DE10049495A1

DE10049495A1 - Verfahren zur Bestimmung der Gebrauchsfähigkeit eines Akkumulators

Info

Publication number: DE10049495A1
Application number: DE10049495A
Authority: DE
Inventors: Gerolf Richter
Original assignee: VB Autobatterie GmbH and Co KGaA
Current assignee: Clarios Germany GmbH and Co KGaA
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2002-04-11

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Gebrauchsfähigkeit eines Akkumulators in einem Kraftfahrzeug durch Messung der Akkumulatorenspannung beim Startvorgang wird nach Beginn des Starts die Spannung (U¶SE¶), bei der der größte Spannungseinbruch erfolgt, eine zeitlich darauf folgende Spannung (U¶00¶) zu dem Zeitpunkt bestimmt, bei dem der direkt folgende Nulldurchgang des durch den Akkumulator fließenden Stromes (I) stattfindet. Der Innenwiderstand (R¶i¶) des Akkumulators als Maß für seine Gebrauchsfähigkeit wird aus der Spannungsdifferenz DELTAU¶E¶ von U¶00¶ und U¶SE¶ und einem empirisch ermittelten Zusammenhang zwischen Motortemperatur (T¶M¶) und Leistungsaufnahme (P) des Startermotors ermittelt. DOLLAR A Der ermittelte Wert des Innenwiderstandes R¶i¶ wird in Abhängigkeit von der Elektrolyttemperatur T¶E¶ und vom Ladezustandswert (SOC) korrigiert.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Gebrauchsfähigkeit einer Starterbatterie in einem Kraftfahrzeug durch Messung der Akkumulatorspannung beim Start vorgang.

Für den Anwender von Fahrzeugbatterien ist es von besonderer Bedeutung, die Gebrauchsfähigkeit des Akkumulators zu kennen. Beispielsweise sind für die Aufgabe einer Starterbatterie, ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor zu starten der Ladezustand und der Alterungszustand der Batterie maßgeblich, da durch diese Zustandsgrößen die Dauer und die Stärke des entnehmbaren Stromes bzw. die Leistungsabgabe begrenzt wird. Insbesondere aber auch wenn sicherheitsrelevante elektrische Verbraucher, wie z. B. elektri sche Bremsen oder elektrisch unterstützte Lenkungen installiert sind, ist die Kenntnis der Gebrauchsfähigkeit des Akkumulators von großer Bedeutung.

Zur Beurteilung der Gebrauchsfähigkeit eines Akkumulators reicht die alleinige Feststellung des Ladezustandes nicht aus. Beispielsweise kann einer stark gealterten Batterie bei hinrei chendem Ladezustand ein kleiner Strom bei mittleren Temperaturen über längere Zeit ent nommen werden. Im Falle einer Hochstrombelastung bricht bei einer solchen Batterie jedoch die Batteriespannung insbesondere in kaltem Zustand sehr schnell zusammen.

Der technische Hintergrund dieses Effekts ist die Tatsache, dass beispielsweise eine voll kommen neue Batterie mit unzureichendem Ladezustand ebenso wie ein vollgeladener Ak kumulator, der sich jedoch aufgrund fortgeschrittenen Verschleißes am Ende seiner Gebrauchsdauer befindet, einen die Hochstromentnahme entscheidend beeinflussenden identischen Innenwiderstandswert besitzen können. Daher sind alle üblichen Verfahren zur Beurteilung des Anstiegs des Batterieinnenwiderstandes als Indikator für den Grad des Ver schleißes bzw. des Akkumulatorgebrauchsalters unzulänglich, wenn nicht der den Innenwi derstand ebenfalls beeinflussende Ladezustand bekannt ist bzw. berücksichtigt wird.

Bekannt sind verschiedene Verfahren zur Ermittlung des Ladezustandes, der Kaltstartfähig keit und der verbleibenden Lebensdauer einer Kraftfahrzeugbatterie.

In vielen Fällen werden integrierende Messgeräte benutzt (Ah-Zähler), wobei der Ladestrom gegebenenfalls unter Bewertung mit einem festen Ladefaktor berücksichtigt wird. Da die nutzbare Kapazität eines Akkumulators stark von der Größe des Entladestromes und der Temperatur abhängig ist, kann mit solchen Verfahren keine zufriedenstellende Aussage über die der Batterie noch entnehmbare nutzbare Kapazität getroffen werden. Insbesondere, wenn sicherheitsrelevante elektrische Verbraucher, wie zum Beispiel elektrische Bremsen oder elektrisch unterstützte Lenkhilfen installiert sind, ist die Kenntnis der Gebrauchsfähigkeit des Akkumulators von Bedeutung.

Dem Dokument DE 43 39 568-A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands einer Kraftfahrzeugstarterbatterie zu entnehmen, bei dem Batteriestrom und Ruhespannung ge messen werden und aus diesen auf den Ladezustand geschlossen wird, wobei zusätzlich auch die Batterietemperatur berücksichtigt wird. Die während verschiedener Zeiträume ge messenen Ladeströme werden miteinander verglichen und daraus eine Restkapazität ermit telt. Die Feststellung des Ladezustandes reicht allerdings nicht immer aus, insbesondere da zu berücksichtigen ist, dass bei einer stark gealterten Batterie trotz hinreichenden Ladezu stands bei der Belastung die Spannung zusammenbricht und somit die Gebrauchsfähigkeit der Batterie nicht gewährleistet ist.

Aus dem Dokument DE 39 01 680-C ist ein Verfahren zur Überwachung der Kaltstartfähigkeit der Starterbatterie eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem der zeitliche Verlauf des beim Anlassen eintretenden Spannungsabfalls beobachtet und ausgewertet wird. Die Aus wertung erfolgt dabei anhand von Grenzwerten einer aus Erfahrungswerten gewonnenen Kennlinie und in Abhängigkeit von der Batterietemperatur.

Weiterhin ist aus dem Dokument DE 27 30 258-A eine Vorrichtung zum Anzeigen des Lade zustandes einer Fahrzeugbatterie bekannt, die neben der Batteriespannung und wenigstens einem weiteren Batterieparameter die Motortemperatur erfasst und eine Warnanzeige liefert, wenn ein vorgegebener Grenzwert unterschritten wird.

Dokument DE 37 12 629-C offenbart eine Messvorrichtung für die verbleibende Lebensdauer einer Kraftfahrzeugbatterie, die die Batteriespannung und den dazugehörigen Laststromwert vor und nach dem erstmaligen Starten bei vollgeladenem Zustand der Batterie erfasst, den temperaturkompensierten Innenwiderstand ermittelt und in einem Speicher ablegt sowie mit den bei den späteren Startvorgängen der Verbrennungskraftmaschine ermittelten Innenwi derstandswerten vergleicht. Die Anzeige erfolgt danach in Abhängigkeit von vorgegebenen, abgespeicherten Schwellwerten.

Bekannt ist auch aus der Druckschrift DE 197 50 309 A1 ein Verfahren zur Bestimmung der Startfähigkeit der Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Spannungseinbruch beim Starten des Fahrzeugs gemessen und mit den Spannungswerten eines Kennlinienfeldes verglichen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Gebrauchsfähigkeit eines Akkumulators in einem Kraftfahrzeug anzugeben, welches zuverlässig arbeitet und insbe sondere auf eine aufwendige Strommessung verzichtet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im kenn zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens angegeben.

Nur während des Starts eines Kraftfahrzeugmotors ist eine Situation gegeben, die es erlaubt, den Gebrauchszustand des Akkumulators über eine Innenwiderstandsmessung zu ermitteln, wenn die Elektrolyttemperatur bekannt ist und sich der Ladezustand innerhalb vorgegebener Grenzen befindet, da der Entladestrom im Mittel die notwendige Mindestgröße besitzt. Ein weiterer Grund ist die Tatsache, dass sich Batterieverschleißvorgänge im allgemeinen deut lich langsamer einstellen, als sich der Ladezustand während des Betriebs eines Akkumula tors z. B. während eines Fahrzyklusses ändert.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, zur Ermittlung des Innenwiderstandes einer Fahrzeugbatterie insbesondere die Hochstromladungsentnahme während des Starts auszunutzen und aus der Messung des Spannungsabfalls während dieses Vorgangs die Gebrauchsfähigkeit SOH (State of Health) zu ermitteln.

Zu einer eindeutigen Ermittlung des Gebrauchszustandes SOH müssen, wie bereits ausge führt, der Ladezustand SOC (State of Charge) und die Elektrolyttemperatur T_E bekannt sein und sich bezüglich ihrer Werte in bestimmten Grenzen bewegen. Allerdings kann nur in den seltensten Fällen die Berechnung des Ladezustandes SOC, wie häufig vorgeschlagen, aus der Ruhespannung des Akkumulators erfolgen, da die gemessene Batterieklemmenspan nung durch vorangegangene Lade- bzw. Entladevorgänge in Kombination mit einer zu kur zen Standzeit von der sogenannten Ruhespannung deutlich abweichen kann.

Erfindungsgemäß wird daher ergänzend zur Klemmenspannung vor dem Start und nach dem Beginn des Starts die Spannung, die sich nach dem Start zum Zeitpunkt des ersten Nulldurchgangs des Batteriestroms aus der Start- in die Betriebsphase einstellt als Bezugs- und Ausgangspunkt für die Innenwiderstandsermittlung gemessen. Die Messung der Bat terieklemmenspannung vor dem Start dient beim erfindungsgemäßen Verfahren lediglich zur Entscheidung, ob der jeweilige Startvorgang überhaupt zur Ermittlung des Innenwiderstan des herangezogen werden soll. Ist beispielsweise die Klemmenspannung vor dem Start deutlich größer als die übliche Ruhespannung einer Kraftfahrzeugbatterie, so wird dieser Startvorgang als Messwertlieferant zur Innenwiderstandsermittlung verworfen. Im Falle einer absolut großen Differenz zwischen der Klemmenspannung vor dem Start und der ersten Strom-Nulldurchgangsspannung werden die Messwerte ebenfalls verworfen, da der Einfluss des Starts auf den Ladezustand zu groß war.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Batteriespannung U_B einer Batterie, die sich vor dem Start über mehrere Stunden im Zustand der Ruhe befand und zusätzlich einen ausreichend hohen Ladezustand aufweist. In diesem Fall ist die Klemmenspannung vor dem Start fast identisch mit der Span nung des ersten Nulldurchganges des Batteriestromes I_B nach dem Startvorgang.

Fig. 2 zeigt dabei den prinzipiellen Verlauf der Batteriespannung U_B in Abhängigkeit vom Batteriestrom I_B beim Startvorgang, vorausgesetzt die Batterie ist wenige Stunden vor dem Start geladen worden und weist einen zufriedenstellenden Ladezustand auf.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Batteriespannung U_B im Fall eines unzureichenden Ladezu standes, der die Ursache dafür darstellt, dass die Spannung des ersten Nulldurchganges ebenfalls erheblich unter dem Ausgangswert liegt. Diese Situation ist geeignet den schlech ten Ladezustand jedoch nicht den Grad des Verschleißes anzuzeigen.

Mit U_R ist in den Figuren die Regler-Maximalspannung, die für einen 6-zelligen Bleiakkumu lator üblicherweise bei etwa 14,3 Volt liegt, angegeben. Die Batteriespannung U_SO fällt wäh rend des Startvorganges auf einen tiefsten Wert U_SE ab und steigt dann wieder in Richtung Ladebereich, um zuvor die Spannungsachse beim Ladestrom von Null im Wert U₀₀ zu schneiden. Die Neigung K des Spannungsanstiegs ist ein Maß für den Innenwiderstand der Batterie. Die Spannung U₀ repräsentiert die Ruhespannung, d. h. den tatsächlichen Ladezu stand der Batterie; bei einer Spannung U_O100 von ca. 12,7 V ist die Batterie zu 100% gela den, bei einer Spannung U_OL von ca. 10,5 Volt ist die Batterie im unbelasteten Fall de finitionsbedingt leer.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Spannungen während des Starts wie folgt gemessen und ausgewertet. In der Ausführungsform gemäß Beispiel 1 wird zur Er mittlung des Batterieinnenwiderstandes die tiefste während des Startvorganges auftretende Spannung herangezogen. Die Aussagekraft dieses Messverfahrens sinkt bei extrem tiefen Elektrolyttemperaturen in Verbindung mit einem sehr anspruchsvollen Start eines z. B. ebenfalls sehr kalten Motors. Der sich im Augenblick der niedrigsten Spannung einstellende Strom ist über weite Temperaturbereiche auf einen konstanten Wert limitiert. Daneben wird die Motortemperatur T_M und die Elektrolyttemperatur T_E gemessen.

Beispiel 1

1. Messung der Klemmenspannung vor dem Start (U_SO)
2. Messung der kleinsten Spannung während des Starts (U_SE)
3. Messung der Batteriespannung zum Zeitpunkt des ersten Stromnulldurchgangs (U_OO)
4. Verwerfen der Messungen falls U_SO < 13 V
(Batterieruhezeit zu kurz bei vorangegangener Ladung)
5. Verwerfen falls U_SE < 6 V
(Anzeige: schlechter Ladezustand)
6. Verwerfen falls U_OO < 12,6 V und U_SE < 11 V
(Lade- und Gebrauchszustand sind gut)
7. Berechnung der Differenz U_SO-U_OO = ΔU_S
Verwerfen, falls ΔU_S < 0,3 V
(Einfluss des Starts auf den Ladezustand zu groß)
8. Berechnung der Differenz U_OO-US_E = ΔU_E
9. Zuordnung von ΔU_E, der gemessenen Elektrolyttemperatur T_E sowie der gemessenen Motortemperatur T_M.

Gemäß Beispiel 2 wird ein Mittelwert der Batteriespannung nach Starteinleitung ermittelt.

Beispiel 2

1. Messung wie Beispiel 1
2. Messungen der Batteriespannungen in einer Messfrequenz von 1 bis 10 kHz beginnend nach etwa 100 ms nach Starteinleitung über ein Zeitintervall von ebenfalls 100 ms.
3. Messung wie Beispiel 1
4. Verwerfen wie Beispiel 1
5. Bildung des Spannungsmittelwerts U_SM aus dem Messwertekollektiv, ermittelt unter Pkt. 2. Verwerfen für den Fall, dass U_SM < 6 V
6. Verwerfen wie Beispiel 1
(U_SE wird durch U_SM ersetzt)
7. Berechnung wie Beispiel 1
8. Berechnung der Differenz U_OO-U_SM = ΔU_M
9. Zuordnung ΔU_M, der gemessenen Elektrolyttemperatur T_E und der gemessenen Motor temperatur T_M.

Mit den in den Beispielen geschilderten Verfahren ist gewährleistet, dass der zur Berech nung des Innenwiderstandes R_i erforderliche Spannungseinbruch ΔU_E bzw. ΔU_M unter Be rücksichtigung des Ladezustandes der Batterie als auch hinsichtlich einer sinnvollen Aus wahl von auszuwertenden Starts ermittelt werden kann. Da das erfindungsgemäße Verfah ren sich aber zum Ziel gesetzt hat, auf die aus Beziehung (1) ersichtliche, eigentlich erfor derliche Ermittlung des Batteriestromes zu verzichten, wird erfindungsgemäß dafür eine Hilfsgröße mit äquivalenter Aussagekraft herangezogen.

R_{i Batterie} = ΔU/I_Batterie (1)

Hierzu eignet sich die Leistungsaufnahme Pstarter des Startermotors gemäß der Formel (2)

P_Starter ~ I² _Starter (2)

Es ist bekannt, dass die Leistungsaufnahme des Startermotors über weite Gebiete proportio nal dem Anwerfdrehmoment (M_s) multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit ω der Verbren nungskraftmaschine ist, welches wiederum als Funktion der Motortemperatur (Öltemperatur) T_M bei etwa gleichem ω dargestellt werden kann. Da der Starterstrom mit dem Batteriestrom identisch ist, folgt gemäß der Formel (3) eine direkte Abhängigkeit des Batterieinnenwi derstandes von der Motortemperatur T_M

Wie bereits erläutert, ist der Innenwiderstand R_i einer Batterie von den Größen Elektrolyt temperatur (T_E), Ladezustand (SOC) und Verschleiß bzw. Gebrauchsfähigkeit (SOH) abhän gig. Aus diesen Überlegungen heraus ergibt sich mit Gleichung (4) die endgültige Beziehung für die Abschätzung der Gebrauchsfähigkeit

SOH = f(ΔU(T_E, SOC, T_M, ω)) (4)

Üblicherweise ist die Gebrauchstüchtigkeit SOH als ein Wert zwischen 0 und 1 (0% bis 100%) definiert. Demzufolge ist bei einer neuen Batterie SOH = 1 (100%) und bei einer ver schlissenen SOH = 0 (0%). Überträgt man diese Definition auf die Abhängigkeit vom Innen widerstand R_i so folgt mit Gleichung (5)

In Gleichung (5) bedeuten R_i der aktuelle Innenwiderstand und λ das Verhältnis des Innen widerstandes der neuen Batterie R_in zum Innenwiderstand der völlig verbrauchten Batterie (R_{i Krit}).

Typische λ-Werte liegen für Starterbatterien im Bereich von 0,1 bis 0,9, insbesondere jedoch zwischen 0,5 und 0,85.

Ersetzt man in Formel 5 den aktuellen Innenwiderstand durch die Beziehungen 4 und 5, so erhält man in Formel 6 die Gebrauchsfähigkeit der Batterie SOH.

Die Auswertung von Gleichung (6) mittels eines Bordnetzrechners macht somit folgende Schritte erforderlich:

1. Ermittlung von ΔU_S bzw. ΔU_M der neuen Batterie unter den Randbedingungen eines gu ten bis mittleren Ladezustandes SOC und bei etwa gleicher Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle sowie eine Zuordnung und Speicherung dieser Werte in einem von den Temperaturen T_E und T_M aufgespannten Feld.
2. Nach Ablauf der Batterieneuphase von ca. ½ bis 1 Jahr beginnt der Vergleich der jeweili gen aktuellen Batteriespannungseinbrüche, gemessen unter gleichen Randbedingungen und dem gleichen Temperaturzahlenpaar zugeordnet.

Da die in modernen Fahrzeugen befindlichen Bordrechner hinsichtlich ihrer Speicherfähigkeit begrenzt sind, jedoch auch komplizierte Rechenoperatationen problemlos und schnell abar beiten können, ist es vorteilhaft, das durch Motortemperatur und Batterietemperatur aufge spannte Feld der Spannungseinbrüche im Batterieneuzustand und später im aktuellen Gebrauchszustand speicherplatzsparend abzulegen. Dazu bietet es sich an, statt des abge legten, mittels zweidimensionaler Regression geglätteten und durch Inter- und Extrapolation geschaffenen Feldes das Produkt (Gleichung 7) zweier Gleichungen, von deren jede entwe der nur eine Funktion der Motortemperatur oder der Elektrolyttemperatur ist, zu benutzen.

ΔU = f (T_E, SOC).f(T_M, ω) (7)

Da es sich bei den Funktionen f(T_E) und f(T_M) über weite Bereiche um einfache Proportiona litäten handelt, ist die Umrechnung der gemessenen Spannungseinbrüche in eine normierte Größe ΔU* möglich. Gleichung (8) soll dies beispielhaft verdeutlichen:

In diesem Fall vereinfacht sich die Speicherung und der Vergleich von Spannungseinbrü chen zur Ermittlung von SOH auf einen einzigen Wert für die neue Batterie und ebenfalls nur einen für jeden aktuellen Start.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Gebrauchsfähigkeit eines Akkumulators in einem Kraft fahrzeug durch Messung der Akkumulatorenspannung beim Startvorgang, dadurch ge kennzeichnet, dass nach Beginn des Starts die Spannung (U_SE), bei der der größte Spannungseinbruch erfolgt, bestimmt wird und dass eine zeitlich darauf folgende Span nung (U₀₀) zu dem Zeitpunkt bestimmt wird, bei dem der direkt folgende Nulldurchgang des durch den Akkumulator fließenden Stromes (I) stattfindet und dass der Innenwider stand (R_i) des Akkumulators als Maß für seine Gebrauchsfähigkeit aus der Spannungs differenz ΔU_E von U₀₀ und U_SE und einem empirisch ermittelten Zusammenhang zwi schen Motortemperatur (T_M) und Leistungsaufnahme (P) des Startermotors ermittelt wird.

2. Verfahren wie Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beginn des Starts über einen vorgegebenen Zeitraum in festgelegten Abständen die Akkumulatorenspannung ermittelt wird und aus dieser ein Mittelwert U_SM gebildet wird, und dass eine zeitlich dar auf folgende Spannung (U₀₀) zu dem Zeitpunkt bestimmt wird, bei dem der direkt fol gende Nulldurchgang des durch den Akkumulator fließenden Stromes (I) stattfindet und dass der Innenwiderstand (R_i) des Akkumulators als Maß für seine Gebrauchsfähigkeit aus der Spannungsdifferenz ΔU_M von U₀₀ und U_SM und einem empirisch ermittelten Zu sammenhang zwischen Motortemperatur (T_M) und Leistungsaufnahme (P) des Starter motors ermittelt wird.

3. nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Wert des Innenwi derstands R_i in Abhängigkeit von der Elektrolyttemperatur T_E des Akkumulators korrigiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ermit telte Wert des Innenwiderstands R_i in Abhängigkeit vom Ladezustandswert (SOC) korri giert wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn des Starts die Spannung U_S0 gemessen wird und aus dieser ein Kriterium für die Zulässigkeit einer Berechnung der Gebrauchsfähigkeit abgeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Inbetriebnahme eines neues Akkumulators ein Kennlinienfeld (ΔU_E, ΔU_M) als Funk tion von Elektrolyttemperatur (T_E) und Motortemperatur (T_M) gemessen wird, im Batterie managementsystem des Bordnetzes gespeichert wird und mit gemessenen Werten im laufenden Betrieb des Akkumulators verglichen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gemes senen Kennlinien in Form von normierten Größen im Batteriemanagementsystem ge speichert werden.