DE102004009328C5

DE102004009328C5 - Batteriesystem, Verfahren zum Überwachen der Batterie und Vorrichtung hierfür

Info

Publication number: DE102004009328C5
Application number: DE102004009328A
Authority: DE
Inventors: Takuya Kinoshita; Hideki Miyazaki; Akihiko Emori; Tetsuro Okoshi; Tokiyoshi Hirasawa
Original assignee: Hitachi Ltd; Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Resonac Corp
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: DE102004009328A1; DE102004063956C5; DE102004063956B4; US20040251875A1; US7173397B2; JP2005003414A; DE102004009328B4; JP4377164B2

Abstract

Verfahren zur Überwachung einer Abnormalität wie etwa einer Leistungsverschlechterung einer Batterie, die elektrische Energie speichert, indem sie geladen wird, und die die gespeicherte Energie an eine Last abgibt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
wiederholtes Messen der Spannung und des Stroms der Batterie bei jeder Energieabgabe an die Last zumindest bis unmittelbar nach dem Ende der Energieabgabe an die Last;
Vorhersagen eines Erholungsmusters der Entladespannung zum Entladestrom der Batterie mittels einer Näherungsrechnung basierend auf Spannungs- und Stromwerten gemessen innerhalb der ersten Hälfte der Motoranlasszeitdauer nach dem Spitzenzeitpunkt des Entladestroms;
Ermitteln des Erholungsmusters der Entladespannung zum Entladestrom der Batterie bis unmittelbar vor oder nach dem Ende der Energieabgabe an die Last auf der Basis der wiederholt gemessenen Spannung und des gemessenen Stroms;
Überwachen von mindestens der Schwankung der sich erholenden Spannung unmittelbar vor oder nach der Beendigung der Entladung an die Last; und
Diagnostizieren der...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungseinschätzung einer Sekundärbatterie (die nachstehend einfach als ”Batterie” bezeichnet wird) und einer Batterieausstattung und insbesondere ein System zur Überwachung, ob eine in einem Kraftwagen oder dergleichen eingebaute Batterie normal funktioniert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fahrzeuge wie Kraftwagen sind jeweils mit einer Bleibatterie als Sekundärbatterie ausgestattet, und sie wird als Energiequelle zum Anlassen des Motors, für die Lichtanlage, Kraftstoffeinspritzung usw. verwendet. Es ist wünschenswert, die Entladeleistungsabnahme der Bleibatterie im Voraus zu erkennen. Wenn die Batterie über keinen ausreichenden Energievorrat verfügt, nachdem der Motor abgestellt wurde, ist sie nicht imstande, den Motor wieder zu starten.
Eine gewöhnliche 12-Volt-Bleibatterie besteht aus sechs in Reihe geschalteten 2-Volt-Zellen. Wenn eine der Zellen eine Fehlfunktion hat und in Zustand umgekehrter Ladung gerät, entsteht zum Zeitpunkt des Entladens ein Spannungsabfall, der gleich 2 Volt oder um 2 Volt oder mehr größer als der Normalzustand ist, und die Batterie kann möglicherweise den Motor nicht starten.
Es ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, um die Lebensdauer einer Batterie anhand der Messung ihrer Spannungserholungseigenschaften im Voraus zu erkennen.
Ein Verfahren zum Einschätzen des Leistungsrückgangs einer Batterie auf der Basis der Spannungserholungseigenschaften auf der Zeitachse nach einer großen Last ist in der japanischen Offenlegungsschrift JP 11-0523034 A (Absatz 0011 und 2) beschrieben worden.
Die Technik der vorstehend genannten Patentveröffentlichung basiert die Einschätzung der Leistungsminderung auf der Zeit, die verstrichen ist, bis die Spannung bei einem großen Lasteinsatz wieder hergestellt ist, und daher muss die Batterie vor und nach dem großen Lasteinsatz praktisch gleiche Lastströme aufweisen. Eine Autobatterie weist keine Last auf, bevor der Motor angelassen wird, und sie wird geladen, nachdem der Motor angelassen worden ist. Aufgrund eines Ladestroms nach dem großen Lasteinsatz übersteigt die Batteriespannung bald die Leerlaufspannung, und daher kann das Schema dieser Patentveröffentlichung nicht auf die Autobatterie angewendet werden.
Hinsichtlich der Batterie für die Antriebsenergiequelle von Hybridkraftwagen (die einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor verwenden) und Brennstoffzellenkraftwagen können die Batterieeigenschaften nichtwährend der Fahrt gemessen werden. Aus diesem Grund ist es schwierig, einen Mangel an Energievorrat während einer Fahrt und den Ausfall beim erneuten Anlassen des Motors usw. abzuschätzen.
Die vorliegende Erfindung soll die vorstehenden Probleme lösen und ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Leistungseinschätzung (Überwachung) einer Sekundärbatterie zur Verfügung stellen, um den abrupten Abfall der Batterieleistung im Voraus zu erkennen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um das vorstehende Ziel zu erreichen, beruht die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt auf einem Verfahren zur Überwachung der Abnormalität der Batterieausstattung, die zum Speichern von Energie geladen wird und die gespeicherte Energie zu einer Last entlädt, wobei die Batterieausgangsspannung und der Batterieausgangsstrom während der Energieentladung zu einer Last gemessen werden, die Spannungserholungseigenschaften zum Entladestrom der Batterieausstattung aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom erhalten werden, mindestens die Schwankung der sich erholenden Spannung unmittelbar vor oder nach der Beendigung der Energieentladung zur Last überwacht wird und die Abnormalität der Batterieausstattung auf der Grundlage des Überwachungsergebnisses diagnostiziert wird.
Vorliegend bezeichnet „Abnormalität” mindestens einen Defekt, eine Fehlfunktion oder einen Ausfall usw. der Batterie.
Um das vorstehende Ziel zu erreichen, beruht die vorliegende Erfindung gemäß einem anderen As pekt auf einer Ausrüstung zur Überwachung der Abnormalität der Batterieausstattung, die zum Energiespeichern geladen wird und die gespeicherte Energie zu einer Last entlädt, wobei mindestens die Schwankung der sich erholenden Spannung unmittelbar vor oder nach der Beendigung der Energieentladung zur Last in den Entladespannungserholungseigenschaften zum Entladestrom der Batterieausstattung damit überwacht wird, um die Abnormalität der Batterieausstattung zu diagnostizieren.
Zur Erreichung des vorstehenden Ziels beruht die vorliegende Erfindung gemäß einem noch anderen Aspekt auf einem Batteriesystem, das folgendes umfasst: eine Batterieausstattung, die zum Speichern von Energie geladen wird und die gespeicherte Energie zu einer Last entlädt, einen Spannungssensor, der die Ladespannung und Entladespannung der Batterieausstattung misst, einen Stromsensor, der den Ladestrom und Entladestrom der Batterieausstattung misst, und eine Steuerung, der die Ausgangsleistungen von Spannungssensor und Stromsensor aufnimmt und das Laden und Entladen der Batterieausstattung steuert, wobei die Steuerung mindestens die Schwankung der sich erholenden Spannung unmittelbar vor oder nach der Beendigung der Energieentladung zur Last in den Entladespannungserholungseigenschaften zum Entladestrom der Batterieausstattung überwacht, um dadurch die Abnormalität der Batterieausstattung zu diagnostizieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Entladegeschwindigkeit und der nützlichen Speicherkapazität einer Batterie zeigt;
2 ist eine graphische Darstellung, die schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Batterie während des Motoranlassens zeigt;
3 ist eine graphische Darstellung, die schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Batterie während des Motoranlassens in einem Zustand verringerter geladener Energie zeigt;
4 ist ein Blockschaltdiagramm, das den Triebstrang (das Antriebssystem) eines Kraftwagens zeigt;
5 ist ein Blockschaltdiagramm, das die Batteriesteuerung (Batterieausstattung) und deren Peripherie eines Kraftwagens auf der Basis einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
6 ist ein Flussdiagramm, das den auf einer Ausführungsform dieser Erfindung basierenden Batteriezustandserfassungsvorgang zeigt;
7 ist eine erläuternde graphische Darstellung, die die Strom- und Spannungswellenformen der Batterie während des Motoranlassens zeigt;
8 ist eine erläuternde graphische Darstellung, die die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Batterie während des Motoranlassens zeigt;
9 ist eine erläuternde graphische Darstellung, die die Strom- und Spannungswellenformen der Batterie während des MG-Betriebs zeigt;
10 ist eine erläuternde graphische Darstellung, die die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Batterie während des MG-Betriebs zeigt;
11 ist eine graphische Darstellung, die schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Batterie während des Motoranlassens zeigt, wenn die Batterie einem Zustand der Überentladung nahe ist;
12 ist eine graphische Darstellung, die schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften der Batterie während des Motoranlassens zeigt, wenn die Batterie den Zustand der Überentladung erreicht hat;
13 ist ein Blockschaltdiagramm einer dezentralen Elektroenergiequelle, das sich von einer anderen Anwendung der vorliegenden Erfindung ableitet;
14 ist ein Blockschaltdiagramm eines Elektrizitätssystems eines Brennstoffzellenkraftwagens, das von einer noch anderen Anwendung der vorliegenden Erfindung abgeleitet wird; und
15 ist eine graphische Darstellung der Eigenschaften, die die Beziehung zwischen den Vorgängen beim Motorabstellen und den Abnormalitätsbeurteilungsspannungen während der Fahrt eines Kraftwagens zeigt, das mit der Batteriesteuerung (Batterieausstattung) auf der Basis einer Ausführungsform dieser Erfindung ausgerüstet ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen dieser Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
Diese Erfindung weist zwei Aspekte auf. Der erste Aspekt ist die Feststellung von Batterieeigenschaften, die zur Abnormalitätsvorauserkennung verwendet werden sollen, und der zweite Aspekt ist die Bestimmung eines Algorithmus zur Abnormalitätsbeurteilung.
Eine gewöhnliche Bleibatterie zum Anlassen eines Kraftwagenmotors (12-Volt-Bleibatterie) besteht aus sechs in Reihe geschalteten Bleibatteriezellen. Wenn diese Batteriezellen unterschiedliche Ladungszustände aufweisen und irgendeine Batteriezelle während des Entladungsvorgangs in den Zustand der Überentladung oder umgekehrten Ladung aufgrund der Disparität der Selbstentladungsgeschwindigkeit, Ladeeffizienz und dem Ansteigen der Selbstentladungsgeschwindigkeit als Ergebnis einer Leistungsverschlechterung gerät, entstehen Probleme wie etwa eine inadäquate Entladungsausgangsleistung und plötzliche Leistungsminderung. Aufgrund dessen ist es notwendig, die Batterie zu überwachen und zu steuern, so dass alle Batteriezellen sich im gleichen Ladezustand befinden und nicht in den Zustand einer Überentladung geraten.
1 zeigt den Zustand zwischen der Entladungsgeschwindigkeit und der nutzbaren Kapazität einer Batterie. Praktisch alle Batterien zeigen diese Tendenz. Die Entladungsgeschwindigkeit entlang der Horizontalachse gibt die Nennleistungskapazität an, wobei der Entladestrom in einer Stunde durch 1C dargestellt ist. Beispielsweise hat eine 20-Ah-Batterie eine Entladung von 20 Ampere bei 1C und eine Entladung von 100 Ampere bei 5C. Bei gewöhnlichen Batterien sinken die Nutzkapazitäten, wenn sie in Betrieb sind, um große Ströme zu entladen. Bei Batterien, die zum Motoranlassen verwendet werden oder für Hybridkraftwagen benutzt werden, schwanken die Lastströme dynamisch, wie später erläutert werden wird. Dementsprechend neigen die Batterien zum Motoranlassen und für Hybridkraftwagen dazu, in einen Zustand der Überentladung oder umgekehrten Ladung zu geraten, wenn ihre Nutzkapazitäten aufgrund der Entladung eines großen Stroms abgenommen haben.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Spannungsabfalltendenz während der Entladung eines großen Stroms studiert und das Auftreten eines einzigartigen Symptoms der Überentladung sogar bei der dynamischen Stromleitung festgestellt. Dies sind die Batterie-Eigenschaften als der vorstehend erwähnte erste Aspekt dieser Erfindung.
2 zeigt schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften während des Motoranlassens. Wenn der Anlasser eingeschaltet wird, fließt ein hoher schneller Strom, was dazu führt, dass die Spannung abfällt, was dadurch gezeigt ist, dass die Ortskurve nach links abwärts geht. Der Laststrom nimmt mit der Zunahme der Motorgeschwindigkeit zu, was dazu führt, dass die Spannung sich erholt, was dadurch gezeigt ist, dass die Ortskurve nach oben rechts zurückgeht. Im Fall einer Normalbatterie erreicht die Ortskurve den Tiltwinkel progressiv auf dem Rückweg als Reaktion auf die Abnahme des Laststroms, wie durch die gestrichelte Linie gezeigt ist. Diese Kurve ist als Tafelsche Formel der elektrochemischen Theorie gut bekannt. Wenn sich jedoch irgendeine der Reihenbatteriezellen im Endzustand des Entladens befindet, vermindert sich die Erholung der Batteriezelle, was zu einem Spannungsabfall führt, und die Ortskurve nimmt die ausgezogene Linie der 2 ein. In diesem Zustand kann die Batterie den Motor ohne Problem anlassen.
3 zeigt die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften in dem Fall, in dem der Ladezustand sich seit dem Zustand der 2 weiter verschlechtert hat. Insbesondere fällt eine der Reihenbatteriezellen in den Zustand einer Überentladung oder umgekehrten Ladung, was dazu führt, dass die Batteriespannung während des Entladens um 2 bis 3 Volt abfällt, was zu einem Versagen beim Motoranlassen führt. Durch die Vorauserkennung der Überladung in dem in 2 gezeigten Zustand und ausreichendes Laden der Batterie wird es möglich, den Spannungsabfall, wie in 3 gezeigt, zu verhindern und das Anlassen des Motors sicherzustellen.
Als nächstes wird die Hardware-Anordnung der erfindungsgemäßen Batterieausstattung erläutert. Der Hauptabschnitt der Batterieausstattung wird vorliegend „Batteriesteuerung” genannt.
4 zeigt durch ein Blockschaltdiagramm den Triebstrang (das Antriebssystem) eines Kraftwagens. Ein Motor 45, mit dem ein Anlasser 43 und ein Elektrogenerator 44 verbunden sind, wird durch eine Motorsteuerung 91 gesteuert. Der Anlasser 43 und der Generator 44 sind mit einer Batterie 10 zum Austausch von Elektroenergie verbunden und sie tauschen auch mechanische Energie mit der Antriebswelle des Kraftwagens aus. Der Anlasser 43 und der Generator 44 werden von einer Motor-/Batterie-Steuerung 40 gesteuert, welche die Energie steuert, die zwischen der Batterie 10, dem Anlasser 43 und dem Generator 44 ein- und ausfließt, und sie steuert auch den Betrieb des Anlassers 43 und des Generators 44. Die Batterie 10 ist mit der Motor-/Batterie-Steuerung 40 verbunden, die den Zustand der Batterie 10 überwacht.
Eine Elektroenergie-Lenkvorrichtung 41 und eine Elektrobremsvorrichtung 42 sind mit der Batterie 10 verbunden. Die Motorsteuerung 91, die Motor-/Batterie-Steuerung 40, die Gesamtsteuerung 92, die Elektroenergie-Lenkvorrichtung 41, die Elektrobremsvorrichtung 42 und die Anzeigevorrichtung 94 sind miteinander über ein Netzwerk verbunden. Die Gesamtsteuerung 92 gibt Steuerbefehle an andere Steuerungen aus, um dadurch das Kraftwagen zu steuern. Die Anzeigevorrichtung 94 liefert Betriebsinformationen an den Kraftwagenfahrer.
5 zeigt durch ein Blockschaltdiagramm die Batterieüberwachungsfunktion der Motor-/Batterie-Steuerung 40 und deren Peripherie. Die Steuerung entspricht dem Batterieabnormalitäts-Überwachungssystem dieser Erfindung.
Eine Batterie 10 besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen. Die Batterie 10 ist mit einem Motor/Generator MG 48 verbunden, der typischerweise einen Motor/Generator, einen Anlasser und einen Generator, aufweist. Ein Stromsensor 20 wandelt den Strom der Batterie 10 in ein Spannungssignal um.
Eine CPU 46 ist ein Abschnitt einer Motor-/Batterie-Steuerung 40 zum Implementieren der Batterieüberwachungsfunktion, und sie weist einen Speicher 100, einen Näherungsberechnungsabschnitt 101, einen Korrelationsfaktorberechnungsabschnitt 102, einen Abnormalitätsbeurteilungsabschnitt 103 und einen Batterieaustauschbeurteilungsabschnitt 104 auf. Verschiedene Berechnungs- und Steuerungsfunktionen der CPU 46 werden nachstehend im Detail erläutert.
Die CPU 46 nimmt Spannungsdaten von einem Spannungssensor 30 und Stromdaten von einem Stromsensor 31 entgegen. Die CPU 46 meldet einer hochrangigen Steuerung 47 und auch dem Kraftwagenfahrer über die Anzeigevorrichtung Abnormalitätsinformationen. Die hochrangige Steuerung 47 entspricht dem Motorsteuerungsabschnitt der Motor-/Batterie-Steuerung 40 oder der in 4 gezeigten Gesamtsteuerung 92.
Als nächstes wird der zweite Aspekt dieser Erfindung, d. h. ein Berechnungsverfahren zur Vorauserkennung der Batterieabnormalität aus Messergebnissen, erläutert. 6 zeigt durch ein Flussdiagramm die von der CPU 46 durchgeführten Verarbeitungen. Zunächst beginnt der Verarbeitungsschritt 200 die Messung der Spannung und des Stroms der Batterie 10 unmittelbar nach dem Einschalten des Kraftwagenzündschlüssels. Die Messung des Stroms und der Spannung findet in Abstanden von ungefähr 1 ms statt. Die gemessenen Strom- und Spannungsdaten werden im Speicher 100 abgelegt. Als nächstes werden bei Schritt 202 Abnormalitätsdaten zum Endzeitpunkt des Motors, an dem der vorherige (letzte) Zündschlüsselschalter ausgeschaltet wurde, aus dem Speicher 100 gelesen. Die Abnormalitätsdaten bei Schritt 230 sind in den Speicher 100 beim vorherigen Abschalten des Zündschlüssels geschrieben worden.
Danach werden die Batterieabnormalitätsdaten analysiert, und der Vorgang geht zu Schritt 214 als Reaktion auf das Vorhandensein einer Abnormalität oder bei Abwesenheit einer Abnormalität zu Schritt 204 weiter.
In Schritt 204 wird das Ende des Motoranlassens beurteilt und wenn das Motoranlassen noch nicht beendet ist, kehrt der Vorgang zu Schritt 204 zurück. Der Anfang und das Ende des Motoranlassens können auf der Grundlage des Ein- bzw. Aus-Zustands des Anlassersteuerungssignals beurteilt werden oder auf der Grundlage des Batteriestromwerts unterhalb eines Schwellenwerts I1 (–200 Ampere in der vorliegenden Ausführungsform) bzw. über einem weiteren Schwellenwert I2 (–60 Ampere in der vorliegenden Ausführungsform) beurteilt werden. Beispielsweise wird festgestellt, dass das Motoranlassen der Anfangszustand ist, wenn sich das Anlassersteuerungssignal im Ein-Zustand befindet, das Motoranlassen der Endzustand ist, wenn sich das Anlassersteuerungssignal im Aus-Zustand befindet, oder das Motoranlassen der Anfangszustand ist, wenn der Batteriestromwert unter einem Schwellenwert I1 liegt und das Motoranlassen der Endzustand ist, wenn der Batteriestromwert über einem Schwellenwert I2 liegt. Bei Abschluss des Motoranlassens geht der Vorgang zu Schritt 206 weiter.
Der Schritt 206 der Näherungsrechnung führt die Regressionsanalyse für die erstere Hälfte der Spannungs- und Stromdaten zum Zeitpunkt des Motoranlassens durch, um dadurch eine Näherungsformel zu erhalten. Diese Ausführungsform gibt der Einfachheit halber die folgende Formel erster Ordnung an.
[Formel 1]

V = OCV + R·I (1)
wobei V für die Batteriespannung steht, OCV für die Batteriespannung bei Null Strom steht, R für den Innenwiderstand der Batterie steht und I für den Batteriestrom steht, der beim Laden positiv ist.

7 zeigt ein Beispiel der Batteriespannung und des Batteriestroms sowie des Anlassersteuerungssignals zum Zeitpunkt des Motoranlassens. Während der Zeitdauer 1 unmittelbar nach dem Beginn des Motoranlassens ist die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften nicht stabil, wie durch leere rhombische Zeichen in der graphischen Darstellung der 8 angegeben ist. Daher werden von der Zeitdauer 2 in 7 abgeleitete Kenndaten, die durch ausgefüllte rhombische Zeichen in der graphischen Darstellung der 8 angegeben sind, verwendet, um eine Näherungslinie zu erhalten. Die Zeitdauer 2 kann innerhalb der ersten Hälfte der Motoranlasszeitdauer gesetzt werden, obwohl sie in dieser Ausführungsform so definiert ist, dass sie von 50 ms bis 150 ms nach dem Beginn des Motoranlassens dauert. Der Zeitpunkt des Beginns des Motoranlassens kann auf dem Steuerungssignal des Anlassers 43 basiert werden oder kann von dem Zeitpunkt abgeleitet werden, wenn der Batteriestrom unter den Schwellenwert I1 absinkt.
9 zeigt die Spannungs- und Stromwellenformen in dem Fall, wenn ein Wechselstrommotor und -wandler statt eines Anlassers (Gleichstrombürstenmotor) zum Anlassen des Motors verwendet werden. Auch kann in diesem Fall die ähnliche Näherungsberechnung wie in 10 gezeigt ausgeführt werden.
Danach analysiert der Schritt 208 der Korrelationsfaktorberechnung die Spannungs- und Stromdaten, die in der Näherungsrechnung verwendet worden sind, um den Korrelationsfaktor r mit der folgenden Formel zu erhalten. [Formel 2]
wobei n für die Anzahl der während der Zeitdauer 2 gemessenen Näherungsdaten steht. Zwar wird in dieser Ausführungsform der Korrelationsfaktor verwendet, der die Ableitung von der Formel erster Ordnung einschätzt, aber eine alternative Weise basiert auf der Annäherung durch Summierung (ausgedrückt durch Formel (3)) der Tafel-Formel und der Formel erster Ordnung und der Auswertung des quadratischen Mittelwerts (ausgedrückt durch Formel (4)) der Differenz zwischen der Näherungsformel und den Näherungsdaten.
[Formel 3]

V = (OCV + a) + R·I + bln|I| (3) [Formel 4]
worin a und b für Tafel-Konstanten mit unterschiedlichen Polaritäten und Werten zwischen Laden und Entladen stehen.

Danach vergleicht der Schritt 210 die (durch den schwarzen Punkt in 7 und 9 angegebene) Spannung unmittelbar vor oder nach dem Ende des Motoranlassens mit dem vorherigen Ergebnis der Näherungsformel, erhält dadurch die Abnormalitätsbeurteilungsspannung mittels der Differenz der (durch den schwarzen Punkt in 8 gezeigten) Strom-Spannungs-Daten von der Näherungslinie und setzt den Überentladungsmerker, wenn sich die Beurteilungsspannung außerhalb des Normalbereichs befindet. Alternativ kann der Fall des schwarzen Punkts von 8 außerhalb des Normalbereichs, der sich über der Näherungslinie befindet (Abnormalitätsbeurteilungsspannung unter 0 Volt) als abnormal beurteilt werden: (Schema 1). Der Zeitpunkt des Endes des Motoranlassens kann auf dem Steuerungssignal des Anlassers basiert werden oder kann von dem Zeitpunkt abgeleitet werden, an dem der Batteriestrom den Schwellenwert I2 überschreitet.
11 zeigt schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften in dem Fall, wenn sich der Anlasservorgang in einem der Überentladung viel näheren Zustand befindet. Zur Abnormalitätsüberwachung dieses Falls wird, wenn das Berechnungsergebnis des Korrelationsfaktors gleich einem Schwellenwert ist oder unterhalb eines Schwellenwerts liegt, oder wenn der quadratische Mittelwert der Differenz zwischen der Näherungsformel und den Näherungsdaten größer als ein Bezugswert ist, d. h. eine unzureichende Übereinstimmung der Näherungsformel und der Näherungsdaten vorliegt, der Fall als abnormal beurteilt: (Schema 2).
12 zeigt schematisch die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften in dem Fall, wenn die Batterie in den Zustand der Überentladung gerät. In diesem Fall fallen die Näherungsformel und -daten zusammen und dementsprechend können Schema 1 und Schema 2 nicht für die Abnormalitätsbeurteilung herangezogen werden. Daher wird, falls die Spannung unmittelbar vor dem Ende des Anlasserbetriebs in den Abnormalitätsbereich eintritt, der Fall als abnormal beurteilt: (Schema 3).
Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform Daten, von denen vor oder nach dem Ende der Lastoperation, wenn die Empfindlichkeit der Abnormalitätsbeurteilung am höchsten ist, eine Probe genommen wurde, zur Implementierung der Abnormalitätsbeurteilung verwendet werden, kann sich die zeitliche Steuerung der Datenprobennahme leicht vom Ende der Lastoperation unterscheiden, vorausgesetzt, dass die Empfindlichkeit der Beurteilung ausreichend ist.
Obwohl das Schema 1 der vorliegenden Ausführungsform die Strom-Spannungs-Daten, von denen unmittelbar vor dem Ende des Motoranlassens eine Probe genommen wurde, mit der Näherungsformel vergleicht, besteht eine alternative Weise darin, Daten zu verwenden, von denen unmittelbar nach dem Ende des Motoranlassens eine Probe genommen wurde.
Danach sendet der Schritt 212 das Ergebnis der Abnormalitätsbeurteilung an die Anzeigevorrichtung 94, um dem Kraftwagenfahrer über die Abnormalität zu informieren. Zur selben Zeit wird das Ergebnis der Abnormalitätsbeurteilung der hochrangigen Steuerung 47 angezeigt, die auf die Anzeige der Batterieabnormalität reagiert, um das automatische Abstellen des Motors 45 zu verhindern. Mit anderen Worten verhindert sie die Energieentladung an den Anlasser 43, verhindert das Einstellen der Energieerzeugung des Generators 44 und lädt die Batterie 10 durch die vorbestimmte Operationsabfolge.
Im Fall einer Bleibatterie oder Lithium-Ionen-Batterie wird der Generator 44 grundlegend betrieben, um seine maximale Ausgangsleistung zu erzeugen, und nachdem die Batteriespannung die voreingestellte Obergrenze erreicht hat, wird die Generatorausgangsleistung gesteuert, um die Obergrenzenspannung zu halten. Nachdem die Batterie etwa eine Stunde lang geladen worden ist, werden die Sperrung des automatischen Abstellens des Motors 45, die Sperrung der Energieentladung an den Anlasser 43 und die Sperrung des Einstellens der Energieerzeugung aufgehoben.
Im Fall einer NiMH-Batterie wird der Generator 44 betrieben, um eine praktisch konstante Ausgangsleistung zu erzeugen, und wenn die Ladebeendigungsbedingung erfüllt ist, zum Beispiel, wenn die Batterietemperaturanstiegsrate das Bezugsniveau erreicht hat, wird die Generatorausgangsleistung auf ein Stromniveau von 0,1C verringert. Nachdem die Batterie eine bestimmte Zeitlang ununterbrochen geladen worden ist, wird die Sperrung des automatischen Abstellens des Motors 45 aufgehoben.
Auf der Grundlage des vorgenannten gesteuerten Ladens werden alle in Reihe geschalteten Batteriezellen geladen. Früh aufgeladene Batteriezellen warten auf das Aufladen der übrigen Batteriezellen, während sie ihre überschüssige Elektroenergie thermisch zerstreuen und schließlich sind alle Batteriezellen gleich geladen. Diese Vorgangsreihen werden von der CPU 46 im Vollladebeurteilungsschritt 214 und im Abnormalitätsmerkerzurücksetzungsschritt 216 der 6 implementiert.
Der Schritt 218 der Batterieaustauschbeurteilung summiert den Stromwert auf, mit dem die Batterie bei jedem Kreislaufzyklus der Schritte 203, 214 und 218 geladen worden ist, nachdem die Abnormalität auftaucht, bis die Batterie voll geladen ist. Wenn der kumulative Stromwert zu dem Zeitpunkt, an dem die Batterie voll geladen und der Abnormalitätsmerker zurückgesetzt sind, kleiner ist als der Schwellenwert, setzt der Schritt 218 den Batterieaustauschmerker, informiert die hochrangige Steuerung 47 und benachrichtigt den Fahrer durch die Anzeigevorrichtung 94 von der Notwendigkeit eines Batterieaustauschs.
Wenn die Leistungskapazität der Batterie, die durch diesen Vorgang mittels des kumulativen Stromwert vom Auftreten der Batterieabnormalität bis zum Ende des vollständigen Ladens eingeschätzt wird, kleiner wird und die mangelhafte Erholung anzeigt, wird die Batterie so beurteilt, dass ihre Betriebsdauer abläuft, und der Kraftwagenfahrer wird aufgefordert, sie zu ersetzen.
Obwohl die vorgenannte Ausführungsform die Beurteilung der Batterieabnormalität auf der Grundlage des Laststroms des Anlassers vornimmt, kann die Beurteilung auf die Stromwellenform der Energielenkvorrichtung 41 oder der Elektrobremsvorrichtung 42 in ihrem aktivierten Zustand basiert werden. Während des Betriebs des Motors 45 wird, wenn irgendeine dieser Vorrichtungen mit Lastströmen in der Größenordnung von 100–200 Ampere zu funktionieren beginnt, fast der gesamte Laststrom zunächst von der Batterie geliefert, und nach einer Verzögerung von etwa 200 ms mittels der Zeitkonstante wird der Laststrom vom Generator 44 geteilt. infolgedessen fließt ein Strom, der der Stromwellenform von 7 ähnelt, aber von der Größe her geringer ist, durch die Batterie, was die Beurteilung der Batterieabnormalität auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.
15 zeigt die Beziehung zwischen der Anzahl der Leerlaufstopps (nämlich Anzahl der Anlasserbetätigungen: Wiederholungszahl vom Motoranlassen bis zum Motorabstellen) und den Abnormalitätsbeurteilungsspannungen während der Fahrt eines Kraftwagens, der mit der erfindungsgemäßen Ausstattung ausgerüstet ist. Der Test wurde mit der Absicht ausgeführt, die Wirksamkeit dieser Erfindung zu bestätigen, indem die Batterie zur Freisetzung von Energie betrieben wurde, um in den Zustand einer Überentladung zu kommen, bis sie schließlich nicht mehr den Motor anlassen kann. Beim ersten Motoranlassen befand sich die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften innerhalb des normalen Bereichs. Beim zweiten bis vierten Motoranlassen wurde die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften dahingehend beurteilt, dass sie auf Grundlage des Schemas 1 abnormal waren. Beim fünften und sechsten Vorgang waren die Ortskurven der Strom-Spannungs-Eigenschaften so, wie sie in 11 gezeigt sind, und wurden als abnormal auf der Basis von Schema 1 und Schema 2 beurteilt. Obwohl der sechste Vorgang auch zu einer Abnormalitätsbeurteilung auf der Basis von Schema 3 führte, ließ er den Motor erfolgreich an. Beim siebten Vorgang war die Ortskurve der Strom-Spannungs-Eigenschaften wie in 12 gezeigt ist, und wurde auf der Basis des Schemas 3 als abnormal beurteilt, und der Vorgang konnte den Motor nicht anlassen. Dementsprechend wurde bestätigt, dass das Auftreten der Batterieabnormalität im Voraus erkannt werden kann, bevor der Motor mehrere Male angelassen wird, nur um ein Versagen beim letztendlichen Anlassen festzustellen.
Gemäß dieser Ausführungsform, wie sie vorstehend beschrieben wurde, ist es möglich, die Batterie zu pflegen, indem sie korrekt geladen wird, bevor eine der Reihenbatteriezellen in den Zustand der Überentladung gerät, was dazu führt, dass die Batterie beim erneuten Motoranlassen versagt, wodurch die Batterie stets im Bereitschaftszustand für ein erneutes Motoranlassen gehalten wird.
Die 13 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die auf eine dezentrale Elektroenergiequelle angewendet wird. Das Folgende erläutert nur Teile, die sich von der Konfiguration der 5 unterscheiden. Das Energiesystem weist einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 50 auf, der Wechselstromenergie in Gleichstromenergie umwandelt und Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umwandelt. Eine handelsübliche Stromquelle 52, ein Schalter 53, eine Last 51 und ein Generator 44 sind wie gezeigt in dem System verbunden. Die Last 51 steht für Heimelektrogeräte wie Klimaanlagen, Kühlschränke, Mikrowellenofen und Beleuchtungsvorrichtungen sowie für Elektroanlagen wie Motoren, Aufzüge, Computer und medizinische Geräte. Mit dem Bezugszeichen 94 ist eine Alarmvorrichtung bezeichnet. Diese Vorrichtungen können interne Schalter aufweisen. Wenn ein Gerät mit großer Stromlast wie einem Mikrowellenherd oder einem Toaster mehrere Sekunden bis mehrere Minuten lang mit einer handelsüblichen Leistungsfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz arbeitet, ist der sich ergebende Batteriestrom ähnlich wie in dem Fall, der in 9 gezeigt ist.
Wenn der Energieverbrauch durch die Last 51 klein ist, lädt der Generator 44 oder die handelsübliche Stromquelle 52 die Batterie 10 durch den Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 50. Im Fall eines Abschaltens des Energievorrats der handelsüblichen Stromquelle 52 wird der Schalter 53 gedreht und der Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler 50 wird angesteuert, so dass der Last 51 Energie von der Batterie 10 und dem Ge nerator 44 zugeführt wird. Wenn der Energieverbrauch durch die Last 51 höher ist als das angegebene Niveau, wird der Last 51 Energie von der Batterie 10 oder dem Generator 44 mittels des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers 50 zugeführt. Da der Generator 44 bei seinem Anlassvorgang und seiner Reaktion langsamer ist als die Last 51 in ihrer Schwankung beim Energieverbrauch, werden momentane Lastschwankungen von der Batterie 10 oder der handelsüblichen Stromquelle aufgefangen. Wenn die Batterieausgangsleistung unter den Nennwert fällt, kann der Laststrom der handelsüblichen Stromquelle möglicherweise den Kontakt überspringen, was dazu führt, dass der Stromunterbrecher unvorteilhaft arbeitet.
Die CPU 46 misst den Batteriestrom und die Batteriespannung, um die Abnormalität der Batterie zu beurteilen. Beim Auftreten einer Abnormalität erhöht der Generator 44 die Ausgangsleistung. Die Batterie 10 wird daran gehindert, Energie während einer Zeitdauer, wie etwa der Nacht, abzugeben, wenn der Energieverbrauch gering ist, und sie wird zu dem bestimmten Nennwert geladen.
Die Alarmvorrichtung 94 zeigt das Auftreten von Abnormalität an und zeigt dem Benutzer den Betriebszustand. Die CPU 46 kann mit dem Server über die Kommunikationsvorrichtung verbunden sein, um den Austausch der Batterie zu fordern, wenn die Häufigkeit des Auftretens der Abnormalität eine voreingestellte Anzahl übersteigt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es, wie vorstehend beschrieben wurde, möglich, die Ausgangsleistungsabnahme der Batterie 10 im Voraus zu erkennen und zu verhindern, dass die Batterieausgangsleistung sinkt, wodurch das Energiesystem eine verbesserte Zuverlässigkeit aufweisen kann. Das System ermöglicht die Fernüberwachung von Batterieabnormalitäten und die Batteriewartung bei unbemannten Anlagen kann korrekt durchgeführt werden.
Die 14 zeigt eine noch andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die bei einem Brennstoffzellenkraftwagen angewendet wird. Im Folgenden werden nur Teile erläutert, die sich von der Konfiguration der 4 unterscheiden. Das Energiesystem verwendet eine Brennstoffzelle (FC) 81 anstelle des Motors als Vorrichtung, um Kraftstoff Energie zu entziehen. Die FC 81 ist mit einer Batterie 10, einem Wechselrichter 60, einer Elektrobremsvorrichtung 41 und einer Elektroenergielenkvorrichtung 41 verbunden. Die FC 81 wird dadurch gesteuert, dass sie mit einer Steuerung (Brennstoffzellen-Steuerung – FCC) 82 verbunden ist. Die FCC 82 steht mit der Gesamtsteuerung 92 über ein Netzwerk in Verbindung, um einen Befehl zur Brennstoffzellen-Erzeugungsausgangsleistung zu empfangen.
Der Brennstoffstellenkraftwagen unterscheidet sich vom herkömmlichen Kraftwagen durch die Anordnung des Triebstrangs, wie sie vorstehend erwähnt wurde. Zur Abdeckung der Brennstoffzelle 81 abzudecken, die in ihrer Reaktion in Bezug auf den Motor 51 und den Generator 44 unterlegen ist, ist es notwendig, dass die Batterie dem Wechselrichter 60, der Elektrobremsvorrichtung 42 und der Elektroenergielenkvorrichtung 41 Energie bei hoher Ansprechung zuführt.
Der durch die Batterie 10 fließende Strom ist ähnlich dem Strom, der aus den kombinierten Arbeitsvorgängen des Elektrobremssystems 42 oder der Elektroenergielenkvorrichtung 41 und des Generators 44 in 4 resultiert. Zu Beginn des Betriebs der Elektrobremsvorrichtung 42 oder der Elektroenergielenkvorrichtung 41 wird der Strom von der Batterie 10 zugeführt, und nach etwa 1 Sekunde gemäß einer Zeitkonstante wird die Stromquelle zur Brennstoffzelle 81 umgeschaltet. Als Ergebnis hiervon weist der durch die Batterie 10 fließende Strom eine Wellenform auf, die von 7 abgeleitet ist und entlang der Zeitachse aufgrund der trägen Ansprechung der Brennstoffzelle 81 leicht ausgedehnt ist.
Wenn die Ausgangsleistung der Batterie 10 aufgrund des Auftretens von Batterieabnormalität abfällt, ergeben sich ein derartiges ungünstiges Verhalten des Kraftwagens als mangelhafte Beschleunigung gegen den Willen des Fahrers und die verschlechterte Leistung des Antiblockierbremsens der Elektrobremsvorrichtung.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform arbeitet die Batteriesteuerung 46 jedoch ähnlich wie die vorgenannte Motorsteuerung/Batteriesteuerung 40, um die durch Überentladung verursachte Batterieabnormalität im Voraus zu erkennen und die Batterieausgangsleistung zu halten. Außerdem wird dem Kraftwagenfahrer mitgeteilt, dass der Batterieaustausch notwendig ist, um eine korrekte Batteriewartung zu betreiben, und die vorstehend genannte Untauglichkeit kann verhindert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Verfahren zur Einschätzung der Leistung eines Sekundärbatterie und einer Batterieausstattung zu erreichen, die den abrupten Abfall der Batterieausgangs- leistungs im Voraus erkennen kann.

Claims

Verfahren zur Überwachung einer Abnormalität wie etwa einer Leistungsverschlechterung einer Batterie, die elektrische Energie speichert, indem sie geladen wird, und die die gespeicherte Energie an eine Last abgibt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: wiederholtes Messen der Spannung und des Stroms der Batterie bei jeder Energieabgabe an die Last zumindest bis unmittelbar nach dem Ende der Energieabgabe an die Last; Vorhersagen eines Erholungsmusters der Entladespannung zum Entladestrom der Batterie mittels einer Näherungsrechnung basierend auf Spannungs- und Stromwerten gemessen innerhalb der ersten Hälfte der Motoranlasszeitdauer nach dem Spitzenzeitpunkt des Entladestroms; Ermitteln des Erholungsmusters der Entladespannung zum Entladestrom der Batterie bis unmittelbar vor oder nach dem Ende der Energieabgabe an die Last auf der Basis der wiederholt gemessenen Spannung und des gemessenen Stroms; Überwachen von mindestens der Schwankung der sich erholenden Spannung unmittelbar vor oder nach der Beendigung der Entladung an die Last; und Diagnostizieren der Abnormalität der Batterie anhand des Überwachungsergebnisses, wenn die Entladespannung, die unmittelbar vor oder nach der Beendigung der Entladung zur Last gemessen wurde, um einen vorbestimmten Wert geringer als die vorhergesagte Entladespannung in dem Erholungsmuster zum selben Zeitpunkt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei diagnostiziert wird, dass die Batterie abnormal ist, wenn ein Korrelationsfaktor zwischen den für die Berechnung der Näherungsformel verwendeten Näherungsdaten und der Näherungsformel kleiner oder gleich einem Schwellenwert ist oder wenn der quadratische Mittelfehler der Näherungsdaten von der Näherungsformel größer als ein Bezugswert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei: Ermitteln einer Ortskurve der Entladespannungseigenschaften zum Entladestrom der Batterie erfolgt; und wobei diagnostiziert wird, dass die Batterie abnormal ist, wenn die Ortskurve von einer Bezugsortskurve derart abweicht, dass die Entladespannung unmittelbar vor oder nach der Beendigung der Entladung an eine Last nicht höher wird als eine vorbestimmte Spannung.
Vorrichtung (40, 46) zum Überwachen der Abnormalität einer Batterie, die elektrische Energie speichert, indem sie geladen wird, und die gespeicherte Energie an eine Last (41, 43) entlädt, wobei die Überwachung auf der Grundlage der Spannung und des Stroms der Batterie erfolgt, mit den Schritten des wiederholten Messens der Spannung und des Stroms der Batterie bei jeder Energieabgabe an die Last zumindest bis unmittelbar nach dem Ende der Energieabgabe an die Last; und des Vorhersagens eines Erholungsmusters der Entladespannung zum Entladestrom der Batterie mittels einer Näherungsrechnung basierend auf Spannungs- und Stromwerten gemessen innerhalb der ersten Hälfte der Motoranlasszeitdauer nach dem Spitzenzeitpunkt des Entladestroms; und des Ermittelns des Erholungsmusters der Entladespannung zum Entladestrom der Batterie zumindest bis unmittelbar vor oder nach dem Ende der Energieabgabe an die Last auf der Basis der gemessenen Spannung und des gemessenen Stroms; wobei die Vorrichtung mindestens die Schwankung der sich erholenden Spannung unmittelbar vor oder nach dem Ende des Entladens an die Last in Bezug auf die Entladespannungs-Erholungskennlinie zum Entladestrom der Batterie überwacht und die Abnormalität der Batterie diagnostiziert anhand des Überwachungsergebnisses, wenn die Entladespannung, die unmittelbar vor oder nach der Beendigung der Entladung an die Last gemessen worden ist, um einen vorbestimmten Wert niedriger ist als die vorhergesagte Entladespannung in dem Erholungsmuster zum selben Zeitpunkt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, die weiterhin einen Batterieaustausch-Beurteilungsabschnitt (104) aufweist, der den Wert des Stroms, der seit dem Auftreten der Batterieabnormalität bis zum Ende des vollständigen Ladens geladen worden ist, aufsummiert und die Notwendigkeit des Batterieaustauschs anzeigt, wenn der kumulative Stromwert kleiner als ein kumulativer Strombeurteilungswert ist.