DE3712629A1 - Betriebsdauer-pruefvorrichtung fuer kraftfahrzeugbatterie - Google Patents
Betriebsdauer-pruefvorrichtung fuer kraftfahrzeugbatterieInfo
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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
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.
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.
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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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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