DE102005052448A1 - Method for determining functional capability of storage battery involves determination of number of remainder operating cycles of security relevant consumer load as a measure for service life - Google Patents

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Abstract

The method involves determination of number of remainder operating cycles of security relevant consumer load as a measure for the service life. The open circuit voltage U0kenn=f(Temp, SoC) as well as internal resistance Rikenn=f(Temp, SoC) is stored in the form of characteristic curves depending on temperature and state of charge (SoC). An estimated value of the state of charge is determined by the measurement of the open circuit voltage, measurement of internal resistance and the temperature and by backward metering of the characteristic curves.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Funktionsfähigkeit einer Speicherbatterie durch Ermitteln von Kennwerten für den Ladezustand und die Gebrauchstüchtigkeit bei elektrischer Belastung der Speicherbatterie.The The invention relates to a method for determining the functionality a storage battery by determining characteristic values for the state of charge and the usability at electrical load of the storage battery.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 102 10 516 B4 bekannt. Das bekannte Verfahren wird zur Bestimmung der Funktionstüchtigkeit einer Batterie bis zum Erreichen einer unteren Grenzspannung verwendet. Zur Berechnung werden insbesondere die Hilfsgrößen Ladezustand (SoC) und die Batteriespannung benötigt. Die Funktionstüchtigkeit einer Batterie errechnet sich gemäß der folgenden Formel:

Figure 00010001
Such a method is known from DE 102 10 516 B4 known. The known method is used to determine the functionality of a battery until it reaches a lower limit voltage. In particular, the auxiliary quantities state of charge (SoC) and the battery voltage are required for the calculation. The functionality of a battery is calculated according to the following formula:
Figure 00010001

Dabei ist die Größe SoF(t) die Funktionstüchtigkeit der Batterie zum Zeitpunkt t. Die Größen U(t) und SoC(t) kennzeichnen die jeweiligen Werte für die Spannung und den Ladezustand der Batterie. Die Größe Umax kennzeichnet die maximale Spannung im System und die Größe UKrit die kritische Spannung, die nicht unterschritten werden darf. SoCKrit ist der darf. Es ergibt sich ein Wert für die Funktionstüchtigkeit der Batterie, der einen Wert größer oder gleich Null annehmen kann. Der zweite Produktterm in der obigen Gleichung kennzeichnet gleichzeitig die Größe für den Gesundheitszustand der Batterie SoH(t).The quantity SoF (t) is the functionality of the battery at time t. The variables U (t) and SoC (t) indicate the respective values for the voltage and the state of charge of the battery. The quantity U max denotes the maximum voltage in the system and the quantity U Crit the critical voltage which must not be undershot. SoC Krit is the allowed. The result is a value for the functionality of the battery, which can assume a value greater than or equal to zero. The second product term in the above equation simultaneously identifies the health state of the battery SoH (t).

Der aktuelle Ladezustand SoC(t) der Batterie berechnet sich zu

Figure 00020001
The current state of charge SoC (t) of the battery is calculated to
Figure 00020001

Dabei entspricht Q(t) der aktuell in der Batterie enthaltenen Ladungsmenge, Qmax der maximal in der Batterie enthaltenen Ladungsmenge und Qkrit der kritischen in der Batterie enthaltenen Ladungsmenge. Der genannten Veröffentlichung sind jedoch keine Hinweise entnehmbar, die eine Schätzung der nutzbaren Restkapazität der Batterie ermöglichen. Die Ermittlung der Restkapazität ist beispielsweise bei Anwendungen von großer Bedeutung, bei denen die Batterie zur Betätigung von Bremsaktuatoren einer elektromechanisch betätigbaren Bremsanlage verwendet wird.In this case, Q (t) corresponds to the amount of charge currently contained in the battery, Q max to the maximum amount of charge contained in the battery, and Q crit to the critical amount of charge contained in the battery. The cited publication, however, no evidence can be removed, which allow an estimate of the usable residual capacity of the battery. The determination of the residual capacity is for example of great importance in applications in which the battery is used to actuate brake actuators of an electromechanically actuated brake system.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen der Ladezustand der Batterie in Abhängigkeit von der Temperatur ermittelt werden kann, bei dem die Batterie die für eine Betätigung eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers benötigte Leistung nicht mehr erbringen kann.It It is therefore an object of the present invention to specify a method by means of which the state of charge of the battery in dependence can be determined by the temperature at which the battery the for one activity a security-relevant consumer required performance no longer provide can.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Maß für die Gebrauchstüchtigkeit (SoH) die Anzahl der Restbetätigungszyklen (n) eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers bestimmt wird, wobei die Leerlaufspannung U0kenn = f(Temp, SoC) sowie der Innenwiderstand Rikenn = f(Temp, SoC) in Form von Kennlinien in Abhängigkeit von der Temperatur (Temp) und dem Lastzustand (SoC) abgelegt werden und durch Messung der Leerlaufspannung (U0mess), des Innenwiderstandes (Rimess) und der Temperatur (Temp) und durch anschließendes Rückwärtsablesen der Kennlinien ein Schätzwert des Ladezustands (SoC) bestimmt wird, wobei ein Schätzwert (n1) der Anzahl (n) der Restbetätigungszyklen aus der benötigten Arbeit (W), zeitlich aufintegriert über den Leistungsbedarf P gemäß der Formel

Figure 00030001
einer Betätigung und der daraus abgeleiteten Entlademenge QB = W/Uakt nach der Formel
Figure 00030002
berechnet wird, wobei mit Uakt die aktuelle Spannung der Speicherbatterie, mit SoCakt der aktuelle Ladezustand, mit SoCend der zulässige Entladezustand, mit QBat die nominale Batterieladung und mit QB die für eine Betätigung benötigte Ladungsmenge bezeichnet werden.This object is achieved in accordance with the invention by determining the number of residual actuation cycles (n) of a safety-relevant consumer as a measure of the operational efficiency (SoH), the open-circuit voltage U 0kenn = f (Temp, SoC) and the internal resistance R ikenn = f (Temp , SoC) in the form of characteristic curves as a function of the temperature (Temp) and the load state (SoC) are stored and by measuring the open circuit voltage (U 0mess ), the internal resistance (R imess ) and the temperature (Temp) and then backward read the Characteristics an estimate of the state of charge (SoC) is determined, wherein an estimated value (n 1 ) of the number (n) of the remaining operation cycles of the required work (W), time-integrated over the power requirement P according to the formula
Figure 00030001
an actuation and the discharge quantity Q B = W / U akt derived therefrom according to the formula
Figure 00030002
where U act is the current voltage of the storage battery, SoC akt is the current state of charge, SoC end is the discharge state, Q Bat is the nominal battery charge, and Q B is the amount of charge needed for operation.

Um die Einflüsse einer Fehlbehandlung der Batterie oder deren Alterung weitgehend zu eliminieren sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Alterung der Speicherbatterie und der dadurch ansteigende Innenwiderstand Ri in die genauere Berechnung der Anzahl (n) der Restbetätigungszyklen über ein weiteres Kennlinienfeld eingeht, in dem die Entladeendebedingung für das Vielfache des Innenwiderstands einer neuwertigen Batterie vorberechnet ist, wobei der gemessene Innenwiderstand Rimess = ΔU/ΔI bei Belastung der Speicherbatterie bestimmt und gespeichert wird, bis er bei erneuter Belastung durch einen aktuelleren Wert ersetzt wird. Eine derartige Berechnung kann durchgeführt werden, da in den vorgegebenen Lastprofilen Strompulse ähnlicher Stärke enthalten sind, wie sie auch für die Bestimmung der Innenwiderstandswerte für das Kennlinienfeld für den Innenwiderstand der Batterie verwendet worden sind. Der Innenwiderstand kann jedoch nur in Phasen der Entladung bestimmt werden, da hier entsprechende Spannungs- und Stromänderungen durch Pulsbelastung auftreten.In order to largely eliminate the influences of a maltreatment of the battery or its aging, an advantageous further development of the method according to the invention provides that the aging of the storage battery and the resulting internal resistance R i enter into the more precise calculation of the number (n) of the residual actuation cycles over a further characteristic field , in which the discharge end condition is precalculated for the multiple of the internal resistance of a new battery, the measured internal resistance R imess = ΔU / ΔI being determined upon loading of the storage battery and stored until it is replaced by a more recent value when recharged. Such a calculation can be carried out since the predetermined load profiles contain current pulses of similar intensity as have also been used for determining the internal resistance values for the characteristic curve for the internal resistance of the battery. However, the internal resistance can only be determined in phases of the discharge, since here corre sponding sponding voltage and current changes due to pulse load occur.

Figure 00040001
Figure 00040001

Bei der Berechnung wird die Differenz des aktuellen Stromwertes mit dem um zwei Rechenschritte verzögerten Wert gebildet. Befindet sich dieser Differenzstromwert im vorgenannten Bereich, so wird die zugehörige Spannungsdifferenz (U(t) – U(t – 2Δt) durch die Stromänderung (I(t) – I(t – 2Δt) geteilt. Dieser berechnete Wert wird nun so lange gehalten, bis die Bedingung für eine Neuberechnung erfüllt wird.at the calculation becomes the difference of the actual current value delayed by two steps Value formed. Is this difference current value in the aforementioned Area, so does the associated Voltage difference (U (t) - U (t - 2Δt) by the current change (I (t) - I (t - 2Δt) shared Calculated value is now held until the condition for recalculation is fulfilled.

Der berechnete Innenwiderstandswert (Ri) wird mit dem aus dem Kennlinienfeld verglichen und es wird der jeweils höhere Wert zur Weiterverarbeitung ausgegeben.The calculated internal resistance value (R i ) is compared with that from the characteristic field and the higher value is output for further processing.

Um bei der Berechnung der Anzahl der Restbetätigungszyklen die Belastung der Batterie zu berücksichtigen, die vor dem aktuellen Zeitpunkt auf die Batterie eingewirkt hat, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass für die Berechnung der Anzahl (n) der Restbetätigungszyklen eine genauer berechnete Leerlaufspannung U02 insbesondere zum Entladeende gemäß der Formel U02 = U0(Temp, SoC) – Ucap·k verwendet wird, wobei mit Ucap eine an der Doppelschichtkapazität Cd in jeder Zelle der Speicherbatterie aufgrund eines elektrolytischen Massentransfers abfallende Spannung und mit k die Anzahl der Zellen der Speicherbatterie bezeichnet werden. die an der Doppelschichtkapazität Cd in jeder Zelle der Speicherbatterie aufgrund eines elektrolytischen Massentransfers abfallende Spannung Ucap gemäß der Formel

Figure 00040002
berechnet wird, wobei T = Rct·Cd, während mit I der durch die Speicherbatterie fließende Strom, mit t die Zeit und mit Rct durch Massentransfer in der Speicherbatterie verursachter Widerstand bezeichnet werden.In order to take into account in the calculation of the number of residual actuation cycles, the load of the battery, which acted on the battery before the current time, provides another advantageous development of the inventive method that for the calculation of the number (n) of the residual actuation cycles a more precisely calculated Open circuit voltage U 02 in particular to the discharge end according to the formula U 02 = U 0 (Temp, SoC) - U cap · k is used, where with U cap at the double-layer capacitance C d in each cell of the storage battery due to an electrolytic mass transfer falling voltage and k, the number of cells of the storage battery are called. the voltage U cap at the double-layer capacitance C d in each cell of the storage battery due to an electrolytic mass transfer according to the formula
Figure 00040002
where T = R ct * C d , where I is the current flowing through the storage battery, t is time, and R ct is mass transfer in the storage battery.

Weitere vorteilhafte Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 5 und 6 aufgeführt.Further advantageous features of the method according to the invention are in the dependent claims 5 and 6 listed.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen am Beispiel der Betätigung des Bremsaktuators einer „Brake-by-wire-Bremsanlage" näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The Invention will be described below with reference to the accompanying drawings by way of example the operation of the Brake actuator of a "brake-by-wire brake system" explained in more detail show the drawings:

1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Restbremszyklen; und 1 a schematic representation of the inventive method for determining residual brake cycles; and

2 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Batterie zur Modellierung der Klemmenspannung. 2 an electrical equivalent circuit diagram of a battery for modeling the terminal voltage.

Um eine Auswertung des Leistungsvermögens der Batterie zu ermöglichen, wurde ein Verfahren entwickelt, das die Anzahl an normierten definierten Bremsvorgängen (im Folgenden als Restbremszyklen bezeichnet) bestimmt. Die maximal benötigte Energiemenge sowie der Maximalwert der benötigten Leistung für ein beliebiges Lastprofil kann als Referenzprofil konfiguriert werden.Around to allow an evaluation of the performance of the battery a method was developed that defines the number of standardized ones braking (hereinafter referred to as residual brake cycles) determined. The maximum required amount of energy as well as the maximum value of the needed Performance for Any load profile can be configured as a reference profile.

Es wird angenommen, dass realistische Bremsprofile als Leistungsprofile über der Zeit bekannt sind. Die maximale Leistung, die von der Batterie zur Verfügung gestellt werden kann, berechnet sich gemäß nachfolgender Formel zu

Figure 00050001
It is believed that realistic braking profiles are known as performance profiles over time. The maximum power that can be provided by the battery is calculated according to the formula below
Figure 00050001

Die Leerlaufspannung der Batterie (U0,cell) und der Innenwiderstand (Ri) sind durch Kennlinienfelder in Abhängigkeit sowohl der Temperatur (T) als auch des Ladezustands (SoC – State of Charge) vorgegeben (z.B. durch Messungen ermittelt). Der Minimalwert für die Zellenspannung (Umin,cell) bei der Entladung kann definiert werden. Als Leistungswert (Pmax,dis) wird der Maximalwert des Lastprofils verwendet. Ziel ist es, einen Ladezustand in Abhängigkeit von der Temperatur zu ermitteln, bei dem die Batterie die für einen Bremsvorgang benötigte Leistung nicht mehr erbringen kann. Dazu werden die hinterlegten Kennlinien für die Leerlaufspannung und den Innenwiderstand durch Polynome zu geschlossenen mathematischen Funktionen genähert. Die obige Gleichung wird zur Variable Ladezustand hin aufgelöst und der Ladezustand für die Entladeendebedingung (SoCend) bestimmt sich durch Lösung des Polynoms.The open-circuit voltage of the battery (U 0, cell ) and the internal resistance (R i ) are given by characteristic curves as a function of both the temperature (T) and the state of charge (SoC - State of charge) (eg determined by measurements). The minimum value for the cell voltage (U min, cell ) during discharge can be defined. The power value (P max, dis ) is the maximum value of the load profile. The aim is to determine a state of charge as a function of the temperature at which the battery can no longer provide the power required for a braking process. For this purpose, the stored characteristic curves for the no-load voltage and the internal resistance are approximated by polynomials to form closed mathematical functions. The above equation is resolved to the variable state of charge and the state of charge for the discharge end condition (SoC end ) is determined by solving the polynomial.

Da die Berechnung von quadratischen Gleichungen, wie sie bei der Lösung des Problems entstehen, sehr rechenintensiv ist, wird diese Berechnung im Vorfeld außerhalb des Algorithmus beispielsweise in der Programmierumgebung Matlab durchgeführt. Es ergibt sich eine Kennlinie in Abhängigkeit der Temperatur für den Ladezustand, bei dem die definierte Leistung (Pmax,dis) gerade nicht mehr erbracht werden kann. Da die einzelnen Kennlinien als zeitlich konstant angenommen werden, muss diese Bedingung für das Entladeende nur einmal für jede betrachtete Batterietemperatur berechnet werden.Since the calculation of quadratic equations, as they arise in solving the problem, is very computationally intensive, this computation is performed in advance outside the algorithm, for example in the Matlab programming environment. The result is a characteristic as a function of the temperature for the state of charge, in which the defined power (P max, dis ) just can not be provided. Since the individual characteristic curves are assumed to be constant over time, this condition for the discharge end must be calculated only once for each battery temperature under consideration.

Das Prinzip für die Berechnung von Restbremszyklen ist in 1 für zwei Zeitpunkte (t1 und t2) dargestellt. Durch den Ladezustand der Batterie zum Zeitpunkt t1 (SoCt1) wird die aktuelle Leerlaufspannung der Batterie (Ut1) bestimmt. Die Leerlaufspannung der Batterie für das Entladeende (Uend) wird aus dem bereits berechneten Ladezustand für das Entladeende (SoCend) und dem Kennlinienfeld für die Leerlaufspannung bestimmt. Der Mittelwert dieser beiden Spannungswerte kennzeichnet die mittlere Leerlaufspannung der Batterie (Um,t1) vom Zeitpunkt t1 bis zum Entladeende.The principle for the calculation of residual brake cycles is in 1 for two times (t 1 and t 2 ). Due to the state of charge of the battery At time t 1 (SoC t1 ), the current open circuit voltage of the battery (U t1 ) is determined. The open circuit voltage of the battery for the discharge end (U end ) is determined from the already calculated state of charge for the discharge end (SoC end ) and the characteristic curve field for the open circuit voltage. The average value of these two voltage values characterizes the average no-load voltage of the battery (U m, t 1 ) from time t 1 to the discharge end.

Figure 00070001
Figure 00070001

Um eine Anzahl an Restbremszyklen berechnen zu können, muss zunächst das vorliegende Leistungsprofil für einen definierten Restbremszykles über der Zeit integriert werden.Around To be able to calculate a number of residual brake cycles, first the present performance profile for a defined Restbremszykles be integrated over time.

Figure 00070002
Figure 00070002

Es ergibt sich die benötigte Energiemenge (W) für einen Profildurchlauf (P(t)). Diese wird durch die mittlere Leerlaufspannung (Um,t1) der Batterie geteilt. Dadurch ist die durchschnittliche Ladungsmenge QB berechnet, die für einen Profildurchlauf benötigt wird. Durch die Differenz des aktuellen Ladezustands (SoCt1) zum Ladezustand für die Entladeendebedingung (SoCend) ist die verbleibende Ladungsmenge in der Batterie unter Berücksichtigung der aktuellen Batteriekapazität (CBat) bestimmt. Diese wird nun durch die für einen Profildurchlauf benötigte Ladungsmenge (QB) geteilt und es ergibt sich die momentane Anzahl an Restbremszyklen (n1). Dieser Wert kennzeichnet die Anzahl an möglichen Bremsvorgängen mit dem definierten Bremsprofil, welche die Batterie zum aktuellen Zeitpunkt noch ermöglicht. Die Berechnungen zum Zeitpunkt t2 entsprechen denen zum Zeitpunkt t1.The result is the required amount of energy (W) for a profile run (P (t)). This is divided by the mean no-load voltage (U m, t1 ) of the battery. This computes the average amount of charge Q B needed for a profile run. By the difference of the current state of charge (SoC t1 ) to the state of charge for the discharge end condition (SoC end ), the remaining amount of charge in the battery is determined taking into account the current battery capacity (C Bat ). This is then divided by the charge quantity (Q B ) required for a profile pass and the current number of remaining brake cycles (n 1 ) is obtained. This value indicates the number of possible braking processes with the defined brake profile, which still allows the battery at the current time. The calculations at time t 2 correspond to those at time t 1 .

Figure 00070003
Figure 00070003

Die Praxis zeigt jedoch, dass sich zum Beispiel durch Fehlbehandlung der Batterie oder durch Alterung der Innenwiderstand der Batterie derart ändern kann, dass die Schätzung der Restbremszyklen nicht mehr korrekt ist, da die Daten des Kennlinienfeldes für den Innenwiderstand der Batterie nicht mehr dem realen Innenwiderstand der Batterie entsprechen. Dabei bedeutet eine korrekte Vorhersage von Restbremszyklen, dass eine Anzahl von möglichen Durchläufen des Referenzbremsprofils von kleiner oder gleich 0 berechnet wird, bevor die Batterie die definierte Spannung für das Entladeende (Umin,cell) infolge eines Bremsvorgangs unterschreitet. Die Anzahl der Restbremszyklen wird zu 0 berechnet, wenn der Wert SoCt1 gleich dem Wert SoCend ist.However, practice shows that, for example, by incorrect handling of the battery or by aging, the internal resistance of the battery can change such that the estimate of the remaining brake cycles is no longer correct, since the data of the characteristic map for the internal resistance of the battery no longer the real internal resistance of the battery Battery correspond. In this case, a correct prediction of remaining brake cycles means that a number of possible passes of the reference brake profile of less than or equal to 0 is calculated before the battery falls below the defined voltage for the discharge end (U min, cell ) as a result of a braking operation. The number of remaining brake cycles is calculated as 0 if the value SoC t1 equals SoC end .

Die Bedingung für das Entladeende wurde deshalb um die Abhängigkeit vom Verhältnis des aktuell berechneten Innenwiderstands der Batterie zu dem Wert für den Innenwiderstand aus vermessenen Kennlinienfeldern erweitert. Eine derartige Berechnung kann durchgeführt werden, da in den vorgegebenen Lastprofilen Strompulse ähnlicher Stärke enthalten sind, wie sie auch für die Bestimmung der Innenwiderstandswerte für das Kennlinienfeld für den Innenwiderstand der Batterie verwendet worden sind. Der Innenwiderstand kann jedoch nur in Phasen der Entladung bestimmt werden, da hier entsprechende Spannungs- und Stromänderungen durch Pulsbelastung auftreten.The Condition for the unloading was therefore about the dependence on the ratio of currently calculated internal resistance of the battery to the value for the internal resistance extended from measured characteristic fields. Such a calculation can be done be because in the given load profiles current pulses more similar Strength are included, as they are for the determination of the internal resistance values for the characteristic curve for the internal resistance the battery has been used. The internal resistance can however be determined only in phases of discharge, as here corresponding Voltage and current changes occur due to pulse load.

Figure 00080001
Figure 00080001

Es wird eine Änderung der Stromstärke detektiert, die in der Größenordnung zwischen 3A und 6A liegt. Dies geschieht, indem die Differenz des aktuellen Stromwertes mit dem um zwei Rechenschritte verzögerten Wert gebildet wird. Befindet sich dieser Differenzstromwert im vorgenannten Bereich, so wird die zugehörige Spannungsdifferenz (U(t) – U(t – 2Δt) durch die Stromänderung (I(t) – I(t – 2Δt) geteilt. Dieser berechnete Wert wird nun so lange gehalten, bis die Bedingung für eine Neuberechnung erfüllt wird. Der berechnete Innenwiderstandswert (Ri) wird mit dem aus dem Kennlinienfeld verglichen und es wird der jeweils höhere Wert zur Weiterverarbeitung ausgegeben.A change in current magnitude is detected which is on the order of 3A to 6A. This is done by forming the difference of the current current value with the value delayed by two calculation steps. If this difference current value is in the aforementioned range, the associated voltage difference (U (t) -U (t-2Δt) is divided by the current change (I (t) -I (t-2Δt).) This calculated value is now held for so long until the condition for a recalculation is met, the calculated internal resistance value (R i ) is compared with that from the characteristic field and the higher value is output for further processing.

Der berechnete Wert für den Innenwiderstand geht in die Berechnung von möglichen Restbremszyklen ein, indem das Verhältnis von berechnetem zu hinterlegtem Innenwiderstand berechnet wird. Dieses Widerstandsverhältnis wird für das Kennlinienfeld, das den Ladezustand der Entladeendebedingung für Referenzbremszyklen enthält, benötigt. Dieses ist in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Verhältnis des aktuell gemessenen zu dem im Modell hinterlegten Wert für den Innenwiderstand der Batterie in einem Kennlinienfeld hinterlegt.Of the calculated value for the internal resistance is included in the calculation of possible residual brake cycles, by the ratio calculated from deposited to internal resistance. This resistance ratio is for the characteristic field showing the state of charge of the discharge end condition for reference brake cycles contains needed. This is in dependence from the temperature and the ratio of the currently measured value stored in the model for the internal resistance of the model Battery stored in a characteristic field.

Zusätzlich zur Veränderung des Innenwiderstands der Batterie muss auch die Belastung der Batterie bei der Berechnung von Restbremszyklen berücksichtigt werden, die vor dem aktuell betrachteten Zeitpunkt auf die Batterie eingewirkt hat. Die Ursache liegt darin begründet, dass eine stark belastete Batterie weniger Ladungsmenge bis zum Entladeende zur Verfügung stellen kann als eine weniger stark belastete Batterie.In addition to change The internal resistance of the battery must also be the load on the battery be taken into account in the calculation of residual braking cycles, before acted on the currently considered time on the battery. The cause lies in the fact that a heavily loaded battery has less charge amount until Discharging available can act as a less heavily loaded battery.

Um diese Batterieeigenschaft zu berücksichtigen, wird die Leerlaufspannung (Uend, 1) und somit auch der Ladezustand für das Entladeende (SoCend, 1) entsprechend der Batteriebelastung verschoben. Dabei führt eine Belastung durch Entladung zu einer Verschiebung der Entladeendebedingung zu einem höheren Ladezustandswert SoCend und zu einem niedrigeren Ladezustandswert bei Ladevorgängen SoCend. Durch die Anpassung der Entladeendebedingung wird die berechnete Anzahl an verfügbaren Restbremszyklen entsprechend der nahen Vergangenheit durch Belastung der Batterie korrigiert.To take this battery characteristic into account the open circuit voltage (U end , 1 ) and thus also the state of charge for the discharge end (SoC end , 1 ) according to the battery load. In this case, a load by discharge leads to a shift of the discharge end condition to a higher state of charge value SoC end and to a lower state of charge value during charging SoC end . By adjusting the discharge end condition, the calculated number of available remaining brake cycles corresponding to the near past is corrected by loading the battery.

Die Anpassung der Entladeendebedingung aufgrund der Belastung erfolgt durch Berechnung eines Spannungsabfalls aufgrund elektrochemischer Reaktionen in der Batterie. 2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild zur Berechnung der Klemmenspannung einer Batterie.The adjustment of the discharge end condition due to the load is made by calculating a voltage drop due to electrochemical reactions in the battery. 2 shows the electrical equivalent circuit diagram for calculating the terminal voltage of a battery.

Die Batterieklemmenspannung berechnet sich zu: UBat = U0,Bat – Ri,Bat·IBat + Vcat, mitUBat: Klemmenspannung der Batterie, U0,Bat: Leerlaufspannung der Batterie, IBat: Batteriestrom, Ri,Bat: Innenwiderstand der Batterie, Vcap: dynamisch integrierte Spannung an der Parallelschaltung CD und Rct, CD: Doppelschichtkapazität (Elektrode-Elektrolyt), Rct: Widerstand durch Massentransfer in der Batterie.The battery terminal voltage is calculated as: U Bat = U 0, Bat - R i, Bat · I Bat + V cat , With U Bat : battery terminal voltage, U 0, Bat : battery open circuit voltage, I Bat : battery current, R i, Bat : internal battery resistance, V cap : dynamically integrated parallel circuit voltage C D and R ct , C D : double layer capacitance ( Electrode electrolyte), R ct : resistance due to mass transfer in the battery.

Die Spannung Vcap repräsentiert hierbei den Anteil an der Klemmenspannung, der durch einen elektrolytischen Massentransfer innerhalb der Batterie hervorgerufen wird und berücksichtigt dabei die Auswirkungen des Stromflusses auf die Klemmenspannung der Batterie. Der Einfluss von Strompulsen auf die Änderung von Vcap ist dabei geringer als bei konstanter Stromentnahme. Die Größe Rct in 2 berücksichtigt die Einflüsse durch Ladungstransfer in der Batterie und die Größe CD beschreibt funktionell einen Kondensator, der sich zwischen der Elektrode der Batterie und dem Elektrolyten ausbildet. Dabei muss folgendes Integral berechnet werden:

Figure 00100001
The voltage V cap here represents the proportion of the terminal voltage, which is caused by an electrolytic mass transfer within the battery, taking into account the effects of current flow on the terminal voltage of the battery. The influence of current pulses on the change of V cap is less than with constant current drain. The size R ct in 2 considers the effects of charge transfer in the battery and the size C D functionally describes a capacitor that forms between the electrode of the battery and the electrolyte. The following integral must be calculated:
Figure 00100001

Die Spannung Vcap geht in die Berechnung ein, indem sie auf eine Elementarzelle der Batterie bezogen berechnet wird und von der Leerlaufspannung für das Entladeende der Batterie abgezogen wird. Dadurch wird die oben beschriebene Anpassung des Entladeendes erreicht, da Leerlaufspannung und Ladezustand der Batterie über ein Kennlinienfeld in Beziehung zu einander stehen.The voltage V cap is included in the calculation by being calculated based on a unit cell of the battery and subtracted from the no-load voltage for the discharging end of the battery. Thereby, the above-described adjustment of the discharge end is achieved because open circuit voltage and state of charge of the battery are related to each other via a family of characteristics.

Claims (6)

Verfahren zum Ermitteln der Funktionsfähigkeit einer Speicherbatterie durch Ermitteln von Kennwerten für den Ladezustand (SoC) und die Gebrauchstüchtigkeit (SoH) bei elektrischer Belastung der Speicherbatterie, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Gebrauchstüchtigkeit (SoH) die Anzahl der Restbetätigungszyklen (n) eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers bestimmt wird, wobei die Leerlaufspannung U0kenn = f(Temp, SoC) sowie der Innenwiderstand Rikenn = f(Temp, SoC) in Form von Kennlinien in Abhängigkeit von der Temperatur (Temp) und des Lastzustandes (SoC) abgelegt werden und durch Messung der Leerlaufspannung (U0mess), des Innenwiderstandes (Rimess) und der Temperatur (Temp) und durch anschließendes Rückwärtsablesen der Kennlinien ein Schätzwert des Ladezustands (SoC) bestimmt wird, wobei ein Schätzwert (n1) der Anzahl (n) der Restbetätigungszyklen aus der benötigten Arbeit (W), zeitlich aufintegriert über den Leistungsbedarf P gemäß der Formel
Figure 00120001
einer Betätigung und der daraus abgeleiteten Entlademenge QB = W/Uakt nach der Formel
Figure 00120002
berechnet wird, wobei mit Uakt die aktuelle Spannung der Speicherbatterie, mit SoCakt der aktuelle Ladezustand, mit SoCend der zulässige Entladezustand, mit QBat die nominale Batterieladung und mit QB die für eine Betätigung benötigte Ladungsmenge bezeichnet werden.Method for determining the functional capability of a storage battery by determining state of charge (SoC) and serviceability (SoH) values under electrical loading of the storage battery, characterized in that the number of remaining operation cycles (n) of a safety-relevant one is used as a measure of the serviceability (SoH) Consumer is determined, the open-circuit voltage U 0kenn = f (Temp, SoC) and the internal resistance R ikenn = f (Temp, SoC) are stored in the form of characteristics as a function of the temperature (Temp) and the load state (SoC) and by Measurement of the open circuit voltage (U 0mess ), the internal resistance (R imess ) and the temperature (Temp) and by subsequent read back the characteristics an estimate of the state of charge (SoC) is determined, wherein an estimated value (n 1 ) of the number (n) of the residual operation cycles from the required work (W), temporally integrated over the power requirement P according to the formula
Figure 00120001
an actuation and the discharge quantity Q B = W / U akt derived therefrom according to the formula
Figure 00120002
where U act is the current voltage of the storage battery, SoC akt is the current state of charge, SoC end is the discharge state, Q Bat is the nominal battery charge, and Q B is the amount of charge needed for operation. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Alterung der Speicherbatterie und der dadurch ansteigende Innenwiderstand Ri in die genauere Berechnung der Anzahl (n2) der Restbetätigungszyklen durch ein weiteres Kennlinienfeld eingeht, dass das Entladeende in Abhängigkeit des Vielfachen des Innenwiderstands einer neuwertigen Batterie enthält, wobei der gemessene Innenwiderstand Rimess = ΔU/ΔI bei Belastung der Speicherbatterie bestimmt und gespeichert wird, bis er bei erneuter Belastung durch einen aktuelleren Wert ersetzt wird.A method according to claim 1, characterized in that the aging of the storage battery and the resulting increasing internal resistance R i in the more accurate calculation of the number (n 2 ) of the residual actuation cycles by another characteristic field receives that contains the discharge depending on the multiple of the internal resistance of a new battery , wherein the measured internal resistance R imess = .DELTA.U / .DELTA.I is determined under load of the storage battery and stored until it is replaced when reloaded by a more recent value. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung der Anzahl (n) der Restbetätigungszyklen eine genauer berechnete Leerlaufspannung U02 insbesondere zum Entladeende gemäß der Formel U02 = U0(Temp, SoC) – Ucap·k verwendet wird, wobei mit Ucap eine an der Doppelschichtkapazität Cd in jeder Zelle der Speicherbatterie aufgrund eines elektrolytischen Massentransfers abfallende Spannung und mit k die Anzahl der Zellen der Speicherbatterie bezeichnet werden.A method according to claim 1 or 2, characterized in that for the calculation of the number (n) of the residual actuation cycles, a more precisely calculated no-load voltage U 02 is used, in particular for the discharge end according to the formula U 02 = U 0 (Temp, SoC) -U cap · k. with U cap one at the double-layer capacitance C d in each cell of the Storage battery due to an electrolytic mass transfer voltage drop and denoted by k, the number of cells of the storage battery. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die an der Doppelschichtkapazität Cd in jeder Zelle der Speicherbatterie aufgrund eines elektrolytischen Massentransfers abfallende Spannung Ucap gemäß der Formel
Figure 00130001
berechnet wird, wobei T = Rct·Cd, während mit I der durch die Speicherbatterie fließende Strom, mit t die Zeit und mit Rct durch Massentransfer in der Speicherbatterie verursachter Widerstand bezeichnet werden.A method according to claim 3, characterized in that the at the double-layer capacitance C d in each cell of the storage battery due to an electrolytic mass transfer falling voltage U cap according to the formula
Figure 00130001
where T = R ct * C d , where I is the current flowing through the storage battery, t is time, and R ct is mass transfer in the storage battery. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) der Restbetätigungszyklen durch iteratives Wiederholen der Berechnungsschritte genauer bestimmt wird.Method according to one of Claims 1 to 4, characterized that the number (n) of the residual operation cycles determined more accurately by iteratively repeating the calculation steps becomes. Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der sicherheitsrelevante Verbraucher ein elektromechanisch betätigbarer Aktuator einer „Brake-by-wire"-Bremsanlage ist.Method according to one of the preceding claims characterized characterized in that the safety-relevant consumer is an electromechanical actuated Actuator of a "brake-by-wire" -Bremsanlage is.
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