektrische Komfortverbraucher, wie beispielsweise Heizung, Innenbeleuchtung oder Audio/Video-Geräte, versorgt.
  • Die benötigte Bordnetzleistung wird üblicherweise von einem Generator und einer Starterbatterie bereit gestellt. In modernen Kraftfahrzeugen mit einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern kommen zunehmend sogenannte Zwei-Batteriesysteme zur Anwendung. Dabei dient die eine Starterbatterie der Spannungsversorgung des Starters und anderer startrelevanter Verbraucher im Startfall; und die andere Bordnetzbatterie versorgt im Betriebsfall die anderen elektrischen Verbraucher im Bordnetz. Ein derartiges Zwei-Batteriesystem ist zum Beispiel in der DE 199 53 534 A1 oder der DE 199 57 478 A1 der Anmelderin beschrieben.
  • Um die Funktionsfähigkeit des Bordnetzes zu gewährleisten, wird zum Beispiel in der oben genannten DE 199 57 478 A1 beschrieben, vor dem Startvorgang des Kraftfahrzeugs den Ladezustand beider Batterien zu überprüfen, so dass gegebenenfalls geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.
  • Des weiteren offenbart die DE 100 19 847 A1 der Anmelderin ein Bordnetz, bei dem im Betriebsfall mittels eines Aufwärts/Abwärts-Wandlers die Bordnetzspannung stabilisiert wird, um auch spannungsschwankungsempfindliche Verbraucher zu versorgen.
  • Da, wie oben erwähnt, über die Batterie immer häufiger auch elektrische Verbraucher versorgt werden müssen, die für Grundfunktionen des Kraftfahrzeugs notwendig sind, ist es immer wichtiger, die Verfügbarkeit und Funktionsfähigkeit einer solchen Batterie zu überwachen. Eine abgeklemmte Batterie, was zum Beispiel durch Korrosion der Zuleitungen oder Zellenverbinder erfolgen kann, kann zu einem starken Einbruch der Bordnetzspannung und damit zu einer Nichtverfügbarkeit der elektrischen Geräte zur Abdeckung von Grundfunktionen des Kraftfahrzeugs führen. Es ist deshalb wichtig, die Funktionsfähigkeit der Batterie zu überwachen, um gegebenenfalls Maßnahmen zur Stabilisierung der Bordnetzspannung zu treffen, die zumindest den Weiterbetrieb des Kraftfahrzeugs für einen gewissen Zeitraum sicherstellen.
  • In diesem Zusammenhang ist es zum Beispiel aus der DE 39 01 680 C3 bekannt, die Kaltstartfähigkeit der Starterbatterie zu überwachen. Hierzu wird während des Startvorgangs der Verlauf des Spannungsabfalls am Starter als dem größten Stromverbraucher erfasst und ausgewertet. Des weiteren offenbart zum Beispiel die DE 197 57 362 A1 eine Spannungsversorgung für ein Funktelefon in einem Kraftfahrzeug mit einer Spannungsüberwachungsschaltung, um bei einem Ausfall der Batterie, genauer bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes durch die Bordnetzspannung, eine Hilfsspannungsquelle zuzuschalten, um das Funktelefon zumindest für eine gewisse Zeit weiter betreiben zu können.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln die Funktionsfähigkeit eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes zu überwachen bzw. einen Fehlerzustand der Batterie eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes festzustellen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug-Bordnetz mit den Merkmalen von Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8 bzw. 9 bis 14.
  • Die erfindungsgemäße Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer geeigneten Überwachungsschaltung die Dämpfung der höherfrequenten Wechselanteile der durch den Generator erzeugten Bordnetzspannung durch die mit dem Generator verbundene Batterie überwacht und bei unzureichender Dämpfung ein Fehlerzustand der Batterie festgestellt wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Generator im Betrieb eine Gleichspannung mit überlagerten, höherfrequenten Wechselanteilen erzeugt, die durch Gleichrichtung, Drehzahlschwankungen und Eingriffen des Generatorreglers verursacht werden. Diese Wechselanteile sind bei laufendem Verbrennungsmotor permanent vorhanden. Die mit dem Generator verbundene Batterie des Bordnetzes, d.h. im Fall des Ein-Batteriesystems die Starterbatterie oder im Fall des Zwei-Batteriesystems die Bordnetzbatterie, glättet diese wellige Gleichspannung durch ihre kapazitive Wirkung, wobei diese höherfrequenten Wechselanteile gedämpft werden. Die höherfrequenten Wechselanteile in der Bordnetzspannung sind also in einem Bordnetz mit funktionstüchtiger, angeschlossener Batterie geringer ausgeprägt als bei einem Bordnetz mit abgeklemmter oder unzureichend funktionsfähiger Batterie. Indem die Dämpfung der höherfrequenten Wechselanteile der durch den Generator erzeugten Bordnetzspannung durch die mit dem Generator verbundene Batterie überwacht wird, kann somit auf einfache Weise festgestellt werden, ob die Batterie noch mit dem Bordnetz verbunden und ausreichend funktionstüchtig ist.
  • Ein so festgestellter Fehlerzustand der Batterie kann selbstverständlich auch optisch, akustisch oder dergleichen angezeigt werden, und es können Maßnahmen zur Kompensation des Fehlerzustandes eingeleitet werden, um den Betrieb des Kraftfahrzeugs wenigstens für eine gewisse Zeitdauer aufrechtzuerhalten, so dass beispielsweise ein Kundendienst aufgesucht werden kann.
  • Zur Überwachung der Dämpfung genügt die Erfassung der Bordnetzspannung als einzige Eingangsgröße, wobei vorzugsweise der zeitliche Verlauf der Bordnetzspannung in einem bestimmten Abtastintervall erfasst und ausgewertet wird. Die elektrische Impedanz zwischen dem Messpunkt der Überwachung und den Batterieanschlüssen sollte dabei möglichst klein gewählt werden.
  • Neben den genannten höherfrequenten Wechselanteilen, die durch die Batterie gedämpft werden, existieren auch überlagerte Wechselanteile, die auf die elektrischen Verbraucher, Schalthandlungen des Fahrers, eine veränderte Leistungsfähigkeit des Generators oder dergleichen zurückzuführen sind. Diese Wechselanteile sind üblicherweise von niederer Frequenz. Aus diesem Grund wird die erfasste Bordnetzspannung vorzugsweise hochpassgefiltert, so dass nur die höherfrequenten Wechselanteile der Bordnetzspannung weiter ausgewertet werden, welche durch eine angeschlossene Batterie gedämpft werden.
  • Die Hochpassfilterung der erfassten Bordnetzspannung erfolgt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Differenz von zwei nacheinander erfassten Werten der Bordnetzspannung ermittelt und ein Fehlerzustand der Batterie festgestellt wird, wenn diese Differenz, genauer der Betrag dieser Differenz einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Das Kriterium für die Feststellung eines Fehlerzustandes der Batterie kann somit durch die folgende Formel ausgedrückt werden: U[t0 + ΔT] – U[t0]·| > ΔUGrenz,wobei t0 ein beliebiger Anfangszeitpunkt einer Erfassung der Bordnetzspannung,
    U[t] die Bordnetzspannung zum Zeitpunkt t,
    ΔT das Abtastintervall der Bordnetzspannung,
    ΔUGrenz ein vorgegebener Grenzwert der Bordnetzspannung ist.
  • In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Abtastung der Spannung mit einer niedrigen Abtastrate, damit der Auswertungsalgorithmus kostengünstig in Steuergeräte implementiert werden kann. Die niedrige Abtastrate kann allerdings zu einer Unterabtastung der Spannungskurvenform führen. Um dennoch eine Aussage über die hochfrequenten Wechselanteile der Spannung zu erlangen, wird eine Folge von Spannungsdifferenzen statistisch ausgewertet.
  • Eine bevorzugte statistische Auswertung ist die Aufsummierung der Beträge der Spannungsdifferenzen nach folgender Gleichung:
    Figure 00050001
    wobei t0 ein beliebiger Anfangszeitpunkt einer Erfassung der Bordnetzspannung,
    U[t] die Bordnetzspannung zum Zeitpunkt t,
    ΔT das Abtastintervall der Bordnetzspannung,
    m, n ganze Zahlen, und
    ΔUGrenz,Summe ein vorgegebener Grenzwert sind.
  • Wenn die so ermittelte Summe den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird ein Fehlerzustand der Batterie festgestellt.
  • In einer weiteren statistischen Auswertung wird ein Mittelwert der Beträge der Spannungsdifferenzen über einen bestimmten Zeitraum berechnet:
    Figure 00050002
    wobei t0 ein beliebiger Anfangszeitpunkt einer Erfassung der Bordnetzspannung,
    U[t] die Bordnetzspannung zum Zeitpunkt t,
    ΔT das Abtastintervall der Bordnetzspannung,
    m, n ganze Zahlen, und ΔUGrenz,Mittel ein vorgegebener Grenzwert der Bordnetzspannung sind.
  • Mit anderen Worten wird die Differenzbildung der Bordnetzspannung über einen Zeitraum m·ΔT betragsmäßig gemittelt.
  • Wenn der so berechnete Mittelwert den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird ein Fehlerzustand der Batterie festgestellt.
  • Um die Zuverlässigkeit der Feststellung eines Fehlerzustandes weiter zu erhöhen, d.h. mit anderen Worten die Wahrscheinlichkeit des Erkennens eines eigentlich nicht vorhandenen Fehlerzustandes zu minimieren, wird vorzugsweise ein Fehlerzustand der Batterie nur dann festgestellt, wenn die Differenz bzw. der Mittelwert den vorgegebenen Grenzwert mehrere Male hintereinander übersteigt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, mit einer sehr geringen Abtastrate und einer sehr geringen Rechenleistung, einen Fehlerzustand der Batterie, insbesondere den Zustand einer vom Bordnetz abgeklemmten Batterie, festzustellen. Somit kann dieses Verfahren ohne großen Aufwand in bestehende Steuergeräte von Kraftfahrzeug-Bordnetzen implementiert werden.
  • Ein Kraftfahrzeug-Bordnetz mit mindestens einem Generator, einer mit dem Generator verbundenen Batterie und elektrischen Verbrauchern weist zur Durchführung der oben beschriebenen Vorgehensweisen zur Feststellung eines Fehlerzustandes eine Überwachungsschaltung auf, welche die Dämpfung der höherfrequenten Wechselanteile der durch den Generator erzeugten Bordnetzspannung durch die mit dem Generator verbundene Batterie überwacht und bei unzureichender Dämpfung einen Fehlerzustand der Batterie feststellt. Insbesondere ist die Überwachungsschaltung derart ausgebildet ist, dass sie den zeitlichen Verlauf der Bordnetzspannung in einem bestimmten Abtastintervall erfasst und auswertet.
  • Um die verschiedenen Stufen der Feststellung eines Fehlerzustandes gemäß den oben beschriebenen Formeln zu realisieren, weist die Überwachungsschaltung eine Differenzbildungsschaltung, die den Betrag der Differenz von zwei nacheinander erfassten Werten der Bordnetzspannung ermittelt, und eine Vergleichsschaltung zum Vergleichen dieser Differenz mit einem vorgegebenen Grenzwert ΔUGrenz auf. Vorzugsweise weist die Überwachungsschaltung eine Differenzbildungsschaltung, die den Betrag der Differenz von zwei nacheinander erfassten Werten der Bordnetzspannung ermittelt, eine Additionsschaltung zur Aufsummierung der Beträge der Differenzen über einen Zeitraum m·ΔT und eine Vergleichsschaltung zum Vergleichen dieses Summenwertes mit einem vorgegebenen Grenzwert ΔUGrenz,Summe auf. Und besonders bevorzugt weist die Überwachungsschaltung eine Differenzbildungsschaltung, die den Betrag der Differenz von zwei nacheinander erfassten Werten der Bordnetzspannung U ermittelt, eine Mittelwertbildungsschaltung zur Mittelung der Beträge der Differenzen über einen Zeitraum m·ΔT und eine Vergleichsschaltung zum Vergleichen dieses Mittelwertes mit einem vorgegebenen Grenzwert ΔUGrenz,Mittel auf.
  • Es wird ferner ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf spezielle Konstruktionen von Kraftfahrzeug-Bordnetzen beschränkt ist. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung sowohl bei Ein-Batteriesystemen (zur Überwachung der einzigen Batterie) als auch bei Zwei-Batteriesystemen (zur Überwachung der Bordnetzbatterie) eingesetzt werden.
    •

Claims (14)

  1. Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes mit mindestens einem Generator und mindestens einer mit dem Generator verbundenen Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der höherfrequenten Wechselanteile der durch den Generator erzeugten Bordnetzspannung (U) durch die mit dem Generator verbundene Batterie überwacht und bei unzureichender Dämpfung ein Fehlerzustand der Batterie festgestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Bordnetzspannung (U) in einem Abtastintervall (ΔT) erfasst und ausgewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Bordnetzspannung (U) hochpassgefiltert wird, so dass nur die höherfrequenten Wechselanteile der Bordnetzspannung weiter ausgewertet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochpassfilterung durch die Differenz (ΔU) von zwei nacheinander erfassten Werten der Bordnetzspannung (U) erfolgt und ein Fehlerzustand der Batterie festgestellt wird, wenn der Betrag dieser Differenz einen vorgegebenen Grenzwert (ΔUGrenz) übersteigt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtastintervall (ΔT) größer als die Periodendauer der höherfrequenten Wechselanteile der Bordnetzspannung ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beträge der Differenzen (ΔU) von zwei nacheinander erfassten Werten der Bordnetzspannung (U) über einen Zeitraum m·ΔT aufsummiert und ein Fehlerzustand der Batterie festgestellt wird, wenn dieser Summenwert einen vorgegebenen Grenzwert (ΔUGrenz,Summe) übersteigt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beträge der Differenzen (ΔU) von zwei nacheinander erfassten Werten der Bordnetzspannung (U) über einen Zeitraum m·ΔT gemittelt werden und ein Fehlerzustand der Batterie festgestellt wird, wenn dieser Mittelwert einen vorgegebenen Grenzwert (ΔUGrenz,Mittel) übersteigt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehlerzustand der Batterie festgestellt wird, wenn der Betrag der Differenz bzw. der Summenwert bzw. der Mittelwert den vorgegebenen Grenzwert (ΔUGrenz, ΔUGrenz,Summe, ΔUGrenz,Mittel) mehrere Male hintereinander übersteigt.
  9. Kraftfahrzeug-Bordnetz, mit mindestens einem Generator, einer mit dem Generator verbundenen Batterie und elektrischen Verbrauchern, gekennzeichnet durch eine Überwachungsschaltung, welche die Dämpfung der höherfrequenten Wechselanteile der durch den Generator erzeugten Bordnetzspannung (U) durch die mit dem Generator verbundene Batterie überwacht und bei unzureichender Dämpfung einen Fehlerzustand der Batterie feststellt.
  10. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung derart ausgebildet ist, dass sie den zeitlichen Verlauf der Bordnetzspannung (U) in einem Abtastintervall (ΔT) erfasst und auswertet.
  11. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung ein Hochpassfilter aufweist, so dass nur die höherfrequenten Wechselanteile der Bordnetzspannung weiter ausgewertet werden.
  12. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung eine Differenzbildungsschaltung, die den Betrag der Differenz (ΔU) von zwei nacheinander erfassten Werten der Bordnetzspannung (U) ermittelt, und eine Vergleichsschaltung zum Vergleichen dieser Differenz mit einem vorgegebenen Grenzwert (ΔUGrenz) aufweist.
  13. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung eine Differenzbildungsschaltung, die den Betrag der Differenz (ΔU) von zwei nacheinander erfassten Werten der Bordnetzspannung (U) ermittelt, eine Additionsschaltung zur Aufsummierung der Beträge der Differenzen über einen Zeitraum m·ΔT und eine Vergleichsschaltung zum Vergleichen dieses Summenwertes mit einem vorgegebenen Grenzwert (ΔUGrenz,Summe) aufweist.
  14. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung eine Differenzbildungsschaltung, die den Betrag der Differenz (ΔU) von zwei nacheinander erfassten Werten der Bordnetzspannung (U) ermittelt, eine Mittelwertbildungsschaltung zur Mittelung der Beträge der Differenzen über einen Zeitraum m·ΔT und eine Vergleichsschaltung zum Vergleichen dieses Mittelwertes mit einem vorgegebenen Grenzwert (ΔUGrenz,Mittel) aufweist.
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