DE10056971A1

DE10056971A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes einer Batterie

Info

Publication number: DE10056971A1
Application number: DE10056971A
Authority: DE
Inventors: Dirk Mentgen; Eberhard Schoch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2002-05-23
Also published as: US20020101243A1; JP2002222668A; US6531874B2; JP4184651B2

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, mit folgenden Schritten: DOLLAR A - Ermittlung eines ersten Batterieladezustands soc¶U0¶ auf der Grundlage einer Messung der Leerlaufspannung der Batterie, DOLLAR A - Ermittlung eines zweiten Batteriezustands soc¶i¶ auf der Grundlage einer Integration eines Batteriestromes über die Zeit und DOLLAR A - Bildung eines gewichteten Mittelwerts aus den ermittelten Batterieladezuständen soc¶U0¶ und soc¶i¶ zum Erhalt eines gemittelten Batterieladezustands soc.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeug-Bleibatterie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Stand der Technik

In einem Kraftfahrzeug (oder einem anderen primär aus einem Verbrennungsmotor mit Energie versorgten System) ist die Funktionsfähigkeit der Starterbatterie des Verbrennungsmotors eine der wichtigsten Voraussetzungen für die Sicherstellung der Betriebsfähigkeit. Üblicherweise wird der Verbrennungsmotor durch einen elektrischen Anlasser gestartet, welcher die Energie für den Startvorgang aus der sogenannten Starterbatterie bezieht. Der Anlasser muß dazu für kurze Zeit ein Drehmoment aufbringen, welches in der Lage ist, den Verbrennungsmotor bei einer gewissen Mindestdrehzahl durchzudrehen. Dazu muß durch den Anlasser ein genügend großer Strom fließen bzw. an dem Anlasser eine ausreichend hohe Spannung anlegen. Ist die Starterbatterie sehr kalt, teilweise entladen oder stark gealtert, kann ihr Innenwiderstand so hoch werden, daß Strom und Spannung nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen, um den Startvorgang sicherzustellen. Eine derartige Problematik ist beispielsweise in der DE 197 05 634 C2 beschrieben.

Es ist versucht worden, den Ladezustand einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeug-Bleibatterie, ausgehend von einem bekanntem Anfangsladezustand, z. B. der Volladung, durch Integration des Batteriestroms über die Zeit zu bestimmen. Aufgrund von bei der Strommessung und der Stromintegration auftretenden Fehlern, sowie aufgrund von Batteriegasungsströmen auftretenden Fehlern muß hierbei jedoch der Ladezustand in gewissen Abständen rekalibriert werden. Hierzu ist es beispielsweise denkbar, die nach längeren Ruhephasen, insbesondere länger als vier Stunden, mit unbelasteter Batterie bestimmbare Ruhespannung zu Verwenden, die proportional zum Ladezustand ist. Es ist jedoch festzustellen, daß die Genauigkeit derartiger Verfahren umgekehrt proportional zur Länge der Ruhephasen ist, d. h., im Falle von Fahrzyklen mit kurzen Ruhephasen, beispielsweise dem Taxibetrieb, führen derartige Verfahren zu unbefriedigenden Ergebnissen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, die Genauigkeit von Verfahren zur Ladezustandsbestimmung einer Batterie insbesondere für Fahrzyklen mit kurzen Ruhephasen zu verbessern.

Darstellung der Erfindung

Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.

Im Gegensatz zu bekannten Verfahren zur Ladezustandsbestimmung, bei denen auf eine Stromintegration mit Rekalibrierung zurückgegriffen werden muß, wird das Stromintegral bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht durch einen Kalibrierungswert ersetzt, sondern durch eine aktuell messbare Leerlaufspannung U₀ unter Bildung eines gewichteten Mittelwertes korrigiert. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, auch kurze Ruhephasen, insbesondere weniger als vier Stunden andauernde Ruhephasen, mit unbelasteter Batterie zur Korrektur des Stromintegrals zu nutzen, so daß insbesondere bei entsprechenden Fahrzyklen mit kurzen Ruhephasen (insbesondere Taxibetrieb) bei der Stromintegration auftretende Fehler gegenüber herkömmlichen Verfahren relativ klein gehalten werden können. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß sich Fehler in der Ruhespannungsbestimmung aus längeren Ruhepausen weniger stark auf den ermittelten Ladezustand auswirken. Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Genauigkeit der Ladezustandsbestimmung bei Anwendung von Stromintegrationsmethoden verbessert.

Die beschriebenen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich in analoger Weise bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der gewichtete Mittelwert zum Erhalt des Ladezustands soc auf der Grundlage einer Gleichung der Form

soc = (1 - gew).soc_i + gew.soc_U0 (1)

ermittelt, wobei gew ein Gewichtungsfaktor ist, für den gilt 0 ≦ gew ≦ 1. Die Einführung eines derartigen Gewichtungsfaktors ist rechnerisch relativ einfach zu bewältigen, wodurch ein Softwareaufwand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gering gehalten werden kann.

Es ist insbesondere bevorzugt, daß der Gewichtungsfaktor auf der Grundlage einer Gleichung der Form

gew = 1 - exp(-t_R/T_R) (2)

gewählt wird, wobei t_R der Dauer einer der Messung vorangegangenen Ruhephase, und T_R der Zeitkonstanten des Einschwingvorgangs der Leerlaufspannung U₀ auf die Ruhespannung U_R der Batterie entspricht. Hierbei wird entsprechend üblicher Terminologie unter Ruhespannung U_R die sich nach längerem Leerlauf schließlich einstellende Leerlaufspannung U₀ verstanden, welche von der Batterietemperatur und der Vorgeschichte (Ladung oder Entladung vor der Ruhephase) abhängt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, insbesondere unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.

Zeichnung

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 ein Flußdiagramm zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Schritt 101 die Leerlaufspannung einer Batterie, deren Ladezustand bestimmt werden soll, ermittelt. Dieser Schritt wird zweckmäßigerweise während oder unmittelbar nach einer Ruhephase bzw. unmittelbar vor einem Startvorgang eines mit der Batterie in Wirkverbindung stehenden Verbrennungsmotors durchgeführt. Auf der Grundlage der ermittelten Leerlaufspannung U₀ wird in einem Schritt 102 in an sich bekannter Weise der Ladezustand soc_U0 der Batterie berechnet.

In einem anschließenden Schritt 103 erfolgt die Ermittlung des Integrals des Batteriestroms über die Zeit. Schritt 103 kann unmittelbar nach Einleitung des Startvorgangs, oder auch zu einer beliebiger, Zeit während des Batteriebetriebes durchgeführt werden. Zweckmäßige Zeitdauern, über welche das Integral ermittelt wird, werden sich in an sich bekannter Weise aus den konkreten Gegebenheiten ergeben.

In einem Schritt 104 wird anschließend auf der Grundlage des ermittelten Batteriestromintegrals ein weiterer Ladezustand soc_i berechnet.

Schließlich folgt in einem Schritt 105 die Bildung eines Mittelwertes aus den ermittelten bzw. berechneten Ladezustandswerten soc_U0 und soc_i zum Erhalt eines gemittelten Ladezustands soc.

Eine Gewichtung für die Mittelwertbildung des Schrittes 105 erfolgt zweckmäßigerweise auf der Grundlage einer Gleichung der Form

soc = (1 - gew).soc_i + gew.soc_U0, mit ≦ 0 ≦ gew 1.

Der Gewichtungsfaktor gew wird dabei abhängig von einer Genauigkeit, insbesondere einer bekannten oder geschätzten Genauigkeit, der ermittelten Ruhespannung U_R gewählt, die wiederum von der Dauer t_R der Ruhephase abhängt. Als zweckmäßig erweist es sich, einen Gewichtungsfaktor gew gemäß einer Gleichung der Form

gew = 1 - exp(-t_R/T_R)

zu wählen.

Der Wert T_R entspricht dabei der Zeitkonstanten des Einschwingvorgangs der Leerlaufspannung U₀ auf die Ruhespannung U_R, die von der Batterietemperatur und der Vorgeschichte abhängt. Werden beispielsweise Werte soc_i = 0,8 und soc_U0 = 0,6 ermittelt, und ferner eine Ruhephase t_R = 0,5 T_R vorausgesetzt, ergibt sich ein Gewichtungsfaktor von 0,39, woraus sich der Batterieladezustand berechnen lässt als

soc = 0,61.0,8 + 0,39.0,6 = 0,722.

Man erkennt eine Abweichung des so ermittelten Ladezustands soc von einer einfachen Mittelwertbildung.

Für den Fall t_R = T_R ergibt sich ein Gewichtungsfaktor von 0,63, was im obigen Beispiel zu einem Batterieladezustand soc = 0,674 führt.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erreicht, daß der Einfluß der Leerlaufspannung U₀, welche mit zunehmender Ruhephase immer genauer bekannt ist, verstärkt in die Mittelwertbildung eingeht.

In Fig. 2 ist mit 20 eine Einrichtung zur Messung der Leerlaufspannung einer Batterie bezeichnet. Ferner ist mit 21 eine Einrichtung zur Messung des Batteriestroms bezeichnet. Diese Einrichtungen 20, 21 sind, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung nicht dargestellter A/D-Wandler, mit einer Rechen- bzw. Controllereinrichtung 22 verbunden, welche auf der Grundlage erhaltener Messwerte die Batterieladezustände soc_U0 und Soc_i berechnet und die oben beschriebene Mittelwertbildung zum Erhalt des gemittelten Batterieladezustands soc durchführt.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Ermittlung eines ersten Batterieladezustands soc_U0 auf der Grundlage einer Messung der Leerlaufspannung der Batterie,
- Ermittlung eines zweiten Batteriezustands soc_i auf der Grundlage einer Integration eines Batteriestromes über die Zeit, und
- Bildung eines gewichteten Mittelwerts aus den ermittelten Batterieladezuständen soc_U0 und soc_i zum Erhalt eines gemittelten Batterieladezustands soc.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gewichtete Mittelwert zum Erhalt des Ladezustands soc auf der Grundlage einer Gleichung der Form
soc = (1 - gew).soc_i + gew.soc_U0
ermittelt wird, wobei gew ein Gewichtungsfaktor ist, für den gilt 0 ≦ gew ≦ 1.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtungsfaktor gew auf der Grundlage einer Gleichung der Form
gew = 1 - exp(-t_R/T_R)
gewählt wird, wobei
t_R die Dauer einer vorangegangenen Ruhephase, und T_R die Zeitkonstante des Einschwingvorgangs der Batterie- Leerlaufspannung U₀ auf die Batterie-Ruhespannung U_R entspricht.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (20, 22) zur Ermittlung des ersten Batterieladezustands socuo auf der Grundlage einer Messung der Leerlaufspannung der Batterie,
eine Einrichtung (21, 22) zur Ermittlung eines zweiten Batteriezustandes soc_i, auf der Grundlage einer Integration eines Batteriestromes über die Zeit, und
eine Einrichtung (22) zur Bildung eines gewichteten Mittelwerts aus den ermittelten Batterieladezuständen soc_U0 und soc_i zum Erhalt eines ermittelten Batterieladezustands soc.