DE102005031254A1 - Method for detecting predefinable sizes of an electrical memory - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Erkennung vorgebbarer Größen eines elektrischen Speichers, beispielsweise einer Batterie in einem Fahrzeug, angegeben, bei dem verschiedene Paramter ermittelt werden. Bei diesen Parametern handelt es sich um schnelladaptierbare Parameter, die innerhalb von Sekunden oder Minuten adaptiert werden, und langsam adaptierte Parameter, die innerhalb von Stunden oder Tagen adaptiert werden. Eine solcher langsam adaptierbarer Parameter ist die Batteriekapazität. Da die schnell adaptierbaren Parameter mit den langsam adaptierbaren Parametern korrelieren, wird auf letztere, insbesondere die Batteriekapazität, aus den schnell adaptierbaren Parametern geschlossen, unter Berücksichtigung vorgebbarer Schätzroutinen und Schätzfehler. Durch Vergleich der ermittelten Parameter mit abgespeicherten Parametern kann der Typ der eingesetzten Batterie erkannt werden.It is a method for detecting predeterminable sizes of an electrical memory, for example a battery in a vehicle, indicated in the various Paramter be determined. These parameters are to quickly adaptable parameters within seconds or Minutes are adapted, and slowly adapted parameters, the be adapted within hours or days. One such slowly adaptable parameter is the battery capacity. Because the quickly adaptable parameters with slowly adaptable parameters correlate, on the latter, in particular the battery capacity, from the fast adaptable parameters closed, taking into account specifiable estimation routines and estimation errors. By comparing the determined parameters with stored parameters the type of battery used can be recognized.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung vorgebbarer Größen eines elektrischen Speichers mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Insbesondere werden Größen eines elektrischen Energie- oder Ladungsspeichers für ein Kraftfahrzeug ermittelt, wobei vorgebbare Größen die Leistungsfähigkeit, die Speicherfähigkeit oder auch den Typ des elektrischen Speichers umfassen.The The invention relates to a method for detecting predeterminable quantities of a electrical memory with the features of claim 1. In particular become sizes one determined electrical energy or charge storage for a motor vehicle, where predeterminable sizes the performance, the storage capacity or also the type of electrical storage.
Zur Überwachung
der Leistungs- und/oder Speicherfähigkeit der elektrischen Energiespeicher im
Kraftfahrzeugbordnetz, beispielsweise im Rahmen eines elektrischen
Energiemanagements, werden üblicherweise
Verfahren eingesetzt, die zu einem gewissen Teil a priori Kenntnisse über den
verwendeten Energiespeicher nutzen. Solche Verfahren sind beispielsweise
in der
Kommen für einen Fahrzeugtyp z.B. abhängig von dessen Motorisierung bzw. der eingebauten Verbraucher unterschiedliche Batteriegrößen in Frage, müssen die a priori Daten der Batteriezustandserkennung beim Einbau bzw. Tausch des Energiespeichers mitgeteilt werden. Dies kann in der Werkstatt durch entsprechende Kodierung geschehen, ist aber beim Batteriewechsel durch den Endkunden nicht praktikabel. Zudem können Fehler bei der Kodierung nicht ausgeschlossen werden. Eine andere Möglichkeit bieten adaptive modellbasierte Verfahren zur Batteriezustandserkennung, die die für die Leistungs- bzw. Speicherfähigkeit relevanten Parameter selbständig z.B. durch kontinuierliche Messung von Strom, Spannung u. Temperatur des Energiespeichers adaptieren. Diese Verfahren sind für eine schnelle Adaption der gesuchten Parameter auf eine ausreichende Bordnetzdynamik und Zyklisierung des Energiespeichers angewiesen, da ein aktiver Eingriff ins Bordnetz vom Fahrzeughersteller nicht zugelassen wird oder zu aufwendig und damit zu teuer ist.Come for one Vehicle type e.g. dependent different from its motorization or the built-in consumer Battery sizes in question, have to the a priori data of the battery condition detection during installation or Exchange of energy storage to be communicated. This can be done in the Workshop done by appropriate coding, but is at Battery replacement by the end user not practicable. In addition, mistakes can be made be excluded in the coding. Another possibility offer adaptive model-based methods for battery state detection, the for the performance or storage capacity relevant parameters independently e.g. by continuous measurement of current, voltage u. temperature adapt the energy storage. These procedures are for a quick Adaptation of the searched parameters to an adequate vehicle electrical system dynamics and cyclization of the energy store instructed as an active Intervention in the electrical system is not allowed by the vehicle manufacturer or too expensive and therefore too expensive.
Eine ausreichende Bordnetzdynamik liegt jedoch nicht immer vor, beispielsweise bei einer Autobahnfahrt und eine zu starke Zyklisierung ist nicht erwünscht, da sie die Batterielebensdauer verringert. Dadurch kann es unter Umständen einige Tage bis Wochen dauern, bis die Batteriezustandserkennung die Parameter der getauschten Batterie adaptiert hat. Das betrifft insbesondere die Batteriekapazität, für deren Adaption mit aktuellen Verfahren Lade-/Entladehübe von > 20-30% Nennkapazität erforderlich sind. Ein weiterer Aspekt ist, dass in der Regel nicht alle für die Leistungs- und Speicherfähigkeit relevanten Parameter adaptiert werden können, da das Verfahren sonst zu aufwendig würde, die Messgrößen Strom, Spannung, Temperatur dazu nicht ausreichen oder der Energiespeicher in Arbeitspunkten betrieben werden müsste, die im Fahrzeug normalerweise nicht auftreten, beispielsweise Überladung oder niedriger Ladezustand.A however, sufficient on-board network dynamics are not always available, for example on a highway ride and too much cyclization is not he wishes, because it reduces the battery life. This can make it under circumstances take a few days to weeks for the battery condition detection to take effect Adapted parameters of the exchanged battery. This applies in particular the battery capacity, for their Adaptation with current procedures Charging / discharging strokes of> 20-30% nominal capacity are required. Another Aspect is that usually not all for the power and storage ability relevant parameters can be adapted, since the procedure otherwise too expensive, the measured quantities of electricity, Voltage, temperature is insufficient or the energy storage would have to be operated at operating points, which in the vehicle usually not occur, for example, overload or low charge level.
Vorteile der ErfindungAdvantages of invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung vorgebbarer Größen eines elektrischen Speichers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, eine schnelle Erkennung des Speichertyps sowie der Parameter des Speichertyps zu ermöglichen und die Adaption der für die Ermittlung von Leistungs- und/oder Speicherfähigkeit relevanten Parametern durchzuführen. Es ist insbesondere geeignet, für einen elektrischen Speicher in einem Fahrzeugbordnetz, beispielsweise eine Bleibatterie eingesetzt zu werden und aus der kontinuierlichen Messung von Strom, Spannung und Temperatur ohne Konditionierung des Speicher- bzw. Batterietyps oder aktive Stimulation des Bordnetzes auszukommen.The inventive method for recognizing predefinable quantities of a electrical memory with the features of claim 1 has the advantage a quick recognition of the memory type and the parameters of the Memory type to allow and the adaptation of for the determination of performance and / or storage capacity relevant parameters perform. It is particularly suitable for an electrical storage in a vehicle electrical system, for example a lead-acid battery to be used and from the continuous Measurement of current, voltage and temperature without conditioning the storage or battery type or active stimulation of the electrical system get along.
Besonders vorteilhaft ist, dass der Typ und die Parameter des elektrischen Energiespeichers auch im Vergleich zu den bekannten modellbasierten Verfahren deutlich schneller ermittelt werden kann. Dadurch erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren bereits innerhalb von wenigen Minuten der ersten Betriebsphase eine zuverlässige Aussage über Leistungs- und Speicherfähigkeit des getauschten Energiespeichers. Dies ist insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen wie x-by-wire-Anwendungen wichtig, damit möglichst schnell erkannt wird, ob der getauschte Energiespeicher bzw. die getauschte Energie für diese Anwendung zugelassen ist und die geförderte Leistung bzw. Speicherfähigkeit grundsätzlich kann.Especially It is advantageous that the type and parameters of the electrical Energy storage in comparison to the known model-based methods can be determined much faster. As a result, the inventive method already allows within a few minutes of the first phase of operation a reliable statement about performance and storage capability the exchanged energy storage. This is especially for safety critical Applications like x-by-wire applications important with it as possible it is quickly recognized whether the exchanged energy storage or the exchanged energy for This application is approved and the supported performance or storage capability in principle can.
Erzielt werden diese Vorteile, indem ein Verfahren zur Erkennung vorgebbarer Größen eines elektrischen Speichers, beispielsweise einer Batterie in einem Fahrzeug eingesetzt wird, bei dem verschiedene Parameter ermittelt werden. Bei diesen Parametern handelt es sich um schnelladaptierbare Parameter, die innerhalb von Sekunden oder Minuten adaptiert werden und langsam adaptierbare Parameter, die innerhalb von Stunden oder Tagen adaptiert werden. Eine solcher langsam adaptierbarer Parameter ist die Batteriekapazität. Da die schnell adaptierbaren Parameter mit den langsam adaptierbaren Parametern korrelieren, wird auf letztere, insbesondere die Batteriekapazität, aus den schnell adaptierbaren Parametern geschlossen, unter Berücksichtigung vorgebbarer Schätzroutinen und Schätzfehler. Durch Vergleich der ermittelten Parameter mit abgespeicherten Parametern kann der Typ der eingesetzten Batterie erkannt werden.achieved These advantages are predetermined by a method of detection Sizes of an electric Memory, for example, a battery used in a vehicle where different parameters are determined. In these Parameters are fast-adaptable parameters that be adapted within seconds or minutes and slowly adaptable parameters that adapt within hours or days become. One such slow adaptable parameter is the battery capacity. Because the quickly adaptable parameters with slowly adaptable parameters correlate, on the latter, in particular the battery capacity, from the quickly adaptable parameters closed, taking into account predefinable estimation routines and estimation errors. By comparing the determined parameters with stored parameters the type of battery used can be recognized.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegeben Maßnahmen erzielt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch erkennen lässt, ob überhaupt ein Tausch des Energiespeichers stattgefunden hat oder ob die eventuell gealterte Batterie nur für andere Zwecke, z.B. zum Nachladen in einem Ladegerät vom Bordnetz abgeklemmt war.Further Advantages of the invention are indicated by the in the subclaims Measures achieved. It is particularly advantageous that the inventive method also lets see if at all an exchange of the energy storage has taken place or whether the possibly aged battery only for other purposes, e.g. for recharging in a charger from the electrical system was disconnected.
Als schnell adaptierbare Parameter werden vorteilhafter Weise Zeitkonstanten von RC-Gliedern mit kleinen Zeitkonstanten gewählt, die sich aus vorgebbaren Widerständen und Kapazitäten des elektrischen Speichers zusammensetzen oder der ohmsche Innenwiderstand des elektrischen Speichers. Als langsam adaptierbarer Parameter wird beispielsweise die Ersatzkapazität des elektrischen Speichers gewählt.When rapidly adaptable parameters advantageously become time constants by RC members with chosen small time constants, arising from definable resistances and capacities of the electrical memory or the ohmic internal resistance of the electrical storage. As slowly adaptable parameter For example, the replacement capacity of the electrical storage is selected.
Aus dem Vergleich der schnelladaptierbaren Parameter und der langsam adaptierbaren Parameter mit abgespeicherten Parametern kann zuverlässig auf die Leistungsfähigkeit und/oder die Speicherfähigkeit geschlossen werden oder ob es sich bei dem Energiespeicher um einen zugelassenen Energiespeicher handelt ob ein Tausch des Speichers erfolgt ist.Out comparing the fast-adaptable parameters and the slow ones adaptable parameters with stored parameters can depend on the efficiency and / or the storage capability be closed or whether the energy storage is a approved energy storage is whether an exchange of memory is done.
Besonders vorteilhaft ist, dass aus den adaptierten und den nicht adaptierten Parametern ein Abstandsmaß gebildet wird, das zur Erkennung der vorgebbaren Größen mit den abgespeicherten Parametern verglichen wird und dass aus dem Vergleichsergebnis auf die vorgebbare Größe, insbesondere den Speichertyp geschlossen wird. Das Abstandsmaß kann abhängig vom Fehlerquadrat oder von Absolutwerten vorgebbarer Parameter gebildet werden. Relative Fehlerquadrate vorgebbarer Parameter oder Parametersätze können ermittelt werden, in Abhängigkeit von der aktuellen Genauigkeit des geschätzten Parameters und dessen Signifikanz für einen bestimmten Speichertyp, wobei die Signifikanz mittels Gewichtungsfaktoren berücksichtigt wird. Von Vorteil ist dabei, dass schnell adaptierbare parameter stärker zum Abstandsmaß beitragen als langsame, deren Fehlervarianz lange auf hohem Niveau bleibt. In vorteilhafter Weise werden Parameter bezüglich ihrer Signifikanz für die Unterscheidung der verschiedenen Speichertypen gewichtet und der Parameter mit der größten relativen Varianz bezüglich des Speichertyps, insbesondere des Batterietyps am stärksten gewichtet wird und umgekehrt.Especially It is advantageous that from the adapted and the non-adapted Parameters a distance measure formed is used to detect the predetermined sizes with the stored Parameters is compared and that from the comparison result the predeterminable size, in particular the storage type is closed. The distance measure can depend on the error square or are formed by absolute values of predefinable parameters. relative Error squares of predefinable parameters or parameter sets can be determined be, depending from the current accuracy of the estimated parameter and its Significance for a particular type of memory, where the significance is determined by weighting factors considered becomes. The advantage here is that quickly adaptable parameters stronger contribute to the distance measure as slow, whose error variance stays high for a long time. Advantageously, parameters with regard to their significance for the distinction weighted by the different types of memory and the parameter with the largest relative Variance regarding the most heavily weighted of the memory type, in particular of the battery type and vice versa.
Zeichnungdrawing
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der Beschreibung
näher erläutert. Dabei
beschreibt
Beschreibungdescription
Der Erfindung liegt die prinzipielle Idee zugrunde, dass bestimmte bei normaler Bordnetzanregung verhältnismäßig schnell adaptierbare Parameter (Sekunden bis Minuten) eines elektrischen Energiespeichers, beispielsweise eines Bleiakkumulators mit eher langsam adaptierbaren Parametern (Stunden bis Tage) wie der Batteriekapazität korrelieren, so dass bereits nach Einschwingen der schnell adaptierbaren Parameter auf die langsam adaptierbaren Parameter geschlossen werden kann.Of the Invention is based on the basic idea that certain at normal on-board stimulation relatively fast adaptable parameters (seconds to minutes) of an electrical Energy storage, for example, a lead-acid battery with rather slowly adaptable parameters (hours to days) as the battery capacity correlate, so that already after settling the quickly adaptable parameters can be concluded on the slowly adaptable parameters.
Erfindungswesentliche
Parameter bzw. Größen eines
elektrischen Speichers, beispielsweise einer Bleibatterie bzw. eines
Bleiakkumulators sind in
Dabei zeigt das Ersatzschaltbild eines Bleiakkumulators und verdeutlich folgende Zusammenhänge:there shows the equivalent circuit of a lead-acid battery and clarifies the following relationships:
Betriebsgrößen:Operating variables:
-
- IBatt I batt
- = Batteriestrom (< 0 für Entladen)= Battery current (<0 for discharging)
- UBatt U Batt
- = Batteriespannung= Battery voltage
- TBatt T Batt
- = Batterietemperatur= Battery temperature
Zustandsgröße:Condition size:
-
- UC0 U C0
- = Ruhespannung= Open circuit voltage
- Uk U k
- = Konzentrationspolarisation= Concentration polarization
- UDp U Dp
- = Durchtrittspolarisation der positiven Elektrode= Penetration polarization the positive electrode
- UDn U Dn
- = Durchtrittspolarisation der negativen Elektrode= Penetration polarization the negative electrode
Parameter:Parameter:
-
- Ri R i
- = ohmscher Innenwiderstand (Bleigitter + Säure)= ohmic internal resistance (Lead grid + acid)
- C0 C 0
- = Ersatzkapazität der Batterie= Replacement capacity of the battery
- Rk,Ck R k , C k
- = Widerstand und Kapazität der Säurediffusion= Resistance and capacity of acid diffusion
- RDp,CDp R Dp , C Dp
- = Widerstand und Kapazität der Doppelschicht der positiven Elektrode= Resistance and capacity of the double layer the positive electrode
- RDn,CDn R Dn , C Dn
- = Widerstand und Kapazität der Doppelschicht der negativen Elektrode= Resistance and capacity of the double layer the negative electrode
Die Ersatzkapazität C0 der Batterie liegt bei Starterbatterien typischerweise in der Größenordnung von 150000F-350000F. D.h. um aus einer an den Batterieklemmen messbare Spannungsänderung die Kapazität C0 bestimmen zu können, sind große Ladungsentnahmen bzw. Ladungszunahmen von 20-30% der Nennkapazität erforderlich, die im Fahrzeug-Bordnetz, wenn überhaupt, nur über einen Zeitraum von mehreren Stunden bzw. Tagen auftreten. Die Kapazitäten Ck der Säurediffusion und CDp bzw. CDn der elektrischen Doppelschicht zwischen den Elektroden u. dem Elektrolyt sind näherungsweise zumidest für neue Batterien mit der Ersatzkapazität C0 skalierbar. Zusammen mit dem jeweiligen Parallelwiderstand Rk bzw. RDp, RDn bilden sie RC-Glieder mit Zeitkonstanten in der Größenordnung von < Sekunden bis Minuten, so dass Ck u. CDp, CDn bei ausreichend hohen Lade-/Entladeströmen deutlich schneller als die Ersatzkapazität C0 adaptiert werden können. Weiterhin liefert auch der ohmsche Innenwiderstand Ri zumindest bei einer neuen Batterie und bezogen auf festen Ladezustand und Temperatur einen Hinweis auf die Ersatzkapazität, da dieser mit wachsender Batteriekapazität sinkt.The battery's equivalent capacity C 0 is typically on the order of 150000F-350000F for starter batteries. That is to say from a voltage level measurable at the battery terminals In order to be able to determine the capacitance C 0 , large charge withdrawals or charge increases of 20-30% of the nominal capacity are required, which occur in the vehicle electrical system, if at all, only over a period of several hours or days. The capacitances C k of the acid diffusion and C Dp or C Dn of the electric double layer between the electrodes u. The electrolyte is approximately the best for new batteries with the equivalent capacity C 0 scalable. Together with the respective parallel resistor R k or R Dp , R Dn they form RC elements with time constants on the order of <seconds to minutes, so that C k u. C Dp , C Dn can be adapted significantly faster than the equivalent capacity C 0 at sufficiently high charge / discharge currents. Furthermore, the ohmic internal resistance R i, at least in the case of a new battery and based on the fixed state of charge and temperature, also provides an indication of the replacement capacity since this decreases as the battery capacity increases.
Ausgehend
von dieser Problematik geht das erfindungsgemäße Verfahren, dessen wesentlichste Schritte
in
Für die Erkennung
des Batterietyps bzw. welcher der gespeicherten Parametersätze p Batt0, p Batt2, ... p Battn dem
Parametersatz p Batt der
aktuell eingebauten Batterie am ehesten entspricht wird das folgende „Abstandsmaß" für die adaptierten
Parameter verwendet:
Alternativ
zum Fehlerquadrat kann z.B. auch der Absolutwert verwendet werden.
Die rel. Fehlerquadrate der einzelnen Parameter werden mit dem Faktor
gewi=1..m individuell für jeden der m Parameter eines
Parametersatzes in Abhängigkeit
von der aktuellen Genauigkeit des geschätzten Parameters und dessen
Signifikanz für
einen bestimmten Batterietyp gewichtet. Werden die Parameter z.B.
mit einem Kalman-Filter geschätzt,
liefert dieses zu jedem Parameter auch dessen Fehlervarianz Pp1..m,Batt, so dass sich für die Gewichtungsfaktoren
folgender Ansatz anbietet:
D.h. mit sinkender Schätzfehlervarianz bzw. wachsender Genauigkeit eines Parameters steigt die Gewichtung des zugehörigen Fehlers bis sie bei einer vorgegebenen Varianzschwelle PSchwelle,1..m auf den Maximalwert 1 begrenzt wird.That is, with decreasing estimation error variance or increasing accuracy of a parameter, the weighting of the associated error increases until it is limited to the maximum value 1 for a given variance threshold P threshold, 1..m .
Dadurch
wird erreicht, dass schnell adaptierbare Parameter stärker zum
Abstandsmaß beitragen als
langsam adaptierbare, deren Fehlervarianz lange auf hohem Niveau
bleibt. Zusätzlich
werden die Parameter bzgl. ihrer Signifikanz für die Unterscheidung der verschiedenen
Batterietypen gewichtet, d.h. dass der Parameter mit der größten relativen
Varianz bzgl. des Batterietyps am stärksten gewichtet wird und umgekehrt:
mit:
With:
Zusammengefasst
ergibt sich das „Abstandsmaß" als:
mit:
With:
Nachdem
die schnell adaptierbaren Parameter eingeschwungen sind und dies
im Schritt S2 erkannt wird, kann im Schritt S3 durch Minimumbildung der
Abstandsmaße
der dem geschätzten
Parametersatz am nächsten
liegende ausgewählt
und die langsam bzw. nicht adaptierbaren Parameter durch die des
ausgewählten
Parametersatzes ersetzt werden. Außerdem kann entschieden werden,
ob überhaupt ein
Batterietausch vorlag und ob eventuell, bei zu großen Abständen zu
den gespeicherten Parametersätzen,
eine für
den Anwendungszweck nicht vorgesehene Batterie getauscht wurde:
Fall 1:Case 1:
Es wird im Schritt S4 die Bedingung geprüft, ob min (D2 0..n) < D2 max In step S4, the condition is checked whether min (D 2 0..n ) <D 2 max
Falls
dies nicht zutrifft, gilt:
- ⇨ nicht vorgesehene Batterie, d.h. es wird im Schritt S5 erkannt, dass eine nicht vorgesehene Batterie eingesetzt wurde.
- ⇨ unintended battery, ie it is detected in step S5 that an unintended battery was used.
Fall 2;Case 2;
Wird Schritt S4 mit ja entschieden, wird im Schritt S6 geprüft, ob k > 0.Becomes Step S4 is decided yes, it is checked in step S6 if k> 0.
Falls
dies nicht zutrifft, gilt:
- => Batterie wurde nicht getauscht (Schritt S7)
- => Battery was not replaced (step S7)
Fall 3;Case 3;
Werden
die Schritte S4 und S6 mit ja entschieden, gilt;
- => Batterietyp eindeutig erkannt (Schritt S8)
- => Battery type clearly recognized (step S8)
Wird
kein passender Parametersatz ermittelt wie im Fall 1, kann anhand
von Prädiktoren
für die Leistungs-
und/oder Speicherfähigkeit
des Energiespeichers wie z.B. in der
Das
erfindungsgemäße Verfahren
gemäß dem Hauptanspruch
einschließlich
der vorteilhaften Weiterbildungen werden mit Hilfe einer Auswerteeinrichtung
durchgeführt,
die insbesondere eine Recheneinsichtung bzw. ein Steuergerät, beispielsweise
ein Batteriesteuergerät
oder ein Bordnetzsteuergerät
darstellt und neben geeigneten Prozessoren auch Speichermittel umfasst.
Die für
die Durchführung
der Verfahren benötigten
Größen werden
mittels geeigneter Mittel, beispielsweise Sensoren gemessen und
der Auswerteeinrichtung zugeführt
und von dieser gegebenenfalls nach einer Aufbereitung verarbeitet.
In
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